DE4101348C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung einer Zielbohrstange gegenüber der magnetischen Nordrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung einer Zielbohrstange im untertägigen Berg- und Tunnelbau gegenüber der magnetischen Nordrichtung.

Bekannt ist es, zur Gewinnung einer ortsunabhängigen und absoluten Bezugsrichtung Kompaßnadeln zu benutzen. Um mechanische Systeme möglichst zu vermeiden, ist es auch bereits bekannt, Induktivsysteme und in neuerer Zeit so­ genannte Magnetfeldsensoren einzusetzen. Diese Magnet­ feldsensoren weisen eine zur Messung des Erdmagnetfeldes notwendige Empfindlichkeit auf. Das hierbei angewendete, allgemeine Meßprinzip beruht auf der Zerlegung des Feld­ vektors in seine Einzelkomponenten, wobei derartige Meß­ prinzipien nur mit Erfolg verwendet werden können, wenn keine ferromagnetischen oder magnetischen Metallkörper im Einflußbereich angeordnet sind.

Darüber hinaus ist nach der US-PS 38 35 375 eine Vorrich­ tung bekannt, mit deren Hilfe die Richtung eines magneti­ schen Störfeldes ermittelbar ist. Der dazu vorgesehene einzige Sensor weist eine Vielzahl von ringförmig auf einen Kern aufgezogen Spulen auf. Die Größe der ma­ gnetischen Störung wird mit Hilfe einer nach Norden aus­ gerichteten, als Teilsensor fungierenden Spule gemessen, wobei dieser Wert mit den Werten anderer Teilsensoren verglichen und somit der Winkel des magnetischen Stör­ feldes, bezogen auf den magnetischen Nordpol, ermittelt wird. Mit einer derartigen Vorrichtung ist aufgrund einer nicht vollständigen Kompensation des Störfeldes nur eine bedingte Präzision, bezogen auf die Nordrichtung, erreichbar.

In der GB 2 158 587 A ist weiterhin ein aus einem Sensor bestehendes Meßinstrument beschrieben, das innerhalb ei­ nes Bohrgestänges angeordnet ist, und das durch die Er­ mittlung der Fehler während einer Kalibrierungsphase au­ ßerhalb des Bohrlochs eine Fehlerkorrektur bei der Boh­ rung ermöglicht. Spätere Änderungen der Störgrößen können beim Bohrvorgang nicht mehr berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ermittlung des magnetischen Nordpols zu schaffen, bei der die oben genannten Störgrößen minimiert bzw. weitestgehend ausgeschaltet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe wird mit Hilfe der im einzigen Patentanspruch dargelegten Merkmale durchgeführt.

Bei einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist es mög­ lich, den Verlauf der magnetischen Feldstärke radial zum Metallkörper zu ermitteln und so den magnetischen Nordpol zu bestimmen. Die einzelnen um den Metallkörper verteilt angeordneten Sensoren ermöglichen die einwandfreie Er­ mittlung der magnetischen Feldstärke, auch wenn dabei ein geradliniger Verlauf der Feldlinien nicht gegeben ist.

Befindet sich ein ferromagnetischer Metallkörper im Ma­ gnetfeld, so werden die Feldlinien aus der Umgebung in den ferromagnetischen Körper hineingezogen und verdichten sich dort. Dadurch ergibt sich bei der radial um 360° ge­ messenen magnetischen Feldstärke eine gegenüber der theo­ retischen Kurve symmetrisch veränderte Kurvenform. Die Nulldurchgänge sind jedoch nicht verschoben, so daß eine Phasenverschiebung nicht auftritt. Um diese Störgröße kompensieren zu können, sieht die Erfindung vor, daß min­ destens zwei Sensorpaare um die Zielbohrstange herum ver­ teilt angeordnet und mit einem Multiplexer verbunden sind, der sie nacheinander abtastend geschaltet ist. Zwei derartig angeordnete Sensorpaare bewirken eine Kompensa­ tion der Beeinflussung des Magnetfeldes. Die Ausgänge der Sensoren werden dem Multiplexer zugeführt und nacheinan­ der abgetastet. Durch die nachfolgende Tiefpaßfilterung wird der Effekt eines um den Metallkörper bewegten Sen­ sors erreicht, und auf diese Weise kann insbesondere bei Umschaltung der Sensoren ein einwandfreies Signal ermit­ telt werden. Aus der Phasenverschiebung zwischen Grund­ welle und Impulsansteuerung wird der Winkel gegen Nord gewonnen.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß eine die nachteiligen Einflüsse des Metallkörpers mini­ mierende Vorrichtung geschaffen ist, mit der der magneti­ sche Nordpol einwandfrei bestimmt werden kann.

Gerade im untertägigen Bergbau, wo erhebliche Störein­ flüsse durch die Zielbohrstange, aber auch andere Fakto­ ren vorhanden sind, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine jeweils nahezu einwandfreie Ermittlung der jeweiligen Lage der Zielbohrstange durchgeführt wer­ den, ohne daß die Gefahr besteht, daß entsprechende Ein­ flüsse sich auswirken. Damit wird nicht nur die Identifi­ zierung der jeweiligen Lage der Zielbohrstange erreicht, sondern auch die Möglichkeit gegeben, aufgrund der ermit­ telten Abweichungen von der Bohrrichtung diese durch Ge­ genmaßnahmen auszugleichen.

Anhand der Figuren wird die Erfindung weiter erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Zielbohrstange im Querschnitt mit inte­ grierten Sensoren im Magnetfeld,

Fig. 2 das Ausgangssignal der jeweils umgeschalteten Sensoren,

Fig. 3 den theoretischen Verlauf der Grundwelle,

Fig. 4 das theoretische Signal bei nicht verzerrtem Magnetfeld,

Fig. 5 Signal aus rotierenden Sensoren bei verzerrtem Magnetfeld und

Fig. 6 Signal aus umgeschalteten Sensoren bei verzerr­ tem Magnetfeld.

Fig. 1 zeigt eine angedeutete Zielbohrstange 11, der eine Vielzahl von Sensoren 1-8 zugeordnet ist. Diese verschiedenen Sensoren werden umlaufend durch einen Mul­ tiplexer 9 abgetastet, so daß dadurch der Effekt eines um den Metallkörper, d. h. die Zielbohrstange 11 bewegten Sensors erreicht wird.

Die Sensoren 1-8 sind jeweils zu Sensorpaaren F1, 5; 2, 6; 3, 7 und 4, 8 in die Zielbohrstange 11 integriert, so daß eine Kompensa­ tion der Beeinflussung des Magnetfeldes sichergestellt ist.

Fig. 2 zeigt das Ausgangssignal der jeweils umgeschalte­ ten Sensoren, wobei der Multiplexer 9 z. B. im Uhrzeiger­ sinn umlaufend bzw. abfragend geschaltet ist. Die Form des treppenartigen Signals gibt die magnetische Feld­ stärke für die bestimmte Richtung eines jeden Sensors 1-8 wieder. Diese Stufen bilden Signale der der Sensoren­ richtungen entsprechenden Feldstärken, um die Zielbohr­ stange 11 herum.

Fig. 2 zeigt das Ausgangssignal der umgeschalteten Sen­ soren 1-8, während Fig. 3 ein Signal entsprechend dem theoretischen Verlauf wiedergibt, das durch Ausfiltern der Grundwelle aus dem treppenförmigen Signal 10 gewonnen wird. Dieses Signal 12 der Grundwelle hat einen sinusför­ migen Verlauf.

Fig. 4 bis Fig. 6 geben Frequenzspektren der verschie­ denen Signalformen wieder, wobei in Fig. 4 das theoreti­ sche Signal 13 bei nicht verzerrtem Magnetfeld wiedergegeben ist. Fig. 5 zeigt das Signal aus rotieren­ dem Sensor, wobei hier durch einen metallischen Körper ein verzerrtes Magnetfeld vorhanden ist und Fig. 6 zeigt das Signal aus den umgeschalteten Sensoren 1-8 ebenfalls mit verzerrtem Magnetfeld mit anderem Ober­ wellenanteil.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung einer Ziel­ bohrstange im untertägigen Berg- und Tunnelbau gegen­ über der magnetischen Nordrichtung mit um 360° um die Zielbohrstange (11) angeordneten Magnetfeldsensoren (1-8), wobei jedem Magnetfeldsensor (1-4) ein Ma­ gnetfeldsensor (5-8) gegenüberliegt, mit einem Mul­ tiplexer (9) zur Abfrage der Ausgangssignale der ein­ zelnen Magnetfeldsensoren (1-8) mit einer vorgeb­ baren Umlauffrequenz (fo), mit einer Einrichtung zur Tiefpaßfilterung der Ausgangssignale zur Erzeugung ei­ nes gefilterten Signales und zur Bestimmung eines Null­ durchgangs des gefilterten Signales und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Phasenverschiebung des Nulldurchgangs des gefilterten Signales und der Um­ lauffrequenz (fo).