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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Datenübertragung aus einem, oder in ein Loch im Boden, insbesondere einem Bohrloch oder einem Frässchlitz, wobei entlang des Lochs eine Bearbeitungseinrichtung und/oder ein Strukturelement angeordnet ist, welche mit einem elektrisch leitenden Körper gebildet sind und sich mit einem oberen Abschnitt aus dem Loch heraus erstrecken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Datenübertragung aus einem oder in ein Loch im Boden, wobei in dem Loch eine Bearbeitungseinrichtung und/oder ein Strukturelement angeordnet wird, welche mit einem elektrisch leitenden Körper gebildet sind und sich mit einem oberen Abschnitt aus dem Loch heraus erstrecken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Bei der Erstellung von Bohrungen ist es häufig erforderlich, Daten von einer Position innerhalb des Bohrlochs, insbesondere der Bohrlochsohle, an eine Position außerhalb des Bohrlochs zu leiten. Solche Daten können beispielsweise Druck- oder Temperaturwerte, Neigungswinkel, Salzgehalte im Bohrloch oder Betriebsdaten eines Bohrwerkzeuges im Bohrloch umfassen. Bei bestimmten Bohrverfahren kann es außerdem vorteilhaft oder notwendig sein, Daten, beispielsweise Steuer- oder Betriebsparameter, zur Bohrlochsohle, etwa zu einem Bohrwerkzeug zu leiten. Zu diesem Zweck ist es bekannt, in einem Bohrstrang eine Datenleitung vorzusehen, über welche Daten entlang des Bohrstranges übermittelt werden können.
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Aus der
DE 299 14 494 U1 ist eine Schneckenbohreinrichtung mit zwei Gestängeschüssen bekannt, welche jeweils ein Außenrohr und ein Innenrohr umfassen. Zwischen Innenrohr und Außenrohr ist in jedem Gestängeschuss ein Kabel geführt. Zum Bilden des durchgehenden Bohrstranges sind die Kabel mittels Steckverbindungen miteinander zu koppeln. Derartige Steckverbindungen sind insbesondere in einem rauen Bohrbetrieb anfällig für Störungen und Beschädigungen.
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Aus der
EP 2 495 389 B1 ist ein Bohrgestänge mit mindestens zwei Gestängeelementen bekannt, wobei an den Stirnseiten der Gestängeelemente segmentartig aufgebaute Induktionsspulen vorgesehen sind, mit welchen eine Datenübertragung ohne Steckverbindung zwischen den Gestängeelementen ermöglicht wird. Die beiden endseitig angeordneten Induktionsspuleneinrichtungen an einem Gestängeelement sind dabei jeweils über ein Kabel entlang des Gestängeelementes miteinander verbunden.
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Weitere Bohrgestängeelemente mit Induktionsspulen zur Datenübertragung sind beispielsweise aus der
US 2002/0193004 A1 und der
US 2010/0175890 A1 bekannt. Auch bei diesen bekannten Gestängeelementen wird innerhalb des Gestänges eine Datenleitung zur Datenübertragung benötigt.
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Eine drahtlose Datenübertragung per Funk aus einem Loch im Boden ist praktisch kaum möglich, da etwa ein Bohrloch oder ein Frässchlitz üblicherweise mit einer Bohr- oder Stützsuspension oder einer abbindbaren Suspension verfüllt sind, durch welche die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen ganz erheblich behindert und schon bei relativ kurzen Distanzen von nur wenigen Metern praktisch unmöglich wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen in besonders einfacher und zugleich zuverlässiger Weise eine Datenübertragung aus einem oder in ein Loch im Boden ermöglicht werden, wobei das Loch auch mit einem Füllmaterial versehen sein kann.
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Die Aufgabe wird zum einen durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet ist, dass außerhalb des Lochs eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet ist und dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper der Bearbeitungseinrichtung und/oder des Strukturelementes übertragen wird. Die Hintereinanderschaltung mehrere Sende/ und Empfängereinheiten innerhalb des Bohrloches, sowie die Überbrückung von gewissen nicht leitenden Stellen durch ein Kabel ist hierbei ebenso möglich.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass Hochfrequenzsignale durch einen elektrisch leitenden Körper übertragen werden können, selbst wenn dieser mehrteilig und komplex aufgebaut ist. Zusätzlich fungieren Teile des elektrisch leitenden Körpers, insbesondere die jeweiligen Endbereiche, als Antenne, welche die Signale abstrahlen, also senden bzw. empfangen kann. Es hat sich außerdem gezeigt, dass dadurch bei mehrteiligen Körpern wie z. B. teleskopierbaren Kellystangen das Signal überraschenderweise auch dann vom einen Ende des Körpers zum anderen Ende übertragen wird, wenn die einzelnen Teile nur einen undefinierten oder während des Betriebs - z. B. aufgrund von Spiel an den Übergangsstellen - an wechselnden Stellen bzw. überhaupt keinen direkten elektrisch leitenden Kontakt zueinander haben. Das bedeutet, dass innerhalb eines mehrteiligen metallischen Körpers auf aufwändige und anfällige Schleifringe, teure Induktionskopplungen oder Ähnliches. zur Signalübertragung verzichtet werden kann. Gleichzeitig ist das Einkoppeln der Dateninformation an einem nicht direkt verbundenen elektrisch leitenden Element, wie beispielsweise der Verrohrung ebenso möglich und führt zu einer doppelten, und somit robusteren Abstrahlung der Information an der Erdoberfläche. Dieser Weg kann uni- oder bidirektional sein. Nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung funktioniert das auch, wenn sich der elektrisch leitende Körper in einem mit einem Füllmaterial verfüllten Loch im Boden befindet. Das Füllmaterial stellt eine Abschirmung gegen eine Abstrahlung nach außen dar. Das Hochfrequenzsignal kann also teilweise kontakt- oder körperbehaftet in dem leitenden Körper und teilweise kontakt- oder körperlos durch Freiräume zwischen elektrisch leitenden Körpern, etwa wie ein Funksignal, übertragen werden, ohne dass hierfür spezielle Sende- oder Empfangsantennen notwendig wären. Das Füllmaterial ist vorzugsweise flüssig oder fließfähig und kann insbesondere eine Bohr- oder Stützsuspension oder eine abbindende Masse sein, welche beispielsweise Wasser, Bentonit, Zement und/oder weitere mineralische oder chemische Bestandteile aufweist, wie sie etwa im Tiefbau zum Ausbilden von Bohrpfählen oder Schlitzwänden eingesetzt werden.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung beruht darauf, dass eine Bearbeitungseinrichtung zum Erstellen des Lochs im Boden oder ein Strukturelement, wie eine sog. Verrohrung des zu erstellenden Loches oder ein Bauelement, welches in das Loch im Boden etwa als eine Armierung eingesetzt wird, einen derartigen geeigneten elektrisch leitenden Körper zur Signalübertragung darstellt. Dabei kann gemäß der Erfindung in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit und außerhalb des Lochs seitlich versetzt zur Öffnung desselben eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet werden, welche ausgebildet sind, ein geeignetes Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen.
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Je nach Anwendungsfall kann etwa im Loch nur eine Sendeeinheit angeordnet sein, während außerhalb des Lochs lediglich eine Empfangseinheit angeordnet ist. Mit einer preiswerten „verlorenen“ Messeinrichtung können auch bestimmte Daten wie z. B. der Temperaturverlauf einer aushärtenden Verfüllmasse wie Beton erfasst und über die Sendeeinheit in einen elektrisch leitenden Armierungskörper eingeleitet werden, welcher das Signal nach oben leitet und an der Oberfläche abstrahlt. An geeigneter Stelle, z. B. an einem Geräteträger, wird das Signal mittels einer Empfangseinheit aufgenommen und in einem Speicher abgelegt. Damit kann z. B. der Aushärteverlauf eines im Boden errichteten Gründungspfahles oder einer Schlitzwand dokumentiert werden. Auch kann man so zuverlässig ermitteln, wann der Pfahl oder die Schlitzwand eine ausreichende Festigkeit erreicht hat, um belastet zu werden. Hierfür sind weder Datenleitung noch separate Antenne erforderlich sind. In umgekehrter Weise könnte auch in dem Loch lediglich eine Empfangseinheit vorgesehen sein, die Daten zur Steuerung eines Bohrwerkzeuges an eine entsprechende Steuereinheit des Bohrwerkzeuges weiterleitet, während außerhalb des Lochs nur eine Sendeeinheit eingesetzt wird. Besonders zweckmäßig ist es jedoch insbesondere beim Erstellen einer Bohrung oder eines Frässchlitzes, dass die Einheiten jeweils zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen ausgebildet sind, so dass ein bidirektionaler Datenaustausch ermöglicht wird.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung können der Einbau teurer und empfindlicher Datenleitungen, etwa bei Bodenbearbeitungseinrichtungen oder bei Armierungen, sowie bei mehrteiligen Bohrsträngen notwendige Steckverbindungen, Schleifringe oder Induktionskopplungen vermieden werden. Dies vereinfacht nicht nur den Aufbau entsprechender Einrichtungen, sondern vermindert auch erheblich den Wartungsaufwand und erleichtert eine Datenkommunikation in und aus einem Loch im Boden.
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Grundsätzlich kann die erste Sende- und/oder Empfangseinheit innerhalb des Lochs an einer beliebigen Stelle vorgesehen sein, etwa auch in einem gewissen Abstand zu dem elektrisch leitenden Körper, welcher insbesondere metallisch oder mit einer leitenden Beschichtung versehen ist. Besonders bevorzugt ist es nach einer Ausführungsform der Erfindung, dass die erste Sende- und/oder Empfangseinheit an der Bearbeitungseinrichtung beziehungsweise dem Strukturelement an einem unteren Abschnitt angebracht ist. Bei einer Bearbeitungseinrichtung, die insbesondere eine Bodenbearbeitungseinrichtung ist, kann die Sende- und Empfangseinheit direkt an einem Bohrwerkzeug befestigt sein. Beim Erstellen eines Lochs, wie es beispielsweise im Tiefbau zum Erstellen eines Gründungspfahles oder eines Schlitzwandsegmentes vorgesehen wird, können Lochtiefen von einigen Metern bis zu einigen Hundert Metern, etwa bei einem Frässchlitz, erreicht werden. Insbesondere bei größeren Lochtiefen kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine einfache und zuverlässige Datenübertragung von unteren Ende des Lochs an die Oberfläche erzielt werden. Ein Einsatz der Erfindung ist auch beim Brunnenbohren, Öl- oder Gasbohren oder anderen Bohrungen möglich.
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Die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit kann grundsätzlich unmittelbar an dem elektrisch leitenden Körper angebracht sein. Eine vorteilhafte Variante der Erfindung besteht jedoch darin, dass die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit außerhalb des Lochs beabstandet zu dem oberen Abschnitt ist und dass der obere Abschnitt als eine Antenne zum Abstrahlen beziehungsweise Empfangen des Hochfrequenzsignals ausgebildet ist. Sobald sich der elektrisch leitende Körper der Bearbeitungseinrichtung oder des Strukturelementes aus dem Füllmaterial des Lochs in die Atmosphäre an der Oberfläche erstreckt, kann bei einer entsprechenden Gestaltung der obere Abschnitt als eine Antenne zum Abstrahlen oder Empfangen des Hochfrequenzsignals dienen. Damit kann die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit, welche mit einer entsprechenden Antenne versehen ist, beabstandet von dem elektrisch leitenden Körper, insbesondere der Bearbeitungseinrichtung, etwa am Trägergerät einer Baumaschine oder an einer sonstigen geeigneten Position angeordnet werden. Dies bietet eine weitere Vereinfachung bei der Datenkommunikation. Insbesondere bei einer Datenübertragung an rotierenden Teilen können aufwändige und verschleißbehaftete Kontaktringe entfallen.
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Eine besonders gute Funktion als eine Antenne wird nach einer Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erzielt, dass ein oberer Abschnitt des elektrisch leitenden Körpers aus dem Loch herausragt. Der obere Abschnitt weist dabei vorzugsweise ein stabförmiges Element auf.
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Grundsätzlich sind Hochfrequenzsignale in einem relativ breiten Frequenzbereich zum Einsatz bei der erfindungsgemäßen Anordnung geeignet. Nach einer Erkenntnis der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass das Hochfrequenzsignal eine Frequenz zwischen 750 MHz und 950 MHz, insbesondere zwischen 840 MHz und 880 MHz aufweist. Im Rahmen von Tests konnten besonders gute Ergebnisse bei einer Frequenz von 868 MHz mit einer Bandbreite von 125 KHz ermittelt werden.
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Eine besonders gute Funktion als Antenne wird nach einer Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erzielt, dass der obere Abschnitt in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz mindestens c/(f x 2) mit c=Lichtgeschwindigkeit und f=Frequenz aus dem gefüllten Loch herausragt, was bei einer Frequenz von 750 MHz ca. 20 cm entspricht, bei höheren Frequenzen entsprechend kürzer.
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Die Datenübertragung mittels des Hochfrequenzsignals erfolgt in bekannter Weise, insbesondere durch eine Modulation der hochfrequenten Trägerfrequenz.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es bevorzugt, dass im Loch mindestens eine Messeinrichtung vorgesehen ist, welche wenigstens einmal, bevorzugt aber kontinuierlich oder diskontinuierlich Messwerte abgibt, die zu der ersten Sendeeinheit bzw. Sende- und Empfangseinheit in dem Loch geleitet werden. Die Messeinrichtung kann dabei zum Messen verschiedenster Zustandswerte ausgebildet sein, insbesondere Druck, Temperatur, Neigungswinkel, Salzgehalte etc. Die Messwerte werden durch eine hinlänglich bekannte Einrichtung, etwa eine Modulationseinrichtung, auf das Hochfrequenzsignal übertragen, so dass diese mit der Sendeeinheit bzw. der Sende- und Empfangseinheit abgestrahlt werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Bearbeitungseinrichtung vorzugsweise eine Bodenbearbeitungseinrichtung. Besonders vorteilhaft ist es, dass die Bearbeitungseinrichtung ein Bohrwerkzeug mit einer Bohrstange oder ein Fräswerkzeug mit einer Führungsstange ist. Die erste Sende- und/oder Empfangseinheit kann dabei an einer geeigneten Position an einem elektrisch leitenden Körper des Bohrwerkzeugs oder des Fräswerkzeuges angeordnet sein, wo sie das Signal einkoppelt. Von dort kann sich das Hochfrequenzsignal durch die Bohrstange, welche auch eine teleskopierbare Kellystange sein kann, oder die Führungsstange nach oben ausbreiten. In umgekehrter Weise kann ein Hochfrequenzsignal von der zweiten Sende- und/oder Empfangseinheit außerhalb des Lochs nach unten zu der Bearbeitungseinrichtung geleitet werden.
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Grundsätzlich ist die Anordnung in vielfältiger Weise einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass diese als ein Bodenbearbeitungsgerät, insbesondere als ein Bohrgerät oder eine Schlitzwandfräse ausgebildet ist, welches mit einer Trägervorrichtung versehen ist, an welcher das Bohrwerkzeug mit der Bohrstange beziehungsweise das Fräswerkzeug vertikal verstellbar, insbesondere mit einer Führungsstange oder einem Stahlseil, gelagert ist. In vorteilhafter Weise ist insbesondere die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit an der Trägervorrichtung mit einem Bedienstand angeordnet. Die Bohrstange oder die Führungsstange kann insbesondere eine teleskopierbare Kellystange sein.
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Das für die Erfindung vorgesehene Strukturelement kann ebenso vielfältig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, dass das Strukturelement eine Armierung, insbesondere einen Bewehrungskorb, einen Stahlträger, ein Rohr, insbesondere ein Bohr- oder Stützrohr, einen Pfahl, eine Stange oder ein Stahlseil aufweist. Voraussetzung ist, dass das Strukturelement einen elektrisch leitenden Körper, insbesondere einen metallischen Körper, besonders bevorzugt einen Stahlkörper, aufweist, welcher sich entlang des Lochs aus der Füllung heraus nach oben in die Atmosphäre erstreckt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet wird, dass außerhalb des Lochs eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet wird und dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper der Bearbeitungseinrichtung oder des Strukturelementes übertragen und abgestrahlt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung ausführbar. Mit dem Verfahren können die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden.
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Hinsichtlich der Energieversorgung der Sende- und/oder Empfangseinheiten, insbesondere der Einheit im Loch, ist vorzugsweise eine Batterie oder ein Akku vorgesehen. Insbesondere für eine langfristige autarke Energieversorgung kann eine Energiegewinnungseinrichtung an der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit vorgesehen sein, welche etwa aus der Umgebungstemperatur oder aus einer Bewegung der Bearbeitungseinrichtung Energie gewinnt. Dabei können hinlänglich bekannte Einrichtungen zum sogenannten Energy-Harvesting eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben, welches schematisch in der Zeichnungsfigur dargestellt ist. Die Zeichnungsfigur zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Querschnittsansicht.
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Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 10 zur Datenübertragung, welche als ein Bodenbearbeitungsgerät 50, insbesondere ein Bohrgerät, mit einer schematisch angedeuteten Trägervorrichtung 52 ausgebildet ist.
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Mit dem Bodenbearbeitungsgerät 50 wird in einem Boden 4 mittels einer Bearbeitungseinrichtung 20 ein Loch 6 erstellt, welches zur Abstützung mit einem fließfähigen Füllmaterial 8 schon beim Erstellen gefüllt ist.
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Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Bearbeitungseinrichtung 20 ein Bohrwerkzeug 25 zum Abtragen von Bodenmaterial und eine Bohrstange 26 auf, welche sich von dem unteren Bohrwerkzeug nach oben aus dem gefüllten Loch 6 heraus in die freie Atmosphäre erstreckt. Das Bohrwerkzeug 25 und die Bohrstange 26 bilden einen mehrteiligen metallischen Körper 22 im Sinne der Erfindung.
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An dem Bohrwerkzeug 25, welches einen unteren Abschnitt 23 des metallischen Körpers 22 bildet, ist eine Messeinrichtung 28 angeordnet, welche beispielsweise zum Erfassen einer Temperatur oder eines Druckes im Bereich einer Sohle 7 ausgebildet ist. Weiterhin ist an dem unteren Abschnitt 23 gemäß der Erfindung eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit 30 in direktem Kontakt mit dem metallischen Grundkörper 22 angebracht. Die Messeinrichtung 28 ist drahtlos oder drahtgebunden mit der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit 30 in Verbindung, so dass kontinuierlich oder diskontinuierlich erfasste Messwerte von der Messeinrichtung 28 zu der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit 30 geleitet werden können.
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Die erste Sende- und/oder Empfangseinheit 30 ist zum Aussenden eines Hochfrequenzsignales ausbildet, welches vorzugsweise eine Frequenz von 868 MHz aufweist. Das Hochfrequenzsignal, welches durch entsprechende Modulation mit den Messwertdaten versehen wird, wird von dem unteren Abschnitt 23 entlang des metallischen Körpers 22 bis zu dem aus dem Loch 6 herausragenden oberen Abschnitt 24 geleitet.
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Gemäß einer Erkenntnis der Erfindung stellt ein elektrisch leitender Körper 22, selbst wenn dieser mehrteilig ausgebildet ist, in einem verfüllten Loch im Boden einen hervorragenden Leiter für ein Hochfrequenzsignal dar.
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Gemäß der Erfindung dient der obere Abschnitt 24 des metallischen Grundkörpers 22, welcher aus dem gefüllten Loch 6 herausragt, als eine Antenne. Somit strahlt der obere Abschnitt 24 das Hochfrequenzsignal, welches von der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit 30 erzeugt wurde, in die Atmosphäre ab.
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Beabstandet durch einen Luftspalt von dem oberen Abschnitt 24 ist an der Trägervorrichtung 52 des Bodenbearbeitungsgerätes 50 eine zweite Sende- und /oder Empfangseinheit 40 angeordnet. Das Hochfrequenzsignal wird durch den Luftspalt über eine schematisch angedeutete Funkstrecke F übertragen und von der zweiten Sende- und/oder Empfangseinheit empfangen. Das empfangene Hochfrequenzsignal kann dann in grundsätzlich bekannter Weise durch eine nicht dargestellte Steuereinheit des Bodenbearbeitungsgerätes 50 ausgewertet und z. B. zur Dokumentation oder zur Steuerung des Betriebes eingesetzt werden.
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In entsprechender Weise kann auch von dem Trägergerät 52 über die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit 40 ein Hochfrequenzsignal mittels einer nicht dargestellten Antenne an den oberen Abschnitt 24 des metallischen Körpers 22 der Bearbeitungseinrichtung 20 ausgestrahlt und von dort an die erste Sende- und/oder Empfangseinheit 30 am unteren Abschnitt 23 durch den metallischen Körper 22 geleitet werden. Auf diese Weise ist auch eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen dem unteren Bohrwerkzeug 25 an der Sohle 7 des Lochs 6 und der an der Oberfläche befindlichen Trägervorrichtung 52 möglich.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 10 können aufwändige Datenleitungen, Schleifkontakte, Steckverbindungen oder Induktionskupplungen zwischen Bohrgestängeelementen sowie schleifende Kontaktringe zwischen einem rotierenden Bohrstrang und einem Trägergerät entfallen. So wird der Aufbau und der Betrieb insbesondere von Tiefbaumaschinen erheblich vereinfacht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 29914494 U1 [0004]
- EP 2495389 B1 [0005]
- US 2002/0193004 A1 [0006]
- US 2010/0175890 A1 [0006]
