CH658910A5

CH658910A5 - Capteur de pression piezo-electrique.

Info

Publication number: CH658910A5
Application number: CH552/84A
Authority: CH
Inventors: Raymond Besson; Jean-Jacques Boy; Jean-Pascal Valentin
Original assignee: Flopetrol Services Inc
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1984-02-06
Publication date: 1986-12-15
Also published as: JPH0367210B2; FR2531532B1; US4562375A; GB2125213B; GB2125213A; FR2531532A1; GB8321068D0; JPS59131135A

Description

La présente invention est relative aux mesures de pressions, en particulier de pressions corrigées en température. Elle s'applique no-45 tamment à la mesure de pressions de fluide dans des puits souterrains, tels que les puits de pétrole en production.

On sait que les mesures de pressions revêtent une grande importance pour la connaissance des paramètres de productibilité d'un puits de pétrole. En particulier, il est essentiel de pouvoir déceler des 50 variations relativement minimes de la pression des fluides produits à un niveau de profondeur donné, l'interprétation de ces variations permettant de procéder à une exploitation rationnelle des ressources pétrolières du puits. En raison de la profondeur souvent grande des couches pétrolières, la pression hydrostatique dans le puits à leur 55 niveau peut être très élevée. Il est courant d'atteindre des valeurs de 1000 à 1400 bars. En revanche, les variations de pressions que l'on cherche à déceler peuvent être aussi faibles que 7 • IO"4 bar. En conséquence, les mesures de pressions considérées doivent être effectuées avec une précision relative très élevée.

60 Non seulement les mesures de pressions dans les puits de 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 6S lequel ils sont situés, et surtout des niveaux élevés de température auxquels ces capteurs peuvent être soumis à grande profondeur. Outre une précision élevée, ces capteurs doivent donc présenter une très faible sensibilité aux variations de température dont l'ampleur

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peut souvent être considérable entre deux points de mesure à des profondeurs différentes en raison du degré géothermique.

On a déjà proposé d'utiliser, pour effectuer des mesures de pression dans des puits de pétrole, des résonateurs à quartz piézoélectriques. 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'éliminer 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 descendue 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 conditions, les variations de la fréquence du résonateur de référence sont dues aux seules variations de température. Il suffît 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 température 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 des Etats-Unis N° 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 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 de réalisation du brevet des Etats-Unis N° 3 561832 dans lequel on utilise 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 diamétralement opposées dans une direction qui correspond à un coefficient de sensibilité à la pression positif maximal. Dans l'autre cylindre, le diaphragme est relié à la paroi interne de cylindre 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 combinés de façon à augmenter la sensibilité du signal résultant à la pression, tandis que les effets de la température sur le comportement des deux diaphragmes tendent à se compenser. Toutefois, cela suppose que les températures des deux diaphragmes soient identiques. Tel, on l'a vu, n'est pas toujours le cas, et cela notamment dans le cas de variations rapides de la température.

L'invention a pour but la réalisation d'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.

Conformément à l'invention, ce but est atteint par la présence des caractères énoncés dans la revendication 1 annexée.

Le capteur de pression, objet de l'invention, comprend donc un bloc de cristal piézo-électrique comportant un élément externe, par exemple à section annulaire, dont la surface extérieure peut être soumise 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 l'élément annulaire, et reliée par sa périphérie à l'élément externe pour en recevoir des efforts correspondant à la pression appliquée à cet élément externe.

De façon caractéristique, la pastille est taillée dans le quartz de telle façon que la coupe présente un premier et un deuxième mode de vibration tels que, par exemple, des modes de vibration quasi transversale. Sa périphérie est séparée de la face interne de l'élément externe par un intervalle le long duquel sont distribués des ponts de liaison avec l'élément externe assurant 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 cristallo-graphique de la coupe (ou sa projection) pour que la sensibilité d'une fréquence de résonance de cette pastille à ces efforts, choisie parmi les fréquences de résonance possibles, soit importante dans le premier mode de vibration et pratiquement nulle dans le deuxième. La coupe de cristal piézo-électrique peut être une coupe simple rotation, et avantageusement une coupe double rotation ou triple rotation. Par ailleurs, le fonctionnement résumé ci-dessus est un fonctionnement préférentiel. L'invention 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 direction 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 des Etats-Unis N° 4079 280 au nom de Küsters et al. du 14 mars 1978, de capter dans un résonateur piézo-électrique des signaux de fréquence résultant de deux modes de vibration distincts. L'un de ces signaux est utilisé comme une mesure de la température 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, notamment 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 résonateur, 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 sensibilité de l'autre mode aux variations de ces derniers.

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 particulier des coupes de cristal piézoélectrique dans lesquelles, 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 élevée du premier mode à la force avec une reproductibilité et une stabilité suffisantes pour fournir des mesures de pressions 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 éliminer 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 température de celui-ci. Ces variations sont en effet directement prises en compte par une mesure

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sur le même cristal mais faisant intervenir un autre mode de vibration.

A cet égard, on remarque que lorsqu'il est question d'un capteur de température comprenant un bloc de matériau piézo-électrique du type évoqué précédemment et lorsqu'un tel capteur est destiné à être utilisé dans un milieu où il est soumis à des contraintes 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 fréquence de résonance de la pastille aux efforts qui lui sont transmis soit pratiquement nulle dans l'un des modes de vibration de la pastille.

L'invention peut être mise en œuvre sous différentes formes de réalisation, tant en ce qui concerne le choix des coupes du matériau piézo-électrique permettant d'obtenir l'effet recherché que le nombre et la disposition des ponts reliant la pastille à l'élément externe transmetteur d'efforts. A cet égard, elle prévoit notamment des dispositions dans lesquelles on peut utiliser soit deux ponts transmettant les efforts selon une même direction et en sens opposé, 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 œuvre de dispositions propres à restreindre les effets dus au vieillissement du matériau utilisé comme résonateur. En particulier, elle permet l'application des dispositions connues sous le nom de BVA (boîtier à vieillissement amélioré).

Des explications complémentaires et la description de modes de réalisation non limitatifs sont données ci-après en référence aux dessins annexés, dans lesquels:

la figure 1 représente une vue en coupe par un plan longitudinal 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 résonateur 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 définition des coupes double rotation;

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 transversale;

la figure 7 est un diagramme semblable pour une autre famille de coupes cristallines selon deux valeurs différentes de l'un de ses paramètres angulaires;

les figures 8A à 8C illustrent différentes formes d'agencement des ponts de suspension d'une pastille vibrante à l'élément transmetteur de pression;

la figure 9 illustre les circuits de mesure d'un capteur dans un puits de pétrole;

les figures 10A et 10B représentent deux autres diagrammes de sensibilité aux efforts pour des directions illustrées aux figures 10C et 10D;

la figure 11 représente une autre variante de réalisation du capteur.

Sur les figures 1 et 2, un résonateur comprend une plaquette circulaire 10 monolithique en quartz comprenant un élément 12 de section annulaire qui constitue une couronne cylindrique dont les faces inférieure et supérieure 13 et 14 sont maintenues entre des faces de forme correspondante en regard de deux chapeaux, l'un inférieur 20 et l'autre supérieur 21, de forme extérieure hémisphérique. L'assemblage de la figure 1 se présente ainsi sensiblement sous la forme d'une bille qui peut être montée à l'intérieur d'une sonde dans une position dans laquelle la tranche extérieure 18 de la plaquette 10 peut être soumise à la pression à mesurer. Bien entendu, on peut monter le capteur 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 à cette plaquette ou par thermocompression utilisant un dépôt métallique préalable.

En son centre, la plaquette 10 comprend une pastille circulaire 16 5 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 résultant de l'applica-10 tion de la pression 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 IS 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'intérieur de la couronne 12.

Chacun des blocs 20 et 21 comprend, dans sa partie centrale, des 20 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 25 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 électrodes 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'excitation 30 non représenté qui, de façon classique, permet d'entretenir un régime vibratoire dans la pastille 16 à une fréquence qui peut être mesurée par la fréquence du signal électrique d'excitation de cette vibration.

La vibration d'une pastille telle que 16 fait intervenir plusieurs 35 modes, à savoir un mode de vibration quasi longitudinale, parfois aussi appelé mode A, et deux modes de vibrations quasi transversales, orthogonaux entre eux et par rapport au mode A, aussi appelés modes B et C, dans lesquels le déplacement des particules s'effectue dans une direction perpendiculaire à la transmission de l'énergie. On 40 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 45 plus lente.

En outre, il est possible, par des techniques de dimensionnement appropriées et bien connues dans la technique considérée, 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 50 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 5, le plan de coupe peut être défini par l'angle (p entre les axes OX et OX", OX" étant la trace du plan de la plaquette dans le plan OXY, et 9 l'angle entre l'axe OZ" perpendiculaire 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 par l'angle qu'elle forme avec l'axe OX". Lorsqu'une coupe fait intervenir deux angles (p et 0 non nuls, pour sa définition, on la désigne le plus souvent sous le nom de coupe double rotation. Les pastilles vibrantes taillées selon de telles coupes présentent l'avantage d'offrir deux modes de vibrations quasi transversaux B et C qui, tous deux, sont utilisables dans le cadre d'une mesure de pression selon l'invention.

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En général, chacun des modes de vibration d'une pastille telle que 16 peut être caractérisé par la sensibilité de sa fréquence de résonance à la direction d'application d'une force F parallèlement à son plan, la direction de cette force étant repérée par son azimut vj/. En outre, chacune de ces fréquences varie en général en fonction de la température selon une deuxième caractéristique.

Le coefficient de sensibilité de la fréquence de résonance à la force est défini par la relation:

KF (y) = Af/fo x 1/F : eD/N

dans laquelle y 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;

N est la constante de fréquence de l'onde propagée; et

Af/f0 est la variation de fréquence relative correspondant à l'application des forces F.

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,

Af/f0 = a(T-T„) + b(T-T„)2 + c(T-T0)3 +

où a, b, c sont des coefficients statistiques et à un coefficient dynamique du premier ordre. T est la température, T0 une température de dT

référence, à représente l'effet transitoire lors d'une variation temporelle de T.

On a représenté, sur la figure 6, par la courbe 50 du diagramme, la variation de la sensibilité KF en fonction de l'azimut \|/ d'application des forces F du mode de vibration transversale C, c'est-à-dire le mode lent, pour une coupe appartenant à la famille dite SC (Stress Compensated) définie par des angles 0 = 33,93° et (p=21,93°. On remarque que cette courbe de sensibilité a une forme approximativement sinusoïdale de période n. On a représenté en 60 la courbe correspondante pour le mode de vibration transversale rapide (B). Elle présente elle aussi une forme approximativement sinusoïdale mais décalée du côté des valeurs positives de KF. Ces deux courbes 50 et 60 sont «déphasées» l'une par rapport à l'autre de telle façon que si l'on considère les directions dans un secteur angulaire typique compris entre 108° et 120° (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 l'invention pour, dans une plaquette telle que celle de la figure 2, orienter l'axe des ponts 22, 23, de telle façon que les forces élémentaires transmises radiale-ment par ces ponts à la pastille 16 dans des directions diamétralement opposées forment un éventail correspondant à une largeur angulaire de pont ß = 12°, les bissectrices de ces ponts étant alignées dans une direction \|/ faisant un angle de 116° avec la direction X" et son complément à 360°, soit 294°.

Avec une telle plaquette 10, la sensibilité KF de la pastille 16 aux efforts transmis sous l'effet de la pression agissant notamment sur la tranche 18 de cette plaquette est d'environ —1,1 * 10~14 m ■ sec/N pour le mode lent C. La mesure de fréquence correspondante est toutefois fonction de la température 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 boîtier 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'intérieur de laquelle est descendue, au bout d'un câble 104 raccordé à une station de mesure 101 en surface 122, une sonde 106 dans laquelle est monté

un dispositif 107 comprenant un capteur 108 selon l'invention dont le contenu est illustré en détail dans le cadre en tirets 107. Les électrodes 109 et 110 du capteur 108 sont connectées à un amplificateur 111 accordé sur la fréquence fB du mode B et à un amplificateur 112 accordé sur la fréquence fc du mode C. Les sorties de ces amplificateurs sont filtrées dans des filtres respectifs 113, 114. mises en forme dans des circuits respectifs 115 et 116. Les créneaux de signaux de sortie des circuits 115 et 116 sont comptés dans des compteurs 117 et 118 qui fournissent des indications numériques de fB et fc à un circuit de mémoire et de traitement 120. Ce circuit, par exemple fondé sur un microprocesseur, permet de déterminer à partir de fc une valeur corrigée de la pression mesurée en fonction du signal représentatif de la température fB.

On parvient à obtenir, avec des systèmes selon l'invention, une stabilité relative de la fréquence de la mesure de pression (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) environ 10"' dans les mêmes conditions.

Par exemple, pour une fréquence nominale (f0) de fonctionnement en mode C de 5 MHz, 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 • IO"4 bar pour une pression nominale de 1360 bars.

Dans une plage de 0e C à 200e C, 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"4 " C pour une mesure de fréquence du mode B fournit une mesure de température 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'application des efforts sur la pastille 16 par rapport à l'axe cristallographi-que OX" de la 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 \|/ 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 réalisation d'un capteur de pression selon l'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 résonateur 16 en positionnant et éventuellement en multipliant les ponts tels que 22 et 23. Dans un exemple de réalisation à quatre ponts, comme représenté à la figure 8A, une pastille 16A est réunie à une couronne d'application de pression 12A par quatre ponts 52, 53, 54 et 55, alignés deux à deux. La direction d'alignement des ponts 52, 54 est définie par un angle y, qui est choisie dans le cas d'une coupe SC égale à environ 30:, les ponts impairs 53, 55 étant alignés dans une direction d'azimut y, d'environ 170:. On a noté, sur la figure 6, 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, de 1,4 • 10"14 m • sec/N. La sensibilité correspondante au mode B correspond à l'ordonnée du point 57,

soit environ 0,7 • 10"14 m • sec/N. On remarque que, pour la direction d'azimut \|/2, la valeur de la sensibilité en mode C est nulle (point 58). Au contraire, comme illustré par l'ordonnée du point 59, la sensibilité en mode B est inverse de celle au point 57, soit — 0,7 • 10~14 m • sec/N. 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 figure 8B) 62, 63, 64 entre une pastille 16B et une couronne 12B. La position du pont 62

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est définie par un angle d'azimut \|/3 correspondant à la bissectrice 65 grammes de sensibilité obtenus pour une coupe dite RT (Room de l'angle d'ouverture ß de ce pont. Les bissectrices 66 et 67 corres- Temperature) en mode B et en mode C. On remarque que la sensibi-

pondantes de chacun des ponts 63 et 64 respectivement sont angulai- litê de cette coupe, particulièrement dans le mode B, passe par zéro rement espacées respectivement de a! et a2 par rapport à la direction en un point situé entre 97° et 102° suivant la valeur du paramètre

65. Dans le cas général d'une disposition à trois ponts, les angles a! 5 angulaire <p de la coupe (ligne 82). On a représenté respectivement en et a2 peuvent être différents. Dans le cas particulier représenté à la 503 et 504 les courbes représentatives du mode C dans cette coupe figure 8B, les angles a, et a2 sont tous deux égaux à une valeur pour deux valeurs (pi et (p2; la première coupe l'axe des sensibilités commune a. nulles, l'autre pas. Avec un diagramme de ce type, il est possible

On a représenté sur la figure 10A un réseau de courbes de sensi- d'obtenir un bon couple de mesures en modes B et C à l'aide de bilité du même type que celle de la figure 6 et paramétrées en fonc- 10 quatre ponts alignés deux à deux dans des positions propres à élimi-

tion de la valeur de l'angle a pour une coupe SC. On obtient ainsi ner l'influence de la variation de pression sur le mode B (par huit courbes 500 (0) à 500 (80) pour des valeurs successives de a de exemple pour des valeurs voisines de 50° et 140° pour y).

0°, 20°, 40°, 60°, 65°, 70°, 75° et 80° pour le mode C. Pour le mode La figure 10B donne un exemple des variations des courbes de

B, on a représenté les courbes 501 (70), 501 (75) et 501 (80) respecti- sensibilité à la force pour une coupe RT pour une disposition à trois vement pour les valeurs 70°, 75° et 80° de a. Les valeurs 70° et 80° 15 ponts semblable à celle de la figure 8B (ty=ct2=a) pour des valeurs peuvent correspondre aux bornes de l'arc de cercle de 10° (figure de a différentes, respectivement 68°, 72°, et 76° pour les modes B

10C) couvert par chaque pont 63 et 64, la sensibilité moyenne de ces (courbes 510) et C (courbes 511) (y compris a=82°). On remarque ponts étant représentée par les courbes 500 (75°), et 501 (75°) respec- que, pour un choix convenable de a, on obtient une forte sensibilité

tivement pour les modes C et B. On remarque que, pour des valeurs du mode C dans une plage d'azimuts s'étendant approximativement de a atteignant 70° et au-dessus, la sensibilité du mode C voit son 20 de 171° à 201° (zones 512 et 513) avec une sensibilité quasiment amplitude augmenter. Cela résulte d'une augmentation des contrain- nulle du mode B (voir figure 10D).

tes de cisaillement par la disposition à trois ponts. Sur la figure 10A, Il existe d'autres modes de coupes convenables d'un cristal de on a localisé, entre les couples de droites 505 et 506 d'une part et 507 quartz, par exemple la coupe X+30° ou la coupe SBTC (Stress et 508 d'autre part, les plages d'azimut pouvant correspondre au Compensated for B mode, Temperature Compensated for C mode),

pont 62 (figure 10Q. 25 Cette dernière coupe peut être utilisée avec des couples de ponts dia-

La figure 8C illustre un autre cas particulier d'une réalisation à métralement opposés, comme la coupe RT.

trois ponts dans laquelle les ponts 72 et 74sont diamétralement Les angles définissant ces coupes sont donnés ci-dessous:

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 coupe SC 0 = 33,93° ±2° (p = 21,93°+2° a4 par rapport à la direction 75 . 30 coupe X + 30° 0 = 34° ±2° tp = 30° +2° Comme dans le cas de la figure 8B, il est possible, dans le cas de coupe RT 0 = — 34,5° +2° (p 15° ±2° la figure 8C, de tracer des diagrammes de sensibilité paramétrés en coupe SBTC 0 = — 34,5° ±2° <p 16,3° +2° fonction de a4 pour les modes B et C. Une position optimale des directions de ponts 75 et 76 peut alors être déterminée pour maximiser On a résumé, dans le tableau I ci-après, des exemples de montage d'un côté la sensibilité à la pression en mode C et l'insensibilité à ce 35 de pastille de résonateur tel que 12 fournissant des mesures convena-même paramètre pour le mode B de façon à obtenir une variation de bles pour l'application de l'invention. Pour chaque type de coupe de fréquence ne dépendant essentiellement que de la température. Bien cristal considérée, on a indiqué le nombre de ponts 2 (figure 2), 4 entendu, on peut tracer des diagrammes de sensibilité paramétrés en (figure 8A), 2+1 (figure 8C) ou 3 (figure 8B), la valeur du ou des fonction des valeurs d'angles a, et a2 dans le cas général où les angles y définissant l'azimut des ponts ainsi que la valeur des angles valeurs de a! et a2 dans une disposition à trois ponts sont différentes. 40 c définis précédemment.

La discussion précédente a été conduite en référence à une coupe Enfin, on a défini par ß l'ouverture angulaire de chaque pont. On

SC (figure 6). L'invention peut également être mise en œuvre en utili- remarque que, dans le cas de combinaisons de trois ponts du type sant d'autres coupes, et notamment, de préférence, des coupes représenté à la figure 8B, la largeur angulaire du pont 62 est double double rotation. On a reproduit, sur la figure 7, des courbes de dia- de celle des ponts 63 et 64.

Tableau I

Nombre de ponts

2

4

.(2+ 1)

3

Coupe SC

y = 118° ß = 30°

\|/, = 33° y, = 173° (ß/20°)

\j/4 = 118° a4 = 40°

\|/3 = 30° a, = a2 = 75° ß = 30°/ß' = 15°

Coupe X + 30°

y = 108° ß = 30°

y, = 85° \|/2 = 132° (ß/20°)

y4 = 103° a4 = 40°

v|/3 = 23° a, = a2 = 75° ß = 30°/ß' = 15°

Coupe RT(+SBTC)

NON

Vi = 15° y = 106°

NON

V3 = 6°

a, = a2 = 75° ß = 30°/ß' = 15°

Revenant aux figures 1 et 2, le capteur représenté est réalisé selon la technique dite BVA. En particulier, les électrodes 34 et 35, au lieu d'être déposées directement sur les faces de la pastille vibrante 16, sont réalisées par métallisation 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'hystérésis. Bien entendu, il s'agit là d'une forme préférée de réalisation, un mode simplifié avec dépôt direct sur les faces du cristal restant possible. Les blocs 20 et 21 sont taillés dans la même coupe de quartz que la plaquette 10. L'ensemble est conçu de façon 65 que le quartz travaille en compression sous l'effet de la pression extérieure à mesurer. D'une façon générale, les caractéristiques de construction du capteur sont déterminées afin de limiter au maximum les variations de sa fréquence de résonance propre sous l'effet du vieil

7

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lissement. L'enceinte 31, à l'intérieur de laquelle vibre la pastille 16, est évacuée sous vide secondaire.

La figure 3 représente une autre forme de réalisation du capteur 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 cylindrique et fermés à l'une de leurs extrémités par une face telle que 232 pour le chapeau 230. A leur extré-mité opposée, les chapeaux 230 et 240 sont creux et sont assemblés par collage (ou par thermocompression) avec les faces respectives de la couronne annulaire 212, chacun par une face annulaire telle que 243 pour le chapeau 240. Les électrodes du résonateur 10 sont, dans le cas de la figure 3, directement déposées par métallisation sur |5

chacune des faces de la pastille 216, comme on le voit pour l'électrode 234. Cette électrode est reliée à l'extérieur du boîtier formé par l'assemblage des chapeaux 230, 240 et de la plaquette 210 par une métallisation 235 s'étendant 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 être également constitués sous une forme pseudo-sphérique.

Sur la figure 4, un boîtier de capteur 300 vu en coupe diamétrale longitudinale comprend un corps cylindrique 310 allongé et creux au centre duquel est formée de façon monobloc une pastille transver- 25 sale 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 H. Les deux extrémités du boîtier cylindrique 310 sont fermées par des chapeaux, respectivement 320 et 330 de forme également cylindrique et venant s'appli- 30 quer par collage ou thermocompression contre les parties supérieure et inférieure du boîtier 310 par des faces annulaires 322 et 332 respectivement. A leur autre extrémité, 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 possè- 35 dant une face opposée transversale 325, 335 qui est disposée en regard 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 40 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 laquelle est taillé le cristal du boîtier de façon à obtenir les effets recherchés 45 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'ensemble du cylindre 310 et des chapeaux 320 et 330 est calculé 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 représentée 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'améliorer 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'invention 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 plaquette 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 plaquette 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 11 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 parallèlement 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 plaquette 416 sont bombées de façon cylindrique dans leur partie centrale et légèrement biseautées en 432 en s'amincissant en direction des faces terminales telles que 434 de la plaquette ainsi réalisée. Les extrémités annulaires, respectivement 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 430 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 perpendiculaire à l'axe 426. L'amplitude de ces forces pour une pression donnée peut être réglée par la dimension longitudinale 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 principes de l'invention seraient applicables aux autres matériaux piézo-électriques de la même classe cristallographique que le quartz, notamment aux matériaux susceptibles de vibrer selon deux modes de vibration transversales en cisaillement d'épaisseur.

R

6 feuilles dessins

Claims

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2

REVENDICATIONS

1. Capteur de pression piézo-électrique destiné à un milieu dans lequel il est soumis à des contraintes de pression externes et à des températures variables, comprenant un bloc de matériau piézoélectrique possédant un élément externe sensible auxdites contraintes et une pastille de résonateur soustraite à l'action 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 mesurer sa fréquence de vibration, caractérisé en ce que ladite pastille étant taillée dans le matériau piézo-électrique dans une coupe possédant au moins deux modes de vibration, 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 cristallographique 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 pratiquement nulle.
2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pastille est taillée 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.
3. Capteur de pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pastille de résonateur s'amincit dans la zone des ponts de liaison.
4. Capteur de pression selon la revendication 1, notamment pour l'utilisation dans des puits forés à très grande profondeur, caractérisé en ce que ledit élément externe a une surface propre à recevoir la pression à mesurer, ladite pastille de résonateur étant soustraite à l'action directe de la pression et reliée à l'élément externe pour en recevoir des efforts correspondant à la pression appliquée.
5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les vibrations de ladite pastille (16) selon le premier mode (C), défini comme celui dont la sensibilité est pratiquement nulle dans une direction, sont les vibrations quasi transversales dont la vitesse de propagation de l'onde acoustique est la plus faible.
6. Capteur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'élément externe (12) a une section annulaire parallèlement au plan de la pastille de résonateur, cette dernière étant montée à l'intérieur de cet élément annulaire.
7. Capteur selon la revendication 6, 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).
8. Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux ponts de liaison transmetteurs de forces dans des directions opposées.
9. Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend quatre ponts de liaison (52-55) transmetteurs de forces dans des directions alignées deux à deux, un premier mode donnant une sensibilité à la force voisine d'un maximum dans l'une de ces directions et voisine de zéro dans l'autre, tandis que le deuxième mode donne des forces sensiblement égales et de sens opposés dans les deux directions.
10. Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les ponts de liaison sont au nombre de trois.
11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que deux des ponts (63, 64) transmettent des efforts à la pastille (16B) dans des directions symétriques par rapport à la direction de transmission des efforts par le troisième pont (62), celle-ci correspondant à celle où l'un des deux modes donne une sensibilité aux efforts nulle.
12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé, en ce que la largeur combinée des deux ponts est sensiblement égale à celle du troisième.
13. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que deux desdits ponts (72, 74) sont diamétralement opposés par rapport au centre de la pastille.
14. Capteur selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisé en

5 ce que ladite coupe est une coupe SC ou X+30.
15. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite coupe est une coupe RT ou une coupe SBTC.
16. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque électrode est montée à faible distance vis-à-vis io d'une face respective de la pastille (16).
17. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pastille forme, avec l'élément extérieur, une plaquette, chacune des faces opposées de l'élément extérieur étant associée à un chapeau creux limitant une cavité qui peut être mise sous

's vide autour de la pastille de résonateur (16).
18. Capteur selon la revendication 17, 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).

20 19. Capteur selon l'une des revendications 4 à 16, 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

25 de ce cylindre.
20. Capteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit élément externe est un élément tubulaire (400) et ladite pastille (416) a la forme d'une plaquette rectangulaire parallèle à un plan passant par l'axe (426) dudit corps tubulaire et reliée à la face

30 interne du corps tubulaire par deux ponts de liaison (420,421) de chaque côté de cette plaquette rectangulaire.
21. Capteur selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les angles définissant les directions des ponts les uns par rapport aux autres sont sélectionnés pour maximiser la sensibilité

35 aux efforts dans le premier mode, qui est le mode directif à propagation plus lente.