JPS62273424A - 遠隔圧力センサ方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ａ　発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は遠隔検知方式に関し、特に井戸検層に関する。

従来の技術とその問題点 井戸下降圧力検知には高い精度が要求される。

典型的には圧力測定は例えば２００００ｐｓｉ　（１，
３８ｘ１０８ｐａ　）　ＬオイＴ＋　１１）Ｓｉ　　（
＋　６．９０　Ｘ１０”Ｐａ）の如き１０４分の１乃至
１０”分の１の相対的精度を有する必要がある。絶対的
精度の許容誤差ハヤヤ緩＜約＋１０ｐｓｉ　　（＋　６
．９０　ｘ１０’Ｐａ）である。かかる高精度において
はセンサの温度変化を考慮に入れる必要がある。従来は
このためそれぞれ監視装置と協働する温度用と圧力用の
２つのセンサ方式を使用せねばならなかった。

本発明の目的はこの欠点を減少又は克服することにある
。

本出願人による英国特許出願第８３２７０４６号は、使
用時圧力信号の温度補償がなされるよう圧力応答素子と
、略単色の光を素子に照射する手段と、素子と協動して
入射光を素子付近の圧力状態に対応する第１の信号で変
調する手段と、素子と協働して入射光を素子の温度に対
応する第２の信号で変調する温度応答手段とからなる、
温度補償圧力測定を行なう遠隔圧力センサに関する。

問題点を解決するための手段 加えられる圧力に一方のみがさらされる１対の同様な変
換器を用いることで有効な温度補償を行なうことができ
る。

本発明によれば、共振振動数が加えられる圧ツノに対応
する第１の振動変換器と、特性が温度の関数である第２
の振動変換器と、第１及び第２の振動変換器を振動状態
とする第１の光学的手段と、第１及び第２の感動変換器
の各共振振動数を決定するよう第１及び第２の振動変換
器に問い合わせる第２の光学的手段と、第１及び第２の
振動変換器の振動数から第１の振動変換器に加えられる
圧力の温度補償測定値を計算する手段とからなる、温度
補償圧力測定を行なう遠隔圧力センサ方式が提供される
。

実施例 第１図及び第２図を参照するに、遠隔センサ方式は光フ
ァイバ１３を介して遠隔センサ１２に結合される制御装
置１１からなる。ファイバ１３は、油井において典型的
である高温において安定なプラスデック材等で鎧装され
る。これには弗化プラスチック樹脂を使用するのが好ま
しい。センサヘッドは圧力センサ２１（第２図）と、そ
れに隣接し圧力測定の温度補償を行なうための温度セン
サ２２とからなる。両セン勺とも光学的に問い合わされ
、Ｙカブラ２５が２つのセンづと光ファイバ１３との間
に設けられる。

制御装置１１とセンサ１２との間が単一のファイバによ
り結合されるため温度信号と圧力信号を多重化する何ら
かの手段を設ける必要がある。これは周波数分割か時分
割多重化により行なわれる。

周波数分割が用いられる場合には各センサ２１゜２２は
それぞれの波長フィルタ２３．２４を介してファイバ１
３に結合される。典型的にはこれらのフィルタは干渉型
であり複数の半波長又は１／４波長の厚さの層からなる
。かかるフィルタは当業者には周知であり、例えば本出
願人による英国公開明細書第１，４８４，２８４号に記
載されている。

圧力変換器２１は振動数が圧力の関数である振動系であ
る。温度変換器２２も振動型であり圧力変換器と同様な
構成であるが出力が圧力に依存しないよう丈夫なハウジ
ング中の真空内に封入されている。典型的には変換器は
選択的エツチングにより形成されたシリコン単結晶デバ
イスである。

この種のデバイスは２０乃至２００ｋＨｚの自然振Ｔｊ
Ｊｊ数を有するよう構成できる。

変換器を振動させるには幾つかの方法があるが、典型的
には次の通りである。

（ａ）蓄積された機械的エネルギの解放この方法では入
射光のパワーが熱ダイヤフラムスイッチを加熱するのに
使用される。スイッチの切換わりによりセンサ素子に打
撃が加えられ、センサ素子が振動する。

（ｂ）熱応力の印加 センサ素子はバイメタル表面膜で被覆される。膜に強い
光パルスがあてられて熱応力が生じセンサを振動せしめ
る。

（Ｃ）静電駆動 センサは導電性電極板に隣接して取り付けられる。入射
光により駆動される光起電器は電圧パルスを電極に印加
し静電引力をセンサに加える。

変換器をその共振振動数で振動するようにしたならば変
数つまり圧力の関数であるこの振動数を決定するよう測
定する必要がある。これは振動構成の一部がファイバを
通して入射光を制御装置に反射するようにすることで行
なわれるる。場合により、制御装置がセンサの振動数に
同期するようフェーズロックドループ構成を用いてもよ
い。

第３図は圧力センサ構成の略図である。センサの圧力応
答素子は、丈夫な封止ハウジング３２に支持されるダイ
ヤフラム３１からなる。ハウジング３２は一定の基準圧
力（Ｕ口）が得られるよう減圧される。加えられる圧力
に応するダイヤフラムの撓みは、振動素子が加えられる
歪みに対応する共振振動数を有する型の歪みゲージ変換
器３３により検出される。変換器３３を振動状態に維持
するためのパワーは、隔壁コネクタ３５を介してセン勺
に結合される光ファイバ３４により供給される。ファイ
バスタブ３６は変換器３３をコネクタ３５に結合する。

第４図は、第３図のセンサに使用されるのに好ましい圧
力変換器を示す。温度変換器も同様の構成を有する。変
換器は典型的にはシリコン単結品から選択的エツチング
により一体的構成として形成される。蝶形又二重シーソ
ー形発振器である。

変換器は、基体４１上張設されたフィラメント４３によ
り支持される１対の伸長部材４２からなる。伸長部材は
隣り合う端部において可撓性結合部４４により連結され
る。使用時部材４２はそれぞれ横断方向軸に関しねじり
モードで振動する。

結合部４４により部材４２は確実に逆位相で連動する。

光フアイバスタブ３６は、入射高光度光パルスが結合部
に向かうよう結合部４４に光フアイバスタブ３６の自由
端が隣接するよう配置される。

パルス毎に結合部４４は一時的な熱膨張を起こすので、
変換器は伸長部材４２の慣性モーメント及びダイヤフラ
ム３１（第２図）を介して変換器に加えられる歪みの関
数であるフィラメント４３の張力に対応する振動数で振
動するよう駆動される。

光学的駆動の効率が良くなるよう結合部は比較的大なる
熱膨張係数を有する光吸収材（図示ゼず〉により被覆さ
れるのが右利である。強いパルスの間の期間には結合部
４４は典型的には波長１３００ｒ＋＋ｎの定常的でより
弱い光信号が照射される。この信号は結合部により反射
され変換器の発振振動数により変調される。典型的には
光パワーパルスは波長８５０ｎｎ＋で強さが１０ｍＷで
あり５０％のマークスペース比を有する。これにより５
乃至５Ｑｒ＋ｍの振動振幅が得られる。共振の検出及び
共振振動数の測定はフエーズロツタトルーブ回路を介し
て行ってもよい。

第５図にセンサの光学系をより詳細に示す。光パワーパ
ルスは、駆動回路５８を介してパルスモードで作動され
るレーザダイオード５１により発生され、波長分割マル
チプレクサ５２及び５０／１２５マルチモードフアイバ
等のファイバ５３を介してセンサヘッドへ伝送される。

定常的な略単色の問い合わせ信号は、エツジエミッテッ
ング発光ダイオード（ＥＬＥＤ）Ｗの発光源５４から発
けられる。ダイオード５４からの出力光はカブラ５５及
び波長分割マルチプレクサ５２を介してファイバ５３へ
供給される。温度センサも振動型であるがその自然振動
数は圧力センサの自然振動数と異なる。戻り信号は温度
信号及び圧力信号が得られるよう定められた２つの周波
数により変調される。この構成により２つの検出器は共
通の減圧ハウジング内に取り付けることができる。セン
サヘッドからの戻り信号はマルチプレクサ５２およびカ
ブラ５５を介して検出器５６へ供給されて戻り信号の波
長及び変調振動数が測定される。検出器５６からのこれ
ら２つの出力は、２つの測定値を温度補償圧力値に変換
する信号プロセッサ５７へ供給される。信号プロセッサ
５７は、各変換器がそれぞれの共振振動数での振動状態
に維持されるようレーザ駆動回路５８に２つのパルス信
号列を供給する。典型的には、圧力及び／又は温度の変
化による振動数の変化に信号処理が確実に応答するよう
フェーズロックドループ構成が用いられる。フェーズロ
ックドループの一例は本出願人による英国での特許出願
第８６２９８２０号に記載されているが、勿論本構成は
周波数ｔＩＩＩＷＪの特定の形式に制限されるものでは
ない。

第６図及び第７図には、センサヘッドの２つの変換器の
応答特性が示されている。第６図は変換器のダイヤフラ
ムに直接加えられる０、１乃至１気圧の圧力に対する圧
力変換器の典型的な応答を示す。使用時変換器が深井戸
における非常な高圧にさらされる場合には、変換器のダ
イヤフラムは比較的剛性の大きい補助ダイヤフラムに接
し、この補助ダイヤフラムが高圧にさらされるようにす
るのが好ましい。第６図に見られる如く、図示の圧力範
囲において大きな振動数の変動が起る。共振振動数への
温度の影響は圧力が高くなるとともに増大する。従って
例えばＴ１からＴ２へ温度が上界すると圧力変化による
周波数の変動の大ぎさが減少する。

第７図は温度の影響を示す。典型的な変換器では振動数
と温度の関係は線型であり、周波数は１℃につぎ約１０
０万分の５０減少する。

第８図は検出器５６（第５図）から導かれる典型的な周
波数スペクトルを示す。センサヘッドの２つの変換器は
その共振振動数が近くに、典型的には１０乃至２０ｋＨ
ｚの振動数差があるよう構成される。使用時、信号プロ
セッサは圧力変換器の周波数を決定し対応する圧力値を
計算する。温度変換器の周波数は温度値の決定に用いら
れ圧力計ｎの補正計数が得られる。この演算に必要な電
子的及びソフトウェアの技術は当業者には容易である。

上記の記載を要約するに、本発明は光学的に駆動され問
い合わされる圧力変換器及び温度変換器からなる開戸検
層用の温度補正圧力センサ方式を提供する。変換器の出
力は光搬送波の変調として遠隔した装置へ伝送される。

本明細囚では圧力センサ方式は特に井戸検層に関連して
説明されが、これに限定されるものではなく原子炉の監
視又は化学反応制御２１１等の他の危険な環境における
遠隔検知にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度補正圧力センサ方式の略図、第２図は第１
図の方式で使用されるセンサヘッドを示す図、第３図は
圧力センサ構成の略図、第４図は第３図の圧力センサ偶
成で使用される圧力変換器を示す図、第５図は第１図の
センサ方式をより詳細に示す図、第６図及び第７図は第
４図の圧力変換器における共振振動数と圧力及び温度の
それぞれとの関係を示す図、第８図は第２図のセン晋ナ
レベルにより発生される典型的なＩＥ！動数スペクトル
を示す図である。 １１・・・制御装置、１２・・・遠隔センサ、１３゜３
４．５３・・・光ファイバ、２１・・・圧力変換器、２
２・・・温度変換器、２３．２４・・・波長フィルタ、
２５・・・Ｙカブラ、３１・・・ダイヤフラム、３２・
・・ハウジング、３３・・・歪みゲージ変換器、３５・
・・隔壁コネクタ、３６・・・ファイバスタブ、４１・
・・基体、４２・・・伸長部材、４３・・・フィラメン
ト、４４・・・可撓性結合部、５１・・・レーデダイオ
ード、５２・・・マルチプレクサ、５４・・・発光源、
５５・・・カブラ、５６・・・検出器、５７・・・信号
プロセッサ、５８・・・駆動回路。 特許出願人　エステイ−シー　ビーエルシー、　　・　
／ ＋１−／ 手続ネｔｎ　ＪＬＥ書 昭和６２年　６月　５日 摘

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）共振振動数が加えられる圧力に対応する第１の振
   動変換器と、特性が温度の関数である第２の振動変換器
   と、第１及び第２の振動変換器を振動状態とする第１の
   光学的手段と、第１及び第２の振動変換器の各共振振動
   数を決定するよう第１及び第２の振動変換器に問い合わ
   せる第２の光学的手段と、第１及び第２の振動変換器の
   振動数から第１の振動変換器に加えられる圧力の温度補
   償測定値を計算する手段とからなる、温度補償圧力測定
   を行なう遠隔圧力センサ方式。
2. （２）共振振動数が加えられる圧力に対応する第１の振
   動変換器と、第１の振動変換器と同様の構成を有し共振
   振動数が温度のみの関数である第２の振動変換器と、第
   １及び第２の振動変換器をそれぞれの共振振動数での振
   動状態に維持するパルス性の第１の光源と、第１及び第
   ２の振動変換器の各々の振動数で変調された光信号が得
   られるよう第１及び第２の振動変換器に結合される連続
   性の第２の光源と、該変調の各々の振動数を決定し第１
   の振動変換器がさらされている圧力の温度補償測定値を
   計算する手段と、該第１及び第２の振動変換器の各々を
   それぞれの共振周波数で駆動するようパルス性の光源が
   動作されるように該変調の各々から制御信号を導く手段
   とからなる、温度補償圧力測定を行なう遠隔圧力センサ
   方式。
3. （３）第１及び第２の振動変換器の各々は、張設された
   フィラメントにより素子がそれぞれ振動可能であるよう
   に支持される第１及び第２の伸長部材からなり、該素子
   は逆相に振動するよう結合されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項又は第２項に記載の遠隔圧力センサ方
   式。
4. （４）光信号は単一の光ファイバを介して第１及び第２
   の振動変換器へ伝送されまた第１及び第２の振動変換器
   から伝送されることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   に記載の遠隔圧力センサ方式。
5. （５）該第１及び第２の振動変換器は共通の減圧ハウジ
   ング内に取り付けられることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載の遠隔圧力センサ方式。