DE2253726A1

DE2253726A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der ausrichtung eines koerpers um eine besondere achse des koerpers

Info

Publication number: DE2253726A1
Application number: DE2253726A
Authority: DE
Inventors: Michael King Russell
Original assignee: Individual
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1971-11-05
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1973-05-10
Also published as: US3805398A; JPS4858865A; FR2158555B1; DE2253726B2; DE2253726C3; JPS6035610B2; GB1385189A; CA975951A; FR2158555A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Ausrichtung eines j Körpers um eine besondere Achse des Körpers |

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mes-* sen von Winkeln für eine Feranzeige, insbesondere zum Messen der von der Neigung des Körpers unabhängigen Ausrichtung des Körpers. \ Die Erfindung ist insbesondere,aber nicht ausschließlich anwend- , bar für die Messung der Ausrichtung oder des Rollwinkels des Kopfs eines Bohrwerkzeugs in einem Bohrloch.

Nach der Erfindung wird die Ausrichtung eines Körpers um eine besondere Achse des Körpers durch Ermitteln der Lage einer Masse gc messen, die in einer die Ausrichtungsachse senkrecht schneidenden Ebene frei rollt, und zwar im Hinblick auf zwei zueinander senkrecht stehende, körperfeste und die Ausrichtungsachse schneidende Ebenen. Die rollende Masse nimmt zum Erreichen ihres tiefsten Punkts gegenüber den körperfesten Ebenen eine Stellung ein, die die Ausrichtung der Körperebenen gegenüber der senkrechten Ebene anzeigt, die die Ausrichtungsachse enthält und unabhängig

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von der Neigung dieser Achse ist.

Der Sensor weist daher vorzugsweise einen Wandler mit feststehenden Elementen auf, die zur Feldmessung in zwei Hauptachsen angeordnet sind, und ein Feldveränderungsglied, das unter der Wirkung der Schwerkraft in einer kreisförmigen Bahn in einer Ebene rollt, die parallel zur Ebene der Achsen ist. Das feststehende Element
kann aus Meßspulen bestehen, die mit einem Stabmagneten zusammen arbeiten, der das Feldveränderungsglied bildet und axial in

■ einer umlaufenden Rolle angeordnet ist.

^:

Die Erfindung wird besonders vorteilhaft beim Bohren tiefer Bohrlöcher mit einem Bohrwerkzeug angewendet, das zum Befolgen eines gewünschten Verlaufs von einem lenkbaren Bohrschlammotor angetrie· ben wird, vorausgesetzt, daß der bestehende Verlauf des Bohrlochs bekannt ist und die Ausrichtung oder der Rollwinkel des Bohrwerkzeugkopfes ermittelt werden kann. Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Rollwinkels bei
einem derartigen Bohren, wobei der Sensor am Bohrwerkzeugkopf befestigt werden kann, um während des Bohrens ununterbrochen Anzeigen an der Oberfläche zu geben.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels,
das auch das Meßverfahren zeigt, anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt einer Sensoreinheit mit einem elektromagnetischen Wandler mit Meßspulen,

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Fig. 2 eine Endansicht der Meßspulen in einem Halteblock, der in die Sensoreinheit von Fig. 1 paßt,

Fig. 3 einen Längsschnitt der Meßspulenund des Hauptblocks von Fig. 2,

Fig. 4 einen Schaltplan der elektronischen Anordnung zum Ableiten der Messungen von der Sensoreinheit,

Fig. 5, das zugrundeliegende Meßverfahren darstellende Dia-^{6 und 7} gramme.

Fig. 1 bis 7 zeigt einen elektromagnetischen Wandler, der zur Messung der Ausrichtung oder des Drehwinkels eines Bohrwerkzeugkopfs in einem Bohrloch angeordnet ist, wenn der Wandler mit dem Bohrkopf in einer bestimmten Winkelstellung in Eingriff steht. Der Wandler in einem einen Sensor bildenden Gehäuse weist eine Masse auf, die in einer kreisförmigen Bahn in einer Ebene der Ausrichtungsmessung quer zur Gehäuseachse frei rollt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht das rollende Glied aus einem zylindrischen Körper 1 aus Messing oder einem anderen, nicht magnetischen Material innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses 2. Dieser Körper trägt eine koaxiale, ringförmige Scheibe 3, die an der '

■ Innenfläche des Gehäuses 2 rollt. Diese Scheibe ist mittels

j einer Hülse 4 auf einem die Scheibe festlegenden Zapfen 5 an einem Ende des Körpers 1 befestigt. Am anderen und tieferen Ende des Körpe is⁺ ein axial vorstehender Stift 6 lose"in einer

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Bohrung 7 in einem Bodenabsperrorgan 8 des Gehäuse angeordnet und

sitzt auf einer Lagerkugel 9 am Boden der Bohrung 7 auf. Folglich I

j i

hat der Körper 1 ein Stehlager, das eine umlaufende Rollbewegung

innerhalb des Gehäuses 2 vorsieht. Zur Dämpfung der Bewegung des rollenden Glieds ist das Gehäuse 2 teilweise mit einem väcosem J Siliconöl oder einer anderen viskosen Dämpfflüssigkeit gefüllt.

Ein Stabmagnet ist im Körper 1 in einer axialen Bohrung befestigt und weist im oberen Endbereich der Hülse eine Polseite 11 auf.Das j von dieser Polseite ausgehende Magnetfeld beeinflußt den Magnet- ;

fluß in einer Gruppe von vier Meßspulen.Zwei dieser Spulen sind schematisch dargestellt, mit 13, 14 bezeichnet und in einem obe-

j ren Endbereich des Gehäuses 2 angeordnet. Die Spulen sind in der Art von Elektromagneten mit sättigungsfähigen Magnetkernen, wie bei anderen Geberelementen verwendet, und liegen axial im Gehäuse in gleichen Abständen am Umfang des Gehäuses, d.h. in zwei zueinander in rechtem Winkel stehenden Ebenen.

Somit weist das rollende Glied einen Stab- oder Stangenmagnet auf während die Stellung eines der Magnetpole durch magnetempfindliche Sensoren festgestellt werden kann. Die gegenüberliegenden, Meßspulenpaare enthaltenden beiden Ebenen begrenzen körperfeste Achsen. Die Ausrichtung der Wandlereinheit gegenüber diesen beiden feststehenden Achsen kann dadurch bestimmt werden, daß die Spulen nach Art eines Geberelements verwendet werden, wie noch zu beschreiben.

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Der Aufbau der Spulen 13, 14 ist in einer Ausführungsform in Fig.ή ι und 3 gezeigt. Eine zylindrische Form aus Plastikmaterial, etwa ' Nylon, hat vier axiale Bohrungen 16, in denen die beiden Spulen 13, 14 und zwei weitere Spulen 17, 18 angeordnet sind. Eine axial4 Steckdose oder eine andere Kupplung mit Kontakten 19 ist zur Herstellung der äußeren Anschlüsse vorgesehen. Die Spulenanordnung wird in das Ende des Gehäuses 2 (Fig. 1) über einem mit einem Dichtring 21 versehenen, abdichtenden Absperrorgan 20 eingesetzt. Falls erforderlich werden Füllscheiben 22 vorgesehen. Ein oberer Deckel 23 wird über einem Plastikabstandsring 24 in das Gehäuse 2 eingepaßt. Das Gehäuse 2 hat eine Bodenbüchse 25 und einen Bodendeckel 26 für den Anbau unter einem vorgegebenen Winkel am Kopf : des Bohrwerkzeugs.

Die den Wandler im Gehäuse 2 enthaltende Sensoreinheit ist mit i , zwei ähnlichen, elektronischen Kreisen verbunden, von denen jeder j J in Fig. 4 gezeigt ist, und bildet in bekannter Weise Geberelementj verstärker.

In Fig. 4 sind zwei Wandlerspulen 13, 14 als Halbbrücke über einer abgeglichenen Wechselstromquelle 51 von üblicher Weise 1000 Hz angeschlossen. Eine Gleichgewichtsstörung des Magnetflusses in den Spulen baut an der Verbindung der Spulen eine zweite harmonische Spannung auf, die über einen Kondensator C1 einen verstärkenden Transistor TR1 beaufschlagt. Im Ausgangskreis dieses Transistors wird mit einem Torimpuls mittels eines Synchronschalters gesteuert, der einen Feldeffekt-Transistor TR2 für eine phasenempfindliche Demodulation aufweist. Der Transistor TR2

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wird unter Steuerung eines Bezugs 52 mit doppelter Frequenz (2000 Hz), der über einen Frequenzverdoppler FD von der Quelle 51 aus beliefert wird, aufeinanderfolgend aus- und eingeschaltet. Das

\ Demodulationsergebnis wird auf einen Hochleistungsverstärker A mit Wechselstromrückkopplung über Kondensatoren C2, C3 und über

; einen Gleichstromrückkopplungsweg mit Widerständen R1, R2 und R3 auf den Eingang des Kreises übertragen, d.h. auf die Verbindung

! der Spulen 13 und 15. Hierdurch erzeugt die Ausgangsspannung Vx

einen proportionalen Strom durch die Rückkopplungswiderstände. Dieser Strom erzeugt einen Anstieg der Feldstärke in den Spulen, wodurch das Magnetstromgleichgewicht wieder hergestellt wird. ; Vx ist folglich ein Maß für die relative Verschiebung χ des rollenden Magneten gegenüber den Spulen 13 und 14. Die Verschiebung y wird in ähnlicher Weise im zweiten Kreis gemessen, der an das zweite Paar von Spulen 17, 18 angeschlossen ist.

Kleine Anfangsfehler im Gleichgewicht werden durch einen Potentialteiler R4 ausgeschaltet, von dem eine einstellbare Gleichspannung über einen hochohmigen Widerstand R5 auf die Verbindung der Spulen 13, 14 übertragen wird. Koppelungs- und Entkoppelungswiderstände R6, R7, R8 und Kondensatoren C4 und C5 sind in dem den Transistor

i TR1 aufweisenden Verstärker vorgesehen.

Die Ausgangsspannungen Vx und Vy der beiden Verstärker stellen , die X- und Y-Komponenten des Vektors unter dem Rollwinkel 0 dar. ; Folglich kann der Rollwinkel 0 leicht abgeleitet werden. Wenn auch im beschriebenen Ausführungsbeispiel elektromagnetische Sensoren und insbesondere Geberelemente verwendet werden, so ist

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hervorzuheben, daß andere Sensoren, die die Ordinaten der Stellung j

des rollenden Körpers ableiten, zur Bestimmung des Rollwinkels !

j verwendet werden können. I

Die der Erfindung zugrundeliegenden Grundsätze werden nun unabhän- ; gig von der angenommenen Meßvorrichtung anhand der Fig. 5, 6 und 7 beschrieben. In Fig. 5 ist der Wandlerkörper 2 mit'einer Achse GZ unter einem zur Senkrechten OV geneigten Winkel dargestellt.

Fig. 6 ist eine Ansicht des Körpers 1 entlang der Schnittlinie

j VI-VI der Fig. 5 und zeigt den Rollwinkel 0 der feststehenden j Körperachsen OX, OY gegenüber einersenkrechten Ebene W. Fig. 7 zeigt das rollende Glied 1 in der Stellung xy gegenüber den fest-j

stehenden Körperachsen OX und OY. i

■ Der Rollwinkel jÖ des Wandlers ist der Winkel zwischen einem ge- ! gebenen Durchmesser des Querschnitts durch den Wandlerkörper 2 und der die Achse des Wandlerkörpers enthaltenden senkrechten Ebene. Dieser Rollwinkel kann von Wandlerausgangen erhalten werden, die unabhängig sind von der Neigung θ der Achse des Wandlerkörpers. Der Wandler arbeitet im wesentlichen in der Weise, daß er einem rollenden Glied 1 gestattet, im Wandlerkörper in eine tiefere Lage zu rollen, wo dessen Stellung gegenüber zwei feststehenden Körperachsen OX und OY des Sensors, die in einem Querschnitt des Wandlerkörpers 2 und des rollenden Glieds 1 liegen, festgestellt wird. Wenn die Sensoren entlang OX und OY Ausgangsspannungen Vx bzw..Vy erzielen, wobei Vx proportional χ und Vy proportiofial y ist, so kann der Rollwinkel 0 erhalten werden

sin 0 ₌ Z
cos 0 ~-x

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Folglich kann der Rollwinkel φ eines Körpers um eine körperfeste

Achse OZ aus dieser Beziehung unabhängig von der Neigung dieser Achse dadurch erhalten werden, daß die Stellung x, y der Masse j ermittelt wird, die in einerrechten kreisförmigen Bahn um die Achse gegenüber zwei quergerichteten, körperfesten Achsen OX und ; OY rollt. Zum Anzeigen des Rollwinkels einer Bohrmaschine in eineiji Bohrloch werden die Achsen OX, OY und OZ mit den Achsen des Bohrwerkzeugs ausgefluchtet.

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Claims

Patentansprüche

1.)Ver£ahren oder Vorrichtung zum Messen der Ausrichtung eines Körpers um eine besondere Achse des Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung einer in einer Ebene unter rechten Winkeln zur Ausrichtungsachse und in einer kreisförmigen Bahn auf der Ausrichtungsachse zentrierten, frei rollenden Masse gegenüber zwei körperfesten, sich in der_Ausrichtungsachse schneidenden Ebenen gemessen wird.

;

2. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn? zeichnet, daß die Stellung der frei rollenden Masse durch einen Wandler gemessen wird, der feststehende Elemente zur Feldmessung in zwei Hauptachsen aufweist, und daß die frei rollende Masse ein das Feld veränderndes Glied ist, das unter dem Einfluß der Schwerkraft in einer kreisförmigen Bahn in einer Ebene rollt, die parallel zur Ebene der beiden Hauptachsen ist.

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3. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Elemente Meßspulen (13,14,17,18) sind, die mit einem Stabmagneten (10) zusammen arbeiten, der das das Feld verändernde Glied bildet und axial in einer um- ! laufenden Rolle (1) angeordnet ist.

4. Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

' i

zeichnet, daß die Meßspulen (13,14,17,18) als Geberelemente

angeordnet und ausgebildet sind. |

5. Verfahren oder Vorrichtung zum Feststellen des Rollwinkels

j eines von einem Bohrschlammotor angetriebenen Bohrwerkzeugs in einem Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren oder die Vorrichtung eines der vorhergehenden Ansprüche angewendet wird, um während des Bohrens ununterbrochen Anzeigen an der Oberfläche zu geben.

ι

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die frei rollende Masse in einem Gehäuse (2) | enthalten ist, das an einem Bohrwerkzeug unter einem vorgegebenen Winkel befestigt werden kann. .

7. Wandler für das Verfahren oder die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein längliches Glied (1,2 bis 7) für eine umlaufende, frei rollende Be-t

wegung innerhalb einer und gegen eine zylindrische Fläche ein-j gebaut ist.

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