DE2331483C2

DE2331483C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Form und Gestalt eines wenigstens eine Substanz enthaltenden Hohlraums

Info

Publication number: DE2331483C2
Application number: DE2331483A
Authority: DE
Inventors: Robert Mareil Marly Delignieres
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1972-06-22
Filing date: 1973-06-20
Publication date: 1986-04-03
Also published as: FR2189749B1; US3961683A; IT998169B; GB1399977A; NL175757C; DE2331483A1; NL7308589A; FR2189749A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Form und Gestalt eines wenigstens eine Substanz enthaltenden Hohlraums, wobei

a) wenigstens ein Bündel akustischer Impulse längs von einer Aufeinanderfolge von Bezugslagen ausgehenden Emissionsrichtungen ausgesandt wird, die sich im Hohlraum in Richtung verschiedener aufeinanderfolgender Orte der Wandungen dieses Hohlraums befinden und

b) Echos der ausgesandten akustischen Impulse empfangen und ermittelt werden und

c) die Fonpflanzungszeitintervalle zwischen Sende- und Empfangsimpuls jeweils gemessen werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit Einrichtungen zum Aussenden von akustischen Impulsen und Einrichtungen zura Empfang der Echos voii den Wandungen des Hohlraums der übertragenen akustischen Impulse und mit einem Taktgebersignalgenerator.

Mit den Maßnahmen nach der Erfindung soll nicht nur Form und Gestalt des·; Hohlraums sondern auch die Lage der Trennfläche der Volumina unterschiedlicher Substanzen inrerhalb dieses Hohlraums bestimmt werden.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Maßnahme nach der Erfindung liegt in der Bestimmung von Form und Gestalt eines unterirdischen Hohlraums zum Speichern von Erdölprodukten sowie von dessen Füllungsgrad.

Das Explorieren eines unterirdischen Hohlraums wird gewöhnlich mittels einer akustischen Sonde durchgeführt, die ein oder mehrere Sender für Ultraschallwellen aufweist, deren Emissionsachsen in Richtung der Wandungen orientiert sind; auch sind ein oder mehrere Empfänger für die durch die Wandungen reflektierten oder gestreuten Weilen vorgesehen. Deren Lage bezüglich des Ortes der Sonde wird durch die Fortpflanzungszeit der Ultraschallwellen bestimmt (US-PS 36 14 891).

Im übrigen ist es bekannt (siehe z. B. DE-AS 29 290), elektromagnetische, radioaktive oder Ultraschallimpulse im inneren eines Hohlraums auszusenden, die Echos der übertragenen Impulse zu empfangen ur.-d die Position der Wandungen oder der Grenzfläche der in diesem Hohlraum enthaltenen Substanzen durch direktes oder indirektes Messen der Fortpflanzungsdauer der ausgesandten Signale zu ermitteln.

Bei der Maßnahme nach der Erfindung wird von diesem Prinzip der Bestimmung eines Hohlraums oder Messen von dessen Füllniveau durch Messen der Fortpflanzungsdauer der im Inneren dieses Hohlraums ausgesandten Impulse bewußt abgegangen.

Es soll vielmehr eine Möglichkeit angegeben werden, wie die bei direkter Anwendung des allgemeinen Meßprinzips erhaltenen Ergebnisse zu verbessern sind. Die Störechos aufgrund von Reflexionen oder zufälligen Rückstrahlungen in der Masse der im Hohlraum enthaltenen Substanz bzw. Substanzen sollen eliminiert werden: mit Genauigkeit sollen die Echos entsprechend den Reflexionen an den Wandungen ermittelt werden. Erreicht wird dies erfindungsgemiifc überraschend dadurch, daß man ein Verfahren der eingangs genannten Art so durchführt, daß

für ein und dieselbe relative Anordnung jeder Bezugslage bezüglich jedem Ort der Wandungen eine Vielzahl von Messungen dieser Zeitintervalle durchgeführt wird, wenigstens ein Echo entsprechend einem Fortpflanzungszeitintervall ausgewählt wird, welches gleich jeder Messung der Vielzahl der ausgeführten Messungen ist und

der mittlere Wert des Fortpflanzungszeitintervalls des gewählten Echos entsprechend der Fortpflanzungsdauer der Impulse zwischen jeder Bezugslage und jedem Ort der Wandung längs jeder Emissionsrichtung bestimmt wird.

Von dem allgemeinen Meßprinzip unterscheidet sich die Maßnahme nach der Erfindung im wesentlichen dadurch, daß für ein und die gleiche Lage, entsprechend jedem Bezugsort bezogen auf jeden Ort der Wandung eine Vielzahl von Messungen von Fortpflanzungszeitinterj'^llen vorgenommen werden; wenigstens ein Echo entsprechend einem Fortpflanzungszeitintervall gewählt wird, daß bei jeder Messung im wesentlichen gleich ist, wodurch zufällige Echos eliminiert werden und der mittlere Wert des Fortpflanzur.gszeitintervalls des gewählten Echos entsprechend der Fortpflanzungsdauer der Impulse zwischen jeder Bezugsstellung und jedem Ort der Wandung längs jeder Emissionsrichtung bestimmt wird.

Bei der bisherigen Messung, die nur auf der Messung der Fortpflanzungszöiten beruhte, war es oft schwierig, eine Diskriminierung zwischen den nützlichen von de« Innenwandungen der Hohlräume reflektierten Echos und den parasitären Echos herzustellen. Vervielfacht man nun die für jede Lage der Sende-und Empfangseinrichtungen im Hinblick auf den Ort der Wandungen vorgenommenen Messungen, so gelingt eine Wahl unter den empfangenen Echos; die parasitären störenden Echos werden elinv.iiert.

Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, daß

die Sendeeinrichtungen mit einem Generator £ verbunden sind, der Impulssignalfrequenzen aussendet, welche über die Zeit während der Festsetzungszeitintervalle der Sendeeinrichtungen versetzt sind; die Empfängereinrichtungen Mittel umfassen, die die Anzahl der jeweils während einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ermittlungszeitintervallen nach jeder Emission aufgenommenen Echos registriert und zählt;

Vergleichereinrichtungen CN für die Anzahl der während jedes der Ermittlungszeitintervalle empfangenen Echos, zum Vergleich mit einem Bezugswert vorgesehen sind;

Einrichtungen vorhanden sind, um die empfangenen Echos bei Ausgabe dieser Vielzahl von Messungen zu validieren, wenn deren Anzahl größer als dieser Bezugswert ist;

Einrichtungen zur Bestimmung des Fortpflanzungszeitintervalls der validierten Echos vorgsehen sind und
ein Element verwendet wird, um sequentiell die Aufzeichnungs- und Zähleinrichtung und die Einrichtung zum Messen der Fortpflanzungsdauer entsprechend den Empfangsechos zu steuern.

Wichtig ist es, daß erfindungsgemäß es möglich wird, die Gestalt des Hohlraums und die Lage der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen gleichzeitig zu srmiiteln, indem man sorgfältig cin?n e

Sender-Empfänger für akustische Impulse verwendet, dessen Ernissionsachse parallel zur Grenzfläche orientiert ist und indem man ein Diskriminatorsystem verwendet, daß so ausgebildet ist, daß es die Doppelechos bestätigt, deren Eingangszeitpunkte durch ein bestimmtes Zeitintervall getrennt sind.

So sendet der Generator Impulssequenzen aus, während die Sendeeinrichtungen blockiert sind; Einrichtungen zeichnen auf und zählen die Anzahl der empfangenen Impulse jeweils während einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ermittlungszeitintervallen nach jeder Emission. Die Wahl wenigstens eines Echos entsprechend einem jeder Messung im wesentlichen identischen Fortpflanzungszeitintervall wird durch Vergleichereinrichtungen herbeigeführt, welche die Anzahl der während jedes der Ermittlungszeitintervalle empfangenen Echos mit einem Bezugswert vergleichen. Die Ermittlung des mittleren Wertes des Fortpflanzungszeitintervalls erfolgt über Einrichtungen, die die mittlere Fortpflanzungszeit der validierten Echos bestimmen. Es wird ein Element verwendet, um die Bestimmungs- und Aufzeichnungs- und Zähleinrichtungen mit dem Taktgebergenerator zu synchronisieren.

Die Auswahl der Echos kann durchgeführt werden, indem man die Anzahl der empfangenen Echos als Funktion der die Aussendung von dem Empfang dieser Impulse trennenden Zeit bei Erhalt der aufeinanderfolgenden Meßwerte vornimmt und diese Zahl mit einem bestimmten Wert zu bestimmten Augenblicken vergleicht. Man kann auch die Auswahl der Echos vornehmen, indem man bei Vorliegen der aufeinanderfolgenden Meßwerte mit sinem bestimmten Wert die Anzahl der jeweils während jeder Messung ermittelten Echos vergleicht, und zwar während einer Aufeinanderfolge konstanter Zeitintervalle, die fortschreitend bezüglich des Emissionsaugenblicks jedes Impulses verschoben und versetzt sind.

Vorzugsweise wird es möglich, die Lage der Grenzfläche der beiden in einem Hohlraum enthaltenen Substanzen zu bestimmen, indem man die Daten einer akustischen Sonde benützt, deren Emissionsachse im wesentlichen parallel zur Trennfläche der beiden Substanzen ist.

Erreicht wird dies dadurch, daß die Bezugslage bestimmt wiird, wo die Emission vorgenommen wird, für die. wenn zwei Echos während der vorhergehenden Echoauswahlstufe zurückgehalten wurden, das Verhältnis zwischen dem die Ermittlung der beiden Echos trennenden Intervall und dem Fortpflanzungszeitintervall entsDrechcnd dem ersten ermittelten Echo im wesentlichen unabhängig von diesem Fortpflanzungszeitintervall wird.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Fig. 1 schematisch einen mit zwei unterschiedlichen Substanzen gefüllten Hohlraum zeigt, in den eine akustische Sonde hinabgelassen wird;

F i g. 2 zeigt schematisch die relative Anordnung eines Emissionsbündels benachbart der Trennfläche der beiden Substanzen in einem Hohlraum:

F i g. 3 gibt eine synoptische schematische Darstellung einer Ausführungsform zur Verwirklichung des Verfahrens nach der Erfindung wieder;
F i g. 4 zeigt schematisch eine Anordnung zur Erzeugung von Zeitmaßstäbe bildenden Signalen;

F i g. 5 zeigt schematisch einen Teil der Vorrichtung, der die Auswahl der Echos bei der Vielzahl von durchgeführten Messungen erlaubt;

F i g. 6 zeigt eine für die empfangenen Echos repräsentative Kurve als Funktion der Fortpflanzungszeit;

F i g. 7 zeigt eine für die empfangenen Echos repräsentative Kurve als Funktion der Fortpflanzungszeit, wenn die Sonde sich in der Nähe der Trennfläche der beiden Substanzen befindet: und

Fig.fi zeigt die Anordnung, die es ermöglicht, die Lage der Trennfläche der beiden Substanzen durch eine Korrelation zwischen den empfangenen Echos zu ermitteln.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Hohlraum enthält zwei Substanzen L\ und L^ unterschiedlicher Dichte, in denen sich der Schall mit unterschiedlichen mit c_: und cj bezeichneten Geschwindigkeiten fortpflanzt. Im Fall eines Hohlraums für unterirdische Lagerung bcstehen die beiden Substanzen beispielsweise aus Wasser und öl. Das Wasser, dessen Dichte größer als die des Öls ist. nimmt den tiefsten Volumenteil des Hohlraums ein. Ein Rohrstrang 2 wird in diesen Hohlraum hinabgelassen und sein unteres Ende steht mit der Wassermassc in Verbindung. Um die Form des Hohlraums zu bestimmen, wird eine akustische Sonde in den Hohlraum im Innern des Rohrstranges herabgelassen. Ein Sender-Empfänger-Wandler, dessen Emissionsachse einen vorbestimmten Winkel mit der Achse der Sonde bildet, sendet Ultraschallimpulse in Richtung der Wandung des Hohlraums aus. Man berechnet die die Sonde von der Wandung trennende Entfernung, indem man das Zeitintervall bestimmt, welches den ausgesandten Impuls vom empfangenen Echoimpuls trennt Die Untersuchung der so Hohlraumgestalt wird in aufeinanderfolgenden ScI Achten vorgenommen. Die Sonde wird auf einer beliebigen Tiefe zangeordnet; die Emissions-Empfangszyklen werden für eine gewisse Anzahl von aufeinanderfolgenden Winkelstellungen der Achse des Emissionsbündels bezüglich einer Bezugsrichtung vorgenommen. Der Übergang von einer Winkelstellung in eine andere kann durch ein Antriebsorgan durchgeführt werden, welches allgemein mit Schrittschaltmotor bezeichnet wird. Bezeichnet man die Entfernung zwischen der Sonde und der Wandung mit t/und mit fo und fi jeweils den Augenblick der Emission eines Impulses bzw. den Empfangsaugenblick seines Echos, so sind diese Größen durch die Beziehung

=U-1₀ =

lä.

(1)

verknüpft, wobei cdie Schnelligkeit des Schalls im Fort-

pflanzungsmedium bezeichnet. Für jede folgende Emission nimmt eine Aufzeichnung, beispielsweise eine optische Aufzeichnung variabler Dichte vor. Für eine bestimmte Schicht besteht die Aufzeichnung in einer Anzahl von Spuren gleich der Anzahl von aufeinanderfolgenden Winkelstellungen, die von der Sonde eingenommen werden.

In dec in F i g. 2 dargestellten Lage befindet sich die Achse des Bündels in der Substanz L_x auf einer Tiefe ζ benachbart der Tiefe Z₀ der Grenzfläche, der beiden Substanzen L\ und L₂. Das Emissionsbündel vom Spitzenwinkel 2 θι schneidet die Grenzfläche der beiden Substanzen. Ein Teil pflanzt sich in der Substanz L\ fort; ein anderer Teil pflanzt sich teilweise in der Substanz L₂ fort. Da die Schallgeschwindigkeit in den beiden Substanzen unterschiedlich ist, empfängt der Wandler-Empfänger zwei Echos, die durch ein zunehmendes Zeitintervall abhängig von dem Anteil des von den Wellen in der zweiten Substanz L₂ zurückgelegten Weges getrennt sind.

Dieses Intervall wird maximal, wenn ein Teil des Bündels sich völlig in der zweiten Substanz ausbreitet, d. h. wenn die Achse des Bündels eine Tangente zur Grenzfläche oder Grenzschicht ist. Für diese Lage der Sonde werden die beiden empfangenen Echos getrennt durch das Zeitintervall

die jeweilige Amplitude dieser beiden Echos variiert als Funktion der relativen Größe der Oberflächenteile der Wandung des Hohlraums, der die ausgesandte Energie in die Substanzen L\ und L₂ streut.

Man beobachtet dann zwei Echos, wenn sämtliche aufeinanderfolgende Stellungen der Sonde sich zwischen zwei Punkten Si und S₂ und der Tiefe z\ und Z₂ befinden, für die der Schnitt des Emissionskegels und der Wand die Tangente zur Grenzfläche der beiden Substanzen bildet. Diesseits und jenseits pflanzt sich das Bündel in der einen oder anderen Substanz fort und ein einziges Echo wird beobachtet. Der Wert der Tiefe Z₀ der Grenzfläche wird dann verifiziert, indem man die Halbsumme der Tiefen Z\ und T₂ beim Auftreten der Doppelechos bildet Um den Einfluß der Störechos zu eliminieren, kann man verifizieren, daß die beiden realen Echos entsprechend effektiver Reflektionen an der Wandung erheblich um das Zeitintervall Ar der Beziehung 2 versetzt sind, wobei die Entfernung t/durch Kontinuität aufgrund der vorherigen durchgeführten Messungen geschätzt wird.

Um die Zuordnung zwischen den doppelten Echos zu verstärken, kann man mehrere Emissionen für jede Winkelstellung der Sonde ausführen und die Aufzeichnung der isolierten Echos fortfallen lassen.

Das Explorieren eines Hohlraums wird beispielsweise durchgeführt, indem man m aufeinanderfolgende Horizontalschnitte auf zunehmenden oder abnehmenden Tiefen ausführt Für jeden Schnitt führt man π akustische Explorationen entsprechend η unterschiedlichen Winkelstellungen der Sonde aus. indem man für jede hiervon /(7>2) aufeinanderfolgende Emissions-Empfangszyklen durchführt; dm, m bezeichnet die Entfernung entsprechend dem /-ten Zyklus beim Schnitt m und dem Azimut n.

Nach Abschluß der /-Emissions-Empfangszyklen geht man zur Auswahl wenigstens eines Echos entsprechend einem Fortpflanzungszeitintervall ii, n, m, das bei jeder Messung im wesentlichen gleich ist, über. Da die Fortpflanzungszeit entsprechend jedem Echo leicht zwischen zwei verschiedenen Messungen schwanken kann, bestimmt man die mittlere Fortpflanzungsdauer

mm der Impulse deren Echos zurückgehalten wurden.

Die Aufzeichnung der Echos kann kontinuierlich als Funktion der Zeit vorgenommen werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform jedoch bestimmt man die Anzahl der Echos, die jeweils während jeder Messung während einer Aufeinanderfolge konstanter Intervalle ermittelt wurden, welche allmählich bezüglich des Emissionsaugenblicks jedes Impulses versetzt sind.
Durch eine Vorrichtung der beschriebenen Art soll

— jeder Wert von ri. n, m gemessen werden

— der genaue Wert von τη. m bestimmt werden, indem man die falschen Echos eliminiert.

- der Wert r„_m = -L

ti, η, m

—

gespeichert werden,

die Lage der Grenzfläche entsprechend dem auf der Tiefe zo vorgenommenen Schnitt bestimmt werden, die statistisch die größte Anzahl von durch das Zeitintervall Δτ getrennten Doppeiechos erzeugt, und

sämtliche der aufeinanderfolgenden Daten derart gespeichert werden, daß man Kontrollen in abweichender oder verzögerter Zeit im Falle von Anomalien vornehmen kann.

Die in F i g. 3 dargestellte Vorrichtung umfaßt hauptsächlich ein System θ zur Erzeugung akustischer Impulse im Hohlraum, ein System 6 zum Empfang von Echos, die in einem Schieberegister 3 empfangen wurden, ein Organ 4 zum Zählen und Speichern der Zeitintervalle.

welche den Emissions- und Empfangsaugenblick der akustischen im Hohlraum ausgesandten Impulse trennt, ein Organ 5 zum Aufzeichnen der Anzahl der als Funktion der Zeit ermittelten Echos und ein Element DH, welches im folgenden mil Taktgeber bezeichnet ist und Impulse in regelmäßigen vorbestimmten Intervallen liefert. Dieses Element DH empfängt von einem Element Wein Signal von der Periode Tund liefert ein Signal von der Periode 107. Man wählt beispielsweise T= 1 ms. Das Schieberegister 3 umfaßt ρ Elemente D,,D₂...D_k ...Dp und die Organe 4 und 5 umfassen jeweils ρ Anordnui;gen A\, A₂... A_k... A_p und A\, A'₂... AΊ_:... A'„. Das Arbeiten jeder Anordnung A_k und A\ wird durch ein vom entsprechenden Element D_k geliefertes Signal, wenn dieses aktiviert ist, gesteuert. Das Schieberegister empfängt vom Taktgeber DH Impulse von der Periode 10 Γ beispielsweise, die nacheinander die Elemente Dt des Schieberegisters aktivieren. Das Zählorgan 4 wird mit einem Ausgang des Elementes DH verbunden, welcher Impulse von der Frequenz Tliefert

Das Empfangssystem 6 erzeugt einen Impuls EC, wenn der Empfängerwandler ein Echo ermittelt. Das Organ 5 zum Aufzeichnen der Echos ist mit der Anordnung 6 verbunden. Die von letzterer erzeugten Impulse werden auf einem Element A \ des Organs 5 aufgezeichnet. dessen Funktionsweise vom Schieberegister im Augenblick der Ankunft des entsprechenden Echos gesteuert wird. Ein Zähler Q, ist mit dem Ausgang des Taktgebers DH verbunden und erzeugt Impulse von der

Periode 107".

Die in diesem Zähler enthaltene Zahl Erstellt die Lage des Schieberegisters 3 in jedem Augenblick dar: eine bistabile Kippschaltung B₂, die vom Taktgeber DH und vom Empfangssystem 6 gesteuert wird, erzeugt Impulse um die Zählunterbrechung im Element Ak zu steuern, dessen Funktionsweise im Augenblick der Ankunft eines Echos gesteuert wird. Das Aufzeichnungsorgan 5 wird mit einem Komparator CN verbunden, welcher die zufälligen Echos eliminiert und die Anzahl der in diesen Anordnungen A Ί, des Organs 5 enthaltenen Echos mit einem Schwellenwert vergleicht. Ein Element DE empfängt die vom Komparator CN erzeugten Signale und bestimmt das Vorhandensein der Doppelechos, die charakteristisch für die Grenzfläche zwischen den beiden Substanzen des Hohlraums sind. Die vom Organ 4, dem Zähler Cb und dem Element DE aufgezeichneten Daten werden in einen nicht dargestellten Speicher M gegen Ende jeder Reihe von /-Zyklen überführt.

Das in F i g. 4 dargestellte Taktgeberelement umfaßt eine bistabile Kippschaltung 7, die durch das von einer UND-Torschaltung 3 erzeugte Signal betätigt wird, dessen einer Eingang mit dem Element //verbunden ist und Impulse bei einer Frequenz Tliefert. Diese Impulse werden auch an einen Zähler 9 gegeben, der alle 10 Impulse auf 0 über eine gesteuerte UND-Torschaltung 10 sowie eine UND-Torschaltung 11 über einen der Ausgänge der bistabilen Kippschaltung 7 zurückstellt. Der Ausgang des Zählers 9 wird mit einem zweiten Eingang der UND-Torschaltung 11 verbunden. Zu einem Anfangsaugenblick wird der Zähler 9 auf Null durch ein Steuersignal In geführt und die Torschaltung 8 wird durch einen Steuerimpuls TB geöffnet. Die Positionierung der Kippschaltung steuert das öffnen der UND-Torschaltungen 10 und 11, die Überführung der Impulse 7in den Zähler 9 und die Erzeugung des Frequenzsignals 107 über die UND-Torschaltung Ii.

Jede der Anordnungen (Au Ai... Ak... A_p)azs Zählorgans 4 umfaßt wie die in F i g. 5 dargestellte Anordnung Ak zwei Zähler 12 und 13, die in Reihe geschaltet sind sowie identische Anordnungen von Elementen zur Steuerung und Vorbereitung (validation) der oben angegebenen Art. Eine bistabile Kippschaltung 14 empfängt an einen ersten Eingang des durch die Kippschaltung Bi (siehe Fig.3) ausgesandte Signal über eine UND-Torschaltung 15, die durch ein Aktivierungssignal gesteuert wird, welches durch das Element D_k des Schieberegisters 3 geliefert wird, wenn dieses Element durch den K-ten Impuls der Periode IGT aktiviert ist. Dieses Vorbereitungs- oder Bestätigungssignal (signal de validation) wird auch verwendet, um die Kippschaltung 14 an ihrem anderen Eingang zu aktivieren und um eine UND-Torschaltung 16 zu steuern, die an den beiden anderen Eingängen Impulse der Periode Γ und das Signal empfängt, welches durch die Kippschaltung B₂ an einem seiner Eingänge erzeugt wurde. Der Ausgang der UND-Torschaltung 16 wird mit dem Eingang des Zählers 12 verbunden. Die beiden Eingänge einer bistabilen Kippschaltung 17 werden der eine mit dem Ausgang des Zählers 12, der andere mit dem Ausgang des Taktgeberelementes DH verbunden und erzeugen Impulse von der Periode 107. Eine UND-Torschaltung 18 empfängt an den beiden Eingängen das durch die bistabile Kippschaltung 17 an einem ihrer Eingänge gelieferte Signal sowie das durch das Element 6 erzeugte Signal £C(siehe F i g. 3), wenn ein Echo ermittelt ist

Diese UND-Torschaitung 18 erzeugt ein Signal, welches die Überführung einer Einheit in den zugeordneten Zähler 13 jedesmal dann zuläßt, wenn die im Zähler 12 enthaltene Zahl über dessen Kapazität hinausgeht. Eine UND-Torschaltung 22 läßt die Überführung des Inhalts der Zähler 12 und 13 in den Speicher M unter Steuerung eines vom Komparator erzeugten Signals zu. Jeder der ρ Anordnungen des Aufzeichnungsorgans 5 der Anzahl der ermittelten Echos umfaßt wie die dargestellte Anordnung A'_k einen Zähler 19.und unten beschriebene Vorbereitungselemente (elements de validation). Eine UND-Torschaltung 20, die vom Aktivierungsimpuls gesteuert wird, welcher vom Element Dk des Schieberegisters ausgesandt wird, wenn dieses Element durch den *-ten Impuls von der Periode 107aktiviert wird, läßt die Überführung des Echosignals EC in den Zähler 19 zu. welches durch das Element 6 (siehe F i g. 3) erzeugt wur de. Eine UND-Torschaltung 21, die ebenfalls durch den vom Element Dj, erzeugten Aktivierungsimpuls gesteuert ist, läßt die Überführung des Inhalts^es Zählers 19 in den Komparator CN zu. Eine UNU-Torschaltung 28, die durch ein vom Komparator CN erzeugten Signal gesteuert wird, läßt die Überführung des Inhalts des Zählers C₀ in den Speicher M zu. Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird im folgenden erläutert, unter Annahme — aus Gründen der besseren Übersicht — daß die Periode !"beispielsweise 1 ms beträgt.

Um die Entfernung dn, m entsprechend einem Schnitt /77 und einer Winkelstellung η der Meßsonde zu messen, führt man AEmissions-Empfangszyklen und / unterschiedliche Laufzeitmessungen der akustischen Wellen durch.

Ausgehend von einem Augenblick i_o der als Ausgang eines Emissionszyklus genommen wird, empfängt das Schieberegister 3 Impulse von der Periode 107 gleich 10 ms. Die Elemente D\, D₂... D_k ... D_p des Registers 3 werden nacheinander alle 10 ms aktiviert und bereiten jeweils die Paare von Anordnungen (A\, A'\)... (Ak, A \) ... (Ap, A p/der Organe 4 und 5 vor.

Für ein beliebiges Paar von Anordnungen (Ak. A Ί,)

sind zwei Funktionsweisen möglich je nachdem ob gegebenenfalls ein Echo während des Zeitintervalls, wo sie

durch das Element D_k gültig gemacht oder vorbereitet wurden, auftritt

Solange kein Echo ermittelt wird, erzeugt die Kippschaltung B₂ (siehe Fig.3), welche durch die Impulse von der Periode 7betätigt wird, ein Signal, welches die Torschaltung 15 der Anordnung Ak öffnet. Das durch das Element D_k erzeugte Signal betätigt, wenn es aktiviert ist, die Kippschaltung 14, welche die Überführung der Impulse von der Periode 7 in den Zähler 12 über so eine UND-Torschaltung 16 zuläßt Wenn die gesammelte Impulsanzahl über die Kapazität des Zählers 12 hinausgeht, sendet dieser einen Überlauf-Impuls, der die Kippschaltung 17 betätigt, aus. Bei Fehlen eines Echos bleibt die UND-Torschaltung 18 geschlossen und der Überlaufimpuls kann nicht im zugeordneten Zähler aufgezeichnet werden.

Die Ermittlung eines Impulses führte zum Schließen

der UND-Torschaltung 15 bei Steuerung durch die

Kippschaltung B₂, zum Kippen der Kippschaltung 14,

zum Schließen der UND-Torschaltung 16 und aufgrund dieser Tatsache zur Unterbrechung der Zählung der Impulse von der Periode 7 durch den Zähler .12. Das

Öffnen der UND-Torschaltung 18 durch ein Echosignal

EClä&t die Überführung eines Impulses des evtl. Überiaufimpulses in den zugeordneten Zähler 13 zu.

Die Ermittlung eines Echos steuert das Öffnen der UND-Torschaltung 20 und das Registrieren bzw. Buchen eines Impulses in den Aufzeichnungszähler i9.

23 öl 483

Jeder Emissions-Empfangs-Zykius wird während einer Dauer 10p Γ fortgesetzt, während der die Elemente Di, D2... Dk... Dp des Schieberegisters nacheinander aktiviert werden. Wenn andere Echos sich während der Dauer jedes Zyklus anbieten, so werden sie als Funktion ihrer Ankunftsaugenblicke an den verschiedenen Anordnungen der Organe 4 und 5 aufgezeichnet.

Die Vielzahl der während eines Zyklus aufgezeichneten Echos ist nicht signifikativ und entspricht Störreflektionen im Fortpflanzungsmedium der Wellen. Um es zu ermöglichen, daß die Echos auf der Oberfläche der Störreflektionen dissoziieren, geht man zu einer Anzahl / von aufeinanderfolgenden Emissions-Empfangszyklen für ein unci die gleiche Stellung der akustischen Sonde über, in dem man auf die Tatsache zurückgreift, daß die Störechos vorübergehender Natur sind und sich nur mit der gleichen Frequenz wie die signifikativen Echos reproduzieren können. Die Zähler 19 der Anordnungen A \ zeichnen aiii und summieren während der aufeinanderfolgenden Zyklen die Anzahl der während der Zeitintervalle empfangenen Echos, während derer sie jeweils vorbereitet oder gültiggemacht werden. Bei Abschluß der /-Zyklen ist die Anzahl der vom Zähler 19 der Anordnung A'k beispielsweise aufgezeichneten Echos sehr viel größer als die von den anderen Anordnungen (F i g. 6) aufgezeichneten. In der Nähe der Grenzfläche zwischen den beiden Medien beobachtet man eine beachtliche Verstärkung der aufgezeichneten Echozahlen durch die Zähler bzw. Zählwerk«? von zwei unterschiedlichen Anordnungen A\ 1 und A\2(Fig. 7).

Die Eliminierung der Falschechos erfolgt, indem man die Anzahl der in jedem Zähler 19 gesammelten Echos der Anordnungen A'k mit einem vorher festgelegten Schwellenwert 5 bei Abschluß der aufeinanderfolgenden Zyklen vergleicht. Hierzu greift man auf einen zusätzlichen Zyklus ohne Emission zurück und entblockt die Torschaitungen 2i jeder Anordnung A'k durch ein Signal L Die Vorbereitungssignale, die nacheinander durch die Elemente des Schieberegisters während des zusätzlichen Zyklus ausgesandt wurden, steuern nacheinander die Überführung der in verschiedenen Zählern 19 enthaltenen Zahlen in den Komparator CN über die UND-Torschaltungen 21. Wenn die in einem Zähler 19 enthaltene Anzahl von Echos größer als der Schwellenwert S ist, so wird dessen Inhalt in den Speicher sowie die Angabe der Zeit entsprechend dem mittleren Zeitintervall überführt, welches die Emission und den Empfang der akustischen im Hohlraum ausgesandten Impulse trennt.

Dieses mittlere Zeitintervall entsprechend N Impulsen der Periode T wird durch den mittleren von den Zählern 12 und 13 jeder Anordnung Ak aufgezeichneten Wert sowie den vom Zähler Co im Augenblick des Vergleichs der im Zähler 19 enthaltenen Zahl angegebenen Werts mit dem Schwellenwert bestimmt. Die Zähler 12 und 13 jeder Anordnung At haben die Zeitintervalle gesammelt, die während jeder der /-Zyklen aufgezeichnet wurden und den Fortpflanzungszeiten entsprechen, vermehrt um die Impulse, deren Echos während der aufeinanderfolgenden Zyklen durch die zugeordnete Anordnung A * aufgezeichnet wurden. Aufgrund dieser Tatsache erhält man das mittlere Zeitintervall, indem man den Inhalt jeder Anordnung von Zählern 12 und 13 durch die Anzahl der beobachteten Echos dividiert. LTm diese Operation zu vereinfachen, wählt man die Anzahi /der ausgeführten Zyklen derart, daß die Zahl der richtigen Echos, die höher als der Schwellenwert ist, gleich einer ganzen Potenz der Zahl 2 wird. Die Zähler wie J?

und 13 können dann binärkodierte Dezimalzähler sein, und die Division ihres Inhalts durch die Anzahl der Echos kann einfach durch Verschieben um ein oder mehrere Binärstellen erfolgen. Der mittlere erhaltene Wert wird in den Speicher über die Torschaltung 22 überführt. Das Signal zur Bestätigung oder zum Gültigmachen des durch den Komparator ausgesandten Echos steuert auch die Überführung des Inhalts des Zählers Q in den Speicher über eine Torschaltung 28. Eine nicht dargestellte Einrichtung ermöglicht es, die Zeitangaben in Entfernungsangaben zu transformieren und das Zeitintervall Ar entsprechend der Beziehung 2 zu berechnen, wobei man die Schnelligkeit der akustischen Weifen in den beiden Medien des Hohlraums kennt.

Die Vorrichtung umfaßt auch eine in Fig.8 dargestellte Einrichtung, die es ermöglicht, im Falle der Ermittlung von Doppelechos zu bestimmen, ob das Zeitintervall, welches sie trennt, nun gleich oder im wesentlichen gleich dem Intervall Ar(s\the Beziehung 2) wird.

Die Anordnung umfaßt einen Zähler 23, eine bistabile Kippschaltung 24, deren einer Ausgang einerseits mit dem Rückwärtszähleingang dieses Zählers über eine UND-Torschaltung 25 und andererseits mit einem der Eingänge einer UN D-Torschaltung 26 verbunden ist.

Der Ausgang des Zählers 23 wird mit einem zweiten Eingang der Torschaltung 26 und mit einem der Eingänge einer ODER-Torschaltung 27 verbunden, deren zweiter Eingang vom Element DH(siehe F i g. 3) Impulse von der Periode T empfängt. Der Ausgang dieser ODER-Torschaltung ist mit einem der Eingänge der bistabilen Kippschaltung 24 verbunden. Der Ausgang des Komparators CN, welcher Signale zur Vorbereitung oder Gültigmachung der Echos erzeugt, ist einerseits mit einem zweiten Eingang der Kippschaltung 24 und andererseits einem dritten Eingang der UND-Torschaltung 26 verbunden.

Für den Fall, wo die Schnelligkeit C₂ der Wellen in der Substanz Li größer als die in der Substanz L\ ist entspricht das durch den Komparator isolierte erste Echo den akustischen Impulsen, die sich partiell in der Substanz Li fortgepflanzt haben; die Dauer für den entsprechenden Weg ist die folgende:

rnm = -^ = NT,

wenn die Achse des Emissionsbündels sich in Höhe der Grenzfläche befindet. Das vom Komparator isolierte zweite Echo wird bezüglich des ersten um ein Zeitintervall verzögert, das höchstens gleich Ar(s\ehe Beziehung 2) ist. Die Festlegung der Lage der Grenzfläche wird durchgeführt, indem man verifiziert, ob das effektive die beiden Echos trennende Zeitintervall tatsächlich gleich //rist.

Man führt in den Zähler 23 den oben definierten τ nm ein, der in der Anordnung Ak entsprechend dem Organ 4 abgelesen wurde und man verbindet den zweiten Eingang der UND-Torschaltung 25 mit einem nicht dargestellten Element, wodurch ein Signal geliefert wird mit der Periode:

At

•π/η

_ C₁-C₁

(4)

Das dem ersten vom Komparator isolierten Echo entsprechende Signal löst die Kippschaltung 24 aus, weiche die Torschaltung 25 öffnet und das Zurückzählen des in den Zähler 23 durch das Sisnal von der Periode At ein-

13

geführten Wertes zuläßt. Wenn das durch den Komparator isolierte zweite Echosignal gleichzeitig mit dem durch den Zähler 23 bei seinem Nulldurchgang erzeugten Impuls kommt, so wird ein Detektorsignal für die Grenzfläche über die UND-Torschaltung 12 ausgesandt und an den Speicher Möbertragen.

Der Speicher kann ausgelegt werden für das Verfahren der Auswertung gewählter Daten und im Falle einer Echtzeitverarbeitung wählt man einen »viven« elektronischen Speicher. Für eine Auswertung in abweichender Zeit werden die Daten auf einem Magnetband oder irgendeinem anderen Träger aufgezeichnet

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
15

20 25 30 35 40

50

55

60

b5

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen vGn Form und Gestalt eines wenigstens eine Substanz enthaltenden Hohlraums, wobei

c) die Fortpflanzungszeitintervalle zwischen Sende- und Empfangsimpuls jeweils gemessen werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

<t-

d) für ein und dieselbe relative Anordnung jeder Bezugslage bezüglich jedem Ort der Wandungen eine Vielzahl von Messungen dieser Zeitintervalle durchgeführt wird,

e) wenigstens ein Echo entsprechend einem Fortpfianzungszeitintervall ausgewählt wird, welches gleich jeder Messung der Vielzahl der ausgeführten Messungen ist und

f) der mittlere Wert des Fortpflanzungszeitintervalls des gewählten Echos entsprechend der Fortpflanzungsdauer der Impulse zwischen jeder Bezugslage und jedeiir Ort der Wandung längs jeder Emissionsrichtung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Hohlraum wenigstens zwei Substanzen enthält;

b) die aufeinanderfolgenden Emissionsrichtungen des Impulsbündels zwischen den Bezugslagen und den verschiedenen aufeinanderfolgenden Orten der Hohlraumwandungen parallel zur Trennfläche der beiden Substanzen liegen;

c) die Position der Trennfläche der beiden Substanzen durch Bestimmen der Bezugsposition ermittelt wird, für die, sobald die beiden Echos während des Auswählschritts zurückgehalten wurden, das Verhältnis zwischen dem die Ermittlung der beiden Echos trennenden Zeitintervall und dem Fortpflanzungszeitintervall entsprechend dem zuerst ermittelten Echo unabhängig von diesem Fortpflanzungszeitintervall wird.

55

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Einrichtungen zum Aussenden von akustischen Impulsen und Einrichtungen zum Empfang der Echos von den Wandungen des Hohlraums der übertragenen akustischen Impulse und mit einem Taktgebersignalgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Sendeeinrichtungen mit einem Generator (E) verbunden sind, der Impulssignalfrequenzen aussendet, welche über die Zeit während der Festsetzungszeitintervalle der Sendeeinrichtungen versetzt sind;

b) die Empfängereinrichtungen Mittel (5) umfassen, die die Anzahl der jeweils während einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ermittlungszeitintervallen nach jeder Emission aufgenommenen Echos registriert und zählt;

c) Vergleichereinrichtungen (CN) für die Anzahl der während jedes der Ermittlungszeitintervalle empfangenen Echos, zum Vergleich mn einem Bezugswert vorgesehen sind;

d) Einrichtungen vorhanden sind, um die empfangenen Echos bei Ausgabe dieser Vielzahl von Messungen zu validieren, wenn deren Anzahl größer als dieser Bezugswert ist;

e) Einrichtungen (4) zur Bestimmung des Fortpflanzungszeitintervalls der validierten Echos vorgesehen sind und

f) ein Element (3) verwendet wird, um sequentiell die Aufzeichnungs- und Zähleinrichtung (5) und die Einrichtung (4) zum Messen der Fortpflanzungsdauer entsprechend den Empfangsechos zu steuern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (4) zum Bestimmen der Fortpflanzungszeit, entsprechend den empfangenen Echos, eine Vielzahl von Zählsystemen (A\,A₂ ... Ap) umfassen, die sequentiell durch das Steuerelement (3) und eine mit dem Steuerelement verbundene Validierungsanordnung gesteuert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zählsystem (A _t, A₂... A_p) zwei in Reihe geschaltete Zähler (12, 13) umfaßt und daß diese Steuer- und Validierungsanordnung logische Elemente (B₂, 14—18) umfaßt, weiche durch die Empfangseinrichtungen der Echos der ausgesandten Signale betätigt sind, um die Oberführung des Inhalts aus dem ersten Zähler (12) in den zweiten Zähler (13) zuzulassen, wenn die Anxahl der im ersten Speicher enthaltenen Impulse seine Kapazität überschreitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Aufzeichnungs- und Zähleinrichtungen (5) der empfangenen Echos jeweils während eines der aufeinanderfolgenden Ermittlungszeitintervalle eine Vielzahl von Anordnungen (A_u A₂... Ap) umfassen, die vom Steuerelement (3) gesteuert sind, wobei jede Anordnung ein Zählelement (19) und ein Regelgatter (20) umfaßt, welches durch die Empfängereinrichtungen der Echos der ausgesandten Signale gesteuert ist und daß diese Einrichtungen zum Bestimmen der Fortpflanzungsdauer entsprechend den empfangenen Signalen einen Zähler (Co) umfassen, der mit dem Taktsignalgenerator (Dtf^verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vergleichereinrichtungen (CN) mit jedem Zählelement (19) über logische Galter (21) verbunden sind, die bei Freigabe der Vielzahl von Messungen offen sind und daß die Zähler (12, 13) binäre Zähler sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Validierungseinrichtungen Steuergatter (22, 28) umfassen, weiche durch die Vergleichereinrichtungen gesteuert sind, um mit einer Speichereinheit (M) die Ausgänge der Zähler (12, 13) und die der Vergleichereinrichtung (CN)zn verbinden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet

durch ein System zum Vergleichen des den Empfang zweier validierter Echos trennenden Zeitintervalls, die aufeinanderfolgend mit einem Wert proportional zum mittleren Fortpflanzungszeitintervall entsprechend dem ersten empfangenen Echo, mit einem Proportionalitäts-Koeffizienten empfangen wurden, der nur von der Schnelligkeit der akustischen Wellen in den beiden Substanzen abhängt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses System ein Element (23) zum Einbuchen eines Wertes gleich dem mittleren Fortpflanzungszeitintervall des ersten ermittelten Echos umfaßt; Einrichtungen zum Erzeugen eines Signals, dessen Wert nur von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Impulse in den beiden Substanzen abhängt; ein UND-Gatter (25) zur Steuerung der Oberführung dieses Signals in das Buchungselement (23) und Rückführen des in letzterem enthaltenen Wertes auf 0 und ein UND-Gatter (26) zum Steuern der Gleichzeitigkeit der Ermittlung des zweiten Echos mit der Null-Rückstellung des Buchungselements.