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Elektronische Steuereinrichtung für elektrische Widerstandsmessung in Bohrlöchern mit gerichtetem Stromgebiet
Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuereinrichtung, die die Konstanthaltung der elektrischen Strombandbreite bei der Widerstandsmessung durch eine automatische Regelung des Ablenkungsstromes sichert.
Bekannterweise ist die Messung des Widerstandes von Schichten grossen spezifischen Widerstandes mit ausreichender Genauigkeit an Hand der üblichen Karottageverfahren nicht durchführbar, ja ist unter Anwendung der konventionellen Widerstandskarottageeinrichtungen die einfache Eingrenzung dieser Schichten selbst problematisch. Zur Vermeidung der die Messung störenden Einwirkung der benachbarten Schichten wurden verschiedenartige Sondentypen entwickelt, bei welchen unter Anwendung des Ablenkungsstromes ein gerichtetes Messstromband erzielt werden kann. Zur Verwirklichung eines Messstrom- bandes konstanter Breite ist die automatische Steuerung des Ablenkungsstromes nötig. Eine zur Lösung dieser Aufgabe in jeder Hinsicht geeignete Steuereinrichtung ist bisher nicht bekannt.
Die die Prinzipien der elektrischen Karottagemessung mit gerichtetem Stromgebiet enthaltenden Literaturstellen beziehen sich auf Steuereinrichtungen, welche einen zwischen zwei elektromechanischen Spannungsumwandlerl1, sogenannten Pulsatorsektionen angeordneten Gleichstromverstärker enthalten. Gemäss dieser Anordnung wird das Eingangsfehlersignal durch die Pulsatorsektion gleichgerichtet und wird somit der Ablenkungstrom nach einer Spannungs-und Leistungsverstärkung durch ein durch eine zweite Pulsatorsektion ausgebildetes quadratförmiges Signal geliefert.
Das Zusammenschalten eines Gleichstromverstärkers hoher Verstärkung mit einem derartigen mechanischen Pulsator verursacht ein ungünstiges Geräuschniveau und ungeeignete Stabilitätsverhältnisse, wobei es überdies noch zu einem häufigen Fehlerhaftwerden der Ein richtung führt. Die dem mechanischen Pulsator gegenüber gestellten gesteigerten Forderungen benötigen eine an Hand spezieller Fenigungsforderungen erzeugte spezielle Pulsatortype. Gemäss einer bekannten andern Lösung wird die Steuerung an Hand eines konventionellen Verstärkers vorgenommen, welcher durch das Fehlersignal gesteuert an seinem Ausgang einen Ablenkungsstrom liefert.
Diese Lösung ist mit Rücksicht auf die auf dem Kabel entstehende Kopplung notwendigerweise zur Selbsterregung geneigt, wodurch die Steuereinrichtung nicht auf der Oberfläche untergebracht werden kann. Dieser Umstand ergibt bei einer derartigen Steuereinrichtung bedeutende technische Schwierigkeiten und im Zusammenhang damit erhebliche Unkosten. Hieraus lässt sich erklären, dass - obwohl auf dem Gebiet der Ölforschung die einschlägigen Ansprüche sich stets erhöhen-die gewerbsmässige Herstellung einer zur elektrischen Karottagemessung mit gelenktem Stromgebiet in jeder Hinsicht geeigneten Steuereinrichtung bisher keine Lösung fand.
Die elektronische Steuereinrichtung nach der Erfindung bietet eine in jeder Hinsicht ausreichende Lösung der fraglichen Aufgabe.
Eine beispielsweise Ausführung der Verwendung der erfindungsgemässen Steuereinrichtung wird durch Fig. l dargestellt. Es kann eine an sich bekannte Sondentype verwendet werden. Fig. l stellt eine bekannte Sondentype dar, welche aus zwei der Achse des Loches der mittleren Elektrode entlang symmetrisch angeordneten Elektroden besteht. Die mittlere Elektrode ist die Erregungselektrode Ao, welche der mit ihrem andern Pol geerdeten Erregerspannungsquelle angeschaltet ist. Al und Al'sind die Ablenkelektroden, wobei die aus denselben heraustretenden Ablenkströme Infolge ihrer gleichen Polarität das elektrische Feld der Erregungselektrode von beiden Seiten begrenzen. Der Erregerstrom 10 und der
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Erregerstrom 11 sind Niederfrequenzströme gleicher Frequenz und Phase.
Die Messelektroden M, M , M ', M2' sind auf die Punkte 0 und 0'bezogen symmetrisch angeordnet ; in diesen Punkten ist die resultierende Feldstärke der Elektroden Ao, Al'Al'gleich Null. Die Widerstandsmessung kann bei einer derartigen relativen Lage des elektrischen Feldes in bekannter Weise vorgenommen werden.
Der gemessene Widerstandswert ist umso genauer, je genauer die vorgeschriebene Breite des Strombandes 10 eingehalten werden kann.
Der Zweck der Steuereinrichtung ist, die Intensität des Ablenkstromes im Falle des Auftretens eines Fehlerpotentials auf den Messelektroden auf einen Wert einzustellen, bei welchem das Fehlerpotential praktisch aufhört. Somit ist die Lage der Achsenpunkte 0 - 0' fixiert und die Breite des Strombandes 10 konstant.
Das Blockschema der hiezu geeigneten Einrichtung ist aus Fig. 2 ersichtlich. In einem Gebiet von homogenem spezifischem Widerstand bei einem durch die geometrischen Abmessungen der Sonde be-
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deutet, dass in diesem Falle der Erregungsstrom 10 bis zu einem ausreichenden Abstand von der Achse des Bohrloches als auf einen zylindrischen Feldteil von der Höhe von 0-0'eingeschränkt angesprochen werden kann. Der Wert des bei Konstanthaltung der Erregungsstromdichte, also bei Konstanthaltung der Breite des Erregungsstrombandes, auf der innerhalb dieses Feldteils befindlichen Messelektrode M ; gemessenen absoluten Potentials ist dem spezifischen Widerstand des durch die senkrecht zur Achse an den Achsenpunkten 0-0'gelegten Ebenen eingeschlossenen Feldteils proportional.
Im Falle einer inhomogenen Umgebung ist entsprechend des Inhomogenitätscharakters die automatische Einstellung der Ablenkungsstromwerte IiIi o nötig, damit die Breite des Strombandes auf einem konstanten Wert verbleibe.
Für die erfindungsgemässe automatische Steuereinrichtung wird die Steuerspannung durch die zwischen den Messelektroden M1,M2 vorhandene Spannungsdifferenz geliefert. Im Falle eines Strombandes von vorgeschriebener Breite gilt, dass UM, = UM2, d.h. dass der Wert der Differenzspannung AU gleich Null ist. Weicht die Breite des Strombandes von dem Vorgeschriebenen ab, ist U Uj . Dementsprechend entspricht die Phasenlage der Fehlerspannung AU der Abweichungsrichtung und ist ihre Amplitude der Grösse der Abweichung proportional.
Ist der Wert der Fehlerspannung AU gleich Null, beträgt der Wert des Ruheausgangsstromes der Steuereinrichtung gleich 110'wobei im Falle von AU 0 von der Phasenlage des Signals abhängig auf dem Ausgang ein geregelter Ablenkstrom von der Grösse von I1#I1,0 auftritt, unter dessen Einwirkung sich die Eingangsspannung einem Wert von 0 nähert. Auf diese Weise kann die vorgeschriebene Höhe des Strombandes im Falle einer geeigneten Regelsteilheit mit erwünschter Genauigkeit eingehalten werden.
Die erfindungsgemässe Steuereinrichtung dient zur Verwirklichung obigen Regelverfahrens. Ihr prinzipielles Arbeiten wird durch das vereinfachte Blockschema nach Fig. 2 veranschaulicht.
Das Eingangsfehlersignal wird in einem mehrstufigen Verstärker 11 verstärkt. Von dem verstärkten Fehlersignal stellt die Diskriminatorstuie 12 eine der Phasenlage entsprechende und der Amplitude proportionale Gleichspannung her. Die Verstärkung des Regelverstärkers 14 wird durch die auf diese Weise hergestellte Gleichspannung geregelt. Der den Erregerstrom 10 herstellende Generator 13 liefert zugleich die Antriebsspannung des Regelverstärkers. Tritt eine Regelgleichspannung nicht auf (AU = 0), so gibt der Regelverstärker der Endverstärkerstufe 15 eine Aussteuerung, derzufolge der am Ausgang auftretende Ablenkstrom sich zwischen den Grenzwerten Iimin 110 Ilmax einstellt, wodurch eine Regelwirkung #U#0 eintritt.
Die technischen Charakteristiken der auf Grund obiger Prinzipien arbeitenden Steuereinrichtung können in den folgenden zusammengefasst werden.
Die Regelung erfolgt in der Umgebung eines Ruheablenkstromwertes von 110'so dass - entgegen einer Regelung durch einen rückgekoppelten Verstärker, welche durch das Wertpaar von AU = 0 und 11 = 0 gekennzeichnet ist - die Regelung vollkommen stabil ist und die Fehlerspannung innerhalb der vorgeschriebenen niedrigsten Toleranz gehalten werden kann.
Die Frequenz-, Phasen- und Form-Identität des Ablenkungsstromes und des Erregungsstromes wird durch eine elektronische Zwangschaltung gewährleistet. Der Ausgangsstrom wird durch die Frequenz- und Phasenverzerrung, die durch das Übertragungssystem (Karrotage-Kabel) verursacht ist, nicht beeinflusst, da doch aus der verstärkten Fehlerspannung der Diskriminator bloss eine - Regelungszwecken dienende Gleichspannung bildet.
Durch eine entsprechende Wahl der Frequenz- und Amplitudencharakteristik des Verstärkers können
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die im Übertragungssystem entstandenen, auf den Eingang induzierten Störspannungen aus dem Regelverfahren ausgeschaltet werden.
Die Steuereinrichtung enthält keinen mechanischen Pulsator, so dass eine formgetreue Signalgestalt entsprechender gesichert werden kann. Die Messfrequenz kann innerhalb weiter Grenzen nach Belieben gewählt werden. Das Geräuschniveau der Regelung, d. h. die Breitenschwankung (von Smin) des Messstrombandes ist um Grössenordnungen günstiger. Die Betriebsstabilität und-Sicherheit sowie die Lebensdauer der Einrichtung sind bedeutend höher. Der rein elektronische Aufbau der Steuereinrichtung ermöglicht eine hohe Regelungsschnelligkeit und dementsprechend eine grosse Messgeschwindigkeit.
Das vollkommene Blockschema der erfindungsgemässen elektronischen Steuereinrichtung wird durch Fig. 3 veranschaulicht.
Die auf den Messelektroden auftretenden Spannungen sind den Klemmen der Primärwindung des Eirgangstransformators 111 zugeführt. Die asymmetrisch geschaltete Sekundärwicklung des Eingangstransformators liefert einem Wechselspannungsverstärker 112 ein Antriebssignal. Aus dem Frequenzspektrum des Ausgangssignals des Verstärkers überträgt der unten durchlässige Filter 113 bloss die Grundharmonische. Das Signal des Steuermultivibrators 131 des Erregungsstromgenerators 13 gelangt durch einen dem obigen Filter entsprechenden Filter 123 und durch ein einstellbares Phasenverschiebungsglied 124 hindurch im Gegentakt in den Summierungsstromkreis 121 des Diskriminator 12.
Unter Anwendung der beiden gegenphasigen Referenzsignale und des Fehlersignals, das eine gleiche Phase wie das eine Referenzsignal besitzt und vom Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, stellt der summierende Stromkreis 121 zwei Summenspannungen her. Von diesen Summenspannungen bildet der GleichrichterDifferenzstromkreis 122 eine Differenzspannung, deren Sinn von der auf die Erregungsspannung des Eingangsfehlersignals bezogenen Phasenlage des Eingangsfehlersignals abhängt und deren Grösse der Amplitude des Fehlersignals proportional ist. Von dem Gleichspannungsausgang des Diskriminators kann ein das Fehlerpotential anzeigendes Kontrollgalvanometer betätigt werden.
Die Regelgleichspannung dient zur Regelung der Verstärkung des Regelverstärkers 14. Die Regelung erfolgt z. B. derart, dass das Signal des Steuermultivibrators 131 durch ein einstellbares Phasendrehglied 142 dem Hilfsgitter einer mit einer Heptode versehenen Regelstufe 141 ein Antriebssignal liefert, wobei die Regelgleichspannung dem Steuergitter der Elektrode zugeführt wird. Das dem Anodenkreis entstammende Signal geregelter Amplitude dient zur Steuerung des die Antriebsstufe und die Endstufe enthaltenden Endverstärkers 15. Der Ausgang des Endverstärkers liefert einen geregelten Steuerstrom 11.
Der Erregungsgenerator enthält einen Steuermultivibrator 131 mit einstellbarer Frequenz und eine Leistungsverstärkerstufe 132 regelbarer Verstärkung.
Zum Messen des dem spezifischen Widerstand der Schicht proportionalen Potentials dient ein Messverstärker 16, welcher einen mit negativer Rückkopplung stabilisierten selektiven Wechselspannungsverstärker 161 und eine Gleichrichterstufe 162 enthält. Ein Registriergalvanometer schliesst sich seinem Ausgang an.
Die einzelnen Stromkreisteile der erfindungsgemässen elektronischen Steuereinrichtung können naturgemäss unter Verwendung beliebiger bekannter Stromkreislösungen verwirklicht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur automatischen elektronischen Steuerung des Ablenkungsstromes bei Widerstandsmessung in Bohrlöchern mit einem konstanten Stromband, welche Widerstandsmessung durch eine mit einer Ablenkungselektrode und Messelektroden versehene Sonde erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das an den Messelektroden auftretende Fehlersignal zur Regelung des Ablenkungsstromniveaus dient, wobei die Steuereinrichtung bei einem an den Messelektroden auftretenden Fehlerpotential gleich Null einen Ruheablenkungsstrom liefert, dessen Ausgangsniveau in einem der Phasenlage der von den Messelektroden auf den Eingang der Steuereinrichtung gelangenden Fehlerspannung entsprechenden Sinne und der Amplitude proportional anwächst oder sich vermindert.