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REVENDICATIONS
1. Capteur piézo-électrique de pression et de température du type comprenant un bloc de matériau piézo-électrique possédant un élément externe (12) sensible 9 une pression, notamment une pression à mesurer et au moins un élément interne (25) propre à vibrer sous l'action d'une sollicitation électrique, l'élément interne étant normalement soustrait à l'action directe de ladite pression et relié à l'élément externe pour en recevoir des efforts correspondant à cette pression, caractérisé en ce que l'élément externe (12) ayant une forme tubulaire propre a recevoir la pression sur sa face externe (16), l'élément interne se présente sous la forme d'une plaquette (25) logée dans l'élément tubulaire dans un plan sensiblement parallèle à la direction longitudinale de celui-ci,
les bords longitudinaux opposés de cette plaquette étant chacun relié par un élément de liaison respectif (30, 31) à la face interne de l'élément tubulaire (16) pour la transmission desdits efforts à la plaquette dans une direction transversale.
2. Capteur selon la revendication 1 dans lequel la plaquette est taillée dans un plan de coupe possédant un axe cristallographique, caractérisé en ce que les éléments de liaison (30, 31) transmettent les efforts à la plaquette (25) dans des directions sélectionnées par rapport à l'axe cristallographique pour que la sensibilité de la fréquence de vibration de la plaquette (25) à la force soit élevée dans un premier mode de vibration transversale et négligeable dans un deuxième mode de vibration transversale.
3. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments de liaison (30, 31) de la plaquette (25) à la face interne (14) de l'élément tubulaire (12) sont sensiblement perpendiculaires à cette paroi dans le prolongement du plan de la plaquette pour la transmission desdits efforts parallèlement à ce plan (26).
4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones d'attache des éléments de liaison (30, 31)à la face interne de l'élément tubulaire (12) sont allongées parallèlement aux génératrices de celui-ci.
5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaquette (25) présente, vue en plan, une forme sensiblement rectangulaire.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments de liaison (30, 31) ont une dimension longitudinale réduite par rapport à la longueur de la plaquette rectangulaire.
7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grandes faces (35, 36) de la plaquette (25) sont bombées en coupe transversale et la plaquette (25) s'amincit dans le sens longitudinal en direction de chacune de ses extrémités (32, 33).
8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément tubulaire (12) est fermé à ses deux extrémités par des embouts rapportés (40, 42), l'un au moins de ces embouts supportant un élément (42) pénétrant à l'intérieur de l'élément tubulaire (12) sur lequel est disposée une électrode à faible distance d'une des grandes faces (35, 36) respectives de la plaquette (25).
9. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément tubulaire est fermé à au moins une de ses extrémités par un embout de forme ellipsoïdale (69).
JO, Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément tubulaire (12) présente une partie épaissie à chacune de ses extrémités dans laquelle est formé un plan de joint avec un embout fermant cette extrémité.
11. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face interne de l'élément tubulaire (12) présente une section transversale sensiblement elliptique allongée parallèlement au plan de la plaquette.
12. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la dimension longitudinale de la plaquette (25) est légèrement inférieure à la dimension longitudinale de l'élément tubulaire (12).
13. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de liaison (30A, 31A) de la plaquette ont une dimension longitudinale voisine de celle de cette plaquette.
14. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un seul élément de liaison (30, 31) de chaque côté longitudinal de la plaquette, ces éléments étant disposés pour transmettre deux forces égales et opposées à la plaquette (25).
15. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un au moins des bords longitudinaux de la plaquette (25) est relié à la face interne de l'élément tubulaire (12) par plusieurs éléments de liaison.
16. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une deuxième plaquette (82) formant une structure monobloc avec ledit élément tubulaire (12A) et décalée longitudinalement par rapport à la première plaquette (80) à l'intérieur de l'élément tubulaire (12A) et parallèle à un plan différent de celui de cette première plaquette.
17. Capteur selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'orientation du plan de la deuxième plaquette (82) est sélectionnée de façon que la coupe de cette plaquette présente des caractéristiques vibratoires de sensibilité prédéterminées par rapport a celle de la première plaquette sur le plan de ses propriétés vibratoires en fonction des paramètres de pression et de température auxquels peut être soumis le capteur.
L'invention est relative à la mesure des pressions et des températures. Elle vise notamment la mesure de pressions très élevées avec une grande sensibilité.
On connaît, pour une telle application, des capteurs piézo-électriques dans lesquels on utilise la vibration d'un cristal sous l'action d'un champ électrique alternatif pour effectuer une mesure des efforts s'appliquant sur une pastille de ce cristal dont la fréquence de résonance varie en fonction des contraintes auxquelles elle est soumise.
Ces capteurs, s'ils présentent une très grande sensibilité qui permet de les utiliser pour la mesure de faibles variations de pressions très élevées, présentent néanmoins des défauts. Pour une part, la variation de la fréquence de vibration du résonateur est en général très fortement dépendante de la température. Ils ne sont donc pas aisément utilisables lorsque la température ambiante ne peut pas être contrôlée.
Par ailleurs, dans les réalisations antérieures, le résonateur est une pastille de quartz formant un diaphragme à l'intérieur d'un tube cylindrique, taillé dans un même bloc de quartz avec la pastille, l'en- semble possédant, dans un plan de coupe longitudinale, la forme d'un H. Les extrémités ouvertes du tube sont fermées par des chapeaux cylindriques en général collés sur les faces terminales annulaires de ce tube. L'intérieur du boîtier ainsi constitué est mis sous vide propre ou rempli d'un gaz inerte. Un système d'électrodes permet de faire entrer en vibration la pastille et de mesurer sa fréquence de résonance. Celle-ci varie en fonction de la pression appliquée à l'extérieur de l'assemblage ainsi réalisé, par l'effet des forces appliquées sur la périphérie de la pastille.
Cette réalisation présente certains inconvénients, notamment une difficulté d'usinage en raison de la forme de l'élément a section en H.
Elle nécessite en outre un bloc de quartz de grandes dimensions impliquant une réalisation coûteuse. On rencontre également des difficultés au niveau des plans de joint entre les chapeaux et le tube. En effet, le matériau de liaison entre ces éléments est soumis à des contraintes. La construction du dispositif nécessite un soin particulier pour minimiser les effets de ces contraintes.
L'invention a pour but de fournir un capteur de pression et de température amélioré à l'égard de l'un au moins des défauts mentionnés ci-dessus. Elle vise notamment un capteur qui peut être réalisé sous une forme compacte et aisément monté dans une sonde propre à être introduite dans la colonne de production d'un puits de pétrole de façon à mesurer avec une grande précision des variations
de pressions représentatives des modifications du régime du puits et de l'évolution de la productibilité des couches.
Conformément à l'invention, le but visé est atteint par la présence des caractères énoncés dans la revendication 1. On note que les éléments de liaison réalisés dans le capteur ainsi défini assurent l'autosuspension de la plaquette par rapport à l'élément tubulaire extérieur.
De façon générale, la forme de capteur ainsi définie est d'un usinage plus aisé que celle des capteurs de l'art antérieur, dans la mesure où la plupart des opérations d'usinage s'effectuent dans une direction généralement parallèle à la direction longitudinale de l'élément tubulaire. En particulier, les usinages de faces transversales à l'intérieur du tube sont réduits au minimum ou pratiquement éliminés comme on le verra ci-après.
Les éléments de liaison de la plaquette à la face interne de l'élément tubulaire sont, de préférence, sensiblement perpendiculaires à la paroi de ce dernier dans le prolongement du plan de la plaquette pour la transmission des efforts parallèlement à ce plan.
Selon un mode de réalisation, ils sont agencés de manière telle que les résultantes des efforts appliqués de chaque côté de la plaquette sont dirigées suivant une même ligne d'action.
Les zones d'attache des éléments de liaison sont, de préférence, allongées parallèlement aux génératrices du tube.
Elles peuvent avoir une longueur réduite pour concentrer les efforts dans une zone transversale particulière de la plaquette vibrante. Elles peuvent également avoir une dimension longitudinale relativement grande de façon à produire, pour une pression externe donnée, sur l'élément tubulaire, une force relativement élevée sur la plaquette.
Selon une forme de réalisation, la plaquette est de forme rectangulaire, ses grandes faces étant dotées d'une certaine convexité pour favoriser le piégeage de l'énergie de vibration selon les principes connus. Les extrémités de l'élément tubulaire sont normalement fermées par des embouts rapportés sur ces extrémités. On a remarqué qu'avec ce mode de réalisation les contraintes de cisaillement dans le plan de joint entre les embouts et l'élément tubulaire étaient sensiblement moins élevées que dans les réalisations antérieures avec bloc de résonateur à section en H.
On parvient en outre à réaliser ainsi un capteur massif et compact qui se loge facilement dans des appareils de mesure de petits diamètres, notamment des sondes propres à être utilisées dans les puits de pétrole.
Enfin, le capteur qui fait l'objet de l'invention se prête remarqua- blement bien à la mesure simultanée de deux fréquences correspondant à deux modes de vibrations transversales de la plaquette, l'une fortement dépendante des efforts qui sont appliqués à cette dernière, tandis que l'autre en est pratiquement indépendante. La mesure de cette dernière fréquence peut être utilisée pour dériver de l'autre fréquence une mesure de pression indépendamment des fluctuations de température du capteur. Dans une forme d'exécution, les efforts transmis à la plaquette sont alignés dans une direction sensiblement normale à la direction longitudinale de l'élément tubulaire.
On prévoit, en conséquence, de tailler la plaquette dans un cristal tel que du quartz selon un plan de coupe dont l'axe cristallographique, ou sa projection, fait un angle prédéterminé avec la direction d'application des efforts pour obtenir l'effet recherché. Les éléments de liaison transmettent à la plaquette des efforts dans un même plan longitudinal correspondant au plan de symétrie de la plaquette. En même temps, on peut obtenir une sensibilité suffisante à la pression grâce à la possibilité d'allonger ces éléments de liaison dans le sens longitudinal. On peut également prévoir de disposer dans le même bloc une deuxième plaquette de résonateur dans l'élément tubulaire, longitudinalement décalée par rapport à la première, et parallèle à un plan distinct du plan de la première plaquette.
Les plans des deux plaquettes sont sélectionnés en fonction de la coupe du cristal pour optimiser la réponse de chacun d'eux à un paramètre respectif. Par exemple le plan de la deuxième plaquette peut être choisi en vue d'augmenter la sensibilité de cette dernière à la température.
Des explications supplémentaires et une description de modes de réalisation non limitatifs sont données ci-après en référence aux dessins annexés, dans lesquels:
- la fig. I est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un mode de réalisation de l'invention;
- la fig. 2 est une vue partielle en coupe transversale d'une variante de réalisation;
- les fig. 3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale respectivement de deux autres variantes de réalisation;
- la fig. 5 illustre la définition des coupes cristallographiques qui peuvent être utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention;
- la fig. 6 est un diagramme illustrant les variations de la sensibilité aux forces de la fréquence de vibration transversale d'un élément de quartz vibrant selon deux modes distincts;
;
- la fig. 7 est une vue selon une coupe repérée par VII-VII sur la fig. I d'une variante de réalisation; et
- la fig. 8 est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un second mode de réalisation de l'invention.
Dans une forme de réalisation (fig. 1), un capteur 10 comprend un élément tubulaire 12 limité intérieurement et extérieurement par des faces cylindriques circulaires respectivement 14 et 16, centrées sur un même axe 18. Les faces d'extrémités de l'élément 12 sont des couronnes circulaires respectivement 20 et 22 dans des plans perpendiculaires à l'axe 18. Parallèlement à cet axe s'étend une plaquette 25 formant un élément de résonateur monté à l'intérieur de l'élément tubulaire 12. Vue en plan, cette plaquette a une forme d'un rectangle dont le plus grand côté est parallèle à l'axe 18. Cette plaquette est symétrique, dans le sens de son épaisseur, par rapport à un plan dont on a marqué en 26 la trace et qui correspond à un plan diamétral de l'élément tubulaire 12.
Elle est limitée latéralement par deux faces 28 et 29 sensiblement parallèles à la dimension longitudinale de l'élément 12 et perpendiculaire au plan 26. Chacune de ces faces est reliée par un pont de liaison respectivement 30, 31 à une zone respective de la face interne 14 de l'élément tubulaire 12. L'ensemble de cet élément, de la plaquette 25 et des ponts de liaison 30 et 31 est monobloc et taillé dans un même bloc de cristal selon une coupe double rotation qui sera définie ci-après.
La plaquette 25 est terminée à chacune de ses extrémités par deux faces respectivement 32 et 33 perpendiculaires à l'axe 18. Dans l'exemple représenté à la fig. 1, sa longueur est légèrement inférieure à celle de l'élément tubulaire 12. Dans cet exemple également, la dimension longitudinale de chacun des ponts 30 et 31 est relativement petite par rapport à cette longueur. 11 est cependant à remarquer que cette dimension des ponts peut être voisine ou égale à la longueur de la plaquette 25. Lorsque la surface extérieure 16 de l'élément 12 est soumise à une pression, ces ponts 30 et 31 transmettent deux forces
Fl et F2 égales et opposées sur une même ligne d'application parallèle au plan 26 perpendiculaire à l'axe 18 et située sensiblement au milieu de la dimension longitudinale de la plaquette 25.
Les faces supérieure 35 et inférieure 36 de la plaquette 25 sont légèrement bombées ou renflées de sorte que, dans sa partie centrale, cette plaquette est plus épaisse qu'à ses bords. Cette disposition permet, lorsque la plaquette 25 est soumise à une sollicitation électrique qui tend à la faire vibrer, de piéger l'énergie entretenant la vibration. Dans un plan de coupe transversal passant par les milieux des ponts 30 et 31, la section des faces supérieure 35 et inférieure 36 correspond sensiblement à un arc de cercle sensiblement jusqu'au niveau des faces latérales 28 et 29. Les ponts 30 et 31 peuvent présenter un amincissement par rapport à la hauteur de ces faces latérales dans le cas d'un résonateur fortement sensible à la température.
En outre, chacune des faces supérieure et inférieure présente, dans un plan de section longitudinale perpendiculaire au plan 26, des portions telles que 38 et 39 qui vont en s'amincissant depuis le voisinage de la partie centrale de chaque face jusque vers les faces d'extrémités respectives 32 et 33, les facettes 38 et 39 possédant approximativement une forme de chanfrein. On peut aussi réaliser un rayon de courbure selon le sens longitudinal de la plaquette.
Dans sa structure assemblée, le capteur 10 présente deux chapeaux ou embouts terminaux tels que 40 et 42 (fig. 3) qui sont plaqués sur les faces terminales 20 et 22 de l'élément tubulaire 12 et peuvent y être fixés, par exemple par un collage. Les chapeaux 40 et 42 sont essentiellement constitués par des pastilles cylindriques qui réalisent ainsi la fermeture étanche de l'espace interne de l'élément tubulaire 12 contenant la plaquette vibrante 25, espace qui peut être soumis à un vide très poussé ou bien rempli d'un gaz inerte. Du chapeau 40 dépend une languette 41 qui s'avance à l'intérieur de l'élément tubulaire 12 au-dessus de la face supérieure 35 de la plaquette 25. Une électrode 43 est constituée par une métallisation de la face inférieure de la languette 42 en regard de la face 35 et à quelques microns ou dizaines de microns de celle-ci.
De même, une languette 44 dépend du chapeau 42 et porte sur sa face en regard de la face inférieure 36 de la plaquette 25 une électrode 45 à faible distance de la plaquette 25. Lorsque ces électrodes sont montées dans un circuit oscillant, qui peut être constitué d'une façon connue dans les résonateurs à quartz, la pastille 25 entre en vibration. Sa fréquence de résonance peut être mesurée par la fréquence des oscillations électriques dans le circuit dans lequel sont montées les électrodes 43 et 45.
Dans un matériau tel que le quartz piézo-électrique, la vibration de la plaquette 25 s'effectue selon trois modes, à savoir un mode A ou mode quasi longitudinal et deux modes de cisaillement d'épaisseur (ou quasi transversaux) B et C. Ces modes se distinguent par leurs fréquences, le mode quasi longitudinal étant le plus rapide et le mode C étant plus lent que le mode B. En principe il existe une multiplicité de fréquences de résonance pour un cristal donné, notamment des familles de fréquence pour les modes A,B et C. En pratique on peut capter, pour des mesures à l'aide d'un capteur selon l'invention, une ou plusieurs fréquences choisies parmi les fréquences fondamentales ou partielles ou anharmoniques des trois modes A, B et C.
Les trois modes sont toujours présents. Cependant, il est possible de privilégier certains de ces modes aux dépens des autres, notamment par un choix approprié de la coupe, des dimensions de la plaquette (épaisseur, longueur, largeur, rayon de courbure des pièces) et de la forme des métallisations.
En principe, la fréquence de vibration d'une pastille de résonateur à quartz dépend des efforts qui lui sont appliqués. Cette sensibilité à la force dépend toutefois de la coupe selon laquelle est effectuée la taille de la plaquette 25 et, souvent, de la direction d'application des efforts.
Un cristal de quartz présente un axe optique OZ et un axe électrique OX (fig. 5), les paramètres de chaque face étant définis par rapport à un trièdre droit OXYZ dans lequel l'axe OY est perpendiculaire à OX, OZ. On a représenté schématiquement la position de la plaquette 25 par rapport à ce trièdre. Elle peut être définie par un angle q > entre la trace OX" du plan de taille de cette plaquette (plan 26 de la fig. 1) avec l'axe OX, et par l'angle # entre l'axe OZ" de la plaquette perpendiculaire à OX" et l'axe optique OZ.
Une coupe définie par deux angles tels que # et # non nuls est désignée sous le nom de double rotation. Un grand nombre de coupes particulières sont connues possédant des propriétés caractéristiques. Ainsi, on connaît par exemple la coupe SC (Strcss Compensated) définie par les angles # = 33,93 et # = 21,93 .
On connaît également une coupe X + 30 définie par les angles # = 34 et # = 30 .
De même est connue une coupe SBTC (Stress compensated for
B mode and Temperature Compensated for C mode) définie par les angles # = -34,5 #2 ct = 16,3 # 2 .
On sait que le coefficient KF de sensibilité de la fréquence de résonance d'une pastille de résonateur à la force qui lui est appliquée peut être défini par la relation:
KF (#) = # f/fo x 1/F x H/N
où # est l'azimut de la direction d'application de la force F (voir fig. 5) par rapport à l'axe cristallographique OX" de la coupe de la plaquette.
H est un paramètre qui est le produit de l'épaisseur par la longueur de la pastille 25.
N est la constante de fréquence de l'onde propagée.
A f est la variation de fréquence constatée lors de l'application de la force F par rapport à la fréquence de résonance fo en l'absence d'efforts.
La fréquence varie également d'une façon considérable avec la température. Cette variation peut être définie de façon suffisamment précise par la relation:
# f/fo = a (T-To) + b (T-To)ê + c (T-To) + à dT/dt
où a, b, c sont respectivement des coefficients statiques, à est le coefficient dynamique du premier ordre. To est une température de référence (25 C). Le terme ädT/dt représente l'effet dynamique, donc transitoire qui apparaît lors d'une variation rapide de la température T du cristal.
La fig. 6 représente, pour une coupe SC, les variations du coefficient de sensibilité KF en fonction de l'azimut # entre 0 et 180 pour les modes de vibrations C (courbe 50) et B (courbes 60-1, 60-2, 60-3). Ces trois courbes sont obtenues pour des coupes voisines définies par les paramètres angulaires suivants:
courbe 60 - 1 :
# = 22 # = 34
courbe 50 - 2 : # = 22 # = 34,5
courbe 60 - 3 : # = 21 # = 34,5
On remarque que les variations de l'angle # sont plus marquantes sur la sensibilité à la force en mode B que celles de l'angle #,,
L'observation de cette figure permet de constater que si les directions d'application de la force telles que définies par la droite en tirets 52 parallèlement à l'axe des sensibilités KF fait un angle d'environ 118 avec l'axe OX", la sensibilité de la vibration en mode B aux efforts (point 54 de la courbe 50) est voisine d'un des deux maxima (en valeur absolue) de la courbe 50 qui présente une forme approximativement sinusoïdale.
Pour le mode B, au contraire, cette sensibilité (point 56) de la courbe 60 est pratiquement nulle.
Sur la base de cette remarque, un mode de réalisation avantageux de l'invention prévoit de choisir la direction d'application des efforts par les éléments de liaison tels que les ponts 30 et 31 à la plaquette vibrante 25 en fonction de la pression exercée autour de l'élément tubulaire 12 dans une direction dont l'azimut est convenablement choisi, compte tenu de la coupe adoptée pour le cristal 10, de façon à rendre élevée la sensibilité du résonateur à la pression pour l'un des modes de vibration et pratiquement nulle pour l'autre.
On a illustré ce choix sur la fig. 7 pour une variante de réalisation du capteur de la fig. 1 dans lequel la plaquette 25A est reliée à l'élément tubulaire 12A par des éléments de liaison 30A et 31A qui s'étendent sur la quasi-totalité de la longueur de la plaquette 25A.
Seules des entailles 62 sont prévues à chacune des extrémités des éléments de liaison entre les faces d'extrémités 32A et 33A de la plaquette et la paroi interne 14A de l'élément 12A. Dans ce mode de réalisation, la force FA résultante transmise par chacun des éléments 30A et 31A est contenue, comme précédemment, dans le plan de symétrie de la plaquette. Cependant, par rapport à l'exemple de la fig.
1, son intensité est d'autant plus grande qu'elle résulte de l'application de la pression extérieure par l'élément tubulaire 12A sur une plus grande longueur longitudinale de la plaquette pour une même épaisseur des ponts 30, 31 et 30A, 31A.
On a illustré sur la fig. 7 un angle # qui, une fois choisi en fonction des considérations précédemment évoquées à propos de la fig. 6, détermine la manière dont le cristal de quartz dans lequel est formé le capteur doit être taillé de telle façon que l'axe cristallographique
X" de la coupe adoptée occupe la position montrée sur cette figure.
Ainsi, les éléments de liaison d'un capteur à plaquette rectangulaire longitudinale tels que décrits permettent, lorsque les conditions l'exigent, de sélectionner les directions d'application des efforts sur la plaquette vibrante de façon à obtenir une sensibilité élevée ou maximale de l'un des modes à ces efforts tandis que l'autre n'est pratiquement sensible qu'aux variations de température. Les mesures issues de ce dernier mode peuvent alors servir à effectuer une com pensation des mesures obtenues sur l'autre mode pour l'effet des variations de température. Cette faculté est tout à fait désirable pour un capteur destiné à être utilisé dans un puits souterrain, par exemple un puits de production d'hydrocarbures.
Il est en effet alors possible d'obtenir des mesures de pression très élevées avec une grande résolution, et cela d'une façon très précise grâce à la correction qui peut être effectuée en fonction de la température du cristal lui-même telle qu'elle est mesurée à partir du mode B. Le capteur peut être utilisé également pour fournir une mesure de température.
Bien entendu, l'exemple qui vient d'être décrit en relation à la fig.
6 n'est pas limitatif. En particulier, toute autre coupe du cristal, et notamment coupe double ou triple rotation, qui permet de réaliser une sélection de la sensibilité à la force de l'un et l'autre mode peut convenir. Il est, en outre, bien entendu que l'invention s'applique d'une façon tout à fait satisfaisante avec les coupes du cristal piézoélectrique dont les sensibilités en mode B et dans le mode C ont été spécialement sélectionnées pour favoriser la mesure d'un paramètre indépendamment de l'autre, telle par exemple les coupes SC et
X + 30 évoquées précédemment.
Tandis que les fig. 1 et 7 représentent deux formes de réalisation d'éléments de liaison entre la plaquette vibrante 25 et l'élément tubulaire 12 à l'extérieur duquel est appliquée la pression, on notera que d'autres réalisations sont possibles, notamment dans lesquelles plusieurs ponts de transmission de la force sont utilisés sur au moins un côté de cette plaquette, le nombre de ponts de chaque côté pouvant être identique ou différent. De même, si la forme rectangulaire de la plaquette 25 se révèle favorable du point de vue de l'usinage, d'autres types de plaquettes dans des plans sensiblement parallèles à la direction longitudinale de l'élément tubulaire peuvent être utilisés.
Dans la réalisation de la fig. 2, un élément tubulaire 12B, relié à une plaquette de direction longitudinale 25B par les éléments de liaison latéraux 30B et 31B, présente une surface externe sensiblement cylindrique circulaire, tandis que sa face interne 14B a une section elliptique allongée dans la direction d'alignement des éléments de liaison 30B et 31B. Ainsi, l'épaisseur de l'élément 12 est plus grande dans un plan longitudinal perpendiculaire au plan 26 que dans ce dernier. La réalisation d'une face elliptique telle que 14B représente une possibilité de géométrie interne du capteur évitant
toute contrainte d'extension en tout point du cristal. L'usinage peut être effectué de façon voie ultrasonore et programmation automatique des déplacements de l'outil.
La disposition des électrodes sur des éléments tels que 41 et 44 rapportés face à la plaquette 25 (fig. 3) présente l'avantage que le fini de surface des faces supérieures 35 et 36 de cette plaquette n'est pas affecté par la présence de telles électrodes et permet d'éviter la migration des ions métalliques dans le cristal vibrant et de minimiser les phénomènes d'hystérésis. Il y a là un facteur concourant à la faible dérive des performances du capteur dans le temps (BVA).
Bien entendu, dans une réalisation simplifiée, on peut se contenter de déposer directement les électrodes sur la surface du cristal vibrant.
Sur la fig. 4, on a représenté une variante de réalisation dans laquelle les extrémités 70 et 72 d'un élément tubulaire 12C transmettant la pression à une plaquette 25C analogue à la plaquette 25 de la fig. 1 présentent des surépaisseurs du côté de la face externe 16C. Il en résulte que les faces d'extrémités 20C et 22C de l'élément 12C en forme de couronne ont une surface de liaison avec des chapeaux ou embouts de fermeture tels que 69 qui peuvent être élargies par rapport à la section droite du tube dans sa partie centrale. Selon la forme de réalisation représentée, les embouts ou chapeaux 69 de fermeture des extrémités ouvertes de l'élément tubulaire 12 sont en forme de bonnet à section transversale longitudinale elliptique, ou pseudosphérique.
D'une façon générale, on a remarqué que les vibrations de la plaquette dans les formes de réalisation qui viennent d'être décrites ne provoquent que des contraintes de cisaillement très faibles, voire négligeables, au niveau des plans de joint entre les extrémités de l'élément tubulaire transmetteur de forces et les chapeaux ou embouts qui en ferment les extrémités. Il en résulte notamment que la tenue de ces derniers, essentielle pour le maintien du vide, reste excellente au cours du temps et favorise la stabilité à long terme. On a constaté également que les phénomènes d'hystérésis qui sont habituellement liés dans des résonateurs à quartz à l'existence de matériaux tels que des colles dans les plans de joint sont tout à fait affaiblis, voire éliminés dans la forme de réalisation considérée.
Ces avantages sont obtenus sans qu'il soit nécessaire d'allonger l'élément tubulaire 12 de façon notable au-delà des dimensions longitudinales de la plaquette 25.
Ainsi, on réalise un capteur de pression qui peut être très compact, tout en possédant une excellente sensibilité à la pression, de bonnes caractéristiques de vieillissement et en offrant une faculté de mesurer la température ou d'en tenir compte dans la mesure d'autres paramètres. Les dimensions typiques d'un capteur propre à être utilisé dans une sonde de mesure de pression dans un puits selon la forme de réalisation décrite sont les suivantes:
diamètre extérieur: 22 mm
longueur du corps central: 16 mm
- chapeaux diamètre: 22 mm
épaisseur : 7 mm
La fréquence de vibration d'un tel capteur dans les modes B et C peut être de 5,5 MHz et de 5 MHz par exemple. Il est à remarquer qu'un capteur réalisé conformément à l'invention peut être de dimensions réduites.
Il en résulte que dans ce cas les fréquences de résonance sont beaucoup plus élevées, par exemple de l'ordre de 100 MHz.
On a illustré sur la fig. 8 un deuxième mode de réalisation de l'invention comprenant deux plaquettes rectangulaires 80 et 82, analogues à la plaquette 25 de la fig. 1, décalées longitudinalement à l'intérieur du corps tubulaire 12A et parallèles à des plans différents (angle o). Ainsi dans ce mode de réalisation il y a donc deux résonateurs, qui correspondent chacun à une coupe particulière du cristal.
Par exemple, la coupe du premier résonateur correspond (#1, #1) (voir fig. 5) et le second résonateur correspond à(#2, 92). Les deux plaquettes 80 et 82 forment une structure monobloc avec l'élément tubulaire 12A. Elles sont donc pratiquement toujours à la même température, à savoir la température du cristal. Leurs dimensions peuvent être égales ou différentes selon que l'on désire que leurs fréquences de résonance soient identiques ou non. Cette disposition permet d'obtenir un degré de liberté supplémentaire dans l'optimisation de caractéristiques qui déterminent la sensibilité du capteur à des paramètres tels que la pression ou la température.
Si on obtient pour la plaquette 80 un jeu de courbes telles que 50 et 60 sur la fig. 6, on obtient un jeu différent pour la plaquette 82 et l'angle # est également différent. Ainsi, il est possible de fonctionner en mode différentiel ou de prévoir d'autres combinaisons des fréquences de sortie des modes sensibles à la pression et/ou des modes sensibles à la température. On note que dans le cas d'un capteur destiné à l'utilisation dans un puits, la mise bout à bout de deux plaquettes résonatrices, ou éventuellement davantage, est peu gênante sur le plan de l'encombrement, les contraintes dans ce domaine étant surtout dans la dimension transversale.
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CLAIMS
1. Piezoelectric pressure and temperature sensor of the type comprising a block of piezoelectric material having an external element (12) sensitive to pressure, in particular a pressure to be measured and at least one internal element (25) capable of vibrating under the action of an electric stress, the internal element normally being withdrawn from the direct action of said pressure and connected to the external element to receive forces corresponding to this pressure, characterized in that the external element (12) having a tubular shape suitable for receiving pressure on its external face (16), the internal element is in the form of a plate (25) housed in the tubular element in a plane substantially parallel to the direction longitudinal of it,
the opposite longitudinal edges of this plate each being connected by a respective connecting element (30, 31) to the internal face of the tubular element (16) for the transmission of said forces to the plate in a transverse direction.
2. Sensor according to claim 1 wherein the wafer is cut in a cutting plane having a crystallographic axis, characterized in that the connecting elements (30, 31) transmit the forces to the wafer (25) in directions selected by relative to the crystallographic axis so that the sensitivity of the frequency of vibration of the wafer (25) to the force is high in a first transverse vibration mode and negligible in a second transverse vibration mode.
3. Sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the connecting elements (30, 31) of the plate (25) to the internal face (14) of the tubular element (12) are substantially perpendicular to this wall in the extension of the plane of the plate for the transmission of said forces parallel to this plane (26).
4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the areas of attachment of the connecting elements (30, 31) to the internal face of the tubular element (12) are elongated parallel to the generatrices thereof .
5. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the plate (25) has, in plan view, a substantially rectangular shape.
6. Sensor according to claim 5, characterized in that the connecting elements (30, 31) have a reduced longitudinal dimension relative to the length of the rectangular plate.
7. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the large faces (35, 36) of the plate (25) are curved in cross section and the plate (25) tapers in the longitudinal direction in the direction of each of its ends (32, 33).
8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the tubular element (12) is closed at its two ends by attached ends (40, 42), at least one of these ends supporting an element ( 42) penetrating inside the tubular element (12) on which an electrode is disposed at a short distance from one of the large faces (35, 36) of the respective plate (25).
9. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the tubular element is closed at at least one of its ends by an end piece of ellipsoidal shape (69).
JO, Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the tubular element (12) has a thickened part at each of its ends in which a joint plane is formed with a nozzle closing this end.
11. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the internal face of the tubular element (12) has a substantially elliptical cross section elongated parallel to the plane of the wafer.
12. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal dimension of the plate (25) is slightly less than the longitudinal dimension of the tubular element (12).
13. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting elements (30A, 31A) of the plate have a longitudinal dimension close to that of this plate.
14. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a single connecting element (30, 31) on each longitudinal side of the plate, these elements being arranged to transmit two equal and opposite forces to the plate (25).
15. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the longitudinal edges of the plate (25) is connected to the internal face of the tubular element (12) by several connecting elements.
16. Sensor according to one of the preceding claims, characterized by a second plate (82) forming a one-piece structure with said tubular element (12A) and offset longitudinally relative to the first plate (80) inside the element tubular (12A) and parallel to a plane different from that of this first plate.
17. Sensor according to claim 16, characterized in that the orientation of the plane of the second plate (82) is selected so that the section of this plate has vibratory characteristics of sensitivity predetermined with respect to that of the first plate on the plane of its vibratory properties as a function of the pressure and temperature parameters to which the sensor can be subjected.
The invention relates to the measurement of pressures and temperatures. It aims in particular at measuring very high pressures with great sensitivity.
Piezoelectric sensors are known for such an application in which the vibration of a crystal is used under the action of an alternating electric field to measure the forces applied to a chip of this crystal, the resonant frequency varies according to the constraints to which it is subjected.
These sensors, if they have a very high sensitivity which allows them to be used for the measurement of small variations in very high pressures, nevertheless have faults. For one part, the variation of the vibration frequency of the resonator is generally very strongly dependent on the temperature. They are therefore not easily usable when the ambient temperature cannot be controlled.
Furthermore, in the previous embodiments, the resonator is a quartz pellet forming a diaphragm inside a cylindrical tube, cut from the same block of quartz with the pellet, the assembly having, in a plane of longitudinal section, the shape of an H. The open ends of the tube are closed by cylindrical caps generally glued to the annular end faces of this tube. The interior of the housing thus formed is placed under a clean vacuum or filled with an inert gas. A system of electrodes allows the pellet to vibrate and to measure its resonant frequency. This varies as a function of the pressure applied to the exterior of the assembly thus produced, by the effect of the forces applied to the periphery of the patch.
This embodiment has certain drawbacks, in particular a difficulty in machining due to the shape of the element having an H section.
It also requires a large quartz block implying an expensive production. There are also difficulties with the joint planes between the caps and the tube. Indeed, the bonding material between these elements is subjected to stresses. The construction of the device requires special care to minimize the effects of these constraints.
The object of the invention is to provide an improved pressure and temperature sensor with regard to at least one of the defects mentioned above. It relates in particular to a sensor which can be produced in a compact form and easily mounted in a probe suitable for being introduced into the production column of an oil well so as to measure variations with great precision.
of pressures representative of the modifications of the regime of the well and the evolution of the productivity of the layers.
According to the invention, the aim is achieved by the presence of the characters set out in claim 1. It is noted that the connecting elements produced in the sensor thus defined ensure the self-suspension of the wafer with respect to the external tubular element .
In general, the shape of the sensor thus defined is easier to machine than that of the sensors of the prior art, insofar as most of the machining operations are carried out in a direction generally parallel to the longitudinal direction of the tubular element. In particular, the machining of transverse faces inside the tube is reduced to a minimum or practically eliminated as will be seen below.
The connecting elements of the plate to the internal face of the tubular element are preferably substantially perpendicular to the wall of the latter in the extension of the plane of the plate for the transmission of forces parallel to this plane.
According to one embodiment, they are arranged in such a way that the results of the forces applied on each side of the wafer are directed along the same line of action.
The attachment areas of the connecting elements are preferably elongated parallel to the generatrices of the tube.
They may have a reduced length to concentrate the forces in a particular transverse area of the vibrating plate. They can also have a relatively large longitudinal dimension so as to produce, for a given external pressure, on the tubular element, a relatively high force on the wafer.
According to one embodiment, the plate is rectangular, its large faces being provided with a certain convexity to promote the trapping of the vibration energy according to known principles. The ends of the tubular element are normally closed by end caps added on these ends. It was noted that with this embodiment the shear stresses in the plane of joint between the end pieces and the tubular element were significantly lower than in the previous embodiments with resonator block with H section.
We also manage to achieve a massive and compact sensor that fits easily into small diameter measuring devices, including probes suitable for use in oil wells.
Finally, the sensor which is the subject of the invention lends itself remarkably well to the simultaneous measurement of two frequencies corresponding to two modes of transverse vibrations of the wafer, one strongly dependent on the forces which are applied to the latter. , while the other is practically independent. The measurement of the latter frequency can be used to derive a pressure measurement from the other frequency independently of the temperature fluctuations of the sensor. In one embodiment, the forces transmitted to the wafer are aligned in a direction substantially normal to the longitudinal direction of the tubular element.
It is therefore planned to cut the wafer in a crystal such as quartz along a cutting plane whose crystallographic axis, or its projection, makes a predetermined angle with the direction of application of the forces to obtain the desired effect. . The connecting elements transmit forces to the wafer in the same longitudinal plane corresponding to the plane of symmetry of the wafer. At the same time, it is possible to obtain a sufficient sensitivity to pressure by virtue of the possibility of lengthening these connecting elements in the longitudinal direction. It is also possible to provide in the same block a second resonator plate in the tubular element, longitudinally offset with respect to the first, and parallel to a plane distinct from the plane of the first plate.
The planes of the two plates are selected according to the cut of the crystal to optimize the response of each of them to a respective parameter. For example, the plane of the second plate can be chosen with a view to increasing the sensitivity of the latter to temperature.
Additional explanations and a description of nonlimiting embodiments are given below with reference to the appended drawings, in which:
- fig. I is a perspective view with partial cutaway of an embodiment of the invention;
- fig. 2 is a partial view in cross section of an alternative embodiment;
- figs. 3 and 4 are views in longitudinal section respectively of two other alternative embodiments;
- fig. 5 illustrates the definition of the crystallographic sections which can be used for the implementation of the invention;
- fig. 6 is a diagram illustrating the variations in the sensitivity to the forces of the transverse vibration frequency of a vibrating quartz element according to two distinct modes;
;
- fig. 7 is a view along a section marked with VII-VII in FIG. I of an alternative embodiment; and
- fig. 8 is a perspective view with partial cutaway of a second embodiment of the invention.
In one embodiment (FIG. 1), a sensor 10 comprises a tubular element 12 internally and externally limited by circular cylindrical faces 14 and 16 respectively, centered on the same axis 18. The end faces of the element 12 are circular rings 20 and 22 respectively in planes perpendicular to the axis 18. Parallel to this axis extends a plate 25 forming a resonator element mounted inside the tubular element 12. In plan view, this plate has the shape of a rectangle the largest side of which is parallel to axis 18. This plate is symmetrical, in the direction of its thickness, with respect to a plane of which the mark has been marked at 26 and which corresponds to a diametrical plane of the tubular element 12.
It is bounded laterally by two faces 28 and 29 substantially parallel to the longitudinal dimension of the element 12 and perpendicular to the plane 26. Each of these faces is connected by a connecting bridge respectively 30, 31 to a respective area of the internal face 14 of the tubular element 12. The assembly of this element, of the plate 25 and of the connecting bridges 30 and 31 is in one piece and cut from the same crystal block according to a double rotation cut which will be defined below.
The plate 25 is terminated at each of its ends by two faces respectively 32 and 33 perpendicular to the axis 18. In the example shown in FIG. 1, its length is slightly less than that of the tubular element 12. In this example also, the longitudinal dimension of each of the bridges 30 and 31 is relatively small compared to this length. It should however be noted that this dimension of the bridges can be close to or equal to the length of the plate 25. When the outer surface 16 of the element 12 is subjected to pressure, these bridges 30 and 31 transmit two forces
F1 and F2 equal and opposite on the same application line parallel to the plane 26 perpendicular to the axis 18 and situated substantially in the middle of the longitudinal dimension of the plate 25.
The upper 35 and lower 36 faces of the plate 25 are slightly curved or swollen so that, in its central part, this plate is thicker than at its edges. This arrangement allows, when the wafer 25 is subjected to an electric stress which tends to make it vibrate, to trap the energy maintaining the vibration. In a transverse sectional plane passing through the midpoints of the bridges 30 and 31, the section of the upper 35 and lower 36 faces corresponds substantially to an arc of a circle substantially up to the level of the lateral faces 28 and 29. The bridges 30 and 31 can present a thinning with respect to the height of these lateral faces in the case of a resonator highly sensitive to temperature.
In addition, each of the upper and lower faces has, in a plane of longitudinal section perpendicular to the plane 26, portions such as 38 and 39 which become thinner from the vicinity of the central part of each face up to the faces d 'respective ends 32 and 33, the facets 38 and 39 having approximately a chamfer shape. It is also possible to produce a radius of curvature in the longitudinal direction of the plate.
In its assembled structure, the sensor 10 has two caps or end caps such as 40 and 42 (fig. 3) which are pressed against the end faces 20 and 22 of the tubular element 12 and can be fixed there, for example by a collage. The caps 40 and 42 are essentially constituted by cylindrical pellets which thus seal the internal space of the tubular element 12 containing the vibrating plate 25, a space which can be subjected to a very high vacuum or else filled with an inert gas. From the cap 40 hangs a tongue 41 which projects inside the tubular element 12 above the upper face 35 of the plate 25. An electrode 43 is formed by metallization of the lower face of the tongue 42 opposite the face 35 and a few microns or tens of microns from the latter.
Similarly, a tongue 44 depends on the cap 42 and carries on its face opposite the underside 36 of the plate 25 an electrode 45 at a short distance from the plate 25. When these electrodes are mounted in an oscillating circuit, which can be constituted in a known manner in quartz resonators, the wafer 25 vibrates. Its resonant frequency can be measured by the frequency of the electrical oscillations in the circuit in which the electrodes 43 and 45 are mounted.
In a material such as piezoelectric quartz, the vibration of the wafer 25 takes place according to three modes, namely a mode A or quasi-longitudinal mode and two modes of thickness shearing (or quasi transverse) B and C. These modes are distinguished by their frequencies, the quasi-longitudinal mode being the fastest and the mode C being slower than the mode B. In principle there is a multiplicity of resonance frequencies for a given crystal, in particular families of frequency for the modes A, B and C. In practice, one or more frequencies chosen from the fundamental or partial or anharmonic frequencies of the three modes A, B and C can be picked up for measurements using a sensor according to the invention. .
The three modes are always present. However, it is possible to favor certain of these modes at the expense of the others, in particular by an appropriate choice of the cut, the dimensions of the wafer (thickness, length, width, radius of curvature of the parts) and the shape of the metallizations.
In principle, the vibration frequency of a quartz resonator pad depends on the forces applied to it. This sensitivity to force, however, depends on the cut in which the size of the wafer 25 is made and, often, on the direction of application of the forces.
A quartz crystal has an optical axis OZ and an electric axis OX (fig. 5), the parameters of each face being defined with respect to a straight trihedron OXYZ in which the axis OY is perpendicular to OX, OZ. The position of the plate 25 relative to this trihedron has been shown diagrammatically. It can be defined by an angle q> between the trace OX "of the plane of size of this plate (plane 26 of fig. 1) with the axis OX, and by the angle # between the axis OZ" of the plate perpendicular to OX "and the optical axis OZ.
A section defined by two angles such as # and # non-zero is called double rotation. A large number of particular cuts are known having characteristic properties. Thus, we know for example the section SC (Strcss Compensated) defined by the angles # = 33.93 and # = 21.93.
We also know a section X + 30 defined by the angles # = 34 and # = 30.
Similarly, a SBTC cut (Stress compensated for
B mode and Temperature Compensated for C mode) defined by the angles # = -34.5 # 2 ct = 16.3 # 2.
We know that the coefficient KF of sensitivity of the resonance frequency of a resonator pad to the force applied to it can be defined by the relation:
KF (#) = # f / fo x 1 / F x H / N
where # is the azimuth of the direction of application of the force F (see fig. 5) relative to the crystallographic axis OX "of the section of the wafer.
H is a parameter which is the product of the thickness and the length of the patch 25.
N is the frequency constant of the propagated wave.
A f is the variation in frequency observed during the application of the force F with respect to the resonant frequency fo in the absence of efforts.
The frequency also varies considerably with temperature. This variation can be defined sufficiently precisely by the relation:
# f / fo = a (T-To) + b (T-To) ê + c (T-To) + to dT / dt
where a, b, c are respectively static coefficients, à is the first order dynamic coefficient. To is a reference temperature (25 C). The term ädT / dt represents the dynamic, therefore transitory effect which appears during a rapid variation of the temperature T of the crystal.
Fig. 6 represents, for a SC section, the variations of the sensitivity coefficient KF as a function of the azimuth # between 0 and 180 for the vibration modes C (curve 50) and B (curves 60-1, 60-2, 60- 3). These three curves are obtained for neighboring sections defined by the following angular parameters:
curve 60 - 1:
# = 22 # = 34
curve 50 - 2: # = 22 # = 34.5
curve 60 - 3: # = 21 # = 34.5
It is noted that the variations of the angle # are more striking on the sensitivity to the force in mode B than those of the angle # ,,
The observation of this figure shows that if the directions of application of the force as defined by the straight line in dashes 52 parallel to the axis of the sensitivities KF makes an angle of about 118 with the axis OX ", the sensitivity of the vibration in mode B to the forces (point 54 of the curve 50) is close to one of the two maxima (in absolute value) of the curve 50 which has an approximately sinusoidal shape.
For mode B, on the contrary, this sensitivity (point 56) of curve 60 is practically zero.
On the basis of this remark, an advantageous embodiment of the invention provides for choosing the direction of application of the forces by the connecting elements such as the bridges 30 and 31 to the vibrating plate 25 as a function of the pressure exerted around of the tubular element 12 in a direction whose azimuth is suitably chosen, taking into account the cut adopted for the crystal 10, so as to make the sensitivity of the resonator to pressure high for one of the modes of vibration and practically none for the other.
This choice has been illustrated in FIG. 7 for an alternative embodiment of the sensor of FIG. 1 in which the plate 25A is connected to the tubular element 12A by connecting elements 30A and 31A which extend over almost the entire length of the plate 25A.
Only notches 62 are provided at each end of the connection elements between the end faces 32A and 33A of the plate and the internal wall 14A of the element 12A. In this embodiment, the resulting force FA transmitted by each of the elements 30A and 31A is contained, as before, in the plane of symmetry of the wafer. However, compared to the example in fig.
1, its intensity is all the greater as it results from the application of the external pressure by the tubular element 12A over a greater longitudinal length of the wafer for the same thickness of the bridges 30, 31 and 30A, 31A .
Illustrated in FIG. 7 an angle # which, once chosen according to the considerations previously mentioned in connection with FIG. 6, determines how the quartz crystal in which the sensor is formed should be cut so that the crystallographic axis
X "of the adopted cut occupies the position shown in this figure.
Thus, the connecting elements of a sensor with a rectangular rectangular plate as described make it possible, when conditions require, to select the directions of application of the forces on the vibrating plate so as to obtain a high or maximum sensitivity of the 'one of the modes to these efforts while the other is practically sensitive only to temperature variations. The measurements from this latter mode can then be used to compensate for the measurements obtained in the other mode for the effect of temperature variations. This ability is entirely desirable for a sensor intended to be used in an underground well, for example a hydrocarbon production well.
It is indeed then possible to obtain very high pressure measurements with a high resolution, and this in a very precise manner thanks to the correction which can be carried out as a function of the temperature of the crystal itself as it is measured from mode B. The sensor can also be used to provide a temperature measurement.
Of course, the example which has just been described in relation to FIG.
6 is not limiting. In particular, any other cut of the crystal, and in particular double or triple rotation cut, which makes it possible to carry out a selection of the sensitivity to the force of one and the other mode may be suitable. It is furthermore understood that the invention applies in a completely satisfactory manner with the sections of the piezoelectric crystal whose sensitivities in mode B and in mode C have been specially selected to favor the measurement of one parameter independently of the other, such as for example the SC and
X + 30 mentioned previously.
While fig. 1 and 7 show two embodiments of connecting elements between the vibrating plate 25 and the tubular element 12 outside of which the pressure is applied, it will be noted that other embodiments are possible, in particular in which several bridges of force transmission are used on at least one side of this plate, the number of bridges on each side can be the same or different. Similarly, if the rectangular shape of the plate 25 proves favorable from the point of view of machining, other types of plates in planes substantially parallel to the longitudinal direction of the tubular element can be used.
In the embodiment of FIG. 2, a tubular element 12B, connected to a longitudinal steering plate 25B by the lateral connecting elements 30B and 31B, has an outer surface that is substantially cylindrical circular, while its inner face 14B has an elliptical section elongated in the direction of alignment connecting elements 30B and 31B. Thus, the thickness of the element 12 is greater in a longitudinal plane perpendicular to the plane 26 than in the latter. The realization of an elliptical face such as 14B represents a possibility of internal geometry of the sensor avoiding
any extension constraint at any point of the crystal. Machining can be carried out in an ultrasonic way and automatic programming of tool movements.
The arrangement of the electrodes on elements such as 41 and 44 attached to the plate 25 (fig. 3) has the advantage that the surface finish of the upper faces 35 and 36 of this plate is not affected by the presence of such electrodes and makes it possible to avoid the migration of metal ions into the vibrating crystal and to minimize hysteresis phenomena. There is a factor contributing to the low drift in sensor performance over time (BVA).
Of course, in a simplified embodiment, it may be sufficient to deposit the electrodes directly on the surface of the vibrating crystal.
In fig. 4, there is shown an alternative embodiment in which the ends 70 and 72 of a tubular element 12C transmitting the pressure to a plate 25C similar to the plate 25 of FIG. 1 have extra thicknesses on the side of the external face 16C. As a result, the end faces 20C and 22C of the element 12C in the form of a crown have a connection surface with caps or end caps such as 69 which can be widened relative to the cross section of the tube in its central part. According to the embodiment shown, the end caps or caps 69 for closing the open ends of the tubular element 12 are in the form of a cap with an elliptical or pseudospheric longitudinal cross section.
In general, it has been noted that the vibrations of the wafer in the embodiments which have just been described only cause very low, even negligible, shear stresses at the level of the joint planes between the ends of the 'tubular force transmitter and caps or end caps which close the ends. It results in particular that the holding of the latter, essential for maintaining the vacuum, remains excellent over time and promotes long-term stability. It has also been found that the hysteresis phenomena which are usually linked in quartz resonators to the existence of materials such as adhesives in the joint planes are completely weakened, or even eliminated in the embodiment considered.
These advantages are obtained without it being necessary to lengthen the tubular element 12 appreciably beyond the longitudinal dimensions of the plate 25.
Thus, a pressure sensor is produced which can be very compact, while having excellent pressure sensitivity, good aging characteristics and offering the possibility of measuring the temperature or taking it into account in the measurement of others. settings. The typical dimensions of a sensor suitable for use in a pressure measurement probe in a well according to the embodiment described are the following:
outside diameter: 22 mm
length of central body: 16 mm
- caps diameter: 22 mm
thickness: 7 mm
The vibration frequency of such a sensor in modes B and C can be 5.5 MHz and 5 MHz for example. It should be noted that a sensor produced in accordance with the invention may be of reduced dimensions.
It follows that in this case the resonant frequencies are much higher, for example of the order of 100 MHz.
Illustrated in FIG. 8 a second embodiment of the invention comprising two rectangular plates 80 and 82, similar to the plate 25 of FIG. 1, offset longitudinally inside the tubular body 12A and parallel to different planes (angle o). Thus in this embodiment there are therefore two resonators, which each correspond to a particular section of the crystal.
For example, the cut of the first resonator corresponds (# 1, # 1) (see fig. 5) and the second resonator corresponds to (# 2, 92). The two plates 80 and 82 form a one-piece structure with the tubular element 12A. They are therefore almost always at the same temperature, namely the temperature of the crystal. Their dimensions can be equal or different depending on whether it is desired that their resonant frequencies are identical or not. This arrangement makes it possible to obtain an additional degree of freedom in the optimization of characteristics which determine the sensitivity of the sensor to parameters such as pressure or temperature.
If we obtain for the wafer 80 a set of curves such as 50 and 60 in FIG. 6, a different clearance is obtained for the plate 82 and the angle # is also different. Thus, it is possible to operate in differential mode or to provide other combinations of the output frequencies of the pressure-sensitive modes and / or of the temperature-sensitive modes. It is noted that in the case of a sensor intended for use in a well, the placing end to end of two resonator plates, or possibly more, is not very troublesome in terms of space, the constraints in this area being especially in the transverse dimension.