FR2531532A1 - Capteur piezo-electrique, notamment pour la mesure de pressions - Google Patents

Abstract

DANS UN CAPTEUR DE PRESSION DU TYPE PIEZO-ELECTRIQUE, UN RESONATEUR 10 EST FORME PAR UNE PASTILLE 16 MONTEE A L'INTERIEUR D'UN ELEMENT PROPRE A SUBIR L'ACTION D'UNE PRESSION SUR SA FACE EXTERIEURE 18. LA PASTILLE 16 ET L'ELEMENT 12 SONT TAILLES DANS UN MEME BLOC DE QUARTZ, SELON UNE COUPE FOURNISSANT DEUX MODES DE VIBRATION. LES EFFORTS RESULTANT DE LA PRESSION EXTERNE SONT TRANSMIS A LA TRANCHE DE LA PASTILLE 16 PAR DES PONTS DE LIAISON 22, 23 DONT L'ORIENTATION CHOISIE DE FACON TELLE QUE LA SENSIBILITE AUX EFFORTS DE L'UN DES MODES DE VIBRATION SOIT MAXIMALE TANDIS QUE CELLE DE L'AUTRE MODE EST PRATIQUEMENT NULLE.

Description

Capteur _iézo-électrique, notamment pour la mesure de pressions. La

présente invention est relative aux mesures de pressions, en particulier de pressions corrigées en température Elle s'applique notamment à la mesure de pressions de fluide dans

des puits souterrains, tels que les puits de pétrole en pro-

duction. On sait que les mesures de pressions revêtent une grande

importance pour la connaissance des paramètres de producti-

bilité d'un puits de pétroleo En particulier, il est essentiel de pouvoir déceler des variations relativement minimes de la pression des fluides produits à un niveau de profondeur donné, l'interprétation de ces variations permettant de procéder a une exploitation rationnelle des ressources pétrolières du puitso En raison de la profondeur souvent grande des couches pétroleères, la pression hydrostatique dans le puits à leur niveau peut être très élevée Il est courant d'atteindre des valeurs de 1000 à 1400 barso En revanche, les variations de

pressions que l'on cherche à déceler peuvent être aussi fai-

bles que 7 1104 bars En conséquence, les mesures de pres-

sions considérées doivent être effectuées avec une précision

relative très élevée.

Non seulement les mesures de pressions dans les puits de 2- pétrole doivent être effectuées avec une grande précision mais elles nécessitent des capteurs capables de supporter l'environnement particulièrement sévère que constitue un puits de pétrole en raison de la longueur même des puits, de l'environnement souvent hostile dans lequel ils sont

situés, et surtout des niveaux élevés de température aux-

quels ces capteurs peuvent être soumis à grande profondeur.

Outre une précision élevée, ces capteurs doivent donc pré-

senter une très faible sensibilité aux variations de tempé-

rature dont l'ampleur peut souvent être considérable entre

deux points de mesure à des profondeurs différentes en rai-

son du degré géothermique.

On a déjà proposé d'utiliser, pour effectuer des mesures de pression dans des puits de pétrole, des résonateurs à quartz piézo-électriques Ces appareils possèdent en effet les propriétés de sensibilité à la pression requises En revanche, les résonateurs à quartz sont extrêmement sensibles à la température, des variations de quelques fractions de degrés Celsius étant en général suffisantes pour fausser

notablement les mesures de pression réalisées Afin d'élimi-

ner cet inconvénient, une réalisation de l'art antérieur comprend deux résonateurs à quartz identiques et montés à

proximité l'un de l'autre dans une sonde propre à être des-

cendue dans un puits de pétrole, l'un de ces résonateurs étant soumis à la pression régnant à l'extérieur de la sonde tandis que l'autre en est protégé par une enveloppe rigide

et reste soumis à une pression de référence Dans ces condi-

tions, les variations de la fréquence du résonateur de réfé-

rence sont dues aux seules variations de température Il suffit de combiner les fréquences de sortie du résonateur de référence et du résonateur de mesure pour obtenir une fréquence de battement qui varie seulement avec la pression

et en principe, indépendamment des variations de la tempéra-

ture environnant la sonde Ces résonateurs peuvent être par exemple constitués par des diaphragmes ou pastilles disposés transversalement à l'intérieur d'un cylindre Le cylindre et le diaphragme font partie d'un même bloc de quartz La pression agissant à l'extérieur du cylindre est transmise par celui-ci à la périphérie du diaphragme; De tels capteurs

de pression sont décrits par exemple dans le Brevet Etats-

Unis N O 3 561 832 au nom de KARRER et al. Le dispositif de l'art antérieur évoqué ci-dessus présente cependant l'inconvénient de nécessiter deux résonateurs qui sont nécessairement séparés l'un de l'autre, de telle façon Io que les variations de température qui affectent l'un d'eux n'affectent pas nécessairement l'autre au même moment Cet inconvénient peut prendre des proportions suffisantes pour troubler l'efficacité de la mesure en raison de l'extrême sensibilité de cette dernière à la température, comme on l'a

indiqué précédemment.

Ce même inconvénient est présent dans une variante deréali-

sation du Brevet Etats-Unis NO 3 561 832 dans lequel on utili-

se deux cylindres à diaphragme résonateur accolés bout à bout.

Dans l'un de ces cylindres, le diaphragme est rattaché à la paroi interne du cylindre par deux languettes diamétralemen t opposées dans une direction qui correspond a un coefficient de sensibilité à la pression positif maximal, Dans l'autre

cylindre, le diaphragme est relié à la paroi interne de cy-

lindre par deux languettes dont la direction permet d'obtenir

un coefficient de sensibilité à la pression négatif maximum.

Les signaux obtenus à la sortie des deux résonateurs sont com-

binés de façon à augmenter la sensibilité du signal, résultant à la pressiontandis que les effets de la température sur

le comportement des deux diaphragmes tendent à se compenser.

Toutefois, ceci suppose que les, températures des deux diaphrag-

mes soient identiques Tel, on l'a vu, n'est pas toujours le cas, et cela notamm&nt dans le cas de variations rapides de

la température.

L'invention a pour objet un capteur à résonateur piézo-

électrique capable de fournir des mesures de grande précision

tant de la pression que de la température du résonateur lui-

même, notamment en vue de son application à la mesure dans les conditions d'utilisation particulières propres aux puits

de pétrole ou à la géothermie.

cet effete l'invention a pour ob'jet un capteur de pression comprenant un bloc de cristal piézo-électrique comportant un élément externe, par exemple à section annulaire, dont la surface extérieure 'peut être sourtise à la pression à mesurer et une pastille de résonateur soustraite à l'action directe de la pression, par exemple un montage à l'intérieur de éléd 1-ment annulaires et reliée par sa périphérie à l' élément externe pour ei recevoir des ef-ozts correspondant ' la pression appliquée à cet élément externeo De façon caracté 1 i 2stiqu= la pastille est taillée dans le quartz d% telle façon que la coupe présente un premier et un deuxième mode de vibration tels que, par exlemple, des modes de vibration

quasi-transvexsale Sa périphérie est stpare de la face in-

terne de l'élément externe par un intervalle le long duquel sont distribués des ponts de liaison avec l'élément externe ossurarnt la transmission à la pastille des efforts engendrés par la pression dans des directions dont les azimuts sont

sélectionnés par rapport à au moins un axe cristallographi-

que de la coupe (ou sa projection) pour que la sensibilité d'une fréquence de résonance de cette pastille à ces effort Z; 7 choisie parmi les fréquences de résonance possibles, soit importante dans la premier mode de vibration et pratiquement nulle dans le deuxième La coupe de cristal piézo-électrique peut êtze une coupe simple rotation et avantageusement une coupe double rotation ou triple rotation Par ailleurs, le

fonctionnement résumé ci-dessus est un fonctionnement préfé-

rentiel, L'inivention englobe l'utilisation de deux fréquences quelconques choisies parmi les fréquences fondamentales ou partielles ou anharmoniques des trois modes de vibration d'un cristal piézo-électrique habituellement désignés par les appellations A, B et C, auxquels il est fait référence

plus en détail ci-après.

L'invention repose sur l'observation qu'il existe, dans une coupe cristallographique d'un matériau piézo-électrique tel qu'un cristal de quartz, et notamment dans les coupes dites double rotation, des directions suivant lesquelles la fréquence de résonance du cristal est plus sensible à une

force appliquée suivant ces directions que dans d'autres.

Elle repose également sur la constatation que, dans certaines

au moins de ces coupes, il est possible de choisir la direc-

tion d'application des efforts sur la pastille de telle façon que, selon au moins un des modes de vibration possibles, la fréquence soit pratiquement insensible à l'intensité de ces efforts, ce qui permet d'obtenir un 'signal représentatif des seules variations de température à la fois avec une grande

précision et une grande stabilité.

Il est déjà connu, par exemple par le Brevet Etats-Unis N O 4 079 280 au nom de KUSTERS et al du 14 mars 1978, de capter dans un résonateur piézoélectrique des signaux de

fréquence résultant de deux-modes de vibration distincts.

L'un de ces signaux est utilisé comme une mesure de la tempé-

rature interne du cristal et l'autre comme une fréquence de référence Le signal fournissant la mesure de température peut être utilisé pour corriger les mesures faites à l'aide de

l'autre signal ou pour stabiliser-la fréquence de ce dernier.

L'invention se distingue à l'égard de telles techniques, no-

tamment par le fait que, dans le cas notamment d'un capteur sensible à la pression, on peut obtenir un signal qui dépend pratiquement de la seule température et non de la pression par un choix convenable de la ou des directions d'application

des efforts résultant de la pression à la pastille du résona-

teur, à l'aide de ponts Elle repose en particulier sur la constatation remarquable qu'il est possible, pour une telle

direction d'application des efforts, d'obtenir une bonne sen-

sibilité de l'autre mode aux variations de ces derniers.

2 Ainsi, on peut obtenir simultanément une sensibilité élevée, voire maximale, de la fréquence à la valeur de la force dans l'un des modes vibratoires tandis que celle-ci peut être

pratiquement réduite à zéro dans l'autre Il existe en par-

ticulier des coupes de cristal piézo-électrique dans les-

quelles, par un choix convenable de la position des ponts par lesquels les efforts résultant de la pression sont appliqués

à la pastille de résonateur, on obtient une sensibilité éle-

vée du premier mode à la force avec une reproductibilité et

une stabilité suffisantes pour fournir des mesures de pres-

sions avec la fidélité recherchée, tandis que les variations de la fréquence du deuxième mode fournissent des indications

des variations de température indépendamment de la pression.

Ces dernières indications peuvent être utilisées pour élimi-

ner ultérieurement l'influence des variations de température

sur le mode sensible à la pression avec une grande précision.

Cette précision résulte notamment du fait qu'il n'est pas besoin de faire appel à un élément extérieur au capteur de

pression pour corriger les effets des variations de tempé-

rature de celui-ci Ces variations sont en effet directement prises en compte par une mesure sur le même cristal mais

faisant intervenir un autre mode de vibration.

A cet égard, on remarque que l'invention englobe un capteur de température comprenant un bloc de matériau piézo-électrique du type évoqué précédemment Lorsqu'un tel capteur est destiné

à être utilisé dans un milieu o il est soumis à des contrain-

tes d'origine externe variables, la pastille résonateur est reliée à l'élément externe par des ponts qui transmettent au résonateur des efforts résultant de ces contraintes dans des directions sélectionnées La disposition de ces ponts

est choisie de telle manière que la sensibilité de la fré-

quence de résonance de la pastille aux efforts qui lui sont

transmis soit pratiquement nulle dans l'un des modes de vi-

bration de la pastille.

L'invention peut être mise en oeuvre sous différentes formes de réalisation tant en ce qui concerne le choix des coupes du matériau piézoélectrique permettant d'obtenir l'effet recherché que le nombre et la disposition des ponts reliant la pastille à l'élément externe transmetteur d'effortso A cet égard, elle prévoit notamment des dispositions dans lesqcruelles on peut utiliser soit deux ponts transmettant les efforts selon une même direction et en sens opposée soit deux couples de tels ponts orientés dans des directions

alignées deux à deux, soit trois ponts.

En outre, l'invention se prête tout à fait à la mise en oeu-

vze de dispositions propres à restreindre les effets dûs au vieillissement du matériau utilisé comme résonateur En particulier, elle permet l'application des dispositions connues sous le nom de BVA (boîtier à vieillissement ameéliozré

Des explications complémentaires et la description de modes

de réalisation non limitatifs s ont donnés ci-apres en réfé-

rence aux dessins annexés, dans lesquels:

la figure 1 représente une vue en coupe par un plan longitu-

dinal i-I (figure 2) d'une première forme de réalisation d'un capteur selon l'invention;

la figure 2 représente une vue en plan de la pastille du ré-

sonateur de la figure 1; la figure 3 illustre en perspective un deuxième mode de réalisation d'un résonateur; la figure 4 illustre encore un mode de réalisation d'un capteur de pression;

la figure 5 est un schéma dans l'espace illustrant la défi-

nition des coupes double rotatipns la figure 6 est un diagramme de sensibilité de la fréquence en fonction de la direction d'application de la force pour

deux modes de vibration transvex,-sale;-

la f igure 7 est un diagraimme' semblable poux une autre famille de coupes cxistallines selon dieux valeuxs différentes de -l'un de ses paramètxes n Lixs

Wà i 111 tr-vit difféxnte agexice-

îcîent des j -onîis de suspension d'une p-ast Ci 1 le vibrante

i <&et tansotettcuz de Pessîon,-

la fiue 9 i 1 seles cixcuits &Ces x d'un capteuz 2-

dans un puits de poe J 5 les f icrli Es 10 A et 103 crsetn deux ursdia 2 e cls sensibilité auxn ef-forts poux c'es Mdirsc_'- ons ilsxe fuxf iqîurîzs l OC et l OD lafigure Il rep:xé:sente une ux variantz de a air

du ca Pteur 0.

Suir les -figures 1 et 2, un z-ésonate,ur co-zpr Oend 1 une plaquetta circulîire 10 m-Lonolithique er cquarkt 2 comrapxnÉnt un élément

12 de section annulaire qui constitue une couronne cylindxzi-

que dont les faces inféîieuze et su-péri-ireue 13 et 14 sont.

Maintenues entre des fraces de forme correspondante eh regard de deux, chapeauxz, l'un in Zéxi,-îèur 20 et l'autre supérieur 21, de formte extérieure hémisphérice -Jiassertbla,:ge de la figurze 1 se présente ainsi sensiblement sous la forme d'une bille qui peuit etre montée à l'intérieur d'une sonde dlans une

position dans laquelle la tranche ex-térieu Lre 18 de la pla-

quette 10 peut Btrie soumx Je a la P:ession à mesurer sien enter-du, on peut monter le capteue de telle façon que toute

la surface externe de la bille soit soumise à la pression.

Les deux chapeaux 20 et 21 sont réunis par collage a cette

plaquette ou par thermocompression utilisant un dépôt mé-

tallique préalable.

En son centre, la plaquette 10 comprend une pastille circu-

laire 16 formée dans le même bloc de quartz que la couronne 12 et reliée à celle-ci par des éléments ou ponts monoblocs diamétralement opposés 22 et 23 laissant subsister entre la périphérie 17 de la plaquette 16 et le bord interne 25 de la couronne 12 un intervalle 26 en arc de cercle de telle sorte

que tous les efforts résultants de l'application de la pres-

sion extérieure sur la tranche 18 de la couronne 12 sont transmis à la pastille 16 dans une direction parallèle au

plan de cette pastille par les deux ponts 22 et 23 -

La face supérieure 27 de la pastille 16 et sa face inférieure 28 présentent un rayon de courbure vers l'extérieur selon une disposition qui permet de favoriser le piégeage de l'énergie d'excitation des vibrations de la pastille 16 A sa périphérie, la pastille 16 s'amincit Les ponts 22 et

23 (figure 1) assurent la suspension de la pastille 16 à l'in-

térieur de la couronne 12.

Chacun des blocs 20 et 21 comprend, dans sa partie centrale, des évidements 30 et 31 définissant des chambres limitées par les faces supérieure et inférieure 27 et 28 de la pastille 16 et communiquant par les intervalles 26 A l'intérieur de ces chambres, sont taillées, dans les blocs 20 et 21, des saillies 32 et 33 ayant chacune une face terminale concave, de rayon de courbure sensiblement égal à celui de la pastille 16, ou simplement plane et parallèle au plan de la plaquette 10,

cette face étant revêtue d'une électrode 34 et 35 Ces élec-

trodes sont disposées en regard des faces bombées 27 et 28

de la pastille 16 à quelques microns de distance.

Chacune des électrodes 34 et 35 est reliée à un circuit d'ex-

citation non représenté qui, de façon classique, permet d'en-

tretenir un régime vibratoire dans la pastille 16 à une fré-

quence qui peut être mesurée par la fréquence du signal élec-

trique d'excitation de cette vibrati Dn.

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La vibration d'une pastille telle que 16 fait intervenir

plusieurs modes, à savoir un mode de vibration quasi-

longitudinale, parfois aussi appelé mode A, et deux modes de vibrations luasi-transversales,orthogonaux entre eux et par rapport au mode A, aussi appelés modes B et C, dans les-

quels le déplacement des particules s'effectue dans une di-

rection perpendiculaire à la transmission de l'énergie On parle ainsi de vibrations en cisaillement d'épaisseur pour les modes B et C. En ce qui concerne leur détection, ces modes peuvent être caractérisés par leurs fréquences, le mode A correspondant à la vitesse de propagation de l'onde acoustique la plus

rapide, et le mode C à la plus lente.

En outre, il est possible, par des techniques de dimension-

nement appropriées et bien connues dans la technique consi-

dérée de favoriser l'amplitude de l'un ou de plusieurs de ces modes oscillatoires aux dépens des autres En pratique, l'importance respective de ces modes dépend d'abord de la coupe et des rayons de courbure de ses faces supérieure et

inférieure 27 et 28.

On sait que le quartz est un matériau anisotrope, tant sur le plan optique qu'électrique qui possède un axe optique Z et un axe électrique X, les angles définissant une face dans un bloc de quartz étant repérés par rapport à un trièdre droit OXYZ dans lequel l'axe Y est orthogonal aux axes

optique et électrique.

Pour une plaquette 40 prise à titre d'exemple dans la figure , le plan de coupe peut être défini par l'angle W entre les axes OX et O X", OX" étant la trace du plan de la plaquette

dans le plan OXY, et e l'angle antre l'axe OZ" perpendicu-

laire à OX" dans le plan de la plaquette 40 et l'axe optique OZ Dans le plan de la plaquette, une direction quelconque 42 peut être repérée en azimut i par l'angle qu'elle forme avec l'axe O X" Lorsqu'une coupe fait intervenir deux angles p et O non nuls, pour sa définition, on la désignele plus souvent sous le nom de coupe double rotation Les pastilles

vibrantes taillées selon de telles coupes présentent l'avan-

tage d'offrir deux modes de vibrations quasi-transversaux o B et C qui, tous deux, sont utilisables dans le cadre d'une roesure de pression selon l'inventiono En général, chacun des modes de vibration d'une-pastille l O telle que 16 peut être caractérisé par la sensibilité de sa rquence de résonance à la direction d'application d'une force parallèlement à son plan, la direction de cette force étant repérée par son azimut En outre, chacune de ces :efiquences varie en général en fonction de la température selon une deuxième caractéristiqueo Le coefficient de sensibilité de la fréquence de résonance à la force est défini par la relation ( 9) f/f x 1/F * e D/M

dans laquelle ' est l'azimut de la direction d'application -

des forces F est l'intensité des forces appliquées,; e est l'épaisseur du résonateur; D est son diamètre; As est la ccnstante de fréquence de l'onde propagée; et Af/f O est la variation de fréquence relative correspondant à l'application des forces Fo En ce qui concerne la variation relative de la fréquence en fonction de la température, celle- ci peut être représentée, de manière satisfaisante, par un polynôme du troisième degré, 2 3 d CT Af/f O = a(T-TO) + b(T-TO) + c(T-T 0)3 + a d T o a, b, c sont des coefficients statistiques et a un coeffi- cient dynamique du premier ordre T est la température, TO O r d Tr

une température de référenceo a d représente 1 'effet transi-

cit

toire lors d'une variation temporelle de To.

On a représentéa sur là figure 6, par la courbe 50 du dia-

gra-me, la variation de la sensibilité KF en fonction de l'azi-

rut ' d'application des forces F du mode de vibration trans-

versale C, c 'est-à-dire le mode lent, pour une coupe appar-

tenant à la famille dite SC (Stress Compensated) définie par 1 S des angles 8 = 33,93 et P = 21,93 On remarque que cette

courbe de sensibilité a une forme approximativement sinusor-

dale de période z o On a représenté en 60 la courbe correspon-

dante pour le mode de vibration transversale rapide ( 3) E le prés'ente elle aussi une forme approximativement sinusoidale mais décalée du côSté des valeurs positives de Kr Ces deux courbes 50 et 60 sont "déphasées" l'une par rapport à l'autre de telle feaçon que si l'on considère les directions dans un secteur angulaire typique compris entre 108 et 1200 (en hachure sur la figure) on constate que les valeurs de la sensibilité fournies par la courbe 50 (C) sont voisines de leur maximum en valeur absolue (sensibilité négative) tandis que les valeurs correspondantes dans le mode B (courbe 60)

sont au voisinage de 0.

On met à profit cette constatation selon 1 invention pouzr, dans un 9 plaquette telle que celle de la figure 2, orienter

l'axe des ponts 22, 23, de telle façon que les forces élémen-

taires transmises radialement par ces ponts à la pastille 16

dans des directions diamétralement opposées forment un éven-

tail correspondant à une largeur angulaire de pont 8 = 12 ,

les bissectrices de ces ponts étant alignées dans une di-

rection 4 faisant un angle de 116 avec la direction X" et

son complément à 360 , soit 294 0.

Avec une telle plaquette 10, la sensibilité KF de la pastille 16 aux efforts transmis sous l'effet de lapression agissant notamment sur la tranche 18 de cette plaquette est d'environ

-1,110-o 14 m sec/N pour le mode lent C La mesure de fré-

quence correspondante est toutefois fonction de la tempéra-

ture selon la relation définie ci-dessus.

En revanche, si l'on mesure la fréquence dans le mode B (courbe 60), celle-ci n'est pas influencée par la valeur de la pression autour du bottier de mesure Ses variations de fréquence sont donc principalement fonction des valeurs

de la température.

En se référant à la figure 9, on a représenté un puits de

pétrole 100 comprenant une colonne de production 102 à l'in-

térieur de laquelle est descendue au bout d'un cable 104 raccordé à une station de mesure 101 en surface 122, une

sonde 106 dans laquelle est monté un dispositif 107 compre-

nant un capteur 108 selon l'invention dont le contenu est

illustré en détail dans le cadre en tiret 107 Les électro-

des 109 et 110 du capteur 108 'sont connectées à un amplifica-

teur 111 accordé sur la fréquence f B du mode B et à un ampli-

ficateur 112 accordé sur la fréquence f C du mode C Les sor-

ties de ces amplificateurs sont filtrées dans des filtres

respectifs 113, 114, mises en forme dans des circuits res-

pectifs 115 et 116 Les créneaux de signaux de s Qrtie des circuits 115 et 116 sont comptés dans des compteurs 117 et 118 qui fournissent des indications numériques de f B et f à un circuit de mémoire et de traitement 120 Ce circuit, par exemple basé sur un microprocesseur, permet de déterminer à partir de f une valeur corrigée de la pression mesurée en C fonction du signal représentatif de la température fo On parvient à obtenir, avec des systèmes selon l'invention,

une stabilité relative de la fréquence de la mesure de pres-

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sion (mode C) d'environ 5 10 pour des temps d'observation de l'ordre d'une minute et de la mesure de température (mode

B) d'environ 10 dans les mêmes conditions.

Par exemple, pour une fréquence nominale (f) de fonction- nement en mode C de 5 M Hz, et compte tenu de sa sensibilité aux forces, ces valeurs de stabilité sont suffisantes pour obtenir des mesures de pression fiables avec une résolution

de 7 10 bars pour une pression nominale de 1360 bars.

Dans une plage de O WC à 200 WC, la sensibilité thermique du mode B en valeur absolue qui peut être considérée en première approximation comme égale à 25 x 10 6 par degré Celsius permet

de détecter une variation d'environ 5 x 10 40 C pour une me-

sure de variation de fréquence de 0,05 Hz sur 5,5 M Hz Cette

variation de fréquence du mode B fournit une mesure de tempé-

rature suffisamment précise pour permettre d'atteindre la précision recherchée pour la mesure des efforts et donc des pressions.

Ainsi, on obtient; par un choix convenable de la ligne d'ap-

plication des efforts sur la pastille 16 par rapport à l'axe cristallographique OX" dela coupe choisie,une combinaison de mesures optimales dans laquelle on allie à une grande sensibilité aux variations de pression une grande précision dans la mesure des températures Cela résulte notamment du fait que la mesure de température est directement dérivée

du cristal effectuant la mesure de pression.

On a représenté, sur la figure 2, la position des points 22 et 23 alignés selon une ligne diamétrale moyenne faisant un angle f d'environ 115 avec l'axe OX" de la coupe SC selon

laquelle est taillée la pastille 16.

Les positions relatives des courbes 50 (C) et 60 (B) de la figure 6 sont, en pratique, des données correspondant à la coupe de cristal choisie, sous réserve de ce qui a été dit auparavant sur certains paramètres d'ajustement Il est

donc possible d'agir notamment sur deux facteurs pour la réa-

lisation d'un capteur de prtssion selon 1 ' invention On peut tout d'abord modifier le nombre et la position des lignes d'application des efforts résultant de la pression sur la pastille de résonateui 16 en positionnant et éventuellement en multipliant les ponts tels que 22 et 23 Dans un exemple de réalisation à quatre pontse tel que par exemple représenté

à la figure 58 A,'une pastille 16 A est réunie à une couronne -

O 10 d'application de pression 12 A par quatre ponts 52 e 53 e 54 et 550 alignés deux à deux La direction d'alignement des ponts 520 54 est définie par un angle F 1 qui est choisi dans le cas d'une coupe SC égale à environ 30 Q les ponts impairs 530 étant alignés dans une direction d'azimut C 2 d'environ 170 o On a noté, sur la figure 6 e le point 56 correspondant à la ligne de ponts d'ordre pair On constate que pour ce point, la valeur de la sensibilité du mode C est très voisine

du maximum O de 14 10 mosec/No La sensibilité correspon- dante au mode B correspond à l'ordonnée du point 57 e soit environ 07 ol O

10 m sec/N On remarque que, pour la direction d'azimut < 20 la valeur de la sensibilité en mode C est nulle (point 58)o Au contraire, comme illustré par l'ordonnée du point 559 la sensibilité en mode B est inverse de-celle au point 57 e soit -0 07 l O 14 m sec/No Les effets de contraintes

sur le mode B s'annulent donc.

Il est également possible d'adapter la position des points d'application des forces en utilisant trois ponts (voir figue re 'B) 62, 63, 64 entre une pastille 16 B et une couronne 12 Bo La position du pont 62 est définie par un angle d'azimut F 3 correspondant à la bissectrice 65 de l'angle d'ouvertures

de ce pont Les bissectrices 66 et 67 correspondantes de cha-

cun des ponts 63 et 64 respectivement sont angulairement

espacées respectivement de a I et '2 par rapport à-la direc-

tion 65 Dans le cas général d'une disposition à trois ponts, les angles al et a 2 peuvent être différentso Dans le cas particulier représenté à la figure 8 B O les angles al et a 2 sont tous deux égaux à une valeur commune On a représenté sur la figure 10 A un réseau de courbes de

sensibilité du même type que celle de la figure 6 et paramé-

trées en fonction de la valeur de l'angle a pour une coupe SC.

On obtient ainsi huit courbes 500 ( 0) à 500 ( 80) pour des.

valeurs successives de a de O , 20 ', 40 , 60 , 65 , 70 , 75 et 80 pour le mode C Pour le mode B, on a représenté les courbes 501 ( 70), 501 ( 75) et 501 ( 80) respectivement pour î O les valeurs 70 , 75 et 80 de a Les valeurs 70 et 80 peuvent correspondre aux bornes de l'arc de cercle de 10 (figure 10 C) couvert par chaque pont 63 et 64, la sensibilité moyenne de ces ponts étant représentée par les courbes 500 ( 75 '),et 501 ( 75 ) respectivement pour les modes C et B On

remarque que, pour des valeurs de î atteignant 70 et au-

dessus, la sensibilité du mode C voit son amplitude augmenter.

Ceci résulte d'une augmentation des contraintes de cisaille-

ment par la disposition à trois ponts Sur la figure IOA, on a localisé O entre les couples de droites 505 et 506 d'une part et 507 et 508 d'autre part, les plages d'azimut pouvant

correspondre au pont 62 (figure 1 OC).

La figure 8 C illustre un autre cas particulier d'une zéali-

sation à trois ponts dans laquelle les ponts 72 et 74 sont diamétralement opposés, dans une direction définie par une ligne 75 d'azimut % 4 Le troisième pont 76 est disposé dans

une direction définie par un angle a i par rapport à la direc-

tion 75.

Comme dans le cas de la figure 8 B, il est possible, dans

* le cas de la figure 8 C, de tracer des diagrammes de sensi-

bilité paramétrés en fonction de a pour les modes B et C. Una position optimale des directions de ponts 75 et 76 peut alors être déterminée pour maximiser d'un côté la sensibilité

à la pression en mode C et l'insensibilité à ce même para-

mètre pour le mode B de façon à obtenir une variation de

fréquence ne dépendant essentiellement que de la température.

Bien entendu, on peut tracer des diagrammes de sensibilité

paramétrés en fonction des valeurs d'angles a et 02 dans-

le cas général o les valeurs de ai et CL 2 dans une dispo-

sition à trois ponts sont différentes.

La discussion précédente a été conduite en référence à une coupe SC (figure 6)> L'invention peut également être mise en oeuvre en utilisant d'autres coupes, et notamment, de préférence, des coupes double rotation On a reproduite sur la figure 7, des courbes de diagrammes de sensibilité obtenus pour une coupe dite RT (Room Temperature) en mode B et en

mode C On remarque que la sensibilité de cette coupe, par-

ticulièrement dans le mode B, passe par zéro en un point

situé entre 970 et 102 suivant la valeur du paramètre angu-

laire p de la coupe (ligne 82) On a représenté respective-

ment en 503 et 504 les courbes représentatives du mode C

dans cette coupe pour deux valeurs ç 1 et 2 p la première cou-

pe l'axe des sensibilités nulles, l'autre pâs Avec un dia-

gramme de ce type, il est possible d'obtenir un bon couple de mesures en modes B et C à l'aide de quatre ponts alignés deux à deux dans des positions propres à éliminer l'influence de la variation de pression sur le mode B (par exemple pour

des valeurs voisines de 50 et 140 pour>).

La figure l OB donne un exemple des variations des courbes

de sensibilité 2 la force pour une coupe RT pour une disposi-

tion à trois ponts semblable à celle de la figure 8 B (CL=a 2 =c) pour des valeurs de a différentes, respectivement 680, 720, et 76 pour les modes B (courbes 510) et C (courbes

511)(y compris= 82 o) On remarque que, pour un choix conve-

nable dea, on obtient une forte sensibilité du mode C dans une plage d'azimuts s'étendant approximativement de 1710 à 2010 (zones 512 et 513) avec une sensibilité quasiment nulle du mode B (voir figure IOD) Il existe d'autres modes de coupes convenables d'un cristal de quartz, par ex-mple la coupe X+ 30 ou la coupe SBTC (Stress Compensated for B mode, Temperature Compensated for C mode) Cette dernière coupe peut être utilisée avec des couples de ponts diamétralement opposés, comme la

coupe RT.

Les angles définissant ces coupes sont donnés ci-dessous: coupe SC e = 33, 93 + 2 21,93 + 2 coupe X+ 3 00 a O = 34 + 2 = 30 + 2 coupe RT a = _ 34,50 2 O 15 + 2 coupe SBTC 8 = -34,5 2 X 16,30 + 2 On a résumé, dans le tableau I ci-après, des exemples de montage de pastille de résonateur tel que 12 fournissant des mesures convenables pour l'application de l'invention Pour chaque type de coupe de cristal considérée, on a indiqué le nombre de ponts 2 (figure 2), 4 (figure 8 A), 2 + 1 (figure 8 C) ou 3 (figure 8 B), la valeur du ou des angles i définissant l'azimut des ponts ainsi que la valeur des angles a définis

précédemment.

Enfin, on a défini par B l'ouverture angulaire de chaque pont.

On remarque que, dans le cas de combinaisons de trois ponts du type représenté à la figure 8 B, la largeur angulaire du

pont 62 est double de celle des ponts 63 et 64.

TABLEAU I

Revenant aux figures 1 et 2 le capteur représenté est réali-

sé selon la technique dite BV Ao En particulier, les électro-

des 34 et 35, au lieu d 'tre déposées directement sur les

faces de la pastille vibrante 16 sont réalisées par métalli-

sation des saillies 32 et 33, ce qui permet de laisser intact le fini de la surface de la pastille, d'éviter la migration des ions métalliques dans le cristal vibrant et de minimiser les phénomènes d'hystérésiso Bien entendu, il s'agit là d'une forme préférée de réalisation, un mode simplifié avec dépôt direct sur les faces du cristal restant possibleo Les blocs et 21 sont taillés dans la même coupe de quartz que la plaquette 10 o L'ensemble est conçu de façon à ce que le quartz

travaille en compression sous l'effet della pression exté-

rieure à mesurero D'une façon générale, les caractéristiques de construction du capteur sont déterminées afin de limiter

au maximum les variations de sa fréquence de résonance pro-

pre sous l'effet du vieillissement L'enceinte 31, à l'inté-

zieur de laquelle vibre la pastille 16, est évacuée sous vide secondaireo

La figure 3 représente une autre forme de réalisation du cap-

Nombre de ponts 2 4 ( 2 + 1) 3 t=l 180 41 = 33 I 4 = 118 3 = 30 Coupe SC e= 30 y 2 = 173 "40 = = 75

2 1 =2 = 75

(SF 2 o) = 30/e'= 15 o

%= 108 % 1 = 850 4 = 1030 = 230

Coupe X+f 30 8 = 30 J 2132 a,= 40 oa 2 = 75

(Sz 20 ) = 30 /e'= 15.

%+ 1 = 015 6

Coupe RT (+SBTC) NON = 106 NON 1 2 = 75

___=_ 30 _ _= 300/ 150

teur dans laquelle une plaquette 210, constituée de façon sensiblement identique à la plaquette 10 des figures 1 et 2 et comportant deux ponts 222 et 223 pour relier une pastille vibrante 216 à une couronne transmettrice d'efforts 212, est montée entre deux chapeaux en quartz 230 et 240, de forme cy- lindrique et fermés à l'une de leurs extrémités par une face telle que 232 pour le chapeau 230 A leur extrémité opposée, les chapeaux 230 et 240 sont creux et sont assemblés par

collage (ou par thermocompvession) avec les faces respecti-

1 O ves de la couronne annulaire 212 chacun par une face annu-

laide telle que 243 pour le chapeau 2 ao 40 Les électrodes du résonateur 10 sont O dans le cas de la figure 3 a directement

déposées par métallisation sur chacune des faces de la pas-

tille 216 comme on le voit pour l 1 électrode 234 o Cette élec-

trode est reliée à l'extérieur du boîtier formé par lassem-

blage des chapeaux 230 D 2 040 et de la plaquette 210 par une métallisation 235 s'étendent jusque sur la périphérie de la face externe 219 de la plaquette, susceptible de recevoir la

pression Les embouts ou chapeaux 230 et 240 peuvent tre éga-

lement constitués sous une Mozme pseudo-sphérique.

Sur la figure 4, un boîtier de capteur 300 vu en coupe dia-

métrale longitudinale comprend un corps cylindrique 310

allongé et creux au centre duquel est formée de façon mono-

bloc une pastille transversale de résonateur 316 à faces supérieure et inférieure 317 et 318 bombées pour piéger l'énergie Le corps 310 présente, en coupe longitudinale, une section en forme de Ho Les deux extrémités du boîtier cylindrique 310 sont fermées par des chapeaux, respectivement

320 et 330 de forme également cylindrique et venant s'appli-

quer par collage ou thermocompression contae les parties -

supérieure et inférieure du bottier 310 par des faces annu-

laires 322 et 332 respectivement A leur autre extrémité O chacun des chapeaux 320, 330 est fermé par une cloison respectivement 323 et 333 Du fond de cette cloison 323, 333 dépend un bloc respectivement 324, 334 possédant une

face opposée transversale 325, 335 qui est disposée en re-

gard de la face bombée 317, 318 respective de la pastille 316 et sur laquelle est déposée une métallisation formant électrode La hauteur du boîtier 310 est choisie de telle manière que les contraintes de cisaillement dans les plans de joint 322 et 332 soient minimisées La pastille 316 est reliée au corps du boîtier 310 proprement dit par deux ponts diamétralement opposés 311 et 312 réalisés de façon analogue aux ponts précédemment évoqués et, en particulier, positionnés par rapport à l'axe cristallographique de la coupe dans la quelle est taillé le cristal du boîtier de façon à obtenir les effets recherchés évoqués précédemment La pastille 316 peut aussi être reliée au corps du boîtier 310 par plus de deux ponts (par exemple trois ou quatre ponts) conformément aux explications données précédemment Les chapeaux 320 et

330 sont taillés selon la même coupe que le corps 310 L'en-

semble du cylindre 310 et des chapeaux 320 et 330 est cal-

culé en fonction de la théorie des coques minces de façon telle qu'en tous points le boîtier travaille en compression

sous l'effet de la pression externe Dans la structure repré-

sentée à la figure 4, il existe un effet d'amplification des variations de la contrainte appliquée à la pastille vibrante

316 sous l'effet des variations de pressions qui permet d'amé-

liorer la sensibilité du dispositif L'enceinte formée à l'intérieur du boîtier 310 et des chapeaux 320 et 330 est

évacuée ou remplie d'hélium ou d'un autre gaz inerte.

L'inirention n'est pas limitée au cas de pastilles vibrantes circulaires Il est par exemple, possible d'utiliser des pastilles rectangulaires Un exemple de réalisation en est représenté sur la figure 11 Un boîtier cylindrique 400 est

taillé dans un cristal de quartz d'une pièce avec une pla-

quette rectangulaire 416 parallèle à un plan passant par l'axe du boîtier cylindrique 400 Les côtés longitudinaux 425 de la plaquette 416 sont reliés par des ponts 420 et 421 à la face interne 402 du cylindre 400 Ces ponts sont situés

environ à la moitié de la dimension longitudinale de la pla-

quette 416 et alignés dans une direction transversale à l'axe 426 du cylindre 400 La coupe du quartz dans lequel est taillé l'ensemble de la figure Il est sélectionnée de telle manière que la direction d'alignement transversal des ponts 420 et 421 fasse un angle d'azimut sélectionné à l'avance avec l'axe cristallographique de la coupe parallèl- lement à laquelle s'étend la plaquette 416, cet angle étant

choisi en fonction des considérations évoquées ci-dessus.

Les faces supérieure et inférieure 430 et 431 de la pla-

quette 416 sont bombées de façon cylindrique dans leur par la tie centrale et légèrement biseautées en 432 en s'amincissant

en direction des faces terminales telles que 434 de la pla-

quette ainsi réalisée Les extrémités annulairesrespective-

ment 406 et 408, du cylindre creux 400,peuvent être fermées par de simples pastilles collées non représentées afin de permettre le maintien d'un vide poussé à l'intérieur de la cavité interne du cylindre De ces pastilles peuvent dépendre des languettes qui avancent dans le cylindre 400 et portent des électrodes au voisinage immédiat des faces 43 Q et 431, pour provoquer et entretenir la vibration de la plaquette 416 Lorsqu'une pression s'applique sur la face externe 427 du boîtier 400, des forces égales et opposées sont transmises par la paroi interne du boîtier à la plaquette 416 dans un

plan parallèle à celle-ci et selon une direction perpendi-

culaire à l'axe 426 L'amplitude de ces forces pour une

pression donnée peut être-réglée par la dimension longitu-

dinale des ponts 420 et 421 La dimension longitudinale de la plaquette 416 dans cet exemple est légèrement inférieure

à celle du corps cylindrique 400.

Bien que les modes de réalisation préférentiels qui viennent

d'être décrits soient réalisés à l'aide de quartz, les prin-

cipes de l'invention seraient applicables aux autres maté-

riaux piézo-électriques de la même classe cristallographique que le quartz, notamment aux matériaux susceptibles de vibrer selon deux modes de vibrations transversales en cisaillement d'épaisseur.

Claims (11)

Revendications.

1 Capteur de pression piézo-électrique, notamment pour l uti-

lisation dans des puits forés à très grande profondeur et comprenant un bloc de matériau piézo-électrique possédant un élément externe ayant une surface propre à recevoir la pression à mesureret une pastille de résonateur soustraite

à l'action directe de la pression et reliée à l'élément ex-

terne pour en recevoir des sefforts correspondant à la pressfon appliquée, et des moyens comprenant deux électrodes de part et d'autre de cette pastille pour la faire entrer en résonance et mesurer sa fréquence de vibration, caractérisé en ce que

ladite pastille étant taillée dans le matériau piézo-

électrique suivant une àoupe possédant au moins deux modes de vibration, la périphérie de ladite pastille ( 16) est séparée dudit élément externe ( 12) par un intervalle libre le long duquel sont distribués les ponts de liaison ( 22, 23) assurant la transmission d'efforts à la pastille dans un plan -sensiblement parallèle au plan de la coupe sous l'effet de la pression externe, dans des directions dont les azimuts sont sélectionnés par rapport à l'axe cristallographique de

cette coupe pour que la sensibilité d'une fréquence de réso-

nance de la pastille ( 16) à ces efforts soit élevée dans le premier mode de vibration et pratiquement nulle dans le

deuxième mode.

Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vibrations de ladite pastille ( 16) selon le premier mode (C) sont les vibrations quasitransversales dont la vitesse

de propagation de l'onde acoustique est la plus faible.

3 o Capteuz selon l'une des revendications 1 ou 2, carac-

térisé en ce que l'élément externe ( 12) a une section annu-

Maire parallèlement au plan de lapastille de résonateur, cette dernière étant montée à l'intérieur de cet élément annulaire. 4 Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pastille de résonateur ( 16) a une forme circulaire, les ponts de liaison ( 22, 23) étant distribués à la périphérie

de cette pastille ( 16).

o Capteur selon l' une des revendications 1 à 4 l caractérisé

en ce qu'il comprend deux ponts de liaison transmetteurs de forces dans des directions opposéeso

60 Capteur selon l'une des revendications l à 4, caractérisé

en ce qu'il comprend quatre ponts de liaison ( 52 à 55) trans-

metteurs de forces dans des directions alignées deux à deux O la sensibilité à la force dans le premier mode étant vois ine d'un maximum dans l'une de ces directions et voisine de zéro dans l'autre tandis que les sensibilités à la force dans le deuxième mode sont sensiblement égales et de sens opposés dans les deux directions O

7 Capteur selon l'une des revendications 1 à A 4, caractérisé

en ce que les ponts des liaisons sont au nombre de troiso 8 Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que

deux des ponts ( 63 e 64) transmettent des efforts à la pas-

tille ( 16 B) dans des directions symétriques par rapport à la direction de transmission des efforts par le troisième pont ( 62), celle-ci correspondant à une sensibilité aux-efforts nulle dans l' un des deux modes O Capteur selon la revendication 8 a cazactérisé en ce que la largeur combinée des deux ponts est sensiblement égale

à celle du troisième.

o Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux desdits ponts ( 72, 74) sont diamétralement opposés par

rapport au centre de la pastille.

11 Capteur selon l'une des revendications 5 à 10, caracté-

risé en ce que ladite coupe est une coupe SC ou X+ 30 O 12 Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que

ladite coupe est une coupe RT ou une coupe SBTC.

13 Capteur selon l'une des revendications précédentes, ca-

ractérisé en ce que chaque électrode est montée à faible

distance vis-à-vis d'une face respective de la pastille ( 16).

140 Capteur selon l'une des revendications précédentes, ca-

ractérisé en ce que la -pastille forme, avec l'élément exté-

rieur, une plaquette, chacune des faces opposées de l'élément extérieur étant associée à un chapeau creux limitant une cavité qui peut être mise sous vide autour de la pastille de résonateur ( 16) Capteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits chapeaux sont de forme extérieure sensiblement hémisphérique et comprennent dans leur plan diamétral une couronne de contact avec une face de l'élément annulaire de la plaquette ( 10)

Capteur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé

en ce que l'élément externe a la forme d'un cylindre creux ( 310) allongé dans la partie médiane duquel est disposée, transversalement, ladite pastille ( 316), les extrémités de ce cylindre étant fermées par des chapeaux ( 320 et 330)

appliqués contre les faces d'extrémités de ce cylindre.

17 Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément externe est un élément tubulaire ( 400) et

ladite pastille ( 416) a la forme d'une plaquette rectangulai-

re parallèle à un plan passant par l'axe ( 426) dudit corps tubulaire et reliée à la face interne du corps tubulaire par

deux ponts de liaison ( 420, 421) de chaque côté de cette pla-

quette rectangulaire.

18 Capteur piézo-électrique destiné à un milieu dans

lequel il est soumis à des contraintes externes et à des tem-

pératures variables, comprenant un bloc de matériau piézo-

électrique possédant un élément externe sensible auxdites contraintes et une pastille de résonateur soustraite à l'ac- tion directe de ces contraintes et reliée à l'élément externe pour en recevoir des efforts correspondant à ces contraintes et des moyens comprenant deux électrodes de part et d'autre

de cette pastille pour la faire entrer en résonance et mesu-

rer sa fréquence de vibration, caractérisé en ce que ladite pastilsle étant taillée dans le matériau piézo-électrique dans une coupe possédant au moins deux modes de vibration dont la fréquence est sensible à la direction d'application des forces sur cette pastille, la périphérie de cette pastille ( 16) est séparée dudit élément externe-( 12) par un intervalle le long duquel sont distribués-des ponts de liaison ( 22, 23) assurant la transmission d'efforts à la pastille dans un plan sensiblement parallèle au plan de la coupe sous l'effet des contraintes d'origine externe, dans des directions dont

les azimuts sont sélectionnés par rapport à l'axe cristallo-

graphique de cette coupe, ou à sa projection, pour que la sensibilité d'une fréquence de résonance de ladite pastille

à ces efforts dans l'un desdits modes de vibration soit pra-

tiq Lement nulle.

19 Capteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que la pastille de résonateur s'amincit dans la zone des ponts

de liaison.

20 Capteur selon l'une des revendications 7 à 10, caract 6-

risé en ce que les angles définissant les directions des ponts les uns par rapport aux autres sont sélectionnés pour

maximiser la sensibilité aux efforts dans le premier mode.