DE2620801A1 - Anordnung und verfahren zur ermittlung von richtungsgroessen eines bohrstranges bei erdbohrungen - Google Patents

Description

TELECO INC., 217, Smith Street, Middletown, Connecticut 06^57, Vereinigte Staaten von Amerika

Anordnung und Verfahren zur Ermittlung von Richtungsgröasen eines Bohrstranges "bei Erdbohrungen.

Die Erfindung "bezieht sich auf Anlagen für Erdbohrungen, die mit Anordnungen zur Ermittlung und Übertragung von periodisch festgestellten Richtungsgrössen des Bohrstranges und zur Erzeugung entsprechender Ausgangssignale, die an die Erdoberfläche weitergeleitet werden, ausgerüstet sind.

Auf dem Gebiet der Erdbohrungen, insbesondere bei Öl- und Erdgasbohrungen, ist die Zweckmässigkeit der Verwendung von Einrichtungen zur Bestimmung bestimmter Kenngrössen am unteren Ende des Bohrstranges und zur Übermittlung solcher Daten an die Erdoberfläche während des Bohrens längst erkannt worden.

Während bei einigen Vorschlägen und Anordnungen zur Bohrlochtelemetrie Einrichtungen verwendet werden, bei denen Bündel von Messfühlern periodisch in das Bohrloch hinabgelassen und wieder an die Erdoberfläche gebracht werden, werden bei den meisten bevorzugten Einrichtungen die Messgeräte für die Ermittlung der Richtungsgrössen dauernd am Boden der Bohrung belassen, vorzugsweise in einem unteren Gestängeteil des

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Bohrstranges, von wo dann die ermittelten Daten an die Erdoberfläche übertragen werden. Ea sind bereits verschiedene Systeme zur Durchführung solcher Messungen und zur Übertragung der dabei anfallenden Daten vorgeschlagen worden. Ein typisches Beispiel eines solchen Systems ist das Schlamm-Impuls-Telemetriesystem, bei dem der im Bohrstrang befindlichen Schlammsäule Impulse eingeprägt werden, die die ermittelten Daten an die Erdoberfläche übertragen.

Bei dauerndem Einsatz der Messeinrichtungen am Bohrgrund ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit, die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der Messungen. Arbeiten die Messeinrichtungen dagegen nicht sehr genau, so fehlen dem Bohrmeister genaue Angaben über die Richtung, die die Bohrung nimmt. Weiterhin geht viel Zeit verloren und es entstehen unnötige Kosten, wenn der Bohrstrang ausserplanmässig eingezogen werden muss.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine lösung für die Ermittlung von Richtungsgrössen in Bohranlagen für Erdbohrungen zu schaffen, derzufolge das erwähnte Einziehen des Bohrstranges umgangen oder auf seltene Ausnahmen beschränkt ist und die einen hohen'Grad an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit der Messung von Richtungsgrössen in einem Bohrloch ermöglicht.

Die erfindungsgemässe Lösung beinhaltet daher eine Anordnung zur Ermittlung von Richtgrössen eines Bohrstranges in einem Bohrloch und zur Erzeugung von Ausgangsaignalen entsprechend den gemessenen Grossen, die an die Erdoberfläche weitergeleitet werden und die dadurch gekennzeichnet ist* dass ein dreiachsiges Kardansystem mit auf Schwerkraft ansprechenden Einrichtungen zur Bestimmung einer senkrechten und einer horizontalen Ebene sowie auf magnetische Kräfte ansprechende Einrichtungen zur Bestimmung der Ausrichtung in Übereinstimmung mit dem Magnetfeld der Erde, dass weiterhin ein Motorantriebs sys tem für die Überführung der einzelnen auf Schwer-

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kraft bzw. magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen von einer vorgegebenen ersten Einstellung in eine zweite Einstellung, wobei jede dieser zweiten Einstellungen bestimmt ist durch die Ausrichtung auf die Richtung der Schwerkraft bzw. die Richtung des Magnetfeldes der Erde, und dass schliesslich eine Steuerung zur Steuerung des Motorantriebssystems und zur Messung des Ausmaßes der Verstellungen der einzelnen Einrichtungen zwischen der jeweils ersten und zweiten Einstellung vorgesehen sind.

G-emäss einer Weiterbildung der Erfindung weisen die auf Schwerkraft ansprechenden Einrichtungen Beschleunigungsabweichungs-Messwertgeber auf, die jeweils eine Empfindlichkeitsachse mit Bezug auf die Richtung einwirkender Schwerkräfte haben, während die auf magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen ein Magnetometer aufweisen, das eine Empfindlichkeitsachse mit Bezug auf die Richtung des magnetischen Erdfeldes hat.

Gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung dient ein äusserer Kardanrahmen, benannt als Bezugs-Kardanrahmen, der Messung des Bezügswinkels zwischen einer Bezugsmarke am Bohrstrang und einer durch die Bohrachse bestimmten vertikalen Ebene. Ein mittlerer Kardanrahmen, der Neigungs-Kardanrahmen, dient zur Messung des Neigungswinkels der Bohrachse mit Bezug auf die Vertikale; und ein innerer oder Magnetometer-Kardanrahmen dient der Messung des Winkels zwischen der Horizontalprojektion der Bohrachse und der magnetischen Nordrichtung in der Horizontalebene, Die Messeinrichtung ist so ausgebildet, dass, sie innerhalb des Bohrstranges untergebracht werden kann. Die äussere Form entspricht daher einem Zylinder, dessen Durchmesser begrenzt ist durch den Durchmesser des Bohrstranges, dessen länge aber keiner wesentlichen Beschränkung unterliegt.

Der Bezugs-Kardanrahmen ist röhrenförmig ausgebildet, so dass er sich innerhalb einer feststehenden Hülse innerhalb des Bohr-

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stranges konzentrisch mit dem Bohrstrang drehen kann. An diesem Bezugs-Kardanrahmen ist ein Beschleunigungsmesser so "befestigt, dass dessen Empfindlichkeitsachse senkrecht zur Rotationsachse des Bezugs-Kardanrahmens liegt. Der Bezugswinkel wird dadurch gemessen, dass die Verstellung ermittelt wird, die erforderlich ist, um den Beschleunigungsmesser ausgehend von einer Bezugs-/*/ Einstellung zu überführen, bei der das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers zu Bull wird. Der Bezugswinkel wird vorzugsweise durch Zählen der Schritte eines Schrittmotors bestimmt, die erforderlich sind, um den Beschleunigungsmesser von einer bekannten Bezugseinstellung in eine Einstellung zu bringen, bei der das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers zu Null wird.

Der Kardanrahmen für die Messung des Neigungswinkels ist innerhalb des Bezugs-Kardanrahmens angebracht. Dieser Inklinations-Kardanrahmen weist gleichfalls einen Beschleunigungsmesser auf, wobei der Neigungswinkel ebenfalls durch Bestimmung der Verstellung gemessen wird, die erforderlich ist, um den Beschleunigungsmesser von einer Bezugs-Einstellung in eine Einstellung zu bringen, bei der das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers Null ist. Der Neigungswinkel wird gleichfalls zweckmässig durch Zählen der Schritte für einen Schrittmotor, die erforderlich sind, um den Inklinations-Kardanrahmen von einer bekannten Bezugs-Sinsteilung in eine Einstellung zu bringen, bei der das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers gleich Null ist, gemessen.

Ein weiterer Kardanrahmen ist gleichfalls innerhalb des Bezugs-Kardanrahmens angebracht, und zwar parallel zum Inklinations-Kardanrahmen und in Eingriff mit diesem. Ein dritter Kardanrahmen , der das Magnetometer trägt, wird durch diesen mitgeführten zusätzlichen Kardanrahmen getragen. Der Azimutwinkel wird gleichfalls durch Bestimmung der erforderlichen Verstellung des Magnetometers zwischen einer Bezugseinstellung und einer Einstellung, bei der das Ausgangssignal des Magnetometers zu Null wird, gemessen. Der Azimutwinkel wird zweckmässig durch

*)einstellung in eine

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Zählen der Schritte für einen Schrittmotor bestimmt, die erforderlich aind, uiD daa Magnetometer von der Bezugs-Einstellung in die zweite Einstellung zu überführen, durch die eine bekannte Beziehung zum Magnetfeld der Erde hergeatellt wird.

Nach Auftreten eines Startsignals, das den Stillstand des Bohrstranges kennzeichnet, wird die Steuerung des Mess-Systems, die bis dahin ausgeschaltet war, eingeschaltet. Die Steuerung arbeitet damit in einem ersten Betriebszustand, in welchem daa Ausgangssignal eines Impulsgenerators den einzelnen Schrittmotoren zugeleitet wird, um die zugehörigen Kardanrahmen und Abweichungs-Messwertgeber in die vorgegebene Bezugs-Einstellung zu bringen. Sobald danach ein Signal vorliegt, das anzeigt, dasa alle Abweichungs-Messwertgeber sich in der Bezugs-Einstellung befinden, wird der erste Betriebszustand beendet und in einen zweiten Betriebszustand übergegangen.

Während dieses zweiten Betriebszustandea werden die Abweichungssignale eines jeden Abweichunga-Mesawertgebers bezüglich der Abweichung von der gewünschten zweiten Einstellung durch Überwachungsschaltkreise überprüft, um das Ausmaß der Abweichung und die Richtung für die Nachführung des Messwertgebers zur Verringerung der Abweichung zu bestimmen. Ausserdem wird ein Impulsgeber eingeschaltet, um die Schrittmotoren fortzuschalten. Die Zahl und die Richtung der vom Schrittmotor benötigten Schritte, um den Messwertgeber in die zweite Einstellung zu bringen, werden gezählt und gespeichert. Sie stellen ein Maß für die von der Anlage benötigte : Winkelinformation dar. ^ie einzelnen Impulsgeber werden wieder abgeschaltet, um den zugehörigen Schrittmotor anzuhalten, wenn die zweite Einstellung vom zugehörigen Messwertgeber erreicht ist. Wenn alle Abweichungs-Messwertgeber eingestellt sind, wird ein Endesignal erzeugt, durch das die Information in dem Zähler in ein Schieberegister und schliesslich an die Erdoberfläche übertragen wird.

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Diese Arbeitsweise mit einem Wechsel von dem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand wiederholt sich, bis ein Signal die Wiederaufnahme des Rotationszustandes anzeigt, was zur Ausschaltung der Steuerung führt.

Für verschiedene Arten von Daten ist es nicht notwendig, sie häufiger als etwa alle zehn Meter während des Bohrvorganges zu messen· Das entspricht in etwa Messungen mit einem Abstand von einer Viertelstunde bis zu eineinhalb Stunden entsprechend einer Bohrleistung von 40 bis 7 m pro Stunde. Es erscheint daher zweckmässig, die gesamte Messeinrichtung am Bohrgrund während der langen Bohrperioden einfach abzuschalten, um so den Verschleiss herabzusetzen, wie er sich sonst bei dauerndem Betrieb einstellen würde.

Damit festgestellt werden kann, wann der Bohrstrang nicht rotiert, ist gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung zusätzlich ein Messfühler zur Unterscheidung zwischen Stillstand oder Rotation in einem umgebenden Magnetfeld und zur Aktivierung der Steuerung bei Stillstand vorgesehen. Dieser auch unabhängig von der vorangehend beschriebenen Messanordnung anwendbare Messfühler ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser Messfühler ein Luftspaltmagnetometer zur Erzeugung eines Steuersignals abhängig von dem Drehwinkel des Magnetometers mit Bezug auf die Richtung des umgebenden Magnetfeldes aufweist, das. für die Anbringung in einem Bohrstrangteil geeignet ist, dass weiterhin Einrichtungen zur Erzeugung und Lieferung eines Eingangssignales für das Luftspaltmagnetoraeter vorgesehen sind und dass das Luftspaltmagnetometer ein erstes Ausgangssignal liefert, das einer geraden harmonischen Oberwelle des Eingangssignals entspricht, dass ein erster Detektor für den Empfang des ersten Ausgangssignals und Einrichtungen zum Erzeugen eines Bezugssignals von der Frequenz des ersten Ausgangssignals vorgesehen sind, wobei das Bezugssignal ebenfalls dem ersten Detektor zugeführt wird und dieser die Phasenverschiebung zwischen beiden EingangsSignalen ermittelt

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und ein zweites Ausgangssignal liefert, dessen Frequenz abhängig ist von der Umdrehungszahl des Bohrstranges, dass ein zweiter Detektor vorgesehen ist, dem das zweite Ausgangssignal zugeführt wird und der ein drittes Ausgangssignal jedesmal dann erzeugt, wenn das zweite Ausgangssignal eine vorgegebene Bezugsschwelle durchläuft, und dass Einrichtungen zur Erzeugung eines vierten Ausgangssignals abhängig von dem zugeführten dritten Ausgangssignal vorgesehen sind, wenn das dritte Ausgangssignal den Stillstand des Bohrstranges kennzeichnet.

Weitere zweckmässige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung bilden im übrigen Gegenstand der anliegenden Unteransprüche, auf welche zur Verkürzung und Vereinfachung der Beschreibung hier ausdrücklich hingewiesen wird. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 die schematische Ansicht eines Bohrloches mit Bohranlage, in der die Erfindung angewendet wird,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Bohrstrangteiles gemäss Fig. 1 mit einer Ausrüstung gemäaa der Erfindung,

Fig. 3 einen Teilausschnitt der Anordnung gemäss Fig. 2,

Fig. 4 ein als Rotationsmessfühler arbeitendes Luftspaltraagnetometer,

Fig. 5 ein Blocksehaltdiagramm des Rotationsmessfühlers,

Fig. 5A das Blockschaltbild eines Digitalfilters gemäss Fig. 5 und 1OB

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Pig.6A, den zeitlichen Verlauf von Ausgangsignalen verschlepp ^uia dener Stufen des Rotations-Messfühlers gemäss Pig. 5

ig. 7 eine schematische Darstellung der Messeinrichtung für die Bestimmung des Bezugs-, des EFeigungs- und des Azimutwinkels,

Ifig. 8 die Darstellung des Aus gangs sign als eines Beschleunigungsmessers gemäss Pig. T₅

Fig. 9 die Darstellung des Ausgangssignals des Magnetometers gemäss Pig. I₁

Pig. 1OA Blockschaltbilder der Steuerung₉ und 10B

Pig.11A, Schaltungseinzelheiten der Steuerung gemäss den 11B und p_iguren -ι OA und 1OB,

Pig. 12 ein Blockschaltbild für die Starteinrichtung gemäss Pig. 1OB,

Pig. 13 das Blockschaltbild des G-rundtaktgebers gemäss Pig. 1OB,

Pig. 13A den zeitlichen Verlauf der Aus gangs impulse des G-rundtaktgebera und eines Prequenzteilers,

Pig. 14A das Ausgangssignal der Addierschaltung gemäas Pig. 10A, das der Überwachungsschaltung für die Auswertung der Richtung und der Amplitude zugeleitet wird und

Pig. 14A, Ausgangssignale der Richtungsdetektoren gemäss Pig. 1OA. Pig. HC,
Pig. HD
und HE

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Mit Bezug auf Pig. 1 ist eine allgemeine Anordnung gezeigt, "bei der die Anordnungen gemäss der Erfindung eingesetzt sind. Die Anwendbarkeit dieser Einrichtungen ist jedoch nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt.

Die in Pig. 1 gezeigte Bohranlage besteht aus einem Bohrturm 10, mit einem Bohrstrang oder einer Bohrstange 12, an derera unteren Ende ein Bohrmeissel 14 befestigt ist. Dieser. Bohrstrang kann sich in an sich bekannter Weise über die gesamte Länge drehen •oder aber feststehend angeordnet sein, wobei lediglich der Bohrmeissel rotiert. Der Bohrstrang 12 besteht aus einer Reihe von miteinander verbundenen Teilsträngen, die nach und nach mit zunehmender Tiefe der Bohrung zugefügt werden. Der Bohrstrang wird weiterhin von einer beweglichen Flasche 16 eines Flaschenzuges 18 gehalten und wird insgesamt durch eine Mitnehmerstange 20 mit quadratischem Querschnitt angetrieben, die verschiebbar in einer Drehscheibe 22 am Fusse des Bohrturmes geführt ist und von dieser angetrieben wird. Ein Motorantrieb 24 ist sowohl mit dem Flaschenzug 18 und der Drehscheibe gekoppelt.

Der untere Teil des Bohrstranges besteht aus einem oder mehreren Strangteilen 26 mit grösserem Durchmesser als die darüber liegenden Strangteile. Die unteren Strangteile mit grösserera Durchmesser sind in an sich bekannter Weise mit Messfühlern, elektronischen Schaltkreisen für diese Messfühler und Stromquellen ausgerüstet, wobei die Stromquellen beispielsweise aus durch Schlamm angetriebenen Turbinen mit nachgeschalteten Generatoren bestehen, die die elektrische Energie für die Messeinrichtung liefern. Ein typisches Beispiel eines solchen Systems, bei dem eine Schlammturbine, Generatoren und die Einrichtung für die Messfühler in einem unteren Strangteil 26 vorgesehen sind, zeigt die US-Patentschrift 3- 693 428.

Der durch den Bohrmeissel 14 verursachte Bohrschmant wird durch einen kräftigen Schlammstrom beseitigt, der durch den

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freien ringförmigen Raum 28 zwischen dem Bohrstrang und der Bob.rloch.wand 30 in die Höhe führt. Dieser Schlamm wird über eine Rohrleitung 32 einem Filter- und Abklärsystem zugeführt, das schematisch als Becken 34 dargestellt ist. Der gefilterte Schlamm wird dann durch eine Pumpe 36 abgesaugt, die mit einem Schwingungsabsorber 38 gekoppeltist,und dann über einen Schlauch 40 unter Druck einem drehbaren Injektorkopf 42 und von dort in das Innere des Bohrstranges 12 geleitet, in dem er dann zum Bohrmeissel 14 und einer Schlamtnturbine gelangt, falls eine solche vorgesehen ist.

Die Schlammsäule in dem Bohrstrang 12 dient gleichfalls als Übertragungsmittel zur Übertragung von Signalen an die Erdoberfläche, die den beim Niederbringen der Bohrung anfallenden Messwerten entsprechen, ^iese Signalübertragung erfolgt in an sich bekannter Weise durch Erzeugung von Schlammimpulsen, indem Druckimpulse der Schlamrasäule im Bohrstrang 12 eingeprägt werden, die den beim Niederbringen der Bohrung ermittelten Messwerten entsprechen. Die Bohrkenngrössen werden durch die Messfühlereinrichtung 44 - man siehe ebenso Fig. 2 in einem Bohrstrangteil 26 in der Nähe oder unmittelbar am Bohrmeissel ermittelt. Die in dem Schlamiastrom des Bohrstranges erzeugten Druckimpulse werden von einem Druckumwandler 46 empfangen und dann einer Auswerteeinrichtung 48 zugeleitet, die die zugeführten Signale speichert, anzeigt und/oder miteinander verknüpft, um Informationen über die verschiedenen Bedingungen am unteren Ende der Bohrung bereitzustellen.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt des Bohrstrangteiles 26, in dem die Schlammimpulse erzeugt werden. Der Schlamm fliesst durch eine einstellbare Drosselbohrung 50 und treibt danach eine turbine 52 an. Diese Surbine ist mit einem Generator 54 gekoppelt, der die elektrische Energie für die einzelnen Messfühler der Messeinrichtung 44 liefert. Die Ausgangssignale dieser Messeinrichtung 44* in Form von elektrischen,

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hydraulischen oder vergleichbaren Signalen, steuern einen Yeatilkolben 56, der den Durchflussquerschnitt der Drosselbohrung 50 verändert und mit einem Antrieb 57 gekoppeltist, der hydraulisch oder elektrisch arbeitet. Veränderungen des Durchflussquerschnittes der Drosselbohrung 50 verursachen Druckimpulse in dem Schlammstrom, die an die Erdoberfläche übertragen und dort überwacht werden, um Angaben über die verschiedenen durch die Messeinrichtung 44 festgestellten Verhältnisse zu liefern. Der Schlammstrom ist durch Pfeile angedeutet.

Pur viele Arten von Daten oder Kenngrössen, die am Grunde der Bohrung zu ermitteln sind, ist es vollkommen unnötig, dass die einzelnen Messungen und Abtastungen häufiger als alle zehn Meter mit fortschreitender Bohrtiefe vorgenommen werden. Das bedeutet etwa alle Viertel- bis eineinhalb Stunden entsprechend üblichen Bohrgeschwindigkeiten von 40 bis 7 ra pro Stunde. Es ist daher wünschenswert, die Bohrlochmesseinrichtung während längerer Bohrperioden einfach abzuschalten, damit die Abnutzung der Messfühler, Messv/ertübertrager und anderer Teile der Messanordnung gegenüber der bei Dauerbetrieb verringert wird. Die in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Einzelheiten der Erfindung beziehen sich auf diese Massnahme des Absohaltens der Kenngrössenmesseinrichtung, indem durch gesonderte Messeinrichtungen zwischen Perioden der Drehung und des Stillstandes des Bohrstranges unterschieden wird. Die Erfindung verwendet hierfür einen Drehfühler, um das Drehen des Bohrstranges zu erkennen und die Stromversorgung für die die Bohrkenngrössen liefernden Messfühler zu unterbrechen, wenn der Bohrstrang sich dreht, und um umgekehrt die Stromversorgung für die die Bohrkenngrössen liefernden Messfühler einzuschalten, wenn der Bohrstrang stillsteht. Als Drehfühler wird eine Erdfeldsonde benutzt, die den Magnetfluss der Erde überprüft. Dieser Drehfühler enthält keine beweglichen Teile und bietet daher im Gegensatz zu anderen vergleichbaren Messfühlern mit beweglichen Teilen die gewünschte hohe Zuverlässigkeit, obgleich er mechanischen Stössen und Schwingungen ausgesetzt ist.

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Die Figuren 2 und 3 zeigen Einzelheiten des Bohrstrangteiles 26, in dem ein Drehfühler 58 gemäss der Erfindung untergebracht ist. Da sowohl der Drehfühler als auch die in der Messeinrichtung 44 untergebrachten Messfühler magnetisch empfindlich sind, besteht der die Messeinrichtung umgebende Strangteil 26A des Bohrstranges aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise rostfreier Stahl oder Monel. Der Drehfühler 58 kann innerhalb der Messeinrichtung 44 untergebracht oder gesondert davon angeordnet sein.. Der Einfachheit halber ist er in Pig. 3 als Teil der Messeinrichtung 44 dargestellt. Diese Messeinrichtung 44 ist weiterhin in einen nichtmagnetischen Druckbehälter 60 eingeschlossen, um sie zu schützen und gegenüber den Einflüssen am Bohrgrund zu isolieren.

Gemäss Pig. 4 ist der Drehfühler 58 ein Ringkern-Luftspaltmagnetometer, der benutzt wird, um die Richtung des Magnetfeldes der Erde zu bestimmen. Wenn auch die Verwendung vieler Arten von Magnetflussmessern möglich ist, so zeichnet sich ein Ringkern-Luftspaltmagnetometer besonders durch seinen geringen Energieverbrauch und seinen kompakten Aufbau aus. Die Arbeitsweise des Ringkern«Luftspaltmagnetometers beruht auf der nichtlinearen oder unsymmetrischen Charakteristik des magnetisch sättigbaren Überträgers, der als Messelement verwendet wird. Wie Pig. 4 zeigt, besteht die Einrichtung aus einem ringförmigen Kern 62, der in geeigneter Weise gewickelt ist, einer Eingangs.- oder Primärwicklung 64 und einer Ausgangs- oder Sekundärwicklung 66, die die eigentliche Messv/icklung darstellt. Kern 62 besteht aus einem Material mit rechteckförraiger Hysteresekurve wie zum Beispiel Permalloy. Die Arbeitsweise dieser Einrichtung ist folgende: Sobald die Primärwicklung mit einer Wechselspannung ausreichender Amplitude beaufschlagt wird und kein äusseres Magnetfeld gegeben ist, ist das Ausgangssignal der Sekundärv/ioklung, das heisst die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung, symmetrisch, das heisst es setzt sich lediglich aus ungeraden Oberwellen der der Primärseite zugeführten Grundwelle zusammen. Ist dagegen ein äusseres magnetisches

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Feld vorhanden, wie zum Beispiel das Magnetfeld der Erde, so wird die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung unsymmetrisch, weil sich geradzahlige Oberwellen überlagern. Diese Unsymmetrie ist abhängig von der Richtung und der Grosse des beeinflussenden Magnetfeldes und kann in an sich bekannter Weise bestimmt werden. Derartige Plußspaltraagnetometer sind beispielsweise im Artikel von G-ordon und Brown, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.Mag-8, No, 1, March 1972, im Artikel von G-eyger, Electronics, June 1, 1962 und im Artikel von R. Munoz, AA-3.3., 1966 National Telemetering Conference Proceedings, beschrieben.

Im vorliegenden Pail treibt das der Primärwicklung 64 zugeführte Eingangssignal den Ringkern 62 während jeder Periode zweimal in die Sättigung. Der Zeitpunkt, zu dem der Ringkern gesättigt ist, ist dabei abhängig von dem umgebenden äusseren Magnetfeld, das sich dem eingeprägten Magnetfeld des Ringkernes überlagert. Das Erreichen der Sättigung ist also abhängig von der Stärke und der Richtung des Magnetfeldes der Erde, das in Pig. 4 duroh die eingezeichneten Plusslinien angedeutet ist.

Der Drehfühler 58 wird von einer Welle 68 getragen, die in dem Bohrstrangteil 26A befestigt und in oder parallel zur Drehachse des Bohrstrangteiles 26A angeordnet ist. Sobald der Bohrstrang sich dreht, wird der Drehfühler 58 in dem umge.benden Magnetfeld der Erde ebenfalls gedreht. Dies führt durch das Zusammenwirken des der Primärwicklung 64 zugeführten Eingangssignals und dem umgebenden Magnetfeld der Erde zu sich ändernden Phasenverschiebungen der ersten geradzahligen Oberwelle am Ausgang der Sekundärwicklung 66.

Pig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Verarbeitung des Ausgangssignals des Drehfühlers. Danach wird das Eingangssignal für die Primärwicklung 64 von einem Oszillator 61 geliefert, wobei die Frequenz des -Ä-usgangssignales dieses Oszillators durch einen Teiler 63 halbiert und dann über einen Verstärker 65 der

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Primärwicklung 64 zugeführt wird. Das vom Ausgang der Sekundärwicklungen 66, der auf die erste geradzahlige Oberwelle dea der Primärwicklung zugeführten Eingangssignals durch den Kondensator 67 abgestimmt ist, gelieferte Signal wird über eine Trennstufe 69 dem Phasendetektor 7OA der Auswerteschaltung zugeührt. Diese Auswerteschaltung 70 besteht des weiteren aus einem Tiefpassfilter 7OB und einem Verstärker 7OC. Das Ausgangssignal des Oszillators 6t, dessen !Frequenz der der ersten geradzahligen Oberwelle des Ausgangssignals der Sekundärwicklung 66 entspricht, wird gleichfalls dem Phasendetektor 7OA zugeführt. Der Phasenwinkel des Ausgangssignals der Sekundärwicklungen 66 ist abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Magnetometers 58 und ändert sich mit der Drehgeschwindigkeit des Magnetometers. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal der Sekundärwicklungen 66 mit dem Ausgangssignal des Oszillators 61 durch den Phasendetektor 7OA verglichen, der ein der Phasendifferenz beider Eingangssignale entsprechendes Ausgangssignal liefert, das dem Tiefpassfilter 7OB zugeleitet wird. Das Ausgangssignal dieses Filters, ist, sobald der Bohrstrang sich dreht, ein Wechselstromsignal.mit v/echselnder !Frequenz abhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkels des Ausgangssignals der Sekundärwicklung 66, das heisst das Ausgangssignal des Filters 7OB ändert seine Frequenz entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Bohrstranges. Nach Verstärkung durch den Verstärker 7OC wird das Signal einem Nulldurchgangsdetektor 72 zugeleitet, der jeweils dann einen Ausgangsimpuls liefert, wenn das zugeführte Signal zu Null wird. Diese Ausgangsimpulse werden achliesslich einem Digitalfilter 74 zugeführt, das dann ein den jeweiligen Bewegungszustand des Bohrstranges, nämlich Stillstand oder Drehen, entsprechendes Signal liefert.

G-_eroäsa Fig. 5A besteht das Digitalfilter 74 aus einem Teilerzähler 75, einem S/R-Flipflop 76, den beiden J/K-Flipflops 77 und 78 sowie dem UND-Gatter 79. Die Ausgangsimpulse des Nulldurchgangsdetektors 72 werden an den Eingang C des Teiler-

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Zählers 75 geliefert. Unterstellt man, dass sich der Bohrstrang normal dreht, so bewirken die zugeführten Impulse ein Überlaufen des Zählers 75, bevor ein Taktimpuls OPN den Zähler zurückstellen kann. Diese Rückstellimpulse können mit einer beliebig vorgegebenen Wiederholfrequenz aus einer anderen Taktimpulsfolge entsprechend einer bestimmten Mindestdrehzahl abgeleitet werden. Mit dem Überlauf des Zählers 75 führt der Ausgang Q ein Signal "Iog1" oder einfach "L" im Gegensatz zum Signal "logO" oder einfach "0". Der Ausgang Q des Zählers 75 ist mit dem Setzeingang S des Flipflops 76 verbunden, so dass beim Signal "L" am Ausgang Q das Flipflop gesetzt wird und dessen Ausgang Q ebenfalls das Signal "P¹ führt. Das des Ausgangs "φ wird dagegen zu "0". Der Ausgang Π des Flipflop 76 ist mit dem Eingang J des Flipflop 77 verbunden. Dieses Flipflop wird anfänglich durch einen Rückstellimpuls IGLEAR in die Grundstellung gebracht, wobei der Rückstellimpuls in geeigneter Weise beim Einschalten der Stromversorgung für die Steuerung abgeleitet wird. Der Eingang J des Flipflop 77 wird durch die Vorderflanke eines jeden Taktimpulses CPIT am Eingang C überprüft und damit das Signal am Eingang J auf den Ausgang Q übertragen. Wenn sich der Bohrstrang normalerweise dreht, erreicht der Zähler 75 fortlaufend seine Überlaufstellung und wird dann durch einen der Taktimpulse CPN zurückgestellt. Entsprechend wird das Flipflop 76 wiederholt durch den Steuerausgang des Zählers 76 gesetzt und durch den Taktimpuls CPN zurückgestellt. Demzufolge liegt am Eingang J des Flipflop jedesmal das Signal "0" an, wenn die Yorderflanke des Taktimpulses CPlT am Eingang C des Flipflops 77 wirksam wird. Der Ausgang Q . des Flipflop 77 führt daher ständig das Signal "0", wenn der Bohrstrang sich dreht. Das Digitalfilter 74 liefert dann ein entsprechendes Ausgangesignal X gemäss Fig.

Die vorangehend erläuterten Signale sind in Fig. 6 grafisch dargestellt, und zwar ist jedesmal die Signalamplitude über

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der Zeit als Abszisse aufgetragen. Fig. 6A zeigt die erste geradzahlige Oberwelle als Ausgangssignal des Detektors 70, Fig. 6B die Ausgangs impulse des Nulldurchgangsdetektors 72 und Fig. 60 das Ausgangssignal des Digitalfilters 74. Zwischen den beiden Zeitpunkten T₁ und T₂ bei allen Eurven dreht sich der Bohrstrang mit konstanter Geschwindigkeit. Sobald jedoch die Drehgeschwindigkeit abnimmt und der Bohrstrang sich dem Stillstand nähert, zum Beispiel nach dem Zeitpunkt T₂, so verringert sich auch die Frequenz des Ausgangssignales am Detektor 70 und damit auch die Frequenz des Ausgangssignals am Hulldurchgangsdetektor 72.

Wenn der Bohrstrang zum Stillstand kommt oder aber die Drehgeschwindigkeit auf dem Wege zum Stillstand einen sehr niedrigen Wert erreicht hat, sinkt die Pulsfrequenz der vom Nulldurchgangsdetektor 72 gelieferten Steuerimpulse unter einem Wert, der der vorgegebenen niedrigen Drehgeschwindigkeit des Bohrstranges entspricht. Da die Winkelgeschwindigkeit des Bohrstranges beim Übergang vom normalen Drehzustand zum Stillstand fortlaufend abnimmt, kann eine vorgegebene Mindestgeschwindigkeit, zum Beispiel drei Umdrehungen pro Minute oder weniger, bereits das Signal des Stillstandes auslösen, da die Drehung dem Ende zugeht bzw. innerhalb der Zeit beendet sein wird, die benötigt wird, um die während des Stillstandes arbeitenden Messfühler einzuschalten.

Sobald also die Drehung des Bohrstranges aufhört oder aber die Drehgeschwindigkeit einen vorgegebenen Wert unterschreitet, der den bevorstehenden Stillstand signalisiert, kommt der Zähler 75 nicht mehr zum Überlauf bevor die Rückstellung durch den Taktimpuls OPM" erfolgt. Der Ausgang Q des Zählers 75 bleibt daher beim Signal "0" und das Flipflop 76 wird nicht gesetzt. Demzufolge führt der Ausgang φ des Flipflop 76 und der Eingang J des Flipflop 77 ständig das Signal "L", so dass mit der nächstfolgenden Yorderflanke des Taktimpulses OPlT das Flipflop

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gesetzt und damit der Ausgang Q das den Stillstand anzeigende Signal "L" führt, was in Fig. 6C rait Y bezeichnet ist. Wenn also die vorgegebene Mindestfrequenz der Ausgangsimpulse des Nuldurchgangsdetektors 72 für eine vorgegebene Zeitdauer Tp bis T^₁ zum Beispiel 10 Sekunden, unterschritten wird, ändert sich das Ausgangssignal des Digitalfilters entsprechend dem Signal am Ausgang Q des Flipflop 77, wie Fig. 60 zeigt, und nimmt den den Stillstand kennzeichnenden Zustand an. Dieser Signalzustand wird nun als Steuersignal für das Scharfmachen oder die Speisung der anderen Messfühler der Messeinrichtung 44 benutzt. So wird zum Beispiel durch den Generator 54 der Stellantrieb 57 und jene anderen Messfühlerelemente gespeist, beispielsweise durch Setzen von Flipflaps oder durch Aufsteuern von Steuergattern.

Nachfolgend seien anhand von Fig. 7 die Elemente für die Ermittlung der Richtungsgrössen gemäss der Erfindung in der Messeinrichtung 44 und deren Arbeitsweise näher erläutert. Es handelt sich dabei um die Messfühleranordnung für die Bestimmung der verschiedenen Kenngrössen beim Niederbringen einer Bohrung, die nach Stillstand des Bohrstranges von Zeit zu Zeit ermittelt und an die Erdoberfläche übertragen werden, um so die Messung und Anzeige von bestimmten Richtungsgrössen vom Grunde der Bohrung zu ermöglichen.

Die gemäss der Erfindung zu messenden und zu bestimmenden Grossen sind Richtungsgrössen über die Bohrlinie, insbesondere wenn die Bohrlinie vom Ausgangspunkt oder einem anderen beim Bohren erreichten Punkt aus schräg verläuft. Bekanntlich sind zur Lage und Richtungsbestimmung einer Bohrlinie Informationen über drei Grossen erforderlich, nämlich den Neigungswinkel, den Azimutwinkel und einen Bezugswinkel - man siehe zum Beispiel US-Patentschrift 3.657.637. Diese drei Winkel lassen sich wie folgt definieren:

1 * Der Neigungswinkel I ergibt sich aus der Neigung der Bohrachse X¹X mit Bezug auf die Vertikale V, wobei beide in derselben senkrechten Ebene liegen.

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2. Der Azimut A bezieht sich, auf das Magnetfeld der Erde. Er entspricht dem Flächenwinkel zweier senkrechter Ebenen, von denen die eine durch die Horizontalprojektion der Bohrachse und die andere durch die Horizontalprojektion des örtlichen Magnetfeldes derErde gebildet wird.

3. Der Bezugswinkel R entspricht dem Flächenwinkel, der durch das Schneiden zweier Ebenen entsteht, von denen die eine von der Bohrachse und einer Bezugslinie entlang des Bohrstranges parallel zur Bohrachse und die andere Ebene durch die Bohrachse und die Vertikalprojektion der Bohrachse bestimmt wird. Dieser Bezugswinkel R ist im oberen Teil der Figur 7 angedeutet.

Die Messfühleranordnung geraäss Fig. 7 besteht ganz allgemein aus folgenden Teilen:

1. Einer mechanischen Anordnung mit drei Achsen zur Bestimmung

a) einer senkrechten Ebene unter Benutzung der Erdanziehung als Bezugsnormal und

b) einer horizontalen Ebene ebenfalls unter Benutzung der Erdanziehung als Bezugsnormal und

o) der ITordrichtung unter Benutzung des Magnetfeldes der Erde als Bezugsnorraal.

2. Ein Motorantriebssystem zur Überführung einzelner Teile der Anordnung in gewünschte Einstellungen auf Umlaufbahnen zu den vorgegebenen Aohsen.

3· Abweichungsmesswertgeber zur Bestimmung der Abweichung von einer gewünschten Einstellung auf der Umlaufbahn zu einer der Achsen und zur Erzeugung von Rückkopplungssignalen für das Motorantriebssystem.

4. Eine Steuerung mit Messung der durch das Motorantriebssystem bewirkten Verstellungen, um festgestellte Abweichungen zu beseitigen.

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Pig. 7 zeigt den schematischen Aufbau des Messfühler systems und das Zusammenwirken mit den Motorantrieben und den Abweichungsmesswertgebern. Das Messfühlersystem besteht aus einem mehrachsigen oder Vielfach-Kardansystem mit gesteuerter Einstellung durch die Abweichungsmesswertgeber. Im einzelnen besteht das Messfühlersystem aus einem dreifachen Zardansystem, das durch zwei Beschleunigungs-Abweichungs-Messwertgeber und einen Magnetometer als Abweichungsmesswertgeber/ Durch die Beschleunigungsmesser werden die horizontale und die vertikale Ebene und durch das Magnetometer die Richtung des magnetischen Nordpoles in einer horizontalen Ebene festgelegt.

Das Messfühlersystem besteht aus einem äusseren Rahmen 100, der drehbar in der Messeinrichtung 44 angebracht, die in dem Druckbehälter 60 im nichtmagnetischen Bohrstrangteil 26A gemäss Fig. 3 untergebracht ist. Der Rahmen 100 ist drehbar um die Drehachse 102 angebracht, die der Achse des Bohrstranges am Grunde der Bohrung entspricht. Stattdessen kann auch eine zur Drehachse 102 parallele Achse verwendet werden. Zu diesem Zweck ist der Rahmen 100 an den beiden gegenüberliegenden Querseiten mit Zapfen 104 und 106 versehen, die in Lagern 108 und 110 ruhen, die wiederum über Träger 112 und 118 mit dem Messfühlergehäuse 44 verbunden sind. Der Rahmen 100 ist von rechteckförmiger Gestalt und wird durch Längsseiten parallel zur Drehachse 102 und durch Querseiten senkrecht zur Drehachse 102 gebildet; er kann jedoch jede beliebige symmetrisch Gestalt mit Bezug auf die Drehachse 102 annehmen und beispielsweise als Rotationsfläche in Bezug auf die Drehachse 102 ausgebildet sein. Auf diese Weise fällt die Achse des Rahmens, die gleichzeitig · seine Drehachse ist, mit der Bohrachse 102 zusammen oder liegt zu dieser parallel. Dieser Rahmen 100 bildet den ersten Kardanrahraen. des Messfühlersystems.

Ein erster Beschleunigungsmesser 116 ist auf einer Platte 118 zwischen den Seitenwänden des Rahmens 100 befestigt, wobei

*) gesteuert wird.

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die Enipfindli-chlceitsach.se des Beschleunigungsmessers zur Längsachse 102 des Bohrstranges senkrecht steht - der Ausdruck "senkrecht" in Verbindung mit Linien oder Achsen bedeutet in diesem Zusammenhang ein rechtwinkliges Verhältnis unabhängig davon, ob die Linien oder Achsen sich in einer gemeinsamen Ebene schneiden oder ob sie in verschiedenen Ebenen liegen. Ebenso kennzeichnet die Empfindlichkeitsachse die beiden gegensätzlichen Richtungen, bei der gleichgerichtete Schwerkräfte ein Ausgangssignal erzeugen. -

Der Beschleunigungsmesser 116 ist ein Abweichungsmesswertgeber von der Art, dass das Ausgangssignal zu Null wird, wenn die Empfindlichkeitsachse senkrecht zur Richtung der einwirkenden Schwerkräfte steht, und ein Maximum erreicht, wenn die Empfindlichkeitsachse parallel zur Richtung der einwirkenden Schwerkräfte liegt. Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Ausgangssignales eines solchen Beschleunigungsmessers abhängig von dem als Abszisse aufgetragenen Winkel zwischen Empfindlichkeitsachse und der Richtung der einwirkenden Schwerkraft. Ein besonders genauer Lind zweckmässiger Typ eines solchen Beschleunigungsmessers bilden die bekannten Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser, von denen verschiedene Typen verwendbar sind. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 116 gelangt über eine Motorsteuerschaltung 120 der Steuerung zu einem schrittweise arbeitenden Stellmotor 122, der den Rahmen 100 solange dreht, bis der Beschleunigungsmesser 116 in seiner Nullstellung kein Ausgangssignal mehr liefert.

Der Beschleunigungsmesser 160 wird für die Bestimmung des Bezugswinkels R benutzt. Mit Bezug auf die vorangehend gegebene Definition des Bezugswinkels R muss zunächst eine Bezugslinie parallel zur Achse 102 festgelegt und mit Bezug auf den Bohrstrang oder das Bohrstrangteil 26Δ bestimmt werden. Im vorliegenden Fall stimmt diese Bezugslinie mit der Linie 124 in der Zeichenebene überein, die in beliebigem Abstände parallel

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zur Drehachse 102 angeordnet sein kann. Der Winkel R ist in diesem FaIIe gleich dem Winkel zwischen der Zeichenebene und der die Bohrachse 102 "beinhaltenden senkrechten Ebene. Die Bezugslinie wird bei der Erfindung durch eisen Strahlenweg gebildet.

Zur Bestimmung des Winkels R gemäss der vorliegenden Erfindung dreht der Motor 122 aufgrund eines Signals der Steuerung 121 den Rahmen 100 mit dem Beschleunigungsmesser 116 in eine Startoder Ausgangsstellung, bei der die Winkelbeziehung zur Bezugslinie 124 bekannt ist. Diese. Ausgangsstellung wird zweckmässig ' in Ausrichtung auf die Bezugslinie 124 selbst gewählt und die Erzielung dieser Ausrichtung wird fotoelektrisch durch Verwendung einer Lichtquelle 126 und einer Fotozelle 128 bestimmt. Lichtquelle 126 und Fotozelle 128 sind gemäss der Zeichnung direkt oder indirekt am Träger 114 angebracht; stattdessen könnten sie auch in irgendeiner anderen Weise mit festem Bezug auf das Gestängeteil 26A angebracht sein. Der Strahlenweg 130 von der Lichtquelle 126 zur Fotozelle 128 liegt in der durch die Bezugslinie 124 und die Drehachse 102 bestimmten Ebene, wobei der Strahlenweg und Linie 124 zusammenfallen. Zwei Drehscheiben 132 und 134 sind in dem Strahlenweg 130 angeordnet. Jede dieser Scheiben hat ein Loch 136 bzw. 138, und der Strahlenweg 130 wird unterbrochen, wenn nicht die beiden Löcher 136 und 138 gleichzeitig mit dem Strahlenweg fluchten, so dass Licht zur Fotozelle 128 gelangen kann. Die Scheibe 132 ist unmittelbar am Zapfen 106 und damit auch unmittelbar am ersten Kardanrahmen befestigt, während die Scheibe 134 getrennt davon an einem Zapfen 140 befestigt ist, dessen Träger der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Beide Scheiben sind über eine Zahnradverbindung miteinander gekoppelt, wobei die Scheibe 134 durch die Scheibe 132 angetrieben wird. Die Scheibe 132 lässt das Licht nur einmal während jeder vollen Umdrehung des Rahmens 100 passieren; sie ist so dimensioniert., dass das Licht einen Bogen von ungefähr 12 Grad überstreicht.

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Die Scheibe 134 macht jeweils eine Umdrehung nach jeder 30-Graddrehung dee Rahmens 100 und ist so dimensioniert, dasa das licht einen Bogen von weniger als einem Grad überstreicht. Auf diese Weise kann das Licht der Lichtquelle 126 die Fotozelle 128 jeweils nur einmal während einer vollständigen Umdrehung des Rahmens 100 erreichen und dann auch nur in einem sehr schmalen Bereich, der kleiner als 1 Grad ist. Wenn die Ruhestellung erreicht ist, ist somit eine erste Ebene durch die Bezugslinie 124 und die Drehachse 102 bestimmt.

Wenn das Messfühlersystem aufgrund eines Steuersignals des Digitalfilters 74 in Betrieb gesetzt wird, schaltet die Antriebsraotorsteuerung 120 den Schrittmotor 122 ein, der über eine Zahnradverbindung 142 mit dem Zapfen 106 gekoppelt ist und den Rahmen 100 in einer ersten Richtung dreht, beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, bis das Licht auf die Fotozelle 128 trifft. Das Ausgangssignal der Fotozelle 128 wird an die Steuereinrichtung 121 weitergeleitet um den Motor 122 abzuschalten. Damit iat die Ausgangsstellung des Beschleunigungsmessers 116 für die Messung des Bezugswinkels erreicht. Es sei nun angenommen, dass sich der Beschleunigungsmesser dabei in irgendeiner Einstellung befindet, die nicht seiner Nullstellung entspricht. In diesem Falle liefert der Beschleunigungsmesser als Abweiehungsmesswertgeber ein Ausgangssignal an die Antriebsraotorsteuerung 120 der Steuerung 121. Die Motorantriebssteuerung 120 schaltet den Motor 122 wieder ein, so dass der Kardanrahmen 100 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, bis die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers 116 eine horizontale Einstellung, das heisst senkrecht zur einwirkenden Schwerkraft, erreicht hat. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 116 "wird dann zu HuIl und beendet somit über die Antriebsraotorsteuerung 120 das Drehen des Zardanrahmens 100. In der Nullstellung bestimmt die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers 116 eine vertikale Ebene als zweite Ebene, die die Drehachse 102 einschliesst. Diese zweite Ebene

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und die durch die Bezugslinie und die Drehachse 102 bestimmte erste Ebene stellen die beiden Ebenen dar, zwischen denen der Bezugswinkel Il geraessen wird. Entsprechend stellt die Nettozahl und die Richtung gleichartiger, für die Fortschaltung des Schrittmotors 122 benötigter Schritte, um den Beschleunigungsmesser 116 von der Ausgangseinstellung ausgehend in seine Nullstellung zu bringen, und damit die Nettozahl der von der Motorantriebssteuerung 120 gelieferten Impulse, ein Maß für den Bezugswinkel R dar. Die Ausgangsimpulse der Motorantriebssteuerung 120 werden daher auch einem binär arbeitenden Yorwärts-Rückwärtszähler 144 zugeleitet. Die von diesem Zähler 144 ermittelte Impulszahl bildet eine Information bezüglich des BezugswinkelB R und diese Information wird gegebenenfalls an die Erdoberfläche mittels der Schlamm-Impulstechnik übertragen, so dass der Winkel R auch an der Erdoberfläche bekannt ist.

Ein zweiter Beschleunigungsabweichungs-Messwertgeber 148 ist fest an einem zweiten Kardanrahmen befestigt. Dieser besteht aus der Welle 150 mit der Drehachse 151 die drehbar mittels Lager 152 am ersten Kardanrahmen 100 befestigt ist. Dieser zweite Beschleunigungsmesser dient zur Messung des Neigungswinkels I. Die Empfindlichkeitsachse dieses Beschleunigungsmessers 148 ist im rechten Winkel mit Bezug auf die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers 116 angeordnet. Dieser zweite Beschleunigungsmesser 148 bestimmt eine senkrechte Ebene senkrecht zu der durch den ersten Beschleunigungsmesser bestimmten Ebene, so dass der zweite Beschleunigungsmesser zusammen mit dem anderen die Bestimmung einer horizontalen Ebene und damit die Bestimmung des Neigungswinkels I der Bohrachse 102 ermöglicht.

Der Beschleunigungsmesser 148 wird während einer Messung ebenfalls zunächst in eine Ausgangsstellung gebracht, die in beliebiger Weise vorgegeben sein kann und mit Bezug auf den Rahmen 100 bekannt ist. Das Erreichen der Ausgangsstellung wird

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durch ein optisches System ähnlich dem für den Beschleunigungsmesser 116 überwacht. Dieses optische System besteht aus einer Lichtquelle 154, einer Fotozelle 156, dem Strahlenweg 158 und den Drehscheiben 160, 162 und 164, die die Löcher 166 bzw. 168 bzw. 170 aufweisen. Die Scheibe 164 ist fest an einer ¥elle 171 befestigt und die Scheibe 160 ist drehbar mit einem schrittweise arbeitenden Stellmotor 174 über eine Zahnradverbindung verbunden. Alle drei Scheiben stehen über Zahnradverbindungen miteinander in Eingriff. Die übersetzung ist dabei so gewählt, dass/aie einzelnen Scheiben mit leicht voneinander abweichender Drehgeschwindigkeit bezüglich der des Kardanrahmens 150 bewegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform machtdie Scheibe 160 jeweils eine volle Umdrehung bei einer Drehung des Kardanrahmens 150 von 10 Grad, während die Scheiben 162 und 164 jeweils eine vollständige Umdrehung bei einer Drehung des Kardanrahmens 150 von jeweils 9 Grad beziehungsweise 8 Grad machen. Löcher 166, 168 und 170 fluchten nur einmal während jeder vollständigen Umdrehung des Kardanrahmens 150. Diese Ausrichtung erfolgt immer entlang des Strahlenweges 158, so dass das Licht die Fotozelle 156 jeweils einmal während einer vollen Umdrehung des Rahmens 150 trifft.

Die Verwendung der drei Scheiben 160, 162 und 164 mit leicht voneinander abweichender Drehgeschwindigkeit beruht auf der Tatsache, dass es unzweckmässig ist, eine dieser Scheiben direkt am Kardanrahraen 150 für die Neigungswinkelmessung zu befestigen. Würde man eine der Scheiben direkt an dem Rahmen 150 befestigen, so könnte ebenfalls ein Zweischeibensystem wie im Falle der Bezugswinkelmessanordnung verwendet werden, bei dem eine der Scheiben direkt am Rahmen 100 befestigt ist.

Zur Messung mit dem Beschleunigungsmesser 148 wird der Schrittmotor 174 durch Signale der Antriebsraotorsteuerung 172 schrittweise in einer Richtung angetrieben. Die Scheiben 160t,¹ 162 und 174 sowie die Welle 171 werden so gedreht und die Welle 171

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treibt über ein Schneckengewinde und ein Zahnrad 174 den Kardanrahmen 150 um seine Achse in einer ersten Richtung, zum Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn, an. Sobald die drei Löcher 166, 168 und 170 die Stellung erreichen, bei der der lichtstrahl auf die Fotozelle 156 fällt, ist die Ausgangsstellung des Beschleunigungsmessers 148 erreicht und ein Ausgang3signal der Fotozelle 156 für die Steuerung 121 schaltet den Motor aus. Der Beschleunigungsmesser 148 ist damit in Bezug auf den Rahmen 100 in einer vorgegebenen bekannten Einstellung.

Handelt es sich hierbei um eine Stellung, bei der die Lage der Empfindlichkeitsachse von der Senkrechten mit Bezug auf die Schwerkraft abweicht, so spricht der Beschleunigungsmesser 148 als Abweichungsraesswertgeber an und ein entsprechendes Signal wird an die Antriebsmotorsteuerung 172 der Steuerung 121 übertragen, ie Antriebsmotorsteuerung 172 liefert daraufhin Steuerimpulse für ein schrittweises IPortschalten des Schrittmotors 174 in einer Richtung, in der das Abweichungssignal abnimmt. Der Eardanrahmen 150 und der Beschleunigungsmesser wird so mit einer Folge von Schritten angetrieben, bis die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers senkrecht zur Richtung der einwirkenden Schwerkraft steht, das heisst bis die Empfindlichkeitsachse eine waagerecht liegende Irinie bildet, durch die eine zweite, durch den anderen Beschleunigungsmesser 116 festgelegte senkrechte Ebene bestimmt wird. Sobald der Beschleunigungsmesser 148 seine Nullage erreicht hat, wird der Schrittmotor abgeschaltet.

Berücksichtigt man, dass die Null-Lage des ersten Beschleunigungsmessers 116 durch seine Empfindlichkeitsachse eine erste horizontale Linie und die Nullstellung des zweiten Beschleunigungsmessers 148 eine zweite horizontale Linie entsprechend der Empf indlichkeitsach.se bestimmt, die beide senkrecht zueinander liegen, so wird durch das Zusammenwirken dieser beiden senk-

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rechten Linien eine horizontale Ebene bestimmt. Pies ergibt sich daraus, dass eine Ebene durch zwei senkrecht zueinander liegende Linien oder aber durch eine Linie und eine Richtung bestimmt werden kann. In Anwendung auf die vorliegende Erfindung bestimmt die eine, durch die Empfinaliehkeitsach.se des einen Beschleunigungsmessers vorgegebene Horizontallinie die Richtung einer Ebene, die die durch den anderen Beschleunigungsmesser vorgegebene Horizontallinie umfasst. Auf diese Weise bestimmten die Empfindlichkeitsachsen beider Beschleunigungsmesser 116 und 148 zusammen eine horizontale Ebene.

Der Schnitt der ersten senkrechten Ebene, die durch die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers 116 festgelegt ist, mit der zweiten senkrechten Ebene, die durch die Empfindlichkeitsachse des zweiten Beschleunigungsmessers 148 festgelegt ist, bestimmt eine senkrechte Linie, die die Bohrachse 102 schneidet und so den Neigungswinkel I festlegt.

Wie bei der Messung des Bezugswinkels R werden die Ausgangsimpulse der .Antriebsmotorsteuerung 172 einem binär arbeitenden Yorwärts-Rückwärtszähler 176 zugeleitet. Die Nettozahl der Schritte des Schrittmotors 174 und damit die Nettozahl der dem Zähler 176 zugeführten Impulse, die nötig waren, um den Beschleunigungsmesser 148 von der Ausgangsstellung in die Null-Lage zu bringen, steht in direkter Beziehung zum Neigungs-' winkel I der Bohrachse 102 gegenüber der Senkrechten Y. Die durch den Zähler 176 gezählten Impulse werden gegebenenfalls an die Oberfläche mittels der Schlamm-Impulstechnik übertragen, so dass der Neigungswinkel I auch an der Oberfläche bekannt ist.

Das Messfühlersystem umfasst weiterhin einen Azimut-Messfühler in der Form eines aus einem Ringkern bestehenden Luftspaltmagnetometers 178. Dieses Magnetometer ist von der gleichen Art wie das anhand von Pig. 4 gezeigte und erläuterte Magnetometer

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des Drehfühlers. Eine Erläuterung der Eigenschaften und des Aufbaus eines solchen Magnetometers 178 erübrigt sich daher. Dieses Magnetometer ist fest mit einer Welle 180 verbunden, die den dritten Kardanrahmen des Messfühlersystems bildet. Dieser Rahmen ist drehbar um die Achse 183 der Welle 180 in einem Lager 182 gehalten, das an der Welle 184- befestigt ist. Diese Welle liegt parallel zur Welle 150 und ist über lager 186 drehbar am Rahmen 100 befestigt. Die Welle 184 wird durch die Welle 171 über Schneckengewinde und Zahnrad 188 angetrieben. Auf diese Weise wird die Welle 184 vom Kardanrahmen 150 mitgenommen, der als Antrieb für die Welle 184 wirkt. Der Ringkern des Magnetometers 178 ist senkrecht zur Achse 183 des Kardanrahmens 180 angeordnet und die Achse dieses Rahmens ist senkrecht zur Empfindlichkeitsachse des zweiten Beschleunigungsmessers 148 angeordnet. Wenn also die beiden Beschleunigungsmesser 116 und 148 ihre Horizontale oder Full-lage einnehmen, dann steht die Welle 180 senkrecht und der Ringkern des Magnetometers 178 befindet sich in einer horizontalen Ebene.

Der Kardanrahmen 180 wird um seine Achse durch eine Kegel radanordnung 120 und über ein Schneokengewinde rait Zahnrad 192 angetrieben. Das Zahnrad 192 und eines der Kegelräder 190 sind über einen Rohrstutzen 191 miteinander verbunden, der drehbar auf der Welle 184 angebracht ist. Schneckengewinde .und Zahnrad 192 werden wiederum von einer Welle 194 angetrieben, die mit einem Stellmotor 196 gekoppelt ist. Ein fotoelektrisches Überwachungssystem, das den vorangehend bereits beschriebenen Systemen entspricht, ist zwischen dem Stellmotor 196 und. der Antriebswelle 194 vorgesehen. Die Bezifferung der einzelnen Teile dieses optischen Systems ist die gleiche wie die der entsprechenden Teile des optischen Systems des Messfühlers für die Bestimmung des Neigungswinkels lediglich mit dem Zusatz eines Häkchens hinter den einzelnen Ziffern. Dieses optische System wird in analoger Weise dazu benutzt, die Ausgangsstellung für den Azimutmessfühler 178 festzulegen.

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Der Azimut-Messfühler dient dazu, die Uordrichtung durch Überprüfung der lokalen horizontalen Komponente des umgebenden magnetischen Erdfeldes zu bestimmen. Wie bei den beiden Messfühlern für die Bestimmung des Bezugswinkels und des Neigungswinkels wird der Azimut-Messfühler ebenfalls zuerst in eine Ausgangsstellung gebracht, welche einer vorbestimmten und bekannten Stellung entspricht, bei der die Achse 183 senkrecht zur Bohrstrangachse 102 liegt und bei der die Empfindlichkeitsachse des Magnetometers zur Bohrstrangachse 102 senkrecht steht, während die nordsuchende Achse des Magnetometers, die senkrecht zur Empfindlichkeitsachse liegt, in die Richtung des Bohrmeissels weist. Der Azimut-Messfühler wird in diese Ausgangslage durch Signale der Antriebsmotorsteuerung 198 gebracht, die den Stellmotor 196 antreiben, um den Kardanrahmen 180 gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, bis die Ausgangslage erreicht ist. Das Erreichen dieser Ausgangslage wird durch Auftreffen des lichtstrahls 158» auf die Fotozelle 156' überwacht, und führt zu einem Ausgangssignal der Fotozelle 156', was an die Steuerung 121 weitergeleitet wird, um den Motor abzuschalten. Für den Fall, dass sich das Magnetometer 178 bei dieser Einstellung in einer Lage befindet, die von der FuIllage abweicht, so wird ein Abweichungssignal erzeugt. Dieses veranlasst die Antriebsmotorsteuerung 198, den Schrittmotor so fortzusehalten, dass das durch das Magnetometer erzeugte Abweichungssignal abnimmt. Das Magnetometer 178 arbeitet als Abweichungs-Messwertgeber in der ¥eise, dass der Phasenwinkel der ersten geradzahligen Oberwelle des Ausgangssignals zu- oder abnimmt in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Empfindlichkeitsaohse gegenüber dem Magnetfeld der Erde. Kennzeichnend für diese Messwertgeber ist, dass die Änderung des Phasenwinkels abhängig ist von der lage der Empfindlichkeitsachse gegenüber dem Magnetfeld der Erde, wobei eine Maximum- oder Minimumsignalisierung erfolgt, wenn die Empfindlichkeitsachse mit der Richtung des Magnetfeldes der Erde übereinstimmt und die Signalisierung zu UuIl wird, wenn die Empfindlichkeitsachse senkrecht zur

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Richtung des Magnetfeldes der Erde stellt. Dieser Zusammenhang ist in Pig. 9 gezeigt. Da das Magnetometer 178 als Abweichungsmesswertgeber arbeitet, wird das Ausgangssignal zu Full, wenn es in eine Lage gebracht wird, bei der die Empfindlichkeitsachse senkrecht zum Magnetfeld der Erde liegt.

Das durch das Magnetometer 178 erzeugte Abweichungssignal, das ist das Ausgangssignal, wenn sich das Magnetometer in einer von der Uull-Lage abweichenden Einstellung befindet, wird an eine Antriebsmotorsteuerung 198 der Steuerung 121 v/eitergeleitet. Bei Vorliegen eines solchen Signals erzeugt die Antriebstnotorsteuerung 198 Steuerimpulse für den Schrittschaltmotor 196, um diesen schrittweise fortzuschalten und dadurch das Magnetometer 178 in die Null-Lage zu bringen. Das Magnetometer 178 und sein Kardanrahraen 180 v/erden so mit einer Folge von Schritten verstellt, bis die Empfindlichkeitsachse des Magnetometers 178 senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes der Erde liegt und der Schrittmotor abgeschaltet wird.

Die algebraische Summe der Ausgangsimpulse der Antriebsmotorsteuerungen 198 und 172 werden über eine ODER-G-atteran Ordnung 199 zu einem binär arbeitenden Vorwärts-Rückwärtszähler 200 der Steuerung 121 geleitet. Das ODER-G-nttersystera 179 besteht aus einem ODER-Gatter 19Oa für Richtungssignale und einem ODER-G-atter 199b für Zählsignale. Die Nettoanzahl und das Vorzeichen der genannten algebraischen Summe der dem Zähler zugeführten Impulse, die notwendig sind, um das Magnetometer 178 von der Ausgangsstellung in die Null-Lagestellung zu überführen, ist ein direktes Maß der Richtung der Bohrachse mit Bezug auf den magnetischen Norden, also der Winkel A. Die Impulse der Motorantriebssteuerung 198 und 172 müssen algebraisch summiert werden, weil der Eardanrahmen 183 sowohl von seinem eigenen Motor 196 als auch vom Motor 174 angetrieben wird, wenn die Welle I7I den Beschleunigungsmesser 148 in die Null-Lagenstellung bringt. Dies ist durch die Antriebskoppluugen zwischen den Wellen 171 und 184 sowie den Kegelrädern 190

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bedingt. Die von dem Zähler 200 gezählten Impulse werden gegebenenfalls an die Erdoberfläche mittels der Schlamm-Impulstechnik übertragen, so dass der Azimutwinkel A ebenfalle an der Erdoberfläche zur Verfügung steht.

Das vorangehend beschriebene Messfühlersystem besteht aus einem dreiachsigen Kardansystem, mit einer Einstellsteuerung durch zwei Beschleunigungsabweichungs-Messwertgebern und einem als Abweichungsmesswertgeber arbeitenden Magnetometer. Die Beschleunigungsmesser dienen zur Festlegung von horizontalen und vertikalen Ebenen durch Auffinden von schwerelosen Stellungen entlang zweier senkrechter Achsen, und das Magnetometer dient zur Festlegung der magnetischen ffordrichtung in der horizontalen Ebene. Das System misst einen Bezugswinkel R, einen Neigungswinkel I und den Azimutwinkel A, so dass diese drei Winkelgrössen ausreichen, um die lage und die Richtung des Bohrstranges am Grunde der Bohrung zu bestimmen.

E3 versteht sich natürlich von selbst, dass . die drei Messfühler, nämlich die Beschleunigungsmesser 116 und 148 sowie das Magnetometer 178 elektrisch gespeist werden müssen, damit diese Messfühler als Abweichungsmesswertgeber arbeiten und Ausgangssignale liefern, die den jeweils zugehörigen Motorantriebssteuerungen zugeleitet v/erden. Diese elektrische Speisung kann in an sich bekannter und gewünschter Weise, unter anderem auch über Schleifringe, durch den Generator 65 erfolgen. In Figur 7 ist dies lediglich schematisch mit T_Q angedeutet.

Ein besonderer Vorteil des Messfühlersystems gemäss der Erfindung besteht darin, dass gesonderte Winkelumformer und damit verbundene mechanische oder Zuverlässigkeitsprobleme, die solche Winkelumformer mit sich bringen, umgangen werden. Gemäss der vorliegenden Erfindung werden Winkelmessungen allein durch bloßes Zählen der Bett ο zahlen, an .Schritte] für die S dir it tmo tor en oder der Nettozahlen von Impulsen, die den Schrittschaltmotoren zur Durchführung entsprechender Sehaltschritte zugeführt werden,

durchgeführt.

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Die mil; den Schrittmotoren gekoppelten Antriebsräder sind äusserst genau, so dass jeder Schritt eines Schrittmotors einer "bestimmten Winkelbewegung des zugeordneten Kardanrahmens entspricht. Auf diese Weise ist die Winkelmessung auf das einfache Verfahren des Zählens von Impulsen, die den Schrittmotoren zugeführt werden, oder der Schaltschritte der Schrittmotoren zurückgeführt. Die gesamte Messfühleranotcdnung gemäss Pig. 4 wird zweckmässig.in zähflüssiges Siliconöl eingebettet, das das Gehäuse der Messeinrichtung vollständig ausfüllt. Da3 Öl dient dazu, zum einen die Messfühleranordnung gegen Erschütterungen und Schlageinwirkungen zu schützen, andererseits zum Schmieren der Lager und Getriebe und schliesslich als Wärmeableitungsmittel für die Motoren. ·

Um die empfindlichen PräzisionsZahnradverbindungen, die die Kardanrahmen 150 und 180 auf der Welle 184 antreiben, gegen die Auswirkungen unterschiedlicher Wärmeausdehnungen zu schützen, sind die Schneckengetriebe der Zahnradverbindungen 174, 188 und 192 durch Druckausgleichsdosen 202 getrennt angeordnet und symmetrisch in einteiligen lagerträgern 204 gelagert. Demzufolge bestehen die Wellen 171 und 194 tatsächlich aus mehreren aneinander gefügten Wellenteilen, die durch die Druckausgleichsdosen 202 miteinander verbunden sind, welche die Drehbewegung der Wellen genau übertragen und thermisch bewirkte Längsausdehnungen der Wellen in beiden Richtungen auffangen, so dass die Berührungspunkte der zusammenwirkenden Zahnräder der einzelnen Zahnradverbindungen nicht verschoben werden.

Bei Verwendung von elektrischen HartdrahtanSchlussen für die Beschleunigungsmesser sind Sicherheitsanschläge erforderlich. So ist mit Bezug auf den Kardanrahmen 150 ein Anschlag 206 am Kardanrahmen 100 vorgesehen und so angeordnet, dass er einen am Kardanrahmen 150 befestigten Anschlagfinger 208 abfangen ' kann. Der Anschlagfinger 208 und der Anschlag 206 zusammen beschränken die Drehbewegung des Kardanrahmens 150 auf weniger als 360 Grad in beiden Richtungen, so dass elektrische Anschlüsse

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aus Hartdraht nicht "brechen können. Ähnliche Maasnahnien können bei den anderen Kardanrahmen ergriffen werden, wenn die Umstände es erfordern.

Die Figuren 10 und 11 zeigen ein Blockschaltbild und Einzelheiten daraus mit Bezug auf die Steuerung 121. Das Blockschaltbild gemäss Pig, 10 umfasst die gesamte Steuerung einschliesslich des Steuerschaltkreises gemäss Pig. 5 für den Drehfühler und einschliesslich der Antriebsraotorsteuerungen 120, 172 und 198 für die Messung des BezugswinkeIs, des Neigungswinkels und des Azimutwinkels. Die Antriebsmotorsteuerungen 120 und 172 sind miteinander identisch während die Antriebsmotorsteuerung 198 sich davon darin unterscheidet, dass einige Teile ara Eingang der Steuerung etwas anders ausgebildet sind, was darauf zurückzuführen ist, dass das Abweichungssignal für die Azimutbestimmung von einem Magnetometer 178 geliefert wird, während die Abweichungssignale für die Bestimmung des Bezugswinkel3 und des Neigungswinkels von einem Abweichungsbeschleunigungsmesser 116 bzw. 148 geliefert werden. Figur 11 zeigt das Schaltbild von einer der beiden identischen Motorantriebssteuerungen 120 und 172, wobei die unterschiedliche Ausbildung gegenüber der Motorantriebssteuerung 198 später erläutert wird.

Der in Figur 10 ^ri>- ■· · Ltene Steuerkreis für den Drehfühler besteht aus dem Magnetometer 58, der Überwachungsschaltung 70 mit dem Phasendetektor 7OA, dem !Tiefpassfilter 7OB und dem Verstärker 700, dem Hulldurchgangsdetektor 72 und dem Digitalfilter 74 mit dem 'Zähler 75, dem UND-Gatter 79- und dem Flipflop 76, 77 und ■gemäss Fig. 5A.

Wie bereits mit Bezug auf Figur 5 und Figur 6 erläutert worden ist, führt die Ermittlung des Stillstandes bzw. das Unterschreiten einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit durch den Bohrstrang zum Setzen des Flipflop 77 · Die Yorderflanke des dadurch am Ausgang Q des Flipflop 77 entstehenden Ausgangssignales bewirkt über einen Anlaßschaltkreis 210 die Rückstellung und das An-

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lassen der Steuerung 121. Der Anlaßschaltkreis 210, man siehe auch. Figur 12, "besteht aus zwei raonostabilen Kippstufen 212 und 214. Die Vorderflanke des Ausgangssignals am Ausgang Q des Flipflop 77 triggert die monostabil© Kippstufe 212 und erzeugt damit einen Impuls von 1ms Dauer am Ausgang Q dieser Kippstufe. Dieser Ausgangsinipuls ist ein Roinigungsimpuls CEEARP, der, v/ie später noch beschrieben werden wird, die verschiedenen Schaltkreise der Steuerung zurückstellt, um so sicherzustellen, dass die gesamte Steuerung 121 für den Empfang des Startsignals vorbereitet ist. Der Ausgang "ζ) der Kippstufe 212 ist mit dem Eingang der zweiten Kippstufe 214 verbunden, wobei diese Kippstufe mit der Rückflanke des zugeführten Impulses getriggert wird und ebenfalls einen Impuls von 1 ms Dauer liefert, der als Startsignal STARIP für die Steuerung wirkt. Wie später noch im einzelnen beschrieben werden wird, wirkt das Startsignal STARIP auf verschiedene Schalteinrichtungen der Steuerung ein, um diese anzulassen.

Zusätzlich, zu diesem Startsignal STARTP, das verschiedenen Schaltkreisen der Steuerung zugeleitet wird, liefert ein Taktgeber 216 Zeittaktimpulse für die Kontrolle der Steuerung. Geniäss Figur 13 besteht der Taktgeber 216 aus einem frei laufenden astabilen Multivibrator 218, dessen Ausgang mit einem als Zähler arbeitenden Teiler 220 verbunden ist, der ausgehend von den Multivibratorimpulaen die benötigten Zeitimpulse für die einzelnen Schaltkreise der Steuerung liefer:t Figur 13A zeigt die vom Multivibrator gelieferten Taktimpulse mit der Frequenz f und die verschiedenen Zeitimpulse CP1 bis 0P10 des Taktgebers 216, die auf die verschiedenen Schaltkreise der Steuerung einwirken. Die Arbeitsweise der Steuerung sei nun im einzelnen in Verbindung mit der Bestimmung des Bezugswinkels R erläutert. Der gleiche Funktionsablauf gilt mit Bezug auf die Messung des Neigungswinkels I und, soweit nicht weiter erläutert, ebenfalls mit Bezug auf die Messung dea Azimutwinkels A.

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~³⁴" 2621)80]

Betriebszustand 1 - Aufsuchen der Ausgangsstellung

Sobald der Anlaßschaltkreis 210 getriggert ist, wirkt der Rückstellimpüls CIEARP auf verschiedene Schaltglieder einer Steuer- und Überwachungseinrichtung 222 ein. Diese Überwachungseinrichtung umfasst einen Startschaltkreis 224, der einen Rückführungssteuerschaltkreis 226 und einen Messungssteuerschaltkreis 228 aufweist, einen Einstellungssteuerschaltkreis 230, einen Ausführungsüberwachungsschaltkreis und einen Abschaltesteuerkreis 234.

Mit Bezug auf den Startschaltkreis 224 gemäss Figur 11 wirkt der Rückstellimpuls GlEARP des Anlaßsteuerschaltkreises auf ein ODER-Gatter 236 ein und setzt das D-Flipflop 238 zurück. Dieses Flipflop kennzeichnet die Ausgangsstellung, in die der Beschleunigungsmesser 116 für die Messung des Bezugswinkels, wie bereits beschrieben,zunächst überführt wird. Der Startimpuls STARTP des Anlaßschaltkreises 210 gelangt dann über das ODER-Gatter 240 auf den Triggereingang des Flipflop 238 und ebenso zum ODER-Gatter 244. Der Startimpuls STARTP wird am Eingang des Flipflop 238 invertiert, so dass dieses Flipflop von der Rückflanke des Startimpulses gesetzt werden kann, da das D-Flipflop nur mit einer ansteigenden Flanke gesetzt v/erden kann. Sobald das Flipflop 238 gesetzt ist, führt der Ausgang Q das Signal "1", was gelegentlich auch rait HOICEF bezeichnet wird und daa Vorliegen des Betriebszustandes 1 kennzeichnet. Dieses Ausgangssignal HOMEF steuert verschiedene Schalteinrichtungen des Systems. So steuert dieses Signal einen monostabilen Multivibrator 242 des Rückführungssteuerschaltkreises. Diese Kippstufe wird jedoch nicht gesetzt, solange nicht die Rückflanke dieses Signals erscheint, was erst später der Fall ist, wenn der Beschleunigungsmesser 116 die Ausgangsstellung erreicht hat. Das Steuersignal HOMEF wird weiterhin einem Amplitudenbewertungsschaltkreis eines Richtungs- und Amplitudendetektors 245 zugeleitet, wo es auf ein ODER-Gatter 247 einwirkt. Dieses Signal überdeckt

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alle anderen dem ODER-Gatter 247 zugeführten Signale und liefert eines der Eingangssignale für das UND-Gatter 249 .Wenn das zweite Eingangssignal für dieses UND-Gatter 249 zusammen mit dem Signal HOMEP vorliegtf werden Steuerimpulse erzeugt, die den Beschleunigungsmesser für die Bezugswinkelmessung in die Ausgangseinstellung überführen.

Das zweite Eingangssignal für das UND-Gatter 249 wird vom Einstellungssteuerschaltkreis 230 geliefert, der ein Eingangssignal vom ODER-G-atter 244 erhält. Dies zuletzt genannte Signal wird vom Anlaßsignal START? abgeleitet, das durch das Gatter 244 hindurchgreift und als Signal RUNP am Ausgang des Gatters 244 zur Verfügung steht. Von dort gelangt es auf den Eingang S des J/K-ELipflop 248 des Einstellsteuerschaltkreises 230. Das Plipflop 248 ist vorher durch einen Rückstellimpuls GEBARP des Anlaßschaltkreises zurückgestellt worden, so dass das Signal RUlTP am Eingang S des Plipflop 248 dieses unmittelbar setzt. Der Ausgang Q dieses ELipflop führt daher das Signal "L", das dann auf den zweiten Eingang des UND-Gatters 249 einwirkt. Sobald beide Eingangssignale am UND-Gatter 249 vorliegen, wird dieses Gatter durchgesteuert und das nachgeschaltete D-S¹Hpflop 250 dea ImpulsSchaltkreises 252 vorbereitet. Mit dem Taktimpuls CP1 des Taktgebers 216 am Eingang C des Ilipflops 250 wird dieses gesetzt und das am Eingang D anliegende . Steuersignal auf den Ausgang Q übertragen. Auf diese Weise wird das Flipflop 250 durch den Taktimpuls CP1 wiederholt gesetzt, wenn ein Signal "L" am Eingang D anliegt. Mit jedem Setzen des ELipflop 250 wird über den Ausgang Q dae UND-Gatter 254 des Irapulsschaltkreises 252 angesteuert, wo es mit den Taktimpulsen CP3 des Taktgebers 216 verknüpft wird. Beide Eingangssignale des UND-Gatters 254 führen zu einer Folge von Steuerimpulsen am Ausgang dieses Gatters, die verschiedenen. Schalteinrichtungen des Systems zugeleitet werden. Eine dieser Schalteinrichtungen ist der Motorantriebsschaltkreis 256 für den Motor 122. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 254 und damit das Ausgangssignal des Impulsschaltkreises 252 besteht

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somit aus einer Folge von Schrittimpulsen, die dem Motorantriebsschaltkreis zugeführt werden.

Das Signal HOMEP, das sich aus dem Signal "I" am Ausgang Q des Flipflop 238 ergibt, wirkt weiterhin auf den Eingang S des J/K-Flipflop 258 des Richtungs- und Amplitudendetektors 245 . ein, so dass dieses gesetzt wird. Das Signal "L" am Ausgang Q des Flipflop 258 bev/irkt, als Richtungssignal, dass der durch den Motorantriebsschaltkreis 256 ansteuerbare Motor in einer vorgegebenen Richtung, beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, angetrieben wird, um den Beschleunigungsmesser 116 in die Ausgangseinstellung zu bringen.

Aus dem vorhergehenden ergibt sich, dass dem Motorantriebsschaltkreis 256 zv/ei getrennte Signale zugeführt werden. Eines dieser Signale besteht aus den Fortschalteimpulsen des Impulsschaltkreises 252 und das andere ist ein Richtungssignal vom Flipflop 258 des Richtungs- und Amplitudendetektors 245.

Der Motorantriebsschaltkreis 256 besteht aus einem Torwarts-Rückwärtszähler 260 für zwei Bit. Er erhält Fortschalteimpulse vom Impulsschaltkreis 252 und eine Richtungsinformation vom Flipflop 258 des Richtungs- und Amplitudendetektors 245 und setzt diese Eingangssignale in ein Tierphasensignal um. D^s bedeutet, dass der Motorantriebsschaltkreis aus einem Tierphasengenerator für die Steuerung eines Tierphasenmotors besteht. Das Tierphasensignal wirkt über getrennte Steuerleitungen auf Motorantriebscharter 262 mit getrennten leistungsverstärkern zur. Umsetzung des Tierphasensignals in geeignete Antriebssignale für den Tierphasenmotor 122. Den einzelnen Leistungsverstärkern je Phase sind individuelle UED-Gatter 261 vorgeschaltet, deren jeweils zweiter Signaleingang mit dem Ausgang Q dea Flipflop 77 des Digitalfilter 74 verbunden ist. Auf diese Weise wird der Motor 122 nicht eher angetrieben, bis beide Eingangssignale, nämlich das Ausgangssignal des Digitalfilters 74 zur Kennzeichnung des Stillstandes und die Steuerimpulse des Impulsschaltkreises

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252 gleichzeitig anliegen. Sobald diese Bedingung erfüllt ist, wird der Beschleunigungsmesser 116 für die Bestimmung des Bezugswinkels in Richtung der Ausgangseinstellung angetrieben. Me Antriebsrichtung ist dabei immer dieselbe, beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, da das Richtungssignal des Iflipflop immer das gleiche Bezugspotential während des Betriebszustandes aufweist.

Der Motor 122 wird dabei solange angetrieben, bis der Einstellungsdetektor 128 Licht von der Lichtquelle 126 ' erhält. Dieses wird verstärkt und in ein logisches Signal durch den Schaltkreis 264 umgewandelt, dessen Ausgangssignal als zweites Eingangssignal auf das UBD-Gatter 266 des Abschaltesteuerkreises 234 einwirkt. Das erste Eingangssignal für das UHD-Gatter 266 besteht aus dem Ausgangssignal HOMEi¹ des Flipflop 238 des Startcia s
Schaltkreises 224, durch das/UED-Gatter bereits vorbereitet ist. Mit dem Ausgangssignal des Schaltkreises 264 wird das UED-Gatter 266 daher durchgesteuert, so dass über das ODER-Gatter 268 . das UED-Gatter 270 im Einstellungssteuerkreis 230 angesteuert wird, das dann mit dem nächstfolgenden Taktimpuls der Taktimpulsfolge CP9 durchgesteuert v/ird. Das Ausgangssignal des UED-Gatters 270 wird invertiert und wirkt auf den Eingang C des J/K-Ilipflop 248 ein, so dass dieses mit der Rückflanke des durchsteuernden Taktimpulses der Taktimpulsfolge CP9 zurückgesetzt wird. Damit wechselt das Ausgangssignal am Ausging Q des Flipflop 248 von ¹¹L" auf "0". Dqmit wird auch das UND-Gatter 249 des Amplitudenbewertungsschaltkreises 246 gesperrt und das Flipflop 250 zurückgesetzt, so dass keine weiteren Steuerimpulse vom Impulssehaltkreis 252 geliefert werden und der Motor 122 wegen Erreichen der Ausgangseinstellung stehen bleibt.

Der vorangehend beschriebene Arbeitsablauf für das Erreichen der Ausgangseinstellung ergibt sich gleichzeitig für alle drei Messfühler zur Bestimmung des Bezugswinkels,des Neigungswinkels und des Azimutwinkels. Jede der Antriebsmotorsteuerungen 120, 172 und 198 weist daher ein Flipflop 248 auf. Der Ausgang Q

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jedes dieser Flipflop 248 ist mit einem von drei Eingängen eines UND-Gatters 272 in einem gemeinsamen Ausführungsüberwachungsschaltkreis 232 verbunden. Wenn jedes dieser drei Flipflop 248 zurückgesetzt ist, führen die Ausgänge Q ein Ausgangssignal "L". Sobald alle drei Flipflop 248 zurückgesetzt sind, wird das UND-Gatter 272 durchgesteuert und damit das Ausgangssignal DONE erzeugt, das anzeigt, dass die Beschleunigungsmesser 116 und 148 sowie das Magnetometer 178 alle ihre Ausgangseinstellung erreicht haben. Das Signal DONE vom Ausgang des UND-Gatters 272 bildet eines der beiden Eingangssignale für das UND-Gatter 274 des Rückführungssteuerschaltkreises 226 im Startschaltkreis 224. Das zweite Eingangssignal für das UND-Gatter 274 ist das Ausgangssignal HOMEF des Flipflop 238, so dass das UND-Gatter 274 durchgesteuert wird und über das ODER-Gatter 236 und Eingang R das Flipflop 238 zurückstellt. Damit wechselt das Ausgangssignal am Ausgang Q von "L" auf "0", so dass die monstabile Kippstufe.242 für die Dauer von 1 ms gesetzt wird, das heisst, dass die monostabile Kippstufe 242 von der Rückflanke des Signals HOMEF getriggert wird. Der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 242 bewirkt einerseits, dass der Vorwärts-Rückwärtszähler zurückgestellt und damit für die Aufnahme von Messimpulsen vorbereitet wird. Weiterhin erscheint am Ausgang des ODER-Gatters 244 erneut das Signal RUNP, so dass das Flipflop 248 im Einstellungssteuerschaltkreis 230 in gleicher Weise gesetzt wird wie während des Betriebszustandes 1. Sobald das Flipflop 248 erneut gesetzt ist, wird das UND-Gatter 249 des Amplitudentewertungsschaltkreises erneut angesteuert. Da jedoch das Signal HOMEF nicht mehr vorhanden ist, bleibt das UND-Gatter 249 gesperrt, bis das ODER-Gatter 247 ein Steuersignal von einem anderen Teil des Richtungs- und Amplitudendetektors 245 erhält. Das Ausgangssignal DONE des UND-Gatters 272 beendet also das Signal HOMEF in allen AntriebsmotorSteuerungen 120, 172 und 198, so dass deren Pulsschaltkreis vorübergehend gesperrt ist, obwohl der Ausgang Q des Flipflop 248 ein Signal "L" an den einen Eingang des UND-Gatters 249 liefert. Der

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Betriebszustand 1 ist damit abgeschlossen.

Betriebszustand 2 - Ermittlung der Messwerte

Der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippstufe 242 wird weiterhin invertiert und dem Eingang C des D-Flipflop 276 zugeführt, das mit der Rückflanke des zugeführten Impulses gesetzt wird. Das Ausgangssignal am Ausgang Q des Flipflop 276 wird daher zu "L", was dem Signal IiEASUREF εηΐφ rieht. Dieses Signal wird unter anderem als eines der Eingangssignale dem UND-Gatter 278 im Abschaltesteuerkreis 234 zugeführt. Das UND-Gatter 278 bildet zusammen mit einem UND-Gatter 276 und einem ODER-Gatter 268 eine Yerknüpfungsschaltung. Das Signal MEASUREF wirkt weiterhin auf den Eingang D des D-Flipflop 310, das damit vorbereitet ist. Das System ist damit für die Überleitung in den Betriebszustand 2 vorbereitet, der durch Abweichungssignale zum Beispiel des Beschlanigungsmessers 116 eingeleitet wird.

Dabei sei angenommen, dass der Beschleunigungsmeser 116 für die Bestimmung des Bezugswinkels sich in einer von seiner Null-Lage abweichenden Einstellung befindet, so dass ein Abweichungssignal erzeugt und dem Verstärker 280 zugeführt wird. Wie Figur 8 zeigt, besteht dieses Abweichungssignal aus einem Strom, dessen Amplitude sich nach einer Cosinusfunktion abhängig vom Winkel der Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers mit Bezug auf die Richtung der einwirkenden Schwerkraft ändert. Der Verstärker 280 ist ein Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad vom Typ LM 107, der beschrieben ist im Linear Applications Handbook, 1973, herausgegeben by M.K. Vander Kooi, National Semiconductor Application Note AN20-5, Februar 1969, Figur 13. Durch diesen Verstärker wird der zugeführte Eingangsstrom verstärkt und in eine für die weitere Verwendung geeignete Spannung umgesetzt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 280 wird dann einem Filter 282 zugeführt, um es von Hochfrequenzanteilen zu befreien,

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die durch die Schrittmotoren und durch Fremdschwingungen bedingt sein können. Das Filter ist ein Zweipolfilter mit einer Grenzfrequenz von 3 Hz in Verbindung mit einem Verstärker vom Typ LM 107 und beschrieben in Linear Applications Handbook, 1973 herausgegeben by M,K. Vander Cooi, National Semiconductor Inc. Note AN5-1O, April 1968, Figur 25. Das so gefilterte Signal wird sodann durch den Integrator 284 integriert. Der dabei verwendete Verstärker ist gleichfalls vom Typ LM 107 und die Schalter S. und S₂ sind Halbleiterschalter,wie zum Beispiel RCA CD4O16. Weitere Einzelheiten eines solchen Integrators sind dem Buch Operational Amplifiers, Design and Applications, by Tobey, Graeme and Hunlsman, Figur 6.15 McGraw-Hill, 1971 zu entnehmen. Der Integrator dient dazu, die vom Beschleunigungsmesser 116 festgestellte Abweichung abhängig von der Zeit zu überhöhen, um so auch kleinere Abweichungen erfassen zu können. Der Integrator wird durch die Halbleiterschalter S-] und S^, die durch das Ausgangssignal des Impulsschaltkreises 252 gesteuert werden, zurückgestellt, indem diese Schalter abwechselnd durch die einzelnen Steuerimpulse für die Fortschaltung des Schrittmotors 122 geschlossen und. geöffnet werden, wobei einer der Schalter geschloseen ist, wenn der andere geöffnet ist.

Die vom Filter 282 und vom Integrator 284 gelieferten Ausgangssignale werden beide einer Addierschaltung 286 zugeführt, durch die beide Signale algebraisch addiert werden. Auf diese Weise ist das integrierte Abweichungssignal für die weitere Verarbeitung geeignet, selbst wenn das vom Filter 282 gelieferte Signal klein ist. Weitere Einzelheiten bezüglich der Addierschaltung ergeben sich aus National Semiconductor, Inc. Note A and 20-3, Februar 1969, Fig. 3 (Linear Applications Handbook, 1973 herausgegeben von M.K. Vander Kooi). Das Ausgangssignal der Addierschaltung 286 wird dann vom Richtungsund Amplitudendetektor 245 hinsichtlich Richtung und Amplitude untersucht. Die Amplitude entspricht dem Grad oder dem Ausmaß der Abweichung zwischen der augenblicklichen Einstellung des Beschleunigungsmessers und seiner Nulleinstellung und die Richtung

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entspricht der Drehrichtung, die notwendig ist, um den Beschleunigungsmesser in die Null-Lage zu bringen.

Der Richtungs- und Amplitudendetektor 245 besteht aus den beiden Vergleichern 288A und 288B. Der Vergleicher 288A besteht aus einem Spannungsteiler 290 mit den Widerständen R1A und R2A, die in der gezeigten Weise mit dem Verstärker 292 verbunden sind. Der Vergleicher 288B weist einen gleichartigen Spannungsteiler 294 mit den Widerständen R1B und R2B auf, der ebenfalls in der gezeigten Weise mit einem Verstärker verbunden ist. Die beiden Verstärker 292 und 296 sind Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsgrad. Der Ausgang der Addierschaltung 286 ist mit beiden Verstärkern 292 und'296 verbunden. Der Spannungsteiler 290 liefert eine erste Bezugsspannung vom Wert A für den Differenzialverstärker 292 und der Spannungsteiler 294 liefert eine zweite Bezugsspannung vom Wert B für den Differentialverstärker 296. Die Vergleicher dienen dazu, das Ausgangssignal der Addierschaltung 286 mit den BezugsSpannungen zu vergleichen. Wenn mit Bezug auf die Figuren 14A, 14B und 14C das Ausgangssignal der Addierschaltung 286 positiver ist als die Bezugsspannung Λ, so ist das Ausgangssignal OUTA des Verstärkers 292 negativ. In analoger Weise ist das Ausgangssignal OUTB des Verstärkers 296 positiv, wenn das Ausgangssignal der Addierschaltung 286 negativer ist als die Bezugsspannung B. Als Ergebnis dieses Vergleichs ergeben sich Ausgangssignal OUTA und OUTB, wie sie in Fig. 14B und 14C gezeigt sind.

Die Ausgangssignale der Vergleicher 288A und 288B werden einer invertierenden Trennstufe und einer nicht invertierenden Trennstufe 300 zugeleitet. Diese Trennstufen dienen dazu, den Spannungspegel der Ausgangssignale der Vergleicher so anzuheben, damit diese für eine Ansteuerung des nachgeschalteten Flipflops 258 geeignet sind. D_as AusgangssignaleOUTA gemäss Fig. 14D wirkt auf den Eingang J des Flipflop 258 und das

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Signal OUTB auf den Eingang K des Flipflop 258. Weiterhin werden die Ausgangssignale der Trennstufen 298 und 300 dem ODER-Gatter 247 zugeführt, das Bestandteil des Amplitudenbewertungsschaltkreises 246 ist. Das aus beiden Einzelsignalen gebildete Summensignal ist in Figur 14E dargestellt.

Mit Bezug auf das Flipflop 258 wird mit jedem Taktimpuls CP1 vom Taktgeber 216 am Eingang C entweder das am Eingang J anliegende Signal OUTÄ oder aber das am Eingang K anstehende Signal OUTB vom Flipflop übernommen und dadurch wird, wie den Diagrammen gemäss den Figuren 14B bis 14E zu entnehmen ist, das Flipflop 258 gesetzt, wenn das Signal OUTA negativ ist, entsprechend einem positiven Signal OUTA, und zurückgesetzt wird, wenn das Signal OUTB positiv ist. Im gesetzten Zustand führt der Ausgang Q des Flipflop 258 das Signal "L". Dieser Signalausgang ist wie bereits erwähnt, mit dem Motorantriebsschaltkreis 256 verbunden, um so die Richtung der Fortschaltung des Motors 122 abhängig von dem Pegel des Ausgangssignals zu bestimmen. Abhängig von den Ausgangssignalen der Vergleicher 288A und 288B wird also der Motor 122 entweder im Uhrzeigersinn oder aber entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben. Auf diese Weise wird der Beschleunigungsmesser 116 für die Bestimmung ■ des Bezugswinkels jeweils in die geeignete Richtung bewegt, um so das Abweichungssignal zu vermindern und den Beschleunigungsmesser in die Null-Lage zu bringen.

Das Signal OUTA, das zum Signal OUTA invertiert ist, und das Signal OUTB werden dem ODER-Gatter 247 der Amplitudenbewertungsschaltung 246 zugeleitet und dienen dazu, die Amplitude des Abweichungssignals des Beschleunigungsmessers 116 zu bestimmen. Wie aus den Signaldiagrammen gemäss Figur 14A bis Figur 14E entnehmbar ist, entsprechen die Signale OUTB oder OUTA dem Signal"L", wenn das Ausgangssignal der Addierschaltung 286 ausserhalb der in Figur 14A definierten Grenze sich befindet, das heisst unterhalb der Bezugsspannung B und

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oberhalb der Bezugsspannung A. Damit bestimmen die Bereiche unterhalb der Referenzspannung A und oberhalb der Referenzspannung B in Figur 14A einen Nullbereich, und immer wenn die Abweichung diesen Nullbereich überschreitet, also oberhalb der Referenzspannung A oder unterhalb der Referenzspannung B sich bewegt, liefert das ODER-^Gatter 247 ein Signal für das UND-Gatter 249, das das zweite Eingangssignal für dieses Gatter bildet. Das erste Eingangssignal für das UND-Gatter 249 liegt bereits in Form des Ausgangssignales "L" am Ausgang Q des Flipflop 248 vor. Daher wird, wie bereits vorangehend beschrieben worden ist, das UND-Gatter 249 durchgesteuert und das Flipflop 250 angesteuert, welches gesetzt wird, sobald gleichzeitig ein Taktimpuls CP1 vorliegt. Das Ausgangssignal des Flipflop 250 bereitet das UND-Gatter 254 vor, das mit jedem Taktimpuls CP3 durchgesteuert wird und damit Steuerimpulse für die Motorantriebsschaltung 256 liefert. Über die UND-Gatter 261, die durch das Ausgangssignal des Flipflop 77 vorbereitet sind, wird dann der Schrittmotor 122 angetrieben. Dieser Motor wird dann solange fortgeschaltet, wie Steuerimpulse vom Impulsschaltkreis 252 geliefert werden, das heisst, bis der Beschleunigungsmesser seine Null-Lage erreicht hat, bei der das Ausgangssignal der Addierschaltung 286 in den vorangehend beschriebenen Nullbereich fällt.

Die Ausgangssignale des Flipflop 258 des Richtungs- und Amplitudendetektors 245 und die Ausgangsimpulse des Impulsschaltkreises 252 werden ausserdem dem Vorwärts-Rückwärtszähler 144 zum Aufsummieren zugeführt, um so die Nettozahl an Schrittimpulsen bestimmen zu können, die dem Schrittmotor 122 bis zum Erreichen der Null-Lage durch den Beschleunigungsmesser 116 zugeführt worden sind.

Es dürfte klar sein, dass die Signalkurven gemäss Figur 14A bis 14E lediglich dem Zwecke zur Erläuterung dienen und angenähert eine Bedingung aufzeigen, bei der der Beschleunigungsmesser 116 tatsächlich um seine Null-Lage pendeln würde. Bei anderen Be-

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dingungen mit Bezug auf die Abweichung würden zwar Ausgangssignale OUTA oder OUTB vorliegen, aber sie wären nicht zeitgerecht wirksam.

Vorangehend wurde bereits beschrieben, dass das Flipflop 248 bereits durch ein Signal des Abschaltesteuerkreises 234 in Verbindung mit einem Taktimpuls CP9 über das UND-Gatter 270 zurückgestellt worden ist. Das Signal des Abschaltesteuerkreises 234 ergibt sich durch das gleichzeitige Auftreten eines Signals des Einstellungsdetektors 128 und dem Signal HOMEF vom Flipflop 231 an den Eingängen des UND-Gatters 266. Im Betriebszustand entfällt das Signal HOMEF, so dass das Ausgangssignal des Abschaltesteuerkreises 234 für die Rücksetzung des Flipflop auf andere Weise erzeugt werden muss. Im Betriebszustand 2 ist das Flipflop 276 des Messungssteuerschaltkreises 228 gesetzt, so dass Signal MEASUREF als ein Eingangssignal für das UND-G_ptter 278 des Abschaltesteuerkreises 234 dienen kann. Wenn gleichzeitig ein zweites Eingangssignal am UND-Gatter 278 vorliegt, wird dieses durchgesteuert und über das ODER-Gatter 268 und das UND-Gatter 270 kann dann bei gleichzeitigem Vorliegen eines Taktimpulses CP9 des Flipflop 248 zurückgestellt werden. Dieses zweite Eingangssignal für das UND-Gatter 278 wird von einem Zähler 302 bei Überlauf geliefert.

Es bestehen zwei Möglichkeiten,dem Zähler 302 Impulse zuzuführen. Erstens,wenn ein Vorzeichenwechsel vom Richtungs- und.Amplitudendetektor 245 erkannt ist und das Ausgangs signal des Flipflop 258 zwischen "0" und "L" wechselt. Der Ausgang Q des Flipflop 258 ist mit einem Eingang des ÜND-G_qtters 304 verbunden und der andere Eingang des UND-Gatters 304 ist mit dem Ausgang Q eines Flipflop 306 verbunden. Dieses Flipflop ist durch das Signal RUNP zurückgestellt, so dass der Ausgang Q ein Signal "L" führt, so dass das UND-Gatter 304 jedesmal dann durchgesteuert wird, wenn der Ausgang Q des Flipflop 258 in Verbindung mit einem Vorzeichenwechsel das Signal "L" annimmt. Der Ausgang des UND-Gatters 304 steuert dann über ein

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ODER-Gatter 308 den Zähler 302. Wenn dieser Zäier überläuft, wird in Koinzidenz mit dem Signal MEASUREF das UND-Gatter 278 aufgesteuert und über das ODER-Gatter 268 auch das UND-Gatter 270, wenn an diesem gleichzeitig ein Taktimpuls CP9 wirksam wird. Das Flipflop 248 wird dadurch zurückgestellt, so dass auch das UND-Gatter 249 im Amplitudenbewertungsschaltkreis 246 gesperrt wird. Infolgedessen liefert der Impulsschaltkreis 252 keine Steuerimpulse mehr für den Schrittmotor -;122. Auf diese Weise kann das Fortschalten des Motors 122 zwangsweise beendet werden, sobald das Vorzeichen des Abweichungssignals vom Beschleunigungsmesser 116 entsprechend einer vorgegebenen Zahl gewechselt hat. Das würde der Fall sein, wenn der Beschleunigungsmesser 116 seine Null-Lage erreicht hat und darüber hinwegjagt.

Flipflop 248 kann ebenso zurückgestellt und damit ein Fortschalten des Motors 122 unterbunden werden, wenn keine Steuerimpulse von dem Impulsschaltkreis 252 über eine vorgegebene Zeitdauer hinweg erzeugt werden. Diese Bedingung, die ebenfalls zu einem zwangsläufigen Abschalten führt, wird mit Hilfe des D-Flipflop 306 und mit dem gleichartigen Flipflop 310 ermöglicht. D_as Signal MEASUREF des Flipflop 276 bereitet über den Eingang D das Flipflop 310 vor. Ausserdem wird dem Eingang C dieses Flipflop ein Zeitabschaltesignal CPN zugeführt, das vom Taktgeber 218 abgeleitet ist. Der Eingang R des Flipflop 310 ist mit dem Ausgang des Impulsschaltkreises 252 verbunden. Das Flipflop wird jedesmal dann gesetzt, wenn am Eingang C ein Signalübergang von "0" auf "L" eintritt und wird jedesmal dann zurückgesetzt, wenn am Eingang R ein Impuls vom Impulsschaltkreis 252 empfangen wird. Das Flipflop 306 wird einmal zu Beginn des Betriebszustandes 2 durch das Signal RUNP am Eingang R zurückgesetzt. Der Triggereingang C dieses Flipflop erhält wiederum Taktimpulse CPN und der Eingang D ist mit dem Setzausgang Q des Flipflop 310 verbunden. Flipflop 306 wird gesetzt, wenn es über den Eingang D vorbereitet ist und eine Vorderflanke der Taktimpulse CPN ansteht. Sobald das Flipflop

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306 gesetzt ist, liefert es eines der beiden Eingangssignale für das UND-Gatter 312. Das andere Eingangssignal dafür besteht in Form der Taktimpulse CP1 des Talctgebers. Die Taktimpulse CP1 gelangen dann-= über das UND-Gatter 312 und das ODER-Gatter 308 zum Zähler 302. Auf diese Weise wirkt eine Vielzahl von Impulsen auf den Zähler 302 ein, so dass ein Überlauf herbeigeführt wird, wodurch das UND-Gatter 278 aufgesteuert und über das ODER-Gatter 268 das UND-Gatter 270 angesteuert wird. Trifft mit diesem Signal ein Taktimpuls CP9 zusammen, so wird das Gatter 270 durchgesteuert und das Flipflop 248 zurückgestellt. Demzufolge wird auch das UND-Gatter 249 gesperrt und die Abgabe von Steuerimpulsen durch den Impulsschaltkreis 252 beendet. Der Schrittmotor 122 wird angehalten^ sobald der Beschleunigungsmesser116 seine Null-Lage erreicht hat.

Der Ausgang Q des Flipflop 248 ist mit dem UND-Gatter 272 des Ausführungsüberwachungsschaltkreises 232 verbunden. Wenn also das Flipflop 248 zurückgesetzt ist, was mit dem Abschalten des Motors 122 zusammenhängt, so wird mit dem Ausgangssignal des Ausgangs Q das UND-Gatter 272 angesteuert. In gleicher Weise wird das UND-Gatter 272 angesteuert, wenn alle übrigen Motoren abgeschaltet und die zugehörigen Flipflop zurückgesetzt sind, so dass das Gatter 272 schliesslich durchgesteuert wird und ein Signal DONE zum UND-Gatter im Rückführungssteuerschaltkreis 226 und ebenso zum UND-Gatter 314 im,Messungssteuerschaltkreis 228 gelangt. Dem UND-Gatter 314 wird ausserdem das Signal MEASUREF zugeführt, so. dass zwei der notwendigen drei Eingangssignale vorliegen. Das dritte Eingangssignal wird vom J/K-Flipflop 316 desselben Steuerschaltkreises geliefert, das bereits vorher durch das Signal CLEAREP gesetzt worden ist, so dass der Ausgang Q ein Signal "L" führt. Mit dem Signal DONE vom Ausgang des UND-Gatters 272 wird daher das UND-Gatter 314 durchgesteuert, wenn es zum erstenmal nach Auftreten des Anlassimpulses STARTP

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auftritt. Über das ODER-G_atter 318 wird nachfolgend über den Eingang R das Flipflop 276 angesteuert und zurückgesetzt, so dass damit das Ausgangssignal MEASUREF beendet wird. Durch das Rücksetzen des Flipflop 276 wird mit der Rückflanke des Signals MEASUREF ein monostabiler Multivibrator 320 getriggert und ein Steuerimpuls von einer Dauer von 1 ms erzeugt, der mit LOADP bezeichnet ist. Dieser Steuerimpuls wirkt auf das Schieberegister 331 ein und entsperrt dies, so dass die in den einzelnen Vorwärts-Rückwärtszählern 144, 176 und 200 gespeicherte Information parallel in das Schieberegister übertragen wird. Der Steuerimpuls LOADP wird weiterhin dem. Flipflop 316 zugeleitet, so dass dieses zurückgestellt wird. Weiterhin wirkt der Steuerimpuls LOADP über das ODER-Gntter 240 auf das Flipflop 238 ein und setzt dieses. Über den Ausgang des ODER-Gatters 240 wird weiterhin das ODER-Gatter 244 angesteuert und der Steuerimpuls RUNP erzeugt. Mit diesem Steuerimpuls wird das Flipflop 248 erneut gesetzt und damit wieder in den Betriebszustand 1 übergeleitet, so dass die einzelnen Messfühler erneut in die Ausgangseinstellung gebracht werden, wie es bereits vorangehend beschrieben worden ist.

Die Steuerung pendelt so ständig zwischen dem Betriebszustand und dem Betriebszustand 2 hin und her, bis die Steuerung abgeschaltet wird, wenn der Bohrstrang wieder zu drehen beginnt. Der wiederholte Durchlauf der beiden Betriebszustände erfolgt in der gleichen Weise, wie es bereits vorangehend beschrieben worden ist, lediglich mit der Ausnahme, dass das Flipflop während der nachfolgenden Durchläufe durch das Signal DONE des UND-Gatters 272 nicht mehr zurückgesetzt wird, weil der Steuerimpuls LOADP das Flipflop 316 zurückgesetzt hat und dieses nunmehr am Ausgang Q das Signal "0" liefert. Das UND-Gatter 314 wird damit endgültig gesperrt. Bei dem nachfolgenden Steuerungsablauf wird das Flipflop 316 nur gesetzt, wenn das Signal COMPP des Schiebeimpulsgenerators an das ODER-Gatter 318 gelangt. Dieser Schiebeimpulsgenerator wird durch den Steuerimpuls L0ADP angelassen.

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Das Flipflop 316 wird benötigt, da der Schiebeimpulsgenerator 330 nicht eher arbeitet, bis der erste durch die beiden Betriebszustände festgelegte Arbeitszyklus des Systems beendet ist. Daher wird ein gesonderter Zeitimpuls benötigt, um einen zweiten Arbeitszyklus mit erneuter Messung der Richtungsgrössen einzuleiten, während die aus der ersten Messung herrührenden Informationen aufgrund des ersten Steuerimpulses LOADP in das Schieberegister übertragen und an die Erdoberfläche übermittelt werden. Der Schiebeimpulsgenerator, der lediglich aus einem Frequenzteiler für den zentralen Taktimpulsgeber besteht, erzeugt Schiebeimpulse, um die Informationen aus dem Schieberegister 331 herauszuschieben und damit den Yentilantrieb 57 zu steuern, der den Ventilkolben 56 antreibt. Das Signal COMPP wird jeweils nach ii Impulsen des Schiebeimpulsgenerators 330 erzeugt, wobei η der Anzahl der Speicherstufen des Schieberegisters 331 entspricht.

Wie bereits angedeutet, bezog sich die bisherige Beschreibung auf die Antriebsmotorsteuerung 120. Analoges gilt für die identische Antriebsmotorsteuerung 172. Die weiterhin vorhandene Antriebsmotorsteuerung 198 unterscheidet sich von diesen beiden Steuerungen allein darin, dass der Verstärker 280 und das Filter 282 durch einen mit der Überwachungsschaltung 70 identischen Schaltkreis ersetzt sind, der aus einem Phasendetektor 70A, einem Filter 7OB und einem Verstärker 7OC besteht, um die vom Magnetometer 178 gelieferten Ausgangssignale aufzunehmen und weiterzuverarbeiten. Das Ausgangssignal der Überwachungsschaltung in der Antriebsmotorsteuerung 198 wird .- dem zugehörigen Integrator zugeführt. Der übrige Teil der Antriebsmotorsteuerung ist dann der gleiche und arbeitet in derselben Weise wie die Antriebsraotorsteuerung 120. Für alle drei Antriebsmotorsteuerungen 120, 172 und 198 wird eine unterschiedliche Folge von Taktimpulsen verwendet, so dass jede dieser Steuerungen während des zweiten Betriebszustandes nacheinander arbeiten und nicht gleichzeitig, was zu Nebensprechen oder Überlagerung von Signalen bei den drei Steuerungen führen könnte. Danach führt zunächst

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der Motor 122 einen Schritt, dann der Motor 174 einen Schritt und schliesslich der Motor 196 einen Schritt aus und diese Folge wird dann solange fortgesetzt, bis alle drei Messfühler ihre Nullage erreicht haben.

Jeder Steuerimpuls LOADP wird weiterhin dem Eingang S des Flipflop 78 - man siehe Figur 5Λ - zugeführt, so dass dieses gesetzt wird. Das dadurch am Ausgang Q bedingte Ausgangssignal "L" bildet das erste für das UND-Gatter 79 benötigte Eingangssignal. Das andere Eingangssignal für das UND-Gatter 79 wird vom Ausgang Q des FlipfHcp 76 durch Invertieren gewonnen. Das UND-Gatter 79 wird daher durchgesteuert, wenn das Flipflop 76 entsprechend den beim Drehen des Bohrstrangs gegebenen Schaltzustand gesetzt ist und der Steuerimpuls LOADP vorliegt. Damit gelangt an den Eingang K des Flipflop 77 ein Signal ¹¹L", so dass mit der Yorderflanke des Taktimpulses CPN das Flipflop 77 zurückgesetzt wird und das Ausgangssignal am Ausgang Q des Flipflop 77 zu "0" wird entsprechend X in Figur 6C, was den Wiederbeginn der Drehung des Bohrstranges anzeigt. Mit dem Wiederauftreten des Ausgangssignals "0" am Ausgang Q des Flipflop 77 werden die Schrittmotoren 122,-174 und 196 durch Sperren der UND-Gatter 261 in jedem der Motorantriebsschaltkreise 256 abgeschaltet und weiterhin der Ventilantrieb 57 verriegelt.

Der vorangehend anhand der beiden Betriebszustände beschriebene Arbeitszyklus dauert für die beiden Beschleunigungsmesser 116 und 148 sowie das Magnetometer 178 an, bis die Drehfühlereinrichtung ein Drehen des Bohrstranges feststellt oder aber die Stromversorgung ausfällt, v/eil beispielsweise der Durchfluss des Schlammes unterbrochen wird.

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Claims (36)

1. Patentansprüche

   \1. Anordnung zur Ermittlung von Richtungsgrössen eines Bohrstranges in einem Bohrloch und zur Erzeugung von Ausgangssignalen entsprechend den gemessenen Grossen, die an die E_rdoberfläche weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein dreiachsiges Kardansystem (100, 150, 180) mit auf Schwerkraft ansprechenden Einrichtungen (116, 148) zur Bestimmung einer senkrechten und einer horizontalen Ebene und mit auf magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen (178) zur Bestimmung der Ausrichtung in Übereinstimmung mit dem Magnetfeld der Erde aufweist, dass ein Motorantriebssystem (120, 172, 198) für die Überführung der einzelnen auf Schwerkraft bzw. magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen (116, 148, 178) von einer vorgegebenen ersten Einstellung in eine zweite Einstellung, wobei jede dieser zweiten Einstellungen bestimmt ist durch die Ausrichtung in Richtung der Schwerkraft bzw. des Magnetfeldes der Erde, sowie eine Steuerung (121) zur Steuerung des Motorantriebssystems und zur Messung des Ausmaßes der Verstellung der einzelnen Einrichtungen zwischen der jeweils ersten und zweiten Einstellung vorgesehen ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass . das dreiachsige Kardansystem (100, 150, 180) in einem Teil (26A) des Bohrstranges (12) untergebracht ist, dass dieses Kardansystem einen ersten Kardanrahmen (100),der um die Achse (102) des Bohrstrangteiles oder einer dazu parallelen Achse drehbar ist, einen zweiten Kardanrahmen (150), der um eine zur Drehachse (102) des ersten Kardanrahmens (100) senkrecht liegende Achse (151) drehbar ist, und einen dritten Kardanrahmen (180) aufweist, der wiederum um eine zur Drehachse (151) des zweiten Kardanrahmens (150) senkrecht liegenden Achse (183) drehbar ist.

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3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kardanrahmen (150) innerhalb des ersten Kardanrahmens (100) drehbar gelagert ist und dass der dritte Kardanrahmen (180) drehbar auf einer Welle (184) gelagert ist, die ebenfalls in dem ersten Kardanrahmen (100) drehbar angeordnet ist, wobei die Drehachse (183) des dritten Kardanrahmens (180) senkrecht zu der Welle (184) angeordnet ist, deren Drehachse parallel zu der Drehachse des zweiten Kardanrahmens (150) liegt.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Schwerkraft ansprechenden Einrichtungen einen ersten Beschleunigungsabweichungsmesswertgeber (116), der am ersten Kardanrahmen (100) angebracht ist, und einen zweiten Beschleunigungsabweichungs-Messwertgeber (148) aufweisen, der am zweiten Kardanrahmen (150) angebracht ist, wobei beide Beschleunigungsabweichungs-Messwcrtgeber eine Empfindlichkeitsachse mit Bezug auf die Richtung der einwirkenden Schwerkräfte aufweisen, und dass die Beschleunigungsabweichuhgs-Messwertgeber (116 und 148) jeweils so angebracht sind, dass die Empfindlichkeitsachse des ersten Beschleunigungsmessers (116) in der zweiten Einstellung senkrecht zur Achse (102) des Bohrstranges und dass die Empfindlichkeitsachse des zweiten Beschleunigungsmessers (148) in seiner zweiten Einstellung senkrecht.zur Empfindlichkeitsachse des ersten Beschleunigungsmessers liegt.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf magnetische Kräfte ansprechende Einrichtung (178) ein Luftspalt-Magnetometer ist, das am dritten Kardanrahmen (180) angebracht ist und eine Empfindlichkeitsachse mit Bezug auf die Richtung des Magnetfeldes der Erde aufweist, und dass das Magnetometer in der Weise angebracht ist, dass dessen Empfindlichkeitsachse in seiner zweiten Einstellung senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes der Erde liegt.

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6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des ersten Beschleunigungsmessers (116) dem Bezugswinkel (R) entspricht, der durch eine erste Ebene, die durch die Achse (102) des Bohrstranges und eine -vorgegebene Bezugslinie (124) am Bohrstrang bestimmt ist, und eine zweite Ebene gebildet wird, die durch die Achse (102) des Bohrstranges und deren Vertikalprojektion gebildet wird, dass die Verstellung des zweiten Beschleunigungsmessers (148) dem Neigungswinkel (I) der Achse(102) des Bohrstranges mit Bezug auf die Vertikale (V) in einer gemeinsamen Ebene entspricht und dass die Verstellung des Magnetometers (178) dem Azimutwinkel (A) entspricht, der von einer senkrechten Ebene, die durch die Horizontalprojektion der Achse (102) des Bohrstranges bestimmt ist, und einer zweiten senkrechten Ebene gebildet wird, die durch Horizontalprojektion der Feldlinien des örtlichen magnetischen Erdfeldes bestimmt ist.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf Schwerkraft und magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen (116, 148, 178) jeweils mit einer Lichtquelle (126 bzw. 150 bzw. 154'), einem fotoelektrischen Empfänger (128 bzw. 156 bzw. 156') und Lichtsteuergliedern (132, 134 bzw. 160, 162, 164 bzw. 160', 162', 164') zum Durchlassen des Lichtstrahls von der Lichtquelle zum Empfänger, wenn die Einrichtungen sich in der.ersten Einstellung befinden, gekoppelt sind.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsteuerglieder (132, 134 bzw. 160, 162, 164 bzw. 16O', 162', 164') aus Lochscheiben bestehen, die zwischen der Lichtquelle (126 bzw. 154 bzw. 154') und den Empfängern (128 bzw. 156 bzw. 156') angeordnet sind und durch das mit den auf Schwerkraft bzw. auf magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen (116, 148, 178) gekoppelte Motorantriebssystem (120, 172, 198) angetrieben v/erden-

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9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorantriebssystem einen ersten Schrittmotor, der am Bohrstrang befestigt ist und den ersten Kardanrahmen (100) antreibt, einen zweiten Schrittmotor (174), der am ersten Kardanrahmen (100) befestigt ist und den zweiten Kardanrahmen (150) und eine Antriebswelle (171) antreibt,und einen dritten Schrittmotor (196) aufweist, der ebenfalls am ersten Kardanrahmen (100) befestigt ist und den dritten Kardanrahmen (180) antreibt.
10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das s die Steuerung sich zusammensetzt aus Antriebseinrichtungen zum Fortschalten der Schrittmotoren, ura die auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen in die erste vorgegebene Einstellung zu bringen; einer ersten Stillsetzeinrichtung zum Empfang eines Stellungssignals, wenn eine der auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen die vorgegebene erste Einstellung erreicht hat und zur Erzeugung eines Stillsetzungssignals für das Abschalten der zugehörigen Antriebseinrichtung; einer Überwachungseinrichtung zum Empfang der ersten Signale, wenn eine der auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen sich in der vorgegebenen ersten Einstellung defindet und' zur Erzeugung eines Endesignals, wenn alle Einrichtungen sich in der vorgegebenen ersten Einstellung befinden; Signaldetektoren für die von den auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen gelieferten Signale mit nachgeschalteten Auswerteeinrichtungen für diese Signale; Überwachungseinrichtungen für das Vorliegen des Endesignals zum erneuten Wirksamschalten der Antriebseinrichtungen für die Schrittschaltmotoren, um die auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen von ihrer ersten Einstellung in die zweite Einstellung zu bringen; eine zweite Stillsetzeinrichtung zum Überwachen des Erreichens der

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    zv/eiten Einstellung dieser Einrichtungen und zum Erzeugen eines zweiten Stillsetzsignals für das Abschalten der zugehörigen Antriebseinrichtungen; Messeinrichtungen zur Messung der Bewegung der auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen von ihrer ersten in ihre zweite Einstellung und zur Erzeugung von entsprechenden Informationssignalen.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen Impulsgeneratoren zur Erzeugung von Fortsehalteimpulsen für die Einstelleinrichtungen aufweisen, und dass die beiden Stillsetzeinrichtungen ein Steuergatter zum Abschalten des Impulsgenerators aufweisen.
12. 12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Erzeugung eines Anlaßsignals für die Vorbereitung eines ersten Betriebszustandes der Steuerung, Einrichtungen zur Erzeugung eines die Steuerung in den ersten Betriebszustand überführenden Signals und Einrichtungen zum Einschalten der Antriebseinrichtungen abhängig vom Vorliegen des Anlaßsignals und des den ersten Betriebszustand auslösenden Signals vorgesehen sind.
13. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stillsetzeinrichtung Überwachungseinrichtungen aufweist, die abhängig vom gleichzeitigen Vorliegen des Startsignals und des Stellungssignals die Antriebseinrichtungen abschalten.
14. 14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede der auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen Einrichtungen zur- .Erzeugung eines Abweichungssignals in Übereinstimmung mit der Abweichung von der gewünschten Einstellung aufweist und dass die Signaldetektoren jeweils Einrichtungen zur Ermittlung der Amplitude und des Vorzeichens des Abweichungssignals aufweisen.

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15. 15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , dass Einrichtungen zur Erzeugung eines den zweiten Betriebszustand einleitenden Signals vorgesehen sind und dass die Signaldetektoren Einrichtungen zur Erzeugung von Richtungssignalen, die die auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen in einer Richtung verstellen, so dass die Amplitude des Abweichungssignals abnimmt, und Einrichtungen zur Erzeugung eines Steuersignals zum Einschalten der Antriebseinrichtungen abhängig von dem gleichzeitigen Vorliegen des den zweiten Betriebszustand anzeigenden Signals aufweisen.
16. 16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Steuergatter vorgesehen ist, das bei gleichzeitigem Vorliegen des Steuersignals und des den zweiten Betriebszustand einleitenden Signals ein Einschaltesignal für die Antriebseinrichtung liefert und diese abschaltet, wenn eines dieser beiden Signale fehlt.
17. 17. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stillsetzeinrichtung Einrichtungen aufweist, die abhängig von einer vorgegebenen Zahl von Richtungswechseln der Richtungssignale die Antriebseinrichtungen durch Beendigung des den zweiten Betriebszustand einleitenden Signals am Steuergatter abschalten.
18. 18. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet. dass die zweite Stillsetzeinrichtung Einrichtungen aufweist, die abhängig vom Verschwinden der Abweichungssignale der auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen für eine vorgegebene Zeitdauer die Antriebseinrichtungen durch Beendigung des den zweiten Betriebszustand einleitenden Signals am Steuergatter abschalten.

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19. 19. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtungen ein zweites Signal erhalten, wenn eine der auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen die zweite Einstellung erreicht hat, und ein zweites Endesignal erzeugen, wenn alle Einrichtungen ihre zweite Einstellung erreicht haben.
20. 20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, die bei Vorliegen des zweiten Endesignals die Steuerung erneut veranlassen, die auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen erneut in die vorgegebene erste Einstellung und dann in die zweite Einstellung zu überführen.
21. 21. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Speiehereinrichtungen zur Übernahme der gemessenen Daten von der Messeinrichtung und zur Speicherung dieser Daten vorgesehen sind.
22. 22. Anordnung nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, die abhängig vom Vorliegen des zweiten Endesignals die Daten von der Messeinrichtung an die Speichereinrichtung weiterleiten.
23. 23. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen aus Impulsgeneratoren bestehen und die Messeinrichtungen Zähler sind, die jeweils die von einem der Impulsgeneratoren an die zugehörige Einstelleinrichtung . gelieferten Impulse zählen.
24. 24. Anordnung nach Anspruch 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Integrator für die Aufnahme der von den auf Schwerkraft oder magnetische Kräfte ansprechenden Einrichtungen gelieferten Abweichungssignale vorgesehen ist und dieser durch das Ausgangssignal der Antriebseinrichtung jeweils zurückgestellt wird.

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25. 25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ■: AddierSchaltungen für die Addition der Ausgangssignale der Integratoren und der Signaldetektoren vorgesehen sind.
26. 26. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25» dadurch ^kennzeichnet, dass Einrichtungen zur Erzeugung von Druckimpulsen entsprechend den gemessenen Daten im Schlammstrom des Bohrstranges vorgesehen sind und diese Druckimpulse über den Schlammstrom zur Erdoberfläche weitergeleitet werden.
27. 27. Anordnung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Messfühler (58) zur Unterscheidung zwischen Stüstand oder Rotation in einem umgebenden Magnetfeld und zur Aktivierung einer Steuerung bei Stillstand vorgesehen ist, dass dieser Hessfühler ein Luftspalt-Magnetometer zur Erzeugung eines Steuersignals abhängig von dem Drehwinkel des Magnetometers mit Bezug auf die Richtung des umgebenden Magnetfeldes aufweist, das für die Anbringung in einem Bohrstrangteil (26a) geeignet ist; dass weiterhin Einrichtungen (61/63/65) zur Erzeugung und Lieferung eines Eingangssignales für das Luftspalt-Magnetometer vorgesehen sind und dass das .Luftspaltmagnetometer ein erstes Ausgangssignal liefert, das einer geradzahligen harmonischen Oberwelle des Eingangssignals entspricht; dass ein erster Detektor (70) für den Empfang des ersten Ausgangssignals und Einrichtungen zum Erzeugen eines Bezugssignals von der Frequenz des ersten Ausgangssignals vorgesehen sind, wobei das Bezugssignal ebenfalls dem ersten Detektor (70) zugeführt wird und dieser die Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen ermittelt und ein zweites Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz abhängig ist von der Umdrehungszahl des Bohrstranges; dass ein zweiter Detektor (72) vorgesehen ist, dem das zweite Ausgangssignal zugeführt wird und der ein drittes Ausgangssignal jedesmal dann erzeugt, wenn dasν zweite

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    Ausgangssignal eine vorgegebene Bezugsschwelle durchläuft; und dass Einrichtungen (74) zur Erzeugung eines vierten Ausgangssignals abhängig von dem zugeführten dritten Ausgangssignal vorgesehen sind, wenn das dritte Ausgangssignal dem Stillstand des Bohrstranges entspricht.
28. 28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftspalt-Magnetometer aus einem Ringkern (62) besteht.
29. 29. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass

    das erste Ausgangssignal der ersten geradzahligen harmonischen Oberwelle des Eingangssignals entspricht.
30. 30. Anordnung nach Anspruch 27 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugssignal die doppelte Frequenz mit Bezug auf das Eingangssignal des Magnetometers aufweist und phasengleich ist.
31. 31. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Detektor (72) ein Nulldurchgangsdetektor ist und ein Impulssignal liefert.
32. 32. Anordnung nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (74-) zur Erzeugung des vierten Ausgangssignals einen Zähler (75), der die als drittes Ausgangssignal gelieferten Impulse zahlt und der in vorgegebenen Zeitabständen zurückgestellt wird, sowie Verknüpfungsglieder (76, 77, 78, 79) aufweist, die gesteuert durch den Zähler (75) das vierte Ausgangssignal abhängig vom Schaltzustand des Zäilers zu den vorgegebenen Zeitpunkten erzeugen.
33. 33. Anordnung nach einem der Ansprüche 27 bis 32, - dadurch zeichnet, dass der Stillstand des Bohrstranges abhängig vom Magnetfeld der Erde ermittelt wird.

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34. 34.. Verfahren zur Messung der Richtungsgrössen eines Bohrstranges unter Verwendung der Anordnung nach einem dbr Ansprüche 1 bis 33, gekennzeichnet durch folgende Yerfahrensschritte: Einschalten eines Antriebsmotors (122), der mit dem ersten Kardanrahmen (100) gekoppelt ist, um die erste auf Schwerkraft ansprechende Einrichtung (116) in eine vorgegebene erste Einstellung und dann in eine zweite Einstellung zu bringen, die einer vorgegebenen Ausrichtung mit Bezug auf die Schwerkraft hat, was durch das erste Ausrichtungssignal angezeigt wird,

    Feststellen des Erreichens der vorgegebenen ersten Einstellung der auf Schwerkraft ansprechenden ersten Einrichtung und Erzeugen eines ersten Stillsetzsigaals für das Abschalten des zugehörigen Antriebsmotors,

    erneutes Einschalten des Antriebsmotors und Verstellen der auf Schwerkraft ansprechenden ersten Einrichtung, bis die zweite Einstellung erreicht ist,

    Messen der Verstellung zwischen der vorgegebenen ersten Einstellung und der zweiten Einstellung für die Bestimmung der ersten Richtungsgrösse des Bohrstranges, Einschalten eines Antriebsmotors(174), der mit dem zweiten Kardanrahmen (150) gekoppelt ist, um die auf Schwerkraft ansprechende zweite Einrichtung (148) in die vorgegebene erste Einstellung und dann in eine zweite Einstellung zu bringen, die einer vorgegebenen Ausrichtung mit Bezug auf auf die Schwerkraft hat, was durch ein zweites Ausrichtungssignal angezeigt wird,

    Feststellen des Erreichens der vorgegebenen ersten Einstellung und Erzeugung eines ersten Stillsetzsignals für das Abschalten des zugehörigen Antriebsmotors,« Erneutes Einschalten des Antriebsmotors und Verstellen der auf'Schwerkraft ansprechenden zweiten Einrichtung, bis die zweite Einstellung erreicht ist, Messen der Verstellung zwischen der vorgegebenen ersten Einstellung und der zweiten Einstellung für die Bestimmung der zweiten Richtungsgrösse des Bohrstranges,

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    Einschalten eines Antriebsmotors (196), der mit dem dritten Kardanrahmen (180) gekoppelt ist, um die auf magnetische Kräfte ansprechende Einrichtung (178) in die vorgegebene erste Einstellung und dann in eine zweite Einstellung zu bringen, die einer vorgegebenen Ausrichtung mit Bezug auf das Magnetfeld der Erde hat, was durch ein drittes Ausrichtungssignal angezeigt wird,

    Feststellen des Erreichens der vorgegebenen ersten Einstellung und Erzeugung eines ersten Stillsetzsignals und Stillsetzen des zugehörigen Antriebsmotors nach Vorliegen des Stillsetzsignals,

    erneutes Einschalten des Antriebsmotors und Verstellen der auf Magnetkräfte ansprechenden Einrichtung, bis die zweite Einstellung erreicht ist,

    Feststellen der Verstellung zwischen der vorgegebenen ersten Einstellung und der zweiten Einstellung für die Bestimmung der dritten Richtungsgrösse des Bohrstranges.
35. 35. Verfahren zur Steuerung von Messfühlern für Bohreinrichtungen unter Verwendung einer Vielzahl von Meßsignale, entsprechend den gegebenen Bohrlochkenngrössen liefernden Messfühlern und Einstelleinrichtungen für jeden Messfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 33, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    Einschalten der einzelnen Einstelleinrichtungen, um die Messfühler in eine vorgegebene erste Stellung zu bringen, Erzeugen eines ersten Stillsetzsignals zur Beendigung der Einstellung abhängig von einem Stellungssignal des jeweils zugehörigen Messfühlers, wenn die ers.te Einstellung erreicht ist,

    Erzeugen eines ersten Endesignals, wenn alle Messfühler sich in der vorgegebenen ersten Einstellung befinden, Überwachen der Ausgangssignale der Messfühler und Erzeugen eines Steuersignals zum erneuten Einschalten der EinstelleintLchtungen, um die Messfühler in eine zweite Einstellung abhängig von den Ausgangssignalen des zugehörigen Messfühlers zu bringen, wenn das erste Endesignal vorliegt,

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    Ermittlung des Erreichens der zweiten Einstellung durch die einzelnen Messfühler und Erzeugen eines zweiten Stillsetzsignales zur Beendigung der Verstellung, Messen der Verstellung eines jeden Messfühlers zwischen der ersten und zweiten Einstellung und Erzeugen einer der Verstellung entsprechenden Information.
36. 36. Verfahren zur Feststellung des Stillstandes eines BohrstrHM, bei Erdbohrungen und zum Einschalten von Messfühlern zur Messung von Richtungsgrössen bei Stillstand des Bohrstranges unter Verwendung einer A\> Mung nach einem der Ansprüche 27 bis 33, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Drehen des Luftspalt-Magnetometers im Magnetfeld der Erde zur Erzeugung eines Ausgangssignals abhängig von der Ausrichtung des Magnetometers gegenüber der Richtung des Magnetfeldes der Erde,

    Versorgung des Luftspaltmagnetometers mit einem Eingangssignal, was ein erstes Ausgangssignal zur Folge hat, das der ersten geradzahligen Oberwelle des Eingangssignals entspricht,

    Erzeugen eines Bezugssignals von gleicher Frequenz wie das erste Ausgangssignal,

    Vergleichen beider Signale und Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals, dessen Frequenz der Drehgeschwindigkeit des Bohrstranges entspricht

    Erzeugen eines dritten Ausgangssignals jedesmal dann, wenn das zweite Ausgangssignal eine Bezugsschwelle durchläuft und Erzeugen eines vierten Ausgangssignals, wenn das dritte Ausgangssignal dem Stillstand des Bohrstranges entspricht.

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