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Einrichtung für die Fernmessung mehrerer Größen, insbesondere im Innern
von Bohrlöchern Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für die Fernmessung
mehrerer Größen, insbesondere im Innern von Bohrlöchern, deren verschiedene einander
zugeordnete Meß- und Anzeigegeräte in einem gemeinsamen elektrischen Kreis angeordnet
sind und jeweils durch synchronisierte Drehwähler nacheinander eingeschaltet werden.
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Die Erfindung bezweckt, eine Kontrollmöglichkeit zu schaffen, um sich
mit einem Blick davon vergewissern zu können, daß die Anzeigen jedes Anzeigegerätes
auch den Meßwerten des ihm zugeordneten Meßgeräts entsprechen.
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Für die Kontrolle des Gleichlaufs von Unterbrechern ist schon die
Einschaltung eines Wattmeters in Vorschlag gebracht worden, das bekanntlich nur
dann ausschlägt, wenn sowohl dessen Spannungs- als auch seine Stromspule gleichzeitig
Strom führen. Der Anschluß eines Wattmeters erfordert jedoch zusätzliche Leitungskabel,
die bei Fernsteuerungseinrichtungen, speziell in Tiefbohrlöchern, einen kostspieligen
Faktor darstellen.
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Demgegenüber hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gestellt,
das sowieso schon von den verschiedenen Meß- und Anzeigegeräten her vorhandene Leitungssystem
nun auch noch für eine Kontrollmöglichkeit des Gleichlaufs der Drehwähler auszunutzen,
wozu erfindungsgemäß in Vorschlag gebracht wird, in die Steuerungskreise der Drehwähler
noch ein weiteres, von den Meßgrößen im wesentlichen unbeeinflußtes Gerätepaar einzuschalten,
dessen Meßgerät einen solchen Widerstand aufweist, daß es zur Anzeige eines von
den übrigen Meßwerten sehr unterschiedlichen Wertes führt.
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Dabei wird dann vorzugsweise an der Stelle, wo sich das Anzeigegerät
befindet, eine Einstellvorrichtung für den Drehwähler angeordnet, die den Synchronismus
der Drehwähler, im Falle, wo er gestört sein sollte, wiederherzustellen gestattet.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Erläuterung
der Zeichnungen hervor, die zwei besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung zur
elektrischen übertragung von Signalen einer im Innern eines Bohrlochs befindlichen
Apparatur zeigen. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich darum, die
Neigung des Bohrlochs zu messen. Das zweite Ausführungsbeispiel gestattet, die gleichen
Neigungsmessungen und gleichzeitig noch andere Messungen im Innern. des Bohrlochs
durchzuführen.
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Fig. 1 ist ein elektrisches Schema des ersten Ausführungsbeispieles
und Fig. 2 ein entsprechendes Schema des zweiten Ausführungsbeispieles.
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In dem Schema gemäß Fig. 1 sind zwei getrennte Kreise gezeigt, deren
einer der Steuerkreis für die synchronisierten Drehwähler und deren anderer der
Meßkreis ist.
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Jeder dieser Kreise ist hier beispielsweise ein Zweileiterkreis, so
daß für die Messungen ein vieradriges Kabel notwendig ist, das in bekannter Weise
an der Erdoberfläche auf eine Winde beispielsweise aufgewickelt wird und an seinem
unteren Ende die zur Durchführung der Messungen bestimmte Apparatur trägt.
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Zunächst sei der Kreis der Kommutatoren betrachtet. Dieser Kreis enthält
einen Wechselstromerzeuger 1, der an der Erdoberfläche angeordnet ist und in geeigneter
Weise angetrieben wird. Mit 2 und 3 sind die beiden Leiter bezeichnet, die von dem
Wechselstromerzeuger ausgehen und mit zwei Synchronmotoren 4 und 5 verbunden sind,
welche parallel geschaltet sind, wobei der eine von ihnen an der Erdoberfläche und
der andere im Bohrloch in der Höhe der durchzuführenden Messungen angeordnet ist.
Der Synchronmotor 4 treibt einen umlaufenden Kommutator 6 an, der gleichfalls an
der Erdoberfläche angeordnet und auf der Zeichnung in im wesentlichen schematischer
Weise dargestellt ist. Dieser Kommutator besitzt beispielsweise fünf Kontakte 7-1/7_2/7_,3jfi-4/
7_" über die nacheinander und periodisch ein Kontaktarm 8 läuft. Der Synchronmotor
5 treibt in ähnlicher Weise in der im y Innern des Bohrlochs befindliehen
Apparatur
einem Komutator 9, der gleichfalls fünf Kontakte 10-1/10-2/10-3/10-4/ 10-5 besitzt,
über die ein Kontaktarm 11 nacheinander hinwegläuft.
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Die Kontaktarme 8 und 11 sind an den gleichen Leiter 12 des Meßkreises
angeschlossen, während die Kontakte 7 und 10 mit den verschiedenen Einzelkreisen
verbunden sind, die zu dem zweiten Leiter 13 des Meßkreises hinführen.
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Dieser Meßkreis wird an der Erdoberfläche von einer Stromquelle 14
gespeist, die in Reihe mit einem Widerstand 15 geschaltet ist, der beispielsweise
in der Größenordnung von 600 000 Ohm liegt.
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Von den verschiedenen Einzelkreisen, die zu den Kontakten führen und
hier beispielsweise in einer Anzahl von fünf vorhanden sind, enthalten die vier
ersten einen Widerstand 16-1/16_2/16_3/16_4, während der letzte, 16_5, einen Leiter
ohne nennenswerten Widerstand darstellt. Die Widerstände 16-1/16_2/ 16-3 sind beispielsweise
Meßwiderstände für die drei Größen, die nachstehend noch angegeben werden und dazu
dienen, die Lage der Achse des Bohrlochs gegenüber den geographischen Koordinaten
zu bestimmen. Diese drei Widerstände ändern sich somit fortlaufend in Funktion der
fraglichen Größen und bilden die Charakteristika, die man zu messen sucht.
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Der Widerstand 16_4 und der Leiter 16-5 haben eine Aufgabe, die nachstehend
noch erläutert wird. An der Erdoberfläche führen die verschiedenen Einzelkreise
zu den Kontakten 7; jeder von ihnen besteht aus zwei parallel geschalteten Elementen,
von denen das eine ein Meß- oder Registrierungsinstrument 17-1/17_2/17-3/17-4 in
Reihe mit einem festen Widerstand 18-1/18_2/18_3/18-4 hohen Wertes (in der Größenordnung
von 400 000 Ohm beispielsweise) und das andere einen parallel geschalteten Kondensator
19_1/19-2/19_3/19_4 aufweist.
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In den Leiter 13 ist weiterhin eine Gleichstromquelle regelbarer Spannung
20 eingeschaltet, deren Aufgabe später noch beschrieben wird. Die Arbeitsweise der
Einrichtung ist kurz folgende: Wenn die Apparatur in dem Bohrloch verschoben wird,
ändern sich die Widerstände 16_1/16_2/16_3, die durch die Geräte beeinflußt werden,
deren Bewegungen man zu charakterisieren sucht, fortlaufend beispielsweise zwischen
0 und 2500 Ohm. Des weiteren sei angenommen, daß sich die synchronen Kommutatoren
4 und 5 in Betrieb befinden, so daß jeder Widerstand 161/16./16" ebenso wie die
entsprechende Meßeinrichtung 17-1/18_1/19_1/17_2/ 18_,/19-2 und 17_3/18-3/19_s eingeschaltet
sind. Wie diese Synchronisierung erhalten «erden kann und verwirklicht wird, wird
später noch erklärt werden. Das Kommutatorelement 6 ist dabei in an sich bekannter
Weise so ausgebildet, daß es die Einschaltung des Nleßelements 17-18-19 erst eine
gewisse Zeit nach der Einschaltung des entsprechenden Widerstandes 16 vornimmt,
so daß sich der Stromfluß im Hauptkreis erst mit dieser Einschaltung des Meßelements
einstellt. Wenn dieser Kreis geschlossen ist, behält der Strom, der in dem Hauptkreis
12-13 fließt, in allen Fällen und in allen Lagen der Kommutatoren einen im wesentlichen
konstanten Wert bei, und zwar weil der Gesamtwiderstand dieses Kreises sehr groß
und im wesentlichen gleich dem Widerstand 15 bleibt, der wesentlich größer als alle
anderen sonst in dem Kreise befindlichen Widerstände ist. Die Meßeinrichtung 17-18,
die aus einem Voltmeter besteht, mißt dann praktisch die Potentialdifferenz an den
Klemmen des entsprechenden Widerstandes 16, die dann diesem Widerstand proportional
ist. Zwischenzeitlich hat sich der Kondensator 19 auf einen dieser Potentialdifferenz
entsprechenden Wert aufgeladen und behält diese Aufladung nahezu bei, selbst wenn
der Kommutator diesen Kontakt verlassen hat, und zwar bis zur folgenden Aufladung.
Dieser Kondensator dient außerdem als Filter für den periodischen Strom, der sich
insbesondere infolge der Kommutierung einstellt. Die Stromquelle 20, die eine regelbare
EMK besitzt, dient im übrigen zur Kompensation des Spannungsabfalls in den Kabeln
12 und 13, um den auf diesen Spannungsabfall zurückgehenden Fehler zu beseitigen.
Die Regelung der EMK dieser Stromquelle geht wie folgt vor sich: Wenn die Arme 8
und 11 über die Kontakte 7-5 und 10_5 hinweggehen, mißt die Meßeinrichtung 17_5
die Summe der Potentialdifferenz an den Klemmen der Batterie 20 und des Spannungsabfalls
in den Kabeln, da der Leiter 16_5 keinen zusätzlichen Widerstand besitzt. Wenn man
dann die EMK der Batterie so einstellt, daß die Ablesung des Apparats 17_5 auf Null
zurückgeführt wird, wird der durch das Kabel bedingte Spannungsabfall genau durch
diese Potentialdifferenz an den Klemmen der Batterie kompensiert. Da diese Batterie
20 während der Messungen der Widerstände 16-1/ 16-2/16-3 eingeschaltet bleibt, bleibt
die Kompensation während der Messungen bestehen, und der durch den Spannungsabfall
in den Kabeln hervorgerufene Fehler ist beseitigt.
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Der Widerstand 16_4 ist dazu bestimmt, zu gewährleisten, daß in allen
Fällen während der Messungen jeder der Widerstände 16_1/16-2/16-3 auch mit der entsprechenden
Meßeinrichtung eingeschaltet ist. Zu diesemZweck besitzt der Widerstand 16-4 einen
Wert, der beispielsweise wesentlich. höher liegt als das Maximum, das die Widerstände
161/16/2163 erreichenkönnen. Wenn das Gerät in Betrieb ist und der Doppelkommutator
umläuft, erkennt man auf den Meßinstrumenten 17_1/17-2/17-3/17_4 leicht denjenigen,
der dem größten Widerstand, d. h. 16-4, entspricht. Mittels einer Einstellvorrichtung
des Kommutators 6, die sich an der Erdoberfläche befindet und nicht dargestellt
ist, kann man den Kommutator so verstellen, daß die so beobachtete Meßgröße von
16_4 wieder auf den Meßapparat 17-4 übertragen wird, wenn eine Fehlanzeige beobachtet
würde.
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Fig.2 zeigt das Schema einer Anlage, die es gestattet, außer den drei
Widerständen, die Aufschluß über die Neigung des Bohrlochs geben, wie im Falle des
voraufgegangenen Schemas, noch andere Größen, und zwar insbesondere die Temperatur,
die spontane Potentialdifferenz zwischen zwei in das Bohrloch hinabgesenkten Elektroden,
die Stärke eines Stromes und andere Größen zu messen. Der Steuerkreis der synchronen
Kommutatoren weist die gleichen Elemente 1, 2, 3, 4, 5 wie im Schema der Fig. 1
auf. jedes der Elemente der Kommutatoren ist dagegen, anstatt, wie im Fall der Fig.
1, einfach, hier doppelt vorgesehen, wobei jede Hälfte dieses Kommutators dazu dient,
die Verbindung des einen der Leiter 12 oder 13 des Meßkreises mit den Kreisen der
verschiedenen Gebrauchs- und Meßapparate zu kommutieren.
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Zu diesem Zweck treibt der Motor 4 synchron zwei Hälften von Kommutatorelementen
21, 22, deren zentrale Kontakte entsprechend mit dem Leiter 12 und dem Leiter 13
verbunden sind. Die am Rande liegenden Kontakte jeder Hälfte von Kommutatorelementen,
die sich in dem dargestellten Beispiel auf acht belaufen, sind entsprechend mit
21-1/21-2 usw., 22-1/22-2 usw. bezeichnet. Diese beiden Hälften von
Kommutatorelementen
sind mechanisch miteinander verbunden, so daß die Verbindung gleichzeitig zwischen
den mittleren Kontakten und den Kontakten hergestellt wird, die im dargestellten
Ausführungsbeispiel die gleichen Bezifferungen 21-1 und 22_1 beispielsweise oder
21-, und 22-2 usw. beispielsweise tragen.
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In ähnlicher Weise ist der Motor 5 in dem Grund des Bohrlochs mit
einem doppelten Kommutatorelement 23-24 verbunden; der mittlere Kontakt des Elements
23 ist mit dem Leiter 12 und der mittlere Kontakt des Elements 24 mit dem Leiter
13 verbunden. Jede dieser Kommutatorhälften besitzt, wie die Hälften 21 und 22,
acht am Rande liegende Kontakte, die mit 23-1/23-2 usw., 24-1/24-2 usw, bezeichnet
sind. Wie bei den Kommutatorhälften 21 und 22 sind die beiden Hälften 23 und 24
mechanisch derart verbunden, daß die Verbindung zwischen den mittleren Kontakten
und den die gleiche Ziffer tragenden Randkontakten 23-1 und 24-1, 23_2 und 24-2
usw. gleichzeitig erfolgt.
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Wenn die Einrichtung entsprechend eingestellt ist, ,wie dies noch
beschrieben werden wird, sind die mittleren Kontakte der vier Kommutatorhälften
stets gleichzeitig mit den die gleiche Ziffer tragenden Randkontakten verbunden.
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Bei der dargestellten Einrichtung entsprechen die Kontakte 1, 2, 3
jedes Kommutators drei Kreisen, die zur Messung von Widerständen in derselben Art
wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 dienen. Infolgedessen sind diesen entsprechenden
Elementen die gleichen Bezifferungen wie in Fig. 1 gegeben. Von den Kontakten 22-1/22-2/22-3
und 24-1/24_2/24-3 sind die ersteren mit einer der Klemmen der Meßkreise 17-1/18-1/19-1/17-2/18-2/19-2/17-3/18-3/19_3
und die zweiten mit einer der Klemmen der Widerstände 16-1/16-2/16-3 verbunden.
Die beiden anderen Klemmen der zuvor erwähnten Meßkreise sind entsprechend mit den
Kontakten 21-1/21-2/21-3 und die anderen Klemmen der Widerstände 16-1/16-2/ 16_3
mit den Kontakten 23-1/23-2/23-3 verbunden. Die Gesamtheit des Kreises wird durch
den Leiter 25 vervollständigt, der den mittleren Kontakt 21 mit der Stromquelle
14 und unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 15 mit den Klemmen 22-1/22-2/22-3
verbindet.
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Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist bei umlaufenden Kommutatoren
genau die gleiche wie im Fall des Schemas der Fig. 1 und braucht deshalb hier nicht
nochmals vollständig beschrieben zu werden.
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Die Einstellvorrichtung der Kommutatoren, um die genaue Synchronisierung
des in das Bohrloch hinabgesenkten Kommutatorelements mit dem an der Erdoberfläche
befindlichen zu gewährleisten, wird noch beschrieben werden. Sie ist jedoch die
gleiche wie im Schema der Fig. 1.
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Die Kontakte -4 der verschiedenen Kommutatorhälften dienen dazu, beispielsweise
die Stromänderungen in einem thermometrischen Widerstand zu messen. Zu diesem Zweck
sind die Kontakte 23_4 und 24-4 über einen Widerstand 26 miteinander verbunden,
dessen Wert im Verhältnis zu den restlichen Widerständen des Kreises sehr hoch liegt
und der sich in Funktion der Temperatur ändert. Ein solcher Widerstand kann in bekannter
Weise dazu benutzt werden, um die Temperatur zu messen, die in dem Bohrloch an der
Stelle, wo die Messungen durchgeführt werden, herrscht.
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An der Erdoberfläche ist der Kontakt 22_4 mit dem Kontakt 21 über
die Leitung 25, die Stromquelle 14 und einen Meßkreis verbunden, der von einem Galvanometer
27 in Reihe mit einem Widerstand oder einer Drosselspule 28 und im Nebenschluß mit
einem Kondensator 29 gebildet wird.
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Wenn der Kreis an den Kontakten -4 geschlossen wird, verursachen die
Änderungen des Widerstandes 26 entsprechende Änderungen des den Kreis durchfließenden
Stromes, welche in dem Apparat 27 registriert -,werden.
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Die Kontakte -5 verursachen ein Schließen des Kreises in der Apparatur,
der die Messung eines Widerstandes infolge Änderung der Stärke des ihn durchfließenden
Stromes ermöglicht. Dieser Widerstand 30, der gegenüber den Widerständen der Leiter
des Kreises groß sei, und dessen Änderungen registriert werden sollen, ist mit den
Kontakten 23-5 und 24-5 verbunden. Außerdem isst der Kontakt 22-5 über einen ähnlichen
Kreis mit dem Kontakt 21 verbunden, der von einem Meßgerät 31 (Galvanometer), einem
Widerstand oder einer Drosselspule 32, einer Kapazität 33, der Stromquelle 14 und
dem Leiter 25 gebildet wird.
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Wie in dem vorhergehenden Fall m.ißt ein solcher Kreis die Änderungen
der Stromstärke des Kreises in Funktion der Änderungen des Widerstandes 30.
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Die zu den Kontakten -s hinführenden Kreise gestatten, beispielsweise
eine Potentialdifferenz im Innern des Bohrlochs, besonders aber eine Potentialdifferenz
zwischen zwei im Bohrloch benachbart angeordneten Elektroden (spontane Potentialdifferenz)
zu messen. Sie könnten gleichfalls dazu benutzt werden, um die Potentialdifferenz
eines thermoelektrischen Elements usw. zu messen. Zu diesem Zweck sind die Kontakte
23-s und 24-e beispielsweise mit zwei Elektroden 34 und 35 verbunden, die in geringem
Abstand voneinander im Innern des Bohrlochs gelegen sind. Die Kontakte 22-s und
21_s sind über eine Potentialdifferenzmeßeinrichtung verbunden, die ein Galvanometer
36 in Reihe mit einem Widerstand 37 besitzt, wobei das Ganze durch eine Kapazität
38 überbrückt ist. Ein solcher Kreis mißt unmittelbar am Galvanometer 36 die Potentialdifferenz,
die zwischen den Elektroden 34 und 35 herrscht.
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Der zu den Kontakten _7 führende Kreis kann beispielsweise in dem
Bohrloch einen Detektorapparat enthalten, der mit den Kontakten 23-7 und 24-7 verbunden
ist, und an der Erdoberfläche ein Meßgerät _M beliebiger Art, das mit den Kontakten
21-7 und 22-7 verbunden ist.
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Der zu den Kontakten -8 führende Kreis weist im Bohrloch eine Lagenanzeigecinrichtung
S' auf, die beispielsweise, wie im Falle der Fig. 1, aus einer Meßeinrichtung eines
von dem aller anderen Kreise sehr verschiedenen Widerstandes bestehen kann. An der
Erdoberfläche ist zwischen den Kontakten 22-s und 21-8 eine Meßeinrichtung S dieser
Größe, beispiels-,veise des Widerstandes, eingeschaltet. Wie im vorhergehenden Fall
genügt es, um den Apparat einzustellen, die Verschiebung des Kommutators an der
Erdoberfläche zu regulieren, bis an dem Instrument 31 der Wert erscheint, der demjenigen
entspricht, welcher durch den Widerstand 30 gegeben werden soll.
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Die Gesamtheit des Kreises, wie sie am Schema der Fig. 1 beschrieben
wurde, ist nur als erläuterndes Beispiel für zahlreiche andere Möglichkeiten von
Meßgruppiexungen mittels des Zweileitersystems 12-13 aufzufassen. Es könnten auch
andere Gruppierungen von Meßsy steinen Anwendung finden, ohne daß man sich vom Grundgedanken
der vorliegenden Erfindung
entfernt, die weder auf die Zahl der
Kontakte noch auf die Messungsart beschränkt ist.