DE19846428A1

DE19846428A1 - Objektortung

Info

Publication number: DE19846428A1
Application number: DE19846428A
Authority: DE
Inventors: Michael Peter Hopwood; Richard William Fling
Original assignee: Radiodetection Ltd
Current assignee: Radiodetection Ltd
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 1999-05-12
Also published as: GB9821397D0; US6107801A; GB9721377D0; GB2330204A; GB2330204B

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Orten unzugänglicher Objekte, insbesondere jedoch nicht ausschließlich auf die Ortung von unter irdischen Bohrwerkzeugen.

Bekannt ist, bei der Ortung von unterirdischen Objekten dafür zu sorgen, daß von dem Objekt oder einer daran befestigten Feldquelle ein Magnetfeld erzeugt wird. Im Fall unterirdischer Leiter, etwa Kabel oder Rohre, kann durch den Leiter ein Wechselstrom geschickt werden, um ein zylindrisches Magnetfeld mit einer auf dem Bodenniveau erfaßbaren Feldstärke zu er zeugen. Durch Messen der Variation der Feldstärke an der Oberfläche kann der Weg des unterirdischen Leiters bestimmt werden.

Die Ortung von Objekten wie von Bohrwerkzeugen unter der Erdoberfläche kann normalerweise in dieser Weise nicht durchgeführt werden, da kein zylindrisches Feld erzeugt werden kann. Statt dessen ist dann im Bohrwerkzeug eine Magnetfeldquelle montiert und wird das Feld dieser Feldquelle erfaßt. Diese Feldquelle kann ein Solenoid sein. Wenn durch das Solenoid ein Wechselstrom fließt, wird ein bipolares Magnetfeld er zeugt, das an der Oberfläche durch eine Person mit einem Handdetektor erfaßt werden kann. Die vertikale Komponente des Feldes an der Oberfläche verändert ihre Richtung, wenn der Felddetektor direkt über dem Solenoid ist, wenn angenommen wird, daß das Solenoid horizontal liegt. Daher kann durch Aufnehmen der Position, an der sich diese Feldkomponente umkehrt, die Position des Solenoids in einer horizontalen Ebene bestimmt werden. Wenn dies kontinuierlich durchgeführt wird, kann die Bewegung des Bohrwerkzeuges, an dem das Solenoid montiert ist, verfolgt werden. Die Tiefe des Solenoids kann auch durch Messen der Abschwächung des Felds an der Oberfläche bestimmt werden. Natürlich muß dazu die Feldstärke des Solenoids bekannt sein.

In der WO 96/29615 haben wir die Ortung eines unzugänglichen Objekts beschrieben durch Erfassen des durch ein Solenoid in einer entfernten Lage erzeugten Magnetfelds unter Ausnutzung der Beziehung zwischen dem Verhältnis des axialen und des radialen Magnetfelds an einem be liebigen Punkt in der die Achse des Solenoids enthaltenden Ebene und dem Winkel zwischen der Achse des Solenoids und der den Punkt mit dem Solenoidmittelpunkt verbindenden Linie. Wenn sich die Orientierung des Solenoids verändern kann, etwa bei einem unterirdischen Bohrwerkzeug, war es dabei erforderlich, daß das Bohrwerkzeug einen Neigungssensor zum Bestimmen der Orientierung des Solenoids relativ zur Horizontalen aufweist. Dies erlaubt die Bestimmung des axialen und des radialen Felds aus den gemessenen Feldern.

Nachteiligerweise sind die in der WO-A-96/29615 beschriebenen Anord nungen am wenigsten genau, wenn der Detektor der Position vertikal über dem Solenoid nahekommt. Dies ist ferner der Punkt, an dem die Resultate durch eine Neigung des Solenoids am stärksten beeinflußt sind. Daher hat diese Erfindung zum Ziel, eine Anordnung anzugeben, um die Bewegung eines Detektor in eine Position vertikal über (oder möglicherweise vertikal unter) einem ein Solenoid tragenden unzugänglichen Objekt zu erlauben.

Im allgemeinsten Sinn schlägt die Erfindung vor, daß ein Detektor das vertikale und das horizontale Feld des Solenoids an dem unzugänglichen Objekt erfaßt und diese Information verarbeitet wird, um das Verhältnis des vertikalen und des horizontalen Feldes in einer Position vertikal über (oder unter) dem Solenoid vorherzusagen. Der vorhergesagte und der gemesse ne Wert des Verhältnisses werden verglichen und der Detektor bewegt, bis der vorhergesagte und der gemessene Wert übereinstimmen. An diesem Punkt liegt der Detektor vertikal über dem Solenoid. Bei der Vorhersage des vertikalen und des horizontales Feldes müssen in Betracht gezogen werden sowohl der Abstand zwischen dem Detektor und dem Solenoid als auch die Neigung des Solenoids.

Somit werden die vertikale und die horizontale Feldstärke gemessen unter Verwendung eines Detektors mit zumindest einer vertikalen und zumindest einer horizontalen Erfassungsantenne. Aus diesen Messungen werden die Verhältnisse der Feldstärken bestimmt sowie der Abstand zwischen dem Detektor und dem Solenoid. Ferner wird die Neigung des Solenoids ermittelt, die erhalten werden sollte zum Beispiel von einem an dem unzugänglichen Objekt montierten Neigungssensor. Unter Verwendung dieser Messungen ist eine Vorhersage des Verhältnisses der vertikalen und der horizontalen Feldstärke direkt über (oder unter) dem Solenoid möglich und kann mit dem Meßwert des Verhältnisses verglichen werden. Der Bediener bewegt dann den Detektor auf das Solenoid zu (auf eine Position vertikal über (oder unter) dem Solenoid zu). Wenn der vorhergesagte und der gemessene Wert übereinstimmen, liegt der Detektor vertikal über (oder unter) dem Solenoid.

Bei einer solchen Anordnung ist normalerweise eine festgelegte Beziehung zwischen zumindest der horizontalen Antenne des Detektors und dem Solenoid notwendig, so daß die Orientierungen der Felder des Solenoids und der horizontalen Spulenantenne gleich sind. Dies erlaubt, daß der Detektor korrekt relativ zu dem Solenoid orientiert wird, weil anderenfalls der Vergleich des vorhergesagten und des gemessenen Werts des hori zontalen und des vertikalen Feldes nicht an dem richtigen Ort zur Über einstimmung führt, zumindest wenn das Solenoid geneigt ist.

Wenn der Detektor die richtige Orientierung hat, muß er "auf das Solenoid zu" bewegt werden. Wiederum muß diese Richtung bestimmt werden. Es gibt verschiedene Wege dies durchzuführen. Wenn das verborgene Objekt ein sich von einer Anfangsposition zu einer Endposition bewegendes Bohrwerkzeug ist, kann der Bediener zum Beispiel an der Anfangsposition mit dem Detektor starten und sich auf die Endposition Zubettgehen oder umgekehrt. Dies ist jedoch nicht immer praktisch durchführbar. Alternativ kann der Detektor die Feldstärken des Solenoidsmessen, eine Bewegung des Detektors messen und dann die gemessenen Feldstärken an auf einander folgenden Stellen vergleichen. Wenn die Feldstärke ansteigt, be wegt sich der Detektor auf das Solenoid zu. Eine weitere Alternative besteht jedoch darin, das gemessene Verhältnis der vertikalen zur horizontalen Feldstärke und den vorhergesagten Wert dieses Verhältnisses direkt über dem Solenoid zu verwenden. Die Variation dieser beiden Werte von der Position direkt über dem Solenoid weg ist vorhersagbar und kann verwen det werden zum Bestimmen der Richtung auf das Solenoid zu. Diese Vor gehensweise hat den Vorteil, daß sie keinen Vergleich zwischen Meß werten der Feldstärken erfordert.

Eine weitere Komplikation besteht darin, daß es bei einigen Neigungs winkeln des Solenoids eine Position geben kann, die zwar nicht direkt über dem Solenoid liegt, bei der jedoch der gemessene und der vorhergesagte Wert für das Verhältnis der Feldstärken übereinstimmen. Wenn diese Posi tion überhaupt existiert, ist sie von dem Solenoid relativ weit entfernt. Es ist daher bevorzugt, daß in der Nähe des Punkts direkt über dem Solenoid ein Erfassungsbereich definiert wird und dafür gesorgt wird, daß erfaßt wird, wenn der Detektor sich innerhalb des Erfassungsbereichs befindet, oder dafür zu sorgen, daß der Detektor nur innerhalb des Erfassungsbereichs betrieben werden kann. Unter der Voraussetzung, daß sich der Bediener nur innerhalb dieses Erfassungsbereichs bewegt, gibt es nur einen Punkt, an dem der gemessene und der vorhergesagte Wert für das Verhältnis übereinstimmen.

Im Folgenden wird als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung magnetischer Felder über einem stromtragenden Solenoid ist;

Fig. 2 Fig. 1 entspricht, jedoch bei geneigtem Solenoid;

Fig. 3 ein die Variation des Verhältnisses des vertikalen zum horizontalen Feld mit dem Abstand von dem Punkt vertikal über dem Solenoid darstellendes Diagramm ist, wobei das Solenoid wie in Fig. 1 liegt;

Fig. 4 ein Fig. 3 entsprechendes Diagramm ist, jedoch mit geneigtem Solenoid wie in Fig. 2;

Fig. 5 ein Diagramm ähnlich Fig. 3 ist, jedoch mit eingezeichneten Bezugsziffern;

Fig. 6 ein Diagramm der Variation der geschätzten Tiefe mit der Position ist;

Fig. 7 die Antennenanordnung des Detektors aus Fig. 1 zeigt;

Fig. 8a bis 8c das äußere Erscheinungsbild eines Beispiels für eine praktische Ausführung des Detektors aus Fig. 1 zeigen; und

Fig. 9 ein schematisches Blockdiagramm einer Schaltung für die Erfassung aus Fig. 8 zeigt.

Der Grund für das Bedürfnis nach dieser Erfindung wird zunächst diskutiert anhand der Fig. 1 und 2. Fig. 1 zeigt die mit dem Detektor 10 über der Bodenoberfläche 11 erfaßbaren Magnetfeldmuster, wenn unter der Boden oberfläche 11 eine Spule 12 ist. In Fig. 1 liegt die Achse der Spule 12 hori zontal. Der Detektor 10 weist eine vertikale Antenne 13 und eine hori zontale Antenne 14 auf (die wiederum in der Form einer oder mehrerer Spu len ausgeführt sein können). Das von der vertikalen Antenne 13 über der Bodenoberfläche 11 erfaßte Feldmuster ist dabei gezeigt durch die durch gezogene Linie 15 und das von der horizontalen Antenne 14 erfaßte Feld durch die gestrichelte Linie 16. Es ist zu erkennen, daß das von der hori zontalen Antenne 14 erfaßte Feld einen durch den Pfeil 17 dargestellten Maximalwert vertikal über der Spule 12 hat. Die Position dieses Maxi malwerts tritt an einem Punkt zwischen zwei Maxima des von der vertikalen Antenne 13 erfaßten Feldes auf.

Fig. 2 illustriert die Situation, wenn die Spule 12 aus der Horizontalen verkippt ist. Wenn die Spule 12 geneigt ist, erfaßt die horizontale Antenne 14 immer noch einen dem Pfeil 17 entsprechenden Maximalwert, und dieser Maximalwert tritt auf zwischen den beiden Maxima des von der vertikalen Antenne 13 erfaßten Feldes. Jedoch ist bei geneigter Spule die Position des Maximums des von der horizontalen Antenne 14 erfaßten Feldes, dem Pfeil 17 entsprechend, um eine Strecke D aus der Position direkt über der Spule 12 verschoben. Daher wird ein Fehler bei der Bestimmung der Posi tion der Spule 12 auftreten, wenn man sich ausschließlich auf dieses dem Pfeil 17 entsprechende Maximum verlassen würde.

Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, eine Möglichkeit zur Kor rektur der Verschiebung D auf der Basis der von der vertikalen und von der horizontalen Antenne 13, 14 des Detektors 10 beim über die Spule 12 Hin überbewegen gemessenen Feldstärken anzugeben. Anzumerken ist, daß in den Fig. 1 und 2 eine horizontale Bodenoberfläche 11 angenommen wird, dies jedoch nicht der Fall sein muß und diese Erfindung auch auf Situationen anwendbar ist, bei denen der Boden selbst gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Darüber hinaus muß der Detektor selbst nicht vertikal sein, solange seine Neigung bekannt ist. Wenn der Detektor geneigt ist, so daß die Antennen 13, 14 nicht vertikal bzw. horizontal sind, müssen die von diesen Antennen 13, 14 erfaßten Signale unter Verwen dung des Neigungswinkels des Detektors korrigiert werden, um die hori zontale und die vertikale Feldstärke zu bestimmen.

Erfindungsgemäß werden die horizontale und die vertikale Feldstärke gemessen unter Verwendung der Antennen 13, 14 und das Verhältnis der Messungen bestimmt. Wie im Einzelnen nachfolgend beschrieben, ist es unter Verwendung der Neigung des Solenoids 12 entsprechender Infor mationen und des Abstandes zwischen dem Detektor 10 und dem Solenoid 12 möglich, vorherzusagen, welches Verhältnis des vertikalen Feldes zum horizontalen Feld vorläge wenn der Detektor 10 vertikal über dem Solenoid 12 läge. Daher können die gemessenen und die vorhergesagten Werte ver glichen werden. Wenn sie übereinstimmen, liegt der Detektor 10 vertikal über dem Solenoid 12. Die Bestimmung des Vorhersagewerts für das Ver hältnis kann die in Fig. 2 illustrierte Verschiebung des vertikalen und des horizontalen Feldes bei einer Neigung des Solenoids 12 gegenüber der Horizontalen berücksichtigen und somit einen Schätzwert erzeugen, der mit dem Meßwert übereinstimmt, wenn der Detektor 10 tatsächlich direkt über dem Solenoid 12 ist.

Die Bestimmung des tatsächlichen und des vorhergesagten Verhältnisses des vertikalen zum horizontalen Feld wird nun diskutiert. Man beachte, daß das "vorhergesagte" oder "Ziel"-Verhältnis das vorhergesagte Verhältnis direkt über dem Solenoid 12 ist, während das tatsächliche Verhältnis das an der momentanen Position des Detektors gemessene ist. Der erste Schritt ist, an dem Detektor die Feldstärken des an der horizontalen und vertikalen Achse zu messen. Diese sind gegeben durch die folgenden zwei Gleichungen:

Dann ist es erforderlich, die Eigenschaften des Detektors 10 zu definieren.

tip: = 0.05 Tip to B_V distance
B_Voff: -0.069 Ground to B_V
T_Ooff: = 0.753 Ground to T_O
B_Vpos_n: = (pos_n depth_n + B_Voff) B_O position
T_Opos_n: = (pos_n depth_n + T_Ooff) T_O position
B_Vvec_n: = (O 1) B_V vector
T_Ovec_n: = (1 O) T_O vector

In den obigen Gleichungen ist n der momentane Meßpunkt, und in der folgenden Diskussion wird angenommen, daß es N solche Meßpunkte gibt. Diese Zahl ist natürlich beliebig, weil hier der Meßpunkt einer bestimmten Position des Detektors 10 relativ zu dem Solenoid 12 entspricht.

Dann ist es erforderlich, eine Korrekturmatrix zu definieren, die die Mes sungen bezüglich der Neigung korrigiert.

Somit gilt:

B_Vp_n: = B_Vpos_n.T_n
B_Vv_n: = B_Vvec_n.T_n

Somit:

Also:

T_Op_n: = T_Opos_n.T_n
T_Ov_n: = T_Ovec_n.T_n

Dies ergibt B_V für den Neigungswinkel des Solenoids 12.

Dies ergibt T_O für den Neigungswinkel des Solenoids 12.
Dann werden die erfaßten Signale analysiert:

Aus den obigen Berechnungen kann die Feldstärke am Punkt n mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

Ferner ist dann das Verhältnis der gemessenen horizontalen zur vertikalen Feldstärke gegeben durch:

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Beziehung zwischen Größe und Zielverhältnis (für den Punkt direkt über dem Solenoid 12) für verschiedene Neigungswinkel in geeigneten Tabellen aufgezeichnet. Die Größe dieser Tabellen kann abhängen von dem verfügbaren Speicherplatz, wie im Folgenden beschrieben ist es jedoch möglich, innerhalb der Werte in den Tabellen zu interpolieren. Obwohl die Tabellen theoretisch die Werte für alle möglichen Neigungen und allen möglichen Abstände enthalten stellt sich darüber hinaus heraus, daß dies in der Praxis nicht notwendig ist. Zumindest wenn die Erfindung bei einem Bohrwerkzeug angewendet wird, liegt der üblicherweise zulässige Bereich von Neigungswinkeln zwischen ±45°, und liegen normale Tiefen im Bereich bis 30 m. Aus diesen Einschrän kungen lassen sich geeignete Tabellen ableiten.

In der folgenden Diskussion sind diese Tabellen definiert wie folgt:

mag_table: = READPRN (magtab) Größentabelle für die Tiefe
rat_table: = READPRN (rattab) Zielverhältnistabelle
A: = cols (rat_table) Zahl der Neigungswerte
M: = rows (rat_table) Zahl der Tiefenwerte

Diese Terminologie leitet sich ab von dem von Microsoft Inc. hergestellten Mathcad-Programm, und die Tabellen sind eine Matrix von Lösungen des zuvor beschriebenen mathematischen Modells. Insbesondere wird mag_table verwendet zur Bestimmung eines Schätzwerts für die Tiefe aus Eingangswerten von der horizontalen und der vertikalen Antenne und dem Neigungswinkel des Solenoids. Rat_table wird verwendet zum Bestimmen des Zielverhältnisses direkt über (oder unter) dem Solenoid unter Verwen dung eines aus mag_table und der Neigung abgeleiteten Schätzwertes für die Tiefe.

Dann ist es erforderlich, die Klammern für die Neigung zu bestimmen:

Dann ist das Interpolationsverhältnis für die Neigung zu berechnen:

Als nächstes werden die Tabelle für die Tiefe und das Verhältnis erzeugt:

depth_table_n,m: = mag_table_{m,tilt_high_n}.high_mix_n + mag_table_{m,tilt_low_n}.(1-high_mix_n)

ratio_table_n,m: = rat_table_{m,tilt_high_n}.high_mix_n + rat_table_{m,tilt_low_n}.(1-high_mix_n)

Damit findet man die Klammern für die Tiefe:

Dann wird das Interpolationsverhältnis für die Neigung berechnet:

Als nächstes wird die gemessene Tiefe berechnet:

Est_depth_n: = depth_mix_n.mag_table_{depth_high_n,0} + (1-depth_mix_n).mag_table_{depth_low_n,0}

Schließlich wird das Zielverhältnis berechnet:

Targ_ratio_n: = depth_mix_n.ratio_table_{n,depth_high_n} + (1-depth_mix_n).ratio_table_{n,depth_low_n}

Dann ist das Zielverhältnis der vorgesagte Wert für das Verhältnis der verti kalen zur horizontalen Feldstärke für die Position n und kann somit direkt verglichen werden mit dem wie zuvor beschrieben bestimmten tatsächlichen Verhältnis.

Die Fig. 3 und 4 illustrieren die Beziehung zwischen dem gemessenen Verhältnis des vertikalen zum horizontalen Feld und den vorhergesagten Werten für dieses Verhältnis vertikal über dem Solenoid 12 in den Fig. 1 und 2. In Fig. 3 liegt das Solenoid 12 horizontal, wie in Fig. 1, und es ist daher möglich, festzustellen, daß das vorhergesagte Verhältnis immer Null sein sollte, wie durch die gestrichelte Linie 20 dargestellt, weil das vertikale Feld direkt über dem Solenoid 12 Null ist. Der durch die durchgezogene Linie 21 dargestellte Meßwert variiert dann. Wie aus den Fig. 3 und 4 zu sehen, geht der Meßwert an zwei Punkten 23 und 24 gegen Unendlich, wo es keine realen Lösungen für den Meßwert gibt. Ersichtlicherweise treten die Punkte 23, 24, in denen der Meßwert gegen Unendlich liegt (diese Punkte werden im Folgenden bequemlichkeitshalber als "Polstellen" bezeichnet) an von der Position direkt über dem Solenoid 12 entfernten Positionen auf und entsprechen den Nullpunkten des in den Fig. 1 und 2 mit der gestrichelten Linie 16 gezeichneten horizontalen Feldes, wobei der Meßwert des Verhältnisses entsprechend der durchgezogenen Linie 21 den der gestrichelten Linie 20 entsprechenden vorhergesagten Wert nur in der Position 22 schneidet, die vertikal über dem Solenoid 12 liegt.

Die Situation ist sehr viel komplexer, wenn das Solenoid 12 geneigt ist, wie in Fig. 2. Dieses ist in Fig. 4 dargestellt. Da der vorhergesagte Wert für das Verhältnis ermittelt ist aus Messungen der tatsächlichen Werte des vertikalen und des horizontalen Feldes, variiert der vorhergesagte Wert selbst mit der momentanen Position des Detektors 10 relativ zu dem Solenoid 12. Dies ist durch die gestrichelte Linie 30 dargestellt. Wie zu erkennen ist, folgt die gestrichelte Linie 30 nicht der Linie, an der das Verhältnis Null ist, anders als in Fig. 3. Dennoch schneidet der durch die gestrichelte Linie 30 dargestellte vorhergesagte Wert des Verhältnisses die dem Meßwert des Verhältnisses entsprechende durchgezogene Linie an ei nem Punkt 31, der vertikal über dem Solenoid 12 liegt. An diesem Punkt 31 ist das Verhältnis jedoch nicht Null, wie anhand Fig. 2 zu erkennen ist. Das Verhältnis ist Null an der Position des Pfeils 17, der der Position 32 in Fig. 4 entspricht, jedoch wird aus Fig. 2 klar, daß dieser Punkt nicht direkt über dem Solenoid 12 liegt, sondern um einen Abstand D verschoben ist. Wie zuvor bereits erwähnt, variiert die Form der gestrichelten Linie, die dem vorhergesagten Wert des Verhältnisses entspricht, mit der Neigung des Solenoids 12. Wenn die Neigung des Solenoids ansteigt, bewegt sich die Linie 30 von dem Nullwert des durch die gestrichelte Linie 20 in Fig. 3 dargestellten Verhältnisses weg.

Somit wird zumindest bezüglich Messungen zwischen den Polstellen 23, 24 des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Verhältnisses eine Bewegung des Detektors 10 auf das Solenoid 12 zu eine gegenseitige Annäherung der gemessenen und vorhergesagten Werte bewirken, bis sie übereinstimmen, wenn der Detektor 10 direkt über dem Solenoid 12 liegt. Es besteht keine Notwendigkeit für eine Speicherung vorheriger Werte des Verhältnisses, da aus jeder Messung ein Vorhersagewert abgeleitet werden kann, und die Position, in der der Detektor 10 vertikal über dem Solenoid 12 ist, nur identifiziert wird, wenn es Übereinstimmungen gibt.

Fig. 4 jedoch illustriert ein Problem für einige Werte der Neigungen des Solenoids 12, nämlich daß es einen von der Position vertikal über dem Solenoid 12 entfernten Punkt 33 geben kann, bei dem der durch die Linie 30 dargestellte vorhergesagte Wert des Verhältnisses mit dem durch die durchgezogene Linie 21 dargestellten Meßwert übereinstimmt. Wenn in der Nähe dieses Punkts 33 anfängliche Messungen durchgeführt wurden, kann die Bestimmung der Position des Solenoids 12 fehlerhaft sein.

Es ist daher notwendig, solche falschen Übereinstimmungen zu eliminieren, die nur außerhalb des durch die Polstellen 23, 24 definierten Bereiche auftreten können. Daher ist es bevorzugt, eine Möglichkeit zu haben, um festzustellen, daß die Messungen innerhalb dieser Polstellen 23, 24 liegen. Es gibt verschiedene Wege, dies zu tun. Ein einfacher Weg ist die Erfassung der Position der Polstellen 23, 24 selbst, und den Vergleich der gemessenen und vorhergesagten Werte der Verhältnisse nur zu beginnen, wenn von dem Detektor eine Polstelle überquert worden ist. Natürlich muß sich die Bewegung des Detektors 10 auf das Solenoid 12 zu richten, wenn die Polstelle einmal überquert worden ist, um fehlerhafte Resultate wegen der Erfassung einer Asymptote 23, 24 zu vermeiden und dann eine Bewegung weg von dem Solenoid 12, die dazu führen könnte, daß der Detektor 10 an der Position 33 in Fig. 4 ankommt.

Ein weiterer Weg ist die Verwendung von aus Schätzwerten für die Tiefe des Solenoids 12 abgeleiteten Werten. Dieses Verfahren verwendet vier Werte, nämlich:

Diese vier Werte sind ausgewählt, weil sie zuverlässige Modusumwechsel- Steuerfunktionen bilden, so daß der Detektor erfassen kann, wenn er durch die Polstellen 23, 24 tritt. Natürlich müssen in tatsächlichen Situationen die Meßgenauigkeit, Interferenzen und Störungen sowie Rauschen berück sichtigt werden.

Die vier Werte sind Funktionen der geschätzten Tiefe und können somit dem Diagramm in Fig. 3 zugefügt werden, wie in Fig. 5 gezeigt. In Fig. 5 ist der Wert 1 gezeigt durch die Linie 40, der Wert 2 durch die durchge zogene Linie 41, der Wert 3 durch die gestrichelte Linie 42 und der Wert 4 durch die strichpunktierte Linie 43.

Wenn nun der Detektor auf der positiven Seite des Solenoids 12 ist, wenn die Erfassung beginnt, wird der Detektor ausgelöst, wenn der gemessene Wert des Verhältnisses des vertikalen zum horizontalen Feld zwischen den Werten 1 und 3 liegt (Kurven 40 und 42). Wie zu erkennen ist, ist dies notwendig auf der negativen Seite der Polstellen 23. Wenn der Detektor auf der negativen Seite des Solenoids 12 startet, wird der Detektor in vergleichbarer Weise ausgelöst, wenn der Meßwert des Verhältnisses zwischen den Werten 2 und 4 liegt. Wie wiederum aus Fig. 5 zu erkennen ist, ist dies notwendig im weniger negativen Bereich als die Polstellen 24.

Diese Anordnung und tatsächlich auch die in den Fig. 3 und 4 dar gestellten Beziehungen hängen ab von einer Konvention zur Bezeichnung der Richtung der horizontalen Spule 14 des Detektors 10 relativ zu dem Solenoid 12. Die durch die Linien 15 und 16 in den Fig. 1 und 2 darge stellten Felder haben in unterschiedlichen Abständen von dem Solenoid 12 unterschiedliche Phasen, wie in den Fig. 1 und 2 mit den eingekreisten negativen und positiven Symbolen dargestellt. Die Berechnung des Schätz werts des Verhältnisses muß auf einer Annahme zu der relativen Orien tierung der horizontalen Antenne 14 und des Solenoids 12 beruhen, und es ist bevorzugt, diese beiden als gleichgerichtet zu bezeichnen, wenn sie die gleiche Schraubenformrichtung haben. Dies ermöglicht eine korrekte Orien tierung des Detektors 10 bei der Bewegung auf das Solenoid 12 zu. Bei Orientierung mit der horizontalen Antenne 14 in der umgekehrten Richtung würde der Meßwert des Verhältnisses ungefähr der strichpunktierten Linie 34 in Fig. 4 entsprechen, die die das vorhergesagte Verhältnis darstel lende Linie 30 an einem Punkt 35 schneidet, der nicht direkt über dem Solenoid 12 liegt. Es wäre natürlich möglich, die Berechnung des Vor hersagewerts des Verhältnisses unter der Annahme zu verändern, daß die horizontale Antenne 14 und das Solenoid 12 in entgegengesetzter Aus richtung sind, und dies würde die Position der gestrichelten Linie 30 in Fig. 4 in eine Position bewegen, in der sie mit der strichpunktierten Linie 34 übereinstimmt, wenn der Detektor 10 direkt über dem Solenoid 12 ist. Somit ist die Wahl der Ausrichtung oder der entgegengesetzten Ausrichtung möglich, jedoch nur, wenn die Berechnung des vorhergesagten Wertes entsprechend angepaßt ist.

Die Berechnung des vorhergesagten Wertes des Verhältnisses hängt ferner ab von einer Messung des Abstandes von dem Detektor 10 zu dem Solenoid 12. Es gibt viele Arten, einen geeigneten Abstandswert zu er mitteln. Wenn die magnetische Feldstärke des Solenoids 12 bekannt ist, dann ist die Abnahme der Feldstärke mit dem Abstand von dem Solenoid ebenfalls vorhersagbar, und daher gibt eine Messung der Feldstärke an einem beliebigen Punkt ein Maß für den Abstand von dem Detektor 10 zu dem Solenoid 12. Wenn die Feldstärke des Solenoids nicht bekannt ist, müssen in einem bekannten Abstand voneinander zwei Feldstärken aufgenommen werden und kann damit die Feldstärke des Solenoids bestimmt werden.

An Positionen sehr nah zu der Position vertikal über dem Solenoid (zum Beispiel innerhalb von weniger als 0,2 m) verändert sich der Schätzwert der Tiefe erheblich mit der Position, und dies verursacht eine erhebliche Veränderung in dem Wert des vorhergesagten Verhältnisses. Dies ist dar gestellt in Fig. 6. Fig. 6 illustriert den Fall einer Tiefe von 1,0 m. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist bei Positionen nahe der Position direkt über dem Solenoid 12 die Variation der geschätzten Tiefe mit der Position sehr groß. Für die Tiefe 1,0 m in einem Bereich von ± 0,02 m ist der Tiefenschätzwert veränderlich von +25% bis -28%. Daher beeinflußt jede kleine Ver änderung der Position die anderen Faktoren, die von der geschätzten Tiefe abhängen, erheblich.

Wenn eine absolute Genauigkeit erwünscht ist, könnte der Bediener des Detektors 10 viel Zeit damit verbringen, zu versuchen, in eine Position exakt über dem Solenoid 12 zu gelangen, da die Messung sehr kritisch posi tionsempfindlich ist. Jedoch ist bei den meisten praktisch in Betracht ste henden Objekten, etwa Bohrwerkzeugen, eine Bestimmung der Position auf ± 0,2 m für die praktischen Belange ausreichend genau. Daher kann es besser sein, dem Bediener anzuzeigen, wenn ein Bereich von ± 0,2 m "über" dem Solenoid 12 erreicht ist, und dann die Tiefe rückzuberechnen, als wenn der Detektor 10 tatsächlich direkt über dem Solenoid wäre, so daß eine genaue Tiefenablesung erreicht werden kann.

Fig. 7 zeigt im Einzelnen die Antennenanordnung innerhalb des Detektors 10. Wie in Fig. 7 gezeigt, gibt es eine vertikale Antenne 50 (vertical aerial), eine horizontale Antenne 51 (horizontal aerial), die bei ihrer Ver wendung so angeordnet ist, daß sie senkrecht zu der Richtung auf das Solenoid 12 zu liegt, und zwei horizontale In-Line-Antennen 52, 53, deren Achsen somit auf das Solenoid zu gerichtet sind (oder genauer gesagt auf einen Punkt über dem Solenoid zu).

Unter Verwendung dieser Antennenanordnung ist es möglich, das vertikale und das horizontale Feld zu erfassen, wie zuvor beschrieben, jedoch auch sicherzustellen, daß die Antennenanordnung relativ zu dem Solenoid richtig orientiert ist. Solche Orientierungsmessungen sind konventionelle Signalverarbeitungen und werden daher nicht im Einzelnen beschrieben.

Die Antennenanordnung (antenna array) aus Fig. 7 kann zusammen mit einer geeigneten Signalverarbeitungsschaltung untergebracht sein in einer mit der Hand tragbaren Einheit. Gemäß den Fig. 8a bis 8c weist eine solche tragbare Einheit ein Gehäuse 90 mit einem den Empfänger aus Fig. 7 beinhaltenden Hauptteil 91, einen Handgriff 92, einen Anzeigeteil 93 und die In-Line-Antennen 52, 53 aus Fig. 7 tragende Vorsprünge 100 auf.

Das Gehäuse 90 kann kombiniert sein mit einer konventionellen mit der Hand tragbaren Ortungsgerätstruktur, um eine Vorabortung des Bohr werkzeugs zu erleichtern. Zur Vorabortung verwendet das Ortungsgerät die Anordnungen bzw. Arrays 20 und 21 zum Erfassen und Orten unter Ver wendung in diesem technischen Gebiet bereits bekannter Techniken.

Fig. 8b zeigt die Struktur der Einheit 90 in weiteren Einzelheiten. Der Hauptteil 91 der Einheit 90 kann ein Extrusionskörper sein, mit einem Spritzgußfuß 94 an seinem einen Ende. Der Anzeigeteil 93 und der Hand griff 92 sind hergestellt durch Spritzguß. Fig. 8b zeigt ferner, daß der An zeigeteil 93 einen Anzeigeschirm 95 aufweist, um dem Bediener Infor mationen darzustellen.

Wenn die Ortung durchgeführt worden ist, kann die Einheit 90 in ein Basis gehäuse 96 hineingelassen werden, wie in Fig. 8b gezeigt. Das Basis gehäuse wird dann positioniert und ausgerichtet als Richtwert für die fort laufende Verfolgung des Bohrwerkzeugs mit Hilfe seiner Solenoidspule 30.

Die Signalverarbeitungsschaltung zum Analysieren der Ausgangssignale der Antennenanordnung aus Fig. 7 ist gezeigt in Fig. 9. Wie aus Fig. 9 zu sehen ist, wird das Ausgangssignal einer Antenne 100, die eine beliebige der Antennen 50-53 sein kann, durch einen Vorverstärker 101, ein Bandpaßfilter 102 und einen Verstärker 103 mit einstellbarer Verstär kung zu einem Quadraturmischer bzw. Phasenverschiebungsmischer 104 geführt. Dieser Mischer 104 empfängt zwei Signale aus einem Syn thetisierer 105, wobei ein Signal durch einen Phasenverschieber 106 um 90° gegenüber dem anderen phasenverschoben ist. Wie zu erkennen ist, enthält der Mischer 104 Filter. Die Ausgangssignale dieses Mischers 104, die aus dem Signal aus dem Verstärker 103 jeweils gemischt mit den bei den Signalen aus dem Synthetisierer 105 abgeleitet sind, bilden Eingangs signale für einen Multiplexer 107. Dieser Multiplexer 107 empfängt ent sprechende Eingangssignale aus anderen Eingangskanälen aus anderen Antennen 50-53 der Antennenanordnung, wobei diese anderen Eingangs kanäle ähnliche Komponenten 101-106 haben.

Der Multiplexer 107 führt die empfangenen Signale über einen Ana log/Digitalwandler 108 zu einem Demultiplexer 109, so daß die zwei Aus gangssignale des Mischers 104 eines geeigneten Kanals über ent sprechende Digitalsignalprozessoren 110, 111 zu einem Wandler 112 ge führt werden, der die Signale von rechtwinkligen auf Polarkoordinaten umwandelt, um Phasen und Betragssignale zu ermitteln, die dann in einen Computer 113 eingegeben werden. Die Komponenten 110-112 bilden einen Ausgangskanal, wobei ähnliche Ausgangskanäle für die entspre chenden Antennen 50-53 vorgesehen sind, so daß der Computer 113 die Eingangssignale aus jeder Antenne 50-53 empfängt. Der Computer 113 beeinflußt den Eingangskanal ferner durch Steuern der Frequenz des Synthetisierers 105 und der Verstärkung des Verstärkers 103 für jeden Kanal. Die Frequenz kann variiert werden, um den Ausgleich zwischen elektromagnetischen Störungen bzw. elektromagnetischer Interferenz und Feldverzerrungen zu optimieren, wobei sich ersteres mit hoher Frequenz verbessert und letzteres mit niedriger Frequenz verbessert. Die Verstärkung kann so eingestellt werden, daß die Auswirkungen von Störungen und Rauschen im gesamten Signaldynamikbereich minimiert werden, wodurch die Verwendung preiswerter Komponenten möglich ist.

Der Computer führt dann die zuvor beschriebene Verarbeitung aus, um das Zielverhältnis zu bestimmen und dieses Zielverhältnis zu vergleichen mit dem tatsächlichen Verhältnis, und ferner um die anhand der Fig. 5 und 6 beschriebene Verarbeitung durchzuführen. Der Computer erzeugt ein Ausgangssignal für einen Bildschirm 114, der dann dem Benutzer angeben kann, wenn die Einheit 90 direkt über dem Solenoid 12 ist, wobei die Einheit 90 an diesem Punkt in ihr Basisgehäuse 96 hinuntergelassen werden kann.

Der Computer ist ferner verbunden mit einer Tastatur 115, um dem Be nutzer Befehle in den Computer 113 eingeben zu lassen, und kann ferner über eine geeignete Funktelemetrieschaltung 117 mit einer Ausgangs antenne 116 verbunden sein, um eine Übertragung von Signalen an einen entfernten Ort zu ermöglichen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Beziehung zwischen einem Detektor und einem unzugänglichen Objekt, wobei das unzugängliche Objekt eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufweist und das Verfahren die Schritte:

a) Erfassen der horizontalen und der vertikalen Komponente des Magnetfeldes der Erzeugungseinrichtung unter Verwendung des De tektors;
b) Bestimmen des Verhältnisses der erfaßten horizontalen und vertika len Komponente;
c) Bestimmen der Entfernung des Detektors und des Objekts aus der erfaßten horizontalen und vertikalen Komponente;
d) Bestimmen der Neigung des Objekts;
e) Ableiten einer Vorhersage für das Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponente des Magnetfeldes in einer Position vertikal über oder unter dem Objekt in einer der im Schritt (c) bestimmten Entfernung entsprechenden Entfernung von dem Objekt und Berücksichtigen der Neigung des Objekts; und
f) Vergleichen des im Schritt (b) bestimmten Verhältnisses der horizontalen und vertikalen Komponente mit dem im Schritt (e) vorhergesagten Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponente.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ferner mit einer Wiederholung der Schritte (a) bis (f) für aufeinander folgende Positionen des Detektors, bis das bestimmte und das vorhergesagte Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponente übereinstimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die erfaßte horizontale und verti kale Feldstärke für die aufeinander folgenden Positionen des Detektors verglichen werden, um dadurch zu bestimmen, ob die Bewegung des Detektors auf das Objekt zu oder davon weg gerichtet ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem um das Objekt herum ein Erfassungsbereich definiert ist und das Verfahren ferner die Bestimmung beinhaltet, ob sich der Detektor innerhalb des Erfassungsbereichs befindet.

5. System zum Bestimmen der Beziehung zwischen einem Detektor und einem unzugänglichen Objekt mit:
einer mit dem unzugänglichen Objekt verbundenen Erzeugungs einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes;
einer mit dem Objekt verbundenen Sensoreinrichtung zum Bestimmen der Neigung des Objekts;
einer mit dem Detektor verbundenen Einrichtung zum Erfassen der horizontalen und vertikalen Komponente des Magnetfeldes; und
einer Verarbeitungseinrichtung zum Bestimmen des Verhältnisses der erfaßten horizontalen und vertikalen Komponente, Bestimmen der Ent fernung des Detektors und des Objekts aus der erfaßten horizontalen und vertikalen Komponente, Ermitteln eines Vorhersagewerts für das Verhältnis der horizontalen und vertikalen Komponente des Magnetfelds in einer Position vertikal über oder unter dem Objekt in einer der bestimmten Entfernung entsprechenden Entfernung von dem Objekt und Berücksichtigen der Neigung des Objekts und Vergleichen des Verhältnisses der horizontalen und vertikalen Komponente.

6. System nach Anspruch 5 ferner mit einer Einrichtung zum Definieren eines Erfassungsbereichs um das Objekt herum.

7. System nach Anspruch 6 zum Verhindern des Betriebs der Verar beitungseinrichtung, wenn sich der Detektor außerhalb der Erfas sungsbereichs befindet.