BE1023448B1 - Sensor en methode voor het meten van druk of lading - Google Patents

Abstract

Een sensorsysteem voor het meten van een verschildruk in een vloeistof omgeving is voorzien. Het sensorsysteem omvat minstens één sensor element omvattend een rigide structuur, een eerste membraan, aan de rand opgespannen op de rigide structuur, waarbij het eerste membraan een oppervlak heeft geconfigureerd om een rechtstreekse unidirectionele druk van bijvoorbeeld een lading of impactte ondergaan, een tweede membraan, eveneens opgespannen op de rigide structuur, waarbij het tweede membraan zo geconfigureerd is dat het geen rechtstreekse unidirectionele druk kan voelen, en een sensor voor het detecteren van het indrukken van het eerste membraan door de rechtstreekse unidirectionele druk. De rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan zijn geconfigureerd zodat de hydrostatische druk op het tweede membraan compenseert voor de hydrostatische druk op het eerste membraan en het sensorsignaal representatief is voor de rechtstreekse unidrectionele druk.

Description

Sensor en methode voor het meten van druk of lading

Toepassingsgebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het meten van ladingen of drukverschillen in een fluidale omgeving. Meer specifiek betreft de onderhavige uitvinding systemen voor het meten van ladingen of drukverschillen waarbij compensatie wordt doorgevoerd voor hydrostatische druk.

Achtergrond van de uitvinding

Het accuraat meten van een een lading of druk verschil in een fluidale omgeving, zoals bijvoorbeeld onder water, is nodig om bijvoorbeeld sedimentatie of impulsen van watermassa's op de wanden of bodem van infrastructuur goed in beeld te brengen. Dit kan bijvoorbeeld nuttig zijn wanneer men morfologische veranderingen van een onderwater gebied wilt monitoren, sedimenten wilt karakteriseren, beweging van granulair materiaal wil opvolgen of impact van golven op infrastructuur wilt nagaan.

Tal van ladingssensoren en druksensoren zijn gekend. Echter, de meeste van deze sensoren zijn niet bijzonder geschikt om te werken in fluidale omgeving omdat ze de hydrostatische druk in de fluidale omgeving niet in rekening brengen. Een oplossing hiervoor is dat de hydrostatische druk via een afzonderlijke sensor wordt gemeten en dat een correctie op de gemeten laden/druk wordt uitgevoerd.

Er is echter ruimte voor een meer efficiënt systeem.

Samenvatting van de uitvinding

Het is een doelstelling van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding om systemen en werkwijzen te voorzien die toelaten om op een efficiënte manier drukverschillen te bepalen in een fluidale omgeving, zoals bijvoorbeeld een vloeistofomgeving.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat drukverschillen, zoals bijvoorbeeld door de aanwezigheid van een lading van vast materiaal of door impact, accuraat kunnen bepaald worden zonder substantieel effect van de hydrostatische druk.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat drukverschillen in een fluidale omgeving kunnen worden gemeten, zonder dat een afzonderlijke meting van de hydrostatische druk is vereist.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat drukcellen voor gebruik onderwater voorzien worden.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat systemen worden voorzien voor het meten van drukverschillen, waarbij op een automatische manier wordt gecompenseerd voor hydrostatische druk, zonder de nood voor een separate sensor voor het meten van hydrostatische druk.

Het is een voordeel van minstens sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat door het gebruik van optische sensoren, de meetsystemen niet alleen efficient en accuraat maar ook robuust zijn om falen in een fluidale omgeving, zoals bijvoorbeeld onderwater zoals in een waterweg of een zee, te vermijden.

De bovengenoemde doelstelling wordt verwezenlijkt door een apparaat, inrichting en/of methode volgens de onderhavige uitvinding.

De onderhavige uitvinding betreft in een eerste aspect een sensorsysteem voor het meten van een verschildruk in een vloeistof omgeving, het sensorsysteem omvattend minstens één sensor element. Het sensor element omvat een rigide structuur, een eerste membraan, aan de rand opgespannen op de rigide structuur, waarbij het eerste membraan een oppervlak heeft geconfigureerd om een rechtstreekse unidirectionele druk van bijvoorbeeld een lading of impact te ondergaan, en een tweede membraan, eveneens opgespannen op de rigide structuur, waarbij het tweede membraan zo geconfigureerd is dat het bovengenoemde rechtstreekse unidirectionele druk niet kan voelen. Het sensor element omvat tevens een sensor voor het detecteren van het indrukken van het eerste membraan door de rechtstreekse unidirectionele druk. De rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan zijn zo geconfigureerd dat de hydrostatische druk op het tweede membraan compenseert voor de hydrostatische druk op het eerste membraan en het sensorsignaal representatief is voor de rechtstreekse unidrectionele druk.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat, in werking, de hydrostatische druk op het tweede membraan kan compenseren voor de hydrostatische druk op het eerste membraan zodat met de sensor enkel de differentiële druk, bvb van een lading vast materiaal kan gemeten worden.

De sensor kan aangepast zijn voor het meten van een afstand tussen het eerste membraan en een vast punt op de rigide structuur voor het bepalen van de mate waarin het eerste membraan wordt ingedrukt door de unidirectionele druk.

De sensor kan een optische vezel omvatten geconnecteerd tussen een connectiepunt van het eerste membraan weg van de rand van het eerste membraan en een punt op de rigide structuur zodat de optische vezel niet parallel ligt met het membraan en zodat de optische vezel tussen het eerste membraan en de rigide structuur voorgespannen is, de optische vezel omvattend een optische vezel Bragg rooster.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de optische vezel zo geörienteerd is dat krachten op de optische vezel door het indrukken van het eerste membraan minstens een component loodrecht op het eerste membraan omvatten, zodat de optische vezel Bragg rooster sensor kan gebruikt worden in zijn meest gevoelige richting. Dit resulteert in bijzonder accurate differentiële metingen e.g. van de vaste lading, i.e. waarbij de hydrostatisch druk wordt uitgefilterd. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen dat meteen een differentiële meting wordt bekomen, zonder dat er additionele metingen van de hydrostatische druk noodzakelijk zijn.

Alternatief kan de optische vezel toch parallel met het membraan gepositioneerd worden en zorgt de buiging van het membraan voor een variatie van het Bragg rooster en zo voor een detectie van de buiging.

Verdere alternatieven voor de sensor kunnen bijvoorbeeld mechanische sensoren zijn zoals rekstroken, capacitieve of inductieve meetsensoren voor het meten van afstanden, etc.

De optische vezel kan substantieel loodrecht georiënteerd zijn op het eerste membraan. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, dat de optische vezel Bragg rooster sensor georiënteerd is zodat de Bragg sensor in zijn meest gevoelige oriëntatie kan gebruikt worden. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat het Bragg rooster georiënteerd is zodat de roosterlijnen in hun meest gevoelige richting worden beïnvloed worden, in tegenstelling tot een situatie waarbij de optische vezel parallel ligt met het membraan. Wanneer de optische vezel parallel ligt met het membraan resulteert dit in een minder detecteerbare golflengteverschuiving van het Bragg rooster, waardoor de "sensitiviteit' van het meetsysteem daalt in vergelijking met een fiber loodrecht geörienteerd op het membraan. De sensor overeenkomstig sommige specifieke uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding is bijgevolg meer accuraat.

Het systeem kan verder voorzien zijn van pootjes zodat de onderzijde van de gesloten ruimte gevormd door de rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan niet rust op het oppervlak waarop het sensorsysteem is geplaatst, en waarin het tweede membraan zich parallel bevindt met het eerste membraan.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat het tweede membraan zich aan de onderzijde van het sensorsysteem kan bevinden, terwijl het toch kan gebruikt worden om de hydrostatische druk mee in rekening te brengen.

Het eerste membraan en het tweede membraan kan via rigide verbindingen met elkaar verbonden zijn. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat er geen rekening dient gehouden te worden met de samendrukbaarheid van het medium dat de gesloten ruimte gevormd door de rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan vult.

De rigide structuur kan een deel omvatten parallel met het onbelaste membraan, waaraan de optische vezel is geconnecteerd.

Het tweede membraan kan zo gepositioneerd zijn aan een zijkant van de rigide structuur. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat er geen ruimte onderaan het sensorsysteem dient voorzien te worden om toch hydrostatische druk in rekening te brengen.

De rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan kunnen een gesloten ruimte vormen. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat accurate differentiële metingen kunnen uitgevoerd worden. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat, doordat de sensor een gesloten volume omvat, deze binnenruimte niet vervuild kan worden door bijvoorbeeld slib.

Het connectiepunt op het eerste membraan kan gepositioneerd zijn op afstand van de rand, waarbij de afstand minstens een kwart van de gemiddelde diameter van het eerste membraan is. Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de buiging van het eerste membraan, wat een maat is voor de hoeveelheid materiaal op het membraan, accuraat kan worden gemeten.

Het sensorsysteem kan een controller omvatten om als functie van de tijd door middel van de sensor de deflectie van het eerste membraan op te meten.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de load op het sensorsysteem als functie van de tijd kan gemonitord worden.

Het is ook een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat consolidatie van lagen kan gemonitord worden. Terwijl de totale druk hetzelfde blijft, neemt de hydrostatische druk op het eerste membraan af en neemt de effectieve unidirectionele druk van de consoliderende laag toe. De verschildruk die door de sensor gemeten wordt neemt dus toe tijdens consolidatie.

Het sensorsysteem kan meerdere sensor elementen omvatten die spatiaal gedistribueerd zijn. Bovendien kan het sensorsysteem een controller omvatten geconfigureerd voor het bekomen van informatie betreffende een spatiale distributie van een lading over een oppervlak.

Het sensorsysteem kan ook een optische bron en een optisch detector omvatten gekoppeld aan de optische vezel, voor het uitlezen van wijzigingen in het optische vezel Bragg rooster. Alternatief kunnen zo'n optische bron en optische detector externe elementen zijn. Bij een systeem dat meerdere sensor elementen omvat, kunnen meerdere bronnen en/of detectoren gebruikt worden of kunnen voor sommige of alle sensor elementen optische bronnen en/of detectoren gedeeld worden. Om de verschillende sensor elementen te onderscheiden kunnen de sensor elementen aangepast zijn om de gebruikte optische straling op een verschillende manier te modifieren om de lading/druk op het membraan te meten.

Het sensor element of het sensor systeem kan een additionele temperatuurssensor aanwezig zijn voor het compenseren van temperatuurseffecten. Zo'n additionele temperatuurssensor kan een additionele optische vezel Bragg rooster sensor zijn. Zo'n sensor kan bijvoorbeeld gepositioneerd zijn in de rigide structuur. Alternatief kan ook een alternatieve temperatuurssensor gebruikt worden, zoals bijvoorbeeld een thermokoppel sensor of ander type sensor. De bekomen temperatuursinformatie van deze additionele temperatuurssensor kan gebruikt worden om de resultaten van de sensoren voor het meten van de lading of druk te compenseren voor temperatuurseffecten.

Het sensorsysteem kan een controller omvatten die geprogrammeerd is voor het compenseren van samendrukbaarheid van de vloeistof als functie van de diepte in de vloeistof waarop het sensorsysteem wordt gebruikt.

In een ander aspect, betreft de onderhavige uitvinding ook het gebruik van een sensorsysteem zoals hierboven omschreven voor het evalueren van de aangroei en erosie van een sedimentatielaag of een laag van granulair materiaal (bvb grint) op de bodem van een waterweg, zee of ander waterreservoir. De detectie van verplaatsing van granulair materiaal als erosiebescherming onder of in de buurt van een windmolenturbine is een andere toepassing van de uitvinding.

In nog een ander aspect, betreft de onderhavige uitvinding ook het gebruik van een sensorsysteem zoals hierboven omschreven voor het evaluaren van karakteristieken van een sedimentatielaag op de bodem van een waterweg, zee of ander waterreservoir. Zo'n karakteristieken kunnen bijvoorbeeld korrelgroottes (verschillende types zand, slib, klei of grint) of consolidatiegraad van het sediment zijn.

Specifieke en voorkeursdragende aspecten van de uitvinding zijn opgenomen in de aangehechte onafhankelijke en afhankelijke conclusies. Kenmerken van de afhankelijke conclusies kunnen worden gecombineerd met kenmerken van de onafhankelijke conclusies en met kenmerken van andere afhankelijke conclusies zoals aangewezen en niet enkel zoals uitdrukkelijk in de conclusies naar voor gebracht.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen duidelijk zijn van en verhelderd worden met verwijzing naar de hiernavolgende beschreven uitvoeringsvorm(en).

Korte beschrijving van de figuren FIG. 1 illustreert een voorbeeld van een sensor systeem overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, waarbij twee parallel membranen gebruikt worden FIG. 2 illustreert het meetprincipe voor een optische vezel Bragg rooster sensor, zoals kan worden gebruikt in een sensor systeem overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 3 illustreert een alternatieve uitvoeringsvorm van een sensor systeem overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 4 illustreert een verdere alternatieve uitvoeringsvorm van een sensor systeem overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding De figuren zijn enkel schematisch en niet limiterend. In de figuren kunnen de afmetingen van sommige onderdelen overdreven en niet op schaal zijn voorgesteld voor illustratieve doeleinden.

Referentienummers in de conclusies mogen niet worden geïnterpreteerd om de beschermingsomvang te beperken. In de verschillende figuren verwijzen dezelfde referentienummers naar dezelfde of gelijkaardige elementen.

Gedetailleerde beschrijving van illustratieve uitvoeringsvormen

De huidige uitvinding zal beschreven worden met betrekking tot bijzondere uitvoeringsvormen en met verwijzing naar bepaalde tekeningen, echter de uitvinding wordt daartoe niet beperkt maar is enkel beperkt door de conclusies. De beschreven tekeningen zijn slechts schematisch en niet beperkend. In de tekeningen kunnen voor illustratieve doeleinden de afmetingen van sommige elementen vergroot en niet op schaal getekend zijn. De afmetingen en de relatieve afmetingen komen soms niet overeen met de actuele praktische uitvoering van de uitvinding.

Verder worden de termen eerste, tweede, derde en dergelijke in de beschrijving en in de conclusies gebruikt voor het onderscheiden van gelijkaardige elementen en niet noodzakelijk voor het beschrijven van een volgorde, noch in de tijd, noch spatiaal, noch in rangorde of op enige andere wijze. Het dient te worden begrepen dat de termen op die manier gebruikt onder geschikte omstandigheden verwisselbaar zijn en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven geschikt zijn om in andere volgorde te werken dan hierin beschreven of weergegeven.

Bovendien worden de termen bovenste, onderste, boven, voor en dergelijke in de beschrijving en de conclusies aangewend voor beschrijvingsdoeleinden en niet noodzakelijk om relatieve posities te beschrijven. Het dient te worden begrepen dat de termen die zo aangewend worden onder gegeven omstandigheden onderling kunnen gewisseld worden en dat de uitvoeringsvormen van de uitvinding hierin beschreven ook geschikt zijn om te werken volgens andere oriëntaties dan hierin beschreven of weergegeven.

Het dient opgemerkt te worden dat de term "bevat", zoals gebruikt in de conclusies, niet als beperkt tot de erna beschreven middelen dient geïnterpreteerd te worden; deze term sluit geen andere elementen of stappen uit. Hij is zodoende te interpreteren als het specificeren van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, waarden, stappen of componenten waarnaar verwezen wordt, maar sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meerdere andere kenmerken, waarden, stappen of componenten, of groepen daarvan niet uit. Dus, de omvang van de uitdrukking "een inrichting bevattende middelen A en B" dient niet beperkt te worden tot inrichtingen die slechts uit componenten A en B bestaan. Het betekent dat met betrekking tot de huidige uitvinding, A en B de enige relevante componenten van de inrichting zijn.

Verwijzing doorheen deze specificatie naar "één uitvoeringsvorm" of "een uitvoeringsvorm" betekent dat een specifiek kenmerk, structuur of karakteristiek beschreven in verband met de uitvoeringsvorm is opgenomen in ten minste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Dus, het voorkomen van de uitdrukkingen "in één uitvoeringsvorm" of "in een uitvoeringsvorm" op diverse plaatsen doorheen deze specificatie hoeft niet noodzakelijk telkens naar dezelfde uitvoeringsvorm te refereren, maar kan dit wel doen. Voorts, de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken kunnen gecombineerd worden op eender welke geschikte manier, zoals duidelijk zou zijn voor een gemiddelde vakman op basis van deze bekendmaking, in één of meerdere uitvoeringsvormen.

Vergelijkbaar dient het geapprecieerd te worden dat in de beschrijving van voorbeeldmatige uitvoeringsvormen van de uitvinding verscheidene kenmerken van de uitvinding soms samen gegroepeerd worden in één enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan met als doel het stroomlijnen van de openbaarmaking en het helpen in het begrijpen van één of meerdere van de verscheidene inventieve aspecten. Deze werkwijze van openbaarmaking dient hoe dan ook niet geïnterpreteerd te worden als een weerspiegeling van een intentie dat de uitvinding meer kenmerken vereist dan expliciet vernoemd in iedere conclusie. Eerder, zoals de volgende conclusies weerspiegelen, liggen inventieve aspecten in minder dan alle kenmerken van één enkele voorafgaande openbaar gemaakte uitvoeringsvorm. Dus, de conclusies volgend op de gedetailleerde beschrijving zijn hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, met iedere op zichzelf staande conclusie als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

Voorts, terwijl sommige hierin beschreven uitvoeringsvormen sommige, maar niet andere, in andere uitvoeringsvormen inbegrepen kenmerken bevatten, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld als gelegen binnen de reikwijdte van de uitvinding, en vormen deze verschillende uitvoeringsvormen, zoals zou begrepen worden door de vakman. Bijvoorbeeld, in de volgende conclusies kunnen eender welke van de beschreven uitvoeringsvormen gebruikt worden in eender welke combinatie.

In de hier voorziene beschrijving worden talrijke specifieke details naar voren gebracht. Het is hoe dan ook te begrijpen dat uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen uitgevoerd worden zonder deze specifieke details. In andere gevallen zijn welgekende werkwijzen, structuren en technieken niet in detail getoond om deze beschrijving helder te houden.

In een eerste aspect betreft de onderhavinge uitvinding een sensorsysteem voor het meten van verschildrukken in een fluidale omgeving, bijvoorbeeld in een vloeistof. Het meten van drukverschillen omvat daarbij typisch het meten van verschildrukken tussen verschillende zijden van het sensorsysteem en laat op die manier toe om een differentieeldruk te meten waarbij automatisch de hydrostatische druk in rekening wordt gebracht. Zo'n sensorsystemen zijn uitermate geschikt voor het meten van ladingen in een fluidale omgeving, maar eveneens voor het meten van bijvoorbeeld een plotse hydrodynamische impact op een structuur, verder ook wel een fluïdale impact op een structuur genoemd. Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat het sensorsysteem minstens één sensor element, maar het systeem kan ook bestaan uit een netwerk van sensor elementen om op die manier informatie te bekomen over een spatiale verdeling van een lading of impact over een oppervlak in een onderwater omgeving. Overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat het sensorsysteem een rigide structuur. Zo'n rigide structuur is gemaakt uit een materiaal dat voldoende sterk is zodat het minimaal vervormt onder de invloed van hydrostatische of ladingsdruk. Het is een voordeel van zo'n rigide structuur dat deze een accuraat referentiepunt blijven voorzien, zodat de sensor ook over langere termijn accurate resultaten blijft leveren. Voordeelmatig kan gebruik gemaakt worden van materiaal dat goed bestand is tegen corrosie. In sommige uitvoeringsvormen kan de rigide structuur gemaakt zijn uit metaal, zoals bijvoorbeeld inox, hoewel ook andere materialen kunnen worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld vezel versterkte materialen (bijvoorbeeld kunstoffen of ceramische materialen). De vorm van de rigide structuur is een driedimensionale vorm waarop aan minstens twee zijden een membraan kan worden gespannen. Een specifiek voorbeeld van een vorm van rigide structuur die kan worden gebruikt is een holle cylinder waarbij membranen aan boven en onderzijde kunnen worden gespannen, maar de uitvinding is hierdoor niet gelimiteerd en ook andere vormen kunnen worden voorzien.

Het sensor element omvat eveneens een eerste membraan, aan de rand opgespannen op de rigide structuur. Het eerste membraan heeft daarbij een oppervlak, zodat wanneer het sensor element in zijn normale positie is opgesteld bij gebruik, het oppervlak geconfigureerd is om een rechtstreekse unidirectionele druk van bijvoorbeeld een lading, impact of golfslag te ondergaan. Typisch kan het oppervlak van het eerste membraan zo geörienteerd zijn dat het zich aan de bovenzijde van het sensor element bevindt. Op die manier kan bijvoorbeeld voor het meten van sedimentatie of gronddruk, een lading vast materiaal zich verzamelen op dit oppervlak van het membraan. Het eerste membraan kan opgespannen worden door vasthechten aan de rigide structuur op om het even welke manier, bijvoorbeeld door het te verlijmen, te nagelen, op te spannen met een span ring, etc. De specifieke vorm van het eerste membraan wordt typisch meebepaald door de vorm van de rigide structuur. Het membraan kan bijvoorbeeld gemaakt zijn uit inox, aluminium, composiet zoals GFRP (glass-fiber reinforced plastic), etc. Het membraan kan ook deel uitmaken van de rigide structuur en onderscheidt zich dan van de rigide structuur door een volledig andere verhouding tussen dikte enerzijds en diameter anderzijds, waardoor een deel van de rigide structuur niet meer rigide wordt en aldus als membraan kan functioneren. In een specifieke uitvoeringsvorm kan de rigide structuur en het membraan bijvoorbeeld gemaakt worden door te starten met een volle metalen cilinder, bijvoorbeeld inox cilinder, en deze uit te frezen zodat aan de bovenkant een dun membraan, bijvoorbeeld lmm dik, wordt overgehouden, terwijl de rigide structuur gevormd wordt door de dikkere randen, bijvoorbeeld lcm dik.

Het sensor element omvat eveneens een tweede membraan, eveneens opgespannen op de rigide structuur. Het tweede membraan is zo geconfigureerd dat het geen rechtstreekse unidirectionele druk kan voelen. Het tweede membraan voelt dus enkel de rechtstreekse hydrostatische druk. Het tweede membraan kan in sommige systemen gepositioneerd zijn aan de onderzijde van de rigide structuur. In alternatieve systemen kan het tweede membraan gepositioneerd zijn aan de zijkant van de rigide structuur. De verschillende zijden van de rigide structuur worden hierbij gedefinieerd met referentie naar de oriëntatie van het sensor element tijdens werking van het sensorsysteem. Deze uitvoeringsvormen zullen in meer detail beschreven worden met betrekking tot specifieke voorbeelden. Het tweede membraan kan gemaakt zijn uit hetzelfde materiaal, hoewel dit niet noodzakelijk is. Het tweede membraan is aangepast in elasticiteit zodat het de hydrostatische druk die het ondergaat met weinig of zo min mogelijk verlies kan doorgeven aan het eerste membraan of het medium dat zich in het sensor element zit.

Het sensor element omvat eveneens een sensor voor het detecteren van het indrukken van het eerste membraan door de rechtstreekse unidirectionele druk, zoals bijvoorbeeld een lading, een golfslag of een impact/impuls. De gebruikte sensor kan tal van uitvoeringsvormen hebben zoals bijvoorbeeld een optische vezel Bragg rooster sensor, een rekstrook, een inductieve of capacitieve afstandsmeter, etc. In zijn algemeenste vorm, zijn uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dus niet gelimiteerd door het type sensor dat wordt gebruikt.

Overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, zijn de rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan geconfigureerd zodat de hydrostatische druk op het tweede membraan compenseert voor de hydrostatische druk op het eerste membraan en het sensorsignaal representatief is voor de rechtstreekse unidrectionele druk. Dit resulteert in een sensorsysteem waarbij geen afzonderlijke sensor moet voorzien worden voor het opmeten van de hydrostatische druk. Bovendien, doordat de hydrostatische druk rechtstreeks in rekening wordt gebracht, laten sensorsystemen overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding ook zeer accurate metingen toe, gezien het de momentane hydrostatische druk is die in rekening wordt gebracht.

De rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan vormen typisch een gesloten ruimte gevuld met een vloeistof, zodat de hydrostatische druk op het tweede membraan kan worden doorgegeven aan het eerste membraan en er dus op deze wijze gecompenseerd wordt. Deze vloeistof kan dezelfde zijn als het vloeistofmedium waarin het sensorsysteem is ondergedompeld om te meten, maar kan ook een andere vloeistof zijn. In één voorbeeld kan de vloeistof bijvoorbeeld een minerale olie zijn, maar ook andere media met kleine geleidbaarheid en weinig samendrukbaarheid kunnen gebruikt worden. Alternatief of aanvullend kunnen het eerste en het tweede membraan ook rigide met elkaar verbonden zijn zodat een hydrostatische druk op het tweede membraan wordt doorgegeven aan het eerste membraan, en er dus op deze wijze wordt gecompenseerd voor de hydrostatische druk.

Bij wijze van illustratie, de onderhavige uitvinding niet beperkt zijnde hiertoe, zullen standaard en optionele elementen van uivoeringsvormen van het sensorsysteem verder beschreven worden aan de hand van specifieke uitvoeringsvormen en voorbeelden.

In een eerste specifieke uitvoeringsvorm wordt een sensorsysteem beschreven overeenkomstig het hierboven beschreven sensorsysteem, waarin het eerste membraan zich bovenaan de rigide structuur bevindt en waarin het tweede membraan zich onderaan de rigide structuur bevindt. De rigide structuur kan voorzien zijn van pootjes om er voor te zorgen dat het tweede membraan zich in de vloeistof bevindt wanneer het sensor element op de bodem van een waterweg, zee, oceaan of ander vloeistofreservoir geplaatst is. Een voorbeeld van zo'n sensor element 100 is weergegeven in FIG. 1. In FIG. 1 kan de rigide structuur 110 gezien worden, waaraan het eerste membraan 120 en het tweede membraan 130 zijn gehecht, respectievelijk aan de bovenzijde en aan de onderzijde van de rigide structuur 110. De rigide structuur 110 kan zoals getoond pootjes 114 bevatten, waardoor het tweede membraan 130 niet op de bodem rust als het sensor element 100 op de bodem van een vloeistofmassa wordt geplaatst, maar het tweede membraan 130 aan de onderzijde aan de hydrostatische druk onderhevig is.

De wanden van de rigide structuur vormen samen met de membranen een gesloten container. Overeenkomstig deze specifieke uitvoeringsvorm is het eerste membraan verbonden met het tweede membraan via een rigide verbinding, bijvoorbeeld via rigide staven 150 zoals weergegeven in FIG. 1.

In sommige uitvoeringsvormen van sensor elementen zoals weergegeven in FIG. 1 kan het sensor element 140 gebaseerd zijn op een optische vezel Bragg rooster sensor 140, ook wel gerefereerd als FBG sensor. Het meetprincipe voor het detecteren van een unidirectionele druk op het eerste membraan op basis van een optische vezel is als volgt. De optische vezel is geconnecteerd aan het eerste membraan. Door het indrukken van het eerste membraan wordt de optische vezel, en meer specifiek het Bragg rooster dat op of in de optische vezel is aangebracht vervormd. Deze vervorming wordt optisch gemeten, via het principe weergegeven in FIG. 2. Wanneer een optische lichtbundel in de optische vezel wordt gestuurd zal deze reflecteren aan het Bragg rooster in de optische vezel. Dit verdeelt de optische lichtbundel dus in een gereflecteerde bundel met een specifiek reflectiespectrum, en in een doorgelaten bundel met een specifiek transmissie spectrum. Wanneer het eerste membraan wordt belast, wordt dus de optische vezel, en het Bragg rooster daarop/daarin, vervormd zodat het reflectiespectrum en het transmissie spectrum wijzigt. Deze wijziging, die representatief is voor de mate waarin het eerste membraan is ingedrukt en dus voor de lading/impuls op dit membraan, kan dan door middel van een optische detector worden opgemeten en hieruit kan dus informatie worden afgeleid over de lading/impuls op het eerste membraan. Deze informatie kan een grootte van de lading/impuls betreffen, maar ook een aangroei of verdere informatie over de lading zoals korrelgrootte, type sedimentatie, etc.

In de uitvoeringsvorm getoond in FIG. 1, is de optische vezel gepositioneerd tussen het eerste membraan 120 en de rigide structuur 112 op zo'n manier dat de optische vezel niet parallel geörienteerd is met het eerste membraan wanneer dit onbelast is. M.a.w. de optische vezel is zo geörienteerd dat hij schuin of loodrecht op het onbelaste eerste membraan staat. De optische vezel is dus zo geörienteerd dat krachten op de optische vezel door het indrukken van het eerste membraan minstens een component loodrecht op het eerste membraan omvatten, zodat de optische vezel Bragg rooster sensor kan gebruikt worden in zijn meest gevoelige richting.

De optische vezel 140 wordt daarbij onder een voorspanning gemonteerd tussen het membraan en de rigide structuur, bijvoorbeeld een deel van de rigide structuur dat zich parallel met het onbelaste eerste membraan bevindt. De optische vezel 140 is dus aan de ene zijde gehecht aan het eerste membraan 120 en aan de andere zijde aan een aanhechtingspunt 112 op de rigide structuur 110. De voorspanning die kan gebruikt worden wordt bepaald door de sterkte van de optisch vezel. De voorspanning kan bijvoorbeeld tot 2% of tot 3% zijn, zonder dat dit in schade aan de optisch vezel resulteert. Een voorbeeld van een waarde van voorspanning die kan gebruikt worden is 1%. FIG. 3 toont een sensor element overeenkomstig het sensor element van FIG. 1, maar waarin de optische vezel parallel met het onbelast eerste membraan is geörienteerd. Een verder alternatief voor het sensor element van FIG. 1, betreft een sensor element dat bestaat uit een rekstrook.

Nog een verder alternatief voor het sensor element van FIG. 1, betreft een sensor element met een inductieve of capacitieve sensor.

Het dient te worden opgemerkt dat afhankelijk van de gebruikte sensor techniek de nodige elementen voor de sensor aanwezig zullen zijn in het sensor element of daaraan kunnen gekoppeld worden. Voor technieken gebaseerd op een optisch signaal kunnen bijvoorbeeld één of meerdere lichtbronnen en één of meerdere optische detectoren voorzien zijn in het sensor systeem, of kan het sensor systeem voorzien worden om te connecteren aan lichtbronnen en/of optische detectoren. De connectie kan daarbij tussenlengtes bevatten en extra kabellengtes tot het meetsysteem. Voor technieken gebaseerd op electrische signalen, zoals op basis van rekstroken, inductieve of capacitieve sensoren, kan een stroom of spanningsbron voorzien zijn en kan eveneens een detector voor electrische signalen toegevoegd zijn. Alternatief is het sensor systeem voorzien om aan zo'n bron en/of detector te koppelen. FIG. 4 betreft een tweede expliciet voorbeeld waarbij een alternatieve uitvoeringsvorm is getoond waarin het tweede membraan gehecht is aan een zijkant van de rigide structuur. De verschillende sensor technieken hierboven geïllustreerd voor het systeem als gegeven in FIG. 1 kunnen eveneens op het sensor systeem van FIG. 4 worden toegepast.

In sommige uitvoeringsvormen is het sensor systeem eveneens voorzien van een temperatuurssensor voor het opmeten van de temperatuur om een compensatie te kunnen doorvoeren voor de metingen. Dit kan belangrijk zijn gezien bijvoorbeeld een optische vezel Bragg rooster sensor gevoelig is aan temperatuurschommelingen en dit zonder compensatie zou kunnen leiden tot een inaccurate meting. Alternatief kan de temperatuur ook in rekening gebracht worden bij de verwerking van de opgemeten signalen. De temperatuur kan bijvoorbeeld ook door middel van een separate sensor, niet ingebouwd in het systeem, opgemeten worden.

In sommige uitvoeringsvormen bestaat het sensor systeem uit een veelheid van sensor elementen die volgens een specifieke spatiale verdeling worden geplaatst, zodat een spatiale distributie van een lading of druk over het bodemoppervlak van een watermassa kan worden opgemeten. De differentiële sensorelementen kunnen ook gecombineerd worden met niet differentiële sensorelementen.

In een tweede aspect, betreft de onderhavige uitvinding ook het gebruik van een sensorsysteem zoals beschreven in het eerste aspect voor het evalueren van de aangroei en erosie van een sedimentatielaag op de bodem van een waterweg, zee of ander waterreservoir. De onderhavige uitvinding betreft ook het gebruik van zo'n sensor systeem voor het evaluaren van karakteristieken van een sedimentatielaag op de bodem van een waterweg, zee of ander waterreservoir. Zo'n karakteristieken kunnen bijvoorbeeld korrelgroottes (verschillende types zand, slib, klei) of consolidatiegraad van het sediment zijn. De voordelen en eigenschappen van het sensor systeem zoals beschreven in het eerste aspect zijn mutatis mutandis van toepassing op deze aspecten.

De verschillende aspecten kunnen eenvoudig met elkaar worden gecombineerd, en de combinaties corresponderen aldus eveneens met uitvoeringsvormen volgens de huidige uitvinding.

Claims (15)

1. Conclusies

   1. Een sensorsysteem voor het meten van een verschildruk in een vloeistof omgeving, het sensorsysteem omvattend minstens één sensor element omvattend: - een rigide structuur, - een eerste membraan, aan de rand opgespannen op de rigide structuur, waarbij het eerste membraan een oppervlak heeft geconfigureerd om een rechtstreekse unidirectionele druk van bijvoorbeeld een lading, impact of golfslag te ondergaan, - een tweede membraan, eveneens opgespannen op de rigide structuur, waarbij het tweede membraan zo geconfigureerd is dat het bovengenoemde rechtstreekse unidirectionele druk niet kan voelen, - een sensor voor het detecteren van het indrukken van het eerste membraan door de rechtstreekse unidirectionele druk, waarbij het eerste membraan en het tweede membraan via één of meer rigide verbindingen met elkaar verbonden zijn en de rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan geconfigureerd zijn zodat de hydrostatische druk op het tweede membraan compenseert voor de hydrostatische druk op het eerste membraan en het sensorsignaal representatief is voor de rechtstreekse unidirectionele druk, en waarin de sensor een optische vezel omvat geconnecteerd tussen een connectiepunt van het eerste membraan weg van de rand van het eerste membraan en een punt op de rigide structuur zodat de optische vezel niet parallel ligt met het membraan en zodat de optische vezel tussen het eerste membraan en de rigide structuur voorgespannen is, de optische vezel omvattend een optische vezel Bragg rooster..
2. 2. Een sensorsysteem overeenkomstig conclusie 1, waarin de sensor is aangepast voor het meten van een afstand van het eerste membraan en een vast punt op de rigide structuur gelegen onder het eerste membraan.
3. 3. Een sensorsysteem overeenkomstig conclusie 1, waarin de optische vezel substantieel loodrecht georiënteerd is op het eerste membraan.
4. 4. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarbij het systeem verder voorzien is van pootjes zodat de onderzijde van de gesloten ruimte gevormd door de rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan niet rust op het oppervlak waarop het sensorsysteem is geplaatst, en waarin het tweede membraan zich parallel bevindt met het eerste membraan.
5. 5. Een sensorsysteem overeenkomstig conclusie 5, waarin de rigide structuur een deel omvat parallel met het onbelast eerste membraan, waaraan de optische vezel is geconnecteerd.
6. 6. Een sensorsysteem overeenkomstig één van conclusies 1 tot 3, waarin het tweede membraan gepositioneerd is aan een zijkant van de rigide structuur.
7. 7. Een sensorsysteem overeenkomstig één van voorgaande conclusies, waarin de rigide structuur, het eerste membraan en het tweede membraan een gesloten ruimte vormen.
8. 8. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voogaande conclusies, waarbij het connectiepunt op het eerste membraan gepositioneerd is op afstand van de rand, waarbij de afstand minstens een kwart van de gemiddelde diameter van het eerste membraan is.
9. 9. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarbij het sensorsysteem een controller omvat om als functie van de tijd door middel van de sensor de deflectie van het eerste membraan op te meten.
10. 10. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarbij het sensorsysteem meerdere sensor elementen omvat spatiaal gedistribueerd en een controller geconfigureerd voor het bekomen van informatie betreffende een spatiale distributie van een lading over een oppervlak.
11. 11. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarbij het sensorsysteem een optische bron en een optisch detector omvat gekoppeld aan de optische vezel, voor het uitlezen van wijzigingen in het optische vezel Bragg rooster.
12. 12. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies waarbij het sensorsysteem een controller omvat geprogrammeerd voor het compenseren van samendrukbaarheid van de vloeistof als functie van de diepte in de vloeistof waarop het sensorsysteem wordt gebruikt.
13. 13. Een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarbij het sensorsysteem een additionele temperatuurssensor omvat om compensatie door te voeren in de lading/impuls metingen voor temperatuurseffecten.
14. 14. Het gebruik van een sensorsysteem overeenkomstig één van de voorgaande conclusies voor het evalueren van de aangroei en erosie van een sedimentatielaag op de bodem van een waterweg, zee of meer.
15. 15. Het gebruik van een sensorsysteem overeenkomstig één van de conclusies 1 tot 13 voor het evalueren van karakteristieken van een sedimentatielaag op de bodem van een waterweg, zee of meer.