PL168803B1 - Swiatlowodowy tensometryczny przetwornik cisnienia cieczy PL - Google Patents

Abstract

1. Swiatlowodowy tensometryczny przetwor- nik cisnienia cieczy, zawierajacy element aktywny w postaci swobodnie rozszerzajacego sie cylindra pod wplywem cisnienia wewnetrznego, posiadajacy przy- twierdzony w obszarze aktywnym do zewnetrznej po- wierzchni cylindra przetwornik naprezenia polaczony, z aparatura pomiarowa okreslajaca wartosc cisnienia na podstawie sygnalu wyjsciowego z przetwornika naprezenia, znamienny tym, ze przetwornik napreze- nia stanowi sekcja czujnikowa wlókna swiatlowodo- wego (16) o wysokiej dwójlomnosci zachowujacego tylko okreslone stany polaryzacji swiatla o dlugosci zaleznej od pozadanej czulosci, mniejszej od dlugosci tulei, przytwierdzona wzdluz tulei, przy czym wlókno swiatlowodowe (16) z jednej strony polaczone jest z odcinkiem swiatlowodu nadawczego (22) dolaczone- go do toru zródla swiatla spolaryzowanego, a z drugiej strony z odcinkiem swiatlowodu odbiorczego (24) dolaczonego do aparatury pomiarowej, do której do- prowadzana jest modulowana naprezeniem wyjscio- wa wiazka swiatla z sekcji czujnikowej FIG . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest światłowodowy tensometryczny przetwornik ciśnienia.

Znane są przetworniki ciśnienia wykorzystujące przetworniki naprężenia - tensometry przymocowane do elementu mechanicznego, który podlega deformacji, na przykład uginaniu czy rozciąganiu pod wpływem ciśnienia. Przetworniki tego typu są szczególnie przydatne do pomiarów podwyższonego lub wysokiego ciśnienia wewnątrz rurociągów, zbiorników czy też komór wysokociśnieniowych. Deformacja właściwa elementu i wynikające stąd naprężenie w miejscu umieszczenia tensometru zależy od konstrukcji elementu aktywnego.

W przypadku ciśnień wyższych, do 100 MPa, element aktywny przybiera często postać rozciągniętego cylindra. Cylinder ten zwykle zamknięty jest z jednej strony, z drugiej zaś połączony jest z aparaturą ciśnieniową w układzie, który może generować niepożądane naprężenie w obszarze aktywnym cylindra.

Znany jest przetwornik usuwający te niepożądane naprężenia, oparty na rozszerzającym się cylindrze z dwoma swobodnymi końcami z naklejonymi obwodowo i osiowo na zewnętrznej powierzchni tensometrami rezystancyjnymi połączonymi z aparaturą pomiarową określającą wartość ciśnienia w zakresie do 300 MPa na podstawie sygnału wyjściowego z przetwornika naprężenia. Przetwornik ten opisany jest w czasopiśmie POMIARY, AUTOMATYKA, KONTROLA nr 3, str. 60, 1986. Deformacja rozszerzającego się cylindra jest całkowicie niezależna od naprężeń indukowanych przy podłączeniu go do aparatury ciśnieniowej, a więc zależy całkowicie od wartości ciśnienia wewnętrznego przychodzącego od zewnętrznej aparatury ciśnieniowej.

Poważną wadą wszystkich powszechnie stosowanych tensometrów elektrycznych jest duży wpływ niestabilnych warunków temperaturowych - termicznie indukowane napięcia spowodowane efektem termoelektrycznym oraz wpływ temperatury na opór przetwornika i jego współczynnik. Dodatkowo niski poziom elektrycznych sygnałów wyjściowych tego typu przetwornika sprawia, żejest on szczególnie wrażliwy na wszelkiego rodzaju zakłócenia pochodzące od pól elektromagnetycznych, w szczególności w obecności zakłóceń przemysłowych. Odczulenie tensometrów elektrycznych od tych zakłóceń jest bardzo uciążliwe i nie zawsze możliwe, przy czym koszty takiej operacji często przekraczają koszty samego przetwornika.

Znane są także czujniki do pomiaru ciśnienia, w których elementem aktywnym są światłowody dwójłomne. Światłowody przenoszące polaryzację dzielą się na światłowody o dużej i

168 803 o małej dwójłomności wewnętrznej. Światłowody o dużej dwójłomności HB posiadają wyróżnioną parę wzajemnie ortogonalnych osi symetrii wzdłuż których spolaryzowane są dwie składowe ortogonalne modu podstawowego, które mogą propagować się dla dowolnej długości fali, ale z dwoma różnymi prędkościami fazowymi. Jeżeli kierunek polaryzacji wejściowego pola elektrycznego pokrywa się z jedną z tych dwóch osi, to kierunek polaryzacji zostanie zachowany wzdłuż całej długości światłowodu i mówimy wtedy o przenoszeniu (zachowywaniu) polaryzacji przez światłowód. Światłowody dwójłomne HB przenoszące polaryzację są specjalnym rodzajem światłowodów jednomodowych, w których załamana jest symetria cylindryczna powodując zdjęcie degeneracji polaryzacyjnej przestrzennego modu podstawowego oraz pojawienie się dwóch niezależnych modów polaryzacyjnych propagujących się z różnymi prędkościami. Inny mechanizm przenoszenia polaryzacji przez światłowód można uzyskać przy pomocy światłowodów o małej dwójłomności wewnętrznej LB. Światłowody LB przenoszą bardzo dobrze polaryzację, niezależnie od jej orientacji względem dowolnie wybranych osi poprzecznych światłowodu, ale są bardzo wrażliwe na zjawisko dwójłomności indukowanej zewnętrznymi zaburzeniami typu lokalne przegrzanie, zgięcie, naprężenie lub skręcenie, stąd też ich praktyczne zastosowania są bardzo ograniczone. Parametrem charakteryzującym światłowody dwójłomne jest tzw. droga zdudnień, czyli najkrótsza długość światłowodu na której się powtórzy (odtworzy) dokładnie ten sam początkowy stan polaryzacji fali świetlnej. Światłowody HB mają długość drogi zdudnień rzędu 1-10 mm, podczas gdy światłowody LB powyżej 100 m.

Z opisu patentowego PL 162 955 znany jest światłowodowy czujnik do pomiaru ciśnienia, w którym elementem aktywnymjest światłowód dwójłomny o wysokiej dwójłomności i wstępnie dobranej długości określonej przez zakres mierzonego ciśnienia, umieszczony w szczelnej komorze wysokiego ciśnienia podatnej na ciśnienie zewnętrzne, wypełnionej płynem hydrostatycznym. Zmiana ciśnienia w mierzonym zakresie powoduje zmianę stanu polaryzacji światła w światłowodzie dwójłomnym. Jeden koniec światłowodu dwójłomnego połączony jest pierwszym światłowodem ze źródłem światła zawierającym urządzenie laserowe i polaryzator do przekształcania wiązki światła w światło spolaryzowane liniowo, a drugi koniec połączony jest drugim światłowodem z aparaturą pomiarową odbierającą sygnały świetlne o polaryzacji eliptycznej, emitowane na wyjściu światłowodu dwójłomnego. Komora wysokiego ciśnienia zamknięta jest przepustem specjalnym przez który przeprowadzony jest pierwszy i drugi światłowód, zaś źródło światła zaopatrzone jest w płytkę półfalową do ustawiania światła spolaryzowanego pod kątem około 45 stopni względem kierunku jednej z osi dwójłomności.

W przypadku połączenia światłowodu dwójłomnego z aparaturą pomiarową w konfiguracji odbiciowej, na końcówce światłowodu dwójłomnego jest zamontowane zwierciadło optyczne odbijające sygnały świetlne transmitowane światłowodem dwójłomnym z powrotem do pierwszej końcówki, a pierwszy i drugi światłowód połączone są ze światłowodem dwójłomnym poprzez sprzęgacz optyczny w taki sposób, że światłowód dwójłomny może odbierać światło spolaryzowane ze źródła światła, a aparatura pomiarowa może odbierać sygnały świetlne emitowane ze światłowodu dwójłomnego po odbiciu od zwierciadła optycznego. Tego typu czujnik musi być umieszczony w badanym środowisku. Ponadto element osłonowy w postaci mieszka z przepustem specjalnym może wpływać na czułość urządzenia i błędy transmisji sygnału wejściowego i wyjściowego powodujące błędy pomiaru ciśnienia. Również sam przepust specjalny indukuje dodatkową dwójłomność zaburzając stan polaryzacji wyjściowej.

Według wynalazku, światłowodowy tensometryczny przetwornik ciśnienia do pomiaru ciśnienia cieczy, zawierający element aktywny w postaci swobodnie rozszerzającego się cylindra pod wpływem ciśnienia wewnętrznego, posiadający przytwierdzony w obszarze aktywnym do zewnętrznej powierzchni cylindra przetwornik naprężenia połączony z aparaturą pomiarową określającą wartość ciśnienia na podstawie sygnału wyjściowego z przetwornika naprężenia, wyróżnia się tym, że przetwornik naprężenia stanowi sekcja czujnikowa włókna światłowodowego o wysokiej dwójłomności zachowującego tylko określone stany polaryzacji światła, o długości zależnej od pożądanej czułości, mniejszej od długości tulei, przytwierdzona wzdłuż tulei. Włókno światłowodowe z jednej strony połączone jest z odcinkiem światłowodu nadawczego dołączonego do toru źródła światła spolaryzowanego, a z drugiej strony z odcinkiem światłowodu odbiorczego dołączonego do aparatury pomiarowej, do której doprowadzana jest modulowana naprężeniem wyjściowa wiązka światła z sekcji czujnikowej.

168 803

Korzystne jest, gdy światłowód nadawczy i światłowód odbiorczy są przyspawane do włókna światłowodowego. Dwójłomność sekcji czujnikowej zmienia się tylko wtedy, gdy jest ona poddana rozciąganiu wraz z tuleją, przy czym długość sekcji czujnikowej dobrana jest w zależności od pożądanej czułości. Wiązka światła spolaryzowanego generowana jest przez źródło światła i prowadzona w postaci dwóch stanów własnych polaryzacyjnych, każdy z nich równoległy do jednej z dwóch wzajemnie prostopadłych osi dwójłomności światłowodu' dwójłomnego. Stan polaryzacji wejściowej wiązki świetlnej ulega pod wpływem naprężenia modulacji po przejściu przez część czujnikową. Modulowany sygnał optyczny odbierany jest na wyjściu przez aparaturę do badania i pomiaru zmiany dwójłomności w funkcji rozciągania, stąd zaś możliwe jest określenie ciśnienia panującego wewnątrz tulei.

Korzystne jest, gdy włókno światłowodowe ma oprócz sekcji czujnikowej również część kompensacyjną o osiach dwójłomności obróconych o kąt 90° w stosunku do osi dwójłomności sekcji czujnikowej oraz długość zasadniczo równą długości sekcji czujnikowej. Ponadto pomiędzy sekcją czujnikową a częścią kompensacyjną wstawione jest pasywne włókno światłowodowe zapewniające podczas rozciągania zmiany dwójłomności jedynie sekcji czujnikowej.

Korzystne jest także, gdy światłowód nadawczy jest światłowodem o wysokiej dwojłomności przyspawanym zasadniczo pod kątem 45° do końca włókna światłowodowego a światłowód odbiorczy, przyłączony do przeciwnego końca, jest światłowodem jednomodowym lub światłowodem o niskiej dwójłomności utrzymującym dowolny stan polaryzacji.

W korzystnym wykonaniu dołączone do włókna światłowodowego włókno nadawcze i włókno odbiorcze są włóknami optycznymi o niskiej dwójłomności zachowującymi dowolne stany polaryzacji.

W innym korzystnym wykonaniu przetwornika źródło światła zawiera laser generujący wiązkę światła spolaryzowanego przechodzącą przez polaryzacyjny kontroler porządkujący płaszczyznę polaryzacji równolegle do jednej z dwóch wzajemnie prostopadłych głównych osi dwójłomności światłowodu nadawczego.

Polaryzacyjny kontroler zawiera ćwierćfalówkę i polaryzator, za którym wstawiona jest soczewka obiektywu ogniskująca wiązkę światła spolaryzowanego na światłowodzie nadawczym.

Ponadto aparatura pomiarowa w konfiguracji transmisyjnej wyposażona jest w kompensator do ustawienia charakterystyki modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązki światła, połączony z analizatorem współpracującym ze wzmacniaczem homodynowym zsynchronizowanym ze źródłem światła generującym sygnał analogowy niosący informację o wartości mierzonego ciśnienia. Dodatkowo przed kompensatorem, będącym kompensatorem Soleil-Babinet’a, wstawiona jest soczewka obiektywu ogniskująca na nim modulowaną naprężeniem wyjściową wiązkę światłą ze światłowodu odbiorczego a zastosowany analizator jest pryzmatem Wollastona. Natomiast urządzenie detekcyjne składa się z pary fotodetektorów sterowanych przez wzmacniacz homodynowy, którego wyjście połączone jest z woltomierzem cyfrowym sterowanym komputerem.

Aparatura pomiarowa w konfiguracji odbiciowej zawiera sprzęgacz dwukierunkowy zachowujący stan polaryzacji i kierujący spolaryzowaną wiązkę światłą wejściowego ze światłowodu nadawczego do włókna łącznikowego połączonego z dwójłomnym włóknem światłowodowym z umieszczonym na jego przeciwległym końcu zwierciadłem odbijającym a także kierujący zmodulowaną naprężeniem wyjściową wiązkę 'światła' z włókna łącznikowego do światłowodu odbiorczego połączonego z kompensatorem'do ustawiania charakterystyki ' modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązki światła, który połączony jest z analizatorem współpracującym z urządzeniem detekcyjnym do odbioru modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązki światła współpracującym ze wzmacniaczem homodynowym zsynchronizowanym ze źródłem światła, generującym sygnał analogowy niosący informację, o wartości mierzonego ciśnienia. Dodatkowo włókno łącznikowe posiada jedną końcówkę podłączaną do sprzęgacza dwukierunkowego, a drugą końcówkę ma zespawaną pod kątem 45° z końcówką dwójłomnego włókna światłowodowego. Ponadto przed kompensatorem, będącym kompensatorem Soleil-Babinet’a. wstawiona jest soczewka obiektywu ogniskująca na nim modulowaną naprężeniem wyjściową wiązkę światła ze światłowodu odbiorczego a zastosowany analizator jest pryzmatem Wollasto6

168 803 na, zaś urządzenie detekcyjne składa się z pary fotodetektorów sterowanych przez wzmacniacz homodynowy, którego wyjście połączone jest z woltomierzem cyfrowym sterowanym komputerem.

W rozwiązaniu według wynalazku następuje pomiar ciśnienia cieczy wewnątrz tulei cylindrycznej o określonej długości i symetrii osiowej, będącej przetwornikiem ciśnienia. Tuleja o zamkniętym końcu i drugim końcu z wlotem, przez który ciecz może dostać się do wnętrza tulei, ma oba końce swobodne, tzn. jest możliwy ruch wzdłuż osi podłużnej tulei generując przy tym naprężenia podłużne i obwodowe w cylindrze w czasie przykładania ciśnienia hydrostatycznego na powierzchnię wewnętrzną co powoduje rozszerzanie się. Tuleja ma także odcinek światłowodu wysoko dwójłomnego, który może utrzymywać jedynie niektóre stany polaryzacji światła i jest on przyklejony do zewnętrznej powierzchni tulei cylindrycznej wzdłuż jej osi podłużnej tak, iż część światłowodu poddana jest rozciąganiu. Pomiar obejmuje następujące etapy:

- transmisję wiązki światłą spolaryzowanego w postaci dwóch stanów własnych polaryzacyjnych, z których każdy jest równoległy do jednej z dwóch wzajemnie prostopadłych głównych osi dwójłomności dwójłomnego włókna optycznego, przy czym stan polaryzacji światła wiązki wejściowej ulega pod wpływem naprężenia modulacji po przejściu przez odcinek światłowodu o dużej dwójłomności wskutek zmian dwójłomności będących wynikiem rozszerzania;

- odbieranie modulowanego naprężeniem optycznego sygnału wyjściowego;

- pomiar zmiany stanu polaryzacji pomiędzy wiązką wejściową światła a modulowaną naprężeniem wyjściową wiązką światła;

- określenie wartości ciśnienia jako funkcji zmierzonej zmiany stanu polaryzacji światła.

W rezultacie uzyskano przetwornik z zasady swojej nieczuły na zakłócenia elektromagnetyczne, bezpieczny w środowisku wybuchowym i w ośrodku, w którym występuje ryzyko przebicia elektrycznego oraz taki, który ma znacznie większą czułość w porównaniu do znanych rozwiązań oraz zapewnia całkowitą kompatybilność z optycznymi systemami przesyłania informacji oraz z optycznym multipleksowaniem.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania zilustrowanym rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia przekrój osiowy przetwornika, fig. 2 - układ pomiarowy światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia w konfiguracji transmisyjnej, fig. 3 - układ pomiarowy światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia w konfiguracji odbiciowej, fig. 4 - diagram ilustrujący zakres pomiarowy światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia w porównaniu z pełną charakterystyką, fig. 5 - zależność pomiędzy wartością ciśnienia zmierzonego w konfiguracji światłowodowej HB-HB-LB przetwornika pokazanego na fig. 2 a wartością ciśnienia panującego wewnątrz przetwornika dla dwóch różnych długości części czujnikowej, fig. 6 przedstawia zależność pomiędzy wartością ciśnienia zmierzonego w konfiguracji światłowodowej HB-HB-LB przetwornika pokazanego na fig. 2 a wartością ciśnienia panującego wewnątrz przetwornika, przy zastosowaniu lub braku kompensatora Soleil-Ba.binee'a, fig. 7 - wykres histerezy światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia z fig. 6, a fig. 8 - schemat skompensowanego termicznie światłowodu o dużej dwójłomności.

Przedstawiony na fig. 1 element aktywny 2 przetwornika ciśnienia zaprojektowany w postaci tulei cylindrycznej 4 o dwóch swobodnych końcach 6 i 8 zachowuje się tak, jak nieskończony cylinder. Tuleja cylindryczna 4 stanowiąca jednolitą konstrukcję, która spełnia mika ciśnienia, zawiera dodatkc jt ciśnienia 10, ele rolę pr ent zamykający 12 (który można zastąpić wyjściową rurką ciśnieniową) i zewnętrzną warstwę zabezpieczającą 14. Deformacja tulei cylindrycznej 4, będącej swobodnie rozszerzającym się cylindrem, zależy od wartości ciśnienia wewnątrz a dostarczanego z zewnątrz przetwornika ciśnienia i jest całkowicie niezależna od naprężeń powstających w wyniku podłączenia jej do układu ciśnieniowego. Na podstawie teorii Lame’go, odkształcenie podłużne ει i obwodowe C< wyróżniają się następująco:

ει = vpD/(2dE) εο = pD/ (2dE) ((1 (2)

168 803 gdzie: E oznacza moduł Younga, V jest współczynnikiem Poissone’a, d oznacza grubość tulei cylindrycznej, D jest średnicą wewnętrzną tulei cylindrycznej. Należy podkreślić, że odkształcenie podłużne w przypadku swobodnie rozszerzającego się cylindra 4, stanowiącego element aktywny, jest ujemne w przeciwieństwie do przypadku klasycznego, cylindra przymocowanego z jednego końca. Część czujnikowa światłowodowego włókna optycznego o wysokiej dwójłomności HB w postaci światłowodu 16, która spełnia rolę elementu aktywnego, jest przyklejona do zewnętrznej ścianki 18 swobodnie rozszerzającego się cylindra 4 wzdłuż jego osi podłużnej i w ten sposób jest całkowicie izolowana od obszaru wysokiego ciśnienia 20. Naprężenie osiowe działające na światłowód 16 wpływa na wielkość względnego opóźnienia fazowego Δφ = (pi - φ pomiędzy dwoma wzajemnie prostopadłymi modami własnymi prowadzonymi w światłowodzie 16, zgodnie z następującym równaniem:

dAcp 2tc . dL dAn _ 2π dAn (3) de _ λ ^(Δη de + ^L de ^} = λ ^L de gdzie: λ jest długością fali wiązki światła spolaryzowanego przenoszonego przez włókno HB światłowodu 16, An jest różnicą pomiędzy współczynnikami załamania dla dwóch polaryzacyjnych stanów własnych światłowodu 16 (An = n_x - ny) zdefiniowaną jako dwójłomność światłowodu 16.

W przypadku niniejszego przetwornika ciśnienia nie ma potrzeby stosowania żadnego przepustu światłowodowego, co znacznie upraszcza konstrukcję całego przetwornika i pozwala uniknąć niejednoznaczności oraz błędów związanych z odczytem, które zwykle wprowadza sam przepust. Zanim włókno światłowodowe 16 zostanie przymocowane na stałe do rozszerzającego się cylindra 4, jest ono przyspawane do odcinków kwarcowego światłowodu nadawczego 22 oraz odbiorczego 24. W celu zoptymalizowania warunków propagacji sygnału optycznego, modulowanego efektem tensometrycznym, będącego wynikiem przejścia przez włókno HB światłowodu 16 wejściowej wiązki światła spolaryzowanego, stosowane są różne rodzaje włókien nadawczych 22 i odbiorczych 24.

Szczególnie interesujące są następujące konfiguracje:

- konfiguracja HB-HB-SM: światłowód nadawczy 22, HB, przyspawany jest pod kątem 45° do odcinka identycznego światłowodu 16, HB, spełniającego rolę czujnika, a następnie do jednomodowego światłowodu SM odbiorczego 24;

- konfiguracja HB-HB-LB: światłowód nadawczy 22, HB, przyspawany jest pod kątem 45° do sekcji czujnikowej światłowodu 16, HB, a następnie do włókna światłowodowego o małej dwójłomności 24, LB;

- konfiguracja LB-HB-LB: nadawcze i odbiorcze włókna typu LB, 22 1 24, przyspawane do włókna typu HB światłowodu 16, spełniającego rolę czujnika.

Pierwsza z wymienionych konfiguracji wymaga zastosowania światłowodu nadawczego 22, HB, tego samego rodzaju co światłowodu 16, HB, spełniającego rolę czujnika. Obydwa światłowody 22 i 16 mają osie dwójłomności zorientowane wzajemnie pod kątem 45° co powoduje, że wejściowa wiązka światła liniowo spolaryzowanego prowadzona przez światłowód nadawczy 22 wzbudza w jednakowym stopniu obydwa, wzajemnie prostopadłe, polaryzacyjńe mody własne czujnikowego światłowodu 16. Dzięki zastosowaniu wysokiej klasy urządzenia do spawania światłowodów, które posiada rozdzielczość kątową stolika obrotowego lepszą niż 0,1°, można uzyskać duzą dokładność wzajemnego zorientowania osi światłowodów, nadawczego 22 i czujnikowego 16. W celu odbioru zmodulowanego efektem tensometrycznym sygnału optycznego zastosowano włókno odbiorcze 24 typu LB, które bez praktycznie istotnych zniekształceń, może prowadzić dowolny stan polaryzacji światła. Trzecia z wymienionych konfiguracji - włókna nadawcze 22 i odbiorcze 24 wykonane ze światłowodów LB - jest szczególnie interesująca z praktycznego punktu widzenia, gdyż nie wymaga precyzyjnego kątowego spawania światłowodów do światłowodu czujnikowego 16 typu HB.

Zgodnie z figurą 2 rysunku, zadaniem optycznego układu pomiarowego 26, w konfiguracji transmisyjnej przetwornika 2, jest wytwarzanie kontrolowanej wiązki światła spolaryzowanego oraz odbieranie modulowanego ciśnieniem optycznego sygnału wyjściowego powstałego wskutek przejścia światła przez światłowód 16 typu HB spełniający rolę czujnika. Laser helowo-neo8

168 803 nowy 28 o mocy 3 mW, spełniający rolę źródła światła, emituje wiązkę światła liniowo spolaryzowanego o długości fali 633 nm, która następnie wprowadzona jest do włókna światłowodowego nadawczego 22 typu HB o długości f fali odcięcia 550 nm (jest to długość fali, powyżej której odcinane są wyższe mody prowadzone światłowodu), co zapewnia jednomodowy zakres pracy światłowodów użytych w przetworniku 2. W celu uzyskania precyzyjnego położenia płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego, równolegle do jednej z dwóch wzajemnie prostopadłych głównych osi dwójłomności światłowodu, zastosowano kombinację kontrolerów optycznych złożoną z płytki ćwierćfalowej 30 oraz polaryzatora 32. Położenie takie jest niezbędne aby uniezależnić się od niepożądanych wpływów parametrów zewnętrznych działających na światło propagujące się we włóknie nadawczym 22. Modulowana w wyniku naprężeń wyjściowa wiązka światła przewodzona przez włókno odbiorcze 24, w wyniku przejścia przez włókno HB światłowodu 16 spełniające rolę czujnika, odbierana jest przez układ pomiarowy składający się z kompensatora Soleil-Babinet’a 34 oraz odpowiedniego analizatora, takiego jak pryzmat Wollastona 36 sprzężonego z układem dwóch fotodetektorów 38 i 40 pracujących w konfiguracji detekcji synchronicznej opartej na wzmacniaczu homodynowym 42 zsynchronizowanym ze źródłem światła 28. W przypadku rejestracji modulowanego naprężeniowo wyjściowego sygnału optycznego przy pomocy jednego z dwóch detektorów 38 lub 40, natężenie światła opisane jest następującymi równaniami:

Ii = Io4 (1 + sinAffl) (4) h = Io/4 (1 - sinAcp)

W przypadku jednoczesnego użycia obydwu detektorów 38 i 40 obróbka sygnałów wyjściowych odbywa się tak, aby w wyniku uzyskać iloraz różnicy sygnałów do ich sumy, co w sposób zasadniczy zmniejsza poziom fluktuacji układu spowodowanych niestabilnością mocy optycznej wysyłanej przez źródło światła 28 zgodnie z poniższą formułą:

(Ii-I₂)/(Ii+I₂) = sirAcp (5)

Ostatnim ogniwem układu do odzyskiwania sygnału analogowego jest sterowany komputerem 44 woltomierz cyfrowy 46. W celu zogniskowania wiązki światła na wejściu do włókna nadawczego 22 oraz na wyjściu z włókna odbiorczego 24 zastosowano obiektywy soczewkowe 48 oraz 50.

Zgodnie z figurą 3 rysunku, optyczny układ pomiarowy 52 w konfiguracji odbiciowej przetwornika 2 zawiera praktycznie te same elementy co układ pomiarowy przedstawiony na fig. 2. Zasadnicza różnica polega na dodaniu dwukierunkowego sprzęgacza 54 zachowującego stan polaryzacji, którego zadaniem jest rozdzielenie wejściowej wiązki światła od modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązki światła rozprzestrzeniających się w postaci dwóch wzajemnie prostopadłych polaryzacyjnych modów własnych światłowodu 56 typu HB łączącego jeden koniec czujnikowego włókna HB światłowodu 16 ze sprzęgaczem kierunkowym 54. Na drugi koniec włókna HB czujnikowego światłowodu 16 naniesiono w próżni zwierciadło odbijające 58. Można to uzyskać pokrywając końcówkę światłowodu 16 związkiem złota tworzącym po kilkukrotnym procesie ogrzewania i ochładzania stabilną warstwę spełniającą rolę zwierciadła o zadowalającym współczynniku odbicia.

W konfiguracji odbiciowej, efektywna odległość oddziaływania jest równa podwojonej długości elementu czujnikowego co pociąga za sobą dwukrotnie większą czułość manometru w tej konfiguracji od czułości manometru w konfiguracji transmisyjnej przedstawionej na fig. 2.

Zgodnie z figurą 2 i figurą 3 rysunku, długość światłowodu 16 typu HB spełniającego rolę czujnika reagującego na naprężenie nie może przekraczać długości swobodnie rozszerzającego się cylindra 4. Zakładając, że dla cylindra 4 o długości około 50 mm, E/v jest równe 2 x 10'⁶ oraz D/(2d) = 1, jak również, zgodnie z równaniem (1), maksymalna wartość odkształcenia podłużnego spowodowanego przez ciśnienie rzędu 100 MPa, które panuje wewnątrz cylindra, wynosi w przybliżeniu 8 = 200 με. Jeżeli jako światłowodu 16 typu HB użyje się światłowodu

168 803 dwójłomnego typu bow-tie zachowującego stan polaryzacji światła, który ma średnicę 125 gm oraz długość 40 mm (w innym przypadku 48), wartość naprężenia podłużnego niezbędna do spowodowania przesunięcia fazowego o 2n pomiędzy polaryzacyjnymi modami własnymi w wiązce światła wychodzącego z włókna HB czujnikowego światłowodu 16 wynosi Τ_ε = 1400μ_ε. Jako miara periodyczności zmian przesunięcia fazowego w funkcji naprężenia, wartość Τ_ε może ulec dwukrotnemu zmniejszeniu w sytuacji, gdy analiza wyjściowej wiązki światła modulowanego efektem tensometrycznym będzie prowadzona w układzie złożonym z pryzmatu Wollastona 36 sprzężonego z dwoma fotodetektorami 38 i 40 zamiast konfiguracji złożonej z pojedynczego analizatorai detektora. Dodatkowo, całkowity zakres pracy światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia 2 (100 MPa, co odpowiada 100με w skali tensometrycznej) można w prosty sposób, przy pomocy kompensatora Sofeii l^ia^in^t’a 34 przesunąć w ąuasi-liniowy i stromy obszar sinusoidalnej charakterystyki tak jak to zakreskowano na fig. 4.

Zgodnie z figurą 8, poprzez dołączenie kompensacyjnej sekcji 60 włókna HB obok sekcji czujnikowej światłowodu 16 można uzyskać kompensację temperaturową światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia 2, zarówno w konfiguracji transmisyjnej jak i odbiCIAHiai ClfAinittan CATIM iowej. Skompensowa y p^r plyJorl r tiU-G się z dwóch identycznych sekcji: czujnikowej i kompensacyjnej światłowodu HB utrzymującego stan polaryzacji światła, zespawanych pod kątem 90° w odniesieniu do osi dwójłomności obydwu sekcji. Jeżeli obydwie sekcje pozostają pod wpływem tej samej temperatury a tylko jedna poddawana jest rozciąganiu, to całkowite opóźnienie fazowe wywołane efektem termicznym ulegnie zniesieniu. Stopień tej redukcji zależy w sposób drastyczny od dokładności wzajemnej kątowej orientacji i równych długości obydwu sekcji czujnika. Opóźnienie fazowe każdego modu propagującego się w światłowodzie dane jest przez:

Δφ = 2π/λη1.

(6) gdzie: Δ jest długością użytej fali światła; n jest efektywnym współczynnikiem danego modu; L jest długością. W konfiguracji odbiciowej pokazanej na fig. 3, długość efektywna elementu czujnikowego typu HB równa jest podwojonej wartości jego faktycznej długości. Całkowite względne opóźnienie fazowe pomiędzy dwoma wzajemnie prostopadłymi spolaryzowanymi modami własnymi propagującymi się w światłowodzie dwójłomnym HB wyraża się zależnością

Δφ = A(Li) + Atp(L2) (7) gdzie: A(p(Li) = 2K/XAniNL,, Njest liczbą sekcji światłowodu HB, np. N=1 dla konfiguracji transmisyjnej i N=2 dla konfiguracji odbiciowej; i jest indeksem danej sekcji. Indukowana termicznie różnica faz określona jest zależnością:

d(Aip) _ 2N.TT dT = 1 ? jT(A-L) - _? (L, d(Ani) , dT +

Δϋί ^) (8>

gdzie: n - n·,· - ny oraz n_X! i nyi są współczynnikami załamania światła dla dwóch ortogonalnych modów polaryzacyjnych i-tej sekcji. Ponieważ Li=L2=L oraz obydwie części światłowodów obrócone są wzajemnie względem swoich osi podłużnych o kąt 90° otrzymamy:

stąd:

Am = -Ani lub = 0 (A/j) 2Ntt ,, y d(An·) dL y * \ = Τ' hlT + dT fAn)

Ostatecznie:

zg. 2» /σ-Σηπ) dT (9) (10) ((1) lub q>(T) = const.

168 803

Jak z tego wynika, opisany czujnik naprężenia będzie nieczuły na temperaturę otoczenia lub na wpływ każdego innego parametru fizycznego działającego na dwie jego części. Jednakże, jeżeli tylko jedna część poddana jest wpływowi dowolnego parametru fizycznego, to czujnik będzie dokonywał pomiaru tego parametru Zgodnie z konfiguracją przedstawioną na fig 2, światłowodowy tensometryczny przetwornik ciśnienia 2 został scharakteryzowany dla ciśnień do 100 MPa w trzech powyżej opisanych konfiguracjach różniących się odmianami światłowodów nadawczych 22 i odbiorczych 24 przyspawanych próżniowo do obu końców włókna czujnikowego światłowodu 16. Ciekawe wyniki uzyskano w drugiej konfiguracji, dla której fig. 5 prezentuje charakterystyki ciśnieniowe dla dwóch elementów czujnikowych światłowodu 16 o długości,40 mm i 48 mm. Jednakże stabilne i powtarzalne rezultaty przedstawione na fig. 6 uzyskano w trzeciej konfiguracji, w której światłowody nadawcze i odbiorcze 22, 24 wykonane były z włókien LB. Zastosowanie włókien LB umożliwia precyzyjniejszą kontrolę stanu polaryzacji w układzie niżli to byłoby możliwe przy użyciu przetwornika 2 wyposażonego w standardowe światłowody jednomodowe i jednocześnie zmniejsza fluktuacje sygnału oraz znacznie obniża koszt urządzenia w porównaniu z tym, w którym stosowane są światłowody π zł n x i ) zvr-» ZA U U liaUtlWCLL nu.

Figura 6 przedstawia również dwie charakterystyki A i B tego samego elementu czujnikowego 16 pokazanego na fig. 2, które zostały rozsunięte przy użyciu kontrolowanego przesunięcia fazowego wprowadzonego przez kompensator Soleil-Babinet’ a 34. Ostre minimum występujące w charakterystyce B odpowiada polaryzacji kołowej w modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązce światła, która to polaryzacja ulega rozdzieleniu na dwie polaryzacje liniowe Ii = L po przejściu przez pryzmat Wollastona 36. Zgodnie z fig. 2 oraz na podstawie równania 3 i poniższego równania wynikającego z 1:

d£ vD (17) dp = 2dE ~ można podać końcową formułę na fazową czułość ciśnieniową przetwornika 2. Wyrażenie to jasno pokazuje w jaki sposób zaprojektować przetwornik 2, który ma posiadać określoną czułość w badanym obszarze ciśnienia:

dA(p _ _ P7v dAn (13>

dp diA. de

Czułość ciśnieniową manometru można łatwo zwiększyć poprzez zwiększenie długości włókna czujnikowego HB światłowodu 16 (i długości swobodnie rozszerzającego się cylindra 4), lecz uwzględniając zwyczajowe wymagania miniaturyzacji głowicy czujnika - zadanie to byłoby raczej trudne do spełnienia. Jak to wynika z ostatniej zależności, istnieją inne możliwości, t.j. stosowanie krótszej długości fali świetlnej, optymalizacja geometrii (parametry D i d) oraz swobodnie rozszerzającego się cylindra (parametry υ i E ), w ybór ódpowiedniego włókna światłowodowego (An) typu HB j ako alemeem czuj nikowegO, które tó mozliwoświ pokrywajw większość obszaru potencjalnych zastosowań.

Figura 7 rysunku przedstawia wstępne wyniki badania wpływu cyklu ciśnieniowego na własności metrologiczne światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia 2 pokazanego na fig. 2 i 3. Okazuje się, że indukowana ciśnieniem histereza światłowodowego tensometrycznego przetwornika ciśnienia 2 jest szczątkowa i spowodowana głównie obecnością materiałów klejących. Jest faktem powszechnie znanym, że własności mechaniczne optycznych włókien kwarcowych są niemalże idealne i nie powinny przyczynić się do powstawania histerazy. W toku badań stwierdzono, że w miarę wzrastania liczby cykli ciśnieniowych histereza zmniejszała się i poprzez odpowiedni dobór materiałów klejących można było uzyskać pewną optymalizację.

168 803

FIG. 3

168 803

FIG.4

Sygnaf wyjśccwy ja u]

20 40 60 80 100 MPa

FIG. 5

Sygnał- wyjśacwy [a u]

168 803

FiG 8

168 803

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Światłowodowy tensometryczny przetwornik ciśnienia cieczy, zawierający element aktywny w postaci swobodnie rozszerzającego się cylindra pod wpływem ciśnienia wewnętrznego, posiadający przytwierdzony w obszarze aktywnym do zewnętrznej powierzchni cylindra przetwornik naprężenia połączony z aparaturą pomiarową określającą wartość ciśnienia na podstawie sygnału wyjściowego z przetwornika naprężenia, znamienny tym, że przetwornik naprężenia stanowi sekcja czujnikowa włókna światłowodowego (16) o wysokiej dwójłomności zachowującego tylko określone stany polaryzacji światła o długości zależnej od pożądanej czułości, mniejszej od długości tulei, przytwierdzona wzdłuż tulei, przy czym włókno światłowodowe (16) z jednej strony połączone jest z odcinkiem światłowodu nadawczego (22) dołączonego do toru źródła światła spolaryzowanego, a z drugiej strony z odcinkiem światłowodu odbiorczego (24) dołączonego do aparatury pomiarowej, do której doprowadzana jest modulowana naprężeniem wyjściowa wiązka światła z sekcji czujnikowej.
2. 2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że światłowód nadawczy (22) i światłowód odbiorczy (24) są przyspawane do włókna światłowodowego (16).
3. 3. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że włókno światłowodowe (16) ma oprócz sekcji czujnikowej również część kompensacyjną o osiach dwójłomności obróconych o kąt 90° w stosunku do osi dwójłomności sekcji czujnikowej oraz długość zasadniczo równą długości sekcji czujnikowej.
4. 4. Przetwornik według zastrz. 3, znamienny tym, że pomiędzy sekcjączujnikową aczęścią kompensacyjną wstawione jest pasywne włókno światłowodowe zapewniające podczas rozciągania zmiany dwójłomności jedynie sekcji czujnikowej.
5. 5. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że światłowód nadawczy (22) jest światłowodem o wysokiej dwójłomności przyspawanym zasadniczo pod kątem 45° do końca włókna światłowodowego (16) a światłowód odbiorczy (24), przyłączony do przeciwnego końca, jest światłowodem jednomodowym lub światłowodem o niskiej dwójłomności utrzymującym dowolny stan polaryzacji.
6. 6. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że dołączone do włókna światłowodowego (16) włókno nadawcze (22) i włókno odbiorcze (24) są włóknami optycznymi o niskiej dwójłomności zachowującymi dowolne stany polaryzacji.
7. 7. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło światła zawiera laser (28) generujący wiązkę światła spolaryzowanego przechodzącą przez polaryzacyjny kontroler porządkujący płaszczyznę polaryzacji równolegle do jednej z dwóch wzajemnie prostopadłych głównych osi dwójłomności światłowodu nadawczego (22).
8. 8. Przetwornik według zastrz. 7, znamienny tym, że polaryzacyjny kontroler zawiera ćwierćfalówkę (30) i polaryzator (32), za którym wstawiona jest soczewka obiektywu (48) ogniskująca wiązkę światła spolaryzowanego na światłowodzie nadawczym (22).
9. 9. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że aparatura pomiarowa w konfiguracji transmisyjnej wyposażona jest w kompensator (34) do ustawienia charakterystyki modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązki światła, połączony z analizatorem (36) współpracującym ze wzmacniaczem homodynowym (42) zsynchronizowanym ze źródłem światła generującym sygnał analogowy niosący informację o wartości mierzonego ciśnienia.
10. 10. Przetwornik według zastrz. 9, znamienny tym, że przed kompensatorem (34), będącym kompensatorem Soleil-Babinet’a, wstawiona jest soczewka obiektywu (50) ogniskująca na nim modulowaną naprężeniem wyjściową wiązkę światła ze światłowodu odbiorczego (24) a zastosowany analizator (36) jest pryzmatem Wollastona, zaś urządzenie detekcyjne (38, 40) składa się z pary fotodetektorów sterowanych przez wzmacniacz homodynowy (42), którego wyjście połączone jest ze sterowanym komputerem (44) woltomierzem cyfrowym (46).

    168 803
11. 11. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że aparatura pomiarowa w konfiguracji odbiciowej zawiera sprzęgacz dwukierunkowy (54) zachowujący stan polaryzacji i kierujący spolaryzowaną wiązkę światła wejściowego ze światłowodu nadawczego (22) do włókna łącznikowego (56) połączonego z dwójłomnym włóknem światłowodowym (16) z umieszczonym najego przeciwległym końcu zwierciadłem odbijającym (58) a także kierujący zmodulowaną naprężeniem wyjściową wiązkę światła z 'włókna łącznikowego (56) do światłowodu odbiorczego’ (24)· połączonego z kompensatorem (34) do ustawiania charakterystyki modulowanej naprężeniem· wyjściowej wiązki światłą, który połączony jest z analizatorem (36) współpracującym z urządzeniem detekcyjnym (38, 40) do odbioru modulowanej naprężeniem wyjściowej wiązki światła współpracującym ze wzmacniaczem homodynowym (42) zsynchronizowanym ze źródłem światła, generującym sygnał analogowy niosący informację o wartości mierzonego ciśnienia.
12. 12. Przetwornik według zastrz. 11, znamienny tym, że włókno łącznikowe (56) posiada jedną końcówkę podłączoną do sprzęgacza dwukierunkowego (54), a drugą końcówkę ma zespawaną pod kątem 45° z końcówką dwójłomnego włókna światłowodowego (16).
13. 13. Przetwornik według zastrz. 11, znamienny tym, że przed·kompensatorem (34), będącym kompensatorem Soleil-Babinct’a, wstawiona jest soczewka' obiektywu (50) ogniskująca na nim modulowana naprężeniem wyjściową wiązkę światła ze światłowodu odbiorczego (24) a zastosowany analizator (36) jest pryzmatem Wollastona, zaś urządzenie detekcyjne (38, 40) składa się z pary fotodetektorów sterowanych przez wzmacniacz homodynowy, którego wyjście połączone jest ze sterowanym komputerem (44) woltomierzem cyfrowym (46).