DE2458928C2

DE2458928C2 - Vorrichtung zum Messen von Winkeln

Info

Publication number: DE2458928C2
Application number: DE2458928A
Authority: DE
Inventors: Anthony William Cheltenham Russell; Michael King Russell
Original assignee: Nl Sperry Sun Inc Eine Gesellschaft NDGesDStaates Delaware Stafford Tex; NL Sperry Sun Inc
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1986-07-31
Also published as: NO138786C; FR2254780B1; NL177336C; FR2254780A1; GB1467809A; NL7416223A; SU617025A3; NO744464L; NO138786B; JPS5749842B2; NL177336B; CA1029548A; CH585388A5; DE2458928A1; JPS5094947A; US3935643A

Description

F i g. 2 schematisch die Relativlage und die Winkelrichtung der Spulen des in F i g. 1 gezeigten Meßkopfes; F i g. 3 das Schaltbild für den Meßkopf gemäß F i g. 1;

F i g. 4 Signale und ihre Phasenbeziehung im Zusammenhang mit dem Schaltbild gemäß F i g. 3;

F i g. 5 ein Gleichstrom-Ersatzschaltbild für den Meßkopf,

F i g. 6 und 7 geometrische Beziehungen im Meßkopf.

Wie aus F i g. 1 zu sehen ist, weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 einen biegbaren Pendelbalken 12 auf, der an seinem freien Ende einen Gewichtskörper 14 trägt. Ein stabförmiger Permanentmagnet 16 ist im Gewichtskörper 14 angeordnet, wobei seine Achse parallel zum Pendelbalken 12 verläuft, wenn diese in paralleler Ausrichtung zum Schwerkraftvektor entspannt ist Aufgrund der Schwerkraft kann daher der Permanentmagnet 16 kleine seitliche Ausschläge in einer bezüglich des Gehäuses 10 kontrollierten Weise vollführen.

Das Gehäuse 10 enthält ferner vier gleiche, angepaßte elektromagnetische Aufnehmerspulen 18,4, 18» 18c und 18d, die entlang ihrer Achse jeweils eine mit den Enden der Spule abschließende μ-Metallstange aufweisen und gegenseitig auf Abstand gehalten sind, wobei die μ-Metallstangen parallel zueinander verlaufen und die Stangenenden zwei parallele Ebenen definieren. Dabei liegen die Enden der μ-Metallstangen an den Ecken eines Quadrats in der von ihnen definierten Ebene. Die räumliche Anordnung der Aufnehmerspulen und die Wickelrichtung geht aus F i g. 2 hervor.

Die zum Meßkopf gehörende Spulenanordnung ist gemäß F i g. 3 beschaltet. Die Aufnehmerspule 18,* liegt zwischen Netzwerksknoten 21 und 22, die Aufnehmerspule 18ß zwischen den Netzwerksknoten 22 und 23, die Aufnehmerspule 18c zwischen den Netzwerksknoten 23 und 24 und die Aufnehmerspule 18d zwischen den Netzwerksknoten 24 und 25. Die Netzwerksknoten 21 und 25 sind mit dem Ausgang eines Rechteckimpuls-Generators 26 verbunden, der gegenüber Erde ausgeglichen ist.

Der Netzwerksknoten 22 ist über einen Widerstand 28 und einen Vorverstärker 30 mit einem Demodulator 32 für die erste Oberwelle bzw. der zweiten Harmonischen verbunden, dessen Gleichstromausgang über einen Verstärker 34 hoher Verstärkung und einen Widerstand 36 zum Netzwerksknoten 22 zurückgeführt ist. Vom Verstärker 34 kann die Spannung V_y abgegriffen werden. Die Aufnehmerspulen M_A und 18ß bilden somit ein Differential-Aufnehmerspulenpaar bzw. Magnetometer. In ähnlicher Weise ist der Netzwerksknoten 24 über einen Widerstand 38 und einen Vorverstärker 40 mit einem Demodulator 42 für die erste Oberwelle verbunden, dessen Gleichstromausgang über einen Verstärker 44 hoher Verstärkung und einen Widerstand 46 zum Netzwerksknoten 24 zurückgeführt ist, so daß die Aufnehmerspulen 18c und 18_Dein Differential-Aufnehmerspulenpaar bilden. Der Netzwerksknoten 23 ist über einen Widerstand 48 und einen Vorverstärker 50 mit einem Demodulator 52 für die erste Oberwelle verbunden, dessen Gleichstromausgang über einen Verstärker 54 hoher Verstärkung und einen Widerstand 56 mit dem Netzwerksknoten 23 verbunden ist, so daß die zwei durch die Aufnehmerspulen 18^, 18eund 18c, 18o gebildeten Differential-Aufnehmerspulenpaare zusammen ein Standard-Aufnehmerspulenpaar bilden. Dadurch wird gewährleistet, daß der resultierende magnetische Fluß in allen Spulen Null ist.

Die Demodulatoren 32, 42 und 52 sind natürlich derart abgestimmt, daß die erste Oberwelle des Rechteckimpuls-Generators 26 demoduliert wird. F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgang des Rechteckimpuls-Generators 26 (Wellenform I) und der Demodulator-Ansteuerung (Wellenform H). Das Gleichstrom-Ersatzschaltbild der Fluß-Aufnehmerspulenpaare ist in F i g. 5 gezeigt.

Da rier Ausgang des Rechteckimpuls-Generators 26 gegenüber Erde ausgeglichen ist, ist das Signal mit der Grundfrequenz am Schaltpunkt 23 Null, wohingegen ein Signal mit der Grundfrequenz an den Netzwerksknoten 22 und 24 vorliegt Um die Größe dieses Signals zu verkleinern und damit die Größe des durch die Vorverstärker 30 und 40 laufenden Gesamtsignals, werden umgekehrte Signale mit der Grundfrequenz vom Ausgang des Rechteckimpuls-Generators 26 den Eingängen der Vorverstärker 30 und 40 über diesbezügliche Widerstände 58 und 60 zugeführt.

Der resultierende magnetische Fluß in irgendeiner Aufnehmerspule kann in der Form B = /(μ) χ (H + konstant χ i) angeschrieben werden, wobei /(μ) eine Funktion der Permeabilität der in der Aufnehmerspule befindlichen μ-Metallstange, H die Magnetisierungskraft in der Mitte der Spule infolge äußerer Einflüsse und i der durch die Aufnehmerspule fließende Gleichstrom ist. Daher kann für die Aufnehmerspulen 18a, 18b, 18c und 18d der magnetische Fluß innerhalb derselben wie folgt dargestellt werden:

Bb

f(\L_A)y.(H_A-k
/(μ_β) X(Hb-Icf{)(k

U)

Die Gleichstrom-Rückführung zum Netzwerksknoten 22 erzwingt die Bedingung B_A = Bb, und die Gleichstromrückführung zum Netzwerksknoten 24 erzwingt die Bedingung B_c= B₀. Wenn die Permeabilitäten der μ-Metallstangen gleich sind, ist daher H_a—Hb proportional zu i_A—iß und Hc-Hd proportional zu ic—i'o- In der Praxis jedoch sind die Permeabilitäten der μ-Metallstangen nicht genau gleich und zeigen auch nicht notwendigerweise das gleiche Temperaturverhalten. Da es wünschenswert ist, Abweichungen aufgrund von Permeabilitätsverschiebungen auszuschalten wird der Gleichstrom auch zum Netzwerksknoten 23 zurückgeführt, um die weitere Bedingung

B_A

Bc= B_D=0

zu erzwingen. Daher gilt:

H_A-H_B=K χ (U-ib)und
Hc-Hd=K χ (/Wd).

Da gemäß Fig. 5 U-i_B= -h und ic-id= U ist, folgt H_B-H_A = K χ i₂undH_c-H_D=K χ /₄·

Die Ausgangsspannungen V_y und V* sind proportional zu /2 bzw. U und somit proportional zu Hb-H_A bzw. Hc-Hd.

Die zwei, aus diesen gemessenen Spannungen bestimmten Winkel sind:

1.) Der Neigungswinkel θ der Längsachse des Meßkopfes bzw. der Spulen gegenüber dem Schwer-■raftvektor (vertikale Richtung) und

2.) der Drehwinkel Φ zwischen dem auf eine zur Längsachse senkrechten Ebene projizierten Schwerkraftvektor und einer gegenüber dem Meßkopf festen Bezugsachse in dieser Ebene.

Fig.6 zeigt eine Ebene, die parallel zu der durch einen Satz μ-Metallstangenenden (A, B, C, D) bestimmten Ebene liegt. Die verlängerten Spulenachsen schneiden diese Ebene an den Stellen A', B', Cund D\ wobei D', C' die OK-Richtung und A', B' die OY-Richtung 5 bestimmen.

Es kann gezeigt werden, daß bei einem Magnetpol mit den Koordinaten (x, y) in der ΟΛΎ-Ebene hinsichtlich der Magnetisierungskraft gilt:

10 He— Hd=K\ · x\m& Hb-Ha = K₂ · y,

wobei K\ und K₂ Konstante sind, vorausgesetzt, daß die Koordinaten χ und y im Vergleich mit den Spulenabständen klein sind. 15

Eine gute Annäherung an diese theoretische Konfiguration wird erreicht wenn ein Stabmagnet derart angeordnet wird, daß seine Achse parallel zu den der μ-Metallstangen verläuft und das eine Ende des Stabmagneten in der OXY- Ebene in O endet. Daher ist für kleine seitliche Versetzungen des Magneten die Magnetisierungskraft des Magneten derart, daß

He— Hd= K\ ■ χ und H₈-Ha = K₂ ■ y

25

gilt wobei χ und y die seitlichen, auf das ΟΛΎ-Koordinatensystem bezogenen Verschiebungen bedeuten. Da Hc-Hd proportional zu Vx und Hb- H α proportional zu Vy ist ist Vx proportional zu χ und Vy proportional zu y.

Da das Pendel zusammen mit dem Meßkopf innerhalb des äußeren rohrförmigen Gehäuses derart angeordnet wird, daß die Achsen des Stabmagneten, des Pendelbalkens, der Aufnehmerspulen und des Gehäuses parallel verlaufen, nimmt das eine Ende des Stabmagneten die Lage x=0 und y = 0 ein, wenn die Gehäuseachse senkrecht also parallel zum Graviatationsvektor, verläuft Falls der Meßkopf aus der Vertikalen derart gekippt wird, daß der Winkel zwischen der Vertikalen und der Längsachse des Gehäuses gleich θ ist und die Steifheit des Pendelbalkens derart beschaffen ist daß das Ende des Stabmagneten eine Stellung (x, y) einnimmt, wobei χ und y kleine Auslenkungen bedeuten, dann ist (x² +y²)'"'² proportional zu sin Θ, und tan Φ =

y 45

—— bestimmt den Winkel Φ zwischen der CW-Richx

tung und der oben liegenden Seite des Meßwertgebers (siehe F i g. 7).

Daher werden #und ^ allein durch

50

sin0 = AT, (Kr+ V})
und

tan Φ = K₂ ■ —-¹ «

bestimmt wobei K\ und K₂ Konstante sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

- 60

65

Claims

1 2 einem rohrförmigen Gehäuse (10) derart angeord- Patentansprüche: net sind, daß die Achsen des Permanentmagneten (16), des Pendelbalkens (12), der Aufnehmerspulen

1. Vorrichtung zum Messen sowohl des Winkels (Ι8Λ—18.DJ und des Gehäuses (10) dann parallel zuzwischen der Schwerkraftrichtung und einer vorge- 5 einander verlaufen, wenn die Gehäuseachse parallel gebenen Achse eines Körpers als auch des Winkels zur Schwerkraftrichtung steht

zwischen der Richtung der Projektion des Schwerkraftvektors auf eine Ebene, die rechtwinklig auf der

Körperachse steht, und einer auf den Körper bezogenen und in besagter Ebene liegenden Achse, ge- ίο

kennzeichnet durch einen Wandler mit ei- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen

nem stabförmigen Permanentmagneten (16), der am sowohl des Winkels zwischen der Schwerkraftrichtung

freien Ende eines biegbaren Pendelbalkens (12) an- und einer vorgegebenen Achse eines Körpers als auch

geordnet ist, durch vier Aufnehmerspulen (18A— des Winkels zwischen der Richtung der Projektion des

18DJl welche zwei Differential-Aufnehmerspulen- 15 Schwerkraftvektors auf eine Ebene, die rechtwinklig auf

paare bilden und dem Permanentmagneten gegen- der Körperachse steht, und einer auf den Körper bezo-

Qberstehend symmetrisch zur Neutralstellung des genen und in besagter Ebene liegenden Achse.

Pendelbalkens (12) angeordnet sind, und durch Mit- Eine derartige Vorrichtung ist in der US-PS 31 93 784

tel zum Verbinden der Differential-Aufnehmerspu- oder auch der GB-PS 9 65 347 beschrieben. Bei ihr ist

lenpaare (iSA — iSD) derart, daß im betriebsberei- 20 der Gewichtskörper frei an einem flexiblen Draht auf-

ten Zustand der magnetische Fluß in einem jeden gehängt Bei der Vorrichtung nach der US-PS 31 93 784

der Differential-Aufnehmerspulenpaare gleich 0 ist sind an dem Gewichtskörper vier Aufnehmerspulen an-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gebracht welche benachbarte Pole einer den Gewichtszeichnet, daß die Mittel zum Verbinden der beiden körper umgebenden Feldmagnetanordnung unter Spiel Differential-Aufnehmerspulenpaare miteinander so 25 umschließen. Die Feldmagnetanordnung wird mit angeordnet sind, daß die beiden Differential-Auf- Wechselstrom beaufschlagt, und man erhält hierdurch nehmerspulenpaare ein Standard-Aufnehmerspu- in den vom Gewichtskörper getragenen Aufnehmerspulenpaar bilden, so daß der resultierende magnetische len induzierte Spannungen, welche der Auslenkung des Fluß in allen Wicklungen gleich 0 ist Gewichtskörpers in x-Achse bzw. y-Achse zugeordnet

3. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 30 sind. Bei der Vorrichtung nach der GB-PS 9 65 347 weist zeichnet, daß die Aufnehmerspulen (18/4—18DJ mit der Gewichtskörper magnetisch permeables Material einer bei feststehender Frequenz arbeitenden Wech- auf und ist in dem Zwischenraum bewegbar, welcher selstromquelle (26) verbunden sind, und ein jedes durch zwei Paaren von Meßspulen vorgegeben ist, von Aufnehmerspulenpaar mit einem hohen Verstär- denen die eine der ^-Richtung und die andere der ykungsfaktor aufweisenden Verstärker (30—34; 35 Richtung zugeordnet ist. Diese Meßspulen werden mit 40—44) verbunden ist, welcher auf die zweite Har- Wechselstrom beaufschlagt, und die Ausgangssignale monische des Signaies anspricht, welches am Netz- der Meßspulen hängen von der Stellung des Gewichtswerksknoten der das Aufnehmerspulenpaar bilden- körpers ab, welcher denjenigen Magnetfluß modifiziert, den Wicklungen ansteht und so ausgebildet ist, daß durch weichen die beiden Spulen eines jeden Spulenein Gleichspannungssignal an diesen Netzwerks- 40 paares gekoppelt sind.

knoten zurückgeführt wird. Vorrichtung zum Messen der Neigungswinkel in ei-

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- nem Bohrloch müssen Schwingungen und mechanizeichnet, daß die Rückkoppelschleife einen Demo- sehen Stoßbelastungen standhalten können. Darüber dulator (32) für die zweite Harmonische aufweist hinaus sollen oft Neigungswinkel zur Vertikalen bis hin und Mittel (58; 60) vorgesehen sind, um ein Signal 45 zu 90° gemessen werden. Innerhalb des begrenzten zur auf die Eingangsklemme der Demodulatoren(33;42) Verfügung stehenden Raumes in einem Bohrloch könfür die zweite Harmonische für die beiden Differen- nen die vorgenannten Aufgaben durch Vorrichtungen tial-Aufnehmerspulenpaare zu geben, welches glei- nicht gelöst werden, bei denen das Pendel durch einen ehe Frequenz, jedoch umgekehrte Polarität wie das an einem Draht aufgehängten Gewichtskörper gebildet Ausgangssignal der Wechselstromquelle (26) hat. 50 ist. Weiter ist bei derartigen Meßvorrichtungen nachtei-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Hg, daß sie ungenaue Meßergebnisse liefern, was auf den dadurch gekennzeichnet, daß ein jedes der Differen- großen Schwankungsbereich der in einem Bohrloch tial-Aufnehmerspulenpaare zwei abgestimmte herrschenden Temperaturen zurückzuführen ist.
Wicklungen aufweist, von denen eine jede eine Stan- Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Vorge aus Mu-Metall aufweist. 55 richtung zum Messen des räumlichen Winkels zwischen

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- der Schwerkraftrichtung und einer vorgegebenen Körzeichnet, daß die Aufnehmerspulen so angeordnet perachse geschaffen werden, welche gegenüber Tempesind, daß die Achsen der Stangen aus Mu-Metall raturschwankungen unempfindlich ist.
untereinander parallel sind und unter gleichem Ab- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine stand voneinander angeordnet sind. 60 Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel einen Ge- Unteransprüchen angegeben.

wichtskörper und einen biegbaren Pendelbalken Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbei-

aufweist und der Permanentmagnet (16) im Ge- spiel und anhand der beiliegenden Figuren näher erläu-

wichtskörper angeordnet ist. 65 tert. Es zeigt

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmerspulen aufgeschnittenen Meßkopfes zur Messung des Nei-(18/4 — \%D) und die Pendelanordnung (12—16) in gungswinkels;