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Elektronischer Positionsmesser für Elektrotiefbohrgeräte
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Positionsmesser für Elektrotiefbohrgeräte mit einer ins Bohrloch absenkbaren Messeinrichtung, die mehrere Phasengeber zur Bestimmung der Bohrerlage enthält und in deren Speisekreis ein an die Starkstromleitung des Bohrers angeschlossener Phasenschieber liegt, der einen Schrittschalter steuert, welcher an eine über Tage angeordnete Empfangs-und Dekodiereinrichtung über einen Sender angeschlossen ist, der die niederfrequenten Ausgangssignale des Schrittschalters in kodierte Hochfrequenzsignale umwandelt.
Weitgehend sind elektronische Positionsmesser für Elektrotiefbohrgeräte bekannt, die aus einer ins Bohrloch absenkbaren Einrichtung und einer Ubertageeinrichtung zum Empfang und Dekodieren von Signalen bestehen. In der Untertageeinrichtung eines derartigen Positionsmessers sind Phasengeber vom Drehmeldertyp eingebaut, deren niederfrequente Ausgangssignale die Information über die Lage des Elektrobohrers tragen. Die Phasengeber werden von der Starkstromleitung des Elektrobohrers über einen Phasenschieber gespeist, der die Speisespannungsfrequenz in zwei um 900 phasenverschobene Spannungen zerlegt. Die Phasengeberausgänge sind an den Eingang eines Schrittschalters geschaltet, der an eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung der Niederfrequenzsignale in kodierte Hochfrequenz-Schwingungszüge angeschlossen ist.
Die in kodierte Hochfrequenz-Schwingungszüge umgewandelten Phasengebersignale werden über die Starkstromleitung zur über Tage angeordneten Empfangs-und Dekodierungseinrichtung übertragen.
Derartige Positionsmesser ermöglichen die unmittelbare Messung der Neigungswinkel und der Lage des Ablenkungsstückes von Elektrobohrern. Die Azimutmessung für Elektrobohrer erfolgt beim beschriebenen Positionsmesser indirekt durch eine schrittweise ablaufende Analyse der von den Gebern für Neigungswinkel und Lage des Ablenkungsstückes erhaltenen Messdaten.
Der Mangel der erwähnten Positionsmesser besteht darin, dass die zusätzlichen Berechnungen und der zusätzliche Vergleich der vom Positionsmesser angezeigten Werte bei der Bestimmung des Elektrobohrerazimuts den gewünschten schnellen Verlauf der Arbeit und die Messgenauigkeit mit wachsender Bohrlochtiefe beeinträchtigen. Ausserdem bringt die Benutzung derartiger Positionsmesser bekanntlich gewisse Einschränkungen bei Hebe-und Senkarbeiten mit sich, da eine anfängliche Orientierung in der Bohrlochmündung und ihre Beibehaltung beim Senken notwendig werden.
Weitgehend sind auch Positionsmesser zur unmittelbaren Azimutmessung bekannt, bei denen Kontaktgeber verwendet werden. Sie können aber keine kontinuierliche Messung und Registrierung der Arbeitswinkel des Elektrobohrers gewährleisten und sind beim Betrieb nicht genügend zuverlässig.
Die Erfindung bezweckt, einen Positionsmesser ohne die erwähnten Mängel zu schaffen.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, den Untertageteil des Positionsmessers derart aufzubauen, dass die Anwendung unmagnetischer Geber und die genaue Umwandlung aller Winkel der Elektrobohrerlage, darunter auch des Azimuts, in proportionale und zur weiteren Verarbeitung geeignete elektrische Signale möglich wird.
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Diese Aufgabe wird mit einem elektronischen Positionsmesser der eingangs umrissenen Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss zwischen dem Phasenschieber und den Gebern mindestens zwei Modulatoren sowie zwischen dem Schrittschalter und jedem Geber je ein Demodulator geschaltet sind, wobei an diese und die Modulatoren ein Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist.
Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und an Hand der Zeichnung näher erläutert, die eine Blockschaltung der erfindungsgemäss aufgebauten Untertageeinrichtung des elektronischen Positionsmessers darstellt.
Die Untertageeinrichtung des Positionsmessers befindet sich in einem in der Zeichnung nicht angegebenen luftdichten Gehäuse aus nichtmagnetischem Werkstoff und ist über dem Elektrobohrer in einem nichtmagnetischen Rohr angeordnet.
Die Stromleitung --1-- (Fig.1) ist über eine Hochspannungs-Steckverbindung mit einer Speiseeinrichtung-2-verbunden, die zur Energieversorgung der elektronischen Anordnungen der Untertageeinrichtung dient.
An die Stromleitung --1-- ist ebenfalls ein Filter --3-- angeschlossen, der die erste Harmonische der Speisespannung für den Elektrobohrer herausfiltert. An den Ausgang des Filters --3-- ist ein Phasenschieber--4--geschaltet, der phasenverschiebende RC-Glieder enthält und zwei gegenseitig um 900 phasenverschobene Spannungen mit gleicher Amplitude liefert. Ein Ausgang des Phasenschiebers--4-ist mit einem Modulator --5-- und der andere Ausgang mit einem
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-7, 7', 7"--,Ablenkungsstückes dienen, stellen Drehmelder mit je einem Rotor und Stator aus nichtmagnetischem Werkstoff dar.
Die Steuerwicklungen der Geber-7, 7' und 7"-sind mit den Ausgängen der Modulatoren--5 und 5'--verbunden. Die Rotoren der Geber--7'und 7"--, die zur Ermittlung der Neigungswinkel und der Lage des Ablenkungstückes dienen, sind mit exzentrischen Gewichten gekoppelt, die als Lote wirken. Der Rotor des Azimutgebers--7--ist mit einem magnetischen Stift (Zeiger) verbunden.
Der Positionsmesser enthält auch eine der Zahl der Geber entsprechende Anzahl Demodulatoren --8, 8' und 8"--, deren Eingänge an entsprechende Ausgänge der Geber--7, 7', 7"-- und an den Generator --6-- geschaltet sind wobei die Ausgänge mit dem Schrittschalter --9-- verbunden sind, der eine Impulslängenmodulation der zu ihm von den Demodulatoren--8, 8', 8"--und somit auch von den Ausgängen der Geber--7, 7', und 7"--gelangenden Signale bewirkt.
Der Schrittschalter --9-- ist auch mit dem Filter--3--verbunden und erhält dieselbe Spannung wie der Phasenschieber--4--. Die Ausgänge des Schrittschalters --9-- sind an Torstufen - 10 und 10'--angeschlossen, welche die Generatoren-11 und 11'-- abwechselnd an den Verstärker --12-- schalten, dessen Ausgang als Ausgang der Untertageeinrichtung dient und mit der Stromleitung--1--verbunden ist.
Die Stromleitung--1--des Elektrobohrers wird als Verbindungslinie zwischen der Untertageeinrichtung und der über Tage aufgestellten Einrichtung zum Empfang und Dekodieren der verschlüsselten Signale der Untertageeinrichtung benutzt.
Die Arbeitsweise des Positionsmessers ist wie folgt :
Die dem Elektrobohrer über die Stromleitung --1-- zugeführte Spannung gelangt zur
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der Unterdrückung der Oberwellen gelangt die Spannung vom Ausgang des Filters-3--zum Phasenschieber --4-- und zum Schrittschalter--9--.
Der phasenschieber --4-- liefert zwei gegenseitig um 900 phasenverschobene Spannungen, von denen eine Spannung dem Modulator--5--und die andere dem Modulator --5'-- zugeführt wird.
An diese Modulatoren wird auch die Hochfrequenzspannung vom Generator --6-- angelegt. Weiterhin gelangt die mit dem Niederfrequenzsignal modulierte Hochfrequenzspannung an die Geber --7, 7' und 7"--. Somit sind an jeden der erwähnten Geber zwei Spannungen mit der Frequenz des Generators--6--angelegt, die mit der Frequenz der Elektrobohrer-Speisespannung amplitudenmoduliert sind, wobei die Änderung einer von diesen Spannungen dem Sinusgesetz und die der andern dem Cosinusgesetz folgt.
Die Phasenlage der Modulationsspannung am Ausgang der Geber--7, 7' und 7"-hängt von der Lage der Geberrotoren ab, die durch die zu messende Winkelgrösse bestimmt wird. Auf diese Weise
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bewirken die Geber--7, 7' und 7"-- die Umwandlung der physikalischen Grösse des Azimuts, des Neigungswinkels und der Winkellage des Elektrobohrerablenkungsstückes in proportionale Phasenänderungen der Umhüllenden der Geberausgangsspannung. Zu den Demodulatoren-8, 8' und 8"-gelangt gleichzeitig die entsprechende Spannung von den Gebern-7, 7' bzw. 7"-und vom Generator-6-.
Infolge der Demodulation liegt an den Geberausgängen eine Sinusspannung mit derselben Frequenz, wie die nach dem Filter--3--liegende Spannung, aber mit einer Phasenverschiebung, die vom entsprechenden Drehwinkel des Geberrotors und somit auch von dem zu messenden Winkel abhängt.
Die demodulierten Spannungen gelangen von den Ausgängen der Geber-8, 8' und 8"-zum Schrittschalter--9--, der auf der Basis eines Binärzähler aufgebaut ist. Der Binärzähler ist funktionsmässig mit einer aus magnetischen Miniaturkernen aufgebauten Schaltmatrix vereinigt, die eine hohe Empfindlichkeit zur Polaritätsänderung der von den Demodulatoren--8, 8' und 8"--gelieferten Spannung besitzt. Der Zeitpunkt der Vorzeichenänderung bei dieser Spannung wird genau festgelegt, um die Phase dieser Spannung mit dem Zeitpunkt des Nulldurchganges einer Spannung zu vergleichen, die dem Schrittschalter-9-vom Filter-3-zugefuhrt wird und als Synchronisationsspannung dient.
Am Ausgang des Schrittschalters --9-- erscheint eine Folge von Niederfrequenzimpulsen, wobei der Beginn jedes Impulses durch den Zeitpunkt des Nulldurchgangs der vom entsprechenden Demodulator gelieferten Spannung bestimmt wird. Dies bedeutet, dass die Information von den Winkelmessgrössen mittels der impulsbreitenmodulierten Signale übertragen wird. Jede Impulsfolge kennzeichnet die Lage des Elektrobohrers. Die erwähnten Impulsfolge werden auf die Torstufe --10-- gegeben.
Zur Trennung der Impulsfolge formiert der Schrittschalter den sogenannten Startimpuls, der mit dem Anfang der Impulsfolge zusammenfällt und der Torstufe --10'-- zugeführt
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den Generatoren gebildeten Wandlerschaltung in eine Folge von HochfrequenzSchwingungszügen umgewandelt, die über den Verstärker --12-- und die Stromleitung--1--des Elektrobohrers zur über Tage aufgestellten Empfangs-und Dekodiereinrichtung übertragen werden, in der die Hochfrequenzschwingungszüge dekodiert werden. Die Schwingungen der Generatoren--11 und ll'--dienen als Trägerfrequenzen und sind unter Berücksichtigung des maximalen Störabstandes bei der Signalübertragung über die Stromleitung gewählt.
In der über Tage aufgestellten, in der Zeichnung nicht angegebenen Empfangseinrichtung erfolgt die Demodulation und die Dekodierung der über die Stromleitung zugeführten HochfrequenzSchwingungszüge sowie ihre Umwandlung in Gleichspannungen, die den gemessenen Winkelgrössen des Azimuts, des Neigungswinkels und der Lage des Ablenkungsstückes proportional sind. Diese Spannungen werden optischen Anzeigegeräten und Registriergeräten zugeführt.
Die Anwendung der Erfindung führt zu einer bedeutenden Erhöhung der Genauigkeit bei der Messung der die Lage des Elektrobohrers kennzeichnenden Winkel und ermöglicht gleichzeitig mit der Bestimmung des Neigungswinkels und der Lage des Ablenkungsstückes auch das Azimut zu messen, was mit den vorher zur Messung angewandten Positionsmessern unmöglich war.