DE2823282B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Innenabmessungen eines Hohlraumes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Seit Jahren besteht ein starkes Interesse an der Entwicklung solcher Verfahren und Vorrichtungen, vor allem im Hinblick auf die Erkundung unterirdischer Salzlagerstätten zu verschiedenen Zwecken. Durch den Abbau von Salzlagerstätten lassen sich z. B. Erdölspeicher und langfristige Endlagerstätten für radioaktive Abfälle schaffen. Auch wurde die Möglichkeit des Einsatzes unterirdischer Hohlräume von Salzlagerstätten zur Speicherung von Druckluft als Energiespeicher erforscht. Zu Zeiten niedrigen Energiebedarfs wird Luft vermittels elektrischer Energie verdichtet und in solchen unterirdischen Hohlräumen gespeichert. Während der Spitzenenergiebedarfszeitcn wird die verdichtete Druckluft dann zum Antrieb von Turbinen und elektrischer Generatoren genutzt.

Zur Herstellung großer unterirdischer Hohlräume in Salzstöcken wird das Salz durch Auslaugen aus der unterirdischen Lagerstätte entfernt. Fig. 1 veranschaulicht einen durch solche Auslaugung erhaltenen typischen unterirdischen Hohlraum. Dieser Hohlraum 5 befindet sich innerhalb eines Salzstockcs 7, der von darüberliegendem Deckgestein 9 überlagert ist. Das Auslaugverfahren erfolgt über ein verrohrtes Bohrloch 11. Durch eine von zwei konzentrischen Rohrleitungen 13, 15, die auch als Auslauggestänge bezeichnet werden, wird Frischwasser injiziert, während die Salzlauge durch die andere Rohrleitung abgezogen wird. Dabei wird das Salz in Nähe des Wasserinjektionspunkts zur Auflösung gebracht. Eine dritte, als Abdeckmittelgestänge bezeichnete, konzentrische Rohrleitung 17 dient zum Injizieren eines Abdeckmittels 19 von geringerer Dichte als Wasser. Das Abdeckmittel beendet den Auflösevorgang oberhalb einer bestimmten Höhe, so daß der Wasserspiegel nach unten gedruckt wird. Als Abdeckmittel finden typischerweise Dieselöl oder Propan Verwendung.

Die Auslaugung eines großen unterirdischen Hohlraums kann mehrere Jahre dauern. Die aufzubereitende Menge an Salzlauge entspricht etwa dem zehnfachen Volumen des Hohlraums. Die Konzentration der abgezogenen Salzlauge wird überwacht und dadurch die Menge an abgebautem Salz ermittelt. Die beiden Auslaugegestänge 13 und 15 und das Abdeckmittelgestänge 17 werden in periodischen Zeitabständen neu eingesetzt, oder der Abdeckmitteldruck wird geändert, um auf diese Weise die Formgebung des abgebauten Bereichs zu verändern. Von Zeit zu Zeit wird die Formgebung des unterirdischen Hohlraums gemessen, indem die drei Rohrleitungen herausgezogen und eine Meßvorrichtung in den Hohlraum hinabgelassen wird. Auf diese Weise lassen sich Durchmes-

ser, Tiefe und Gleichförmigkeit der Wand messen. Sobald der Hohlraum eine gewünschte Formgebung angenommen hat, wird der Auslaugungsvorgang beendet und das Wasser aus dem Hohlraum herausgepumpt.

Durch Auslaugung gewonnene unterirdische Hohlräume in Salzstöcken weisen typischerweise ein Fassungsvermögen von etwa 1 Million Kubikmeter, ε inen Durchmesser von etwa 60 m und eine Höhe von angenähert 6(M; m auf. Der Durchmesser des Bohrlochs beträgt zwischen 25 und 40 cm, und das Bohrloch hat eine Länge von etwa 300 m. Der Boden des Hohlraums liegt angenähert 900 m unter der Erdoberfläche.

Das zur Zeit am meisten verbreitete Verfahren zum Messen der Abmessungen eines unterirdischen Hohlraums in einem Salzstock beruht auf Schall-Entferiitingsmessungen anhand der sich im Wasser fortpflanzenden Schallwellen. Dieses Verfahren ist kosten- und zeitaufwendig, weil der Hohlraum dazu mit Wasser oder Salzlauge gefüllt sein muß, das bzw. die anschließend wieder hei ausgepumpt werden muß. Dieses Meßverfahren nimmt typischerweise mehrere Monate in Anspruch. Eine unerwünschte Folge dieses Meßverfahrens ergibt sich daraus, daß sich die Abmessungen des Hohlraums durch die zusätzliche Auslaugung verändern. Außerdem führt der hoho Flüssigkeitsdruck auf die Hohlraumwände zur Entstehung von Ausbauchungen in diesen. Die vermittels dieses Verfahrens gemessenen Durchmesserwerte stellen dabei lediglich eine Näherung an den tatsächlichen Durchmesser des luftgefüllten Hohlraums dar. Der hydrostatische Druckunterschied zwischen oberem und unterem Ende eines mit gesättigter Salzlauge gefüllten derartigen unterirdischen Hohlraums betragt angenähert 28 bar.

Ein anderes Verfahren zum Bestimmen der Abmessungen von Hohlräumen in Salzlagerstätten besteht in der Radar-Impulsccho-Entfernungsmessung vermittels Mikrowellen. Derartige Radargeräte sind sehr kostenaufwendig und benötigen zahlreiche Zusatzgeräte an der Erdoberfläche. Außerdem lassen sich Meßgeräte dieser Art nicht ohne weiteres miniaturisieren, um durch ein langes, enges Bohrloch einführbar zu sein.

Andere bekannte Verfahren zur Abtastung von Hohlräumen beruhen auf dem Einsatz von Laserstrahlen oder vjn sich in Luft fortpflanzenden Schallwellen.

Es ist eine Laserecho-Hohlraumvermessung mit kontinuierlichen Laserstrahlen zum Bestimmen der Entfernung zu einem Punkt auf der Innenwand eines Ofens mit einer Temperatur von wenigstens 500° C bekannt (DE-OS 2551965). Ferner ist eine Hohlraumvermessung mit Hilfe von Ultraschall bekannt, welche dazu dient, Organe im Körper eines Patienten flächenweise abzutasten, um eine körperexterne Ultraschall-Schnittbildanzeigevorrichtung zu steuern.

Beim Einsatz eines ausreichend leistungsfähigen Lasers zur Vermessungeines unterirdischen Hohlraumes reflektieren die Wandflächendes Hohlraums eine meßbare Lichtmenge. Zur Messung von Abstandsschwankungen der Wand von plus minus 2,5 cm ( I Zoll) beträgt jedoch die für einen Laserstrahl erforderliche Zeitmeßgenauigkeit angenähert 0,33 x 10 " Sekunden. Wenngleich sich Zeitintervalle dieser Größenordnung ohne weiteres im Labor messen lassen, sind derartige Zeitmessungen unter den harten Einsatzbedingungen an einer Bohrstelle nur unter großen Schwierigkeiten durchzuführen. Außerdem weist die Grenzfläche von Luft und Salz einen niedrigen Reflexionskoeffizienten für Wellenlängen zwischen 0,2 und 20 μΐη auf. Der Einsatz sich in Luft ausbreitender Schallwellen wurde nicht weiter entwickelt, weil sich dabei das Problem ergibt, einen ausreichend leistungsfähigen Schallseixler zu entwikkeln, welcher Schallwellen in den ganzen Hohlraum abgeben kann, dabei jedoch so kleine Abmessungen aufweist, daß er durch das Bohrloch hindurch eingeführt werden kann. Außerdem ergibt der Einsatz sich in Luft ausbreitender Schallwellen das zusätzliche Problem der größeren Dämpfung bei verringerten Wellenlängen, um eine Meßtoleranz von 2,5 cm zu erzielen.

Beim Einsatz von Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen ergibt sich außerdem ein geometrisches Problem. Die Wände des Hohlraums in einem Salzstock sind typischerweise spiegelglatt. Aufgrund dieser Wandglätte werden sowohl auftreffende Schallwellen als auch elektromagnetische Wellen an den Wänden spiegelnd reflektiert. Bei Echo-Entfernungsmessungen besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, daß der ganze reflektierte Strahl nicht auf den Empfänger trifft, weil die Ebene der Hohlraumwandung nicht senkrecht steht zur Wellenausbreitungsrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen eines große Innenabmessungen aufweisenden Hohlkörpers mit sehr kleiner Zugangs- oder Zutrittsöffnung zu schaffen, die eine sehr genaue Feststellung der Innenabmessungen unabhängig von der an der Hohlkörperinnenfläche auftretenden Energierückstrahlung und unabhängig davon, ob die reflektierende Fläche senkrecht oder nicht senkrecht zur Meßrichtung steht, ermöglichen und insbesondere zum präzisen Ermitteln des Durchmessers eines in einem Salzstock ausgebildeten großen unterirdischen Hohlraumes, etwa mit folgenden Abmessungen, geeignet sind:

Durchmesser des Bohrlochs 25-40 cm

Hohlraumdurchmesser 60 m

Schwankungen des Hohlraumdurchmessers ± 3 m
Länge des Bohrlochs 300 m
Tiefe des Hohlraumbodens unter
der Erdoberfläche 900 m
Fassungsvermögen 1 000 000 nr'

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das in dem Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in dem Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 3 bis 9 angegeben.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung ist

Tig. I ein nicht maßstabgerechter seitlicher Aufrißquerschnitt durch einen durch Auslaugung abgebauten Salzstock,

Fig. 2 eine teilwesic im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer zum Messen der Innenabmessungen eines Hohlkörpers dienenden Vorrichtung,

Fig. 3 ein teilweiser seitlicher Aufriß eines unterirdischen Hohlraums in einem Salzstock mit der in diesem befindlichen Vorrichtung von Fig. 2,

Fig. 4 ein schematischer Schaltplan der Zeitgeberund Logikschaltung für die Vorrichtung von Fig. 2, Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Schaltung von Fig. 4,

Fig. 6 ein teilweise im Schnitt dargestellter Seitenaufriß einer zweiten Ausführungsform der zum Messen der Abmessungen eines Hohlkörpers dienenden Vorrichtung.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen der Innenabmessungen eines Hohlkörpers ist insbesondere anwendbar zur Messung der Innenabmessungen eines durch SaIzlaugungsabbau in einem Salzstock 7 ausgebildeten, großen unterirdischen Hohlraum 5. Die Vorrichtung umfaßt einen Sender-Empfänger 21 in einem Gehäuse, das vermittels eines Gestänges oder eines Seils 23 innerhalb des Hohlraums 5 aufgehängt gehalten ist. Der Sender-Empfänger wird in den Hohlraum durch ein enges, verrohrtes Bohrloch 11 hindurch eingeführt, nachdem die Auslaugegestänge 13, 15 von Fig. 1 und das Abdeckmittelgestänge 17 aus dem Bohrloch entfernt worden sind. Zur Drehung von Sender und Empfänger in einen bestimmten Azimutalwinkel um eine senkrechte Achse ist ein in Fig. 2 dargestellter, servogesteuerter Rotor 29 vorgesehen, welcher die Ausführung mehrerer Messungen in einer waagerechten Ebene innerhalb des Hohlraums gestattet. Zur Speisung und Triggerung von Sender/ Empfänger ist ein in Fig. 3 dargestelltes Spannungsspeisegerät 25 an der Erdoberfläche in Nähe des Bohrlochs vorgesehen. Die vom Sender/Empfänger ermittelten Meßwerte werden in einem Ausgabegerät 27 verarbeitet, gespeichert und zur Anzeige gebracht, das sich ebenfalls an der Erdoberfläche in der Nähe des Bohrlochs befindet. Das Spannungsspeisegerät und das Ausgabegerät sind mit dem Sender/Empfänger durch elektrische Leiter innerhalb des Seils oder Gestänges 23 verbunden.

Der in Fig. 2 dargestellte Sender/Empfänger 21 umfaßt Mittel zum Aussenden gebündelter elektromagnetischer Energie gegen zwei Stellen 46, 46' auf sich gegenüberliegenden Innenwandabschnitten des Hohlraums 5 von Fig. 3. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Aussenden elektromagnetischer Energie einen Laser 32, einen halbdurchlässig versilberten Spiegel 36 und einen nahezu voll reflektierenden Spiegel 40. Der Spiegel 40 läßt gerade nur so viel Licht hindurch, daß durch dieses ein Fotodetektor 44 in einer nachstend beschriebenen Weise betätigt wird. Der Laser ist von herkömmlicher Beschaffenheit und gibt einen energiereichen, gebündelten Strahl kohärenten, kollimierten Lichts ab. Der Laser wird von dem Spannungsspeisegerät 25 in Fig. 3 gespeist und kann im Impulsoder im Dauerbetrieb arbeiten. Bei Verwendung eines kontinuierlich arbeitenden Lasers wird das ausgesandte Lichtbündel durch einen elektrisch betätigten Verschluß 34 von Fig. 2 gesteuert. Dieser Verschluß öffnet und schließt sich während der Aussendung von Licht. Bei Verwendung eines Impulslasers kann der Verschluß gegebenenfalls in Fortfall kommen.

Ein Teil des vom Laser 32 in Fig. 2 abgegebenen Lichts wird vermittels des halbdiirchlässigen Spiegels 36 in eine waagerechte Richtung reflektiert und tritt durch ein oberes optisches Fenster 38 aus. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 ist dieses obere Lichtbündel nach links gerichtet. Das übrige Laserlicht durchsetzt den oberen halbdurchlässigen Spiegel 36 in senkrechter Richtung nach unten, wird vermittels des Spiegels 40 in waagerechter Richtung abgelenkl und tritt an einem optischen Fenster 42 aus. Entsprechend Fig. 2 ist dieses zweite, waagerechte Lichtbündcl nach rechts gerichtet. Die verbleibende Laserstrahlung fällt senkrecht nach unten auf einen Fotodetektor 44 bekannter Ausführung, der zur Ansteuerung der weiter unten beschriebenen Zeitgeberund Logikschaltung und zur Anzeige dient, daß die Vorrichtung Licht aussendet.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 beleuchten die energiereichen Impulse kollimierten Laserlichts, welche an beiden Seiten des Sende/Empfängers 21 austreten, zwei kleine Stellen 46, 46' auf sich gegenüberliegenden Wandseiten des Hohlraums 5. Die elektromagnetische Strahlungsenergie wird von dei Wand absorbiert, so daß es zu einer örtlich begrenzten, sehr starken Erwärmung kommt. Aufgrund diesel Erwärmung werden im Salz Druckwellen erzeugt, die ihrerseits Schallwellen hervorrufen, welche sich im Luftraum des Hohlraums fortpflanzen. Die Schallwellen scheinen dabei von der kleinen, durch den Laser beleuchteten Stelle auszugehen. Die Schallwellen bereiten sich radial nach außen in den Hohlraum hinein aus, unter Ausbildung von den beleuchteten Steller 46, 46' ausgehender, kugeliger Wellenfronten. Das Laserlicht ist kollimiert und etwas fokussiert, um zu gewährleisten, daß die beleuchteten Stellen eine kleine Fläche aufweisen. Kleine beleuchtete Steller sind wünschenswert, damit die elektromagnetische Erhitzung auf eine Stelle konzentriert ist und die Schallquelle als Punktquelle erscheint. Bei einer kleinen Stelle ist außerdem gewährleistet, daß die sich in den Hohlraum hinein ausbreitenden Schallwellen eine sphärische Wellenfront aufweisen und ein Teil dieser Schallwellen von dem Sender/Empfänger 21 aufgefangen wird.

Die auf den Sender/Empfänger 21 von Fig. 2 auftreffenden Schallwellen werden vermittels zwei kleiner piezoelektrischer Schallwandler 50, 50' aus keramischem Material aufgefangen. Jeder dieser beider Detektor-Schallwandler ist dabei in der Weise ausgerichtet, daß seine Achse höchster Empfindlichkeit in" wesentlichen parallel zur Achse der Fortpflanzungsrichtung des Laserstrahls verläuft. Die von dieser Schallwandlern aufgefangenen Schallwellen werden ir elektrische Signale umgesetzt, welche einem Elektronikteil 52 im unteren Teil des Sender/Empfängers 21 zugeführt werden. Der Elektronikteil 52 ist endseitig am Sender/Empfänger 21 angeordnet, so daß er die Aussendung des Laserstrahls bzw. das Auffangen dei Schallwellen nicht beeinträchtigt und zugleich als Anschlagschutz oder Stoßschutz für die Meßvorrichtunf dient.

Entsprechend Fi g. 3 sendet der Sender/Empfänge) 21 und empfängt Schallwellen entlang zwei zueinander paralleler, entgegengesetzter Richtungen, wodurch die Ungewißheit über die genaue Lage des Sender/Empfängers ausgeschaltet wird. Der Sender; Empfänger 21 wird in den Hohlraum 5 durch eir langes Bohrloch 11 hindurch abgesenkt, das bis zt 300 m Länge aufweisen kann. Somit ist die Lage de; Sender/Empfängers in bezug auf die senkrechte Mittelachse des Hohlraums nicht genau festlegbar. Wenr der Abstand zwischen den beiden sich diametral gegenüberliegenden Stellen gemessen wird, ergibt die

Summe dieser beiden Meßwerte die: Gesamtabmessung des Hohlraums, und dieser Gesamtwert ist unabhängig von der genauen Lage des Sender/Empfängers.

Zur Eichung des Sender/Empfängers wird die Geschwindigkeit der Schallwelienfortpflanzung gemessen, was deswegen erforderlich ist, weil der Hohlraum eine Tiefe in der Größenordnung von 900 m aufweisen kann, entlang welcher mehrere Messungen in unterschiedlichen gegenseitigen Abständen ausgeführt werden sollen. Außerdem kann im Hohlraum ein Luftdruck von zwischen 40 bis 80 bar herrschen. Die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Hohlraums wird dadurch gemessen, daß die Laufzeit von Schallwellen entlang einer Strecke vorbekannter Länge gemessen wird. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung den in Fig. 2 dargestellten Signalgenerator 56 auf, welcher einen Senderwandler 58 speist, der im oberen Teil des Sender/Empfängers 21 angeordnet ist und Schallwellen von im wesentlichen der gleichen Wellenlänge wie die von den beleuchteten Stellen 46, 46' abgegebene Wellenlänge aussendet. Die vom Senderwandler 58 abgegebenen Schallwellen werden an einem Schallreflektor60 reflektiert, der an dem zur Aufhängung der Vorrichtung dienenden Seil oder Gestänge 23 oberhalb des Sender/Empfängers angeordnet ist. Am Schallreflektor 60 werden die Schallwellen zum Sender/Empfänger zurück reflektiert, und das zurückkehrende Echo wird von einem Empfängerwandler 62 aufgefangen. Da die Länge der Strecke zwischen dem Senderwandler und dem Reflektor bekannt ist und die Wellenlänge derjenigen der von den beleuchteten Stellen ausgehenden Schallwellen entspricht, läßt sich das Zeitintervall für die Fortpflanzung der Schallwellen entlang dieser Strecke in die Geschwindigkeit der von den beleuchteten Stellen 46, 46' entsprechend Fig. 3 empfangenen Schallwellen umsetzen.

Entsprechend einer abgeänderten Ausführungsform kann die Eicheinrichtung auch aus einem ausgesandten Laserimpuls bestehen, der auf einen (hier nicht dargestellten) Zielsender trifft, welcher einen Schallimpuls entlang eines Weges bekannter Länge zurücksendet.

Der Sender/Empfänger 21 mißt das Zeitintervall zwischen der Aussendung der elektromagnetischen Energie und dem Auffangen der Schallwellen vermittels der in Fig. 4 dargestellten Zeitgeber- und Logikschaltung. Diese Schaltung befindet sich innerhalb des Elektronikteils 52 von Fig. 2 und umfaßt einen Haupttaktgeber 66, der Taktimpulse konstanter Frequenz liefert. Der Ausgang des Taktgebers liegt an einer Gatter- und Zählerlogik 68, vermittels welcher die Gatter 70, 70' und 70" angesteuert werden. Im angesteuerten Zustand lassen die Gatter 70, 70' die von den Schallwandlern 50, 50' abgegebenen elektrischen Signale durch, wodurch das Ankommen von Schallwellen von den Hohlraumwänden angezeigt ist. Die Ausgangssignale an den Gattern 70 bis 70" werden getrennt voneinander vermittels der Signalverstärker 74, 74' bzw. 74" verstärkt.

Im Betrieb mißt der Sender/Empfänger das Zeitintervall zwischen der Übertragung eines elektromagnetischen Energieimpulses und dem Auffangen von Schallwellen, die von den Hohlraumwänden ausgehen. Wenn diese Messung während des Auslaugungsabbaus erfolgt, werden zunächst die Auslaugungsgestänge 13, 15 von Fig. 1 und das Abdeckmittelgestänge 17 entfernt. Dann wird der Sender/Empfänger

durch das Bohrloch 11 von Fig. 3 hindurch in den Hohlraum 5 abgesenkt und vermittels des in Fig. 2 dargestellten, durch Fernsteuerung servogesteuerten Rotors 29 in verschiedene ausgewählte Azimutalwinkel gedreht.

Zur Ausführung einer Messung wird der Laser 32 vermittels des an der Erdoberfläche befindlichen Spannungsspeisegeräts 25 entsprechend Fig. 3 erregt. Das Spannungsspeisegerät 25 erzeugt außerdem einen in Fig. 5 dargestellten Triggerimpuls, durch den ein Laserlichtimpuls bekannter Zeitdauer ausgelöst wird. Wenn es sich bei dem Laser 32 um einen kontinuierlich strahlenden Laser handelt, öffnet und schließt der Triggerimpuls den Verschluß 34. Bei Verwendung eines Impulslasers löst der Triggerimpuls die Abgabe eines Lichtimpulses durch den Laser aus. Die Zeitzählung beginnt, sobald der Laserstrahl auf den Fotodetektor 44 von Fig. 4 trifft. Der Fotodetektor, wie z. B. eine Fotozelle, triggert dann die in Fig. 4 dargestellte Zeitgeber- und Logikschaltung, welche die Gatter 70, 70' und 70" wie in Fig. 5 angedeutet ansteuert und damit beginnt, Taktimpulse an die Zähler 72, 72' und 72" abzugeben.

Sobald sich der Verschluß 34 von Fi g. 4 öffnet oder ein Lichtimpuls durch den Laser 32 abgegeben wird, werden durch die halbdurchlässigen Spiegel 36, 40 zwei zueinander parallele, jedoch in entgegengesetzte Richtungen weisende Lichtstrahlen in den Hohlraum 5 abgegeben. Die Laserbündel treffen auf die beiden Beleuchtungsstellen 46, 46' von Fig. 3. Die elektromagnetische Energie ist dabei kollimiert und etwas fokussiert, damit ein großer Teil der elektromagnetischen Energie auf eine sehr kleine Fläche zentriert ist. Diese Energie wird von der Hohlraumwandung absobiert, so daß es zu einer sehr starken örtlichen Erhitzung kommt, aufgrund welcher Druckwellen im Salz entstehen, welche ihrerseits zum Entstehen von Schallwellen führen, die sich in entgegengesetzter Richtung zum Sender/Empfänger 21 hin ausbreiten. Diese Schallwellen scheinen dabei von einer Punktquelle auszugehen, welche der beleuchteten Stelle entspricht. Die Schallwellen divergieren von den beleuchteten Stellen nach außen und weisen kugelige Wellenfronten auf.

Die Schallwellen werden von dem in Fig. 2 dargestellten Sender/Empfänger 21 vermittels der Schallwandler 50,50' aufgefangen, welche die auffallenden Schallwellen zu elektrischen Signalen umsetzen, die entsprechend Fig. 5 als Echo 1 und Echo 2 bezeichnet sind, durch die Gatter 70, 70' durchgesteuert und vermittels der Signalverstärker 74 und 74' verstärkt werden. Aufgrund der von den Schallwandlern abgegebenen Signale beenden die Zähler 72, 72' die Zählung der von dem Haupttaktgeber 66 gelieferten Taktimpulse. Diese Taktimpulse gehen vom Taktgeber aus und durchlaufen die Gatter- und Zählerlogik 68. Das Zeitintervall zwischen der Aussendung der elektromagnetischen Energie und dem Auffangen der Schallwellen von den beiden beleuchteten Stellen entspricht der Anzahl der in den beiden Zählern gezählten Zählimpulse. Diese Information wird dem Ausgabegerät 27 zugeführt, das sich entsprechend Fig. 3 an der Erdoberfläche befindet, und wird in diesem in einen Längenmeßwert umgesetzt.

Der von dem Spannungsspeisegerät 25 in Fig. 3 ausgehende Triggerimpuls steuert außerdem eine Fortpflanzungsgeschwindigkeits-Eichschaltung an. Der Triggerimpuls schaltet den Signalgenerator 56 an,

welcher seinerseits den in Fig. 4 dargestellten Senderwandler 58 speist. Der Senderwandler gibt dann eine gebündelte Schallstrahlung ab, welche von dem in Fig. 2 dargestellten Schallreflektor 60 reflektiert und vom Empfängerwandler 62 aufgefangen wird. Das Signal des Empfängerwandlers wird über das Gatter 70" dem Signalverstärker 74" zugeführt und hält den Zähler 72" an, der bis dahin Taktimpulse von der Gatter- und Zählerlogik 68 gezählt hat. Die Anzahl der vom Zähler 72" gezählten Taktimpulse steht somit in Beziehung zu der von Sender/Empfänger 21 ermittelten Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die Schallwellen. Es ergibt sich dabei die einfache Beziehung, daß die Anzahl der gezählten Impulse dem Quotienten 2df/v entspricht, wobei d der Abstand des zur Eichung verwendeten Schaiireflektors, / die Taktoder Impulsfrequenz und ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist. Der Ausgang des Zählers 72" ist außerdem mit dem an der Erdoberfläche befindlichen Ausgabegerät 27 verbunden.

Entsprechend Fig. 5 wird durch den Triggerimpuls vom Spannungsspeisegerät 25 vermittels der Gatterund Zählerlogik 68 zuerst das Gatter 70" angesteuert. Im angesteuerten Zustand schaltet dieses Gatter das Eich-Echo durch, durch welches der Zähler 72" zum Anhalten gebracht wird. Als nächstes wird das Gatter 70" ausgesteuert, und die Gatter 70,70' werden angesteuert, um die beiden Echos von den beiden beleuchteten Stellen 46 und 46' durchzulassen. Diese Echos werden vermittels der Schallwandler 50, 50' in elektrische Signale umgesetzt, durch welche der Zähler 72 bzw. der Zähler 72' angehalten wird. Die drei Zähler 72,72' und 72" beginnen mit ihrer Zählung, sobald das vom Laser abgegebene Licht auf den Fotodetektor 44 trifft. Der Fotodetektor triggert seinerseits die Gatter- und Zählerlogik 68. Die Gatter 70, 70' und 70" werden wie in Fig. 5 dargestellt an- und ausgesteuert, um zu gewährleisten, daß die von den verschiedenen Wandlern aufgefangenen Schallwellen in der Tat die zur Messung erwünschten Schallwellen sind. Dabei ist nämlich zu berücksichtigen, daß an einem unterirdischen Hohlraum in einem Salzstock der in Fig. 1 dargestellten Ausführung eine Menge Nachhall, Oberwellen und reflektierte Schallwellen entsteht.

Das Zeitintervall zwischen der Abgabe des Laserimpulses und dem Auffangen der Schallwellen entspricht ziemlich genau der Laufzeit der Schallwellen von der Hohlraumwandung zum Empfänger, weil die Laufzeit des Lichts innerhalb des Hohlraums im Vergleich zur Laufzeit von Schallwellen in Luft vernachlässigbar klein ist.

In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt, bei welcher der Laser 32 und der Verschluß 34' an der Erdoberfläche angeordnet sind und das vom Laser abgegebene Licht durch das Bohrloch 11 hindurch nach unten eingestrahlt wird. Diese Ausführungsform ist verwendbar in Verbindung mit einem Hochleistungs-Laser, der zu große Abmessungen aufweist und daher nicht durch das Bohrloch hindurch in den Hohlraum eingeführt werden kann. Diese Ausführungsform eignet sich weiterhin für Anwendungen, bei denen der Hohlraum 5 unter Druck steht und gegenüber der Atmosphäre abgedichtet ist. Das vom Laser abgegebene Licht durchsetzt dann ein optisches Fenster 76 in der Dichtung 77.

Die Arbeitsweise der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung entspricht im wesentlichen der der vorstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen, weswegen einander entsprechende Teile auch mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. ι Das vom Laser 32 abgegebene Licht wird durch den elektrisch betätigten Verschluß 34' durchgelassen bzw. gesperrt, welcher durch das Spannungsspeisegerät 25 getriggert ist. Vermittels eines Spiegels 79 wird der Laserstrahl nach unten in das Bohrloch 11 hinein

ι» abgelenkt. Wenn der Hohlraum gegenüber der Atmosphäre durch eine Dichtung 77 abgedichtet ist, weist diese ein optisches Fenster 76 auf, durch welches der Laserstrahl hindurchtritt. Der auf den Sender/Empfänger 21' treffende Laserstrahl wird in diesem durch einen Strahlenteiler 81 bekannter Ausführung in zwei gleiche Strahlungsänteile aufgespalten. Der eine Strahlungsanteil fällt auf einen Fokussierspiegel 83, durch welchen der Strahl in waagerechter Richtung durch das optische Fenster 42 nach außen gerichtet

j» wird. Ein Fokussierspiegel wird deswegen verwendet, um das Licht nach seiner langen Laufstrecke durch das Bohrloch 11 hindurch auf der Hohlraumwandung auf eine kleine Fläche zu konzentrieren. Der andere Strahlungsanteil wird noch einmal durch einen nahezu

ji voll reflektierenden Spiegel 85 gespalten. Der größere Teil der abgespaltenen Strahlung fällt senkrecht nach unten auf einen zweiten Fokussierspiegel 83', der den Strahl durch das optische Fenster 38 hindurch nach außen ablenkt. Der andere, kleinere Strahlungsanteil

in durchläuft den Spiegel 85 und fällt auf den Fotodetektor 44. Die Arbeitsweise des Fotodetektors 44 entspricht der des in Fig. 2 dargestellten und vorstehend beschriebenen. Die beiden, auf die Hohlraumwände fallenden elektromagnetischen Strahlungsbündel füh-

si ren zur Erzeugung von Schallwellen, die in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben aufgefangen und gemessen werden.

Der Sender/Empfänger 21' von Fig. 6 weist außerdem eine ähnliche Echo-Eicheinrichtung zum Messen

κι der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen auf. Diese Einrichtung umfaßt die Wandler 58,62 von Fig. 6 und weist die vorstehend beschriebene Arbeitsweise auf. Außerdem ist der Sender-Empfänger 21' mit der vorstehend beschriebenen Zeitgeber- und

■r, Logikschaltung von Fig. 4 versehen, welche entsprechend dem Zeitdiagramm von Fig. 5 arbeitet.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach d«r Erfindunggestatten außerdem u. a. Entfernungs- und Größenmessungen durch Erzeugung von Schallwellen in

,ο Luft vermittels Absorption von im Meßgegenstand absorbierter Laserstrahlung. Bei den bekannten Impulsecho-Entfernungsmessungen ergab sich sowohl für Schallwellen als auch für die elektrische oder elektromagnetische Strahlung das Problem mit der spie-

v, gelnden Reflexion. Wenn die reflektierende Oberfläche des Maßgegenstands nicht senkrecht zur Energiefortpflanzungsrichtung ausgerichtet ist, läuft dabei die spiegelnd reflektierte Welle am Empfänger vorbei, so daß entweder nur ein sehr schwaches Echo oder

mi auch gar kein Echo aufgefangen wird. Beim Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß Schallwellen erzeugt werden, welche vom Meßgegenstand aus mit kugeliger Wellenfront divergieren. Die Fortpflanzung

bs dieser kugeligen Wellenfronten ist unabhängig vom Aussehen des Meßgegenstandes und seiner Oberflächenbeschaffenheit wie insbesondere seiner Rauhigkeit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung der Innenabmessungen eines Hohlraumes unter Verwendung des Prinzips der Abstandsmessung durch Signalrückstrahl-Laufzeitmessung mit Hilfe von Laserstrahlen bzw. Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß scharf gebündelte energiereiche, gepulste Laserstrahlen als Sendestrahlen und die durch direkte Umwandlung der Laserstrahlenergieimpulse infolge thermischer Effekte beim Auftreffen auf eine Wandstelle (46, 46') des Hohlraumes erzeugten Schallwellen als Empfangswellen verwendet werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer in den zu vermessenden Hohlraum einführbaren Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (21,21') an einem Hängeglied (23) aufgehängt ist und eine Spiegelanordnung, durch die der zunächst in Achsrichtung oder parallel zur Achsrichtung des Hängegliedes verlaufende Laserstrahlweg um einen rechten Winkel umgelenkt wird, sowie einen zur Aufnahme der reflektierten Schallwellen dienenden Empfänger enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Spiegelanordnung (36,40; 81 bis 85), daß der in oder parallel zu der Achse des Hängeglieds verlaufende Laserstrahlweg in einander entgegengesetzte Richtungen umgelenkt wird, sowie durch je einen Schallwellenempfänger (50, SO') für die dazugehörigen, einander entgegengesetzten Empfangsrichtungen für die reflektierten Schallwellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in der jeweiligen Meßtiefe im Bohrloch die Sonde (21, 2Γ) einen Signalgenerator (56) und einen von ihm gespeisten Sendewandler (58), welcher Schallwellen von annähernd der gleichen Wellenlänge wie die von der bestrahlten Wandfläche (46, 46') reflektierten Schallwellen in Richtung der Achse des Hängegliedes (23) oder parallel dazu gegen einen an dem Hängeglied (23) in einer bekannten Entfernung von der Sonde angebrachten Schallreflektor (60) richtet, sowie einen Schallempfängerwandler (62) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bestimmung des Zeitintervalls zwischen der Abgabe der elektromagnetischen Energie und dem Auffangen der Schallwellen dienende Signalrückstrahl-Laufzeitmeßschaltung (Fig. 4) als Elektronikteil (52) im unteren Ende der Sonde angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (32) innerhalb der Sonde angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (32) außerhalb der Sonde und des Bohrloches angeordnet ist und der Laserstrahlweg zwischen ihm und der in der Sonde befindlichen Spiegelanordnung durch das Bohrloch hindurch verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Steuerung der Vorrichtung und Aufzeichnung der Meßwerte dienenden Einrichtungen (25, 27) oberhalb des Bohrloches angeordnet und mit der Sonde durch innerhalb des Hängeglieds (23) verlaufende elektrische Leitungen verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine fernsteuerbare Stellvorrichtung (29) zur azimutalen Einstellung der Sonde (21) vorgesehen ist.