DE60312021T2

DE60312021T2 - Drucksensor mit bragg gittern

Info

Publication number: DE60312021T2
Application number: DE60312021T
Authority: DE
Inventors: Michel Bugaud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: ATE354790T1; CA2500274A1; DE60312021D1; WO2004029570A2; JP2006501446A; FR2845158A1; EP1554554B1; WO2004029570A3; EP1554554A2; US20060008196A1; US7164813B2; FR2845158B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor mit Bragg-Gitter ("Bragg grating").
Sie betrifft vor allem die Druckmessung bei Fluiden, zum Beispiel flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere auf dem Gebiet der chemischen Industrie.
STAND DER TECHNIK
Man kennt schon Bragg-Gitter-Drucksensoren aus den folgenden Dokumenten:

[1] EP 1 008 840A "Optical pressure sensor and measuring device provided with such a pressure sensor", Erfindung von M. Voet, M. Bugaud und P. Ferdinand;
[2] US-Patentanmeldung 2 001 001 910A, "Optical fiber sensor", Erfindung von E. Sugai, K. Watabe, K. Yamaga und S. Fujita.

Bei diesen bekannten Drucksensoren kann sich die optische Faser, in der das Bragg-Gitter ausgebildet ist, seitlich verschieben, was zur Beschädigung dieser Faser führen kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, den oben genannten Nachteil zu beseitigen.
DE 196 48 403 C offenbart einen Druck- und/oder Spannungskräftesensor, und US 6 278 811 B offenbart einen Drucksensor mit Bragg-Gitter in einer optischen Faser. Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung einen Drucksensor nach Anspruch 1 zum Gegenstand, mit einem Lichtwellenleiter, vorzugsweise einer optischen Faser, und einem in einem Teilstück dieses Lichtwellenleiters ausgebildeten ersten Reflexionselement, vorzugsweise einem Bragg-Gitter, wobei dieses Teilstück dem Druck ausgesetzt wird.
Um bei der Reaktion des Sensors, insbesondere in der Umgebung des Nulldrucks, jegliche Hysterese zu vermeiden, wird dieses Teilstück des Lichtwellenleiters einer leichten Kompressionsvorspannung ausgesetzt.
Unter einer leichten Kompressionsvorspannung versteht man eine Kompressionsvorspannung, deren Wert klein ist gegenüber dem Messbereich des Sensors.
Die elastischen Elemente sind vorzugsweise O-ringförmige Abstandshalter.
Die elastischen Elemente sind vorzugsweise aus einem elastischen Werkstoff mit einem niedrigen Reibungsbeiwert.
Der elastische Werkstoff ist vorzugsweise zelliges Polytetrafluorethylen.
Der erfindungsgemäße Sensor kann außerdem ein zweites Reflexionselement umfassen, das sich von dem ersten Reflexionselement unterscheidet und dazu dient, eine Temperatur zu messen, wobei dieses zweite Reflexionselement in einem Teilstück des Lichtwellenleiters ausgebildet ist, das nicht dem Druck ausgesetzt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, nur der Erläuterung dienenden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bezogen auf die folgenden beigefügten Zeichnungen:
1A, die eine schematische und partielle Ansicht eines erfindungsgemäßen unidirektionalen Membran-Drucksensors mit mehreren Ringen ist;
1B, die eine für das Verständnis der Erfindung nützliche schematische und partielle Ansicht einer Variante des Sensors der 1A mit nur einem einzigen Ring ist;
2, die eine für das Verständnis der Erfindung nützliche schematische und partielle Ansicht einer anderen Variante des in der 1A dargestellten Sensors ist; und
3, die eine für das Verständnis der Erfindung nützliche schematische Ansicht eines omnidirektionalen Drucksensors ist.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG BESONDERER AUSFÜHRUNGSARTEN
Die in den 1A, 1B und 2 schematisch dargestellten Drucksensoren sind unidirektionale Membransensoren: die Druckmessung erfolgt hier unidirektional, indem die Deformation einer Membran gemessen wird.
Der in der 3 schematisch dargestellte Drucksensor ist ein hydrostatischer omnidirektionaler Sensor: die Druckmessung erfolgt hier omnidirektional, indem die Deformation eines Referenzvolumens gemessen wird.
Betrachten wir zunächst die erfindungsgemäßen unidirektionalen Membransensoren. Bei diesen Sensoren benutzt man eine komprimierte optische Faser. Die große Kompressionsfestigkeit einer optischen Faser (insbesondere einer optischen Faser aus Siliciumdioxid) garantiert die große Zuverlässigkeit diese Fasern.
Bei den Sensoren der 1A, 1B und 2 benutzt man eine Membran als Probekörper (corps d'épreuve). Diese Membran wird dem Druck ausgesetzt, den man messen will. Unter der Wirkung dieses Drucks verschiebt sich die Membran, und man misst ihre Verschiebung mittels eines Bragg-Gitters, das in einer optischen Faser ausgebildet ist.
Diese Letztere, die fest mit der Membran verbunden ist, wird komprimiert. Diese Kompression verursacht eine Verschiebung der Wellenlänge des Bragg-Gitters. Das Messen dieser Verschiebung ermöglicht das Messen der Membranverschiebung und folglich das Messen des Drucks.
Bei diesen Sensoren der 1A, 1B und 2 sind spezifische Einrichtungen vorgesehen, um die optische Faser zu halten und zu führen und dabei das Ausknicken dieser letzteren zu vermeiden, wenn sie einer longitudinalen Kompression ausgesetzt wird. Diese spezifischen Einrichtungen sind in den Beispielen der 1A, 1B und 2 jeweils verschieden.
Noch genauer umfasst der erfindungsgemäße Drucksensor, der in der 1A schematisch dargestellt ist, ein Gehäuse 2 und eine deformierbare Membran 4, die das Gehäuse 2 verschließt und die dem zu messenden Druck P ausgesetzt ist. Unter der Wirkung dieses Drucks P deformiert sich die Membran 4 in einer Richtung X.
Die Wand 6 des Gehäuses 2, die der Membran 4 gegenübersteht, umfasst eine Öffnung 8, wenn der Sensor zur Messung von Relativdrücken vorgesehen ist.
Der Sensor umfasst außerdem eine optische Faser 10, von der sich ein Teilstück 12 in dem Gehäuse 2 befindet. In dieser optischen Faser ist ein Bragg-Gitter 14 ausgebildet. Der Sensor umfasst auch einen beweglichen Halter 16, der sich in dem Gehäuse befindet und der an der Membran 4 befestigt ist, im Wesentlichen im Zentrum dieser Membran.
Das Teilstück 12 der optischen Faser erstreckt sich parallel zu der Richtung X. Ein Ende dieses Teilstücks der optischen Faser ist senkrecht zu der optischen Achse dieses Teilstücks gespalten und an dem Halter 16 befestigt. Das andere Ende dieses Teilstücks 12 ist an der Wand 6 des Gehäuses befestigt.
Noch genauer umfasst diese Wand 6 eine dichte Durchführung 18 für die optische Faser, und das Teilstück 12 der optischen Faser ist in Höhe dieser Durchführung 18 an der Wand 6 befestigt.
Bei dem Sensor der 1A umfassen die Einrichtungen 20, die das Ausknicken der optischen Faser verhindern (oder noch genauer des Teilstücks 12 der optischen Faser) ein Führungsrohr 22, Ringe 24 und elastische Elemente. Diese Elemente sind O-ringförmige Abstandshalter 26, die aus einem elastischen Werkstoff mit niedrigem Reibungsbeiwert sind, vorzugsweise aus zelligem Polytetrafluorethylen.
Das Rohr 22 befindet sich in dem Gehäuse 2, erstreckt sich gemäß der Richtung X und umgibt dabei das Teilstück 12 der optischen Faser. Ein Ende dieses Rohrs ist an der Wand 6 befestigt und sein anderes Ende ist von dem beweglichen Halter 16 durch einen Abstand 28 getrennt.
Die Ringe 24 befinden sich aneinandergereiht in dem Rohr 22. Diese Ringe umgeben das Teilstück 12 der optischen Faser und sind durch die O-ringförmigen Abstandshalter 26 zueinander beabstandet.
In dem Beispiel der 1A bewirkt jeder Abstandshalter 26 den Abstand zwischen zwei benachbarten Ringen 24, wobei er sich auf zwei 45°-Fasen 30 abstützt, die jeweils an sich gegenüberstehenden Enden der Ringe 24 ausgebildet sind.
Das Teilstück 12 der optischen Faser wird also durch die Gesamtheit der Ringe 24 geführt, wobei diese letzteren durch das Rohr 22 longitudinal festgehalten werden, das eine seitliche Verschiebung dieser Ringe auf zum Beispiel ± 0,5 μm begrenzt.
Das geringe Axial- und vor allem Longitudinalspiel, das durch die elastischen Abstandshalter 26 gleichmäßig auf die Ringe 24 verteilt wird, ermöglicht dem Druck, das Faserteilstück in Längsrichtung zu komprimieren und dabei jegliches Ausknicken dieses letzteren zu vermeiden.
Zudem bewirken die elastischen Abstandshalter 26 unabhängig von der durch den Druck verursachten Längsverschiebung eine Selbstausrichtung der Ringe 24, indem sie sich symmetrisch auf diesen Ringen abstützen.
Außerdem ist der Widerstand, den diese weichen O-ringförmigen Abstandshalter 26 der Kompression entgegensetzen, sehr gering, und sie erhöhen die Trägheit der beweglichen Elemente, gebildet durch die Membran 4, den beweglichen Halter 16 und das Faserteilstück 12, nur sehr wenig. Ihr Reibungsbeiwert in Bezug auf das Rohr 22 macht den Reibungseffekt vernachlässigbar.
Das dynamische Verhalten des Sensors wird also optimiert.
Der am nächsten bei dem beweglichen Halter 16 befindliche Ring kann an diesem Halter befestigt werden, und der am nächsten bei der Wand 6 des Gehäuses 2 befindliche Ring kann an dieser Wand befestigt werden, aber dies ist nicht obligatorisch.
Um beim Verhalten des Sensors – insbesondere in der Umgebung des Nulldrucks – jede Hysterese zu vermeiden, lässt man auf das Faserteilstück 12 eine leichten Kompressionsvorspannung wirken.
Dasselbe gilt für die Beispiele der 1B, 2 und 3.
Bei einer in der 1B schematisch dargestellten Variante (wo gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen haben) gibt es nur noch einen einzigen Ring 24, der fest ist, mit dem Gehäuse 2 verbunden ist und der das Faserteilstück 12 über die gesamte Länge des Sensors führt.
Hier gibt es also keinen elastischen Abstandshalter mehr. Die Kompressionsbelastung des Teilstücks der Faser während der Belastung der Membran variiert das Spiel J zwischen dem Ring 24 und der deformierbaren Membran 4.
Bei einer speziellen Befestigungsart kann das Ende 12a des Teilstücks 12 metallisiert und punktförmig an die Membran 4 gelötet sein, es kann aber auch durch irgend ein anderes Mittel an ihr befestigt sein.
Ebenso kann das Faserteilstück 12 auf Höhe der unteren dichten Durchführung durch Schweißen oder Löten oder irgend ein anderes Mittel (zum Beispiel Kleben oder Crimpen) an dem Ring 24 oder dem Gehäuse 2 befestigt sein, wenn es lokal metallisiert ist.
Um die Verschiebung der Wellenlänge des in dem Teilstück 12 der optischen Faser enthaltenen Bragg-Gitters 14 zu messen, kann man außerhalb des Gehäuses 2 einen Optokoppler 32 des 2 × 2-Typs und eine Breitbandlichtquelle 34 vorsehen.
Zwei Kanäle ("Ports") des Kopplers sind jeweils mit der Lichtquelle 34 und dem Ende der optischen Faser 10 verbunden, die sich außerhalb des Gehäuses 2 befindet, um das Licht zu übertragen, das die Lichtquelle dieser optischen Faser liefert.
Das durch das Bragg-Gitter 14 reflektierte Licht wird durch einen anderen Kanal des Optokopplers zu einem Spektralanalysator 36 übertragen, der seinerseits mit elektronischen Einrichtungen 38 zur Verarbeitung der durch diesen Analysator gelieferten Signale verbunden ist.
Diese Einrichtungen 38 ermöglichen, aufgrund der Modulation des durch das Bragg-Gitter reflektierten Lichts, die durch den Spektralanalysator 36 detektiert werden, den Druck P zu bestimmen.
Die Resultate der Messungen werden durch die Anzeigeeinrichtungen 40 geliefert, die mit den elektronischen Verarbeitungseinrichtungen 38 verbunden sind.
Der vierte Kanal des Optokopplers kann unbenützt und vorzugsweise schräg gespalten sein, oder mit einer optischen Faser 42 verbunden sein, deren Ende vorzugsweise schräg gespalten ist und in der ein Bragg-Referenzgitter 44 ausgebildet ist.
Dieses Gitter 44 empfängt dann das durch die Quelle 34 abgestrahlte Licht und ermöglicht so die Kalibrierung des Drucksensors.
Vorzugsweise sieht man in einem Teilstück der optischen Faser 10, das nicht komprimiert wird, ein weiteres Bragg-Gitter 46 vor, zum Beispiel auf Höhe der dichten Durchführung 18 der Wand 6 des Gehäuses 2, dort wo das Teilstück 12 der optischen Faser befestigt wird.
Selbstverständlich erfolgt diese Befestigung durch Crimpen, wobei dieses Crimpen vorzugsweise an einer Stelle der Faser erfolgt, von wo aus es keine Spannung in dem Bragg-Gitter erzeugen kann.
Eine Crimpung verursacht nämlich eine Verschiebung der Spektrallinien, die a priori stabil ist und kompensiert wird, die man aber im Falle eines Sensors vorzugsweise vermeidet. Der optische Spektralanalysator 36 ermöglicht dann dank dieses weiteren Bragg-Gitters 46 (das sich von dem Bragg-Gitter 14 unterscheidet) die Temperatur zu messen.
Derart kann man die Modulationen kompensieren, die während der Druckmessungen erzeugt werden und die durch die Einflüsse der Temperatur auf das Bragg-Gitter 14 verursacht werden, das in dem Teilstück 12 der optischen Faser ausgebildet ist.
Der in der 2 schematisch dargestellte Sensor umfasst wieder ein Gehäuse 48 und eine Membran 50, die dieses Gehäuse verschließt.
In dem Beispiel der 2 ist diese Membran steif und ihr Rand ist nicht an dem Gehäuse 48 befestigt, sondern zu diesem etwas beabstandet, wie zu sehen in der 2.
Es soll der Druck P gemessen werden, der entsprechend einer Richtung X auf diese Membran wirkt.
Der Drucksensor der 2 umfasst wieder eine optische Faser 52, die ein Teilstück 54 mit einem der Druckmessung dienenden Bragg-Gitter 56 umfasst.
Dieses Teilstück 56 erstreckt sich im Innern des Gehäuses 48, parallel zu der Richtung X. Ein Ende dieses Teilstücks 56 der optischen Faser ist an der Membran 50 befestigt, während das andere Ende dieses Teilstücks 56 an der Wand 58 des Gehäuses befestigt ist, die der Membran 50 gegenübersteht.
Noch genauer durchquert die optische Faser 52 diese Wand 58 mittels einer dichten Durchführung 60, die zu diesem Zweck in der Wand vorgesehen ist, und das Teilstück 56 der optischen Faser ist auf Höhe dieser dichten Durchführung 60 an dieser Wand 58 befestigt.
In dem Beispiel der 2 umfassen die Einrichtungen gegen das Ausknicken des Teilstücks 54 der optischen Faser steife Scheiben 64, die in dem Gehäuse 48 angeordnet sind, parallel zueinander und senkrecht zu der Richtung X sind und das Teilstück 54 der optischen Faser umgeben. Zwischen diesen Scheiben sind elastische Elemente 66 eingefügt.
Bei dem in der 2 dargestellten Sensor bilden diese elastischen Elemente 66 nur einen einzigen Block, der aus einem Elastomer ist, das Teilstück 54 der optischen Faser umgibt und sich von der Membran 50 bis zu der Wand 58 des Gehäuses erstreckt, die dieser Membran gegenübersteht, wie dargestellt in der 2.
Ebenso wie die Membran 50 haben auch die Scheiben 64 einen kleinen Abstand von der Seitenwand 68 des Gehäuses, die sich parallel zu der Richtung X erstreckt.
Wenn der Druck P auf die Membran 50 wirkt, verschieben sich diese letztere und die Scheiben 64 in der Richtung X, wobei sie von dieser Seitenwand 68 des Gehäuses 48 geführt werden.
Präzisiert sei, dass das durch die Elemente 66 (und die Scheiben 64) gebildete Monoblockteil zusammen mit dem Faserteilstück 54 ein einziges Stück bilden kann, realisiert durch Einformung und Elastomerspritzguss.
Die Scheiben 64 werden mit einer Genauigkeit von 0,5 μm hergestellt, um die seitliche Verschiebung zu begrenzen. Diese Scheiben und das Faserteilstück verbinden sich während des Gießens mit dem Elastomer.
Um den Druck P mit Hilfe des Bragg-Gitters zu messen, benützt man wieder die mit der optischen Faser 52 durch den Optokoppler 32 des 2 × 2-Typs gekoppelte Breitband-Lichtquelle 34, den Spektralanalysator 36, die elektronischen Verarbeitungseinrichtungen der durch den Analysator 36 gelieferten Signale und die Anzeigeeinrichtungen 40, wie mit Bezug auf die 1A beschrieben, mit eventuell der das Referenz-Bragg-Gitter 44 enthaltenden optischen Faser 42.
Man kann hinsichtlich einer Temperaturkompensation wieder ein weiteres Bragg-Gitter 70 vorsehen. Man bildet dieses Gitter 70 wieder in einem Teilstück der optischen Faser 52 aus, das nicht dem Druck P ausgesetzt ist, zum Beispiel in der dichten Durchführung 70 auf Höhe der Befestigung des Teilstücks 54 in der optischen Faser 52.
Der Drucksensor, der in der 3 schematisch dargestellt ist, ist ein hydrostatischer omnidirektionaler Sensor, der einfach und kostengünstig ist.
Dieser Sensor umfasst ein elastisches Element 72, das aus einem polymeren Material ist und ein Teilstück 74 einer optischen Faser 76 umgibt.
In diesem Teilstück 74 ist ein Bragg-Gitter 78 ausgebildet, welches das Messen von Drücken ermöglicht.
Das elastische Element 72 ist zwischen zwei Verankerungsansatzstücken 80 und 82 enthalten, die das Teilstück 74 der optischen Faser 76 begrenzen und starr mit dieser Faser verbunden sind.
Diese Verankerungsansatzstücke bilden steife Anschläge, die zum Beispiel metallisch sind und die, wenn man eine Faser mit einem metallischen Mantel verwendet, an diesem Mantel befestigt werden können.
Das elastische Element 72 kooperiert mit den Ansatzstücken 80 und 82, um die Wirkung des hydrostatischen Drucks zu verstärken und diesen in eine longitudinale Deformation des Faserteilstücks 74 und folglich des Bragg-Gitters 78 umzuwandeln.
Das elastische Element 72 hat die Form eines Rotationszylinders um das Faserteilstück 72 herum.
Der Druck P eines Umgebungsmediums wirkt senkrecht zu der Achse Y des Faserteilstücks 74 auf die Peripherie des Elements 72. Die daraus resultierende Deformation wird durch dieses Element, das den hydrostatischen Druck verstärkt, auf die optische Faser und folglich auf das Bragg-Gitter übertragen.
Die Dicke des Mantels, den dieses Element bildet, wird in Abhängigkeit von der Steifigkeit des polymeren Materials und des erwünschten Verstärkungskoeffizienten berechnet.
Um den Druck P mittels der Deformation des Bragg-Gitters zu messen, benutzt man wieder die Breitband-Lichtquelle 34 und den Optokoppler 32 des 2 × 2-Typs, den man mit einem Ende der optischen Faser 76 verbindet und wie vorhergehend an den Spektralanalysator 36 anschließt, der an die elektronischen Verarbeitungseinrichtungen 38 angeschlossen ist, die mit den Anzeigeeinrichtungen 40 der Messresultate verbunden ist.
In der 3 sieht man, dass die optische Faser 76 und folglich der Drucksensor in ein optisches Kabel 84 integriert sind, und man sieht, das der Optokoppler 32 mit einem Ende dieses optischen Kabels 84 verbunden ist.
Das Licht, das durch diesen Optokoppler zum Bragg-Gitter 78 übertragen aber durch dieses Bragg-Gitter 78 nicht reflektiert wird, breitet sich in dem restlichen optischen Kabel 84 aus.
Man kann den Sensor der 3 wieder mit einem weiteren Bragg-Gitter 86 zur Temperaturkompensation ausstatten. Man realisiert dieses Bragg-Gitter 86 wieder in einem Teilstück der optischen Faser 76, das nicht dem Druck P ausgesetzt ist, zum Beispiel in einem der beiden Verankerungsansatzstücke 80 und 82.

Claims

Drucksensor mit einem Lichtwellenleiter (10) und einem in einem Teilstück (12) dieses Lichtwellenleiters ausgebildeten ersten Reflexionselement (14), wobei dieses Lichtwellenleiter-Teilstück dem Druck (P) ausgesetzt ist, dieser Sensor außerdem seitlichen Stützeinrichtungen (20) des Lichtwellenleiter-Teilstücks umfasst und dieses Lichtwellenleiter-Teilstück einer Vorspannung in Form eines Drucks ausgesetzt ist, dessen Wert niedrig ist in Relation zu dem Messbereich des Sensors, wobei der Sensor außerdem ein Gehäuse (2) und eine Membran (4) umfasst, die dem Druck ausgesetzt ist und dieses Gehäuse des mit Druck arbeitenden Sensors verschließt, das Lichtwellenleiter-Teilstück (12) sich in dem Gehäuse befindet und ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die jeweils an der Membran und an dem Gehäuse befestigt sind, und die seitlichen Stützeinrichtungen Einrichtungen (20) umfassen, um das Ausknicken des Lichtwellenleiter-Teilstücks zu verhindern, wenn dieser letztere komprimiert bzw. gestaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (20) zur Verhinderung des Ausknickens des genannten Lichtwellenleiter-Teilstücks ein in dem Gehäuse angeordnetes Rohr (22) umfassen, das dieses Lichtwellenleiter-Teilstück umgibt und das ein erstes Ende umfasst, das von der Membran beabstandet ist, und ein zweites Ende, das an dem Gehäuse befestigt ist, und Ringe (24), die sich zwischen dem Gehäuse und der Membran aufeinanderfolgend in dem Rohr erstrecken, durch elastische Elemente (26) zueinander beabstandet sind und von dem Lichtwellenleiter-Teilstück durchquert werden, wobei dieses Lichtwellenleiter-Teilstück frei in diesen Ringen gleiten kann.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem die elastischen Elemente elastische O-ringförmige Abstandshalter (26) sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die elastischen Elemente (26) aus einem elastischen Material mit einem niedrigen Reibungsbeiwert gefertigt sind.
Sensor nach Anspruch 3, bei dem dieses elastische Material Polytetrafluorethylen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der außerdem ein zweites Reflexionselement (46) umfasst, das sich von dem ersten Reflexionselement (14) unterscheidet und dazu dient, eine Temperatur zu messen, wobei dieses zweite Reflexionselement in einem Teilstück des Lichtwellenleiters (10) ausgebildet ist, das nicht dem Druck ausgesetzt ist.