DE383771C - Vorrichtung zum Messen der Abweichung von Bohrungen - Google Patents

Description

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Die Verbesserungen, die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, beziehen sich auf Vorrichtungen, bei denen (wie im Patent 191719 und im französischen Patent 432557 beschrieben) eine weite, lange, zylindrische Büchse, die zum Messen mittels geeigneter Mittel in das Bohrrohr hinabgelassen werden kann, eine Vorrichtung enthält, deren Hauptteil ein unter dem Einfluß der Schwere frei schwingendes Pendel ist. Die Relativstellung in bezug auf die Senkrechte der Büchse, die in die Rohrleitung eingeführt ist (und die die Neigung dieser letzteren an der Stelle, wo die Büchse herabgelassen wurde, eingenommen hat), wind über Tag durch eine Reihe von elektrischen Signalen angezeigt, die durch die Pendelschwingung bewirkt werden und die bereits beschrieben wurden. Es wird genügen, hier noch einmal hervorzuheben, daß das Pendel zu Beginn jeder Messung eine kreisende Bewegung erhalten muß, und es muß dann, sich selbst überlassen, während der ganzen Zeit des Signalgebens diese kreisende Bewegung beibehalten (wobei jedoch die Schwingungsweite unter den Einflüssen der Reibung, des Kontaktes für das Signalgeben, des Luftwiderstandes usw. verringert wird).

Vorliegende Erfindung bezieht sich besonders auf eine besondere Aufhängungsart des Pendels und auf eine Vorrichtung, die in geeigneter Weise die Erzeugung der Kreis» schwingung des Pendels auf elektrischem Wege von der Oberfläche her gestattet, und zwar ohne Rücksicht auf die jeweilige Relativstellung der Büchse in bezug auf das Pendel. Ferner betrifft vorliegende Erfindung verschiedene Einzelheiten, die unten beschrieben werden.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß es unmöglich war, die Pendelaufhängung durch eine gelenkige Vorrichtung, wie z. B. eine Kardanaufhängung, wegen Reibungen, Spielen usw., die störende Einflüsse verursachen, herzustellen: man wurde auf elastische Vorrichtungen hingewiesen, die durch ihre elastische Rückholkupplung die Wirkung der Schwere so zur Sicherung der Pendelschwingung unterstützen. Diese elastische Rückholkupplung muß in allen Richtungen unbedingt den gleichen Wert haben, da sonst die elliptische Bahn, die zu Anfang annähernd kreisförmig ist, sich durch periodisches Abflachen verändert, so daß dann die übertragenen Signale unbrauchbare Anzeigen geben. Mit der Aufhängung gemäß vorliegender Erfindung ist das gewünschte Ergebnis zu erreichen. In den beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigt:

Abb. ι eine schematische Darstellung der ganzen Vorrichtung,

Abb. 2 einen Schnitt durch die Aufhängung, Abb. 3 und 4 Grundrisse der zur Aufhängung dienenden Federn,

Abb. 5 einen Schnitt durch die Vorrichtung zum Anwerfen des Pendels, \

Abb. 6 bis 8 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Anwerfens. ^:

Das in Abb. r schematisch dargestellte j Pendel wird von der Stange 6 gebildet, die auf : beiden Seiten durch die (später beschriebene, die freie Schwingung sichernde) Aufhängung ι hindurchgeht. Die Stange 6 trägt am unteren Ende das Gegengewicht 5, welches ! das Pendel in die Senkrechte zu bringen sucht. Unter dem Gewicht 5 befindet sich die Anwerfvorrichtung 2 (d. h. die Vorrichtung, die zu Beginn dem Pendel eine Kreisschwingung geben soll). Diese letztere Vorrichtung wird auch später beschrieben.

Die beiden Teile, Aufhängung 1 und Anwerfer 2, sind in einem ein Gehäuse bildendes Rohr 3 befestigt. Das obere Ende der · Stange 6 des Pendels trägt den Kontakt 7, der mit leichter Reibung am ebenfalls im Rohr 3 befestigten Teil 4, der die Form einer konkaven Schale hat, gleitend die Abgabe der obenerwähnten elektrischen Signale bewirkt.

Die die in Abb. 2 dargestellte Aufhängung ι bildenden Teile bestehen in der Hauptsache aus einer Aufhängefeder, die, wie in Abb. 3 gezeigt, aus einer elastischen Metallplatte von geeigneter Form besteht. Der arbeitende biegsam« Teil ist der äußere runde Teil 11, der fast ein ganzer Kreis ist. An der Unterbrechungsstelle setzt er sich in den radialen Teilen 12 und 13 fort, die an den halbkreisförmigen Befestigungsstellen 14 und 15 enden. Diese letzteren sind, wie aus Abb. 2 ersichtlich, dicker als der äußere Teil 11, so daß jede von der Feder verlangte Biegung ausschließlich im Teil 11 erfolgt.

Der Befestigungsteil 14 ist mittels des Teiles 16 am Körper 17 befestigt, der die ganze Vorrichtung trägt und selbst auf dem mit dem Rohrgehäuse 3 (Abb. 1) einen Teil bildenden Sitz 18 festgeschraubt ist.

Der andere Befestigungsteil 15 ist an der Stange 6 an deren Teil 20 mit größerem Durchmesser befestigt.

Demgemäß könnte diese Feder mit einer Schraubenfeder von rechteckigem Querschnitt und mit nur einer Windimg verglichen werden. Es ist also wohl zu verstehen, daß, um die Feder oben zu erhalten, da sie, wenn das Pendel senkrecht steht, der achsialen Beanspruchung des Pendelgewichts unterworfen ist, die Feder bei der Herstellung eine entsprechende Form erhalten muß; wenn man dann das Rohrgehäuse 3 um einen kleinen Winkel zur Senkrechten neigt, kann, dank der Winkelbiegsamkeit der Feder, das Pendel, angetrieben vom Gewicht der Masse 5, schwingen, indem es sich um einen festen Mittelpunkt dreht, der vom Schnittpunkt der Pendelachse mit der Mittelebene der Feder gebildet wird.

Es wurde gesagt, 'daß die auch im Winkel elastische Kupplung unbedingt in allen Richtungen gleich sein müsse.

Die Rechnung zeigt, daß dieses Ergebnis theoretisch mit der hier beschriebenen Federform erreicht wird. Deshalb muß ein passendes \*erhältnis zwischen Höhe und Breite des rechteckigen Querschnitts des biegsamen Teils 11 gegeben werden.

In der Praxis ist demnach, infolge geringer Unvollkommenheiten, sei es in der Zusammensetzung des Materials, sei es in der Form, die wenn auch sehr große Annäherung für die vorliegende Anwendung nicht ausreichend. Infolgedessen ist eine Zusatzvorrichtung erforderlich, deren Zweck es ist, die elastische Kraft einer sehr schwachen Feder in der Richtung noch anzusetzen, wo die Rückholkupplung der Hauptfeder ein Minimum ist.

Diese kleine Feder 22 hat die Form eines geschlitzten Ringes (Abb. 4). Sie wird konzentrisch zur Hauptfeder 11 in die Mittel-

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ebene der letzteren eingesetzt, wie aus Abb. 2 zu erkennen ist. Das eine Ende 23 der Feder 22 ist am Teil 24 'befestigt, der sich mit seinem Ring 25 auf dem Teil 20 des Pendels 6 drehen kann. Das andere Ende ist frei und stützt sich nur mit einem bestimmten Punkte auf eine Spitze 28, die an dem am Körper 17 befestigten Teil 26 befestigt ist.

Durch die Drehung des Ringes 25 auf dem Teil 20 dreht sich die Feder 22 ganz um die Hauptachse, und da die Spitze 28 feststehend gedacht ist, ändert man auf diese Weise den Bogen zwischen dem Punkte 23 und der Spitze 28 und infolgedessen die Biegsamkeit

(d. h. die Kraft, mit der die Feder 22 sich auf die Spitze 28 stützt). Die zweite Einstellung, die zur Orientierung des Angriffspunkts der Hilfskraft dient, wird durch Drehung des Teiles 26, der die Spitze 28 trägt, erhalten mittels der Tangentenschraube 27. Wenn die geeignete Einstellung da ist, wird alles zusammen durch die Druckschraube 29 festgestellt.

Aus der Anwendung einer Feder als Aufhängungsmittel ergibt sich, daß die von der Feder gebildete elastische Kupplung sich, außer bei einer Neigung der Vorrichtung, einer genauen Einstellung des Pendels in die Senkrechte in der Ruhestellung widersetzt; in der Tat ist der Winkel zwischen Pendel und Vorrichtungskörper stets viel kleiner als der Winkel, den die A'orrichtung selbst mit der Senkrechten und in einer konstanten Beziehung mit dieser letzteren bildet. Je kräftiger die Feder ist, desto geringer wird das Verhältnis des Winkels zwischen dem Pendel in der Ruhe und der Vorrichtung und des Winkels zwischen der Vorrichtung und der Senkrechten des Ortes sein. Auf diese Weise können durch Anwendung genügend starker Federn beträchtliche vertikale Abweichungen mit einer Vorrichtung mit geringem Durchmesser gemessen werden.

Die Anwendung einer Feder mit nicht nur seitlich, sondern auch in der Richtung der Achse biegsamer Aufhängung ermöglicht es, sie den oft ziemlich starken Beanspruchungen in der Längsrichtung der Vorrichtung zu entziehen, wie solche auftreten, wenn die Vorrichtung in die Rohrleitung eingeführt wird. Es genügt zu diesem Zwecke, eine Reihe von Anschlägen in jeder Richtung vorzusehen, auf die das Pendel aufsetzen kann.

Einer dieser Anschläge, und zwar der, der sich der Bewegung des Pendels von unten nach oben widersetzt, besteht aus einer Platte 19 unter dem Körper 17 aus halbhartem Material (Fiber, Kupfer usw.). Der untere Teil dieser Platte 19 ist konvex gekrümmt.

Gegenüber der Platte 19 befindet sich auf dem Pendel eine gekrümmte Querschale 21. Zwischen beiden Teilen bleibt ein für die Schwingbewegung des Pendels genügender freier Raum. Der Anschlag für die entgegengesetzte Richtung ist unten vorgesehen, wie später beschrieben wird.

Bezüglich der Anwerfvorrichtung muß zunächst daran erinnert werden, daß im allgemeinen, wenn ein Pendel, das in allen Riehtungen schwingen kann, wie das hier beschriebene, eine kreisende Bewegung hat, diese Bewegung als Resultierende zweier einfacher Schwingbewegungen mit gleichem Ausschlag angesehen werden kann, wobei die letzteren rechtwinklig zueinander gerichtet und um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind. Ein Mittel zum Hervorrufen dieser Kreisbewegung kann also so angesehen werden, als ob es in zwei bestimmten Zeiten von der Ruhe aus erfolgt: Das Pendel mit gleicher Kraft erst in der Richtung des Radius des zu beschreibenden Kreises anstoßen und dann im geeigneten Augenblick ihm einen passenden tangentialen Anstoß geben, so daß die beiden Ellipsenachsen, die im allgemeinen die Schwingung bilden, gleich sind und daß infolgedessen die Ellipse ein Kreis ist.

Dieses Ergebnis erhält man, wenn man von der Oberfläche eine Vorrichtung, die in die Rohrleitung eingesetzt ist und infolgedessen eine gewisse Neigung zur Senkrechten, von · veränderlichem Wert und Richtung sein kann, mittels der weiter unten beschriebenen Vorrichtung betätigt, wobei man die Anziehungskraft eines Elektromagneten mit einem einzigen Stromstoß benutzt.

Diese Vorrichtung ist im Schnitt in Abb. 5 dargestellt. Die Pendelstange 6 trägt am unteren Ende eine kleine Platte 32 von nach unten gekrümmter Form. Diese Platte besteht aus halbweichem Material (wie z. B. Messing). Das spitze Ende eines Hebels 33 kann in einem gegebenen Augenblick in die Platte 32 eingreifen, um das Pendel aus seiner Mittelstellung zu bewegen -und ihm dann eine kreisende Bewegung zu erteilen, wie gleich beschrieben wird. Zu diesem Zweck ; kann der Hebel 33 frei um eine Achse 34 : schwingen,, die in einer Kappe 35 liegt, welch letztere selbst auf der senkrechten Achse 36 befestigt ist. Die winklige Bewegung des Hebels 33 in bezug auf die Kappe 35 wird durch

■ Anschläge begrenzt. Im Ruhezustand ruht dieser Hebel 33, der einen kleinen Gewichtsj ausschlag nach rechts hat, frei auf einem die-

■ ser Anschläge, und zwar so, daß für diese Stellung die Spitze des Hebels 33 genau in der Drehachse der Welle 36 liegt. Für die in

^; Abb. 5 gezeigte Stellung, wo die Welle 36 in [ ihrer unteren Stellung ist, sieht man, daß die

Spitze des Hebels 33 ein wenig unter der Platte 32 liegt, so daß das Pendel frei schwingt.

Die Welle 36 kann einerseits in dem festen Support 38 gleiten und sich drehen, anderseits in seinem unteren Teil durch die Hülse 41 frei in dem Teil 39 aus weichem Eisen gleiten, der die bewegliche Armatur eines Elektromagneten bildet, der weiter unten noch besonders besprochen wird. Diese Welle 36 kann also zu gleicher Zeit sich drehen und senkrecht steigen unter Beibehaltung derselben Vertikalachse. Die vertikale Bewegung wird nach unten durch den festen Ouerteil 42 begrenzt, der einen Anschlag bildet. Diese Doppelbewegung des Hebens und der Drehung wird durch die Mutter 40 erteilt, die von der beweglichen Armatur 39 getragen auf einem Längsgewinde auf der Welle 36 sitzt. Dieserhalb kann die Armatur 39 nicht steigen, ohne sich gleichzeitig zu drehen. Durch den an der Armatur festen Ouerteil 42 wird diese Bewegung so gehindert, daß bei der Vertikalbewegung, beispielsweise beim Steigen, sie sich spannt, sei es, daß sie nur die Welle 36 hebt, wenn sie an der Drehung verhindert wird, sei es, daß sie sich nur dreht, wenn sie in der Höhenveränderung angehalten wird. Eine oder die andere dieser Bewegungen erhält man mittels des kleinen Nockens 52 (Abb. 6), der auf dem oberen Ende der Welle 36 sitzt und der die Form eines Kreissektors hat. Dieser Nocken kommt in Eingriff mit einem Finger 53 am Support 38, über oder unter dem er frei gehen kann, jedoch mit nur sehr wenig Spiel.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

In der Ruhestellung sind die Teile in der in Abb. 5 gezeigten Stellung. Die Welle 36 liegt infolge ihres Gewichts auf dem Anschlag 42 auf. Sie befindet sich also in ihrer unteren ί Stellung. In dieser Stellung befindet sich die j Spitze 33 ein wenig unter der Platte 32 des ; Pendels. In Abb. 6 sieht man die gegenwärtige Stellung des Nockens 52 und des ; Daumens 53 in diesem Augenblick, wobei der Nocken in punktierten Linien dargestellt ist.

Wenn der Strom durch die Spule 43 geht, wird der erzeugte Stromkreis durch den äußeren Rahmen 44, den aufgeschraubten Deckel 46, den Ring 47, die bewegliche Armatur 39 und das Polstück 49 geschlossen. Zwischen dem Ring 47 und der beweglichen Armatur 39 besteht ein kleiner konstanter Luftzwischenraum, um Reibung zu vermeiden, aber die Armatur 39 und das Polstück 49 haben einen verringerten Querschnitt, der dadurch bestimmt wird, daß der Zwischenraum in jedem Augenblick des I Laufes einen Stromkreis gibt, dessen Längs- ; anziehung einem Gesetze folgt, das dem der I Rückholfeder 50 vergleichbar ist. ' Diese durch die Mutter 51 regelbare Feder 50 erzeugt die Kraft, die das Anwerfen sichert, während der Stromdurchgang durch die Spule 43 nur die Vorrichtung zum Ani werfen bildet.

I Bei der absteigenden Bewegung der Anna- ! tür 39, hervorgerufen durch das Hindurchfließen des Stromes, bewirkt die Mutter 40, die auf der Welle 36 sitzt und nicht nach unten gehen kann, eine Drehung der Welle 36 (und zwar in der dem Pfeil in Abb. 6 entgegengesetzten Richtung). Während dieses ■ Rücklaufs geht der Nocken 52 unter dem ^: Daumen 53 weg. Bei Beendigung der absteigenden Bewegung der Armatur 39 nimmt der Nocken 52 die in Abb. 6 in vollen Linien : gezeigte Stellung ein, wo ein bedeutender j winkliger Spielraum zwischen dem Nocken ! und dem Daumen erkennbar ist. Diese Bewegung ist auch in Abb. 7a dargestellt, die eine schematische Darstellung von Nocken- und Daumenbewegung ist. Die Anfangsstellung des. Nockens ist in punktierten Linien, die Rückwärtsbewegung durch den unteren Pfeil und die Endstellung des Nockens in \'ollen Linien angegeben.

Der Strom wird dann ausgeschaltet, und die Armatur steigt unter der Wirkung der Feder 50 wieder auf. Im ersten Augenblick kann unter dem Druck der von der Armatur 39 getragenen Mutter 40 die ganz freie Welle 36 gleichzeitig steigen und sich drehen. Infolge des Widerstandes des Armes 35 gegen die Drehung steigt die Welle 36 schneller als sie sich dreht; schließlich stößt der Nocken 52 gegen den Daumen 53 (Abb. 7b). Die Welle 36 kann sich dann nicht weiterdrehen und steigt nur so lange, bis der Nocken 52 über den Daumen 53 hinweggehen kann. Sofort dreht sie sich wieder (Abb. 7c). Wenn die Armatur 39 am Ende eben angekommen ist, dann befinden sich die beiden Teile 52 und 53 in der mit vollen Linien angegebenen Stellung in Abb. 7d. Da die Mutter 40 angehalten wird, geht die Welle 36 infolge ihres Eigengewichts unter Drehung wieder nach unten fs. den Pfeil in Abb. 7d) und nimmt schließlich die in Abb. 7'd in punktierten Linien angebene Ruhestellung wieder ein.

Zusammengefaßt ist zu erkennen, daß während des Steigens der Armatur die Welle 3Γ) folgende Bewegungen nacheinander ausführt:

1. Aufsteigen ohne Drehung,

2. Drehung der Welle, wenn sie in ihrer oberen Stellung angekommen ist, ohne wieder nach unten gehen zu können, solange sie

mit dem Nocken 52 auf den Daumen 53 aufliegt,

3. freies Absteigen der Welle unter Drehung.

-Diese verschiedenen Bewegungen der Welle 36 bewirken folgendes:

Während der ersten Bewegung kommt die von der Welle 36 getragene und mit letzterer aufsteigende Spitze 33 mit der zum Pendel 6 gehörenden Platte 32 in Berührung und sticht in diese Platte ein (Abb. 8a, die die gegenseitige Stellung des Hebels 33 und der Platte 32 im Augenblick der Berührung darstellt; der Hebel 33 ist schematisch dargestellt). Die Welle 36 steigt weiter, und die die Platte 32 berührende und darauf nicht gleitende Spitze 33 bringt die Platte 32 durch, einen schrägen Stoß aus ihrer Mittelstellung. Diese Bewegung setzt sich während der ganzen ersten Periode fort, bis schließlich am Ende dieser Periode die Teile 32 und 33 in der in Abb. Sb angegebenen Stellung angelangt sind. Der Hebel 33 liegt dann an seinem zweiten Anschlag an, und das Pendel ist aus seiner Mittelstellung um ein Stückentfernt worden, das gleich dem Radius des zu beschreibenden Kreises ist.

Die zweite Bewegungsperiode der Welle 36 (Drehung in gleichbleibender Höhe) gibt dem Pendel einen tangentialen Anstoß. Die immer noch mit der Platte 32 in Berührung befindliche Spitze 33 bewirkt die kreisende Bewegung der Platte, indem sie ihr eine wachsende kreisende Bewegung erteilt, während sie sich selbst mit der Welle 36 dreht, ohne absteigen zu können.

In der dritten Bewegungsperiode steigt die Welle 36 mit der Spitze 33 wieder nach unten, so daß die Berührung der letzteren mit der Platte 32 aufhört. Dadurch wird die Platte 32 freigegeben, und das Pendel behält die im Augenblick des Aufhörens der Berührung vorhandene kreisende Bewegung bei. Auf diese Weise erhält man eine Bewegung, die man durch Einstellen der Kraft der Triebfeder 50 mittels der Mutter 51 zwecks Regelung des tangentialen Anstoßes so genau kreisförmig machen kann, wie man es wünscht.

In dem Schnitt in Abb. 5 ist etwa in gleicher Höhe mit der Spitze 33 ein Ring 54 vorgesehen, der in das Rohrgehäuse 3 eingeschraubt ist. Dieser Ring hat in der Mitte ein Loch, durch das die Spitze 33 hindurchgehen kann. (Das Loch ist aber kleiner als die Platte 32.) Unten ist der Ring konkav ausgebildet. Er dient als Anschlag für die Platte 32, um deren Bewegung von oben nach unten zu hemmen, wie es oben schon erwähnt wurde.

Claims (4)

-Ansprüche :

1. Vorrichtung zum Messen der Abweichung von Bohrungen durch Schwingungen eines in das Innere des Bohrrohres hinabgelassenen Pendels, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel mittels einer Feder von der Form eines unterbrochenen Ringes aufgehängt ist, dessen eines Ende am festen Gehäuse der Vorrichtung befestigt ist, während das andere Ende mit dem Pendel verbunden ist, wobei diese Feder theoretisch für denselben Biegungswinkel eine in allen Richtungen konstante Kupplung darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge beliebiger Art vorgesehen sind zum zeitweisen Aufhalten der Pendelstange, wenn letztere starken achsialen, der Aufhängung schädlichen Beanspruchungen ausgesetzt ist, wie solche bei dem Einführen des Pendels in oder bei dem Herausziehen aus dem Bohrrohr auftreten können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung und Korrektion der Hauptfeder eine ringförmige Hilfsfeder vorgesehen ist, deren Länge und Stellung je nach Bedarf veränderlich sind, und die es gestattet, praktisch vollkommen genau die Gleichheit der Schwingungswerte des Pendels während der Dauer einer Arbeit zu regeln.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine von der Oberfläche mittels eines einzigen Stromstoßes zu steuernde, das Pendel anwerfende Vorrichtung, die einen schwingenden, auf einer drehbaren und verschieblichen Stange angeordneten Hebel trägt, welche Stange mittels einer Mutter mit dem Kern eines Elektromagneten verbunden ist, wobei der vom stromdurchflossenen Elektromagneten angezogene Kern in -seine Anfangsstellung durch eine Feder zurückgebracht wird, die den Hebel anhebt, dessen Spitze in das Pendel eingreift und es aus seiner vertikalen Lage bringt, während die durch die auf der den Hebel tragenden Stange gleitende Mutter erzeugte Drehung des Hebels einen tangentialen Anstoß gibt, der das Anwerfen des Pendels sichert.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.