FR2531533A1 - Capteur piezo-electrique de pression et/ou de temperature - Google Patents

Abstract

DANS UN CAPTEUR PIEZO-ELECTRIQUE 10, UN ELEMENT EXTERNE 12 DE FORME TUBULAIRE RECOIT UNE PRESSION, NOTAMMENT UNE PRESSION A MESURER SUR SA FACE EXTERNE 16. IL EST TAILLE DE FACON MONOBLOC DANS UN CRISTAL DE QUARTZ AVEC UNE PLAQUETTE 25 PROPRE A ENTRER EN VIBRATION SOUS L'ACTION D'UNE SOLLICITATION ELECTRIQUE ET S'ETENDANT DANS UN PLAN PARALLELE A LA DIRECTION LONGITUDINALE DE L'ELEMENT TUBULAIRE A L'INTERIEUR DE CELUI-CI. CHACUN DES BORDS LONGITUDINAUX DE LA PLAQUETTE EST RELIE PAR UN ELEMENT DE LIAISON TRANSVERSAL 30, 31 A LA FACE INTERNE 14 DE L'ELEMENT TUBULAIRE DE FACON A TRANSMETTRE DES EFFORTS F1 ET F2 RESULTANT DE L'APPLICATION DE LA PRESSION EXTERNE A LA PLAQUETTE 25 DANS UNE DIRECTION SENSIBLEMENT PARALLELE A SON PLAN ET PERPENDICULAIRE A L'AXE DE L'ELEMENT TUBULAIRE 12.

Description

Capteur piézo-électrique d de Pression

et/ou de température.

L'invention est relative à la mesure températures, Elle vise notamment la

élevées avec une grande sensibilité.

des pressions et/ou des mesure de pressionstrès On connaît, pour une telle application, des capteurs piézo-

électriques dans lesquels on utilise la vibration d'un cris-

tal sous l'action d'un champ électrique alternatif pour ef-

fectuer une mesure des efforts s'appliquant sur une pastille

de ce cristal dont la fréquence de résonance varie en fonc-

tion des contraintes auxquelles elle est soumise.

Ces capteurs, s'ils présentent une très grande sensibilité

qui permet de les utiliser pour la mesurede faibles varia-

tions de pressions très élevées, présentent néanmoins des

défauts Pour une part, la variation de la fréquence de vi-

bration du résonateur est en général très fortement dépen-

dante de la température Ils ne sont donc pas aisément uti-

lisables lorsque la température ambiante ne peut pas être contrôlée.

Par ailleurs, dans les réalisations antérieures, le résona-

teur est une pastille de quartz formant un diaphragme à l'intérieur d'un tube cylindriquetaillé dans un même bloc de quartz avec la pastille, l'ensemble 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 bottier ainsi constitué est mis sous

vide propre ou rempli d'un gaz inerte Un système d'élec-

trodes permet de faire entrer en vibration la pastille et de

mesurer sa fréquence de résonance Celle-ci varie en fonc-

tion de la pression appliquée à l'extérieur de l'assemblage

ainsi réalisé, par l'effet des forces appliquées sur la pé-

riphérie de la pastille.

Cette réalisation présente certains inconvénients, notamment une difficulté d'usinage en raison de la forme de l'élement à 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 miniser les effets de ces contraintes.

L'invention a pour but de fournir un capteur de pression et/ ou de température amélioré à l'égard de l'un au moins des défauts mentionnés cidessus 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 colon-

ne de production d'un puits de pétrole de façon à mesurer

avec une grande précision des variations de pression repré-

sentatives des modifications du régime du puits et de l'évo-

lution de la productibilité des couches.

A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de pres-

sion et/ou de température du type comprenant un bloc de ma-

tériau piézo-électrique dans lequel sont usinés un élément externe soumis à une pressionet notamment une pression/à mesurer,et un élément interne propre à vibrer sous l'action d'une sollicitation électrique, cet élément interne étant soustrait à l'action directe de ladite pression et relié à l'élément externe pour en recevoir des forces correspondant à cette pression Ce capteur est notamment caractérisé en ce

que l'élément externe possédant une forme tubulaire, l'élé-

ment interne se présente sous la forme d'une plaquette Logée à l'intérieur de cet élément tubulaire dans un plan sensi- blement parallèle-à la direction longitudinale du tube, les bords longitudinaux opposés de cette plaquette étant chacun

reliés par au moins un élément de liaison respectif à la -

face interne de l'élément tubulaire pour la transmission à la plaquettedans une direction sensiblement tranversaleode forces correspondant à la pression appliquée à l'extérieur

de l'élément tubulaire, Les éléments de liaison ainsi réa-

lisés assurent l'autosuspension de la plaquette par rapport

à l'élément tubulaire extérieur.

De façon générale, la forme de capteur qui vient d'être dé-

finie est d'un usinage plus aisé que celle des capteurs de *l'art antérieur dans la mesure o la plupart des opérations

d'usinage s'effectuent dans une direction généralement para-

Ilèle à la direction longitudinale de l'élément tubulaire.

En particulier, les usinages de faces transversales à l'inté-

rieur du tube sont réduits au minimum ou pratiquement élimi-

nés comme on le verra ci-après O Les éléments de liaison de la plaquette à la face interne de

l'élément tubulaire sont, de préférence, sensiblement per-

pendiculaires 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 résultantesdes efforts appliqués de chaque cô-

té de la plaquette sont dirigées suivant une même ligne d'action.

Les zones d'attache des éléments de liaison sont, de préfé-

rence, allongées parallèlement aux génératrices du tube O Elles peuvent avoir une longueur réduite pour concentrer les efforts dans une zone transversale particulière de la

plaquette vibrante Elles peuvent également avoir une di-

me.nsion longitudinale relativement grande de façon à pro-

duire, pour une pression externe donnée, sur l'élément tu-

bulaire, 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 cer-

taine 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 em-

bouts rapportés sur ces extrémités On a remarqué qu'avec ce mode de réalisation les contraintasde cisaillement dans le plan de joint entre les embouts et l'élément tubulaire

étaient sensiblement moins élevées que dans les réalisa-

tions 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

remarquablement bien à la mesure simultanée de deux fréquen-

cescorrespondant à deux modes de vibrations transversales de la plaquette, l'une fortement dépendante des efforts qui sont appliqués à cette dernière, tand s que l'autre en est pratiquement indépendante et ne subit en conséquence que les

variations de températures La mesure de cette dernière fré-

quence 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 ef-

forts transmis à la plaquette sont alignés dans une direc-

tion 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 projec-

tionfait un angle prédéterminé avec la directioi d'appli-

cation des efforts pour obtenir l'effet recherché Les élements 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 possi-

bilité d'allonger ces éléments de liaison dans le sens lon-

gitudinal On peut également prévoir de disposer dans le

même bloc une deuxième plaquette de résonateur dans l'élé-

ment tubulaire, longitudinalement décalée par rapport à la

première, et parallèle à un plan distinct du plan de la pre-

mière plaquette Les plans des deux plaquettes sont sélec-

tionnés 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 ré-

férence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue partielle en coupe transversale d'une variante de réalisation; les figures 3 et 4 sont des vues en coupe longitudinale respectivement de deux autres variantes de réalisation;

la figure 5 illustre la définition des coupes cristallo-

graphiques qui peuvent ftre utilisées pour la mise en oeu-

vre de l'invention -

la figure 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 figure 7 est une vue selon une coupe repérée par VII-

VII sur la figure 1 d'une variante de réalisation; et la figure 8 est une vue en perspective avec arrachement

partiel d'un second mode de réalisation de l'invention.

Dans une forme de réalisation (figure 1), un capteur 10 com-

prend un élément tubulaire 12 limité intérieurement et ex-

térieurement par des faces cylindriques circulaires respec-

tivement 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 1 '

axe 18 Parallèlement à cet axe s'étend une plaquette 25 for-

mant un élément de résonateur monté àl'intérieur de l'élé-

ment tubulaire 12 Vue en plan, cette plaquette a une forme d'un rectangle dont le plus grand côté est parallèle àl'axe

18 C ette plaquette est symétrique, dans le sens de son épais-

seur,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 sen-

siblement parallèles à la dimension longitudinale de l'élé-

ment 12 et perpendiculaire au plan 26 Chacune de ces faces est

reliée par un pont de liaison respectivement 30, 31 à une zo-

ne respective de la face interne 14 de l'élément tubulaire 12 L'ensemble de cet élément, de la plaquette 25 et desponts 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 Dansl'exemple représenté à la figure-l, 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 Il est cependant à remarquer que cette di-

mension 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 F 2 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 est inférieure -36 de la plaquette 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 vibra-

tion Dans un plan de coupe transversal passant par les mi-

lieux des ponts 30 et 31, la section des faces supérieure 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 amincis-

sement par-rapport à la hauteur de ces faces latérales dans le cas d'un résonateur thermométrique 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 des puis le voisinage de la partie centrale de chaque face jusqll vers les faces d'extrémités respectives 32 et 33, les facettes 38 et 39 possédant approximativement une forme de chanfrein On peutaussi 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 (figure 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 chapeau 40 et 42 sont essentiellement constitués par des pastilles cylindriques qui réalisent

ainsi la fermeture étanche de l'espace interne de l'élé-

ment tubulaire 12 contenant la plaquette vibrante 25, es-

pace 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 constiutée par une métallisation de la face inférieure de la languette 42 en regard de la face 35 et à quelque 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 pla-

quette 25 une électrode 45 à faible distance de la plaquet-

îo te 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 vi-

-bration 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 qua-

si longitudinal étant le plus rapide et le mode C étant

plus lent que le mode B Enprincipe il existe une multi-

plicité de fréquences de résonance pour un cristal donnés 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 caeteur selon l'inventionune 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,lar-

geur, rayon de courbure des piéces) 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 appli-

qués Cette sensibilité à la force dépend toutefois de la

coupe selon laquelle est effectuée la taille de la plaquet-

te 25 et, souvent, de la direction d'application des efforts. Un cristal de quartz présente un axe optique OZ et un axe électrique OX (figure 5), les paramètres dechaque face étant définis par rapport à un trièdre droit OXYZ dans lequel

O 10 l'axe OY est perpendiculaire à OX, O Zo On a représenté sché-

matiquement la position de la plaquette 25 par rapport à ce

trièdre Elle peut être définie par un angle 9 entre la tra-

ce OX" du plan de taille de cette plaquette (plan 26 de la figure 1) avec l'axe OX, et par l'angle G entre l'axe OZ" de la plaquette perpendiculaire à OX" et l'axe optique O Zo Une coupe définie par deux angles tels que P et O non nuls est désignée sous le hom de double rotation Un grand nombre

de coupes particulières sont connues possédant des proprié-

tés caractéristiques Ainsi, on connaît par exemple la coupe SC (Stress Compensated) définie par les angles e = 33,93 et P = 21,93 %o On connaîit également une coupe X+ 30 définie par les angles 9 = 34 et P = 30 o De même est connue une coupe SBTC (Stress compensated for B mode and Temperature Compensated for C mode) définie par les angles = 34,50 + 2 Q et = 16,3 + 2 O On sait que le coefficient KF de sensibilité de la fréquence F de résonance d'une pastille de résonateur à la force qui lui est appliquée peut être définie par la relation KF(>) = A f/fo x 1/F x H/N o F est l'azimut de la direction d'application de la force F (voir figure 5) par rapport à l'axe cristallographique

O'de la coupe de la plaquette.

H est un paramètre qui est le produit de l'épaisseur par la

longueur de la passille 25.

N est la constante de fréquence de l'onde propagée.

a f est la variation de fréquence constatée lors de l'ap-

plication de la force F par rapport à la fréquence de réso-

nance f en l'absence d'efforts.

o La fréquence varie également d'une façon considérable avec la température Cette variation peut être définie de façon suffisamment précise par la relation:

2 3

A f/fo = a (T-T) + b (T-To)2 + c(T-To)3 + d T d T o a, b, c sont respectivement des coefficients statiques, est le coefficient dynamique du premier ordre T est une température de référence ( 25 C)o Le terme ad T/dt représente l'effet dynamique, donc transitoire qui apparaît lors d'une

variation rapide de la température T du cristal.

La figure 6 représente, pour une coupe SC, les variations du coefficient de sensibilité KF en fonction de l'azimut Centre O et 180 pour les modes de vibrations C (courbe 50) et B (courbes 60-1, 60-2, 60-y Ces trois courbes sont

obtenues pour des coupes voisines définies par les para-

mètres augulaires suivants: courbe 60-1: 9 = 22 e = 34 courbe 60-2: ( = 22 e = 34,5 courbe 60-3: ( = 21 O = 34,5

On remarque que les variations de l'angle e sont plus mar-

quantessur la sensibilité à la force en mode B que celles de l'angle p. L'observation de cette figure permet de constater que si

les directions d'application de la force telles que défi-

nies par la droite en tirets 52 parallèlement à l'axe des sensibilités KF fait un angle d'environ 1180 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 maxi-

ma (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 avan-

tageux de l'invention prévoit de choisir la direction d'ap-

plication 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 figure 7 pour une variante de réalisation du capteur de la figure 1 dans lequel la plaquette 25 A est reliée à l'élément tubulaire 12 A par des

éléments de liaison 30 A et 31 A qui s'étendent sur la quasi-

totalité de la longueur de la plaquette 25 A Seules des entailles 62 sont prévues à chacune des extrémités des éléments de liaison entre les faces d'extrémités 32 A et 33 A de la plaquette et la paroi interne 14 A de l'élément 12 A Dans ce mode de réalisation, la force F A résultante transmise par chacun des éléments 30 A et 31 A est contenue,

comme précédemment, dans le plan de symétrie de la pla-

quette Cependant, par rapport à l'exemple de la figure 1, son intensité est d'autant plus grande qu'elle résulte de l'application de la pression extérieure par l'élément tubulaire 12 A sur une plus grande longueur longitudinale

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de la plaquette pour une même épaisseur des ponts 30, 31 et 30 A, 31 A. On a illustré sur la figure 7 un angle c qui, une fois choisi en fonction des considérations précédemment évoquées à propos de la figure 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 maxi-

male 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 compensation des mesures obtenues sur l'autre mode pour l'effet des variations de température Cette faculté esttout 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 cor-

rection 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 figure 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'inven-

tion s'applique d'une façon tout à fait satisfaisante avec les coupes du cristal piézo-électrique dont les

sensibilités en mode B et dans le mode C ont été spé-

cialement 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 figure 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 réali-

sations 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 fa-

vorable du point de vue de l'usinage, d'autres types de

plaquettes dans des plans sensiblement parallèles à la di-

rection longitudinale de l'élément tubulaire peuvent être

utilisés.

Dans la réalisation de la figure 2, un élément tubulaire 12 B, relié à une plaquette de direction longitudinale 25 B par les éléments de liaison latéraux 30 B et 31 B, présente une surface externe sensiblement cylindrique circulaire, tandis que sa face interne 14 B a une section elliptique allongée dans la direction d'alignement des éléments de liaison 30 B et 31 B 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 14 B représente une possibilité de géometrie interne du capteur évitant toute contrainte de d'extension en tout point du cristal L'usinage peut-être

effectué de façon voie ultrasonore et programmation auto-

matique des déplacements de l'outil.

La disposition des électrodes sur des éléments tels que

41 et 44 rapportés face à la plaquette 25 (figure 3) pré-

sente l'avantage que le fini de surface des faces supé-

rieures 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 lesphénomèmesd'hystéresis Il y a là un fac-

teur concourant à la faible dérive des perfomances du cap-

teur dans le temps (BVA) Bien entendu, dans une réalisation simplifiéeon peut se contenter de déposer directement les

électrodes sur la surface du cristal vibrant.

Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisa-

tion dans laquelle les extrémités 70 et 72 d'un élément tubulaire 12 C transmettant la pression à une plaquette 25 C analogue à la plaquette 25 de la figure 1, présentent des surépaisseurs du côté de la face externe 16 C Il en résulte que les faces d'extrémités 20 C et 22 C de l'élément 12 C en

forme de couronne ont une surface de liaison avec des cha-

peaux 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 ou-

vertes de l'élément tubulaire 12 sont en forme de bonnet à

section transversale longitudinale elliptique, ou pseudo-

sphérique. 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 cisail-

lement 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 te-

nue 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 réso-

nateurs 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 nécesssaire

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 sensibi-

lité à la pression, de bonnes caractéristiques de vieilles-

sement 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 sondde mesure de pression dans un puits selon la forme de réalisation décrite sont les suivantes z diamètre extérieur 22 mm longueur du corps central: 16 mm

chapeaux diamètre 22 mm-

épaisseur 7 mm La fréquence de vibratiôn d'un tel capteur dans les modes B et C peut être de 5,5 M Hzet de 5 M Hzpar exemple Il est

à remarquer qu'un capteur réalisé conformément à linven-

* tion peut âtre de dimensions réduites Il en résulte que dans ce cas les fréquencesde résonance sont beaucoup plus élevées, par exemple de l'ordre de 100 MI Mo

On a illustré sur la figure 8 un deuxième mode de réalisa-

tion de l'invention comprenant deux plaquettes rectangu-

laires 80 et 82, analogues à la plaquette 25 de la figure

1, décalées longitudinalement à l'intérieur du corps tu-

tubulaire 12 A et parallèles à des plans différents (angle ) Ainsi dans ce mode de réalisation il y a donc deux résonateurs,

qui correspondent chacun à une coupe particulière du cris-

tal, Par exemple, la coupe du premier résonateur corres-

pond à ( 1,G 1) (voir figure 5) et le second résonateur

correspond à ( P 2, 82) Les deux plaquettes 80 et 82 for-

ment une structure monobloc avec l'élément tubulaire 12 A. Elles sont donc partiquement toujours à la même températureà savoir latempérature du cristal Leurs dimensions peuvent être égale ou différentes selon que l'on désire que leurs

fréquencesde résonance soient identiques ou non Cette dis-

position permet d'obtenir un degré de liberté supplémen-

taire dans l'optimisation de caractéristiques qui détermi-

nent la sensibilité du capteur à des paramètres tels que la pression ou la température Si on obtient pour la plaquette un jeu de courbes telles que 50 et 60 sur la figure 6, on obtient un jeu différent pour la plaquette 82 et l'angle

$ est également différent Ainsi, il est possible de fonc-

tionner en mode différentiel ou de prévoir d'autre combi-

naisons 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 résona-

trices, ou éventuellement davantage, est peu gênante sur le plan de l'encombrement, les contraintes dans ce domaine

étant surtout dans la dimension transversale.

Claims (16)

Revendications

1 Capteur piézo-électrique notamment de pression et/ou de température du type comprenant un bloc de matériau

piézo-électrique possédant un élément externe ( 12) sen-

sible à une pression notamment une pression à mesurer et au moins un élément interne ( 25) propre à vibrer sous l'ac- tion 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 lélé-

me-nt externe ( 12)ayant une forme tubulaire propre à 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 longitu-

dinaux 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 pla-

quette 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 négli-

geable dans un deuxième mode de vibration transversale.

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

térisé en ce que les éléments de liaison ( 30, 31) de la

plaquette ( 25) à la face interne ( 14) de l'élément tubu-

laire ( 12) sont sensiblement perpendiculaires à cette pa-

roi dans le prolongement du plan de la plaquette pour la

transmission desdits efforts parallèlement à ce plan ( 2 o).

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

ractérisé 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.

Capteur selon l'une des revendications précédentes, ca-

ractérisé 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 longi-

tudinale réduite par rapport à la longueur de la plaquette rectangulaire.

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

ractérisé en ce que les grandes faces ( 35,36) de la pla-

quette ( 25) sont bombées en coupe transversale et la pla-

quette ( 25) s'amincit dans le sens longitudinal en direc-

tion de chacune de ses extrémités ( 32, 33).

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

ractérisé 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) pé-

nétrant à l'intérieur de l'élément tubulaire ( 12) sur le-

quel 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, ca-

ractérisé en ce que l'élément tubulaire est fermé à au

moins une de ses extrémités par un embout de forme ellipsoi-

dale ( 69).

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

ractérisé en ce que l'élément tubulaire ( 12) présente une partie épaissie à chacune de ses extrémités dans laquelle est formé le 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 tubu- laire ( 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 pla-

quette ( 25) est légèrement inférieure à la dimension longi-

tudinale de l'élément tubulaire ( 12) o

13 Capteur selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que les éléments de liaison ( 30 A, 31 A) 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 liai-

son ( 30, 31) de chaque côté longitudinal de la plaquette, ces éléments étant disposes 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 longitudi-

naux de la plaquette ( 25) est relié à la face interne de

l'élément tubulaire ( 12) par plusieurs éléments de liai-

son.

16 Capteur selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé par une deuxième plaquette ( 82) formant une structure monobloc avec ledit élement tubulaire ( 12 A) et décalée longitudinalement par rapport à la première plaquette ( 80) à l'intérieur de l'élément tubulaire ( 12 A)

et parallèle à un plan différent de celui de cette pre-

mière plaquette.

17 Capteur selon la revendication 16 caractérisé en ce que

l'orientation du plan de la deuxième plaquette ( 82) est se-

lectionnée de façon que la coupe de cette plaquette pré-

sente des caractéristique prédéterminées par rapport à celle de la première plaquette sur le plan de ses propriété vibra- toires en fonction des paramètres aux quels peut être soumis

le capteur.