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Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zur Durchführung
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von seismischen Messungen, insbesondere zur Ermittlung von seismischen
Wellen in einem elastischen Medium, etwa Land und/ oder Wasser.
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Bei der Anwendung der Reflektionsseismik zum Prospektieren werden
an "Schußpunkten" in einem elastischen Medium, etwa Land oder Wasser, seismische
Wellen erzeugt, und die reflektierten seismischen Signale werden mittels Geophonen
und/oder Hydrophonen ermittelt. Ein Geophon ist im wesentlichen ein geschwindigkeitsempfindlicher
Detektor und muß im Gebrauch gut mit dem Erdboden gekoppelt sein. Ein Hydrophon
ist ein druckempfindlicher Detektor, der im Gebrauch vollständig in Wasser eingetaucht
wird. Zunächst wurden seismische Vermessungen hauptsächlich unter Verwendung von
Geophonen an Land durchgeführt. Dann erfolgte die Suche nach Kohlenwasserstoffen
im Offshore-Bereich mittels Hydrophonen. Während Geophone gut für seismische Prospektierungen
an Land und Hydrophone gut für seismische Prospektierungen im Meeresbereich geeignet
sind, ergeben sich auch Grenzbereiche, wie Sümpfe, Marschgebiete,
Flüsse,
Buchten u.a., in denen es erwünscht ist, seismische Wellen entweder gleichzeitig
oder nacheinander sowohl mittels Hydrophonen als auch mittels Geophonen festzustellen
bzw. zu messen.
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Bei der Prospektierung eines Bereiches sowohl mit Geophonen als auch
mit Hydrophonen besteht ein Hauptproblem darin, daß häufig die aufgezeichneten seismischen
Signale einerseits den geschwindigkeitsempfindlichen Geophonen und andererseits
den druckempfindlichen Hydrophonen zugeordnet werden müssen. Weil jedoch die Ausgangssignale
der geschwindigkeitsempfindlichen Geophone und der druckempfindlichen Hydrophone
etwa 900 gegeneinander phasenverschoben sind, ist es nicht sinnvoll, ein Geophon
in Reihe mit einem Hydrophon zu schalten.
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Da beispielsweise eine nach oben gerichtete Druckwelle an einer Wasseroberfläche
mit einer Phasenverschiebung von 1800 reflektiert wird, gibt es die Möglichkeit,
die Ausgangssignale eines Bewegungsdetektors und eines Druckdetektors zu kombinieren,
um ein herzförmiges seismisches Richtungssignal zu erhalten, so ddß die ermittelten
Spannungen addiert werden, wenn sich die seismischen Wellen aufwärts bewegen, während
diese Spannungen subtrahiert werden, wenn sich die ermittelten seismischen Wellen
abwärts bewegen.
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Es ist bereits bekannt, einen kombinierten Detektor mit einem Hydrophon
und einem Geophon zu verwenden (US-PS 2 740 945, US-PS 2 846 662, US-PS 3 332 057),
mit denen eine Korrelation, Kombination, Addition und/oder Subtraktion der Ausgangssignale
der Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren herbeigeführt wird.
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Da jedoch die Ausgangsspannungen dieser Detektoren Wechselspannungssignale
sind, können sie algebraisch nur dann addiert oder subtrahiert werden, wenn die
Signale in Phase oder 1800 phasenverschoben sind. Bei der Verwendung der vorbekannten,
zusammengesetzten Detektoren wird deshalb angenommen, daß die einzelnen Signale
von Geophon und Hydrophon in Phase oder um 1800 phasenverschoben sind. Es wurde
jedoch festgestellt, daß diese Annahme falsch ist, was eine Erklärung dafür darstellt,
daß die vorbekannten Anordnungen bisher nur für den Einsatz im Labor geeignet waren.
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Um diese bei den vorbekannten Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten
und Probleme zu vermeiden, kann anstelle eines geschwindigkeitsempfindlichen seismischen
Detektors ein beschleunigungsempfindlicher seismischer Detektor verwendet werden,
um statt die Geschwindigkeit der Erdbewegungen deren Beschleunigung zu messen, wodurch
zusammengesetzte Detektoren sich dann auch zum seismischen Prospektieren, insbesondere
in Grenz- oder Übergangsbereichen wie Flüssen, Marschlandschaften, Buchten o.ä.
eignen. Dies beruht darauf, daß die Ausgangssignale eines
Paares
von druckempfindlichen und beschleunigungsempfindlichen Detektoren in Phase oder
um 1800 phasenverschoben sind, während die Ausgangssignale eines Paares von druckempfindlichen
und geschwindigkeitsempfindlichen Detektoren um 900 phasenverschoben sind. In der
älteren deutschen Patentanmeldung P 27 17 964.2 ist ein zusammengesetzter Detektor
beschrieben, der in einem Gehäuse ein Paar druckempfindlicher und beschleunigungsempfindlicher
Detektoren aufweist. Der beschleunigungsempfindliche Detektor spricht sowohl auf
horizontale als auch auf vertikale Kräfte an, und die Ausgangssignale der Detektoren
können unter Verwendung eines richtungsempfindlichen Quersilberschalters zusammengefaßt
werden, und zwar können die Detektoren entweder in Reihe oder parallel geschaltet
werden. Mittels des Quecksilberschalters werden die Ausgangssignale des beschleunigungsempfindlichen
Detektors kurzgeschlossen, wenn das Gehäuse sich um mehr als einen vorgegebenen
Winkel gegenüber der Lotrechten neigt.
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Während der zusammengesetzte Detektor gemäß älterem Vorschlag die
gewünschten Ergebnisse liefert, kann es vorkommen, daß in gewissen Anwendungsfällen
der Quecksilberschalter fehlerhaft arbeitet und daher unzuverlässig ist.
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Zur Beseitung dieser Schwierigkeiten wird daher in dem erfindungsgemäßen
Detektor ein neigungsempfindlicher Beschleunigungsmesser
verwendet,
in dem die Funktion des beschleunigungsempfindlichen Detektors und des Quecksilberschalters
zusammengefaßt ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt und teilweise als Ansicht einen
zusammengesetzten Detektor gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt teilweise im Schnitt und teilweise als Ansicht den im
zusammengesetzten Detektor verwendeten Beschleunigungsmesser.
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Fig. 3 zeigt in auseinandergezogener Darstellung und teilweise im
Schnitt die im Hydrophon verwendete Kristallanordnung.
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Fig. 4 zeigt eine Ansicht dieser Kristallanordnung.
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Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das Hydrophon.
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Fig. 6 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für den zusammengesetzten
Detektor.
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Fig. 7 zeigt den bezüglich der Lotrechten geneigten Beschleunigungsmesser.
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Der in den Fig. 1 bis 5 dargestellte zusammengesetzte Detektor 10
hat ein längliches, rohrförmiges Gehäuse 11 mit einer oder mehreren, in Umfangsrichtung
voneinander entfernten Perforationen oder wDruckfenster" 12 in der Zylinderwandung.
Diese Fenster liegen im wesentlichen in einer horizontalen bzw. radialen Ebene.
Das untere Ende des Gehäuses 11 weist vorzugsweise eine eingeschraubte, konische
Kappe 13 auf, um das Eindringen des Gehäuses 11 in Schlamm u.ä. zu erleichtern.
In einem Hohlraum 14 ist ein Beschleunigungsmesser 15 mit einem Paar Anschlußklemmen
16, 17 stramm eingepaßt. Oberhalb des Beschleunigungsmessers 15 ist ein Hydrophon
19 mit Anschlußklemmen 22, 23 (Fig. 6) angeordnet. Gegebenenfalls kann im oberen
Ende des Hohlraums 14 ein Transformator 20 mit einer Primärwicklung 20a, einer Sekundärwicklung
20b, einem Paar Anschlußklemmen 24, 25 der Primärwicklung und einem Paar Anschlußklemmen
24', 25' der Sekundärwicklung vorgesehen sein. Die Anschlußklemmen 24', 25' sind
mit Leitungen 28, 29 eines Kabels 30 verbunden, das am oberen Ende des Gehäuses
11 von einer Fassung 31 gehalten wird.
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Die Festlegung der Leitungen 28, 29 am Gehäuse erfolgt mit einem Verbindungselement,
wie es in der US-PS 3 931 453 beschrieben ist. Der Hohlraum 14 ist nach oben mittels
einer Dichtung 21' abqedichtef,,,, ,,,,I.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungsmessers 15
(Fig. 2) ist im einzelnen in der deutschen Patentanmeldung P 27 17 964.2 beschrieben.
Dieser Beschleunigungsmesser weist ein zylindrisches Gehäuse 40 mit einem Boden
41 und einem Deckel 42 auf, die den zylindrischen Innenraum 43 hermetisch abdichten.
Ein auf dem Boden 41 ruhender Ring 44 dient als Halterung für ein kreisförmiges,
leitfähiges Substrat 45a, an dessen Boden ein Kristall 45 befestigt ist, der eine
untere Silberelektrode 45b aufweist. Von den Elektroden 45a und 45b gehen jeweils
Leitungen 45'a und 45'b aus, die mit den Ausgangsklemmen 16 und 17 des Beschleunigungsmessers
verbunden sind.
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Im Inneren einer zylindrischen Führungsbuchse 48 ist locker eine schwere
zylindrische Massenanordnung 36 vorgesehen, die einen Körper 49, einen oberen Bereich
39a und einen unteren Bereich 39b aufweist, von dessen Mitte sich ein zylindrischer
Hammer 47 nach unten erstreckt, der infolge Schwerkraft mit der oberen Elektrode
45a gekoppelt ist, wenn sich der Beschleunigungsmesser in seiner aufgerichteten
Lage befindet.
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Die Massenanordnung 36 kann sich frei aufwärts und abwärts zwischen
der Elektrode 45a und einem oberen Begrenzungsanschlag 42 bewegen, wobei sich im
Inneren der Buchse 48 keine Behinderungen ergeben.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung betrug der Innendurchmesser
der Buchse 26,29 mm und der Durchmesser des Körpers 25,4 mm. Da die Buchse 48 üblicherweise
aus Kunststoff und die Masse 36 aus Stahl hergestellt werden, sind zum Schutz der
Buchse 48 gegen Abrieb in axialer Richtung voneinander entfernte O-Ringe 38a und
38b vorgesehen, die als seitliche Polster dienen. Die Abwärtsbewegung des Kristalls
45 wird durch einen sich vom Boden 41 nach oben erstreckenden Anschlag 41a begrenzt.
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Die Massenanordnung 36 ist mit dem Kristall 45 nur durch die nach
unten gerichtete, am Schwerpunkt der Massenanordnung 36 angreifende Schwerkraft
gekoppelt. Das volle Gewicht der Massenanordnung 36 wirkt als Druck nur dann auf
den Kristall 45, wenn sich der Beschleunigungsmesser in aufgerichteter Stellung
befindet, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Somit ist die Empfindlichkeit des
Beschleunigungsmessers eine Funktion des Kosinus des Winkels A (Fig. 7) zwischen
der Längsachse LA des Beschleunigungsmessers und der Lotrechten V. Liegt der Beschleunigungsmesser
auf einer Seite (A = 900) so ist die lotrechte Komponente der durch Schwerkraft
erzeugten Zugkraft entlang der Achse LA gleich null und vom Gewicht der Massenanordnung
36 wird auf den Kristall 45 kein Druck ausgeübt.
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In der nachfolgenden Tabelle ist die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers
in Abhängigkeit vom Neigungswinkel A angegeben.
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Winkel Empfindlichkeit 00 1,0 100 0,98 200 0,94 300 0,87 400 0,77
500 0,64 600 0,50 700 0,34 800 0,17 900 0 Das Hydrophon 19 hat einen Kern 7 aus
einem Druck übertragenden, elastomeren Material, etwa weichem Kunststoff oder Kautschuk,
wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 2 17 964.2 beschrieben. Zur
zusätzlichen Abdichtung des Hohlraums 14 weist der Kern in seinem oberen und seinem
unteren Endbereich O-Ringe 7' auf.
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In den elastomeren Kern 7 des Hydrophons 19 ist ein Druckwandler 52
eingelagert, und der Kern 7 ist vorzugsweise symmetrisch bezüglich einer sich durch
die Fenster 12 erstreckenden Querebene angeordnet.
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Das Hydrophon 19 ist so ausgebildet, daß der Druckwandler 52 vollständig
in dem elastomeren Kern 7 eingekapselt ist, der als Druckübertragungshalterung für
den Wandler 52 und als Stopfen 12' zur Abdichtung der Fenster 12 gegen den Eintritt
von Feuchtigkeit in den Hohlraum 14 dient.
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Die Einheit zur Aufnahme des kapselnden Elastomeren weist untere und
obere Ringnuten auf, die zusammen mit den O-Ringen 7' die Dichtungsfunktion des
Kern verbessern.
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Der Wandler 52 enthält einen Abstandsring 52' mit zwei versenkten
Bohrungen 54, 55 zur Aufnahme jeweils eines kreisförmigen Kristalls 50, 51. Der
Abstand 53 zwischen den kreisförmigen Scheiben liegt index Größenordnung von 1,27,u
und 3,81je, so daß die Scheiben in Abhängigkeit von auftreffenden Druckwellen P
Biegebewegungen ausführen können. Die Kristalle sind elektrisch parallel geschaltet.
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Es ist erwünscht, daß der Kern 7 zur Verbesserung der Kopplung mit
dem Wandler 52 und zur Bildung der sich radial und nach außen erstreckenden Stopfen
12', die die Fenster 12 teilweise füllen und vollständig abdichten, geringfügig
zusammengepreßt wird. Dies erfolgt dadurch, daß der Kern 7 zwischen einer oberen
Scheibe 61 und einer unteren Scheibe 62 eingeschlossen wird, zwischen denen mittels
der aufgeschraubten Kappe 13 eine
Kompressionskraft erzeugt wird.
Die konvexen, radial und nach außen hervorstehenden Stopfen 12' kommen durch die
Fenster 12 in Berührung mit dem umgebenden Fluid. Dadurch ergibt sich ein glattes
Profil an der Außenseite des Gehäuses 1 und gleichzeitig kann weder Schlamm noch
Wasser in den Hohlraum 14 eindringen. Der Durchmesser des Kerns7 ist so gewählt,
daß der Betrieb der Kristalle nicht beeinträchtigt wird, selbst wenn durch die Fenster
12 hindurch Kernmaterial weggeschnitten oder eingeschnitten wird. In einem solchen
Fall wird das Hydrophon weiterhin vom umgebenden Medium über den festen Kern 7 auf
die Kristalle übertragene akustische Energie in elektrische Energie umwandeln.
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Der Kern wird im Gehäuse montiert und in Längsrichtung zusammengedrückt.
Dadurch ergibt sich eine Ausdehnung in radialer Richtung, so daß die O-Ringe 7'
in eine bessere Dichtung ergebenden Eingriff mit der Innenwand des Hohlraums 14
gedrückt werden. Wenn die durch die Stopfen 12' gebildete Dichtung für ein oder
mehrere Fenster 12 ausfällt, so verhindern der obere und der untere O-Ring 7' das
Eintreten von Feuchtigkeit, durch die die elektrischen Verbindungen beschädigt werden
könnten. Die Kristalle 50, 51 des Hydrophons 19 und der Kristall 45 des Beschleunigungsmessers
15 können aus dem gleichen piezoelektrischen Material hergestellt werden.
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Um ein herzförmiges, seismisches Richtungssignal zu erhalten, müssen
die im Gehäuse 11 befindlichen elektrischen Bauelemente miteinander verbunden sein,
wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, in der auch die Polaritäten angedeutet sind.
Dabei sind das Hydrophon und der Beschleunigungsmesser über die Klemmen 24, 25 der
Primärwicklung 20a des Transformators 20 in Reihe geschaltet.
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Wie in der deutschen Patentanmeldung P 27 17 964.2 dargestellt, können
die Kabel 30 einer Anzahl zusammengesetzter Detektoren 10 an ein nicht dargestelltes,
mehradriges Kabel angeschlossen werden. Die Detektoren 10 können in im allgemeinen
senkrechter Richtung in Schlamm, Erdboden u.ä. eingebracht werden. Falls ein Sensor
versehentlich flach liegt, ist seine Massenanordnung 36 nicht mehr infolge Schwerkraft
mit dem Kristall 45 gekoppelt, was zu einem Kurzschluß der Ausgangsklemmen 16, 17
des Beschleunigungsmessers 15 führt. Hierzu war gemäß dem älteren Vorschlag ein
Quecksilberschalter vorgesehen. Wenn ein Sensor flach liegt, kann somit nur sein
Hydrophon 19 ein Ausgangssignal an die Primärwicklung 20a des Transformators 20
abgeben.
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Es ist ohne weiteres klar, daß die Schaltungsanordnung auch anders
aufgebaut sein kann. So können beispielsweise entweder das Hydrophon oder der Beschleunigungsmesser
oder beide direkt ohne Zwischenschaltung eines Transformators mit den Ausgangsleitungen
28, 29 verbunden werden.
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