DE2057229A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Anzeige von Bohrungsdaten - Google Patents

Description

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Beschreibung DA-4095

zu der Patentanmeldung

- der Firma .

Sperry-Stm Veil Surveying Company p. p. Box 85 ·'■;■' ■ Sugar Land, Texas 77478,* USA

Priorität: 21.11.1969; Nr. 879 008; USA; 21.11.1969; Nr. 879 009; USA; 21.11.1969; Nr. 879 011; USA.

betreffend

Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Anzeige von Bohrungsdaten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Datenübertragung, insbesondere zur Messung von Parametern an einer Stelle und zur Erzeugung eines den Parameter anzeigenden elektrischen Signals zur Übertragung an eine entfernte Stelle über einen einzelnen Leiter.

Beim Bohren von Erdbohrungen soll., oft die Örtliche Lage der Bohrung bestimmt werden,, und zwar nicht nur am Bohrungsgrand, Bondern über den gesamten Verlauf der Bohrung durch die Erdformationen. Zur Bestimmung der Lage von Bohrungen wurden bisher

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verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Derartige Systeme bestehen normalerweise aus einem Gerät zur Messung der Winkellage der Bohrung gegenüber einer Bezugsgröße wie der Horizontalen und zusätzlich aus Einrichtungen zur Bestimmung der Richtung der Bohrung gegenüber einer Bezugsgröße, wie beispielsweise dem magnetischen Nordpol. Ein typisches Gerät zur Bestimmung der Bohrungs-

b lage besteht aus einer Instrumenteneinheit mit einem Kompaß oder einem Kreiselkompaß, verbunden mit einer v/inkeleinheit mit einer Lot-rAnordnung und einer Fotoeinriohtung zur Herstellung einer Fotografie, auf der die Instrumentanzeigen in der Bohrung festgehalten sind. Gemäß der bisherigen Arbeitsweise werden diese Instrumente an Drahtseilen oder mittels besonderer Laufeinrichtungen in das Bohrrohr eingebracht, von wo sie, wie im letzteren Fall, nachfolgend herausgezogen werden, indem das Bohrrohr aus dem Bohrloch entfernt wird. Befindet sich das Instrument wieder an der Oberfläche, so wird die Fotoausrüstung entfernt und der belichte-

P te Film der Instrumentenaufzeichnungen wird an eine geeignete Stelle zur Entwicklung des Films gebracht. Sollen Berechnungen hinsichtlich des Verlaufs der Bohröffnung angestellt werden, so wird die vom Film gewonnene Information in einem Rechner weiter verwendet. Diese Verfahrensweise ist zeitraubend. Sind Entscheidungen hinsichtlich der Weiterführung der bohrung oder zur Änderung des Bohrungoverlaufs notwendig, so können diese nicht eher getroffen werden, als bis der Film entwickelt wurde und aus den angezeigten Parametern der Bohrung Berechnungen angestellt werden

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können. Bei anderen Bohrungs inst rument en we-rden Vielfachleiter zur Leistungsversorgung der Instrumente und zur Übertragung von Daten zur Oberfläche-,, die die Instrumentenfunktion wiedergeben, benötigt. Die Anzahl der Leiter ist bestimmend für Größe und Kosten der Leitung. Ein Einfachleiterkabel ist daher vorzuziehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein System zur Datenübertragung von einem in der Bohrung befindlichen Gerät zur Oberfläche zu schaffen, bei diem die oben aufgeführten Machteile vermieden sind. Hierbei sollen in einer Erdbohrung Daten gemessen und Signale zur Oberfläche gesendet werden, die die in der Bohrung vorliegenden Parameter anzeigen.

Das in der Bohrung liegende bzw. in diese einzubringende

/erf.ind.ungs {gemäße

/Gerat lcaim getrennte Einheiten zur Messung unterschiedlicher Parameter enthalten, beispielsweise solcher Parameter die mit dem Verlauf bzw. der Ausrichtung der Bohrung in Verbindung stehen. Diese Einheiten erzeugen Signale zur Übertragung an die Oberfläche, die die gemessenen Parameter anzeigen. Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Speicherung von Daten in der Bohrung verwendet, die verschiedene gemessene Parameter anzeigt, sowie zur geordneten Abgabe der Daten an einen Leiter zur Übertragung an die Oberfläche. Die Information wird an der Oberfläche deko-

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diert, wieder in die alte Ordnung gebracht .und einem Rechner oder einer Ausgabeeinrichtung zugeführt, um sie bei der Berechnung der von den Parametern abhängigen Bedingungen zu verwenden.

Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

W Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Bohrwerkzeugs mit Instrumenten zur Messung der Winkel- und Azimutal-Parameter der Lage des Werkzeugs bzw. der Meßvorrichtung; Fig. 2 einen Teilschnitt eines Bohrungsinstrumentes zur Messung

der Winkellage des Instrumentes in der Bohrung; Fig. 3 einen Teilschnitt eines Bohrungsinstrumentes zur Messung

der Richtungslage des Instrumentes in der Bohrung; Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer Einrichtung zur Umwandlung der Daten des Instrumentes in Digitalimpulse und zur

fc Zählung und Speicherung der Daten;

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer Einrichtung zum Auslesen der gespeicherten Daten aus dem Instrumentabschnitt zur Übertragung an die Oberfläche;

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer Erweiterung der in Fig. 5 gezeigten Schaltung, zur Kodierung der Daten zur Übertragung an die Oberfläche;

Fig. 7 ein schematisches Ablaufdiagramm der in den obigen Schaltungen auftretenden Wellenformen und Impulse; und

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Pig. 8 ein schematisches Schaltbild der an 'der Oberfläche vorgesehenen Einrichtung zur Dekodierung und Verarbeitung der Daten, um aus ihnen Informationen über die Bohrung zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung wird in Verbindung mit einem Bohrwerkzeug beschrieben. Die Lageparameter eines im Bohrloch befindlichen Instrumentes werden gemessen und an die Oberfläche übertragen. Hier werden die Daten verarbeitet und in einer Form aufgezeichnet, die eine direkte Abr lesung der Bohrungsausrichtung erlaubt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Bohrungswerkzeuges bzw. eines in die Bohrung einzubringenden Geräts, das einen Winkelmeßabschnitt 12 mit einer ersten und zweiten darin befestigten Winkelmeßeinheit 13 bzw. 14 enthält, um die Winkellage von Ebenen im Abschnitt 12 zu messen, die rechtwinklig zueinander liegen. Zwischen den Einheitenist ein Synchronmotor 16 angeordnet, der Abtasteinrichtungen innerhalb der Einheiten antreibt, um so die Parameter der· Meßeinheiten zu steuern, die die Winkellage der Einheiten anzeigen. Der Motor 16 besitzt eine nach oben und eine nach unten ragende Ausgangswelle, durch die entsprechende Abtasteinrichtungen der ersten und zweiten Winkelmeßeinheit 13 bzw. 14 angetrieben werden. Unterhalb des Winkelmeßabsehnittes ist ein Richtungsabschnitt 17 angeordnet, der

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einen Mechanismus zur Messung der Richtung ₍des Gehäuses gegenüber der Brdoberfläche enthält. Der Richtunganeßabschnitt 17 weist ein Gyroskop bzw. einen Kreisel 18 auf, einen Kreiselmotor 19 und eine Kodiereinrichtung 21 zur Erzeugung eines Bezugssignals für die Meßeinheiten. Bin unterer Abschnitt 22 enthält einen Kreisel-Schaltmotor 23 und eine Schaltmotorschaltung 24 zur Steuerung der Präzession des Kreises. Ein oberer Blektronikabschnltt 26 der Instrumenteneinheit enthält eine elektronische Abtastschaltung, Datenzähler und Speichereinheiten.

In Fig. 2 ist eine Winkelmeßeinheit zur Erzeugung von Signalen gezeigt, die die Winkellage des Instrumentes in der Bohrung anzeigen. Die Winkelmeßeinheit enthält ein teilweise geschlossenes Gehäuse 27, an dessen oberem Ende der Synchronmotor .16 angebracht ist. Der Motor besitzt eine mit 3 600 U/min angetriebene Ausgangswelle. Zwischen dem Synchronmotor und dem Gehäuse ist ein Untersetzungsgetriebe 29 befestigt, das zwei Stufen von Ritzeln aufweist, die mit der Ausgangswelle 28 des Synchronmotors zur Reduzierung der Ausgangsdrehzahl desselben verbunden sind. Das Untersetzungsgetriebe 29 enthält eine Ausgangswelle 31, die sich in Längsrichtung vom oberen zum unteren Ende des Instrumentengehäuses erstreckt» Am unteren Ende der*Ausgangswelle dreht sich mit dieser eine Schnecke 37 zum Antrieb eines Schneckenrades 33, das wiederum eine Abtasteinrichtung innerhalb des Instrumentes antroibt. Die Gesamtuntersetzung zwischen der Ausgangswelle des Synchronmotors und dem Schneckenrad 33 innerhalb des Instru-

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mentengehäuses ist so bemessen, daß aas Schneckenrad 33 "bei. einer MotordxeiizaliX von 3 60Q U/min mit 20 ü/min umläuft.

EIe; Winkelmeßeinrichtung und die Abtasteinriciitung liegen innerhalb des Gehäuses und enthalten eine horizontale Achse 36, die sich in der Mitte zwischen seinen beiden Enden quer über das Gehäuse erstreckt. Auf der linken Seite der Achse ist eine Abtastanordnung drehbar befestigt (Fig. 2), die mitjels Lagern und 38 zur drehbaren Lagerung der Anordnung um die Achse versehen ist. Die Abtastanordnung enthält eine vertikale Scheibe 39 mit großem Durchmesser, auf deren einer Seite das kreisförmige Schneckenrad bzw. spiralförmig verzahnte Zahnrad 33 befestigt ist. Das Schneckenrad kämmt mit der Schnecke 32 auf der Welle 31, die sich vertikal durch das Gehäuse erstreckt. Von der vertikalen Scheibe 39 verläuft eine Hülse 41 nach außen, die auf der horizontalen Achse 36 gelagert ist. Auf der Hülse 41 befindet sich ein Isolierzylinder 42. Rings um den Isolierzylinder verlaufen genutete Kommutatorringe 43. Die genuteten Kommutatoren sind elektrisch voneinander isoliert, so daß sich zwischen dem stationären Teil des Instrumentengehäuses und dem umlaufenden Abtastabschnitt getrennte elektrische Strompfade ergeben. Oberhalb der Kommutatoren ist ein Isolierhalter 44 angebracht, der mit der Seitenwand des Gehäuses verbunden ist. Von dem Isolierhalter stehen Sürsten 46 nach unten, die die Kommutatoren berühren. Die oberen ünden der Bürsten sind mit Klemmen 47 versehen,

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die elektrisch mit nicht gezeigten'Leitern innerhalb des Instrumentengehäuses verbunden sind.

Vom äußeren Rand der vertikalen Scheibe 39 des Abtastabschnittes ragen eine Lampe 48 und ein Lampengehäuse 49 zur Mitte des Gehäuses. In der Außenwand des Lampemgehäuses befindet sich ein zur Achse 36 senkrechter, erster Schlitz 51· Längs des Bodenteils des Lampengehäuses 49 ist parallel zur Achse 36 ein zweiter Schlitz 52 angeordnet. An der Scheibe 39 sind ferner eine Fotozelle 53 und ein Gehäuse 54 angebracht, die auf der gleichen Seite wie die Lampe 48 und das Gehäuse 49 nach außen ragen. Von der Fotozelle verlaufen nicht gezeigte Drähte durch die Scheibe zu den Kommutator- bzw. Schleifringen. Das Fotozellengehäuse ist in seiner oberen Seitenwand mit einem Schlitz 56 versehen, der parallel zur Achse 36 liegt. Durch diesen kann von der Lampe 48 Licht in das Gehäuse zur Erregung der -Fotozelle eindringen. Von den Kommutatorringen verlaufen ferner Leitungsdrähte zum Lampengehäuse, um die Lampe mit elektrischer Leistung zu versorgen.

Auf der horizontalen Achse 36 ist ferner gegenüber der Abtastanordnung eine Pendelanordnung befestigt. Die Pendelanordnung enthält eine ringförmige Hülse 57, die auf der Achse angebracht und mittels Lagern an jedem Ende der ringförinigennülse auf der Achse drehbar gelagert let. Von der Hülse ragt ein kreisförmiger Schirm 58 nach außen, der mit einem L-förmißon Teil 59

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versehen ist, der vom Schirm zur kreisförmigen Scheibe 39 des Abtastabschnittes nach innen ragt. Der nach innen ragende Teil 59 des Schirms reicht bis in die Nähe der vertikalen Scheibe 39» berührt diese Jedoch nicht, so daß die Pendelanordnung unabhängig von der Abtastanordnung frei beweglich ist. Der Schirm und sein nachinnen ragender Teil sind so aufgebaut, daß sie außen über die Fotozelle 53 und das Gehäuse 54- hinweggehen. Der nach innen ragende Teil des Schirms liegt zwischen dem Boden des Lampengehäuses 49 und der Oberseite des Fotozellendetektorgehäuses 54. Parallel zum Schlitz 52 in der Unterseite des Lampengehäuses befindet sich in dem nach innen ragenden Teil der Hülse ein Schlitz 61. Mit dem Schirm 58 ist ein als Gewicht ausgebildetes Pendelteil 63 verbunden, das ein Teilsegment des Schirms bedeckt. Das Pendelteil hält den Schirm gegenüber der Eichtung der Erdbeschleunigung in einer ausgerichteten Lage, unabhängig von der Lage dee Gehäuses, da die Pendelanordnung auf der horizontalen Achse 36 frei drehbar ist. Der Schlitz 61 in dem nach innen ragenden Teil 59 des Schirms liegt darauf an einer Stelle, die einem Punkt auf dem Umfang des Pendelteils 63 direkt unter dem Schwerpunkt desselben entspricht, wenn sich das Pendelteil in Ruhe befindet.

Im Inneren des Gehäuses ist ferner eine zweite oder Bezugsfotozelle 64 oder eine andere derartige lichtempfindliche Einrichtung befestigt. Diese ist am oberen Ende des Inneren Teils

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des Instrumentengehäuses angeordnet, und zwar gegenüber einem Punkt auf der Bewegumgsbahn der Lampe 48. In der Außenwand eines Fotozellengehäuses 67 ist ein vertikaler Schlitz 66 vorgesehen, der gegenüber und parallel zum Schlitz 51 im Lampengehäuse 49 liegt. Die Fotozelle 46 ist über nicht gezeigte Leiterdrähte an eine elektrische Leistungsquelle angeschlossen.

Im Betrieb der beschriebenen Vorrichtung treibt der Synchronmotor 16 dauernd das Untersetzungsgetriebe an, so daß das Schneckenrad 33 und die Abtastscheibe mit 20U/min bzw. mit einer Umdrehung je 3 Sekunden umlaufen. Das bedeutet, daß die Lampe 48 auf der Abtastscheibe 39 alle drei Sekunden vor der Bezugs-Fotozelle 64 auf der Innenwand des Gehäuses vorbeiläuft. Die Lampe 48 wird dauernd gespeist. Daher wird die Bezugs-Fotozelle alle drei Sekunden erregt und erzeugt entsprechend oft ein Signal.

Da sich die Abtastscheibe und die Lampe weiterdrehen, wird ein zweites Signal erzeugt, wenn die Lampe 48 am Schlitz 61 in dem nach innen ragenden Teil des Pendelschirms vorbeiläuft. Durch den Schlitz 61 kann Licht von der Lampe auf die Detektor-Fotozelle 53 gelangen, die auf der Abtastscheibe 39 der Lampe 48 zunächst liegt. Durch den Schirm wird normaDerweise verhindert, daß die Lampe die Fotozelle 53 erregt, außer wenn die Lampe und die Fotozelle je Umdrehung einmal den Schlitz 61 im Pendel passieren. Der Schlitz im Schirm befindet sich gegen-

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über dem durch die Schwerkraft verursachten Zug durch das als Gewicht ausgebildete Pendelteil in einer bestimmten Lage, so daß der Schirm, in einer durch die Schwerkraft bestimmten, konstanten Lage bleibt, auch wenn das Gehäuse gegenüber der Vertikalen um einen Winkel gekippt wird. Daher bleibt der Schlitz 61 im Schirm stets (gegenüber der Schwerkraft) am Boden deB Pendelschirms. Wenn sich die Lampe 48 und die Fotozelle 53, die auf der Abtastscheibe befestigt sind, am Schlitz 61 im Pendelschirm an dessen Unterseite vorbeibewegen, so geht das Licht von der Lampe durch den Schlitz hindurch und wird auf die Detektor-Fotozelle projiziert, die wiederum ein Signal erzeugt, das von .den Kommutatorringen und den Bürsten aufgenommen wird.

Bei umlaufender Abtastscheibe 39 wird alle drei Sekunden einmal durch die Bezugs-Fotozelle 64 ein Impuls erzeugt. Ferner wird eine gewisse Zeitspanne nach dem ersten Impuls aus der Bezugs-Fotozelle je nach der Lage des Schlitzes 61 im Pendelschirm gegenüber der Bezugs-Fotozelle ein zweiter Impuls erzeugt. Liegt beispielsweise das Instrumentengehäuse gegenüber der Erd-.oberfläche in einer horizontalen Lage, so wird bei im Uhrzeigersinn umlaufender Abtasteinrichtung (in Fig. 2 von rechts gesehen) ein erstes Signal erzeugt, wenn die Lampe 48 am Schlitz im Bezuss-Potozellengehäuse vorbeiläuft. Ha ch einem Umlauf um weitere 90° erzeugt die Abtasteinrichtung ein zweites Signal, '

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wenn die Lampe 48 am Schlitz 61 im Pendelschirm vorbeiläuft. Hierdurch wird die fotozelle 53 erregt. Ist die Drehzahl der Abtastscheibe 39 bekannt, so kann der von der Abtasteinrichtung zwischen dem ersten und zweiten Signal tatsächlich zurückgelegte Drehwinkel berechnet werden.

. Um hinsichtlich der Winkellage des Instrumentes eine

™ völlig genaue Information gegenüber einer vertikalen Bezugsebene zu erhalten, sollte die zweite Winkelmeßeinheit 14 verwendet werden, die so befestigt ist, daß sich die Abtastscheibe und der Pendelschirm des zweiten Instruments in einer Vertikalen senkrecht zur Ebene des Schirms und der Scheibe des ersten Instruments befinden. Wie im folgenden noch beschrieben werden soll werden die Ausgangsdaten jedes Pendelinstruments in eine Datenverarbeitungseinheit gespeist, wo durch vektorielle Addition der Ausgangsdaten eine genaue Berechnung der Winkellage des Instrumentengefc häuses erfolgt.

In Fig. 3 sind Einzelheiten der Richtungsmeßeinheit der Fig. 1 gezeigt. Durch die Richtungsmeßeinheit 17 wird eine Information hinsichtlich der richtungsmäßigen oder azimutalen Lage des Instrumentengehäuses erzeugt. Die in Fig. 3 gezeigte Einrichtung ist der in Fig, 2 gezeigten sehr ähnlich. Gegenüber einem Schirm wird ein Abtastabschnitt gedreht, wobei der Schirm nicht durch ein Pendel ausgerichtet, sondern durch die umlaufende

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vertikale Welle 71 des RichtungskreiseLs 18 angetrieben wird. •Die vertikale Ausgangswelle 71 des Kreisels ist mit einer vertikalen Hülse 73 verbunden, die im Preßsitz auf die Welle des Kreisels aufgebracht ist. Die Hülse besitzt einen nach außen ragenden Schirmteil 74-, der wiederum eine nach oben ragende kreisförmige Schirmwand 76 aufweist. Das Kreisel-Instrumentengehäuse enthält einen Synchronmotor 19 und, ein an dessen Oberseite befestigtes Untersetzungsgetriebe 79· Die Ausgangswelle 81 des Untersetzungsgetriebes ragt durch die Oberseite des Instrumentengehäuses 77 und nach unten in das Instrument. An der Oberseite des Instrumentengehäuses sind Lager vorgesehen, durch die die motorgetriebene Ausgangswelle gelagert wird.

An der motorgetriebenen Ausgangswelle 1st zur Drelhmg innerhalb des Instrumentengehäuses ein Abtastabschnitt befestigt. Der Abtastabschnitt enthält eine am unteren Ende der Welle befestigte vertikale Hülse 82. Auf der Hülse ist ein Isolierzylinder 83 angebracht, um dessen Außenwand elektrisch voneinander isolierte Kommutatorringe bzw. Schleifringe 84 befestigt sind. Am unteren Ende der Hülse der Abtasteinrichtung befindet sich eine horizontale kreisförmige Scheibe oder Platte 86, die sich von der Hülse nach außen erstreckt. Eine Abtastlampe 87 ist an der Unterseite der Kreisscheibe in der Nähe ihres Außenrandes

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befestigt und ragt von dort nach unten. An der Unterseite der Scheibe ist ferner innerhalb eines Detektor-Fotozellengehäuses 89 eine Detektor-Fotozelle 88 befestigt. Die Lampe ist durch ein Gehäuse 91 eingeschlossen, das an seiner Unterseite mit einem ersten horizontalen Schlitz 92 Versehen ist. An der Innenwand des Lampengehäuses befindet sich ein zweiter vertikaler Schlitz 93. Die nach oben ragende vertikale Wand 76 des Schirms liegt zwischen der Abtastlampe 87 und der an der Abtastscheibe befestigten Detektor-Fotozelle 88. In der vertikalen Wand des Schirms ist ein Schlitz 95 vorgesehen. Auf der Innenwand des Instrumentengehäuses ist innerhalb eines Gehäuses 96 eine Bezugs-Fotozelle 94 so befestigt, daß sie gegenüber dem Außenrand der Abtastscheibe und der Lampe 87 in einem Abstand steht. Zwischen dem Bezugs-Fotozellengehäuse 96 und dem Lampengehäuse 91 ist ein Abstand vorgesehen. In der Oberseite des Bezugs-Fotozellengehäuses befindet sich ein Schlitz 97, so daß das vom Lampengehäuse abgegebene Licht auf die Fotozelle 94 fallen kann.

Von der Oberseite des Instrumentengehäuses ragt ein Isolierblock 98 naoh unten. Er dient zur Halterung horizontal angeordneter BUrsten 99, die Kommutator- oder Schleifringe 100 auf der Abtasthülse berühren. Die Bürsten sind mit Klemmen 101 verbunden, über die sie mit nichtygezeigten Leitern zur Zufuhr der elektrischen Leistung zur Lampe und. zur Übertragung eines Signals von der Detektor-Fotozelle zu der elektrischen Schaltung innerhalb des Instrumentes in Verbindung stehen. Gleichfalls sind mit

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der Bezugs-Fotozelle geeignete Leiter verbunden, über die ein Signal zu der elektrischen Schaltung innerhalb des Instrumentengehäuses übertragen wird.

Die Arbeitsweise der Kreiseleinheit im Instrument ist ähnlich der oben beschriebenen Arbeitsweise der Pendeleinheiten. Die Bezugs-Fotozelle auf der Richtungs- oder Azimuteinheit bildet die Fotozelle 88. Durch den Schlitz 95 kann Licht von der Lampe 87 auf die Fotozelle 88 fallen. Der Schlitz 95 ist gegenüber dem Werkzeug- oder Instrumentengehäuse und einer der Pendeleinlieiten ausgerichtet, die wiederum gegenüber einem Oberflächen-BezugBjmnkt, wie beispielsweise dem magnetischen Nordpol ausgerichtet ist. Während sich das Gehäuse der Kreiseleinheit in*der Bohrung dreht, bleiben der Kreisel und der Schlitz 95 gegenüber dem magnetischen Nordpol ausgerichtet. Wenn daher die Abtastlampe 87 am Schlitz 95 vorbeiläuft, wird das zugeordnete Flip-Flop eingeschaltet. Läuft die Abtastlampe am Schlitz 97 vorbei, so daß die Fotozelle 94 erregt wird, so wird das Flip-Flop ausgeschaltet. Die während dieser Zeit durchlaufenden Impulse zeigen den Seitenwinkel zwischen dem magnetischen Nordpol und der Bezugs-Fotozelle 94 auf dem Gehäuse der Kreiseleinheit an.

Die den Kreisel und die Abtasteinrichtung enthaltende Richtungseinheit 17 enthält ferner die Kodiereinrichtung 21. Vom Motor 19 des Instruments ragt eine Vielle 102 zum Antrieb der

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Kodiereinrichtung 21 nach oben. Die Ausgangswelle des Motors läuft mit 3 600 U/mi'n oder 60 U/sec um. Die Kodiereinrichtung wird von der Ausgangswelle des Motors angetrieben und multipliziert die Drehzahl der Ausgangswelle, so daß von der Kodiereinrichtung 12 000 Impulse pro Sekunde abgegeben werden.

^ Das Untersetzungsgetriebe 79 befindet sich zwischen der

Ausgangswelle des Motors und der Abtasteinrichtung im Instrumentengehäuse, so daß die Abtasteinrichtung mit 20 u/min oder einer Umdrehung je drei Sekunden umläuft. Führt daher die Abtasteinrichtung im Instrumentengehäuse in drei Sekunden eine Umdrehung aus, so erzeugt während dieser Zeit die Kodiereinrichtung bzw. der Impulsgenerator 36 000 Impulse. Diese Beziehung zwischen den Kodierimpulsen und der Drehung der Abtasteinrichtung gestattet eine leichte Bestimmung des Drehwinkels der Abtasteinrichtung zwischen den Signalen von der ersten und zweiten Foto-

' zelle, und zwar mit einer Genauigkeit von 0,01°. Die Synchronisierung zwischen der Abtasteinrichtung im Instrument und den durch den Kodierer erzeugten Impulsen verhindert, daß eine Änderung in der Leistungszufuhr die Auslesung beeinflußt. Bei Abweichungen der Motordrehzahl ergibt sich eine proportionale Beziehung zwischen der Drehzahl der Abtasteinrichtung und den Ausgangsimpulsen des Impulsgenerators. Der Motor zum Antrieb der-ftinkelmeßeinheiten läuft synchron mit dem i^Iotor 19 und die Kodiererimpulse vom !Codierer 21 werden einer Schaltung zum Ablesen dor

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Winkelmeßeinheiten zugeführt.

In Eig. 4 ist schematisoh das Schaltbild.einer elektrischen Einrichtung zur Verarbeitung der von den Winkelmeßeinheiten und der Seitenwinkel-Einheit gewonnenen Informationen gezeigt. Läuft das Pendel 1 bzw. der entsprechende Schlitz an der Bezugs-Fotozelle vorbei, so erregt die Lampe am Pendel die Fotozelle, so daß ein Signal zu einem Bezugsverstärker 106 gelangt . Der. Verstärker formt das Signal und führt es zu einem Zähl-Steuer-Flip-Flop 107 weiter, so daß dieses eingeschaltet wird. Das Flip-Flop 107 besitzt eine Anzahl von Steuerfunktionen. Beim Anstieg des Binsehaltsignals vom Bezugsverstärker, d. h., wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 106 positiv wird, sendet das Flip-Flop 107 ein Ausgangssignal zu einer Zähl-Rüeksetzschaltung 108, die ebenfalls eine Verstärkungs- und Impulsformerschaltung ist. Das Ausgangssignal der Zähl-Rüeksetzschaltung ist ein Impuls von 5 /us Dauer, der die Binär-Zähleinheiten 113 des Pendels 1 auf Hull zurücksetzt. Die 16-Binär-Zähleinheiten zum Empfang des Ausgangssignals des Pendels 1 besitzen die Form einer Heihe von Flip-Flops, die so geschaltet sind, daß sieh ein 16-Bit-Zähler ergibt. ·

Eine zweite Steuerfunktion des Zähl-Steuer-Flip-Flops 107 besteht in der Erzeugung eines Steuersignals für ein UND-Gatter 109 des Pendels 1. Einem zweiten Eingang des UUD-Gatters

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109 werden dauernd vom Impulsgenerator oder Kodierer 21 erzeugte Impulse zugeführt. Die Impulse vom Impulsgenerator werden in einer Verstärker- und Impulsformerschaltung 110 geformt und durch einen Impuls-Vervielfacher 112 vervielfacht, so daß die Impulsfrequenz am Eingang des UND-Gatters 109 12 000 Impulse pro Sekunde beträgt. Läuft daher vom Zähl-Steuer-Flip-Flop 107 in das UND-Gatter 109 ein Signal ein, so läßt das Gatter die vom Impulsgenerator auf seinem anderen Eingang einlaufenden Impulse zu den Binär-Zahl-Einheiten für das Pendel 1 durch.

Wenn sich danach im Pendelinstrument-Abschnitt (Pig. 2) die Lampe 48 auf dem Abtaster um das Pendel bewegt hat und am Schlitz 61 im Pendelschirm vorbeiläuft, erregt die Lampe 48 die Detektor-Fotozelle 53, so daß diese ein Signal zu einem Pendeldetektor-Verstärker 111 sendet. Dieses Signal wird zum Zähl-Steuer-Flip-Flop 107 geführt, wodurch dieses ausgeschaltet wird. Hierdurch wird wiederum das Potential an dem einen Eingang des UND-Gatters 109 abgeschaltet, so daß dieses die Impulse vom Impulsgenerator zu den Zähleinheiten für das Pendel 1 sperrt.

Zu der Zeit, zx der das Zähl-Steuer-Flip-Flop 107 abschaltet, führt sein abklingendes Signal eine weitere dritte Steuerfunktion aus. Durch das abklingende Signal bzw. durch die abfallende Flanke des Signals wird ein Speicher-Befehlsgeber 115 für das Pendel 1 eingeschaltet, der aus einer Verstärker- und

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Impulsformerschaltung besteht. Das Ausgangssignal des Speicher-Befehlsgebers 115 ist ein 5/us dauernder Impuls, der die Speiehereinheiten 114 in Verbindung mit den Zähleinheiten 113 steuert, so daß der Inhalt des Zählers für das Pendel 1 gespeichert wird. Die Speichereinheiten 114 bestehen aus einer Reihe von Flip-Flops, die so geschaltet sind, daß sie die Information im Zähler bei einem Kommando vom Speicher-Befehlsgeber übernehmen und eine logische "1" oder "O" also eine Spannung oder keine Spannung, speichern, die zu dieser Zeit im Speicher 113 vor handen ist. Die Zähler erhalten also dauernd Daten von den Instrumenteneinheiten und speichern diese auf ein Kommando.,

Der gleiche, oben beschriebene Ablauf findet ebenfalls in der mit dem zweiten Pendel/and der mit dem Kreisel verbundenen Schaltung statt, die im wesentlichen identisch sind mit der dem Pendel 1 zugeordneten Schaltung. Nach Ablauf dieser Ereignisse sind in den Speichereinheiten des Pendels 1, des Pendelst und des Kreisels Daten gespeichert, die entweder in Binäroder binärkodierter Dezimalform vorliegen.

Die bis hierher beschriebene elektrische Schaltung arbeitet wie folgt: Die Pendel- und Kreiselabtastsysteme erzeugen bei Erregung einer Bezugs-Fotozelle ein erstes Signal, durch das ein Zähl-Steuer-Flip-Flop 107 geschaltet wird. Das Ausgangs signal des Flip-Flops 107 steuert ein Gatter 109, das bei seiner Betä-

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tigung die Impulse vom Impulsgenerator 21 zum Serienzähler 113 durchläßt. Das Abtastsystem erzeugt dann bei Erregung einer Detektor-Fotozelle ein zweites Signal. Das Zweite Signal schaltet das Zähl-Steuer-Flip-Flop 107 aus und schließt das UND-Gatter 109» das die Impulse zum Serienzähler 113 unterbricht. Die hintere Flanke des Signals vom Zähl-Steuer-Fllp-Flop 107 erzeugt k in dem Speicher-Befehlsgeber 115 ein Signal, wodurch wiederum die Speichereinheiten 114 eingeschaltet und die Binärinformation im Serienzähler gespeichert wird. Jedes Mal wenn das Abtastsystem den Winkelabstand zwischen den Bezugs- und Detektor-Fotozellen mißt, werden dem Winkelabstand in der Zeit proportionale Impulse zugeführt und die Zählung wird darauf gespeichert.

Das Verfahren zur Zuordnung der impulszählung zur Winkelmessung kann beispielsweise anhand des Pendel-1-Instruments erläutert werden. Läuft die Abtastlampe an der Bezugs-Fotozelle " vorbei, so wird das Flip-Flop 107 eingeschaltet, das wiederum sein Ausgangssignal zum UND-Gatter 109 sendet. Dieses Ausgangssignal öffnet das Gatter 109» so daß die vom Impulsgenerator 21 erzeugten Impulse zur Zähleinheit 113 und der Speichereinheit 114 durchgelassen werden. Das Signal vom Flip-Flop 107 steht weiter an, bis die Lampe auf der Abtastscheibe am Sohlitz 61 des Pendelschirms vorbeiläuft, wobei von der Detektor-Fotozelle 53 ein Signal erzeugt wird. Dieses Signal durchläuft den Verstärker 111 und schaltet das Flip-Flop 107 aus, so daß das UND-Gatter

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109 geschlossen wird. Das Gatter unterbricht daher die vom Impulsgenerator zur Zäfcleinhelt 113 laufenden Impulse. Braucht beispielsweise die Abtastlampe 48 1 1/2 Sekunden für ihre Bewegung von der Bezugs-Fotozelle zur Detektor-Fotozelle, so gibt das Flip-Flop für 1 1/2 Sekunden ein Signal ab. Während dieser Zeit werden vom UND-Gatter 109 des Pendels 1 18 000 vom Impulsgenerator erzeugte Impulse zum Datensähler 113 durchgelassen. Da der Abtaster alle drei Sekunden einmal umläuft, hat sich der Abtaster in den 1 i/2 Sekunden über einen Winkel von 180,00° gedreht, so daß die Detektor-Fotozelle um 180° von der Bezugs-Fotozelle entfernt ist. Das heißt * daß das Detektorgehäuse sich in einer vertikalen Lage befindet und daß die Bohrung vertikal verläuft, da der Schlitz 66 in der Bezugs-Fotozelle, der sich an der Oberseite des Gehäuses befindet, tatsächlich vom Schlitz 61 im Pendelschirm um 18O° entfernt ist, der an der unteren Mitte des Pendels angeordnet ist.

Die Arbeitsweise der Kreiseleinheit·in dem Instrument ist ähnlich der oben beschriebenen Arbeitsweise der Pendeleinheiten. Da die Kreiseleinheit auf die Pendeleinheiten und den magnetischen Nordpol bezogen ist, können diese Ablesungen miteinander kombiniert werden, so daß sie die wahre Winkel- und Seitenwinkel-Ausrichtung des Instrumentengehäuses wiedergeben. Zunächst werden die Ausgangssignale der Winkeleinheiten vektoriell addiert, so daß sich als Ergebnis ein Neigungswinkel

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des Gehäuses ergibt. Zeigt dann das Ausgangssignal der Kreiseleinheit an, daß sieh' das Gehäuse aus der Nord-Süd-Richtung um X⁰ gedreht hat, so haben sich die Pendel um den gleichen Betrag gedreht und die Vektorsumme hat sich gleichfalls um X⁰ gedreht. Das sich hieraus ergebende Rechenergebnis gibt die Winkellage des Gehäuses gegenüber dem magnetischen Hordpol oder einem ähnlichen Oberflächen-Bezugspunkt wieder.

Die nächste Stufe ist die Übertragung der in den Speiche r_einheiten enthaltenen Information in logische:?Form über ein Einzelleiterkabel, das auch zur Speisung des Instrumentes zur Zufuhr einer Spannung von 110 V, 60 Hz verwendet wird.

Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung zur Übertragung der im Speicher der Vorrichtung gespeicherten Information besteht aus 16 Gleichstrom- oder DC-Flip-Flops 116, auch als "Abtast-Bits" bezeichnet, die in Ringform angeordnet sind. In Fig. 5 sind zur Vereinfachung des Blockschaltbildes nur das erste und die beiden letzten Flip-Flops gezeigt. Von allen Flip-Flops kann gleichzeitig nur ein Ausgang auf hohem Potential liegen, während alle anderen auf einem niedrigen Potential oder auf Null liegen. Wird den Abtast-Bit-Schaltungen von einer Abtast-Steuereinrichtung bzw, einem Taktgeber 117 ein Taktimpuls zugeführt, so wird der Ausgang mit hohem Potential um einen Schritt zum nächsten Flip-Flop fortgeschaltet. Eine Abtast-Rücksetz-

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Schaltung Π8 empfängt die Leitungsspannung und formt einen negativen Impuls zuin Rücksetzen von Teilen der Schaltung. Ein Ausgang der Abtast-fiücksetzschaltung wird in das Abtast-Bit-Netz gespeist. Dieses Ausgangssignal erzeugt einen Triggerimpuls für den Flip-Flop-Ring, so daß ein hoher Ausgang oder ein "!"-Ausgang des Abtast-Bit-Flip-Flops 1 auf hohes Potential oder auf

auf,

"1° und die anderen Flip-Flops/Ό" gesetzt werden. Darauf schaltet der nächste Taktimpuls vom Taktgeber 117 den "1"-Ausgang auf das Abtast-Bit 2, der nächste Taktimpuls vom Abtast-Bit 2 auf das Abtast-Bit 3» usw. bis zum Abtast-Bit 16. Der Ausgang Jedes einzelnen Flip-Flop 116 des Ringzählers wird als Steuersignal zur Steuerung der Ablesung der Speichereinheiten des Pendels 1 und des Pendels 2 verwendet. Der Einfachheit halber ist die Kreiselschaltung nicht dargestellt, da sie im wesent- ^: liehen den Pendeleinheiten gleicht. Der Zähl- und Speicherwert jedes Systems besteht aus einer 16-Bit-Blnär-Information. Jeder 16-Blt-Abschnitt kann als Wort und die drei Wörter als Satz bezeichnet werden. Zur Vereinfachung der Bit- oder Daten-Übertragung auf die Hetzleitung ist es wünschenswert, die 16-Bit-A,btaster mit iJetzfreq;uenz zu treiben. Hierdurch werden auch die Datenimpul'se mit Ketzfrequenz synchronisiert. Die Gründe hierfür werden im folgenden noch näher erläutert.

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Die Vorrichtung zum Ausle sen der Information von den Speiehereinheiten 1 VM enthält einen Wortwahl-Programmgeber 121 für jeden der getrennten Instrumentabschnitte, nämlich das Pendel 1, das Pendel 2 und den Kreisel. Die Wortwahl-Programmgeber bestehen aus Flip-Flops. Die Programmgeber sind als Ringzähler ähnlich der Abtast-Bit-Schaltung angeordnet. Die sich ergebende

"\ Schaltung besitzt die Form eines Drei-Bit-Ringes ähnlich dem 16-Blt-Rlng. Sie wählt jedoch anstelle eines einzelnen Bits ein ganzes Wort aus 16 Bits, Der Wortwahl-Programmgeber empfängt seinen Takt- oder Steuerimpuls zur Fortschaltung auf das nächste Wort vom abklingenden Signal des 16. Bits bzw* des 16. Flip-Flops des Bit-Abtasters. Dieses abklingende Signal wird vom 16. Flip-Flop des Bit-Abtasters über eine Leitung 122 zu den einzelnen Wortwahl-Programmgebern 121 geführt. Die Abtast-Rücksetzsahaltung 118 erzeugt ferner ein Ausgangssignal für die Wortwahl-Programm-

^ geber, bo daß der Programmgeber für das Pendel 1 eingeschaltet wird, während die anderen Wortwahl-Programmgeber auf Null gesetzt werden. Die Einschaltung der Rucksetzsehaltung 118 zum Rücksetzen des Abtast-Bit-Ringes und des Wortwahl-Ringes soll Im folgenden noch näher beschrieben werden»

Zn den Figuren 5 und 6 1st im Schaltbild ein feil de· Wechselspannungssignals gezeigt, das zur Leistungversorgung der Instrumente dient und zu einer Blt-Fllterschaltung 126 abgezweigt ist. An dieser Stelle wurde das Netzsignal bereits duroh

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Daten von der Abtast-Bit-Schaltung beaufschlagt, (Diese Arbeitsweise wird im folgenden noch näher erläutert.) Um das Netzsignal, für andere Steuerzwecke zu verwenden, müssen die Bits der Information oder andere ungewollte Signale gefiltert werden, um dem Taktgeber 117 ein reines Signü. mit Netzfrequenz zuzuführen. - Dieses "gereinigte" Signal wird ferner einer Wortgatter-Steuer-. schaltung 127 zugeführt. Der Taktgeber 117 besitzt die Form einer Impulsf ο leerschaltung, die durch die sioh aus der Bit-Filterschaltung 126 ergebende Signalwelle gesteuert wird» Der Taktgeber 117 unterdrückt die 60-Hertz-Signalwelle und erzeugt synchron mit dieser auf der Leitung einen schmalen Reohteckimpuls (1 /us) bei 90°. Der Rechteokimpuls wird dem Abtast-Bit-Rlngzähler zur Portschaltung des Ringzählers um einen Schritt je Impuls zugeführt. Die Abtast-Steuerung wählt also den positiven Teil des Signals und formt ihn in einen Impuls von 1 yus Breite, der bezüglich der Periode des Signals von 360° bei 90° auftritt. Dieser Impuls tritt bei jeder Periode der Netzfrequenz auf und wird zur Steuerung des 16-Blt-Abtast-Ringzählers verwendet.

Wenn dem System Leistung zugeführt wird, schalten die Abtast-Ringzähler 116 und die ringförmigen Wortwahl-Programm-, geber 121 durch ihre gesamte Folge durch. Dies geschieht in einigen wenigen yus. Bei Beendigung der Folge in den Wortwahl-Programmgebern, wird durch ein abklingendes Signal vom Kreisel-Wortwahl-Programmgeber ein Synchronlsierimpuls-Geber 128 eingeschaltet,

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der wiederum die Abtast-Rücksetzschaltung 118 steuert, so daß der Wortwahl-Programmgeber für das Pendel 1 rückgesetzt oder eingeschaltet und am Flip-Flop 1 des Abtast-Bit-Zählers ein positives oder "1"-Signal erzeugt wird. Der Synchronisierimpuls-Geber 128 besteht aus einem Impulsformer und Verstärker, der an die Abtast-Rücksetzschaltung 118 Rechteckimpulse abgibt. |k Wie im folgenden noch beschrieben werden soll, erzeugt der Synchronisierimpuls-Geber ferner auf der Netzleitung einen nadeiförmigen S ynchroni sie rimpuls.

Der Bit-Filter 126 sendet einen Teil seines Ausgangssignals zur Wortgatter-Steuerschaltung 127. Die Wortgatter-Steuerschaltung besteht aus einem Impulsformer, der den ins Negative gehenden Teil des Signals auswählt und im einen Impuls von 1 yus Breite umformt, der im negativen Teil der Netzfre_k quenz bei 270° gegenüber der Periode von 360° des Signals auftritt. Diese Impulse haben die gleiche Frequenz wie die vom Taktgeber 117 zur Steuerung der Abtasteinrichtung abgegebenen, sie treten jedoch innerhalb der Periode der Netzspannung an unterschiedlichen Punkten auf. Die Impulse von der Wortgatter-Steuerschaltung 127 werden zu Wortgattern 130 geleitet, die aus UND-Gattern mit zwei Eingängen bestehen und mit jedem der Wortwahl-Programmgeber verbunden sind. Das Signal von der Wortgatt er-Steue rs chaltung 127 wird beispielsweise zur Wort-Gattersteuerung für das Pendel 1 geleitet, die durch den Wortwahl-

■!*M&.r --.-Mg 109826/0967

Programmgeber 121 für das Pendel 1 gesteuert wird. Ist das Ausgangssignal des Wortwahl-Programmgebers positiv, so wird ein ImpulB von der Wortgatter-Steue rs chal tung durch das Wortgatter 130 zu einer Bit-Gatterleitung 131 und zu einem Bit-Gatter 132 geleitet, das mit einem der 16 Bits verbunden ist.

Jedes der Bit-Gatter besitzt drei mit A, B und 0 bezeichnete Eingänge. Steht am Eingang 0 eine Spannung oder ein ¹T'-Signal vom Abtast-Blt 1 an, und liegt am Eingang B vom Speicher-Flip-Flop 114 eine Spannung, d. h., ist auf der Speichereinheit eine T' gespeichert« so öffnen die beiden positiven Spannungen auf den Eingängen B und 0 das Bit-Gatter 1 und lassen den um 270° phasenverschobenen positiven RechteckimpulB vom Wortgatter 130 durch das Bit-Gatter 132 auf eine Netzgatter-Steuerleitung" 133 und von dort auf ein Metzgatter 134. Ist andererseits entweder die Spannung am Abtast-rBit 116 gering oder gleich Null, oder die Spannung der Speichereinheit 114- gleich Null, so leitet das zugeordnete Bit-Gatter 132 die Wortgatterimpulse nicht durch, so daß an dieser Stelle des Netzsignals auf der Netzgatter-Steuerleitung kein Impuls empfangen wird. Die Abtast-Steuerschaltung .117 schaltet die Abtast-Blts von 1 bis 16, wobei sich der gleiche Ablauf wie oben einstellt. Wenn das einem Abtast-Bit zugeordnete Gatter-Bit eine Spannung in der zugeordneten Speichereinheit feststellt, so wird ein Impuls vom Wortgatter auf die Netzgatter-Steuerschaltung 133 und damit auf das Netzgatter 134

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geleitet. Sind sämtliche 16 Bits der Schaltung des Pendels 1 ausgelesen, so läßt das- abklingende Signal vom Abtast-Bit 16 den Wortwahl-Progxammgeber auf die Schaltung des Pendels 2 übergehen und der Vorgang wiederholt sich für die 16 Abtast-Bits des Pendels 2 usw.

Die Bit-Eingabeschaltung 134 besteht aus einem Verstärker mit einem Hochspannungs-pnp-Leistungstransistor in seinem Ausgang und einer kapazitiven Kollektorbelastung 136 in Reihe mit der zur Oberfläche führenden Hochspannungsleitung. Die Netzspannung ist bei 270° negativ, so daß am Kollektor des Leistungstransistors ein negatives Potential ansteht. Der negative Rechteckimpuls bei 270°, der auf die Netzgatter-Steuerleitung aufgebracht wurde, um die im Speicher und im Zählabschnitt der Schaltung gespeicherte Informatin anzuzeigen, wird zur Sättigung dieses Transistors benutzt, der wiederum auf der Netzleitung bei 270 einen spitzenförmigen Impuls erzeugt. Mit anderen Worten, das Netzgatter 134 ändert den Rechteckimpuls bei 270° in eine Impulsspitze um und überlagert sie auf der Heizleitung 137 dem negativen Teil der Sinuswelle, wie dies durch die schematische Sinuswelle auf der Leitung dargestellt ist.

Eine ähnliche Einrichtung wird zum Einsetzen eines Synchronimpulses auf die Netzleitung bei 90° verwendeten eine Unterscheidung zwischen der Start- und Stopstelle eines Satzes

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zu ermöglichen. Jeder Satz enthält drei Reihen von 16-Bit-Wörtern von Jedem Instrumenten-Speicherabschnitt, so'daß ein Satz» wie er hier definiert ist; aus einem beginnenden und einem endenden Synchronisierimpuls und 48 dazwischen liegenden Bits besteht.

In Fig. 7 ist das schematisch gezeigte Netzsignal mit A bezeichnet. Jede Periode des Signals wird als 1 Informations-Bit betrachtet, wobei die ersten 16 Bits das erste Wort, die zweiten 16 Bits das zweite Wort usw. umfassen, wobei die gesamten 48 Bits drei Wörter oder einen Satz bilden. Jeder Satz beginnt und endet mit einem Synchronisierimpuls 138 im positiven Teil der Welle. Der Synchronisierimpuls wird mittels einer Impulsformer- und Verstärkerschaltung 128 eingeblendet, die bei 90° einen positiven Rechteckimpuls erzeugt. Dieser-Synchronisierimpuls hat zwei Funktionen, von denen eine dadurch erfüllt wird, daß er zur Abtast-Rücksetzschaltung 118 (Fig. 6) geleitet wird. Der Synchronisier-Impulsgeber 128 enthält ähnlich dem beschriebenen Netzgatter einen Transistor mit einer kapazitiven Kollektorbelastung. Diese Schaltung erzeugt in ähnlicher Weise einen Synchronisierimpuls in Form einer Spitze, jedoch hier bei +9Q⁰ des Netzsignals, wogegen die Datenspitzen bei 2?0° oder im negativen Teil der Welle liegen. Die Synchronisierspitze 1st in Fig. 7 auf einem positiven Teil der Welle gezeigt. Sie tritt am Beginn und am Ende des Satzes auf.

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Gem. Fig. 6 wird der durch den Synchronisier-Impulsgeber 128 erzeugte Rechteckimpuls, der gegenüber dem Netzsignal um 90° verschoben ist, zur Abtast-Rücksetzschaltung 118 geleitet und erfüllt damit seine zweite Funktion. Dieser Impuls wird durch die Abtast-Rücksetzschaltung 118 in einen negativen Rechteckimpuls umgeformt, der zum Rücksetzen der Ringzähler dient. Mit anderen Worten, das Signal von der Abtast-RÜcksetzschaltung wird zu den Wortwahl-Programmgebern 121 und zu den Abtast-Bit-Flip-Flops 116 geführt. Dieses Ausgangssignal setzt den Abtast-Bit-Ring zurück, indem es das Flip-Flop des Abtast-Bits 1 auf "1" und die anderen Flip-Flops auf "o" setzt. Gleichzeitig setzt das gleiche Signal den Wortwahl-Programmgeber für das Pendel 1 auf "1" und die anderen Wortwahl-Programmgeber auf "0".

Der Synchronisierimpuls, der die oben beschriebene Ablauffolge einleitet, beginnt in der abfallenden Flanke des Signals vom Wortwahlprogrammgeber in der Kreiselschaltung. Schaltet die Kreiselschaltung von einem hohen Ausgangssignal auf ein niedriges Ausgangssignal um, was bedeutet, daß der Kreiselspeicher ausgelesen wird, so wird das abklingende Signal zum Synohronisier-Impulsgeber 128 gäeitet. Am Ausgang des Synchronisierimpulsgebers 128 befindet sich ein npn-Leistungstranslstor mit einer mit der Netzleitung in Reihe geschalteten kapazitiven Kollektorbelastung. Hierdurch wird·, wie oben beschrieben, der npn-Transistor in die Sättigung getrieben und er erzeugt im

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positiven Teil der Netzfrequenz bei 90 eine Spitze. Ebenfalls wird der vom Synchronisier-Impulsgeber abgeleitete Impuls in der oben beschriebenen Weise zum Rücksetzen der Schaltungen verwendet, um sicherzustellen, daß nur ein Bit der 16·Abtast-Bits und der drei Wortwahl-Abtaster ein Ausgangssignal oder eine Spannung zu Beginn jeder neuen Abtastung führt. Wird erstmalig eine Spannung an die Abtastschaltung angelegt, so kann an mehreren der Flip-Flops ein Ausgangssignal auftreten, welches dann durch den Abtastring fortgeschaltet würde. Es soll jedoch nur ein Abtast-Bit an Jedem Abtaster ein Ausgangssignal führen. Hierzu wird.beim Einschalten eine hohe Spannung durch die Kreisel-Wortwahl fortgeschaltet. Die hintere Flanke des Signals läßt den Synchronisier-Impulsgeber 128 einen Synchronisierimpuls erzeugen und der Leitung zuführen. Dieser Synchronisierimpuls wird ebenfalls vom Synchronisier-Impulsgeber zur Abtast-Rücksetzschaltung geführt, die das erste Abtast-Bit und j den ersten Wortwahl-Programmgeber hoch- bzw. auf "1" setzt.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Datenspeicher- und Ausleseschaltung kann anhand eines Beispiels beschrieben werden. Führt der Wortwahl-Programmgeber 121 für das Pendel 1 eine Spannung, so werden die bei 270° bei jeder Welle auftretenden Impulse von 1 /us Breite den Bit-Gattern 132 zugeführt. Führen das entsprechende Abtast-Bit 116 und der Speicher eine Spannung, so wird der um 270° phasenverschobene Impuls von

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1 /us Breite auf die Netzgatter-Steuerschaltung 133 geleitet. Führt der Speicher pin niedriges bzw. kein Potential, so wird bei 270° kein.Impuls auf die Leitung gespeist. Somit wird der Leitung ein zusammengesetztes Signal zugeführt, das aus der Netzspannung von 60 Hz besteht, der im positiven Teil bei 90° ein Datensignal überlagert ist, das mit Beginn und Ende des Satzes in Beziehung steht und der ferner im negativen Teil bei ^w' 270 ein Datensignal überlagert ist, das sich auf die im System gespeicherte Information bezieht.

An der Oberfläche wird das in Fig. 7 mit A bezeichnete zusammengesetzte Signal zu einer in Fig. 8 gezeigten Datenverarbeitungseinrichtung geführt. Eine Leitung 137 von den in der Bohrung befindlichen Geräten führt zu einem Sinuswellen-Filter 141. Der Sinuswellen-Filter unterdrückt die 60-Hertz-Komponente und erzeugt die in Flg. 7 mit B bezeichneten Impulse. Die sich k ergebenden Datenimpulse (synchron mit dem Phasenwinkel von 270° auf der Leitung) und die Synchron isierimpulse (synchron mit dem Phasenwinkel von 90°) werden darauf zu einer Datenverarbeitungsschaltung 142 geführt. Hier werden die Synchronisierimpulse durch Vergleich mit der lietzfrequenz von den Datenimpulsen getrennt. D. h., die Impulse, die im positiven Teil des Signals be?i 90° auftreten, werden von den im negativen Teil bei 27ü° auftretenden Impulsen getrennt und auf getrennte Leitungen geführt.

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Die Datenimpulse (ö in Fig. 7) gelangen somit von der Datenverarbeitungssohaltung 142 auf eine Leitung 143." Di9Oynch.r0-nisierimpulse (D in Pig. 7) werden auf eine Leitung 144 gespeist. Die Fetzfrequenz wird zu einer Takt- oder Wellenformerschaltung 146 geführt, die den negativen Teil (270°) der Netzspannung in einen positiven Rechteckimpuls umformt. Dies ist schematisch auf _s

der Leitung 147 (s. auch E in Pig. 7) gezeigt. Dieser Rechteckimpuls wirdkls Taktsignal zur Verschiebung der auf· der Leitung 143 einlaufenden Datenimpulse in ein Schieberegister 148 verwendet. Das Schieberegister speichert die Binärdaten in der Porm, wie es sie aus der Zähl- und Speichereinrichtung in der Bohrung empfängt, so daß die Identität der durch die Einrichtungen in der Bohrung gezählten Zahl beibehalten wird. Die von der Datenverarbeitungsschaltung auf die Leitung 144 gespeisten Synchronisierimpulse werden zum Rücksetzen des Schieberegisters auf Null verwendet. Das Ausgangssignal vom Schieberegister wird zu einem Speicher 151 " * in einem Rechner 152 geleitet. Hier werden die angesammelten, die Information über die Bohrung bestimmenden Daten ausgewertet.

Die oben beschriebene Vorrichtung gibt jeweils nach drei YJörtern oder einem Satz, d» h., alle drei Sekunden, neue Daten ab. Diese Daten besitzen die Porm einer 48-Bit-Blnär-Information, die mit elnetf Geschwindigkeit ausgelesen wird, die proportional ist der Hetzfrequenz. Beträgt die Netzfrequenz 60 Hz (Poriodendauer 16,6 ms), so dauert es 796,3 ms, um alle 48 Daten-Bits

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aus dem Speicher auszulesen und auf die Leitung zu geben. Da der die Information'auslesende Abtaster dauernd in Betrieb ist, ergeben sich etwa drei Daten-Auslesungen von jeder Abtastung. Diese zerstörungsfreie Auslesung ist wünschenswert, um eine Reihe von Auslesungen zu prüfen und festzustellen, ob Bits verlorengegangen oder zugefügt worden sind. Der Rechner zur Datenverarbeitung ist so programmiert, daß er die drei Daten-Bit-Auslesungen während jeder Abtastung prüft und die Daten-Bits vergleicht. Liegt eine Differenz zwischen den Datenbits vor, so weist er sie sämtlich zurück, so daß Fehler infolge von Störungen ausgeschlossen werden.

Die Erfindung wurde zwar mit Bezug auf die Überflächenaufzeichnung beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, daß die beschriebene Vorrichtung auch zur Aufzeichnung in der Bohrung und zur nachfolgenden übertragung zur Oberfläche in einer Weise ähnlich der beschriebenen geeignet ist. Es ist daher, obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden,ersichtlich, daß Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.

Ansprüche

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Claims (16)

ANSPRÜCHE

1. ' Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Bohrung, dadurch gekennzeichnet , daß ein Instrumentengehäuse an einem einzelnen Leiterkabel in die Bohrung hinabgelassen wird, daß ein Parameter der Neigung des Gehäuses in einer ersten Ebene gemessen wird, daß ein Parameter der Neigung ,■% des Gehäuses in einer zweiten Ebene gemessen wird, daß ein Parameter der Neigungsrichtung des Gehäuses in der Bohrung gemessen wird, daß über das einzelne Leiterkabel zur Erdoberfläche diese Parameter anzeigende Signale geführt werden, daß die Neigungsparameter in Beziehung zu den Meßebenen summiert werden, und daß die summierten Neigungsparameter mit dem Richtungsparameter beaufschlagt werden, um die wahre Lage der Bohrung zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - I zeichnet, daß in zeitlicher Beziehung zu den gemessenen Parametern Impulse erzeugt werden, daß die Impulse gezählt werden, daß die gezählten Impulse anzeigende Daten gespeichert werden und daß die gespeicherten Daten vor der Summierung und Beaufschlagung der Parameter zur Oberfläche übertragen werden.

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3. Verfahren zur Bestimmung von Bohrungsdaten und zur Übertragung der Da'ten zur Erdoberfläche, dadurch gegenzeichnet , daß der Bohrungsdaten-Meßeinrichtung ein Leistungs- bzw. Netzsignal zugeführt wird, &ß die Bohrungsdaten gemessen werden, daß die gemessenen Daten anzeigende elektrische Datensignale erzeugt werden, daß die Datensignale dem Netzsignal zur Bildung eines kombinierten Signals überlagert werden, daß ein Synchronisiersignal erzeugt wird, das gegenüber dem Netzsignal zeitlich in einem Abstand liegt, so daß eine Markierung im kombinierten Signal zwischen den Datensignal-Teilen erzeugt wird, daß das kombinierte Signal zur Oberfläche übertragen wird, und daß das kombinierte Signal mit dem Leistungssignal verglichen wird, um das Datensignal vom kombinierten Signal zu trennen.

4. Verfahren zur Messung von Bohrungsparametern und zur Erzeugung von Anzeigen der Parameter, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Leiter ein Netzsignal von der Oberfläche zu einer Meßeinrichtung in der Bohrung geführt wird, daß in der Bohrung eine Reihe elektrischer Impulse erzeugt wird, daß die Zufuhr der Impulse in ein elektrisches System proportional der Größe der gemessenen Parameter gesteuert wird, daß die Anzahl der in das elektrische'System gesteuerten Impulse gezählt wird, daß in einem Datenspeicher kodierte Daten gespeichert werden, die die Zahl der gezählten ImPölse angeben, daß der Datenspeicher sequentiell auf das

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Vorhandensein kodierter Daten abgetastet wird, daß die kodierten Daten anzeigende Datensignale erzeugt werden, und daß die Datensignale über den Leiter zur Oberfläche geführt werden.

5. Verfahren zur Messung des Winkels und der Hichtung4iner Bohrung, dadurch gekennzeichnet, daß in der i Bohrung an einem Einzelleiterkabel Winkel- und Eiohtungsmeßgeräte aufgehängt werden, daß Über das Einzelleiterkabel den Instrumenten ein Netzsignal zugeführt wird, daß die Winkel.- und Richtungsparameter der Bohrung gemessen werden, daß in der Bohrung die gemessenen Parameter anzeigende Signale erzeugt werden, und daß die Signale über das Einzelleiterkabel zur Oberfläche geführt werden.

6. Vorrichtung zur Messung von Bohrungsdaten mit einem Gehäuse, und Einrichtungen zur Messung von Lageparametern ι des Gehäuses in der Bohrung, gekennzeichnet durch ein im Gehäuse bewegliches, auf die Oberfläche ausgerichtetes Teil (63), durch Einrichtungen auf dem auf die .Oberfläche, ausgerichteten Teil ziir Erzeugung einer ersten Bezugsraarkierung zur Anzeige der Lage des Teils, duroh eine Einrichtung am Gehäuse zur Erzeugung einer zweiten Bezugsmarkierung, die einen Lageparameter des Gehäuses anzeigt, und durch eine Einrichtung (39) zur zyklischen Abtastung der ersten und zweiten Bezugsmarkierung und zur Erzeugung

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periodischer Signale, die die gegenseitige Lage der ersten

und zweiten Bezugsmarkierung anzeigen.

7· Vorrichtung nach Anspruoh 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugsmarkierungen und die Abtasteinrichtung eine Lichtquelle (48), Lichtdurchlaßeinrichtungen (51, 52) und lichtempfindliche Einrichtungen (53, 64) zur Erzeugung eines elektrischen Signals entsprechend der Bewegung der Lichtquelle über die Lichtdurchlaßelnrichtung umfassen.

8. Vorrichtunghach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung gegenüber der ersten und zweiten Bezugsmarkierung mit konstanter Geschwindigkeit zyklisch beweglich ist.

9· Vorrichtungnach Anspruch 7, gekenzeichnet durch eine Impulsquelle (21) und einen Impulszähler (113), wobei die lichtempfindliche Einrichtung ein erstes Steuersignal entsprechend der Bewegung der ersten Lichtquelle über die erste Bezugsmarkierung zum Starten des Impulszählers und ein zweites Steuersignal entsprechend d'er Bewegung der Licht- ' quelle über die zweite Bezugsmarkierung zum Anhalten des Im- _f pulszählers erzeugt. ^;

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10. System zur Messung und Anzeige der Lage eicer in einer Bohrung befindlichen Einrichtung, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer ersten (12) und einer zweiten Instrumenteneinrichtung zur MessuBig des Winkels des Gehäuses, wobei das erste und zweite Instrument Je mit einem Pendelteil (63) versehen sind, das gegenüber der Erdoberfläche und einer Bezugsmarkierung auf dem Gehäuse ausgerichtet ist, durch eine zyklische Abtasteinrichtung (39) zur Messung der Lage des Pendelteils und der Bezugsmarkierung während jedes Abtastzyklus,und durch Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer .Steuersignale in zeitlicher Beziehung zum Winkelabstand zwischen dem Pendelteil und der Bezugsmarkierung.

11. Vorrichtung zur Verwendung in einer Bohrung, gekennzeichnet durch eine in die Bohrung einzubringende Einrichtung zur Messung mehrerer Parameter in der Bohrung, durch einen Einzelleiter zur Leistungszufuhr zur Meßeinriehtung, durch eine Einrichtung zur Impulserzeugung und zur Übertragung der Impulse in ein Schaltungssystem, durch eine auf die Meßeinrichtung ansprechende Einrichtung zur Steuerung der Übertragung der Impulse in das Schaltungssystem entsprechend der Größe der gemessenen Parameter, durch eine Einrichtung im Schaltungssystem zur Speicherung der gezählten Impulse als kodierte Daten für jeden gemessenen Parameter, und durch eine Einrichtung zur sequentiellen Übertragung der kodierten Daten über den Einzelleiter zur Überfläche.

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2Ö&722SP

12. S'chaltungs syst era zur Übertragung von, Logiksignalen auf einen Leiter,, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Leitungs- oder Netzsignals auf dem Leiter, durch eine Einrichtung (33, 34) zur Zufuhr logischer Datensignale in das Schaltungssystem, durch eine Einrichtung (128) zu Zufuhr logischer Synchronisiersignale auf das Schaltungssystem, wobei die logischen Datensignale seit-

* lieh mit einer ersten Stelle auf dem Netzsignal in Beziehung

stehen, und wobei das logische Synchronisiersignal zeitlich mit einer zweiten Stelle auf dem Netzsignal in Beziehung steht, die sich gegenüber der ersten Stelle in einem Phasenabstand befindet, durch eine auf das logische Datensignal ansprechende Einrichtung zur Überlagerung eines Impulses auf das Netzsignal in einer ersten vorherbestimmten Phasenlage, und durch eine auf das logische Synchronisiersignal ansprechende Einrichtung zur Überlagerung eines Impulses auf das Netzsignal

k in einer zweiten vorherbestimmten Phasenlage.

13· Schaltungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine an einer entfernten Stelle angeordnete Einrichtung 041) zum Ausfiltern des Netzsignals und zur Erzeugung eines reinen Impulses, der der ersten und zweiten vorherbestimmten Phasenlage entspricht.

14. Bohrungs-Datensystem zur übertragung logischer Daten aus einer Bohrung zu einer entfernten Stelle über einen üin-

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zelleiter, gekennzeichnet durch eine in der Bohrung beflndliphe bzw. in diese einzubringende Meßein-r richtung zur Bestimmung eines Parameters, durch eine Einrichtung zur Zufuhr eines Leitungs-. bzw. Netzsignals zu der in der Bohrung befindlichen Meßeinrichtung über den Einzelleiter, durch eine auf die Meßeinrichtung in der Bohrung ansprechende Meßeinrichtung zur Erzeugung eines logischen Signals für das System, durch eine Einrichtung zur überlagerung des logischen Signals auf da3 Netzsignal· in vorherbestimmter Phasenlage gegenüber dem Netzsignal, und durch eine an einer entfernten Stelle befindliche Meßeinrichtung zur Messung des überlagerten Logiksignals in seiner vorherbestimmten Phasenlage gegenüber dem Netzsignal.

15· Datensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Logiksignal mehrere Vorgänge umfaßt, die je in einer vorherbestimmten Phasenbeziehung | gegeneinander liegen.

16. Datensystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die an der entfernten Stelle befindliche Meßeinrichtung einen Taktgeber (146) zur Trennung der Vorgänge entsprechend ihrer vorherbestimmten Phasenlage umfaßt.

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17· Datensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch

gekennzeichnet , daß die Überlagerungseinrichtung einen Halbleiter(transistor) enthält, der so geschaltet ist, daß er auf dem Netzsignal einen charakteristischen Markierungsimpuls erzeugt,wenn der Halbleiter seinen Leitungszustand ändert.

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