AT513732B1 - Verfahren zur ortsaufgelösten Druckmessung - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung entlang eines Druckbereiches, wobei erfmdungsgemäß vorgeschlagen wird, dass mithilfe einer, innerhalb einer rohrförmigen Umhüllung (6) in Längsrichtung der Umhüllung (6) verlaufenden Glasfaser (11) umfassend einen Glasfaserkern (11"), einen Glasfasermantel (11'), sowie eine äußere Schutzschicht (16), auf einen Längenabschnitt der entlang des Druckbereiches (15) angeordneten, rohrförmigen Umhüllung (6) isotrop wirkender Druck in eine asymmetrische Druckbelastung auf den, innerhalb des Längenabschnittes liegenden Bereich des Glasfasermantels (11') umgewandelt wird, wo bei mithilfe einer Reflexionsmessung entlang der Glasfaser (11) die durch die asymmetrische Druckbelastung bewirkte Doppelbrechung in diesem Längenabschnitt detektiert und aus der so ermittelten, asymmetrischen Druckbelastung der auf den Längenabschnitt wirkende Druck ermittelt wird. Mithilfe der Erfindung ist es möglich, entlang der Glasfaser (11) eine ortsaufgelöste Druckmessung durchzuführen, und somit auf kostengünstige Weise den Druckverlauf entlang der im Druckbereich (15) angeordneten, rohrförmigen Umhüllung (6) zu bestimmen.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsaufgelösten Druckmessung entlang einesDruckbereiches gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung zur ortsaufge¬lösten Druckmessung entlang eines Druckbereiches gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2und 8.

[0002] In vielen Anwendungen ist es erforderlich, Druckmessungen unter extremen Bedingun¬gen hinsichtlich Zugänglichkeit des Messbereiches oder der Umgebungstemperatur durchzu¬führen, etwa in der Gas- und Ölforderindustrie, bei Tragseilen wie z.B. in Kranseilanwendungen,in Tiefseeanwendungen wie etwa der Tsunamiwarnung, oder bei Hochdruckwasserleitungen fürKraftwerke usw. In der Ölförderung etwa ist es notwendig die Druckverhältnisse im Bohrloch zukennen, um den Transport des Öls zur Oberfläche steuern und optimieren zu können. BekannteVerfahren sehen hierzu vor allem elektrische Messeinrichtungen vor, die innerhalb des Druck¬bereiches in unterschiedlichen Tiefen installiert werden und Informationen über Druck undTemperatur liefern sollen. Der Einsatz solcher elektrischer Messeinrichtungen ist bei widrigenUmgebungsbedingungen wie hoher Temperatur, starken Vibrationen, und hohem hydrostati¬schen Druck aber sehr beschränkt und in der Praxis sehr problematisch. Zudem muss einekorrekte Funktion gewährleistet sein, da fehlerhafte Druck- und Temperaturmessungen fataleund kostenintensive Folgen haben können, etwa beim Betrieb eines Bohrloches. Des Weiterenist die Übermittlung elektrischer Signale mitunter schwierig, wenn Funkverbindungen nichtanwendbar sind und elektrische Kabel entsprechend geschützt verlegt werden müssten, dawidrige Temperatur- und Druckverhältnisse sowie der Einfluss korrosiver Flüssigkeiten inner¬halb des Druckbereiches die Kabelisolierungen rasch beschädigen würden.

[0003] Daher wurde auch vorgeschlagen, Druck- und Temperaturmessungen mithilfe optischerVerfahren durchzuführen, etwa in den Druckschriften WO 2011/058314 A1 undWO 1999/32863 A1. Weitere Vorrichtungen wurden in der US 5841131 A, US 2004165809 A1,WO 2010139934 A1 und der WO 2011045006 A1 beschrieben. Ferner wurden Messungenmithilfe optischer Interferometer vorgeschlagen, die am Ende eines Glasfaserleiters angeordnetsind und in das Bohrloch eingebracht werden. Optische Interferometer sind in ihren Messungenjedoch sehr anfällig gegenüber Temperaturänderungen, sodass bei demselben Druck untervariierender Temperatur mitunter unterschiedliche Druckwerte gemessen werden. Zudem sindmit optischen Interferometern nur punktuelle Messungen möglich. Die Ermittlung eines annä¬hernd kontinuierlichen Druckverlaufes entlang der gesamten Bohrlochtiefe ist mit bekanntenMessvorrichtungen nicht möglich.

[0004] Es ist daher das Ziel der Erfindung ein Verfahren zur ortsaufgelösten Druckmessung zuverwirklichen, das insbesondere auch unter Messbedingungen wie einem hydrostatischenUmgebungsdruck von bis zu 1000 bar oder Temperaturen von mehreren Hundert Grad Celsiuseinsetzbar ist. Des Weiteren ist es Ziel der Erfindung eine entsprechende Druckmessvorrich¬tung bereit zu stellen.

[0005] Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 und 2 erreicht. Anspruch 1bezieht sich auf ein Verfahren zur ortsaufgelösten Druckmessung entlang eines Druckberei¬ches, bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass mithilfe einer, innerhalb einer rohrförmi¬gen Umhüllung in Längsrichtung der Umhüllung verlaufenden Glasfaser umfassend einen Glas¬faserkern, einen Glasfasermantel, sowie eine äußere Schutzschicht, auf einen Längenabschnittder entlang des Druckbereiches angeordneten, rohrförmigen Umhüllung isotrop wirkenderDruck in eine asymmetrische Druckbelastung auf den, innerhalb des Längenabschnittes liegen¬den Bereich des Glasfasermantels umgewandelt wird, wobei mithilfe einer Reflexionsmessungentlang der Glasfaser die durch die asymmetrische Druckbelastung bewirkte Doppelbrechung indiesem Längenabschnitt detektiert und aus der so ermittelten, asymmetrischen Druckbelastungder auf den Längenabschnitt wirkende Druck ermittelt wird.

[0006] Der mathematische Zusammenhang zwischen der äußeren Druckbelastung auf dierohrförmige Umhüllung und der asymmetrischen Belastung auf den Glasfasermantel ergibt sich dabei aus den strukturellen Merkmalen der Anordnung der Glasfaser innerhalb der rohrförmigenUmhüllung sowie dem Aufbau der Glasfaser selbst und ist freilich für eine bestimmte Anordnungbekannt. In anderen Worten ist die Glasfaser innerhalb der rohrförmigen Umhüllung auf eineWeise anzuordnen, dass dieser mathematische Zusammenhang auch bekannt und festgelegtist. Dieser Zusammenhang wird im Folgenden auch als kinematisch definierte Kopplung be¬zeichnet, also dass sich eine vorgegebene, isotrope Druckbelastung auf die rohrförmige Umhül¬lung auf wohldefinierte Weise in eine eindeutige, asymmetrische Druckbelastung auf den Glas¬fasermantel umsetzt. Auf diese Weise kann einer Druckbelastung auf die rohrförmige Umhül¬lung ein bestimmter, asymmetrischer Belastungsfall auf den Glasfasermantel zugeordnet wer¬den. In umgekehrter Weise kann dadurch auch aus einem gemessenen, asymmetrischen Be¬lastungsfall des Glasfasermantels eindeutig auf den außen anliegenden Druck auf die rohrför¬mige Umhüllung geschlossen werden. Möglichkeiten zur baulichen Ausführung einer solchenkinematisch definierten Kopplung werden im Folgenden noch aufgezeigt werden. Erfindungs¬gemäß erfolgt die Messung der asymmetrischen Druckbelastung auf den Glasfasermantelinnerhalb eines Längenabschnittes mithilfe einer Reflexionsmessung entlang der Glasfaser,wobei die durch die asymmetrische Druckbelastung bewirkte Doppelbrechung in diesem Län¬genabschnitt detektiert wird. Eine Möglichkeit der Reflexionsmessung besteht etwa in der opti¬schen Zeitbereichsreflektometrie (OTDR, Optical-Time-Domain-Reflectometry), oder in der zurOTDR ähnlichen optischen Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR, Optical-Frequency-Domain- Reflectometry), bei der im Unterschied zur OTDR nicht im Zeitbereich, sondern imFrequenzbereich gearbeitet wird. Hierbei handelt es sich jeweils um Reflexionsmessungen, beidenen ein Laserlichtpuls in die Glasfaser eingekoppelt und das (Rayleigh-)Rückstreulicht überder Zeit gemessen wird. Das gemessene Signal besitzt eine Zeitabhängigkeit, die über dieGruppengeschwindigkeit in eine Ortsabhängigkeit umgerechnet werden kann. Somit kann eineortsaufgelöste Messung realisiert werden. Eine spezielle Art dieser Reflexionsmessungen stelltdie polarisationsabhängige optische Reflektometrie (POTDR) dar. Hierbei wird ein Polarisatoram Eingang der Faser, sowie ein rechtwinkelig dazu angeordneter Analysator verwendet. DerPolarisationszustand des rückgestreuten Lichtes wird dabei aufgezeichnet, woraus sich dieSchwebungslänge bzw. die lineare Doppelbrechung bestimmen lässt. Mit dieser Methode ist esmöglich, lokale Werte der Doppelbrechung entlang der Glasfaser zu ermitteln. Die lokale Dop¬pelbrechung ist wiederum von Größen wie dem äußeren Druck und/oder der Temperatur ab¬hängig und tritt im Reflexionssignal als Anstiegsänderung auf. Das Reflexionssignal selbst kannmithilfe eines optischen Strahlteilers einem Detektor zugeführt werden, der das optische Signalin ein elektrisches Signal zur weiteren Auswertung umwandelt. Ist die durch die asymmetrischeDruckbelastung bewirkte Doppelbrechung in einem Längenabschnitt der Glasfaser detektiert,kann aus der so ermittelten, asymmetrischen Druckbelastung über die kinematisch definierteKopplung der isotrop wirkende Druck in diesem Längenabschnitt ermittelt werden.

[0007] Die Erfindung sieht somit vor, die Glasfaser selbst für die Druckmessungen heranzuzie¬hen und an vielen Messpunkten entlang der Glasfaser Messungen vorzunehmen, also eineortsaufgelöste Druckmessung entlang der Glasfaser durchzuführen. Eine solche Art der Mes¬sung ermöglicht es auf kostengünstige Weise, einen Druckverlauf entlang der Glasfaser zubestimmen, also etwa den Druckverlauf innerhalb eines Bohrloches, in dem die Glasfaser an¬geordnet ist. Freilich bleibt das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Messverfahrensnicht auf Bohrlöcher beschränkt, sondern eignet sich für viele Einsatzgebiete, bei denen unterwidrigen Umgebungsbedingungen Druckmessungen durchzuführen sind, etwa in Pipelines oderin sonstigen druckbelasteten Einrichtungen.

[0008] Hinsichtlich der apparativen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eineVorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung entlang eines Druckbereiches vorgeschlagen,bei der. erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass sie aus einer Glasfaser umfassend einen Glas¬faserkern, einen Glasfasermantel, sowie eine äußere Schutzschicht gebildet wird, deren Glas¬fasermantel und/oder deren Schutzschicht innerhalb einer, im Druckbereich isotrop druckbelas¬teten rohrförmigen Umhüllung in Längsrichtung der Umhüllung azentrisch verlaufend angeord¬net ist, wobei die Glasfaser entlang eines Teilabschnittes ihres Umfangsbereiches an der Innen¬fläche der isotrop druckbelasteten Umhüllung anliegt und/oder an zumindest einer Stützfaser anliegt oder angeformt ist, die sich innerhalb der rohrförmigen Umhüllung in Längsrichtung derUmhüllung verlaufend erstreckt. Unter einer isotropen Druckbelastung wird dabei ein in derQuerschnittsebene der rohrförmigen Umhüllung entlang ihres Umfanges in seiner skalarenGröße gleich großer, also richtungsunabhängiger Druck verstanden. Unter hydrostatischenBedingungen wird zumeist ein isotroper Druck gegeben sein, jedoch ist es erfindungsgemäßentscheidend, die rohrförmige Umhüllung direkt dem Druckbereich auszusetzen, sodass derisotrope Druck auch unmittelbar auf die rohrförmige Umhüllung einwirkt, ohne durch umhüllendeoder sonstige Strukturen verfälscht zu werden.

[0009] Der asymmetrische Belastungsfall auf den Glasfasermantel wird erfindungsgemäß durcheine azentrische Anordnung des Glasfasermantels und/oder der Schutzschicht der Glasfaserinnerhalb der rohrförmigen Umhüllung erreicht. Unter einer azentrischen Anordnung des Glas¬fasermantels und/oder der Schutzschicht der Glasfaser ist hierbei gemeint, dass in einem Quer¬schnitt normal zur Längsachse der rohrförmigen Umhüllung der Mittelpunkt des Glasfaserman¬tels bzw. der Schutzschicht nicht mit dem Mittelpunkt der rohrförmigen Umhüllung zusammen¬fällt. Die Längsachsen der rohrförmigen Umhüllung und der Glasfaser mögen somit parallelzueinander verlaufen, aber nicht in derselben Achse. Diese Anordnung ist im Unterschied zueiner koaxialen Anordnung der Glasfaser zur rohrförmigen Umhüllung zu sehen, bei der ineinem Querschnitt normal zur Längsachse der rohrförmigen Umhüllung der Mittelpunkt derGlasfaser sehr wohl mit dem Mittelpunkt der rohrförmigen Umhüllung zusammenfällt. Der Glas¬fasermantel und die äußere Schutzschicht der Glasfaser können dabei konzentrisch sein, so¬dass eine azentrische Anordnung des Glasfasermantels auch gleichbedeutend mit einer azent¬rischen Anordnung der Schutzschicht ist. Es könnte die Glasfaser aber auch so gefertigt sein,dass der Glasfasermantel innerhalb der Schutzschicht nicht konzentrisch verläuft, etwa indemder Querschnitt der Schutzschicht überhaupt nicht kreisringförmig ausgeführt ist, sondern etwadreiecksförmig. In diesem Fall könnte die Schutzschicht der Glasfaser innerhalb der rohrförmi¬gen Umhüllung azentrisch angeordnet sein, obwohl der Glasfasermantel zentrisch innerhalb derrohrförmigen Umhüllung zu liegen kommt. Auch in einem solchen Fall kann jedoch eine isotropeDruckbelastung auf die rohrförmige Umhüllung in eine asymmetrische Belastung auf den Glas¬fasermantel umgewandelt werden.

[0010] Falls die Glasfaser entlang eines Teilabschnittes ihres Umfangsbereiches an der Innen¬fläche der isotrop druckbelasteten Umhüllung anliegt, findet eine direkte Druckübertragung vondet Umhüllung auf die Glasfaser statt. Im Falle einer direkten Anlage der Glasfaser an derInnenfläche der Umhüllung wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass zwei Stützfasern vorgese¬hen sind, die jeweils entlang eines Teilabschnittes ihrer Umfangsbereiche an der Innenflächeder Umhüllung anliegen und entlang weiterer Teilabschnitte ihrer Umfangsbereiche an derjeweils anderen Stützfaser und der Glasfaser anliegen oder an ihr angeformt sind. Sofern dieGlasfaser und die Stützfasern mit gleichem Durchmesser ausgeführt werden, bilden bei dieserKonstellation die Mittelpunkte der drei Fasern in einem Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck,sodass sich die asymmetrische Druckbelastung auf die Glasfaser aufgrund einfacher geometri¬scher Zusammenhänge leicht aus dem außen anliegenden, isotropen Druck errechnen lässt.Die Glasfaser ist dabei mit konzentrisch verlaufendem Glasfaserkern, Glasfasermantel undSchutzschicht gefertigt. Des Weiteren wird eine sichere, azentrische Fixierung der Glasfaserinnerhalb der Umhüllung und somit eine örtlich definierte Lage der Glasfaser innerhalb einerQuerschnittsebene der rohrförmigen Umhüllung sichergestellt. Bei der rohrförmigen Umhüllungkann es sich etwa um ein Edelstahlröhrchen handeln.

[0011] Die kinematisch definierte Kopplung kann somit durch Anliegen der Glasfaser entlangeines Teilabschnittes ihres Umfangsbereiches an der Innenfläche der Umhüllung erreicht wer¬den, also durch direkte, mechanische Druckübertragung. Gemäß einer weiteren Ausführungs¬form wird im Unterschied hierzu vorgeschlagen, dass die Glasfaser und die zumindest eineStützfaser in einem die Umhüllung ausfüllenden, transversal isotrop druckleitenden Mediumangeordnet sind. In diesem Fall ist keine direkte Anlage der Glasfaser an der Innenfläche derrohrförmigen Umhüllung notwendig, stattdessen erfolgt die Druckübertragung über das trans¬versal isotrop druckleitende Medium. Unter einem transversal isotrop druckleitenden Medium wird hierbei ein Medium verstanden, das einen Druck in der Querschnittsebene der rohrförmi¬gen Umhüllung ohne Richtungsabhängigkeit weiterleitet, etwa ein inkompressibles Gel oderspezielle Kunststoffe und polymere Werkstoffe wie Acrylate. Diese Ausführung ermöglicht eineweitere Verringerung des äußeren Durchmessers der rohrförmigen Umhüllung auf unter 0.3mm.Diese Ausführungsform bedingt jedoch die Anformung der Glasfaser an zumindest einer Stütz¬faser, um eine asymmetrische Druckbelastung auf die Glasfaser sicherzustellen, die sich indiesem Fall alleine daraus ergibt, dass die Glasfaser entlang eines Teilabschnittes ihres Um¬fangsbereiches an zumindest einer Stützfaser angeformt ist, und mit den verbleibenden Teilab¬schnitten ihres Umfangsbereiches frei liegt. Zur Sicherstellung einer azentrischen Lagerung wirdder innere Durchmesser der rohrförmigen Umhüllung entsprechend klein gewählt. Die Glasfaserist dabei wiederum mit konzentrisch verlaufendem Glasfaserkern, Glasfasermantel und Schutz¬schicht gefertigt.

[0012] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die rohrförmige Um¬hüllung entlang ihres Umfangsbereiches Öffnungen aufweist. In diesem Fall ist weder ein direk¬ter Kontakt der Glasfaser zur Innenfläche der rohrförmigen Umhüllung erforderlich, noch eindruckleitendes Medium innerhalb der rohrförmigen Umhüllung. Stattdessen kann über die Öff¬nungen ein äußeres Fluid oder Gas des Druckbereiches in die rohrförmige Umhüllung eintretenund unmittelbar Druck auf die Glasfaser ausüben. Diese Ausführungsform bedingt jedoch eben¬falls die Anformung der Glasfaser an zumindest einer Stützfaser, um eine asymmetrischeDruckbelastung auf die Glasfaser sicherzustellen, die sich in diesem Fall daraus ergibt, dass dieGlasfaser entlang eines Teilabschnittes ihres Umfangsbereiches an zumindest einer Stützfaserangeformt ist, und mit den verbleibenden Teilabschnitten ihres Umfangsbereiches dem Druckdes äußeren Fluids unmittelbar ausgesetzt ist.

[0013] Vorzugsweise handelt es sich bei zumindest einer der beiden Stützfasern um eine weite¬re Glasfaser, die als Multi Mode-Faser oder Single Mode-Faser ausgeführt sein kann und etwazur ortsaufgelösten Temperaturmessung herangezogen werden kann. Ortsaufgelöste Tempera¬turmessungen mithilfe von Glasfasern sind bekannt und können im Rahmen der Erfindung zurErhöhung der Genauigkeit der Druckmessung verwendet werden. Hohe Temperaturen könnenetwa eine thermische Ausdehnung der beteiligten Komponenten verursachen, die sich auf dieerfindungsgemäße Druckmessung auswirken können, insbesondere in jenen Ausführungsbei¬spielen, bei denen die Glasfaser und/oder zumindest eine Stützfaser unmittelbar an der Innen¬fläche der rohrförmigen Umhüllung anliegen. Daher ist es vorteilhaft, über eine ortsaufgelösteTemperaturinformation zur Kalibrierung der Druckmessung zu verfügen.

[0014] Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass es sich bei der rohrförmigen Umhüllung um einezylindrisch symmetrische Umhüllung handelt. Die zumindest in ihrem äußeren Umfang zylind¬risch symmetrisch ausgeführte Umhüllung ist insbesondere für Anwendungen unter hohemUmgebungsdruck vorteilhaft, da bei asymmetrischer Ausführung die äußeren Belastungen zuDeformierungen und letztendlich auch zu Zerstörungen der Umhüllung führen würden.

[0015] Der asymmetrische Belastungsfall auf die Glasfaser kann erfindungsgemäß aber auchdurch eine koaxiale Anordnung innerhalb einer rohrförmigen Umhüllung erreicht werden, fallsdie rohrförmige Umhüllung einen elliptischen Querschnitt aufweist. In diesem Fall könnte etwaeine Glasfaser vorgesehen sein, die an der Innenfläche einer rohrförmigen Umhüllung mit ellip¬tischem Querschnitt anliegt, sodass sie trotz isotroper Druckbelastung auf die rohrförmige Um¬hüllung asymmetrisch belastet wird. Daher wird auch eine Druckmessvorrichtung vorgeschla¬gen, die aus einer Glasfaser gebildet wird, die innerhalb einer, im Druckbereich isotrop druckbe¬lasteten rohrförmigen Umhüllung in Längsrichtung der Umhüllung koaxial verlaufend angeord¬net ist, wobei die rohrförmige Umhüllung einen elliptischen Querschnitt aufweist und die Glasfa¬ser entlang von Teilabschnitten ihres Umfangsbereiches an der Innenfläche der isotrop druck¬belasteten Umhüllung anliegt.

[0016] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der beilie¬genden Figuren näher erläutert. Es zeigen hierbei die [0017] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie zur Anwendung der erfindungsgemäßenVorrichtung, [0018] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung, bei der drei Glasfaserninnerhalb einer rohrförmigen Umhüllung in Anlage mit deren Innenfläche ange¬ordnet sind, [0019] Fig. 3 eine schematische Darstellung der Druckverhältnisse auf eine Glasfaser in einer

Anordnung gemäß Fig. 2, [0020] Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung, bei der zwei Glasfa¬sern aneinander angeformt und innerhalb einer rohrförmigen Umhüllung ange¬ordnet sind, [0021] Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung, bei der drei Glasfasernaneinander angeformt und innerhalb einer rohrförmigen Umhüllung angeordnetsind, und die [0022] Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung, bei der vier Glasfasernaneinander angeformt und innerhalb einer rohrförmigen Umhüllung angeordnetsind.

[0023] Zunächst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, um den allgemeinen apparativenMessaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie zur Anwendung dererfindungsgemäßen Vorrichtung zu erläutern. Über eine Datenverarbeitungseinrichtung 1 wirdein Pulsgenerator 2 angesteuert, der mithilfe einer Laserdiode 3 Lichtpulse erzeugt. DieseLaserlichtpulse werden über einen optischen Strahlteiler 4 entlang des Weges "A" über einenVerbinder 5 in die Glasfaser 11 (siehe Fig. 2) eingekoppelt, die innerhalb einer rohrförmigenUmhüllung 6 angeordnet ist, wie noch näher erläutert werden wird. Das rückgestreute Licht wirdvom optischen Strahlteiler 4 entlang des Weges "B" einem Photodetektor 7 zugeführt, der dasoptische Reflexionssignal in ein elektrisches Signal umwandelt. Das elektrische Signal kannmithilfe eines Verstärkers 8 verstärkt und mithilfe eines AD-Wandlers 9 in ein digitales Signalumgewandelt werden. Das digitale Reflexionssignal wird schließlich über die Datenverarbei¬tungseinrichtung 1 einer Ausgabeeinheit 10 zugeführt. Der beschriebene Aufbau kann freilichauch variieren, ist aber ansonsten bekannt. Zur Anwendung an sich bekannter Reflexionsmes¬sungen auf Messbedingungen wie einem Umgebungsdruck von bis zu 1000 bar oder Tempera¬turen von mehreren Flundert Grad Celsius wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsauf¬gelösten Druckmessung vorgeschlagen, wie sie anhand der nachfolgenden Figuren beschrie¬ben wird.

[0024] Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einererfindungsgemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Druckmessung, bei der eine Glasfaser 11innerhalb einer rohrförmigen Umhüllung 6 angeordnet ist, sowie zwei Stützfasern 12a, 12b, diejeweils entlang eines Teilabschnittes ihrer Umfangsbereiche an der Innenfläche der Umhüllung6 anliegen und entlang weiterer Teilabschnitte ihrer Umfangsbereiche an der jeweils anderenStützfaser 12a, 12b und der Glasfaser 11 anliegen. Der Freiraum 14 zwischen der rohrförmigenUmhüllung 6 und der Glasfaser 11 sowie der Stützfasern 12a, 12b kann etwa mit einemSchutzgas oder einem Gel gefüllt sein, ein Füllstoff ist jedoch bei dieser Ausführungsform nichtunbedingt notwendig, da die kinematisch definierte Kopplung über direkte Anlage der Glasfaser11 und den Stützfasern 12a, 12b an der Umhüllung 6 sicher gestellt wird. Der Freiraum 14könnte somit auch luftleer sein. Die zylindrisch symmetrische, rohrförmige Umhüllung 6 ist etwaals dichtes Edelstahlröhrchen gefertigt und kann von weiteren Umhüllungsschichten 13 umge¬ben sein, die eine Skalierbarkeit der Druckmessung erlauben. Die Glasfaser 11 kann mit einem äußeren Durchmesser ihres Glasfasermantels 11' von wenigen Mikrometern bis zu einigenHundert Mikrometern gefertigt werden, aufgrund derzeitiger fertigungstechnischer Grenzen fürdie metallische, rohrförmige Umhüllung 6 wird die Glasfaser 11 jedoch einen äußeren Durch¬messer im Bereich weniger Hundert Mikrometer aufweisen, und die rohrförmige Umhüllungeinen Innendurchmesser, der etwa dem Zwei- bis Dreifachen dem Außendurchmesser derGlasfaser 11 entspricht, also etwa im Bereich von 1mm. Die erfindungsgemäße Vorrichtung istgemäß Fig. 2 einem Druckbereich 15 ausgesetzt, wie er etwa innerhalb eines Ölbohrlochesauftritt. Auf den äußeren Umfang der rohrförmigen Umhüllung 6 wirkt somit mitunter ein hoherhydrostatischer Druck, der sich aufgrund des kleinen Außendurchmessers der rohrförmigenUmhüllung 6 und seiner zylindrischen Symmetrie als isotroper Druck darstellt, wie er in der Fig.2 durch die kleinen, radial verlaufenden Pfeile angedeutet ist, also als radial wirkender Druck,der jedoch entlang dem äußeren Umfang der Umhüllung 6 denselben skalaren Wert aufweist.Die Isotropie des anliegenden Druckes, also ein in seiner skalaren Größe entlang des Umfang¬bereiches der rohrförmigen Umhüllung symmetrischer Druck, kann umso besser erreicht wer¬den, je kleiner der äußere Durchmesser der rohrförmigen Umhüllung ausgeführt wird, etwakleiner als 1,5mm, vorzugsweise kleiner als 0.5mm.

[0025] Die Glasfaser 11 weist einen Glasfasermantel 11' ("cladding"), sowie einen Glasfaser¬kern 11" ("core") auf. Des Weiteren wird sie mit einer äußeren Schutzschicht 16 ("coating")versehen sein, deren Dicke und Material variieren kann. Bekannt sind etwa Schutzschichten 16aus Kohlenstoff oder einem metallischen Material, die im Rahmen der Erfindung vorwiegend imHochtemperaturbereich Einsatz finden werden. Bei niedrigeren Temperaturen können auchpolymere Werkstoffe wie Acrylate für die Schutzschicht 16 verwendet werden, oder Polyimideals höhenwertiger Werkstoff. In der vorliegenden Anmeldung wird der Begriff "Glasfaser" dabeiso verstanden, dass ein Glasfasermantel 1T, ein Glasfaserkern 11", sowie eine Schutzschicht16 aus variierendem Material und Dicke vorliegen, jedoch keine weiteren Schichten, wie sieetwa als "jacket" bekannt sind. Insbesondere die Verwendung von üblichen Kunststoffen solltebei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei hohen Temperaturen vermiedenwerden. Der Glasfasermantel 11' und der Glasfaserkern 11" leiten Licht mithilfe der bekanntenPrinzipien der Totalreflexion, wobei deren Aufbau und Zusammensetzung an sich bekannt ist.Vorzugsweise bilden jedoch Glasfasermantel 11' und Glasfaserkern 11" einen sprunghaftenÜbergang im jeweiligen Brechungsindex. Für Reflexionsmessungen werden in der Regel sogenannte Single Mode (SM)-Fasem verwendet. In einer Single Mode (SM)-Faser sind zweiorthogonale HEirModen ausbreitungsfähig. Deren Polarisationsrichtung kann willkürlich in x-bzw. y- Richtung (HE11x ,HE11y) gewählt werden. Diese beiden Moden stellen die Eigenmodender Polarisation einer SM-Faser dar. Der elektrische Feldvektor einer sich in z - Richtung (in derFig. 2 normal zur Blattebene) ausbreitenden Welle kann somit in einer verlustlos angenommenSM-Faser als lineare Superposition dieser zwei Moden dargestellt werden. Jeder Mode kannferner ein effektiver Brechungsindex zugeordnet werden, sowie eine Ausbreitungskonstante, dieneben dem effektiven Brechungsindex auch von der (Freiraum-)Wellenlänge des eingekoppel¬ten Lichtes abhängt. Beide Größen sind in idealen SM-Fasern, also in ungebogenen Fasern mitperfekt kreisförmigem Querschnitt und frei von mechanischen Spannungen, für beide Modengleich groß. In realen Fasern ist das jedoch zumeist nicht der Fall, vielmehr kommt es zu einerDifferenz in den Ausbreitungskonstanten der beiden Moden, die auch als lineare Doppelbre¬chung der Glasfaser 11 bezeichnet wird. Eine solche Doppelbrechung in einer Glasfaser 11 trittimmer dann auf, wenn es zu einer Anisotropie des Brechungsindex im Glasfaserkern 11"kommt. Hervorgerufen wird diese Anisotropie durch eine Störung der idealen Kreissymmetrie,aufgrund geometrischer Verformungen, mechanischer Spannungen oder externer elektrischerbzw. magnetischer Felder. Eine elliptische Querschnittsform führt etwa zu einer linearen Dop¬pelbrechung, wobei sich parallel zur Nebenachse dieser Ellipse polarisiertes Licht am schnells¬ten ausbreitet. Auch mechanische Belastungen können eine elastooptische Veränderung desBrechungsindex in der Glasfaser 11 und somit lineare Doppelbrechung verursachen. Falls eineasymmetrische Kräfteverteilung wirkt, tritt eine Anisotropie in der Verteilung des Brechungsin¬dex auf. Solche Belastungen können auch durch externe Effekte, wie Druck- oder Zugkräfteverursacht werden, wie anhand der Fig. 3 erläutert wird.

[0026] Die Fig. 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Kräfteverhältnisse der auf denGlasfasermantel 11' wirkenden Kräfte in einer Konfiguration gemäß Fig. 2. Der äußere Druckauf die Umhüllung 6 zeigt sich in einer Kraft Fa, die in der Fig. 3 von links entlang der x- Achsewirkt. Des Weiteren werden auf den Glasfasermantel 11' von den beiden Stützfasern 12a, 12bdie Kräfte F, ausgeübt, die jeweils über eine x- und y-Komponente verfügen. Der Winkel α zwi¬schen der Kraft Fa und der Kraft F, ist größer als der Winkel ß zwischen den Kräften F, (derWinkel α beträgt 150° und der Winkel ß beträgt 60°). Die geometrische Analyse zeigt, dasszwar die Summe der Kräfte in y-Richtung verschwindet, nicht aber die Summe der Kräfte in x-Richtung, sodass eine asymmetrische Belastung auf den Glasfasermantel 11' wirkt. Die durchdiese asymmetrische Belastung bewirkte Verformung des Glasfasermantels 11' sowie desGlasfaserkerns 11" verursacht lokal eine Doppelbrechung, die gemessen werden kann. Da diegeometrischen Verhältnisse wohlbekannt sind, kann andererseits bei bekannter Doppelbre¬chung auf die Kräfteverteilung von Fa und F,, sowie in weiterer Folge auf den anliegenden,äußeren Druck geschlossen werden. Da sich die lokal vorliegende Doppelbrechung ortsaufge¬löst messen lässt, kann auch der anliegende Druck ortsaufgelöst ermittelt werden.

[0027] Die beiden Stützfasern 12a, 12b können als Multi Mode-Faser oder Single Mode-Faserausgeführt sein, um etwa ortsaufgelöste Temperaturmessungen durchzuführen, die für eineKorrektur des lokal gemessenen Druckes herangezogen werden können. Hohe Temperaturenkönnen nämlich eine thermische Ausdehnung der Umhüllung 6, der Glasfaser 11, der Stützfa¬sern 12a, 12b, sowie eines allfälligen Füllstoffes im Freiraum 14 verursachen, die sich auf dieerfindungsgemäße Druckmessung auswirken können. Daher ist es vorteilhaft, über eine orts¬aufgelöste Temperaturinformation zur Kalibrierung der Druckmessung zu verfügen. Eine derbeiden Stützfasern 12a, 12b könnte des Weiteren auch für zusätzliche Messungen von Zug-und Druckbelastungen herangezogen werden.

[0028] In der Fig. 2 ist die Schutzschicht 16 als Teil des Glasfasermantels 11' aufzufassen unddaher nicht explizit eingezeichnet. Eine sehr dünne Ausführung der Schutzschicht 16 wäredenkbar, wenn die rohrförmige Umhüllung 6 mit entsprechend kleinen Durchmessern gefertigtwerden kann. Es wäre jedoch auch möglich, die Schutzschicht 16 entsprechend dicker auszu¬führen, um den Durchmesser der rohrförmigen Umhüllung 6 erhöhen zu können und dessenFertigung somit zu erleichtern. Dabei wird ein polymerer Werkstoff für die Schutzschicht 16bevorzugt, falls die rohrförmige Umhüllung aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist, umdie Anforderungen an die Fertigungstoleranzen zu verringern.

[0029] Es könnte jedoch im Sinne der oben beschriebenen Ausführungssform auch eine einzi¬ge Glasfaser 11 vorgesehen sein, deren Schutzschicht 16 so gefertigt ist, dass sie einen drei¬eckförmigen Querschnitt aufweist. Der dreieckförmige Querschnitt wäre dabei so zu wählen,dass sich eine azentrische Lage entweder des Glasfasermantels 11' und/oder der Schutz¬schicht 16 innerhalb der rohrförmigen Umhüllung 6 ergibt, also etwa in Form eines innerhalb derrohrförmigen Umhüllung 6 zentrisch angeordneten, gleichseitigen Dreiecks, wobei der Glasfa¬sermantel 11' (und somit der Glasfaserkern 11") relativ zur Schutzschicht 16 azentrisch ange¬ordnet sind, oder etwa in Form eines innerhalb der rohrförmigen Umhüllung 6 azentrisch ange¬ordneten gleichschenkeligen Dreiecks, wobei der Glasfasermantel 11' (und somit der Glasfa¬serkern 11") relativ zur Schutzschicht 16 zentrisch angeordnet ist. Die Glasfaser 11 liegt wiede¬rum entlang eines Teilabschnittes ihres Umfangsbereiches - nämlich in den Eckbereichen derdreieckförmigen Schutzschicht 16 - an der Innenfläche der isotrop druckbelasteten Umhüllung 6an.

[0030] Anhand der Fig. 4 bis 6 wird eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung beschrieben, bei der keine unmittelbare Anlage der Glasfaser 11 an der Innenflä¬che der rohrförmigen Umhüllung 6 vorliegt. Bei solchen Ausführungen sind Fertigungstoleran¬zen weniger entscheidend, des Weiteren zeigt sich eine geringere Temperaturabhängigkeit derDruckmessung. Hierbei ist zumindest eine Stützfaser 12 vorgesehen, die an der Glasfaser 11angeformt ist, wobei die zumindest eine Stützfaser 12 und die Glasfaser 11 in einem transversalisotrop druckleitenden Medium 17 eingebettet sind, etwa ein hochtemperaturbeständiger Kunst¬stoff, ein Gel oder ein polymerer Werkstoff wie etwa Acrylat. Die Glasfaser 11 und die zumin¬ dest eine Stützfaser 12 sind mit einer Schutzschicht 16 versehen, etwa aus Kohlenstoff odereinem metallischen Werkstoff. Die rohrförmige Umhüllung 6 wird etwa aus Kupfer oder Stahlgebildet. In der Fig. 4 ist eine Stützfaser 12a vorgesehen, es ist jedoch auch denkbar, Konfigu-ratinen mit zwei Stützfasern 12a, 12b (siehe Fig. 5) oder drei Stützfasern 12a, 12b, 12c (sieheFig. 6) zu verwenden, wobei die Durchmesser der Glasfaser 11 und der Stützfasern 12 auchunterschiedlich gewählt werden können. In den gezeigten Konfigurationen wird jeweils einisotroper hydrostatischer Druck in wohldefinierter Weise in eine asymmetrische Kräfteverteilungauf den Glasfasermantel 11' umgesetzt. Es ist hierbei möglich, die Anordnung so zu verklei¬nern, dass der Außendurchmesser der rohrförmigen Umhüllung nur mehr im Bereich wenigerHundert Mikrometer beträgt. Die Anformung der zumindest einen Stützfaser 12 an der Glasfa¬ser 11 stellt dabei eine definierte Anordnung der Glasfaser 11 relativ zur zumindest einen Stütz¬faser 12 sicher, sowie den daraus resultierenden, asymmetrischen Belastungsfall auf den Glas¬fasermantel 11'.

[0031] Die rohrförmige Umhüllung 6 kann Öffnungen aufweisen, wobei in diesem Fall keintransversal isotrop druckleitenden Medium 17 vorgesehen ist, stattdessen dringt äußeres Fluid,also ein Gas oder eine Flüssigkeit, aus dem Druckbereich 15 in das Innere der rohrförmigenUmhüllung 6 und wirkt direkt auf die Glasfaser 11. Insbesondere in diesem Fall ist die Schutz¬schicht 16 aus einem hochtemperaturbeständigen Material zu fertigen.

[0032] Die Stützfasern 12a, 12b, 12c können wiederum als Multi Mode-Faser oder Single Mo¬de- Faser ausgeführt sein, um Kompensationsmessungen hinsichtlich Temperatur oder Druck-und Zugkräften durchzuführen. Des Weiteren können der jeweilige Kern und der Mantel derGlasfaser 11 und der Stützfasern 12 mit unterschiedlichen Geometrien, oder aus unterschiedli¬chem Material ausgeführt sein, um sehr genaue Anpassungen an die Druckempfindlichkeit zuermöglichen.

[0033] In den gezeigten Beispielen gemäß der Fig. 4 bis 6 können die Glasfaser 11 und dieStützfasern 12 etwa mit einem äußeren Durchmesser in der Größenordnung von etwa HundertMikrometern gefertigt werden, und die rohrförmige Umhüllung 6 einen Innendurchmesser vonetwa dem Zwei- bis Dreifachen dem (größten) Außendurchmesser der Glasfaser 11 und derStützfasern 12, also etwa in der Größenordnung von 300 Mikrometern.

[0034] Mithilfe der Erfindung ist es möglich, an vielen Messpunkten entlang der Glasfaser 11Druckmessungen vorzunehmen, also eine ortsaufgelöste Druckmessung entlang der Glasfaser11 durchzuführen. Eine solche Art der Messung ermöglicht es auf kostengünstige Weise, denDruckverlauf entlang der im Druckbereich 15 angeordneten, rohrförmigen Umhüllung 6 zubestimmen, also etwa den Druckverlauf innerhalb eines Bohrloches, in dem die Glasfaser 11mit ihrer rohrförmigen Umhüllung 6 angeordnet ist, und zwar insbesondere auch unter Messbe¬dingungen wie einem hydrostatischen Umgebungsdruck von bis zu 1000 bar oder Temperatu¬ren von mehreren Hundert Grad Celsius. Freilich bleibt das Anwendungsgebiet der erfindungs¬gemäßen Vorrichtung nicht auf Bohrlöcher beschränkt, sondern eignet sich für viele Einsatzge¬biete, bei denen unter widrigen Umgebungsbedingungen Druckmessungen durchzuführen sind,etwa in Pipelines oder in sonstigen, druckbelasteten Einrichtungen.