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Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und der Richtung einer Flüssigkeitsströmung
in einer Quellenbohrung Die Erfindung bezieht sich auf die Messung einer Flüssigkeitsströmung
und ist besonders auf ein Instrument zum Überwachen von Quellbohrungen und ähnlichen
Durchläufen gerichtet, um die Geschwindigkeit und die Richtung der Flüssigkeitsströmung
zu bestimmen.
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Es ist bereits eine Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit und
Richtung der Flüssigkeitsströmung vorgeschlagen, bei der ein Gleichstrom dadurch
gesteuert wird, daß die Wärme durch die Bohrlochflüs sigkeit zu einem temperaturabhängigen
Widerstand weitergeleitet wird, dessen Wert sich entsprechend der Temperatur ändert.
Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ist eine neue Wärmeabtastschaltung vorgesehen,
die einen von der Wärme der Bohrlochflüssigkeit abhängenden Wechselstrom liefert.
Der wesentliche Vorteil der neuen Anordnung besteht darin, daß eine Anzeige der
Temperatur in einem Bohrloch während des vollen Betriebs über zwei Leitungen an
der Erdoberfläche erfolgen kann.
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Ölquellen, welche mehrere verschiedene flüssigkeitsführende, waagerechte
Schichten in verschiedenen Höhen durchdringen, können von verschiedenen Schichten
her Öl liefern. Es ist sehr wichtig, um eine wirkungsvolle Quelltätigkeit zu erzielen,
die Geschwindigkeit und die Richtung der Flüssigkeitsströmung an irgendeiner und
jeder Stelle in der Quellbohrung zu kennen, da durch diese Kenntnis die Lage der
liefernden waagerechten Schicht bestimmt werden kann. Die Lage von Verlustschichten,
in denen Quellflüssigkeiten verlorengehen, kann bestimmt werden, und abhelfende
Maßnahmen können getroffen werden.
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Ferner ist es oft wünschenswert, die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung
in verschiedenen liefernden Schichten zu kennen, um die wirksamste Verwertung der
vorrätigen Energie zu erreichen. In anderen Verfahren, z. B. beim Flüssigkeitsüberfluten,
wie es bei zweiten Rückgewinnungsarbeitsgängen durchgeführt wird, ist es wünschenswert,
die jeweilige Durchlässigkeit der Schichten zu kennen, in welche die Flüssigkeiten
verteilt werden, damit die Wirksamkeit des Uberflutens bestimmt werden kann.
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Gemäß der Erfindung sind bei der Anordnung zum Messen der Geschwindigkeit
und der Richtung einer Flüssigkeitsströmung in einem Durchlauf Heizelemente in dem
Durchlauf zur wahlweisen Abgabe von Wärme an die Flüssigkeit oberhalb und unterhalb
von temperaturabhängigen Elementen vorgesehen und wird ferner ein Stromkreis von
den temperaturabhängigen Elementen gesteuert, der eine Ausgangswechselspannung liefert,
deren Frequenz von der Temperatur der temperaturabhängigen Elemente abhängig ist
und von einem Meßgerät angezeigt wird.
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Nach einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfin-
dung wird durch eine
Schaltung eine Ausgangswechselspannung erzeugt. Ein temperaturempfindliches Element
befindet sich in der Bahn der Flüssigkeitsströmung in einer Quellbohrung, durch
das die Ausgangsspalmung bei einer Frequenz aufrechterhalten wird, die von der Temperatur
der an dem temperaturempfindlichen Element vorbeiströmenden Flüssigkeit abhängt.
Eine Heizvorrichtung im Flüssigkeitsweg oberhalb des Elements läßt die Temperatur
der umgebenden Flüssigkeit nach dem Einschalten der Heizvorrichtung ansteigen, wodurch
sich die Frequenz der Ausgangsspannung bei dem Flüssigkeitsfluß von der Heizvorrichtung
zu dem temperaturempfindlichen Element ändert. Eine zweite Heizvorrichtung in der
Flüssigkeitsströmung unterhalb des Elements erhöht in gleicher Weise die Temperatur
der Flüssigkeit und ändert so die Frequenz der Ausgangsspannung bei dem Fluß von
dem Heizelement zum temperaturempfindlichen Element. Es sind ferner Schaltmittel
zum entsprechenden abwechselnden Einschalten der Heizvorrichtungen, zuerst oberhalb
und dann unterhalb des temperaturempfindlichen Elements vorgesehen, um die Frequenz
der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Richtung und Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung
auf ihrer Bahn zu ändern.
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Weitere Einzelheiten werden nunmehr an Hand der Zeichnung beschrieben;
Fig. 1 zeigt das Strömungsmeßinstrument, teilweise im Schnitt;
Fig.
2 ist das Schaltbild der temperaturgesteuerten Abtastschaltung; Fig. 3 stellt das
temperaturempfindliche Element mit den zugehörigen Heizvorrichtungen nach Fig. 1
und 2 dar; Fig. 4 zeigt im Schnitt eine der Heizvorrichtungen; Fig. 5 zeigt die
Abhängigkeit der Ausgangsspannungsfrequenz von der Strömungsgeschwindigkeit und
von der Flüssigkeitstemperatur; Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Ausgangsspannungsfrequenz
in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zeigt; Fig. 7 ist ein weiteres Diagramm,
das die Abhän gigkeit der Ausgangsspannungsfrequenz von der Geschwindigkeit darstellt;
Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform des temperaturempfindlichen Elements.
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In Fig. 1 ist ein Strömungsmeßinstrument 10 dargestellt, das sich
in einer Quellbohrung 11 befindet, in die Flüssigkeit aus einer porösen, flüssigkeitsführenden
Schicht 12 eindringt. In der dargestellten Form enthält das Strömungsmeßinstrument
ein langes, schlanker Rohr, dessen Durchmesser im Vergleich zum Durchmesser des
Bohrlochs 11 verhältnismäßig klein ist. Zwei Heizvorrichtungen 15 und 16 sind räumlich
voneinander getrennt längs der Achse des unteren Teiles 13 des röhrenförmigen Meßgeräts
10 angebracht. Der Teil 13 am unteren Ende weist die Öffnungen 17 und 18 auf, durch
die die Flüssigkeit austreten kann, die durch das Rohr nach oben und aus den Öffnungen
17 und 18 fließen kann, wobei diese nahe bei den und iiber die Heizvorrichtungen
15 und 16 fließen kann. Temperaturempfindliche Elemente 20 und 21 sind im Teil 13
zwischen den Heizvorrichtungen 15 und 16 angeordnet. Die Flüssigkeit, die über die
Heizvorrichtungen 15 und 16 strömt, dient als wärmeübertragendes Medium und ändert
die Temperatur an der Stelle der Elemente 20 und 21 in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
und der Richtung der Flüssigkeitsströmung in der Quellbohrung. Eine dritte Heizvorrichtung
oder ein Widerstand 22 ist vollständig von der Quellflüssigkeit dadurch isoliert,
daß sie bzw. er in einem oben verschlossenen Teil des Meßgerätes 10 zusammen mit
der elektrischen Schaltung eingeschlossen ist, die den Elementen 20 und 21 zugeordnet
sind, um die später an Hand der Fig. 2 beschriebene Arbeitsweise zu ermöglichen.
Während in Fig. 1 durch die Richtung der kleinen Pfeile ein Aufwärtsströmen der
Flüssigkeit von der Schicht 12 her dargestellt ist, ist zu beachten, daß Flüssigkeiten
oberhalb der Durchlässe 17 und 18 infolge der Druckunterschiede in dem Bohrloch
abwärts fließen können, indem sie in das Rohr bei den Durchlässen 17 und 18 eintreten,
um an der Heizvorrichtung 16, den Elemengen 20 und 21, der Heizvorrichtung 15 vorbei
zur fließen und am unteren desselben Endes auszutreten.
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Gemäß der Erfindung werden die über bzw. unter den temperaturempfindlichen
Elementen 20 und 21 befindlichen Heizvorrichtungen 15 und 16 abwechselnd erregt,
um die Temperatur der daran vorbeiflieflenden Flüssigkeit zum Weiterleiten der Wärme
von der einen oder der anderen Heizvorrichtung an die temperaturempfindlichen Elemente
20 und 21 je nach der Strömungsrichtung in der Bahn innerhalb des Rohres 10 zu erhöhen.
Die Strömungsgeschwindigkeit wird auch die Wirkung bestimmen, welche die Erregung
der Heizvorrichtungen auf die Temperatur der Flüssigkeit hat, wenn sie an den temperaturempfindlichen
Elementen 20 und 21 vorbeiströmt. Diese beiden Faktoren dienen dazu, um die Richtung
und die Geschwin-
digkeit der Flüssigkeitsströmung in der Bahn zu ermitteln.
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In dem Schaltbild nach Fig. 2, in der die Elemente die gleichen Bezugszeichen
wie in Fig. 1 aufweisen, ist der negative Pol der Gleichstromquelle, Batterie 30,
geerdet, und der positive Pol ist über den Schalter 31 und die Primärwicklung des
Transformators 32 mit dem Mittdleiter 33 a des Kabels 33 verbunden, welches sich
in die Quellbohrung 11 erstreckt. Als zweiter Leiter des Kabels 33 dient der Mantel
34. Er ist an der Erdoberfläche geerdet und an das untere Ende des Rohres 10 (vgl.
Fig. 1) angeschlossen, wie es in Fig. 2 durch die Erdverbindung 35 dargestellt ist.
Somit fließt ein Gleichstrom von der Batterie 30 über die Heizvorrichtungen 15,
16 oder 22, und die zugehörige temperaturempfindliche Schaltung wird gesteuert.
In Fig. 2 enthält die temperaturempfindliche Schaltung einen Schwingungserzeuger
mit Widerstandskapazitätskopplung 40, in dem die temperaturempfindlichen Elemente20
und 21 die Frequenz der Schwingungen steuern. Die Ausgangsspannung des Schwingungserzeugers
40 kann dann aufwärts über die Leitung 33a und den Mantel 34 zum Transformator 32
gelangen, dessen Sekundärwicklung mit dem Eingang des Frequenzmessers 41 verbunden
ist.
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Durch das Messen der Frequenz am Ausgang des Schwingungserzeugers
40 kann eindeutig die Richtung und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
in dem Teil 13 des Rohres 10 bestimmt werden.
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Als Schwingungserzeuger 40 in der dargestellten Form dient der an
sich bekannte widerstandskapazitätsgekoppelte Schwingungserzeuger, der eine Wiensche
Brückenschaltung mit positiver Rückkopplung benutzt. Während auch andere ähnliche
Schwingungserzeuger verwendet werden können, ist die Schaltung jedoch wegen ihres
einfachen Aufbaues ihrer Zuverlässigkeit und ihres weiten Frequenzbereiches vorzuziehen.
Nach Fig. 2 enthält der Schwingungserzeuger zwischen der Erdschiene 45 und der positiven
Batterieklemme 46 die Triode47, deren Kathode über den Widerstand 48 geerdet ist
Ihre Anode liegt über den Widerstand 49 am positiven Batteriepol46. Das Steuergitter
der Röhre47 ist über den temperaturempfindlichen Widerstand 20 mit der Erde verbunden.
Der Kondensator 51 ist zum Widerstand 20 parallel geschaltet. Die Anode der Röhre47
ist über den Kondensator 52 mit dem Steuergitter einer weiteren Triole 53 kapazitiv
gekoppelt, deren Steuergitter über den Widerstand 54 an die Erdschiene 45 angeschlossen
ist. Die Kathode der Röhre 53 ist unmittelbar mit der Erdschiene 45 und die Anode
ist über den Widerstand 55 mit dem positiven Batteriepol 46 verbunden.
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Die Anodenspannung der Röhre 53 ist über die aus den Kondensatoren
56, 57 und dem temperaturempfindlichen Element 21 gebildete Reihenschaltung auf
das Steuergitter der Röhre 47 zurückgekoppelt.
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Außerdem ist der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren 56 und
57 über den Widerstand 58 an die Kathode der Röhre 47 angeschlossen. Wie zu erW
sehen ist, steuert die Reihenschaltung der Elemente 20 und 21 und der Kondensatoren
51 und 57 die Schwingungsfrequenz des Erzeugers 40. Der Schwarz gungserzeuger sucht
mit der Frequenz
zu schwingen. Mit den Widerstandselementen 20 und 21 in der Flüssigkeitsbahn in
der Quellbohrung und den Kondensatoren 51 und 57 von einer gegen Teinperaturwechsel
unempfindlichen
Type steuern Anderungen in der Temperatur der Flüssigkeit, welche an den Widerständen
20und21 vorbeifließt, die Frequenz des Schwingungserzeugers 40. Mit den Widerständen
20 und 21 bei einer gegebenen Tiefe in der Quellbohrung ist die Frequenz der Ausgangsspannung
des Schwingungserzeugers 40 ein unmittelbares Maß für die Bohrlochtemperatur. Der
Schwingungserzeuger 40 bildet in Zusammenhang mit den Heizvorrichtungen 15, 16 und
22 eine Anordnung zum Messen der Flüssigkeitsströmung in dem Bohrloch.
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Der Stromkreis zum Speisen der Heizvorrichtungen 15, 16 und 22 durch
den Strom von der Batterie 30 umfaßt die Kathodenheizdrähte der Röhren 47 und 53,
die in Serie geschaltet sind. Die eine Klemme der Serienschaltung ist über die Leitung
60 mit der Erdschiene 45 verbunden. Die andere Klemme der in Reihe liegenden Kathodenheizdrähte
ist mit der Leitung 61 verbunden, die als elektrische Sammelleitung zu einer Klemme
jeder Heizvorrichtung 15, 16 und 22 führt. Die anderen Klemmen der Heizvorrichtungen
sind an Kontakte eines einpoligen Umschalters mit drei Stellungen 62 angeschlossen,
dessen Schaltarm über die Relaisspule 63 mit der positiven Polkleinine 46 verbunden
ist. Die Klemme 46 ist über die Leitung 64 an die Klemme 65a eines einpoligen Umschalters
mit zwei Stellungen 65 angeschlossen. Die andere Klemme des Umschalters 65 ist über
die Relaisspule 66 einer Schaltvorrichtung 42 geerdet. Der bewegliche Arm des Schalters
65 ist über die Leitung 67 an den beweglichen Arm des einpoligen Umschalters 68
mit zwei Stellungen angeschlossen, dessen Klemme 68 a an der positiven Polklemme
46 liegt. Die Schalter 65 und 68 sind in Fig. 2 in ihrer Ruhestellung gezeigt.
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Wenn der Schalter 31 auf der Erdoberfläche geschlossen wird, werden
die Schalter 65 und 68 nacheinander betätigt, und zwar zuerst der Schalter 68 und
dann der Schalter 65 durch den durch die Spulen 66 bzw.
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63 fließenden Strom. Die Schalter 65 und 68 werden aus der in Fig.
2 dargestellten Stellung in die die Stromkreise schließenden Stellungen bewegt,
wodurch die eine Heizvorrichtung 15, 16 und 22 und der Schwingungserzeuger 40 in
Betrieb gesetzt werden.
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Beim Schließen des Schalters 31 fließt ein Strom über die Leitung
33a und die Relaisspule 66 zur Erde.
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Durch die hierbei erfolgende Erregung der Relaisspule 66 werden zwei
Aufgaben durchgeführt. Die gestrichelte Linie 66 a stellt eine mechanische Verbindung
zwischen dem Relais 66 und dem beweglichen Arm des Schalters 62 dar. Die gestrichelte
Linie 66 b stellt eine ähnliche mechanische Kupplung zwischen dem Relais 66 und
dem beweglichen Arm des Schalters 68 dar. Durch Erregen der Relaisspule 66 wird
zuerst der Schaltarm des Schalters 62 von der einen der drei dargestellten Stellungen
in eine andere bewegt. Nach dieser Bewegung werden durch einen weiteren Stromdurchgang
der Anker des Relais 66 und der Schaltarm des Schalters 68 bewegt, wodurch die Leitung
67 mit der positiven Polklemme 46 verbunden wird. Der Schrittschalter 62 wird von
einer der drei dargestellten Stellungen bei jedem Schließen des Schalters 31 zu
der nächsten Stellung weitergeschaltet und wird in dieser Stellung verbleiben, bis
der Schalter 31 geöffnet und dann wieder geschlossen wird. Im Gegensatz hierzu müssen
die Schalter 65 und 68, welche sich im Ruhezustand in der in Fig. 2 dargestellten
Stellung befinden, durch Relaiswirkung in ihrer zweiten Stellung gehalten werden.
Der Strom fließt ferner von der Leitung 33 a über die Leitung 67, die Relaisspule
63, über eine ausgewählte Heizvor-
richtung 15, 16 oder 22, deren Auswahl von der
Stellung des beweglichen Armes des Schalters 62 abhängt, über die Leitung 61, die
Heizdrähte der Röhren 53 und 57 und dann über die Leitung 60 zur Erde. Der durch
die Relaisspule 63 fließende Strom betätigt den Schalter 65, wodurch sein beweglicher
Arm zur Klemme 65a bewegt wird und ein Stromweg von der Leitung 33 a, unabhängig
von Relais 66 und seinem zugeordneten Schalter 68, hergestellt wird. Bei einem durch
Relaisspule 63 fließenden Strom ist die positive Polklemme 46 mit der Batterie 30
verbunden, und auf diese Weise werden der Schwingungserzeuger 40 und ebenso eine
der Heizvorrichtungen in Betrieb gesetzt.
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In Fig. 3 sind die Heizvorrichtungen zusammen mit den temperaturempfindlichen
Elementen in einem Rahmen 70 dargestellt, durch den die Elemente in der Strömungsbahn
des Teiles 13 des Rohres 10 ohne wesentliche Störung des Flusses angebracht werden
können. Die Elemente 20 und 21 werden von Klemmen gehalten, die auf isolierenden
kreisförmigen Ringen 71 und 72 angebracht sind, welche von Stangen 73, 74 und 75
getragen werden. Die temperaturempfindlichen Elemente sind im allgemeinen in der
Mitte des Aufbaues gelagert. Die Heizvorrichtung 15 wird unter den temperaturempfindlichen
Elementen 20 und 21 durch mit Ansätzen versehene Spinnen 15 a gehalten, welche an
den Stangen 73 bis 75 angeschweißt oder sonstwie befestigt sind. Gleiche Glieder
16a halten die Heizvorrichtung 16 über den temperaturempfindlichen Elementen 20
und 21. Die Enden der Stangen 73 bis 75 sind an den kreisförmigen Ringen 76 und
77 angeschweißt. Dieser Aufbau kann dann in dem unteren Teil 13 des Rohres 10 starr
eingesetzt sein, so daß die Heizvorrichtung und die temperaturempfindlichen Elemente
im wesentlichen geradlinig ausgerichtet in dem Stromweg gehalten werden.
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In Fig. 4 ist ein Querschnitt einer Heizvorrichtung dargestellt.
Ein langer, dünner Kern 80 aus Isolierstoff weist ein verdicktes Ende 81 auf, welches
mit dem oberen Ende eines dünnwandigen metallischen Gehäuses 82 verschraubt ist.
Der Kern 80 ist mit mehreren Windungen aus Heizwiderstandsdraht umwickelt, wodurch
eine Spule SOa entsteht, welche im wesentlichen den ganzen kreisförmigen Zwischenraum
zwischen dem Kern 80 und dem metallischen Gehäuse 82 einnimmt. Das untere Ende der
Heizvorrichtung ist mit einem Abschlußglied 83 versehen, welches mit dem Rohr 82
verschraubt ist. Eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Flüssigkeit ist in dem
Zylinder 82 vorhanden und überträgt die Wärme von der Heizwicklung auf die Wände
des Zylinders. Die Leitungen 84 von der Heizwicklung schließen die Heizvorrichtung
an den ausgewählten Stromkreis an. Die Leitungen 84 sowie die Elemente 20 und 21
zusammen mit ihren zugehörigen Leitungen sind vorzugsweise nach ihrer Bündelung
mit einem gegen Öl und gegen Salzwasser widerstandsfähigen Harzmaterial zwecks guter
elektrischer Isolierung überzogen.
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In den Fig. 5 bis 7 sind Arbeitskennlinien des Instrumentes gemäß
der Erfindung dargestellt. In Fig. 5 zeigt die Kurve 90 eine Frequenzkurve, am Ausgang
des Schwingungserzeugers 40 aufgenommen, in Abhängigkeit von der Temperatur der
temperaturempfindlichen Elemente20 und 21. Die Widerstände20 und 21, vorzugsweise
Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten, die auch »Thermistore« ge nannt
werden, sinken mit steigender Temperatur. Deshalb weist die Ausgangsspannung bei
niedrigen Temperaturen eine ziemlich niedrige Frequenz auf. Die Frequenz wächst
bei ansteigenden Temperaturen.
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Die gestrichelte Linie 89 stellt eine Schwingungsfrequenz der Schaltung
40 in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit dar, wenn keine
Wärme der Quellflüssigkeit durch die Heizvorrichtungen zugeführt wird, wenn z. B.
die Heizvorrichtung 22, die vollständig eingeschlossen und von der Quellflüssigkeit
isoliert ist, eingeschaltet wird. Die Frequenz A (vgl. die gestrichelte Linie 89)
zeigt die normale Quelltemperatur an. Die Kurve 91 stellt die Frequenz in Abhängigkeit
von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit dar, die aufwärts im Rohr 10 steigt,
wenn die untere Heizvorrichtung 15 in Betrieb gesetzt wird. Diese Flüssigkeit, die
anfangs auf der normalen Quelltemperatur ist, wird erhitzt, wenn sie an der Heizvorrichtung
15 vorbeiläuft.
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Bei der Geschwindigkeit Null wird die Wärme durch Konvektionsströme
von der Heizvorrichtung 15 zu den Elementen 20 und 21 übertragen. Bei keiner Strömung
der Flüssigkeit weisen die Elemente 20 und 21 ihre höchste Temperatur auf. Die Leistung
der Heizvorrichtung 15 zur Erhöhung der Temperatur der gesamten vorbeilaufenden
Flüssigkeit ist begrenzt, so daß bei ansteigender Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung,
die Temperatur und deshalb die Frequenz (vgl. die Kurve 91) abnimmt. In Fig. 6 ist
eine Schar solcher Kurven dargestellt. Die Kurve 91 stellt die Frequenzänderung
des Flusses dar, wobei die normale Quelltemperatur, verglichen mit der normalen
Quelltemperatur für die beiden Kurven 91 b und 91 c, ziemlich hoch ist.
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Die Kurve 92 in Fig. 5 zeigt die Frequenzänderung des Schwingungserzeugers
40 bei einem aufwärts gerichteten Fluß mit eingeschalteter oberer Heizvorrichtung
16. Da die Konvektionsströme normalerweise aufwärts fließen, ist die Temperatur
der die Elemente 20 und 21 umgebenden Flüssigkeit bei der Strömungsgeschwindigkeit
Null nicht so hoch wie in dem Falle, wenn die Heizvorrichtung 15 eingeschaltet ist,
aber es ist eine meßbare Hitzeübertragung nach unten vorhanden. Die Aufwärtsströmung
der Flüssigkeit hilft den Konvektionsströmen, Wärme von der Heizvorrichtung 16 nach
aufwärts und von den Elementen 20 und 21 weiterzuleiten, so daß ihre Temperatur
bei steigender Aufwärtsgeschwindigkeit fällt. Bei erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten
nähert sich die Temperatur asymptotisch der normalen Quelltemperaturkurve 89. Nach
dem Vorhergehenden sind drei Frequenzmessungen bei einer bestimmten Quelltiefe vorgenommen
worden, um die Geschwindigkeit und die Richtung der Flüssigkeitsströmung in der
Tiefe zu messen.
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Fig. 7 zeigt dieselben drei Messungen, die beim Auftreten einer Abwärts
strömung vorgenommen worden sind. Die unterbrochene Linie 89 a entspricht der Linie
89 nach Fig. 5 und stellt die normale Quelltemperatur dar. Ähnlich zeigt die Kurve
92 a den Frequenzverlauf in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bei eingeschalteter
erregter oberer Heizvorrichtung 16. Bei der Geschwindigkeit Null erzeugt die Leitungs-
und Strahlungswärme eine erhöhte Temperatur an der Stelle der Elemente20 und 21;
bei wachsenden Geschwindigkeiten wird diese Wärme nach unten geleitet, so daß die
Temperatur der Elemente 20 und 21 erhöht wird. Bei außergewöhnlich hohen Strömungsgeschwindigkeiten
außerhalb des in Fig. 7 abgebildeten Bereiches wird die Kurve 92 a ihre Neigung
ändern und asymptotisch zu der unterbrochenen Kurve 89a zurückkehren. Die Kurve
91 stellt den Frequenzverlauf in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dar, wenn
die untere Heizvorrich-
tung eingeschaltet ist. Der Anfangspunkt oder Nullgeschwindigkeitspunkt
auf der Kurve entspricht dem gleichen Punkt in Fig. 5, jedoch unterscheidet sich
die Kurve von Kurve 91 bei geringer Strömungsgeschwindigkeit, da der Abwärtsfluß
der Flüssigkeit den aufwärts gerichteten Konvektionsströmen entgegenwirkt. Deshalb
weist der Kurvenast 91 d eine steilere Neigung als die entsprechende Neigung der
Kurve91 auf. Es würde zu erwarten sein, daß bei noch höheren Geschwindigkeiten die
ganze Wärme von der Heizvorrichtung 15 nach abwärts und von den Elementen 20 und
21 weggeleitet würde. Es ist jedoch festgestellt worden, daß eine unterschiedliche
Wirkung auftritt und daß die tatsächliche Frequenzänderung, die der wachsenden Temperatur
an der Stelle der Elemente 20 und 21 zuzuschreiben ist, durch den ansteigenden Ast
der Kurve 911 dargestellt ist. Diese Erscheinung ist eine Folge der Lage der Heizvorrichtungen
in dem Teil 13 und der temperaturempfindlichen Elemente, da sie verschiedenartige
Flüssigkeitsströmungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten erzeugen.
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Die Diagramme in Fig. 5 und 7 stellen die Frequenzänderungen in Abhängigkeit
von derStrömungsgeschwindigkeit bei einer Anfangstemperatur dar.
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Scharen von Kurven, ähnlich denen nach Fig. 5 und 7, können für jede
Temperatur gewonnen werden, oder eine genügende Zahl Kurven kann zum Interpolieren
für alle zu messenden Quelltemperaturen erhalten werden.
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Die Kurven nach Fig. 5, 6, und 7 haben sich bei einer besonderen
Lage der Elemente im Teil 13 ergeben. Die Neigungen der Kurven können verändert
und ihre Ausgangswerte können durch Änderung ihrer Gestaltung geregelt werden, insbesondere
durch Verändern des axialen Abstandes zwischen den Elementen 20 und 21 und den Heizvorrichtungen
15 und 16 bei einer gegebenen Wärmeabgabe durch die Heizvorrichtungen. In gleicher
Weise wird eine Änderung der den Heizvorrichtungen 15 und 16 zugeführten Leistung
den Charakter der Kurven verändern. Jedoch bei gegebenen Strömungsbedingungen, z.
B. normalem Flüssigkeitstemperaturbereich, Geschwindigkeit und thermischer Leitfähigkeit,
kann die Anordnnng leicht so aufgebaut sein, daß Kurven, ähnlich denen nach Fig.
5 bis 7, für nachfolgende Untersuchungsmessungen aufgenommen werden können.
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Unter Verwendung der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 und der Analyse
der gemäß der Diagramme nach Fig. 5 und 7 erhaltenen Resultate kann dem nunmehr
beschriebenen Verfahren leicht gefolgt werden.
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Das Gerät nach Fig. 1 kann bis zu der Tiefe in die Quellbohrung gesenkt
werden, in der der Fluß gemessen werden soll. Der Schalter 31 nach Fig. 2 wird geschlossen,
um die folgenden Schritte in folgender Reihenfolge auszulösen. Zuerst wird der Schaltarm
des Schalters 62 von der Klemme 62a zur Klemme 62 b bewegt. Unmittelbar danach und
gleichzeitig mit dem Anziehen des Ankers des Relais 66 wird der Schaltarm des Schalters
68 auf die Klemme 68 a umgelegt. Darauf spricht das Relais 63 an und schaltet den
Schaltarm des Schalters 65 auf die Klemme 65 a um. Die Heizvorrichtung 22, die in
dem oberen Teil des Rohres 10 untergebracht ist, befindet sich in diesem Stromkreis;
die Frequenz der Ausgangsspannung vom Schwingungserzeuger 40, die durch die Schaltung
41 gemessen wird, ist proportional der Normaltemperatur der Flüssigkeiten an dieser
Stelle in der Quellbohrung. Die Heizvorrichtung 22 erwärmt die Quellflüssigkeit
nicht, sondern ist vorgesehen, um die
Belastung der Batterie 30
und somit die Spannung der Heizfäden der Röhren 47 und 53 auf einer Höhe zu halten,
die gleich derjenigen während der nachfolgenden Messung ist. Mit dieser Frequenz
kann eine Schar von Kurven, die der normalen Quelltemperatur entsprechen, festgelegt
werden, um in Verbindung mit den beiden nachfolgenden Messungen verwendet zu werden.
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Die erste dieser Messungen wird vorgenommen, naohdem Schalter 31
geöffnet und wieder geschlossen ist, wodurch der Arm des Schalters 62 von der Klemme
62b zur Klemme 62c umgelegt wird, um so die Heizvorrichtung 16 über den Elementen
20 und 21 einzuschalten. Eine zweite Frequenz wird durch das Meßgerät 41 gemessen.
Danach erfolgt die dritte Messung durch Öffnen und Wiederschließen des Schalters
31, so daß die Heizvorrichtung 15 in den Stromkreis der Batterie 30 geschaltet wird.
Die Messung einer dritten Frequenz wird dann von dem Gerät 41 abgelesen.
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Die beiden letzten Frequenzmessungen können gebraucht werden, um
sie an Hand der Schar der Kurven auszuwerten, die mit der ersten Messung festgelegt
worden sind. Die erhaltenen Angaben werden nur zu einer der beiden Kurven. entweder
zu der Kurve für den Aufwärtsfluß oder zu der für den Abwärtsfluß, passen. Wenn
die Frequenz A (vgl. Fig. 5) bei eingeschalteter oberer Heizvorrichtung 16 gemessen
worden ist und sich eine Frequenz C bei eingeschalteter unterer Heizvorrichtung
15 ergeben hat. folgt, daß ein Aufwärtsfluß vorhanden ist und daß der Aufwärtsfluß
eine Geschwindigkeit hat, die durch den Punkt D in Kurve 91 bestimmt ist, weil die
Frequenz 4 die gleiche Frequenz wie die fiir die normale Quelltemperatur ist. Durch
dieses Verfahren kann durch drei Ablesungen unmittelbar die Richtung und die Geschwindigkeit
der Flüssigkeitsströmung in dem Bohrloch festgestellt werden. In jedem Falle werden
Frequenzabfesungen an der Erdoberfläche geliefert, bei denen sich eine von der anderen
je nach dem Auftreten der Flüssigkeitsströmung. nach ihrer Richtung und Geschwindigkeit
unterscheidet.
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Es kann vorteilhaft sein, Ablesungen der normalen Quelltemperatur
über die ganze Länge der Quelle zu erhalten oder über den zu prüfenden Abschnitt
und danach Messungen für entsprechende Tiefen erst mit der oberen eingeschalteten
Heizvorrichtung 15 durchzuführen. Ein derartiges Verfahren erscheint deswegen vorteilhaft,
weil es dann nicht erforderlich ist, zwischen jeder Messung zu warten, bis die eine
Heizvorrichtung vollständig abgekühlt ist und die andere das Gleichgewicht für ihre
Betätigungstemperatur erreicht hat. In jedem Falle kann die Richtung und Geschwindigkeit
der Strömung in irgendeiner Tiefe aus den erhaltenen Messungen berechnet werden.
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Ohne hierauf beschränkt zu sein, werden nunmehr für das System Werte
für die Schaltelemente angegeben, die befriedigende Ergebnisse geliefert haben.
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In dem Schwingungserzeuger 40 befinden sich als temperaturempfindliche
Elemente 20 und 21 Thermistore mit einem Widerstand von 10 000 Ohm bei 250 C. Als
Thermistore haben sich an sich bekannte lange, stangenförmige Elemente als besonders
brauchbar erwiesen, da der Flüssigkeitsdurchlauf dadurch nicht wesentlich behindert
wird. Die frequenzbestimmenden Kondensatoren 51 und 57 weisen einen Wert von 0,0022
Mikrofarad auf. Die Batterie 30 liefert zum Betreiben der Schaltung 300 Volt.
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Die Spulen für die Heizvorrichtungen 15 und 16 weisen bei je 522 Ohm
44 Windungen aus Nickelchrom-
widerstandsdraht auf, der auf einen 8 mm starken Kern
oder Bolzen 80 gewickelt ist. Die Heizröhren 82 weisen einen Durchmesser von etwa
1 cm auf und sind etwa 16 cm lang. Sie sind zusammen mit den Elementen 20 und 21
in dem Teil 13 des Rohres 10 untergebracht, das einen Innendurchmesser von 3,5 cm
hat. Das in dem oberen Teil des Rohres 10 untergebrachte Element 22 ist ein handelsüblicher
Widerstand von 522 Ohm. Es kann aber auch ein Heizelement, das den Elementen 15
und 16 gleicht, als Element 22 benutzt werden, aber da die Wärmeübertragung an das
umgebende Medium nicht erforderlich, ja sogar unerwünscht ist, ist ein Widerstandselement
zweckmäßiger.
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Das Gerät 41, das auf die Ausgangsspannung des Schwingungserzeugers
40 anspricht, kann im allgemeinen irgendein Meßgerät sein, das genau die Schwingungszahl
der Ausgangsspannung des Schwingungserzeugers 40 pro Sekunde mißt. In einer Ausführungsform
kann es einen Oszillographen mit einem genau in Frequenzen geeichten Schwingungserzeuger
zum Steuern des einen Paares von Ablenkplatten enthalten, dem ferner das Signal
vom Transformator 32 zugeführt wird, welches an das zweite Paar Ablenkplatten angelegt
wird. Durch die Beobachtung der entstehenden Lissajouschen Figuren kann die Frequenz
bestimmt werden. Es können weiterhin auch andere bekannte Frequenzmesser benutzt
werden. Je genauer die Frequenzmessung ist, desto besser kann im einzelnen die Quellenleistung
bestimmt werden.
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Während eine besondere Ausführungsform der Erfindung im einzelnen
dargestellt und beschrieben worden ist, können natürlich im Rahmen der Erfindung
Abänderungen vorgenommen werden. Beispielsweise können statt des Schwingungserzeugers
40 auch andere Schwingungserzeuger verwendet werden. Ein andersartiges Abtastelement
in, einem sonst gleichen Schwingungserzeuger könnte an Stelle der Elemente 20 und
21 benutzt werden. Ein solches Abtastelement ist in Fig. 8 dargestellt, in welchem
ein Element 100 mit einem ziemlich hohen Ausdehllungskoeffizienten an seinem Ende
101 an einem Rahmen, ähnlich dem länglichen Rahmen 70 in Fig. 3, angebracht ist.
Eine Stange 102 aus magnetischem Material ist an dem freien Ende des Abtastelementes
100 llefestigt und ragt in die Spule 103. Die Spule 103, zu der der Kondensator
105 parallel geschaltet ist, hildet einen Teil eines Schwingkreises 104. I)er Schwingkreis
kann dann die Frequenzsteuerelemente in einem Schwingungserzeuger verbinden, um
die Ausgangsfrequenz dieser Schaltung zu steuern. Änderungen in der Induktivität
der Spule 103, die durch die Stellungsänderungen des magnetischen Kernes 102 hervorgerufen
werden, erzeugen Frequenzänderungen entsprechend den Temperaturschwankungen der
Quellflüssigkeiten, wenn diese über das Abtastelement 100 fließen.