EP3891359A1 - Anordnung und verfahren zur datenübertragung aus einem oder in ein loch im boden - Google Patents

Anordnung und verfahren zur datenübertragung aus einem oder in ein loch im boden

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Publication number
EP3891359A1
EP3891359A1 EP20700703.0A EP20700703A EP3891359A1 EP 3891359 A1 EP3891359 A1 EP 3891359A1 EP 20700703 A EP20700703 A EP 20700703A EP 3891359 A1 EP3891359 A1 EP 3891359A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hole
transmitting
receiving unit
arrangement according
frequency signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20700703.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus-Jürgen Stock
Hans Regler
Matthias Semel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bauer Maschinen GmbH
Original Assignee
Bauer Maschinen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bauer Maschinen GmbH filed Critical Bauer Maschinen GmbH
Publication of EP3891359A1 publication Critical patent/EP3891359A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for data transmission from or into a hole in the ground, in particular a borehole or a milling slot, a machining device and / or a structural element being arranged along the hole, which are formed with an electrically conductive body and are connected to a extend the upper portion out of the hole, according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for data transmission from or into a hole in the ground, a processing device and / or a structural element being arranged in the hole, which are formed with an electrically conductive body and extend out of the hole with an upper section extend, according to the preamble of claim 10.
  • Such data can include, for example, pressure or temperature values, angles of inclination, salt content in the borehole or operating data of a drilling tool in the borehole.
  • data can also be advantageous or necessary to pass data, for example control or operating parameters, to the bottom of the borehole, for example to a drilling tool.
  • a data line in a drill string via which data can be transmitted along the drill string.
  • an auger drilling device with two rods is known, each of which comprises an outer tube and an inner tube.
  • a cable is routed between the inner pipe and the outer pipe in each rod section.
  • the cables To the To form the continuous drill string, the cables must be connected to one another using plug connections. Plug connections of this type are susceptible to malfunctions and damage, especially in rough drilling operations.
  • a drill rod with at least two rod elements is known, with induction coils constructed in segments on the end faces of the rod elements, with which data transmission is made possible without a plug connection between the rod elements.
  • the two induction coil devices arranged at the end on a linkage element are each connected to one another via a cable along the linkage element.
  • a wireless data transmission by radio from a hole in the ground is practically hardly possible, since a borehole or a milling slot, for example, is usually filled with a drilling or support suspension or a settable suspension, through which the propagation of electromagnetic waves is significantly impeded and even at relatively short distances of just a few meters becomes practically impossible.
  • the invention is based on the object of specifying an arrangement and a method with which data transmission from or into a hole in the ground is made possible in a particularly simple and at the same time reliable manner, it also being possible for the hole to be provided with a filler material.
  • the inventive arrangement is characterized in that a first transmitting and / or receiving unit is arranged in the hole that outside of the Hole a second transmitting and / or receiving unit is arranged and that the transmitting and / or receiving units are designed to send or receive a high-frequency signal which is transmitted through the electrically conductive body of the machining device and / or the structural element. It is also possible to connect several transmitter and receiver units in series within the borehole, as well as bridging certain non-conductive points with a cable.
  • the invention is based on the knowledge that high-frequency signals can be transmitted through an electrically conductive body, even if it has a multi-part and complex structure.
  • parts of the electrically conductive body, in particular the respective end regions function as an antenna which can emit, that is, send or receive the signals.
  • multi-part bodies such. B. telescopic Kelly bars, the signal is surprisingly transmitted from one end of the body to the other end when the individual parts only an undefined or during operation - z. B. due to play at the transition points - len at alternating Stel or have no direct electrically conductive contact with each other.
  • the high-frequency signal can therefore be transmitted partly with contact or body in the conductive body and partly without contact or body through spaces between electrically conductive bodies, such as a radio signal, without any special Transmitting or receiving antennas would be necessary.
  • the filling material is preferably liquid or flowable and can in particular be a drilling or support suspension or a setting mass, which, for example, water, bentonite, cement and / or other mineral or Has chemical constituents, such as those used in civil engineering to form drilling piles or diaphragm walls.
  • a further basic idea of the invention is based on the fact that a processing device for creating the hole in the ground or a structural element, such as a so-called piping of the hole to be created or a component which is inserted into the hole in the ground as a reinforcement, for example represents suitable electrically conductive body for signal transmission.
  • a first transmitting and / or receiving unit can be arranged in the hole and outside the hole laterally offset to the opening of the same a second transmitting and / or receiving unit, which are designed to send or receive a suitable high-frequency signal .
  • only one transmitting unit can be arranged in the hole, for example, while only one receiving unit is arranged outside the hole.
  • certain data such as B. the temperature profile of a hardening filling compound such as concrete is recorded and introduced via the transmitter unit into an electrically conductive reinforcement body, which conducts the signal upwards and emits it on the surface.
  • the signal is recorded by means of a receiving unit and stored in a memory.
  • This z. B. the Aushär teverlauf a foundation pile built in the ground or a diaphragm wall do be documented.
  • the arrangement according to the invention allows the installation of expensive and sensitive data lines, for example in soil cultivation equipment or in armouring conditions, as well as plug connections, slip rings or induction couplings required for multi-part drill strings. This not only simplifies the construction of the corresponding facilities, but also considerably reduces maintenance costs and facilitates data communication in and out of a hole in the floor.
  • the first transmitting and / or receiving unit can be provided at any point within the hole, for example also at a certain distance from the electrically conductive body, which is in particular metallic or provided with a conductive coating.
  • the first transmitting and / or receiving unit is attached to the processing device or the structural element on a lower section.
  • the transmitting and receiving unit can be attached directly to a drilling tool.
  • the second transmitting and / or receiving unit can in principle be attached directly to the electrically conductive body.
  • an advantageous variant of the invention consists in that the second transmitting and / or receiving unit outside the hole is at a distance from the upper section and that the upper section is designed as an antenna for radiating or receiving the high-frequency signal.
  • the upper section can serve as an antenna for emitting or receiving the high frequency signal with a corresponding design.
  • the second transmitting and / or receiving unit which is provided with a corresponding antenna, is electrically spaced Conductive body, in particular the processing device, for example on the carrier device of a construction machine or in another suitable position.
  • Conductive body in particular the processing device, for example on the carrier device of a construction machine or in another suitable position.
  • a particularly good function as an antenna is achieved in that an upper section of the electrically conductive body protrudes from the hole.
  • the upper section preferably has a rod-shaped element.
  • high-frequency signals in a relatively wide frequency range are suitable for use in the arrangement according to the invention.
  • the high frequency signal has a frequency between 750 MHz and 950 MHz, in particular between 840 MHz and 880 MHz.
  • particularly good results were obtained at a frequency of 868 MHz with a bandwidth of 125 KHz.
  • the frequency of 750 MHz corresponds to approx. 20 cm, and correspondingly shorter at higher frequencies.
  • the data transmission by means of the high-frequency signal takes place in a known manner, in particular by modulating the high-frequency carrier frequency.
  • At least one measuring device is provided in the hole, which outputs measured values at least once, but preferably continuously or discontinuously, which are passed to the first transmitting unit or transmitting and receiving unit in the hole.
  • the measuring device can be designed to measure a wide variety of state values, in particular pressure, temperature, angle of inclination, salt content, etc.
  • the measured values are determined by a well-known device, such as a module. lation device, transmitted to the high-frequency signal so that it can be emitted with the transmitting unit or the transmitting and receiving unit.
  • the processing device is preferably a soil cultivation device. It is particularly advantageous that the processing device is a drilling tool with a drill rod or a milling tool with a guide rod.
  • the first transmitting and / or receiving unit can be arranged at a suitable position on an electrically conductive body of the drilling tool or the milling tool, where it couples the signal. From there, the high-frequency signal can propagate through the boring bar, which can also be a telescopic Kelly bar, or the guide bar upwards. Conversely, a high-frequency signal from the second transmitting and / or receiving unit outside the hole can be down to the machining device be directed.
  • the arrangement can be used in a variety of ways. According to a development of the invention, it is particularly advantageous that it is designed as a Bodenbearbei processing device, in particular as a drilling device or a trench wall cutter, which is provided with a carrier device on which the drilling tool with the drill rod or the milling tool is vertically adjustable, in particular special with a guide rod or a steel cable.
  • the second transmitting and / or receiving unit is advantageously arranged on the carrier device with an operating station.
  • the drill rod or the guide rod can in particular be a telescopic Kelly bar.
  • the structural element provided for the invention can also be designed in many ways. It is particularly preferred that the structural element has a reinforcement, in particular a reinforcement cage, a steel girder, a pipe, in particular a drilling or support pipe, a pile, a rod or a steel cable. The prerequisite is that the structural element has an electrically conductive body, in particular a metallic body, particularly preferably a steel body, which extends upwards out of the filling into the atmosphere along the hole.
  • the method according to the invention is characterized in that a first transmitting and / or receiving unit is arranged in the hole, that a second transmitting and / or receiving unit is arranged outside the hole and that the transmitting and / or receiving units are designed as a high-frequency signal to send or receive, which is transmitted through the electrically conductive body of the machining device or the structural element and is radiated from.
  • the method according to the invention can be carried out in particular with the arrangement according to the invention described above.
  • the advantages described above can be achieved with the method.
  • a battery or a rechargeable battery is preferably provided.
  • an energy generation device can be provided on the first transmitting and / or receiving unit, which device generates energy from the ambient temperature or from a movement of the processing device.
  • Well-known devices for so-called energy harvesting can be used.
  • the invention is described further below with reference to a preferred exemplary embodiment which is shown schematically in the drawing.
  • the drawing shows, in a highly schematic manner, an arrangement according to the invention in a cross-sectional view.
  • the single figure shows an arrangement 10 according to the invention for data transmission, which is designed as a soil cultivation device 50, in particular a drill, with a schematically indicated carrier device 52.
  • a hole 6 is created in a soil 4 by means of a processing device 20, which is filled for support with a flowable filler material 8 already when creating.
  • the machining device 20 has a drilling tool 25 for removing soil material and a drilling rod 26, which extends from the lower drilling tool upwards out of the ge filled hole 6 extends out into the open atmosphere.
  • the drilling tool 25 and the drilling rod 26 form a multi-part metallic body 22 within the meaning of the invention.
  • a measuring device 28 is arranged, which is formed, for example, for detecting a temperature or a pressure in the region of a sole 7. Furthermore, according to the invention, a first transmitting and / or receiving unit 30 is attached to the lower section 23 in direct contact with the metallic base body 22.
  • the measuring device 28 is connected wirelessly or wired to the first transmitting and / or receiving unit 30, so that continuously or discontinuously recorded measured values can be passed from the measuring device 28 to the first transmitting and / or receiving unit 30.
  • the first transmitting and / or receiving unit 30 is designed to transmit a high-frequency signal, which preferably has a frequency of 868 MHz.
  • the high-frequency signal which is provided with the measured value data by appropriate modulation, is passed from the lower section 23 along the metallic body 22 to the upper section 24 protruding from the hole 6.
  • an electrically conductive body 22 even if it is constructed in several parts, represents a protruding conductor for a high-frequency signal in a filled hole in the floor.
  • the upper section 24 of the metallic base body 22, which protrudes from the filled hole 6, serves as an antenna.
  • the upper section 24 thus emits the high-frequency signal, which was generated by the first transmitting and / or receiving unit 30, into the atmosphere.
  • a second transmitting and / or receiving unit 40 is arranged on the carrier device 52 of the soil cultivation device 50.
  • the high-frequency signal is transmitted through the air gap via a schematically indicated radio link F and received by the second transmitting and / or receiving unit.
  • the received high-frequency signal can then in a basically known manner by a control unit (not shown) unit of the tillage device 50 evaluated and z. B. can be used for documentation or to control operations.
  • a high-frequency signal can also be emitted from the carrier device 52 via the second transmitting and / or receiving unit 40 by means of an antenna (not shown) to the upper section 24 of the metallic body 22 of the processing device 20 and from there to the first transmitting and receiving unit / or Receiving unit 30 are passed through the metallic body 22 at the lower section 23.
  • bidirectional data communication is also possible between the lower drilling tool 25 on the bottom 7 of the hole 6 and the carrier device 52 located on the surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Datenübertragung aus einem oder in ein Loch im Boden, wobei in dem Loch eine Bearbeitungseinrichtung oder ein Strukturelement angeordnet wird, welche mit einem elektrisch leitenden Körper gebildet sind und sich mit einem oberen Abschnitt aus dem Loch heraus erstrecken. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet wird, dass außerhalb des Lochs eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet wird, und dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper der Bearbeitungseinrichtung oder des Strukturelementes übertragen wird.

Description

ANORDNUNG UND VERFAHREN ZUR DATENÜBERTRAGUNG AUS EINEM
ODER IN EIN LOCH IM BODEN
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Datenübertragung aus einem, oder in ein Loch im Boden, insbesondere einem Bohrloch oder einem Frässchlitz, wobei entlang des Lochs eine Bearbeitungseinrichtung und/oder ein Strukturelement angeordnet ist, welche mit einem elektrisch leitenden Körper gebildet sind und sich mit einem oberen Abschnitt aus dem Loch heraus erstrecken, gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Datenübertragung aus einem oder in ein Loch im Boden, wobei in dem Loch eine Bearbeitungseinrichtung und/oder ein Strukturelement angeordnet wird, welche mit einem elektrisch leitenden Körper ge bildet sind und sich mit einem oberen Abschnitt aus dem Loch heraus erstrecken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Bei der Erstellung von Bohrungen ist es häufig erforderlich, Daten von einer Position innerhalb des Bohrlochs, insbesondere der Bohrlochsohle, an eine Position außer halb des Bohrlochs zu leiten. Solche Daten können beispielsweise Druck- oder Tem peraturwerte, Neigungswinkel, Salzgehalte im Bohrloch oder Betriebsdaten eines Bohrwerkzeuges im Bohrloch umfassen. Bei bestimmten Bohrverfahren kann es au ßerdem vorteilhaft oder notwendig sein, Daten, beispielsweise Steuer- oder Be triebsparameter, zur Bohrlochsohle, etwa zu einem Bohrwerkzeug zu leiten. Zu die sem Zweck ist es bekannt, in einem Bohrstrang eine Datenleitung vorzusehen, über welche Daten entlang des Bohrstranges übermittelt werden können.
Aus der DE 299 14 494 U1 ist eine Schneckenbohreinrichtung mit zwei Gestänge schüssen bekannt, welche jeweils ein Außenrohr und ein Innenrohr umfassen. Zwi schen Innenrohr und Außenrohr ist in jedem Gestängeschuss ein Kabel geführt. Zum Bilden des durchgehenden Bohrstranges sind die Kabel mittels Steckverbindungen miteinander zu koppeln. Derartige Steckverbindungen sind insbesondere in einem rauen Bohrbetrieb anfällig für Störungen und Beschädigungen.
Aus der EP 2 495 389 B1 ist ein Bohrgestänge mit mindestens zwei Gestängeele menten bekannt, wobei an den Stirnseiten der Gestängeelemente segmentartig auf gebaute Induktionsspulen vorgesehen sind, mit welchen eine Datenübertragung oh ne Steckverbindung zwischen den Gestängeelementen ermöglicht wird. Die beiden endseitig angeordneten Induktionsspuleneinrichtungen an einem Gestängeelement sind dabei jeweils über ein Kabel entlang des Gestängeelementes miteinander ver bunden.
Weitere Bohrgestängeelemente mit Induktionsspulen zur Datenübertragung sind bei spielsweise aus der US 2002/0193004 A1 und der US 2010/0175890 A1 bekannt. Auch bei diesen bekannten Gestängeelementen wird innerhalb des Gestänges eine Datenleitung zur Datenübertragung benötigt.
Eine drahtlose Datenübertragung per Funk aus einem Loch im Boden ist praktisch kaum möglich, da etwa ein Bohrloch oder ein Frässchlitz üblicherweise mit einer Bohr- oder Stützsuspension oder einer abbindbaren Suspension verfüllt sind, durch welche die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen ganz erheblich behindert und schon bei relativ kurzen Distanzen von nur wenigen Metern praktisch unmöglich wird.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit welchen in besonders einfacher und zugleich zuverlässiger Weise eine Datenübertragung aus einem oder in ein Loch im Boden ermöglicht werden, wobei das Loch auch mit einem Füllmaterial versehen sein kann.
Die Aufgabe wird zum einen durch eine Anordnung mit den Merkmalen des An spruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet ist, dass außerhalb des Lochs eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet ist und dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper der Bearbeitungseinrichtung und/oder des Strukturelementes übertragen wird. Die Hintereinanderschaltung mehrere Sende/ und Empfängereinheiten inner halb des Bohrloches, sowie die Überbrückung von gewissen nicht leitenden Stellen durch ein Kabel ist hierbei ebenso möglich.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass Hochfrequenzsignale durch ei nen elektrisch leitenden Körper übertragen werden können, selbst wenn dieser mehr teilig und komplex aufgebaut ist. Zusätzlich fungieren Teile des elektrisch leitenden Körpers, insbesondere die jeweiligen Endbereiche, als Antenne, welche die Signale abstrahlen, also senden bzw. empfangen kann. Es hat sich außerdem gezeigt, dass dadurch bei mehrteiligen Körpern wie z. B. teleskopierbaren Kellystangen das Signal überraschenderweise auch dann vom einen Ende des Körpers zum anderen Ende übertragen wird, wenn die einzelnen Teile nur einen Undefinierten oder während des Betriebs - z. B. aufgrund von Spiel an den Übergangsstellen - an wechselnden Stel len bzw. überhaupt keinen direkten elektrisch leitenden Kontakt zueinander haben. Das bedeutet, dass innerhalb eines mehrteiligen metallischen Körpers auf aufwändi ge und anfällige Schleifringe, teure Induktionskopplungen oder Ähnliches zur Sig nalübertragung verzichtet werden kann. Gleichzeitig ist das Einkoppeln der Datenin formation an einem nicht direkt verbundenen elektrisch leitenden Element, wie bei spielsweise der Verrohrung ebenso möglich und führt zu einer doppelten, und somit robusteren Abstrahlung der Information an der Erdoberfläche. Dieser Weg kann uni- oder bidirektional sein. Nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung funktioniert das auch, wenn sich der elektrisch leitende Körper in einem mit einem Füllmaterial ver- füllten Loch im Boden befindet. Das Füllmaterial stellt eine Abschirmung gegen eine Abstrahlung nach außen dar. Das Hochfrequenzsignal kann also teilweise kontakt- oder körperbehaftet in dem leitenden Körper und teilweise kontakt- oder körperlos durch Freiräume zwischen elektrisch leitenden Körpern, etwa wie ein Funksignal, übertragen werden, ohne dass hierfür spezielle Sende- oder Empfangsantennen notwendig wären. Das Füllmaterial ist vorzugsweise flüssig oder fließfähig und kann insbesondere eine Bohr- oder Stützsuspension oder eine abbindende Masse sein, welche beispielsweise Wasser, Bentonit, Zement und/oder weitere mineralische oder chemische Bestandteile aufweist, wie sie etwa im Tiefbau zum Ausbilden von Bohr pfählen oder Schlitzwänden eingesetzt werden.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung beruht darauf, dass eine Bearbeitungsein richtung zum Erstellen des Lochs im Boden oder ein Strukturelement, wie eine sog. Verrohrung des zu erstellenden Loches oder ein Bauelement, welches in das Loch im Boden etwa als eine Armierung eingesetzt wird, einen derartigen geeigneten elektrisch leitenden Körper zur Signalübertragung darstellt. Dabei kann gemäß der Erfindung in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit und außerhalb des Lochs seitlich versetzt zur Öffnung desselben eine zweite Sende- und/oder Emp fangseinheit angeordnet werden, welche ausgebildet sind, ein geeignetes Hochfre quenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen.
Je nach Anwendungsfall kann etwa im Loch nur eine Sendeeinheit angeordnet sein, während außerhalb des Lochs lediglich eine Empfangseinheit angeordnet ist. Mit einer preiswerten„verlorenen“ Messeinrichtung können auch bestimmte Daten wie z. B. der Temperaturverlauf einer aushärtenden Verfüllmasse wie Beton erfasst und über die Sendeeinheit in einen elektrisch leitenden Armierungskörper eingeleitet werden, welcher das Signal nach oben leitet und an der Oberfläche abstrahlt. An ge eigneter Stelle, z. B. an einem Geräteträger, wird das Signal mittels einer Empfangs einheit aufgenommen und in einem Speicher abgelegt. Damit kann z. B. der Aushär teverlauf eines im Boden errichteten Gründungspfahles oder einer Schlitzwand do kumentiert werden. Auch kann man so zuverlässig ermitteln, wann der Pfahl oder die Schlitzwand eine ausreichende Festigkeit erreicht hat, um belastet zu werden. Hier für sind weder Datenleitung noch separate Antenne erforderlich sind. In umgekehrter Weise könnte auch in dem Loch lediglich eine Empfangseinheit vorgesehen sein, die Daten zur Steuerung eines Bohrwerkzeuges an eine entsprechende Steuereinheit des Bohrwerkzeuges weiterleitet, während außerhalb des Lochs nur eine Sendeein heit eingesetzt wird. Besonders zweckmäßig ist es jedoch insbesondere beim Erstel len einer Bohrung oder eines Frässchlitzes, dass die Einheiten jeweils zum Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen ausgebildet sind, so dass ein bidirektio naler Datenaustausch ermöglicht wird.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung können der Einbau teurer und empfindli cher Datenleitungen, etwa bei Bodenbearbeitungseinrichtungen oder bei Armierun- gen, sowie bei mehrteiligen Bohrsträngen notwendige Steckverbindungen, Schleif ringe oder Induktionskopplungen vermieden werden. Dies vereinfacht nicht nur den Aufbau entsprechender Einrichtungen, sondern vermindert auch erheblich den War tungsaufwand und erleichtert eine Datenkommunikation in und aus einem Loch im Boden.
Grundsätzlich kann die erste Sende- und/oder Empfangseinheit innerhalb des Lochs an einer beliebigen Stelle vorgesehen sein, etwa auch in einem gewissen Abstand zu dem elektrisch leitenden Körper, welcher insbesondere metallisch oder mit einer lei tenden Beschichtung versehen ist. Besonders bevorzugt ist es nach einer Ausfüh rungsform der Erfindung, dass die erste Sende- und/oder Empfangseinheit an der Bearbeitungseinrichtung beziehungsweise dem Strukturelement an einem unteren Abschnitt angebracht ist. Bei einer Bearbeitungseinrichtung, die insbesondere eine Bodenbearbeitungseinrichtung ist, kann die Sende- und Empfangseinheit direkt an einem Bohrwerkzeug befestigt sein. Beim Erstellen eines Lochs, wie es beispielswei se im Tiefbau zum Erstellen eines Gründungspfahles oder eines Schlitzwandseg mentes vorgesehen wird, können Lochtiefen von einigen Metern bis zu einigen Hun dert Metern, etwa bei einem Frässchlitz, erreicht werden. Insbesondere bei größeren Lochtiefen kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine einfache und zuverläs sige Datenübertragung von unteren Ende des Lochs an die Oberfläche erzielt wer den. Ein Einsatz der Erfindung ist auch beim Brunnenbohren, Öl- oder Gasbohren oder anderen Bohrungen möglich.
Die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit kann grundsätzlich unmittelbar an dem elektrisch leitenden Körper angebracht sein. Eine vorteilhafte Variante der Erfindung besteht jedoch darin, dass die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit außerhalb des Lochs beabstandet zu dem oberen Abschnitt ist und dass der obere Abschnitt als eine Antenne zum Abstrahlen beziehungsweise Empfangen des Hochfrequenz signals ausgebildet ist. Sobald sich der elektrisch leitende Körper der Bearbeitungs einrichtung oder des Strukturelementes aus dem Füllmaterial des Lochs in die Atmo sphäre an der Oberfläche erstreckt, kann bei einer entsprechenden Gestaltung der obere Abschnitt als eine Antenne zum Abstrahlen oder Empfangen des Hochfre quenzsignals dienen. Damit kann die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit, wel che mit einer entsprechenden Antenne versehen ist, beabstandet von dem elektrisch leitenden Körper, insbesondere der Bearbeitungseinrichtung, etwa am Trägergerät einer Baumaschine oder an einer sonstigen geeigneten Position angeordnet werden. Dies bietet eine weitere Vereinfachung bei der Datenkommunikation. Insbesondere bei einer Datenübertragung an rotierenden Teilen können aufwändige und ver schleißbehaftete Kontaktringe entfallen.
Eine besonders gute Funktion als eine Antenne wird nach einer Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erzielt, dass ein oberer Abschnitt des elektrisch leitenden Körpers aus dem Loch herausragt. Der obere Abschnitt weist dabei vorzugsweise ein stabförmiges Element auf.
Grundsätzlich sind Hochfrequenzsignale in einem relativ breiten Frequenzbereich zum Einsatz bei der erfindungsgemäßen Anordnung geeignet. Nach einer Erkenntnis der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass das Hochfre quenzsignal eine Frequenz zwischen 750 MHz und 950 MHz, insbesondere zwi schen 840 MHz und 880 MHz aufweist. Im Rahmen von Tests konnten besonders gute Ergebnisse bei einer Frequenz von 868 MHz mit einer Bandbreite von 125 KHz ermittelt werden.
Eine besonders gute Funktion als Antenne wird nach einer Ausführungsvariante der Erfindung dadurch erzielt, dass der obere Abschnitt in Abhängigkeit von der verwen deten Frequenz mindestens c/(f x 2) mit c=Lichtgeschwindigkeit und f=Frequenz aus dem gefüllten Loch herausragt, was bei einer Frequenz von 750 MHz ca. 20 cm ent spricht, bei höheren Frequenzen entsprechend kürzer.
Die Datenübertragung mittels des Hochfrequenzsignals erfolgt in bekannter Weise, insbesondere durch eine Modulation der hochfrequenten Trägerfrequenz.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es bevorzugt, dass im Loch mindestens eine Messeinrichtung vorgesehen ist, welche wenigstens einmal, bevorzugt aber kontinuierlich oder diskontinuierlich Messwerte abgibt, die zu der ers ten Sendeeinheit bzw. Sende- und Empfangseinheit in dem Loch geleitet werden. Die Messeinrichtung kann dabei zum Messen verschiedenster Zustandswerte aus gebildet sein, insbesondere Druck, Temperatur, Neigungswinkel, Salzgehalte etc. Die Messwerte werden durch eine hinlänglich bekannte Einrichtung, etwa eine Modu- lationseinrichtung, auf das Hochfrequenzsignal übertragen, so dass diese mit der Sendeeinheit bzw. der Sende- und Empfangseinheit abgestrahlt werden können.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Bearbeitungseinrichtung vorzugs weise eine Bodenbearbeitungseinrichtung. Besonders vorteilhaft ist es, dass die Be arbeitungseinrichtung ein Bohrwerkzeug mit einer Bohrstange oder ein Fräswerk zeug mit einer Führungsstange ist. Die erste Sende- und/oder Empfangseinheit kann dabei an einer geeigneten Position an einem elektrisch leitenden Körper des Bohr werkzeugs oder des Fräswerkzeuges angeordnet sein, wo sie das Signal einkoppelt. Von dort kann sich das Hochfrequenzsignal durch die Bohrstange, welche auch eine teleskopierbare Kellystange sein kann, oder die Führungsstange nach oben ausbrei ten. In umgekehrter Weise kann ein Hochfrequenzsignal von der zweiten Sende- und/oder Empfangseinheit außerhalb des Lochs nach unten zu der Bearbeitungsein richtung geleitet werden.
Grundsätzlich ist die Anordnung in vielfältiger Weise einsetzbar. Besonders vorteil haft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass diese als ein Bodenbearbei tungsgerät, insbesondere als ein Bohrgerät oder eine Schlitzwandfräse ausgebildet ist, welches mit einer Trägervorrichtung versehen ist, an welcher das Bohrwerkzeug mit der Bohrstange beziehungsweise das Fräswerkzeug vertikal verstellbar, insbe sondere mit einer Führungsstange oder einem Stahlseil, gelagert ist. In vorteilhafter Weise ist insbesondere die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit an der Träger vorrichtung mit einem Bedienstand angeordnet. Die Bohrstange oder die Führungs stange kann insbesondere eine teleskopierbare Kellystange sein.
Das für die Erfindung vorgesehene Strukturelement kann ebenso vielfältig ausgebil det sein. Besonders bevorzugt ist es, dass das Strukturelement eine Armierung, ins besondere einen Bewehrungskorb, einen Stahlträger, ein Rohr, insbesondere ein Bohr- oder Stützrohr, einen Pfahl, eine Stange oder ein Stahlseil aufweist. Voraus setzung ist, dass das Strukturelement einen elektrisch leitenden Körper, insbesonde re einen metallischen Körper, besonders bevorzugt einen Stahlkörper, aufweist, wel cher sich entlang des Lochs aus der Füllung heraus nach oben in die Atmosphäre erstreckt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Loch eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet wird, dass außerhalb des Lochs eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit angeordnet wird und dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper der Bearbeitungseinrichtung oder des Strukturelementes übertragen und ab gestrahlt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere mit der zuvor beschriebenen er findungsgemäßen Anordnung ausführbar. Mit dem Verfahren können die zuvor be schriebenen Vorteile erzielt werden.
Hinsichtlich der Energieversorgung der Sende- und/oder Empfangseinheiten, insbe sondere der Einheit im Loch, ist vorzugsweise eine Batterie oder ein Akku vorgese hen. Insbesondere für eine langfristige autarke Energieversorgung kann eine Ener giegewinnungseinrichtung an der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit vorgese hen sein, welche etwa aus der Umgebungstemperatur oder aus einer Bewegung der Bearbeitungseinrichtung Energie gewinnt. Dabei können hinlänglich bekannte Ein richtungen zum sogenannten Energy-Harvesting eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben, welches schematisch in der Zeichnungsfigur dargestellt ist. Die Zeichnungsfigur zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Querschnittsansicht.
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 10 zur Daten übertragung, welche als ein Bodenbearbeitungsgerät 50, insbesondere ein Bohrge rät, mit einer schematisch angedeuteten Trägervorrichtung 52 ausgebildet ist.
Mit dem Bodenbearbeitungsgerät 50 wird in einem Boden 4 mittels einer Bearbei tungseinrichtung 20 ein Loch 6 erstellt, welches zur Abstützung mit einem fließfähi gen Füllmaterial 8 schon beim Erstellen gefüllt ist.
Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Bearbeitungsein richtung 20 ein Bohrwerkzeug 25 zum Abtragen von Bodenmaterial und eine Bohr stange 26 auf, welche sich von dem unteren Bohrwerkzeug nach oben aus dem ge- füllten Loch 6 heraus in die freie Atmosphäre erstreckt. Das Bohrwerkzeug 25 und die Bohrstange 26 bilden einen mehrteiligen metallischen Körper 22 im Sinne der Erfindung.
An dem Bohrwerkzeug 25, welches einen unteren Abschnitt 23 des metallischen Körpers 22 bildet, ist eine Messeinrichtung 28 angeordnet, welche beispielsweise zum Erfassen einer Temperatur oder eines Druckes im Bereich einer Sohle 7 ausge bildet ist. Weiterhin ist an dem unteren Abschnitt 23 gemäß der Erfindung eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit 30 in direktem Kontakt mit dem metallischen Grundkörper 22 angebracht. Die Messeinrichtung 28 ist drahtlos oder drahtgebunden mit der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit 30 in Verbindung, so dass kontinu ierlich oder diskontinuierlich erfasste Messwerte von der Messeinrichtung 28 zu der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit 30 geleitet werden können.
Die erste Sende- und/oder Empfangseinheit 30 ist zum Aussenden eines Hochfre- quenzsignales ausbildet, welches vorzugsweise eine Frequenz von 868 MHz auf weist. Das Hochfrequenzsignal, welches durch entsprechende Modulation mit den Messwertdaten versehen wird, wird von dem unteren Abschnitt 23 entlang des metal lischen Körpers 22 bis zu dem aus dem Loch 6 herausragenden oberen Abschnitt 24 geleitet.
Gemäß einer Erkenntnis der Erfindung stellt ein elektrisch leitender Körper 22, selbst wenn dieser mehrteilig ausgebildet ist, in einem verfüllten Loch im Boden einen her vorragenden Leiter für ein Hochfrequenzsignal dar.
Gemäß der Erfindung dient der obere Abschnitt 24 des metallischen Grundkörpers 22, welcher aus dem gefüllten Loch 6 herausragt, als eine Antenne. Somit strahlt der obere Abschnitt 24 das Hochfrequenzsignal, welches von der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit 30 erzeugt wurde, in die Atmosphäre ab.
Beabstandet durch einen Luftspalt von dem oberen Abschnitt 24 ist an der Träger vorrichtung 52 des Bodenbearbeitungsgerätes 50 eine zweite Sende- und /oder Empfangseinheit 40 angeordnet. Das Hochfrequenzsignal wird durch den Luftspalt über eine schematisch angedeutete Funkstrecke F übertragen und von der zweiten Sende- und/oder Empfangseinheit empfangen. Das empfangene Hochfrequenzsignal kann dann in grundsätzlich bekannter Weise durch eine nicht dargestellte Steuerein- heit des Bodenbearbeitungsgerätes 50 ausgewertet und z. B. zur Dokumentation oder zur Steuerung des Betriebes eingesetzt werden.
In entsprechender Weise kann auch von dem Trägergerät 52 über die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit 40 ein Hochfrequenzsignal mittels einer nicht dargestell ten Antenne an den oberen Abschnitt 24 des metallischen Körpers 22 der Bearbei tungseinrichtung 20 ausgestrahlt und von dort an die erste Sende- und/oder Emp fangseinheit 30 am unteren Abschnitt 23 durch den metallischen Körper 22 geleitet werden. Auf diese Weise ist auch eine bidirektionale Datenkommunikation zwischen dem unteren Bohrwerkzeug 25 an der Sohle 7 des Lochs 6 und der an der Oberflä che befindlichen Trägervorrichtung 52 möglich.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung 10 können aufwändige Datenleitungen, Schleifkontakte, Steckverbindungen oder Induktionskupplungen zwischen Bohrge stängeelementen sowie schleifende Kontaktringe zwischen einem rotierenden Bohrstrang und einem Trägergerät entfallen. So wird der Aufbau und der Betrieb ins besondere von Tiefbaumaschinen erheblich vereinfacht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Anordnung zur Datenübertragung aus einem oder in ein Loch (6) im Boden (4), insbesondere einem Bohrloch oder einem Frässchlitz, wobei entlang des Lochs eine Bearbeitungseinrichtung (20) und/oder ein Strukturelement angeordnet ist, welche/s mit einem elektrisch leitenden Körper (22) gebildet ist und sich mit einem oberen Abschnitt (24) aus dem Loch (6) heraus erstreckt,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Loch (6) eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit (30) ange ordnet ist,
dass außerhalb des Lochs (6) eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit (40) angeordnet ist und
dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten (30, 40) ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper (22) der Bearbeitungseinrichtung (20) und/oder des Strukturelements übertragen wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Sende- und/oder Empfangseinheit (30) an der Bearbeitungsein richtung (20) beziehungsweise dem Strukturelement an einem unteren Abschnitt (23) angebracht ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Sende- und/oder Empfangseinheit (40) außerhalb des Lochs (6) beabstandet zu dem oberen Abschnitt (24) ist und
dass der obere Abschnitt (24) als eine Antenne zum Abstrahlen beziehungsweise Empfangen des Hochfrequenzsignals ausgebildet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der obere Abschnitt (24) mindestens 20 cm aus dem Loch (6) herausragt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hochfrequenzsignal eine Frequenz zwischen 750 MHz und 950 MHz, insbesondere zwischen 840 MHz und 880 MHz aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Loch (6) mindestens eine Messeinrichtung (28) vorgesehen ist, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich Messwerte abgibt, welche zu der ersten Sen de- und/oder Empfangseinheit (30) in dem Loch (6) geleitet werden.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bearbeitungseinrichtung (22) ein Bohrwerkzeug (25) mit einer Bohr stange (26) oder ein Fräswerkzeug mit einer Führungsstange ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese als ein Bodenbearbeitungsgerät (50), insbesondere ein Bohrgerät, ein HDI-Gerät oder eine Schlitzwandfräse, ausgebildet ist, welches mit einer Träger vorrichtung (52) versehen ist, an welcher das Bohrwerkzeug (25) mit der Bohr stange (26) beziehungsweise das Fräswerkzeug vertikal verstellbar gelagert ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Strukturelement eine Armierung, insbesondere einen Bewehrungskorb, einen Stahlträger, ein Rohr, insbesondere ein Bohr- oder Stützrohr, einen Pfahl, eine Stange oder ein Stahlseil aufweist.
10. Verfahren zur Datenübertragung aus einem oder in ein Loch (6) im Boden (4), insbesondere mit einer Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in dem Loch (6) eine Bearbeitungseinrichtung (20) und/oder ein Struktu relement angeordnet wird, welche mit einem elektrisch leitenden Körper (22) ge bildet sind und sich mit einem oberen Abschnitt (24) aus dem Loch (6) heraus er strecken,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Loch (6) eine erste Sende- und/oder Empfangseinheit (30) an geordnet wird,
dass außerhalb des Lochs (6) eine zweite Sende- und/oder Empfangseinheit (40) angeordnet wird und
dass die Sende- und/oder Empfangseinheiten (30, 40) ausgebildet sind, ein Hochfrequenzsignal zu senden beziehungsweise zu empfangen, welches durch den elektrisch leitenden Körper (22) der Bodenbearbeitungseinrich tung (20) und/oder des Strukturelements übertragen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
dass entlang eines Übertragungswegs zwischen der ersten Sende- und/oder Empfangseinheit das Hochfrequenzsignal mindestens in einem Abschnitt kon- takt- oder körperlos übertragen wird.
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