FI123887B - Porauskärjen paikoitusmenetelmä - Google Patents

Description

PORAUSKÄRJEN PAIKOITUSMENETELMÄ

Keksintö kohdistuu maanalaista reikää poraavan poralaitteen terän tai porauskäijen pai-5 koitusmenetelmään, jossa menetelmässä porauskärkeen sijoitetaan sopivimmin suojattuun yksikköön porauskäijen ainakin etenemisen suuntakulmia ilmaisevia antureita, laitteistot anturitietojen muuntamiseksi maanpinnalle lähetettävään signaalimuotoon, paristo virtalähteeksi sekä radiolähetin ja antenni.

10 Ennestään on tunnettua, että vaakasuuntaisessa maanalaisessa porauksessa vesi-, viemäri-ja sähkökaapeliputkia varten porataan ohjausreikä maan alle työntämällä hydraulisesti rautaputkia maan alle. Sen jälkeen vedetään suurempi putki samaa reikään myöten takaisin. Porattaessa tällä tavoin maanpinnan lähellä, voidaan terän paikka määritellä käijessä olevan radiolähettimen ja maanpinnalla olevalla vastaanottimen avulla, esimerkkinä pa-15 tenttijulkaisu US 6,417,666. Tämä menetelmä toimii kuitenkin vain lähellä maan pintaa. Toimintaetäisyys on normaalisti alle kymmenen metriä. Viemällä lisää tehoa maan alle kaapeleilla, tätä etäisyyttä voidaan kasvattaa enintään 50 metriin. Vaakaporauksessa käytetään paineistettua bentoniittiä voiteluaineena ja peräkkäisesti lisättäviä metalliputkia, joten kaapeleiden käyttö on lähes mahdotonta.

20

Vaakaporauskaluston käyttäminen maalämpöputkien reikien tekoon pehmeässä maassa vaatii poran kärjen paikan mittausta. Tunnetuilla vaakaporauskalustolla voidaan poran liikettä ohjata, jos maan päällä tiedetään, missä terä on porauksen aikana. Ohjaus tapahtuu talttamaisella terällä, joka on asennettu ensimmäisen putken päähän. Kun putkea

CO

£ 25 pyöritetään, terä kulkee normaalisti suoraan. Kun terää ei pyöritetä, putki kääntyy taltan

CM

^ suuntaamana painettaessa putkea eteenpäin. Vaakaporauslaitteilla tehty maalämpöreikä o ^ olisi huomattavasti edullisempi kuin kallioporareikä. Maalämpöputket porataan syvem-

CM

x mälle kuin kunnallistekniikkaan liittyvät vesi-, viemäri- ja sähköputket.

CC

CL

CO

30 Maalämpötekniikassa tarvittavia pystysuuntaisia reikiä ei nykyisellä tekniikan tasolla o voida mitata kuin aivan lähellä maan pintaa. Vaikka pystysuuntaisten putkien paikka ei o ^ ole aivan niin tärkeä kuin vaakasuuntaisten putkien paikka, porauksia ei voida tehdä sat tumanvaraisesti. Sama ongelma on talojen perustuksiin tehtävissä metallisissa tukiput-kissa. Joissakin tapauksissa putket ovat kääntyneet ja nousseet maan pinnalle takaisin.

2 Näin tehty työ pitää tehdä uudestaan, koska työn aikana ei tiedetä putken paikkaa maan alla. Näissä tapauksissa putken suoruus, joka vaikuttaa talon pohjan kantavuuteen, on mitattu jälkeenpäin ja tehty työ pitää hylätä. Putkien asentotieto siis jo työn aikana on S taloudellisesti tärkeää.

Esillä olevassa menetelmässä porauskäijen paikkatieto saadaan maanpinnalle jo porauksen aikana ja täten saavutetaan ratkaiseva parannus nykyiseen tekniikan tasoon. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, se mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.

10

Keksinnön mukaisen menetelmän etuina voidaan mainita: - Porauspään etäisyys saadaan selville laskemalla vakiomittaisten poraputkien määrä.

- Porauspään syvyys saadaan porauspäässä vastaanotetun signaalin heikkenemistiedosta.

- Porauspään asento saadaan selville kaksisuuntaisella kallistusanturilla. Jos 15 kallistuskulmat x ja y ovat nollia, pora on pystysuorassa.

- Terän ohjauslapion kiertokulma saadaan selville kallistusanturilla.

- Tieto antureista siirretään maan pinnalle radiosignaalilla ilman eristettyä kaapelia. Koska metallinen putki tulee aina maanpinnalle, ei poran kärjen syvyys ole enää tärkeää mittaustehon kannalta.

20 - Terän sijainti saadaan maanpinnalta tutkittuna vahvimman signaalin periaatteella.

- Putkenvaihdon aikana, terä on lepotilassa, jolloin kulmamittaus on tarkkaa.

- Radiosignaalin vaimennus metallisessa putkessa on paljon pienempi kuin maan tai ilman läpi. Tämä ominaisuus on erittäin tärkeä paristokäyttöisillä laitteilla.

- Vaikka rautaputki ei ole eristetty maasta, signaali kulkee helposti hyvin johtavaa rautapa g 25 putkea pitkin kuten sähköllä on tapana. Tiedonsiirto veden ja märän maan läpi on suu-

CNJ

ren vaimennuksen takia ollut tähän asti mahdotonta, cp ^ - Maanalainen reaaliaikainen mittaustieto mahdollistaa putken ohjauksen ja reiän c\j x dokumentoinnin.

CC

- Kaksisuuntainen tiedonsiirto mahdollistaan antureiden ja lähettimen ohjauksen vain co 30 juuri oikealla hetkellä. Laitteen käyttäminen ja pariston vaihto on hallittua, o δ ^ Seuraavassa keksintöä selitetään lähemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa

Kuvio 1 esittää vaakaporausta, jossa putkia painetaan peräkkäin maaperään.

Kuvio 2 esittää erästä keksinnön mukaista porauspäähän sijoitettavaa laiteyksikköä.

3

Kuvio 3 esittää erästä maanpäällistä laiteyksikköä.

Kuvio 4 esittää erästä maanpäällisiä lähettimiä käyttävää paikannussysteemiä.

Kuvio 5 esittää maanalaisen putken porauskäijen paikoitusta liikuteltavalla laitteistolla.

5 Kuvio 6 esittää kaaviollisesti erästä näyttötaululla varustettua laiteyksikköä.

Kuviossa 1 on kaaviollisesti esitetty vaakaporaustilanne, jossa maaperään painetaan voimalaitteen, kuten kaivinkoneen avulla peräkkäin ensin kärkikappaleella 22 varustettu putki 9 tai poratanko, jossa kärkikappale 22 on vino pinta, ns. kärkilapio. Porauksen ede-10 tessä putkia 9 lisätään edellisen perään. Yleensä vaakaporausreikä tekee loivan kaarroksen, jolloin porauspäätä pitää ohjata. Jos porauspäätä ja koko peräkkäistä putkistoa 9 pyöritetään, etenee porauspää suoraan huolimatta vinosta kärkipinnasta. Jos pyöritys lopetetaan, alkaa vino kärkipinta kääntää suuntaa. Pyöritys lopetetaan sellaiseen asemaan, jossa vino pinta ohjaa porauspäätä haluttuun suuntaan. Porauskäijessä on porauspään pai-15 kantamiseen liittyvä yksikkö 21. Maan pinnalla olevassa takimmaisessa putkessa 9 on pyöritykseen ja työntöön liittyvä kaulus 20.

Maanalaisen paikoituslaitteen toiminta selitetään kuvan 2 avulla. Laite koostuu ensinnäkin porauslaitteen kärjessä olevasta anturi- ja lähetinyksiköstä 21. Maanalaisessa lait-20 teessä on sinänsä tunnettu mikromekaaninen kallistusanturi 1. Se mittaa putken kallistuksen pitkittäis- ja poikittaissuunnassa. Samoin anturina on magneettinen kompassi 2, joka mittaa putken pään suunnan magneettiseen pohjoisnapaan nähden. Anturisignaalit muutetaan saijaliikennesanomamuotoon mikroprosessorilla 3. Saijaliikennesanoma muutetaan radiota varten taajuusmodulaattorilla 4. FSK-moduloitu audiosignaali ohjaa HF-taa- $2 25 juudella olevaa pienitehoista radiolähetintä 5. Lähettimen antenni 7 on kytketty poran 0 ^ metallivaippaan 9. Mittalaite on eristetyssä kotelossa 6. Rautaputki 9 muodostuu 4 metrin n.

9 paloista, joissa on tiukat kartiokierteet 8.

co

CVJ

ai Kuviossa 3 on maanpäällinen osa paikantamisjäijestelmästä. Maanpäällisessä osassa £2 30 radiovastaanottimen 12 antenni 11 on kytketty metalliputkeen 9. Radiosta saatava audio-

C\J

9 signaali demoduloidaan FSK-ilmaisimessa 13 takaisin saijaliikennesanomaksi. Saijalii- ° kennesanoma puretaan mittaustiedoiksi mikroprosessorissa 14. Mikroprosessori mittaa myös putken pituutta pulssianturilla 15, kierroksia ja kallistuksen tahdistusta kierrosan-turilla 16. Tulokset näytetään paikallisella näyttölaitteella 17. Työntölaitteen ja pyöritys- 4 moottorin 18 avulla porausta voidaan hallita kun poran käijen paikka tiedetään. Mittaus-tiedot talletetaan muistiin 19. Kenttätestit menetelmästä on tehty märässä maassa, joissa on varmistettu keksinnön toimivuus. Mittauksia on tehty useilla eri taajuuksilla. Mittaus 5 toimii ainakin l-70MHz taajuudella. Kuivassa maassa tarvitaan yli -70dBm tehoa ja erittäin märässä maassa +16dBm 100 metriä kohden.

Kuvion 4 esittämässä toisessa suoritusmuodossa maanalaista reikää poraavan poralaitteen terän tai porauskäijen paikoitusmenetelmä on sellainen, jossa porauskärkeen sijoitetaan 10 kuunteleva vastaanotin 33, joka vastaanottaa maanpinnalta vähintään kolmelta eri paikkaan sijoitetulta lähettimeltä 30, 31, 32 lähetettyjä signaaleja, edelleen porauskärkeen kuuluu yksikkö, joka laskee porauskärjen paikkatiedon näiden vähintään kolmen lähetyksen kenttävoimakkuuksien perusteella. Lisäpaikkatietona on tässä tapauksessa lähetettävissä myös keksinnön mukaisella tavalla poratankoa pitkin porauskärkeen maaperään 15 syötetyn poratangon pituustieto. Tämä auttaa vielä tarkentamaan porauskäijen aseman määrittämistä. Myös tässä tapauksessa porauskäijessä on vielä paristo virtalähteenä, radiolähetin 34 ja antenni. Porauskäijessä olevan radiolähettimen 34 lähettämä signaali siirretään antennina toimivaan poralaitteen metalliseen poraputkeen/tankoon 35, jolloin mainittu signaali vastaanotetaan maan pinnalla mainitusta poratangosta liittämällä vas-20 taanottoyksikön antenni mainittuun poratankoon. Käytetty kolmiomittaus tarkentuu, jos maan pinnalla olevat lähettimet 30-32 ovat toisistaan suunnilleen samalla etäisyydellä kuin lähetyssignaaleja vastaanottava anturi 33. Mittauksissa käytetään lisäksi apuna tunnettua anturin etäisyyttä porauksen lähtöpisteestä.

co q 25 Käyttämällä ajastettuja signaaleja eri lähettimille 30-32, verkkovirralla toimivia lähetti-

CM

isL miä sekä suuria lyhytaikaisia lähetystehoja, saadaan ratkaisevasti lisäpituutta mitattavissa cp (J) olevaan paikoitusetäisyyteen sekä -syvyyteen verrattuna signaalin kulkuetäisyyksiin pie- c\j x nitehoisia paristolähettimiä käytettäessä. Aiemmin signaali on lähetetty putken päästä a: maan pinnalle paristokäyttöisillä lähettimillä. Tämä menetelmä ei kuitenkaan toimi suu- co 30 remmillä porauspään syvyyksillä. Vastaanotossa ei tarvita suurta tehoa ja mitatut kenttä- o ^ voimakkuudet anturissa 33 voidaan lähettää pienitehoisella radiolla 34 putkea 35 pitkin.

O

cg

Kuviossa 5 esitetään työkoneen 23 sijoitus maaperään työnnettävän putken maanpäälliseen aloituskohtaan, josta putken työntäminen sekä pyöritys tapahtuu työkoneen 23 avuf- 5 la. Kuvion 5 tilanteessa on putkea 9 työnnetty niin pitkälti maahan, että porauskärjen 22 sijaintia pitää tarkkailla. Tässä tapauksessa henkilö 24 kulkee mittausyksikön 25 kanssa maanpinnalla porauskärjen 22 oletetulla kohdalla. Mittausyksikkö 25 lähettää voimakasta 5 signaalia alaspäin ja porauskärjessä 22 oleva anturi-, vastaanotto- ja lähetinyksikkö 21 vastaanottaa tämän signaalin ja lähettää signaalin voimakkuustiedon poratankoputkea 9 pitkin Rxl - Rx2 aloituskohtaan koneenkäyttäjälle. Koneenkäyttäjällä on näyttötaulu 26, kuten myös henkilöllä 24. Näytöt ovat rinnakkaisnäyttöjä niin, että koneenkäyttäjän näyttötaululta 26 tulee signaali henkilön 24 kuljettamaan mittausyksikön 25 tauluun 26 ja 10 mainitut taulut siis näyttävät samaa paikannustietoa. Tällä järjestelyllä henkilö 24 voi etsiä paikan, josta porauskärkeen tulee voimakkain signaali. Kun paikka on löytynyt, on porauskärki 22 suoraan tämän kohdan alapuolella. Porauskärjen 22 tällä kohtaa vastaanottaman signaalin suuruudesta voidaan päätellä, mikä on maaperän paksuus ts millä syvyydellä porauskärki 22 on. Lähetetty signaali heikkenee maaperän paksuuden mukaan 15 eikä riipu maaperän laadusta kovinkaan paljon. Signaalin heikkeneminen maaperämetriä kohti on määritetty ennalta kokeellisesti ja tätä tietoa käytetään. Henkilö 24 voi siten edetä ilman yhteydenottoa koneenkäyttäjään ja kuljettaa mittausyksikköä 25 porauskärjen 22 yläpuolella, kun putkea 9 työnnetään maahan. Kuljettua matkaa vastaava kaikki kerätty data tallennetaan mittausyksikön 25 tietokoneelle. Henkilö 24 voi kuljettaa 20 riittävän suurta virtalähdettä mukanaan, jotta voidaan lähettää voimakas signaali maan alle.

Koneenkäyttäjä näkee näyttötaulustaan 26 esim. porauskärjen 22 syvyysaseman, kallis-tusaseman, kiertoaseman sekä lämpötilan, kun porauskärjessä 22 oleva paikantamiseen

CO

g 25 liittyvä yksikkö 21 lähettää myös nämä tiedot poratankoa 9 pitkin radiosignaalina ko-

CNJ

^ neenkäyttäjän näyttötauluyksikköön 26. Näiden tietojen hankkiminen ko. antureilta ja o n lähetys ei juuri lisää porauskärjessä 22 tarvittavan pariston suuruutta. Koneenkäyttäjällä

C\J

on etukäteen suunniteltu porausrata putkelle 9 ja jos porauskärjen 22 suunta poikkeaa

CC

tästä, hän ohjaa porauskärkeä 22 kääntymään oikealle radalle.

CO

s 30 o

Kuvio 6 esittää näyttötaulun 26 sekä siihen liittyvät muut laitteet ja toimintayksiköt.

o 00 Siihen kuuluu näyttöruutu 27, tietokone CPU 28, akku 29, GPS-paikannin 37, muisti 38, antenni 39, GSM 40 ja lähetin 41 signaalin lähettämiseksi sekä maaperään että poraus-tankoon. Näyttöruutu 27 mm. näyttää putken asemaa ja siten poikkeamaa ajatellusta 6 sijainnista tällä kohtaa.

Kuvion S esittämä paikannus voi myös tapahtua vaihtoehtoisella tavalla hieman edellä 5 esitetystä poikkeavasti, jolloin poratankoa 9 pitkin ei lähetetä mitään signaalia koneenkäyttäjälle. Porauspäässä 22 on RFID-kela oheislaitteineen, kuten kallistus-, kierto-ja lämpötila-anturit sekä CPU, jolloin tässä tapauksessa maan päältä henkilö 24 lähettää mittausyksikön 25 lähettimellä 41 riittävän tehokasta kantoaaltoa esim. 32 kHz maan alle yhdestä tai useammasta kohdasta Txl - Tx4 ja ainakin yksi RFID-yksikkö porauskäijes-10 sä 22 virittyy ja lähettää moduloitua aaltoa takaisin mittausyksikölle 25. CPU:n avulla esim. moduloidun takaisinlähetetyn signaalin ensimmäiset 10 bittiä sovitetaan kuvaamaan vastaanotetun signaalin amplitudia, seuraavat 10 bittiä porauspään kallistusanturin antamaa tietoa, seuraavat 10 bittiä porauspään kiertoasemaa ja seuraavat lämpötilaa. Myös tässä tapauksessa henkilöllä 24 on kuvion 6 mukainen näyttö- ja laiteyksikkö ja 15 koneenkäyttäjällä omansa. Nyt henkilön 24 näyttötaulun data puolestaan lähetetään ko neenkäyttäjän näyttötauluun 26. Porauspään 22 syvyysasema saadaan tässäkin signaalin heikennyksestä maaperämetriä kohti, josta on kokeelliset tulokset sekä niitä vastaavat metrimäärät.

20 co o 25

CM

1^ 0

CO

OJ

CU

CL

CO

s 30 o δ

CM

Claims (6)

7

1. Maanalaista reikää poraavan poralaitteen terän tai porauskäijen (22) paikoitusmene-5 telmä, jossa menetelmässä porauskärkeen sijoitetaan sopivimmin suojattuun yksikköön (6) porauskärjen tilannetta mittaavia välineitä ja/tai mainittuun mittaukseen liittyvien muualta lähetettyjen signaalien vastaanottovälineitä sekä laitteistot (3,4) mittaustietojen muuntamiseksi maanpinnalle lähetettävään signaalimuotoon, mahdollinen paristo (10) virtalähteeksi sekä laitteet signaalin lähettämiseksi porauskäijestä (22), jolloin poraus-10 kärjen (22) paikkatieto selvitetään maan pinnalta lähetetyn signaalin avulla ja poraus-päässä (22) havaitut tiedot lähetetään maanpinnalle joko radioteitse poratankoputkea (9) pitkin tai porauspäästä (22) lyhintä tietä maanpinnalle, tunnettu siitä, että menetelmässä etsitään se maanpäällinen asema, josta lähetetty signaali porauspäässä (22) vastaanotettuna on voimakkain ja määritetään porauspään (22) asema tästä asemasta suoraan alapuo-15 lella sijaitsevaksi ja porauspään (22) syvyysasema määritetään maanpinnalta pora- uspäähän (22) lähetetyn signaalin heikkenemisenä, jolloin kokeellisesti määritettyä signaalin heikkenemistä maaperämetriä kohti käytetään syvyysaseman määrittämiseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että henkilön (24) kul-20 jettama paikannusta suorittava laitteisto (25),(26) ja aloituskohdassa toimivan koneenkäyttäjän näyttölaitteisto (26) lähettävät signaalitietoa kaksisuuntaisesti.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä po-rauskäijen (22) paikannuksen maanpäälliset asemat tai rata ilmaistaan GPS-laitteistolla. CO 5 25 c\j

^ 4 . Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että porauskärkeen sijoi- o „ tetaan RFID-yksikkö, joka vastaanottaa maanpinnalta lähetetyn kantoaallon ja lähettää C\J j. kantoaaltoa moduloituna modulaatioiden sisältäessä porauspään (22) signaali- ja anturi- CC tietoja, moduloidun kantoaallon ollessa maanpinnalla vastaanotettavissa ja modulaati- co ^ 30 öistä ratkaistaan porauspään lähettämät tiedot, o δ

^ 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poratangon (9) pyö rittämiseen perustuvassa porauksessa porauskäijen kiertokulma mitataan vaakasuuntaisessa porauksessa porauskärkeen sijoitettua painovoimaan perustuvaa kulma-anturia 8 käyttäen ja pystysuuntaisessa porauksessa maan magneettikentän suuntaa havaitsevan anturin ilmaisua hyväksi käyttäen.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että henkilö (24) etenee mittauslaitteen (25) kanssa maan pinnalla porauspään (22) havaitun sijainnin yläpuolella.