SE451279B - Tryckovervakare - Google Patents

Description

451 279 2 av optiska material för att åstadkomma en noggrann och upprepbar tryckmätning inom ett stort temperaturintervall 1 ovänlig miljö, såsom korroderande gaser och vätskor.

Ett särskilt kännetecken hos den optiska tryckavkännaren enligt föreliggande uppfinning är tryckomvandlaren som inkluderar ett centralt anbragt membran som hålls stadigt fast vid sin omkrets av en integralt bildad kant. Deformation av membranet såsom följd av tryck som verkar på den ena frontytan medför på- känningsinducerad dubbelbrytning i en vågledarslinga och således en motsvarande ändring i resonansfrekvenserna som induceras av den optiska energin från en ljuskälla med förhållandevis stor linjebredd, såsom en kraftigt strålande diod.

En annan aspekt av den optiska tryckavkännaren enligt föreliggande uppfinning är att en tryckomvandlare som är fram- ställd av kraftigt och hållbart glas med låga förluster används för att mäta tryckändringar. En vågledarslinga på den ena front- ytan på ett membran undergår påkänningsinducerad dubbelbrytning som medför en relativ fasskillnad i komposanterna hos ljusenergin som fortplantas i den slutna slingan. En utgångssignal som är proportionell mot denna fasskillnad bildas genom att man kopplar en liten del av den optiska resonansenergin till en utgångsvâg- ledare och optisk detektor som analyserar den optiska energins spektralinnehàll.

De ovannämnda ändamålen och andra sådana samt kännetecken och fördelar hos uppfinningen kommer att framgå bättre av den nu följande beskrivningen av föredragna utföringsformer under hän- visning till bifogade ritningar, på vilka fig. 1 visar en i för- storad skala utförd perspektivvy som åskådliggör de fundamentala delarna i en optisk tryckmätningsanordning enligt uppfinningen och som visar tryckomvandlaren, ur vilken ett segment är bort- skuret, varjämte en vågledarslinga och ingångs- och utgångsvåg- ledare är anbragta på den ena frontytan eller ändytan, fig. 2 är en tvärsektionsvy av enbart tryckomvandlaren som är åskådlig- gjord 1 fig. l och visar membranet, något överdrivet, avböjt under tryck, fig. 3 är ett diagram som visar ßkillnadßfrekvênß- förskjutningen eller den differentiella frekvensförskjutningen hos den optiska energin som utsätts för resonans i vågledar- slingan som är belägen på tryckomvandlarens ena frontyta och 451 279 , 2 fig. 4 är ett diagram som visar skillnaderna mellan de normalisera- de resonansfrekvensförskjutningarna såsom funktion av radien hos slingan på tryckomvandlarens membran.

Först hänvisas till fig. 1 som är en ritning som 1 förenk- lad form åskådliggör huvuddelarna 1 den optiska tryckavkännaren enligt uppfinningen. En tryckomvandlare 10 är anbragt 1 läget där ändringarna 1 fluidumtrycket skall mätas. Vid omvandlarens 10 mittparti är ett membran 12 integralt försett med en kant 14 som sträcker sig periferiellt kring tryckomvandlarens 10 omkrets. Den ena frontytan 16 (den övre frontytan enligt fig. 1) inkluderar en vågledarslinga 18 som är bildad på en ändyta hos membranet_l2.

En ingångsvågledare 20 är också bildad på ändytan 16 hos tryck- omvandlaren 10 och sträcker sig 1 den visade utföringsformen från en punkt 22 på kantens 14 omkrets i riktningen för en korda genom en energiöverföringspunkt 24 som är belägen tangentiellt 1 förhållande till vågledarslingan 18 till en punkt 25 på om- vandlarens motsatta sida. På ändytan eller frontytan 16 är också en utgångsvågledare' 26 belägen, vilken sträcker sig från en punkt 27 1 riktningen för en korda genom en energiöverföringspunkt 28 som är tangentiellt belägen med avseende på vågledarslingan 18 till en punkt 30 vid omkretsen på kanten 14.

Den optiska tryckavkännaren enligt uppfinningen inklude- rar också en optisk källa 52, såsom en kraftigt strålande diod eller någon annan spektralt stark optisk ljuskälla av halvbred- bandtyp, vilken källa är så belägen att den kopplar optisk ener- gi genom ingångsvågledarens 20 ände 22. En frekvensdetektor 34 finns också, och den är så placerad, att den övervakar ljus- energi som utträder ur ändytan 30. Såsom kommer att förklaras mera i detalj nedan utgörs frekvensdetektorn 34 av en anordning som analyserar spektralinnehållet 1 ljusenergin som är i reso- nans 1 vågledarslingan 18. Om så önskas kan den optiska källan 32 och frekvensdetektorn 54 vara fjärrbelägna, varvid optisk energi kan ledas till och från tryckomvandlaren 10 av optiska vågledare (inte visade). Detta är särskilt önskvärt om tryck- äñdringarna skall mätas i en ovänlig miljö - exempelvis 1 en miljö som är utsatt för höga temperaturer eller korroderande fluider.

Det torde vara uppenbart att en särskilt viktig aspekt 451 279 4 av den optiska tryckavkännaren enligt föreliggande uppfinning ligger i sättet på vilket tryckomvandlaren 10 påverkas i beroende av tryckändringar så att dessa ändringar kan övervakas noggrant av frekvensdetektorn 34. Med hänvisning nu till fig. 2 är tryckomvandlaren 10 visad i tvärsektion, varvid avböjningen av membranet 10 är överdriven för tydlighets skull. Tryckomvand- laren 10 kan företrädesvis vara framställd av ett optiskt trans- parent material som är lämpligt för framställning av optiska vâgledare med låga förluster. I det föredragna utförandet har kanten lä mycket större tjocklek än membranet 12, varigenom membranets omkrets blir stadigt fixerad kring periferin. Ehuru kanten 14 och membranet 12 skulle kunna framställas såsom separata delar är tillverkningsförloppet för ett integrerat organ mindre dyrbart, varjämte det inkluderar färre moment.

Det umde vara uppenbart för fackmannen att en viktig aspekt av föreliggande uppfinning är vågledarslingan 18 som tjänstgör såsom en optisk resonator och att resonansfrekvenserna i nämnda optiska resonator varierar såsom en funktion av tryck som verkar på tryckomvandlaren 10. Vid denna punkt kan det vara lämpligt att beskriva teorin och arbetssättet för en optisk tryckavkännare enligt uppfinningen. Fortfarande med hänvisning till ovannämnda fig. l och 2 är vàgledarslingan framställd exem- pelvis som en rektangulär enkelmodvàgledare med små förluster medelst någon av de allmänt kända metoderna, såsom joninplante- ring. Varje resonansfrekvens som förekommer i vågledarslingan 18 uppdelas i två på tätt avstånd från varandra belägna frekvenser som svarar mot vågledarmoderna med den lägsta ordningen, varvid dessa frekvenser är polariserade vinkelrätt och parallellt mot vàgledarens breddimension. Avståndet mellan dessa frekvenser varierar med trycket till följd av dubbelbrytning som induceras av påkänningen. Det torde vara uppenbart för fackmannen att reso- nansslingan verkar pà ett likartat sätt som ett optiskt kamfilter med en serie passband centrerade på resonansfrekvenserna enligt nedan: fam = N c/(nghbm N = 1, 2, (1) där na och nb är fasbrytningsindex för de respektive vinkelräta och parallella moderna, L är ringens omkrets och N är resonans- 451 279 ~ 5 ordningen. En symmetrisk, likformigt fördelad belastning på membranet utsätter slingan för en påkänning och förskjuter däri- genom passbanden. Ändringarna fa och_ fb 1 resonansfrekvenserna bestäms av både den radiella påkänningen P och den tangentiella påkänningen 6. Ändringen i den optiska banans längd får tvâ bidrag, av vilka det ena beror pà ändringen 1 ringens omkrets och det andra beror på den av påkänningen inducerade dubbelbrytningen: ¿fa/f = -<¿9+gna/n) <2) sfb/f = -(f9+Xnb/n> (3) där f = favß fb n = na!! nb Ändringen i brytningsindex står i följande samband med vàgledar- slingans vinkelräta och parallella fotoelastiska konstanter pa resp. pb enligt: Ina/n <-n2/2> -paurfin <1» 2 . [mb/n = (-n /2) (pbfr+paf9) (5) Enkel teori för en platta eller plåt visar att ytpâkänf ningarna i membranet 12 är givna av: 2 se = ågptll-(r/afil <6) 2 ar = šåñlll-flr/arq] g (v) där D = EÉÉ--š- = böjscyvnet, l2(l-J ) t = membrantjocklek, E = Young-modul, J = Poisson-tal.

De fotoelastiska konstanterna för kvartsglas i vågledar- slingan 18 är: 0,126 Pb pa. 0,27 451 279 6 Om man använder sig av dessa värden och substituerar ekvationerna (6) och (7) för påkänningarna 1 (2) och (3) kan man erhålla en uppskattning av frekvensförskjutningen för varje mod och av den resulterande skillnads- eller differensfrekvensen A: Jfa/f = -c-[o,n26+o,1ns(f/a)21 (8) jfb/f = -<>~[o,s19-o,a1121 <9) A/f = c-[0.155-0,4s9(r/a>2J (10) där 2 c = <1/E><1-.»2> P (a/we = ä; <11> Den normaliserade frekvensförskjutningen A/(fC) är uppritad så- som en funktion av (r/a) i diagrammet enligt fig. Ä. Läget för vàgledarslingan 18 och tjockleksförhållandet (r/a) bör väljas så att skillnadsfrekvensförskjutningen A inte överskrider halva det fria spektralintervallet Afr mellan modordningar 1 kamfiltret men ändå är tillräckligt stor för att ge ett tillfredsställande signal- brusförhàllande. Om exempelvis E lO,4xlO6 psi, J = 0,17, a/t = 4 gäller att c = 5,6x1o.'7 P och Åfr = c/(naur) = 3311109 (r/i cmfl Hz (12) f e 0/3 3x1ol" Hz (13) 4/zfr = 7,8x1o'3fa/1 cm)(r/a)(P/1 psi)[1-3(r/a)2; Om a = 0,5 cm och P = 100 psi kan kravetjalçßfr/E genom att våglängden 18 placeras vid r/a<0,9. För det största signal- brusförhâllandet bör r/a inställas nära den maximalt tillåtna gränsen. För a = 1/2 om och r/a = 0,85 är det fria spekcraiinter- vallet 8,19 GHz, medan den maximala skillnadsfrekvensförskjut- ningen för trycket 100 psi är -3,0 GHz.

Bredden hos en enda linje JT' bestäms av resonatorns 451 279 "finess" som definieras av F=AgMr (w) Om K är effektkopplingsverkningsgraden hos ingàngs- och utgångs- kopplarna, ß,är kopplingsförlusterna och X'är vågledardämpningen (1 decibel per längdenhet) gäller att w<1-x<1>% exp (-»rwys,6s) (16) F = 1-(1-K-15 exp (-2,f;ys,6s> varjämte topptransmissionen vid mitten på ett passband är K2 exp (-2nrJ78,68) 0 (17) 1-(1-K-ß) exp (-2nrJ78,68) C Om dämpningen i ringresonatorn 18 är 0,01 dB/cm och T: effektkopplingsverkningsgraden och ingångs-/utgångskopplings- förlusterna är 1% medan r=O,4 cm, K=l% och'L=l% blir F=l36 och T=O,l9. Bredden hos varje passband för dessa parametrar är ca. 60 MHz. Nolltrycksseparationen mellan linjerna är en funktion av dimensionerna och bländartalet hos den inbäddade vågledaren. Den kan göras åtminstone en storleksordning större än linjebredden.

Om exempelvis bländartalet är 0,1 och vågledaren har sidförhål- landet 2:1 blir fa-fb 500 MHz. Den optiska källan 32 och frekvens- detektorn 34 bör vara tillräckligt bredbandiga för att omsluta åtminstone den maximalt förväntade totala separationen mellan band, dvs. nolltrycksseparationen plus den tryckberoende komposanten 4.

Vágledarslingan 18 utväljer de ovan beskrivna resonans- linjerna från den bredbandiga ingångssignalen och presenterar dem för detektorn 34. Många par av dylika linjer kan erhållas från en mycket bredbandig källa, varvid varje par har en frekvenssepara- tion som är väsentligen den som har angivits ovan. Detektorn 34 kan vara en fotodiod som blandar de infallande optiska linjerna så att man erhåller en elektrisk utgångssignal som innehåller den- na separationsfrekvens. Om sä önskas kan en elektronisk spektral- analysator eller en frekvensmätare 35 som är försedd med lämpliga filter för att avlägsna frekvenskomposanter utanför det aktuella intervallet då direkt mäta separationsfrekvensen, som är propor- tionell mot trycket såsom har beskrivits ovan, En särskilt viktig aspekt av uppfinningen är att tryck- mätningar medelst tryckomvandlaren 10 är väsentligen oberoende av temperaturvariationer. Det skall framhållas att ehuru värmeut- 451 2798 8 vidgning kan ändra omkretsen hos vågledarslingan 18 i hög grad verkar denna ändring lika på de båda polarisationerna, varför bå- da resonansfrekvenserna som förekommer i vågledarslingan 18 för- skjuts i väsentligen samma omfattning. Detta innebär att en eventuell skillnadsfrekvensförskjutning eller differentiell frekvensförskjutning inte har något samband med ändringen i temperaturen och fortfarande är i första hand proportionell mot ändringen i det pålagda trycket. Det kan konstateras att Young- modulen för materialet i tryckomvandlaren 10 utgör en svag funktion av temperaturen, men så länge som temperaturintervallet i vilket tryckomvandlaren 10 arbetar inte är orimligt stort kan en godtagbar noggrannhet ändå upprätthållas.

Skilda metoder är kända för framställning av membranet 12 enligt föreliggande uppfinning. Såsom har nämnts ovan kan tubstra- tet vara framställt av ett alkalisilikatglas med låga förluster, såsom natriumsilikat. Resonatorringen 18 och ingångsvågledaren samt utgångsvågledaren 26 kan framställas medelst jonbytes- metoder under användning av fotoresistmaskering av membranets 12 bytessida utom då det gäller bytesfönstret. Maskeringsmaterialet bör vara ogenomträngligt för byteskatjonen och bör kunna stå emot bytestemperaturen. Bland typiska maskeringsmaterial kan nämnas aluminium och nickel. Det maskerade membranet 12 nedsänks i en smält elektrolyt som innehåller den önskade katjonen. Jonbytet utförs genom att man pålägger en lämplig potential över två elek- troder som är nedsänkta i den smälta elektrolyten som innehåller membranet. Efter bytet kan maskeringen lösas i en syra.

Ehuru den optiska tryckavkännaren enligt uppfinningen har visats och beskrivits under hänvisning till en föredragen utfö- ringsform torde det stå klart för fackmannen att skilda ändringar i uppfinningens utformning och detaljer kan utföras inom upp- finningens ram. Exempelvis har vågledarslingan 18 på tryckom- vandlarens 10 frontyta visats generellt såsom koaxiellt belägen på membranet 12. I praktiken skulle vågledarslingan 18 kunna vara belägen på en godtycklig plats på tryckomvandlarens frontyta så länge en tillräcklig av påkänningen inducerad dubbelbrytning erhålls i vågledarslingan 18 för att man skall få en mätbar för- skjutning 1 resonansfrekvenserna. Vågledarslingans 18 tvärsektion behöver inte vara i stort sett rektangulär på det visade sättet

Claims (3)

451 279 9 (fig. 2), utan tvärsektionsformen kan vara godtycklig under förutsättning att en skild resonansfrekvens förekommer för varje självständig polarisering av optisk energi i vågledaren. Slingan skulle till och med vara framställd av en optisk fiber som åstadkommer ett polarisationstryok och som skulle kunna vara sammanfogad med membranets yta. Vidare behöver optisk ingångs- och utgångsenergi inte tillföras genom kordaliknande ingångs- och utgångsvågledare 20 resp. 26 på tryckomvandlarens 10 frontyta 16, utan optisk energi skulle kunna kopplas in i och ut ur vägledarslingan 18 via andra medel, såsom prismor belägna nära intill vågledarens övre del. PATENTKRAV

1. Tryckövervakare innefattande av tryck påverkbara organ (10) som inkluderar ett membran (12) som är beläget innanför en styv kant (1U) och som har en optisk bana belägen på en av sina ytor, varvid nämnda membran (12) och kant (1N) företrädesvis är utformade i ett enda stycke och membranet (12) böjs av under tryck och därvid åstadkommer en påkänning i nämnda optiska bana, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda optiska bana inne- fattar en vågledarslinga (18), i vilken nämnda påkänning ger upphov till en inducerad dubbelbrytning, optiska ingångsorgan (20) anbragta intill nämnda vågledarslinga (18) för att koppla ljusenergi in i nämnda vågledarslinga (18), och utgångsorgan (26) som också är anbragta intill nämnda vågledarslinga (18) för att koppla en del ljusenergi ut ur nämnda vågledarslinga (18), varvid en skillnadsfrekvensförskjutning som är proprotionell mot tryck som verkar på membranet (12) inträffar i spektralgensvaret hos ljusenergi som kommer i resonans i nämnda vâgledarslinga (18) såsom följd av den nämnda av påkänningen inducerade dubbelbrytningen.

2. ) Tryckövervakare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda ingångsorgan (20) inkluderar en ingångsvåg- ledare som är bildad längs nämnda ena yta hos nämnda av tryck påverkbara organ (10) och att nämnda ingångsvågledare (20) har en punkt (EN) som är tangentiellt belägen i nämnda vågledar- slinga (18), genom vilken punkt optisk energi kopplas in i nämnda vågledarslinga (18). 451 279 10

3. ) Tryckövervakare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den vidare inkluderar en kraftigt strålande diod (32) för att åstadkomma en icke-koherent bredbandig källa för optisk energi, vilken källa samverkar med nämnda ingångsorgan (20). H) Tryckövervakare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att_nämnda utgångsorgan (26) ytterligare inkluderar en utgångsvågledare (26) som är bildad längs nämnda ena yta hos nämnda av tryck påverkbara organ (10) och inkluderar en punkt (28) som är tangentiellt belägen med avseende på nämnda vågle- darslinga (15), genom vilken punkt en del av den optiska energin däri kopplas ut ur nämnda vågledarslinga (18). 5) Tryckövervakare enligt krav 4 ytterligare inklude- rande en frekvensdetektor (34) som är belägen för mottagning av ljusenergi som kopplas ut ur nämnda vågledarslinga (18) genom nämnda utgångsvågledare (26), k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda frekvensdetektor (3B) analyserar spektralfördelningen hos nämnda mottagna optiska energi för att identifiera en skill- nadsfrekvens som är associerad med nämnda skillnadsfrekvens- förskjutning. 6) Tryckövervakare enligt något av kraven 1-5, k ä n n e - t e c k n a d därav, att nämnda på ändytan hos nämnda av tryck pâverkbara organ (10) bildade vågledarslinga (18) är framställd genom jonimplantering eller jonutbyte. 7) Tryckövervakare enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda optiska ingångsorgan (32) innefattar källorgan för optisk energi och att nämnda utgångsorgan (26) innefattar frekvensdetektororgan anordnade att mottaga ur nämnda vågledare kopplad ljusenergi.