WO2001014843A1 - Fiber optic pressure sensor - Google Patents

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WO2001014843A1
WO2001014843A1 PCT/CH2000/000370 CH0000370W WO0114843A1 WO 2001014843 A1 WO2001014843 A1 WO 2001014843A1 CH 0000370 W CH0000370 W CH 0000370W WO 0114843 A1 WO0114843 A1 WO 0114843A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
fiber
bragg
fiber bragg
bragg grating
Prior art date
Application number
PCT/CH2000/000370
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Klaus Bohnert
Hubert Brändle
Original Assignee
Abb Research Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abb Research Ltd. filed Critical Abb Research Ltd.
Priority to AU53858/00A priority Critical patent/AU5385800A/en
Publication of WO2001014843A1 publication Critical patent/WO2001014843A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
    • G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic pressure sensor according to the preamble of patent claim 1.
  • electrical sensors such as e.g. Piezo resistors, piezoelectric elements, capacitive probes, crystal resonators or optical pressure sensors, e.g. Fabry-Perot resonators or elasto-optical sensors are used.
  • An optical pressure sensor of another type for measuring high isotropic pressures of liquids is known from MG XU et al., "Optical In-Fiber Grating High Pressure Sensor", Electronics Letters 29 (4), 398-399 (1993), which describes a fiber optic pressure sensor.
  • This pressure sensor has an optical fiber in which a Bragg grating is inscribed.
  • the Bragg grating acts as a transmission or reflection filter for a characteristic Bragg wavelength ⁇ B.
  • Longitudinal grating strains change the grating period and refractive index and shift the Bragg wavelength ⁇ B.
  • the output signals are therefore wavelength-coded and independent of the light output received.
  • the optical fiber is placed in a cavity of a high-pressure vessel and immediately exposed to the hydrostatic pressure of the liquid.
  • WO 99/00653 also describes a fiber optic pressure sensor with a Bragg grating.
  • the pressure sensor comprises a pressure transmission element, also called a transducer, which has a cylindrical housing with a cavity and an inlet opening.
  • a stamp with a stamp head depending on the pressure within the cavity is arranged displaceably and mounted in a pressure-tight manner, with its stamp head protruding from the housing.
  • the optical fiber is attached on the one hand to the housing and on the other hand to the stamp head, the Bragg grating being arranged in a free space between the housing and the stamp head. With this arrangement, all-round pressure of a medium is converted into a longitudinal expansion or compression of the optical fiber and thus of the Bragg grating.
  • a fiber-optic pressure sensor with a Bragg grating which also converts a hydrostatic pressure of a liquid or gaseous medium into a longitudinal fiber expansion or compression.
  • This pressure sensor is particularly suitable for use in petroleum boreholes to monitor pressure and temperature. In such boreholes, the liquid pressures can be up to approx. 100 MPa and the temperatures up to over 200 ° C.
  • the pressure sensor described in PCT / CH99 / 00065 includes a transducer with a pressure cylinder, which is in exchange with the medium, and with a reference cylinder, which is shielded from the medium or oppositely pressurized.
  • the optical fiber is attached to the reference cylinder on the one hand by means of supports and on the other hand to the printing cylinder, so that medium-induced expansion or compression of the printing cylinder relative to the reference cylinder is transferred to the Bragg grating.
  • a second Bragg grating is available for temperature measurement.
  • the first Bragg grating is temperature-compensated in that the reference cylinder and impression cylinder have different thermal expansion coefficients, their lengths and / or expansion coefficients being dimensioned such that a relative thermal expansion of the cylinders to one another leads to a thermally induced intrinsic change in the Bragg wavelength counteracts optical fiber.
  • An intrinsic change is understood to be the change in the Bragg wavelength that a fiber Bragg grating has of a free, non-clamped fiber.
  • a fiber optic pressure sensor of a similar design with Bragg gratings is described, but which is now suitable for measuring a pressure difference between two media.
  • the deformation of the transducer depends on the absolute values of the pressures and / or on the differential pressure of the media, a change in length being passed on to a first Bragg grating and a second Bragg grating being available for measuring the temperature.
  • a third Bragg grating is also provided, which is attached between the pressure and the reference cylinder in such a way that the pressure signal is opposite and any interference signals caused by temperature changes are rectified as in the first Bragg grating.
  • Another interference signal is caused by the diffusion of gases into that part of the transducer in which the fiber Bragg gratings are arranged.
  • gases for example hydrogen and hydrocarbons
  • the pressure sensor is used in oil wells and natural gas sources, there is the problem of the diffusion of gases, for example hydrogen and hydrocarbons, especially since the diffusion increases massively as a function of the temperature. For example, high hydrogen partial pressures of up to 20 bar can occur.
  • hydrogen or other gases cause optical losses in the optical fiber and also changes in the refractive index and thus shifts in the Bragg wavelength, which have an adverse effect on pressure and temperature measurements.
  • the fiber optic pressure sensors described above do not take such interference signals into account, so that their measuring accuracy is impaired.
  • the fiber optic pressure sensor according to the invention has at least two fiber Bragg gratings which are subject to at least approximately the same gas-induced displacement of their Bragg wavelengths and whose thermally induced displacements of the Bragg wavelengths have a predefined relation to one another.
  • a suitable combination of the wavelength-coded signals from the Bragg gratings can be used to determine an interference-free pressure and temperature signal.
  • the fiber optic pressure sensor according to the invention preferably consists of a pressure transmission element or transducer with a pressure body and a reference body, between which an optical fiber with inscribed Bragg gratings is held, at least one of the Bragg gratings being caused by the pressure-induced or temperature-induced relative displacement of the bodies relative to one another is stretchable or compressible.
  • a first Bragg grating is used for pressure measurement, a second or third Bragg grating is used for temperature measurement and / or for the compensation of interference signals.
  • Each fiber Bragg grating is preferably held individually between pairs of supports, with individual grids being prestressed depending on the function.
  • a first Bragg grating is preferably held preloaded between the reference body and the pressure body and a second Bragg grating is kept freely supported.
  • the lengths and / or expansion coefficients of the bodies are dimensioned such that a difference in the thermally induced change in length of the bodies corresponds to a thermally induced expansion of the optical fiber in the free state.
  • two Bragg grids are provided, which are stored in a temperature-compensated manner between the reference and pressure bodies or other supports.
  • the lengths of the bodies or the supports are dimensioned such that a difference in the thermally induced change in length of the bodies or the supports is thermal induced intrinsic change in the Bragg wavelength of the optical fiber.
  • three Bragg gratings are present, whereby they show different effects on pressure load and temperature changes, but preferably all are subject to at least approximately the same gas-induced shift in the Bragg wavelength. These embodiments are particularly suitable for measuring differential pressures of two liquid or gaseous media.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a second embodiment with two temperature-compensated fiber Bragg gratings
  • Figure 3 shows a longitudinal section through a third embodiment with three
  • FIG. 4 shows a variant of the third embodiment according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a fourth embodiment with three
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through a fifth embodiment with three
  • Fiber Bragg grids Two media and a temperature-compensated bracket.
  • the pressure sensor sensor according to the invention consists of an optical fiber 1 and a pressure transmission element or transducer 2.
  • the transducer 2 has a transducer housing 20, for example made of corrosion-resistant steel, which encloses a cavity 21.
  • the transducer housing 20 is penetrated by the optical fiber 1, pressure-tight fiber feedthroughs 6 storing a section of the optical fiber running in the cavity 21 in a pressure-tight manner with respect to the outside environment of the transducer.
  • the optical fiber 1 has at least two inscribed fiber Bragg gratings which have different Bragg wavelengths ⁇ B. Each fiber Bragg grating, or an associated section of the optical fiber, is held individually between two fiber holders 5 connected to the transducer 1. Individual fiber Bragg gratings are mechanically prestressed, as is also described in PCT / CH99 / 00065 and DE 198 60 409.2.
  • the transducer 1 shown here further comprises a pressure body 3 and a reference body 4, which are arranged in the transducer housing 20.
  • the pressure body 3 is hollow to receive a medium M under all-round pressure.
  • the pressure body 3 is connected to an inlet opening 22 arranged in the housing 20.
  • the pressure body 3 is formed by a hollow cylinder which is connected to the housing 20 at one end and is closed at the other end by a pressure plate 30 which forms a carrier for fixing the optical fiber 1.
  • the pressure body 3 can be changed in length by changing the pressure of the medium M, so that the pressure plate 30 moves within the cavity 21.
  • the reference body 4 is likewise a hollow cylinder, through which the pressure body 3 passes, the pressure plate 30 projecting beyond the reference body 4.
  • the reference body 4 is also connected at one end to the housing 20 and ends at the other end in a free flange which forms a reference carrier 40 for holding the optical fiber 1.
  • the reference body 4 has a cylindrical shaft, which consists of two segments 41, 42 with different coefficients of thermal expansion. In general, a first segment 41 has the same and a second segment 42 a higher coefficient of expansion than the pressure body 3.
  • the thermal length change of the reference body 4 relative to the pressure body 3, that is to say the differential thermal lengths, can be selected by suitable selection of the lengths and materials of the segments Change, fully compensate or set to a desired value, as explained below.
  • Suitable materials for this are, for example, a nickel-based alloy for the pressure body and for the first segment of the reference body and a chromium-nickel steel for the second segment of the reference body.
  • Pressure plate 30 and reference support 40 form a pair of supports which hold a first fiber Bragg grating 10 of the optical fiber 1.
  • a change in pressure in the medium M thus leads to a displacement of the pressure plate 30 and an expansion or compression of the fiber section which contains the first Bragg grating. This shifts its Bragg wavelength ⁇ .
  • This fiber section is preferably mechanically prestressed, the fiber prestressing being selected such that sufficient prestressing is ensured even at the maximum operating temperature and minimum pressure.
  • a second fiber Bragg grating 11 is held between the reference carrier 40 and the transducer housing 20, it not being prestressed in the example according to FIG. 1.
  • This second Bragg grating 11 is not pressure sensitive. However, a change in temperature shifts the Bragg wavelength ⁇ 2 of this Bragg grating, so that it is used for temperature measurement.
  • the differential thermal change in length is set such that it corresponds to the thermal change in length of a free optical fiber.
  • ⁇ 1; ⁇ 2 and ⁇ f are the coefficients of thermal expansion of the pressure body 3, the second segment 42 of the reference body 4 and the optical fiber 1, respectively.
  • L ' is the length of the second segment 42 and 1, the length of the clamped fiber section with the first Bragg grating 10.
  • the first Bragg grating 10 thus has the inherent thermal sensitivity of a Bragg grating of a fiber that is not held in position.
  • both Bragg gratings 10, 11 shown in FIG. 1 are subject to any influence by gases which penetrate into the cavity 21. That I if both Bragg gratings are in the same cavity, they are exposed to at least approximately the same conditions.
  • the first Bragg grating 10 thus shows the following shift in its Bragg wavelength
  • ⁇ , a ⁇ p + b ⁇ T + c ⁇ H 2 (2), where ⁇ p, ⁇ T and ⁇ H 2 are changes in pressure, temperature or gas concentration, here hydrogen, and a, b and c are known calibration coefficients.
  • the calibration coefficient a depends primarily on transducer parameters such as length, wall thickness of the pressure body, length of the Bragg grating, Young's modulus of elasticity and the Poisson number of the pressure body material, and is typically a few pm / bar.
  • the coefficient b is approximately 10 pm / ° C for a Bragg wavelength of approximately 1550 nm and the term c ⁇ H 2 can be up to a few 100 pm.
  • the second Bragg grating 11 shows the same temperature and gas-induced behavior:
  • ⁇ 2 b ⁇ T + c ⁇ H 2 (3).
  • ⁇ p (l / a) ( ⁇ , - ⁇ 2 ) (5).
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the pressure sensor according to the invention, in which both fiber Bragg gratings are kept temperature-compensated.
  • the sensor has essentially the same structure as the example described with reference to FIG. 1.
  • the lengths of the segments are selected such that a thermally induced change in the length of the pressure and reference body relative to one another of a thermal mix-induced intrinsic change in Bragg wavelength ⁇ t of the first
  • Bragg grid 10 counteracts. This means
  • the second Bragg grating 11 is temperature compensated in the same way. For this purpose, it is held between two carriers 43, 44 forming a pair of carriers, the carriers 43, 44 being attached to the reference body 4, preferably on the same segment.
  • the two carriers 43, 44 have different coefficients of thermal expansion, the values of which preferably correspond to the values of the two segments 41, 42 of the reference body 4.
  • ⁇ 2 d 2 - ⁇ , (d 2 + 1 2 ) + ⁇ f 1 2 A (8) applies here where d 2 is the length of the carrier 44 and 1 2 is the length of the clamped fiber section with the second Bragg grating 11.
  • ⁇ , a ⁇ p + c ⁇ H 2 (9)
  • ⁇ 2 c ⁇ H 2 (10).
  • ⁇ H, (l / c) ⁇ 2 (11).
  • equation (8) has to be adapted. However, the results obtained are the same.
  • FIG. 3 a third embodiment is shown, which allows an independent measurement of pressure, temperature and gas load.
  • This pressure sensor has an optical fiber 1 with three fiber Bragg gratings 10, 11, 12 with preferably different Bragg wavelengths.
  • the first and second Bragg grids 10, 11, that is to say the pressure and temperature grids, are each arranged between carrier pairs and held by them, as in the example according to FIG. 2.
  • the third Bragg grating 12, the compensation grating is also held by a pair of supports, a first support of this pair being connected to the pressure body 3 and a second support being connected to the reference body 4.
  • the first carrier is formed by the pressure plate 30 and the second carrier is a flange or an end plate 45 of an extension 46 of the reference cylinder, the reference cylinder having a window in the extension 46 for receiving the end plate 30 of the pressure body 3.
  • the extension preferably consists of a material whose coefficient of thermal expansion is negligibly small, for example Invar.
  • the lengths of the supports or segments of the pressure elements are dimensioned as follows:
  • the first fiber Bragg grating 10 is completely temperature compensated according to equation (7).
  • the second and third fiber Bragg grids 11, 12 preferably have the same temperature dependency.
  • the temperature dependence of the third Bragg grating 12 is just twice the value of a free fiber.
  • the third Bragg grating 12 has the same, but oppositely directed pressure dependency as the first Bragg grating 10 due to its mounting.
  • the Bragg wavelengths of the three Bragg gratings therefore change as follows:
  • ⁇ 3 -a ⁇ p + 2b ⁇ T + c ⁇ H 2 (16) from which follows:
  • the temperature dependence of the third Bragg grating 12 is greater than twice the value of a free fiber.
  • the parameter A in equation (13) is then to be replaced by a correspondingly larger value B.
  • ⁇ , a ⁇ p + ⁇ b ⁇ T + c ⁇ H 2 (20)
  • ⁇ 2 d ⁇ T + c ⁇ H 2 (21)
  • ⁇ H 2 (1 / c) [ ⁇ , - ( ⁇ , + ⁇ 3 - 2 ⁇ 2 ) (d / 2 (b - d))] (25).
  • FIG. 4 shows a simpler variant of the third exemplary embodiment.
  • the change in the Bragg wavelength of the second Bragg grating 11 depends primarily on the thermal expansion of the second segment 42 of the reference body 4.
  • the second Bragg grating can also be stored at other locations in the transducer.
  • FIGS. 5 and 6 with three fiber Bragg gratings and two chambers are, in the case that only one chamber is pressurized, for measuring an absolute pressure of a medium and, in the case that both chambers are filled with media are suitable for measuring differential pressures of the media.
  • the structure of the transducer and the mounting of the Bragg grating are similar to the above-described embodiments for a medium.
  • the transducer housing 20 now has a first and a second inlet opening 23, 23 'for a first and a second medium M', M ".
  • the optical fiber 1 is surrounded by the second medium M", the fiber preferably not being one shown capillary is surrounded protectively.
  • the second fiber Bragg grating 11, the temperature grating, is between the first and the third Bragg grating 10, 12 is held, wherein it is preferably mounted in a pair of supports without mechanical pretensioning and wherein it shares its supports 40, 43 with the first and third Bragg grids 10, 12.
  • the change in the Bragg wavelength ⁇ 2 of the temperature grating is as follows:
  • ⁇ , a * ⁇ p 2 + b ⁇ T + c ⁇ H 2 (26)
  • a ′ describes the sensitivity of the second Bragg grating 12 to a pressure change ⁇ p 2 of the second medium M ′′.
  • ⁇ 3 a ' ⁇ p 2 + b' ⁇ T + c ⁇ H 2 (27).
  • the temperature sensitivity b 'of the compensation grid is greater than the intrinsic sensitivity b of a free fiber grit.
  • b 'differs from b by a predefined factor, in particular it can be achieved that it has at least approximately twice the value of b.
  • the temperature change now results from the difference between equations (26) and (27).
  • ⁇ , a "(p 2 - p,) + a ' ⁇ p 2 + b' ⁇ T + c ⁇ H 2 (27a).
  • ⁇ 2 a ' ⁇ p 2 + b' ⁇ T + c ⁇ H 2 (29)
  • ⁇ 3 a' ⁇ p 2 + b ⁇ T + c ⁇ H 2 (30)

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).

Description

Faseroptischer Drucksensor Fiber optic pressure sensor
B E S C H R E I B U N GDESCRIPTION
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Drucksensor gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a fiber optic pressure sensor according to the preamble of patent claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Zur Messung hoher Drücke, das heisst, Drücken im Bereich von 100 MPa (1000 bar) werden häufig elektrische Sensoren, wie z.B. Piezowiderstände, piezoelektrische Elemente, kapazitive Sonden, Kristallresonatoren oder optische Drucksensoren, wie z.B. Fabry-Perot-Resonatoren oder elastoopische Sensoren, eingesetzt.To measure high pressures, i.e. pressures in the range of 100 MPa (1000 bar), electrical sensors such as e.g. Piezo resistors, piezoelectric elements, capacitive probes, crystal resonators or optical pressure sensors, e.g. Fabry-Perot resonators or elasto-optical sensors are used.
Ein optischer Drucksensor anderer Art zur Messung hoher isotroper Drücke von Flüssigkeiten ist aus aus M.G. XU et al., "Optical In-Fibre Gräting 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 λB. Durch longitudinale Gitterdehnungen werden Gitterperiode und Brechungsindex geändert und die Bragg-Wellenlänge λB 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.An optical pressure sensor of another type for measuring high isotropic pressures of liquids is known from MG XU et al., "Optical In-Fiber Grating High Pressure Sensor", Electronics Letters 29 (4), 398-399 (1993), which describes a fiber optic pressure sensor. This pressure sensor has an optical fiber in which a Bragg grating is inscribed. The Bragg grating acts as a transmission or reflection filter for a characteristic Bragg wavelength λ B. Longitudinal grating strains change the grating period and refractive index and shift the Bragg wavelength λ B. The output signals are therefore wavelength-coded and independent of the light output received. For the measurement, the optical fiber is placed in a cavity of a high-pressure vessel and immediately exposed to the hydrostatic pressure of the liquid.
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 verschiebbar 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 Kompression der optischen Faser und somit des Bragg-Gitters umgesetzt.WO 99/00653 also describes a fiber optic pressure sensor with a Bragg grating. The pressure sensor comprises a pressure transmission element, also called a transducer, which has a cylindrical housing with a cavity and an inlet opening. In the cavity, a stamp with a stamp head depending on the pressure within the cavity is arranged displaceably and mounted in a pressure-tight manner, with its stamp head protruding from the housing. The optical fiber is attached on the one hand to the housing and on the other hand to the stamp head, the Bragg grating being arranged in a free space between the housing and the stamp head. With this arrangement, all-round pressure of a medium is converted into a longitudinal expansion or compression of the optical fiber and thus of the Bragg grating.
In der unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/CH99/00065 wird ein faseroptischer 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 Flüssigkeitsdrücke 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 Ausführungsbeispielen ist ein zweites Bragg-Gitter zur Temperaturmessung vorhanden. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das erste Bragg-Gitter temperaturkompensiert, 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 the unpublished patent application PCT / CH99 / 00065, a fiber-optic pressure sensor with a Bragg grating is described, which also converts a hydrostatic pressure of a liquid or gaseous medium into a longitudinal fiber expansion or compression. This pressure sensor is particularly suitable for use in petroleum boreholes to monitor pressure and temperature. In such boreholes, the liquid pressures can be up to approx. 100 MPa and the temperatures up to over 200 ° C. The pressure sensor described in PCT / CH99 / 00065 includes a transducer with a pressure cylinder, which is in exchange with the medium, and with a reference cylinder, which is shielded from the medium or oppositely pressurized. The optical fiber is attached to the reference cylinder on the one hand by means of supports and on the other hand to the printing cylinder, so that medium-induced expansion or compression of the printing cylinder relative to the reference cylinder is transferred to the Bragg grating. In preferred exemplary embodiments, a second Bragg grating is available for temperature measurement. In further preferred exemplary embodiments, the first Bragg grating is temperature-compensated in that the reference cylinder and impression cylinder have different thermal expansion coefficients, their lengths and / or expansion coefficients being dimensioned such that a relative thermal expansion of the cylinders to one another leads to a thermally induced intrinsic change in the Bragg wavelength counteracts optical fiber. An intrinsic change is understood to be the change in the Bragg wavelength that a fiber Bragg grating has of a free, non-clamped fiber.
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 Längenänderung an ein erstes Bragg-Gitter weitergegeben wird und zur Messung der Temperatur 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, verursacht. Insbesondere beim Einsatz des Drucksensors in Ölbohrlöchern und Erdgasquellen ist das Problem der Eindiffusion von Gasen, beispielsweise von Was- serstoff und Kohlenwasserstoffen vorhanden, vor allem, da die Diffusion in Abhängigkeit der Temperatur massiv zunimmt. Beispielsweise können hohe Was- serstoff-Partialdrücke von bis zu 20 bar auftreten. In der optischen Faser verursachen zudem Wasserstoff oder andere Gase optischen Verluste und auch Brechungsindexänderungen und damit Verschiebungen der Bragg-Wellenlänge, welche Druck- wie auch Temperaturmessungen störend beeinflussen. Die oben beschriebenen faseroptischen Drucksensoren berücksichtigen derartige Störsignale nicht, so dass ihre Messgenauigkeit beeinträchtigt ist.In the as yet unpublished patent application DE 198 60 409.2, a fiber optic pressure sensor of a similar design with Bragg gratings is described, but which is now suitable for measuring a pressure difference between two media. The deformation of the transducer depends on the absolute values of the pressures and / or on the differential pressure of the media, a change in length being passed on to a first Bragg grating and a second Bragg grating being available for measuring the temperature. For error compensation, a third Bragg grating is also provided, which is attached between the pressure and the reference cylinder in such a way that the pressure signal is opposite and any interference signals caused by temperature changes are rectified as in the first Bragg grating. Another interference signal is caused by the diffusion of gases into that part of the transducer in which the fiber Bragg gratings are arranged. In particular, when the pressure sensor is used in oil wells and natural gas sources, there is the problem of the diffusion of gases, for example hydrogen and hydrocarbons, especially since the diffusion increases massively as a function of the temperature. For example, high hydrogen partial pressures of up to 20 bar can occur. In addition, hydrogen or other gases cause optical losses in the optical fiber and also changes in the refractive index and thus shifts in the Bragg wavelength, which have an adverse effect on pressure and temperature measurements. The fiber optic pressure sensors described above do not take such interference signals into account, so that their measuring accuracy is impaired.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischer Drucksensor, insbesondere zur Verwendung in Ölbohrlöchern oder Erdgasquellen, zu schaffen, welcher gasinduzierte Änderungen der Bragg-Wellenlänge kompensiert.It is therefore an object of the invention to provide a fiber optic pressure sensor, in particular for use in oil wells or natural gas sources, which compensates for gas-induced changes in the Bragg wavelength.
Diese Aufgabe löst ein faseroptischer Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.This object is achieved by a fiber-optic pressure sensor with the features of patent claim 1.
Der erfindungsgemässe faseroptische Drucksensor weist mindestens zwei Faser- Bragg-Gitter auf, welche mindestens annähernd derselben gasinduzierten Verschiebung 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 Verschiebung 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.The fiber optic pressure sensor according to the invention has at least two fiber Bragg gratings which are subject to at least approximately the same gas-induced displacement of their Bragg wavelengths and whose thermally induced displacements of the Bragg wavelengths have a predefined relation to one another. A suitable combination of the wavelength-coded signals from the Bragg gratings can be used to determine an interference-free pressure and temperature signal. The fiber optic pressure sensor according to the invention preferably consists of a pressure transmission element or transducer with a pressure body and a reference body, between which an optical fiber with inscribed Bragg gratings is held, at least one of the Bragg gratings being caused by the pressure-induced or temperature-induced relative displacement of the bodies relative to one another is stretchable or compressible. A first Bragg grating is used for pressure measurement, a second or third Bragg grating is used for temperature measurement and / or for the compensation of interference signals. Each fiber Bragg grating is preferably held individually between pairs of supports, with individual grids being prestressed depending on the function.
In einer ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind zwei Bragg- Gitter vorhanden, welche dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweisen. Vorzugsweise 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 a first embodiment of the subject matter of the invention there are two Bragg gratings which have the same temperature dependency. This temperature dependence preferably corresponds to that of a free, non-clamped optical fiber. In this case, a first Bragg grating is preferably held preloaded between the reference body and the pressure body and a second Bragg grating is kept freely supported. The lengths and / or expansion coefficients of the bodies are dimensioned such that a difference in the thermally induced change in length of the bodies corresponds to a thermally induced expansion of the optical fiber in the free state.
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 beziehungsweise 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 a second embodiment, two Bragg grids are provided, which are stored in a temperature-compensated manner between the reference and pressure bodies or other supports. The lengths of the bodies or the supports are dimensioned such that a difference in the thermally induced change in length of the bodies or the supports is thermal induced intrinsic change in the Bragg wavelength of the optical fiber.
In weiteren Ausführungsformen sind drei Bragg-Gitter vorhanden, wobei sie unterschiedliche Wirkungen auf Druckbelastung und Temperaturänderungen zeigen, jedoch vorzugsweise alle mindestens annähernd derselben gasinduzierten Verschiebung der Bragg-Wellenlänge unterliegen,. Diese Ausführungsformen sind insbesondere zur Messung von Differenzdrücken von zwei flüssigen oder gasförmigen Medien geeignet.In further embodiments, three Bragg gratings are present, whereby they show different effects on pressure load and temperature changes, but preferably all are subject to at least approximately the same gas-induced shift in the Bragg wavelength. These embodiments are particularly suitable for measuring differential pressures of two liquid or gaseous media.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.Further advantageous embodiments emerge from the dependent patent claims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:The subject matter of the invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments which are illustrated in the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen faseroptischen1 shows a longitudinal section through an optical fiber according to the invention
Drucksensor in einer ersten Ausführungsform mit teilweise temperaturkompensierten zwei Faser-Bragg-Gittern;Pressure sensor in a first embodiment with partially temperature-compensated two fiber Bragg gratings;
Figur 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform mit zwei temperaturkompensierten Faser-Bragg-Gittern;FIG. 2 shows a longitudinal section through a second embodiment with two temperature-compensated fiber Bragg gratings;
Figur 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform mit dreiFigure 3 shows a longitudinal section through a third embodiment with three
Faser-Bragg-Gittern; Figur 4 eine Variante der dritten Ausführungsform gemäss Figur 3;Fiber Bragg gratings; FIG. 4 shows a variant of the third embodiment according to FIG. 3;
Figur 5 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform mit drei5 shows a longitudinal section through a fourth embodiment with three
Faser-Bragg-Gittern und zwei Medien undFiber Bragg gratings and two media and
Figur 6 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform mit drei6 shows a longitudinal section through a fifth embodiment with three
Faser-Bragg-Gittern, zwei Medien und einer temperaturkompensierten Halterung.Fiber Bragg grids, two media and a temperature-compensated bracket.
Gleiche Materialien sind mit gleichen Schraffuren versehen.The same materials have the same hatching.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Der erfindungsgemässe Drucksensorsensor, wie er beispielsweise in Figur 1 dargestellt ist, besteht aus einer optischen Faser 1 und einem Druckübertragungselement oder Transducer 2.The pressure sensor sensor according to the invention, as shown for example in FIG. 1, consists of an optical fiber 1 and a pressure transmission element or 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 λB 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 angeordneten Einlassöffnung 22 verbunden. Wie hier dargestellt, ist der Druckkörper 3 durch einen Hohlzylinder gebildet, welcher an einem Ende mit dem Gehäuse 20 verbunden ist und am anderen Ende durch eine Druckplatte 30 abgeschlossen ist, welche einen Träger zur Fixierung der optischen Faser 1 bildet. Der Druckkörper 3 ist durch eine Druckänderung der Mediums M längenveränderbar, so dass sich die Druckplatte 30 innerhalb des Hohlraumes 21 verschiebt.The transducer 2 has a transducer housing 20, for example made of corrosion-resistant steel, which encloses a cavity 21. The transducer housing 20 is penetrated by the optical fiber 1, pressure-tight fiber feedthroughs 6 storing a section of the optical fiber running in the cavity 21 in a pressure-tight manner with respect to the outside environment of the transducer. In this section, the optical fiber 1 has at least two inscribed fiber Bragg gratings which have different Bragg wavelengths λ B. Each fiber Bragg grating, or an associated section of the optical fiber, is held individually between two fiber holders 5 connected to the transducer 1. Individual fiber Bragg gratings are mechanically prestressed, as is also described in PCT / CH99 / 00065 and DE 198 60 409.2. The transducer 1 shown here further comprises a pressure body 3 and a reference body 4, which are arranged in the transducer housing 20. The pressure body 3 is hollow to receive a medium M under all-round pressure. For this purpose, the pressure body 3 is connected to an inlet opening 22 arranged in the housing 20. As shown here, the pressure body 3 is formed by a hollow cylinder which is connected to the housing 20 at one end and is closed at the other end by a pressure plate 30 which forms a carrier for fixing the optical fiber 1. The pressure body 3 can be changed in length by changing the pressure of the medium M, so that the pressure plate 30 moves within the cavity 21.
Der Referenzkörper 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Hohlzylinder, 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 Längen Veränderung, vollständig ko - 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 Referenzkörpers. 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 führt 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 λ 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.In this exemplary embodiment, the reference body 4 is likewise a hollow cylinder, through which the pressure body 3 passes, the pressure plate 30 projecting beyond the reference body 4. The reference body 4 is also connected at one end to the housing 20 and ends at the other end in a free flange which forms a reference carrier 40 for holding the optical fiber 1. The reference body 4 has a cylindrical shaft, which consists of two segments 41, 42 with different coefficients of thermal expansion. In general, a first segment 41 has the same and a second segment 42 a higher coefficient of expansion than the pressure body 3. The thermal length change of the reference body 4 relative to the pressure body 3, that is to say the differential thermal lengths, can be selected by suitable selection of the lengths and materials of the segments Change, fully compensate or set to a desired value, as explained below. Suitable materials for this are, for example, a nickel-based alloy for the pressure body and for the first segment of the reference body and a chromium-nickel steel for the second segment of the reference body. Pressure plate 30 and reference support 40 form a pair of supports which hold a first fiber Bragg grating 10 of the optical fiber 1. A change in pressure in the medium M thus leads to a displacement of the pressure plate 30 and an expansion or compression of the fiber section which contains the first Bragg grating. This shifts its Bragg wavelength λ. This fiber section is preferably mechanically prestressed, the fiber prestressing being selected such that sufficient prestressing is ensured even at the maximum operating temperature and minimum pressure.
Ein zweites Faser-Bragg-Gitter 11 ist zwischen Referenzträger 40 und Transducergehäuse 20 gehalten, wobei es im Beispiel gemäss Figur 1 nicht vorgespannt ist. Dieses zweite Bragg-Gitter 11 ist nicht drucksensitiv. Eine Temperaturänderung verschiebt jedoch die Bragg-Wellenlänge λ2 dieses Bragg-Gitters, so dass es zur Temperaturmessung dient.A second fiber Bragg grating 11 is held between the reference carrier 40 and the transducer housing 20, it not being prestressed in the example according to FIG. 1. This second Bragg grating 11 is not pressure sensitive. However, a change in temperature shifts the Bragg wavelength λ 2 of this Bragg grating, so that it is used for temperature measurement.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die differentielle thermische Längenveränderung, so eingestellt, dass sie der thermischen Längenveränderung einer freien optischen Faser entspricht. Hierfür muss folgende Gleichung erfüllt sein: αI (L' + l,) - α2 L' = αf lI (1)In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the differential thermal change in length is set such that it corresponds to the thermal change in length of a free optical fiber. The following equation must be fulfilled for this: α I (L '+ l,) - α 2 L' = α f l I (1)
wobei α1; α2 und αf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Druckkörpers 3, des zweiten Segmentes 42 des Referenzkörpers 4 beziehungsweise der optischen Faser 1 sind. L' ist dabei die Länge des zweiten Segmentes 42 und 1, 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.where α 1; α 2 and α f are the coefficients of thermal expansion of the pressure body 3, the second segment 42 of the reference body 4 and the optical fiber 1, respectively. L 'is the length of the second segment 42 and 1, the length of the clamped fiber section with the first Bragg grating 10. The first Bragg grating 10 thus has the inherent thermal sensitivity of a Bragg grating of a fiber that is not held in position.
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 annähernd denselben Bedingungen ausgesetzt. Somit zeigt das erste Bragg-Gitter 10 folgende Verschiebung seiner Bragg-WellenlängeHowever, both Bragg gratings 10, 11 shown in FIG. 1 are subject to any influence by gases which penetrate into the cavity 21. That I if both Bragg gratings are in the same cavity, they are exposed to at least approximately the same conditions. The first Bragg grating 10 thus shows the following shift in its Bragg wavelength
Δλ, = a Δp + b ΔT + c ΔH2 (2), wobei Δp, ΔT und ΔH2 Änderungen im Druck, in der Temperatur beziehungsweise in der Gaskonzentration, hier Wasserstoff, und a, b und c bekannte Kalibrierungskoeffizienten 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 ΔH2 kann bis zu einigen 100 pm betragen.Δλ, = a Δp + b ΔT + c ΔH 2 (2), where Δp, ΔT and ΔH 2 are changes in pressure, temperature or gas concentration, here hydrogen, and a, b and c are known calibration coefficients. The calibration coefficient a depends primarily on transducer parameters such as length, wall thickness of the pressure body, length of the Bragg grating, Young's modulus of elasticity and the Poisson number of the pressure body material, and is typically a few pm / bar. The coefficient b is approximately 10 pm / ° C for a Bragg wavelength of approximately 1550 nm and the term c ΔH 2 can be up to a few 100 pm.
Das zweite Bragg-Gitter 11 zeigt dasselbe Temperatur- und gasinduzierte Ver- halten:The second Bragg grating 11 shows the same temperature and gas-induced behavior:
Δλ2 = b ΔT + c ΔH2 (3).Δλ 2 = b ΔT + c ΔH 2 (3).
Die Differenz der zwei Bragg-WellenlängenThe difference between the two Bragg wavelengths
Δλ, - Δλ2= a Δp, (4) hängt nur noch vom Druck, nicht jedoch von der Temperatur und der Gasbelastung ab. Der Druck ist somit gegeben durchΔλ, - Δλ 2 = a Δp, (4) only depends on the pressure, but not on the temperature and the gas load. The pressure is therefore given by
Δp = (l/a) (Δλ, - Δλ2) (5).Δp = (l / a) (Δλ, - Δλ 2 ) (5).
In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Drucksensors dargestellt, bei welcher beide Faser-Bragg-Gitter temperaturkompensiert 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 λt des erstenFIG. 2 shows a second embodiment of the pressure sensor according to the invention, in which both fiber Bragg gratings are kept temperature-compensated. The sensor has essentially the same structure as the example described with reference to FIG. 1. In this embodiment, however, the lengths of the segments are selected such that a thermally induced change in the length of the pressure and reference body relative to one another of a thermal mix-induced intrinsic change in Bragg wavelength λ t of the first
Bragg-Gitters 10 entgegenwirkt. Das heisstBragg grid 10 counteracts. This means
(Δλ,)τ = - (Δλ,)e (6) wobei (Δλ,)τ die temperaturinduzierte intrinsische Bragg-Wellenänderung darstellt und (Δλ,)ε die Bragg-Wellenlängenverschiebung infolge der differen- tiellen thermischen Ausdehnung des Druck- und Referenzkörpers ist.(Δλ,) τ = - (Δλ,) e (6) where (Δλ,) τ represents the temperature-induced intrinsic Bragg wave change and (Δλ,) ε the Bragg wavelength shift due to the differential thermal expansion of the pressure and reference body is.
Um dies zu erreichen, muss somit folgende Bedingung erfüllt sein: αj L' - α^L'+ l^ + αf l. ^ A (7) wobei L" die Länge des ersten Segmentes 41 und A eine von den Materialparametern der Faser abhängige Konstante ist.To achieve this, the following condition must be fulfilled: α j L '- α ^ L' + l ^ + α f l. ^ A (7) where L "is the length of the first segment 41 and A is a constant dependent on the material parameters of the fiber.
Das zweite Bragg-Gitter 11 ist auf dieselbe Art und Weise temperaturkompensiert. 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 unterschiedliche 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 α2 d2 - α, (d2 + 12) + αf 12 = A (8) wobei d2 die Länge des Trägers 44 und 12 die Länge des eingespannten Faserabschnittes mit dem zweiten Bragg-Gitter 11 ist.The second Bragg grating 11 is temperature compensated in the same way. For this purpose, it is held between two carriers 43, 44 forming a pair of carriers, the carriers 43, 44 being attached to the reference body 4, preferably on the same segment. The two carriers 43, 44 have different coefficients of thermal expansion, the values of which preferably correspond to the values of the two segments 41, 42 of the reference body 4. For a complete temperature compensation the relationship α 2 d 2 - α, (d 2 + 1 2 ) + α f 1 2 = A (8) applies here where d 2 is the length of the carrier 44 and 1 2 is the length of the clamped fiber section with the second Bragg grating 11.
Die Verschiebung der Bragg-Wellenlängen setzt sich nunmehr aus folgenden Gliedern zusammen:The shift in the Bragg wavelengths now consists of the following terms:
Δλ, = a Δp + c ΔH2 (9) Δλ2 = c ΔH2 (10) .Δλ, = a Δp + c ΔH 2 (9) Δλ 2 = c ΔH 2 (10).
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: ΔH, = (l/c) Δλ2 (11). In hier nicht dargestellten Varianten dieses Ausführungsbeispiels sind die Träger 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.The pressure can be calculated as in the first example. In this case, however, an indication of the gas concentration is also obtained, which is determined as follows: ΔH, = (l / c) Δλ 2 (11). In variants of this exemplary embodiment which are not shown here, the carriers 43, 44 of the second Bragg grating 11 are fastened at other locations on the transducer. In this case, equation (8) has to be adapted. However, the results obtained are the same.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, welches eine unabhängige 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 Endplatte 30 des Druckkörpers 3 aufweist. Die Verlängerung besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten vernachlässigbar klein ist, beispielsweise aus Invar.In Figure 3, a third embodiment is shown, which allows an independent measurement of pressure, temperature and gas load. This pressure sensor has an optical fiber 1 with three fiber Bragg gratings 10, 11, 12 with preferably different Bragg wavelengths. The first and second Bragg grids 10, 11, that is to say the pressure and temperature grids, are each arranged between carrier pairs and held by them, as in the example according to FIG. 2. The third Bragg grating 12, the compensation grating, is also held by a pair of supports, a first support of this pair being connected to the pressure body 3 and a second support being connected to the reference body 4. In the example shown here, the first carrier is formed by the pressure plate 30 and the second carrier is a flange or an end plate 45 of an extension 46 of the reference cylinder, the reference cylinder having a window in the extension 46 for receiving the end plate 30 of the pressure body 3. The extension preferably consists of a material whose coefficient of thermal expansion is negligibly small, for example Invar.
Die Längen der Träger beziehungsweise der Segmente der Druckkörper sind in diesem Beispiel wie folgt bemessen:In this example, the lengths of the supports or segments of the pressure elements are dimensioned as follows:
Das erste Faser-Bragg-Gitter 10 ist gemäss Gleichung (7) vollständig temperaturkompensiert. 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 (Δλ,), = (Δλ,), (12) wodurch für das zweite Bragg-Gitter gilt α2 d2 - α, (d2 + 12) + αf 12 = - A (13)The first fiber Bragg grating 10 is completely temperature compensated according to equation (7). The second and third fiber Bragg grids 11, 12 preferably have the same temperature dependency. Corresponds to the extension 46 of the reference cylinder 4 for a negligible thermal expansion the temperature dependence of the third Bragg grating 12 is just twice the value of a free fiber. For the second Bragg grating 11, this is achieved by appropriately choosing the length and expansion coefficient of the beams. This is achieved by (Δλ,), = (Δλ,), (12) whereby α 2 d 2 - α, (d 2 + 1 2 ) + α f 1 2 = - A applies to the second Bragg grating (13 )
Ferner weist das dritte Bragg-Gitter 12 durch seine Halterung dieselbe, jedoch entgegengesetzt gerichtete Druckabhängigkeit auf wie das erste Bragg-Gitter 10.Furthermore, the third Bragg grating 12 has the same, but oppositely directed pressure dependency as the first Bragg grating 10 due to its mounting.
Die Bragg-Wellenlängen der drei Bragg-Gitter ändern sich deshalb wie folgt:The Bragg wavelengths of the three Bragg gratings therefore change as follows:
Δλ, = a Δp + c ΔH2 (14)Δλ, = a Δp + c ΔH 2 (14)
Δλ2 = 2b ΔT + c ΔH2 (15)Δλ 2 = 2b ΔT + c ΔH 2 (15)
Δλ3 = -a Δp + 2b ΔT + c ΔH2 (16) woraus folgt:Δλ 3 = -a Δp + 2b ΔT + c ΔH 2 (16) from which follows:
Δp = (l/a) (Δλ2 - Δλ3) (17)Δp = (l / a) (Δλ 2 - Δλ 3 ) (17)
ΔT = (l/b) [Δλ2- (l/2) (Δλ, + Δλ3)] (18)ΔT = (l / b) [Δλ 2 - (l / 2) (Δλ, + Δλ 3 )] (18)
ΔH2= (1/c) [(Δλ, + Δλ3 - Δλ,)] (19)ΔH 2 = (1 / c) [(Δλ, + Δλ 3 - Δλ,)] (19)
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.If the thermal expansion of the extension 46 is not negligible, the temperature dependence of the third Bragg grating 12 is greater than twice the value of a free fiber. The parameter A in equation (13) is then to be replaced by a correspondingly larger value B.
Auch im Falle einer nicht vollständigen Temperaturkompensation für das erste Bragg-Gitter 10 lassen sich Druck, Temperatur und Gasbelastung eruieren. Ist nämlich die Änderung der Bragg-Wellenlängen wie folgt:Even in the case of incomplete temperature compensation for the first Bragg grating 10, pressure, temperature and gas load can be determined. This is because the change in Bragg wavelengths is as follows:
Δλ, = a Δp + δb ΔT + c ΔH2 (20) Δλ2= d ΔT + c ΔH2 (21)Δλ, = a Δp + δb ΔT + c ΔH 2 (20) Δλ 2 = d ΔT + c ΔH 2 (21)
Δλ3 = -a Δp + (2b - δb) ΔT + c ΔH2 (22)Δλ 3 = -a Δp + (2b - δb) ΔT + c ΔH 2 (22)
wobei δb der Fehler in der Temperaturkompensation und d ≠ 2b ist, ergibt sich darauswhere δb is the error in temperature compensation and d ≠ 2b is the result
Δp = (1/a) [Δλ, - Δλ2 - (Δλ, + Δλ3 - 2Δλ2)( δb - d) / (2(b-d))] (23) ΔT = (Δλ, + Δλ3 - 2Δλ2) / (2(b-d)) (24)Δp = (1 / a) [Δλ, - Δλ 2 - (Δλ, + Δλ 3 - 2Δλ 2 ) (δb - d) / (2 (bd))] (23) ΔT = (Δλ, + Δλ 3 - 2Δλ 2 ) / (2 (bd)) (24)
ΔH2= (1/c) [Δλ, - (Δλ, + Δλ3 - 2Δλ2) (d / 2(b - d))] (25).ΔH 2 = (1 / c) [Δλ, - (Δλ, + Δλ 3 - 2Δλ 2 ) (d / 2 (b - d))] (25).
In Figur 4 ist eine einfachere Variante des dritten Ausführungsbeispiels dargestellt. 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.FIG. 4 shows a simpler variant of the third exemplary embodiment. In this variant, the change in the Bragg wavelength of the second Bragg grating 11 depends primarily on the thermal expansion of the second segment 42 of the reference body 4. As in the second exemplary embodiment, the second Bragg grating can also be stored at other locations in the transducer.
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 vorzugsweise von einer nicht dargestellten Kapillare schützend umgeben ist.The embodiments shown in FIGS. 5 and 6 with three fiber Bragg gratings and two chambers are, in the case that only one chamber is pressurized, for measuring an absolute pressure of a medium and, in the case that both chambers are filled with media are suitable for measuring differential pressures of the media. The structure of the transducer and the mounting of the Bragg grating are similar to the above-described embodiments for a medium. However, the transducer housing 20 now has a first and a second inlet opening 23, 23 'for a first and a second medium M', M ". The optical fiber 1 is surrounded by the second medium M", the fiber preferably not being one shown capillary is surrounded protectively.
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 Vorspannung 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 λ2 des Temperaturgitters ist wie folgt:In the fourth exemplary embodiment shown in FIG. 5, the second fiber Bragg grating 11, the temperature grating, is between the first and the third Bragg grating 10, 12 is held, wherein it is preferably mounted in a pair of supports without mechanical pretensioning and wherein it shares its supports 40, 43 with the first and third Bragg grids 10, 12. The change in the Bragg wavelength λ 2 of the temperature grating is as follows:
Δλ, = a* Δp2 + b ΔT + c ΔH2 (26) wobei a' die Sensitivität des zweiten Bragg-Gitters 12 auf eine Druckänderung Δp2 des zweiten Mediums M" beschreibt. Die Bragg-Wellenlänge λ3 des dritten Gitters 12, des Kompensationsgitters, ändert sich wie folgt:Δλ, = a * Δp 2 + b ΔT + c ΔH 2 (26) where a ′ describes the sensitivity of the second Bragg grating 12 to a pressure change Δp 2 of the second medium M ″. The Bragg wavelength λ 3 of the third grating 12 , of the compensation grid, changes as follows:
Δλ3 = a' Δp2 + b' ΔT + c ΔH2 (27).Δλ 3 = a 'Δp 2 + b' ΔT + c ΔH 2 (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).Due to the thermal expansion of the reference body 4, the temperature sensitivity b 'of the compensation grid is greater than the intrinsic sensitivity b of a free fiber grit. Through a suitable choice of the material for the reference body 4 it can be achieved that b 'differs from b by a predefined factor, in particular it can be achieved that it has at least approximately twice the value of b. For example, by making the reference body from steel. The temperature change now results from the difference between equations (26) and (27).
Für die Bragg-Wellenlängenverschiebung des ersten Gitters 10 gilt: Δλ, = a" (p2 - p,) + a' Δp2 + b'ΔT + c ΔH2 (27a).The following applies to the Bragg wavelength shift of the first grating 10: Δλ, = a "(p 2 - p,) + a 'Δp 2 + b'ΔT + c ΔH 2 (27a).
Hier ist angenommen, dass das feingespannte Fesersegment mit dem ersten Gitter die gleiche Länge 1, 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 vorherigen Beispiel im wesentlichen dadurch, dass der Referenzzylinder 4 zwei Segmente 41,42 mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei das zweite Bragg-Gitter 11, das Temperaturgitter, auf einem Segment, vorzugsweise auf demjenigen mit dem grösseren Ausdehnungskoeffizienten, gehalten ist und einen Träger mit dem ersten Bragg-Gitter 10 teilt. Dadurch ergibt sich für die Änderungen der Bragg-Wellenlängen: Δλ, = a" (p2 - p,) + a' Δp2 + c ΔH2 (28)It is assumed here that the finely tensioned fixed segment with the first grid has the same length 1 as the segment of the third grid 12. Both grids then have the same temperature coefficient b '. The differential pressure (p 2 - p,) then results from the difference between equations 27a and 27. The fifth embodiment shown in FIG. 6 differs from the previous example essentially in that the reference cylinder 4 has two segments 41, 42 with different coefficients of thermal expansion, the second Bragg grid 11, the temperature grid, on one segment, preferably on the one with the larger expansion coefficient, is held and shares a carrier with the first Bragg grating 10. This results in the changes in the Bragg wavelengths: Δλ, = a "(p 2 - p,) + a 'Δp 2 + c ΔH 2 (28)
Δλ2 = a' Δp2 + b'ΔT + c ΔH2 (29) Δλ3 = a' Δp2 + b ΔT + c ΔH2 (30)Δλ 2 = a 'Δp 2 + b'ΔT + c ΔH 2 (29) Δλ 3 = a' Δp 2 + b ΔT + c ΔH 2 (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. Further exemplary embodiments are described in the unpublished patent application PCT / CH99 / 00065 and DE 198 60 409.2. The principle according to the invention can also be applied to these exemplary embodiments, in that in each case a fixed relationship between the temperature behavior of two fiber Bragg gratings is produced by a suitable choice with regard to the thermal behavior of the pressure and reference body and the fiber Bragg gratings arranged in this way in the transducer are that they are subject to at least approximately the same influence by gases. As a result, fiber optic pressure sensors of various types can be created, which allow a gas-independent measurement of a pressure and also a temperature.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
optische Faser 0 erstes Faser-Bragg-Gitter (für Druckmessung) 1 zweites Faser-Bragg-Gitter (für Temperaturmessung) 2 drittes Faser-Bragg-Gitter (zur Kompensationsmessung)optical fiber 0 first fiber Bragg grating (for pressure measurement) 1 second fiber Bragg grating (for temperature measurement) 2 third fiber Bragg grating (for compensation measurement)
Transducertransducer
0 Transducergehäuse 1 Hohlraum 2 Einlassöffnung 3 erste Einlassöffnung 3' zweite Einlassöffnung0 Transducer housing 1 cavity 2 inlet opening 3 first inlet opening 3 'second inlet opening
Druckkörper 0 DruckplattePressure hull 0 pressure plate
Referenzkörper 0 Referenzträger 1 erstes SegmentReference body 0 Reference carrier 1 first segment
42 zweites Segment 43 Träger42 second segment 43 carriers
44 Träger44 carriers
45 Endplatte45 end plate
46 Verlängerungsstück46 extension piece
5 Faserhalterung5 fiber holder
6 Faserdurchführung6 fiber feedthrough
M MediumM medium
M' erstes Medium M" zweites Medium px Druck des ersten Mediums p2 Druck des zweiten Mediums M 'first medium M "second medium p x pressure of the first medium p 2 pressure of the second medium

Claims

PATENTANSPRUECHE PATENT CLAIMS
1. Faseroptischer Drucksensor mit einer optischen Faser (1), welche mindestens zwei Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) aufweist, und einem Drucküber- tragungselement 1. Fiber-optic pressure sensor with an optical fiber (1), which has at least two fiber Bragg gratings (10, 11, 12), and a pressure transmission element
(2), mit einem Druckkörper (2), with a pressure hull
(3) und einem Referenzkörper(3) and a reference body
(4), mit welchen die optische Faser (1) verbunden ist, wobei das Druckübertragungselement (2) einen Druck eines Mediums (M,M') in eine longitudinale Dehnung oder Kompression von mindestens einem, eines der Faser- Bragg-Gitter (10,11,12) enthaltenden Abschnitts der optischen Faser (1) umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) so angeordnet sind, dass sie eine mindestens annähernd gleiche Gas-Sensitivität aufweisen und dass thermisch induzierte Verschiebungen der Bragg-Wellenlänge von mindestens zwei der Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) eine vordefinierte Relation zueinander aufweisen.(4), to which the optical fiber (1) is connected, the pressure transmission element (2) applying pressure of a medium (M, M') into a longitudinal expansion or compression of at least one of the fiber Bragg gratings (10 , 11, 12) containing section of the optical fiber (1), characterized in that the fiber Bragg gratings (10, 11, 12) are arranged so that they have at least approximately the same gas sensitivity and that thermally induced Shifts in the Bragg wavelength of at least two of the fiber Bragg gratings (10, 11, 12) have a predefined relationship to one another.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckübertragungselement (2) einen Hohlraum (21) aufweist, in welchem die Fa- ser-Bragg-Gitter (10,11,12) angeordnet sind.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the pressure transmission element (2) has a cavity (21) in which the fiber Bragg gratings (10, 11, 12) are arranged.
3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkörper (3) und der Referenzkörper (4) unterschiedliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und dass ihre Längen so bemessen sind, dass eine durch eine thermisch induzierte Längenänderung relativ zueinander verursachte Veränderung der Bragg-Wellenlänge mindestens eines Bragg-Gitters (10,11,12) in einem vordefinierten Verhältnis zur thermisch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge dieses Faser-Bragg-Gitters (10,11,12) steht. 3. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the pressure body (3) and the reference body (4) have different linear thermal expansion coefficients and that their lengths are dimensioned such that a change in the Bragg wavelength caused by a thermally induced change in length relative to one another is at least of a Bragg grating (10,11,12) is in a predefined relationship to the thermally induced intrinsic change in the Bragg wavelength of this fiber Bragg grating (10,11,12).
. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck- und der Referenzkörper (3,4,) Träger (30,40,43,44) aufweisen und dass jeweils ein einziges Faser-Bragg-Gitter (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 Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) umschlie- ssenden Trägerpaars gleiche oder unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.. Pressure sensor according to one of claims 1 or 3, characterized in that the pressure and reference bodies (3,4,) have supports (30,40,43,44) and that each has a single fiber Bragg grating (10,11 , 12) is arranged between two carriers (30,40,41,42,43,44) of a pair of carriers, the carriers (30,40,43,44) being a fiber Bragg grating (10,11,12). Enclosing pair of supports have the same or different thermal expansion coefficients.
5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bragg- Wellenlängen von mindestens zwei der Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) dieselbe Temperaturabhängigkeit aufweisen.5. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the Bragg wavelengths of at least two of the fiber Bragg gratings (10, 11, 12) have the same temperature dependence.
6. Drucksensor nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen des Druck- und Referenzkörpers (3,4) derart bemessen sind, dass eine thermisch induzierte Längenänderung einer thermischen Ausdehnung der optischen Faser (1) im freien Zustand entspricht.6. Pressure sensor according to claims 3 and 5, characterized in that the lengths of the pressure and reference body (3,4) are dimensioned such that a thermally induced change in length corresponds to a thermal expansion of the optical fiber (1) in the free state.
7. Drucksensor nach einem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) temperaturkompensiert ge- haltert sind.7. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that at least two of the fiber Bragg gratings (10, 11, 12) are held in a temperature-compensated manner.
8. Drucksensor nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Faser-Bragg-Gitter (10) von einem ersten Trägerpaar (30,40,41,42) und ein zweites Faser-Bragg-Gitter (11) von einem zweiten Trägerpaar (43,44) gehalten ist, wobei die Längen der Träger8. Pressure sensor according to claims 4 and 7, characterized in that a first fiber Bragg grating (10) from a first pair of carriers (30,40,41,42) and a second fiber Bragg grating (11) from one second pair of carriers (43,44) is held, the lengths of the carriers
(30,40,41,42,43,44) derart bemessen sind, dass eine thermische Ausdehnung zwischen den Trägern (30,40,43,44) einer thermisch induzierten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge der optischen Faser (1) entgegenwirkt. (30,40,41,42,43,44) are dimensioned such that thermal expansion between the carriers (30,40,43,44) counteracts a thermally induced intrinsic change in the Bragg wavelength of the optical fiber (1).
. Drucksensor nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägerpaar (43,44) auf dem Referenzylinder (4) angeordnet ist.. Pressure sensor according to claims 4 and 8, characterized in that the second pair of carriers (43,44) is arranged on the reference cylinder (4).
10. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass drei Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) vorhanden sind, welche eine mindestens annähernd gleiche Gas-Sensitivität aufweisen, wobei b) ein erstes Faser-Bragg-Gitter (10) drucksensitiv und temperaturkompensiert gehalten ist, c) ein zweites Faser-Bragg-Gitter (11) eine thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist und druckunsensitiv gehalten ist und c) ein drittes Faser-Bragg-Gitter (12) drucksensitiv ist, eine entgegengesetzt gerichtete druckinduzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist als das erste Faser-Bragg-Gitter (10) und dieselbe thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist wie das zweite Faser-Bragg-Gitter (11).10. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that a) there are three fiber Bragg gratings (10, 11, 12) which have at least approximately the same gas sensitivity, wherein b) a first fiber Bragg grating ( 10) is kept pressure-sensitive and temperature-compensated, c) a second fiber Bragg grating (11) has a thermally induced change in the Bragg wavelength and is kept pressure-insensitive and c) a third fiber Bragg grating (12) is pressure-sensitive, a has an oppositely directed pressure-induced change in Bragg wavelength than the first fiber Bragg grating (10) and has the same thermally induced change in Bragg wavelength as the second fiber Bragg grating (11).
11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge des zweiten und dritten Faser-Bragg-Gitters (11,12) den zweifachen Wert einer thermisch induzier- ten intrinsischen Änderung der Bragg-Wellenlänge entspricht.11. Pressure sensor according to claim 10, characterized in that the thermally induced change in the Bragg wavelength of the second and third fiber Bragg gratings (11, 12) corresponds to twice the value of a thermally induced intrinsic change in the Bragg wavelength.
12. Drucksensor nach den Ansprüchen 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Faser-Bragg-Gitter (12) von einem dritten Trägerpaar gehalten ist, wobei ein erster Träger des dritten Trägerpaares mit einem zweiten Träger (30) eines ersten Trägerpaares des ersten Faser-Bragg-Gitters (10) identisch ist und am Druckzylinder (3) angeordnet ist und ein zweiter Träger (45) des dritten Trägerpaares am Referenzzylinder (4) angeordnet ist. 12. Pressure sensor according to claims 4 and 11, characterized in that the third fiber Bragg grating (12) is held by a third pair of carriers, a first carrier of the third pair of carriers being connected to a second carrier (30) of a first pair of carriers of the first Fiber Bragg grating (10) is identical and is arranged on the printing cylinder (3) and a second carrier (45) of the third pair of carriers is arranged on the reference cylinder (4).
3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch induzierte Verschiebung der Bragg-Wellenlänge eines ersten Faser- Bragg-Gitters (10) einem Vielfachen der thermisch induzierten Verschiebung der Bragg-Wellenlänge eines zweiten Faser-Bragg-Gitters (11) ent- spricht.3. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that a thermally induced shift in the Bragg wavelength of a first fiber Bragg grating (10) is a multiple of the thermally induced shift in the Bragg wavelength of a second fiber Bragg grating (11). - speaks.
14. Drucksensor nach den Ansprüchen 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, a) dass drei Faser-Bragg-Gitter (10,11,12) vorhanden sind, welche eine mindestens annähernd gleiche Gas-Sensitivität aufweisen, wobei b) ein erstes Faser-Bragg-Gitter (10) seine Bragg-Wellenlänge drucksensitiv in Abhängigkeit eines ersten und eines zweiten Drucks ändert und temperaturkompensiert gehalten ist, c) ein zweites Faser-Bragg-Gitter (11) seine Bragg-Wellenlänge drucksensitiv in Abhängigkeit des zweiten Drucks ändert und eine thermisch in- duzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist und c) ein drittes Faser-Bragg-Gitter (12) seine Bragg-Wellenlänge drucksensitiv in derselben Abhängigkeit des zweiten Drucks wie das zweite Faser-Bragg-Gitter (11) ändert und eine thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge aufweist, welche sich um einen vordefinierten Faktor von der thermisch induzierte Änderung der Bragg-Wellenlänge des zweiten14. Pressure sensor according to claims 3 and 13, characterized in that a) there are three fiber Bragg gratings (10, 11, 12) which have at least approximately the same gas sensitivity, wherein b) a first fiber Bragg -Grid (10) changes its Bragg wavelength in a pressure-sensitive manner depending on a first and a second pressure and is kept temperature-compensated, c) a second fiber Bragg grating (11) changes its Bragg wavelength in a pressure-sensitive manner as a function of the second pressure and a thermally induced change in the Bragg wavelength and c) a third fiber Bragg grating (12) changes its Bragg wavelength in a pressure-sensitive manner in the same dependence of the second pressure as the second fiber Bragg grating (11) and a thermally induced change the Bragg wavelength, which differs by a predefined factor from the thermally induced change in the Bragg wavelength of the second
Faser-Bragg-Gitters (11) unterscheidet. Fiber Bragg grating (11).
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