DK150079B

DK150079B - APPARATUS FOR DYNAMIC MEASUREMENT OF POSITION IN RELATION TO THE LOTLININE

Info

Publication number: DK150079B
Application number: DK176281AA
Authority: DK
Inventors: Bengt Holdar
Original assignee: Bengt Holdar
Priority date: 1980-04-22
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1986-12-01
Also published as: DE3115838A1; FR2480934A1; NO156544C; AU6937281A; DK150079C; GB2074315A; AU537772B2; CA1156828A; DE3115838C2; NO156544B; FI811026L; NO811242L; FR2480934B1; GB2074315B; DK176281A

Description

i 150079in 150079

Opfindelsen angår et apparat af den i krav l's indledning angivne art.The invention relates to an apparatus of the kind specified in the preamble of claim 1.

Et apparat af denne almindelige art er muligt at tilvejebringe med kundskab om indholdet i det svenske patentskrift 5 nr. 141 501 og det amerikanske patentskrift nr. 3 324 564.An apparatus of this kind is possible to provide with knowledge of the contents of Swedish Patent Specification No. 5,141,501 and U.S. Patent No. 3,324,564.

Det svenske patentskrift nr. 141 501 viser en bøjelig tråd eller stang, hvis frie ende er belastet med en vægt, som ved hældning af apparatet medfører en bøjning af tråden eller stangen. De i stangen optrædende bøje-10 spændinger afføles ved hjælp af trådstrækningsgivere.Swedish patent specification 141 501 discloses a flexible wire or rod, the free end of which is loaded with a weight which, when inclined by the apparatus, causes a bending of the wire or rod. The bending-10 voltages appearing in the rod are sensed by wire tension sensors.

Det amerikanske patentskrift viser et pendul, hvis frie ende oppebærer en glødelampe, som samvirker med en lysfølsom detektor, der angiver pendulets hældning i forhold til lodlinien, men det er også kendt at anvende optiske 15 fibre, som det fremgår af USA patent nr. 3 602 037.The US patent discloses a pendulum whose free end carries a light bulb which cooperates with a photosensitive detector indicating the slope of the pendulum relative to the vertical, but it is also known to use optical fibers as disclosed in United States Patent No. 3 602 037.

Selv om det stive pendul ifølge det amerikanske patent-skrift nr. 3 324 564 udskiftes med en bøjelig belastet stang ifølge det svenske patentskrift nr. 141 501 eller med en optisk fiber kan man ikke tilvejebringe en hæld-20 ningsmåler, som er tilstrækkelig følsom til at indikere ubetydelige forskydninger i eksempelvis en jordmasse.Although the rigid pendulum of US Patent No. 3,324,564 is replaced by a flexible loaded rod according to Swedish Patent No. 141,501 or by an optical fiber, a slope meter which is sufficiently sensitive to to indicate negligible displacements in, for example, a soil mass.

Det er derfor et hovedformål med opfindelsen at tilvejebringe en hældningsmåler af den i indledningen angivne art, som dels er meget nøjagtig og dels reagerer særde-25 les hurtigt, så at det f.eks. kan anvendes til at indikere de forskydninger i jorden, som fremkommer ved selv svage jordskælv. Hovedanvendelsen af hældningsmåleren angives i det følgende at være måling af hældning af borehuller og lignende. Et andet formål med opfindelsen er at til-30 vejebringe en hældningsmåler, som·ikke blot angiver en afvigelse fra en lodlinie, men også krumningen i et borehul.It is therefore a principal object of the invention to provide a slope gauge of the kind specified in the preamble, which is very accurate and partly responds very quickly so that, for example, can be used to indicate the displacements in the soil that are caused by even weak earthquakes. The main use of the inclination meter is hereinafter stated to be the measurement of inclination of boreholes and the like. Another object of the invention is to provide a slope gauge which indicates not only a deviation from a vertical but also the curvature of a borehole.

150079 2150079 2

Disse formål virkeliggøres helt med den opfindelse, som defineres i krav 1, og som beskrives i det følgende under henvisning til tegningen, på hvilken: fig. 1 forenklet viser en hældningsmåler ifølge opfindel-5 sen for samtidig måling af et borehuls krumning, fig. 2 skematisk viser et princip for en passende detektor beregnet til at blive anvendt i hældningsmåleren, fig. 3a, 3b og 3c viser målepunkternes beliggenhed på hældningsmålerens detektor ved samtidig måling af hæld-10 ning og krumning, og fig. 4a og 4b anskueliggør den hældning henholdsvis krumning ved anordningen, som giver årsag til beliggenhederne ifølge fig. 3a - c.These objects are fully realized with the invention as defined in claim 1, which is described below with reference to the drawing, in which: 1 is a simplified view of a slope gauge according to the invention for simultaneously measuring a borehole curvature; FIG. Figure 2 shows schematically a principle of a suitable detector intended to be used in the slope meter; Figures 3a, 3b and 3c show the location of the measuring points on the slope meter detector when simultaneously measuring slope and curvature. 4a and 4b illustrate the slope or curvature of the device, respectively, which causes the locations of FIG. 3a - c.

Fig. 1 viser forenklet et aksialt snit gennem et apparat 15 ifølge opfindelsen beregnet til at bestemme afvigelsen hos apparatet fra lodlinien. Da apparatet i den viste udførelse befinder sig i en helt vertikal stilling,er afvigelsen fra lodlinien nul. Apparatet ifølge fig. 1 indbefatter et hus 1, som her tænkes at være cylindrisk, 20 men som kan have hvilken som helst for anvendelsesområdet passende form. Huset 1 er forsynet med et øverste låg 2 med en åbning til et kabel indeholdende to ledere til tilførsel af spænding til en lysdiode 7 eller anden lysstrålingskilde, som afgiver infrarødt lys, ultraviolet eller 25 synligt lys. Det antages i det følgende, at lyskilden 7 udgøres af en lysdiode, og at lysdioden fødes med en vekselspænding med en frekvens på f. eks. 1000 Hz.FIG. 1 is a simplified axial section through an apparatus 15 according to the invention intended to determine the deviation of the apparatus from the vertical. As the apparatus in the embodiment shown is in a completely vertical position, the deviation from the vertical is zero. The apparatus of FIG. 1 includes a housing 1 which is thought to be cylindrical here, but which may have any shape suitable for use. The housing 1 is provided with an upper lid 2 with an opening for a cable containing two conductors for supplying voltage to a light emitting diode 7 or other light source which emits infrared light, ultraviolet or visible light. In the following, it is assumed that the light source 7 is an LED and that the LED is supplied with an alternating voltage with a frequency of, for example, 1000 Hz.

Det er imidlertid åbenbart, at en hvilken som helst anden passende frekvens eller jævnspænding kan tilføres 30 lysdioden 7. Lysdioden 7 er i det valgte udførelseseksempel 150079 3 fæstnet på oversiden af en prop 8, der danner en holder for en optisk fiber 9. Fiberen 9 er med sin ene ende 10 fast indspændt i holderen 8 og er iøvrigt frit bevægelig og ubelastet. Fiberens 9 øverste ende 10 samvirker 5 med lysdioden 7, og lys fra denne vil således blive overført til fiberens 9 frie ende 11. Denne frie ende 11 ligger oven for en detektor 12 og så tæt ind til detektorens flade, at en veldefineret, lille lysplet projiceres på detektorfladen.However, it is evident that any other suitable frequency or DC voltage can be applied to the LED 7. The LED 7, in the selected embodiment example 150079 3, is attached to the upper surface of a plug 8 which forms a holder for an optical fiber 9. The fiber 9 is at one end 10 firmly clamped in the holder 8 and is otherwise freely movable and unloaded. The top end 10 of the fiber 9 interacts with the LED 7, and light from it will thus be transmitted to the free end 11 of the fiber 9. This free end 11 lies above a detector 12 and so close to the surface of the detector that a well-defined small light spot projected onto the detector surface.

10 Princippet for en passende detektor 12 anskueliggøres i fig. 2. Detektoren 12 udgøres af en kendt såkaldt lateral fotodetektor, som er opbygget omkring en kvadratisk plade, hvilken består af et halvledermateriale.10 The principle of a suitable detector 12 is illustrated in FIG. 2. The detector 12 consists of a known so-called lateral photodetector, which is built around a square plate, which consists of a semiconductor material.

Pladen er på oversiden dækket af et lysgennemtrængeligt 15 guldlag og på undersiden af et tyndt, homogent lag af resistivt materiale. Langs periferien af det resistive, her ikke viste lag er der ved pladens kanter anordnet to par af hinanden modstående aflederelektroder 13,13 og 14,14. Hvis et punkt 15 belyses, afføder lysstrømmen 20 en spændings/strømkilde over den i den doterede plade værende p-n-overgang. Denne spændings/strømkilde kan via det nævnte guldlag og det resistive lag med elektroderne 13,13 og 14,14 danne en lukket kreds, og således kan fire delstrømme, en for hver elektrode, registre-25 res. Delstrømmenes størrelse bliver afhængig af lyspunk tets 15 afstand fra origo 16 i det indlagte XY-system.The plate is covered on the upper side with a light permeable 15 layer of gold and on the underside of a thin, homogeneous layer of resistive material. Along the periphery of the resistive layer, not shown here, two pairs of opposing conductor electrodes 13,13 and 14,14 are arranged at the edges of the plate. If a point 15 is illuminated, the light stream 20 emits a voltage / current source over the p-n transition in the doped plate. This voltage / current source can form a closed circuit via said gold layer and resistive layer with electrodes 13,13 and 14,14, and thus four partial currents, one for each electrode, can be recorded. The magnitude of the subcurrent becomes dependent on the distance of the bright spot 15 from the origin 16 in the inlaid XY system.

Lyspunktets 15 beliggenhed er identisk med beliggenheden for enden 11 på fiberen 9, og med kundskab om fiberens 9 bøjningskarakteristika og længde kan husets 1 hældning 30 i forhold til lodlinien angives direkte og nøjagtigt.The location of the light point 15 is identical to the location of the end 11 of the fiber 9, and with knowledge of the bending characteristics and length of the fiber 9, the inclination 30 of the housing 1 relative to the vertical can be stated directly and accurately.

Den maksimale udbøjning af fiberen 9 ved 90° hældning kan gives en hvilken som helst ønsket værdi ved valg af fibermateriale, fiberlængde og tværsnitsområde. Tværsnitsområdet behøver ikke at være konstant langs hele 35 fiberlængden, men fortrinsvis anvendes en jævntyk fiber 150079 4 med cirkulært tværsnit. Apparatets målenøjagtighed beror naturligvis på fiberens karakteristika og på detektoren.The maximum deflection of the fiber 9 at 90 ° inclination can be given any desired value when choosing fiber material, fiber length and cross-sectional area. The cross-sectional area does not have to be constant along the entire fiber length, but preferably an even circular cross sectional fiber 150079 4 is used. The measurement accuracy of the apparatus depends, of course, on the characteristics of the fiber and on the detector.

En detektor af den type, som er beskrevet ovenfor, giver beliggenheden for lysplettens centroid med en nøjagtighed 5 på 10-^ meter eller bedre. I afhængighed af den bøjelige, fjedrende fibers længde og tværsnitsområde kan man med en sådan detektor opnå en målenøjagtighed på 1 mikrora-dian. Ved lavere krav til målenøjagtighed kan nævnes, at 0,01° opnås med en glasfiber med en længde på ca.A detector of the type described above provides the location of the centroid of the light spot with an accuracy 5 of 10 ^ meters or better. Depending on the length and cross-sectional area of the flexible, resilient fiber, such a detector can achieve a measurement accuracy of 1 microradian. At lower measurement accuracy requirements, it can be mentioned that 0.01 ° is obtained with a fiberglass with a length of approx.

10 10 cm og med en diameter på ca. 50 mikrometer inden for et måleområde på - 90°.10 cm and with a diameter of approx. 50 micrometers within a measuring range of - 90 °.

For at kunne indikere krumningen af et borehul anordnes et optisk system af f. eks. den art, som vises i fig. 1.In order to indicate the curvature of a borehole, an optical system of, for example, the type shown in FIG. First

I husets nederste ende er anordnet en lyskilde 22, f. eks.At the lower end of the housing is arranged a light source 22, e.g.

15 en lysdiode af samme type som lysdioden 7, og denne lysdiode 22 tilføres spænding over to ledere 23 og 24.15 a LED of the same type as LED 7, and this LED 22 is supplied with voltage across two conductors 23 and 24.

Lyset fra lysdioden 22 fokuseres ved hjælp af en linse eller et linsesystem 25 mod undersiden af detektoren 12. Da huset 1 er frit for bøjninger, vil lyspletten 20 27, som frembringes ved hjælp af linseanordningen 25, ligge i origo 16 (fig. 2), men hvis anordningen ligger indført i et borehul med en vis krumning, vil huset 1 blive bøjet noget, hvilket indebærer, at lyspletten 27, som frembringes af den faste linseanordning 25 og 25 den faste lyskilde 22, vil blive forskudt over detekto rens 12 underflade. Det bør bemærkes, at hvis, som beskrevet, blot én detektor 12 anvendes til de to lyspunkter 15 (fig. 2) og 27 (fig. 1), så må man, for at detektoren 12 skal angive korrekte værdier, skiftevis 30 slukke og tænde de to lysdioder. Til dette formål findes en spændingskilde 28, som skiftevis føder tændspænding til dioden 7 og skiftevis.til dioden 22, hvorved i hvert enkelt øjeblik kun én lysplet falder på detektoren 12.The light from the LED 22 is focused by means of a lens or lens system 25 towards the underside of the detector 12. Since the housing 1 is free of bends, the light spot 20 27 produced by the lens device 25 will be in origin 16 (Fig. 2). but if the device is inserted into a borehole with a certain curvature, the housing 1 will be slightly bent, which means that the light spot 27 produced by the fixed lens device 25 and 25 the fixed light source 22 will be displaced over the lower surface of the detector 12 . It should be noted that if, as described, only one detector 12 is used for the two light points 15 (Fig. 2) and 27 (Fig. 1), then for detector 12 to indicate correct values, turn on the two LEDs. For this purpose, there is a voltage source 28 which alternately feeds ignition voltage to the diode 7 and alternately to the diode 22, whereby in each individual moment only one light spot falls on the detector 12.

De af detektoren 12 genererende X-Y-signaler sendes 35 til en skriver 29, en datamat eller anden passende an- 150079 5 ordning, og udskillelse af signalerne, der er frembragt af lysdioden 7 henholdsvis lysdioden 22, sker ved synkroniseringsimpulser fra spændingskilden 28 over en ledning 30.The XY signals generated by the detector 12 are sent to a printer 29, a computer or other appropriate device, and the separation of the signals produced by LEDs 7 and LEDs 22, respectively, is effected by synchronization pulses from voltage source 28 over a line. 30th

5 Det er naturligvis også muligt at anvende to af hinanden uafhængige og på hinanden lagte detektorer, af hvilke den ene samvirker med lysdioden 7 og den anden samvirker med dioden 22.Of course, it is also possible to use two independent and mutually arranged detectors, one of which interacts with the LED 7 and the other interacts with the diode 22.

For en nærmere forklaring af apparatet ifølge fig. 1 10 henvises til fig. 3a - 3c og fig. 4a og 4b. Fig. 4a anskueliggør et borehul i et horisontalt X-Y-plan, og det fremgår, at hullet krummer sig svagt i retning med uret. Fig. 4b anskueliggør samme boring i et X-Z-plan, som er vertikalt, og i dette plan forløber hullet retlini-15 et. Huset 1 i fig. 1 tænkes her at være indføjet i et langt rør, som f. eks. et foringsrør, som successivt fødes frem, alt efter som boringen skrider frem. Huset 1 kommer derved til at få en krumning svarende til den, som anskueliggøres i fig. 4a, og dette indebærer, at 20 lyspletten 27 får en beliggenhed i forhold til detektorens origo 16 ifølge fig. 3a. Ligeså åbenbart er det, at den uundgåelige vridning hos huset 1 omkring husets længdeakse ikke vil ændre lyspunktets 27 afstand fra origo 16 og lyspunktet 27 vil heller ikke blive forskudt 25 i forhold til punktet 15, som angiver hældningen ifølge fig. 4b. Vinkelstillingen i koordinatsystemet ændres naturligvis med koordinatssystemets vridning, således som det fremgår af fig. 3a - 3c. Lyspunktet 15 vil også uafhængigt af husets 1 vridning omkring sin længdeakse 30 indtage en bestemt beliggenhed i koordinatsystemet.For a more detailed explanation of the apparatus of FIG. Referring to FIG. 3a - 3c and FIGS. 4a and 4b. FIG. 4a illustrates a borehole in a horizontal X-Y plane, and it can be seen that the hole bends slightly in a clockwise direction. FIG. 4b illustrates the same bore in an X-Z plane which is vertical, and in this plane the hole extends rectilinear. The housing 1 in FIG. 1 is here thought to be inserted into a long tube, such as a casing, which is successively fed as the bore progresses. The housing 1 will thereby have a curvature similar to that illustrated in FIG. 4a, and this implies that the light spot 27 is positioned relative to the origin 16 of the detector according to FIG. 3a. It is also evident that the inevitable twisting of the housing 1 about the longitudinal axis of the housing will not change the distance of the light point 27 from the origin 16 and the light point 27 will also not be displaced 25 relative to the point 15, which indicates the slope according to FIG. 4b. The angular position of the coordinate system naturally changes with the rotation of the coordinate system, as can be seen in FIG. 3a - 3c. The light point 15 will also, independently of the pivot of the housing 1 around its longitudinal axis 30, assume a specific location in the coordinate system.

Borehullets krumningsradius i hvert enkelt målepunkt er en funktion af afstanden mellem lyspletten 27 og origo 16, eftersom huset 1 har samme krumning og natur- 150079 6 ligvis en diameter, som svarer til borehullets diameter. Krumningens centrum beregnes trigonometrisk ved hjælp af koordinaterne for lyspletten 15, som altid ligger i et vertikalplan gennem origo 16. Man får således uan-5 set husets 1 vridningsposition omkring sin længdeakse adgang til alle de værdier, som kræves for direkte eller ved hjælp af en datamat at optegne kurver, som nøjagtigt angiver borehullets hældning og krumning.The radius of curvature of the borehole at each measurement point is a function of the distance between the light spot 27 and origin 16, since the housing 1 has the same curvature and, of course, a diameter corresponding to the diameter of the borehole. The center of curvature is calculated trigonometrically by means of the coordinates of the light spot 15, which is always in a vertical plane through origo 16. Thus, regardless of the torsional position of the housing 1 about its longitudinal axis, all the values required for direct or by means of a direct axis are obtained. computer to draw curves that accurately indicate the slope and curvature of the borehole.

Nødvendig spænding kan tilføres udrustning enten fra 10 jordfladen eller også kan man i huset 1 anbringe nødvendige kredse for successiv lagring og beregning af beliggenhedsinformationen. Huset 1 bør være forholdsvis let bøjeligt, for at krumninger med lille krumningsradius skal kunne passeres. Husets 1 længde bliver afgørende 15 for evnen til at registrere krumningen, hvis stor nøjagtig hed tilstræbes, bør huset således gøres langt. Naturligvis bliver nøjagtigheden ved anordningen afhængig af signal/støjforholdet ved de elektroniske kredse, som tager imod signalerne fra detektoren eller detektorerne.Necessary voltage can be supplied to equipment either from the ground surface or alternatively, in the housing 1, necessary circuits can be placed for successive storage and calculation of the location information. The housing 1 should be relatively easily bendable for curvature with a small radius of curvature to be passed. The length of the housing 1 becomes crucial for the ability to detect the curvature, if great accuracy is sought, the housing should thus be made far. Of course, the accuracy of the device depends on the signal-to-noise ratio of the electronic circuits which receive the signals from the detector or detectors.

20 Opløsningsevnen hos en detektor af den ovenfor angivne type er af størrelsesordenen 10 meter. Med forholdsvis enkel elektronik turde hældning kunne bestemmes på ca.The solubility of a detector of the above type is of the order of 10 meters. With relatively simple electronics, the inclination could be determined at approx.

0,01° nær og krumningsradien op til ca. 100 km. Dette indebærer, at man i værste fald, når fejlen ved kontinuer-25 lig måling altid akkumuleres, med samme tegn kan bestemme udseendet på et 1000 meter langt borehul med en fejl af størrelsesordenen 5 meter.0.01 ° near and radius of curvature up to approx. 100 km. This means that, at worst, when the error of continuous measurement is always accumulated, the appearance of a 1000-meter-long borehole with an error of the order of 5 meters can be determined.

Det beskrevne apparat kan anvendes inden for et flertal af tekniske områder. Det kan således anvendes som et 30 konventionelt lod og som sensor ved automatisk indstil ling af genstande med en vis hældning, f. eks. ved fjern-horisontering af undervandsapparater. Det er også muligt at anvende apparatet til kontinuerlig registrering af yderst små bevægelser i jordskorpen, der udgør et for-The apparatus described can be used in a plurality of technical fields. Thus, it can be used as a conventional solder and as a sensor for automatically adjusting objects with a certain slope, for example, by remote horizoning of underwater apparatus. It is also possible to use the apparatus for continuous detection of extremely small movements in the earth's crust, which constitute an advantage.

Claims

150079 earthquake alert, or in loose deposits as a warning of landslides. The short reaction time of the fiber, like the short rise time of the described detector, approx. 1 microsecond, it is also possible to use the apparatus as 5 vibration meter to determine vibration frequency and vibration amplitude. It should be noted that the described detector is just one of several types of photodetectors which can be used to sense the location of the tip 11 of the fiber 9 relative to the vertical. 10. In some cases, it may be appropriate and desirable to place a lens system between the tip 11 of the fiber 9 and the detector 12. Patent claims:

An apparatus for dynamic measurement of inclination 15 relative to the vertical, comprising a resilient optical fiber (9) which, with one end (10), is firmly clamped in a holder (8) and the other free end (11) ) is arranged to irradiate a photosensitive detector device (12), the light being passed from a light source (7) at said one end to produce a bright spot on the detector device, and the detector device being arranged to emit signals indicating the position of the generated light points on the detector device, characterized in that the detector device (12), the light source (7) and the optical fiber (9) are built into an elongated, flexible housing (1) and that a housing under the detector device (12) is arranged lens device (25) adapted to project on the detector device a dot-shaped image (27) of another light source (22), which lens device (25) and other light source (22) are secured in the housing (1).