ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Предложение относится к технике измерений и может быть применено для контроля высокого давления жидкостей и газов преимущественно в труднодоступных местах и при повышенных температурах, в частности, при измерении давления в нефтяных и газовых скважинах.
Известен волоконно-оптический датчик на основе интерферометра Фабри-Перо (US 7684657, 2010), в котором интерферометр Фабри-Перо образован торцом оптического волокна и деформируемым элементом малого размера (мембраной), который крепится на указанном торце волокна. Изготовление такого деформируемого элемента и его герметичное крепление на торце оптического волокна является сложной технологической задачей. Кроме того, известное техническое решение имеет ограничения по величине измеряемого давления, обусловленное изгибным характером деформаций мембраны, в которой присутствуют растягивающие напряжения по границам мембраны.
Известны и иные датчики давления на основе интерферометров Фабри-Перо (например, US 6281976, 2001), содержащие мембраны или диафрагмы. Им также присущи ограничения на величину измеряемого давления, кроме того, изготовление датчика из существенно различных по физическим свойствам материалов ведет к повышенной дополнительной температурной погрешности.
Указанные недостатки частично устранены в известном техническом решении (US 7423762, 2008), где датчик давления состоит из капилляра, помещенного внутрь капилляра оптического волокна с торцом, выполняющим роль одного из зеркал интерферометра Фабри-Перо, трубки, в которую помещены указанный капилляр и цилиндрическая заглушка, торец которой выполняет роль второго зеркала интерферометра. Предпочтительным материалом всех указанных элементов является плавленый кварц (кварцевое стекло). Вариантом исполнения датчика является сплавление указанных элементов, что допускается выбранным материалом. При подаче внешнего давления изменяется расстояние между сформированными таким образом зеркалами интерферометра Фабри-Перо, что и регистрируется устройством считывания. Кроме того, в оптическом волокне формируется область с периодически изменяющимся показателем преломления (имеется в виду волоконная решетка, брэгговская или длиннопериодная) для измерения температурного воздействия на величину зазора между зеркалами. Достоинством описанного технического решения является то, что все элементы работают на сжатие, что расширяет диапазон измерения абсолютного давления до сотен МПа.
Недостатками устройства-прототипа следует считать невозможность измерения избыточного (или дифференциального) давления, сложность конструкции и невысокую точность измерений, обусловленную наличием трения между капилляром и оптическим волокном, а также между капилляром и трубкой, между трубкой и цилиндрической заглушкой. Трение приводит к появлению гистерезисных явлений, недопустимых при точных измерениях.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено предложение, является создание новой конструкции датчика давления за счет оригинального выполнения его чувствительного элемента на основе интерферометра Фабри-Перо для повышения точности измерений давления (преимущественно для высоких давлений, от 0,1 МПа и выше) при одновременном упрощении конструкции.
Технический результат - упрощение конструкции и повышение точности измерения давления в широком диапазоне его значений, вплоть до 1 Гпа, при обеспечении возможности замеров как избыточного, так и дифференциального давлений.
Технический результат достигается тем, что согласно предложению волоконно-оптический датчик давления содержит элементы интерферометра Фабри-Перо в виде расположенных в стеклянной трубке с гарантированным кольцевым зазором относительно ее внутренней поверхности подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна, смежные торцы которых расположены с зазором друг относительно друга и образуют первое и второе зеркала интерферометра Фабри-Перо, соответствено, при этом стеклянная трубка сплавлена с подводящим оптическим волокном и отрезком оптического волокна таким образом, что гарантированный кольцевой зазор между внутренней поверхностью стеклянной трубки, подводящим оптическим волокном и отрезком оптического волокна представляет собой негерметичную полость, изолированную от области измерения давления.
Способствует достижению технического результата то, что:
- в качестве материала стеклянной трубки и оптических волокон применено кварцевое стекло;
- внутренний диаметр стеклянной трубки гарантированно превышает внешний диаметр подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна типично на 10-100 мкм;
- для компенсации температурной погрешности в подводящее оптическое волокно введена внутриволоконная дифракционная решетка, предпочтительно, брэгговская;
- зазор между смежными торцами подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна, расположен симметрично относительно концов стеклянной трубки, а в другом случае может быть расположен - асимметрично;
- поверхности смежных терцев подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна, образующих первое и второе зеркала интерферометра Фабри-Перо, расположены нормально к их продольным осям и могут иметь отражающее металлическое или диэлектрическое покрытие.
Наличие гарантированного зазора (типично на 10-100 мкм) позволяет исключить трение оптических волокон о стенки стеклянной трубки при подаче внешнего давления в область измерения давления.
Упрощению конструкции способствует также также то, что в качестве материала стеклянной трубки и оптических волокон применено кварцевое стекло, имеющее низкий коэффициент теплового расширения. Это сокращает номенклатуру материалов комплектующих деталей устройства. Номенклатура ограничивается, по сути, двумя позициями - стеклянная трубка и стеклянное оптическое волокно.
Широкий диапазон измерений достигается тем, что длина стеклянной трубки может варьироваться в значительных пределах, изменяя интегральную чувствительность датчика. Более высокому измеряемому давлению соответствует более короткая стеклянная трубка. Кроме того, предлагаемая конструкция имеет ту особенность, что все элементы испытывают только сжимающие напряжения, что позволяет обеспечить (в случае использования плавленого кварца) измерение давлений до 1 ГПа.
1
1
2
Введение (встраивание) в подводящее оптическое волокно внутриволоконной дифракционной решетки, преимущественно, брэгговской позволяет компенсировать дополнительную температурную погрешность. Дифракционная решетка может располагаться как вблизи первого зеркала интерферометра Фабри-Перо (в области измерения давления P), так и на некотором удалении (в области, изолированной от области измерения давления P), например, в области атмосферного или опорного давления P.
Поверхности смежных торцев подводящего оптического волокна и отрезка оптического волокна формируют нормально к их продольным осям с погрешностью порядка 1 градуса обычно откалыванием или полировкой. Использование обычного скалывателя обеспечивает достижение желаемого результата.
На фиг. 1 показано предлагаемое устройство (продольный разрез); на фиг. 2 - сечение Α-A на фиг. 1. Устройство содержит трубку 1 из стекла, подводящее оптическое волокно 2, отрезок стеклянного волокна 3.
В качестве материала стеклянной трубки 1 и оптических волокон 2,3 применено кварцевое стекло.
Подводящее оптическое волокно 2 и отрезок оптического волокна 3 расположены в стеклянной трубке 1 с гарантированным кольцевым зазором 4 относительно ее внутренней поверхности.
1
Стеклянная трубка 1 сплавлена с подводящим оптическим волокном 2 и отрезком оптического волокна 3 таким образом, что гарантированный кольцевой зазор 4 между внутренней поверхностью стеклянной трубки 1, подводящим оптическим волокном 2 и отрезком оптического волокна 3 представляет собой негерметичную полость, изолированную от области измерения давления P.
1
Участки 5, 6 сплавления стеклянной трубки 1 с подводящим оптическим волокном 2 и с отрезком оптического волокна 3, соответственно, показаны на фиг. 1, 2. Причем участок 5 сплавления (проплава) стеклянной трубки 1 с подводящим оптическим волокном 2 характеризуется отсутствием существенного проплава оптического волокна 2, что с одной стороны позволило соединить подводящее оптическое волокно 2 со стеклянной трубкой 1, а с другой стороны - обеспечить создание негерметичности в районе технологического проплава (участка) 5 и в конечном итоге - образовать негерметичную полость, изолированную от области измерения давления P. Участок 6 сплавления стеклянной трубки 1 с отрезком оптического волокна 3 соединяет их между собой и закрывает гарантированный кольцевой зазор 4 с торца стеклянной трубки 1. Технологически сплавление (проплав) выполняется с помощью сфокусированного излучения лазера на углекислом газе.
Использование в качестве материала стеклянной трубки 1 и оптических волокон 2, 3 кварцевого стекла, которое обладает низким коэффициентом теплового расширения, обеспечивает малую температурную погрешность датчика давления и гарантирует отсутствие растрескивания при сплавлении (сварке).
Гарантированный кольцевой зазор 4 обусловлен наличием превышения внутреннего диаметра стеклянной трубки 1 над внешним диаметром подводящего оптического волокна 2 и отрезка оптического волокна 3 типично на 10-100 мкм.
Смежные торцы подводящего оптического волокна 2 и отрезка оптического волокна 3 расположены с зазором друг относительно друга и образуют первое и второе зеркала интерферометра Фабри-Перо, соответственно.
Зазор между смежными торцами подводящего оптического волокна 2 и отрезка оптического волокна 3 может быть расположен симметрично относительно концов стеклянной трубки 1 или асимметрично.
Поверхности смежных торцев подводящего оптического волокна 2 и отрезка оптического волокна 3, образующих первое и второе зеркала интерферометра Фабри-Перо, расположены нормально к их продольным осям и, как правило, имеют отражающее металлическое или диэлектрическое покрытие.
Позициями 7, 8 на фиг. 1 обозначены возможные места введения (расположения) внутриволоконной дифракционной решетки, предпочтительно, брэгговской.
1
В приведенном примере датчик включает корпус 9 и уплотнение 10, расположенное между стеклянной трубкой 1 и корпусом 9. В другом случае эти элементы могут отсутствовать, поскольку стеклянная трубка 1 может быть вварена герметично в стенку какого-либо объема, сосуда (области измерения давления P).
1
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии расстояние между первым и вторым зеркалами интерферометра Фабри-Перо определяется исключительно геометрией датчика давления после сплавления (проплава, сварки) его элементов. Спектр отражения интерферометра Фабри-Перо определяется этим расстоянием и представляет собой эквидистантно расположенные по частоте максимумы и минимумы. Анализ этого спектра позволяет вычислить величину этого расстояния с высокой точностью (до единиц пм). При появлении внешнего давления (область измерения давления P) стеклянная трубка 1 деформируется, при этом осевая деформация ведет к изменению расстояния между зеркалами интерферометра Фабри-Перо, и по изменениям в спектре отраженного излучения судят об измеряемом давлении. Считывание информации осуществляется известными методами за счет обработки спектра отражения оптического излучения.