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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Übertragung
von Daten von einem Gerät, wie
es beispielsweise in der Endoskopie oder Mikrochirurgie verwendet
wird, zu einer Empfangseinheit, mit einem in oder an dem Gerät angeordneten
magnetischen Dipol, der von einem Antrieb rotierend angetrieben
wird, wobei durch eine Änderung
der Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols die Daten erzeugt
und das sich ändernde
Magnetfeld des magnetischen Dipols von der Empfangseinheit empfangen und
ausgewertet wird.
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In
der Medizin verwendete mikrochirurgische und endoskopische Instrumente
werden insbesondere zur Diagnostik und bei Operationen an empfindlichen
oder schwer zugänglichen
Geweben und Organen eingesetzt. Diese Eingriffe verlaufen in der
Regel computer- und/oder kameragesteuert und erfordern meist ein
Höchstmaß an präziser Ortung,
Positionierung und Bewegung der Instrumente. Hierzu kommen Sondensysteme
wie etwa magnetische oder elektromagnetische Sonden zum Einsatz.
So werden in den
US-Patentschriften
5,836,869 und
6,248,074 fixierte
Magnetfeldquellen bzw. Magnetfeldsensoren beschrieben, die die drei
räumlichen
Koordinaten eines sich bewegenden Magnetfeldes über eine dreiachsige Ausgestaltung
des Magneten bzw. des Sensors messen. Hierdurch wird jedoch keine
räumlich exakte
oder zeitgenaue Positionsbestimmung des endoskopischen Gerätes ermöglicht.
Dies erklärt sich
daraus, dass die in der
US-PS
5,836,869 beschriebene Bestimmung der Magnetfeldkoordinaten bei
einem dreiachsigen Magneten die Ausmessung von drei verschiedenen
Magnetfeldern notwendig macht, die, um eine Überlagerung zu vermeiden, zeitversetzt
nacheinander gemessen werden, indem die einzelnen Achsen zeitversetzt
elektromagnetische Signale erzeugen. Die Messung erfolgt hier außerhalb
des Patienten und erfordert außerdem
eine Umrechnung, um die Position des Endoskops im Körper abschätzen zu
können.
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Die
US-Patentschrift 6,248,074 beschreibt die
Befestigung einer Magnetfeldquelle außerhalb des Patienten; die
Lokalisierung erfolgt hier über
eine Bestimmung der relativen Position des Detektors zum äußeren Magnetfeld über einen
am distalen Ende des Endoskops angebrachten Magnetfeldsensor. Auch
hier ist nur eine relativ ungenaue Messung möglich, da Endoskop und Sensor
gegenüber
dem fixierten Magnetfeld bewegt werden und somit keine exakte Relation
zwischen den festen Magnetfeldkoordinaten und der sich verändernden
räumlichen Ausrichtung
des Sensors gegeben ist. Hinzu kommen weitere hinderliche und die
Genauigkeit beeinträchtigende
Faktoren, etwa das Problem, in unterschiedlich weit von der Körperoberfläche entfernten Regionen
zu messen oder die Beeinträchtigung
der Messgenauigkeit durch äußere magnetische
Felder. Ins Körperinnere
verbrachte Sonden sind dagegen oft sehr empfindlich, erfordern komplizierte
elektrische Leitungssysteme oder den stetigen Einsatz und Austausch
von Batterien.
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Ein
gegenüber
den zuvor beschriebenen Verfahren verbessertes Verfahren zur Lokalisierung eines
Geräts
ist aus der
WO
2003/103492 A1 bekannt. Darin ist offenbart, im Gehäuse eines
medizinischen Geräts
oder beispielsweise auch eines Bohrkopfs einen magnetischen Dipol
anzuordnen, der unabhängig
von einer gegebenenfalls erfolgenden Rotation des Gehäuses rotierend
angetrieben wird. Zur Lokalisierung des Geräts wird das von dem magnetischen
Dipol erzeugte magnetische Feld von einem Dreiachsen-Magnetometer
(Fluxgate) gemessen und ausgewertet. Dies ermöglicht, beispielsweise die
Position eines medizinischen Geräts
in dem Körper
eines Patienten exakt zu bestimmen. In der
WO 2003/103492 A1 ist
zudem eine Möglichkeit
offenbart, den Rollwinkel des Gehäuses des Geräts zu bestimmen.
Hierzu wird eine veränderliche
Komponente des Magnetfelds, die von dem Rollwinkel abhängt, erzeugt
und von dem Magnetometer gemessen, wobei als konkrete Ausführungsform
ein kurzfristiges Stoppen oder Kippen des Dipols in einer definierten Relativlage
bezüglich
des Gehäuses
beschrieben ist. Weiterhin wird in der
WO 2003/103492 A1 allgemein die
Möglichkeit
angesprochen, Daten von dem Gerät zu
dem Magnetometer zu übertragen,
indem die Frequenz der Rotation des magnetischen Dipols moduliert
wird. Ein konkretes Ausführungsbeispiel
für eine solche
Frequenzmodulation der Rotation des Dipols ist in der
WO 2003/103492 A1 jedoch
nicht offenbart. Auch ist nicht angegeben, welche Art von Daten übertragen
werden können.
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Aufgabe
der Erfindung war, das aus der
WO 2003/103492 A1 bekannte Verfahren vorteilhaft
weiterzuentwickeln und insbesondere die Übertragung unterschiedlicher
Daten(arten) zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Idee liegt darin, die Übertragung
unterschiedlicher Datenarten durch eine Frequenzmodulation eines
rotierenden Dipols dadurch zu erreichen, dass der Drehzahlbereich,
innerhalb dessen der magnetische Dipol rotierend angetrieben werden
kann, in festgelegte Teilbereiche unterteilt wird und jeweils einem
oder mehrerer dieser Teilbereiche einer konkreten Datenart zugeordnet
wird, wobei innerhalb dieser Teilbereiche die Daten jeder Datenart
durch eine entsprechende Änderung
der Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols übertragen werden.
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Ein
entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren
zur Übertragung
von Daten von einem Gerät
zu einer Empfangseinheit sieht vor, durch eine Änderung der Rotationsfrequenz
eines an dem Gerät angeordneten
magnetischen Dipols Daten zu erzeugen und das Magnetfeld des magnetischen
Dipols mittels einer Empfangseinheit zu empfangen und durch eine
Auswertung des Magnetfeld die übertragenen
Daten zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen,
den Drehzahlbereich, in dem der magnetische Dipol antreibbar ist,
in Teilbereiche aufzuteilen, die jeweils einer Datenart zugeordnet
werden.
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Ein
entsprechendes erfindungsgemäßes System
zur Übertragung
von Daten von einem Gerät zu
einer Empfangseinheit weist zumindest einen in oder an dem Gerät angeordneten
magnetischen Dipol auf, der von einem Antrieb (z. B. einem Elektromotor)
rotierend angetrieben wird, wobei das sich ändernde Magnetfeld des magnetischen
Dipols von der Empfangseinheit empfangen und ausgewertet werden
kann, und weist zudem eine Steuereinheit zur gezielten Änderung
der Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols auf, wobei der Drehzahlbereich,
in dem der magnetische Dipol antreibbar ist, in Teilbereiche aufgeteilt
ist, die jeweils einer Datenart zugeordnet sind.
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Bevorzugt
wird das erfindungsgemäße Verfahren
bzw. das erfindungsgemäße System
zur Übertragung
von Daten von einem medizinischen und insbesondere mikrochirurgischen
oder endoskopischen Gerät
zu einer externen Empfangseinheit eingesetzt. Es ist jedoch nicht
auf diese Anwendung beschränkt,
sondern eignet sich grundsätzlich
für die Übertragung
von Daten von einem ggf. schlecht zugänglichen Gerät zu einer
Empfangseinheit. Beispielsweise sollen hier Erdarbeitsvorrichtungen
und insbesondere Horizontalbohrvorrichtungen genannt werden.
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Unter „Erdarbeitsvorrichtung” wird eine
beliebige Vorrichtung zum Erstellen von Bohrungen, zum Aufweiten
von Bohrungen sowie zum Einziehen von Rohren oder Leitungen in Bohrungen
innerhalb des Erdreichs verstanden.
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Unter „Erdreich” wird erfindungsgemäß jede Anhäufung eines
Materials oder Materialgemisches verstanden, in das eine Bohrung
eingebracht werden kann; hierunter soll insbesondere nicht nur das
Erdreich an sich, sondern auch beliebige Materialschüttungen
an der Erdoberfläche,
wie beispielsweise Baustoffschüttungen,
fallen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass zur Übertragung
von insbesondere sich relativ langsam ändernden Werten einer Datenart
die Frequenz des rotierenden magnetischen Dipols in dem entsprechenden
Teilbereich des Drehzahlbereichs, der dieser Datenart zugeordnet
ist, linear geändert
wird. Hiermit kann eine einfache Regelung der Rotationsfrequenz
ohne Drehzahlsprünge
verwirklicht werden. „Relativ
langsam” bedeutet
hierbei, dass die Änderung
der Werte der Datenart so langsam erfolgt, dass unter Berücksichtigung
der Trägheit
des rotierenden Dipols die Frequenzänderung des Dipols dem gewünschten
Verlauf im wesentlichen folgen kann.
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Zur Übertragung
von sich zyklisch ändernden
Werten einer Datenart kann die Frequenz in dem entsprechenden Teilbereich
des Drehzahlbereichs, der dieser Datenart zugeordnet ist, vorzugsweise
sinusförmig
geändert
werden. Durch die Änderung
der Frequenz in Form einer Sinusschwingung können die Daten übertragen
werden, ohne dass große
Drehzahlsprünge
des Magneten notwendig werden. Dies ist vorteilhaft, da aufgrund
der Trägheit
des Systems ansonsten Grenzen in der Regelgeschwindigkeit gesetzt
sein können.
Bei sich zyklisch ändernden
Werten einer Datenart kann es sich beispielsweise um eine Information über den
Rollwinkel des Geräts
bzw. des Gehäuses
oder eines Gehäuseteils
des Geräts handeln.
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Aufgrund
der Symmetrie einer Sinusschwingung kann es unter Umständen vorkommen,
dass ein definierter Wert der Datenart, die übertragen werden soll, lediglich
zweideutig bestimmt werden kann, da es für jeden Wert der Rotationsfrequenz
zwei zugehörige
Datenwerte gibt. Um diese Doppeldeutigkeit der Datenwerte herauszufiltern,
kann bevorzugt vorgesehen sein, die Frequenzänderung in definierten Abschnitten
der Sinusschwingung zusätzlich
zu modulieren. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die
Sinusschwingung in einzelne Frequenzplateaus eingeteilt wird, d.
h. die Sinusgrundschwingung wird bei definierten Frequenzwerten
kurzfristig konstant gehalten. Der Abstand der Frequenzplateaus zueinander
kann hierbei systembedingt vorgegeben sein.
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Ein
bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren,
mit dem Daten zur Verrollung des um eine Achse rotierbaren Geräts übertragen
werden sollen, zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass die
Verrollung in definierte Verrollungswerte unterteilt wird, wobei
jeder Verrollungswert einer konkreten Modulation der sinusförmigen Frequenzänderung
entspricht. Aufgrund der Trägheit
des rotierenden Dipols bezüglich
einer Änderung
seiner Rotationsfrequenz kann hierbei jedoch bevorzugt vorgesehen
sein, die Verrollung in nicht zu viele definierte Verrollungswerte
zu unterteilen. Beispielsweise kann eine Umdrehung des rotierbaren
Geräts
in zwölf
Positionen unterteilt werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben
einer steuerbaren Erdarbeitsvorrichtung, die sowohl schiebend bzw.
ziehend als auch rotierend antreibbar ist, wobei Daten durch ein
erfindungsgemäßes Verfahren übertragen
werden, indem in einem ersten Teilbereich des Drehzahlbereichs des
rotierend angetriebenen magnetischen Dipols, in dem eine relativ
geringe Drehzahl vorgesehen ist, eine Änderung der Rotationsfrequenz
des Dipols erfolgt, um Daten bezüglich
der Verrollung der Erdarbeitsvorrichtung zu übertragen; weiterhin ist vorgesehen,
die Frequenzänderung
in einem zweiten Teilbereich mit höherer Drehzahl zu beenden.
Dies ermöglicht,
den rotierenden Dipol dazu zu verwenden, um im Steuerbetrieb der
Erdbohrvorrichtung, d. h. wenn diese lediglich schiebend bzw. ziehend
und nicht oder nur mit einer relativ geringen Winkelgeschwindigkeit
rotierend angetrieben wird, den rotierenden magnetischen Dipol innerhalb des
ersten Teilbereichs, der sich durch eine relativ geringe Drehzahl
auszeichnet, zu betreiben und hierbei Frequenzänderungen vorzunehmen, mit
der Daten bezüglich
der Verrollung der Erdbohrvorrichtung übertragen werden können. Im
Arbeitsbetrieb der Bohrvorrichtung dagegen, d. h. wenn diese nicht
nur schiebend bzw. ziehend, sondern zusätzlich (schnell) rotierend
angetrieben wird, kann vorgesehen sein, die Drehzahl des magnetischen
Dipols in den zweiten Teilbereich anzuheben. In diesem Teilbereich
kann möglicherweise
aufgrund der Massenträgheit
des magnetischen Dipols keine sinnvolle Frequenzmodulation zur Übertragung
von (insbesondere sich zyklisch ändernder)
Daten (z. B. Daten zum Verrollungswinkel) mehr erfolgen; durch die
höhere
Frequenz der Rotation des magnetischen Dipols kann sich jedoch die
Ortung der Erdbohrvorrichtung innerhalb des Erdreichs durch Messung
und Auswertung des Magnetfelds, wie dies aus dem Stand der Technik
bekannt ist, erheblich verbessern, da pro Zeitabschnitt mehr Messungen
des sich ändernden
magnetischen Felds erfolgen können.
Da die Übertragung von
Daten bezüglich
der Verrollung der Erdbohrvorrichtung während des Bohrbetriebs häufig nicht
erforderlich ist, kann in diesen Fällen gegebenenfalls hierauf
verzichtet werden kann.
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Bei
einem insbesondere zur Durchführung dieses
Verfahrens geeigneten System kann vorzugsweise vorsehen sein, dass
das Gerät
unabhängig von
dem magnetischen Dipol rotierend angetrieben wird, wobei die Rotationsachsen
des Geräts
und des magnetischen Dipols parallel oder koaxial ausgerichtet sind.
Dies ermöglicht
eine einfache Steuerung der Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols
unabhängig
von einer Rotation des Geräts
und zudem aufgrund der Parallelität oder Koaxialität der Rotationsachsen
eine einfache Auswertung bezüglich
der Ausrichtung des Geräts,
insbesondere der Erdbohrvorrichtung innerhalb des Erdreichs. Selbstverständlich ist
aber auch eine Schrägstellung
der Rotationsachse des Dipols bezüglich der Rotationsachse des
Geräts
möglich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
erfindungsgemäßes System
umfassend einen Bohrkopf einer Horizontalbohrvorrichtung in einer
schematischen Darstellung;
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2 in
einem Diagramm den Verlauf der Frequenzmodulation der Rotation eines
magnetischen Dipols der Horizontalbohrvorrichtung der 1 zur Übertragung
einer ersten Datenart; und
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3 in
einem Diagramm den Verlauf der Frequenzmodulation der Rotation des
magnetischen Dipols zur Übertragung
einer zweiten Datenart.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System
zur Übertragung
von Daten von einem Gerät
zu einer Empfangseinheit. Bei dem Gerät handelt es sich im vorliegenden
Fall um einen Bohrkopf 1 einer Horizontalbohrvorrichtung.
Dieser Bohrkopf ist als Schrägbohrkopf ausgebildet;
er weist eine schräg
bezüglich
der Längsachse
des Bohrkopfs ausgerichtete Steuerfläche 2 auf. Die Steuerfläche 2 bewirkt
beim Vortreiben des Bohrkopfs 1 durch das Erdreich eine
seitlich gerichtete Kraft, durch die der Bohrkopf 1 in
einen bogenförmigen
Bohrverlauf abgelenkt wird. Die Steuerfläche 2 ermöglicht eine
Steuerbarkeit des Bohrkopfs 1. Um den Bohrkopf 1 gezielt
in eine Richtung zu steuern, kann vorgesehen werden, eine Rotation
des Bohrkopfs 1 gezielt in einem definierten Winkel (Verrollungswinkel)
zu stoppen, wodurch eine entsprechende Ausrichtung der Steuerfläche 2 innerhalb
des Erdreichs erfolgt. Beim nachfolgenden, rein statischen Vortreiben
des Bohrkopfs 1 durch das Erdreich wird dieser kontinuierlich
in eine durch die Ausrichtung der Steuerfläche 2 und folglich
durch den Verrollungswinkel des Bohrkopfs 1 definierte
Richtung abgelenkt. Um mit einem Schrägbohrkopf gemäß der 1 geradeaus
zu bohren wird dagegen vorgesehen, den Bohrkopf 1 rotierend
anzutreiben, während dieser
statisch vorgetrieben wird. Hierdurch gleichen sich die seitlich
gerichteten Kräfte
auf den Bohrkopf 1 über
eine volle Umdrehung des Bohrkopfs 1 aus, so dass sich
im Mittel ein gerader Bohrverlauf ergibt.
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Innerhalb
des Bohrkopfs 1 ist ein magnetischer Dipol 3 (vorliegend
ein Permanentmagnet) drehbar gelagert. Der magnetische Dipol 3 ist über eine
Achse 4 mit einem Elektromotor 5 verbunden, der
diesen rotierend antreibt. Alternative Antriebe können auch
hydraulisch (z. B. mittels einer Bohrspülung) oder pneumatisch angetriebene
Antriebe, beispielsweise entsprechende Turbinen, vorsehen. Die Rotationsachse
des Dipols 3 ist hierbei koaxial zu der Längsachse
des Bohrkopfs 1. Der rotierende magnetische Dipol 3 erzeugt
ein ebenfalls rotierendes magnetisches Feld. Dieses kann von einer
beispielsweise an der Erdoberfläche
angeordneten Empfangseinheit 6, bei der es sich vorzugsweise
um einen Dreiachs-Magnetometer handeln kann, empfangen werden.
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Ausgehend
von dem feststehenden Koordinatensystem der Empfangseinheit
6 stellt
sich das rotierende magnetische Feld des Dipols
3 als ein
sich hinsichtlich der Größe und Richtung
des das Magnetfeld beschreibenden Magnetfeldvektors änderndes magnetisches
Feld dar. Konkret kann mittels des Magnetometers der rotierende
Magnetfeldvektor ermittelt werden, dessen Ursprung die Position
des rotierenden magnetischen Dipols definiert. Durch eine entsprechende
Auswertung des durch den magnetischen Dipol
3 erzeugten,
sich zeitlich ändernden
magnetischen Felds durch die Empfangseinheit
6 kann demnach
die Position des sich im Erdreich befindlichen Bohrkopfs
1 bestimmt
werden. Dieses Verfahren zur Lokalisierung eines Geräts durch
die Auswertung eines magnetischen Felds, das durch einen rotierenden
magnetischen Dipol erzeugt wird, ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Beispielsweise wird hierzu auf die
DE 102 25 518 A1 , die
WO 2003/103492 A1 , die
DE 10 2004 058 272
A1 sowie die
WO
2007/048515 A1 verwiesen.
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Das
in der 1 dargestellte erfindungsgemäße System ermöglicht weiterhin,
die Übertragung von
Daten und insbesondere mehreren Datenarten durch die Auswertung
des von dem magnetischen Dipol 3 erzeugten magnetischen
Felds. Hierzu ist der Elektromotor 5 mit einer Steuereinheit 7 verbunden, über die
Einfluss auf die Rotation des Elektromotors 5 und folglich
des magnetischen Dipols 3 genommen werden kann. Über die
Steuereinheit 7 kann die Rotationsfrequenz des magnetischen
Dipols 3 gezielt beeinflusst werden, was wiederum einen
Einfluss auf das magnetische Feld hat. Die hierdurch hervorgerufene Änderung
des magnetischen Felds wird von der Empfangseinheit 6 gemessen
und kann entsprechend ausgewertet werden. Erfindungsgemäß umfasst
die Änderung
der Rotation des Dipols 3 eine Unterteilung des Drehzahlbereichs,
innerhalb dessen der magnetische Dipol 3 rotierend angetrieben
werden kann, in Teilbereiche, die zumindest teilweise jeweils einer
definierten Datenart zugeordnet werden. Eine Änderung der Rotationsfrequenz
des magnetischen Dipols 3 innerhalb eines bestimmten Teilbereichs
des Drehzahlbereichs ist zur Übertragung
der entsprechend zugeordneten Datenart vorgesehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich zur Übertragung
beliebiger Datenarten, wobei nachfolgend ein konkreter und besonders
bevorzugter Anwendungsfall beschrieben werden soll.
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Mit
dem in der 1 dargestellten System soll
zum einen die Information (Daten) bezüglich des Verrollungswinkels
des Bohrkopfs 1 kabellos übermittelt werden, um diese
einer mit der Steuerung des Bohrkopfs 1 beauftragten Bedienperson
anzeigen zu können.
Eine entsprechende Übermittlung
des Verrollungswinkels ist in der Regel lediglich im Steuerbetrieb
des Bohrkopfs 1 erforderlich, d. h. wenn dieser mit einer
sehr geringen oder einer Winkelgeschwindigkeit von Null (rotierend)
angetrieben wird. Um während
des Steuerbetriebs des Bohrkopfs 1 die Daten bezüglich des
Verrollungswinkels übertragen
zu können,
ist vorgesehen, die Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols 3 mittels
der Steuereinheit 7 in einen Bereich relativ geringer Drehzahl
abzusenken (erster Teilbereich). Innerhalb dieses ersten Teilbereichs
erfolgt daraufhin wiederum mittels der Steuereinheit 7 eine
weitere Modulation der Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols 3.
Selbstverständlich
kann auch vorgesehen sein, die Rotationsfrequenz des Dipols 3 in
einem Teilbereich entlang einer anderen, beliebig verlaufenden Kurve
zu ändern,
beispielsweise entlang einer exponentiell ansteigenden oder abfallenden
Kurve. Vorzugsweise sollte die Kurve jedoch so ausgebildet sein,
dass eine eindeutige Zuordnung gegeben ist; d. h. zu jedem Wert
der Rotationsfrequenz existiert nur ein zugehöriger Wert der zu übertragenden
Datenart.
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Bei
einem stillstehenden, d. h. nicht rotierenden Bohrkopf 1 ist
der Wert für
den Verrollungswinkel konstant. In diesem Fall kann die Frequenz
der Rotation des Dipols 3 einfach entlang eines vordefinierten linearen
Verlaufs auf einen Wert eingestellt werden, der dem Wert für den Verrollungswinkel
entspricht. Die 3 zeigt beispielhaft den vordefinierten
Frequenzverlauf für
diesen Fall, wobei auf der Abszisse anstelle eines prozentualen
Werts vorzugsweise auch eine Unterteilung des Verrollungswinkels
in zwölf
Teile entsprechend der Unterteilung eines Ziffernblatts einer Uhr
in die entsprechenden Uhrzeiten erfolgen kann (vgl. hierzu 1).
Die Rotationsfrequenz des Dipols 3 kann durch eine Auswertung
des magnetischen Felds mittels der Empfangseinheit 6 bestimmt
und dieser Wert dem entsprechenden Wert für den Verrollungswinkel zugeordnet
werden.
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Bei
einem rotierenden Bohrkopf 1 sind die Werte des Verrollungswinkels
des Bohrkopfs zyklisch wiederkehrende Daten. Es kommt vor, dass
der Bohrkopf 1, der sich noch im Steuerbetrieb befindet, langsam
rotierend angetrieben wird. In diesem Betriebszustand sollen weiterhin
Daten bezüglich
des Verrollungswinkels an die Empfangseinheit 6 übertragen
werden, so dass die Rotation des Dipols 3 weiterhin in
dem ersten, durch eine relativ niedrige Frequenz gekennzeichneten
Teilbereich gehalten wird. In diesem Fall ist vorgesehen, die Rotationsfrequenz
des Dipols 3 grundsätzlich
in Form einer Sinusschwingung zu modulieren. Innerhalb einer Umdrehung
des Bohrkopfs 1 wird demnach die Rotationsfrequenz des
Dipols entsprechend dem Verlauf einer vollen Sinusschwingung geändert. Eine
Sinusschwingung weist den Vorteil auf, dass eine gleichmäßige Änderung
der Rotationsfrequenz gegeben ist und folglich keine großen Drehzahlsprünge auftreten. Wollte
man dagegen die Übertragung
der Werte bezüglich
des Verrollungswinkels auch bei einem rotierenden Bohrkopf anhand
z. B. des in der 3 dargestellten linearen Frequenzverlaufs
durchführen, was
grundsätzlich
möglich
ist, so müsste
nach dem Erreichen von 100%, d. h. einer vollständigen Umdrehung des Bohrkopfs 1,
der Wert für
die Rotationsfrequenz des Dipols 3 wieder auf den Ursprungswert
zurückgesetzt
werden. Hiermit ist jedoch ein Drehzahlsprung verbunden, der möglichst
vermieden werden soll und aufgrund der Trägheit des rotierenden Dipols 3 häufig auch
nicht in einem ausreichenden Maße eingehalten
werden könnte.
Die 2 zeigt nun den entsprechenden Verlauf der modulierten
Rotationsfrequenz des magnetischen Dipols 3 für den Fall, dass
im Steuerbetrieb bei einem rotierenden Bohrkopf 1 die sich ändernden
Werte bezüglich
des Verrollungswinkels übertragen
werden sollen. Der Verrollungswinkel des Bohrkopfs 1, der
zu Zwecken der Vereinfachung in zwölf Abschnitte unterteilt ist
(Uhrzeit), wird von einem Verrollungssensor 8 erfasst (dieser
misst auch die Drehzahl des Bohrkopfs 1) und dessen Messwerte
der Steuereinheit 7 zugeführt, so dass die Steuereinheit 7 eine
entsprechende Frequenzmodulation, die an den Verrollungswinkel angepasst
ist, erzeugen kann. Aufgrund der Symmetrie einer „normalen” Sinusschwingung
ergibt sich hierbei jedoch das Problem, das einer bestimmten Frequenz innerhalb
dieser Sinusschwingung zwei Werte für den Verrollungswinkel zugeschrieben
werden können.
Um diese Doppeldeutigkeit herauszufiltern ist weiterhin vorgesehen,
die sinusförmige
Frequenzänderung
der Rotation des Dipols 3 zusätzlich zu modulieren, indem
bei definierten Drehzahlen, die jeweils einem Wert für den Verrollungswinkel
zugeordnet sind, Frequenzplateaus erzeugt werden, d. h. die Frequenz
wird nicht weiter entsprechend des Verlaufs einer normalen sinusförmigen Änderung
geändert,
sondern für
eine kurze, definierte Zeitspanne konstant gehalten. Im Ergebnis
ergibt sich eine treppenförmige
Frequenzmodulation, die eine sinusförmige Grundschwingung abbildet.
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Im
Bohrbetrieb des Bohrkopfs 1, d. h. wenn ein gerader Bohrverlauf
gewünscht
wird, wird der Bohrkopf 1 zusätzlich zu dem statischen Vortreiben (relativ
schnell) rotierend angetrieben, wodurch sich die von der Steuerfläche 2 erzeugten,
seitlich gerichteten Kräfte
im Verlauf einer vollständigen
Umdrehung ausgleichen und sich im Mittel der gewünschte gerade Bohrverlauf ergibt.
Da im Bohrbetrieb die Kenntnis des Verrollungswinkels für die Bedienperson
in der Regel uninteressant ist, ist vorgesehen, diesen nicht mehr
zu übertragen.
Vielmehr wird im Bohrbetrieb die Rotationsfrequenz des Dipols 3 von der
Steuereinheit 7 in einen zweiten Teilbereich mit höheren Frequenzen
angehoben. In diesem zweiten Teilbereich soll erfindungsgemäß die Rotationsfrequenz
des Dipols geändert
werden, um Daten bezüglich
einer anderen Datenart kabellos zu übertragen. Beispielsweise können hierbei
Werte bezüglich
einer Zugkraft, die auf ein an den Bohrkopf 1 angehängtes Rohr
(nicht dargestellt) ausgeübt
und mittels einer Zugkraftmessvorrichtung (nicht dargestellt) gemessen
wird, übertragen
werden. Da sich dieser Wert in der Regel nicht zyklisch ändert, kann
die Frequenzänderung
wiederum anhand des in der 3 dargestellten
Verlaufs erfolgen, wobei anstelle einer prozentualen Einteilung
auf der Abszisse selbstverständlich
auch eine Zuordnung konkreter Werte der Zugkraft zu den Werten der
Rotationsfrequenz des Dipols 3 erfolgen kann.
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Andere
Datenarten, die vorzugsweise noch übertragen werden können, umfassen
die Werte für den
Ladezustand einer Batterie, die für die Leistungsversorgung von
z. B. des Verrollungssensors, der Zugkraftmessvorrichtung oder auch
des Rotationsantriebs für
den Dipol vorgesehen sein kann, der Umgebungstemperatur, der Betriebstemperaturen
der in dem Bohrkopf befindlichen Komponenten, des herrschenden Drucks,
etc..
