DE3906678A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents
BeschleunigungsmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser, insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich Beschleunigungsmesser für im
Bohrloch positionierte Instrumente zum Messen eines
Bohrlochs.
Die US-PS 14 92 142 offenbart einen Beschleunigungsmesser
mit einem Gehäuse, das eine Kammer bildet, einem
magnetisierbarem Strömungsmittel innerhalb der Kammer,
einem Permanentmagneten, der in der Kammer von dem
magnetisierbaren Strömungsmittel unter Ausrichtung
seiner Pole entlang einer Verschiebeachse magnetisch ab
gestützt und aus einer Nullstellung entlang der Ver
schiebeachse von einer aufgebrachten Kraft verschiebbar
ist, und einer Fühleinrichtung, die eine Verschiebung
des Permanentmagneten entlang der Verschiebeachse
feststellt und ein die aufgebrachte Kraft darstellendes
elektrisches Signal liefert.
Dieser Beschleunigungsmesser muß vor der Verwendung
kalibriert werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß
die erforderliche Kalibrierung des Beschleunigungsmessers
dazu neigen kann, unter den im Bohrloch herrschenden
hohen Temperaturen und Vibrationen zu driften, was zu
Meßungenauigkeiten führen kann. Es wird angenommen,
daß dieses Driften auf Änderungen der wirksamen Masse
der Prüfmasse des Beschleunigungsmessers zurückzuführen
ist, die durch Änderungen in der Verteilung der Magnet
teilchen in dem Strömungsmittel und in der magnetischen
Wechselwirkung zwischen diesen Teilchen und dem Magneten
entstehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine
neue Form eines Beschleunigungsmessers zu schaffen,
der unter solchen Bedingungen bessere Leistung erbringt.
Ein Beschleunigungsmesser zur Lösung dieser Aufgabe ist
im Anspruch 1 angegeben.
Bei dieser Anordnung ist die Prüfmasse so abgestützt,
daß sie dank des Lagers eine praktisch reibungs
lose Bewegung unter der aufgebrachten Kraft ausführen
kann. Das Lager ist so ausgelegt, daß die magnetisier
baren Teilchen im Strömungsmittel durch die magneti
schen Mittel magnetisiert werden, und die resultierende
magnetische Wechselwirkung der Teilchen untereinander
und mit den magnetischen Mitteln erzeugt einen "magne
tischen Druck", der bestrebt ist, die benachbarten Flächen
der Lagerteile getrennt zu halten. Das magnetisierbare
Strömungsmittel und die magnetischen Mittel liefern
mithin permanente magnetische Levitationskräfte, die
zwischen den Lagerteilen wirken. Des weiteren sind
keine besondern Maßnahmen erforderlich, um das magnetisier
bare Strömungsmittel im Raum zwischen den Lagerteilen ab
zudichten, da das magnetisierbare Strömungsmittel durch
magnetische Anziehung innerhalb des besagten Raums gehalten
wird.
Ein solcher Beschleunigungsmesser ist in geringerem Maße
Kalibrierungsdriften als der Beschleunigungsmesser nach
der US-PS 14 92 142 ausgesetzt, da die Prüfmasse durch ein
von der Prüfmasse beabstandetes Lager, anstatt einem
magnetisierbaren Strömungsmittel abgestützt ist, das
die Prüfmasse umgibt und aufgrund magnetischer Wechsel
wirkungen die wirksame Masse der Prüfmasse beeinträchtigen
kann. Das Lager ist sehr robust und im wesentlichen ab
nutzungsfrei sowie wirtschaftlich herstellbar. In dieser
Hinsicht schneidet das Lager bei einem Vergleich mit
anderen Lagerformen wie z. B. Quartzgelenken günstig ab,
die teuer in der Herstellung und leicht beschädigbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
die Prüfmasse eine bewegliche Spule mit einer Mittelachse,
die entlang der Verschiebeachse ausgerichtet ist. Die
Spule umgibt vorzugsweise einen feststehenden Magneten
innerhalb des Gehäuses. Es können Mittel vorgesehen sein,
um der Spule Strom zuzuführen, die mit dem Magnetfeld
des Magneten zusammenwirkt, damit eine Rückstellkraft
auf die Spule wirkt und sie in ihre Nullstellung zurück
stellt.
Die Fühleinrichtung kann eine Elektrodenanordnung
enthalten, die eine bewegliche Elektrode an der Prüfmasse
und eine feststehende Elektrode aufweist, die neben der
beweglichen Elektrode so positioniert ist, daß das
Ausmaß der Überlappung der Elektroden sich in Abhängig
keit von der Verschiebung der Prüfmasse aus der Null
stellung ändert. Die Fühleinrichtung kann ein Signal
zum Steuern des an die Spule angelegten Stroms liefern.
Die Prüfmasse kann an einem Ende eines Arms angebracht
sein, der am anderen Ende durch das Lager schwenkbar so
gelagert ist, daß die Prüfmasse entlang einer gekrümmten
Bahn bewegbar ist. In der Praxis ist die Verschiebung
der Prüfmasse im Einsatz sehr gering.
Das Lager weist ein Drehlager auf, das ein drehbares
Lagerteil mit einem zylindrischen Abschnitt enthält, der in
einer zylindrischen Ausnehmung im feststehenden Lager
teil aufgenommen ist, wobei das magnetisierbare Strömungs
mittel sich in der Ausnehmung im Spalt zwischen den
beiden Lagerteilen befindet. Vorzugsweise weist das
Lager zwei Drehlager auf, die jeweils an einem Ende
einer Lagerwelle angeordnet sind, mit der die Prüfmasse
verbunden ist.
Gemäß einem anderen Aspekts der Erfindung enthält der
Beschleunigungsmesser ein Gehäuse, eine bewegliche Spule,
die innerhalb des Gehäuses so abgestützt ist, daß sie
aus der Nullstellung entlang einer Verschiebeachse von
einer aufgebrachten Kraft verschiebbar ist, und eine
Fühleinrichtung, die eine Verschiebung der Spule entlang
der Verschiebeachse feststellt und ein die aufgebrachte
Kraft darstellendes elektrisches Signal liefert; dabei
enthält die Fühleinrichtung einen variablen Kondensator
mit einer feststehenden Elektrode und einer beweglichen
Elektrode, wobei die bewegliche Elektrode von der Spule
gebildet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend
anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht eines Beschleunigungsmessers,
Fig. 2 einen Axialschnitt entlang der Linie II-II
in Fig. 1 und
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung des
Beschleunigungsmessers.
Gemäß Fig. 1 und 2 weist der dargestellte Beschleunigungs
messer ein zylindrisches Gehäuse 10 aus ferromagnetischem
Material auf, das aus einem schalenförmigen Teil 11 und
einem Oberteil 12 besteht, der im wesentlichen die Form
eines Rings mit einem Schlitz 13 hat. Ein Permanent
magnet 16 ist im Gehäuse 10 angeordnet, wobei ein Pol
mit dem zylindrischen Polschuh 19 magnetisch verbunden
ist, das im Ring angeordnet ist, der vom Oberteil 12
gebildet wird, und der andere Pol mit dem Boden des
schalenförmigen Teils 11 magnetisch verbunden ist. Das
Polschuh 19, der Magnet 16 und das Gehäuse 10 bilden
somit einen Magnetkreis, der ein radiales Magnetfeld
innerhalb eines Ringspalts 14 erzeugt, der das Polschuh
19 umgibt.
Eine ringförmige Prüfmasse 15, die innerhalb des Ring
spalts 14 abgestützt ist, enthält einen Spulenträger 17
und eine um den Träger 17 gewickelte Spule 18. Die
Prüfmasse 15 ist an einem Arm 20 angebracht, der durch
den Schlitz 13 im Oberteil 12 verläuft. Der Arm 20
selbst ist auf einer Lagerwelle 21 schwenkbar gelagert, die
an ihren Enden von Drehlagern 22 bzw. 23 abgestützt wird,
die am Gehäuse 10 durch Lagerhalter 24 und 25 gelagert
sind.
Jedes Lager enthält ein zylindrisches drehbares Lagerteil
26, das in einer zylindrischen Ausnehmung 27 in einem
feststehenden Lagerteil 28 (zur Veranschaulichung des Innen
aufbaus in Fig. 1 im Schnitt dargestellt) aufgenommen
ist. Das feststehende Lagerteil 28 enthält einen Magneten
29, und ein magnetisierbares Strömungsmittel 30 befindet
sich im Spalt zwischen dem drehbaren Lagerteil 26 und
dem feststehenden Lagerteil 28. Das magnetisierbare
Strömungsmittel 30 ist ein Ferroströmungsmittel, das
eine Kolloid-Suspension sehr feiner ferromagnetischer
Teilchen in einer Flüssigkeit wie z. B. einen synthetischen
Kohlenwasserstoffträger enthält. Durch magnetische
Wechselwirkung zwischen dem Magneten 29 und den ferro
magnetischen Teilchen des magnetisierbaren Strömungs
mittels 30 wird das drehbare Lagerteil 26 vom magneti
sierbaren Strömungsmittel 30 außer Anlage mit der Wandung
der Ausnehmung 27 abgestützt. Weiters kann magnetisier
bares Strömungsmittel im Ringspalt 14 vorgesehen sein,
und zwar zwischen dem Polschuh 19 und dem Spulenträger
17 sowie zwischen der Spule 18 und dem umgebenden Ober
teil 12, um die Spule 18 im Spalt 14 zu zentrieren.
Die Prüfmasse 15 kann dadurch im wesentlichen axial
im Ringspalt 14 mittels einer aufgebrachten Kraft
(d. h. die zu messende Kraft) bewegt werden, und die
resultierende Bewegung verursacht eine geringfügige Drehung
des Arms 20 und somit eine geringfügige Drehung des dreh
baren Lagerteils 26 des Drehlagers 22 und 23. Diese
Bewegung wird von einer Fühlanordnung festgestellt, die
zwei Elektroden 31 und 32 aufweist, die an einem
Elektrodenhalter 33 befestigt sind, der von oben im
wesentlichen die Form eines C hat (Fig. 1), so daß
die Elektroden 31 und 32 keine geschlossene Schleifen
bilden.
Die Elektroden 31 und 32 treten in elektrostatische
Wechselwirkung mit der Spule 18, die als bewegliche
Elektrode wirkt, und bilden mit der Spule 18 sozusagen
zwei Kondensatoren, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit
vom Ausmaß der Überlappung jeder Elektrode durch die
Spule 18 ändert. In dieser Hinsicht ergibt sich aus Fig. 2,
daß in der dargestellten Nullstellung die Spule 18
symmetrisch bezüglich den Elektroden 31 und 32 angeordnet
ist und überlappt etwas mehr als die Hälfte der axialen
Erstreckung jeder Elektrode. Wenn sich die Spule 18 in
einer Richtung bezüglich der Nullstellung axial bewegt,
nimmt die Überlappung einer Elektrode zu, und folglich
steigt die dieser Elektrode zugeordnete Kapazität,
während die Überlappung der anderen Elektrode kleiner
wird und folglich die dieser Elektrode zugeordnete
Kapazität abnimmt.
Gemäß Fig. 3 enthält die Steuerschaltung des Beschleuni
gungsmesser einen Oszillators 40, der über gleichwertige
Widerstände 41 bzw. 42 mit den Elektroden 31 und 32
verbunden ist. Im dargestellten Schaltbild bilden die
Elektroden 31 und 32 mit der Spule 18 zwei in Reihe ge
schaltete variable Kondensatoren 43 und 44, die in ihrem
gemeinsamen Punkt geerdet sind. Wenn die Kapazitäten der
Kondensatoren 43 und 44 aufgrund einer Verschiebung der
Spule 18 aus der Nullstellung ungleich sind, sind die
Ausgänge der Kondensatoren 43 und 44 phasenverschoben,
was von einem phasenabhängigen Detektor 45 festge
stellt wird, der entweder einen positiven oder negativen
gepulsten Ausgang, und zwar in Abhängigkeit von der
Richtung, in der Spule 18 verschoben wird, bereitstellt.
Der Ausgang des phasenabhängigen Detektors 45 wird
von einem Integrator 46 integriert, der der Spule 18
einen Ausgang zuführt, der positive oder negative Sägezahnform
hat, je nachdem, ob der gepulste Eingang des Integrators
46 positiv oder negativ ist. Die Spule 18 ist über den
Widerstand 47 geerdet, und der der Spule 18 zugeführte
Strom tritt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld im Spalt
14, damit eine Rückstellkraft auf die Spule 18 wirkt und
sie in ihre Nullstellung zurückzubewegt. Der Ausgang
V = IR ist der Ist-Rückholkraft und folglich der auf
den Beschleunigungsmesser wirkenden angelegten Kraft
proportional.
Claims (10)
1. Beschleunigungsmesser mit einem Gehäuse (10), einer
Prüfmasse (15), die innerhalb des Gehäuses (10) so
abgestützt ist, daß sie aus einer Nullstellung
entlang einer Verschiebeachse von einer aufgebrachten
Kraft verschiebbar ist, und einer Fühleinrichtung
(31, 32, 33), die eine Verschiebung der Prüfmasse (15)
entlang der Verschiebeachse feststellt und ein
die aufgebrachte Kraft darstellendes elektrisches
Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die
Prüfmasse (15) durch Lager (22, 23) abgestützt ist,
die von der Prüfmasse (15) beabstandet sind und ein
bewegliches Lagerteil (26) aufweisen, das mit
der Prüfmasse (15) und bezüglich eines feststehenden
Lagerteils (28) bewegbar ist, wobei sich zwischen
den Lagerteilen ein magnetisierbares Strömungsmittel
(30) befindet und eines der Lagerteile (25, 28)
magnetisches Mittel (29) zum Magnetisieren des
magnetisierbaren Strömungsmittels (30) enthält.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Prüfmasse (15) eine bewegliche
Spule (18) mit einer Mittelachse ist, die entlang der
Verschiebeachse ausgerichtet ist.
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spule (18) einen feststehenden
Magneten (1) innerhalb des Gehäuses (10) umgibt.
4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel (46, 47) vorgesehen sind,
die der Spule (18) Strom zuführen, die in Wechselwirkung
mit dem Magnetfeld des Magneten (16) steht, damit
eine Rückstellkraft auf die Spule (18) wirkt und
sie in ihre Nullstellung zurückstellt.
5. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühl
einrichtung eine Elektrodenanordnung enthält, die
eine bewegliche Elektrode (18) an der Prüfmasse
(15) und eine feststehende Elektrode (31, 32) auf
weist, die neben der beweglichen Elektrode (18)
so positioniert ist, daß das Ausmaß der Überlappung
der Elektroden (18, 31, 32) sich in Abhängigkeit von
der Verschiebung der Prüfmasse (15) aus der Null
stellung ändert.
6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung weiters
einen Oszillator (40), der der Elektrodenanord
nung Wechseleingangssignale zuführt, und einen
phasenabhängigen Detektor (45) aufweist, der
die Phasenänderung des Ausgangs der Elektroden
anordnung feststellt, die durch die Verschiebung
der Prüfmasse (16) verursacht wird.
7. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmasse
(15) an einem Ende eines Arms (20) angebracht ist,
der am anderen Ende schwenkbar im Lager (22, 23) so
gelagert ist, daß die Prüfmasse (15) entlang einer
gekrümmten Bahn bewegbar ist.
8. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager ein
Drehlager (22, 23) ist, das ein drehbares Lagerteil
(26) mit einem zylindrischen Abschnitt besitzt, der
in einer zylindrischen Ausnehmung (27) im fest
stehenden Lagerteil (28) aufgenommen wird, wobei
das magnetisierbare Strömungsmittel (30) sich in der
Ausnehmung (27) im Spalt zwischen den beiden Lager
teilen (26, 28) befindet.
9. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lager zwei Drehlager (22, 23)
aufweist, die jeweils an einem Ende einer Lagerwelle
(21) angeordnet sind, mit der die Prüfmasse (15)
verbunden ist.
10. Beschleunigungsmesser mit einem Gehäuse (10), einer
beweglichen Spule (18), die innerhalb des Gehäuses
(10) so abgestützt ist, daß sie aus einer Nullstellung
entlang einer Verschiebeachse von einer aufgebrachten
Kraft verstellbar ist, und einer Fühleinrichtung,
die eine Verschiebung der Spule (18) entlang der
Verschiebeachse feststellt und ein die aufgebrachte
Kraft darstellendes elektrisches Signal liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung einen
variablen Kondensator mit einer feststehenden
Elektrode (31, 32) und einer beweglichen Elektrode
aufweist, wobei die bewegliche Elektrode von der
Spule (18) gebildet wird.
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