BE1012332A6

BE1012332A6 - Optische druksensor en meetinrichting voorzien van dergelijke druksensor.

Info

Publication number: BE1012332A6
Application number: BE9800892A
Authority: BE
Original assignee: Voet Marc Rosa Henri
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2000-09-05
Also published as: EP1008840A1

Abstract

Optische druksensor die een kamer bevat die een behuizing (1) bevat en een daarin aangebracht membraan (3), daardoor gekenmerkt dat hij een optische vezel (4) bevat met een zogenoemd "Bragg rooster" (5), dit is dus met een vezeldeel waar reflecterende vlakjes in de kern gevormd zijn, welke optische vezel (4) zo tussen het membraan (3) en de behuizing (1) bevestigd is dat bij vervorming van het membraan (3) zijn lengte verandert.

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



  Optische druksensor en meetinrichting voorzien van dergelijke druksensor. 



  Deze uitvinding heeft betrekking op een optische druksensor die een behuizing bevat en een daarin aangebracht membraan. 



  Een dergelijke optische druksensor is beschreven in   BE-A-1. 004. 056.    



  Twee gesloten drukkamers zijn van elkaar gescheiden door een membraan waarin een spiegelelementje ingewerkt is. Een glasvezel mondt tegenover het spiegelende oppervlakje van het spiegelelementje in een van de kamers uit. Door drukverandering in een van de kamers zal het membraan vervormen en dus het spiegelelementje bewegen, waardoor het gereflecteerd licht gemoduleerd wordt. 



  De druksensor bevat tevens een referentie-sensorelement dat uit een lange opgerolde glasvezel bestaat. 



  Beide glasvezels sluiten door middel van een koppelaar op een vezelnetwerk aan en staan zo in verbinding met een controle-eenheid. 



  Een via het netwerk gestuurd lichtsignaal wordt zowel door het referentie-sensorelement als door het spiegelelementje gereflecteerd en door de controle-eenheid wordt uit het verschil in vertraging van het gereflecteerde lichtsignaàl de druk uitgeoefend op het membraan bepaald. 



  Omdat deze druksensor een referentie-sensorelement bevat, is hij relatief duur en omvangrijk. Daarenboven moet hij door een koppelaar aangesloten worden waardoor een 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 meetinrichting met een of meer van dergelijke sensoren relatief duur is. 



  De uitvinding heeft een optische druksensor als doel die dit nadeel vermijdt en vrij eenvoudig en relatief goedkoop is en op een eenvoudige manier in een meetinrichting kan ingeschakeld worden. 



  Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de druksensor een optische vezel bevat met een zogenoemd "Bragg rooster", dit is dus met een vezeldeel waar reflecterende vlakjes in de kern gevormd zijn, welke optische vezel zo tussen het membraan en de behuizing bevestigd is dat bij vervorming van het membraan zijn lengte verandert. 



  Dergelijke optische vezels met   een"Bragg rooster"of   "Bragg grating" worden verkregen door plaatselijk de kern ervan met bepaalde metaalionen te doperen en vervolgens met een multidimensionaal UV patroon te bestralen zodat reflecterende vlakjes in de kern gevormd worden. Elk patroon komt overeen met een bepaalde golflengteband waarbij spectraal een deel licht op deze vlakjes gereflecteerd wordt en een deel licht doorgelaten wordt (transmissief licht). Met een spectrumanalyseertoestel kan deze spectrale verschuiving eenvoudig gemeten worden in beide richtingen en kan deze optische vezel in principe ondervraagd worden aan beide uiteinden. 



  Dit principe wordt reeds toegepast voor het meten van vervormingen door krachten, waarbij dus een glasvezel met een Bragg rooster in een rekstrookje wordt ingewerkt. In feite is het Bragg rooster een optisch rekstrookje. 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 



  In de druksensor volgens de uitvinding verandert het specifieke spectrumpatroon van het Bragg rooster in functie van de druk. 



  Deze optische vezel met een Bragg rooster strekt zich voorbij zijn bevestiging aan de behuizing tot buiten deze behuizing uit en kan eventueel aan een klassieke optische vezel gekoppeld worden. 



  Deze optische vezel wordt aangesloten op een lichtbron en op een spectrale onderzoekseenheid. 



  Naargelang de deflectierichting van het membraan ten opzichte van de vezel met het Bragg rooster, moet deze vezel al dan niet voorgespannen zijn opdat de deflectie een verandering van lengte ervan zou veroorzaken. 



  De behuizing kan aansluiten op een drukkamer die aan de buitenkant van de behuizing op het membraan uitgeeft, in welk geval de optische vezel met het Bragg rooster in de behuizing, bij gelijke druk in de drukkamer en in de behuizing, voorgespannen is. 



  De behuizing kan evenwel ook drukdicht gesloten zijn en een drukkamer vormen in welk geval de optische vezel met het Bragg rooster al dan niet voorgespannen is. 



  In een bijzondere uitvoeringsvorm bevat de optische vezel met een Bragg rooster een tweede Bragg rooster met een ander spectraal reflectiepatroon voor het meten van de temperatuur of is hij in serie gekoppeld met een tweede optische vezel met een Bragg rooster met een ander spectraal reflectiepatroon voor het meten van de temperatuur. 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 



  De uitvinding heeft ook betrekking op een drukmeetinrichting voorzien van een druksensor volgens een van de vorige uitvoeringsvormen, waarbij de inrichting een lichtbron en een spectrale onderzoekseenheid bevat, die beide door middel van optische vezels in verbinding staan met de optische vezel van de druksensor. 



  Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een druksensor volgens de uitvinding en van een drukmeetinrichting voorzien van dergelijke druksensor beschreven met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin : figuur 1 schematisch een drukmeetinrichting weergeeft die voorzien is van een druksensor volgens de uitvinding ; figuren 2 en 3 schematisch druksensoren weergeven analoog aan deze van figuur   1,   maar met betrekking tot andere uitvoeringsvormen van de uitvinding. 



  De druksensor weergegeven in figuur 1 bestaat in hoofdzaak uit een langwerpige behuizing 1 waarvan een uiteinde aansluit op een drukkamer 2, waarbij een vervormbaar membraan 3 op dit uiteinde in de behuizing 1 aangebracht is en een optische glasvezel 4 tussen dit membraan 3 en het tegenoverliggende uiteinde van de behuizing 1 opgespannen 
 EMI4.1 
 is. 



  De glasvezel 4 met een lengte van bijvoorbeeld vijf tot tien cm, bezit binnenin de behuizing 1 een zogenoemd Bragg rooster 5, dit is een klein stukje van bijvoorbeeld ongeveer vijf mm lang, waar zijn kern kleine spiegelende 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 vlakjes bevat die verkregen zijn door dopering met bepaalde   UV-gevoelige   ionen, gevolgd door het bestralen met UV licht volgens een bepaald patroon. 



  Het membraan 3 is schijfvormig en bijvoorbeeld uit rubber vervaardigd en bevindt zich tegenover een opening 6 die aangebracht is in een wand 7 die de scheiding vormt tussen de drukkamer 2 en de ruimte 8 binnenin de behuizing 1. 



  Het membraan 3 is vervangbaar vastgemaakt aan de wand 7, bijvoorbeeld door middel van schroeven, of rechtstreeks aan de behuizing 1 doordat het op zijn omtrek van schroefdraad is voorzien en in de kokervormige mantel 9 van de behuizing 1 geschroefd is. 



  Het tegenover het membraan 3 gelegen uiteinde van de behuizing 1 is gevormd door een afneembaar deksel 10 met openingen 11 dat op voornoemde kokervormige mantel 9 geschroefd is. 



  De drukkamer 2 is tegenover de opening 6 van een ingang 12 voorzien waarin een buis of leiding kan worden geschroefd die deze, op de opening 6 en de ingang 12 na, volledig drukdicht gesloten drukkamer 2 in verbinding stelt met de ruimte waarin de te meten druk heerst zodat deze te meten druk ook in de drukkamer 2 heerst. 



  De glasvezel 4 is vastgemaakt aan het membraan 3 door middel van een metalen busje 13 dat vastgemaakt, bijvoorbeeld vastgelijmd is aan het membraan 3 en waarin een uiteinde van de glasvezel 4 vastgemaakt, bijvoorbeeld vastgelijmd en bij voorkeur daarenboven ook vastgeklemd, is. 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 



  Op het tegenoverliggende uiteinde van de ruimte 8 is de glasvezel 4 op analoge wijze vastgemaakt in een tweede metalen busje 14 dat in het deksel 10 vastgemaakt, bijvoorbeeld vastgeschroefd, is. 



  De lengte van de glasvezel 4 tussen de busjes 13 en 14 is zodanig dat deze glasvezel 4 voorgespannen en dus een weinig uitgerokken is. 



  De glasvezel 4 strekt zich doorheen het busje 14 uit tot buiten de behuizing 1 en is door middel van een optische koppeling 15 en twee optische vezels 16 en 17 verbonden met respectievelijk een breedband lichtbron 18, bijvoorbeeld een Er gedopeerde vezelbron met een frequentiebreedte van 40 nm, en een spectrale onderzoekseenheid 19, bijvoorbeeld een optische spectrumanalyseerder, een Fabry-Pérot holte afstemmer, een optische discriminator of dergelijke. 



  De onderzoekseenheid 19 sluit door middel van een optische vezel 20 over een versterker 21 en een interface 22 aan op een computer 23   waaraan een scherm   24 gekoppeld is. 



  Op de koppeling 15 sluit ook een optische vezel 25 aan waarin een of meer referentie Bragg roosters aanwezig zijn. 



  De werking van de hiervoor beschreven drukmeetinrichting en optische druksensor is als volgt. 



  De drukkamer 2 wordt door een buis of dergelijke in verbinding gesteld met de ruimte waarin de te meten druk heerst zodat deze druk ook in de drukkamer 2 heerst. 



  Aangezien de ruimte 8 op atmosferische druk is, zal het membraan 3 waarop via de opening 6 de druk in de drukkamer 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 2 inwerkt, vervormd worden en naar binnen in de ruimte 8 geduwd worden, waarbij deze vervorming toeneemt met de druk. 



  Door de vervorming van het membraan 3 neemt de lengte van het tussen de busjes 13 en 14 gelegen en dus opgespannen gedeelte van de glasvezel 4 af, zodat het Bragg rooster 5 zich wijzigt. 



  Daardoor zal de golflengte van het licht dat door de lichtbron via de optische vezel 16 naar het Bragg rooster 5 gezonden wordt en door dit Bragg rooster 5 via de optische vezel 17 naar de spectrale onderzoekseenheid 19 weerkaatst wordt, een ander golflengtepatroon bezitten : Deze golflengte- of spectrumpatroonwijziging wordt dan gedetecteerd door de spectrale onderzoekseenheid 19 die de druk daaruit kan afleiden en via de versterker 21 en de interface 22 zijn gegevens naar de computer 23 stuurt die het resultaat op het scherm 24 kan weergeven. 



  Bij elke meting kan de meetinrichting gecalibreerd worden door detectie door de spectrale onderzoekseenheid 19 van het spectrumpatroon van het licht dat weerkaatst wordt door het referentie Bragg rooster in de optische vezel 25. 



  De uitvoeringsvorm weergegeven in figuur 2 verschilt van de hiervoor beschreven uitvoeringsvorm door een andere vormgeving van het membraan 3 dat in dit geval de volledige drukkamer 2 vormt, maar vooral doordat de behuizing 1 een verlengde 26 bezit waardoorheen de optische glasvezel 4 zich los en dus zonder spanning uitstrekt en waarin een tweede Bragg rooster 27 voor de temperatuurmeting aangebracht is dat met een ander patroon vervaardigd werd en dus een andere frequentie van het licht terugkaatst. 

 <Desc/Clms Page number 8> 

 



  Het deksel van de behuizing 1 is in dit geval niet afneembaar en kan eventueel vervangen zijn door   één   of meer armen. Een dergelijk deksel 28 is dan wel aangebracht op het van de behuizing 1 verwijderde uiteinde van het verlengde 26. De glasvezel 4 strekt zich los doorheen een busje 29 uit dat in het midden doorheen dit deksel 28 steekt. 



  Het membraan 3 vormt een eindwand van de behuizing 1 die in de mantel 9 geschroefd is en terzelfder tijd de wanden van de drukkamer 2. 



  Het membraan 3 bevat de opening 6 waarin, doordat het membraan 3 enigszins elastisch is, een leiding lekvrij kan geklemd worden. 



  Aan de binnenzijde van de ruimte 8 bezit het membraan 3 een centraal uitsteeksel 24 waaraan het busje 13 door middel van een op dit uitsteeksel 30 geschroefde moer 31 bevestigbaar is. 



  De werking is zoals hoger beschreven met dit verschil dat door het tweede Bragg rooster 27 de spectrale onderzoekseenheid 19 ook de temperatuur kan meten en dus de fout die bij de drukmeting ontstaat door temperatuursinvloeden op het eerste Bragg rooster 5 kan gecompenseerd worden. 



  De glasvezel 4 varieert immers een weinig in lengte in functie van de temperatuur zodat dus ook de golflengtes van het weerkaatste licht en dus de meting door de temperatuur 
 EMI8.1 
 beïnvloed worden. De uitvoeringsvorm weergegeven in figuur 3 veschilt van de uitvoeringsvorm weergegeven in figuur 1 doordat de ruimte 8 

 <Desc/Clms Page number 9> 

 zelf de drukkamer is en dus de drukkamer 2, inclusief de wand 7 weggelaten zijn, terwijl de ingang 12 in de mantel 9 aangebracht is en dus rechtstreeks op de ruimte 8 uitgeeft en het deksel 10 gesloten is. 



  De ruimte 8 is dus een gesloten ruimte. 



  De werking is analoog aan de werking van de uitvoeringsvorm volgens figuur 1 met dit verschil dat bij drukverhoging het membraan 3 naar buiten zal uitbuigen en dus de glasvezel 4 in lengte zal toenemen. 



  Hierdoor moet de glasvezel 4 niet voorgespannen zijn wanneer er geen overdruk in de ruimte 8 heerst. 



  De hiervoor beschreven druksensoren en meetinrichtingen zijn eenvoudig en relatief goedkoop van constructie en laten toch een snelle en nauwkeurige drukmeting, eventueel met temperatuurscompensatie, toe. 



  Aangezien door een verandering van een Bragg rooster niet enkel het golflengtepatroon van de reflectie maar ook dit van de transmissie verandert, kan de spectrale onderzoekseenheid 19, in plaats van het gereflecteerde licht, het doorgelaten licht spectraal onderzoeken. In dit geval zijn in de meetinrichting de lichtbron 18 en de spectrale onderzoekseenheid 19 aan weerszijden van het Bragg rooster 5 en/of 21 opgesteld en is de hiervoor beschreven druksensor bijvoorbeeld tussen de lichtbron 18 en de spectrale onderzoekseenheid 19 gelegen. 



  De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke optische druksensoren en drukmeet- 

 <Desc/Clms Page number 10> 

 inrichtingen kunnen in verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader te vallen van de uitvinding zoals bepaald uit de hierna volgende conclusies.

Claims

Conclusies.

1. - Optische druksensor die een kamer bevat die een behuizing (1) bevat en een daarin aangebracht membraan (3), daardoor gekenmerkt dat hij een optische vezel (4) bevat met een zogenoemd"Bragg rooster" (5), dit is dus met een vezeldeel waar reflecterende vlakjes in de kern gevormd zijn, welke optische vezel (4) zo tussen het membraan (3) en de behuizing (1) bevestigd is dat bij vervorming van het membraan (3) zijn lengte verandert.

2.-Optische druksensor volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (4) met een Bragg rooster (5) zich voorbij zijn bevestiging aan de behuizing (1) tot buiten deze behuizing (1) uitstrekt.

3.-Optische druksensor volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (4) aangesloten is op een lichtbron (18) en op een spectrale onderzoekseenheid (19).

4.-Optische druksensor volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de behuizing (1) aansluit op een drukkamer (2) die aan de buitenkant van de behuizing (1) op het membraan (3) uitgeeft, en de optische vezel (4) met het Bragg rooster (5) in de behuizing (1), bij gelijke druk in de drukkamer (2) en in de behuizing (1) voorgespannen is.

5.-Optische druksensor volgens een van de conclusies 1 tot 3, daardoor gekenmerkt dat de behuizing (1) drukdicht gesloten is en een drukkamer (2) vormt. <Desc/Clms Page number 12>

6.-Optische druksensor volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (4) aan het membraan (3) en aan de behuizing (1) vastgemaakt is onder tussenkomst van busjes (13 en 14) waarin de vezel (4) vastgelijmd is.

7.-Optische druksensor volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (4) met het Bragg rooster (5) een tweede Bragg rooster (27) bevat met een ander spectraal reflectiepatroon voor het meten van de temperatuur of dat hij in serie gekoppeld is met een tweede optische vezel met een Bragg rooser met een ander spectraal reflectiepatroon voor het meten van de temperatuur.

8. - Optische druksensor volgens conclusie 7, daardoor gekenmerkt dat het tweede Bragg rooster (27) voorkomt in een gedeelte van de glasvezel (4) dat los is en dus niet onder spanning is.

9.-Optische druksensor volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat het tweede Bragg rooster (27) buiten de EMI12.1 behuizing (1), bijvoorbeeld in een open verlengde (26) ervan gelegen is.

10.-Drukmeetinrichting voorzien van een druksensor volgens een van de vorige conclusies, die benevens deze druksensor een lichtbron (18) en een spectrale onderzoekseenheid (19) bevat, die beide door middel van optische vezels (16 en 17) in verbinding staan met de optische vezel (4) van de druksensor.