Sensor de presión (18) con al menos un elemento de detección óptico (10) los cambios inducidos por presión enlas propiedades birrefringentes que se leen por la transmisión del al menos un haz de luz (2,

21), caracterizado porque

el sensor de presión (18) comprende al menos un cuerpo transparente de un solo material (10) que se somete a almenos dos presiones diferentes (p1, p2) en al menos dos regiones distintas a través de al menos dos cámaras depresión (8, 9), en el que el cuerpo transparente (10) se está transmitiendo por un haz de luz paralelo oesencialmente no-divergente o mínimamente divergente sin reflexión total en dicho cuerpo (10) de tal manera que elcambio de fase inducido por la birrefringencia del haz de luz transmitido (22) depende de la diferencia de laspresiones aplicadas (p1, p2),

el cuerpo transparente (10) está dispuesto en una carcasa exterior (5), proporcionándose las cámaras de presión (8,9) en el espacio intermedio entre la superficie exterior del cuerpo transparente (10) y la superficie interior de lacubierta exterior (5), y la cubierta exterior (5) está fabricada de acero, en el que el acero se seleccionapreferiblemente para tener una característica de expansión térmica esencialmente igual o similar a la del cuerpotransparente (10).

Sensor de presión.

Campo técnico

El presente documento se refiere al campo de los elementos de detección de presión basados en cambios inducidos de presión en la birrefringencia de cuerpos transparentes, leídos por iluminación con una fuente de luz. Además, el presente documento se refiere a los métodos para el funcionamiento de tales elementos de detección de presión, así como a los usos de tales elementos de detección de presión.

Antecedentes de la invención

Hay una serie de posibilidades para medir la presión por medios ópticos: las tecnologías de enrejado de Fabr y Perot y Fibre-Bragg, dispersión de Raman, dispersión de Brillouin, guías de onda integradas con membranas, osciladores mecánicos resonantes, acoplamiento del campo evanescente o cristales fotónicos. La tecnología descrita en lo sucesivo utiliza birrefringencia inducida por distribuciones no homogéneas de la tensión para la medición de la presión.

El método para utilizar la birrefringencia para la estimación de la distribución de la tensión se denomina "fotoelasticidad". Se ha desarrollado a principios del siglo pasado y por tanto, está bien establecido. Típicamente, las placas finas de vidrio o de plástico están expuestas a fuerzas externas y la distribución de la tensión dentro de las placas se puede determinar a partir del patrón de franjas creado por la luz polarizada transmitida con ayuda de un filtro de polarización perpendicular. Los detalles de este método se pueden encontrar, por ejemplo, en el libro de texto de Föppl y Mönch (L. Föppl, E. Mönch, Praktische Spannungsoptik, Springer, Berlín 1972) .

El uso del efecto de la birrefringencia en fibras estructuradas con núcleo de fibra para medir la presión se ha sugerido a mediados de 1980. Estudios más detallados han seguido más de una década después. Especialmente, se han investigado la dependencia del efecto con respecto a la geometría y temperatura, la estabilidad con respecto a las influencias ambientales y el envejecimiento y configuraciones de detección.

En general, la sensibilidad a la temperatura de la birrefringencia inherente es al menos un orden de magnitud mayor que la de la birrefringencia dependiente de la presión, y por tanto no hay ventaja considerable en minimizar el componente de temperatura inherente o la contribución a la birrefringencia. Si dos longitudes de fibra se hacen idénticas y las fibras se hacen girar 90º una con respecto a la otra alrededor de su eje longitudinal en la unión o empalme, como se enseña por Dakin y Wade (J.P. Dakin y C. Wade. "Compensated polarimetric sensor using polarisation-maintaning fibre in a differencial configuration", Electron. Lett., Vol. 20, No. 1, pág. 51-53, 1984) , después, la birrefringencia inherente en las dos partes es idéntica, y si las dos partes están sujetas a las mismas condiciones de presión se cancela también la birrefringencia dependiente de la presión. Por tanto, si las dos piezas de núcleo de fibra con un revestimiento son idénticamente sensibles a la presión, sólo se obtendrá una señal útil si las dos piezas de fibra experimentan presiones diferentes. Este es el planteamiento enseñado en la técnica anterior, Dakin y Wade. Mediante este tipo de configuración, se puede minimizar la dependencia de la temperatura del cambio de fase inducido por presión medido.

Existe un enfoque alternativo en el que se puede obtener una señal útil cuando las dos piezas de fibra experimentan la misma presión desde el exterior. Si la birrefringencia dependiente de la presión no se hace igual en las dos partes y, sin embargo la birrefringencia inherente es la misma en las dos partes, la presión en las dos partes puede ser igual, es decir, las dos piezas de fibra pueden experimentar la misma presión, y sin embargo, la compensación de temperatura de la birrefringencia inherente sigue persistiendo. Esta es la base para el concepto que se ha descrito en el documento US 5.515.459, en el que la birrefringencia inducida por presión se hace diferente admitiendo presión externa selectivamente en sólo algunos de los orificios laterales formados en la fibra.

La invención parte del documento GB 2 419 401 A, en el que una fibra con un núcleo de guía de luz y un revestimiento se utiliza para la medición de presión diferencial, y en el que una única presión debe aplicarse al dispositivo en ambas partes de detección con el fin de permitir la medición diferencial total con la porción de polarización ópticamente acoplada en serie con las dos partes de detección.

El documento US 6.597.821 describe un sensor de laser de fibra para medir presiones diferenciales y velocidades de flujo. La cavidad de láser de fibra comprende, además de la fibra de amplificación de láser, dos segmentos de fibra de sensor asimétricos con dependencias de presión mutuamente opuestas de su birrefringencia. La asimetría giratoria permite que la presión isotrópica aplicada a cada segmento de fibra se convierta en una birrefringencia anisotrópica en el láser de fibra. La birrefringencia puede existir entre dos modos polarimétricos o entre dos modos espaciales y genera los cambios de fase dependientes de la presión diferencial y, por tanto, una frecuencia de latido en el láser de fibra. El láser de fibra se mantiene en un alojamiento de presión en una forma libre de tensiones.

El documento US 5.009.107 describe un sensor óptico de presión absoluta. El sensor tiene un cuerpo transparente con conductos al vacío con orificios laterales asimétricos. La presión exterior isotrópica se transforma en tensión anisotrópica y, por lo tanto, en birrefringencia que es una función de la presión absoluta aplicada desde el exterior.

Sumario de la invención

Por lo tanto, uno de los objetos de la presente invención es proporcionar un conjunto de sensores de presión en el que al menos algunas de las deficiencias de los conjuntos de acuerdo con el estado de la técnica se reduzcan, si no se eliminan. Específicamente un sensor de presión con al menos un elemento de detección de presión ópticamente transparente, los cambios inducidos por presión en las propiedades ópticas de birrefringencia que son leídos por iluminación con al menos un haz de luz, se puedan mejorar. El objetivo es tener un sensor de presión (diferencial) con una alta precisión y pocos errores que son, por ejemplo causados por efectos de la temperatura.

Este y otros objetos se consiguen por el sensor de presión con al menos un elemento óptico de detección, los cambios inducidos de presión en las propiedades birrefringentes de que se leen a cabo por la transmisión de al menos un haz de luz, comprenden al menos un cuerpo transparente de un solo material (es decir, que tiene un material uniforme en todo el cuerpo) , en el que el cuerpo transparente consta preferiblemente de sólo un cuerpo transparente de un único material, cuerpo que está sometido a al menos dos presiones diferentes en al menos dos regiones distintas a través de al menos dos cámaras de presión, en el que el cuerpo transparente se transmite por un haz de luz paralelo o mínimamente divergente sin reflexión (interna) total o en las interfases de dicho cuerpo, de tal manera que la birrefringencia de un haz de luz transmitido depende de la diferencia de las presiones diferentes, o dicho de otra manera, de tal manera que el cambio de fase inducido por birrefringencia del haz de luz transmitido depende de la diferencia de las presiones aplicadas, o dicho aún más diferente: de tal manera que una birrefringencia inducida por la presión y el cambio de fase diferencial correspondiente entre los componentes de polarización lineales de este haz de luz dependen la diferencia de las presiones aplicadas.

Las fibras ópticas comunes como se utilizan en el estado de la técnica para estos fines siempre poseen secciones que están fabricadas de dos materiales diferentes, un núcleo de guía de luz y un revestimiento. En el núcleo de guía de luz, el haz de luz que se utiliza para la medición se “atrapa” en este núcleo por la reflexión total de la luz en las interfaces que bordean el núcleo de guía. De modo que, es por ejemplo la fibra en la revelación de Dakin y Wade (loc. Cit.) , ya que lo contrario no podría enrollarse alrededor de un cilindro deformable tal como se sugiere allí. El núcleo de guía de luz y un revestimiento en los sistemas constituyen juntos, por tanto, el elemento de detección de presión y este elemento de detección de presión no está fabricado de un solo material, ya que el núcleo de guía de luz y el revestimiento... [Seguir leyendo]

1. Sensor de presión (18) con al menos un elemento de detección óptico (10) los cambios inducidos por presión en las propiedades birrefringentes que se leen por la transmisión del al menos un haz de luz (2, 21) , caracterizado por que

el sensor de presión (18) comprende al menos un cuerpo transparente de un solo material (10) que se somete a al menos dos presiones diferentes (p1, p2) en al menos dos regiones distintas a través de al menos dos cámaras de presión (8, 9) , en el que el cuerpo transparente (10) se está transmitiendo por un haz de luz paralelo o esencialmente no-divergente o mínimamente divergente sin reflexión total en dicho cuerpo (10) de tal manera que el cambio de fase inducido por la birrefringencia del haz de luz transmitido (22) depende de la diferencia de las presiones aplicadas (p1, p2) , el cuerpo transparente (10) está dispuesto en una carcasa exterior (5) , proporcionándose las cámaras de presión (8, 9) en el espacio intermedio entre la superficie exterior del cuerpo transparente (10) y la superficie interior de la cubierta exterior (5) , y la cubierta exterior (5) está fabricada de acero, en el que el acero se selecciona preferiblemente para tener una característica de expansión térmica esencialmente igual o similar a la del cuerpo transparente (10) .

2. Sensor de presión de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el cuerpo transparente (10) se somete directamente a al menos dos presiones diferentes (p1, p2) .

3. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo transparente

(10) es un cuerpo cilíndrico, preferiblemente se sección transversal circular o poligonal, que está sometido a al menos dos presiones diferentes (p1, p2) en diferentes partes y/o regiones, en el que está preferiblemente sometido a dos presiones diferentes (p1, p2) en múltiples, preferiblemente dos, partes longitudinalmente posteriores (11, 12) y/o a dos presiones diferentes (p1, p2) en múltiples, preferiblemente cuatro, secciones equiangulares de presión alternativa a lo largo de toda la longitud del cuerpo (10) .

4. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo transparente

(10) es un cuerpo cilíndrico (10) con una sección transversal circular que tiene dos partes (11, 12) de igual longitud, en el que las dos partes (11, 12) comprenden una estructuras internas esencialmente idénticas, preferiblemente en forma de orificios o aberturas longitudinales, preferiblemente cilíndricos (19, 20) , lo que resulta en una distribución asimétrica de la tensión en el cuerpo (10) , si se aplica presión, y en el que las dos partes ( 11, 12) se hacen girar una con respecto a la otra en 90º alrededor del eje principal del cuerpo cilíndrico (10) .

5. Sensor de presión de acuerdo con la reivindicación 4, en el que en cada parte (11, 12) la estructura interna se proporciona como un par de orificios longitudinales (19, 20) , cuyos ejes están igualmente distanciados del eje principal del cuerpo cilíndrico (10) y cuyos ejes están orientados en un mismo plano que incluye el eje principal del cuerpo cilíndrico (10) .

6. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4-5, en el que el diámetro (d) de los orificios cilíndricos (19, 20) está comprendido entre 1/8 y 1/3, preferiblemente en el intervalo de 1/4, del diámetro (D) del cuerpo cilíndrico transparente (10) .

7. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-6, en el que el cuerpo transparente (10) tiene superficies terminales (27) perpendiculares al eje principal, y en el que las dos partes (11, 12) están dispuestas adyacentes entre sí en una junta a tope.

8. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz de luz paralelo o mínimamente divergente (22) se desplaza a lo largo del eje central longitudinal del cuerpo cilíndrico transparente

(10) con los planos terminales (27) orientados perpendicularmente al eje central longitudinal del cuerpo cilíndrico (10) .

9. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo transparente

(10) se irradia en paralelo a y/o a lo largo del eje central longitudinal desde un lado con un haz de luz (21) , y en el que la luz transmitida (22) que abandona el cuerpo transparente (10) se detecta mediante dos detectores (17, 17') en el otro lado, en el que preferiblemente los detectores (17, 17') están midiendo la intensidad total integrada dentro de un cierto intervalo espectral, y en el que preferiblemente los detectores (7, 8) son diodos detectores que están eléctricamente o electrónicamente conectados de alguna manera, por ejemplo, utilizando un puente de Wheatstone, de tal manera que se emite una señal de diferencia o la diferencia dividida entre la suma de las señales.

10. Sensor de presión de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el haz de luz (21) irradiado en el cuerpo transparente (10) se polariza linealmente, preferiblemente mediante el uso de un filtro de polarización (3) , y en el que el haz de luz (22) que abandona el cuerpo transparente (10) se divide en sus dos componentes (23, 24) utilizando un divisor de haz de polarización (16) con la misma orientación que el filtro de polarización (3) para la detección por los dos detectores (17, 17') .

11. Sensor de presión de acuerdo con la reivindicación 9 ó 10, en el que por detrás del cuerpo transparente (10) del haz de luz (22) se hace pasa un elemento de cambio de fase óptico, preferiblemente a través de una placa de cuarto de onda (15) .

12. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las dos presiones (p1, p2) son aplicadas a un cuerpo cilíndrico transparente (10) por medio de dos cámaras de presión circunferenciales, idénticas, espaciadas longitudinalmente (8, 9) , que se cargan preferiblemente con un líquido, incluso más preferiblemente con aceite de silicona.

13. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo transparente

(10) es un cuerpo de vidrio, preferiblemente de sílice fundida.

14. Sensor de presión de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el cuerpo transparente (10) se fija dentro de la carcasa (5) por soldadura fuerte o mediante una junta tórica flexible

15. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13-14, en el que las cámaras de presión (8, 9) están provistas de bordes redondeados.

16. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo transparente

(10) está estructurado, en particular, internamente, en una región en la que una pared de separación (7) entre las cámaras de presión (8, 9) y/o en la que un alojamiento (4) está fijado o está en contacto con el cuerpo transparente (10) , en particular, para eliminar la influencia de las tensiones térmicas en birrefringencia.

17. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo transparente

(10) consiste en dos mitades estructuradas que están espacialmente separadas.

18. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz de luz (2, 21) es proporcionado por una fuente de luz, preferiblemente por un diodo emisor de luz (1) , que está preferiblemente modulado en intensidad, y en el que antes de la transmisión a través del cuerpo transparente (10) el haz de luz (2, 21) se hace pasar a través de un filtro de polarización.

19. Sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se proporcionan adicionalmente un sensor de medición de temperatura y/o un sensor de intensidad de luz para medir la intensidad de la fuente de luz, y en el que los datos de estos sensores se incorporan en la evaluación de la presión diferencial .

20. Método para la detección de una presión utilizando un sensor de presión (18) , de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene al menos un elemento de detección óptico (10) , cuyos cambios inducidos por presión en las propiedades birrefringentes se leen por la transmisión de al menos un haz de luz (2, 21) , caracterizado por que el sensor de presión (18) comprende al menos un cuerpo transparente de solo material (10) que está sometido a al menos dos presiones diferentes (p1, p2) en al menos dos regiones distintas a través de al menos dos cámaras de presión (8, 9) , en el que el cuerpo transparente (10) se está transmitiendo por un haz de luz paralelo o mínimamente divergente (22) sin reflexión total en dicho cuerpo (10) de tal manera que el cambio de fase inducido por birrefringencia del haz de luz transmitido (22) depende de la diferencia de las diferentes presiones (p1, p2) , y en el que la presión diferencial en las dos cámaras de presión (8, 9) se evalúa en base a la salida diferencial de estos detectores (17, 17') , en base a la suma o diferencia de salida estos detectores (17, 17') , en base a la relación de la salida de estos detectores (17, 17') , o en base a una combinación de los mismos, preferiblemente en la relación entre la diferencia y la suma.

21. Uso de un sensor de presión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-19 para la medición de las diferencias de presión superiores a 500 mbar, y preferiblemente en un intervalo de presión superior a 0, 5 bar hasta 15 bar.