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Diese Erfindung betrifft einen Quarzdruckmeßwandler und dessen Verwendung
bei der Überwachung von Druck in einer heißen Umgebung.
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Druck, wie z.B. in einem Öl- oder Gasbohrloch, läßt sich auf bekannte Weise
mit einem Quarzdruckmeßwandler messen. Ein solcher Meßwandler beinhaltet einen
Quarzkristallresonator, d.h. ein piezoelektrisches Element, das ein elektrisches
Merkmal einer elektrischen Schaltung, ansprechend auf mechanischen Streß, der durch
den gemessenen Druck im Resonator erzeugt wird, verändert. Normalerweise gehört
der Resonator zu einer Oszillatorschaltung, die ein elektrisches Sinussignal, das vom
Ansprechen des Resonators abhängig ist, erzeugt.
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Eine Art von Druckmeßwandler, die sich besonders zum Feststellen von Druck
in einem Öl- oder Gasbohrloch eignet, hat einen Dickenscherungsschwingung-
Quarzkristallresonator. Bei einem Dickenscherungsschwingung-Quarzkristallresonator
sind Elektroden an zwei Hauptflächen des Resonators befestigt, und das elektrische
Ansprechen ist auf den Streß zurückzuführen, der auf die Resonatordicke einwirkt.
Diese Dicke ist lotrecht zu den Hauptflächen. Obgleich andere vorgeschlagen wurden,
kommen größtenteils, wenn nicht ausschließlich, zwei spezifische
Dickenscherungsschwingung-Quarzkristallresonatoren zur Verwendung, einschließlich entweder AT-
Schnitt-Quarzkristall oder BT-Schnitt-Quarzkristall.
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AT-Schnitt- und BT-Schnitt-Quarzkristallresonatoren eignen sich wenigstens
teilweise, weil ihr Ansprechen auf Druck größtenteils temperaturunabhängig ist, d.h.
diese Resonatoren haben angeblich einen Nulltemperatur-Frequenzkoeffizienten. Beide
Resonatoren sind jedoch hinsichtlich ihrer maximal nützlichen Druck- und
Temperaturbereiche beschränkt. Es kommt dann zu dieser Einschränkung, wenn der
auf den Resonator einwirkende Streß ein Höchstniveau erreicht oder darüber geht. Zu
diesen Zeitpunkt kommt es entweder zum Zerbrechen oder zur "Zwillingsbildung" des
Quarzkristalls.
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BT-Schnitt-Resonatoren leiden prinzipiell unter Zerbrechen. Bei einer
spezifischen Ausführung von BT-Schnitt-Drucksensoren kommt es dazu ungefähr
bei 82 MPa und ca. 175º C. AT-Schnitt-Sensoren leiden hauptsächlich unter dem
"Zwillingsbildungs"-Ausfall. Bei einer spezifischen Ausführung kommt es dazu bei
ca. 138 MPa und 175º C oder ca. 110 MPa bei ca. 200º C oder anderen zutreffenden
Druck-Temperatur-Kombinationen, die zum maximal zulässigen Streßniveau im
Resonator führen. Bei einer weiteren Ausführung von AT-Schnitt-Sensoren kann es
dazu bei ca. 138 MPa und ca. 200º C oder ca. 172 MPa bei ca. 175º C oder einer
anderen zutreffenden Druck-Temperatur-Kombination kommen.
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Wenn sich infolge von zu hohem Streß Quarzzwillinge bilden, kommt es zur
rapiden Veränderung der Kristallstruktur, die in einen beständigeren Zustand wechselt.
Bei dem AT-Schnitt-Kristall kann ein elektrischer Zwilling dieser Art als eine
Drehung um 180º um die Z-Achse der X-, Y- und Z-Kristallachsen, mit Bezug auf
die der Kristall auf bekannte Weise orientiert werden kann, angesehen werden.
Theoretisch wird ein Zwilling durch Ansetzen eines Streßmusters zurück verwandelt,
wodurch der ursprüngliche Zustand zum niedrigeren Energiezustand des angesetzten
Streßmusters werden würde. Zur Zeit ist das praktisch nicht durchführbar. Deshalb
bleibt ein Kristall nach der Zwillingsbildung in diesem Zustand. Der AT-Schnitt-
Kristall spricht nach der Zwillingsbildung empfindlicher auf Temperatur an als im
ursprünglichen, unverdoppelten Zustand. Weiter erfolgt die Zwillingsbildung eines
Kristalls normalerweise nur teilweise. Ein solcher Kristall mit teilweiser oder
unvollständiger Zwillingsbildung kann nicht resoniert werden, d.h. er ist als Resonator
der hier erörterten Art unbrauchbar.
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Infolge der maximalen Druck- und Temperatureinschränkungen der weit
verbreiteten AT- und BT-Schnitt-Resonatoren besteht ein Bedarf für einen
verbesserten Druckmeßwandler mit einem Quarzkristall solcher Art, das anstelle von
AT-Schnitt- oder BT-Schnitt-Kristallen im gesamten normalen Einsatzbereich der
AT-Schnitt- und BT-Schnitt-Kristalle sowie mit höheren Drücken und
Temperaturen eingesetzt werden kann und trotzdem in angemessener Weise auf Druck
anspricht.
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Diese Erfindung vermittelt einen verbesserten Druckmeßwandler, bestehend aus
einem Quarzkristall mit einem Drehschnitt, wobei es sich beim Quarzkristall um das
Resonatorteil im Meßwandler handelt. Der Quarzkristall hat eine Orientierung in
einem Winkelbereich, während die Hauptflächen des Kristalls in einem Winkel
geschnitten sind, der durch die Orientierung bestimmt wird. Der Druckmeßwandler ist
gekennzeichnet dadurch, daß
die Winkel als Drehung um die X-Achse definiert sind, wobei die Winkel größtenteils
-25ºund größtenteils -45º gegenüber der Z-Achse der X-, Y- und Z-Kristallachsen
sind.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung vermittelt einen Druckmeßwandler,
bestehend aus einem größtenteils zylindrischen Dickenscherungsschwingungs-
Quarzkristallresonator mit größtenteils parallelen Hauptflächen, die parallel zu einer
Orientierung verlaufen, die in einem Winkel von größtenteils -25º bis größtenteils
-45º gegenüber der Z-Achse eine Drehung um die X-Achse der X-, Y- und Z-
Kristallachsen geschnitten sind.
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In einer spezifischeren Ausführung befindet sich der Schnittwinkel des
Quarzkristalls im Bereich von größtenteils -25º bis größtenteils -35º gegenüber der
Z-Achse. Noch spezifischer wird der Quarzkristall in einem Winkel gleich dem eines
AT-Schnitt-Kristalls mit Zwillingsbildung orientiert.
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Um ein besseres Verständnis der Erfindung herbeizuführen, wird auf die
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
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FIG. 1 einen mit Bezug auf die X-, Y- und Z-Kristallachsen orientierten
Quarzkristall.
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FIG. 2 die Orientierung herkömmlicher X-Schnitt-, Y-Schnitt- und Z-
Schnittflächen gegenüber den X-, Y- und Z-Kristallachsen.
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FIG. 3 die Ebenen an den Grenzen des Schnittbereichs für
Quarzkristallresonatoren der Druckmeßwandler dieser Erfindung sowie die Ebenen für
herkömmliche AT- und BT-Schnitt-Resonatoren.
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FIG. 3A einen Dickenscherungsschwingungs-Quarzkristallresonator, der nach
dieser Erfindung orientiert ist.
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FIG. 4-10A bekannte Druckmeßwandler als Beispiele für die strukturellen
Konfigurationen, die Meßwandler dieser Erfindung aufweisen können.
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FIG. 1 zeigt ein gegenüber den X-, Y- und Z-Kristallachsen orientiertes
Quarzkristall 2. Die X-Achse ist die elektrische Achse, die Y-Achse ist die
mechanische Achse und die Z-Achse ist die optische Achse laut bekannter Technik.
Die korrekte Orientierung des Kristalls 2 gegenüber den Achsen kann auf bekannte
Weise herbeigeführt werden, wie z.B. durch die dem Fachmann bekannte Röntgen-
Diffraktionsmethode.
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Von der in FIG. 1 gezeigten Orientierung kann Kristall 2 auf bekannte Weise
mit einem oder mehreren Winkeln gegenüber einer oder mehreren Kristallachsen
geschnitten werden. Zur Veranschaulichung werden in FIG. 2 herkömmliche X-
Schnitt-, Y-Schnitt- und Z-Schnittorientierungen dargestellt. Bezugnehmend auf FIG.
3 werden die Orientierungen herkömmlicher Dickenscherungsschwingungs-
Quarzkristallresonatoren mit AT- und BT-Schnitt gezeigt. Die Hauptflächen der
ATund BT-Schnitt-Kristalle, an denen die Elektroden im Druckmeßwandler der diese
Erfindung betreffenden Art befestigt werden sollten, sind jeweils parallel zu den oder
inklusive der Planarflächen 4, 6 in FIG. 3 ausgeführt. Die Planarfläche 4 wird von der
Z-Achse im Winkel von +35º 15' um die X-Achse gedreht. Die Planarfläche 6 wird
im Winkel von -49º von der Z-Achse um die X-Achse gedreht. Als
Dickenscherungsschwingungs-Resonatoren weisen die AT- und BT-Schnitt-Kristalle eine
Dicke auf, die größtenteils kleiner als die Durchmesser oder die maximale lineare
Abmessung ihrer Hauptflächen ausfällt.
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Gleichfalls erscheinen in FIG. 3 zwei Planarflächen 8, 10, die die
Winkegrenzen der Schnittbereichsorientierungen für Quarzkristalle darstellen, die in
Druckmeßwandlern nach dieser Erfindung aufgenommen werden. Die Oberfläche 8
wird im Winkel von ca. -25º von der Z-Achse um die X-Achse gedreht, während
Oberfläche 10 im Winkel von ca. -45º von der Z-Achse um die X-Achse gedreht
wird. So werden die Hauptflächen eines Quarzkristallresonators dieser Erfindung in
einem Winkel im Bereich zwischen ca. -25º und ca. -45º geschnitten. Wenn φ den
Winkel gegenüber der Z-Achse und 0 den Winkel gegenüber der X-Achse bezeichnet,
sind die Hauptflächen des Quarzkristalls in dieser Erfindung im Bereich von φ = ca.
-25º bis ca. -45º und θ = 0º orientiert. Somit hat der Quarzkristall dieser Erfindung
einen einzelnen Drehschnitt. Ein bevorzugterer Bereich ist φ = ca. -25º bis ca.-35º
und θ = 0º.
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Eine besonders bevorzugte Orientierung hat einen Winkel von φ = -35º 15',
so daß der Quarzkristall gleich einem AT-Schnitt-Kristall mit kompletter oder
perfekter Zwillingsbildung geschnitten ist. Obwohl diese spezifische Orientierung
einen Resonator erzeugt, der mit ausgeprägterer Temperaturempfindlichkeit auf Druck
anspricht als ein herkömmlicher AT-Schnitt-Quarzkristallresonator, konnten wir
feststellen, daß ein Quarzkristallresonator dieser speziellen Orientierung dieser
Erfindung in akzeptabler Weise auf Druck anspricht sowie einen breiteren
Einsatzbereich als entweder AT- oder BT-Schnitt-Quarzkristallresonatoren aufweist.
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In den bevorzugten Ausführungen ist ein Quarzkristallresonator dieser
Erfindung größtenteils zylindrisch, d.h. die Peripherie der Hauptflächen des Kristalls
ist rund mit Ausnahme eines bevorzugten abgeflachten Abschnitts des Randes, der zur
externen Anzeige der Orientierung vorgesehen wird. Ein so abgeflachter Rand sowie
die bevorzugte zylindrische Form wurden bereits in Quarzkristallresonatoren nach
bekanntem Stand der Technik benutzt. Eine solche Orientierung mit einer
Winkelstellung 4) im Bereich dieser Erfindung wird durch den Quarzkristallresonator
12 in FIG. 3A dargestellt. Die größtenteils runden Hauptflächen 14, 16 sind parallel.
Der allgemein zylindrische Rand 18 hat, wie schon im Vortext erläutert, zur
Orientierung eine Flachstelle 20.
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Der Druckmeßwandler dieser Erfindung umfaßt vorzugsweise ein kristallines
Gehäuse, in dem der Quarzkristallresonator kapselig eingeschlossen wird. Das Gehäuse
weist vorzugsweise eine zylindrische Quarzkristallwand auf, durch die der Resonator
integral gebildet wird. Diese Wand steht lotrecht zu den Hauptflächen des Resonators.
Die Wand bildet bei den Hauptflächen des Resonators Hohlräume. Passende kristalline
Endkappen verschließen diese Hohlräume. Diese Konfigurationsweise ist dem
Fachmann bekannt und wurde mit den schon erwähnten AT- und BT-Schnitt-
Quarzkristallresonatoren verwendet. Beispiele dieser Konfigurationsweise gehen aus
FIG. 4-9 hervor. FIG. 4 und 5 wurden der US Patentschrift Nr.3,561,832, Karrer u.a.,
entnommen; FIG. 6 und 7 wurden der US Patentschrift Nr.3,617,780, Benjaminson
u.a., entnommen; FIG. 8 wurden der US Patentschrift Nr.4,550,610, Eernisse,
entnommen und FIG. 9 wurde der US Patentschrift Nr.4,802,370, Eernisse u.a.,
entnommen. Diese Patente werden zur Referenz angegeben.
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FIG. 6 und 7 veranschaulichen, daß die Hauptflächen nicht planar sein müssen,
d.h. sie müssen also nicht unbedingt parallel sein. HG. 8 zeigt den Resonator, der in
eine Oszillatorschaltung verknüpft ist. Angesichts des Winkelbereichs dieser im
Vortext beschriebenen Erfindung ist dem Fachmann die Fertigung solcher Gehäuse
und der gesamten Druckmeßwandler bekannt. Eine bei der Fertigung der Ausführung
bevorzugte Methode und deren Bauweise gehen aus HG. 10 und 10A hervor. Dabei
handelt es sich um einen dem Fachmann einschlägig bekannten Typ. Zunächst wird
ein Resonator 22 aus einem Stück hergestellt, dann bilden sich daneben Hohlräume,
die durch die hohlen Endkappen 24, 26 dargestellt werden. Diverse
Resonatorkonfigurationen
können verwendet werden. So kann beispielsweise ein zweiter Kristall
der gleichen Orientierung wie der des Drucksensors, der jedoch nicht dem Druck
ausgesetzt wird, zum Ausgleichen der Temperatureinwirkungen durch Vergleichen der
Frequenzveränderungen beider Resonatoren benutzt werden. Dem Drucksensor und 1
oder dem Vergleichskristall kann beispielsweise ein Temperatur-Ibezugskristall
beigefügt werden.
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Wir haben verschiedene Drucksensoren der in FIG. 10 und 10A gezeigten Art
hergestellt, wobei jedoch ein Kristallschnitt nach dieser Erfindung eingesetzt wurde.
Drei verschiedene Kristallorientierungen wurden benutzt. Dabei handelt es sich um die
folgenden: -35º, -40º und -45º gegenüber der Z-Achse. Die Fertigung und der
Zusammenbau der Resonatoren und zugehörigen Endkappen wurde mit Hilfe
bewährter Methoden durchgeführt. Fünf Drucksensoren dieser Art wurden bei
Temperaturen bis 230ºC und Druck bis 206 MPa getestet. Dabei kam es zu keinem
Ausfall. Zu beachten ist, daß diese Temperaturen und Drücke nicht die nützlichen
Grenzwerte der Erfindung darstellen, sondern lediglich die Grenzen der Prüfanlagen
darstellen. Obwohl wir keine Schnitte bei -25º getestet haben, gehen wir davon aus,
daß ein bevorzugter Bereich zwischen -25º und -35º liegt, weil der Frequenz-
Temperatur-Übergang bei weniger negativ werdendem Winkel ansteigt. Das erlaubt
möglicherweise höhere Temperaturen.
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Der im Vortext beschriebene Druckmeßwandler kann zum Überwachen von
Druck in heißen Umgebungen eingesetzt werden. Diese Verwendung umfaßt das
Erkennen von Druck in der Umgebung durch einen Quarzkristall mit einem
Drehschnitt in einem Winkel, der dem schon beschriebenen Bereich von ca. -25º bis
ca. -45º gegenüber der Z-Kristallachse entspricht, so daß der Quarzkristall weder
zerbricht noch es, ansprechend auf Druck oder Temperatur, zur Zwillingsbildung
kommt.
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Solcher Druck kann mindestens 138 MPa bei Temperaturen von wenigstens ca.
200º C sein. In dieser Umgebung kann diese Erfindung eingesetzt werden, geht jedoch
über den unteren, sicheren Einsatzbereich herkömmlicher AT- und BT-Schnitt-
Kristalle hinaus (in dem diese Erfindung gleichfalls eingesetzt werden kann). Das
Erkennen erfolgt durch piezoelektrisches Ansprechen des Quarzkristallresonators auf
die Umgebungstemperatur. Dieses Ansprechen wird von der Oszillatorschaltung
festgestellt, in die der Resonator laut Darstellung der Anordnung in FIG. 8
eingebunden ist und wie sie dem Fachmann bekannt ist.
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Ein Öl- und Gasbohrloch ist ein spezifisches Beispiel einer Umgebung, in der
diese Erfindung eingesetzt werden kann. So kann der Druckmeßwandler dieser
Erfindung beispielsweise in einem Bohrlochmeß- und Aufzeichnungsgerät eingesetzt
werden, wie es in US Patentschrift Nr.4,866,607, Anderson u.a., eröffnet wird.