DE2927842A1

DE2927842A1 - Elektronische vorrichtung zum lokalisieren eines unter der erde befindlichen langgestreckten metallischen gegenstandes

Info

Publication number: DE2927842A1
Application number: DE19792927842
Authority: DE
Inventors: James P Karbowski
Original assignee: 3 D ELECTRONICS Inc
Current assignee: 3 D ELECTRONICS Inc
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1980-11-20
Also published as: NZ192370A; US4348639A; CA1140213A; JPS55155272A; AU5415679A

Description

Beschreibung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Lokalisier- und SuchVorrichtungen für Leitungen und Kabel und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Lokalisieren der Lage eines unter der Erde befindlichen langgestreckten metallischen Gegenstandes beispielsweise eines Rohres oder eines Kabels.

Es ist bekannt, Uberlandrohre oder Überlandkabel dadurch zu lokalisieren, daß zunächst diese Gegenstände mit einem Strom erregt werden, der über der Erde mit einer Suchschleife und einem geeigneten Empfänger wahrgenommen werden kann. Es ist oft ein Sender körperlich mit dem Empfänger gekoppelt, wobei diese Kombination dazu dient, einen Strom im Gegenstand zu induzieren und das resultierende vom Gegenstand erzeugte Feld wahrzunehmen. Eine der

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Schwierigkeiten, die bei der bekannten Art der Suche nach unter der Erde befindlichen Gegenständen gemäß dieser Verfahren auftritt besteht darin, daß der Boden selbst, insbesondere dann, wenn er Metallsalze enthält, die Meßergebnisse verzerren kann, die von einer Suchschleife und einem Empfänger erhalten werden, die in Verbindung mit einem Sender über der Erde arbeiten. Insbesondere kann sich das von der Suchschleife empfangene Signal mit Änderungen in der Höhe der Suchschleife über der Erde ändern, wenn man auf mineralisierte Bodenverhältnisse trifft.

Es ist bekannt, ein Überlandrohr dadurch zu erregen, daß ein Sender mit einer großen Sendespule über der Erde in der Nähe eines Rohres angeordnet wird. Das unter der Erde befindliche Rohr liefert ein Feld, das von der Suchspule empfangen wird, die relativ nahe an der Sendespule und in einer festen bevorzugten relativen Lage zur Sendespule angeordnet ist. Direkt induzierte Felder von der Sendespule, die ihren Ursprung nicht im erregten Rohr haben, werden jedoch auch durch die Suchspule wahrgenommen, es sei denn, daß aufwendige mechanische Justierungen durchgeführt werden, so daß die Suchspule in einer festen Beziehung zur Sendespule bleibt. Dadurch wird zwar das Problem der direkten Kopplung von der Sendespule zur Suchspule gelöst, Änderungen in der Permeabilität des Bodens, der eine indirekte Kopplung des der Sendespule zugehörigen magnetischen Feldes mit der Suchspule ermöglicht, werden dadurch jedoch nicht wirKsam beeinflußt. Dieser Effekt führt zu einem Bodensignal, das zusätzlich zu einem Signal in der Suchspule induziert wird, das aus der Erregung des Rohres resultiert, was zu größeren Schwierigkeiten beim Aufsuchen des Rohres führt.

Die Empfindlichkeit der bekannten Vorrichtungen ist durch die mechanischen Justierungen begrenzt, die erforderlich sind, um die Spulen entkoppelt zu halten. Feinere mechanische Justierungen erlauben eine größere Empfindlichkeit. Die Bedienungs-

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person der Lokalisierungsvorrichtung ist daher von vorneherein durch diese Justierungen beschäftigt.

Ziel der Erfindung sind daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wahrnehmen langgestreckter metallischer Gegenstände unter der Erdoberfläche.

Durch die Erfindung soll es weiterhin möglich werden, die Tiefe eines unter der Erde verlegten langgestreckten metallischen Gegenstandes genau zu bestimmen und dem Verlauf des Gegenstandes genau zu folgen.

Das wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung erreicht, die einen elektrischen Wechselstrom mit bestimmter Frequenz und Phase in einem unter der Erde verlegten Metallrohr oder Kabel induziert. Das Metallrohr oder das Kabel erzeugt auf diesen elektrischen Strom ansprechend ein sich änderndes magnetisches Feld, was wahrgenommen werden kann, um die Stelle zu bestimmen, an der sich die Quelle dieses Feldes befindet. Die Wahrnehmung des Feldes erfolgt dadurch, daß eine rechteckige Schleife in Kopplungsbeziehung mit dem magnetischen Feld angeordnet wird, wobei der resultierende Strom in der Schleife durch die erfindungsgemäße Vorrichtung überwacht wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Phase des Stroms in der Schleife mit der Phase des Stromes verglichen, der im metallischen Gegenstand induziert wird. Wenn eine bestimmte Phasenbeziehung vorliegt, wird der in der rechteckigen Schleife durch das elektromagnetische Feld induzierte Strom von denjenigen Strömen unterschieden, die durch andere Quellen elektromagnetischer Felder in der Schleife induziert werden.

Eine genaue Anordnung der rechteckigen Schleife bezüglich des unter der Erde verlegten metallischen Gegenstandes erfolgt dadurch, daß die Stärke des Stromes in der Schleife mit einer bestimmten Phasenbeziehung mit einem Bezugssignal verglichen

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wird. Wenn die Stärke des wahrgenommenen Stromes zunimmt, kann die Amplitude des Bezugssignals durch die Bedienungsperson erhöht werden, bis ein bestimmter Unterschied zwischen dem Bezugssignal und dem Strom in der Schleife besteht. Das Verfahren der Überwachung dieses bestimmten Unterschiedes während einer konstanten Änderung der Amplitude des Bezugssignals erlaubt es, die rechteckige Schleife exakt bezüglich des unter der Erde befindlichen Gegenstandes anzuordnen. Statt die Phase des Stromes in der Schleife zu ermitteln, kann auch der Spitzenwert des Stromes in der Schleife ermittelt werden und kann das Ergebnis mit einem veränderlichen Bezugssignal verglichen werden.

Dieses Ausführungsbeispiel geht davon aus, daß die Lage des Rohres oder des Kabels dadurch bestimmt wird, daß ein Sender mit einer Induktionsspule zum Induzieren eines Stromes in dem unter der Erde befindlichen Rohr oder Kabel an einem Empfänger mit einer zugehörigen rechteckigen Suchschleife fest angeordnet wird.

Die Induktionsspule des Senders umfaßt eine rechteckige Schleife in einer Ebene senkrecht zur rechteckigen Suchschleife, die mit dem Empfänger verbunden ist. Der Empfänger überwacht fortlaufend den Strom in der Schleife, der die gewünschte Phasenbeziehung hat. Wenn der Strom in der Schleife zunimmt, kann die Bedienungsperson die Amplitude des Bezugssignals nachstellen, während der relative Unterschied zwischen dem Bezugssignal und dem Strom in der Schleifa überwacht wird. Diese Regelung erlaubt es, daß der Empfänger mit einer gewünschten Empfindlichkeit ohne aufwendige mechanische Justierungen arbeitet, wobei ein effektiver Nullpunkt durch eine Änderung der Amplitude des Bezugssignals erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sowohl die Lage eines unter der Erde befindlichen langgestreckten Gegenstandes genau gemessen werden kann als auch die Tiefe des Gegenstandes bestimmt werden kann. Wenn einmal

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die Lage eines langgestreckten metallischen Gegenstandes bestimmt ist, kann die Tiefe des Gegenstandes bequem gemessen werden. Der Sender und seine zugehörige rechteckige Schleife können vom Empfänger getrennt vorgesehen sein und so angeordnet sein, daß der unter der Erde befindliche langgestreckte metallische Gegenstand fortlaufend erregt wird. Die Achse der rechteckigen Schleife des.Empfängers wird direkt über dem metallischen Gegenstand so angeordnet, daß sie mit dem Verlauf des Gegenstandes zusammenfällt. Die rechteckige Schleife wird auf einer Höhe gehalten und senkrecht vom Verlauf des langgestreckten metallischen Gegenstandes weg bewegt, bis ein Spitzenstrom in der rechteckigen Schleife induziert wird. Der Abstand zwischen der Achse der rechteckigen Schleife und dem Verlauf des langgestreckten Gegenstandes gibt die Tiefe des Gegenstandes wieder.

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Bestimmen der Lage_/ der Tiefe und des Verlaufs eines langgestreckten metallischen Gegenstandes. Durch die Erfindung werden insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Suchen eines langgestreckten unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstandes beispielsweise von Rohren oder Kabeln geliefert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstand erregen und danach das vom metallischen Gegenstand erzeugte elektromagnetische Feld mit einer Suchspule aufnehmen. Die Stärke des in der Suchspule erzeugten Stromes wird genau gemessen, wodurch die Lage des Rohres oder des Kabels genau bestimmt wird. Es ist eine Schaltung vorgesehen, die eine hohe Rauschunempfindlichkeit bezüglich der Aufnahme elektromagnetischer Felder liefert, die ihren Ursprung nicht im metallischen Gegenstand haben. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die die Empfindlichkeit des Systems beibehält, ohne auf umfangreiche mechanische Justierungen zu vertrauen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein be-

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vorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:

Figur 1 zeigt den Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Figur 2 zeigt den Aufbau eines Senders und der zugehörigen Sendeschleife bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel .

Figur 3 zeigt das Verfahren der Bestimmung der Tiefe eines metallischen Gegenstandes.

Figur 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die dazu dient, eine Sendeschleife zu erregen .

Figur 5 zeigt schematisch ein Beispiel einer Schaltung, die dazu dient, das Vorliegen eines Stromes in einer Suchschleife wahrzunehmen.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung kann einen Strom in einem unter der Erde befindlichen Metallrohr 16 induzieren. Der im Rohr 16 resultierende Strom erzeugt ein Feld, das von der Vorrichtung wahrgenommen wird.

Das Induzieren des Stromes in dem unter der Erde befindlichen Rohr 16 erfolgt über einen Sender 14, der einen Wechselstrom einer rechteckigen Schleife 15 liefert. Die rechteckige Schleife ist in einer vertikalen Ebene angeordnet und das von der rechteckigen Schleife 15 resultierende Feld reicht aus, um einen Strom im Rohr 16 zu induzieren.

Der Sender 14 ist über ein Halteelement 33 mit einer Empfänger- und Steuereinheit 12 verbunden. Die Empfänger- und Steuereinheit 12 weist eine Suchschleife 13 auf, die damit verbunden ist und die gleichfalls aus einer rechteckigen Schleife besteht, die durch das Halteelement 33 senkrecht zur Sendeschleife 15 gehalten wird. Der Sender 14 ist über ein Kabel 13 mit der Empfänger- und Steuereinheit 12 verbunden.

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Das Kabel 19 dient sowohl dazu, den Sender 14 mit Energie von einer Batterie zu versorgen, als auch ein Bezugssignal vom Sender 14 der Empfänger- und Steuereinheit 12 zu liefern. Die Bedienungsperson der Kombination aus dem Sender 14, der Empfänger- und Steuereinheit 12, der rechteckigen Schleife 15 und der Suchschleife 13 ergreift das Gerät an einem vorgesehenen Handgriff 21 und geht das Gelände beim Suchen eines unter der Erde befindlichen Metallrohres 16 ab. Beim normalen Betrieb wird die Wahrnehmung eines Stromes in der Suchschleife 13 zu einem zunehmenden Pegel des hörbaren Signals von einem Lautsprecher 18 an der Empfänger- und Steuereinheit 12 führen. Die Empfänger- und Steuereinheit 12 ist gleichzeitig mit einem Meßgerät 20 ausgerüstet, das eine sichtbare Anzeige der Stärke eines in der Suchschleife 13 induzierten Stromes liefert. Ein maximales Signal wird dann wahrgenommen, wenn die Hauptachse A des Detektors senkrecht zu dem unter der Erde verlegten Rohr verläuft.

Die Empfänger- und Steuereinheit 12 ist gleichfalls mit einer Einrichtung zum Unterdrücken eines Bodensignals ausgerüstet, die eine Unterscheidung zwischen Strömen liefert, die in der Suchspule 13 durch andere Quellen als dem dem Rohr 16 zugehörigen elektromagnetischen Feld erzeugt werden. Die Steuerung 30 dient insbesondere dazu, den Empfänger für das magnetische Feld unempfindlich zu machen, das gewöhnlich von der rechteckigen Schleife 15 über den Boden zur Suchspule 13 gekoppelt würde. Die Steuerung 30 nutzt die 90 -Phasenbeziehung zwischen den Strömen aus, die aus dem Feld des Roiires und aus dem Bodensignal resultieren. Die Empfänger- und Steuereinheit 12 weist gleichfalls eine Empfindlichkeitssteuerung 28 auf, die es der Bedienungsperson ermöglicht, die Verstärkung der Ströme in der Suchschleife 13 zu verändern.

Wenn der Lautsprecher 18 oder das Meßgerät 20 eine Anzeige liefern, daß in der Suchschleife 13 als Folge des Vorliegens

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eines unter der Erde befindlichen Rohres 16 ein Strom induziert wird, wird die Suchschleife 13 in einer Richtung angeordnet, in der der Signalpegel zunimmt, der durch das Meßgerät 20 angezeigt wird. Die Bedienungsperson betätigt dann einen Steuerknopf 17, der im Handgriff der Empfängereinheit vorgesehen ist, bis das hörbare Signal vom Lautsprecher 18 verschwindet und die Anzeige des Meßgerätes 20 herabgesetzt ist. Ein weiteres Absuchen mit der Kombination aus der Sende- und Empfängereinheit wird zu einer Zunahme des Signalpegels am Meßgerät 20 und der Lautstärke des akustischen Signals vom Lautsprecher 18 führen, wodurch die Lage des Metallrohres 16 noch genauer bestimmt wird. Die Empfindlichkeit des Gerätes wird dadurch beibehalten, daß der Steuerknopf 17 wiederholt betätigt wird, um wiederum die Anzeige am Meßgerät 20 und den Pegel des akustischen Signals vom Lautsprecher 18 herabzusetzen. Dieses Verfahren verhindert eine Sättigung des internen !Comparators und erlaubt somit eine bessere Auflösung bei der Lokalisierung des Rohres 16. Wenn schließlich der Spitzenpegel erhalten wird, ist die Lage des Rohres 16 so bestimmt, daß es senkrecht zur Hauptachse der rechteckigen Schleife 15 verläuft. Eine Drehung der Kombination aus der Empfänger- und Steuereinheit 12 und dem Sender 14 wird dann ein Minimalsignal, wenn die Achse A der Kombination mit der Laufrichtung des Rohres zusammenfällt, und ein Maximalsignal liefern, wenn die rechteckige Schleife 15 in einer Ebene liegt, die mit der Laufrichtung des Rohres 16 zusammenfällt.

Wenn die Stelle, an der sich das Rohr befindet, grundsätzlich gefunden ist, können die Sendereinheit 14 und die Schleife 15 von der Empfänger- und Steuereinheit 12 getrennt werden und an einer bekannten Stelle angeordnet werden, um einen Strom im unter der Erde befindlichen Rohr 16 zu erregen. Wenn die Baueinheiten in dieser Weise getrennt sind, ist es möglich, dem Verlauf des unter der Erde befindlichen Rohres 16 mit der Empfänger- und Steuereinheit 12 und der Suchschleife 13 zu

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folgen. Das erfolgt dadurch, daß der Empfänger vertikal bezüglich der vorher lokalisierten bekannten Stelle, an der sich das Rohr befindet, gehalten wird. Wenn die Suchschleife 13 vertikal bezüglich des Bodens gehalten wird, wird eine Spitzenwertanzeige dann registriert, wenn die Ebene der Suchschleif e 1 3 in einer Linie mit dem Rohr 16 liegt. Eine Bewegung des Gerätes unter Beibehaltung seiner vertikalen Ausrichtung und die Spitzensignalänzeige liefern den exakten Verlauf des Rohres 16. Beim Polgen des Verlaufes des Rohres kann die Empfindlichkeitssteuerung 28 betätigt werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und dadurch das Folgen schwacher Signale zu erleichtern. .

Ein Vorteil dieses Ausführungsbexspxels der Erfindung läßt sich anhand von Figur 3-erkennen. Figur 3 zeigt das Verfahren der Bestimmung der Tiefe eines unter der Erde verlegten Rohres mit der Empfänger-und Steuereinheit 12 und der Suchschleife 13. Während der Sender das Rohr 16 erregt, wird die Suchschleife 13 exakt in einer Höhe in einer horizontalen Ebene über dem Rohr angeordnet, bis ein maximaler Signalpegel erreicht wird, d3r anzeigt, daß sich das Rohr in der Mitte unter der Suchsc.ileife 13 befindet und mit der kleineren Achse B der Suchschleife zusammenfällt. Dieses Verfahren erfolgt gewöhnlich mit von der Empfänger- und Steuereinheit 12 getrenntem Sender 14 und getrennter Schleife 15, die annähernd 6 bis 9 m von der Empfänger- und Steuereinheit 12 angeordnet werden. Anschließend werden die Empfänger- und Steuereinheit 12 und die Suchschleife 13 in eine Richtung senkrecht zum vorher bestimmten Verlauf des lokalisierten Rohres jedoch in gleicher Höhe bewegt, bis ein maximaler Strompegel in der Suchschleife 13 induziert wird, was durch das Meßgerät 20 wahrgenommen wird, und ein maximales akusfeisch.es Signal vom Lautsprecher 18 geliefert wird. Bei der Bestimmung dieser Stelle des maximalen akustischen Signales können mehrere Betätigungen des Steuerknopfes notwendig sein, um diese Stelle genau auf einen Punkt festzulegen. Wenn in dieser Weise das

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Spitzensignal wahrgenommen wird, entspricht der Abstand L zwischen der Lage der kleineren Achse B der Suchschleife und der Stelle, an der sich das Rohr befindet, im wesentlichen der Tiefe des unter der Erde verlegten Rohres 16. Für dieses Verfahren und bei diesem Verfahren kann an der Empfänger- und Steuereinheit 12 bequem eine Nivelliereinrichtung vorgesehen werden.

Das oben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Steuerung 25 auf, die eine überprüfung der Batterie sowohl im Sender 14 als auch in der Empfängerund Steuereinheit 12 erlaubt. Es ist gleichfalls eine Steuerung 26 vorgesehen, um den Schwellenwert des akustischen Signals vom Lautsprecher 18 einzustellen. Die relative Lage des Schalters 25 bestimmt, ob das Meßgerät 20 die Batteriespannung des Senders 14 und der Empfänger- und Steuereinheit überwacht. Die Batterien zum Betreiben der Empfänger- und Steuereinheit 12 befinden sich in einem Batteriefach 37.

In Figur 2 ist die Sendereinheit 14 in Verbindung mit der Schleife 15 dargestellt. Die Sendereinheit 14 weist einen Schalter 42 mit Schalterstellungen A,B,C und D auf. Die Schalterstellung A des Schalters 4 2 wird dann gewählt, wenn die Einheit mit der Empfänger- und Steuereinheit 12 in der in Figur 1 dargestellten Weise gekoppelt ist und der Sender 14 über die Batterie der Sender- und Steuereinheit 12 mit Energie versorgt wird sowie mit der Suche nach einem unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstandes begonnen wird. Die Schalterstellung B wird dann verwandt, wenn der Sender und die Senderschleife 15 vom Empfänger getrennt sind und die Senderschleife 15 erregt bleibt. Der Sender wird danach von internen Batterien betrieben. Die Schalterstellung C ist eine kennzeichnende Stellung des vorliegenden Senders, bei der dann, wenn ein Ende eines Metallrohres oder eines Kabels_/dessen Verlauf aufzusuchen ist, bekannt ist, ein Kabel von der Buchse 41 das unter der Erde liegende Rohr direkt anschließt und direkt mit Strom versorgt und die

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Schleife 15 abgeschaltet ist. Die Schalterstellung D des Schalters 42 wird gleichfalls gewählt, um über eine direkte Verbindung das unter der Erde liegende Rohr 16 direkt zu erregen. Der Unterschied zwischen der Schalterstellung C und D betrifft lediglich die Art der Ausgangsschaltung zum Übertragen des Signals auf das Rohr 16. Die Buchse 41 liefert ein Signal von einer Spannungsquelle oder von einer Stromquelle in Abhängigkeit davon, ob die Schalterstellung C oder D gewählt ist. Die Buchse 40 dient dazu, über ein Kabel 19 die Empfänger- und Steuereinheit 12 mit der Sendereinheit 14 zu verbinden, wenn diese Baueinheiten gemeinsam dazu verwandt werden, ein unter der Erde liegendes Rohr zu lokalisieren, wie es in Figur 1 dargestellt ist.

In Figur 4 ist im einzelnen die Schaltung des Senders 14 zum Erregen der Schleife TS dargestellt.

Der Sender 14 enthält eine Batterie 60, die dazu dient, den Sender 14 mit Energie zu versorgen, wenn er von der Empfängerund Steuereinheit 12 getrennt ist. Figur 4 zeigt den Anschluß der Schaltung bei der Art der Suche, bei der sowohl die Sendereinheit 14 als auch die Empfangseinheit 12 miteinander verbunden sind. Bei dieser Arbeitsweise arbeitet die Batterie 60 in der Sendereinheit nicht, da die Energie von der Empfangseinheit über die Buchse 40 und den Anschluß 40a geliefert wird, um die in Figur 4 dargestellte Schaltung mit Energie zu versorgen. Die in Figur. 4 dargestellte Schaltung enthält vorzugsweise einen Oszillator 59, der Schwingungen mit einer Frequenz von annähernd 110 kHz liefert. Diese Schwingungen liegen über den Schalter 42b entweder über einen Transformator 61 an der Suchschleife oder an der Buchse 41, an der das erzeugte Signal direkt über ein Kabel auf ein lokalisiertes Rohrende übertragen werden kann. Der dargestellte Oszillator 59 ist ein Standardtransistoroszillator mit Induktionsspulen 65, 66, 67, 68, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind und in der in der Zeichnung darge-

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stellten Polung angeschlossen sind. Ein Kondensator 70 ist so gewählt, daß er bei einer passenden Frequenz mit der Induktionsspule 68 in Resonanz tritt. Die Induktionsspule 67 liefert ein Bezugssignal, das über den Kontakt 40b an der Buchse 4 0 liegt. Aus der späteren Beschreibung von Figur 5 ist ersichtlich, daß die Buchse 4 0 an der Klemme 40a die Batteriespannung, wenn der Schalter 42 wahlweise in Stellung gebracht, sowie ein Bezugssignal für den Empfänger in Figur 5 liefert.

In Figur 5 ist im einzelnen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltung zur Ausführung der Empfänger- und Steuereinheit 12 von Figur 1 dargestellt.

Wie es in Figur 5 dargestellt ist, ist die Suchschleife 13 über einen Transformatorkern 103 mit einer Primärwicklung gekoppelt, die gleichfalls daran angeordnet ist und mit dem Kabel 22 verbunden ist. Das Kabel 22 endet in einem Stecker P1, der die Steuereinheit 12 von Figur 1 anschließt.

Die Steuereinheit 12 enthält auch eine Buchse J1, die den Stecker P1 am Kabel 22 aufnimmt. Mit der Buchse J1 ist ein Regelverstärker 105 verbunden, der eine Steuerung 28 aufweist, die an der Empfänger und Steuereinheit 12 zugänglich ist. Der dargestellte Verstärker 105 ist kapazitiv mit dem Kabel 22 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 105 liegt am Wählarm eines Teils des Schalters 25 zum Wählen der Arbeitsweise. Der Schalter 25 xst ein mehrteiliger Schalter mit vier gekoppelten Schaltkontakten, die dazu dienen, gleichzeitig verschiedene Bauteile der Empfängerschaltung zu schalten.

Der Teil A des Schalters 25 verbindet den Ausgang des Verstärkers 105 entweder mit einem Spitzenwertdetektor 107 oder mit dem Eingang 109a eines Phasendetektors 109. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Ausgang des Verstärkers 105 am Eingang des Phasendetektors 109. Diese Schaltung entspricht dem Umstand,in dem der Sender und die Schlei-

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fe 14 und 15 in fester Arbeitsverbindung mit der Empfängerund Steuereinheit 12 und der Suchschleife 13 stehen, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Diese Schalterstellung sorgt für eine Aufnahme der Ströme, die in der Suchspule 13 als Folge des Feldes auftreten, das durch das unter der Erde befindliche Rohr 16 in Figur 1 erzeugt wird. Der Phasendetektor liefert nur dann ein Ausgangssignal, wenn der Strom in der Suchschleife 13 eine bestimmte Phasenbeziehung zu dem von der Sendeschleife 15 erzeugten Feld hat. Durch eine Begrenzung der Wahrnehmung auf diesen Umstand ist es möglich, gegenüber von außen kommenden Strömen-.zu unterscheiden, die in der Suchspule 13 induziert werden und die keine Folge des Feldes sind, das durch das unter der Erde befindliche Rohr 16 erzeugt wird. Das führt zu einer Rauschunterdrückung bei der Aufnahme des Stromes in der Suchspule 13.

Der Phasendetektor 109 weist Bezugseingänge 112b und 112a auf, die ein Signal für einen Phasenvergleich mit dem Eingangssignal vom Verstärker 105 liefern. Die beiden Bezugseingänge 112a und 112b werden über einen komplementären Verstärker 112 angesteuert. Der Phasendetektor 109 kann aus einem analogen QUAD-Schalter mit der Bezeichnung CD4016 bestehen, der allgemein bekannt ist.

Das Bezugssignal für den Phasendetektor 109 kommt vom Sender über die Buchse J2. Die Buchse J2 weist einen Leiter auf, der über einen Kondensator 115 mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes 117 und eines weiteren Kondensators 116 verbunden ist. Ein Potentiometer 30, dessen eines Ende mit dem verbleibenden Ende des Widerstandes 117 verbunden ist und dessen anderes Ende am Widerstand 118 liegt, liefert ein Signal mit einer veränderbaren Amplitudenbeziehung zum Signal am Verbindungspunkt des Widerstandes 117 und des Kondensators 115. Ein Differentialverstärker 114 kombiniert das Signal mit veränderlichen Amplitude am nicht invertierenden Eingang 114b mit dem Signal mit konstanter Amplitude am invertierenden Ein-

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gang 114a.

Die beiden Wechselspannungssignale werden durch den Differentialverstärker 114 vektoriell addiert, um ein drittes Wechselspannungssignal zu erzeugen, das eine Phase und eine Amplitude aufweist, die in einer Beziehung zur Phase und Amplitude der Eingangssignale stehen. Das führt dazu, daß am Ausgang des Verstärkers 114 ein Signal erscheint, dessen Frequenz proportional dem über die Buchse J2 gelieferten Sendersignal ist, das jedoch eine wählbare Phase hat.

Der Bezugssignalgenerator 110, der das Bezugssignal für den Phasendetektor 109 liefert, dient dazu, jede Stromanzeige die in der Suchspule 13 wahrgenommen wird, auf Null abzugleichen, die nicht aus dem Feld resultiert, das durch das unter der Erde befindliche Rohr 16 erzeugt wird. Diese von außen induzierten Ströme resultieren aus einer direkten Kopplung von der Senderschleife 15 über den Boden zur Suchschleife 13. Wenn die Empfänger- und Steuereinheit 12 von dem unter der Erde befindlichen Rohr entfernt gehalten wird, wird die Steuerung 30 so lange justiert, bis das Meßgerät 20 oder der Lautsprecher 18 anzeigt, daß kein Signal empfangen wird. Die Steuerung 30 wird so justiert, daß durch ein Anheben oder Absenken der gesamten Baueinheit aus Empfänger- und Steuereinheit 12 und Sender 14 sich keine Änderung im akustischen Signal vom Lautsprecher 18 oder eine Bewegung am Meßgerät 20 ergibt. Dabei wird tatsächlich das Bezugssignal an den Eingängen 112a und 112b des Phasendetektors so lange verändert, bis es eine Phasenbeziehung von 90 zum Bodensignal hat, das am Eingang 109a des Phasendetektors auftritt. Die in der Suchschleife 13 vom elektromagnetischen Feld, das durch das erregte Rohr erzeugt wird, induzierten Ströme haben eine Phasenbeziehung, die sich von denjenigen Strömen unterscheidet, die von anderen elektromagnetischen Energiequellen erzeugt werden, und treten daher in Form einer Ausgangsspannung am Ausgang 109b des Phasendetektors auf.

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Bei in der oben beschriebenen Weise gewählter Phase des Bezugssignalgenerators liegt der Ausgang 109b des Phasendetektors 109 an der Anschlußklemme des Schalters 25b. Wenn sich der Schalter 25 in der Stellung für den Lokalisierungsbetrieb befindet, wie es dargestellt ist, wird ein Eingangssignal vom Phasendetektor 109 der Nullabgleichschaltung 120 geliefert. Wenn die Suchschleife 13 einen induzierten Strom von dem Feld empfängt, das durch ein unter der Erde liegendes Rohr 16 erzeugt wird, beginnt das Eingangssignal am Differentialverstärker 121 anzusteigen. Der/ Differentialverstärker 121 liefert ein Aus gangs signal an-> dem invertierenden Eingang eines zweiten Differentialverstärkers. Dämpfungskondensatoren 126 und 127 sind quer über den Rückkopplungswiderständen vorgesehen, die zu diesen Verstärkern gehören, um den Ausgangsfrequenzgang über eine vorbestimmte Frequenz zu dämpfen. Wenn sich die Bedienungsperson in der Nähe eines Rohres befindet, wird sie bemerken, daß die Anzeige am Meßgerät 20 zunimmt,und daß die Intensität des akustischen Signals vom Lautsprecher 18 zuzunehmen beginnt. Wenn die Intensität des akustischen Signals vom Lautsprecher 18 zunimmt, ist es möglich, genauer die Lage des unter der Erde befindlichen Rohres 16 durch die Betätigung der Druckknopfsteuerung 17 zu lokalisieren. Wenn das Meßgerät 20 eine außerhalb des Anzeigebereiches liegende Anzeige liefert, und der Lautsprecher 18 ein sehr lautes Signal erzeugt, wird die Steuerung 17,die einen Momentschalter umfaßt, betätigt, wodurch die Spannung am invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 121 ansteigt, was dazu führt, daß der Signalpegel am Ausgang des Differentialverstärkers 122 abnimmt. Wenn der Ausgangssignalpegel des Differentialverstärkers 122 auf einen vorbestimmten Wert herabgesetzt ist, kann die Bedienungsperson die Druckknopfsteuerung 17 freigeben, wird sich das Meßgerät 20 innerhalb seines Änzeigebereiches befinden und wird das akustische Signal vom. Lautsprecher 18 auf eine geringere Höhe herabgesetzt sein» Der Kondensator 125 halt die eingestellte Spannung am inverfcie-

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renden Eingang des Differentialverstärkers 121, bis die Druckknopfsteuerung wieder betätigt wird. Die Bedienungsperson kann dann die Suchschleife 13 in die Nähe des unter der Erde befindlichen Rohres 16 bringen, indem sie wieder die Suchschleife 13 so lange bewegt, bis die Signalamplitude, wie sie am Meßgerät 20 aufgezeichnet wird, oder die Höhe des akustischen Signals vom Lautsprecher 18 auf einen Spitzenwert zunimmt.

Die Anzeige des Differentialverstärkers 122 der Nähe des unter der Erde befindlichen Rohres wird dem Differentialverstärker 131 geliefert, wo sie mit einer veränderlichen Bezugsgleichspannung kombiniert wird, die von der Steuerung 26 geliefert wird. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 131 wird über den Widerstand 132 zu dem Ausgangssignal vom Komparator 137 addiert. Der Komparator 137 weist einen ersten Eingang, an dem eine Bezugsspannung liegt, und einen zweiten Eingang auf, der mit dem Ausgang eines Multivibrators 136 verbunden ist. Der Multivibrator 136 ist weiterhin mit dem Bezugssignalgenerator synchronisiert.

Die Schaltung arbeitet derart, daß ein Spannungsschwellenwert, der ausreicht, um ein akustisches Signal vom Lautsprecher 18 auszulösen, durch eine Änderung des Gleichspannungspegels von der Steuerung 26 verändert werden kann. Diese Gleichspannung wird zur Rechteckausgangswelle addiert, die vom Differentialverstärker 131 geliefert wird und eine Frequenz von vorzugsweise 500 Hz hat. Durch eine Addition dieses Gleichspannungsanteils liegt dann, wenn kein unter der Erde verlegtes Metallrohr vorhanden ist, die Schwellenspannung an, so daß so lange kein akustisches Signal durch den Lautsprecher 18 erzeugt wird, bis ein Rohr oder ein Kabel wahrgenommen wird.

Die übrige Energieversorgungsschaltung 140 dient dazu, von einer Batterie 141 die erforderlichen Spannungen zu erzeugen, um die in Figur 3 dargestellte Schaltung zu betreiben.

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Der Schalter 26 ist ein Ein-Aus-Schalter, der in bekannter Weise mit dem Potentiometer 26 gekoppelt ist» Die Schaltung 140 umfaßt eine Standard-Reihen-Regelschaltung, die eine Arbeitsspannung VCC für jeden Schaltungsbestandteil sowie eine Bezugsspannung Vref liefert, die durch einen Spannungsteiler 144 aus der Spannung VCC gebildet wird. Der Verstärker 146 mit dem Verstärkungsfaktor 1 dient dazu, eine niedrige Ausgangsimpedanz für die Bezugsspannung Vref zu liefern.

Die in Figur 5 dargestellte Schaltung beinhaltet die Merkmale der in Figur T dargestellten Vorrichtung, die es erlauben, die Batteriespannung entweder des Senders oder des Empfängers zu überwachen. Wenn der Schalter 28 in die Schalterstellung A gebracht ist, wird die Batteriespannung vom Sender, die über die Buchse J2 anliegt, durch das Meßgerät 20 überwacht. In der Schalterstellung B legt der Schalter 25 die Spannung VCC von der Spannungsversorgungsschaltung 140 an das Meßgerät 20.

Die in Figur 5 dargestellte Schaltung ist gleichfalls in der erwähnten Weise mit einem Spitzenwertdetektor 107 versehen, der eine zusätzliche Arbeitsweise für die Empfänger- und Steuereinheit 12 ermöglicht. Wenn der Sender 14 und die Sendeschleife 15 getrennt sind, ist der Schalter 25 in die Stellung C gebracht, in der der Ausgang des Verstärkers 105 mit dem Eingang 107a des Spitzenwertdetektors 107 verbunden ist. Der Ausgang 107b des Spitzenwertdetektors 107 wird anschliessend mit deia Eingang des Differential Verstärkers 121 verbunden. Wenn die Baueinheit getrennt ist, befinden sich die Sendereinheit 14 und die Suchschleife 13 in der Nähe des vorher lokalisierten Rohres, so daß ein Strom in dem Rohr induziert wird, der ein stabiles Feld liefert, was durch die Suchschleife 13 und die Steuereinheit 12 wahrgenommen wird.Wenn die Arbeitsweise der Wahrnehmung des Spitzenwertes gewählt ist, kann dem Verlauf des Rohres 16 genau gefolgt werden, um eine Anzeige des Rohrverlaufes zu liefern. Die Tiefe des Rohres kann weiterhin in dieser Weise bestimmt werden, wobei die

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Suchschleife 13 genau bei einem minimalen Signal über dem unter der Erde befindlichen Rohr 16 angeordnet wird. Unter Verwendung der Druckknopfsteuerung 17 wird die Suchschleife 1 3 horizontal gehalten und in eine Richtung senkrecht zum Rohr bewegt, bis ein maximaler Meßwert aufgezeichnet wird. Der maximale Meßwert wird durch eine aufeinanderfolgende Betätigung der Druckknopfsteuerung und ein wiederholtes Instellungbringen der Suchschleife 13 erhalten, um die Stelle der maximalen Strominduktion in der Suchschleife 13 zu lokalisieren. Der Abstand zwischen dieser zweiten Stelle und der ersten Stelle entspricht der Tiefe des Rohres 16 unter der Erde. Wenn der Verlauf des Rohres unter der Erde bekannt ist, kann dieser Vorgang dadurch erfolgen, daß nur die kleinere Achse B der Suchschleife 13 so angeordnet wird, daß sie mit dem Rohrverlauf zusammenfällt und daß die Suchschleife 13 vom Rohrverlauf in einer Richtung senkrecht dazu wegbewegt wird, bis ein maximaler Signalstrom wahrgenommen wird, der in der Suchschleife 13 induziert wird. Der Abstand zwischen diesen beiden Stellen gibt die Tiefe des Rohres wie beim vorhergehend beschriebenen Arbeitsvorgang wieder.

Der Spitzenwertdetektor 107 wird auch dann gewählt, wenn die Enden des unter der Erde verlegten Rohres 16 direkt zugänglich sind, um den Sender 15 direkt anzuschließen, wie es im vorhergehenden beschrieben wurde.

Im vorhergehenden wurde ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Lokalisieren eines Rohres und zum Aufsuchen des Rohrverlaufes beschrieben, die dazu verwandt werden kann, die Lage, Tiefe und den Verlauf eines unter der Erde befindlichen langgestreckten metallischen Gegenstandes zu bestimmen. Die Vorrichtung erreicht eine maximale Empfindlichkeit ohne Sättigung, die für Präzisionsmessungen verändert werden kann,und sorgt dafür, daß äußere Signale unterdrückt werden, die in der Suchschleife 13 induziert werden können.

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Leerseite

Claims

BLa.1t PAT EN· T.ANWA LT E A. SRÜNECKER CMPL-ING H. KINKEUDEY DR-ING W. STOCKMAIR 2 9 2 7 8 A 2 OH-ING.-A.SlCM.TECH> *- «* f ~ *Ύ& K SCHUMANN DR RER NAT DPU-PHYS P. H. JAKOB DlFL-INa G. BEZOUD ORBSHNAT-DPt-CHEM 8 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE A3 10. Juli 1979 P 14 050 5 D Electronics, Inc. 500" S.W. Madison Avenue,"Corvallis, Oregon 97530, USA ELEKTRONISCHE VORRICHTUNG ZUM LOKALISIEREN EINES UNTER DER ERDE BEFINDLICHEN LANGGE-STRECKTEN METALLISCHEN GEGENSTANDES. PATENTANSPRÜCHE

1.) Elektronische Vorrichtung zum Lokalisieren eines unter der Erde befindlichen langgestreckten metallischen Gegenstandes, gekennzeichnet durch

a) eine erste und eine zweite geschlossene rechteckige Schleife (15,13), wobei die erste Schleife (15) in einer vertikalen Ebene und die zweite Schleife (13) in einer horizontalen Ebene liegt,

b) eine Einrichtung (14) zum Versorgen der ersten Schleife (15) mit einem elektrischen Wechselstrom, wodurch ein sich änderndes elektromagnetisches Feld erzeugt wird,

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TELEFON (Ο89) 0328 63 TELEX O6-S9 38O TELEGRAMMS MONAPAT TELEKOPIERER

ORIGINAL INSPECTED

c) eine Einrichtung zum Anordnen der ersten Schleife (15) senkrecht zu dem langgestreckten metallischen Gegenstand (16) und der zweiten Schleife (13) parallel dazu, so daß im metallischen Gegenstand (16) ein Strom erzeugt wird, der ein sich änderndes elektromagnetisches Feld zum Induzieren eines Empfangsstromes in der zweiten Schleife (13) liefert,

d) einen Verstärker (105), der eine Spannung liefert, die proportional zu dem in der zweiten Schleife (13) induzierten Strom ist,

e) einen Phasendetektor (109) an dessen erstem Eingang die Spannung vom Verstärker (105) liegt und dessen zweiter Eingang mit einer Phasenbezugssignalquelle (110) verbunden ist,

f) einen Komparator (137), der eine Spannung liefert, die proportional zum Unterschied zwischen der Bezugs spannung und der Ausgangsspannung vom Phasendetektor (109) ist,

g) eine Einrichtung (18,20) zum Anzeigen der relativen Ausgangsspannung des Komparators (137) und

h) eine Einrichtung zum Ändern der Höhe der Bezugs spannung, um die Ausgangsspannung des Komparators nach Maßgabe der Änderungen der Stärke des Stromes in der zweiten Schleife (13) zu ändern, wodurch die relative Stärke des Stromes überwacht werden kann, um die zweite Schleife (13) genau bezüglich des langgestreckten metallischen Gegenstandes (16) in Stellung zu bringen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ändern der Phase des Bezugssignals.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (18) ein akustisches Signal liefert, dessen Stärke proportional der Ausgangsspannung des Komparators (137) ist.

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4. Verfahren zum Bestimmen der Tiefe eines unter der Erde befindlichen langgestreckten metallischen Gegenstandes, dadurch gek enn ζ e ichn et, daß

a) ein Wechselstrom mit bestimmter Frequenz im langgestreckten Gegenstand induziert wird,

b) eine geschlossene Schleife mit zwei parallelen Seiten in einer ersten horizontalen Ebene über dem langgestreckten Gegenstand zentriert angeordnet wird, bis der langgestreckte Gegenstand den gleichen Abstand von jeder der beiden parallelen Seiten hat, so daß ein minimaler Strom in der geschlossenen Schleife induziert wird,

c) die geschlossene Schleife in eine Richtung senkrecht zum langgestreckten Gegenstand in eine zweite Stellung seitlich bewegt wird, bis ein maximaler Strom in der Schleife vom langgestreckten Gegenstand induziert wird und

d) der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Stellung gemessen wird, wobei dieser Abstand die Tiefe des langgestreckten Gegenstandes wiedergibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal eine Frequenz hat, die im wesentlichen gleich der Frequenz des elektrischen Wechselspannungssignals ist.

6. Empfänger zum Wahrnehmen eines elektromagnetischen Feldes, das von einem unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstand erzeugt wird, der einen Wechselstrom führt, g e k enn ze i c h η et durch

a) eine rechteckige geschlossene Schleife (13), die auf das elektromagnetische Feld ansprechend ein Stromsignal erzeugt,

b) einen Verstärker (105), der in Arbeitsverbindung mit der Schleife (13) steht und auf das Stromsignal ansprechend ein Äusgangssignal erzeugt,

c) einen Phasendetektor (109), der eine Spannung liefert, deren Amplitude proportional zum Phasenunterschied zwischen

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dem Ausgangssignal des Verstärkers (105) und einem Bezugssignal ist,

d) eine Einrichtung, die dem Phasendetektor (109) das Bezugssignal liefert, wobei das Bezugssignal eine Phase aufweist, die in einer festen Beziehung zur Phase des Wechselstromes steht,

e) eine Komparatoreinrichtung (137), die eine Spannung liefert, die proportional zum Unterschied zwischen der Ausgangsspannung des Phasendetektors (109) und der Bezugsspannung ist,

f) einen Generator für eine veränderliche Bezugsspannung, der mit der Komparatoreinrichtung (137) verbunden ist, so daß das Ausgangssignal der Komparatoreinrichtung (137) auf einem vorbestimmten Pegel gehalten werden kann und

g) eine Einrichtung zum Überwachen des relativen Unterschieds zwischen der Ausgangsspannung des Komparators (137) und dem vorbestimmten Signalpegel, wodurch die optimale Stellung der Schleife (13) zum Induzieren eines Stromes in der rechteckigen Schleife (13) genau bestimmt werden kann, wobei diese Stellung in einer direkten Beziehung zu der Stelle steht, an der sich der langgestreckte Gegenstand (16) befindet.

7. Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines langgestreckten metallischen Gegenstandes, gekennzeichnet durch

a) eine Einrichtung zum Induzieren eines Wechselstromes im Gegenstand, der eine bestimmte Frequenz hat, so daP ein Wechselfeld erzeugt wird,

b) eine rechteckige Schleife (13) zum Aufnehmen des magnetischen Feldes, wobei die Schleife (13) einen Schleifenstrom mit einer Frequenz erzeugt, die gleich der Frequenz des Wechselstromes ist,

c) eine Verstärkereinrichtung (105), die in Arbeitsverbindung mit der rechteckigen Schleife (13) steht, um auf den Schleifenstrom ansprechend eine Spannung zu erzeugen,

d) einen Spitzenwertdetektor (107), der mit dem Verstärker (105) verbunden ist und eine Spannung liefert, die proportio-

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nal der Spitzenspannung des Verstärkers (105) ist,

e) einen Komparator (137) , der eine Spannung liefert, die proportional zum Unterschied zwischen der Ausgangsspannung des Spitzenwertdetektors (107) und einer Bezugsspannung ist,

f) eine Quelle für eine wählbare Bezugsspannung, die in Arbeitsverbindung mit dem Komparator (137) steht, so daß die Ausgangsspannuhg des Komparators (137) so gewählt werden kann, daß sie einen bestimmten Wert hat und

g) eine Einrichtung, die anzeigt, wenn die Ausgangsspannung des Komparators (137) im wesentlichen auf dem vorbestimmten Wert liegt,

8. Vorrichtung zum Lokalisieren eines unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstandes, gekenn zeich net durch

a) eine Einrichtung zum Induzieren eines Wechselstromes im unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstand (16) , wobei der Strom eine im wesentlichen konstante Phase und Frequenz hat, so daß ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird,

b) eine Einrichtung, die das Vorliegen des elektromagnetischen Feldes wahrnimmt und eine rechteckige Schleife (13) aufweist, die über dem unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstand (16) angeordnet werden kann,

c) eine Einrichtung zum Wahrnehmen eines Stromes in der Schleife (13),

d) eine Einrichtung zum Vergleichen der Phase des Schleifenstromes mit der Phase des induzierten Stromec und

e) eine Einrichtung, die eine Anzeige liefert, wenn der Schleifenstrom eine bestimmte Phasenbeziehung zum induzierten Strom hat, wodurch die vom elektromagnetischen Feld erzeugten Ströme wahrgenommen werden, die das Vorliegen eines metallischen Gegenstandes (16) anzeigen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch

a) eine Einrichtung zum Vergleichen der Stärke des wahrge-

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nommenen Stromes mit einem Bezugssignal,

b) eine Einrichtung, die ein Bezugssignal an die Vergleichseinrichtung legt,

c) eine Einrichtung, die mit der Vergleichseinrichtung verbunden ist und den relativen Unterschied in der Stärke des wahrgenommenen Stromes und der Höhe der Bezugsspannung anzeigt und

d) eine Einrichtung, die die Amplitude des Bezugssignals verändert, so daß die Lage des unter der Erde befindlichen metallischen Gegenstandes dadurch genau bestimmt werden kann, daß die rechteckige Schleife sukzessiv bewegt wird und entsprechende Justierungen des Bezugssignals erfolgen.

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