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Patent Searching and Data


Title:
FIBER OPTIC PRESSURE SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/014843
Kind Code:
A1
Abstract:
A fiber optic pressure sensor has an optic fiber (1) with at least two Faser-Bragg-gratings (10, 11, 12) and a pressure transfer element (2) consisting of a pressure body (3) and a reference body (4). Said pressure body (3) and reference body (4) are connected with optical fibers (1). The pressure transfer element (2) converts the pressure of a medium (M, M') into a longitudinal extension or compression of at least one segment of the optical fiber (1) which contains the fiber-Bragg-grating (10, 11, 12). The fiber-Bragg-gratings (10, 11, 12) are arranged in such a way that they exhibit approximately the same sensitivity to gas, and thermally induced shifts of the Bragg-wavelength of at least two of the fiber-Bragg-gratings (10, 11, 12) have a predefined relationship to each other. A pressure and temperature signal can be obtained free of any interference caused by gases by means of a suitable combination of wavelength-coded signals of Bragg grating (10, 11, 12).

Inventors:
BOHNERT KLAUS (CH)
BRAENDLE HUBERT (CH)
Application Number:
PCT/CH2000/000370
Publication Date:
March 01, 2001
Filing Date:
July 05, 2000
Export Citation:
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Assignee:
ABB RESEARCH LTD (CH)
BOHNERT KLAUS (CH)
BRAENDLE HUBERT (CH)
International Classes:
G01L1/24; G01L11/02; (IPC1-7): G01L11/02; G01L9/00
Domestic Patent References:
WO1999013307A11999-03-18
WO1999000653A21999-01-07
Other References:
XU M G ET AL: "OPTICAL IN-FIBRE GRATING HIGH PRESSURE SENSOR", ELECTRONICS LETTERS,GB,IEE STEVENAGE, vol. 29, no. 4, 18 February 1993 (1993-02-18), pages 398 - 399, XP000346083, ISSN: 0013-5194
Attorney, Agent or Firm:
ABB BUSINESS SERVICES LTD (Intellectual Property Haselstrasse 16/699 Baden, CH)
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Claims:
PATENTANSPRUECHE
1. Faseroptischer Drucksensor mit einer optischen Faser (1), welche min destens zwei FaserBraggGitter aufweist, und einem Drucküber tragungselement (2), mit einem Druckkörper (3) und einem Referenzkörper (4), mit welchen die optische Faser (1) verbunden ist, wobei das Drucküber tragungselement (2) einen Druck eines Mediums (M, M') in eine longitudi nale Dehnung oder Kompression von mindestens einem, eines der Faser BraggGitter (10,11,12) enthaltenden Abschnitts der optischen Faser (1) umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die FaserBraggGitter (10,11,12) so angeordnet sind, dass sie eine mindestens annähernd gleiche GasSensitivität aufweisen und dass ther misch induzierte Verschiebungen der BraggWellenlänge von mindestens zwei der FaserBraggGitter (10,11,12) eine vordefinierte Relation zueinan der aufweisen.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druck übertragungselement (2) einen Hohlraum (21) aufweist, in welchem die Fa serBraggGitter (10,11,12) angeordnet sind.
3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck körper (3) und der Referenzkörper (4) unterschiedliche lineare Wärme ausdehnungskoeffizienten aufweisen und dass ihre Längen so bemessen sind, dass eine durch eine thermisch induzierte Längenänderung relativ zu einander verursachte Veränderung der BraggWellenlänge mindestens eines BraggGitters (10,11,12) in einem vordefinierten Verhältnis zur ther misch induzierten intrinsischen Änderung der BraggWellenlänge dieses FaserBraggGitters (10,11,12) steht.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckund der Referenzkörper (3,4,) Träger (30,40,43,44) aufwei sen und dass jeweils ein einziges FaserBraggGitter (10,11,12) zwischen zwei Trägern (30,40,41,42,43,44) eines Trägerpaares angeordnet ist, wobei die Träger (30,40,43,44) eines ein FaserBraggGitter (10,11,12) umschlie ssenden Trägerpaars gleiche oder unterschiedliche Wärmeausdehnungs koeffizienten aufweisen.
5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bragg Wellenlängen von mindestens zwei der FaserBraggGitter (10,11,12) die selbe Temperaturabhängigkeit aufweisen.
6. Drucksensor nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen des Druckund Referenzkörpers (3,4) derart bemessen sind, dass eine thermisch induzierte Längenänderung einer thermischen Aus dehnung der optischen Faser (1) im freien Zustand entspricht.
7. Drucksensor nach einem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass min destens zwei der FaserBraggGitter (10,11,12) temperaturkompensiert ge haltert sind.
8. Drucksensor nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes FaserBraggGitter (10) von einem ersten Trägerpaar (30,40,41,42) und ein zweites FaserBraggGitter (11) von einem zweiten Trägerpaar (43,44) gehalten ist, wobei die Längen der Träger (30,40,41,42,43,44) derart bemessen sind, dass eine thermische Aus dehnung zwischen den Trägern (30,40,43,44) einer thermisch induzierten intrinsischen Änderung der BraggWellenlänge der optischen Faser (1) ent gegenwirkt.
9. Drucksensor nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägerpaar (43,44) auf dem Referenzylinder (4) angeordnet ist.
10. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass drei FaserBraggGitter (10,11,12) vorhanden sind, welche eine mindestens annähernd gleiche GasSensitivität aufweisen, wobei b) ein erstes FaserBraggGitter (10) drucksensitiv und temperaturkompen siert gehalten ist, c) ein zweites FaserBraggGitter (11) eine thermisch induzierte Änderung der BraggWellenlänge aufweist und druckunsensitiv gehalten ist und c) ein drittes FaserBraggGitter (12) drucksensitiv ist, eine entgegengesetzt gerichtete druckinduzierte Änderung der BraggWellenlänge aufweist als das erste FaserBraggGitter (10) und dieselbe thermisch induzierte Ände rung der BraggWellenlänge aufweist wie das zweite FaserBraggGitter (11).
11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ther misch induzierte Änderung der BraggWellenlänge des zweiten und dritten FaserBraggGitters (11,12) den zweifachen Wert einer thermisch induzier ten intrinsischen Änderung der BraggWellenlänge entspricht.
12. Drucksensor nach den Ansprüchen 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte FaserBraggGitter (12) von einem dritten Trägerpaar gehalten ist, wobei ein erster Träger des dritten Trägerpaares mit einem zweiten Träger (30) eines ersten Trägerpaares des ersten FaserBraggGitters (10) identisch ist und am Druckzylinder (3) angeordnet ist und ein zweiter Träger (45) des dritten Trägerpaares am Referenzzylinder (4) angeordnet ist.
13. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine ther misch induzierte Verschiebung der BraggWellenlänge eines ersten Faser BraggGitters (10) einem Vielfachen der thermisch induzierten Verschie bung der BraggWellenlänge eines zweiten FaserBraggGitters (11) ent spricht.
14. Drucksensor nach den Ansprüchen 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, a) dass drei FaserBraggGitter (10,11,12) vorhanden sind, welche eine mindestens annähernd gleiche GasSensitivität aufweisen, wobei b) ein erstes FaserBraggGitter (10) seine BraggWellenlänge drucksensitiv in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Drucks ändert und tempe raturkompensiert gehalten ist, c) ein zweites FaserBraggGitter (11) seine BraggWellenlänge druck sensitiv in Abhängigkeit des zweiten Drucks ändert und eine thermisch in duzierte Änderung der BraggWellenlänge aufweist und c) ein drittes FaserBraggGitter (12) seine BraggWellenlänge druck sensitiv in derselben Abhängigkeit des zweiten Drucks wie das zweite FaserBraggGitter (11) ändert und eine thermisch induzierte Änderung der BraggWellenlänge aufweist, welche sich um einen vordefinierten Faktor von der thermisch induzierte Änderung der BraggWellenlänge des zweiten FaserBraggGitters (11) unterscheidet.
Description:
Faseroptischer Drucksensor BESCHREIBUNG Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Drucksensor gemäss Ober- begriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik Zur Messung hoher Drücke, das heisst, Drücken im Bereich von 100 MPa (1000 bar) werden häufig elektrische Sensoren, wie z. B. Piezowiderstände, piezo- elektrische Elemente, kapazitive Sonden, Kristallresonatoren oder optische Drucksensoren, wie z. B. Fabry-Perot-Resonatoren oder elastoopische Sensoren, eingesetzt.

Ein optischer Drucksensor anderer Art zur Messung hoher isotroper Drücke von Flüssigkeiten ist aus aus M. G. XU et al.,"Optical In-Fibre Grating High Pressure Sensor", Electronics Letters 29 (4), 398-399 (1993) bekannt, welcher

einen faseroptischer Drucksensor beschreibt. Dieser Drucksensor weist eine optische Faser auf, in welche ein Bragg-Gitter eingeschrieben ist. Das Bragg- Gitter wirkt als Transmissions-oder Reflektionsfilter für eine charakteristische Bragg-Wellenlänge XB. Durch longitudinale Gitterdehnungen werden Gitter- periode und Brechungsindex geändert und die Bragg-Wellenlänge XB verschoben.

Die Ausgangssignale sind somit wellenlängencodiert und unabhängig von der empfangenen Lichtleistung. Zur Messung wird die optische Faser in eine Kavität eines Hochdruckgefässes eingebracht und unmittelbar dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeit ausgesetzt.

WO 99/00653 beschreibt ebenfalls einen faseroptischen Drucksensor mit einem Bragg-Gitter. Der Drucksensor umfasst ein Druckübertragungselement, auch Transducer genannt, welches ein zylindrisches Gehäuse mit einem Hohlraum und einer Einlassöffnung aufweist. Im Hohlraum ist ein Stempel mit einem Stempelkopf in Abhängigkeit des Druckes innerhalb des Hohlraumes verschieb- bar und druckdicht gelagert angeordnet, wobei sein Stempelkopf aus dem Gehäuse herausragt. Die optische Faser ist einerseits am Gehäuse, andererseits am Stempelkopf befestigt, wobei das Bragg-Gitter in einem Freiraum zwischen Gehäuse und Stempelkopf angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird ein allseitiger Druck eines Mediums in eine longitudinale Dehnung oder Kom- pression der optischen Faser und somit des Bragg-Gitters umgesetzt.

In der unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/CH99/00065 wird ein faser- optischer Drucksensor mit einem Bragg-Gitter beschrieben, welcher ebenfalls einen hydrostatischen Druck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in eine longitudinale Faserdehnung oder-kompression umsetzt. Dieser Drucksensor ist insbesondere geeignet für den Einsatz in Erdöl-Bohrlöchern zur Überwachung von Druck und Temperatur. In derartigen Bohrlöchern können die Flüssigkeits- drücke bis zu ca. 100 MPa und die Temperaturen bis zu über 200 °C betragen.

Der in PCT/CH99/00065 beschriebene Drucksensor umfasst einen Transducer

mit einem Druckzylinder, der in Austausch mit dem Medium steht, und mit einem Referenzzylinder, welcher vom Medium abgeschirmt oder entgegengesetzt druckbelastet ist. Die optische Faser ist mittels Trägern einerseits am Referen- zylinder und andererseits am Druckzylinder befestigt, so dass sich eine mediuminduzierte Dehnung oder Kompression des Druckzylinders relativ zum Referenzzylinder auf das Bragg-Gitter überträgt. In bevorzugten Ausfiihrungs- beispielen ist ein zweites Bragg-Gitter zur Temperaturmessung vorhanden. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das erste Bragg-Gitter tempera- turkompensiert, indem Referenzzylinder und Druckzylinder unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei ihre Längen und/oder Ausdehnungskoeffizienten so bemessen sind, dass eine relative thermische Ausdehnung der Zylinder zueinander einer thermisch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge der optischen Faser entgegenwirkt. Unter einer intrinsischen Änderung versteht man diejenige Änderung der Bragg- Wellenlänge, welche ein Faser-Bragg-Gitter einer freien, nicht eingespannten Faser aufweist.

In der noch unveröffentlichten Patentanmeldung DE 198 60 409.2 ist ein ähnlich aufgebauter faseroptischer Drucksensor mit Bragg-Gittern beschrieben, welcher nun jedoch zur Messung einer Druckdifferenz zweier Medien geeignet ist. Die Deformation des Transducers hängt dabei von den Absolutwerten der Drücke und/oder vom Differenzdruck der Medien ab, wobei wiederum eine Längenände- rung an ein erstes Bragg-Gitter weitergegeben wird und zur Messung der Tem- peratur ein zweites Bragg-Gitter vorhanden ist. Zur Fehlerkompensation ist fer- ner ein drittes Bragg-Gitter vorgesehen, welches so zwischen dem Druck-und dem Referenzzylinder angebracht ist, dass das Drucksignal entgegengesetzt und allfällige, durch Temperaturänderungen verursachte Störsignale gleichgerichtet sind wie beim ersten Bragg-Gitter.

Ein weiteres Störsignal wird durch Eindiffusion von Gasen in denjenigen Teil des Transducers, in welchem die Faser-Bragg-Gitter angeordnet sind, verur- sacht. Insbesondere beim Einsatz des Drucksensors in Ölbohrlöchern und Erd- gasquellen ist das Problem der Eindiffusion von Gasen, beispielsweise von Was- serstoff und Kohlenwasserstoffen vorhanden, vor allem, da die Diffusion in Ab- hängigkeit der Temperatur massiv zunimmt. Beispielsweise können hohe Was- serstoff-Partialdrücke von bis zu 20 bar auftreten. In der optischen Faser verur- sachen zudem Wasserstoff oder andere Gase optischen Verluste und auch Bre- chungsindexänderungen und damit Verschiebungen der Bragg-Wellenlänge, welche Druck-wie auch Temperaturmessungen störend beeinflussen. Die oben beschriebenen faseroptischen Drucksensoren berücksichtigen derartige Stör- signale nicht, so dass ihre Messgenauigkeit beeinträchtigt ist.

Darstellung der Erfindung Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischer Drucksensor, insbe- sondere zur Verwendung in Ölbohrlöchern oder Erdgasquellen, zu schaffen, wel- cher gasinduzierte Änderungen der Bragg-Wellenlänge kompensiert.

Diese Aufgabe löst ein faseroptischer Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Der erfindungsgemässe faseroptische Drucksensor weist mindestens zwei Faser- Bragg-Gitter auf, welche mindestens annähernd derselben gasinduzierten Ver- schiebung ihrer Bragg-Wellenlängen unterliegen und deren thermisch induzierte Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen eine vordefinierte Relation zueinander aufweisen. Durch geeignete Kombination der wellenlängencodierten Signale der Bragg-Gitter lässt sich ein störungsfreies Druck-und Temperatursignal eruie- ren.

Der erfindungsgemässe faseroptische Drucksensor besteht vorzugsweise aus einem Druckübertragungselement oder Transducer mit einem Druckkörper und einem Referenzkörper, zwischen welchen eine optische Faser mit eingeschriebe- nen Bragg-Gittern gehalten ist, wobei mindestens eines der Bragg-Gitter durch die druckinduzierte beziehungsweise temperaturinduzierte relative Verschie- bung der Körper zueinander dehnbar beziehungsweise komprimierbar ist. Ein erstes Bragg-Gitter dient der Druckmessung, ein zweites beziehungsweise drittes Bragg-Gitter zur Temperaturmessung und/oder zur Kompensation von Störsignalen. Vorzugsweise ist jedes Faser-Bragg-Gitter einzeln zwischen Trägerpaaren gehalten, wobei je nach Funktion einzelne Gitter vorgespannt sind.

In einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zwei Bragg- Gitter vorhanden, welche dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweisen. Vor- zugsweise entspricht diese Temperaturabhängigkeit derjenigen einer freien, nicht eingespannten optischen Faser. Dabei ist vorzugsweise ein erstes Bragg- Gitter zwischen dem Referenz-und dem Druckkörper vorgespannt gelagert gehalten und ein zweites Bragg-Gitter frei gelagert gehalten. Die Längen und/oder Ausdehnungskoeffizienten der Körper sind derart bemessen, dass eine Differenz der thermisch induzierten Längenänderung der Körper einer thermisch induzierten Ausdehnung der optischen Faser im freien Zustand entspricht.

In einer zweiten Ausführungsform sind zwei Bragg-Gitter vorhanden, welche temperaturkompensiert zwischen Referenz-und Druckkörper beziehungsweise anderen Trägern gelagert sind. Dabei sind die Längen der Körper beziehungs- weise der Träger derart bemessen, dass eine Differenz der thermisch induzierten Längenänderung der Körper beziehungsweise der Träger einer thermisch

induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge der optischen Faser entgegenwirkt.

In weiteren Ausführungsformen sind drei Bragg-Gitter vorhanden, wobei sie un- terschiedliche Wirkungen auf Druckbelastung und Temperaturänderungen zeigen, jedoch vorzugsweise alle mindestens annähernd derselben gasinduzierten Verschiebung der Bragg-Wellenlänge unterliegen,. Diese Ausfiihrungsformen sind insbesondere zur Messung von Differenzdrücken von zwei flüssigen oder gasförmigen Medien geeignet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent- ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausfüh- rungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen faseroptischen Drucksensor in einer ersten Ausführungsform mit teilweise tempe- raturkompensierten zwei Faser-Bragg-Gittern ; Figur 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform mit zwei temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gittern ; Figur 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform mit drei Faser-Bragg-Gittern ;

Figur 4 eine Variante der dritten Ausführungsform gemäss Figur 3 ; Figur 5 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform mit drei Faser-Bragg-Gittern und zwei Medien und Figur 6 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausfuhrungsform mit drei Faser-Bragg-Gittern, zwei Medien und einer temperaturkompen- sierten Halterung.

Gleiche Materialien sind mit gleichen Schraffuren versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung Der erfindungsgemässe Drucksensorsensor, wie er beispielsweise in Figur 1 dar- gestellt ist, besteht aus einer optischen Faser 1 und einem Druckübertragungs- element oder Transducer 2.

Der Transducer 2 weist ein Transducergehäuse 20, beispielsweise aus korrosionsfestem Stahl auf, welches einen Hohlraum 21 umschliesst. Das Transducergehäuse 20 ist von der optischen Faser 1 durchsetzt, wobei druckdichte Faserdurchführungen 6 einen im Hohlraum 21 verlaufenden Abschnitt der optischen Faser druckdicht gegenüber der Aussenumgebung des Transducers lagern. In diesem Abschnitt weist die optische Faser 1 mindestens zwei eingeschriebene Faser-Bragg-Gitter auf, welche unterschiedliche Bragg- Wellenlängen g aufweisen. Jedes Faser-Bragg-Gitter, beziehungsweise ein zugehöriger Abschnitt der optischen Faser, ist einzeln zwischen zwei, mit dem Transducer 1 verbundenen Faserhalterungen 5 gehalten. Dabei sind einzelne Faser-Bragg-Gitter mechanisch vorgespannt, wie dies auch in PCT/CH99/00065 und DE 198 60 409.2 beschrieben ist.

Der hier dargestellte Transducer 1 umfasst ferner einen Druckkörper 3 und einen Referenzkörper 4, welche im Transducergehäuse 20 angeordnet sind. Der Druckkörper 3 ist hohl ausgebildet, um ein Medium M unter einem allseitigen Druck aufzunehmen. Hierfür ist der Druckkörper 3 mit einer im Gehäuse 20 an- geordneten Einlassöffnung 22 verbunden. Wie hier dargestellt, ist der Druck- körper 3 durch einen Hohlzylinder gebildet, welcher an einem Ende mit dem Gehäuse 20 verbunden ist und am anderen Ende durch eine Druckplatte 30 ab- geschlossen ist, welche einen Träger zur Fixierung der optischen Faser 1 bildet.

Der Druckkörper 3 ist durch eine Druckänderung der Mediums M längenverän- derbar, so dass sich die Druckplatte 30 innerhalb des Hohlraumes 21 verschiebt.

Der Referenzkörper 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Hohlzylin- der, welcher vom Druckkörper 3 durchsetzt ist, wobei die Druckplatte 30 den Referenzkörper 4 überragt. Auch der Referenzkörper 4 ist an einem Ende mit dem Gehäuse 20 verbunden und endet am anderen Ende in einem freien Flansch, welcher einen Referenzträger 40 zur Halterung der optischen Faser 1 bildet. Der Referenzkörper 4 weist einen Zylinderschaft auf, welcher aus zwei Segmenten 41,42 mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungkoeffizienten besteht. Im allgemeinen weist ein erstes Segment 41 denselben und ein zweites Segment 42 einen höheren Ausdehnungskoeffizienten auf als der Druckkörper 3.

Durch geeignete Wahl der Längen und Materialien der Segmente lässt sich die thermische Längenveränderung des Referenzkörpers 4 relativ zum Druckkörper 3, das heisst die differentielle thermische Längenveränderung, vollstandig kom- pensieren beziehungsweise auf einen gewünschten Wert einstellen, wie dies weiter unten erläutert wird. Geeignete Materialien hierfür sind beispielsweise eine Nickel-Basislegierung für den Druckkörper und für das erste Segment des Referenzkörpers und ein Chrom-Nickel-Stahl für das zweite Segment des Refe- renzkörpers.

Druckplatte 30 und Referenzträger 40 bilden ein Trägerpaar, welches ein erstes Faser-Bragg-Gitter 10 der optischen Faser 1 halten. Eine Druckänderung im Medium M fuhrt somit zu einer Verschiebung der Druckplatte 30 und einer Dehnung beziehungsweise Kompression des Faserabschnittes, welcher das erste Bragg-Gitter beinhaltet. Dadurch verschiebt sich dessen Bragg-Wellenlänge Bl.

Vorzugsweise ist dieser Faserabschnitt mechanisch vorgespannt, wobei die Faservorspannung so gewählt ist, dass eine hinreichende Vorspannung auch noch bei maximaler Betriebstemperatur und minimalem Druck gewährleistet ist.

Ein zweites Faser-Bragg-Gitter 11 ist zwischen Referenzträger 40 und Trans- ducergehäuse 20 gehalten, wobei es im Beispiel gemäss Figur 1 nicht vorge- spannt ist. Dieses zweite Bragg-Gitter 11 ist nicht drucksensitiv. Eine Tempe- raturänderung verschiebt jedoch die Bragg-Wellenlänge 2 dieses Bragg-Gitters, so dass es zur Temperaturmessung dient.

In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die differentielle thermi- sche Längenveränderung, so eingestellt, dass sie der thermischen Längenverän- derung einer freien optischen Faser entspricht. Hierfür muss folgende Gleichung erfüllt sein : a, (L'+l,)-a2L'=afl, (1) wobei al, a2 und a f die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Druckkörpers 3, des zweiten Segmentes 42 des Referenzkörpers 4 beziehungsweise der opti- schen Faser 1 sind. L'ist dabei die Länge des zweiten Segmentes 42 und l, die Länge des eingespannten Faserabschnittes mit dem ersten Bragg-Gitter 10. Das erste Bragg-Gitter 10 weist somit die inhärente thermische Sensitivität eines Bragg-Gitters einer nicht lagefixiert gehaltenen Faser auf.

Beide in Figur 1 dargestellten Bragg-Gitter 10,11 unterliegen jedoch einer allfäl- ligen Beeinflussung durch Gase, welche in den Hohlraum 21 dringen. Da sich

beide Bragg-Gitter in demselben Hohlraum befinden, sind sie mindestens annä- hernd denselben Bedingungen ausgesetzt. Somit zeigt das erste Bragg-Gitter 10 folgende Verschiebung seiner Bragg-Wellenlänge ##1#p+b#T+c#H2(2),a wobei Ap, AT und AH2 Änderungen im Druck, in der Temperatur beziehungsweise in der Gaskonzentration, hier Wasserstoff, und a, b und c bekannte Kalibrie- rungskoeffizienten sind. Dabei hängt der Kalibrierungskoeffizient a vorallem von Transducerparametern, wie Länge, Wanddicke des Druckkörpers, Länge des Bragg-Gitters, Young'sches Elastizitätsmodul und der Poisson-Zahl des Druck- körpermaterials, ab und beträgt typischerweise einige pm/bar. Der Koeffizient b ist ungefähr 10 pm/°C für eine Bragg-Wellenlänge von annähernd 1550 nm und der Term c AH) kann bis zu einigen 100 pm betragen.

Das zweite Bragg-Gitter 11 zeigt dasselbe Temperatur-und gasinduzierte Ver- halten : A = b AT + c AH, (3).

Die Differenz der zwei Bragg-Wellenlängen AX,-A=aAp,(4) hängt nur noch vom Druck, nicht jedoch von der Temperatur und der Gasbela- stung ab. Der Druck ist somit gegeben durch Ap=(l/a)(A.,-A)(5).

In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Druck- sensors dargestellt, bei welcher beide Faser-Bragg-Gitter temperaturkompen- siert gehalten sind. Der Sensor weist im wesentlichen denselben Aufbau auf wie das anhand Figur 1 beschriebene Beispiel. In dieser Ausführungsform sind jedoch die Längen der Segmente so gewählt, dass eine thermisch induzierte Län- genveränderung des Druck-und Referenzkörpers relativ zueinander einer ther-

misch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge bu des ersten Bragg-Gitters 10 entgegenwirkt. Das heisst (##1)T(##1)#(6)- wobei (AX,) T die temperaturinduzierte intrinsische Bragg-Wellenänderung darstellt und (##1)# die Bragg-Wellenlängenverschiebung infolge der differen- tiellen thermischen Ausdehnung des Druck-und Referenzkörpers ist.

Um dies zu erreichen, muss somit folgende Bedingung erfüllt sein : a2L'-a, (L'+l,) +afl, =A (7) wobei L"die Länge des ersten Segmentes 41 und A eine von den Materialparametern der Faser abhängige Konstante ist.

Das zweite Bragg-Gitter 11 ist auf dieselbe Art und Weise temperaturkom- pensiert. Hierfür ist es zwischen zwei, ein Trägerpaar bildenden Träger 43,44 gehalten, wobei die Träger 43,44 auf dem Referenzkörper 4, vorzugsweise auf demselben Segment, angebracht sind. Die zwei Träger 43,44 weisen unter- schiedliche thermisch Ausdehnungskoeffizienten auf, deren Werte vorzugsweise den Werten der zwei Segmente 41,42 des Referenzkörpers 4 entsprechen. Für eine vollständige Temperaturkompensation gilt hier die Beziehung ad-a,(d+!)+a=A(8) wobei d, die Länge des Trägers 44 und 12 die Länge des eingespannten Faserabschnittes mit dem zweiten Bragg-Gitter 11 ist.

Die Verschiebung der Bragg-Wellenlängen setzt sich nunmehr aus folgenden Gliedern zusammen : A =atp+cAH2 c#H2(10).##2= Der Druck lässt sich wie im ersten Beispiel berechnen. In diesem Fall erhält man jedoch auch eine Angabe zur Gaskonzentration, welche wie folgt bestimmt ist : (1/c)##2(11).#H2=

In hier nicht dargestellten Varianten dieses Ausführungsbeispiels sind die Trä- ger 43,44 des zweiten Bragg-Gitters 11 an anderen Stellen des Transducers befestigt. In diesem Fall muss Gleichung (8) angepasst werden. Die erhaltenen Resultate sind jedoch dieselben.

In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, welches eine unabhän- gige Messung von Druck, Temperatur und Gasbelastung erlaubt. Dieser Druck- sensor weist eine optische Faser 1 mit drei Faser-Bragg-Gittern 10,11,12 mit vorzugsweise unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen auf. Das erste und zweite Bragg-Gitter 10,11, das heisst das Druck-und das Temperaturgitter, sind wie im Beispiel gemäss Figur 2 jeweils zwischen Trägerpaaren angeordnet und von diesen gehalten. Das dritte Bragg-Gitter 12, das Kompensationsgitter, ist ebenfalls von einem Trägerpaar gehalten, wobei ein erster Träger dieses Paares mit dem Druckkörper 3 und ein zweiter Träger mit dem Referenzkörper 4 verbunden ist. Im hier dargestellten Beispiel ist der erste Träger durch die Druckplatte 30 gebildet und der zweite Träger ist ein Flansch oder eine Endplatte 45 einer Verlängerung 46 des Referenzzylinders, wobei der Referenzzylinder in der Verlängerung 46 ein Fenster zur Aufnahme der End- platte 30 des Druckkörpers 3 aufweist. Die Verlängerung besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten vernachlässigbar klein ist, beispielsweise aus Invar.

Die Längen der Träger beziehungsweise der Segmente der Druckkörper sind in diesem Beispiel wie folgt bemessen : Das erste Faser-Bragg-Gitter 10 ist gemäss Gleichung (7) vollständig tempera- turkompensiert. Das zweite und dritte Faser-Bragg-Gitter 11,12 weisen vorzugsweise dieselbe Temperaturabhängigkeit auf. Für eine vernachlässigbare thermische Ausdehnung der Verlängerung 46 des Referenzzylinders 4 entspricht

die Temperaturabhängigkeit des dritten Bragg-Gitters 12 gerade dem doppelten Wert einer freien Faser. Für das zweite Bragg-Gitter 11 erreicht man dies durch entsprechende Wahl von Länge und Ausdehnungskoeffizienten der Träger. Dies wird erreicht durch (##2)#(12)(##2)T= wodurch für das zweite Bragg-Gitter gilt azd2-a, (d2+12) + afl2 =-A (13) Ferner weist das dritte Bragg-Gitter 12 durch seine Halterung dieselbe, jedoch entgegengesetzt gerichtete Druckabhängigkeit auf wie das erste Bragg-Gitter 10.

Die Bragg-Wellenlängen der drei Bragg-Gitter ändern sich deshalb wie folgt : Ak, = a Ap + c AH2 (14) Ak2 =2b AT + c AH2 (15) -a#p+2b#T+c#H2(16)##3= woraus folgt : <BR> <BR> <BR> <BR> (1/a)(##2-##3)(17)#p= <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> (1/b)[##2-(1/2)(##1+##3)](18)#T= <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> (1/c)[(##1+##3-##2)](19).#H2= Falls die thermische Ausdehnung der Verlängerung 46 nicht vernachlässigbar ist, so ist die Temperaturabhängigkeit des dritten Bragg-Gitters 12 grösser als der doppelte Wert einer freien Faser. Der Parameter A in Gleichung (13) ist dann durch einen entsprechend grösseren Wert B zu ersetzen.

Auch im Falle einer nicht vollständigen Temperaturkompensation fur das erste Bragg-Gitter 10 lassen sich Druck, Temperatur und Gasbelastung eruieren. Ist nämlich die Änderung der Bragg-Wellenlängen wie folgt : z\S, =atp+6bAT+cAH2 (20)

A=dAT+cAH, (21) AX, =-a Ap + (2b-8b) AT + c AH2 (22) wobei 5b der Fehler in der Temperaturkompensation und d # 2b ist, ergibt sich daraus #p = (1/a) ##2-(##1+##3-2##2)(#b-d)/(2(b-d))](23)- AT = (AR, + AR3-2Ak2)/ (2 (b-d)) (24) (1/c)[##2-(##1+##3-2##2)(d/2(b-d))](25).#H2= In Figur 4 ist eine einfachere Variante des dritten Ausführungsbeispiels dar- gestellt. In dieser Variante hängt die Änderung der Bragg-Wellenlänge des zweiten Bragg-Gitters 11 vorallem von der thermischen Ausdehnung des zweiten Segmentes 42 des Referenzkörpers 4 ab. Wie im zweiten Ausführungsbeispiel lässt sich auch hier das zweite Bragg-Gitter an anderen Stellen im Transducer lagern.

Die in den Figuren 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen mit drei Faser- Bragg-Gitter und zwei Kammern sind, im Falle, dass nur eine Kammer druck- belastet ist, zur Messung eines Absolutdruckes eines Mediums und, im Falle, dass beide Kammern mit Medien gefüllt sind, zur Messung von Differenzdrücken der Medien geeignet. Der Aufbau des Transducers und die Halterung der Bragg- Gitter gleicht den oben beschriebenen Ausführungsformen für ein Medium. Das Transducergehäuse 20 weist nun jedoch eine erste und eine zweite Einlass- öffnung 23,23'für ein erstes beziehungsweise zweites Medium M', M"auf. Die optische Faser 1 ist vom zweiten Medium M"umgeben, wobei die Faser vor- zugsweise von einer nicht dargestellten Kapillare schützend umgeben ist.

In dem in Figur 5 dargestellten vierten Ausführungsbeipiel ist das zweite Faser- Bragg-Gitter 11, das Temperaturgitter, zwischen dem ersten und dem dritten

Bragg-Gitter 10,12 gehalten, wobei es vorzugsweise ohne mechanische Vor- spannung in einem Trägerpaar gelagert ist und wobei es seine Träger 40,43 mit den ersten und dritten Bragg-Gittern 10,12 teilt. Die Änderung der Bragg- Wellenlänge 2 des Temperaturgitters ist wie folgt : Ak2= a'AP2 + b AT + c AH2 (26) wobei a'die Sensitivität des zweiten Bragg-Gitters 12 auf eine Druckänderung AP2 des zweiten Mediums M"beschreibt. Die Bragg-Wellenlänge 3 des dritten Gitters 12, des Kompensationsgitters, ändert sich wie folgt : X3 = a'Ap2 + b'AT + c AH, (27).

Die Temperaturempfindlichkeit b'des Kompensationsgitters ist aufgrund der thermischen Expansion des Referenzkörpers 4 grösser als die intrinsische Empfindlichkeit b eines freien Fasergittes. Durch geeignete Wahl des Materials für den Referenzkörper 4 lässt sich erreichen, dass b'sich um einen vordefinierten Faktor von b unterscheidet, insbesondere lässt sich erreichen, dass er mindestens annähernd den doppelten Wert von b aufweist.

Beispielsweise indem der Referenzkörper aus Stahl gefertigt ist. Die Temperaturänderung ergibt sich nun aus der Differenz der Gleichungen (26) und (27).

Für die Bragg-Wellenlängenverschiebung des ersten Gitters 10 gilt : A., = a" (p2-p,) + a'Ap2 + b'AT + c AH2 (27a).

Hier ist angenommen, dass das feingespannte Fesersegment mit dem ersten Gitter die gleiche Länge l, aufweist wie das Segment des dritten Gitters 12. Beide Gitter haben dann den gleichen Temperaturkoeffizienten b'. Der Differenzdruck (p2-p,) ergibt sich dann aus der Differenz der Gleichungen 27a und 27.

Die in Figur 6 dargestellte fünfte Ausführungsform unterscheidet sich vom vor- herigen Beispiel im wesentlichen dadurch, dass der Referenzzylinder 4 zwei Segmente 41,42 mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf- weist, wobei das zweite Bragg-Gitter 11, das Temperaturgitter, auf einem Segment, vorzugsweise auf demjenigen mit dem grösseren Ausdehnungskoeffi- zienten, gehalten ist und einen Träger mit dem ersten Bragg-Gitter 10 teilt.

Dadurch ergibt sich für die Änderungen der Bragg-Wellenlängen : tR=a" (p2-p) +a'Ap2+cAH2 (28) ##2 = a' #p2 + b'AT + c AH, (29) A, = a'Ap, + b AT + c AH, (30) In den unveröffentlichen Patentanmeldung PCT/CH99/00065 und DE 198 60 409.2 sind noch weitere Ausführungsbeispiele beschrieben. Das erfindungsgemässe Prinzip lässt sich auch auf diese Ausführungsbeispiele anwenden, indem jeweils eine feste Relation zwischen dem Temperaturverhalten zweier Faser-Bragg-Gitter durch geeignete Wahl bezüglich des thermischen Verhaltens des Druck-und Referenzkörpers hergestellt wird und die Faser- Bragg-Gitter derart im Transducer angeordnet sind, dass sie mindestens annähernd derselben Beeinflussung durch Gase unterliegen. Dadurch lassen sich verschiedenartig aufgebaute faseroptische Drucksensoren schaffen, welche eine gasunabhängige Messung eines Druckes und auch einer Temperatur erlauben.

Bezugszeichenliste 1 optische Faser 10 erstes Faser-Bragg-Gitter (für Druckmessung) 11 zweites Faser-Bragg-Gitter (für Temperaturmessung) 12 drittes Faser-Bragg-Gitter (zur Kompensationsmessung) 2 Transducer 20 Transducergehäuse 21 Hohlraum 22 Einlassöffnung 23 erste Einlassöffnung 23'zweite Einlassöffnung 3 Druckkörper 30 Druckplatte 4 Referenzkörper 40 Referenztrager 41 erstes Segment 42 zweites Segment <BR> <BR> 43 Träger<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 44 Träger 45 Endplatte 46 Verlangerungsstiick 5 Faserhalterung 6 Faserdurchfiihrung M Medium M'erstes Medium M"zweites Medium p, Druck des ersten Mediums P2 Druck des zweiten Mediums