DE3906678A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents

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.