<Desc/Clms Page number 1>
Detectie-inrichting voor een boorkop.
De uitvinding heeft betrekking op een detectieinrichting voor de orientatie en de positie voor de boorkop van een boorinrichting waarbij de boorkop, welke is uitgerust met grond-vrijmaakmiddelen aan het einde van een flexibele boorbuis in de grond wordt gedreven.
Een dergelijke boor, in het bijzonder voor het in de grond maken van een tunnel voor zgn. nutsleidingen, is beschreven in het Belgische octrooi 906. 079 en heeft voorzieningen in de boorkop om deze, op afstand bediend, van richting te veranderen. Het is duidelijk dat het voor het sturen van de boorkop vanaf het bovengrondse werkpunt nodig is dat op elk tijdstip nauwkeurig de positie en de orientatie van de boorkop bekend is.
Verder is het van belang om de in de flexibele boorbuis optredende torsie te kennen om bij dreigende boorbuisbreuk geëigende maatregelen te kunnen nemen.
Bekende middelen voor het bepalen van de orientatie en positie van voorwerpen op een onbereikbare plaats ondergronds berusten op onderling verschillende meetprincipes. Zo is het b. v. bekend om voor het bepalen van de horizontale, ten opzichte van een verticaal vlak gemeten richting, voortaan compasrichting te noemen, gebruik te maken van een gyroscoopinrichting. Deze geeft weliswaar uiterst nauwkeurige meetresultaten, echter is zeer kostbaar en gecompliceerd en vergt te veel ruimte voor montage in een boorkop met beperkte diameter.
Het meten van de diepte geschiedt gewoonlijk door in de boorkop een radiozender aan te brengen en bovengronds twee radio-ontvangstspoelen op te stellen, derhalve een soort elektronische driehoeksmeting uit te voeren.
Het doel van de onderhavige uitvinding is een constructief eenvoudiger en daardoor goedkopere, echter volkomen bedrijfszeker en continu werkende detec-
<Desc/Clms Page number 2>
tie-inrichting te verschaffen waarbij tenminste zowel de compasrichting als de diepte van een boorkop continu kan worden waargenomen en indien gewenst, bovengronds op een beeldscherm of grafisch kan worden weergegeven.
Hiertoe omvat de detectie-inrichting volgens de uitvinding in een boorkop tenminste een signaalgever en wordt bovengronds een reeks richting-gevoelige sensoren toegepast, waarbij de orientates van opeenvolgende sensoren een hoek van bij voorkeur 900 insluiten.
De door de signaalgever uitgezonden signalen worden door de opeenvolgende, verschillend georienteerde sensoren opgevangen met sterkten die varieren afhankelijk van de afstand en van de invalshoeken bij de sensoren en de aldus in de reeks sensoren opgewekte verschillende pulsen kunnen in een rekeneenheid direkt worden verwerkt tot een dieptegegeven en een richtinggegeven van de boorkop.
In een constructief sterke en compacte uitvoeringsvorm van de uitvinding kan de signaalgever een elektromagnetische spoel zijn die met een as volgens de hartlijn van de boorkop is georienteerd.
EMI2.1
Daarbij kunnen de sensoren zgn. Hall-elementen zijn, d. plaatjes van geleidend materiaal met uitgangsaansluitingen loodrecht op de veldrichting, die in een magnetisch veld een uitgangsspanning geven die proportioneel is met de veldsterkte.
De sensoren kunnen zijn ondergebracht in een soepele slang die bovengronds over het gewenste ondergrondse boortraject kan worden uitgelegd.
Eventueel kan de boorkop twee op afstand van elkaar geplaatste, axiale signaalgeefspoelen bevatten en kan door de rekeneenheid ook de helling worden berekend.
Bij voorkeur wordt echter voor hellingmeting een slinger toegepast, nl. een schijfvormig huis met daarin een cirkelsector-vormige slinger die bij zijn omtrek is uitgerust met tenminste een signaalgever,
<Desc/Clms Page number 3>
terwijl het huis is voorzien van over de omtrek verdeeld aangebrachte sensoren die pulsen via elektrische leidingen naar de rekeneenheid bovengronds kunnen doorgeven. De signaalgevers kunnen magneten zijn en de sensoren Hallelementen.
Door het huis met de slinger dwars op de langsrichting van de boorkop te monteren zal bij verandering van de helling van de boorkop de slinger in het huis kantelen, hetgeen door de sensoren wordt gedetecteerd.
Eenzelfde slinger kan worden toegepast met de rotatie-as van de slinger volgens de hartlijn van de boorkop om daarmee torsie te bepalen.
Hoewel binnen het raam van de uitvinding diverse varianten mogelijk zijn, b. v. in de hellingen torsiemeters in plaats van magneten en Hall-sensoren lichtbronnen en lichtgevoelige cellen kunnen worden toegepast en in plaats van sensoren op de omtrek van de schijfvormige huizen en magneten op de omtrek van de slinger, ook een sensor op de slingeras en signaalgevers op de binnenomtrek van het huis kunnen worden toegepast,
blijft het voordeel van de detectie-inrichting volgens de uitvinding dat met constructief eenvoudige middelen en gebaseerd op eenzeifde meetprincipe vier verschillende gegevens van een ondergrondse boorkop kunnen worden verkregen waarbij de meetpulsen van dezelfde of soortgelijke sensoren afkomstig zijn en derhalve eenvoudig in een rekeneenheid verwerkbaar zijn waarbij eventueel automatisch koerscorrecties aan de stuurmiddelen van de boorkop kunnen worden doorgegeven.
Tevens is het mogelijk om een plaats van een signaalgever in de vorm van een spoel een mini camera toe te passen die via een coaxiaal kabel die zich door de boorbuis uitstrekt, beelden van standswijzigingen van de boorkop doorgeeft aan een bovengronds opgestelde monitor.
Ter verduidelijking van de uitvinding zal, onder verwijzing naar de tekening, een uitvoeringsvoor-
<Desc/Clms Page number 4>
beeld van de detectie-inrichting voor een boorkop worden beschreven.
Fig. 1 toont schematisch in gedeeltelijk opengewerkt zijaanzicht een boorkop waarbij de detectieinrichting volgens de uitvinding is toegepast ; fig. 2 is een dwarsdoorsnede van een hellingsof torsiemeter ; en fig. 3 is een doorsnede volgens de lijn 111-111 in fig. 2.
Volgens de tekening is een boorkop 1, b. v. van het type zoals beschreven in het Belgische octrooi 906. 079 bevestigd aan het einde van een flexibele boorbuis 2 en is voorzien van een spuitkop 3.
In de afgebeelde uitvoering zijn in de boorkop een spoel 4, een hellingmeter 12 en een torsiemeter 11 ondergebracht, waarbij de spoel 4 samenwerkt met een bovengronds aangebrachte ontvanger 5.
De spoel 4 is een elektromagnetische spoel die met zijn as volgens de hartlijn van de boorkop 1 opgesteld en wordt gevoed via elektrische leidingen 6. De ontvanger 5 omvat een reeks achter elkaar opgestelde richtinggevoelige sensoren zoals Hall-elementen 7 met afwisselend over 900 versprongen orientatie. Deze elementen 7 zijn ondergebracht in een flexibele buis 8 en zijn met hun uitgangsaansluitingen via geleiders 9 verbonden met een niet afgebeelde rekeneenheid die uit de van de opeenvolgende Hall-elementen ontvangen pulsen, opgewekt door het veld van de elektromagnetische spoel 4, verwerkt tot gegevens omtrent de diepte van de boorkop 1 en ook omtrent de compasrichting van de boorkop 1 ten opzichte van de ontvangerbuis 8.
Bij afwijkingen van het gewenste, door de ontvangerbuis 8 bepaalde boortraject kan de rekeneenheid stuurpulsen geven aan een, eveneens niet afgebeelde, stuurinrich- ting voor de boorkop 1.
De rekeneenheid ontvangt tevens pulsen van
<Desc/Clms Page number 5>
de hellingmeter 12 en van de torsiemeter 11. Omdat deze meters identiek kunnen zijn uitgevoerd zal uitsluitend de torsiemeter 11 onder verwijzing naar fig. 2 en 3 worden beschreven.
De meter 11 is voorzien van een schijfvormig huis met een cilinderwand 13 en twee deksels of eindwanden 14. Centraal in de deksels 14 is middels legers 16 en 17 een rotatieas 15 bevestigd voor een in het algemeen cirkelsectorvormige slinger 18 waarvan het zwaartepunt zieh onder de rotatieas 15 bevindt. In de uitvoeringsvorm volgens fig. 2 en 3 is de slinger 18 bij zijn omtrek voorzien van een signaalgever 19 die een magneet kan zijn en waarvan er meerdere op de omtrek van de slinger 18 kunnen zijn aangebracht. Over de cilinderwand 13 van het huis gespreid, zijn sensoren 21 aangebracht, b. v. Hall-sensoren met uitgangsgeleiders 22. Het huis kan via vulopeningen 20 worden gevuld met een slingerdempvloeistof, b. v. olie.
Bij rotatie van het huis om de rotatieas 15, hetgeen bij de hellingmeter 12 wordt veroorzaakt door een hellingverandering van de boorkop 1 en bij de torsiemeter 11 door het roteren van de boorkop 1 om zijn hartlijn, verplaatst de slinger 18 ten opzichte van het huis en de verplaatsing van de magneet 19 wordt door een aantal opeenvolgende sensoren 21 waargenomen. De meetpulsen worden via de leidingen 22 doorgegeven naar de oppervlakte, bij voorkeur naar dezelfde rekeneenheid die ook de gegevens uit de ontvanger 5 verwerkt.
De rekeneenheid kan met behulp van de ontvangen pulsen correctiesignalen doorgeven aan diverse besturingen van de boorkop 1, in het geval van overmatige torsie b. v. vertraging van de voortbeweging van de boorkop en/of vergroting van het spoelvloeistofdebiet door de spuitkop 3, waardoor de boorkop ondergrons minder wrijving ondervindt.
Het is duidelijk dat de uitvinding niet tot
<Desc/Clms Page number 6>
de beschreven uitvoeringsvorm is beperkt maar dat diverse wijzigingen binnen het raam van de uitvinding mogelijk zijn.
<Desc / Clms Page number 1>
Detection device for a drill bit.
The invention relates to a detection device for the orientation and position for the drill bit of a drilling device in which the drill bit, which is equipped with soil-releasing means, is driven into the ground at the end of a flexible drill pipe.
Such a drill, in particular for making a tunnel in the ground for so-called utility lines, is described in the Belgian patent 906.079 and has provisions in the drill head to change its direction remotely. It is clear that in order to steer the drill bit from the above-ground operating point it is necessary to accurately know the position and orientation of the drill bit at any time.
It is also important to know the torsion occurring in the flexible drill pipe in order to be able to take appropriate measures in the event of an impending drill pipe failure.
Known means for determining the orientation and position of objects in an inaccessible place underground are based on mutually different measuring principles. So it is b. v. known for using the gyroscope device for determining the horizontal, measured relative to a vertical plane, henceforth to be called compass direction. Although this gives extremely accurate measurement results, it is very expensive and complicated and requires too much space for mounting in a drill bit with a limited diameter.
Measurement of the depth is usually done by arranging a radio transmitter in the drill bit and arranging two radio receiving coils above ground, thus performing a kind of electronic triangulation.
The object of the present invention is a constructionally simpler and therefore cheaper, but completely reliable and continuously operating detector.
<Desc / Clms Page number 2>
providing a device in which at least both the compass direction and the depth of a drill bit can be continuously observed and, if desired, can be displayed above ground on a screen or graphically.
For this purpose, the detection device according to the invention comprises at least one signal transmitter in a drill bit and a series of direction-sensitive sensors is used above ground, the orientations of successive sensors enclosing an angle of preferably 900.
The signals emitted by the signal generator are received by the successive, differently oriented sensors with strengths that vary depending on the distance and the angles of attack at the sensors, and the different pulses thus generated in the series of sensors can be directly processed into a depth data in a calculation unit and a direction of the drill bit.
In a structurally strong and compact embodiment of the invention, the signal generator can be an electromagnetic coil oriented with an axis along the axis of the drill bit.
EMI2.1
The sensors can be so-called Hall elements, d. conductive pads with output terminals perpendicular to the field direction, which in a magnetic field provide an output voltage proportional to the field strength.
The sensors can be housed in a flexible hose that can be laid above ground over the desired underground drilling route.
Optionally, the drill bit may include two spaced axial signal coils and the slope can also be calculated by the calculator.
Preferably, however, a pendulum is used for inclination measurement, namely a disk-shaped housing containing a circular sector-shaped pendulum, which is equipped with at least one signal transmitter at its periphery,
<Desc / Clms Page number 3>
while the housing is equipped with circumferentially arranged sensors that can transmit pulses via electrical lines to the computer above ground. The signaling devices can be magnets and the sensors Hall elements.
By mounting the housing with the pendulum transversely to the longitudinal direction of the drill bit, when the inclination of the drill bit changes, the pendulum in the housing will tilt, which is detected by the sensors.
The same pendulum can be used with the axis of rotation of the pendulum along the axis of the drill bit to determine torque.
Although various variants are possible within the scope of the invention, b. v. in the slopes torsion meters instead of magnets and Hall sensors light sources and photosensitive cells can be used and instead of sensors on the circumference of the disc-shaped houses and magnets on the circumference of the pendulum, also a sensor on the pendulum axis and signalers can be applied to the inside perimeter of the house,
the advantage of the detection device according to the invention remains that, with constructionally simple means and based on a same measuring principle, four different data can be obtained from an underground drilling head, whereby the measuring pulses come from the same or similar sensors and can therefore be easily processed in a calculation unit in which optionally automatic course corrections can be passed on to the steering means of the chuck.
It is also possible to use a position of a signal generator in the form of a coil, a mini camera which, via a coaxial cable extending through the drill pipe, transmits images of changes in position of the drill bit to a monitor arranged above ground.
To clarify the invention, with reference to the drawing, an exemplary embodiment
<Desc / Clms Page number 4>
image of the drill bit detector.
Fig. 1 schematically shows, in partly cut-away side view, a drill bit using the detection device according to the invention; FIG. 2 is a cross-sectional view of an incline or torque meter; and FIG. 3 is a sectional view taken on the line III-III in FIG. 2.
According to the drawing, a drill bit 1, b. v. of the type as described in Belgian patent 906.079 attached to the end of a flexible drill pipe 2 and provided with a nozzle 3.
In the illustrated embodiment, a spool 4, an inclinometer 12 and a torque meter 11 are accommodated in the drill bit, the spool 4 cooperating with a receiver 5 arranged above ground.
The coil 4 is an electromagnetic coil arranged with its axis along the axis of the drill bit 1 and fed through electrical lines 6. The receiver 5 comprises a series of directional sensors, such as Hall elements 7, arranged alternately through 900 offset orientation. These elements 7 are housed in a flexible tube 8 and are connected with their output terminals via conductors 9 to a not shown computing unit which processes from the pulses received from the successive Hall elements generated by the field of the electromagnetic coil 4 into data about the depth of the drill bit 1 and also about the compass direction of the drill bit 1 relative to the receiver tube 8.
In the event of deviations from the desired drilling path determined by the receiver tube 8, the calculating unit can give control pulses to a control device for the drill head 1, which is also not shown.
The computer also receives pulses from
<Desc / Clms Page number 5>
the inclinometer 12 and of the torque meter 11. Since these meters can be of identical design, only the torque meter 11 will be described with reference to Figs. 2 and 3.
The meter 11 is provided with a disk-shaped housing with a cylinder wall 13 and two lids or end walls 14. Centrally in the lids 14 a rotation axis 15 is mounted by means of bearings 16 and 17 for a generally circular sector-shaped pendulum 18, the center of gravity of which is below the axis of rotation 15. In the embodiment according to Figs. 2 and 3, the pendulum 18 is provided at its periphery with a signal transmitter 19 which can be a magnet and several of which can be arranged on the periphery of the pendulum 18. Sensors 21 are arranged over the cylinder wall 13 of the housing, b. v. Hall sensors with output guides 22. The housing can be filled via filling openings 20 with a roll damping liquid, b. v. oil.
When the housing is rotated about the axis of rotation 15, which is caused at the inclinometer 12 by a change in the inclination of the drill bit 1 and at the torque meter 11 by the rotation of the drill head 1 about its axis, the pendulum 18 moves relative to the housing and the movement of the magnet 19 is detected by a number of successive sensors 21. The measuring pulses are transmitted via the lines 22 to the surface, preferably to the same computing unit which also processes the data from the receiver 5.
The calculation unit can transmit correction signals to various controllers of the drill chuck 1 with the aid of the received pulses, in case of excessive torque b. v. slowing down the movement of the drill bit and / or increasing the flushing liquid flow rate through the nozzle 3, so that the drill bit experiences less friction under ground.
It is clear that the invention is not up to
<Desc / Clms Page number 6>
the described embodiment is limited, but that various modifications are possible within the scope of the invention.