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Dokumentenidentifikation DE102004059309A1 28.07.2005
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes
Anmelder Schlumberger Technology B.V., Den Haag, NL
Erfinder Gunawardana, Ruvinda, Sugar Land, Tex., US
Vertreter Sparing · Röhl · Henseler, 40237 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 09.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004059309
Offenlegungstag 28.07.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.2005
IPC-Hauptklasse G01H 13/00
Zusammenfassung Verfahren zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes (14), bei dem der Schwingquarz (14) Temperaturzyklen (1...6) mit verschiedenen Temperaturgradienten ausgesetzt (100) wird, die Frequenzen des Schwingquarzes (14), eines Temperaturparameters des Schwingquarzes (14) und der Temperaturgradienten, während der Schwingquarz (14) den Temperaturzyklen (1...6) ausgesetzt ist, beobachtet (105) werden und die beobachteten Frequenzen korreliert mit den beobachteten Temperaturparametern und Temperaturgradienten gruppiert (110) werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 12 bzw. 15.

Die zeitliche Steuerung des Betriebs elektronischer Einrichtungen, insbesondere digitaler Einrichtungen, erfordert ein genaues und frequenzstabiles Taktsignal. Viele elektronische Einrichtungen sind beim Betrieb Änderungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt. Bekanntermaßen wirken sich Änderungen der Umgebungstemperatur auf die Frequenz eines üblichen Schwingquarzes aus.

Obwohl Schwingquarze im Vergleich zu Oszillatoren anderen Typs erheblich stabiler sind, erfährt ihre Frequenzausgabe bei schnellen Temperaturänderungen einen Drift. Die Wirkung von auf einen Schwingquarz wirkenden mechanischen Spannungen ist ebenfalls bekannt und wird beim Entwurf quarzbasierter Spannungs- und Drucksensoren ausgenutzt. Infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit und der anisotropischen Eigenschaften von Quarz ist es bekannt, daß das Erwärmen und Kühlen von Schwingquarzen Spannungen im Schwingquarz erzeugt, die die Frequenz beeinflussen, siehe beispielsweise Bottom, Virgile E. Introduction to Quartz Crystal Unit Design, New York: D. Van Nostrand, 1982. Daher ist es nicht empfehlenswert, Schwingquarze schnellen Temperaturänderungen auszusetzen.

In normalen Anwendungen werden die infolge Temperaturänderung auftretenden Frequenzabweichungen von Schwingquarzen während der Herstellung erfaßt und in ein Profil aufgenommen, so daß sie in Echtzeit kompensierbar sind. Allerdings führen schnelle Temperaturänderungen in der Umgebung des Schwingquarzes sowie sich ändernde Temperaturgradienten, d.h. sich ändernde Temperaturänderungsgeschwindigkeiten, zu einem Abweichen der Schwingquarzfrequenz vom Profil. Selbst wenn die sich ändernden Temperaturgradienten für nur kurze Zeit andauern, können ihre Auswirkungen für lange Zeitspannen wirken, so daß Meßfehler entstehen.

Zum Kompensieren dieser Abweichungen sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein Ansatz besteht darin, den Schwingquarz in eine temperaturgesteuerte Kammer einzubringen, die den Schwingquarz bei einer konstanten Temperatur hält und jegliche Abweichung der Frequenz verhindert, vgl. z.B. US 5 917 272, US 5 729 181, US 5 180 942, US 4 586 006 und US 3 619 806. Ein anderer Ansatz zum Kompensieren der Frequenzabweichungen infolge von Temperaturänderungen besteht darin, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu verwenden, dessen Frequenz durch Ändern der Spannung am Steuereingang anpaßbar ist. Dabei wird die Temperatur am Schwingquarz gemessen und dazu verwendet, digital eine Korrekturspannung zu berechnen, die an den spannungsgesteuerten Oszillator angelegt wird, vgl. z.B. US 5 668 506, US 5 473 289, US 5 214 668, US 5 170 136, US 5 081 431, US 4 922 212, US 4 746 879, US 4 427 952 und US 4 380 745.

Ein Problem mit der Verwendung eines Temperatursensors und der Messung der Temperatur außerhalb des Schwingquarzes besteht darin, daß es einen Zeitverzug zwischen der tatsächlichen Schwingquarztemperatur an der Schwingquarzplatte und der gemessenen Temperatur außerhalb des Schwingquarzes gibt. Dies führt dazu, daß die Oszillatoren nur langsam auf eine Temperaturänderung reagieren, wodurch Fehler entstehen. Eine vorgeschlagene Lösung für dieses Problem besteht darin, daß der Schwingquarz in zwei Moden gleichzeitig schwingt, von denen einer temperaturempfindlich ist, während der andere verhältnismäßig temperaturstabil ist. Der temperaturempfindliche Modus wird verwendet, um die Temperatur am Schwingquarz selbst zu erhalten und anschließend kleinere temperaturbedingte Abweichungen im temperaturstabilen Modus zu kompensieren, vgl. z.B. US 5 525 936 und US 4 079 280. Trotz sehr genauer Temperaturmessungen erzeugen hohe Temperaturgradienten in der Umgebung noch immer Fehler. Ferner werden moderne Schwingquarze auch unter bestimmten Winkeln geschnitten, beispielsweise dem SC-Schnitt, in einem Versuch, Frequenzabweichungen infolge der Temperatur zu minimieren.

Eine weitere Möglichkeit, Probleme infolge sich ändernde Temperaturgradienten zu minimieren besteht darin, den Schwingquarz in einer temperaturgesteuerten Kammer anzuordnen, vgl. z.B. US 6 606 009. Mit dieser Option ist jedoch ein höherer Energieverbrauch verbunden, der in bestimmten Anwendungen nachteilig sein kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 12 bzw. 15 zu schaffen, bei denen Frequenzabweichungen schwingquarzbasierter Oszillatoren infolge von Änderungen der Umgebung verringert sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1, 12 bzw. 15 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

1 zeigt einen Querschnitt durch eine Baugruppe mit einem Schwingquarz.

2 ist eine detaillierte Draufsicht auf den Schwingquarz der 1.

3 zeigt Temperaturzyklen des Schwingquarzes mit sich verändernden Temperaturgradienten.

4 zeigt die Temperatur und die Temperaturgradienten der 3.

5 zeigt die Schwingquarzfrequenz als Funktion der Temperatur und des Temperaturgradienten dreidimensional als Fläche.

6 ist eine Draufsicht auf einen Schwingquarz.

7 zeigt eine Meßvorrichtung für ein Bohrloch mit einem Schwingquarz.

8 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes.

9 ist ein Flußdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes.

10 zeigt ein Flußdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes.

Für Anwendungen, die eine erhebliche Frequenzstabilität erfordern, wird die Temperaturabhängigkeit der Frequenz eines Schwingquarzes üblicherweise während der Herstellung in einem Profil aufgenommen und in Form eines Polynoms oder einer Nachschlagetabelle festgehalten. Während der Aufnahme des Profils wird der Schwingquarz einem Temperaturzyklus ausgesetzt, während die Frequenz und die Temperatur beobachtet werden. Ein Temperaturzyklus umfaßt das Erwärmen von der niedrigsten bis auf die höchste Betriebstemperatur und ein anschließendes Abkühlen von der höchsten auf die niedrigste Betriebstemperatur. Die Reproduzierbarkeit des Frequenzgangs des Schwingquarzes ist für eine hohe Stabilität besonders wichtig. Bei einem perfekten Schwingquarz stimmt der Frequenzgang während des Erwärmens in Theorie perfekt mit dem Frequenzgang während des Abkühlens überein. In der Realität stimmen die beiden Frequenzgänge jedoch nicht überein. Dieser Effekt wird als Hysterese bezeichnet und führt dazu, daß der Frequenzgang während des Erwärmens leicht vom Frequenzgang während des Abkühlens abweicht. Dieser Effekt wird hier als Temperaturgradient-Effekt bezeichnet, da eine starke Abhängigkeit dieses Effekts von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung beobachtet worden ist.

Ein Beispiel einer einfachen Vorrichtung mit einem Schwingquarz für eine erfindungsgemäße Verwendung ist in 1 dargestellt. Ein Quarzplättchen oder eine Quarzscheibe 14 ist mit Leitungen 16 für eine elektrische und/oder mechanische Verbindung verbunden. Das Quarzplättchen 14 ist in einem Gehäuse 10 angeordnet und durch eine isolierende Schicht 18, beispielsweise eine Glasschicht, darin dicht eingeschlossen. Das Gehäuse 10 ist vorzugsweise luftleer, um einen Vakuumbereich 12 für das Quarzplättchen 14 und die Umgebung zu bilden. Elektrische Verbindungen zu Elektroden auf dem Quarzplättchen 14 werden über die Leitungen 16 geschaffen, die sich durch die isolierende Schicht 18 erstrecken. Alternativ zu der in 1 dargestellten Baugruppe können Baugruppen anderen Typs und andere Konfigurationen verwendet werden, um Schwingquarze zu befestigen. Eine Beschreibung beispielhafter Baugruppen mit Schwingquarzen ist beispielsweise unter Griffith, James E., "Development And Advancements in SC-Cut Crystals", RF Expo EAST, 1994, (http://www.corningfrequency.com).

2 zeigt eine detailliertere Draufsicht auf das Quarzplättchen 14. Das Quarzplättchen 14 weist zwei Metallelektroden auf, nämlich eine Elektrode 24 an der Oberfläche und eine Elektrode 22 an der Unterseite, damit der elektrische Stimulus angelegt werden kann, um das Quarzplättchen 14 in Schwingung zu versetzen. Die Elektroden 22, 24 sind auf bekannte Weise am Quarzplättchen 14 angebracht. Das Gehäuse 10 ist, wie üblich, zweckmäßigerweise aus Metall.

Bei der Profilerfassung, wenn der Schwingquarz erwärmt wird, kann angenommen werden, daß sich zunächst das Gehäuse 10 erwärmt, und anschließend das Quarzplättchen 14. Hierbei wird infolge des Vakuumbereichs 12 im Gehäuse 10 der stärkste Wärmefluß durch die Leitungen 16 auftreten, die aus gut wärmeleitendem Metall bestehen und mit den Elektroden 22, 24 verbunden sind. Daher kann für die Temperaturverteilung des Quarzplättchens 14 angenommen werden, daß den Leitungen 16 benachbarte Bereiche wärmer werden, während Bereiche in weiter Entfernung von den Leitungen 16 verhältnismäßig kühler bleiben, da Quarz im allgemeinen ein schlechter Wärmeleiter ist. Es wird angemerkt, daß einige oder alle der Leitungen 16, sofern sie nicht als elektrische Anschlußleitungen zu den Elektroden 22, 24 verwendet werden, sondern lediglich mechanische Verbindungen darstellen, auch nichtmetallisch sein können. Ferner kann angenommen werden, daß die wärmsten Abschnitte des Quarzplättchens 14 sich infolge Wärmausdehnung am stärksten ausdehnen, während die kälteren Abschnitte sich weniger stark ausdehnen. Dieser Unterschied in der Ausdehnung verursacht mechanische Spannungen, die zu Änderungen der Schwingungsfrequenz führen.

Während des abkühlenden Teils des Temperaturzyklus ist das Gehäuse 10 kälter als das Quarzplättchen 14 und der Wärmefluß durch die Leitungen 16 ist nunmehr entgegengesetzt. Dabei werden Bereiche, die weiter von den Leitungen 16 beabstandet sind, warm und ausgedehnt sein, während der Bereich, der nahe an den Leitungen 16 liegt, kühler sein und sich zusammenziehen wird. Diese Umkehrung der mechanischen Spannungszustände beeinflußt den Schwingquarz, so daß eine Frequenzverschiebung während des Erwärmens in eine Richtung und während des Abkühlens in eine entgegengesetzte Richtung erfolgt. Die mechanischen Spannungen, die durch ungleichmäßige Temperaturverteilungen verursacht werden, sind Schlüsselfaktoren bei der Frequenzverschiebung von Schwingquarzen und verursachen Frequenzgradient-Effekte.

Übliche Verfahren zum Kompensieren von temperaturbedingten Abweichungen in der ausgegebenen Frequenz eines Schwingquarzes werden durch f = f(T),(1) beschrieben, wobei f die Frequenz und T die Temperatur bezeichnet. Hergestellte Schwingquarze werden einem Temperaturzyklus ausgesetzt, während die Frequenz und die Temperatur gemessen werden. Diese Daten werden verwendet, um Gleichung (1) durch Optimierung zu berechnen. Diese Funktion wird üblicherweise als ein Polynom dargestellt:

und die Koeffizienten werden durch eine Optimierung (Polynomanpassung an die Daten) unter Verwendung der Profildaten berechnet. Diese Koeffizienten werden normalerweise gespeichert und verwendet, um die tatsächliche Frequenz des Schwingquarzes durch Messen der Temperatur zu berechnen.

Die vorliegende Erfindung berücksichtigt Temperaturgradienten-Effekte, die auf den Schwingquarz wirken, indem eine zweidimensionale Profilierung durchgeführt wird, wobei die beiden Dimensionen ein Temperaturparameter und ein Temperaturgradient sind. Der Temperaturparameter kann ein beliebiger Parameter sein, der die Temperatur repräsentiert. In einer Ausführungsform ist der Parameter ein Frequenzverhältnis (Fb/Fc), wie in US 6 606 009 beschrieben, wobei der Temperaturgradient durch die zeitliche Ableitung des Parameters bestimmt ist. Bei der Profilbestimmung kann der Schwingquarz mehreren Temperaturzyklen mit sich ändernden Temperaturgradienten unterworfen werden. Die Frequenz des Schwingquarzes wird dann als Funktion sowohl des Temperaturparameters als auch des Temperaturgradienten wie folgt dargestellt:

wobei f die Frequenz, T die Temperatur oder einen beliebigen Parameter, der die Temperatur repräsentiert, Ṫ eine zeitliche Ableitung von T und t die Zeit darstellt. Das Profil kann durch ein Polynom oder eine Nachschlagetabelle dargestellt werden, die in Echtzeit verwendbar ist, um die Frequenz des Schwingquarzes zu berechnen.

Im erfindungsgemäßen zweidimensionalen Ansatz wird ein Schwingquarz einer Reihe von Temperaturzyklen 1, 2, 3, 4, 5, 6 mit verschiedenen Temperaturgradienten unterworfen, wie in 3 dargestellt. Während dieser Zyklen geht der Zustand des Schwingquarzes durch die in 4 dargestellte Kurve in einem Graben, in dem die Temperatur T gegen den Temperaturgradienten Ṫ für einen einfachen Fall aufgetragen ist, in dem die Gradienten beim Erwärmen und beim Abkühlen gleich sind. Der Temperaturzyklus 1 in 3 weist eine mit konstanter Geschwindigkeit, beispielsweise 20°C pro Stunde, steigende Temperatur auf, so daß die entsprechende Kurve 1 (Temperaturgradient Ṫ) in 4 eine positive Konstante ist, wenn sich die Temperatur erhöht. Im abkühlenden Temperaturzyklus 2 der 3 bleibt die entsprechende Kurve 2 der 4 konstant bei einem negativen Wert, da die Temperatur T sinkt. Beim nächsten Temperaturzyklus 3 in 3 ist der Temperaturgradient höher, was durch die entsprechende Kurve 3 in 4 dargestellt ist, usw.

Während der Schwingquarz 14 den Temperaturzyklen ausgesetzt wird, werden die Frequenz, der Temperaturparameter und der Temperaturgradient beobachtet und aufgezeichnet. Diese Profildaten können grafisch dargestellt werden, um die Form einer Fläche in einem dreidimensionalen karthesischen Koordinatensystem zu bilden, wobei eine übliche mathematische Funktion zweier reeller Variablen verwendet wird, die eine eindeutige reelle Zahl oder einen Punkt z jedem geordneten jedem geordneten Paar (x, y) reellen Zahlen in dem aufgezeichneten Datensatz durch die Funktion z = f(x, y) zuordnet. Hier bestehen die geordneten Paare aus den beobachteten Temperaturparametern T und den Temperaturgradienten Ṫ.

In 5 sind die Frequenzen des Schwingquarzes als ein Satz von Punkten (T, Ṫ) i der x, y Ebene und der Graph der Frequenzfunktion als Oberfläche f = f(T, Ṫ) dargestellt. Während sich somit der Punkt (T, Ṫ) im Bereich des Datensatzes ändert, ändert sich der entsprechende Punkt (x, y, z) = (T, Ṫ, f(T, Ṫ) über die Fläche. Zum Verarbeiten des Datensatzes und Darstellen der Fläche kann eine beliebige bekannte geeignete Software verwendet werden. Zum Ableiten in der Fläche f = f(T, Ṫ) fehlender Punkte können bekannte Interpolations- oder Extrapolationstechniken verwendet werden. Wenn die Fläche erzeugt worden ist, kann sie in Echtzeit verwendet werden, um die Frequenz genauer zu berechnen, indem der Temperaturparameter T und der Temperaturgradient Ṫ berechnet werden.

Zudem können unerwünschte Temperaturgradienten-Effekte verringert oder eliminiert werden, indem die Temperaturverteilung des Kristallplättchens 14 gleichmäßiger gestaltet wird. Dies wird beispielhaft an 6 illustriert. Hier ist eine Metallisierung 26 auf der Oberfläche des Quarzplättchens 14 vorgesehen, um die Wärmeleitung über das Quarzplättchen 14 zu verbessern. Die Metallisierung 26 kann auf einer oder auf beiden Seiten des Quarzplättchens 14 vorgesehen sein. Für die Metallisierung 26 kann jedes geeignete wärmeleitende Material verwendet werden, beispielsweise Metall. Die Metallisierung 26 kann auf bekannte Weise, beispielsweise durch Galvanisieren, Dampfabscheiden, Ätzen, Kleben usw. auf das Quarzplättchen 14 aufgebracht werden. Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise ein ausreichender Abstand zwischen der Metallisierung 26 einerseits und den Leitungen 16 und den Elektroden 22, 24 andererseits vorgesehen. Die Elektroden 22, 24 können auch größer ausgestaltet sein, um einen größeren Abschnitt der Fläche des Quarzplättchens 14 zu belegen.

Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung auf jedem Gebiet anwendbar und implementierbar ist, wo Schwingquarze als Frequenzgeber verwendet werden, beispielsweise in Geräten für die Verwendung im Weltraum, in Kraftfahrzeugen usw. Die Erfindung ist somit nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt. Sie ist insbesondere geeignet für Anwendungen unter der Erdoberfläche, wo schnelle Temperaturänderungen auftreten.

In 7 ist ein Meßwerkzeug 28 in einem Bohrloch 30 angeordnet, das eine Formation unter der Erdoberfläche durchquert. Das Meßwerkzeug 28 umfaßt einen Schwingquarz 48, der in einer wärmeisolierten Kammer 50 angeordnet ist, um einen Wärmefluß zum Schwingquarz 48 während des Erwärmens und Abkühlens zu verringern. Die Kammer 50 stellt eine Wärmeisolierung bereit, indem übliche Isoliermaterialien oder eine Dewar-Flasche auf bekannte Weise verwendet werden, vgl. z.B. US 6 606 009. Das Meßwerkzeug 28 umfaßt hier ferner eine mehrachsige elektromagnetische Antenne 19, eine übliche Quellen/Sensor-Anordnung 44 für Messungen unter der Oberfläche (z.B. nuklear, akustisch oder auf Schwerkraft basierend) sowie eine Elektronikeinrichtung 42 mit geeigneten Schaltkreisen. Das Meßwerkzeug 28 kann wie dargestellt im Bohrloch 30 durch ein Meßkabel 36 im Fall eines drahtgebundenen Systems oder durch einen Bohrstrang 36 im Fall eines Messens beim Bohren Systems (logging while drillling, LWD, oder measurement while drilling, MWD) getragen werden. Wenn das Meßwerkzeug 28 drahtleitungsgebunden ist, wird es im Bohrloch nach oben und unten durch eine Winde 38 bewegt, die durch Vorrichtungen 32 an der Erdoberfläche gesteuert wird. Das Meßkabel bzw. der Bohrstrang 36 umfassen Leiter 34, die die Elektronikeinrichtung 42 mit der Einrichtung 32 für eine Signal- und Steuerkommunikation verbinden. Alternativ können Signale im Meßwerkzeug 28 verarbeitet oder aufgezeichnet werden, und die verarbeiteten Daten werden zur Vorrichtung 32 an die Erdoberfläche übertragen.

Die Erfindung ist durch Programmieren eines geeigneten universell verwendbaren Mikroprozessors implementierbar. Gegebenenfalls sind mehrere Mikroprozessoren vorgesehen. Das Programmieren kann durch Verwenden wenigstens eines Speichermediums für Programme durchgeführt werden, das vom Prozessor lesbar ist, wobei ein Programm oder mehrere Programme aus Befehlen codiert sind, die durch den Prozessor ausführbar sind, um die vorbeschriebenen Schritte durchzuführen. Das Speichermedium kann beispielsweise eine Diskette, eine CD-ROM oder eine andere optische Diskette, ein Magnetband, ein Nur-Lese-Speicher (ROM) und/oder andere bekannte oder noch zu entwickelnde Arten von Speichermedien umfassen. Das Programmieren aus Befehlen kann "Object Code" sein, d.h. in Binärform vorliegen, die mehr oder weniger unmittelbar vom Prozessor ausführbar ist, oder ein "Source Code" sein, der zunächst kompilliert oder interpretiert werden muß, oder eine Zwischenform wie etwas teilweise kompillierter Code. Die genaue Art des Speichermediums für das Programm und der Codierung der Befehle sind hier unwesentlich. Derartige Verarbeitungsmittel können daher in der Vorrichtung 32 an der Erdoberfläche oder im Meßwerkzeug 28 vorgesehen oder auf bekannte Weise von beiden gemeinsam genutzt werden.

8 illustriert ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes. Der Schwingquarz wird zunächst Temperaturzyklen mit verschiedenen oder sich ändernden Temperaturgradienten ausgesetzt, Schritt 100. Schritt 100 kann während der Herstellung des Schwingquarzes oder an einer anderen geeigneten Stelle, beispielsweise in einem Labor, im Einsatz usw. durchgeführt werden. Danach werden die Frequenzen des Schwingquarzes, ein Temperaturparameter des Schwingquarzes und die Temperaturgradienten beobachtet, während der Schwingquarz den Temperaturzyklen ausgesetzt ist, Schritt 105. Danach erfolgt eine Gruppierung der beobachteten Frequenzen korreliert mit den beobachteten Temperaturparametern und Temperaturgradienten, Schritt 110. Die Gruppierung kann mittels eines Prozessormittels oder anderer geeigneter bekannter Mittel durchgeführt werden.

Das in 9 dargestellte Verfahren beginnt mit einem Schritt 200, bei dem ein Schwingquarz Temperaturzyklen bei verschiedenen Temperaturgradienten ausgesetzt wird. Bei einem Schritt 205 werden die Frequenzen des Schwingquarzes, ein Temperaturparameter des Schwingquarzes und die Temperaturgradienten beobachtet, während der Schwingquarz den Temperaturzyklen ausgesetzt ist. Danach werden die beobachteten Frequenzen mit den Temperaturparametern und den Temperaturgradienten korreliert und gruppiert, Schritt 210. Bei Schritt 215 werden die Temperatur des Schwingquarzes und ein Temperaturgradient des Schwingquarzes bestimmt. Die Bestimmung der Temperatur und des Temperaturgradienten wird durch Verwendung bekannter und für die bestimmte Umgebung geeigneter Mittel durchgeführt. Schließlich werden die bestimmte Temperatur und der bestimmte Temperaturgradient zu den gruppierten Frequenzen in Beziehung gesetzt, um die Frequenz des Schwingquarzes zu bestimmen, Schritt 220. Hierzu werden Mikroprozessormittel oder andere geeignete bekannte Mittel verwendet.

10 ist ein Flußdiagramm eines Verfahren zum Bestimmen einer Frequenz eines Schwingquarzes in Echtzeit. Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 300, bei dem eine Temperatur des Schwingquarzes bestimmt wird. Die Temperatur des Schwingquarzes kann mit einem beliebigen geeigneten bekannten Mittel bestimmt werden, das für die jeweilige Umgebung des Schwingquarzes geeignet ist. Aus der bestimmten Temperatur des Schwingquarzes wird anschließend der Temperaturgradient bestimmt, Schritt 305.

Bei Schritt 310 wird die Frequenz des Schwingquarzes bestimmt, indem die Temperatur und der Temperaturgradient des Schwingquarzes mit einem Datensatz in Beziehung gesetzt werden, der eine Korrelation zwischen der Frequenz, der Temperatur und den Temperaturgradienten des Schwingquarzes beschreibt. Der Datensatz wird wie hier beschrieben zusammengestellt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Bestimmen eines Frequenzprofils eines Schwingquarzes (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingquarz (14) Temperaturzyklen (1 ..., 6) mit verschiedenen Temperaturgradienten ausgesetzt (100) wird, die Frequenzen des Schwingquarzes (14), eines Temperaturparameters des Schwingquarzes (14) und der Temperaturgradienten, während der Schwingquarz (14) den Temperaturzyklen (1 ..., 6) ausgesetzt ist, beobachtet (105) werden und die beobachteten Frequenzen korreliert mit den beobachteten Temperaturparametern und Temperaturgradienten gruppiert (110) werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche in einem dreidimensionalen karthesischen Raum unter Verwendung der gruppierten Frequenzen, Temperatur und Temperaturgradienten definiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gruppierten Frequenzen auf der karthesischen z-Achse entsprechend z = f(x, y) dargestellt werden, wobei x ein Temperaturwert und y ein Temperaturgradient ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f) des Schwingquarzes (14) als Funktion der beobachteten Temperaturparameter und Temperaturgradienten entsprechend f = f(T, Ṫ), beschrieben wird, wobei T ein Temperaturparameter ist und
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallfrequenz f = f(T, Ṫ) zum Bilden einer Fläche im dreidimensionalen karthesischen Raum graphisch dargestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Interpolation und/oder eine Extrapolation zum Bestimmen fehlender Punkte auf der Fläche durchgeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturparameter ein Frequenzverhältnis, das eine Temperatur repräsentiert, oder ein Temperaturwert verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturparameter eine temperaturabhängige Frequenz verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und ein Temperaturgradient des Schwingquarzes (14) bestimmt (215) und die bestimmte Temperatur und der bestimmte Temperaturgradient mit den gruppierten Frequenzen in Beziehung gesetzt (220) werden, um die Frequenz des Schwingquarzes (14) zu bestimmen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bestimmt (215) wird, während der Schwingquarz (14) unter der Erdoberfläche angeordnet ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Werkzeug (28) für eine unterirdische Verwendung angebrachter Schwingquarz (14) verwendet wird.
  12. Verfahren zum Bestimmen einer Frequenz eines Schwingquarzes (14), dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur des Schwingquarzes (14) bestimmt (300), ein Temperaturgradient aus der bestimmten Temperatur abgeleitet (305) und die Temperatur und der Temperaturgradient mit einem Datensatz in Beziehung gebracht (310) werden, der eine Korrelation zwischen der Frequenz, der Temperatur und den Temperaturgradienten des Schwingquarzes (14) beschreibt, um die Frequenz des Schwingquarzes (14) zu bestimmen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Datensatz verwendet wird, der eine in einem dreidimensionalen karthesischen Raum graphisch dargestellte Fläche umfaßt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Schwingquarzes (14) bestimmt (300) wird, während der Schwingquarz (14) unter der Erdoberfläche angeordnet ist.
  15. Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenz eines Schwingquarzes (14), mit einem Schwingquarz (14), der eine Ausgabefrequenz aufweist, die von der Temperatur des Schwingquarzes (14) abhängt, gekennzeichnet durch einen Prozessor, der zum Berechnen einer Frequenz des Schwingquarzes (14) aus einem gemessenen Temperaturparameter des Schwingquarzes (14), einem Temperaturgradienten des Schwingquarzes (14) und beobachteten Frequenzen des Schwingquarzes (14) in Korrelation mit beobachteten Temperaturparametern und Temperaturgradienten des Schwingquarzes (14) ausgestaltet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor zum Beschreiben einer Beziehung zwischen der Frequenz (f) des Schwingquarzes (14) und der beobachteten Temperaturparameter und Temperaturgradienten entsprechend f = f(T, Ṫ) ausgestaltet ist, wobei T ein Temperaturparameter ist und
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Temperaturparameter des Schwingquarzes (14) ein Temperaturparameter eines unter der Erdoberfläche angeordneten Schwingquarzes (14) ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingquarz (14) in einem Werkzeug (28) für eine Anordnung unter der Erdoberfläche angeordnet ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beobachteten Frequenzen Temperaturparameter und Temperaturgradienten des Schwingquarzes (14) einen Datensatz in einem Speichermedium bilden, das operativ mit dem Prozessor gekoppelt ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturparameter ein Frequenzverhältnis, das eine Temperatur repräsentiert, oder ein Temperaturwert ist.
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