JP2001500270A - 張力又は圧縮歪を測定するための一体型光学的歪センサを備えたブルドンチューブ圧力ゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 システムの圧力を検出するためにブルドンチューブ圧力ゲージが取り付けられる。このブルドンチューブには、ブルドンチューブの運動によって歪が加えられるようにして取り付けられた少なくとも１つの光歪センサが連結されていて、ブルドンチューブがシステム圧力に晒されるとシステム圧力に応じたブルドンチューブの運動により光センサに歪が生じるようにされている。この光センサは、歪及び入射光信号に応じて圧力に直接比例する歪光信号を与えるようにされている。参照、すなわち温度補償光センサは、システムの圧力に伴う歪から分離されていて、システムの温度に応答するようにされており、温度誘起歪を発生させる。この参照光センサは、温度誘起歪と入射光信号に応答してシステムの温度に直接比例する温度光信号を与えるようにされている。この温度光信号は、歪光信号の温度補償のために用いられる。光センサは、オプティカルファイバ内に形成された本来的なブラッググレーティングセンサを有する。このオプティカルファイバは、参照点及びブルドンチューブに取り付けられて、チューブの位置の変化が光ファイバの歪を変化させるようにさせていて、ブラッググレーティングによって反射された光の波長シフトを生じさせるようにされている。波長シフトの大きさは、圧力の変化に直接比例している。

Description

【発明の詳細な説明】 張力又は圧縮歪を測定するための一体型光学的歪センサを備えたブルドンチュ ーブ圧力ゲージ 技術分野 本発明は、圧力ゲージに関し、より詳細には光学的歪センサを用いたブルドン チューブ圧力ゲージに関する。 発明の背景 多くのプロセス又はテスト手法においては、必要な特定の圧力又は概略圧力を 測定してそれぞれのプロセスを制御したり、置かれた状況を理解することから重 要性である。種々の圧力センサ設計は、典型的にはこのような圧力を測定するた めに用いられており、これらのセンサとしては、歪ゲージセンサ、ブルドンチュ ーブ、クオーツセンサ、これらをどのようにでも組み合わせたハイブリッドセン サを挙げることができる。例えば、ブルドンチューブ設計は、チューブが開かれ ており、端部が固定され、このチューブの内部が圧力を測定するシステム圧力へ と晒されるようになっている。このチューブ別の端部は、閉じられ、移動自在と されている。このチューブがシステム圧力に晒されると、このチューブの自由な 端部は、直接システム圧力の大きさに関係づけられる。チューブの自由端部は、 校正されたスケールの読みとり値上を移動するポインタに連結され た機械的なリンケージに直接連結され、システム圧力を表示するようにされてい る。 別のブルドン設計では、ブルドンチューブの運動を用いてクオーツ結晶に対し て歪を加えるようにされている。圧力ゲージ内の局所的な部位における歪の下で の結晶のリアクタンスの変化が測定され、実際の圧力と校正ルックアップ表とが 参照される。上述した測定の設計の多様性は、歪ゲージの共鳴又は歪を変化させ るようになっている。 基本的なブルドンチューブの信頼性は極めて高いものの、現在のブルドンチュ ーブクオーツ結晶設計に用いられる接着剤及び電気部品は、特に局所的又は周囲 温度が高くなると損傷しやすい。例えば、１２５℃以上では、歪ゲージ又はクオ ーツ結晶の電気回路は、劣化して、システムの信頼性が精度及び機能の面で危険 にさらされることになる。これに加えて、歪ゲージやクオーツ結晶に用いられて いる種々の接着剤は、１２５℃以上では損傷しやすい。したがって、特に局所的 に又は周囲温度が高い条件での使用に耐えることができる信頼性のある圧力セン サ設計が必要とされている。 発明の要約 本発明の目的は、圧力ゲージを提供するために光歪センサと組み合わされ、高 温における圧力条件の下で精度良く且つ信頼性に富む改善されたブルドン圧力ゲ ージを提供するものである。 本発明はさらに、圧力ゲージの動作温度範囲内での全範囲で温度補償された圧 力ゲージを提供することを目的とする。 本発明に従えば、ブルドン圧力ゲージは、ブルドンチューブの運動によって歪 が引き起こされる少なくとも１つの光学的な歪センサが取り付けられており、ブ ルドンチューブがモニタするシステムの圧力に晒されるとシステムの圧力に応じ たチューブの運動により光歪センサに歪を生じさせて、圧力により生じる歪に応 じた光学的信号を与えるように構成されている。 本発明によればさらに、光センサは、オプティカルファイバ内に形成された本 質的なブラッググレーティングを有しており、オプティカルファイバは、参照点 に取り付けられているとともにブルドンチューブへと取り付けられていて、チュ ーブの位置の変化が光ファイバへの歪を変化させることでブラッググレーティン グによって反射される光の波長シフトを生じさせており、この波長シフトとの大 きさは、圧力の変化を示すようにされている。 本発明によればさらに、ブラッググレーティングセンサは、ブルドンチューブ と参照点の間において初期歪条件の下でマウントされており、この初期歪は、シ ステム圧力の変化に応じたブルドンチューブの位置変化に応じて変化するように されている。 本発明によればさらに、基準又は温度補償されたオプティカルセンサは、シス テムの圧力に伴う機械的な歪から分離されているとともに、システムの温度に応 答するように構成されており、参照光信号及び温度誘起歪に応じてシステムの温 度に関連した温度依存の光信号を与えるように構成されている。温度光信号は、 歪に対する光信号の温度補償を与えるように構成されている。参照光センサは、 またブラッググレーティングセンサとされている。 さらに本発明によれば、ブラッググレーティングセンサにより反 射された光は、遠隔的に検出されて、局所的に検出された圧力及び温度の遠隔的 な測定を行うことができるように構成されている。 さらに本発明に従えば、複数のフラッググレーティングは、ブルドンチューブ に配置されていて、システムの圧力の変化によるブルドンチューブの位置の変化 に応じて変化するように構成されている。少なくとも１つのブラッググレーティ ングに加えられる歪は、少なくとも付加的なブラッググレーティングに加えられ る歪が低減するにつれて増加するようにされており、各ブラッググレーティング センサは、入力光信号及び歪に応じたものとされ、システム圧力を示した出力歪 信号を与えるようにされている。 さらに本発明に従えば、ブラッググレーティングには、いくつかの異なった配 置を与えることもでき、ブルドンチューブの直接表面に取り付けることもできる し又は、ブルドンチューブの端部と参照位置の間に連結させることも可能である 。ブルドンチューブは、簡単で概ね円形又はアーク型を有するブルドンチューブ とすることもできるし、又はこれとは別に螺旋形状のブルドンチューブ又は他の 好適なチューブ形状であっても用いることが可能である。 さらに本発明によれば、複数の圧力ゲージは、単一のオプティカルファイバへ と連結させることもでき、各センサからの別々の信号は、波長マルチプレキシン グ技術、時間分割マルチプレキシング技術によって又はこれらを組み合わせて得 ることもできる。 本発明は、従来の技術に対して著しい改善を提供するものである。高温、高圧 、不利な環境下で使用できる簡単な圧力ゲージを提供することができる。これに 加えて、本発明のゲージは、容易に温度補償を行うことができ、信頼性があり、 正確な圧力信号を与えること が可能である。これらのためには、ゲージ位置に直接電気的な処理装置を提供す ることはない。この理由は、ゲージに用いられている光歪センサによって反射さ れた光が、オプティカルファイバを通して処理のための遠隔位置へと伝達される ためである。したがって、極めて高信頼性で正確な圧力ゲージが提供できる。本 発明で用いられるオプティカルファイバ及びセンサは、広い温度範囲で機能し、 したがって本発明のゲージは、危険な環境下及び高温部位における双方において 使用可能である。 本発明の上述した目的及びその他の目的並びに効果については、図面をもって 示す本発明の実施例による後述の詳細な説明により、より明らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の光歪センサを用いた圧力ゲージの断面図である。 図２は、図１の圧力ゲージに用いられる光信号処理装置の概略ブロック図を示 した図である。 図３は、本発明の光歪センサを用いる圧力ゲージの第２の実施例の断面図であ る。 図４は、本発明による光歪センサを用いた圧力ゲージの第３の実施例の一部切 り欠き断面図である。 図５は、本発明による光歪センサを用いた圧力ゲージの第４の実施例の一部切 り欠き断面図である。 図６は、本発明による光歪センサを用いた圧力ゲージの第５の実施例の一部切 り欠き断面図である。 図７は、対となったブラッググレーティングを用いて光歪センサを形成させた 圧力ゲージの一部切り欠き断面図である。 発明の詳細な説明 本発明のブルドン圧力ゲージ１０は、信頼性のある圧力表示を与えるために高 温、高圧及び／又は危険な環境での動作に用いることが特に好適である。図１を 参照して、本発明は、ブルドンチューブ１１の基本原理を用いるものであり、チ ューブの一端１２は、測定がなされる環境に対して開かれており、チューブの他 端１４は、閉鎖されていて自由に運動するように構成されている。図１の実施例 では、ブルドンチューブ１１は、アーク１６の形状を有しており、チューブ１２ の開口端部は、例えばベース又は取付部材２０へと固定されていて、チューブの 閉鎖された端部１４は、自由に運動できるように構成されている。チューブの開 口端がモニタするシステムの圧力に晒されると、チューブ１４の閉鎖された自由 端は、システム圧力の変化に応じて運動するようにされている。 本発明の実施例では、カウンタウエイト又は補償用のアッセンブリ２５は、多 方向の軸２６，２７に沿って調節自在なウエイトを有しており、このアッセンブ リ２５は、振動によるブルドンチューブ１１の慣性の影響を最低化させるために 用いられている。いかなる好適な補償技術、例えば従来の３軸補償技術でもチュ ーブ１１のいかなる振動誘起偏向を安定化させるために用いることができる。し たがって、補償アッセンブリは、圧力ゲージ１０全体の配置に基づく環境の圧力 に対してブルドンチューブ１１の追従した移動を反発 させるようにされている。圧力ゲージ１０が常に既知の配置で配置され、振動や 別の慣性の影響を受けないのであれば、ブルドン１１は、補償アッセンブリ２５ を必要としないように設計することもできる。 図１に示す本発明の実施例では、マウンティングポスト３０は、取付位置３２ にブルドンチューブ１１を保持するために備えられている。マウンティングポス ト３０の他端３３は、ベース２０に固定されている。マウンティングポスト３０ は、高温環境下で影響されないような低熱膨張係数の高強度材料から形成されて いる。これに加えて、マウンティングポスト３０は、ゲージ１０が晒される振動 や他の機械的ショックに応じたブルドンチューブ１１の運動を最低化させるよう に設計されている。 ハウジング３５は、ベース２０に取り付けられていて、ブルドンチューブ１１ を収容している。ハウジング３５の他端４５は、マウンティングとパッカアッセ ンブリ４７とを有しており、このパッカ４７を通してオプティカルファイバ５０ が通されている。パッカアッセンブリ４７内において、オプティカルファイバ５ ０は、高圧オプティカルファイバシール５２を通されており、ゲージ１０の内部 環境を完全にシールするようにされている。パッカアッセンブリ４７の端部には 、マウント５５が設けられており、例えばロッキングナット５９を介して高強度 キャピラリチューブ５７を取り付けている。ハウジング３５と、ベース２０と、 パッカ４７と、キャピラリチューブ５０と、それに付随するマウンティング装置 は、ステンレススチールといった耐高温、耐高圧、耐浸食性の材料によって形成 され ている。ハウジング３５は、ベース２０にマウントされており、溶接６３により シールされている。これに加えて、Ｏ−リングシール６５は、パッカアッセンブ リ４７とハウジング３５の間に配置され、耐圧シールとされていても良い。ゲー ジ１０の内側区画６９は、ハウジング３５と、ベース２０と、パッカアッセンブ リ４７とによってチャンバを形成して、このチャンバは、排気される構成とされ て絶対圧力ゲージとされている。これとは別に内側区画６９は、所望する既知の 圧力の不活性ガスが充填されていても良い。 オプティカルファイバ５０は、第１の取付位置７０においてブルドンチューブ １１の自由端１４へと取り付けられており、第２の取付位置７２においてマウン ティングポスト３０へと取り付けられている。オプティカルファイバ５０は、好 適な高強度高温耐久性のある例えば高温用接着剤、溶接、又はこれら以外の好適 な取付手段により各取付位置へと取り付けられている。ブラッググレーティング ７５は、第１の取付位置と第２の取付位置７０，７２の間のファイバ５０に形成 されている。本発明の図１の実施例では、ブラッググレーティング７５を含む第 １の取付位置７０と第２の取付け位置７２の間のファイバ５０の第１の長手部分 ７８は、ブルドンチューブ１１がシステム圧力に晒されないようにして、予備歪 が加えられて取り付けられている。予め歪を加えてファイバ長手部分７８を取り 付けることにより、ブラッググレーティング７５は、既知の初期歪とされ、圧力 変化に応じたブルドンチューブ１１の変化に伴うブラッググレーティング７５の 歪の変化が容易に決定される。ファイバ５０の第２の長手部分８０は、第２の取 付位置７２と第３の取付位置８２の間に上述した好適な取付方法によって連結さ れている。第２ のブラッググレーティング８５は、ファイバ５０の第２の長手部分８０に形成さ れている。ファイバ５０のこの第２の長手部分８０は、予備的な歪が加えられて いない条件下で取り付けられており、またシステムの圧力に応じた歪を受けない ようにされている。したがって、第２のブラッググレーティング８５は、温度に よる歪変化を受けるようにされており、他の影響による歪変化からは分離されて いる。 当業者によれば知られているように、ファイバグレーティング（ブラッググレ ーティング）は、歪検出要素として用いるのに好適であることが知られている。 ファイバグレーティングが照射されると、グレーティングは、特定の中心波長幅 を有する光を反射する。しかしながら、圧力又は温度によって誘起された歪とい った測定値は、グレーティングセンサの離間に対してファイバの全体の伸張のた め摂動を生じさせ、光弾性効果によりガラスの屈折率の摂動を生じさせて、これ らはともにグレーティングによっ反射される光の波長を変化させる。この測定値 は、直接的にグレーティングに反射される波長の関連するとともに、反射された 光の波長を検出することによって決定される。 当業界においてはさらに知られているように、ファイバグレーティングの出力 の波長コード化された特性は、出力の自己参照性特性により、強度を基準とした センサ技術よりも効果を有することが知られている。この第２の情報は、波長に 直接エンコードされ、これは絶対的なパラメータとなり、かつ全光レベル、ファ イバ又はカップ等による損失、又は光源強度の変動には依存しない。これと対照 的に、強度ベースのセンサは、全光強度に依存し、連結されたファイ バにおける損失により影響を受けるとともに、カップラによる損失、光源強度の 変動により影響を受ける。 図２を参照すると、圧力ゲージ１０は、キャピラリーチューブ５７の末端に配 置されており、オプティカルファイバ５０及び良く知られたキャピラリーチュー ブ輸送装置１０２を介して光学的信号処理装置１００へと連結されている。この 輸送装置１０２は、圧力ゲージ１０及びキャピラリーチューブ５７をオイル及び ／又はガス壁（図示せず）の溝穴等の過酷環境といったモニタする環境へと輸送 するために用いられるとともに、光信号処理装置１００と圧力ゲージ１０の間で 必要に応じて直接又はインターフェイス装置１０２を介して光信号を伝搬させる ために用いられる。 光信号処理装置１００は、最低でも光放出ダイオード（ＬＥＤ）といった光の ブロードバンド光源１４９と、オプティカルファイバ５０のコア内のブラッググ レーティング７５，８５へと信号光線を供給するための適切な装置とを有してい る。これに加えて、光信号処理装置１００は、ブラッググレーティング７５，８ ５からの戻り信号を分析するための適切な光信号分析装置１５０を備えている。 図２は、ブラッググレーティングセンサ７５，８５によって発生した波長シフ トをモニタして過渡的な圧力変動のための高分解能検出に伴う、静圧及び温度を モニタするための配置を示した図である。さらに、この配置はブルドンチューブ によって測定される動圧の検出にまで延長させることができる。ブラッググレー ティング７５，８５はそれぞれ、共鳴レフレクタとして機能し、本発明で説明す る方法に従ってセンサを駆動するようにされている。 ブロードバンド光源１４９からの光線は、カップラー１２２を介 してファイバ５０にカップルされる。このカップラ１２２は、ゲージアッセンブ リ１０へと光を向かわせるとともに、ブラッググレーティングセンサ７５，８５ からの反射された光成分を、波長モニタサブシステム１２４，１２６を備える光 信号分析装置１５０へと反射させている。波長モニタシステム１２４のうちの一 方は、ブラッググレーティング要素の波長シフトの検出を静的パラメータモニタ （例えば圧力及び温度）のため「絶対手法」を用いて行うことを可能としている 。別の波長モニタシステム１２６は、過渡的な又は動圧モニタのため弱い動的に 誘起されたシフトを検出するように備えられている。さらに、ブルドンチューブ １１は、圧力過渡特性に対しても応答するようにされている。 静的波長シフトをモニタするため、戻り光成分は、走査型狭帯域フィルタとい った光波長アナライザ１２４へと入射されル。この狭帯域フィルタは、ブラッグ グレーティング７５，８５によって反射された光のブラッグ波長の尺度を与える 。静圧は、ブラッググレーティング７５によって発生するブラッグ波長のシフト の差から算出されるが、温度は、ブラッググレーティング８５のブラッグ波長の 尺度から直接決定される。温度測定は、圧力測定の温度補償のために用いられる 。 戻り光成分の一部は、カップラ１２３を用いて別の波長ディスクリミネータ１ ２６へと分離され、波長シフトの高分解能モニタを行うようにされている。異な ったグレーティング７５，８５の応答性を分離するために、グレーティング７５ ，８５からの戻り光成分の波長フィルタ又はルータ１２５へと反射される。この デバイスは、選択フィルタ手段によって各ブラッググレーティングから発生した 光学的信号を分離するためのデバイスとなっている。このデバイスの透過バンド 幅は、充分に広くされていて、通常の動作条件下（全温度及び全圧力範囲）では 、例えばグレーティング７５によって生じる光学信号が常に透過されるように構 成されている。このルータの出力は、その後高感度の波長ディスクリミネータ１ ２６を用いて分析されて、振動又は動圧による波長モジュレーション効果が決定 される。フィルタ１２５の透過バンドを調節することによって、システム内の別 々のグレーティングが個別的に分析できる。これとは別に、波長分割デマルチプ レクサを、波長成分を別々のファイバへと分割させるために用いることもでき、 その後それぞれを別々の高分解能波長ディスクリミネータを用いて分析すること もできる。この目的のために好適な波長ディスクリミネータのタイプを例示する と、米国特許第５，３６１，１３０号に開示されている干渉検出方法を挙げるこ とができ、この特許の開示は、本発明においても参照することができる。 光信号処理装置１００の特定の実施例は上述したものであるが、別の光信号分 析技術を本発明では用いることもでき、これらの方法としては、例えば米国特許 第４，９９６，４１９号、米国特許第５，４０１，９５６号、５，４２６，２９ ７号、及び／又は５，４９３，３９０号に開示の光信号直交化装置を用いた必要 なハードウエアとソフトウエアを組み込んだものを挙げることができ、上記各特 許の開示は、本発明においても参照することができる。 当業界で知られているように、種々の光信号分析手法があり、これらは、オプ ティカルファイバブラッググレーティングからの戻り光を分析するために用いる ことができる。これらのアプローチは、 概ね下記の４つのカテゴリーに分類される。 １．ライングレーティング、プリズムといった従来の分散要素と、光検出要素 のリニアアレイ又はＣＣＤアレイを用いた直接分光法； ２．光学系又は波長依存型の伝達関数を有するＷＤＭカップラを備えたファイ バデバイスの双方を用いる受動型光フィルタ法； ３．例えば、走査型ファブリーペローフィルタといったチューニング可能なフ ィルタや、上述の米国特許第５，４９３，３９０号に開示のフィルタのような光 −音響フィルタや、ブラッググレーティングを用いたフイルター法； ４．干渉計を用いた検出法を挙げることができる。 用いる特定の技術は、ブラッググレーティングのシフトの大きさ（センサの感 度や、測定強度に応じる）及び検出される測定値の周波数範囲によって変更する ことができる。 図１に戻ると、ファイバ５０の末端１３６は、例えば第３の取付位置８２に取 り付けられており、反射させないような端部とされていて、ブラッググレーティ ング７５，８５からの反射波長が互いに干渉しないようにされている。例えば、 ファイバ５０の末端１３６は、端面がファイバ軸に垂直でなくなるような角度で 切断されていても良い。これとは別に、ファイバ５０の末端１３６は、ファイバ の屈折率に適合する材料でコートされ、これに連続する屈折率適合材料により支 持されて、背面反射なくファイバから放出されるようにされていても良い。 上述したように、各ブラッググレーティング７５，８５は、ファイバコア材料 の屈折率の周期的な変動から構成されており（すなわち、ファイバコア内での光 の速度の変動）、これが特定のグレーティ ング間隔に対応した光の特定の中心波長における共鳴キャビティを形成する。こ のような共鳴キャビティは、その後上述の中心波長λｐの光線のみを反射させ、 他の波長の光線を大きな減衰なく通過させるようにされている。歪が屈折率グレ ーティングに加えられると、グレーティングの同期的間隔が変化して共鳴キャビ ティの中心波長が変化し、反射光線の波長シフトとして現れることが知られてい る。歪がブルドンチューブ１１手段等によってファイバの歪変化として生じると 、中心反射波長の波長シフトは、ブルドンチューブ１１の運動によって生じた圧 力変化に関連づけられる。 図３を参照すると、本発明のブルドンチューブ圧力ゲージの第２の実施例が示 されている。図３に示される本発明の第２の実施例においては、ブルドンチュー ブ３１１は、図１のブルドンチューブと基本的には同一の構成とされている。し かしながら、オプティカルファイバ３５０は、ブルドンチューブが開始する長手 部分にわたって、例えば取り付け位置３３２に隣接する領域からブルドンチュー ブ３１１の自由端３１４にまで延びるようにしてブルドンチューブ３１１の表面 に直接溶接又は取り付けられている。ブラッググレーティング３７５は、ブルド ンチューブ３１１の表面に直接取り付けられたオプティカルファイバ３５０内に その長手部分にわたって形成されている。したがって、ブルドンチューブ３１１ は、環境の圧力に晒されると、ブルドンチューブの位置変化がブラッググレーテ ィング３７５の歪に影響を与え、環境の圧力の表示が与えられるようにされてい る。オプティカルファイバ３５０の付加的な長手部分は、ブルドンチューブ３１ １と取付ポスト３３０の取付位置３８０の間に取付けられている。このオプティ カルファイバの付加的な長手部 分部分には、第２のブラッググレーティング３８５が設けられている。この第２ のブラッググレーティングを有する光ファイバの長手部分は、ブラッググレーテ ィング３８５が環境の圧力に伴う歪を受けないようにされていて、ブラッググレ ーティング３８５には、環境の温度による影響しか受けないようにさせている。 したがって、温度補償信号は、ブラックグレーティング３８５によって提供され る。 本発明の図１に示す第１の実施例の２つのブラッググレーティング７５，８５ のように、図３に示す本発明の第２の実施例の２つのブラッググレーティング３ ７５，３８５は、選択された光の波長範囲で光学的信号を反射させるように選択 されており、この範囲は、互いに異なった範囲とは重なり合わないようにされて いて、２つの異なったブラッググレーティングセンサからの戻り光信号が互いに 容易に区別できるようにされている。 図４を参照すると、本発明の第３の実施例が示されている。図４に示す本発明 の実施例では、ブルドンチューブ４１１は、ブルドンチューブの自由端４１４が ブルドンチューブ４１１によって形成される円の略底部で停止した完全なアーク を形成している。ブルドンチューブ４１１によって測定される環境の圧力の変化 に対応して、ブルドンチューブの自由端４１４が概ね軸４１５に沿って運動する 。底部４２０に連結されているのは、対となったポスト４２１，４２２であり、 オプティカルファイバ４５０は、１つの取付ポスト４２１上の取付位置４２５と 別の取付ポスト４２２上の取付位置４２６の間に軸４１５に沿って取り付けられ ている。オプティカルファイバはまた、ブルドンチューブ４１１の自由端４１４ 上の取付位置４ ２７に取り付けられてる。対となったファイバブラッググレーティング４７５， ４７６は、取付ポスト４２１，４２２の間てでプティカルファイバ内に形成され ている。一方のブラッググレーティングは、第１の取付ポスト４２１とブルドン チューブ４１１の自由端４１４上の取付位置４２７の間に形成されている。第２ のファイバブラッググレーティング４７５は、ブルドンチューブ４１１の自由端 ４１４上の取付位置４２７と別の取付ポスト４２２上の取付位置４２６の間のオ プティカルファイバ内に形成されている。フィバーブラッググレーティング４７ ５，４７６の双方は、等しい大きさの予備歪の下で取り付けられている。ブルド ンチューブ４１１の位置が測定する環境の圧力の変化によって変化すると、ブル ドンチューブ４１１の自由端４１４の位置は変化してファイバブラッググレーテ ィング４７５，４７６の歪を変化させ、ブラッググレーティングの一方の歪は増 加し、別のブラッググレーティングの歪は減少する。この歪検出技術は、環境の 圧力を表示させるためには極めて信頼性に富み、かつ正確である。本発明の別の 実施例としては、ブラッググレーティング４８５の温度補償（参照グレーティン グ）はまた、オプティカルファイバ４５０内においてオプティカルファイバの端 部に形成され、圧力測定における温度補償をする構成とされている。 図５は、本発明の第４の実施例を示した図であり、この実施例は、図４に示し た本発明の実施例と同様の構成とされている。本発明の図５に示した実施例では 、２つのファイバブラッググレーティングは、２つの参照位置と螺線形のブルド ンチューブの自由端の間で初期歪の下で取り付けられている。ブルドンチューブ の環境の圧力変化に対応してブルドンチューブの自由端の位置が変化すると、ブ ラッ ググレーティングの一方の歪は増加し、他方のブラッググレーティングの歪が減 少するようにブラッググレーティングへの歪が変化する。ブラッググレーティン グの温度補償はまた、与えられるように構成されている。 図６を参照すると、本発明の第５の実施例が示されており、螺旋形のブルドン チューブには、互いに異なった軸に取り付けられた対となったブラッググレーテ ィングが用いられている。また、温度補償は、ブラッググレーティングになされ るようにされている。 図７を参照すると、本発明は、単一の反射グレーティング（図１）を用いて説 明してきたが、図７で説明するように本発明の別の実施例では、対となった反射 グレーティング７５ａと７５ｂとを同一の長さのファイバ７８ａ内に用いている 。したがって、より長い長さの共振キャビティーを形成している。このような共 振キャビティはまた、反射グレーティング７５ａ、７５ｂの中心波長λに対応す る特定波長の光を反射する。キャビティ長のブルドンチューブ１１ａの運動によ る変化は、反射キャビティ内の光学的経路の変化による戻り光の位相シフトを生 じさせる。このようなデバイスは、ファブリーペロー干渉計と呼ばれ、オプティ カルファイバ内の歪を検出するための高感度の手段となり、生じた光学的位相シ フトは、標準的な干渉装置技術を用いて検出できる。したがって、この技術は、 過渡的な温度補償を伴う圧力トランスデューサを実現するための技術とされ、図 １において説明した前述のデバイスに比較して圧力感度が向上されている。これ とは別に、対となったブラッググレーティングは、検出のためのレーザ発振要素 を形成するために用いることもでき、例えば対となったブラッググレーティング の間にエルビウ ムドープのオプティカルファイバ長手部分を配置させることもできる。 本発明は、これまで円形（アーク）又は螺旋ブルドンチューブを用いて説明し てきたが、いかなる好適なブルドンチューブでも光センサに歪を生じさせること ができるような環境に応答するチューブであれば、本発明においては用いること ができる。本発明はこれまで、ブルドンチューブの自由端と参照位置の間に取付 けられたファイバ内又はこれとは別にブルドンチューブの表面に直接取り付けら れたファイバ内に設けられたブラッググレーティングを用いて説明してきた。し かしながら、ブラッググレーティングを含むいかなる好適な構成及びブルドンチ ューブであっても、環境内での圧力に応じたブルドンチューブの変化がファイバ 中のブラッググレーティングに正確に結合されるものであれば用いることができ る。 本発明の圧力ゲージは、高温環境で使用するために特に好適であるが、高精度 及び高信頼性のシステム圧力測定が望まれるいかなる別の用途に対しても等しく 好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ダンフィー，ジェイムス アール. アメリカ合衆国，コネチカット 06073 サウス グラストンベリー，ヒッコリー ドライヴ 21 (72)発明者 プルエット，フィリップ エドモンド. アメリカ合衆国，カリフォルニア 93306 178 ベイカースフィールド，ハイウェ イ 12417 【要約の続き】 化させるようにさせていて、ブラッググレーティングに よって反射された光の波長シフトを生じさせるようにさ れている。波長シフトの大きさは、圧力の変化に直接比 例している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． システム圧力に晒される固定された開口端と自由端とを備え、前記自由端 が前記システム圧力に関連した位置とされるブルドンチューブを備えた前記シス テム圧力を検出するための圧力ゲージにおいて、 前記ブルドンチューブが前記システム圧力に晒された場合に、前記システム圧 力に応じた前記自由端の運動により歪が生じるようにして取り付けられた少なく とも１つの光歪センサを備えており、 前記光歪センサは、前記歪に応答するとともに入射された光信号に応答して前 記システム圧力を表示する歪光信号を与えることを特徴とする圧力ゲージ。 ２． 前記光歪センサは、オプティカルファイバ内に形成される本来的なブラッ ググレーティングを少なくとも１つ含むオプティカルファイバを有することを特 徴とする請求項１に記載の圧力ゲージ。 ３． 前記ブラッググレーティングを含む前記オプティカルファイバの長手部分 は、参照位置と前記自由端の間に取り付けられ、前記自由端の前記位置の変化が 、前記オプティカルファイバの前記長手部分の歪を変化させて前記ブラッググレ ーティングにより反射される前記入力光信号の波長をシフトさせ、前記波長シフ トの大きさは、システム圧力の変化に対応していることを特徴とする請求項２に 記載の圧力ゲージ。 ４． 前記光ファイバの長手部分は、前記ブルドンチューブの自由端と前記参照 位置の間に初期歪の下で取り付けられており、前記初期歪は、前記自由端の前記 位置の変化に応じて変化することを特徴とする請求項３に記載の圧力ゲージ。 ５． 参照ブラッググレーティングは、前記システム圧による歪から分離されて いるとともに、前記システムの温度に応答して温度誘起歪を生じさせ、前記参照 ブラッググレーティングは、前記温度誘起歪及び前記入力信号に応答して前記シ ステムの温度を示した温度光信号を与えることを特徴とする請求項４に記載の圧 力ゲージ。 ６． 前記温度光信号は、前記歪光信号の温度補償に用いられることを特徴とす る請求項５に記載の圧力ゲージ。 ７． 前記ブラッググレーティングを含む前記光ファイバ長手部分は、前記ブル ドンチューブの表面に取り付けられ、前記自由端の前記位置の変化が前記オプテ ィカルファイバの前記長手部分の前記歪を変化させて前記ブラッググレーティン グによって反射される前記入射光信号の波長シフトを生じさせ、前記波長シフト の大きさが前記システム圧力の変化を示すことを特徴とする請求項２に記載の圧 力ゲージ。 ８． 参照ブラッググレーティングは、前記システム圧による歪から分離されて いるとともに、前記システムの温度に応答して温度誘起歪を生じさせ、前記参照 ブラッググレーティングは、前記温度誘 起歪及び前記入力信号に応答して前記システムの温度を示した温度光信号を与え ることを特徴とする請求項７に記載の圧力ゲージ。 ９． 前記温度光信号は、前記歪光信号の温度補償に用いられることを特徴とす る請求項８に記載の圧力ゲージ。 １０． 参照光センサは、前記システム圧力による歪から分離されているととも に、前記システムの前記温度に応じて温度誘起歪を与え、前記参照光センサは、 前記温度誘起歪及び前記入射光信号に応答して前記システムの前記温度を示した 温度光信号を与えることを特徴とする請求項１に記載の圧力ゲージ。 １１． 前記光センサは、オプティカルファイバ内に形成された本来的なブラッ ググレーティングを含むオプティカルファイバを有していることを特徴とする請 求項１０に記載の圧力ゲージ。 １２． 前記歪光信号と前記温度光信号とに対応する光信号処理手段を備えてお り、前記システムの前記圧力と前記温度とをそれぞれ示した圧力信号と温度信号 とを与えることを特徴とする請求項１０に記載の圧力ゲージ。 １３． システム圧力に晒される固定された開口端と自由端とを備え、前記自由 端が前記システム圧力に関連した位置とされるブルドンチューブを備えた前記シ ステム圧力を検出するための圧力ゲージにおいて、 前記ブルドンチューブが前記システム圧力に晒された場合に、前記システム圧 力に応じた前記自由端の運動により光歪センサに歪が生じるようにして取り付け られた複数の光歪センサを備えており、 前記光歪センサは、前記歪に応答するとともに入射された光信号に応答して前 記システム圧力を表示する歪光信号を与えることを特徴とする圧力ゲージ。 １４． 前記光歪センサは、オプティカルファイバ内に形成される本来的なブラ ッググレーティングを少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項１３に記載の 圧力ゲージ。 １５． 少なくとも１つの前記歪センサは、第１の参照位置と前記自由端の間に 取り付けられた少なくとも１つのブラッググレーティングを含んだ第１の長手部 分を備え、少なくとも１つの付加的な光歪センサは、第２の参照位置と前記自由 端の間に取り付けられた少なくとも１つのブラッググレーティングを含む前記光 ファイバの第２の長手部分を備え、前記自由端の前記位置の変化が前記光ファイ バの前記第１の長手部分及び前記第２の長手部分の歪を変化させて前記ブラッグ グレーティングによって反射される前記入射光信号の波長シフトを生じさせ、前 記波長シフトの大きさが前記システム圧力の変化を示すことを特徴とする請求項 １４に記載の圧力ゲージ。 １６． 前記オプティカルファイバの前記第１の長手部分と前記第２の長手部分 は、前記ブルドンチューブの前記自由端と前記第１の参照位置と前記第２の参照 位置の間にそれぞれ初期歪の下で取り付 けられ、前記初期歪は、前記自由端の前記位置の変化に対応して変化することを 特徴とする請求項１５に記載の圧力ゲージ。 １７． 参照ブラッググレーティングは、前記システム圧による歪から分離され ているとともに、前記システムの温度に応答して温度誘起歪を生じさせ、前記参 照ブラッググレーティングは、前記温度誘起歪及び前記入力信号に応答して前記 システムの温度を示した温度光信号を与えることを特徴とする請求項１６に記載 の圧力ゲージ。 １８． 前記温度光信号は、前記歪光信号の温度補償に用いられることを特徴と する請求項１７に記載の圧力ゲージ。