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Diese Erfindung betrifft allgemein einen kristallinen Resonator zum Feststellen
von Temperaturen, der sich besonders (jedoch nicht ausschließlich) zur Verwendung
in Öl- und Gasbohrlöchern eignet.
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Beim Bohren, Komplettieren und Fördern eines Öl- oder Gasbohrlochs werden
normalerweise Temperatur- und Druckmessungen am Bohrloch vorgenommen, um
Angaben zur Öl- und Gasförderungsfähigkeit des Bohrlochs zu erhalten. Das kann
durchgeführt werden durch Ablassen eines Quarzkristall-Druck- und
Temperaturmeßwandlers in das Bohrloch und Erzeugen elektrischer Signale, die auf
die Frequenzen ansprechen, mit denen die Quarzkristallteile, ansprechend auf den/die
festgestellte(n) Druck und Temperatur, oszillieren. Normalerweise wird ebenfalls ein
Quarzkristall-Bezugsteil vorgesehen, um Veränderungen im Ansprechen auf Druck
oder Temperatur auszugleichen. Dieses Bezugsteil sowie das Temperatursensorteil
können in einem Gehäuse untergebracht sein.
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Ein derzeit in Öl- oder Gasbohrlöchern im Einsatz befindlicher Druck- und
Temperaturmeßwandler beinhaltet drei aktive Bestandteile. Diese nehmen die Form
von Quarzresonatoren an, die in einem aus zwei getrennten kristallinen Sätzen, die
nebeneinander ausgeführt sind, zusammengestellten Quarzgehäuse untergebracht sind.
Einer dieser Sätze beinhaltet den kristallinen Resonator, der den auf das Gehäuse
einwirkenden Druck feststellt, während der zweite Satz sowohl einen kristallinen
Resonator, der die durch das Gehäuse weitergeleitete Temperatur erkennt, wie einen
kristallinen Resonator beinhaltet, der als Bezug zum Ausgleich der
Temperaturauswirkungen auf den Drucksensorresonator dient. In einer speziellen
Ausführung ist der Temperaturresonator ein Torsionsbetrieb-Stimmgabelquarzkristall
(TTF) (siehe beispielsweise US Patentschrift Nr.4,802,370 nach EerNisse u.a.).
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Obwohl sich diese Art von Druck- und Temperaturmeßwandler für viele
Öl- und Gasbohrlöcher eignet, schränkt die Verwendung eines TTF-Temperaturkristalls
den Temperaturbereich ein, in dem es nützlich eingesetzt werden kann. Ein TTF-
Kristall oszilliert nur schwer bei Temperaturen über 175º C. Ein TTF-Kristall kann
gleichfalls bei niederen Temperaturbereichen von -10º C bis -15º C, infolge der
Verdampfung gasförmigen Bleitetrahydrids, das sich im kristallinen Bausatz bei
Versiegelung bilden kann, seine Funktion vorübergehend verlieren. Durch besondere
Versiegelungsmethoden kann dies verhindert werden, solche sind jedoch zeitraubend
und kostspielig. So ergibt sich Bedarf für einen verbesserten Temperaturmeßwandler
und eine Temperaturmeßmethode in erweitertem Betriebsbereich im Verhältnis zum
o.g. Meßwandler, der ein TTF Temperaturkristall beinhaltet.
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Diese Erfindung meistert die o.g. sowie weitere Nachteile der bekannten
Technik, indem ein verbesserter Temperaturmeßwandler und speziell ein kristalliner
Resonatorsatz vermittelt wird, der ein AC-Schnitt-Kristall als Temperatursensor
beinhaltet. Ein solcher, auf Temperatur ansprechender AC-Schnitt-Kristall verbessert
einen Druck- und Temperaturmeßwandler der in einem kristallinen Gehäuse
ausgeführten Art, die Druck und Temperatur in einem Öl- oder Gasbohrloch
ausgesetzt wird. Diese Erfindung betrifft gleichermaßen eine Vorgangsweise der
Erkennung einer Temperatur in einem Öl- oder Gasbohrloch. Ein Vorteil dieser
Erfindung ist der erweiterte Betriebstemperaturbereich. Ein weiterer Vorteil dieser
Erfindung ist ihre Nützlichkeit in Hochdruckumgebungen.
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Nach dieser Erfindung wird ein Druck- und Temperaturmeßwandler vermittelt,
bestehend aus einem kristallinen Gehäuse, das Druck und Temperatur ausgesetzt wird
sowie einem Temperaturresonator, einschließlich einem in besagtem kristallinen
Gehäuse ausgeführten AC-Schnitt-Kristall.
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Die Erfindung vermittelt gleichfalls einen zweifachen kristallinen
Resonatorsatz, bestehend aus einem kristallinen Gehäuse; einem in besagtem
kristallinen Gehäuse ausgeführten kristallinen Bezugsresonator und einem kristallinen
Temperaturresonator, der in besagtem kristallinen Gehäuse ausgeführt ist, wobei
besagter kristalliner Temperaturresonator ein AC-Schnitt-Quarzkristall ist.
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Die Erfindung umfaßt weiter eine Vorgehensweise der Feststellung von
Temperatur in einem Öl- oder Gasbohrloch, bestehend aus dem Ablassen eines
kristallinen Gehäuses in ein Bohrloch, wobei sich im Inneren des kristallinen Gehäuses
ein AC-Schnitt-Kristall befindet, wodurch das kristalline Gehäuse Druck und
Temperatur im Bohrloch ausgesetzt wird; sowie Verwendung der Reaktion des AC-
Schnitt-Kristalls auf die Temperaturfeststellung.
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Um ein besseres Verständnis der Erfindung herbeizuführen, werden die
nachfolgenden Ausführungen derselben beispielhaft beschrieben, wobei auf die
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
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FIG. 1 ein Blockschaltbild eines Druck- und Temperaturmeßwandlers, bei dem
die Verbesserung dieser Erfindung Anwendung finden kann.
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FIG. 2 eine Darstellung einer speziellen Struktur des in FIG. 1 gezeigten
Meßwandlers, wobei die Struktur aus US-A-4802370 hervorgeht.
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FIG. 3 einen Längsschnitt durch eine Ausführung der Struktur in FIG. 2.
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FIG. 4 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführung eines Temperatur-
/Bezugssatzes, bei dem diese Erfindung Anwendung finden kann.
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FIG. 5 einen Schnitt einer weiteren Ausführung eines Temperatur-
/Bezugssatzes, bei dem diese Erfindung Anwendung finden kann.
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Die hier eröffnete und beanspruchte Erfindung erfordert den Austausch eines
Torsionsbetrieb-Stimmgabelquarzkristall (TTF)-Temperaturresonators durch ein AC-
Schnitt-Temperaturkristall in einem sonst herkömmlichen kristallinen Meßwandlersatz,
der hohen Temperaturen widerstehen kann, wie sie in Öl- und Gasbohrlöchern
auftreten. Obwohl ein AC-Schnitt-Kristall schon zum Feststellen von Temperatur
benutzt worden ist, kam es unserer Kenntnis nach nur zur Verwendung in versiegelten
Metallbausätzen, die sich nicht zur Verwendung in Hochdruckapplikationen wie
Öl- und Gasbohrlöchern eignen.
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Spezifisch umfaßt diese Erfindung das Aufziehen eines AC-Schnitt-Kristalls
auf eine Z-Schnitt-Quarzplatte auf gleiche Weise, wie der SC-Schnitt-Bezugskristall
in den Temperatur-/Bezugssatz eines Druck- und Temperaturmeßwandlers, wie er von
Halliburton Services angeboten wird, eingebaut ist. Das Aufziehen erfolgt
vorzugsweise so, daß die durch die verschiedenen Wärmedehnungs-Koeffizienten
entstehenden Stresse minimiert werden. Zwei Z-Schnitt-Platten, wovon auf eine ein
SC-Schnitt-Kristall und auf das andere ein AC-Schnitt-Kristall aufgezogen ist,
werden bei hoher Temperatur hermetisch versiegelt. Dieser Vollquarzbausatz wird
dann neben einem herkömmlichen Drucksensor in den Meßwandler eingebaut.
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Ein Vorteil des Austauschs eines TTF-Kristalls durch ein AC-Schnitt-Kristall
ist, daß der AC-Kristall einen breiteren Betriebstemperaturbereich vermittelt. Während
ein TTF-Temperaturkristall bei Temperaturen über 175º C nur schwer oszillieren
kann, wurden vier AC-Schnitt-Kristalle, die in sonst herkömmlichen kristallinen
Temperatur-/Bezugssätzen eingebaut wurden, bei Temperaturen bis 200º C erfolgreich
im Labor getestet. Dabei war kein nennenswerter Amplitudenverlust feststellbar.
Bisher ist die obere Betriebsgrenze unbekannt, im Labor konnten wir jedoch in Dosen
aufgezogene AC-Schnitt-Temperaturkristalle bis 250º C testen. Wir sind davon
überzeugt, daß dies ebenfalls mit dem kristallinen Temperatur-/Bezugssatz realisiert
werden kann. Weiter vermittelt der AC-Schnitt-Kristall den Einsatz bei niedrigeren
Temperaturen, als es der TTF-Temperaturkristall bewältigen kann. Ein bedeutender
Prozentsatz von Temperatur-/Bezugssatzen wird mit geringsten Mengen gasförmigen
Bleitetrahydrid versiegelt, das zum vorübergehenden Verlust der Aktivität des TTF-
Kristalls führt, während sich das Gas bei -10 bis 15º C verdichtet. Zur Vermeidung
dieser Vorkommnis werden diverse Versiegelungsmethoden benutzt; diese sind jedoch
zeitraubend und kostspielig. Der AC-Schnitt-Kristall, wie er in dieser Erfindung
verwendet wird, verlangt keine besonderen Versiegelungsmethoden. Bei Anwesenheit
von Gas konnten keine Aktivitätsprobleme bei AC-Schnitt-Kristallen festgestellt
werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, daß der AC-Schnitt-Kristall in
Hochdruckumgebungen, wie sie in Öl- und Gasbohrlöchern vorkommen, eingesetzt
werden kann. Insbesondere funktioniert der AC-Schnitt-Kristall ordnungsgemäß,
wenn er den TTF-Temperaturkristall im kristallinen Temperatur-/Bezugssatz ersetzt,
wie er von Halliburton Services benutzt wird.
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Mit Bezug auf FIG. 1-5 werden Beispiele spezieller Ausführungen, die diese
Erfindung beinhalten, beschrieben. FIG. 1-3 wurden der US Patentschrift Nr.
4,802,370 nach EerNisse u.a. entnommen, während FIG. 4 und 5 einem gleichfalls
anstehenden US Patentantrag unter dem Titel "Temperatur-/Bezugssatz sowie
Vorgehensweise der Verwendung dieses in Öl- und Gasbohrlöchern mit hohem Druck
und hoher Temperatur" (Patentanwalt-Nr. HS92.031) entnommen wurden, auf die
hiermit Bezug genommen wird.
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FIG. 1 eröffnet einen Meßwandler 2 mit der Fähigkeit, Druck und Temperatur
festzustellen und in allen angemessenen Anlagen Verwendung zu finden, wie
beispielsweise in einem Bohrlochspeichergerät, mit dem Druck- und Temperaturdaten
in einem Öl- oder Gasbohrloch aufgezeichnet werden.
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Der Meßwandler 2 umfaßt grob gesehen ein elektronisches Teil 4 mit
elektrischen Bauteilen und Schaltungen, die auf einen Sensorabschnitt 6 ansprechen.
Der Sensorabschnitt 6 kann allgemein als Gerät zum Vermitteln eines oder mehrerer
Signale, ansprechend auf ein oder mehrere erkennbare Merkmale, dienen. Der
elektronische Abschnitt 4 sowie der Sensorabschnitt 6 sind in einem Trägerkörper
geeigneter Art untergebracht, wie er Fachkundigen bekannt ist und in besagter US
Patentschrift Nr.4,802,370 nach EerNisse u.a. erscheint.
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Der elektronische Abschnitt 4 beinhaltet bekannte Merkmale eines
Meßwandlers. Zu Beispielen dieser zählen Oszillator-, Mischer- und
Prozessorschaltungen (wie z.B. ein Mikroprozessor mit Zähl- und
Berechnungsfähigkeiten). Schaltungen dieser Art sind Fachkundigen bekannt. Der elektronische
Abschnitt 4 ist nicht Bestandteil dieser beanspruchten Erfindung und wird deshalb
nicht näher beschrieben.
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Zum Sensorabschnitt 6 der bevorzugten Ausführung dieser Erfindung zählt ein
kristallines Gehäuse, in dem die folgenden aktiven Elemente ausgeführt sind: eine
Eigenschaften feststellende Vorrichtung zum Erzeugen eines Signals mit
identifizierbarem Merkmal, wie beispielsweise Frequenz, das sich durch Ansprechen
auf die festgestellte Eigenschaft, wie z.B. Druck, bezieht, wobei es sich beim
Ansprechen um eine temperaturabhängige Variable handelt (in der bevorzugten
Ausführung handelt es sich dabei um eine Drucksensorvorrichtung 8 zum Feststellen
von Druck); einer Bezugsvorrichtung 10 zum Erzeugen eines Signals, mit
identifizierbarem Merkmal der gleichen Art, wie das identifizierbare Merkmal des
Signals der Eigenschaftssensorvorrichtung, so daß das identifizierbare Merkmal des
Bezugsvorrichtungssignals einen größtenteils konstanten Wert hat, der einen
Bezugswert bestimmt, mit dem oder im Verhältnis zu dem das identifizierbare
Merkmal des Signals der Eigenschaftssensorvorrichtung verglichen werden kann,
wobei der größtenteils konstante Wert von einem Ansprechen der Bezugsvorrichtung,
die eine temperaturabhängige Variable ist, abhängig ist; und einer
Temperatursensorvorrichtung 12 zum Erzeugen eines Signals, ansprechend auf die
Temperatur dort, wo sich sowohl die Eigenschaftssensorvorrichtung als auch die
Bezugsvorrichtung befinden. Der/die in der bevorzugten Ausführung festzustellende
Druck und Temperatur sind die, die in einer Kammer im Trägerkörper des
Meßwandlers herrschen.
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Wichtiges Merkmal des Sensorabschnitts 6 des Meßwandlers nach EerNisse
u.a. ist, daß sich der Drucksensor 8, das Bezugsgerät 10 sowie der Temperatursensor
12 alle in der gleichen Kammer 14 befinden. Die Kammer 14 ist mit einer Flüssigkeit
gefüllt, die dem Weiterleiten des festgestellten Drucks an den Drucksensor 8 dient. In
der bevorzugten Ausführung ist die Flüssigkeit ein Fachkundigen bekanntes Öl. Diese
Flüssigkeit befindet sich überall in der Kammer, so daß die Sensoren 8, 12 sowie das
Bezugsgerät 10 sich zusammen in einer gemeinsamen Flüssigkeit befinden. So wird
der ganze Sensorabschnitt 6 Druck ausgesetzt. Zu beachten ist jedoch, daß das
Bezugsgerät 10 und der Temperatursensor 12 so aufgezogen werden, daß sie nicht
nennenswert durch den von der gemeinsamen Flüssigkeit an das äußere Gehäuse des
Sensorabschnitts 6 weitergeleiteten Flüssigkeit übertragenen Druck beeinflußt werden,
daß sie dagegen die Temperaturstöße empfinden können, die in der gemeinsamen
Flüssigkeit entstehen oder darauf angesetzt werden. Diese Flüssigkeit wird in einem
gleichbleibenden Volumen des Trägerkörpers gehalten, so daß, wenn es zu einer
Druckveränderung im Volumen kommt, es zur gleichzeitigen Temperaturveränderung
kommt. Die Flüssigkeitstemperatur wird ebenfalls durch die Temperatur der
Umgebung beeinflußt, in der sich Meßwandler 2 befindet.
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Bei der in FIG. 2 gezeigten Ausführung besteht der Sensorabschnitt 2 aus zwei
separaten Bausätzen. Der Drucksensor 8 beinhaltet seinen eigenen Bausatz 16 mit
einem äußeren kristallinen Gehäuse, in dem ein druckempfindliches oder auf Druck
ansprechendes Element 18 ausgeführt ist. Das Bezugsgerät 10 und der
Temperatursensor 12 sind beide in einem gemeinsamen Temperatur-/Bezugsbausatz
20 ausgeführt, in dem ebenfalls Bezugskontroll- oder Einstellteil 22 sowie ein
temperaturempfindliches oder -ansprechendes Element 24 ausgeführt sind. Der
Temperatur-/Bezugssatz 20 hat ein äußeres kristallines Gehäuse, das durch einen
geeigneten Anschluß an der Seite mit dem äußeren Gehäuse des Drucksatzes 16
verbunden ist. Eine geeignete Anschlußvorrichtung ist die als gestrichelte Linie in
FIG. 3 dargestellte Befestigungsendkappe 26.
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Der Temperatur-/Bezugssatz 20 beinhaltet laut Darstellung der Ausführung in
FIG. 3 insbesondere zwei kristalline Endstücke 28, 30 sowie ein kristallines
Mittelstück 32, durch das ein Loch 34 verläuft, mit dem die zwei Endstücke 24 und
30 durch eine Fachkundigen bekannte Vorrichtung verbunden werden, wie
beispielsweise durch Glasdichtschichten, die bei ausreichender Erwärmung einen
Verbund herstellen. Im Fertigzustand hat dieses Gehäuse von Bausatz 20 einen durch
Loch 34 gebildeten Hohlraum, der, je nach Bedarf, entweder mit Gas gefüllt oder
evakuiert wird, wie es Fachkundigen bekannt ist. In der bevorzugten Ausführung
besteht das äußere Gehäuse des Bausatzes 20 aus kristallinem Quarz.
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Das Bezugselement 22 des Temperatur-/Bezugssatzes 20 beinhaltet einen
kristallinen Quarzresonator 36 (d.h. einen SC-Schnitt-Kristall), der mit Endstück 28
verbunden ist. Dieser Anschluß erfolgt mittels einer Fachkundigen bekannten
Vorrichtung, die vorzugsweise eine ist, die zur Reduktion des auf den Resonator 36
übertragenen Drucks führt (wie z.B. ein einzelner struktureller Anschluß). Wenn der
Bausatz 20 komplett zusammengebaut ist, befindet sich der Resonator 36 im inneren
Hohlraum, der durch Lech 34 gebildet wird.
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Am Resonator 36 sind zwei Elektroden angebaut. Diese Elektroden sind
koplanare Schichten, die zusammen durch Ziffer 38 gekennzeichnet werden, jedoch
elektrisch voneinander getrennt und zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen
von Endstück 28 und dem Mittelstück 32 ausgeführt sind. Diese Elektroden
ermöglichen es dem Resonator 36, im Meßwandler-Elektronikabschnitt 4 auf
Fachkundigen bekannte Weise in eine Bezugsoszillatorschaltung eingebunden zu
werden. Resonator 36 ist das Bezugskontrollteil, das die Frequenz der
Bezugsoszillatorschaltung auf Fachkundigen bekannte Weise regelt oder einstellt.
Wenn Resonator 36 in Bausatz 20 versiegelt und mit geeignetem Anschluß aufgezogen
ist, bleibt Resonator 36 größtenteils vom Druck in der gemeinsamen Flüssigkeit, in der
diese Erfindung eingesetzt wird, unbeeinflußt. So kommt es infolge von Druck zu
keiner Veränderung der Frequenz der Oszillationen, die durch natürliches oder eigenes
Ansprechen des Resonators 36 vermittelt werden. Dieses Ansprechen und somit die
Frequenz werden dagegen von Temperatur beeinflußt. Infolge der bevorzugten
Konzeption von Bausatz 20, die eine Wärmeanpassung an Bausatz 16 vermittelt, wird
diese Auswirkung in Realzeit selbsttätig ausgeglichen, weil die Auswirkungen von
Temperatur auf den Resonator und den Drucksensorsatz 16 sowie den Resonator 36
größtenteils gleichzeitig auftreten.
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Das auf Temperatur ansprechende Element 24 ist mit dem Kristallendstück 30
so verbunden, daß Druck, der auf das Gehäuse von Bausatz 20 einwirkt, vorzugsweise
nicht nennenswert auf Element 24 übertragen wird (wie z.B. durch einen einzelnen
strukturellen Anschluß an Endstück 30). In der bevorzugten Ausführung dieser
Erfindung ist das auf Temperatur ansprechende Element 24 ein kristalliner AC-
Schnitt-Quarzresonator 40, der selbst als Gerät bekannt ist. Beim Zusammenbau des
Temperatur-/Bezugssatzes 20 wird Resonator 40 in dem durch Loch 34 gebildeten
Hohlraum ausgeführt. Zwei zwischen den sich gegenüberstehenden Flächen der
Kristallstücke 30, 32 ausgeführte Elektroden sind am Resonator 40 ausgeführt, siehe
Ziffer 42 der Darstellung in FIG. 3. Mit diesen Elektroden wird Resonator 40 mit
einem Oszillator des Meßwandler-Elektronikabschnitts 4 auf bekannte Weise
verbunden. Das dem Resonator 40 eigene Ansprechen erzeugt Schwingungen von
einer Frequenz, die der durch den kristallinen Körper des Temperatur-/Bezugssatzes
16 auf Resonator 40 übertragenen Temperatur entsprechen. Der Bausatz 20 ist jedoch
versiegelt und der Resonator 40 so aufgezogen, daß er vom Druck außerhalb von
Gehäuse 20 nicht nennenswert beeinflußt wird.
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FIG. 4 stellt eine weitere Ausführung eines Temperatur-/Bezugssatzes dar. In
dieser Ausführung wird ein AC-Schnitt-Kristallresonator 44 in einem Hohlraum eines
kristallinen Endstücks 46 des Bausatzes ausgeführt, während ein Bezugskristall 48 in
einem Hohlraum des anderen kristallinen Endstücks 50 des Bausatzes ausgeführt ist.
Die zwei Endstücke 46, 50 sind nur durch dazwischen ausgeführte Elektroden 52, 54
unmittelbar miteinander verbunden.
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In der Ausführung in FIG. 5 ist ein AC-Schnitt-Temperaturkristall 56 an einer
Seite eines kristallinen Blocks 58 befestigt, während ein Bezugskristall 59 an der
anderen Seite des Blocks 58 befestigt ist. Block 58 ist zwischen den
Kristallendstücken 60, 62 der in der Ausführung in FIG. 4 benutzten Art verbunden.
Elektroden 64, 66 verlaufen von den kristallinen Resonatoren 56, 59 entlang den
jeweiligen Seiten von Block 58.
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Die Kristallresonatoren der Ausführung in FIG. 4 und 5 werden auf geeignete
Weise aufgezogen, siehe Beschreibung für die Ausführung von FIG. 1-3.
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Die o.g. Geräte sind zur Verwendung mit der Vorgehensweise dieser Erfindung
ausgeführt. Mit dieser Vorgehensweise läßt sich mindestens die Temperatur in einem
Öl- oder Gasbohrloch feststellen.
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Die Vorgehensweise beinhaltet das Ablassen eines kristallinen Gehäuses in ein
Bohrloch. Dazu zählt wenigstens ein kristalliner Bausatz mit einem darin ausgeführten
AC-Schnitt-Kristall. Mit Bezug auf die Ausführungen in FIG. 1-5 würden diese je
nach Wahl Temperatur-/Bezugssätze und den dazugehörigen Drucksensorbausatz
beinhalten.
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Im Bohrloch wird das kristalline Gehäuse sowohl Druck wie Temperatur
ausgesetzt.
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Die kristallinen Teile, aus denen sich der äußere Körper eines solchen
Gehäuses zusammensetzt, können zwar solchem Druck und solcher Temperatur
widerstehen, leiten diese jedoch nach innen ab. Infolge der Fachkundigen bekannten
wünschenswerten Aufhängungen, spricht nur der Druckresonator 18 nennenswert auf
den Druck an, alle Resonatoren werden dagegen von der Temperatur beeinflußt. Die
Auswirkung der Temperatur auf den Druckresonator 18 wird durch Bezugsresonator
22 ausgeglichen. Und die Temperaturauswirkung auf den AC-Schnitt-
Temperaturresonator 24 führt so zur Messung der Temperatur. So beinhaltet die
Vorgehensweise dieser Erfindung gleichfalls das Ansprechen auf Temperatur durch
das AC-Schnitt-Kristall.