Brevet FR2792410A1 — publié le 20001020

PROCEDE DE MESURE DE PRESSION PAR MANOMETRE A ELEMENT RESONANT La présente invention concerne un procédé de mesure de pression par manomètre à élément résonant, notamment pour un usage dans les puits pétroliers, et plus particulièrement un tel procédé dans lequel on place dans le fluide dont la pression est à mesurer une capsule sous vide contenant un élément résonant, on mesure une caractéristique de résonance de l'élément, et on déduit la pression de cette caractéristique. On connaît déjà par le document US-A-4 547 691 des capteurs de ce type, connus sous le nom de CQG ("Crystal Quartz Gauge" ou Capteur à Cristal de Quartz), dans lesquels la capsule sous vide et la poutre vibrante qu'elle contient sont réalisées en quartz. Ces capteurs ont pour avantages de pouvoir fonctionner dans un environnement hostile, à très haute pression (jusqu'à 1500 kg/cm2) et à des températures élevées (jusqu'à 200 C), ce qui les rend particulièrement adaptés à une utilisation dans le domaine de I'exploitation pétrolière, notamment pour la surveillance continue des gisements. Ils présentent enfin une très grande précision, de l'ordre de 0,01% de la pleine échelle. La poutre en quartz est mise en résonance par effet piézo- électrique et on mesure avec précision la fréquence de cette vibration. On en déduit la pression à laquelle la cellule est soumise. La fréquence de vibration étant relativement peu sensible aux effets de vieillissement, de dérive, de fatigue, issus de la relaxation des contraintes, des effets thermoélectriques ou de l'instabilité de l'électronique, ces capteurs à quartz sont donc en outre très stables et de bonne résolution, contrairement aux capteurs de pression à membrane et jauge de contrainte. Ils présentent toutefois l'inconvénient d'être d'un coût élevé et de posséder des dimensions relativement importantes. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Plus particulièrement, I'invention vise à fournir un manomètre qui soit capable de fonctionner dans les mêmes conditions qu'un manomètre à quartz et de donner une mesure présentant la même précision, mais qui soit beaucoup plus facile à industrialiser et de coût très inférieur. Encore plus particulièrement, I'invention vise à fournir un procédé de mesure de pression et un manomètre qui soient exploitables à grande échelle dans le domaine pétrolier, notamment pour la surveillance continue des gisements, mais qui pourraient également être utilisés en cours de forage. A cet effet, I'invention a tout d'abord pour objet un procédé de mesure de pression par manomètre à élément résonant, notamment pour un usage dans les puits pétroliers, dans lequel on place dans le fluide dont la pression est à mesurer une capsule sous vide contenant un élément résonant, on mesure une caractéristique de résonance de l'élément, et on déduit la pression de cette caractéristique, caractérisé par le fait que l'on utilise un élément résonant qui se trouve dans un état de contrainte proche du flambage au cours de la mesure. On observera que l'invention concerne des capteurs à élément résonant, c'est-à-dire du même type que les capteurs à quartz précités, et non pas des capteurs à membrane et jauge de contrainte. On tire donc parti du fait que la grandeur mesurée est liée à une fréquence de vibration et non pas à une déformation. Par ailleurs, la sensibilité du procédé selon l'invention est augmentée par le fait que l'élément résonant est dans un état de contrainte proche du flambage. En effet, dans ce cas, la raideur de la poutre tend vers 0. Une très faible variation de la compression exercée sur cette dernière se traduit donc par une variation considérable de sa fréquence de vibration. On réalise ainsi une amplification mécanique de la sensibilité du capteur. Avantageusement, I'élément résonant est réalisé en silicium. On bénéficie ainsi des excellentes propriétés mécaniques du silicium, notamment s'il est monocristallin. En outre, la technologie liée à l'utilisation de ce dernier matériau est parfaitement maîtrisée et bien adaptée à des productions en grandes séries. 279241 0 On notera que la sensibilité d'un capteur à élément résonant en silicium serait, toutes autres conditions égales par ailleurs, largement inférieure à celle d'un capteur à quartz équivalent. Le procédé selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient du fait que la mesure est effectuée alors que l'élément résonant est dans un état de contrainte proche du flambage. Deux modes de mise en oeuvre du procédé peuvent être envisagés. On peut en premier lieu simplement exciter l'élément sur sa résonance et mesurer sa fréquence de vibration. Le capteur fonctionne alors en boucle ouverte. L'état de contrainte de l'élément résonant, donc sa fréquence de vibration, dépendent de la pression à mesurer. Dans l'autre mode de mise en oeuvre, on ajuste l'état de contrainte de l'élément résonant sur sa condition limite de flambage dans la plage des pressions à mesurer. La fréquence reste donc constante, la mesure de pression étant effectuée en mesurant la contrainte appliquée à l'élément résonant. Le capteur fonctionne en mode asservi. Dans un mode de mise en oeuvre particulier, on ajuste la température de l'élément résonant, par exemple par effet joule, pour le maintenir dans un état de contrainte proche du flambage. Dans ce cas, on ajoute donc à la contrainte mécanique exercée sur l'élément par la pression à mesurer, une contrainte de dilatation thermique de manière à atteindre la proximité souhaitée de l'état de flambage. L'élément résonant vibre toujours à la même fréquence et le courant utilisé pour l'ajustement de la température est représentatif de la pression à mesurer. L'invention a également pour objet un manomètre à élément résonant, adapté aux mesures dans les puits pétroliers, comprenant un élément résonant en matériau cristallin disposé dans une capsule sous vide agencée pour être soumise à une pression à mesurer, des moyens pour mettre cet élément en résonance, et des moyens pour déduire la pression d'une caractéristique de vibration de l'élément, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour que l'élément résonant se trouve, au cours de la mesure, dans un état de contrainte proche du flambage afin d'amplifier la sensibilité du capteur. Plus particulièrement, l'élément résonant peut être réalisé en silicium. Dans un premier mode de réalisation, ladite caractéristique de vibration de l'élément résonant est sa fréquence de vibration. Dans un autre mode de réalisation, ladite caractéristique de vibration de l'élément résonant est une grandeur électrique à laquelle lesdits moyens doivent être soumis pour que l'élément garde une fréquence de vibration constante en fonction de la pression. On observera par ailleurs que, dans les capteurs à quartz de l'art antérieur, I'excitation en vibration est réalisée par voie piézo- électrique. D'autres moyens doivent être envisagés dans le cas d'un capteur à élément résonant en silicium, ce dernier matériau n'étant pas piézo-électrique. Selon l'invention, les moyens d'excitation peuvent être des moyens capacitifs ou des moyens optiques. Egalement dans un mode de réalisation particulier, lesdits moyens pour que l'élément résonant se trouve, au cours de la mesure, dans un état de contrainte proche du en condition de limite de flambage au cours de la mesure peuvent être des moyens d'échauffement de l'élément, notamment par effet joule. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation particulier de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un manomètre selon l'invention avec sa cellule de mesure en vue en perspective éclatée; et - la figure 2 est un schéma illustrant le fonctionnement général du dispositif. La cellule de mesure 1 du manomètre de la figure 1 est réalisée en trois parties, à savoir un boîtier creux 2 et deux couvercles 3a et 3b. Le boîtier 2 forme un cadre rigide 4. Un élément résonant, ici une poutre vibrante 5, forme un pont entre deux des cotés opposés du cadre 4. La section transversale de la poutre 5 est faible devant 279241 0 celle des côtés du cadre 4 de sorte que la poutre peut être considérée comme en compression entre deux encastrements. Chaque couvercle 3a et 3b est simplement constitué par une plaque plane liée au boîtier par tout moyen convenable de manière à enfermer la poutre 5 dans une enceinte sous vide. ILe boîtier 2, y compris la poutre vibrante 5, ainsi que les couvercles 3a et 3b sont réalisés en silicium. La technique utilisée peut être celle, connue en micro-électronique, de l'usinage chimique anisotropique, par exemple par de l'hydroxyde de potassium. Les faces des couvercles 3a et 3b en contact avec le boîtier 2 sont oxydés, par exemple par voie thermique, de sorte que la couche de silice 6 en résultant forme une isolation électrique. L'assemblage des couvercles 3a et 3b sur le boîtier 2 peut par exemple être réalisé par soudure directe ou par soudure anodique d'une couche mince de verre pulvérisé. L'électronique comprend pour l'essentiel un circuit oscillateur 7 et un circuit 8 d'asservissement sur la condition limite de flambage de la poutre. Le circuit oscillateur 7 assure de façon connue l'excitation capacitive de la poutre 5 et la mesure de sa fréquence de résonance f. Le circuit 7 est ici représenté connecté au couvercle 3a et au cadre 4 du boîtier 2. On voit à la figure 2 les interactions entre le circuit 8 d'asservissement, la poutre 5 et le circuit oscillateur 7. La pression P du milieu extérieur s'ajoute au niveau de la cellule de mesure 1 à la pression Ph due à l'échauffement ohmique de la poutre 5 pour donner la pression P? qui comprime la poutre 5 longitudinalement. La poutre 5 est excitée capacitivement en vibration par le circuit oscillateur 7 et vibre ainsi à la fréquence de résonance f Cette fréquence est comparée dans un comparateur 9 à une consigne fo choisie convenablement pour correspondre à un état de la poutre o elle se trouve en condition de limite de flambage. L'écart de fréquence est utilisé pour commander un générateur de courant 10. Le courant fourni par le générateur 10 est injecté dans la poutre 5 pour engendrer la pression P,h qui assure la condition de limite de flambage. L'écart de fréquence fourni par le comparateur 9 (ou le courant fourni par le générateur 10) est également représentatif de la pression P. Cet écart (ou ce courant) est donc transmis à un circuit non représenté qui donne directement cette pression. On dispose ainsi de la sensibilité maximum, puisque la fréquence de résonance de la poutre 5 varie extrêmement rapidement en fonction de la compression appliquée, et donc en fonction de la pression P, lorsque la poutre se trouve à proximité du flambage. A titre d'exemple, on a calculé les modes de vibration d'une poutre de silicium de 0,25 mm de longueur, de 0,05 mm de largeur et de 4,8 gm d'épaisseur. Dans les conditions du calcul, la pression de flambage est de 1180 bars. En l'absence de pression appliquée, la fréquence propre du premier mode de vibration est de 657 kHz. La sensibilité à la pression, entre 0 et 800 bars, est pour ce premier mode de l'ordre de 360 Hz/bar. Cette sensibilité croit sensiblement pour des pressions supérieures et dépasse 2000 Hz/bar entre 1100 et 1180 bars. On n'a décrit ci-dessus que le mode de réalisation dans lequel l'excitation/détection en fréquence etait de type capacitif. On peut en variante prévoir une excitation/détection de type optique. Dans ce cas, on génère la vibration en échauffant la poutre 5 à l'aide d'impulsions lumineuses fournies par une fibre optique. Ce dernier mode de réalisation permet de bénéficier du fait que la fibre optique est isolante électriquement, de faible diamètre, flexible et insensible aux perturbations électromagnétiques. 279241 0 REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de pression par manomètre à élément résonant, notamment pour un usage dans les puits pétroliers, dans lequel on place dans le fluide dont la pression est à mesurer une capsule sous vide contenant un élément résonant (5), on mesure une caractéristique de résonance de l'élément, et on déduit la pression de cette caractéristique, caractérisé par le fait que l'on utilise un élément résonant qui se trouve dans un état de contrainte proche du flambage au cours de la mesure. 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel on réalise ledit élément résonant en silicium. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on mesure la fréquence de vibration de l'élément résonant. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on ajuste l'état de contrainte de l'élément résonant sur sa condition limite de flambage dans la plage des pressions à mesurer. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on ajuste la température dudit élément résonant pour le maintenir dans un état de contrainte proche du flambage. 6 - Procédé selon la revendication 4, dans lequel on ajuste la température dudit élément résonant en la chauffant par effet joule. 7 - Manomètre à élément résonant, adapté aux mesures dans les puits pétroliers, comprenant un élément résonant (5) en matériau cristallin disposée dans une capsule sous vide (1) agencée pour être soumise à une pression à mesurer, des moyens (7) pour mettre cet élément en résonance, et des moyens (9) pour déduire la pression d'une caractéristique de vibration de l'élément, caractérisé par le fait que des moyens (10) sont prévus pour que l'élément résonant se trouve, au cours de la mesure, dans un état de contrainte proche du flambage. 8 - Manomètre selon la revendication 7, dans lequel ledit élément résonant est en silicium. 9 - Manométre selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel ladite caractéristique de vibration de l'élément est sa fréquence de vibration. - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel ladite caractéristique de vibration de l'élément est une grandeur électrique à laquelle lesdits moyens (10) doivent être soumis pour que l'élément garde une fréquence de vibration constante en fonction de la pression. 11 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel lesdits moyens (7) pour mettre l'élément en résonance sont des moyens capacitifs. 12 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 7 à , dans lequel lesdits moyens (7) pour mettre l'élément en résonance sont des moyens optiques. 13 - Manomètre selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, dans lequel lesdits moyens (10) pour que l'élément résonant se trouve, au cours de la mesure, dans un état de contrainte proche du flambage sont des moyens d'échauffement de l'élément.