Brevet FR2555741A1 — publié le 19850531

255574.1 La présente invention se rapporte à un résonateur à cristal servant à mesurer la pression de fluides. Il est nécessaire ou souhaitable de mesurer la pression dans divers milieux. L'une des ambiances les plus corrosives dans lesquelles il est nécessaire de mesurer la pression est celle des puits profonds de pétrole ou de gaz naturel. L'une des techniques utilisées actuellement pour mesurer la pression dans ces ambiances consiste à utiliser des transducteurs à cristal de quartz comportant un élément résonateur circulaire maintenu sur sa périphérie par une enveloppe cylindrique creuse qui en fait partie intégrante. Voir les brevets US-A-3 617 780 et US-A-3 561 832. Des signaux électriques oscillants appliqués à des électrodes disposées sur l'élément résonateur de l'appa- reil, font vibrer cet élément. La fréquence des vibrations dudit élément résonateur varie avec la variation des con- traintes appliquées dans le sens radial a cet élément sous l'effet de la pression qui agit sur le boîtier ou enveloppe. Cette variation de la fréquence de vibration de l'élément résonateur permet donc de mesurer la pression à laquelle le bottier est soumis. L'une des difficultés rencontrées avec un appareil, tel que celui qui vient d'être décrit, est dûe à ce que l'on appelle le choc thermique. Cette difficulté se mani- feste parce que la fréquence de sortie du résonateur change sous l'effet d'une variation de température, et plus parti- culièrement sous l'effet des variations très rapides de cette température, que l'on appelle des variations transi- toires. Lorsque l'appareil est utilisé pour mesurer la pression dans un puits de pétrole ou de gaz naturel, il petit se manifester des variations de température apprécia- bles pendant que cet appareil est abaissé dans le puits ou en est retiré et, puisque la variation de la fréquence des vibrations sert à mesurer la pression, ces variations de température provoquent des erreurs. Les effets des variations transitoires de la température sur l'élément résonateur ont pour cause des gradients de température qui créent des contraintes orientées radialement. Ces gradients de température proviennent de la chaleur que les électrodes recouvrant l'élément résonateur dégagent dans ce dernier et dans le bottier. Une autre difficulté rencontrée avec les transduc- teurs à résonateur à quartz utilisés actuellement réside dans le fait que le facteur d'échelle (pente de la courbe des pressions en fonction de la fréquence) dépend aussi de la température. Pour compenser les erreurs dtes à la variation de la température, il est nécessaire de mesurer celle-ci et d'utiliser le résultat de cette mesure pour corriger la valeur de la fréquence de sortie. Mais ces mesures de la température doivent être faites à une certaine distance de l'emplacement de transducteur à résonateur à quartz, et il est donc difficile de déterminer avec préci- sion la température à cet emplacement. On a constaté qu'en orientant de manière appropriée les axes cristallographiques du quartz du transducteur, en donnant en particulier aux cristaux la taille SC, mais aussi éventuellement la taille suivant l'axe optique X, (avec décalage éventuel), la taille AT ou la taille BT, il est possible de rendre la fréquence de sortie du trans- ducteur indépendante des variations transitoires de la tem- pérature. En fait, cela rend la fréquence de vibration du résonateur à quartz indépendante et insensible aux con- traintes radiales uniformes provoquées par les gradients de température. Mais, en supprimant dans les appareils connus les effets des variations transitoires de la tempé- rature, on supprime aussi la possibilité de mesurer les contraintes radiales uniformes que du fluide sous pression applique au boîtier. Il a été suggéré dans le brevet US-A-3 561 832 précité de ménager des rainures disposées de manière appro- priée entre la périphérie de l'élément résonateur et son enveloppe ou bottier - en fait, de maintenir cet élément en place au moyen de pattes disposées entre ce dernier et ce bottier. On constate, en utilisant deux éléments résona- teurs désaxés maintenus en place de cette manière, que l'on peut supprimer les propriétés dépendant de la température de ces éléments. Cependant, si l'on utilisait cette confi- guration pour mesurer des pressions élevées, cela provoque- rait une forte concentration des contraintes dans les pattes et risquerait de les briser. Par ailleurs, cette conforma- tion est plus compliquée et plus difficile à réaliser, ce qui serait susceptible d'en diminuer la fiabilité. L'invention concerne un transducteur de pression à résonateur, capable de mesurer avec précision la pression dans des milieux corrosifs, pratiquement indépendant des variations transitoires de température, dont le facteur d'échelle soit pratiquement indépendant aussi de la tempé- rature et qui ait une conformation simple et puisse être - fabriqué de manière relativement simple. Dans une forme de réalisation prise à titre d'exemple nullement limitatif, le transducteur comporte un élément résonateur en forme générale de disqueet qui est relié par sa périphérie à un boîtier entourant cet élément. Ce boîtier comporte des parois latérales qui sont, de manière générale, perpendiculaires au plan de l'élément et dont au moins une partie choisie est plus mince que les parties restantes de ces parois, de façon que, lorsque ledit boîtier est plongé dans un fluide, une contrainte non uni- forme soit créée dans l'élément. Cette contrainte non uni- forme est composée de manière générale d'une composante radiale non uniforme et d'une composante tangentielle non uniforme. Ces deux composantes de la contrainte provoquent une modification de la fréquence de résonance de l'élément résonateur. L'emplacement et la symétrie des parties minces déterminent le diagramme de la contrainte subie par cet élément. Il est possible, en disposant de manière appropriée les parties minces des parois, de rendre le facteur d'échelle moins dépendant de la température. L'appareil comporte aussi un circuit destiné à faire vibrer l'élément résonateur, la fréquence des vibrations variant avec la poussée que le fluide sous pression applique sur les parois latérales du boîtier. Conformément à un aspect de l'invention, l'élément résonateur est constitué de quartz façonné de façon que sa fréquence de vibration soit pratiquement indépendante des variations transitoires de la température. Cela implique essentiellement d'utiliser des cristaux de quartz à taille SC, X, AT ou BT. I1 est possible aussi d'utiliser des boitiers ayant diverses configurations pour obtenir des parois latérales à parties plus minces, par exemple un bottier de forme géné- rale cylindrique comportant des plats qui co{ncident avec ces parties minces des parois latérales. Des exemples nullement limitatifs de l'invention seront maintenant décrits de manière plus détaillée en regard des dessins annexés,sur lesquels la figure 1 est une vue en perspective,avec arra- chement partiel, d'un transducteur de pression à résonateur réalisé conformément à l'invention; la figure 2 est une coupe transversale d'une variante de réalisation du boîtier du transducteur; la figure 3 est une coupe transversale d'une autre forme de réalisation du boîtier; et la figure 4 est une coupe transversale d'une quatrième forme de réalisation du boîtier. Le transducteur de pression à résonateur selon la présente invention comporte une enveloppe ou boîtier non uniforme, de façon que, lorsqu'il est plongé dans un fluide, les contraintes créées dans l'élément résonateur ne soient pas uniformes. Cependant, l'orientation cristallographique de cet élément est déterminée de façon que les variations de fréquence provoquées par des contraintes radiales uni- formes, telles que celles dues à des variations de la tempé- rature, soient sensiblement réduites. Puisque la pression qu'il s'agit de mesurer crée maintenant des contraintes non uniformes dans l'élément résonateur, il est possible de mesurer cette pression par les modifications de la fréquence de vibration de cet élément. Les figures représentent pour l'enveloppe ou bottier quatre configurations différentes susceptibles d'être uti- lisées. La figure 1 est une vue en perspectiveavec arrache- ment partiel, d'un bottier 4 de forme générale cylindrique, présentant une cavité cylindrique 8. Un élément-résonateur 12 en forme de disque, disposé dans cette cavité 8, fait partie intégrante à sa périphérie des parois latérales du bottier. Ces parois latérales entourent l'élément résonateur 12 et en partent de chaque côté perpendiculairement à son plan. Le boîtier 4-et l'élément résonateur 12 constituent avantageusement un ensemble monobloc en quartz. La surface extérieure du bottier 4 présente deux plats opposés 16,18 chacun,coupés par exemple suivant une corde, et qui font que deux parties diamétralement opposées 22 et 24 des parois latérales sont plus minces que les autres parties de ces parois. Avec cette conformation, lorsque le bottier 4 est plongé dans un fluide, il est créé dans l'élément résonateur 12 une contrainte radiale non uniforme, parce que la poussée transmise par les parties minces 22 et 24 est plus grande que celle qui est transmise par les parties plus épaisses. Afin de réduire l'action de la température sur le facteur d'échelle (pente de la courbe des pressions en fonc- tion de la fréquence) de l'élément résonateur 12, l'orienta- tion diamétrale des plats 16 et 18 est décalée d'un angle d par rapport à l'axe X' du quartz. Par exemple, avec un quartz à taille SC, il a été constaté avantageux de choisir un angle d égal à environ 45 , alors qu'avec un quartz taillé suivant l'axe X, il est avantageux de choisir un angle d compris entre 70 et 100 . Il est facile de déter- miner expérimentalement l'angle optimum qui permet de réduire les effets des variations transitoires de tempéra- ture sur le facteur d'échelle pour des quartz ou autres cristaux piezoélectriques taillés de diverses manières. Cet angle optimum dépend, entre autres, de la minceur rela- tive des parties planes, du nombre de ces parties et des diagrammes des contraintes créées dans l'élément résonateur. Un choix approprié de la taille de la matière piézo- électrique constituant le boîtier 4 et l'élément résonateur 12 permet de supprimer les glissements de fréquence provo- qués par les contraintes radiales uniformes subies par cet élément 12 et donc par les variations transitoires de la température. Le circuit destiné à faire vibrer l'élément résona- teur 12 comporte deux électrodes 28 et 32, appliquées (par exemple par dépôt sous vide) respectivement sur les faces opposées de cet élément, ainsi que le représente la figure 1. Ces électrodes 28 et 32 sont connectées à un oscillateur 36 qui émet un signal oscillant destiné à leur être appliqué de façon à faire vibrer de manière connue l'élément résona- teur 12. Un dispositif d'affichage 40 est connecté à cet oscillateur, de façon à afficher la fréquence d'oscillation de ce dernier. Lorsque la poussée que la pression extérieure applique sur le boîtier 4 et donc sur l'élément 12 varie, la fréquence de vibration de cet élément change et l'oscil- lateur suit ce changement en oscillant à la même fréquence que ledit élément. Par conséquent, il est possible de déce- ler les modifications de la fréquence de vibration de l'élément résonant 12 et de les afficher, ce qui donne une mesure de la pression à laquelle le boîtier 4 est soumis. Des couvercles, tels que le couvercle 44,sont fixés aux deux extrémités du boîtier 4 de façon à isoler l'inté- rieur de celui-ci et à empêcher le fluide dont on mesure la pression d'y pénétrer. Dans la suite de la description, le terme "boîtier" désignera une enceinte fermée, telle que celle qui est représentée sur la figure 1, mais comportant deux couvercles capables d'isoler l'élément résonateur 12 de l'extérieur de ce bottier. La figure 2 est une coupe transversale d'une autre forme de réalisation d'un appareil selon la présente inven- tion. Dans cette variante, le boîtier 50 a une forme générale rectangulaire en section droite et entoure un élément réso- nateur 54. Ce bottier présente encore deux parois diamétra- lement opposées 58 et 62, formant les grands côtés du rectangle et qui sont plus minces que les deux autres. Par conséquent, des contraintes radiales uniformes sont créées dans l'élément résonateur 54 lorsque le bottier 50 est plongé dans un fluide. La figure 3 représente encore une autre forme de réalisation de la présente invention. Dans cette forme de réalisation,- un boîtier 70 est façonné selon une forme générale elliptique en section droite, de façon à entourer un élément résonateur 74 et à comporter des parois latérales minces 78 et 82 diamétralement opposées autour du grand axe d'ellipse. La figure 4 représente une quatrième forme de réa- lisation de l'invention, comportant un bottier présentant trois parties 90 à paroi mince, disposées symétriquement autour d'un élément résonateur 94. La poussée exercée par un fluide sous pression sur les parois latérales de ce bottier crée dans cet élément résonateur 94 des contraintes radiales non uniformes, qui en modifient la fréquence de vibration, ce qui permet de mesurer cette pression avec précision. o20 On obtient de la manière décrite un transducteur de pression à résonateur simple et facile à fabriquer. Ce transducteur comporte un élément résonateur en forme géné- rale de disque, dont la périphérie est solidaire d'un boî- tier qui entoure cet élément et dont les parois latérales sont perpendiculaires au plan de ce dernier. Une ou plu- sieurs parties choisies de ces parois latérales sont plus minces que le reste desdites parois, ce qui crée des con- traintes non uniformes (orientées de façon générale radiale- ment) dans l'élément résonateur lorsque le boîtier est plongé dans un fluide dont on désire mesurer la pression. Il va de soi qu'il est possible, sans s'écarter du domaine de l'invention, d'apporter diverses modifications aux transducteurs de pression à résonateur représentés et décrits. REVENDICATIONS 1. Transducteur de pression à résonateur, caracté- risé en ce qu'il comprend un élément résonateur (12) en forme de disque; un bottier (4;50;70) qui entoure cet élément résona- teur et est relié à la périphérie de ce dernier, ce bottier comportant des parois latérales qui sont perpendiculaires au plan dudit élément et dont au moins une partie choisie est plus mince que les parties restantes, de façon que, lorsque ce boîtier est plongé dans un fluide, une contrainte non uniforme soit créée dans l'élément résonateur (2); et un dispositif (36) destiné à faire vibrer cet élé- ment résonateur (12), la fréquence des vibrations variant quand la pression du fluide qui agit sur les parois latérales du bottier varie. 2. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément résonateur (12) fait corps avec les parois latérales du boîtier (4). 3. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément résonateur (12,54;74) est composé d'un cristal de quartz taillé de façon que sa fréquence de vibration soit pratiquement indépendante des variations transitoires de la température. 4. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les parties minces (22,24;58,62;78,82) des parois latérales sont diamétralement opposées. 5. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément résonateur (12;54;74) est composé d'un cristal de quartz taillé de façon que sa fréquence de vibrations soit pratiquement indépendante des variations de la température. 6. Transducteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les parties minces (22,24;58,62;78,82) des parois latérales sont diamétralement opposées. 7. Transducteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'élément résonateur (12) est composé d'un cristal de quartz à taille AT. 8. Transducteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'élément résonateur (12) est composé d'un cristal de quartz à taille BT. 9. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le boitier (4) a une forme générale cylin- drique, les parties minces (22,24) diamétralement opposées des parois latérales étant formées par des parties planes (16,18),coupées par exemple suivant une corde, de la surface extérieure de ces parois. 10. Transducteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le boîtier (50) est rectangulaire en section droite.