DE2301511A1

DE2301511A1 - Verfahren und geraet zum messen des neigungs- und rollwinkels

Info

Publication number: DE2301511A1
Application number: DE2301511A
Authority: DE
Inventors: Michael King Russell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-01-12
Filing date: 1973-01-12
Publication date: 1973-07-19
Also published as: FR2168056B3; JPS4879664A; GB1410051A; FR2168056A1

Description

Patentanwälte 2 3 O 1 5 1

Dr. Ing. H. Negendank Dip! Inc. H. H-u J- · Dipl Phye. W. Schmitz üusseli _{Djp| lr} ■ _E (i^-üj. _D!p|. ing. V/. Wehnert

3, Culcross Close, 8 Müa Jtoa 2, MosdrtsUaBe 25

Telefon 5 38 05 86

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Anwaltsakte M-2489 12. Januar

Verfahren und Gerät zum Messen des Neigungs- und

Rollwinkels

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Messen der Neigungs- und Rollwinkel zwecks !Fernanzeige, und ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für die Messung der Neigung und des Rollwinkels des Bohrkopfes eines Bohrwerkzeuges in einem Bohrloch verwendbar.

Fühler, die auf Gravitationsfelder ansprechen, sowie auf erdmagnetische Felder ansprechende Fühler sind einzeln und kombiniert zum Messen der Neigung oder Ausrichtung eines Gegenstandes verwendet worden, und es sind Verfahren bekannt, durch die von derartigen Fühlern Informationen über die Winkel bestimmter Achsen und Ebenen des Gegenstandes bezüglich erdfester Achsen abgeleitet werden.

Beim Bohren von Tieflochbohrungen kann ein von einem Schlammmotor getriebenes Bohrwerkzeug derart gesteuert werden, daß

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es einem erwünschten Bewegungspfad folgt, vorausgesetzt, daß der vorhandene Verlauf des Bohrloches und der Rollwinkel des Bohrkopfes des Bohrwerkzeuges ermittelt werden können. Es ist "bekannt, Fühler, die in einer vorgegebenen Winkellage am Kopf des Bohrwerkzeuges anbringbar sind, zur Bestimmung des Rollwinkels zu verwenden.

Erfindungsgemäß soll ein verbesserter Fühler zum Messen der Neigungs- und Rollwinkel eines Gegenstandes geschaffen werden. Auf dem Gebiet der Herstellung von Bohrlöchern soll erfindungsgemäß ein Verfahren und ein Gerät zur Ermittlung der Neigungs- und Rollwinkel des Bohrwerkzeuges geschaffen werden, durch das während des Bohrens kontinuierliche Anzeigen an der Oberfläche erhaltbar sind.

Erfindungsgemäß enthält ein Fühler zur Winkelmessung gravitationsbetätigte, veränderliche elektrische Impedanzen, die derart angeordnet sind, daß die an ihnen vorhandenen Widerstandswerte sowohl von dem Neigungs- als auch von dem Rollwinkel des Fühlers abhängig sind. Die Impedanzen sind vorzugsweise zwecks Abgabe einer Spannung mit einer vom Neigungswinkel abhängigen Amplitude und einer vom Rollwinkel abhängigen Phase in einer Wechselstromschaltung angeordnet.

Vorzugsweise enthält der Fühler eine: frei abgestützte Pendelmasse mit leitfähigen Flächen, die von isolierten, fest im

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IPühlergehäuse angeordneten Blechen oder Platten auf Abstand gehalten ist, so daß Kondensatoren gebildet sind, die die Impedanzen darstellen, jedoch sind auch andere Anordnungen möglich, bei denen in ähnlicher Weise eine bezüglich des Fühlergehäuses frei abgestützte, in sämtlichen Richtungen seitlich auslenkbare Pendelmasse vorgesehen ist.

Zweckmäßigerweise sind zwei Paare entgegengesetzter Kondensatoren jeweils mit um 90° phasenverschobenen Spannungen in symmetrischen Schaltkreisen beaufschlagt und dadurch ist eine zu messende Spannungsdifferenz zwischen der leitfähigen Fläche der Pendelmasse und der symmetrischen Leitung der Schaltkreise abnehmbar.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Messung und Fernanzeige des Neigungs- und Rollwinkel eines Gegenstandes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand zwischen Abschnitten des Gegenstandes und einer relativ dazu unter dem Einfluß der Schwerkraft entgegen einer Rückstellkraft bewegbaren Masse elektrisch abgetastet und eine Spannung mit einer vom Neigungswinkel des Gegenstandes abhängigen Amplitude und einer vom Rollwinkel des Gegenstandes abhängigen Phase abgeleitet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines den Neigungsund Rollwinkel abtastenden Wandlers, der in vorgegebener Winkel-

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lage am Kopf eines Bohrwerkzeuges in einem Bohrloch anbringbar ist, wird nunmehr in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Wandlers;

Fign. 2 und 3 graphische Darstellungen, in denen die Ueigungs- und Rollwinkel in Bezug· auf die geometrischen Achsen des Wandlers gezeigt sind;

Fig. 4 ein entsprechendes Sehaltdiagramm des Wandlers mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen;

Pig. 5 eine schematische Darstellung, in der der Wandler teilweise im Schnitt gezeigt ist;

Fig. 6 einen Schnitt, in dem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wandlers im einzelnen dargestellt ist;

Fig. 7 ein elektrisches S ehalt diagramm für ein den Wandler enthaltendes Meßgerät.

Der Wandler 1 dient als Fühler und enthält ein Gewicht 2, das am freien Ende einer im Querschnitt kreisförmigen Stange

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befestigt ist, welche fest an einem Ende eines rohrförmigen Gehäuses 4 angebracht ist und etwa axial in das Gehäuse verläuft, so daß eine frei abgestützte Pendelmasse gebildet wird. Die Masse wird infolge der Schwerkraft abgelenkt, die entgegen der durch eine Yerbiegung der Stange 3 erzeugten Rückstellkraft wirkt, Das Gewicht 2 enthält eine leitfähige Pläehe 5, die mit vier Elektroden 6 zusammenwirkt, weiche Metallplatten, überzeuge oder Bleche sein können, die um die Innenseite des rohrförmigen Gehäuses 4 verteilt sind. Das Gehäuse 4 kann aus Metall bestehen, und gegenüber den Elektroden 6 und der im Gehäuse abgestützten Stange 3 isoliert sein, und die Stange 3 sowie die einzelnen Elektroden 6 sind mit äußeren Anschlüssen versehen. Die Elektroden 6 bilden mit der iläch· 5 des Gewichtes 2 vier Zweiplatten-Kondensatoren, wobei der Abstand zwischen den Platten gering ist und sich entsprechend dem Neigungs- und Rollwinkel des rohrförmigen Gehäuses 4 infolge der Auslenkung der Pendelmasse ändert. Wenn sich die Lage der Masse bezüglich der sie umschließenden Elektroden ändert, ändert sich das Potential der Pendelmasse bezüglich des gemeinsamen mittleren Potentials jedes Paares entgegengesetzter Elektroden, und dieser Potentialunterschied E kann auf die weiter unten beschriebene Weise in einer Wechselstromschaltung zur Anzeige des Heigungs- und Rollwinkels des Gehäuses in Abhängigkeit von der Amplitude bzw. deajfchase des Potentialunterschiedes benutzt werden·

In der Wechselstromschaltung werden von einer herkömmlichen Spannungsquelle um 90° phasenverschobene Spannungen an die

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beiden Paare entgegengesetzter Elektroden angelegt, wobei die Spannung an jedem Elektrodenpaar bezüglich Hull abgeglichen ist. Der entsprechende Schaltkreis enthält dann, wie Pig. 4 zeigt, zwei Paare entgegengesetzter und sich entgegengesetzt ändernder Kondensatoren Cj, G- und C₂, CL mit einem gemeinsamen ''Anschluß an die Ausgangsspannung S, wobei der gemeinsame Anschluß die leitfähige Fläche der Pendelmasse darstell^dnd an den entsprechenden Kondensatorpaaren um 90° phasenverschobene, abgeglichene Eingangsspannungen Έ_χχ und E anliegen, so daß β A sin wt und E * A cos wt ist.

Die geometrischen Achsen X, Y und Z des Wandlers sind ixt den Flgn, 2 und 3 gezeigt, wobei OZ die Längsachse des Gehäuses ist, die bezüglich der vom Nullpunkt 0 nach unten verlaufenden vertikalen Linie geneigt ist. Die vertikale Linie in 5¹Ig, 3

die stellt die senkrechte Ebene dar, dif Achse OZ enthält· Hie durch den Schwenkwinkel ö dargestellte leigung sowie der Rollwinkel 0 des Gehäuses und somit des gesamten Wandlers lassen sich beide aus der Ausgangs spannung E des Einseifühlers ermitteln, wie dies nunmehr gezeigt wird, wobei auf fig· 9 Bezug genommen wird, die die Pendelmasse; und die Elektroden 6 des Wandlers im Schnitt zeigt.

Die Ausgangs spannung E ■ Ε_χ + E ..

worin Ε_χ proportional (O^ - Q₅) · B_x^. und B proportiomal

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(C₂ - G.) · E ist. POr kleine Auslenkungen £ V der Pendelmasse ist C. - C, in guter Näherung proportional der Komponente von

^V in OX-Richtung, und Op - 0. ist in guter Näherung proportional der Komponente von Δ.Υ in der OY-Riehtung. Somit gilt

E_ - -k ·Δϊ cos 0 · sin wt (2)

und E β k · Δ? sin 0 · cos wt (3),

Jf

worin k eine Konstante ist·

Die Größe der Auslenkung der Pendelmasse ist proportional sin Q i somit gilt

E « K · sin 0 · cos 0 · sin wt (4)

E * K · sin v/· sin 0 · cos wt (5).

Daher gilt für die Ausgangsspannung

E « -K · sin. ti· (wt - 0) (6).

Daraus ist ersichtlich, daß die Amplitude der Ausgangsspannung den Schwenkwinkel 0 durch sin θ und der Phasenwinkel der Ausgangsspannung bezüglich der Eingangs spannungen den Rollwinkel 0 angibt.

Der Einfachheit halber wurde der Wandler in koaxialer Anordnung beschrieben, nämlich mit einem auf einer axialen Stange in einem rohrförmigen Gehäuse angeordneten Gewicht und mit Bezug auf die

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Neigung der Achse (Schwenkwinkel Q ) und auf die Ausrichtung (Rollwinkel 0) um diese Achse "bezüglich eines willkürlich gewählten Durchmessers.

Das Gehäuse hat jedoch nicht notwendigerweise eine solche Form, und genauer gesagt, ist der Schwenkwinkel 0 die Neigung einer irgend gewählten Achse des Wandlergehäuses bezüglich der Vertikalen und der Rollwinkel 0 ist der Winkel zwischen einer "betrachteten radialen Linie in einer durch das Wandlergehäuse gelegten Querschnittsfläche/ind der die gewählte Achse enthaltenden Vertikalebene. Die gehäusefesten Kondensatorplatten sind symmetrisch um die gewählte Achse angeordnet, und die Auslenkung der Pendelmas&e erfolgt in einer im wesentlichen senkrecht zu dieser gewählten Achse verlaufenden Ebene.

Eine detaillierte Ausführungsform des in Pig. 1 gezeigten Wandlers wird nunmehr an Hand der Fig. 6 beschrieben. Von einem Ende ist in das rohrförmige Gehäuse 4 eine Pendelanordnung eingesetzt, die einen gegossenen, ringförmigen Stopfen 10 aus glasgefülltem Epoxydharz enthält, der mittels eines Halterings 12 an einem flachen Absatz 11 innerhalb des rohrförmigen Gehäuses 4 gehalten ist, wobei ein Dichtring 13 zwischen dem Haltering und einer Schulter 14 am oberen Ende des Stopfens 10 angeordnet ist. Eine in den Stopfen eingegossene Metallhülse 15 erstreckt sich in Axialrichtung durch den Stopfen und ist mit einem geflanschten und verdickten oberen Endabschnitt 16 versehen, in welchem das

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obere Ende der Stange 3 befestigt ist, die das Gewicht oder die Pendelmasse 2 trägt. Die Stange 3 ist mit Spiel in der Hüls« 15 angeordnet und enthält an ihrem fest eingespannten Ende einen dünnwandigen Halsabschnitt 17 von kreisförmigem Querschnitt, der für die Biegsamkeit sorgt. Die Pendelmasse ist mit zylindrischen, schürzenförmigen Verlängerungen 18 und 19 versehen, die eine im wesentlichen metallische Fläche 5 bilden, welche den sie umgebenden Flächen von vier zugehörigen Elektroden 6a und 6b zugekehrt ist. Die Elektroden sind gleich große Segmente eines dünnwandigen Zylinders, zwischen denen Schlitze freigehalten sind, und mit Zapfen 20 versehen, die in den Stopfen 10 eingegossen sind. Isolierte leiter 21 verlaufen jeweils von den Zapfen 20 bzw. dem feststehenden Ende der Stange 3 durch einen oberen Deckel im Gehäuse 4» um die äußeren Anschlüsse für die durch die Elektroden 6 a und 6b und die Fläche 5 der Pendelmasse 2 gebildeten Kondensatoren herzustellen.

Um den Wandler an ungünstige Einsatzfälle, insbesondere in einem stoß- und vibrationsbelasteten Bohrrohr, anzupassen, ist die Kammer um die Pendelmasse 2 und in dem Spalt zwischen der Stange 3 und der Hülse 15 mit einem Silikonöl oder einem anderen geeigneten viskosen Strömungsmittel gefüllt. Zu diesem Zweck ist eine untere, dichtend am rohrförmigen Gehäuse 4 befestigte Verschlußkappe 23 mit einer Endbohrung 24, einem Verschlußstopfen und einem Dichtungskörper 26 versehen. In einer rohrförmigen

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Verlängerung 27 der Verschlußkappe 23 ist ein abgedichteter, luftgefüllter Expansionstalg 28 untergebracht, der mittels einer Ringscheibe 29 am inneren Ende der Kappe gehaltert ist. Über die Bohrung 24 wird Öl eingefüllt, um den Balg zusammenzudrücken, welcher dazu dient, trotz thermischer Expansion und Kouöaaktion einen geringen Druck im Öl aufrechtzuerhalten und das Auftreten von Luftstellen zu verhindern.

Im Blockschaltbild gemäß Fig. 7 ist der Wandler 1 durch die Kondensatorfläche 5 der Pendelmasse 2 und die zugehörigen, feststehenden Kondensatorelektroden dargestellt, welche in zwei Paaren 6a und 6b angeordnet sind. Ein Phasenkettengenerator 30 erzeugt bezüglich Masse eise Wechselstromspannung mit einer geeigneten Frequenz, beispielsweise 4 KHz, auf jeder von zwei Leitungen 31 bzw. 32. Die Spannungen haben die gleiche Amplitude und eine:. Phasenverschiebung von 90°, so daß sich die Spannung auf der Leitung 31 mit A cos wt und die auf der Leitung 32 mit A sin wt angeben läßt. Der Generator kann in Sransistorbauweise ausgebildet und mit einer niedrigen Gleichstromspannung versorgt sein. Die phasenverschobenen Spannungen werden jeweils Transformatoren 33 und 34 zum Antrieb des Wandlers zugeführt, welche mit Mittelpunktsanzapfungen versehene Sekundärwicklungen 35 und 36 enthalten, welche gleich große und¹ entgegengesetzte Spannungen, die proportional A cos wt unu proportional A sin wt sind, dem einen Paar entgegengesetzter

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.Elektroden 6a "bzw. dem anderen Elektrodenpaar 6b zuführen.

Die dann an der Fläche 5 der Bendelmasse 2 vorhandene Spannung ist somit nach den obigen Erläuterungen proportional A sin ü · sin (wt - 0) und wird einem Trennverstärker 37 zugeführt, dessen Ausgang an einem phasenstarren Schaltkreis 38 anliegt, welcher einen Rechteckwellenzug erzeugt, der mit den Nullstellen der Sinuswelle des Trennverstärkers übereinstimmt. Der phasenstarre Schaltkreis 38 dient in erster Linie zur Erzeugung eines Modulationssignals konstanter Amplitude mit einer durch den Ausdruck sin (wt + 0) dargestellten Phase, wobei das Modulationssignal frei von der Veränderlichen sin 0 und ferner rausch- und interferenzfrei ist. Der phasenstarre Schaltkreis dient ferner zur Erzeugung eines Schaltwellenzuges, der sich zur Demodulation eignet.

Der Schaltwellenzug vom phasenstarren Schaltkreis 38 wird den drei Demodulatoren 39, 40 und 41 zugeführt. Im Demodulator wird der von der Leitung 31 über eine Leitung 42 zugeführte Wellenzug A cos wt durch den Schaltwellenzug für die Zeitdauer der Rechteckimpulse dieses Wellenzugs unterbrochen und anschließend integriert, so daß eine Spannung K sin 0 erzeugt wird. Im Demodulator 41 wird der von der Leitung 32 über eine Leitung 43 zugeführte Wellenzug A sin wt in entsprechender Weise unterbrochen und dann zu einer Spannung E cos 0 integriert.

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Der tatsächliche Rollwinkel· 0 laßt sich in einfacher Weise aus den Spannungen K cos 0 und K sin 0 ermitteln, "beispielsweise mit Hilfe eines Resolvers, welcher außerdem den Wert von K angibt.

Die Ausgangsspannung des Trennverstärkers 37, welche proportional A sin (wt - 0) und deren Pegel durch Einstellung des Verstärkungsgrades eingestellt ist, wird dem Demodulator 40 über eine Leitung 44 zugeführt und im Demodulator mit Hilfe des Schaltwellenzuges unterbrochen, so daß nach Integration eine Spannung K sin C^ erzeugt wird. Der tatsächliche Neigungswinkel C laßt sich leicht ermitteln, da K bekannt ist.

Die im Schaltbild gemäß Pig. 7 gezeigten Bauteile lassen sich in einfacher Weise zu einem last- und Meßgerät zusammenbauen, das am unteren Ende eines Bohrrohres in der Nähe eines Schlammmotors und in vorgegebener Winkellage zum Schlammotor anbringbar ist und dazu dient, Sinus- und Kosinusmessungen zur Verwendung an der Bohrlochoberfläche zu liefern.

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Claims

Ur. inq. H. Negsndenk _ 1 3 _ DiDl In- H. M - . -c. Dip| Phy3. Vy. Schmitz Dipl. In- ^.O- -li-.Dipl.ing.W.Wehnert 8 Mum.1:^ 2, Mo:;artsiraße 23 Telefon 5330586 Anwaltsakte: M-2489 11.. Jail aar 1 97 3 Patentansprüche

1. j Gerät zum Messen des'Neigungs- und Rollwinkels eines Ge- ^- ^ genstandes zwecks Fernanzeige, gekennzeichnet durch einen .Fühler (1) mit gravitationsabhängig betätigten, veränderlichen elektrischen Impedanzen, deren Gröi3e sowohl vom Heigungs- als auch vom Rollwinkel abhängig ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen zwecks Abgabe einer Spannung mit einer vom Neigungswinkel abhängigen Amplitude und einer vom Rollwinkel abhängigen Phase in einer Wechselstromschaltung (Pig. 4) angeordnet sind.

~'j. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (1) eine bezüglich des Fühl er gehäuses (.4) frei abgestützte, in sämtlichen Richtungen seitlich auslenkbare Pendelmasse (2) enthält.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Pendelmasse (2) durch ein viskoses Strömungsmittel gedämpft ist.

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5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelmasse (2) in einer abgedichteten Kammer des Fühlergehäuses (4) untergebracht und eine Ausgleichsvorrichtung (28) zum Aufrechterhalten des Drucks des in der Kammer befindlichen, viskosen Strömungsmittels vorgesehen ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelmasse (2) mit einer leitfähigen, von isolierten, fest im Fühlergehäuse (4) angeordneten Blechen oder Platten (6) auf Abstand gehaltenen Fläche (5) versehen ist und dadurch Kondensatoren zur Bildung der Impedanzen vorgesehen sind.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare entgegengesetzter Kondensatoren (Cj, C^; C₂, C,) jeweils mit um 90° phasenverschobenen Spannungen in symmetrischen Schaltkreisen beaufschlagt sind und dadurch eine zu messende Spannungsdifferenz zwischen der leitfähigen Fläche (5) der Pendelmasse (2) und der symmetrischen Leitung der Schaltkreise abnehmbar ist.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler in einer vorgegebenen Winkellage in einem von einem Schlammotor getriebenen Bohrwerkzeug anbringbar und während der Herstellung von Bohrlöchern eine ständige Anzeige an die Bohrlochoberfläche lieferbar ist.

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9. Verfahren zur Messung und Fernanzeige des Neigungsund Rollwinkels eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Abschnitten des Gegenstandes und einer relativ dazu unter dem Einfluß der Schwerkraft entgegen einer Rückstellkraft "bewegbaren Masse elektrisch abgetastet und eine Spannung mit einer vom Neigungswinkel des Gegenstandes abhängigen Amplitude und einer vom Rollwinkel des Gegenstandes abhängigen Phase abgeleitet wird.

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L e e r s e ί t e