DD277509A1 - Faseroptischer multimode-wegsensor fuer den einsatz unter hohem druck und bei hoher temperatur - Google Patents

Abstract

Ein faseroptischer Multimode-Wegsensor auf der Basis des an sich bekannten Reflexsensorprinzips fuer den Einsatz unter hohem Druck und bei hoher Temperatur wird beschrieben. Dem Wesen der Erfindung entsprechend wird der Wegsensor innerhalb des Druckraumes in einem duennwandigen Gehaeuse angeordnet, in dem sich eine Fluessigkeit mit bekannter Brechzahl befindet. Erfindungsgemaess wird der Druckunterschied zwischen Druckraum und Gehaeuse ueber die Kompressibilitaet der Fluessigkeit ausgeglichen. Dazu dient eine sich im Gehaeusedeckel befindende Druckausgleichseinrichtung. Ueber eine Hebelanordnung wird der zu messende Weg in eine Abstandsaenderung zwischen dem Spiegel und den Lichtwellenleiterenden des Sensors umgewandelt. Fig. 2

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Wegsensor, der für Messungen unter hohem Druck und bei hoher Temperatur, z. B. in der Kärmän-Kammer, einsetzbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte technische Lösungen für Wegsensoren auf der Basis von Multimode-Lichtwellenleiter (LWL)-Reflexsensoren sind dargelegt in mehreren Patentschriften (DD 245718, DD 240428, DE 3619923, US 4668087, JP 58-165009, DE 3614659, DE 3441641, DE 3625106, DE 3625098, JP 57-196109, JP 58-10609, JP 58-106413, JP 59-137816).

Bei allen diesen Lösungen wird Licht durch einen oder mehrere LWL auf eine spiegelnde bzw. reflektierende Oberfläche geleitet und das reflektierte Licht durch den selben, einen oder mehrere andere LWL wieder aufgenommen. Der Spiegel ist verstellbar, wodurch sich die Intensität des in die Rückführfaser(n) reflektierten Lichtes ändert. Die Intensitätsänderung ist der Abstandsbzw. Winkeländerung des Spiegels proportional. Nachteilig bei allen Lösungen macht sich jedoch bemerkbar, daß diese nur in einem eng begrenzten Druck- und Temperaturbereich in der Nähe dar Normalbedingungen (20"C, 0,1 MPA) anwendbar sind und somit für den Einsatz z. B. in beheizten Hochdruckkammern völlig ungeeignet sind.

Darüber hinaus kann beim Einsatz der bekannten technischen Lösungen in Druckräumen die Druckflüssigkeit (z. B. Öl) zwischen die LWL-Enden und den Spiegel gelangen. Die Druckflüssigkeit weist in der Regel Verunreinigungen auf, die zu unterschiedlichen optischen Eigenschaften führen, wodurch Fehler der Messung entstehen.

Ziel der Erfindung

Ziel dor Erfindung ist os, oinon fasoroptischen Multimode-Wogsonsor vorzuschlagen, der es gestattet z. B. komplexe Gesiüiiiäiiruorsuchungon in einor Karman-Kammer, durchzuführun, wodurch Aussagen zu Fragen der Bohrlochsicherheit, der Standsicherheit im untortätigon Borgbau, der Lagerslättonoikundung und clor geophysikalischen Grundlagenforschung möglich sind. Darüber hinaus ist dor Sonsor in woitoron violon Fällon dor Volkswirtschaft einsetzbar, wo unter hohem Druck und bei honor Temporatur Wegmessungen durchzuführen sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Multimode-Wegsensor für den Einsatz unter hohem Druck und bei hoher Temperatur vorzuschlagen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der faseroptische Wegsensor, bestehend aus zwei feststehenden LWL und einem beweglichen Spiegel, innerhalb eines flüssigkeitsdichten Sensorgehäuses im Druckraum angeordnet wird. Innerhalb dieses Gehäuses befindet sich eine optisch transparente Sensorflüssigkeit mit bekannten Eigenschaften, so daß Fehler des Sensors durch nichtkonstante optische Eigenschaften der Druckflüssigkeit (z. B. Verunreinigungen) vermieden werden. Erfindungsgemäß wird die mit der Kompressibilität der Sensorflüssigkeit und den Druck auftretende Volumenänderung über eine zusätzliche Einrichtung ausgeglichen. Dazu dient eine im Gehäuse befindliche Druckausgleichseinrichtung, bestehend aus z. B. einer Schraube mit Innenbohrung, in der sich ein Trennkolben befindet. Im drucklosen Zustand liogt dieser Trennkolben z. 8. im Schraubenkopf. Wird der Druck der Druckflüssigkeit gesteigert, so wird der Tiennkolben in dem Maße bewegt, wie die Sensorflüssigkeit im Sensorgehäuse komprimiert wird. Dadurch gleicht sich deren Druck dem der Druckflüssigkeit an. Über eine Hebelanordnung auf einer im Gehäuse liegenden und abgedichteten Welle wird der zu messende Weg auf den Spiegel übertragen. Dieser vollführt in Abhängigkeit von der Anordnung der Hebel und der konkreten Ausführung des Sensors eine reine Winkel- oder Linearbewegung oder eine Kombination beider aus.

Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau des faseroptischen Wegsensors werden zum einen Fehler durch unterschiedliche optische Eigenschaften des Mediums zwischen den LWL-Enden und dem Spiegel vermieden, ium anderen kann das Gehäuse aber trotz des hohen Absolutdruckes dünnwandig ausgeführt werden, da keine Druckdifferenz zwischen Druck- und SüiiSumüssigkcit auftritt.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1: Prinzipielle Darstellung des faseroptischen Multimode-Reflexsensors

Fig. 2: Seitenansicht des faseroptischen Wegsensors des Ausführungsbeispiels 1 (Schnitt)

Fig.3: Seitenansicht des faseroptischen Wegsensors des Ausführungsbeispiels 2 (Schnitt)

Fig.4: Seitenansicht des faseroptischen Wegsensors des Ausführungsbeispiels 3 (Schnitt)

Fig.5: Seitenansicht des faseroptischen Wegsensors des Ausführungsbeispiels 4 (Schnitt)

Fig.6: Seitenansicht des faseroptischen Wegsensors des Ausfuhrungsbeispiels 5 (Schnitt).

Ausführungsbeispiel 1

Der auf dem Reflexsensorprinzip (Fig. 1) basierende faseroptische Multimode-Wegsensor (Fig. 2) besteht aus einem dünnwandigen, flüssigkeitsdichten, mit einer Sensorflüssigkeit 20 gefüllten Gehäuse 1, in dem sich die parallel liegenden LWL 2; 3 und der am Hebel 4 gelagerte Spiegel 5 befinden. Der Hebel 4 ist vermittels einer Welle 6 mit einem sich außerhalb des Gehäuses 1 befindlichen Hebel 7 verbunden, der der Meßwertaufnahme und -einleitung dient. Durch ein entsprechendes Verhältnis der Hebellängen der Hebel 4; 7 zueinander können zum einen verschieden große Wege gemessen werden, andererseits ist darüber die Empfindlichkeit des faseroptischen Wegsensors bestimmt. Am Hebel 7 befindet sich die Rückholfeder 8.

Die LWL 2; 3 sind in die Gewindehülse 9 eingeklebt, die im Gehäuseunterteil eingesetzt wird. Vermittels Ring 10 und Druckfeder 11 wird die Gewindehülse 9 im Gehäuse gehalten, wobei übet die Mutter 12 der Abstand zwischen dem Spiegel und den LWL-Enden einstellbar ist.

Im oberen Teil des Gehäuses befindet sich erfindungsgemäß die Druckausgleichseinrichtung bestehend aus der Schraube 13 mit Innenbohrung und dem Trennkolben 14. Je nach vorgesehenem maximalen Betriebsdruck sind unterschiedliche Längen der Schraube 13 erforderlich, um über die Kompression der Sensorflüssigkeit 20 im Gehäuse 1 die Druckdifferenz auszugleichen. Der faseroptische Wegsensor des Ausführungsbeispiels 1 hat aufgrund der Winkelbewegung des Spiegels 5 nur einen kleinen Meßbereich. Er ist einsetzbar bis zu Temperaturen von 250⁰C und bei einer Länge der Schraube 13 von etwa 15mm bis zu Drücken von 200MPa.

Ausfuhrungsbeispiel 2

Der faseroptische Wegsensor des Ausführungsbeispiels 2 (Fig. 3) entspricht prinzipiell in seinem Aufbau dem des ersten Ausführungsbeispiels. Lediglich die Lage der Hebel 4; 7 ist verändert, so daß diese nicht mehr rechtwinklig zueinander sondern parallel liegen

Alle weiteren Baugruppen sowie deren Funktion und Zusammenwirken entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels.

Ausführungsbeispiel 3

Boim dritten Ausführungsboispiel ist der faseroptische Wogaufnehmer (Fig.4) wie im Ausführungsbeispiel 1 aufgebaut. Der Wegsensor weist hior allerdings oino Linoarbowogung dos Spiogols 5 auf, die zu einer Vergrößerung des Meßbereiches lührt.

Dementsprechend bofindot sich im Gohäuse 1 zwischen dom Hebel 4 und der Gewindehülse 9 eine zusätzliche Trennwand 15.

Innerhalb dioser Trennwand 15, dio Bohrungen für dio Flüssigkeit aufweist, befindet sich der Kolben 17 sowie eine kleine Druckfodor 16. Dor Kolbon 17 trägt den Spiogol 5 und wird durch den Hebel 4 gradlinig vorschoben, wodurch sich der Abstand zwischon Spiogol und LWL-Erulon vorändort.

AIIo andoron Baugruppen sowio doron Funktion und Zusammenwirken entsprechen denen dos erston Ausführungsbeispiels.

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Ausführungsbeispiel 4

Das vierte Ausführungsbeispiel (Fig. 5) beinhaltet den identischen Aufbau des faseroptischen Wegaufnehmers des ersten Ausführungsbeispiels. Anstelle des Spiegels 5 ist jedoch am Hebel 4 ein Tripelspiegel, Dachkantenprisma, Zylinder- oder HohlspiegeN8 gelagert, so daß trotz Winkelbewegung des Spiegels im Verhältnis zu den LWL ein größerer oder kleinerer Meßbereich erreichbar ist

Alle Baugruppen sowie deren Funktion und Zusammenwirken entsprachen denen des ersten Ausführungsbeispiels.

Ausführungsbeispiel 5

Der Aufbau aller anderen möglichen Ausführungsbeispiele bleibt beim fünften Ausführungsbeispie! völlig erhalten. Als Druckausgleichseinrichtung wird jedoch hier eine Membran 19 (Fig. 6) bzw. ein Faltenbalg nnstella der Schraube 13 mit Innenbohrung verwendet.

Alle Baugruppen sowie deren Funktion und Zusammenwirken entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels.

Claims (5)

1. Faseroptischer Multimode-Wegsensor für den Einsatz unter hohem Druck und bei hoher Temperatur basierend auf dem faseroptischen Reflexsensorprinzip und bestehend aus den zwei Lichtwellenleitern, dem Spiegel, dem Hebel des Spiegels und der Hülse der Lichtwellenleiter, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor sich in einem separaten, flüssigkeitsdichten und dünnwandigen Sensorgehäuse befindet, das mit einer optisch transparenten Sensorflüssigkeit gefüllt ist und daß der Druckunterschied zwischen Druck- und Sensorflüssigkeit durch eine sich im Gehäuse befindende Druckausgleichseinrichtung, bestehend aus einem feststehenden und einem beweglichen Element, ausgeglichen wird.

2. Faseroptischer Multimode-Wegsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Druckausgleichseinrichtung entweder aus einer Schraube mit Innenbohrung als feststehendes und einem in der Bohrung befindlichen Trennkolben als bewegliches Element besteht oder aus einem Anpreßring und einer isotropen oder gewellten Membran bzw. einem Faltenbalg.

3. Faseroptischer Multimode-Wegsensor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Spiegel relativzu den Lichtwellenleiterenden sowohl eine Winkelbewegung, bei der sich der Spiegel direkt an einem der Hebel befindet als auch eine reine Translationsbewegung ausführen kann, wobei der Spiegel an einer Linearführung befestigt ist.

4. Faseroptischer Multimode-Wegsensor nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Linearführung entweder aus einer Überwurfmutter mit Druckfeder und innenliegendem Kolben, der den Spiegel trägt, oder aus einer translatorischen Federführung bzw. einer Membranfederführung besteht.

5. Faseroptischer Multimode-Wegsensor nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Spiegel ein ebener, ein Zylinder- oder Hohlspiegel bzw. ein Dachkantenprisma oder ein Tripelspiegel ist.