DE2253726C3

DE2253726C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Ausrichtung eines Körpers

Info

Publication number: DE2253726C3
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: 1975-09-04
Also published as: CA975951A; DE2253726A1; GB1385189A; FR2158555B1; FR2158555A1; DE2253726B2; US3805398A; JPS4858865A; JPS6035610B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen 50 Dieser Stempel ist mit einer radial verlaufenden, der Ausrichtung eines Körpers in einer bestimmten schlitzförmigen Aussparung versehen, die etwas brei-Ebene unabhängig von der Neigung des, Körpers so- ter ist als die Kugel und gleichbleibenden Querschnitt wie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver- aufweist. Je nach der Lage der auf der konkaven fahrer ■ Oberfläche rollenden Kugel kommt die Unterseite des

Beim Abteufen tiefer Bohrlöcher ist es zuweilen 55 Stempels an der Kugel zum Anschlag, oder die Kugel notwendig, die Bohrrichtung zu ändern. Für eine ge- wird in der schlitzförmigen Aussparung aufgenomzielte Änderung der Bohrrichtung ist eine genaue men, so daß der Stempel weiter vorgeschoben werden Kenntnis sowohl des Neigungswinkels des Bohrers kann (Bestimmung der Drehlage). Je nach der Entzur Senkrechten als auch der Ausrichtung des Boh- fernung der Kugel von der Mitte der konkaven RoIlrers in Drehrichtung erforderlich. 60 fläche kann der Stempel zusätzlich noch ein kleines

Eine Vorrichtung zur Messung der Drehlage eines Stück weitergeschoben werden (Bestimmung des Bohrers ist z. B. in der DT-OS 1806 212 beschrieben. Neigungswinkels). Der Stempel ist starr mit einer Hierbei wird entweder ein Pendel verwendet, das je variablen Drossel für Strömungsmittel verbunden und nach seiner Lage zur gesamten Meßvorrichtung an erzeugt so ein hydraulisches Signal. Auch diese Meßeiner größeren oder kleineren Zahl von Anschlägen 65 vorrichtung hat nur ein geringes Auflösungsvermögen vorbeigleitet, wenn es in Längsrichtung der Meßvor- für die Drehlage und kann nicht kontinuierlich arrichtung bewegt wird. Die Anschläge werden von in beiten. Zudem wird die Information über die Dreh-Abständen angebrachten, mit nach oben zunehmend lage und die Neigung der Meßvorrichtung zu einem

• α ηΚΓΤ?V³* ^{nicht mehr m F} '^l 8· ^{3 einen} Längsschnitt der Meßspulen und des

e,r der DreMage entsprechendes Signal und ein dem Hauptblocks von Fig.2,

Nagungswmkel entsprechendes Signal aufgeteilt wer- Fig. 4 einen Schahplan der elektronischen Anord-

denKann. nung tuiu Ableiten der Messungen,

Aufgabe der Erfindung ist daher, en Verfahren an- 5 Fig. 5, 6 und 7 das zugrunde liegende Meßverzugeben, mit dem die Ausrichtung eines Körpers in fahren darstellende Diagramme,
einer bestimmten Ebene fortlaufend und mit großer Fig. 1 bis 7 zeigen einen elektromagnetischen Geschwindigkeit gemessen werden kann, sowie e»ne Wandler, der zur Messung der Ausrichtung oder des Vorrichtung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens. Drehwinkels eines Bohrwerkzeugkopfes in einem

Das erfinduagsgemäße Verfahren ist dadurch ge- ίο Bohrloch angeordnet ist, wenn der Wandler mit dem kennzeichnet, daß die Ausnchtung des Körpers mit- Bohrkopf in einer bestimmten Winkelstellung in Eintels der Lage einer m einer bestimmten Ebene oder griff steht. Der Wandler in einem einen Sensor bileiner parallel zu di..-ser liegenden Ebene kreisförmig denden Gehäuse weist eine Masse auf, die in einer frei rollenden Masse bezuglich zwei körperfesten, in kreisförmigen Bahn in einer Ebene der Ausrichtungseiner dieser Ebene liegenden Achsen gemessen wird. 15 messung quer zur Gehäuseachse frei rollt

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchfüh- Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht das rollende Glied rung Jes erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekenn- aus einem zylindrischen Körper 1 aus Messing oder zeichnet durch einen die Lage der frei rollenden einem anderen, nichtmagnetischen Material innerMasse messenden Wandler, der feststehende Elemente halb eines rohrförmigen Gehäuses 2. Dieser Körper zur Feldmessung in zwei Hauptachsen aufweist, und ao trägt eine koaxiale, ringförmige Scheibe 3, die an der durch ein die frei rollende Masse bildendes, das Feld Innenfläche des Gehäuses 2 rollt. Diese Scheibe ist veränderndes Glied, das unter dem Einfluß der mittels einer Hülse 4 auf einem die Scheibe festlegen-Schwerkraft in einer kreisförmigen Bahn in einer den Zapfen 5 an einem Ende des Körpers 1 befestigt. Ebene rollend geführt ist, die in oder parallel zur Am anderen und tieferen Ende des Körpers ist ein Ebene liegt, in der die beiden körperfesten Achsen 25 axial vorstehender Stift 6 lose in einer Bohrung 7 in liegen. einem Bodenabsperrorgan 8 des Gehäuses angeord-

Damit ist eine fortlaufende Messung der Drehlage net und sitzt auf einer Lagerkugel 9 am Boden der möglich, ohne daß während der Messung auf die frei Bohrung 7 auf. Folglich hat der Körper 1 ein Stehrollende Masse eine Kraft ausgeübt wird. Die Meß- lager, das eine umlaufende Rollbewegung innerhalb vorrichtung erzeugt auch ein analoges Signal für die 30 des Gehäuses 2 vorsieht. Zur Dämpfung der Bewe-Drehlage, so daß das Auflösungsvermögen der Meß- gung des rollenden Glieds ist das Gehäuse 2 teilvorrichtung im wesentlichen durch die Kenndaten weise mit einem viskosen Siliconöl oder einer andedes Meßwertwandlers und der Anzeigevorrichtung ren viskosen Dämpfflüssigkeit gefüllt,
bestimmt wird. Ein Stabmagnet ist im Körper 1 in einer axialen

In vorteilhafter Weitergestaltung der Erfindung ist 35 Bohrung befestigt und weist im oberen Endbereich eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Hülse eine Polseite 11 auf. Das von dieser Polder Ausrichtung eines Körpers dadurch gekennzeich- sehe ausgehende Magnetfeld beeinflußt den Magnetnet, daß die feststehenden Elemente Meßspulen und fluß in einer Gruppe von vier Meßspulen. Zwei dieser das Glied ein zylindrischer Körper sind, der einen Spulen sind schematisch dargestellt, mit 13, 14 be-Stabmagneten aufweist. 40 zeichnet, und in einem oberen Endbereich des Ge-

Neben der Verwendbarkeit der gut entwickelten häuses 2 angeordnet. Die Spulen sind in der Art von M^ methoden für magnetische Felder erhält man da- Elektromagneten mit sättigungsfähigen Magnetkernen mit als weiteren Vorteil, daß der frei r< ende, den wie bei anderen Geberelementen verwendet und He-Stabmagneten tragende Körper in einerr von den gen axial im Gehäuse in gleichen Abständen am Um-Meßspulen für das Magnetfeld getrennten Raum an- 45 fang des Gehäuses, d. h. in zwei zueinander in rechgeordnet werden kann, da Magnetfelder durch metal- tem Winkel stehenden Ebenen,
lische Zwischenwände nur in sehr beschränktem Somit weist das rollende Glied einen Stab- oder Maße geschwächt werden. Stangenmagnet auf, während die Stellung eines der

Die Erfindung wird besonders vorteilhaft beim Magnetpole durch magnetempfindliche Sensoren fest-Bohren tiefer Bohrlöcher mit einem Bohrwerkzeug 50 gestellt werden kann. Die gegenüberliegenden. Meßangewendet, das einen lenkbaren Bohrschlammotor spulenpaare enthaltenden beiden Ebenen begrenzen aufweist, um ein Bohrloch mit vorgegebenem Ver- körperfeste Achsen. Die Ausrichtung der Wandlerlauf abzuteufen. Hierbei muß sowohl der Verlauf einheit gegenüber diesen beiden feststehenden des schon niedergebrachten Bohrloches als auch die Achsen kann dadurch bestimmt werden, daß die Ausrichtung des Bohrkopfes zu jeder Zeit bekannt 55 Spulen nach Art eines Geberelements verwendet sein. Zur Bestimmung der Drehlage des Bohrkopfes werden, wie noch zu beschreiben,
wird vorteilhafterweise eine erfindungsgemäße Vor- Der Aufbau der Spulen 13, 14 ist in einer Ausrichtung zum Messen der Ausrichtung eines Körpers führungsform in F i g. 2 und 3 gezeigt. Eine zylinam Bohrkopf befestigt, welche während des Bohrens diUche Form aus Plastikmaterial, etwa Nylon, hat die Drehlage des Bohrkopfes ständig mißt. 60 vier axiale Bohrungen 16, in denen die beiden Spulen

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der 13,14 und zwei weitere Spulen 17,18 angeordnet sind,

folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, Eine axiale Steckdose oder eine andere Kupplung mit

das auch das Meßverfahren zeigt, an Hand der Kontakten 19 ist zur Herstellung der äußeren An-

Zeichnung. Darin zeigt Schlüsse vorgesehen. Die Spulenanordnung wild in

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch die er- 65 das Ende des Gehäuses 2 (Fig. 1) über einem mit

findungsgemäße Meßvorrichtung, einem Dichtring 21 versehenen, abdichtenden Ab-

F i g. 2 eine Endansicht der Meßspulen in einem sperrorgan 20 eingesetzt. Falls erforderlich, werden

Halteblock, der in die Sensoreinheit von Fig. 1 paßt, Füllscheiben 22 vorgesehen. Ein oberer Deckel 23

wird über einem Plastikabstandsring 24 in das Oe- Vektors unter dem Rollwinkel Φ dar. Folglich kann

häuse 2 eingepaßt. Das Gehäuse 2 hat eine Boden- der Rollwinkel Φ leicht abgeleitet werden. Wenn auch

büchse 25 und einen Bodendeckel 26 für den Anbau im beschriebenen Ausführungsbeispiel elektromagne-

unter einem vorgegebenen Winkel am Kopf des tische Sensoren und insbesondere Geberelemente ver-

Bohrwerkzeugs. S wendet werden, so ist hervorzuheben, daß andere

Die den Wandler im Gehäuse 2 enthaltende Sensor- Sensoren, die die Ordinaten der Stellung des rollen-

einheit ist mit zwei ähnlichen, elektronischen Kreisen den Körpers ableiten, zur Bestimmung des Rollwin-

verbunden, von denen jeder in F i g. 4 gezeigt ist, und kels verwendet werden können,

bildet in bekannter Weise Geberelementverstärker. Die der Erfindung zugrunde liegenden Grundsätze

In Fig. 4 sind zwei Wandlerspulen 13, 14 als io werden nun unabhängig von der angenommenen Halbbrücke über einer abgeglichenen Wechselstrom- Meßvorrichtung an Hand der F i g. 5, 6 und 7 bequelle 51 von üblicher Weise 1000 Hz angeschlossen. schrieben. In F i g. 5 ist der Wandlerkörper 2 mit Eine Gleichgewichtsstörung des Magnetflusses in den einer Achse OZ unter einem zur Senkrechten OV geSpulen baut an der Verbindung der Spulen eine neigten Winkel dargestellt. F i g. 6 ist eine Ansicht zweite harmonische Spannung auf, die über einen 15 des Körpers 1 entlang der Schnittlinie VI-VI der Kondensator Cl einen verstärkenden Transistor TRl F i g. 5 und zeigt den Rollwinkel Φ der feststehenden beaufschlagt. Im Ausgangskreis dieses Transistors Körperachsen OX, OY gegenüber einer senkrechten wird mit einem Torimpuls mittels eines Synchron- Ebene VV. Fig. 7 zeigt das roi .nde Glied 1 in der schalters gesteuert, der einen Feldeffekt-Transistor Stellung xy gegenüber den feststehenden Körper- TR 2 für eine phasenempfindliche Demodulation auf- 20 achsen OX und OY.

weist. Der Transistor TR 2 wird unter Steuerung eines Der Rollwinkel Φ des Wandlers ist der Winkel Bezugs 52 mit doppelter Frequenz (2000 Hz), der zwischen einem gegebenen Durchmesser des Querüber einen Frequenzverdoppler FD von der Quelle Schnitts durch den Wandlerkörper 2 und der die 51 aus beliefert wird, aufeinanderfolgend aus- und Achse des Wandlerkörpers enthaltenden senkrechten eingeschaltet. Das Demodulationsergebnis wird auf 25 Ebene. Dieser Rollwinkel kann von Wandlerausgäneinen Hochleistungsverstärker A mit Wechselstrom- gen erhalten werden, die unabhängig sind von der rückkopplung über Kondensatoren C 2, C 3 und über Neigung Θ der Achse des Wandlerkörpers. Der einen Gleichstromrückkopplungsweg mit Widerstän- Wandler arbeitet im wesentlichen in der Weise, daß den R1, R 2 und R 3 auf den Eingang des Kreises er einem rollenden Glied 1 gestattet, im Wandlerkörübertragen, d. h. auf die Verbindung der Spulen 13 30 per in eine tiefere Lage zu rollen, wo dessen Stellung und 14. Hierdurch erzeugt die Ausgangsspannung Vx gegenüber zwei feststehenden Körperachsen OX und einen proportionalen Strom durch die Rückkopp- OY des Sensors, die in einem Querschnitt des Wandlungswiderstände. Dieser Strom erzeugt einen Anstieg lerkörpers 2 und des rollenden Glieds 1 liegen, festder Feldstärke in den Spulen, wodurch das Magnet- gestellt wird. Wenn die Sensoren entlang OX und OY Stromgleichgewicht wieder hergestellt wird. Vx ist 35 Ausgangsspannungen Vx bzw. Vy erzielen, wobei Vx folglich ein Maß für die relative Verschiebung χ des proportional χ und Vy proportional y ist, so kann rollenden Magneten gegenüber den Spulen 13 und 14. der Rollwinkel Φ erhalten werden durch
Die Verschiebung y wird in ähnlicher Weise im zwei- sin Φ y V

ten Kreis gemessen, der an das zweite Paar von Spu- — = = ——.

len 17,18 angeschlossen ist. 40 ^cos<p ~ ^x ~^v*

Kleine Anfangsfehler im Gleichgewicht werden Folglich kann der Rollwinkel Φ eines Körpers um durch einen Potentialteiler R 4 ausgeschaltet, von eine körperfeste Achse OZ aus dieser Beziehung undem eine einstellbare Gleichspannung über einen abhängig von der Neigung dieser Achse dadurch ei hochohmigen Widerstand RS auf die Verbindung der halten werden, daß die Stellung x, y der Masse erSpulen 13, 14 übertragen wird. Kopplungs- und Ent- 45 mitteh wird, die in einer rechten kreisförmigen Bahr kopplungswiderstände R6, RT, RS und Kondensa- um die Achse gegenüber zwei quergerichteten, körxoren C 4 und C 5 sind in dem den Transistor TRl perfesten Achsen OX und OY rollt. Zum Anzeiger aufweisenden Verstärker vorgesehen. des Rollwinkels einer Bohrmaschine in einem Bohr-

Die Ausgangsspannungen Vx und Vy der beiden loch werden die Achsen OX, OY und OZ mit dei

Verstärker stellen die X- und Γ-Komponenten des 50 Achsen des Bohrwerkzeugs ausgefluchtet

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

^ mit kleineren AasBehmungen zum Durchlaß des Pen- Patentansprüche: dels versehenen Blenden gebildet. Jedes Berühren einer Blende bei der Längsbewegung des Pendels er-

1. Verfahren zum Messen der Ausrichtung zsugt ein Signal, und damit ist die Zahl der insgesamt eines Körpers in einer bestimmten Ebene unab- 5 während einer Messung empfangenen Impulse ein hängig voTder Neigung des Körpers, dadurch Maß für die WinkeUage der Meßvomchtung. Bei

-gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des einer weiteren Ausfuhrungsform wird eine auf einer Körpers mittels der Lage einer in d« bestimmten Scheibe frei bewegliche Kugel verwendet, die sich m-Ebene oder einer parallel zu dieser Hegenden folge der Schwerkraft stets am tiefsten Punkt der Ebene kreisförmig frei rollenden Masse bezüglich xo Scheibe einstellt. In dieser Lage kann die Kugel abzwei körperfesten, in einer dieser Ebenen liegen- gehoben werden und gegen einen Anschlag angedem Achsen gemessen wird. drückt werden, welcher von einer Mehrzahl in Um-

2. Vorrichtung für ein Verfahren nach An- fangsricfatung verteilter Einzelanschlage gebildet wird, spruch 1, gekennzeichnet durch einen die Lage wobei durch das Niederdrucken von an der Kugel der frei rollenden Masse messenden Wandler, der 15 anhegenden EinzeJanscnlagen ein der Drehlage der feststehende Elemente zur Feldmessung in zwei Meßvomchtung entsprechendes Signal erzeugt wird. Hauptachsen aufweist, und durch ein die frei rol- Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß ihr Auflende Masse bildendes, das Feld Veränderndes lösungsvermögen durch die ZahJ der Anschlage, Glied, das unter dem Einfluß der Schwerkraft in welche mit dem Pendel bzw. der Kugel zusammeneiner kreisförmigen Bahn in einer Ebene rollend ao arbeiten, begrenzt ist. Diese Zahl .cann wegen der geführt ist, die in oder parallel zur Ebene liegt, Ausdehnung des Pendels bzw. der Kugel nicht bein der die beiden körperfesten Achsen liegen. liebig vergrößert werden, schon gar nicht, wenn die

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Meßvorrichtung noch einigermaßen 'obust sein soll. kennzeichnet, daß die feststehenden Elemente Zudem ist eine Messung nur in Abstanden und nicht Meßspulen (13, 14, 17, 18) und das Glied ein 25 fortlaufend möglich.

zylindrischer Körper (1) sind, der einen Stab- In der FR-OS 2 024 872 ist eine Vorrichtung be-

magneten (10) aufweist. schrieben, mit der sowohl die Neigung als auch die

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- Drehlage eines Körpers gemessen werden kann. Hierkennzeichnet, da«! die Meßspulen (13,14,17,18) zu wird ein auf einer Spitze gelagerter Dauermagnet als Geberelemente ausgebildet sind. 30 verwendet, welcher sich im Erdfeld einstellt und wel-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 eher zugleich in einer Flüssigkeit zum Dämpfen seibis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (1) ner Bewegung angeordnet ist. Der Dauermagnet tragt an einer zylindrischen Fläche geführt ist Marken und wird zusammen mit einem fest in der

6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 Meßvorrichtung angebrachten Fadenkreuz photogra- und der Vorrichtung nach d?n Ansprüchen 2 bis 5 35 phiert. Frei auf einer Fläche rollende Kugeln sind beim bergmännischen Tiefbohren mittels eines dazu vorgesehen, eine Aufnahme so lange zu verhinvon einem Bohn-chlammotor angetriebenen Bohr- dem, wie sich die gesamte Meßvomchtung noch in Werkzeugs unter ununterbrochener Übertragung Bewegung befindet. Auch bei dieser Meßvorrichtung der Meßdaten zur Oberfläche hin. ist eine Messung nur in Abständen möglich, wobei

7. Vorrichtung nach Anspruch 6„ dadurch ge- 40 für jede Messung die gesamte Meßvomchtung aus kenaizeichnet, daß die frei rollende Masse in dem Bohrloch gezogen werden muß. Erst nach Enteinem Gehäuse (2) geführt ist, das an dem Bohr- wickeln des Films liegt das Ergebnis vor. Das Aufwerkzeug unter einem vorgegebenem Winkel be· lösungsvermögen und die Robustheit dieser Meßvorfestigt ist richtung sind darüber hinaus nicht zufriedenstellend.

45 Schließlich ist in der US-PS 2 953 350 eine Vorrichtung zum Messen sowohl der Neigung als auch

der Drehlage eines Körpers beschrieben. Hier rollt

eine Kugel auf einer konkaven Oberfläche. In Abständen wird ein Stempel auf die Kugel zu bewegt.