NL8600547A

NL8600547A - Druksensor.

Info

Publication number: NL8600547A
Application number: NL8600547A
Authority: NL
Original assignee: Coenecoop Bv
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1987-10-01
Also published as: DE3762923D1; EP0242894A1; ATE53121T1; EP0242894B1

Description

% Ss- *

Druksensor.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een druksensor, omvattende, een met een schot afgesloten langwerpig hol lichaam van elastisch materiaal met twee buisvormige gedeelten, waarvan één 5 te verbinden met een drukbron, waarbij het lichaam over een deel van zijn lengte is voorzien van een aantal instul-pingen welke begrensd worden door min of meer scherpe, in de langsrichting verlopende, randen, waartussen de afstand in overeenstemming met de te meten druk verandert, 10 en een optische vezel met een wikkelingsgedeelte rond de instulpingen, aan één einde verbonden met een lichtbron en aan het andere einde met een lichtmeter voor het meten van door de vezel doorgelaten licht uit de lichtbron.

Een dergelijke druksensor is bekend 15 uit NL-A-84.00063, waarin een soortgelijk langwerpig lichaam omwikkeld is met een optische vezel voor het bepalen van de druk. Deze inrichting vertoont echter enkele tekortkomingen. Als bijvoorbeeld de druksensor gebruikt wordt om drukken te bepalen in een omgeving 20 waar de temperatuur erg kan veranderen, zoals bij gas- exploratie het geval is, zal de respons van een dergelijke sensor niét alleen informatie bevatten over volumeveran-deringen tengevolge van de druk, maar wordt hij eveneens beïnvloedt door volumeveranderingen tengevolge van de 25 temperatuur. Weliswaar wordt in NL-A-84.00063 een voorstel 5 ^ -2- voor een temperatuurcompensatie beschreven, doch daarmee is de warmte-uitzetting van het lichaam ter hoogte van de instulpingengeensins opgeheven. Bovendien heeft deze maatregel op geen enkele wijze betrekking op het bepalen 5 van de volumeveranderingen van het lichaam ten gevolge van temperatuurverschillen. Evenmin is duidelijk welk gedeelte van de wikkeling rond 'het lichaam bijdraagt aan de respons van de sensor.

De onderhavige uitvinding beoogt 10 deze beperkingen op te heffen, en wordt daartoe gekenmerkt door een sensor voor temperatuurverschillen, die een tweede optische vezel omvat, die aan één einde verbonden is met de lichtbron en aan het andere einde met een lichtmeter voor het meten van door de vezel doorgelaten licht uit 15 de lichtbron, die met minstens één wikkelingsgedeelte aangebracht is dicht nabij overeenkomstig één van de buisvormige gedeelten rond de instulpingen, waarbij het wikkelingsgedeelte van de eerstgenoemde optische vezel nagenoeg halverwege rond de onderdruk staande aan de 20 ene kant van het schot gelegen instulpingen aangebracht is, en waarbij de wikkelingsgedeelten van beide optische vezels bij begin en einde van elk wikkelingsgedeelte op de overeenkomstige randen van de instulpingen vastgezet zijn.

25 De hierna volgende beschrijving van de onderhavige uitvinding verwijst naar enkele tekeningen.

Figuur 1 is een aanzicht van een dwarsdoorsnede langs II-II in figuur 2 van het langwerpige lichaam van elastisch materiaal ter hoogte van de instulpin-30 gen zonder dat een vezel rond het lichaam gewikkeld is.

De figuren 2-5 geven aanzichten in perspectief van de verschillende uitvoeringsvoorbeelden ^ ' Λ Λ / -μ» - : . : Λ / .·>' * ^ '* wr 4 -3- van de druksensor in overeenstemming met de onderhavige uitvinding.

Overeenkomstige elementen van de uitvoeringsvoorbeelden worden in de beschrijving met 5 dezelfde verwijzingscijfers aangegeven.

Allereerst zal verwezen worden naar de figuren 1 en 2.

In de dwarsdoorsnede van het langwerpig lichaam 1 van elastisch materiaal in figuur 1 lopen de 10 instulpingen 4 uit in de buisvormige stukken 2a en 2b. De aangegeven instulpingen 4 worden begrensd door min of meer scherpe randen 5. Naar wens kan in een ander aantal instulpingen, en dienovereenkomstig ander aantal randen worden voorzien.

15 In figuur 2 ziet men dat het langwerpig lichaam 1 twee buisvormige stukken 2a en 2b bevat. Het bovenste is afgesloten met een schot 28, het onderste kan door middel van een opening 3, bijvoorbeeld een schroefdraad met bijbehorende afdichting, aangesloten worden op een druk-20 bron, waarvan de druk bepaald moet worden. Een optische vezel, zoals bijvoorbeeld de vezel 6 in figuur 2, is rond de instulpingen 4 gewikkeld, waarbij naar wens een geschikte wikkelingsspanning gekozen kan worden. Hierbij zullen de vezelstukken van de wikkeling knikken vertonen, 25 daar, waar zij over de randen 5 van de instulpingen 4 lopen.

Deze knikken vormen plaatsen waar het uit de lichtbron afkomstige en de vezel ingestuurde licht kan uittreden; de mate waarin dit plaatsvindt wordt bepaald door de sterkte van de knik. Wanneer nu het langwerpig lichaam 1 met koppe-30 ling 3 met een drukbron verbonden wordt, zullen de afstanden tussen de randen 5 van de instulpingen 4 veranderen tengevolge van veranderingen in de druk. De dan veranderende kniksterkte zal afgemeten kunnen worden

*> \ > -· * -I

^ 'j j 5 -¾ -4- aan de overeenkomstig veranderende hoeveelheid doorgelaten licht uit de lichtbron, opgevangen in een lichtmeter, bijvoorbeeld een fotocel. De drukverandering en de verandering in doorgelaten licht vertonen een in hoge mate lineair 5 verband, tot binnen een marge van 0,5 %.

De bovenbeschreven inrichting met de enkele vezel 6 maakt deel uit van de stand van de techniek, zoals vermeld in NL-A-84.00063.

Deze druksensor vindt toepassing onder 10 omstandigheden waarbij de temperatuur kan veranderen tussen o o - 20 C en + 80 C. Dientengevolge zullen de afstanden tussen de randen 5 van de instulpingen 4 niet alleen door drukverschillen, maar ook door temperatuurverschillen veranderen. Het via de vezel 6 ontvangen licht geeft derhalve 15 niet alleen informatie over de te bepalen druk. Voor nauw keurige drukbepalingen is een correctie voor temperatuurverschillen echter noodzakelijk. Het betreft zowel de omgevingstemperatuur als de temperatuur van het medium waarvan druk bepaald moet worden. Aangezien de sensor bij een 20 dood einde van de drukleiding, waar het medium niet stroomt, aangebracht is, en de materiaalkeuze, bijvoorbeeld staal, een goed warmtecontact met de omgeving toelaat, kan een eenduidige correctie tot stand gebracht worden. In de onderhavige uitvinding is dit probleem opgelost door een 25 tweede vezel 7 daar rond de instulpingen 4 van het lang werpig lichaam 1 aan te brengen, waar de invloed van de druk aanmerkelijk kleiner is, in het bijzonder dicht nabij een buisvormig gedeelte 2a; juist daar zal de vorm van het buisvormige gedeelte 2 nog van invloed zijn. Buitendien 30 is gebleken dat de lineairiteitsmarge daar verbeterd is tot 0,02 %. De dan via de tweede vezel 7 in de fotocel ontvangen hoeveelheid licht, die een maat is voor de optredende π λ λ 5 4 7 J * ^ *** ï * ' sr è -5--.

temperatuurverschillen, maakt zo het corrigeren van de drukbepalingen met de eerste vezel 6 mogelijk. Men heeft gevonden dat voor het bepalen van de druk het aanbrengen van het wikkelingsgedeelte 6a van de eerste op-5 tische vezel 6 ter hoogte van het middengedeelte van de instulpingen 4 de voorkeur heeft. Opgemerkt moet worden dat het de voorkeur verdient beide vezels via een bundel-splitsingsinrichting met dezelfde lichtbron te verbinden. Eventuele fluctuaties in de lichtafgifte treden dan in 10 beide meetcircuits gelijkertijd op. Als lichtbron kan een lichtuitzendende diode gebruikt worden.

Eveneens van invloed op de betrouwbaarheid van de metingen bij zowel de eerste optische vezel 6 als bij de tweede optische vezel 7, is de lengte van het 15 wikkelingsgedeelte 6a, 7a, waardoor de bepaling uitgevoerd wordt. Immers, doordat de afstand tussen de instulpingen 4 toeneemt, zouden de vezels 6, 7 niet alleen verder geknikt, doch ook uitgerekt kunnen worden. Om telkens hetzelfde vezelgedeelte de bepaling te laten uitvoeren, zullen de 20 wikkelingsgedeeltes 6a, 7a, na met de gewenste spanning rond het langwerpig lichaam 1 gewikkeld te zijn, bij begin en einde 10 op de respectieve randen 5 vastgezet worden, bijvoorbeeld door een hechtmiddel.

Zoals begrepen zal worden zullen de 25 uitgangssignalen uit de beide vezels het meest eenvoudig met elkaar vergeleken en gecombineerd kunnen worden, indien de beide vezels op vergelijkbare wijze gewikkeld, voor-•gespannen en vastgehecht zijn; de omvang van de benodigde electronische schakeling ter verwerking van de signalen 30 kan in dat geval beperkt blijven. Het heeft de voorkeur beide vezels op identieke wijze rond de instulpingen 4 te wikkelen, met een zelfde aantal windingen en een zelfde voorspanning. Dit geldt ook voor de nog hierna

** Ί *\ ’V

·-· * 7 -6- te bespreken uitvoeringsvoorbeelden.

In een tweede uitvoeringsvoorbeeld, getoond in figuur 3, wordt de nauwkeurigheid van de sensor voor temperatuurverschillen verder vergroot door de tweede 5 vezel 7 in twee gedeelten 7b, 7d rond de instulpingen 4 dicht nabij de twee buisvormige gedeelten 2a, 2b te wikkelen vanwege de verbeterde lineairiteitsmarge. De zo verkegen meting is dan een maat voor de gemiddelde volumeverandering dicht nabij de buisvormige gedeelten 10 2a, 2b. Elk van de twee wikkelingsgedeelten 7b, 7d dient, zoals boven vermeld, vastgezet te worden. Het verbindings-gedeelte 7c tussen de twee wikkelingsgedeelten 7b, 7d zal niet van invloed zijn op de hoeveelheid doorgelaten licht omdat dit gedeelte nagenoeg in de langsrichting 15 verloopt en de kniksterkte van dit gedeelte te klein is om licht-verlies te geven.

Figuur 4 toont een derde uitvoeringsvoorbeeld. Anders dan in de bovenbeschreven uitvoeringsvoorbeelden in de figuren 2 en 3 is het wikkelingsgedeelte 20 7a van de tweede optische vezel 7 aangebracht nabij het buisvormige gedeelte 2a rond de instulpingen 4 van een gedeelte van het langwerpig lichaam 1, dat zich aan de andere kant van het schot 48 bevindt, en derhalve niet verbonden is met de drukbron waarvan de druk bepaald moet 25 worden, waardoor de sensor voor temperatuurverschillen onafhankelijk van de druk in het langwerpig lichaam 1 gemaakt wordt. Dit buisvormige gedeelte 2a is bij voorkeur open, met een opening 49, zodat de sensor voor temperatuurverschillen geheel drukongevoelig is. Overeenkomstig de 30 bovenvermelde wijze is de eerste optische vezel 6 voor het bepalen van de druk op ongeveer halverwege het met de drukbron verbonden gedeelte van de instulpingen 4 gewikkeld.

-**\ - * ·»^ -7-

In het vierde uitvoeringsvoorbeeld van de onderhavige uitvinding dat de voorkeur heeft, te zien in figuur 5, is het wikkelingsgedeelte 7a van de sensor voor temperatuurverschillen aangebracht rond een 5 gedeelte van het lichaam 1 met instulpingen 4, dat afge scheiden is van de instulpingen 4, die verbonden zijn met de drukbron en omwikkeld door de eerste optische vezel 6, door een schot 59 van geschikt materiaal binnenin het van de verbinding met de drukbron vandaan gelegen buis-10 vormige gedeelte 2a. Evenals bij het uitvoeringsvoorbeeld uit figuur 4 is ook deze sensor voor temperatuurverschillen onafhankelijk van de druk in het langwerpige lichaam, en kan hij weer open zijn, met een opening 59, waardoor hij geheel drukongevoelig is. Bovendien kan voor dit uitvoerings-15 voorbeeld als voordeel aangemerkt worden, dat tijdens het vervaardigen van het langwerpig lichaam 1 en het monteren van de sensor,het schot 59 gemakkelijk aangebracht kan worden. Overeenkomstig het voorgaande worden de wikkelings-gedeelten 6a, 7a van beide optische vezels 6, 7 dicht 20 nabij respectievelijk het andere buisvormige gedeelte 2a en halverwege de met de drukbron verbonden uitstulpingen 4 aangebracht, voorgespannen en vastgezet.

Voor de bovenbeschreven uitvoerings-voorbeelden geldt, dat het aantal windingen van de wikke-25 lingsgedeelten zowel van de eerste optische vezel 6 als van de tweede optische vezel 7 bij voorkeur ligt tussen 10 en 30. Bij voorkeur wordt als optische vezel multimode vezel van bekend type gebruikt, met kern van kwarts en mantel van siliciumglas. De vezel is bekleed met een 30 kunststof, bijvoorbeeld UV-acrylaat in een enkele laag, waarmee de vezel op gewenste wijze beschermd wordt en voorgespannen kan worden rond de instulpingen.

De bovenbeschreven druksensor, bijvoor- Λ -8- beeld met lengte van ongeveer 10 cm, en diameter ter hoogte van de instulpingen van ongeveer 0,8 cm, kan, al naar gelang de wanddikte van de instulpingen, bijvoorbeeld gelegen in het gebied van 0,1 tot 0,5 mm, en de 5 voorspanning van de vezel, ingericht worden om drukken te bepalen tussen - 1 en 100 bar. Goede elastische en warmte-eigenschappen worden verkregen door het langwerpig lichaam te vervaardigen uit bijvoorbeeld buis-veren-staal.

Aan elke deskundige zal duidelijk zijn dat beperkte wijzigingen en veranderingen aangebracht kunnen worden in de onderhavige inrichting zonder buiten het kader van deze uitvinding te treden.

^ -s Λ > 'v f 4 , ✓

Claims

1. Druksensor, omvattende# een met een schot afgesloten langwerpig hol lichaam van elastisch materiaal met twee buisvormige gedeelten, waarvan één te verbinden met een drukbron, 5 waarbij het lichaam over een deel van zijn lengte is voor zien van een aantal instulpingen welke begrensd worden door min of meer scherpe, in de langsrichting verlopende randen, waartussen de afstand in overeenstemming met de te meten druk verandert, en 10 een optische vezel met een wikkelings- gedeelte rond de instulpingen, aan één einde verbonden met een lichtbron en aan het andere einde met een lichtmeter voor het meten van door de vezel doorgelaten licht uit de lichtbron, gekenmerkt door, 15 een sensor voor temperatuurverschillen, die een tweede optische vezel (7) omvat, die aan één einde verbonden is met de lichtbron en aan het andere einde met een lichtmeter voor het meten van door de vezel doorgelaten licht uit de lichtbron, die met minstens één wikkelings- 20 gedeelte (7a, 7b, 7d) aangebracht is dicht nabij over eenkomstig één van de buisvormige gedeelten (2a, 2b) rond de instulpingen (4), waarbij het wikkelingsgedeelte (6a) van de eerstgenoemde optische vezel (6) nagenoeg halver- '* „ V J • Ν Α -10- wege rond de onder druk staande aan de ene kant van het schot (28, 38, 48, 58) gelegen instulpingen (4) aangebracht is, en waarbij de wikkelingsgedeelten (6a, 7a, 7b, 7d) van beide optische vezels (6, 7) bij begin en einde (10) van 5 elk wikkelingsgedeelte (6a, 7a, 7b, 7d) op de overeenkom stige randen (5) van de instulpingen (4) vastgezet zijn.

2. Druksensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tweede optische vezel (7) twee wikkelingsgedeelten (7b:, 7d) bevat, die elk dicht nabij 10 overeenkomstig één van de buisvormige gedeelten (2a, 2b) rond de instulpingen (4) aan de ene kant van het schot (38) aangebracht zijn.

3. Druksensor volgens conclusie 1, met heb kenmerk, dat het ene wikkelingsgedeelte (7a) van de 15 tweede optische vezel (7) aangebracht is rond de instul pingen (4) dicht nabij het andere buisvormige gedeelte (2a) en gelegen aan de andere kant van het schot (48, 58).

4. Druksensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het schot (48) omvat wordt door de tussen 20 de twee buisvormige gedeelten (2a, 2a) gelegen instulpingen (4) .

5. Druksensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het schot (58) omvat wordt door het andere buisvormige gedeelte (2a). <} ,· i J J /