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Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen unterirdischer Hohlräume Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen
unterirdischer Hohlräume, die mit einem Bohrrohr angebohrt sind.
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Betn t.iederbringen von Bohrungen stößt man gewollt oder ungewollt
auf unterirdische Hohlräume, deren Existenz von vielfältigem Interesse sein kann.
Die Größe eines solchen Raumes lässt sich von über Tage ohne exakte Meßgeräte nicht
abschätzen. Die Größe und Gestalt solcher unterirdischer Hohlräume kann aber von
größtem Interesse sein. So zum
Beispiel bei der Bergung von in einem
Hohlraum eingeschlossenen Bergleuten nach einem Grubenunglück, aber auch bei der
Erschließung und Durchforschung von unterirdischen Hohlräumen für den Abbau von
Lagerstätten.
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Unterirdische Hohlräume sind von größter Bedeutung bei Großbauwerken,
z.B. unter Staudämmen, wo sie durch die Möglichkeit unterirdischer ;a5serwege den
ganzen Damm in Gefahr bringen können; bei Straßen und Tunnelbauten im Gebirge, wo
durch Einbrechen von hohlräumen die Sicherheit dieser Bauwerke gefährdet sein kann
etc. Archäologisch sind Hohlräume ganz besonders interessant, da in unterirdischen
Grabkammern und verschütteten Häusern, die noch oft Hohlräume enthalten, sehr oft
archäologische runde getätgt werden. Eine optische Vermessung unterirdischer Hohlräume
bereitet erhebliche Schwierigkeiten, da bei einer optischen Vermessung eines solchen
Raumes die vorzunehmenden Manipulationen am meßgerät elektrisch ausgeführt werden
müssen und während der b.eung die Einstellung des Meßgerätes bei Scharfeinstellung
des erhaltenen iWandbildes nach über Tage gebracht werden muß. Eine optische Ubertragung
aus größeren Tiefen bereitet hier so erhebliche Schwierigkeiten, dass sie sich in
der Praxis nicht hat durchführen lassen, eine elektrische Ubertragung erfordert
außerordentlich hohen Aufwand und damit unter Tage auch außerordentlich viel Bauraum.
Denn es ist ja eine optisch-elektrische Ubertragung, die für eine derartige Ausmessung
der Entfernungen der Höhle von der Achse des Bohrstranges notwendig ist.
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Eine Fotografie der Wandungen der Höhle gibt zwar Anhaltspunkte für
eine Schätzung, die aber oft an Genauigkeit zu itinschen übrig lässt.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Es ist die Aufgabe
der
Erfindung, eine Möglichkeit zur exakten Vermessung unterirdischer Höhlen zu schaffen,
die mit wenig Aufwand herstellbar ist und wenig Bauraum erfordert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Sonde,
deren Durchmesser kleiner als das Bohrrohr ist, durch einen Schall- und/oder Ultraschallgeber
und -empfänger> die an einem Ende der Sonde angeordnet sind und von denen der
Geber und/oder der Empfänger eine auf einen engen Winkelbereich beschränkte Richtcharakteristik
aufweisen, und durch eine Halterungsvorrichtung für die Sonde, die mit einem Drehkranz
und einer Einspannvorrichtung sowie einer Längenmeßvorrichtung der Sonde versehen
ist.
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it einer derartigen Vorrichtung lässt sich eine exakte Vermessung
vornehmen. Aus dem Ultraschallgeber wird ein sehr kurzzeitiger Ultraschallimpuls
abgegeben und dann dessen Laufzeit über die reflektierende Wandung zum Ultraschallempfänger
gemessen. Aus der bekannten Schallgeschvindigkeit lässt sich dann mit hoher Genauigkeit
der zurUckgelegte Weg und damit der Abstand der Achse des Bohrrohres von der Höhlenwandung
bestimmen. Wird nun die Messung bei einem Drehen des Drehkranzes ständig wiederholt,
so kriegt man für eine bestimmte Schichtebene der Höhle eine Angabe über sämtliche
gemessenen Entfernungen und damit über den Abstand der einzelnen Teile der Höhlenwandung
von der Bohrlochachse. Durch ein Verschieben der Sonde in der Ein«nnvorrichtung
nach oben oder unten lassen sich so nacheinander in aufeinanderfolgenden Schichten
die Messungen vornehmen.
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Auf diese Weise wird die unterirdische Höhle mit hoher Genauigkeit
vermessen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Geber-Empfänger-Einrichtung mittels einer
verschwenkbaren Halterung am unteren Ende der Sonde angebracht ist. Es lässt sich
nämlich dann nach einer ersten Vermessung der Höhle eine zweite Vermessung durchführen,
durch welche von der Höhle abgehende Gänge oder sonstige Aushöhlungen festgestellt
und vermessen werden können.
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Von Wichtigkeit kann diese zweite Vermessung auch dort sein, wo man
mit Hilfe einer Messung der Amplitude des reflektiereten Impulses RUckschlüsse auf
die Richtung und Zergliederung des vermessenen Wandstuckes zieht.
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Vorteilhaft ist es, einen ferngesteuerten Verschwenkmotor für die
Halterung der Geber-Empfänger-Einrichtung vorzusehen, damit die Sonde nicht nach
der ersten Vermessung der Höhle hochgezogen werden muß und von Hand eine Einstellung
in einen anderen Richtungswinkel vorgenommen werden muß.
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Vorteilhaft ist es auch, eine VorriChtung zum Absenken der Einspannvorrichtung
für die Sonde vorzusehen und diese Vorrichtung über einen Motor zu betätigen, der
exakt nach der Vermessung jeder Schicht eine Absenkung der Einspannvorrichtung um
einen genauen Weg vornimmt.
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Zum Schutz der Geber-Empfänger-Einrichtung während des
Niederbringens
der Sonde und während des Hochziehens der Sonde ist es zweckmäßig, eine Vorrichtung
zum Einziehen und Ausschieben der Geber-Smpfänger-Einrichtung in das nde der Sonde
vorzusehen.
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Für die Speisung des Ultraschallgebers wird ein Impulsgenerator benutzt.
Dieser Impulsgenerator erzeugt in ständiger Folge kurze Impulse bestimmter Amplitude.
Die Impulsdauer und die Impulsfolgefrequenz sind ebenso wie die Amplitude einstellbar.
Mit diesem Impulsgenerator werden aber auch weitere Teile der elektrischen Auswertvorrichtung
gespeist: An die Ultraschallgeber-Empfänger-Vorrichtung ist eine Laufzeitauswertvorrichtung
angeschlossen, mit der die Laufzeit des Ultraschallimpulses vom Geber zum npfänger
ausgewertet und auf einem Anzeigeinstrument direkt die Entfernung angezeigt wird,
die sich aus der bekannten Ultraschallgeschwindigkeit in Luft und der gemessenen
Laufzeit des Impulses vom Geber zum Empfänger ergibt.
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An den empfänger kann auch eine Mnplitudenmessvorrichtung angeschlossen
sein, die einen Vergleich zwischen der Impulsamplitude des ausgesendeten Impulses
und des empfangenen Impulses vornimmt. Aus dieser Messung lassen sich Rückschliisse
auf Lage, Art und Beschaffenheit derjenigen Stelle ziehen, auf die der Ultraschallimpuls
getroffen ist.
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Um die Vermessung eines Hohlraum es schnell und mit großer Präzision
vorzuenehmen, ist es zweckmäßig, eine Steuerungsvorrichtung
vorzusehen,
die an den Impulsgenerator für die Speisung des Ultraschallgebers mit ihrem Synchronisiereingang
angeschlossen ist und die mit einer Vorrichtung zur schrittweisen Verstellung des
Drehkranzes nach jedem Ultraschallsendeimpuls oder nach einer bestimmten Anzahl
von Ultraschallsendeimpulsen und mit einer Vorrichtung für eine schrittweise Höhenverstellung
der .tinspannvorrichtung der Sonde nach jeder Umdrehung des Jrehkranzes ausgestattet
ist. A.it dieser Steuerungsvorrichtung lässt sich dann die Vermessung des Hohlraum
es schrittweise sehr schnell selbst tätig durchführen. Um nun noch genauere Minzelheiten
der Wandungen des Hohlraumes feststellen zu können, ist es zweckmäßig, die Vermessung
ein zweites Mal vorzuenehmen, jedoch nach einer Verschwenkung der Halterung der
Geber-Elnpfänger-Vorrichtung am unteren Ende der Sonde um einen bestimmten, vorgebbaren
Verschwenkwinkel. Um auch dieses automatisch durchzuführen, ist es zweckmäßig, eine
in der Steuerungsvorrichtung angeordnete Vorrichtung für die Auslösung des Verschwenkimpulses
für die Halterung der Geber-Empfänger~Vorrichtung am unteren Ende der Sonde vorzusehen.
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Für die Speicherung und Auswertung der Meßergebnisse ist es zweckmäßig,
einen von der Steuerungvorrichtung synchronisierten und an die Auswert- sowie die
Meßvorrichtungen angeschlossenen Schreiber vorzusehen.
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Beim Vermessen des Hohlraum es geht man zweckmäßigerweise so vor,
dass man mittels einer Sonde eine Schall- und/oder Ultraschallgeber- und -empfängereinrichtung
durch das Bohrrohr in
die Erdhöhle hereinschiebt, einen Impulsfoxingeber
abstrahlt, ihn mit dem Empfänger auffängt und die Laufzeit zwischen der Abstrahlung
und dem Auffangen misst und daraus den Abstand der reflektierenden Wand ermittelt,
anschließend die Geber-Xmpfänger-Einrichtung wiederholt in einen anderen Ninkel
dreht und die Messung wiederholt und dass man anschließend die Sonde mehrfach in
Achsrichtung verschiebt und die genannten Messungen nach jeder Verschiebung einzeln
wiederholt.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, dass man mit einem Empfänger kugelförmiger
Charakteristik die verschiedenen Reflexionen des gerichteten Strahles aus dem Geber
empfängt und aus ihrer Laufzeit und ihrer Amplitude der Reflexionsort und damit
den Abstand des Wandteiles der Jeweiligen Reflexion ermittelt.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist nachstehend anhand eines
in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausrührungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die Vorrichtung der Erfindung beim Einsatz
in einer angebohrten Erdhöhle, Fig. 2 ein Blockschaltbild.
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Von der Erdoberfläche 1 ist ein Bohrrohr 2 niedergebohrt worden und
auf eine Erdhöhle 3 gestoßen. Die Abmessungen dieser Erdhöhle 3 sollen durch die
Vorrichtung der Erfindung festgestellt werden.
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Die Vorrichtung der Erfindung besteht aus einer durch die Verrohrung
2 hindurchgesteckten Sonde 4, die an ihrem oberen Ende mit einer Einspannvorrichtung
5 eingespannt ist, die ihrerseits in einer Verschiebevorrichtung 6 verschiebbar
und feststellbar gehaltert ist. Die Verschiebevorrichtung 6 ist im Drehkranz 7 gelagert.
Für die Verschiebevorrichtung ist eine nicht näher dargestellte Feststellvorrichtung
und ein Verschiebemotor vorgesehen. Mittels dieser Verschiebevorrichtung 6 kann
die genaue Höhenlage des unteren Endes der Sonde'4 auf bestimmte Werte eingestellt
werden. Mittels des Drehkranzes 7 kann die Sonde gedreht werden. Der Drehkranz 7
weist einen nicht dargestellten Motor für eine motorische Verdrehung der Sonde auf.
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Am unteren Ende der Sonde 4 ist mittels einer verschwenkbaren Halterung
7, die mittels eines nicht dargestellten Motors in verschiedene Schwenkwinkel eingestellt
werden kann, eine Geber-npfänger-Einrichtung 8 für Schall oder Ultraschall angeordnet.
Von dem Ultraschallgeber 9 lassen sich Impulse aussenden, die zur Wandung der Höhle
3 verlaufent hier reflektiert werden und vom Empfänger 10 empfangen werden. Der
Geber und/oder der Empfänger weisen hierbei eine Richtcharakteristik auf, die es
erlaubt, Schall oder Ultraschall nur in einem eng begrenzten Strahlenbündel auszusenden
und/oder zu empfangen. Zusätzlich zu dem Richtempfänger 10 wird insbesondere bei
Verwendung eines Richte senders 9 noch ein Empfänger n mit Kugelcharakteristik.
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vorgesehen. Aus dem Ampaitudenverhältnis dem ersten, zweiten, dritten
und vielleicht auch vierten Pückwurfes lassen sich mittels dieses Empfängers mit
Kugelcharakteristik noch wertvolle Hinweise auf die Gestaltung der Höhle erhalten.
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Die Auswertung und Anzeige der gemessenen Entfernung erfolgt übertage
an dem Auswerte- und Anzeigegerät 8, das durch das Kabel 12 mit der Sonde- und Empfangsvorrichtung
untertage vorhanden ist.
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Wird für diese Vorrichtung eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen,
die an den Impulsgenerator für die Speisung des Ultraschallgebers mit ihrem Synchronisiereingang
angeschlossen ist, und wird eine Vorrichtung zur schrittweisen Verstellung des Drehkranzes
nach jedem Ultraschallsendeimpuls oder nach einer bestimmten Anzahl von Ultraschallsendeimpulsen
vorgesehen und wird weiter eine Vorrichtung für eine schrittweise Höhenverstellung
der Einspannvorrichtung der Sonde nach jeder Umdrehung des Drehkranzes vorgesehen,
so lässt sich die Vermessung der Höhle weitgehend automaisieren. Eine derartige
Steuerungsvorrichtung wurde auch eine forrichtung für die Auslösung eines Verschwenkimpulses
für die Halterung der Geber-Empfänger-Vorrichtung am unteren Ende der Sonde vorsehen.
Bei einer derartigen automatischen Durchführung der Messung würde zweckmäßigerweise
an die Meß- und Auswertvorrichtung ein Schreiber angeschlossen, der entsprechend
den vermessenen Schichten Abstandslinien vorzugsweise in Polarkoordinaten schreibt
und somit für die verschiedenen Höhenebenen der Höhle eine genaue bildliche Darstellung
des Höhleninneren liefert.
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Das Blockschaltbild der Fig. 2 gibt nähere Einzelheiten des Aufbaues
der elektronischen Mess- und Steuerungsvorrichtungen an.
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Ein Impulsgenerator 15 erzeugt Impulse für die Speisung des Ultraschallgebers
9, aber auch für die Steuerung der verschiedanen elektrischen und elektronischen
Vorrichtungen.
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Die Impulse werden in bestimmter Impulslänge und in bestimmter Impulsfolgefrequenz
mit einer bestimmten Amplitude erzeugt. Es sind Einstellmittel vorgesehen, um hier
die werte der Impulslänge, der Impulsfolgefrequenz und der Impuls amplitude auf
beliebige Werte einzustellen. Die vom Ultraschallgeber 9 abgestrahlten Impulse werden
vom empfänger 10 aufgefangen und den Auswertvorrichtungen zugeführt. Und zwar wird
der vom Ultraschallempfänger in einen elektrischen Impuls umgewandelte akustische
Impuls der Laufzeit vergleichs schaltung 14 zugeführt, die mit einem zweiten Eingang
aus dem Impulsgenerator 13 gespeist ist und die Laufzeit zwischen Sendeimpuls und
Empfängerimpuls feststellt. Auf einer Anzeigevorrichtung 15 ist aus der Laufzeit
eine Entfernungsanzeige ablesbar. Diese wird von der Anzeigevorrichtung 15 einem
Schreiber 16 zugeführt. Gleichzeitig wird der elektrische Impuls aus dem Ultraschallempfänger
einer Amplitudenvergleichsschaltung 17 zugeführt und auf einer Vorrichtung zur Anzeige
18 zur Anzeige gebracht. Die Anzeigenvorrichtung 18 ist ebenfalls an den Schreiber
16 angeschlossen. Hier können RUckschlüsse auf die Winkellage des reflektierenden
wandteiles des Hohlraumes gegenüber dem einfallenden Ultraschallstrahl gezogen werden.
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An den Empfänger 11 mit kugelförmiger Charakteristik ist ein Impulsverteiler
19 angeschlossen, der die empfangenen Impulse einen nach dem anderen verschiedenen
Vorrichtungen 141,142, 143..., an die Anzeigevorrichtungen 151,152,153...
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angeschlossen sind, zuführt. Die hier erhaltenen Ergebnisse werden
einem Rechner 20 und einem Speicher 21 zugeführt. In dem Rechner 20 werden nähere
Informationen über den Verlauf der Wandungen des unterirdischen Hohlraumes erhalten.
An den Rechner 2C können auch Ausgänge der Anzeigevorrichtung 15 sowie der Anzeigevorrichtung
18 angeschlossen sein.
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Der Impulsgenerator 13 dient darüber hinaus auch zur Steuerung des
Drehmotors 22 für die Sonde 2. Daher ist an einen Ausgang des lmpulsgenerators 13
eine Steuerungsvorrichtung 23 angeschlossen, an die der Drehmotor 22 seinerseits
angeschlossen ist. Das Ritzel des Drehmotors 22 greift in eine Verzahnung eines
Drehtellers auf den Drehtisch 7 ein. Weiter ist an den Impulsgenerator 13 eine Steuerungsvorrichtung
24 für die Betätigung der Verschiebevorrichtung 6 zur Einstellung der Höhe der Sonde
2 und damit der Ultraschall-Geber- und Empfängereinrichtung vorgesehen. Da es sich
bei der Verschiebevorrichtung 6 um eine hydraulische Verschiebevorrichtung handelt,
ist zwischen dieser und der Steuerung vorrichtung 24 ein elektrohydraulisches Umsetzgerät
25 vOr gesehen. 'würde es sich um einen Elektromotor für die Verschiebung der Sonde
2 in ihrer Höhenlage handeln, dann wäre anstelle des elektrohydraulischen Umsetzgerätes
25 ein entsprechendes Gerät für die Steuerung des Elektromotors vorzusehen.