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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Manometer und insbesondere Bourdon-Rohr-Manometer, die optische
Dehnungsmeßfühler nutzen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei vielen Verfahren oder Prüfverfahren kann
die Notwendigkeit des Messens des spezifischen oder allgemeinen
Druckes beim Steuern des betreffenden Verfahrens oder für das Verständnis der Bedingungen
ausschlaggebend sein, denen man begegnet. Eine Vielzahl von Druckmeßfühlerkonstruktionen
werden typischerweise zur Anwendung gebracht, um einen derartigen
Druck zu messen, einschließlich
von Meßfühlern mit
Dehnungsmeßstreifen,
Bourdon-Rohren, Quarzmeßfühlern und
Hybriden von irgendwelchen der vorangegangenen. Beispielsweise gibt
es Bourdon-Rohrkonstruktionen,
bei denen ein Rohr offen und an einem Ende befestigt ist, wobei
das Innere des Rohres dem Systemdruck für die Drucküberwachung ausgesetzt ist.
Das andere Ende des Rohres ist geschlossen und kann sich frei bewegen.
Wenn das Rohr dem Systemdruck ausgesetzt ist, steht die Bewegung
des freien Endes des Rohres direkt mit der Größe des Systemdruckes in Beziehung.
Das freie Ende des Rohres kann mittels einer direkt wirkenden mechanischen
Verbindung verbunden werden, die mit einem Zeiger gekoppelt ist,
der sich über
eine geeichte Skalenanzeige bewegt, um eine Anzeige des Systemdruckes
zu liefern.
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Eine weitere Bourdon-Rohrkonstruktion nutzt
die Bewegung des Bourdon-Rohres, um ein Quarzkristall unter Spannung
zu bringen. Die Veränderung
bei der Reaktanz des Kristalls unter Spannung kann örtlich innerhalb
des Manometers gemessen und elektronisch mit einer geeichten Verweistabelle
für den
tatsächlichen
Druck in Bezug gebracht werden. Konstruktionsabweichungen vom Vorangegangenen
messen Veränderungen
bei der Resonanz oder der Dehnung mittels der Dehnungsmeßstreifen.
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Obgleich die Zuverlässigkeit
des grundlegenden Bourdon-Rohres sehr hoch ist, sind die Klebstoffe
und elektronischen Bauteile, die bei den gegenwärtigen Bourdon-Rohr-Quarzkristallkonstruktionen
zur Anwendung kommen, sehr störungsempfindlich,
insbesondere bei hohen örtlichen
oder Umgebungstemperaturen. Beispielsweise verschlechtert sich bei
Temperaturen von mehr als 125°C
die elektronische Schaltung, die mit einem Dehnungsmeßstreifen
oder einem Quarzkristall verbunden ist, so, daß die Zuverlässigkeit
des Systems hinsichtlich sowohl Genauigkeit als auch Funktionstüchtigkeit
gefährdet
wird. Zusätzlich
neigen die verschiedenen Klebstoffe, die bei einem derartigen Dehnungsmeßstreifen
oder Quarzkristall verwendet werden, zum Versagen bei Temperaturen
von mehr als 125°C.
Daher besteht eine Forderung nach einer zuverlässigen Druckmeßfühlerkonstruktion,
die besonders für
eine Verwendung bei hohen örtlichen
oder Umgebungstemperaturbedingungen geeignet ist.
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Die Patent Abstracts of Japan, Band
016, Nr. 046 (P-1307), 5. Februar 1992, und das JP 03249531 A (Yamatake
Honeywell Co., Ltd.), 7. November 1991, und das US-A-5414507 (Herman
Elvin E. und Mitarbeiter), 9. Mai 1995, beschreiben Manometersysteme,
die Gebrauch von Lichtleitfasern machen, die aber nicht Braggsche
Gitter verwenden, um Licht einer bestimmten Frequenz zu reflektieren,
die sich entsprechend den Bedingungen verändert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung stellt ein Manometer
bereit, wie es in den beigefügten
Patentansprüchen
dargelegt wird.
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Die charakteristischen Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden angesichts der folgenden
detaillierten Beschreibung von deren Musterausführungen offensichtlicher werden,
wie sie in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines Manometers, das optische Dehnungsmeßfühler in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung nutzt;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm der optischen Signalverarbeitungseinrichtung,
die beim Manometer aus 1 zur
Anwendung gebracht wird;
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3 eine
Schnittdarstellung einer zweiten Ausführung eines Manometers, das
optische Dehnungsmeßfühler in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Endung nutzt;
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4 eine
Schnittdarstellung, teilweise herausgebrochen, einer dritten Ausführung eines
Manometers, das optische Dehnungsmeßfühler in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Endung nutzt;
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5 eine
Schnittdarstellung, teilweise herausgebrochen, einer vierten Ausführung eines
Manometers, das optische Dehnungsmeßfühler in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung nutzt;
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6 eine
Schnittdarstellung, teilweise herausgebrochen, einer fünften Ausführung eines
Manometers, das optische Dehnungsmeßfühler in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Endung nutzt; und
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7 eine
Schnittdarstellung, teilweise herausgebrochen, des Manometers aus 1, das ein Paar Braggsche
Gitter nutzt, um einen optischen Dehnungsmeßfühler zu bilden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Bourdon-Rohr-Manometer 10 ist
besonders gut für
eine Funktion in einer Umgebung von hoher Temperatur, hohem Druck
und/oder einer gefährlichen
Umgebung geeignet, um zuverlässige
Druckanzeigen zu liefern. Mit Bezugnahme auf 1 verläßt sich die Endung auf das
grundlegende Prinzip eines Bourdon-Rohres 11, bei dem ein
Ende 12 des Rohres für
den Druck der zu überwachenden
Umgebung offen ist, und bei dem das andere Ende 14 des Rohres
geschlossen ist und sich frei bewegen kann. Im Beispiel aus 1 liegt das Bourdon-Rohr 11 in der
Form eines Bogens 16 vor, und das offene Ende 12 des
Rohres ist befestigt, beispielsweise an einem Basis- oder Montageelement 20,
und das geschlossene Ende 14 des Rohres kann sich frei
bewegen. Wenn das offene Ende 12 des Rohres dem Druck des
zu überwachenden
Systems ausgesetzt wird, wird sich das geschlossene freie Ende 14 des
Rohres als Reaktion auf Veränderungen
im Systemdruck bewegen.
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Im Beispiel der vorliegenden Erfindung
wird ein Gegengewicht oder eine Ausgleichsbaugruppe 25,
das regulierbare Gewichte in mehreren Achsen 26, 27 umfaßt, bereitgestellt,
um die Trägheitseinflüsse auf
das Bourdon-Rohr 11 infolge der Schwingung zu minimieren.
Jedes geeignete Ausgleichsverfahren, wie beispielsweise das veranschaulichte
konventionelle Dreiachsenausgleichsverfahren, kann bei der Erfindung
zur Anwendung gebracht werden, um jegliche durch Schwingung hervorgerufene
Ablenkung des Rohres 11 zu stabilisieren. Daher wirkt die Ausgleichsbaugruppe
Veränderungen
bei der Reaktionsfähigkeit
des Bourdon-Rohres 11 auf den Druck der Umgebung, basierend
auf der Ausrichtung des gesamten Manometers 10, und jeglichen
Trägheitseinflüssen entgegen.
Wenn das Manometer 10 immer in einer bekannten Ausrichtung
angeordnet wird und nicht einer Schwingung oder anderen Trägheitseinflüssen unterworfen
wird, kann das Bourdon-Rohr 11 so konstruiert werden, daß die Ausgleichsbaugruppe 25 nicht
erforderlich ist.
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In der in 1 veranschaulichten Ausführung der
Erfindung ist eine Montagestütze 30 vorhanden,
um das Bourdon-Rohr 11 an einer Montagestelle 32 zu
tragen. Das andere Ende 33 der Montagestütze 30 ist
an der Basis 20 befestigt. Die Montagestütze 30 besteht
aus einem hochfesten Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so
daß es
nicht auf die Umgebung von hoher Temperatur reagiert. Zusätzlich ist
die Montagestütze 30 so konstruiert,
daß die
Bewegung des Bourdon-Rohres 11 als Reaktion auf eine Schwingung
oder einen anderen mechanischen Stoß, denen das Manometer 10 ausgesetzt
wird, minimiert wird.
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Ein Gehäuse 35 ist an der
Basis 20 montiert, um das Bourdon-Rohr 11 einzuschließen. Das
andere Ende 45 des Gehäuses 35 umfaßt eine
Montage- und Packerbaugruppe 47, durch die eine Lichtleitfaser 50 hindurchgeht.
Innerhalb der Packerbaugruppe 47 gelangt die Lichtleitfaser 50 durch
eine Hochdrucklichtleitfaserdichtung 52, um dadurch die
innere Umgebung des Manometers 10 vollständig abzudichten.
Das Ende der Packerbaugruppe 47 ist mit einer Halterung 55 für das Montieren
eines hochfesten Kapillarrohres 57 daran versehen, beispielsweise mittels
einer Sicherungsmutter 59. Das Gehäuse 35, die Basis 20,
der Packer 47, das Kapillarrohr 50 und die begleitende
Montageeinrichtung können
aus einem hochtemperaturbeständigen,
druckbeständigen und
korrosionsbeständigen
Material bestehen, wie beispielsweise nichtrostendem Stahl. Das
Gehäuse 35 kann
an der Basis 20 montiert und daran mittels einer Schweißnaht 63 abgedichtet
werden. Zusätzlich
kann ein Dichtungsring 65 mit rundem Querschnitt zwischen
der Packerbaugruppe 47 und dem Gehäuse 35 bereitgestellt
werden, um dadurch eine druckdichte Dichtung zu liefern. Die Innenkammer 69 des
Manometers 10, die durch das Gehäuse 35, die Basis 20 und
die Packerbaugruppe 47 gebildet wird, bildet eine Kammer,
die luftleer gemacht werden kann, um dadurch ein absolutes Manometer
zu lierfern. Alternativ kann die Innenkammer 69 mit einem inerten
Gas bei einem bekannten Druck gefüllt werden, wenn es gewünscht wird.
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Die Lichtleitfaser 50 ist
an einer ersten Montagestelle 70 am freien Ende 14 des
Bourdon-Rohres 11 und einer zweiten Montagesstelle 72 an
der Montagestütze 30 montiert.
Die Lichtleitfaser 50 wird an den Montagestellen durch
geeignete hochfeste, hochtemperaturbeständige Montagehilfsmittel montiert,
wie beispielsweise Hochtemperaturklebstoff, Schweißen oder
irgendein anderes geeignetes Montagehilfsmittel. Ein Braggsches
Gitter 75 wird in der Faser 50 zwischen der ersten
und der zweiten Montagestelle 70, 72 gebildet.
Bei der Ausführung
der Erfindung, die in 1 veranschaulicht
wird, wird die erste Länge
78 der Faser 50 zwischen der ersten und der zweiten Montagestelle 70, 72,
die das Braggsche Gitter 75 enthalten, so montiert, daß sie sich
in einem Vorspannungszustand befindet, wenn das Bourdon-Rohr 11 nicht
dem Systemdruck ausgesetzt wird. Durch Montieren der Faserlänge 78 unter
einer Vorspannung befindet sich das Braggsche Gitter 75 unter
einer bekannten Anfangsspannung, und Veränderungen hinsichtlich der
Spannung des Braggschen Gitters 75 in Verbindung mit Veränderungen
im Bourdon-Rohr 11, die mit einem sich verändernden
Druck in Verbindung stehen, werden leicht ermittelt. Eine zweite
Länge 80 der Faser 50 wird
zwischen der zweiten Montagestelle 72 und einer dritten
Montagestelle 82 mittels eines geeigneten Montageverfahrens
verbunden, wie es vorangehend beschrieben wird. Ein zweites Braggsches
Gitter 85 wird in der zweiten Länge 80 der Faser 50 gebildet.
Die zweite Länge 80 der
Faser 50 wird so montiert, daß sie sich nicht unter einer
Vordehnung befindet, und ebenfalls so, daß sie nicht eine Dehnung erfährt, die
mit dem Druck des Systems in Verbindung steht. Daher ist beabsichtigt,
daß das
zweite Braggsche Gitter 85 nur eine Veränderung der Dehnung in Verbindung
mit der Temperatur erfährt
und von der Dehnung isoliert wird, die durch andere Einflüsse hervorgerufen
wird.
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Wie jenen Fachleuten bekannt ist,
sind Fasergitter (Braggsche Gitter) gut für eine Verwendung als Dehnungsmeßelemente
geeignet. Wenn ein Fasergitter beleuchtet wird, reflektiert das
Gitter ein schmales Lichtband mit einer vorgeschriebenen mittleren
Wellenlänge.
Eine Meßgröße, wie
beispielsweise die Dehnung, die durch Druck oder Temperatur hervorgerufen
wird, wird jedoch eine Störung
der Gittermeßfühlerkonstante
infolge der gesamten Faserdehnung und des Brechungsindex von Glas
infolge fotoelastischer Effekte herbeiführen, die zusammen die Wellenlänge des
Lichtes verändern,
das vom Gitter reflektiert wird. Der Wert der Meßgröße steht direkt mit der Wellenlänge in Beziehung,
die durch das Gitter reflektiert wird und kann durch Nachweisen
der Wellenlänge
des reflektierten Lichtes ermittelt werden.
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Wie es weiterhin im Fachgebiet bekannt
ist, zeigt die wellenlängenkodierte
Beschaffenheit des Ausganges der Fasergitter Vorteile gegenüber der Meßverfahren
auf Intensitätsbasis
wegen der selbstvergleichenden Beschaffenheit des Ausganges. Diese
gemessene Information wird direkt in die Wellenlänge kodiert, die ein absoluter
Parameter ist und nicht von den gesamten Lichtniveaus, den Verlusten in
den Fasern oder Kopplern oder den Veränderungen bei der Quellenintensität abhängig ist.
Im Gegensatz dazu hängen
die Meßanordnungen
auf Intensitätsbasis
von den gesamten Lichtniveaus ab und werden durch Verluste in den
verbundenen Fasern, durch Verluste in den Kopplern und durch Veränderungen
bei der Quellenintensität
beeinflußt.
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Ebenfalls mit Bezugnahme auf 2 wird das Manometer 10 an einem
distalen Ende des Kapillarrohres 57 angeordnet und mit
der optischen Signalverarbeitungseinrichtung 100 mittels
der Lichtleitfaser 50 und der gut bekannten Kapillarrohrzuführeinrichtung 102 verbunden.
Die Zuführeinrichtung 102 wird
für das
Zuführen
des Manometers 10 und des Kapillarrohres 57 zu
einer zu überwachenden
Umgebung genutzt, wie beispielsweise der rauhen Umgebung eines Bohrloches
einer Erdöl- und/oder
Gasbohrung (nicht gezeigt), und für die Zuführung der optischen Signale
zwischen der optischen Signalverarbeitungseinrichtung 100 und
dem Manometer 10, entweder direkt oder mittels der Verbindungseinrichtung 102,
wie es erforderlich ist.
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Die optische Signalverarbeitungseinrichtung 100 umfaßt mindestens
eine Breitbandlichtquelle 149, wie beispielsweise die Lichtemitterdiode
(LED), und eine geeignete Einrichtung für die Lieferung des Lichtsignals
zu den Braggschen Gittern 75, 85, die innerhalb
eines Kernes der Lichtleitfaser 50 eingeschlossen sind.
Zusätzlich
umfaßt
die optische Signalverarbeitungseinrichtung 100 eine geeignete
optische Signalanalyseeinrichtung 150 für das Analysieren der Rückführungssignale
von den Braggschen Gittern 75, 85.
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2 zeigt
eine Anordnung für
das Überwachen
der Wellenlängenverschiebungen,
die durch die Braggschen Gittermeßfühler 75, 85 hervorgerufen werden,
um sowohl eine statische Druck- als auch Temperaturüberwachung
zu bewirken, zusammen mit einem Messen mit hoher Auflösung für kurzzeitige Druckschwankungen
in dem Maß,
daß der
dynamische Druck mittels eines Bourdon-Rohres gemessen werden kann.
Jedes der Braggschen Gitter 75, 85 wirkt als ein
Resonanzreflektor und funktioniert als ein Meßfühler, der montiert ist, um
in der hierin beschriebenen Weise zu reagieren.
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Licht von der optischen Breitbandquelle 149 wird
mit der Faser 50 mittels eines Kopplers 122 gekoppelt.
Dieser Koppler 122 lenkt das Licht zur Manometerbaugruppe 10 und
lenkt die reflektierten optischen Komponenten von den Braggschen
Gittermeßfühlern 75, 85 zur
optischen Signalanalyseeinrichtung 150, die Wellenlängenüberwachungsteilsysteme 124 und 126 umfaßt. Eines
der Wellenlängenüberwachungssysteme 124 gestattet
den Nachweis der Wellenlängenverschiebungen
der Braggschen Gitterelemente bei Anwendung einer „absoluten" Verfahrensweise
für die
statische Parameterüberwachung
(z. B. Druck und Temperatur). Das andere Wellenlängenüberwachungssystem 126 liefert
den Nachweis schwacher dynamisch hervorgerufener Verschiebungen
für die
kurzzeitige oder dynamische Drucküberwachung in dem Maß, daß das Bourdon-Rohr 11 auf
Druckübergangszustände anspricht.
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Um statische Wellenlängenverschiebungen zu überwachen,
werden die zurückgeführten optischen
Komponenten in einen optischen Wellenlängenanalysator 124 gelenkt,
wie beispielsweise einen Abtastschmalbandfilter, der ein Maß für die Braggsche
Wellenlänge
des Signallichtes liefert, das durch die Braggschen Gitter 75, 85 reflektiert
wird. Der statische Druck kann aus der Differenzverschiebung der Braggschen
Wellenlängen
abgeleitet werden, die durch das Braggsche Gitter 75 erzeugt
werden, wohingegen die Temperatur direkt aus einem Maß der Braggschen
Wellenlänge
des Braggschen Gitters 85 ermittelt wird. Die Temperaturmessung
kann zur Anwendung gebracht werden, um einen Temperaturausgleich
der Druckmessung vorzunehmen.
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Ein Teil der zurückgeführten optischen Komponenten
wird bei Verwendung eines Kopplers 123 zu einem alternativen
Wellenlängendiskriminator 126 abgetrennt,
um dadurch eine Überwachung
der Wellenlängenverschiebungen
mit hoher Auflösung
zu liefern. Um die Reaktionen der verschiedenen Gitter 75, 85 zu
trennen, wird ein Teil der zurückgeführten optischen
Komponenten von den Gittern zu einem Wellenlängenfilter oder Router 125 gelenkt.
Diese Vorrichtung trennt die optischen Signale, die durch jedes Braggsche
Gitter erzeugt werden, mittels des selektiven Filterns. Die Durchlaßbereiche
dieser Vorrichtung sind breit genug, um zu sichern, daß unter
normalen Betriebsbedingungen (voller Temperatur- und Druckbereich)
das optische Signal, das beispielsweise vom Gitter 75 erzeugt
wird, immer durchgeht. Die Ausgänge
des Routers können
danach analysiert werden, indem empfindliche Wellenlängendiskriminatoren 126 verwendet
werden, um Wellenlängenmodulationseffekte
infolge von Schwingung oder dynamischem Druck zu ermitteln. Durch
Abstimmen des Durchlaßbereiches
des Filters 125 können
die separaten Gitter im System einzeln analysiert werden. Alternativ
könnte
ein Wellenlängendivisionsdemultiplexer
verwendet werden, um die Wellenlängenkomponenten
bei den einzelnen Fasern zu trennen, die danach jeweils analysiert
werden könnten,
mittels von separaten Wellenlängendiskriminatoren
mit hoher Auflösung.
Ein Beispiel des Typs von Wellenlängendiskriminatoren, der für diesen
Zweck geeignet ist, ist das interferometrische Nachweisverfahren, das
im U.S. Patent Nr. 5361130 beschrieben wird.
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Obgleich eine spezifische Ausführung der optischen
Signalverarbeitungseinrichtung 100 vorangehend beschrieben
wird, können
weitere optische Signalanalyseverfahren bei der vorliegenden Erfindung
zur Anwendung gebracht werden, wie beispielsweise die erforderliche
Hardware und Software, um die optische Signaldiagnoseeinrichtung
zu realisieren, die in den U.S. Patenten Nr. 4996419, 5401956, 5426297
und/oder 5493390 offenbart wird.
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Wie es im Fachgebiet gut bekannt
ist, gibt es verschiedene optische Signalanalyseverfahren, die genutzt
werden können,
um Rückführungssignale von
Braggschen Lichtleitfasergittern zu analysieren. Diese Verfahren
können
im allgemeinen in die folgenden vier Kategorien eingeteilt werden:
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- 1. Direktspektroskopie, die konventionelle Dispersionselemente,
wie beispielsweise Strichraster, Prismen, usw., und eine lineare
Anordnung von Fotodetektorelementen oder eine CCD-Anordnung nutzt;
- 2. das passive optische Filtrieren bei Anwendung der Optik oder
einer Faservorrichtung mit einer wellenlängenabhängigen Übertragungsfunktion, wie beispielsweise
einem WDM-Koppler;
- 3. Nachführen
bei Verwenden eines abstimmbaren Filters, wie beispielsweise eines
Fabry-Perot-Abtastfilters,
eines akustisch-optischen Filters, wie beispielsweise des Filters,
der im vorangehend zitierten U.S. Patent Nr. 5493390 beschrieben
wird, oder von Filtern auf der Basis von Braggschen Fasergittern; und
- 4. interferometrischer Nachweis.
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Das angewandte spezielle Verfahren
wird variieren, und es wird von der GröBe der Braggschen Wellenlängenverschiebung
(die von der Empfindlichkeit des Meßfühlers und der Intensität der Meßgröße abhängig ist)
und dem Frequenzbereich der nachzuweisenden Meßgröße abhängig sein.
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Wendet man sich wieder 1 zu, so wird das distale
Ende 136 der Faser 50, das beispielsweise an der
dritten Montagestelle 82 montiert ist, in einer antireflektierenden
Weise begrenzt, um so eine Störung
mit den reflektierten Wellenlängen
von den Braggschen Gittern 75, 85 zu verhindern.
Beispielsweise kann das distale Ende 136 der Faser 50 unter einem
Winkel so aufgespalten werden, daß die Endfläche nicht senkrecht zur Faserachse
verläuft.
Alternativ kann das distale Ende 136 der Faser 50 mit
einem Material beschichtet werden, das auf den Brechungsindex der
Faser abgestimmt ist, wodurch gestattet wird, daß Licht aus der Faser ohne
Rückstrahlung
austritt und folglich im indexabgestimmten Material ausgegeben wird.
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Wie es vorangehend offenbart wird,
besteht jedes Braggsche Gitter 75, 85 aus einer
periodischen Veränderung
des Brechungsindex des Faserkernmaterials (d. h., eine Veränderung
der Geschwindigkeit des Lichtes innerhalb des Faserkernes), was
einen Resonanzhohlraum für
die speziellen mittleren Wellenlängen
des Lichtes entsprechend einer speziellen periodischen Gitterkonstante
bildet. Ein derartiger Resonanzhohlraum wird dann nur Licht mit
dieser speziellen mittleren Wellenlänge λ reflektieren, während gestattet
wird, daß Licht
aller anderen Wellenlängen
ohne bedeutende Abschwächung
hindurchgeht. Es ist gut bekannt, daß, wenn eine Dehnung am reflektierenden
Gitter zur Anwendung gebracht wird, eine Veränderung der mittleren Wellenlänge des
Resonanzhohlraumes infolge einer Veränderung beim periodischen Abstand
des Gitters auftreten wird, und das wird als eine Wellenlängenverschiebung
im reflektierten Licht erscheinen. Wenn die Dehnung durch eine Veränderung
bei der Dehnung in der Faser erzeugt wird, wie beispielsweise mittels
des Bourdon-Rohres 11, dann kann die Wellenlängenverschiebung
der mittleren reflektierten Wellenlänge mit der Druckveränderung
in Beziehung gebracht werden, was die Bewegung des Bourdon-Rohres 11 bewirkte.
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Mit Bezugnahme auf 3 wird eine zweite Ausführung des
Bourdon-Rohr-Manometers der Erfindung veranschaulicht. Bei der zweiten
Ausführung der
Endung, die in 3 veranschaulicht
wird, liegt das Bourdon-Rohr 311 im Grunde genommen in
der gleichen Konfiguration vor wie das Bourdon-Rohr 11 in 1. Die Lichtleitfaser 350 wird
jedoch direkt an die Oberfläche
des Bourdon-Rohres 311 über
eine Länge
des Bourdon-Rohres geschweißt
oder anderweitig befestigt, die beispielsweise von einer Fläche aus
angrenzend an die Montagestelle 332 beginnt und sich bis
zum freien Ende 314 des Bourdon-Rohres 311 erstreckt.
Ein Braggsches Gitter 375 wird in der Lichtleitfaser 350 in
der Länge
der Lichtleitfaser gebildet, die direkt an der Oberfläche des
Bourdon-Rohres 311 montiert ist. Wenn das Bourdon-Rohr 311 dem
Druck einer Umgebung ausgesetzt wird, beeinflussen daher Veränderungen
in der Position des Bourdon-Rohres die Dehnung im Braggschen Gitter 375,
wodurch eine Anzeige des Druckes in der Umgebung geliefert wird.
Eine zusätzliche
Länge der
Lichtleitfaser 350 wird zwischen dem freien Ende 314 des
Bourdon-Rohres 311 und einer Montagestelle 380 an
der Montagestütze 330 montiert.
Diese zusätzliche
Länge der
Lichtleitfaser umfaßt
ein zweites Braggsches Gitter 385. Die Länge der
Lichtleitfaser, die das zweite Braggsche Gitter 385 enthält, ist
so montiert, daß das
Braggsche Gitter 385 nicht eine Dehnung in Verbindung mit
dem Druck in der Umgebung erfährt,
und daß die
einzige Dehnung, der das Braggsche Gitter 385 ausgesetzt
ist, mit der Temperatur der Umgebung in Verbindung steht. Daher
kann ein Temperaturausgleichssignal durch das Braggsche Gitter 385 geliefert
werden.
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Wie bei den zwei Braggschen Gittern 75, 85 in
der ersten Ausführung
der in 1 veranschaulichten
Erfindung werden die zwei Braggschen Gitter 375, 385 in
der zweiten Ausführung
der in 3 veranschaulichten
Erfindung ausgewählt,
um optische Signale innerhalb ausgewählter optischer Wellenlängenbereiche
zu reflektieren, wobei die Bereiche sich nicht überdecken und voneinander unterschiedlich sind,
so daß die
reflektierten optischen Signale von den zwei verschiedenen Braggschen
Gittermeßfühlern leicht
voneinander differenziert werden können.
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Mit Bezugnahme auf 4 wird eine dritte Ausführung der
Erfindung veranschaulicht. Bei der in 4 veranschaulichten
Ausführung
der Erfindung bildet das Bourdon-Rohr 411 mehr von einem
vollständigen
Bogen, wobei das freie Ende 414 des Bourdon-Rohres an annähernd dem
untersten Teil eines Kreises endet, der durch das Bourdon-Rohr 411 gebildet
wird. Als Reaktion auf Veränderungen
beim Druck einer durch das Bourdon-Rohr 411 zu überwachenden
Umgebung wird sich das freie Ende 414 des Bourdon-Rohres
im allgemeinen längs
einer Achse 415 bewegen. Mit der Basis 420 ist
ein Paar Montagestützen 421, 422 verbunden,
und die Lichtleitfaser 450 ist längs der Achse 415 zwischen
einer Montagestelle 425 an einer Montagestütze 421 und
einer Montagestelle 426 an der anderen Montagestütze 422 montiert.
Die Lichtleitfaser ist ebenfalls an einer Montagestelle 427 am
freien Ende 414 des Bourdon-Rohres 411 montiert. Ein Paar
Braggsche Fasergitter 475, 476 werden in der Lichtleitfaser
zwischen den Montagestützen 421, 422 gebildet.
Ein Braggsches Fasergitter wird in der Faser zwischen der ersten
Montagestütze 421 und
der Montagestelle 427 am freien Ende 414 des Bourdon-Rohres 411 gebildet.
Das zweite Braggsche Fasergitter 475 wird in der Lichtleitfaser
zwischen der Montagestelle 427 am freien Ende 414 des
Bourdon-Rohres 411 und der Montagestelle 426 an
der anderen Montagestütze 422 gebildet.
Beide Braggsche Fasergitter 475, 476 werden unter
einer Vordehnung von gleicher Größe montiert.
Wenn sich die Position des Bourdon-Rohres 411 infolge von
Veränderungen
beim Druck der zu überwachenden
Umgebung verändert,
verändert die Änderung
der Position des freien Endes 414 des Bourdon-Rohres 411 die
Dehnung in den Braggschen Fasergittern 475, 476 so,
daß die
Dehnung in einem Braggschen Fasergitter vergrößert wird, während die
Dehnung im anderen Braggschen Fasergitter verringert wird. Dieses
Dehnungsüberwachungsverfahren
liefert eine sehr zuverlässige
und genaue Anzeige des Druckes in der Umgebung. Wie bei den anderen
Ausführungen
der Erfindung wird ebenfalls ein Braggsches Temperaturausgleichsgitter 485 (Bezugsgitter)
in der Lichtleitfaser 450 am Ende der Lichtleitfaser gebildet,
um einen Temperaturausgleich für
die Druckmessungen zu liefern.
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5 veranschaulicht
eine vierte Ausführung
der Erfindung, die der in 4 veranschaulichten
Ausführung
der Erfindung gleicht. In der in 5 veranschaulichten
Ausführung
der Erfindung werden zwei Braggsche Fasergitter unter einer Anfangsdehnung
zwischen zwei Bezugsstellen und dem freien Ende eines schraubenförmigen Bourdon-Rohres montiert. Änderungen
in der Position des freien Endes des Bourdon-Rohres in Verbindung
mit Veränderungen
beim Druck der Umgebung verändern
die Dehnung in den Braggschen Gittern, wobei die Dehnung in einem
der Braggschen Gitter vergrößert wird, während die
Dehnung im anderen Braggschen Gitter verringert wird. Ein Braggsches
Temperaturausgleichsgitter wird ebenfalls bereitgestellt.
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Mit Bezugnahme auf 6 wird bei einer fünften Ausführung der Endung ein schraubenförmiges Bourdon-Rohr
genutzt, wobei ein Paar Braggsche Gitter in verschiedenen Achsen
voneinander montiert sind. Ein Braggsches Temperaturausgleichsgitter
wird ebenfalls bereitgestellt.
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Mit Bezugnahme auf 7 kann, obgleich die Erfindung bei Verwendung
eines einzelnen reflektierenden Gitters 75 (1), wie es hierin erklärt wird,
veranschaulicht wird, eine alternative Ausführung der Erfindung ein Paar
reflektierende Gitter 75a und 75b innerhalb der
gleichen Länge
der Faser 78a nutzen, wodurch ein Resonanzhohlraum von
größerer Länge gebildet
wird. Ein derartiger Resonanzhohlraum wird ebenfalls Licht von einer
speziellen Wellenlänge
entsprechend der mittleren Wellenlänge λ der reflektierenden Gitter 75a, 75b reflektieren. Eine
Veränderung
der Hohlraumlänge,
die durch eine Bewegung des Bourdon-Rohres 11a bewirkt
wird, wird zu einer Phasenverschiebung beim reflektierten Licht
infolge der Veränderung
der optischen Weglänge
innerhalb des reflektierenden Hohlraumes führen. Eine derartige Vorrichtung,
die als ein Fabry-Perot-Interferometer bezeichnet wird, kann daher
eine hochempfindliche Einrichtung zum Nachweisen einer Dehnung in
der Lichtleitfaser bereitstellen, und die resultierende optische
Phasenverschiebung kann bei Anwendung von Standardverfahren mit
Interferometerausstattung nachgewiesen werden. Daher ist es bei
diesem Verfahren möglich,
einen Druckwandler mit passivem Temperaturausgleich zu realisieren, der
eine verbesserte Druckempfindlichkeit aufweist, verglichen mit der
vorhergehend beschriebenen Vorrichtung in 1, die ein einzelnes reflektierendes Gitter
innerhalb des Kernes nutzt. Alternativ kann das Paar der Braggschen
Gitter benutzt werden, um ein träges
Element für
den Nachweis zu bilden, beispielsweise durch Positionieren einer
Ebrium-dotierten Länge
der Lichtleitfaser zwischen dem Paar der Braggschen Gitter.
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Obgleich die Endung hierin so beschrieben wird,
daß entweder
ein kreisförmiges
(Bogen) oder ein schraubenförmiges
Bourdon-Rohr verwendet wird, kann jedes geeignete Bourdon-Rohr bei
der Erfindung eingesetzt werden, vorausgesetzt, daß das Rohr
auf die Umgebung hinsichtlich des Veranlassens einer Dehnung in
einem optischen Meßfühler reagiert.
Die Erfindung wird hierin so beschrieben, daß Braggsche Gittermeßfühler genutzt
werden, die in einer Faser zwischen einem freien Ende eines Bourdon-Rohres und einer
Bezugsstelle montiert sind oder alternativ in einer Faser, die direkt
auf der Oberfläche
des Bourdon-Rohres montiert ist. Jede geeignete Konfiguration der
Lichtleitfaser, die das Braggsche Gitter und das Bourdon-Rohr enthält, kann
jedoch verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Veränderungen im Bourdon-Rohr als
Reaktion auf den Druck in der Umgebung genau mit dem Braggschen
Gitter in der Faser gekoppelt werden.
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Obgleich das Manometer der Erfindung
hierin als für
eine Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung gut geeignet beschrieben
wird, ist es ebenfalls für
irgendeine andere beliebige Anwendung eines Bourdon-Rohres gut geeignet,
wo eine sehr genaue und zuverlässige
Messung des Systemdruckes gewünscht
wird.