ITMI20130138A1 - Sensore ottico per misure di pressione senza contatto. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Sensore ottico per misure di pressione senza contattoâ€

La presente invenzione si riferisce a un sensore ottico per misure di pressione senza contatto.

I sensori ottici per la misura di pressione possono essere in generale suddivisi in due differenti famiglie in accordo al differente approccio di misura usato per la misura della pressione: sensori ottici “Interferometrici†e sensori ottici “a Variazione di ampiezza†. Nei sensori ottici “Interferometrici†, la pressione à ̈ rilevata misurando il cambio di fase tra il segnale ottico emesso da una sorgente laser di riferimento ed il segnale proveniente da un elemento ottico la cui fase à ̈ dipendente dalla pressione del fluido da misurare (ad esempio utilizzando interferometri di Bragg, Fabry-Perot, Michelson, Mach-Zehnder). In un sensore ottico a “variazione di ampiezza†, la pressione à ̈ invece rilevata misurando direttamente la variazione di intensità tra il segnale ottico emesso da una sorgente ottica e il segnale ottico di ritorno emesso da un elemento ottico la cui ampiezza à ̈ dipendente dalla pressione del fluido da misurare (ad esempio la superficie riflettente di un membrana sensibile alla pressione). Nei sensori ottici a “variazione di ampiezza†, una fibra ottica à ̈ utilizzata per inviare un raggio ottico verso la superficie riflettente di un membrana sensibile alla pressione e contemporaneamente per raccogliere la luce riflessa dal membrana stesso.

I sensori di tipo “Interferometrico†presentano il vantaggio di poter misurare la pressione con una risoluzione più alta rispetto ai sensori a “variazione di ampiezza†ma, per contro, i sensori di tipo “Interferometrico†sono più sensibili alle vibrazioni meccaniche (spesso presenti negli ambienti industriali) e meno affidabili in quanto utilizzanti soluzioni basate su sistemi ottici più complicati e delicati. L’uso di interferometri e la necessità di utilizzare sorgenti LASER coerenti rende i sensori di tipo “Interferometrico†anche molto più costosi rispetto ai più robusti sensori ottici a “variazione di ampiezza†dove possono essere invece utilizzate sorgenti ottiche LED non coerenti a basso costo.

I sensori ottici in grado di misurare pressioni senza contatto fisico, rendono questi dispositivi molto interessanti per tutte quelle applicazioni dove devono essere misurate variazioni di pressioni ad alta frequenza di ripetizione, come nel caso delle camere di scoppio dei motori a combustione interna in campo automobilistico.

I sensori ottici risultano insensibili alle Interferenze Elettro-Magnetiche (Electro-Magnetic Interference - EMI), spesso presenti nelle aree industriali attorno alla zona di misura, essendo la sonda ottica utilizzata per raggiungere l’area di misura basata essenzialmente su una fibra ottica, che risulta intrinsecamente insensibile ai problemi EMI; in questi sensori ottici, tutti i dispositivi attivi necessari alla rilevazione e alla trasmissione del segnale vengono posizionati sufficientemente lontani dall’area di misura, tipicamente in zone controllate dove detti fenomeni EMI non sono più presenti, eliminando così il degrado del segnale dovuto alle interferenze EMI o RF.

La misura di pressione realizzata mediante un sensore senza contatto fisico assieme alla possibilità di non avere dispositivi elettronici nell’area di misura, aumenta notevolmente l’affidabilità del sensore stesso, rendendo l’utilizzo di questo tipo di sensori molto attraente per l’uso in ambienti industriali dove si possono raggiungere severe condizioni operative dovute a temperature di processo estremamente elevate come nel caso di sistemi per estrusione, iniezione e stampaggio di materie plastiche o, in campo automobilistico, quando si debba misurare la pressione in una camera di un motore a scoppio. L’assenza di sistemi elettronici in tensione vicino alla zona dove si effettua la misura della pressione, rende questo tipo di sensore ottico di pressione intrinsecamente sicuro quando si renda necessaria la misura della pressione in aree industriali dove risultano presenti materiali o gas infiammabili e/o esplosivi.

I sensori ottici che utilizzano fibre ottiche singolo modo come mezzo di trasmissione del segnale, permettono di misurare la pressione anche a distanze di decine di chilometri, rendendo questi sensori particolarmente adatti all’utilizzo in piattaforme petrolifere, pozzi petroliferi e oleodotti.

Inoltre, i sensori ottici permettono di modificare facilmente il fondo scala della pressione da misurare permettendo la misura di pressioni anche molte elevate, semplicemente modificando in modo opportuno lo spessore della membrana deformabile con la pressione che costituisce l’elemento di trasduzione. L’assenza nei sensori ottici per la misura della pressione di fluidi incomprimibili potenzialmente pericolosi (olii, mercurio) (utilizzati in altri tipi di sensori per trasferire l’effetto della pressione dalla membrana ad altri elementi mobili del sensore stesso) rendendo questi sensori totalmente compatibili con le attuali norme RoHS.

Altri tipi di sensori per la misura di pressione, i sensori “Piezo-elettrici†o i sensori “Piezo-resistivi†sono stati sviluppati prima che i sensori ottici fossero disponibili. Il principio fisico utilizzato nei sensori “Piezo-elettrici†à ̈ l’effetto piezoelettrico, tipico di alcuni cristalli (cristalli piezo-elettrici), dove una variazione di pressione applicata al cristallo lungo una specifica direzione, produce una variazione di tensione agli estremi del cristallo stesso proporzionale alla pressione applicata. Nei sensori “Piezo-resistivi†, la variazione di pressione à ̈ misurata dalla variazione di resistenza indotta dalla pressione su dei resistori tipicamente collegati in configurazione a ponte di Wheatstone. Nonostante entrambi i sensori Piezo-elettrici e Piezo-resistivi siano largamente utilizzati in ambienti industriali, questi non hanno gli stessi vantaggi dei sensori ottici precedentemente elencati poiché questi sensori Piezo-elettrici e Piezoresistivi richiedono un contatto meccanico diretto tra la membrana sensibile alla pressione e il trasduttore basato su elementi elettronici in tensione. L’elemento trasduttore dei sensori piezo-elettrici e piezo-resistivi à ̈ un dispositivo elettronico che deve essere necessariamente posizionato in prossimità della zona di misura della pressione (tipicamente a pochi millimetri di distanza dalla membrana deformabile con la pressione); la presenza nel trasduttore di elementi elettronici attivi riduce notevolmente sia l’affidabilità di questi sensori quando utilizzati a temperature elevate che la sicurezza quando utilizzati in presenza di materiali o gas infiammabili e/o esplosivi. Anche se il dispositivo trasduttore viene tipicamente racchiuso in un contenitore metallico schermato per evitare problemi di interferenza EMI presenti nelle aree industriali attorno alla zona di misura, tutti i circuiti elettronici necessari alla rilevazione ed successiva elaborazione del segnale possono a loro volta essere soggetti a tali fenomeni di interferenza EMI dovendo essere posizionati vicini all’uscita del trasduttore stesso per evitare che il segnale venga degradato dall’utilizzo di lunghi cavi elettrici. Infine, nei sensori piezo-elettrici e piezo-resistivi, ogni fondo scala di pressione da misurare necessita di un dispositivo trasduttore appositamente progettato per poter misurare quel determinato fondo scala, riducendo così la possibilità di operare una riduzione di costo del sensore su larga scala.

US 4071753 descrive in generale un trasduttore in grado di cambiare il coefficiente di accoppiamento ottico in accordo all’energia meccanica o acustica ricevuta; l’elemento trasduttore à ̈ posizionato tra due differenti fibre ottiche, la prima fibra ottica à ̈ utilizzata come fibra di lancio per il segnale ottico verso l’elemento trasduttore e la seconda fibra ottica à ̈ utilizzata come fibra di ricezione del segnale dall’elemento trasduttore. Il coefficiente di accoppiamento ottico, modificandosi in accordo alla variazione di energia meccanica o acustica ricevuta, permette al trasduttore di convertire questa variazione di energia in un segnale ottico modulato in intensità. Molti altri brevetti descrivono simili invenzioni basate su due o più fibre ottiche.

US 4620093 descrive un sensore di pressione ottico dove un reticolo di diffrazione à ̈ costruito sulla superficie di un membrana deformabile con la pressione; il reticolo di diffrazione viene illuminato da un raggio ottico proveniente dalla fibra di ingresso e il raggio ottico riflesso dal reticolo di diffrazione à ̈ catturato da un nastro di fibre ottiche in modo che il raggio ottico venga rilevato da un rivelatore ottico in grado di misurare il cambiamento di posizione del raggio ottico riflesso. I sensori ottici basati su fibre ottiche multiple o su nastri di fibre ottiche sono più complicati, più difficili da realizzare su scala industriale e ancor più difficili da integrare in dispositivi di piccole dimensioni che non i sensori ottici basati su una singola fibra.

U.S. Patents No. 5600070, 6131465, 5390546 descrivono sensori di pressione basati su fibre ottiche per la misura di pressione all’interno di camere di combustione di motori a scoppio utilizzanti diaframmi riflettenti e fibre ottiche singole in modo da rendere possibile l’integrazione in dispositivi di dimensioni simili alle candele d’accensione. Incrementare il Rapporto Segnale Rumore (Signal to Noise Ratio - SNR) e la Sensibilità del sensore à ̈ un fattore molto importante, specialmente quando variazioni del segnale ottico riflesso corrispondono a deformazioni molto piccole della membrana.

Questo à ̈ ancora più importante quando il sensore ottico à ̈ utilizzato per misurare alte pressioni (100-1000 Bar) in modo ripetibile; infatti, quando devono essere misurate alte pressioni, si utilizzano spessori della membrana deformabile con la pressione diventa più spessi e quindi l’entità della sua deformazione si riduce sensibilmente e la misura della variazione dell’intensità del segnale riflesso può diventare molto critica, se non vengono raggiunti sia un adeguato SNR che una buona sensibilità. Si deve considerare che la deformazione totale di un membrana di 3.5 mm di raggio e 1 mm di spessore (dimensioni compatibili con gli attuali standard richiesti per i sensori di pressione nelle macchine di estrusione), sottoposta a una pressione di 500 Bar, à ̈ di soli 15Î1⁄4m; se viene richiesta quindi una risoluzione di 10 Bar, questo significa che il sensore deve essere in grado di risolvere otticamente una variazione pari a circa 0.3Î1⁄4m.

US 4678902 descrive un sensore di pressione ottico basato su una singola fibra ottica e una membrana riflettente, dove la sensibilità viene migliorata espandendo il cono di luce proveniente da una fibra ottica a sezione circolare e proiettandolo sulla membrana riflettente.

US 5438873 descrive un sensore di pressione ottico simile basato suH’utilizzo di una singola fibra ottica e un membrana riflettente, dove la sensibilità viene migliorata utilizzando una fibra ottica rastremata alla sua estremità e terminata con una superficie piatta, permettendo così di aumentare l Apertura Numerica (NA) della fibra con un approccio simile alla precedente invenzione.

I sensori di pressione ottici basati sulle tecniche note e sopra descritte hanno il limite di non poter essere utilizzati in ambienti industriali definiti “HARSH†e cioà ̈ dove si raggiungono temperature di processo estremamente elevate; infatti, questo à ̈ dovuto alla limitata temperatura operativa di utilizzo dei materiali necessari all’ ottimizzazione del design ottico (per esempio, dei rivestimenti anti-riflettenti utilizzati come adattatori di indice di rifrazione per minimizzare i fenomeni di riflessione ottica) e dei materiali necessari ad assemblare i componenti ottici all’interno del sensore stesso (per esempio le colle utilizzate per fissare gli elementi ottici come specchi, lenti, fibre, ecc.).

In accordo allo stato dell’arte, l’oggetto del presente brevetto à ̈ di proporre un sensore ottico per la misura della pressione senza contatto che sia più efficace rispetto ai dispositivi conosciuti e che abbia una affidabilità tale da renderlo utilizzabile in ambienti industriali definiti come “HARSH†sia per la presenza di elevate temperature di processo.

In accordo alla presente invenzione, detto obiettivo à ̈ raggiunto mediante un sensore ottico per misure di pressione comprendente una testa di sensore, detta testa di sensore comprendendo:

- un membrana avente una prima superficie in contatto con un fluido la cui pressione deve essere misurata e una seconda superficie opposta alla prima superficie, - un corpo con una cavità tubolare,

- mezzi posizionati all’interno della cavità tubolare, associati alla seconda superficie del membrana e mobili longitudinalmente all’interno di detta cavità tubolare in risposta alla deformazione del membrana, detti mezzi comprendendo una superficie riflettente,

- la parte terminale di mezzi a guida d’onda, posizionato all’ interno della cavità tubolare e avente la superficie terminale affacciata e non in contatto con la superficie riflettente di detti mezzi; detti mezzi a guida d’onda sono connessi ad una sorgente di luce e a un ricevitore ottico rispettivamente per inviare a detti mezzi il fascio di luce proveniente dalla sorgente di luce e per raccogliere il fascio di luce riflesso dalla superficie riflettente di detti mezzi, l’intensità del fascio di luce raccolta dipendendo dalla distanza tra la superficie della parte terminale dei mezzi a guida d’onda e la superficie riflettente, caratterizzato dal fatto che:

detta superficie della parte terminale dei mezzi a guida d’onda à ̈ angolata rispetto al piano ortogonale all’asse ottico di un primo angolo avente un valore tale che l’angolo incidente del fascio di luce proveniente dalla sorgente di luce sia minore dell’angolo critico relativo tra guida d’onda e aria e maggiore dell’angolo critico dei mezzi a guida d’onda stessa, e

la superficie riflettente di detti mezzi à ̈ angolata rispetto a detto piano ortogonale all’asse ottico di un secondo angolo uguale all’angolo di fuga del fascio di luce proveniente da detta superficie della parte terminale dei mezzi a guida d’onda.

Detto sensore ottico à ̈ del tipo a “modulazione di intensità†, ed à ̈ basato su un progetto ottico ottimizzato per migliorare il parametro SNR e la sensibilità del sensore e su un metodo di fabbricazione che permette l’utilizzo di tale sensore in ambienti industriali definiti come “HARSH†dove vengono raggiunte temperature di processo molto elevate.

L’uso di sensori ottici dotati di un migliore Rapporto Segnale Rumore (SNR) del segnale ricevuto dal ricevitore, permette di aumentare la sensibilità del sensore stesso e quindi la rilevazione di variazioni molto piccole della posizione della membrana sensibile alla pressione, che devono essere rivelate quando si vogliano misurare pressioni elevate per le quali à ̈ necessario l’uso di membrane con spessori molto più spessi, e quindi meno flessibili, per evitare il loro danneggiamento sotto l’effetto delle alte pressioni stesse.

Utilizzare sensori ottici per la misura della pressione senza contatto, significa anche che all’interno della testa di misura non esiste un contatto meccanico diretto tra il membrana deformabile e altre parti del sensore stesso (al contrario dei sensori “Piezoresistivi†e “Piezo-elettrici†dove à ̈ necessario un contatto meccanico diretto tra la membrana e il dispositivo attivo per generare il segnale di misura all’interno della testa del sensore). La possibilità che hanno detti sensori ottici di misurare pressione elevate “senza contatto†con la membrana deformabile, assieme alla loro capacità di poter essere utilizzati in ambienti industriali definiti come “HARSH†dove vengono raggiunte alte temperature di processo permettono a questi sensori ottici di poter essere utilizzati in campo automobilistico per la misura della pressione nelle camere di combustione dei motori a scoppio; infatti, considerando l’elevato numero di giri al minuto di un motore, la misura della pressione “senza contatto†à ̈ obbligatoria per incrementare la robustezza del sensore ed evitare la rottura del sensore stesso a causa dell’attrito tra il membrana deformabile in movimento e le altre parti del sensore come nel caso dei sensori “Piezoelettrici†e “Piezo-resistivi†. D’altro canto, le elevate temperature e pressioni che vengono raggiunte nelle camere di combustione (700 °C / 200 Bar) richiedono che i sensori ottici siano progettati utilizzando un progetto ottico robusto, basato sull’uso di materiali compatibili con le alte temperature in gioco e con membrane di spessore adeguato in grado di resistere alle alte pressioni e ai veloci cambiamenti di pressione.

Nel sensore ottico in accordo alla presente invenzione, la luce proveniente da una sorgente di luce, per esempio un LED o un LASER, viene guidata di fronte alla superficie riflettente di un membrana deformabile con la pressione mediante una guida d’onda mono-modale o multi-modale, preferibilmente una fibra ottica mono-modale o multi-modale. La superficie terminale di questa fibra à ̈ posizionata esattamente di fronte al membrana e a distanza ravvicinata. Questa membrana à ̈ assemblata e sigillata al corpo della testa di misura del sensore.

Un adatto ricevitore ottico, per esempio un PIN o un APD, viene utilizzato per rivelare l’intensità del raggio ottico riflesso proveniente da detta superficie riflettente di detta membrana che viene raccolto dalla superficie terminale della fibra ottica stessa posizionata all’interno della testa del sensore esattamente di fronte alla superficie interna del membrana; l’altra superficie del membrana, quella esterna, à ̈ in contatto diretto con il fluido o con il gas mediante una cavità realizzata nel contenitore dove il fluido o il gas genera la pressione che deve essere misurata dalla testa del sensore. La testa del sensore à ̈ posizionata, preferibilmente montata o avvitata, in questa cavità creata su una parete di detto contenitore. L’intensità del raggio ottico riflesso raccolto da detta parte terminale di detta fibra dipende dalla deformazione del membrana, in particolare dal movimento della porzione centrale del membrana, che a sua volta dipende dalla pressione all’ interno del contenitore. Quando la pressione all’ interno del contenitore cambia, la superficie riflettente della membrana deformabile si muove di conseguenza e quindi anche l’intensità del segnale riflesso cambia.

Nel sensore ottico in accordo alla presente invenzione, la superficie terminale della guida d’onda, preferibilmente la fibra ottica, usata nella testa del sensore, à ̈ tagliata ad angolo con un angolo ottimizzato in grado di ridurre il livello del rumore ottico dal lato del ricevitore dovuto alle retro-riflessioni di Fresnel che sempre si hanno sulla superficie terminale della fibra; infatti, le retro-riflessioni di Fresnel si hanno sempre quando un raggio di luce raggiunge una interfaccia ottica dove esiste un disadattamento di indice di rifrazione, come nel caso della terminazione di una fibra ottica dovuta alla grande differenza tra indice di rifrazione fra vetro e aria. La terminazione angolata della fibra ottica utilizzata in questa invenzione à ̈ ottimizzata in modo tale che la luce riflessa a livello della terminazione dovuta alla riflessione intrinseca di Fresnel non venga più guidata indietro dalla stessa fibra ottica verso il ricevitore; questo succede quando i raggi riflessi alla interfaccia vetro-aria dalla riflessione di Fresnel hanno un angolo incidente all’interfaccia tra core e cladding della fibra ottica minore dell’angolo critico della fibra ottica utilizzata. La luce riflessa dovuta alle riflessione di Fresnel à ̈ la principale causa dell’incremento del rumore ottico dal lato del ricevitore che, a sua volta, degrada drammaticamente il SNR del sensore ottico. Utilizzando una fibra ottica terminate ad angolo, la direzione dell’angolo di fuga del raggio ottico à ̈ deviata dall’asse ottico della fibra ottica in accordo alla legge di Snell sulla rifrazione; per massimizzare l’intensità del segnale riflesso catturato dalla terminazione angolata della fibra ottica, la superficie riflettente della membrana deformabile deve essere opportunamente angolata per riflettere indietro il raggio ottico incidente verso lo stesso punto della superficie della fibra ottica da cui il raggio ottico à ̈ uscito.

Inoltre, l’uso di fibre ottiche terminate ad angolo permette di rimuovere gli effetti negativi dovuti alle retro-riflessioni di Fresnel sul ricevitore senza l’utilizzo di rivestimenti anti-riflesso, che non sono compatibili con l’utilizzo del sensore ottico in processi che prevedono alte temperature; questo rende il sensore basato sulla presente invenzione, molto adatto all’uso in ambienti industriali definiti come “HARSH†dove vengono raggiunte alte temperature.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, verrà ora descritta una realizzazione tipica, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, in cui:

La figura 1 rappresenta lo schema di un sensore ottico per la misura di pressione secondo la presente invenzione;

Le figure 2a-2c mostrano uno schema (fig. 2a) della testa del sensore ottico secondo la presente invenzione, la sezione della testa del sensore ottico lungo la linea fili (fig. 2b) e un dettaglio della testa del sensore ottico (Fig. 2c);

La figura 3 mostra più in dettaglio la superficie della terminazione angolata della fibra ottica e la colonnina della testa del sensore ottico di Figura 2b;

Le figure 4a, 4b sono misure del segnale ottico riflesso proveniente da una superficie riflettente mobile effettuate utilizzando il sensore ottico secondo la presente invenzione;

La figura 5 Ã ̈ un confronto tra la simulazione e la misura di un segnale ottico riflesso dalla terminazione della fibra ottica del sensore ottico secondo la presente invenzione.

Nelle fig.1-3 viene mostrato un sensore ottico per misure di pressione secondo la presente invenzione. Nello specifico il sensore ottico comprende (Fig.l), una sorgente di luce 1 , per esempio una sorgente LED o LASER, che à ̈ connesso mediante una fibra ad un isolatore ottico 2 e l’isolatore ottico à ̈ ulteriormente connesso alla porta di ingresso FORT 1 di un accoppiatore ottico direzionale 3. L’isolatore ottico 2 à ̈ necessario per evitare che la luce retro-riflessa possa raggiungere la sorgente di luce causando possibili instabilità della sorgente di luce stessa. L’accoppiatore ottico direzionale 3 comprende un’altra porta di ingresso PORT2 2 che à ̈ connessa otticamente mediante una fibra al ricevitore 5, per esempio un PIN o un APD; la porta di uscita PORT 3 dell’accoppiatore ottico direzionale 3 à ̈ connessa otticamente all’ingresso dei mezzi a guida d’onda 4, per esempio una fibra ottica singolo modo o una fibra ottica multi-modo. La lunghezza di questi mezzi guida d’onda 4 può variare da pochi metri ad alcuni chilometri in modo da raggiungere il punto remoto dove deve essere misurata la pressione per mezzo di una testa di sensore 8, permettendo così di separare le parti elettroniche attive e i componenti ottici dalla testa di sensore 8 che in accodo alla presente invenzione à ̈ un elemento passivo non contenendo alcun elemento ottico o elettronico attivo al suo interno.

La testa di sensore 8 à ̈ disposta, preferibilmente avvitata, su una cavità del contenitore 6 che limita il volume 7 riempito dal fluido o dal gas che genera la pressione che deve essere misurata dal sensore ottico.

La testa di sensore 8 à ̈ mostrata in maggior dettaglio nelle figure 2a-2c. La testa di sensore 8 (Fig. 2b) comprende una membrana 9, preferibilmente circolare, progettata per essere sufficientemente sottile da essere deformabile quando si applica una pressione sulla sua superficie esterna 91, che à ̈ la superficie in diretto contatto con il liquido o gas all'interno del contenitore, la cui pressione deve essere misurata; dall'altro lato, la membrana 9 deve essere sufficientemente spessa per essere affidabile quando viene applicata una pressione elevata.

La testa di sensore 8 comprende una cavità tubolare 200 al suo interno e preferibilmente ortogonale alla superficie esterna 91 della membrana 9.

La superficie interna 92 di detta membrana, che à ̈ la superficie opposta alla superficie esterna 91 e affacciata o interna alla cavità tubolare 200, può essere angolata rispetto al piano B ortogonale all'asse ottico A secondo un angolo a’, ma à ̈ preferibile che la superficie interna 92 della membrana 9 sia ortogonale all'asse longitudinale A e affacciata alla cavità tubolare 200; una colonnina 10 à ̈ posta in contatto con la superficie interna 92. Più in dettaglio, la superficie terminale 101 della colonnina 10 à ̈ posizionata, montata, saldata o direttamente costruita sulla superficie interna 92 della membrana 9. La colonnina 10 ha l'altra superficie terminale 102, opposta alla superficie della superficie terminale 101, riflettente e angolata rispetto al piano B ortogonale all'asse ottico A secondo un angolo a’ (Fig. 2c e Fig. 3). La colonnina 10 à ̈ utilizzata come distanziale per incrementare la distanza tra la superficie esterna 91 della membrana 9 e la parte terminale 12 dei mezzi a guida d’onda 4; in questo modo i mezzi a guida d'onda 4 à ̈ esposta ad una temperatura più bassa e ciò migliora l’affidabilità complessiva del sensore.

Per rendere la superficie terminale angolata e riflettente della colonnina 102 più rifletente, à ̈ preferibile lucidarla o (se necessario) metallizzarla per aumentarne la rifletività. La membrana 9 con la colonnina 10 à ̈ montata all'interno della testa di sensore 8 e sigillata sulla testa di misura otica 8 mediante saldatura laser.

La parte terminale 12 dei mezzi a guida d'onda 4 presenta una superficie terminale 1 1 angolata rispeto al piano B ortogonale all'asse otico A secondo un angolo a ed à ̈ posizionata di fronte alla superficie terminale rifletente angolata 102 della colonnina 10 per permetere le seguenti due funzioni:

a) per guidare davanti alla superficie terminale rifletente angolata 102 della colonnina il fascio di luce di misura 50 di misura proveniente dalla sorgente di luce 1 e b) per raccogliere il fascio di luce riflessa 60 proveniente dalla superfìcie terminale rifletente angolata 102 della colonnina 10 e guidare il fascio di luce riflessa 60 al ricevitore 5.

Quando un valore di pressione in grado di deformare la membrana 9 à ̈ generato dal fluido o gas all'interno del contenitore 6, la colonnina 10 si muove lungo la sua direzione longitudinale, cioà ̈ lungo l'asse otico A, all'interno della cavità tubolare 200 in accordo alla pressione applicata, verso la superficie terminale angolata 11 della parte terminale 12, la quale non à ̈ in contato con la superficie terminale rifletente angolata 102 della colonnina 10 ma posizionata davanti alla colonnina 10 ad una distanza opportuna tale da assicurare che la massima deformazione della membrana 9 non porti la colonnina 10 a contato con la parte terminale 12 dei mezzi a guida d'onda 4.

Maggiore à ̈ la pressione applicata, maggiore sarà lo spostamento della colonnina 10 verso la superficie terminale angolata 11 , e maggiore sarà l'accoppiamento otico del fascio di luce riflessa 60 raccolto dalla parte terminale 12, che a sua volta rappresenta una misura direta del parametro di pressione, e quindi maggiore sarà l’intensità del fascio di luce riflessa 60 raccolto dal ricevitore 5. Una sezione della parte terminale 12 à ̈ metallizzata sul lato esterno per consentire a questo setore della parte terminale 12 di essere saldato all'interno di un foro passante di una ferula metallica o ceramica 13. La ferula 13 con la parte terminale 12 fissata al suo interno à ̈ ulteriormente saldata mediante il manicoto di metallo 14. Il manicoto metallico 14 à ̈ montato all'interno del corpo 15 della testa di sensore 8 ed à ̈ ruotato in modo da raggiungere il massimo accoppiamento otico tra il fascio di luce riflessa 60 dalla superficie rifletente della colonnina 10 e la superficie terminale angolata 11; il manicoto 14 à ̈ inoltre sigillato al corpo 15.

La superficie terminale 11 della parte terminale 12 della guida d'onda 4 à ̈ tagliata con un angolo ottimizzato a rispetto al piano B, in grado di ridurre la capacità della fibra ottica stessa di riflettere verso il ricevitore 5 il fascio di luce 50 proveniente dalla sorgente di luce 1; la riflessione ottica à ̈ dovuta alla riflessione di Fresnel sempre presente sulla terminazione della guida d'onda, dove si verifica una differenza di indice di rifrazione tra vetro e aria e dovuta al differente indice di rifrazione dei mezzi a guida d'onda 4, in particolare l'indice di rifrazione ni del nucleo (core) 41 se viene utilizzato come mezzi a guida d'onda 4 una fibra ottica, e l'aria n0. Ridurre sul ricevitore il livello di retro-riflessione dovuto alla riflessione di Fresnel significa ridurre drasticamente il livello di rumore ottico misurato dal ricevitore.

I mezzi a guida d'onda 4, preferibilmente una fibra ottica comprendente il nucleo (core) 41 ed il mantello (cladding) 42, à ̈ in grado di guidare un fascio di luce al suo interno quando un fascio di luce propagante al suo interno à ̈ incidente all’interfaccia core-cladding con un angolo incidente γ più grande dell’angolo critico Î ̧c, essendo l'angolo critico Î ̧cl'angolo incidente minimo formato rispetto al piano B ortogonale a detta interfaccia, dove si verifica una riflessione totale del fascio, a causa del disadattamento tra gli indici di rifrazione del nucleo (core) e del mantello (cladding) della fibra ottica N1, N2 rispettivamente.

La superficie terminale angolata 11 della parte terminale 12 dei mezzi a guida d'onda 4 à ̈ angolata rispetto al piano B di un primo angolo a e la superficie terminale riflettente 102 di detti mezzi 10 à ̈ angolata rispetto al piano B di un secondo angolo α’. L’angolo a à ̈ tale da assicurare che il fascio di luce 50 proveniente dalla sorgente di luce 1 sia incidente alla superficie terminale angolata 11 a contatto con l'aria con un angolo minore rispetto all'angolo critico Î ̧c-airtra i mezzi a guida d'onda 4 e l'aria in modo che il fascio di luce 50 non sia riflesso indietro verso il ricevitore 5.

In questo modo il fascio riflesso dalla superficie terminale angolata 11 all' della parte terminale 12 viene assorbito dalla guida d'onda stessa, in particolare dal mantello 42, e non retro-guidata verso il ricevitore 5, mentre la parte rifratta del fascio di luce 50 viene emessa dalla parte terminale 12 con un angolo di fuga β.

Il valore del primo angolo a utilizzato per tagliare la parte terminale 12 della fibra ottica 4 dipende dalla differenza specifica dell'indice di rifrazione ni del nucleo 41 della fibra stessa e l'indice di rifrazione del'aria n0.

Ad esempio, Ã ̈ possibile utilizzare come guida d'onda 4 una fibra ottica monomodale, con parametri riportati in tabella:

n n Diametro Diametro Angolo Angolo aria NUCLEO Delta n nucleo mantello N.A. Critico di fuga (n0) (n1) (n1-n2)/n1 a (°) fibra (Î1⁄4) fibra (Î1⁄4) n2 Fibra Î ̧c β (°) 1 1.46 0.01 8 8.2 125 1.4454 0.21 81.9 3.7

dove i parametri sono calcolati mediante le formule seguenti, partendo dagli indici di rifrazione del nucleo (core) e del mantello:

NA = ARCSEN (n1<2>- n2<2>)<1⁄2>(NA: APERTURA NUMERICA)

Î ̧a= ARCSEN (NA) (Î ̧a: angolo di accettanza formato dal fascio di luce 50 e l’asse ottico A)

Î ̧C= ARCSEN (n2/ n1) (Î ̧c: angolo critico della fibra ottica)

Î ̧c-air= ARCSEN (n1/ n0) (Î ̧c-air: angolo critico tra il nucleo 41 della fibra ottica e l’aria)

0C†̃= 90° - 0C= ARCCOS (n2/ n1) (Î ̧c’: angolo critico complementare)

Il fascio di luce 50 proveniente dalla sorgente di luce 1 trasmesso attraverso la superficie terminale angolata 11 à ̈ deviato rispetto all'asse ottico A secondo la legge di rifrazione di Snell con un angolo di fuga β calcolato come:

β = ARCSEN ( (n1/ n0) · SEN (α) ) - α (β: angolo di fuga dalla superficie terminale angolata 11 formato dal fascio di luce 50 proveniente dalla sorgente di luce e rifratto alla superficie e l’asse ottico A; α: angolo di taglio della fibra ottica n0: indice di rifrazione dell’ aria = 1). Il fascio che fuoriesce dalla superficie terminale angolata 11 presenta un angolo di incidenza Φ rispetto alla superficie terminale riflettente angolata 102 della colonnina 10, calcolato come:

Φ = α’ - β dove a' à ̈ l'angolo di inclinazione della superficie terminale riflettente angolata 102 della colonnina 10.

Al fine di massimizzare il segnale riflesso dalla superficie terminale riflettente angolata 102 della colonnina 10 e raccolto dalla parte terminale 12, la condizione Φ = 0 deve essere soddisfatta.

La condizione precedente significa che l'angolo di inclinazione α' della superficie terminale riflettente angolata 102 della colonnina 10 deve soddisfare la seguente condizione: α’ = β.

Pertanto la superficie riflettente 102 della colonnina 10 deve essere stata tagliata con un angolo pari all’angolo β di fuga del fascio di luce 50 proveniente dalla superficie terminale angolata 11 ; in questo modo il fascio di luce riflessa 60 colpisce la superficie terminale angolata 11 con un angolo incidente β e la parte ritratta dalla superficie terminale angolata 11 del fascio di luce riflessa 60 viene retro guidata dalla parte terminale 12 dei mezzi a guida d’onda 4 con un angolo di incidenza Î ̧ache à ̈ pari all’angolo di incidenza del fascio di luce 50 proveniente dalla sorgente di luce 1.

La distanza iniziale tra la superficie riflettente 102 della colonnina 10 e la superficie terminale angolata 11 deve essere fissato ad un valore in grado di ottimizzare la misura del segnale ottico raccolto dalla superficie terminale angolata 11 della guida d’onda; specificamente, questa distanza ottimale deve essere abbastanza piccola per aumentare l'efficienza di accoppiamento ottico tra la luce riflessa dalla superficie riflettente angolata 102 della colonnina 10 e la parte terminale 12 della fibra ottica 4 stessa.

Le misure di pressione effettuate mediante il sensore ottico in accordo alla presente invenzione dipendono dalla distanza D tra la superficie terminale angolata Il e la superficie riflettente angolata 102 della colonnina 10. Infatti un aumento di detta distanza D corrisponde a una diminuzione della intensità del fascio di luce raccolto e retro guidato al ricevitore 5; questo avviene perché ad un aumento della distanza D il punto incidente del fascio di luce riflessa 60 sulla superficie terminale angolata 11 si muove verso la parte della superficie terminale corrispondente al mantello riducendo quindi la quantità di luce rifratta del fascio guidata airintemo della fibra ottica 12. Quindi, più la colonnina 10 à ̈ vicina alla parte terminale 12 (configurazione che corrisponde sia ad una elevata deformazione della membrana 9 che ad un valore di pressione alta), più il valore di pressione misurato à ̈ alto perché il fascio di luce riflesso 60 colpisce il nucleo 41 sulla superficie terminale angolata 11, mentre più la colonnina 10 à ̈ lontana dalla parte terminale 12 (configurazione che corrisponde sia ad una bassa deformazione della membrana 9 che ad un valore di bassa pressione), più il valore di pressione misurato à ̈ basso in quanto il fascio di luce riflesso 60 colpisce parzialmente il nucleo 41 e il mantello 42 della fibra ottica in quanto solo la parte del fascio ottico incidente sul nucleo 41 viene guidata indietro dalla fibra ottica e raccolta dal ricevitore 5.

Il sensore ottico descritto nella presente invenzione non ha bisogno di nessuno strato dielettrico anti-riflesso, poiché il metodo utilizzato à ̈ basato sulla ottimizzazione della superficie terminale angolata 11 della fibra ottica che impone che la riflessione di Fresnel avvenga ad un angolo tale a cui la fibra non à ̈ in più in grado di guidare indietro la luce.

La terminazione angolata 11 della guida d'onda 4 e la superficie terminale riflettente angolata 102 della colonnina 10 devono preferibilmente essere disposti longitudinalmente in modo che la estremità sporgente 110 sia di fronte all’ estremità 122 della superficie terminale riflettente angolata 102

Un altro grande vantaggio della misura del segnale ottico con il sensore ottico in accordo alla presente invenzione si riferisce al fatto che l'uso di detta superficie terminale angolata 11 permette anche di evitare eventuali onde stazionarie ottiche che si verificano tipicamente nella cavità ottica formata dalla superficie riflettente 102 della colonnina 10 e la superficie terminale angolata 11 della fibra ottica 4 quando la terminazione della fibra à ̈ piatta. Evitando queste onde stazionarie ottiche dovute alle riflessioni di cavità ottica si rende la misura del segnale ottico molto stabile e precisa eliminando oscillazioni del segnale ottico e migliorando ulteriormente il Rapporto Segnale Rumore dal lato ricevitore.

Se la parte terminale 12 all della testa del sensore ottico viene progettata per essere compatibile con l'utilizzo a temperature molto elevate, il sensore ottico derivante diventa completamente compatibile per essere utilizzato in ambienti definiti come “HARSH†dove si raggiungono tali elevate temperature.

Le figure 4a, 4b mostrano le misure del segnale ottico misurato dal ricevitore 5 dopo essere stato raccolto dalla fibra ottica posta davanti alla superficie terminale riflettente angolata 102 della colonnina 10. Per effettuare la misura, à ̈ stato utilizzato come sorgente di luce 1 un laser alla lunghezza d'onda di 1550 nm, con -3 dBm di potenza ottica in uscita. Come ricevitore per la misura di potenza ottica 5, à ̈ stato utilizzato un foto-rivelatore PIN. Come guida d’onda 4 à ̈ stata utilizzata una fibra ottica mono-modale. La superfìcie terminale riflettente angolata 102 à ̈ stata spostata rispetto alla parte terminale 12 con risoluzione micrometrica. La misura di fig.4a mostra l'ottimizzazione del segnale ottico ricevuto, cioà ̈ la foto-corrente Ir misurata dal ricevitore 5, cambiando l'angolo d’inclinazione della superficie terminale riflettente angolata 102 e mantenendo fissa la posizione della superficie riflettente: la misura mostra che il valore massimo à ̈ ottenuto con un angolo di inclinazione in cui la condizione α’ = β à ̈ verificata. In questo caso l'angolo α’ = β =3.7° e l'angolo α=8°.

La fig. 4b mostra i segnali ottici ricevuti, cioà ̈ le foto-correnti Ir1 e Ir2 misurate dal ricevitore 5 con la superficie riflettente angolata rispettivamente del precedente angolo di inclinazione fisso definito α’ = β =3.7° (in grado di garantire il massimo accoppiamento ottico tra la fibra di raccolta 4 e la superficie riflettente 102 e con un altro angolo di inclinazione fisso α’ = β =0° in funzione della distanza D; la misura mostra come il segnale ottico diminuisca all’aumentare della distanza tra la parte terminale 12 della fibra e la superficie terminale riflettente angolata 102 e come il segnale associato alla foto-corrente Ir1 garantisca un’ottima linearità e sensibilità (per esempio, spostamenti della superficie di 1 Î1⁄4m corrispondono ad una variazione dell’ 1,5% del segnale ottico misurato, che à ̈ facilmente rilevabile con i comuni ricevitori ottici disponibili) mentre nel caso della foto-corrente Ir2 il livello di rumore aumenta di un fattore 1000 rispetto a Ir1. Un'altra importante evidenza proveniente dalla fig. 4b à ̈ che la distanza operativa in cui si ottiene una variazione ancora misurabile del segnale ottico ricevuto dal lato ricevitore à ̈ ben limitato nel caso di una fibra con una terminazione non ottimizzata (estremità piatta), a causa del livello di rumore più elevato.

La fig. 5 mostra un confronto tra i dati misurati DATA1 e i dati simulati DATA2 del segnale ottico riflesso dalla superficie terminale angolata 11 secondo l’approccio utilizzato per simulare l'illuminazione della superficie riflettente con un fascio ottico che fuoriesce dalla superficie terminale angolata 11 della fibra ottica e il segnale ottico raccolto dalla stessa fibra dopo la riflessione sulla superficie terminale riflettente angolata 102; i dati DATA1 e DATA2 vengono fomiti in funzione della distanza D. Nel modello, la parte terminale 12 della fibra à ̈ essa stessa considerata come una sorgente di luce con una densità di energia ottica costante su tutto il nucleo circolare di raggio 4,5 Î1⁄4m . Il segnale ottico raccolto dalla fibra dopo la riflessione sulla superficie riflettente 102 à ̈ calcolato a distanze differenti della parte terminazione 12 della fibra come una sovrapposizione di fasci gaussiani provenienti da diversi elementi di area illuminante con cui il nucleo della fibra à ̈ stato suddiviso; ciascun elemento del nucleo della fibra à ̈ considerato come un singola sorgente di luce conica con angolo di fuga pari a β e angolo di divergenza pari alla metà della apertura numerica NA della fibra. La posizione del centro di ogni cono e il suo raggio dopo la riflessione sulla superficie riflettente 102 à ̈ stato calcolato in base alla legge della riflessione ottica. Il centro del cono à ̈ considerato come il centro del fascio Gaussiano e il raggio del cono à ̈ considerato pari al 3σ della distribuzione Gaussiana (questo significa che il 99,999% del segnale ottico à ̈ all'interno del cono considerato).

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore ottico per la misura di pressione comprendente una testa di sensore (8), detta testa del sensore comprendendo: - una membrana (9) avente una prima superficie (91) in contatto con un fluido di cui deve essere misurata la pressione e una seconda superficie (92) opposta alla prima superficie, - un corpo con una cavità tubolare (200), - mezzi (92, 10) disposti aH'intemo della cavità tubolare, associati alla seconda superficie della membrana e mobili longitudinalmente all'interno di detta cavità tubolare in risposta alla deformazione della membrana, detti mezzi comprendendo una superficie riflettente (92, 102), - una parte terminale (12) di mezzi a guida d'onda (4) disposti all'interno della cavità tubolare e avente la superficie terminale (11) affacciata e non in contatto con la superficie riflettente (92, 102) di detti mezzi, detti mezzi a guida d'onda essendo connessi ad una sorgente di luce (1) e ad un ricevitore (5) rispettivamente per inviare a detti mezzi un fascio di luce (50) proveniente dalla sorgente di luce e per raccogliere al ricevitore un fascio di luce riflessa (60) proveniente dalla superficie riflettente di detti mezzi, l'intensità del fascio di luce raccolta dipendendo dalla distanza (D) tra la parte terminale della guida d'onda e la superficie riflettente, caratterizzato dal fatto che: la superficie terminale (11) della parte terminale (12) dei mezzi a guida d'onda à ̈ angolata rispetto ad un piano (B) ortogonale all'asse ottico (A) di un primo angolo (α) avente un valore tale che l'angolo di incidenza (Î ̧a) del fascio di luce proveniente dalla sorgente di luce à ̈ minore dell'angolo critico (Î ̧c-air) tra i mezzi a guida d'onda e aria e maggiore dell'angolo critico (Î ̧c) dei mezzi a guida d'onda, e la superficie riflettente (102, 92) di detti mezzi à ̈ angolata rispetto a detto piano (B) ortogonale all'asse ottico (A) di un secondo angolo (β) uguale all'angolo di fuoriuscita del fascio di luce da detta superficie terminale (11) della parte terminale (12) dei mezzi a guida d'onda.
2. 2. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sono la membrana (9) e che la seconda superficie (92) opposta alla prima superficie (91) Ã ̈ detta superficie riflettente.
3. 3. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sono una colonnina (10) avente una superficie terminale (101) posizionata a contatto con la seconda superficie (92) della membrana, la superficie terminale dell’altra estremità opposta essendo detta superficie riflettente (102).
4. 4. Sensore ottico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la seconda superficie (92) della membrana (9) si trova di fronte alla cavità tubolare (200).
5. 5. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo angolo (a) ha un valore tale che la porzione riflessa del fascio di luce (50) proveniente dalla sorgente di luce e incidente detta superficie terminale (11) della parte terminale (12) dei mezzi a guida d'onda à ̈ sostanzialmente assorbita dai mezzi a guida d'onda.
6. 6. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a guida d'onda (4) sono una fibra ottica con un nucleo (41) e un mantello (42).
7. 7. Sensore ottico secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto primo angolo (a) ha un valore tale che la porzione riflessa del fascio di luce (50) proveniente dalla sorgente di luce e incidente detta superficie terminale (11) della parte terminale (12) dei mezzi a guida d'onda à ̈ sostanzialmente assorbita dal mantello (42) della fibra ottica.
8. 8. Sensore ottico secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto primo angolo (a) ha sostanzialmente un valore di 8°.
9. 9. Sensore ottico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto secondo angolo (β) ha sostanzialmente un valore di 3,7°.
10. 10. Sensore ottico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la superficie terminale (11) della parte terminale dei mezzi a guida d'onda (4) e detta superficie riflettente (102) sono disposti longitudinalmente in modo che la porzione di estremità sporgente (110) di detta superficie terminale (11) si trova di fronte alla porzione di estremità sporgente (122) di detta superficie riflettente.