DE19938978A1 - Fibre optic pressure sensor has fibre-Bragg grids with approximately equal gas sensitivity; thermally induced Bragg wavelength displacements of at least 2 grids have predefined relationship - Google Patents
Fibre optic pressure sensor has fibre-Bragg grids with approximately equal gas sensitivity; thermally induced Bragg wavelength displacements of at least 2 grids have predefined relationshipInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Drucksensor gemäss Ober begriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a fiber optic pressure sensor according to Ober Concept of claim 1.
Zur Messung hoher Drücke, das heisst, Drücken im Bereich von 100 MPa (1000 bar) werden häufig elektrische Sensoren, wie z. B. Piezowiderstände, piezo elektrische Elemente, kapazitive Sonden, Kristallresonatoren oder optische Drucksensoren, wie z. B. Fabry-Perot-Resonatoren oder elastooptische Sensoren, eingesetzt.To measure high pressures, i.e. pressures in the range of 100 MPa (1000 bar) are often electrical sensors, such as. B. Piezo resistors, piezo electrical elements, capacitive probes, crystal resonators or optical Pressure sensors, such as B. Fabry-Perot resonators or elasto-optical sensors, used.
Ein optischer Drucksensor anderer Art zur Messung hoher isotroper Drücke von Flüssigkeiten ist aus aus M. G. XU et al., "Optical In-Fibre Grating High Pressure Sensor", Electronics Letters 29 (4), 398-399 (1993) bekannt, welcher einen faseroptischer Drucksensor beschreibt. Dieser Drucksensor weist eine optische Faser auf, in welche ein Bragg-Gitter eingeschrieben ist. Das Bragg- Gitter wirkt als Transmissions- oder Reflexionsfilter für eine charakteristische Bragg-Wellenlänge λB. Durch longitudinale Gitterdehnungen werden Gitter periode und Brechungsindex geändert und die Bragg-Wellenlänge λB verschoben. Die Ausgangssignale sind somit wellenlängencodiert und unabhängig von der empfangenen Lichtleistung. Zur Messung wird die optische Faser in eine Kavität eines Hochdruckgefässes eingebracht und unmittelbar dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit ausgesetzt.An optical pressure sensor of another type for measuring high isotropic pressures of liquids is known from MG XU et al., "Optical In-Fiber Grating High Pressure Sensor", Electronics Letters 29 (4), 398-399 (1993), which uses a fiber optic Pressure sensor describes. This pressure sensor has an optical fiber in which a Bragg grating is inscribed. The Bragg grating acts as a transmission or reflection filter for a characteristic Bragg wavelength λ B. Longitudinal grating strains change the grating period and refractive index and shift the Bragg wavelength λ B. The output signals are therefore wavelength-coded and independent of the light output received. For the measurement, the optical fiber is placed in a cavity of a high-pressure vessel and immediately exposed to the hydrostatic pressure of the liquid.
WO 99/00653 beschreibt ebenfalls einen faseroptischen Drucksensor mit einem Bragg-Gitter. Der Drucksensor umfasst ein Druckübertragungselement, auch Transducer genannt, welches ein zylindrisches Gehäuse mit einem Hohlraum und einer Einlassöffnung aufweist. Im Hohlraum ist ein Stempel mit einem Stempelkopf in Abhängigkeit des Druckes innerhalb des Hohlraumes verschieb bar und druckdicht gelagert angeordnet, wobei sein Stempelkopf aus dem Gehäuse herausragt. Die optische Faser ist einerseits am Gehäuse, andererseits am Stempelkopf befestigt, wobei das Bragg-Gitter in einem Freiraum zwischen Gehäuse und Stempelkopf angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird ein allseitiger Druck eines Mediums in eine longitudinale Dehnung oder Kom pression der optischen Faser und somit des Bragg-Gitters umgesetzt.WO 99/00653 also describes a fiber optic pressure sensor with a Bragg grille. The pressure sensor includes a pressure transmission element, too Called transducer, which is a cylindrical housing with a cavity and has an inlet opening. There is a stamp with a in the cavity Move the stamp head depending on the pressure within the cavity arranged bar and pressure-tight, with its stamp head from the Housing protrudes. The optical fiber is on the one hand on the housing, on the other hand attached to the stamp head, the Bragg grating in a space between Housing and stamp head is arranged. With this arrangement, a all-round pressure of a medium in a longitudinal expansion or com pression of the optical fiber and thus the Bragg grating implemented.
In der unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/CH99/00065 wird ein faser optischer Drucksensor mit einem Bragg-Gitter beschrieben, welcher ebenfalls einen hydrostatischen Druck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in eine longitudinale Faserdehnung oder -kompression umsetzt. Dieser Drucksensor ist insbesondere geeignet für den Einsatz in Erdöl-Bohrlöchern zur Überwachung von Druck und Temperatur. In derartigen Bohrlöchern können die Flüssigkeits drücke bis zu ca. 100 MPa und die Temperaturen bis zu über 200°C betragen. Der in PCT/CH99/00065 beschriebene Drucksensor umfasst einen Transducer mit einem Druckzylinder, der in Austausch mit dem Medium steht, und mit einem Referenzzylinder, welcher vom Medium abgeschirmt oder entgegengesetzt druckbelastet ist. Die optische Faser ist mittels Trägern einerseits am Referen zylinder und andererseits am Druckzylinder befestigt, so dass sich eine mediuminduzierte Dehnung oder Kompression des Druckzylinders relativ zum Referenzzylinder auf das Bragg-Gitter überträgt. In bevorzugten Ausführungs beispielen ist ein zweites Bragg-Gitter zur Temperaturmessung vorhanden. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das erste Bragg-Gitter tempera turkompensiert, indem Referenzzylinder und Druckzylinder unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei ihre Längen und/oder Ausdehnungskoeffizienten so bemessen sind, dass eine relative thermische Ausdehnung der Zylinder zueinander einer thermisch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge der optischen Faser entgegenwirkt. Unter einer intrinsischen Änderung versteht man diejenige Änderung der Bragg- Wellenlänge, welche ein Faser-Bragg-Gitter einer freien, nicht eingespannten Faser aufweist.In the unpublished patent application PCT / CH99 / 00065 a fiber optical pressure sensor described with a Bragg grating, which also a hydrostatic pressure of a liquid or gaseous medium in a implemented longitudinal fiber stretching or compression. This pressure sensor is particularly suitable for use in oil wells for monitoring of pressure and temperature. In such boreholes, the liquid pressures up to approx. 100 MPa and temperatures up to over 200 ° C. The pressure sensor described in PCT / CH99 / 00065 includes a transducer with a pressure cylinder, which is in exchange with the medium, and with a reference cylinder, which is shielded or opposed to the medium is under pressure. The optical fiber is on the one hand at the reference by means of supports cylinder and on the other hand attached to the impression cylinder, so that there is a medium-induced expansion or compression of the pressure cylinder relative to the Transfers the reference cylinder to the Bragg grid. In preferred execution For example, there is a second Bragg grid for temperature measurement. In Another preferred embodiment is the first Bragg grating tempera compensated by different reference cylinders and impression cylinders have thermal expansion coefficients, their lengths and / or Expansion coefficients are dimensioned so that a relative thermal Extension of the cylinders to each other of a thermally induced intrinsic Changes in the Bragg wavelength of the optical fiber counteracts. Under an intrinsic change is understood to be the change in the Bragg Wavelength which is a fiber Bragg grating of a free, unclamped Fiber.
In der noch unveröffentlichten Patentanmeldung DE 198 60 409.2 ist ein ähnlich aufgebauter faseroptischer Drucksensor mit Bragg-Gittern beschrieben, welcher nun jedoch zur Messung einer Druckdifferenz zweier Medien geeignet ist. Die Deformation des Transducers hängt dabei von den Absolutwerten der Drücke und/oder vom Differenzdruck der Medien ab, wobei wiederum eine Längenände rung an ein erstes Bragg-Gitter weitergegeben wird und zur Messung der Tem peratur ein zweites Bragg-Gitter vorhanden ist. Zur Fehlerkompensation ist fer ner ein drittes Bragg-Gitter vorgesehen, welches so zwischen dem Druck- und dem Referenzzylinder angebracht ist, dass das Drucksignal entgegengesetzt und allfällige, durch Temperaturänderungen verursachte Störsignale gleichgerichtet sind wie beim ersten Bragg-Gitter. In the as yet unpublished patent application DE 198 60 409.2 is a similar constructed fiber optic pressure sensor with Bragg gratings described, which but is now suitable for measuring a pressure difference between two media. The Deformation of the transducer depends on the absolute values of the pressures and / or from the differential pressure of the media, again a length change tion is passed on to a first Bragg grating and for measuring the tem a second Bragg grating is available. For error compensation is fer ner a third Bragg grid is provided, which between the printing and the reference cylinder is attached that the pressure signal opposite and any interference signals caused by temperature changes rectified are like the first Bragg grating.
Ein weiteres Störsignal wird durch Eindiffusion von Gasen in denjenigen Teil des Transducers, in welchem die Faser-Bragg-Gitter angeordnet sind, verur sacht. Insbesondere beim Einsatz des Drucksensors in Ölbohrlöchern und Erd gasquellen ist das Problem der Eindiffusion von Gasen, beispielsweise von Was serstoff und Kohlenwasserstoffen vorhanden, vor allem, da die Diffusion in Ab hängigkeit der Temperatur massiv zunimmt. Beispielsweise können hohe Was serstoff-Partialdrücke von bis zu 20 bar auftreten. In der optischen Faser verur sachen zudem Wasserstoff oder andere Gase optischen Verluste und auch Bre chungsindexänderungen und damit Verschiebungen der Bragg-Wellenlänge, welche Druck- wie auch Temperaturmessungen störend beeinflussen. Die oben beschriebenen faseroptischen Drucksensoren berücksichtigen derartige Stör signale nicht, so dass ihre Messgenauigkeit beeinträchtigt ist.Another interference signal is caused by the diffusion of gases into that part of the transducer in which the fiber Bragg gratings are arranged gently. Especially when using the pressure sensor in oil wells and earth gas sources is the problem of the diffusion of gases, such as what Hydrogen and hydrocarbons present, especially since the diffusion in Ab dependence of the temperature increases massively. For example, high what Partial pressures of up to 20 bar occur. In the optical fiber also cause hydrogen or other gases optical losses and Bre index changes and thus shifts in the Bragg wavelength, which disturb pressure and temperature measurements. The above fiber optic pressure sensors described take such interference into account signals, so that their measuring accuracy is impaired.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischer Drucksensor, insbe sondere zur Verwendung in Ölbohrlöchern oder Erdgasquellen, zu schaffen, wel cher gasinduzierte Änderungen der Bragg-Wellenlänge kompensiert.It is therefore an object of the invention, in particular a fiber optic pressure sensor especially for use in oil wells or natural gas sources, to create wel gas-induced changes in the Bragg wavelength are compensated.
Diese Aufgabe löst ein faseroptischer Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.This task is solved by a fiber optic pressure sensor with the characteristics of Claim 1.
Der erfindungsgemässe faseroptische Drucksensor weist mindestens zwei Faser- Bragg-Gitter auf, welche mindestens annähernd derselben gasinduzierten Ver schiebung ihrer Bragg-Wellenlängen unterliegen und deren thermisch induzierte Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen eine vordefinierte Relation zueinander aufweisen. Durch geeignete Kombination der wellenlängencodierten Signale der Bragg-Gitter lässt sich ein störungsfreies Druck- und Temperatursignal eruie ren. The fiber optic pressure sensor according to the invention has at least two fiber Bragg grating, which at least approximately the same gas-induced Ver shift their Bragg wavelengths and their thermally induced Shifts in the Bragg wavelengths have a predefined relation to one another exhibit. By a suitable combination of the wavelength-coded signals of the Bragg grating can be used to generate an interference-free pressure and temperature signal ren.
Der erfindungsgemässe faseroptische Drucksensor besteht vorzugsweise aus einem Druckübertragungselement oder Transducer mit einem Druckkörper und einem Referenzkörper, zwischen welchen eine optische Faser mit eingeschriebe nen Bragg-Gittern gehalten ist, wobei mindestens eines der Bragg-Gitter durch die druckinduzierte beziehungsweise temperaturinduzierte relative Verschie bung der Körper zueinander dehnbar beziehungsweise komprimierbar ist. Ein erstes Bragg-Gitter dient der Druckmessung, ein zweites beziehungsweise drittes Bragg-Gitter zur Temperaturmessung und/oder zur Kompensation von Störsignalen. Vorzugsweise ist jedes Faser-Bragg-Gitter einzeln zwischen Trägerpaaren gehalten, wobei je nach Funktion einzelne Gitter vorgespannt sind.The fiber optic pressure sensor according to the invention preferably consists of a pressure transmission element or transducer with a pressure body and a reference body, between which an optical fiber is inscribed NEN Bragg grids is held, with at least one of the Bragg gratings the pressure-induced or temperature-induced relative displacement Exercise the body is stretchable or compressible to each other. On first Bragg grating is used for pressure measurement, a second or third Bragg grating for temperature measurement and / or for compensation of Interference signals. Preferably, each fiber Bragg grating is individually between Support pairs held, with individual grids biased depending on the function are.
In einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zwei Bragg- Gitter vorhanden, welche dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweisen. Vor zugsweise entspricht diese Temperaturabhängigkeit derjenigen einer freien, nicht eingespannten optischen Faser. Dabei ist vorzugsweise ein erstes Bragg- Gitter zwischen dem Referenz- und dem Druckkörper vorgespannt gelagert gehalten und ein zweites Bragg-Gitter frei gelagert gehalten. Die Längen und/oder Ausdehnungskoeffizienten der Körper sind derart bemessen, dass eine Differenz der thermisch induzierten Längenänderung der Körper einer thermisch induzierten Ausdehnung der optischen Faser im freien Zustand entspricht.In a first embodiment of the subject matter of the invention, two Bragg Grids are available which have the same temperature dependency. Before this temperature dependency corresponds to that of a free, unclamped optical fiber. A first Bragg- Grid preloaded between the reference and the pressure body held and a second Bragg grid kept freely stored. The lengths and / or expansion coefficients of the bodies are dimensioned such that a Difference in the thermally induced change in length of the body thermally induced expansion of the optical fiber in the free state corresponds.
In einer zweiten Ausführungsform sind zwei Bragg-Gitter vorhanden, welche temperaturkompensiert zwischen Referenz- und Druckkörper beziehungsweise anderen Trägern gelagert sind. Dabei sind die Längen der Körper beziehungs weise der Träger derart bemessen, dass eine Differenz der thermisch induzierten Längenänderung der Körper beziehungsweise der Träger einer thermisch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge der optischen Faser entgegenwirkt.In a second embodiment, there are two Bragg gratings, which temperature compensated between reference and pressure body respectively other carriers are stored. The lengths of the bodies are related the carrier dimensioned such that a difference in the thermally induced Change in length of the body or the carrier of a thermal induced intrinsic change in Bragg wavelength of the optical fiber counteracts.
In weiteren Ausführungsformen sind drei Bragg-Gitter vorhanden, wobei sie un terschiedliche Wirkungen auf Druckbelastung und Temperaturänderungen zeigen, jedoch vorzugsweise alle mindestens annähernd derselben gasinduzierten Verschiebung der Bragg-Wellenlänge unterliegen. Diese Ausführungsformen sind insbesondere zur Messung von Differenzdrücken von zwei flüssigen oder gasförmigen Medien geeignet.In other embodiments, there are three Bragg gratings, where they are un Different effects on pressure load and temperature changes show, but preferably all at least approximately the same gas-induced Bragg wavelength shift subject. These embodiments are especially for measuring differential pressures of two liquid or suitable for gaseous media.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.Further advantageous embodiments are based on the dependent patent claims.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:In the following the subject matter of the invention is based on preferred embodiments Example, which are shown in the accompanying drawings explained. Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen faseroptischen Drucksensor in einer ersten Ausführungsform mit zwei teilweise tempe raturkompensierten Faser-Bragg-Gittern;1 shows a longitudinal section through an inventive fiber optic pressure sensor in a first embodiment with two partially tempe raturkompensierten fiber Bragg gratings.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform mit zwei temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gittern; Fig. 2 is a longitudinal section through a second embodiment with two temperature-compensated fiber Bragg gratings;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform mit drei Faser-Bragg-Gittern; Fig. 3 shows a longitudinal section through a third embodiment with three fiber Bragg gratings;
Fig. 4 eine Variante der dritten Ausführungsform gemäss Fig. 3; FIG. 4 shows a variant of the third embodiment according to FIG. 3;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform mit drei Faser-Bragg-Gittern und zwei Medien und Fig. 5 shows a longitudinal section through a fourth embodiment with three fiber Bragg gratings and two media and
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform mit drei Faser-Bragg-Gittern, zwei Medien und einer temperaturkompen sierten Halterung. Fig. 6 shows a longitudinal section through a fifth embodiment with three fiber Bragg gratings, two media and a temperature-compensated bracket.
Gleiche Materialien sind mit gleichen Schraffuren versehen.The same materials have the same hatching.
Der erfindungsgemässe Drucksensor, wie er beispielsweise in Fig. 1 dar gestellt ist, besteht aus einer optischen Faser 1 und einem Druckübertragungs element oder Transducer 2.The pressure sensor according to the invention, as shown for example in FIG. 1, consists of an optical fiber 1 and a pressure transmission element or transducer 2 .
Der Transducer 2 weist ein Transducergehäuse 20, beispielsweise aus korrosionsfestem Stahl auf, welches einen Hohlraum 21 umschliesst. Das Transducergehäuse 20 ist von der optischen Faser 1 durchsetzt, wobei druckdichte Faserdurchführungen 6 einen im Hohlraum 21 verlaufenden Abschnitt der optischen Faser druckdicht gegenüber der Aussenumgebung des Transducers lagern. In diesem Abschnitt weist die optische Faser 1 mindestens zwei eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter auf, welche unterschiedliche Bragg- Wellenlängen λB aufweisen. Jedes Faser-Bragg-Gitter, beziehungsweise ein zugehöriger Abschnitt der optischen Faser, ist einzeln zwischen zwei, mit dem Transducer 1 verbundenen Faserhalterungen 5 gehalten. Dabei sind einzelne Faser-Bragg-Gitter mechanisch vorgespannt, wie dies auch in PCT/CH99/00065 und DE 198 60 409.2 beschrieben ist. The transducer 2 has a transducer housing 20 , for example made of corrosion-resistant steel, which encloses a cavity 21 . The transducer housing 20 is penetrated by the optical fiber 1, with pressure-tight fiber feedthroughs 6 extending in a cavity 21 portion of the optical fiber pressure-tight relative to the outside environment of the transducer overlap. In this section, the optical fiber 1 has at least two inscribed fiber Bragg gratings which have different Bragg wavelengths λ B. Each fiber Bragg grating, or an associated section of the optical fiber, is held individually between two fiber holders 5 connected to the transducer 1 . Individual fiber Bragg gratings are mechanically prestressed, as is also described in PCT / CH99 / 00065 and DE 198 60 409.2.
Der hier dargestellte Transducer 1 umfasst ferner einen Druckkörper 3 und einen Referenzkörper 4, welche im Transducergehäuse 20 angeordnet sind. Der Druckkörper 3 ist hohl ausgebildet, um ein Medium M unter einem allseitigen Druck aufzunehmen. Hierfür ist der Druckkörper 3 mit einer im Gehäuse 20 an geordneten Einlassöffnung 22 verbunden. Wie hier dargestellt, ist der Druck körper 3 durch einen Hohlzylinder gebildet, welcher an einem Ende mit dem Gehäuse 20 verbunden ist und am anderen Ende durch eine Druckplatte 30 ab geschlossen ist, welche einen Träger zur Fixierung der optischen Faser 1 bildet. Der Druckkörper 3 ist durch eine Druckänderung des Mediums M längenverän derbar, so dass sich die Druckplatte 30 innerhalb des Hohlraumes 21 verschiebt.The transducer 1 shown here further comprises a pressure body 3 and a reference body 4 , which are arranged in the transducer housing 20 . The pressure body 3 is hollow to receive a medium M under all-round pressure. For this purpose, the pressure body 3 is connected to an inlet opening 22 arranged in the housing 20 . As shown here, the pressure body 3 is formed by a hollow cylinder which is connected at one end to the housing 20 and at the other end is closed by a pressure plate 30 which forms a carrier for fixing the optical fiber 1 . The pressure body 3 can be changed in length by a change in pressure of the medium M, so that the pressure plate 30 moves within the cavity 21 .
Der Referenzkörper 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Hohlzylin der, welcher vom Druckkörper 3 durchsetzt ist, wobei die Druckplatte 30 den Referenzkörper 4 überragt. Auch der Referenzkörper 4 ist an einem Ende mit dem Gehäuse 20 verbunden und endet am anderen Ende in einem freien Flansch, welcher einen Referenzträger 40 zur Halterung der optischen Faser 1 bildet. Der Referenzkörper 4 weist einen Zylinderschaft auf, welcher aus zwei Segmenten 41, 42 mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungkoeffizienten besteht. Im allgemeinen weist ein erstes Segment 41 denselben und ein zweites Segment 42 einen höheren Ausdehnungskoeffizienten auf als der Druckkörper 3. Durch geeignete Wahl der Längen und Materialien der Segmente lässt sich die thermische Längenveränderung des Referenzkörpers 4 relativ zum Druckkörper 3, das heisst die differentielle thermische Längenveränderung, vollständig kom pensieren beziehungsweise auf einen gewünschten Wert einstellen, wie dies weiter unten erläutert wird. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise eine Nickel-Basislegierung für den Druckkörper und für das erste Segment des Referenzkörpers und ein Chrom-Nickel-Stahl für das zweite Segment des Refe renzkörpers. In this exemplary embodiment, the reference body 4 is also a hollow cylinder which is penetrated by the pressure body 3 , the pressure plate 30 projecting beyond the reference body 4 . The reference body 4 is also connected at one end to the housing 20 and ends at the other end in a free flange which forms a reference carrier 40 for holding the optical fiber 1 . The reference body 4 has a cylindrical shaft, which consists of two segments 41 , 42 with different coefficients of thermal expansion. In general, a first segment 41 has the same and a second segment 42 a higher expansion coefficient than the pressure body 3 . By a suitable choice of the lengths and materials of the segments, the thermal length change of the reference body 4 relative to the pressure body 3 , that is to say the differential thermal length change, can be completely compensated or set to a desired value, as will be explained further below. Suitable materials for this are, for example, a nickel-based alloy for the pressure body and for the first segment of the reference body and a chromium-nickel steel for the second segment of the reference body.
Druckplatte 30 und Referenzträger 40 bilden ein Trägerpaar, welches ein erstes Faser-Bragg-Gitter 10 der optischen Faser 1 halten. Eine Druckänderung im Medium M führt somit zu einer Verschiebung der Druckplatte 30 und einer Dehnung beziehungsweise Kompression des Faserabschnittes, welcher das erste Bragg-Gitter beinhaltet. Dadurch verschiebt sich dessen Bragg-Wellenlänge λ1. Vorzugsweise ist dieser Faserabschnitt mechanisch vorgespannt, wobei die Faservorspannung so gewählt ist, dass eine hinreichende Vorspannung auch noch bei maximaler Betriebstemperatur und minimalem Druck gewährleistet ist.Pressure plate 30 and reference support 40 form a pair of supports which hold a first fiber Bragg grating 10 of the optical fiber 1 . A change in pressure in the medium M thus leads to a displacement of the pressure plate 30 and an expansion or compression of the fiber section which contains the first Bragg grating. This shifts its Bragg wavelength λ 1 . This fiber section is preferably mechanically pretensioned, the fiber pretension being selected such that a sufficient pretension is still guaranteed even at the maximum operating temperature and minimum pressure.
Ein zweites Faser-Bragg-Gitter 11 ist zwischen Referenzträger 40 und Trans ducergehäuse 20 gehalten, wobei es im Beispiel gemäss Fig. 1 nicht vorge spannt ist. Dieses zweite Bragg-Gitter 11 ist nicht drucksensitiv. Eine Tempe raturänderung verschiebt jedoch die Bragg-Wellenlänge λ2 dieses Bragg-Gitters, so dass es zur Temperaturmessung dient.A second fiber Bragg grating 11 is held between the reference carrier 40 and the transducer housing 20 , it not being biased in the example according to FIG. 1. This second Bragg grating 11 is not pressure sensitive. However, a temperature change shifts the Bragg wavelength λ 2 of this Bragg grating, so that it serves for temperature measurement.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die differentielle thermi
sche Längenveränderung, so eingestellt, dass sie der thermischen Längenverän
derung einer freien optischen Faser entspricht. Hierfür muss folgende Gleichung
erfüllt sein:
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the differential thermal length change is set such that it corresponds to the thermal length change of a free optical fiber. The following equation must be fulfilled for this:
α1(L' + l1) - α2 L' = αfl1, (1)
α 1 (L '+ l 1 ) - α 2 L' = α f l 1 , (1)
wobei α1, α2 und αf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Druckkörpers 3, des zweiten Segmentes 42 des Referenzkörpers 4 beziehungsweise der opti schen Faser 1 sind. L' ist dabei die Länge des zweiten Segmentes 42 und l1 die Länge des eingespannten Faserabschnittes mit dem ersten Bragg-Gitter 10. Das erste Bragg-Gitter 10 weist somit die inhärente thermische Sensitivität eines Bragg-Gitters einer nicht lagefixiert gehaltenen Faser auf.where α 1 , α 2 and α f are the thermal expansion coefficients of the pressure body 3 , the second segment 42 of the reference body 4 and the optical fiber 1's . L 'is the length of the second segment 42 and l 1 is the length of the clamped fiber section with the first Bragg grating 10 . The first Bragg grating 10 thus has the inherent thermal sensitivity of a Bragg grating of a fiber that is not held in position.
Beide in Fig. 1 dargestellten Bragg-Gitter 10, 11 unterliegen jedoch einer allfäl
ligen Beeinflussung durch Gase, welche in den Hohlraum 21 dringen. Da sich
beide Bragg-Gitter in demselben Hohlraum befinden, sind sie mindestens annä
hernd denselben Bedingungen ausgesetzt. Somit zeigt das erste Bragg-Gitter 10
folgende Verschiebung seiner Bragg-Wellenlänge:
However, both Bragg grids 10 , 11 shown in FIG. 1 are subject to any influence by gases which penetrate into the cavity 21 . Since both Bragg gratings are located in the same cavity, they are exposed to at least approximately the same conditions. The first Bragg grating 10 thus shows the following shift in its Bragg wavelength:
Δλ1 = a Δp + b ΔT + c ΔH2 (2)
Δλ 1 = a Δp + b ΔT + c ΔH 2 (2)
wobei Δp, ΔT und ΔH2 Änderungen im Druck, in der Temperatur beziehungsweise in der Gaskonzentration, hier Wasserstoff, und a, b und c bekannte Kalibrie rungskoeffizienten sind. Dabei hängt der Kalibrierungskoeffizient a vor allem von Transducerparametern, wie Länge, Wanddicke des Druckkörpers, Länge des Bragg-Gitters, Young'sches Elastizitätsmodul und der Poisson-Zahl des Druck körpermaterials, ab und beträgt typischerweise einige pm/bar. Der Koeffizient b ist ungefähr 10 pm/°C für eine Bragg-Wellenlänge von annähernd 1550 nm und der Term c ΔH2 kann bis zu einigen 100 µm betragen.where Δp, ΔT and ΔH 2 are changes in pressure, temperature or gas concentration, here hydrogen, and a, b and c are known calibration coefficients. The calibration coefficient a depends primarily on transducer parameters such as length, wall thickness of the pressure body, length of the Bragg grating, Young's modulus of elasticity and the Poisson number of the pressure body material, and is typically a few pm / bar. The coefficient b is approximately 10 pm / ° C. for a Bragg wavelength of approximately 1550 nm and the term c ΔH 2 can be up to a few 100 μm.
Das zweite Bragg-Gitter 11 zeigt dasselbe Temperatur- und gasinduzierte Ver
halten:
The second Bragg grid 11 shows the same temperature and gas-induced behavior:
Δλ2 = b ΔT + c ΔH2 (3).Δλ 2 = b ΔT + c ΔH 2 (3).
Die Differenz der zwei Bragg-Wellenlängen
The difference between the two Bragg wavelengths
Δλ1 - Δλ2 = a Δp, (4)
Δλ 1 - Δλ 2 = a Δp, (4)
hängt nur noch vom Druck, nicht jedoch von der Temperatur und der Gasbela
stung ab. Der Druck ist somit gegeben durch
depends only on the pressure, but not on the temperature and gas load. The pressure is therefore given by
Δp = (1/a) (Δλ1 - Δλ2) (5).Δp = (1 / a) (Δλ 1 - Δλ 2 ) (5).
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Druck
sensors dargestellt, bei welcher beide Faser-Bragg-Gitter temperaturkompen
siert gehalten sind. Der Sensor weist im wesentlichen denselben Aufbau auf wie
das anhand Fig. 1 beschriebene Beispiel. In dieser Ausführungsform sind
jedoch die Längen der Segmente so gewählt, dass eine thermisch induzierte Län
genveränderung des Druck- und Referenzkörpers relativ zueinander einer ther
misch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge λ1 des ersten
Bragg-Gitters 10 entgegenwirkt. Das heisst:
In FIG. 2, a second embodiment of the inventive pressure sensor is shown, in which both fiber Bragg grating tempera ture held Siert are. The sensor has essentially the same structure as the example described with reference to FIG. 1. In this embodiment, however, the lengths of the segments are selected such that a thermally induced change in length of the pressure and reference body relative to one another counteracts a thermally induced intrinsic change in the Bragg wavelength λ 1 of the first Bragg grating 10 . This means:
(Δλ1)T = - (Δλ1)ε (6)
(Δλ 1 ) T = - (Δλ 1 ) ε (6)
wobei (Δλ1)T die temperaturinduzierte intrinsische Bragg-Wellenänderung darstellt und (Δλ1)ε die Bragg-Wellenlängenverschiebung infolge der differen tiellen thermischen Ausdehnung des Druck- und Referenzkörpers ist.where (Δλ 1 ) T represents the temperature-induced intrinsic Bragg wave change and (Δλ 1 ) ε is the Bragg wavelength shift due to the differential thermal expansion of the pressure and reference body.
Um dies zu erreichen, muss somit folgende Bedingung erfüllt sein:
To achieve this, the following condition must be met:
α2 L' - α1(L'+ l1) + αfl1 = A (7)
α 2 L '- α 1 (L' + l 1 ) + α f l 1 = A (7)
wobei L" die Länge des ersten Segmentes 41 und A eine von den Materialparametern der Faser abhängige Konstante ist.where L "is the length of the first segment 41 and A is a constant dependent on the material parameters of the fiber.
Das zweite Bragg-Gitter 11 ist auf dieselbe Art und Weise temperaturkom
pensiert. Hierfür ist es zwischen zwei, ein Trägerpaar bildenden Trägern 43, 44
gehalten, wobei die Träger 43, 44 auf dem Referenzkörper 4, vorzugsweise auf
demselben Segment, angebracht sind. Die zwei Träger 43, 44 weisen unter
schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, deren Werte vorzugsweise
den Werten der zwei Segmente 41, 42 des Referenzkörpers 4 entsprechen. Für
eine vollständige Temperaturkompensation gilt hier die Beziehung:
The second Bragg grating 11 is temperature compensated in the same way. For this purpose, it is held between two carriers 43 , 44 forming a pair of carriers, the carriers 43 , 44 being attached to the reference body 4 , preferably on the same segment. The two carriers 43 , 44 have different thermal expansion coefficients, the values of which preferably correspond to the values of the two segments 41 , 42 of the reference body 4 . The following applies to complete temperature compensation:
α2d2 - α1(d2 + l2) + αfl2 = A (8)
α 2 d 2 - α 1 (d 2 + l 2 ) + α f l 2 = A (8)
wobei d2 die Länge des Trägers 44 und l2 die Länge des eingespannten Faserabschnittes mit dem zweiten Bragg-Gitter 11 ist.where d 2 is the length of the carrier 44 and l 2 is the length of the clamped fiber section with the second Bragg grating 11 .
Die Verschiebung der Bragg-Wellenlängen setzt sich nunmehr aus folgenden
Gliedern zusammen:
The shift in the Bragg wavelengths now consists of the following terms:
Δλ1 = a Δp + c ΔH2 (9)
Δλ 1 = a Δp + c ΔH 2 (9)
Δλ2 = c ΔH2 (10).Δλ 2 = c ΔH 2 (10).
Der Druck lässt sich wie im ersten Beispiel berechnen. In diesem Fall erhält man
jedoch auch eine Angabe zur Gaskonzentration, welche wie folgt bestimmt ist:
The pressure can be calculated as in the first example. In this case, however, you also get an indication of the gas concentration, which is determined as follows:
ΔH2 = (1/c) Δλ2 (11).ΔH 2 = (1 / c) Δλ 2 (11).
In hier nicht dargestellten Varianten dieses Ausführungsbeispiels sind die Trä ger 43, 44 des zweiten Bragg-Gitters 11 an anderen Stellen des Transducers befestigt. In diesem Fall muss Gleichung (8) angepasst werden. Die erhaltenen Resultate sind jedoch dieselben.In variants of this embodiment, not shown here, the carriers 43 , 44 of the second Bragg grating 11 are fastened at other locations of the transducer. In this case, equation (8) has to be adapted. However, the results obtained are the same.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, welches eine unabhän gige Messung von Druck, Temperatur und Gasbelastung erlaubt. Dieser Druck sensor weist eine optische Faser 1 mit drei Faser-Bragg-Gittern 10, 11, 12 mit vorzugsweise unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen auf. Das erste und zweite Bragg-Gitter 10, 11, das heisst das Druck- und das Temperaturgitter, sind wie im Beispiel gemäss Fig. 2 jeweils zwischen Trägerpaaren angeordnet und von diesen gehalten. Das dritte Bragg-Gitter 12, das Kompensationsgitter, ist ebenfalls von einem Trägerpaar gehalten, wobei ein erster Träger dieses Paares mit dem Druckkörper 3 und ein zweiter Träger mit dem Referenzkörper 4 verbunden ist. Im hier dargestellten Beispiel ist der erste Träger durch die Druckplatte 30 gebildet und der zweite Träger ist ein Flansch oder eine Endplatte 45 einer Verlängerung 46 des Referenzzylinders, wobei der Referenzzylinder in der Verlängerung 46 ein Fenster zur Aufnahme der End platte 30 des Druckkörpers 3 aufweist. Die Verlängerung besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten vernachlässigbar klein ist, beispielsweise aus Invar.In Fig. 3, a third embodiment is shown, which allows an independent measurement of pressure, temperature and gas load. This pressure sensor has an optical fiber 1 with three fiber Bragg gratings 10 , 11 , 12 with preferably different Bragg wavelengths. The first and second Bragg grids 10 , 11 , that is to say the pressure and temperature grids, are each arranged between carrier pairs and held by these, as in the example according to FIG. 2. The third Bragg grating 12 , the compensation grating, is also held by a pair of supports, a first support of this pair being connected to the pressure body 3 and a second support being connected to the reference body 4 . In the example shown here, the first carrier is formed by the pressure plate 30 and the second carrier is a flange or an end plate 45 of an extension 46 of the reference cylinder, the reference cylinder in the extension 46 having a window for receiving the end plate 30 of the pressure body 3 . The extension preferably consists of a material whose coefficient of thermal expansion is negligibly small, for example Invar.
Die Längen der Träger beziehungsweise der Segmente der Druckkörper sind in
diesem Beispiel wie folgt bemessen:
Das erste Faser-Bragg-Gitter 10 ist gemäss Gleichung (7) vollständig tempera
turkompensiert. Das zweite und dritte Faser-Bragg-Gitter 11, 12 weisen
vorzugsweise dieselbe Temperaturabhängigkeit auf. Für eine vernachlässigbare
thermische Ausdehnung der Verlängerung 46 des Referenzzylinders 4 entspricht
die Temperaturabhängigkeit des dritten Bragg-Gitters 12 gerade dem doppelten
Wert einer freien Faser. Für das zweite Bragg-Gitter 11 erreicht man dies durch
entsprechende Wahl von Länge und Ausdehnungskoeffizienten der Träger. Dies
wird erreicht durch
In this example, the lengths of the supports or segments of the pressure elements are dimensioned as follows:
The first fiber Bragg grating 10 is completely temperature compensated according to equation (7). The second and third fiber Bragg grids 11 , 12 preferably have the same temperature dependency. For a negligible thermal expansion of the extension 46 of the reference cylinder 4 , the temperature dependence of the third Bragg grating 12 corresponds exactly to twice the value of a free fiber. For the second Bragg grating 11 , this is achieved by appropriately choosing the length and expansion coefficient of the beams. This is achieved through
(Δλ2)T = (Δλ2)ε (12)
(Δλ2nd)T= (Δλ2nd)ε (12)
wodurch für das zweite Bragg-Gitter gilt
which applies to the second Bragg grating
α2d2 - α1(d2 + l2) + αfl2 = -A (13)α 2 d 2 - α 1 (d 2 + l 2 ) + α f l 2 = -A (13)
Ferner weist das dritte Bragg-Gitter 12 durch seine Halterung dieselbe, jedoch entgegengesetzt gerichtete Druckabhängigkeit auf wie das erste Bragg-Gitter 10.Furthermore, the third Bragg grating 12 has the same, but oppositely directed pressure dependency as the first Bragg grating 10 due to its mounting.
Die Bragg-Wellenlängen der drei Bragg-Gitter ändern sich deshalb wie folgt:
The Bragg wavelengths of the three Bragg gratings therefore change as follows:
Δλ1 = a Δp + c ΔH2 (14)
Δλ 1 = a Δp + c ΔH 2 (14)
Δλ2 = 2b ΔT + c ΔH2 (15)
Δλ 2 = 2b ΔT + c ΔH 2 (15)
Δλ3 = - a Δp + 2b ΔT + c ΔH2 (16)
Δλ 3 = - a Δp + 2b ΔT + c ΔH 2 (16)
woraus folgt:
From which follows:
Δp = (1/a) (Δλ2 - Δλ3) (17)
Δp = (1 / a) (Δλ 2 - Δλ 3 ) (17)
ΔT = (1/b) [Δλ2 - (1/2) (Δλ1 + Δλ3)] (18)
ΔT = (1 / b) [Δλ 2 - (1/2) (Δλ 1 + Δλ 3 )] (18)
ΔH2 = (1/c) [(Δλ1 + Δλ3 - Δλ2)] (19).ΔH 2 = (1 / c) [(Δλ 1 + Δλ 3 - Δλ 2 )] (19).
Falls die thermische Ausdehnung der Verlängerung 46 nicht vernachlässigbar ist, so ist die Temperaturabhängigkeit des dritten Bragg-Gitters 12 grösser als der doppelte Wert einer freien Faser. Der Parameter A in Gleichung (13) ist dann durch einen entsprechend grösseren Wert B zu ersetzen.If the thermal expansion of the extension 46 is not negligible, the temperature dependence of the third Bragg grating 12 is greater than twice the value of a free fiber. The parameter A in equation (13) is then to be replaced by a correspondingly larger value B.
Auch im Falle einer nicht vollständigen Temperaturkompensation für das erste
Bragg-Gitter 10 lassen sich Druck, Temperatur und Gasbelastung eruieren. Ist
nämlich die Änderung der Bragg-Wellenlängen wie folgt:
Even in the case of incomplete temperature compensation for the first Bragg grating 10 , pressure, temperature and gas load can be determined. This is because the change in Bragg wavelengths is as follows:
Δλ1 = a Δp + δb ΔT + c ΔH2 (20)
Δλ 1 = a Δp + δb ΔT + c ΔH 2 (20)
Δλ2 = d ΔT + c ΔH2 (21)
Δλ 2 = d ΔT + c ΔH 2 (21)
Δλ3 = -a Δp + (2b - δb)ΔT + c ΔH2 (22)
Δλ 3 = -a Δp + (2b - δb) ΔT + c ΔH 2 (22)
wobei δb der Fehler in der Temperaturkompensation und d ≠ 2b ist, ergibt sich
daraus
where δb is the error in temperature compensation and d ≠ 2b is the result
Δp = (1/a) [Δλ1 - Δλ2 - (Δλ1 + Δλ3 - 2Δλ2)(δb - d)/(2(b - d))] (23)
Δp = (1 / a) [Δλ 1 - Δλ 2 - (Δλ 1 + Δλ 3 - 2Δλ 2 ) (δb - d) / (2 (b - d))] (23)
ΔT = (Δλ1 + Δλ3 - 2Δλ2)/(2(b - d)) (24)
ΔT = (Δλ 1 + Δλ 3 - 2Δλ 2 ) / (2 (b - d)) (24)
ΔH2 = (1/c) [Δλ2 - (Δλ1 + Δλ3 - 2Δλ2)(d/2(b - d))] (25).ΔH 2 = (1 / c) [Δλ 2 - (Δλ 1 + Δλ 3 - 2Δλ 2 ) (d / 2 (b - d))] (25).
In Fig. 4 ist eine einfachere Variante des dritten Ausführungsbeispiels dar gestellt. In dieser Variante hängt die Änderung der Bragg-Wellenlänge des zweiten Bragg-Gitters 11 vorallem von der thermischen Ausdehnung des zweiten Segmentes 42 des Referenzkörpers 4 ab. Wie im zweiten Ausführungsbeispiel lässt sich auch hier das zweite Bragg-Gitter an anderen Stellen im Transducer lagern.In Fig. 4, a simpler variant of the third embodiment is provided. In this variant, the change in the Bragg wavelength of the second Bragg grating 11 depends primarily on the thermal expansion of the second segment 42 of the reference body 4 . As in the second exemplary embodiment, the second Bragg grating can also be stored at other locations in the transducer.
Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen mit drei Faser- Bragg-Gittern und zwei Kammern sind, im Falle, dass nur eine Kammer druck belastet ist, zur Messung eines Absolutdruckes eines Mediums und, im Falle, dass beide Kammern mit Medien gefüllt sind, zur Messung von Differenzdrücken der Medien geeignet. Der Aufbau des Transducers und die Halterung der Bragg- Gitter gleicht den oben beschriebenen Ausführungsformen für ein Medium. Das Transducergehäuse 20 weist nun jedoch eine erste und eine zweite Einlass öffnung 23, 23' für ein erstes beziehungsweise zweites Medium M', M" auf. Die optische Faser 1 ist vom zweiten Medium M" umgeben, wobei die Faser vor zugsweise von einer nicht dargestellten Kapillare schützend umgeben ist.The embodiments shown in FIGS. 5 and 6 with three fiber Bragg gratings and two chambers are, in the event that only one chamber is pressurized, for measuring an absolute pressure of a medium and, in the event that both chambers are filled with media are suitable for measuring differential pressures of the media. The structure of the transducer and the mounting of the Bragg grating are similar to the above-described embodiments for a medium. However, the transducer housing 20 now has a first and a second inlet opening 23 , 23 'for a first and a second medium M', M ". The optical fiber 1 is surrounded by the second medium M", the fiber preferably not being one shown capillary is surrounded protectively.
In dem in Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsbeipiel ist das zweite Faser-
Bragg-Gitter 11, das Temperaturgitter, zwischen dem ersten und dem dritten
Bragg-Gitter 10,12 gehalten, wobei es vorzugsweise ohne mechanische Vor
spannung in einem Trägerpaar gelagert ist und wobei es seine Träger 40,43 mit
den ersten und dritten Bragg-Gittern 10,12 teilt. Die Änderung der Bragg-
Wellenlänge λ2 des Temperaturgitters ist wie folgt:
In the fourth exemplary embodiment shown in FIG. 5, the second fiber Bragg grating 11 , the temperature grating, is held between the first and the third Bragg grating 10 , 12 , wherein it is preferably mounted in a pair of supports without mechanical stress and wherein it shares its beams 40 , 43 with the first and third Bragg gratings 10 , 12 . The change in the Bragg wavelength λ 2 of the temperature grating is as follows:
Δλ2 = a' Δp2 + b ΔT + c ΔH2 (26)
Δλ 2 = a 'Δp 2 + b ΔT + c ΔH 2 (26)
wobei a' die Sensitivität des zweiten Bragg-Gitters 12 auf eine Druckänderung
Δp2 des zweiten Mediums M" beschreibt. Die Bragg-Wellenlänge λ3 des dritten
Gitters 12, des Kompensationsgitters, ändert sich wie folgt:
where a 'describes the sensitivity of the second Bragg grating 12 to a pressure change Δp 2 of the second medium M ". The Bragg wavelength λ 3 of the third grating 12 , the compensation grating, changes as follows:
Δλ3 = a' Δp2 + b' ΔT + c ΔH2 (27).Δλ 3 = a 'Δp 2 + b' ΔT + c ΔH 2 (27).
Die Temperaturempfindlichkeit b' des Kompensationsgitters ist aufgrund der thermischen Expansion des Referenzkörpers 4 grösser als die intrinsische Empfindlichkeit b eines freien Fasergitters. Durch geeignete Wahl des Materials für den Referenzkörper 4 lässt sich erreichen, dass b' sich um einen vordefinierten Faktor von b unterscheidet, insbesondere lässt sich erreichen, dass er mindestens annähernd den doppelten Wert von b aufweist. Beispielsweise, indem der Referenzkörper aus Stahl gefertigt ist. Die Temperaturänderung ergibt sich nun aus der Differenz der Gleichungen (26) und (27).The temperature sensitivity b 'of the compensation grid is greater than the intrinsic sensitivity b of a free fiber grid due to the thermal expansion of the reference body 4 . Through a suitable choice of the material for the reference body 4 it can be achieved that b 'differs from b by a predefined factor, in particular it can be achieved that it has at least approximately twice the value of b. For example, by making the reference body from steel. The temperature change now results from the difference between equations (26) and (27).
Für die Bragg-Wellenlängenverschiebung des ersten Gitters 10 gilt:
The following applies to the Bragg wavelength shift of the first grating 10 :
Δλ1 = a"(p2 - p1) + a' Δp2 + b'ΔT + c ΔH2 (27a).Δλ 1 = a "(p 2 - p 1 ) + a 'Δp 2 + b'ΔT + c ΔH 2 (27a).
Hier ist angenommen, dass das feingespannte Fesersegment mit dem ersten Gitter die gleiche Länge l1, aufweist wie das Segment des dritten Gitters 12. Beide Gitter haben dann den gleichen Temperaturkoeffizienten b'. Der Differenzdruck (p2 - p1) ergibt sich dann aus der Differenz der Gleichungen 27a und 27. Here it is assumed that the finely tensioned fixed segment with the first grating has the same length l 1 as the segment of the third grating 12 . Both grids then have the same temperature coefficient b '. The differential pressure (p 2 - p 1 ) then results from the difference between equations 27a and 27.
Die in Fig. 6 dargestellte fünfte Ausführungsform unterscheidet sich vom vor
herigen Beispiel im wesentlichen dadurch, dass der Referenzzylinder 4 zwei
Segmente 41, 42 mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf
weist, wobei das zweite Bragg-Gitter 11, das Temperaturgitter, auf einem
Segment, vorzugsweise auf demjenigen mit dem grösseren Ausdehnungskoeffi
zienten, gehalten ist und einen Träger mit dem ersten Bragg-Gitter 10 teilt.
Dadurch ergibt sich für die Änderungen der Bragg-Wellenlängen:
The fifth embodiment shown in FIG. 6 differs from the previous example essentially in that the reference cylinder 4 has two segments 41 , 42 with different coefficients of thermal expansion, the second Bragg grid 11 , the temperature grid, preferably on one segment the one with the larger coefficient of expansion is held and shares a carrier with the first Bragg grating 10 . This results in the changes in the Bragg wavelengths:
Δλ1 = a"(p2 - p1) + a' Δp2 + c ΔH2 (28)
Δλ 1 = a "(p 2 - p 1 ) + a 'Δp 2 + c ΔH 2 (28)
Δλ2 = a' Δp2 + b'ΔT + c ΔH2 (29)
Δλ 2 = a 'Δp 2 + b'ΔT + c ΔH 2 (29)
Δλ3 = a' Δp2 + b ΔT + c ΔH2 (30)Δλ 3 = a 'Δp 2 + b ΔT + c ΔH 2 (30)
In den unveröffentlichten Patentanmeldungen PCT/CH99/00065 und DE 198 60 409.2 sind noch weitere Ausführungsbeispiele beschrieben. Das erfindungsgemässe Prinzip lässt sich auch auf diese Ausführungsbeispiele anwenden, indem jeweils eine feste Relation zwischen dem Temperaturverhalten zweier Faser-Bragg-Gitter durch geeignete Wahl bezüglich des thermischen Verhaltens des Druck- und Referenzkörpers hergestellt wird und die Faser- Bragg-Gitter derart im Transducer angeordnet sind, dass sie mindestens annähernd derselben Beeinflussung durch Gase unterliegen. Dadurch lassen sich verschiedenartig aufgebaute faseroptische Drucksensoren schaffen, welche eine gasunabhängige Messung eines Druckes und auch einer Temperatur erlauben. In unpublished patent applications PCT / CH99 / 00065 and DE 198 60 409.2 describes further exemplary embodiments. The The principle according to the invention can also be applied to these exemplary embodiments apply each by a fixed relation between the temperature behavior two fiber Bragg gratings by suitable choice regarding the thermal Behavior of the pressure and reference body is produced and the fiber Bragg gratings are arranged in the transducer in such a way that they are at least are subject to approximately the same influence by gases. Let it through differently constructed fiber optic pressure sensors create which a gas-independent measurement of a pressure and also a temperature allow.
11
optische Faser
optical fiber
1010th
erstes Faser-Bragg-Gitter (für Druckmessung)
first fiber Bragg grating (for pressure measurement)
1111
zweites Faser-Bragg-Gitter (für Temperaturmessung)
second fiber Bragg grating (for temperature measurement)
1212th
drittes Faser-Bragg-Gitter (zur Kompensationsmessung)
third fiber Bragg grating (for compensation measurement)
22nd
Transducer
Transducer
2020th
Transducergehäuse
Transducer housing
2121
Hohlraum
cavity
2222
Einlassöffnung
Inlet opening
2323
erste Einlassöffnung
first inlet opening
2323
' zweite Einlassöffnung
'' second inlet opening
33rd
Druckkörper
Pressure hull
3030th
Druckplatte
printing plate
44th
Referenzkörper
Reference body
4040
Referenzträger
Reference carrier
4141
erstes Segment
first segment
4242
zweites Segment
second segment
4343
Träger
carrier
4444
Träger
carrier
4545
Endplatte
End plate
4646
Verlängerungsstück
Extension piece
55
Faserhalterung
Fiber holder
66
Faserdurchführung
M Medium
M' erstes Medium
M" zweites Medium
p1 Fiber feedthrough
M medium
M 'first medium
M "second medium
p 1
Druck des ersten Mediums
p2 Print the first medium
p 2
Druck des zweiten Mediums
Printing the second medium
Claims (14)
- a) dass drei Faser-Bragg-Gitter (10, 11, 12) vorhanden sind, welche eine mindestens annähernd gleiche Gas-Sensitivität aufweisen, wobei
- b) ein erstes Faser-Bragg-Gitter (10) drucksensitiv und temperaturkompen siert gehalten ist,
- c) ein zweites Faser-Bragg-Gitter (11) eine thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist und druckunsensitiv gehalten ist und
- d) ein drittes Faser-Bragg-Gitter (12) drucksensitiv ist, eine entgegengesetzt gerichtete druckinduzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist als das erste Faser-Bragg-Gitter (10) und dieselbe thermisch induzierte Ände rung der Bragg-Wellenlänge aufweist wie das zweite Faser-Bragg-Gitter (11).
- a) that three fiber Bragg gratings ( 10 , 11 , 12 ) are present which have at least approximately the same gas sensitivity, wherein
- b) a first fiber Bragg grating ( 10 ) is kept pressure-sensitive and temperature-compensated,
- c) a second fiber Bragg grating ( 11 ) has a thermally induced change in the Bragg wavelength and is kept pressure-insensitive and
- d) a third fiber Bragg grating ( 12 ) is pressure sensitive, has an oppositely directed pressure-induced change in the Bragg wavelength than the first fiber Bragg grating ( 10 ) and has the same thermally induced change in the Bragg wavelength as the second Fiber Bragg Grid ( 11 ).
- a) dass drei Faser-Bragg-Gitter (10, 11, 12) vorhanden sind, welche eine mindestens annähernd gleiche Gas-Sensitivität aufweisen, wobei
- b) ein erstes Faser-Bragg-Gitter (10) seine Bragg-Wellenlänge drucksensitiv in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Drucks ändert und tempe raturkompensiert gehalten ist,
- c) ein zweites Faser-Bragg-Gitter (11) seine Bragg-Wellenlänge druck sensitiv in Abhängigkeit des zweiten Drucks ändert und eine thermisch in duzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist und
- d) ein drittes Faser-Bragg-Gitter (12) seine Bragg-Wellenlänge druck sensitiv in derselben Abhängigkeit des zweiten Drucks wie das zweite Faser-Bragg-Gitter (11) ändert und eine thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist, welche sich um einen vordefinierten Faktor von der thermisch induzierten Änderung der Bragg-Wellenlänge des zweiten Faser-Bragg-Gitters (11) unterscheidet.
- a) that three fiber Bragg gratings ( 10 , 11 , 12 ) are present which have at least approximately the same gas sensitivity, wherein
- b) a first fiber Bragg grating ( 10 ) changes its Bragg wavelength in a pressure-sensitive manner as a function of a first and a second pressure and is kept temperature-compensated,
- c) a second fiber Bragg grating ( 11 ) changes its Bragg wavelength in a pressure-sensitive manner as a function of the second pressure and has a thermally induced change in the Bragg wavelength and
- d) a third fiber Bragg grating ( 12 ) changes its Bragg wavelength pressure-sensitive in the same dependence on the second pressure as the second fiber Bragg grating ( 11 ) and has a thermally induced change in the Bragg wavelength, which is around distinguishes a predefined factor from the thermally induced change in the Bragg wavelength of the second fiber Bragg grating ( 11 ).
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1999138978 DE19938978A1 (en) | 1999-08-19 | 1999-08-19 | Fibre optic pressure sensor has fibre-Bragg grids with approximately equal gas sensitivity; thermally induced Bragg wavelength displacements of at least 2 grids have predefined relationship |
| PCT/CH2000/000370 WO2001014843A1 (en) | 1999-08-19 | 2000-07-05 | Fiber optic pressure sensor |
| AU53858/00A AU5385800A (en) | 1999-08-19 | 2000-07-05 | Fiber optic pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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