WO1992013173A1 - Vorrichtung zur gewinnung einer ortsunabhängigen und absoluten bezugsrichtung - Google Patents

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WO1992013173A1
WO1992013173A1 PCT/EP1992/000063 EP9200063W WO9213173A1 WO 1992013173 A1 WO1992013173 A1 WO 1992013173A1 EP 9200063 W EP9200063 W EP 9200063W WO 9213173 A1 WO9213173 A1 WO 9213173A1
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sensors
magnetic field
boring bar
target boring
signal
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PCT/EP1992/000063
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Inventor
Heinz Wallussek
Werner Vorhoff
Martin Meyer
Original Assignee
Bergwerksverband Gmbh
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    • 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
    • E21B47/02—Determining slope or direction
    • E21B47/022—Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the magnetic north pole by determining the field vector with the aid of magnetic field sensors when used with metal bodies, in particular for targeted drilling in underground mining and tunneling with target boring bars.
  • the invention is therefore based on the object of minimizing or eliminating the difficulties in the magnetometer which arise from the presence of the metal body.
  • the object is achieved in that several sensors registering the field strength are arranged radially around 360 ° around the metal body, preferably around the target boring bar.
  • the individual sensors arranged around the metal body enable the magnetic field strength to be determined correctly, even if there is no straight line of the field lines. If there is a ferromagnetic metal body in the magnetic field, the field lines are drawn into the ferromagnetic body from the surroundings and condense there. As a result, the radial fine magnetic strength measured by 360 ° results in a curve shape that is symmetrically different from the theoretical curve. However, the zero crossings are not shifted so that a phase shift does not occur.
  • the invention provides that at least two pairs of sensors are arranged distributed around the target boring bar and connected to a multiplexer, which is connected to scan them one after the other. Two sensor pairs arranged in this way compensate for the influence of the magnetic field. The outputs of the sensors are fed to the multiplexer and scanned one after the other. The effect of a sensor moved around the metal body is achieved by the following low-pass filtering, and in this way an error-free signal can be determined, in particular when the sensors are switched. The angle to the north is obtained from the phase shift between the fundamental wave and the pulse control.
  • the invention is characterized in particular by the fact that a device which minimizes the adverse influences of the metal body is created, with which the magnetic north pole can be correctly determined.
  • the device according to the invention can be used to ensure that the problem is correct Determination of the respective position of the target boring bar can be carried out without the risk that corresponding influences have an effect. Not only is the identification of the respective position of the target boring bar achieved, but also the possibility is given to compensate for this by means of countermeasures on the basis of the deviations from the drilling direction determined.
  • FIG. 1 - a target boring bar in cross section with integrated sensors in the magnetic field
  • FIG. 2 the output signal of the respectively switched sensors
  • FIG. 3 - the theoretical course of the fundamental wave
  • FIG. 1 shows an indicated target boring bar 1, to which a multiplicity of sensors 2, 3, 4, 5 are assigned. These various sensors are scanned all round by the multiplexer 6, so that the effect of a sensor moving around the metal body, ie the target boring bar 1, is thereby achieved.
  • the sensors 2, 3, 4, 5 are each integrated into the target boring bar 1 to form sensor pairs 2, 3 and 4, 5, so that compensation for the influencing of the magnetic field is ensured.
  • FIG. 2 shows the output signal of the respectively switched sensors, the multiplexer 6 z. B. is rotated clockwise or interrogating.
  • the individual sensors 2, 3, 4, 5 assigned to the target boring bar 1 according to FIG. 1 are provided with additional, divergent reference numerals, which leads to the numbering according to FIG. 2.
  • FIG. 2 shows the output signal of the switched sensors
  • FIG. 3 shows a signal corresponding to the theoretical profile, which is obtained from the step-shaped signal 8 by filtering out the fundamental wave.
  • This signal 9 of the fundamental wave has a sinusoidal course.
  • FIGS. 4 to 6 show frequency spectra of the different signal forms, the theoretical signal being shown in FIG. 4 with a non-distorted magnetic field.
  • FIG. 5 shows the signal from ro sensor, a distorted magnetic field being present here through a metallic body
  • FIG. 6 shows the signal from the switched sensors 2, 3, 4, 5, likewise with a distorted magnetic field with a different harmonic component.

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Abstract

Zur Bestimmung des magnetischen Nordpols dient eine Vorrichtung, bei der radial um den Metallkörper ganz herum mehrere, die Feldstärke registrierende Sensoren angeordnet sind, und zwar mindestens zwei Sensorpaare, die zweckmäßig mit einem Multiplexer verbunden sind, der sie nacheinander abtastend geschaltet ist.

Description

Vorrichtung zur Gewinnung einer ortsunabhängigen und absoluten Bezugsrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestim¬ mung des magnetischen Nordpols durch Ermittlung des Feldvektors mit Hilfe von Magnetfeldsensoren bei Ein¬ satz mit Metallkörpern, insbesondere beim zielgerich¬ teten Bohren im untertägigen Berg- und Tunnelbau mit Zielbohrstangen.
Bekannt ist es, zur Gewinnung einer ortsunabhängigen und absoluten Bezugsrichtung Kompaßnadeln zu be¬ nutzen. Um mechanische Systeme möglichst zu vermei¬ den, ist es auch bereits bekannt, Induktivsysteme und in neuerer Zeit sogenannte Magnetfeldsensoren einzu¬ setzen. Diese Magnetfeldsensoren weisen eine zur Mes¬ sung des Erdmagnetfeldes notwendige Empfindlichkeit auf. Das hierbei angewendete, allgemeine Meßprinzip beruht auf der Zerlegung des Feldvektors in seine Einzelkomponenten, wobei derartige Meßprinzipe nur mit Erfolg verwendet werden können, wenn keine ferro- magnetischen oder magnetischen Metallkörper im Ein- l
flußbereich angeordnet sind. Sind diese aber vorhan¬ den, so treten erhebliche Schwierigkeiten auf. Dies ist insbesondere auch bei dem Einsatz im untertägigen Bergbau der Fall, wo derartige Magnetfeldsensoren der Zielbohrstange beim zielgerichteten Bohren zugeordnet werden. Durch das Vorhandensein der Zielbohrstange, in der dann die Magnetfeldsensoren untergebracht sind, treten deshalb erhebliche Schwierigkeiten auf, weil das magnetische Feld stark gestört ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, beim Magnetometer die Schwierigkeiten zu minimieren oder auszuschalten, die durch das Vorhandensein des Me¬ tallkörpers entstehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß radial um 360° um den Metallkörper, vorzugsweise um die Zielbohrstange herum verteilt, mehrere die Feldstärke registrierende Sensoren angeordnet sind.
Bei einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich, den Verlauf der magnetischen Feldstärke ra¬ dial zum Metallkörper zu ermitteln und so den magne¬ tischen Nordpol zu bestimmen. Die einzelnen um den Metallkörper verteilt angeordneten Sensoren ermög¬ lichen die einwandfreie Ermittlung der magnetischen Feldstärke, auch wenn dabei ein gradliniger Verlauf der Feldlinien nicht gegeben ist. Befindet sich ein ferromagnetischer Metallkörper im Magnetfeld, so werden die Feldlinien aus der Umgebung in den ferromagnetischen Körper hineingezogen und verdichten sich dort. Dadurch ergibt sich bei der ra¬ dial um 360° gemessenen magnetischen Feistärke eine gegenüber der theoretischen Kurve symmetrisch verän¬ derte Kurvenform. Die Nulldurchgänge sind jedoch nicht verschoben, so daß eine Phasenverschiebung nicht auftritt. Um diesen Nachteilen auszuweichen, sieht die Erfindung vor, daß mindestens zwei Sensor¬ paare um die Zielbohrstange herum verteilt angeordnet und mit einem Multiplexer verbunden sind, der sie nacheinander abtastend geschaltet ist. Zwei derartig angeordnete Sensorpaare bewirken eine Kompensation der Beeinflussung des Magnetfeldes. Die Ausgänge der Sensoren werden dem Multiplexer zugeführt und nach¬ einander abgetastet. Durch die folgende Tiefpassfil- terung wird der Effekt eines um den Metallkörper be¬ wegten Sensors erreicht, und auf diese Weise kann insbesondere bei Umschaltung der Sensoren ein ein¬ wandfreies Signal ermittelt werden. Aus der Phasen¬ verschiebung zwischen Grundwelle und Impulsansteue¬ rung wird der Winkel gegen Nord gewonnen.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß eine die nachteiligen Einflüsse des Metallkörpers minimierende Vorrichtung geschaffen ist, mit der der magnetische Nordpol einwandfrei bestimmt werden kann. Gerade im untertägigen Bergbau, wo erhebliche Stör¬ einflüsse durch die Zielbohrstange, aber auch andere Faktoren vorhanden sind, kann mit Hilfe der erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung eine jeweils einwandfreie Ermittlung der jeweiligen Lage der Zielbohrstange durchgeführt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß entsprechende Einflüsse sich auswirken. Damit wird nicht nur die Identifizierung der jeweiligen Lage der Zielbohrstange erreicht, sondern auch die Möglichkeit gegeben, aufgrund der ermittelten Abweichungen von der Bohrrichtung diese durch Gegenmaßnahmen auszu¬ gleichen.
Anhand der Figuren wird die Erfindung weiter erläu¬ tert. Es zeigen:
Figur 1 - eine Zielbohrstange im Querschnitt mit integrierten Sensoren im Magnetfeld,
Figur 2 - das Ausgangssignal der jeweils umge¬ schalteten Sensoren,
Figur 3 - den theoretischen Verlauf der Grund¬ welle,
Figur 4 - das theoretische Signal bei nicht ver¬ zerrtem Magnetfeld
Figur 5 - Signal aus rotierenden Sensoren bei ver¬ zerrtem Magnetfeld und
Figur 6 - Signal aus umgeschalteten Sensoren bei verzerrtem Magnetfeld. Figur 1 zeigt eine angedeutete Zielbohrstange 1, der eine Vielzahl von Sensoren 2, 3, 4, 5 zugeordnet sind. Diese verschiedenen Sensoren werden umlaufend durch den Multiplexer 6 abgetastet, so daß dadurch der Effekt eines um den Metallkörper, d. h. die Zielbohrstange 1, bewegten Sensors erreicht wird.
Die Sensoren 2, 3, 4, 5 sind jeweils zu Sensorpaaren 2, 3 und 4, 5 in die Zielbohrstange 1 integriert, so daß eine Kompensation der Beeinflussung des Magnet¬ feldes sichergestellt ist.
Figur 2 zeigt das Ausgangssignal der jeweils umge¬ schalteten Sensoren, wobei der Multiplexer 6 z. B. im Uhrzeigersinn umlaufend bzw. abfragend geschaltet ist. Die einzelnen, nach Figur 1 der Zielbohrstange 1 zugeordneten Sensoren 2, 3, 4, 5 sind mit ergänzen¬ dem, hiervon divigierenden Bezugszeichen versehen, was zu der Bezifferung nach Figur 2 führt.
Figur 2 zeigt das AusgangsSignal der umgeschalteten Sensoren, während Figur 3 ein Signal entsprechend dem theoretischen Verlauf wiedergibt, das durch Ausfil¬ tern der Grundwelle aus dem treppenförmigen Signal 8 gewonnen wird. Dieses Signal 9 der Grundwelle hat einen sinusförmigen Verlauf.
Figur 4 bis Figur 6 geben FrequenzSpektren der ver¬ schiedenen Signalformen wieder, wobei in Figur 4 das theoretische Signal bei nicht verzerrtem Magnetfeld wiedergegeben ist. Figur 5 zeigt das Signal aus ro- tierendem Sensor, wobei hier durch einen metallischen Körper ein verzerrtes Magnetfeld vorhanden ist, und Figur 6 zeigt das Signal aus den umgeschalteten Sen¬ soren 2, 3, 4, 5, ebenfalls mit verzerrtem Magnetfeld it anderem Oberwellenanteil.
Bezugszeichenliste
1 Zielbohrstange
2 Sensor
3 Sensor
4 Sensor
5 Sensor
6 Multiplexer
8 Ausgangssignal
9 Signal Grundwelle
10 theoretisches Signal

Claims

βPatentansprüche:
1. Vorrichtung zur Bestimmung des magnetischen Nordpols durch Ermittlung des Feldvektors mit Hilfe von Mag¬ netfeldsensoren bei Einsatz mit Metallkörpern, ins¬ besondere beim zielgerichteten Bohren im untertä- gigen Berg- und Tunnelbau mit Zielbohrstangen, da¬ durch gekennzeichnet, daß radial um 360° um den Me¬ tallkörper, vorzugsweise die Zielbohrstange (1) he¬ rum verteilt mehrere die Feldstärke registrierende Sensoren (2, 3, 4, 5) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Sensorpaare (2, 3; 4, 5) um die Zielbohrstange (1) herum verteilt angeordnet und mit einem Multiplexer (6) verbunden sind, der sie nach¬ einander abtastend geschaltet ist.
PCT/EP1992/000063 1991-01-18 1992-01-15 Vorrichtung zur gewinnung einer ortsunabhängigen und absoluten bezugsrichtung WO1992013173A1 (de)

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