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Die
Erfindung betrifft ein Sensoriksystem und ein Verfahren zur geometrischen
Vermessung unterirdischer Hohlräume
und Kavernen nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 bzw. Anspruch
12.
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Ein
Sensoriksystem zur geometrischen Vermessung unterirdischer Hohlräume mit
einzelnen Meßsensoren
ist beispielsweise prinzipiell aus der DE-OS 44 26 501 bekannt.
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Mittlerweile
ist aber auch ein Sensoriksystem der eingangs genannten Gattung
auf dem Markt, bei dem ein entsprechender Sensorikträger mehrere, nach
einem sogenannten "Multiscan"-Verfahren arbeitende
Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente aufweist und wobei
der Meßimpulssender vorzugsweise
ein omnidirektional Meßimpulse
aussendender Meßimpulssender
ist. Bei dem auf dem Markt befindlichen System werden also mit Hilfe
eines Meßimpulssenders
omnidirektional Meßimpulse ausgesandt,
also Meßimpulse
quasi strahlenförmig aus
der Richtung eines Zentrums des Sensorikträgers kommend gleichmäßig über den
gesamten Raumwinkel von 4π verteilt
ausgesandt. Entsprechend verfügt
der Sensorikträger über facettenartige Empfangssensorsegmente,
die im wesentlichen eine Kugel bildend ebenfalls um ein Zentrum
angeordnet sind und in der Lage sind, die von den Hohlraumwänden reflektierten,
ursprünglich
vom Meßimpulssender
allseitig ausgesandten Strahlen jeweils innerhalb eines bestimmten
Winkelbereiches zu erfassen.
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Auf
diese Weise soll mit einem einzigen, zeitlich sehr kurz befristbaren
Meßvorgang
eine Vielzahl von Informationen von einem unterirdischen Hohlraum
gewonnen werden können.
Hierzu sendet also der Meßimpulssender
allseitig seine Meßimpulse aus,
die nach der Reflexion von den Wänden
des Hohlraumes von den Empfangssensorsegmenten empfangen und mit
Hilfe einer entsprechenden elektronischen Einrichtung ausgewertet
werden.
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Dieses
auf dem Markt befindliche Sensoriksystem hat jedoch seine Nachteile.
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Zunächst einmal
ist es erforderlich, um das vom jeweiligen Empfangssensorsegment
empfangene Meßsignal
auszuwerten, jedem Empfangssensorsegment seine Nachfolgeelektronik
zuzuordnen, die im wesentlichen aus einem Verstärker, einem Analog-Digital-Wandler
und einem Speicher besteht. Es ist also erforderlich, jedes einzelne
Empfangssensorsegment entsprechend zu verkabeln. Dies bedeutet, daß dann,
wenn eine entsprechende Auflösung
des gesamten Empfangssensors gewährleistet
sein soll und deshalb beispielsweise die Empfangsensorsegmente nur
einen Öffnungswinkel
von 3° haben
sollen, es gegebenenfalls notwendig ist, über den gesamten Raumwinkel
verteilt etwa 200 bis 300 Segmente anzuordnen, denen jeweils eine
Nachfolgeelektronik zugeordnet sein muß, so daß mehrere 100 Kabelführungen
zu den einzelnen Segmenten notwendig sind.
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Da
ein Sensoriksystem der eingangs genannten Gattung üblicherweise
durch ein Bohrloch unter Drücken
bis zu 300 bar in unzugängliche
Hohlräume
herabgelassen wird, und dabei an einem stahlamierten Bohrlochkabel
pendelnd aufgehängt ist,
ist für
eine solche Vielzahl von Verkabelungen oftmals gar kein Raum vorhanden.
Abgesehen davon kann eine solche vielzahlige Verkabelung natürlich zu
einer höheren
Störanfälligkeit
führen.
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Selbst
bei einer relativ großen
Zahl von Empfangsensorsegmenten, wie im vorhergehenden angedeutet,
ist aber die Auflösung
der auf dem Markt befindlichen Meßvorrichtung nicht sehr gut,
so daß nur
ein recht grobes geometrisches Bild von dem vermessenen Hohlraum
gewonnen wird.
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Dieses
Bild wird unter Umständen
noch unklarer und fehleranfälliger,
wenn mit dem Bohrloch zur Einführung
des Sensorikträgers
nicht einigermaßen
genau das Zentrum des zu vermessenden Hohlraumes angezielt wird,
so daß dem
Empfangssensor einige Wandbereiche des zu vermessenden Hohlraumes
besonders nahe sind, während
andere Wandbereiche sehr weit entfernt liegen. Dies und auch unterschiedliche
Reflexionen führt
quasi zu einer Verzerrung der Meßgeometrie und zu unterschiedlichen Auflösungen in
unterschiedlichen Hohlraumbereichen, durch die fest gelegte Segmentierung
des Empfangssensors.
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Diese
feste Segmentierung führt
außerdem dazu,
daß das
auf dem Markt befindliche System in Bezug auf das Auflösungsvermögen auf
eine ganz bestimmte Frequenz eines Meßimpulses ausgelegt ist. Es
ist also nicht so ohne weiteres möglich, Meßimpulse unterschiedlicher
Frequenzen zu verwenden. Dies könnte
aber im Einzelfalle sachdienlich sein.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Sensoriksystem und
ein Verfahren der eingangs genannten Gattung insbesondere im Hinblick
auf das Auflösungsvermögen zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Sensoriksystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch
12.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensoriksystem
kann also der Sensorikträger
bzw. ein Teil von ihm in definierten Winkelschritten um die Achse
gedreht werden, aus deren Richtung die einzelnen Empfangssensoren
bzw. Empfangssensorsegmente (scheinbar) empfangen. Dabei können die
Drehwinkelschritte insbesondere wesentlich kleiner gewählt werden
als die Öffnungswinkel
der Empfangssensoren bzw. der Empfangssensorsegmente.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird also mit Vorteil nicht in erster Linie das Auflösungsvermögen des
Systems durch die Anzahl der Empfangsensoren bzw. der Empfangssensorsegmente und
ihre Öffnungswinkel
bestimmt, sondern durch die Feineinteilung der Winkelschritte beim
Drehen des Empfangssensors. Wird nämlich der Empfangssensor in
relativ kleinen Schritten ge dreht, wonach nach jedem Drehschritt
eine entsprechende weitere Messung durchgeführt wird, bei der Meßimpulse
ausgesandt und empfangen werden, so ist das Auflösungsvermögen des entsprechenden Systems
so gut, als wären
die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente in entsprechend
hoher Anzahl mit einem entsprechend kleinen Öffnungswinkel, entsprechend
des Drehschrittes, vorhanden. Das Auflösungsvermögen ist also bei dem erfindungsgemäßen System
insbesondere nicht durch die Anzahl der Meßsensoren fixiert, sondern
kann nach Bedarf durch die Drehung bzw. Schwenkung des Systems frei
gewählt
werden. Dies bedeutet insbesondere auch, daß die Größe der Winkelschritte bei der
Drehung des Sensorikträgers
auch an die jeweiligen Frequenzen der verwendeten Meßimpulse
angepaßt werden
können.
Auch die Frequenzen der Meßimpulse
sind damit prinzipiell frei wählbar.
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Grundsätzlich ist
es so, daß jeder
Empfangssensor bzw. jedes -sensorsegment, ausgehend von dem Empfangssensor
bzw. dem -sensorsegment eine Empfangscharakteristik bzw. einen Empfangsbereich
aufweist, der eine Art Keulenform hat. Je höher die Frequenz des zu empfangenden
Meßimpulses
ist, desto schmaler ist die entsprechende Keulenform des Meßsensors
bei gleichem Öffnungswinkel. Sind
also Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente in gleichmäßigen Winkelabständen um eine
Zentrumsachse angeordnet, so ergeben in einer geschnittenen Darstellung
die durch die jeweiligen Empfangskeulenformen der Sensoren verläuft diese Empfangsbereiche
der Empfangssensoren also keine scharfen Strahlen, die auf ein Zentrum
bzw. eine Zentrumsachse zulaufen, sondern eine Art Blütenform
mit den Keulenformen als Blüten blättern, die von
dem Zentrum bzw. der Zentrumsachse ausgehen, wobei sich diese Blütenblätter bei
unterschiedlichen Frequenzen von Meßimpulsen, also bei schmalerer
oder breiterer Ausdehnung mehr oder weniger stark überlappen.
Ein Überlapp
dieser Keulenformen bzw. Blütenblätter soll
aber gegeben sein, um die Vorteile des Multiscan-Verfahrens zu nutzen,
weil sich aus dem Bereich des Überlappes
durch mathematische Korrelation und deren Auswertung bei der Auswertung
der von den einzelnen Meßsensoren empfangenen
Impulse zusätzliche
Informationen ergeben, die letztlich das Auflösungsvermögen der Vorrichtung vergrößern.
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Gerade
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird dieser Überlapp
der Keulenformen genutzt, um auf mathematische Weise das Auflösungsvermögen der
Vorrichtung gegenüber
der eigentlich durch die Anzahl der Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente
vorgegebene Auflösung
zu verbessern. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht jedoch
darin, daß sich
der Überlapp
nicht nur zwischen zwei Keulenformen einander benachbarter Empfangssensoren
bzw. Empfangssensorsegmente unmittelbar räumlich ergeben muß, sondern
sich ein solcher Überlapp
auch zeitlich ergeben kann, indem sich die Keulenform eines Empfangssensors
bzw. eines Empfangssensorsegmentes mit der eigenen Keulenform zeitlich
verzögert
aber dennoch räumlich nach
einer entsprechenden Winkeldrehung der Vorrichtung überlappt.
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Tatsächlich ist
also mit dem erfindungsgemäßen System
bei unter Umständen
geringerer Anzahl von Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmenten
ein Mehrfaches an Informationen erhältlich, die zu einem höheren Auflösungsvermögen führen, und
zwar unter Umständen
ein Vielfaches von Informationen, das sogar größer sein kann als der Faktor, um
den die Anzahl der Empfangssensoren durch eine entsprechende Anzahl
von Drehschritten scheinbar vergrößert worden ist. Diese zusätzliche Vermehrung
von Informationen wird, wie bereits geschildert, dadurch erreicht,
daß die
jeweiligen Messungen abgespeichert und in zeitlicher Abfolge gesammelt
und danach unter Berücksichtigung
mathematischer Korrelationen ausgewertet werden.
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Insbesondere
kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dabei noch besser sichergestellt werden, daß unter Umständen Fehlreflexionen
von Meßimpulsen,
die das Meßergebnis
insgesamt verfälschen
können,
unberücksichtigt
bleiben, weil auch diese Fehlmessungen, von beispielsweise mehrfach reflektierten
Meßimpulsen,
durch Korrelationskontrollen identifiziert werden können.
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Insgesamt
kann also die erfindungsgemäße Vorrichtung
grundsätzlich
mit weniger Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmenten auskommen als
der Stand der Technik und, abhängig
von der Größe und Anzahl
der gewählten
Drehschritte dennoch ein besseres Auflösungsvermögen erzielen. Zwar sind dadurch
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung meherere
Messungen erfoderlich, so daß die
Messung insgesamt einen größeren Zeitraum
in Anspruch nimmt, der jedoch wirtschaftlich von vernachlässigbarer
Bedeutung ist. Es kann aber, je nach Bedarf, durch die Auswahl der
Meßschritte
und der Anzahl der Meßschritte
frei ausgewählt
werden, ob eine genaue oder eine grobere Kavernenvermessung erfolgen
soll.
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Hinzu
kommt noch, daß ein
Sensor bzw. ein Sensorsegment mit einer größeren Empfangsfläche ebenfalls
eine schmalere "Keulenform" als Empfangsbereich
hat als ein kleinerer Sensor. Bei dem erfindungsgemäßen System,
das weniger und dafür größere Sensoren
verwendet, sind somit die vorhandenen Empfangssensoren mit Vorteil
detailgenauer ausgerichtet.
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Vorzugsweise
könnten
bei einer erfindungsgemäßen Vor
richtung um die Zentrumsachse herum etwa 15 Empfangssensoren bzw.
Empfangssensorsegmente in gleichmäßigen Winkelabständen von
jeweils etwa 24° zwischen
einander benachbarten Empfangssensoren angeordnet sein.
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Nach
einer nächsten
Weiterbildung ist jedem Empfangssen sor bzw. Empfangssensorsegment
ein eigener elektrischer Verstärker
zur Verstärkung
des von ihm empfangenen Meßimpulses
und insbesondere zur individuellen Einstellung seiner Empfangscharakteristik
zugeordnet und entsprechend individuell regelbar.
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Mit
Hilfe des Verstärkers
kann in gewisser Weise die im vorhergehenden geschilderte "Keulenform" verändert werden.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Sensorikträger selbst
sich nicht annähernd
im Zentrum des zu vermessenden Hohlraumes befindet, so daß einige
Wandbereiche des Hohlraumes dem Sensorikträger und den Empfangssensoren
nahe sind, während
andere sehr viel weiter entfernt sind. Je nach Abstand zu den Wänden des zu
vermessenden Hohlraumes oder deren Reflexionsbedingungen können also
die jeweils zugeordneten Empfangssensoren entsprechend an ihren
Verstärkern
eingestellt werden, um eine einheitlich genaue Aufnahme des gesamten
Hohlraumes zu ermöglichen,
wobei diese Einregelung bzw. eine Umregelung der Verstärker auch
bei der Drehung der Empfangssensoren berücksichtigt werden kann.
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Insgesamt
müssen übrigens
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht unbedingt die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente gleichmäßig um ein
Zentrum oder eine Zentrumsachse herum angeordnet sein. Es könnte als
ausreichend angesehen werden, die Empfangssensoren nur so anzuordnen,
daß sie
innerhalb eines Fächerbereiches
nur einen Teilwinkelbereich erfassen. Durch die Drehbarkeit des
Sensorikträgers
könnten dadurch
einzelne Bereiche eines Hohlraumes nacheinander erfaßt und genau
vermessen werden. Durch die Drehbarkeit des Sensorikträgers ist
immer ein Gesamtbild des Hohlraumes bei Bedarf erzielbar.
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Eine
weitere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
daß sowohl
der Meßimpulssender,
als auch die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente auf unterschiedliche
Meßimpulsfrequenzen
einstellbar sind, um die bereits weiter vorne geschilderten vorteilhaften
Möglichkeiten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auszunutzen.
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Der
Meßimpulssender
ist vorzugsweise ein Ultraschallsender und die Empfangssensoren
sind Ultraschallwandler bzw. sind die Empfangssensorsegmente Segemente
eines segmentierten Ultraschallwandlers.
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Es
kann, wie bei dem auf dem Markt befindlichen System vorgesehen,
auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein omnidirektional aussendender Meßimpulssender verwendet werden.
Es erscheint aber durchaus vorteilhaft, vorzugsweise jedem einzel nen
Empfangssensor bzw. Empfangssensorsegment seinen eigenen Meßimpulssender
bzw. -segment zuzuordnen, der bzw. das in der jeweils gleichen Richtung
sendet, aus der der entsprechende Empfangssensor bzw. das entsprechende
-segment empfängt.
Dies könnte
letztendlich zu einer größeren Meßgenauigkeit
bei gleichzeitiger Kostenminimierung führen. Dabei kann sogar jedes
Empfangssensorsegment selbst zunächst
(kurzzeitig) als Meßimpulssender
fungieren und während
der Lauf- und Reflexionszeit des ausgesandten Meßimpulses (wieder) auf Empfang
umgeschaltet werden.
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Eine
weitere Reduzierung der Anzahl der Empfangssensoren bzw. -segmente
ist nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems möglich, wenn
vorgesehen ist, daß die
entsprechenden Empfangssensoren nicht zu allen Seiten zur Erfassung
eines gesamten Raumwinkels ausgerichtet sind, sondern nur zu einer
im wesentlichen ringförmigen
oder fächerförmigen Erfassung
eines Teiles des Raumwinkels ausgerichtet und vorgesehen sind. Die übrigen Bereiche
des Raumwinkels können
dadurch erfaßt
werden, daß der
Sensorikträger
oder wenigstens sein die Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente
tragender Teil, der vorzugsweise auch den Meßimpulssender bzw. die Meßimpulssender trägt, um eine
quer zur Drehachse verlaufende Kippachse kippbar angeordnet ist.
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Die
Lösungsmerkmale,
die erfüllt
sein sollten, um trotz der Drehbarkeit und der Kippbarkeit des Sensorikträgers bzw.
eines Teiles des Sensorikträgers
genaue Messungen zu garantieren, sind aus der bereits eingangs zitierten
DE-OS 44 26 501 prinzipiell entnehmbar, also beispielsweise die
Verbindung fester und beweglicher Teile, die Kontrolle der jeweiligen Dreh- bzw. Kippstellung
und auch die Stabilisierung von Drehstellungen, beispielsweise durch
Kreiselsysteme.
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Das
Sensoriksystem hinsichtlich seiner Sensoranordnung und Sensorauswertung
ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
allerdings ein grundsätzlich
anderes als bei dem vorbekannten System, was nicht übersehen
werden darf, da es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung trotz der möglichen Reduzierung
der Empfangssensoren um ein echtes Multiscan-System handelt, bei
dem die zusätzliche Drehbarkeit
zu einer Verbesserung des Multiscan-Verfahrens führt, während es sich bei dem bekannten
System gemäß der DE-OS
44 26 501 um ein System handelte, das mit einzelnen Sensoren arbeitet,
bei dem beispielsweise die Drehbarkeit und die Kippbarkeit nur zur
jeweiligen Umorientierung dieses einzelnen Sensors diente, ohne
daß hierdurch
Multiscancharakteristiken und Korrelationen erzielt wurden.
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Insbesondere
sollten sich bei dem erfindungsgemäßen System die im vorhergehenden
geschilderten Keulenformen auch einander benachbarter Empfangssensoren
bzw. -segmente immer und in jeder Drehstellung überlappen, um aus diesem Überlapp
bei jeder Messung eine Korrelationsinformation zu erhalten. Die
einzelnen Drehschritte sollten so klein ausgeführt. werden, daß dieser Überlapp
quasi noch feiner nacheinander durch die einzelnen Dreh- bzw. Meßschritte
unterteilbar und erfaßbar
ist.
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Für ein Verfahren
zur geometrischen Vermessung unterirdischer Hohlräume bzw.
Kavernen mit einem Sensoriksystem mit einem in den zu vermessenden
Hohlraum einbringbaren Sensorikträ ger, der wenigstens einen Meßimpulssender
und mehrere im wesentlichen fächerförmig aus
der Richtung eines Zentrums oder einer Zentrumsachse empfangende,
vorzugsweise einen 360°-Rundumbereich
erfassende Empfangssensoren bzw. Empfangssensorsegmente, sogenannte
Multiscan-Sensoren, aufweist, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
das sich dadurch auszeichnet, daß zumindest die Empfangssensoren
bzw. Empfangssensorsegmente zur Durchführung zeitlich aufeinanderfolgender
Messungen um die Zentrumsachse der Empfangssensoreinrichtung um
vorbestimmbare Winkelschritte gedreht werden, die vorzugsweise kleiner
sind als die Öffnungswinkel
eines jeweiligen Empfangssensors bzw. Empfangssensorsegmentes, und
bei dem die zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen mathematisch
korreliert ausgewertet werden, wird selbständiger Schutz beansprucht.
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Ausführungsbeispiele,
aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der
Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1a eine
schematische Perspektivansicht eines Sensorikträgers eines erfindungsgemäßen Sensorsystems
innerhalb einer Kaverne,
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1b schematische
Wiedergaben von Kavernenwandbildern eines Empfangssegementes des Sensorikträgers gemäß 1a in
verschiedenen Drehstellungen,
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2 ein
Laufzeitdiagramm eines Meßimpulses
bis zu seinem Empfang,
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3a bis e eine Übersicht zur Erläuterung der
Anwen dung des erfindungsgemäßen Sensoriksystems,
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4 ein
Ablaufschema zur Anwendung des erfindungsgemäßen Sensoriksystems,
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5 bis 7 Echogrammdarstellungen als
Aufnahmen von jeweils 24 Empfangssensorsegmenten bei Drehungen des
Sensorikträgers
um jeweils 5°,
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8 eine
durch eine Korrelationsberechnung erstellte Echogrammdarstellung
und
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9 ein
im Vergleich zur Darstellung der 8 mit einem
herkömmlichen
Einzelsensor gemessenes Echogramm.
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Die 1a zeigt
in schematischer Perspektivansicht den Sensorikträger eines
erfindungsgemäßen Sensoriksystems
in dem Bereich einer zu vermessenden Kaverne bzw. eines zu vermessenden unterirdischen
Hohlraumes. Dabei ist in dieser Darstellung der Sensorikträger im Vergleich
zum Durchmesser des Hohlraumes übertrieben
groß dargestellt,
um Details erkennbar zu machen.
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Der
Sensorikträger 1 gemäß 1a ist
als Meßkopf
ausgebildet, der an dem freien Ende einer in einen zu vermessenden
Hohlraum 2 eindringbaren Sonde angeordnet ist. Dabei ist
der Sensorikträger 1 mit
Hilfe einer entsprechenden Trennung 3 um seine Längsachse 4 schwenkbar
bzw. drehbar. Außerdem ist
er um eine Kippachse 5 kippbar, also in seiner Neigung
verstellbar.
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Der
Sensorikträger
trägt einen
Ring bzw. einen Kranz aus Meßimpuls-Sendersegmenten 6 und diesen
zugeordneten Empfangssensorsegmenten 7. Eine hierfür angedeutete
Trennung in Sender- und Empfangsbereich
kann entfallen, wenn ein und derselbe Sensorbereich zu unterschiedlichen
Zeiten als Sender und als Empfänger
genutzt wird.
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Die
Meßimpuls-Sendersegmente 6 senden jeweils
Meßimpulse
in der Ebene des Senderringes bzw. Senderkranzes aus, beispielsweise
Ultraschallimpulse, und zwar innerhalb von Winkelbereichen 8, die
von der Wandung 9 des zu vermessenden Hohlraumes reflektiert
und innerhalb der Winkelbereiche 8 von den Empfangssensorsegmenten 7 empfangen werden.
Dies bedeutet, daß die
Empfangssensorsegmente 7 entsprechende Abschnitte der Wandung 9 bei
einem Meßvorgang
erfassen. Dies ist in der 1b und
deren Bestandteile I bis IV angedeutet.
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Oberhalb
der 1b ist in der 1 an
einem Beispiel gezeigt, daß ein
bestimmtes Empfangssensorsegment 7 zunächst einmal in seinem Winkelbereich 8 einen
bestimmten Bereich der Wandung 9 des zu vermessenden Hohlraumes 2 erfassen
kann. Dazu wird eine Messung durchgeführt, zu der das zugeordnete
Meßimpuls-Sendesegment 6 einen
Meßimpuls
aussendet, der von dem entsprechenden Wandungsbereich reflektiert
und vom Empfangssensorsegment 7 empfangen wird.
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Nach
dieser Messung wird der Sensorikträger um die Achse 4 ein
Stück weit
gedreht, und zwar um einen Winkel, der kleiner ist als der Öffnungswinkel
der Segmente 6, 7 bzw. kleiner ist als der Winkel eines
Winkelbereiches 8. Bei einer entsprechenden nächsten Messung
kann also dasselbe Empfangssensorsegment 7 einen Winkelbereich 8' erfassen, der
gegenüber
dem früheren
Winkelbereich 8 um einen entsprechenden Drehwinkel verdreht
ist, wie dies in der 1a mit gestrichelten Linien
angedeutet ist. In dieser Drehstellung wird eine nächste Messung
durchgeführt.
Danach kann dann für
weitere Messungen der Sensorikträger 1 jeweils
um weitere Winkelschritte für
weitere Messungen gedreht werden.
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Während der
beiden geschilderten ersten Messungen ist insgesamt von ein und
demselben Empfangssensorsegment 7 ein Bereich der Wandung 9 des
zu vermessenden Hohlraumes 2 zu erfassen, der als Ausschnitt
in 1b I wiedergegeben ist. Davon wird bei der ersten
Messung ein Wandbereich erfaßt,
wie er in 1b III gezeigt ist. Durch die zweite
Messung wird ein Wandbereich erfaßt, wie er in der 1b II
gezeigt ist. Dabei ist übrigens
die 1b als Verständnisskizze
anzusehen, die in ihrem Maßstab
nicht dem Maßstab
der 1a entspricht.
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Erkennbar
ist aus der 1b insbesondere, daß bei beiden
Messungen ein gewisser Überlappungsbereich,
wie er in 1b IV dargestellt ist, jeweils
gesondert erfaßt
wird. Dieser entsprechende Wandbereich wird also quasi zweimal vermessen, statt
nur einmal. Bei großen
Winkelbereichen 8 und relativ sehr kleinen Drehwinkeln
um die Achse 4 können Überlappungsbereiche
noch häufiger
durch aufeinanderfolgende Messungen erfaßt werden. Gerade diese Überlappungsbereiche
können
unter Ausnutzung der größeren Anzahl
der sie erfassenden Messungen mathematisch korreliert ausgewertet
werden, so daß letztendlich
hierdurch Wandbereiche der Wandung 9 des zu vermessenden
Hohlraumes sehr viel detaillierter erfaßt werden können, als es eigentlich die
Breite eines Winkelbereiches 8 im Bereich der Wandung 9 erlauben
würde, und
zwar unter Umständen
sogar detaillierter als es die Ausdehnung des Überlappungsbereiches oder sogar
des Drehwinkelbereiches selbst erlauben würde.
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Wird
also die Wandung 9 mit einer Vielzahl von Messungen mit
relativ kleinen Drehwinkeln erfaßt, so läßt sich ein detailliertes Bild
der Wandung 9 mit einer hohen Auflösung erzielen.
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In 2 ist
ein Laufzeitdiagramm aufgetragen, das beispielhaft den Empfang eines
Meßimpulses
mit der Stärke
I nach einer Reflexion von der Wandung 9 der zu vermessenden
Kaverne im Empfangssensorsegment 7 zeigt, und zwar im oberen
Teil der Fig. "unbereinigt" und im unteren Teil
der Fig. nach einer mathematischen Behandlung.
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3 zeigt
schematisch in den Figurenbestandteilen a bis e ein Übersichtsschema
zur Verdeutlichung der Anwendung des erfindungsgemäßen Sensoriksystems.
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In 3a sind, ausgehend von einer in die Bildebene
hinein verlaufenden Zentrumsachse für einen 180°-Bereich keulenförmige Empfangsbereiche von
Empfangssensorsegmenten dargestellt, die diesen Winkelbereich zur
Vermessung einer nicht näher dargestellten
Kavernenwand erfassen bzw. überdecken
sollen. Diese Anzahl von Empfangsbereichen könnte durch eine entsprechende
Anzahl von Empfangssensorsegmenten, in diesem Falle 21 Stück, erzielt
werden. Zur Erzielung einer entsprechenden Winkelbereichsüberdeckung
könnten
aber erfindungsgemäß auch weniger
Empfangssensorsegmente verwendet werden, die zur Verdichtung innerhalb
dieses Winkelbereiches um bestimmte Winkelschritte verdreht worden
sind, so daß dann
die 3a nicht die Empfangsbe reiche
zu einem bestimmten Zeitpunkt zeigen würde, sondern aufsummiert nach
einer Durchführung
einer gewissen Anzahl zeitlich beabstandeter Drehschritte, bei denen der
entsprechende Sensorikträger 1 um
die Zentrumsachse gedreht worden ist.
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Dies
wird noch deutlicher bei der Betrachtung der 3b,
die noch eine höhere
Verdichtung in dem entsprechenden Winkelbereich darstellt, die bei Verwendung
entsprechend kleiner Winkeldrehschritte erzielt werden kann, auch
mit einer relativ geringen Anzahl von Empfangssensorsegmenten 7.
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Die 3c illustriert an der Darstellung eines keulenförmigen Empfangsbereiches
eines Empfangssensorsegmentes 7 die Abhängigkeit der Schallkeulenlänge und
Schallkeulenbreite von der Empfindlichkeit des Empfangssensorsegmentes 7 bzw.
die Abhängigkeit
des Öffnungswinkels
Sinus (a) von der Frequenz des verwendeten Meßimpulses und dem Durchmesser
des Empfangssensorsegmentes selbst. Dabei wird in der Fig. der Durchmesser
des Empfangssensorsegmentes mit D bezeichnet. Lamda soll dabei das
Produkt aus der Periodendauer der für den Meßimpuls verwendeten Schallwelle
in Sekunden und der Schallgeschwindigkeit in m/s sein.
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Dabei
ist Sinus (a) proportional zu Lamda und umgekehrt proportional zu
D. Dies bedeutet, daß die
Keulenbreite und -länge
umso größer wird,
je größer die
Periodendauer ist, also desto niedriger die Frequenz ist, und außerdem die
Keulenbreite und -länge
umso größer wird,
desto kleiner der Durchmesser des Empfangssensorsegmentes ist.
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Dies
bedeutet also noch einmal anders ausgedrückt, daß ein relativ großflächiges Empfangssensorsegment
eine relativ schmale, scharfe, detailgenaue Keulenform aufweist,
die umso schärfer
und genauer ist, desto höher
die verwendete Meßimpulsfrequenz
ist. Es ist also für
die Meßgenauigkeit durchaus
vorteilhaft, möglichst
große
Empfangssensorsegmente zu verwenden, von denen aber beim Multi-Scan-Verfahren
nur eine kleinere Anzahl nebeneinander um eine Zentrumsachse plaziert
werden kann. Um dennoch auch eine verdichtete Erfassung eines Winkelbereiches
gemäß 3b zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß die Drehung
der entsprechend kleinen Anzahl von Empfangssensorsegmenten um relativ
kleine Drehwinkelschritte um die Zentrumsachse vorgeschlagen.
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In
der 3c sind die verschieden großen Keulenformen
und der sich daraus ergebende Empfangsbereich mit unterschiedlichen
Schraffierungen kenntlich gemacht und, angefangen bei der kleinsten Keulenform,
hin zur größten Keulenform
mit I bis IV bezeichnet.
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3d zeigt den von der entsprechenden Zentrumsachse
entfernten Endbereich verschieden großer Keulenformen I bis IV entsprechend
der Darstellung gemäß 3c.
Diesmal aber ergänzt
durch die Darstellung eines Abschnittes einer uneben (onduliert)
verlaufenden Kavernenwand 9, auf die bei der vorliegenden
Entfernung allerdings nur die Keulenformen II bis IV auftreffen.
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3e zeigt die sich aus den Meßbedingungen
gemäß der 3d ergebende Echoantwort des jeweiligen
Empfangssensorsegmentes 7 bei Anwendung der Keulenformen
II bis IV, wobei auf der Abszisse dieser funktionalen Darstellung
die Laufzeit des ent sprechenden Meßsignales von der Aussendung bis
zum Empfang, also letztlich die Entfernung des Sensorikträgers von
dem entsprechenden Bereich der Kavernenwand 9, aufgetragen
ist.
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Aus
dieser Funktion gemäß 3e ergeben sich mehrere Informationen
und gleichzeitig auch Vorteile des erfindungsgemäßen Sensoriksystems.
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Zunächst einmal
wird deutlich, daß ein
bestimmter Öffnungswinkel
Sinus (a) vorhanden sein muß,
um eine gewisse Mindestlänge
einer Keulenform zu erreichen, damit der entsprechende Empfangsbereich
eines Empfangssensorsegmentes überhaupt,
die entsprechende Entfernung überbrückend, bis
zur Kavernenwand 9 reicht. Andererseits sollte wiederum
auch der Öffnungswinkel
Sinus (a) nicht zu groß sein,
damit eine möglichst
genaue bzw. scharfe Laufzeit oder Entfernungsinformation erhalten
wird. Es ist also vorteilhaft, wenn das entsprechende Empfangssensorsegment 7 in
Kombination mit dem zugeordneten Meßimpuls-Sendersegment 6,
welches es durch Übernahme
beider Funktionen selbst sein könnte,
in Abhängigkeit
von der Kavernenwand 9 in diesem Bereich, beispielsweise
durch Veränderung
der Meßfrequenz,
hinsichtlich seiner Keulenform eingestellt werden könnte. Nicht
nur dies ist bei dem erfindungsgemäßen Sensoriksystem bevorzugt
möglich,
sondern es ist auch möglich,
diese Einstellung jeweils bei Drehung des Sensorikträgers zu
verändern,
damit immer gerade das Empfangssensorsegment 7 die entsprechende
Keulenform aufweist, das gerade auf den entsprechenden Wandbereich 9 ausgerichtet
ist.
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4 zeigt
ein Ablaufschema, etwa in Form eines Fluß diagrammes bzw. eines Blockschaltbildes für den Einsatzablauf
eines erfindungsgemäßen Sensoriksystems.
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Der Übersichtlichkeit
halber könnte
davon ausgegangen werden, daß das
System lediglich über 8
Empfangssensorsegmente 7 und einen entweder omnidirektional
abstrahlenden Meßimpulssender oder
eine entsprechende Anzahl von 8 Meßimpuls-Sendersegmenten 6 verfügt. Diese
Empfangssensorsegmente 7 sind in der 4 nur
angedeutet. Den Empfangssensorsegmenten 7 sind, als schematische
Blöcke
dargestellt, A/D-Wandler und insbesondere Speicherplätze 10 nachgeschaltet.
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Ein
einzelnes Empfangssensorsegment 7 mit nachgeschalteten
Verstärkern 12,
einem A/D-Wandler 11 und einem Speicherplatz 10 ist
in dem in 4 enthaltenen Detail I noch
einmal genauer dargestellt.
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Die
Speicherplätze 10 der
Empfangssensorsegmente 7 sind Obertage mit einer Speichereinheit 13 mit
einer größeren Anzahl
von Speicherkanälen 14a bzw. 14b verbunden.
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In
die Speicherkanäle 14b werden
zunächst einmal
die Speicherplätze 10 der
Empfangssensorsegmente 7 ausgelesen, und zwar bei der ersten Messung
zunächst
einmal ohne eine Drehung des Sensorikträgers 1 entsprechend
der Winkelrichtungen, die die Empfangssensorsegmente 7 entsprechend
ihrer Anzahl und Anordnung repräsentieren. Dadurch
ergibt sich ein relativ grobes Speicherraster in den Speicherkanälen 14b.
Eine Verfeinerung des Speicherrasters bzw. eine Verdichtung der
Erfassung des gesamten 360°-Winkelbereiches,
entsprechend der Darstellung der 3b,
wird dadurch erreicht, daß der
Sensorikträger 1 mit
den Emp fangssensorsegmenten 7 um bestimmte Winkelschritte
gedreht wird, und zwar in dem in 4 dargestellten
Beispiel um jeweils 3°.
Nach jedem derartigen Drehschritt von 3° werden die Speicherplätze 10 der
Empfangssensorsegmente 7 in entsprechende Speicherkanäle 14a ausgelesen,
die also Informationen bekommen, die zur Verfeinerung der Speicherinformation "zwischen" den Speicherkanälen 14b mathematisch
korreliert einzuordnen wären.
Der entsprechende Ablauf ist im Detail II der 4 aufgelistet
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Um
also eine sehr große
Anzahl von Empfangssensorsegmenten zu simulieren, die über ein Multi-Scan-Verfahren
mathematisch korreliert miteinander genutzt werden, müssen bei
dem erfindungsgemäßen System
nur relativ wenige Empfangssensorsegmente 7 vorhanden sein,
während
der Effekt einer größeren Anzahl
durch eine Drehung in kleinen Schritten und eine entsprechend große Anzahl
von Speicherkanälen 14a erzielt
wird.
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Dabei
soll in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß sich die
Speicherkanäle 14a und 14b ihrer
Art nach natürlich
prinzipiell nicht unterscheiden, sondern eine unterschiedliche Benennung
nur aus Gründen
einer besseren Deutlichkeit gewählt
worden ist.
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Die 5 bis 7 zeigen
Echogramme unter Verwendung von 24 Empfangssensorsegmenten 7,
die durch ihre Anordnung einen 360°-Winkelbereich erfassen. Die
jeweiligen Echoantworten der Empfangssensorsegmente 7 sind
entsprechend der Darstellung der 3e untereinander
aufgezeichnet, also wiederum mit einer Laufzeit bzw. einer Entfernungsskala
zur Wandung 9 auf der jeweiligen Abszisse der Darstellung.
Aus diesen Laufzeitinforma tionen der 5 bis 7 ist
erkennbar, daß die
Kavernenwand 9 insgesamt eine Ondulation, also eine Entfernungsvariation
um die Zentrumsachse des Sensorikträgers 1 von 20 m bis
ca. 200 m aufweist.
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Die 5 bis 7 unterscheiden
sich lediglich dadurch, daß zwischen
diesen einzelnen Echogrammen die jeweiligen Empfangssensorsegmente 7 um
jeweils 5° um
die Zentrumsachse verdreht worden sind. Die Echogrammbilder ähneln sich also,
wobei aber von den Empfangssensorsegmenten 7 in den 6 und 7 Zwischenbereiche
der Kavernenwand 9 erfaßt werden im Vergleich zu der Erfassung
gemäß der 5.
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Im
Sinne der Darstellung der 4 und den dortigen
Speicherkanälen 14a bzw. 14b würde also beispielsweise
die 5 die Speicherkanäle 14b repräsentieren,
während
die 6 und 7 den Inhalt verschiedener Speicherkanäle 14a zeigen.
Würde eine
entsprechende Gesamtmessung dargestellt werden sollen, müßten eigentlich
die einzelnen Laufzeitkurven der 5 bis 7 ineinander
verschachtelt bzw. miteinander kämmend,
sich also gegenseitig verdichtend, dargestellt werden. Es müßte also
erst die erste Laufzeitkurve der 5 dargestellt werden,
darunter die erste Laufzeitkurve der 6, darunter
die erste Laufzeitkurve der 7 und darunter
wiederum die zweite Laufzeitkurve der 5 usw.
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8 zeigt
in vergrößerter Darstellung
das Empfangssignal eines Empfangssensorsegmentes nach einer entsprechenden
Laufzeit, also quasi einen Ausschnitt aus einer Laufzeitkurve gemäß den 5 bis 7,
der die entsprechende Empfangsamplitude zeigt, jedoch nicht als
Ergebnis einer entsprechenden Messung, sondern rein theoretisch gewonnen
aus einer mathematischen Korrelation bzw. Interpolation von Laufzeitkurven.
Es handelt sich also um eine unter Verwendung von Speicherkanälen 14a und 14b gewonnene
errechnete Kurve zur weiteren Vervollständigung der durch Messungen gewonnenen
Informationen.
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Um
zu demonstrieren, daß eine
solche mathematische Information einer durch Messung zu erhaltenen
Information entspricht, ist im Vergleich dazu in der 9 eine
entsprechende Meßkurve
aufgezeichnet, die durch Messung an der entsprechenden Stelle, also
in der entsprechenden Winkelrichtung, mit Hilfe eines herkömmlichen
Einzel-Empfangssensors gewonnen worden ist. Beide Informationen
können
von nebensächlichen
Abweichungen abgesehen relativ genau zur Deckung gebracht werden.
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Damit
wird deutlich, daß aufgrund
der möglichen
Berechnungen unter Berücksichtigung
mathematischer Korrelationen in Überlappungsbereichen zwei
einander überlappender
benachbarter Keulenformen, egal ob diese tatsächlich räumlich oder zeitlich nach einer
Drehung zueinander benachbart sind, weitere Informationen erhältlich sind,
die tatsächlichen
Gegebenheiten entsprechen und diese also unter Ersparung weiterer
Messungen wiedergeben.
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Außerdem soll
noch in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß aus Formatgründen in
den 8 und 9, anders als in den 5 bis 7,
die Amplitude des entsprechenden Empfangssignales in waagerechter
Richtung, also eigentlich in Abszissenrichtung, und die Laufzeit-Entfernungsinformation
in senk rechter Richtung, also eigentlich in Ordinatenrichtung, aufgetragen
ist.