DE102009008789A1

DE102009008789A1 - Akustischer Sensor mit hoher Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE102009008789A1
Application number: DE200910008789
Authority: DE
Inventors: Ernst D. Rode; Hans-Georg Winkler
Original assignee: Geolab S A S; GEOLAB Sas
Current assignee: RODE, ERNST DIETRICH, DE
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen niederfrequenter akustischer Wellen, insbesondere seismischer Wellen, umfassend eine in einem Magnetfeld (B) angeordnete Spule (2), die relativ zum Magnetfeld (B) bewegbar ist. Eine besonders hohe Empfindlichkeit kann erreicht werden, wenn der Sensor wenigstens zwei Magnete (3a, 3b) aufweist, die sich mit gleicher Polarität gegenüberstehen und in deren gemeinsamen Magnetflussbereich die Spule (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen niederfrequenter akustischer Wellen, sowie eine Messanordnung mit mehreren solcher Sensoren.
Zur Erkundung unterirdischer Kohlenwasserstoffvorkommen, wie z. B. Erdöl- oder Gasvorkommen, werden in den letzten Jahren vermehrt rein passive Messverfahren eingesetzt. Diese beruhen im Prinzip darauf, das natürliche Erdrauschen zu erfassen, spektral zu analysieren und aus dem Frequenzspektrum auf das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein von Kohlenwasserstoff-Vorkommen zu schließen. Derartige passive Verfahren sind aus der Literatur bekannt und in diversen Patenten beschrieben, wie z. B. in der DE 199 15 036 , der EP 1 166 152 oder der DE 10 2004 028 034 .
Diese Verfahren arbeiten üblicherweise mit akustischen Sensoren, die niederfrequente akustische Signale an oder nahe der Erdoberfläche aufnehmen. Die Sensoren werden auch als ”Seismometer” oder ”Geophone” bezeichnet und zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit und eine sehr geringe Rauschdichte aus. Bekannte Sensoren umfassen beispielsweise eine Spule, die in einem konstanten Magnetfeld aufgehängt ist. Wird der Sensor an das Schwingungssystem Erde gekoppelt, übertragen sich die in der Erdkruste laufenden seismischen Wellen auf den Sensor, so dass sich die Spule relativ zum Magnetfeld bewegt. Dadurch werden in der Spule Spannungen induziert, die spektral ausgewertet werden können. Da die akustischen Wellen sehr schwach sind, werden Sensoren mit einer extrem hohen Empfindlichkeit benötigt. Diese Empfindlichkeit wird von den meisten bekannten Sensoren i. d. R. nicht erreicht.
Ein weiteres Problem bei der Verwendung bekannter elektromagnetischer Sensoren besteht darin, dass ein unterirdisches Reservoir nicht nur sehr niederfrequente akustische Wellen, sondern auch niederfrequente elektromagnetische Felder erzeugt. Darüber hinaus existiert auch noch das natürliche elektromagnetische Rauschen der Erde. Diese natürlichen magnetischen Wechselfelder (0,001–8 Hz) induzieren in dem Spulensystem des Sensors eine zusätzliche Spannung, die die eigentliche Messspannung überlagert. Es lässt sich daher nur sehr schwer unterscheiden, ob die Messspannung der Spule durch elektromagnetische oder die mechanischen Wellen hervorgerufen wurde. Dies ist jedoch von erheblicher Bedeutung für die Qualität und Aussagekraft der Messung.
Eine bekannte Methode zur Eliminierung des natürlichen elektromagnetischen Feldes besteht z. B. darin, ein antisymmetrisches Doppelspulensystem zu verwenden, bei dem sich betragsmäßig gleich große Induktionsspannungen gegenseitig aufheben. Eine solche Lösung ist grundsätzlich möglich, setzt jedoch voraus, dass das Gesamtsystem aus den beiden Spulen, der elektromagnetischen Umgebung (Konstruktion) und der Fremderregung vollständig symmetrisch ist. Bereits geringste Unsymmetrien im Aufbau können das Messergebnis erheblich verfälschen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen akustischen Sensor mit einer in einem Magnetfeld angeordneten Spulenanordnung zu schaffen, der eine höhere Empfindlichkeit aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 13 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Sensor mit einer in einem Magnetfeld angeordneten Spule zu schaffen, die relativ zum Magnetfeld bewegbar ist, wobei das Magnetfeld von wenigstens zwei Magneten erzeugt wird, die sich mit gleicher Polarität gegenüberstehen. Dadurch entstehen mehrere unabhängige magnetische Kreise, in deren gemeinsamen Magnetflussbereich sich die Spule bzw. ein Spulensystem befindet. Das so erzeugte Magnetfeld hat eine sehr hohe magnetische Flussdichte, die zu einer höheren Empfindlichkeit des Sensors beiträgt.
Das Spulen-/Magnetsystem ist vorzugsweise von einem äußeren Joch, z. B. in Form eines magnetischen Topfes, umgeben, das das Spulensystem im Wesentlichen vollständig umschließt und somit gegen externe magnetische Wellen abschirmt. Das äußere Joch bzw. der magnetische Topf besteht vorzugsweise aus einem weich-magnetischen Material.
Die Magnete des Sensors sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Bei den Magneten handelt es sich vorzugsweise um Permanentmagnete.
Die Spulenanordnung umgibt vorzugsweise ein inneres Joch, an dessen Stirnseiten die Magnete angeordnet sind. Die Spulenanordnung ist vorzugsweise auf dem inneren Joch angeordnet und kann je nach Ausführungsform eine oder mehrere Spulen umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Magnete platten- oder scheibenförmig ausgebildet und mit den Stirnseiten des Jochs vorzugsweise verklebt.
Das innere Joch kann beispielsweise zylindrisch gebildet sein. Das äußere Joch kann beispielsweise die Form eines geschlossenen Hohlzylinders aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sensor wenigstens zwei Spulen, von denen die eine eine Messspule und die andere eine Dämpfungsspule ist. Die Messspule hat vorzugsweise eine Mittelanzapfung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht eines akustischen Sensors mit zwei gegensinnig angeordneten Magneten; und
2 eine Darstellung des Sensors zur Veranschaulichung des Verlaufs der magnetischen Felder im Sensor.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines akustischen Sensors 1 mit einer Spule 2, die in einem von Permanentmagneten 3a, 3b erzeugten magnetischen Feld aufgehängt ist. Die Spule 2 ist zusammen mit einer großen Masse (nicht gezeigt) an einem Träger 7 befestigt und in Richtung des Pfeils A, relativ zum magnetischen Feld B, beweglich.
Im Innenraum der Spule 2 befindet sich ein Joch 4 aus einem ferromagnetischen Material, das den von den Magneten 3a, 3b erzeugten magnetischen Fluss leitet. Die Längsrichtung des Jochs 4 erstreckt sich in der Bewegungsrichtung A. Die Länge des Jochs 4 ist dabei etwas größer als die der Spule 2. Die Permanentmagneten 3a, 3b sind an den Stirnenden des Jochs 4 angeordnet und vorzugsweise mit dem Joch 4 verklebt oder anderweitig damit verbunden. Die beiden Permanentmagnete 3a, 3b sind hier so angeordnet, dass sie sich mit dem gleichen Pol, z. B. dem S-Pol, gegenüberstehen.
Die gesamte Spulenanordnung wird von einem äußeren Joch 6 umgeben, das die Spulenanordnung, abgesehen von Öffnungen 8 für den Träger 7, vollständig umschließt. Das äußere Joch 6 hat hier die Form eines Potential-Topfes und ist vorzugsweise ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. Dadurch wird eine besonders gute Abschirmung der Messspule 2 gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern erreicht.
Beim fertig montierten Sensor ist das äußere Joch 6 vorzugsweise in einem Gehäuse (nicht gezeigt) angeordnet. Zur Durchführung einer Messung wird das Gehäuse vorzugsweise in die Erde eingegraben, so dass natürliche seismische Wellen auf das Gehäuse übertragen werden. Wegen der hohen Trägheit des Spulensystems mit der zusätzlichen Masse bleibt die Spule 2 im Wesentlichen ortsfest, während sich die Magnetanordnung 3, 4 und damit das magnetische Feld B verlagert. Durch diese Relativbewegung wird in der Spule 2 eine Messspannung induziert, die ausgewertet werden kann.
2 zeigt die Magnetanordnung 3, 4 zusammen mit den von den Magneten 3a, 3b erzeugten magnetischen Kreisen 5a bis 5d. Wie zu erkennen ist, verlaufen die einzelnen magnetischen Felder jeweils von einer Seite der Permanentmagnete 3a, 3b, z. B. dem S-Pol, durch das innere Joch 4, treten dann in einem mittleren Bereich des Jochs 4 in lateraler Richtung nach außen und verlaufen dann kreisförmig weiter im äußeren Joch 5 bis zur zugehörigen zweiten Seite der Permanentmagnete 3a, 3b. Die Spule 2 befindet sich dabei in dem gemeinsamen Magnetflussbereich aller Magnetfelder. Die dargestellte Magnetanordnung 3, 4 erzeugt eine sehr hohe magnetische Flussdichte B, die zu einer hohen Empfindlichkeit des Sensors beiträgt.
Alternativ zur dargestellten Ausführungsform können auch mehrere Spulen 2 vorgesehen sein. Eine dieser Spulen ist dabei vorzugsweise eine Messspule, und die andere eine Dämpfungsspule, die z. B. direkt oder mit einem sehr kleinen Widerstand kurzgeschlossen ist. Die Messspule hat in diesem Fall vorzugsweise eine Mittenanzapfung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19915036 [0002]
- EP 1166152 [0002]
- DE 102004028034 [0002]

Claims

Sensor zum Erfassen niederfrequenter akustischer Wellen, insbesondere seismischer Wellen, umfassend wenigstens eine in einem Magnetfeld (B) angeordnete Spule (2), die relativ zum Magnetfeld (B) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld (B) von wenigstens zwei Magneten (3a, 3b) erzeugt wird, die sich mit gleicher Polarität gegenüberstehen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (3a, 3b) wenigstens zwei unabhängige magnetische Kreise (5a, 5b) erzeugen, in deren gemeinsamen Magnetflussbereich sich die Spule (2) befindet.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (3a, 3b) identisch ausgebildet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres Joch (4) vorgesehen ist, an dessen Stirnseiten die Magnete (3a, 3b) angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (3a, 3b) mit dem inneren Joch (4) verklebt sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) das innere Joch (4) umgibt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres Joch (6) vorgesehen ist, das den von den Magneten (3a, 3b) erzeugten magnetischen Fluss führt.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Joch (6) die Spulenanordnung (2) und das innere Joch (4) im Wesentlichen vollständig umgibt.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Joch (4) zylindrisch gebildet ist.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Joch (6) hohlzylindrisch gebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres Joch (4) vorgesehen ist, welches wenigstens von zwei voneinander unabhängigen Spulen (2) umgeben ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spulen (2) eine Mittelanzapfung aufweist.
Messanordnung, umfassend mehrere Sensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.