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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Lokalisieren eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung.
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Beim Einbringen von Bohrungen in das Erdreich ist es in der Regel erforderlich, den exakten Bohrverlauf zu kontrollieren. Dies erfordert eine Lokalisierung des Bohrgeräts innerhalb des Erdreichs, um durch einen Vergleich der Ist-Position des Bohrgeräts mit dessen Soll-Position kontrollieren zu können, ob das Bohrgerät dem vorgegebenen Bohrverlauf folgt.
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Eine Kontrolle des Bohrverlaufs ist insbesondere beim Erstellen einer Horizontalbohrung von Bedeutung. Horizontalbohrungen werden insbesondere im Rahmen des grabenlosen Verlegens sowie des grabenlosen Auswechselns von Versorgungsleitungen, wie beispielsweise Frisch- und Abwasserleitungen, Telekommunikationskabel, etc. in das Erdreich eingebracht und erstrecken sich häufig ausgehend von einer Startgrube bis zu einer Zielgrube. Es ist jedoch auch bekannt, Horizontalbohrungen in das Erdreich einzubringen, indem ausgehend von der Erdoberfläche zunächst schräg in das Erdreich hineingebohrt, daraufhin die Bohrung in die Horizontale umgesteuert und die Bohrung über die vorgegebene Entfernung fortgesetzt wird, bis das Bohrgerät wiederum eine Zielbaugrube erreicht; alternativ kann das Bohrgerät auch nach dem horizontalen Abschnitt des Bohrverlaufs erneut, dieses Mal in Richtung der Erdoberfläche umgesteuert werden, so dass dieses wieder an der Erdoberfläche aus dem Erdreich heraustritt. Es ist offensichtlich, dass zur Erzeugung eines solchen nichtgeradlinigen Bohrverlaufs steuerbare Bohrgeräte erforderlich sind. Jedoch auch dann, wenn ausgehend von einer Startbaugrube geradlinig in Richtung einer Zielbaugrube gebohrt werden soll, kann der Einsatz steuerbarer Bohrgeräte sinnvoll sein; häufig trifft das Bohrgerät hierbei nämlich während des Bohrvortriebs auf ein Hindernis, wie beispielsweise einen Gesteinsbrocken, der nicht durchbohrt werden kann, oder auch auf eine bereits verlegte Versorgungsleitung (z. B. Wasser-, Gas- oder Elektrizitätsleitung), die nicht beschädigt werden darf. In einem solchen Fall ist es erforderlich, durch ein Umsteuern der Erdbohrvorrichtung das Hindernis zu „umfahren”. Hierfür bedarf es jedoch einer genauen Lokalisierung des Bohrgeräts und insbesondere des Bohrkopfs dieses Bohrgeräts.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme bekannt, anhand derer ein im Erdreich befindliches Bohrgerät einer Erdbohrvorrichtung lokalisiert werden kann. Die bekannten Systeme weisen jeweils einen Sender auf, der innerhalb des Bohrkopfs oder in einem anderen Abschnitt des Bohrgeräts der Erdbohrvorrichtung, der möglichst nah an dem Bohrkopf liegen sollte, angeordnet ist. Der Sender sendet ein Ortungssignal aus, das von einem an der Erdoberfläche angeordneten Empfänger empfangen wird. Der Empfänger wertet das empfangene Ortungssignal aus, um die Position des Sensors und somit des Bohrkopfs innerhalb des Erdreichs zu bestimmen.
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Bei einem bekannten System zum Lokalisieren eines Bohrgeräts weist das Bohrgerät im Bereich des Bohrkopfs einen magnetischen Dipol auf, der zusammen mit dem Bohrgerät der Erdbohrvorrichtung rotierend angetrieben wird. Das von dem magnetischen Dipol ausgesendete Magnetfeld wird von einer an der Erdoberfläche angeordneten Empfangseinheit als sich änderndes magnetisches Feld erfasst, woraus die Position des magnetischen Dipols und dessen Lage ermittelt werden kann; durch die feste Anordnung des magnetischen Dipols in Bezug zu dem Bohrkopf ergibt sich hieraus direkt die Position und Ausrichtung des Bohrkopfs.
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Andere aus dem Stand der Technik bekannte Systeme, die auf dem gleichen Prinzip der Lokalisierung eines Bohrgeräts basieren, sehen einen separaten Antrieb für den magnetischen Dipol vor, so dass eine Lokalisierungsfunktion auch bei einem nicht rotierenden Bohrgerät erzielt werden kann.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt, die anstelle eines rotierenden magnetischen Dipols eine oder mehrere Spulen vorsehen, die zur Erzeugung des sich zeitlich ändernden Magnetfelds mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden.
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Die in den Bohrgeräten angeordneten Sender sind bei den bekannten Systemen als aktive Sender ausgebildet, d. h. diese erzeugen das jeweilige Ortungssignal entweder dauerhaft ohne die Zufuhr eines externen Signals oder von Energie (z. B. das zuvor beschriebene, auf einem Permanentmagneten basierende System), oder diese werden mit elektrischer Energie versorgt und erzeugen das Ortungssignal durch eine entsprechende Umwandlung der elektrischen Energie. Die Versorgung der Sender mit Energie erfolgt regelmäßig mittels Batterien, wobei auch schon vorgeschlagen wurde, einen im Bereich des Bohrkopfs angeordneten Minigenerator mittels einer Spülflüssigkeit, die ansonsten dafür vorgesehen ist, in das Erdreich eingebracht zu werden, um den Bohrvortrieb zu verbessern und das Bohrklein aus der Bohrung auszuschwemmen, anzutreiben, um den mit dem Wechseln der Batterien verbundenen Wartungsaufwand zu eliminieren.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme sind technisch aufwendig und lassen sich nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand bei bereits bestehenden Bohrgeräten von Erdbohrvorrichtungen nachrüsten. Sofern die Systeme elektrische Bauteile (z. B. der Rotationsantrieb für den magnetischen Dipol, eine Spule, etc.) aufweisen, sind diese häufig auch störanfällig, da die elektrischen Bauteile durch die beim Bohren auftretenden Vibrationen und Schläge beschädigt werden können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zumindest hinsichtlich eines dieser Nachteile verbessertes Verfahren zum Lokalisieren eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung anzugeben. Zudem sollte ein entsprechendes System zur Lokalisierung eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Ortungssignal nicht mehr von einem im Bereich des Bohrgeräts und insbesondere eines Bohrkopfs dieses Bohrgeräts angeordneten Sender erzeugen zu lassen, sondern eine entsprechende Signalerzeugungseinrichtung außerhalb des Bohrgeräts vorzusehen, und das entsprechende Ortungssignal von der externen Signalerzeugungseinrichtung über eine Verbindungsleitung zu dem im Erdreich befindlichen Bohrgerät zu leiten, von dem aus dieses in das umgebende Erdreich ausgesandt wird, so dass es von einem entsprechenden externen Empfänger empfangen und zur Bestimmung der Position des Bohrgeräts ausgewertet werden kann. Hierdurch wird ermöglicht, die gegebenenfalls technisch aufwendige und daher gegebenenfalls einen erheblichen Raumbedarf aufweisende Signalerzeugungseinrichtung nicht mehr in das Bohrgerät integrieren zu müssen, sondern diese kann außerhalb des Bohrgeräts und bevorzugt an der Erdoberfläche angeordnet werden. Gegebenfalls kann diese mit einem oder mehreren anderen Elementen der Erdbohrvorrichtung, z. B. einem Öler, in ein Gehäuse integriert werden, so dass kein zusätzliches Bauteil auf der Baustelle positioniert werden muss. Durch die Erfindung wird nicht nur die Integration der Signalerzeugungseinrichtung in das Bohrgerät selbst vermieden, sondern die Signalerzeugungseinrichtung befindet sich auch in einem Bereich, in dem diese vor den teils erheblichen Belastungen, die während des Bohrbetriebs auf das Bohrgerät einwirken, geschützt ist. Zudem ermöglicht die Erfindung, bestehende Erdbohrvorrichtungen ohne großen Aufwand mit einem entsprechenden Lokalisierungssystem nachzurüsten.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Lokalisieren eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung wird demnach dem Bohrgerät über eine Verbindungsleitung, die mit dem Bohrgerät verbunden ist, ein von einer Signalerzeugungseinrichtung erzeugtes Ausgangssignal zugeleitet, das von dem Bohrgerät und insbesondere im Bereich eines Bohrkopfs des Bohrgeräts in ein Ortungssignal gewandelt wird, das wiederum von diesem ausgesendet wird, so dass es von einem externen Empfänger empfangen und zur Bestimmung der Position des Bohrgeräts und insbesondere des Bohrkopfs ausgewertet werden kann.
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Ein „Wandeln” des Ausgangssignals in ein Ortungssignal erfordert erfindungsgemäß nicht, dass sich das Ausgangs- und das Ortungssignal in ihrer Art unterscheiden müssen. Relevant ist hierbei lediglich, dass das Ausgangssignal und das Ortungssignal für den Empfänger unterscheidbar sind, so dass tatsächlich eine Ortung des Bohrgeräts erfolgen kann. Eine solche Unterscheidung ist selbstverständlich nur dann möglich, wenn sich das Ausgangs- und das Ortungssignal in irgendeiner Weise unterscheiden. Ein „Wandeln” des Ausgangssignals in ein Ortungssignal liegt erfindungsgemäß demnach auch dann vor, wenn beispielsweise bei in ihrer Art identischem Ausgangs- und Ortungssignal eine Detektion des Ausgangssignals durch den Empfänger verhindert wird, so dass von diesem lediglich das Ortungssignal empfangen wird. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Abschirmung der Verbindungsleitung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung zwischen dem Ausgangs- und dem Ortungssignal kann darin liegen, dass beispielsweise bei einem nicht nur von dem Bohrgerät oder Bohrkopf selbst, sondern auch von der Verbindungsleitung ausgesendeten Ortungssignal das Bohrgerät bzw. der Bohrkopf dadurch erkannt wird, dass die Aussendung des Ortungssignals an dessen vorderem Ende endet, was von dem Empfänger erfasst werden kann.
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Ein entsprechendes System zur Lokalisierung eines Bohrgerätss einer Erdbohrvorrichtung weist zumindest neben dem Bohrgerät mindestens einen Empfänger zum Empfang und zur Auswertung von einem von dem Bohrgerät ausgesendeten Ortungssignal sowie eine Signalerzeugungseinrichtung auf, die mit dem Bohrgerät über eine Verbindungsleitung verbunden ist.
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Der Empfänger kann selbstverständlich auch mehrteilig aufgebaut sein, d. h. beispielsweise mit einer Empfangseinheit und einer Auswerteeinheit, die auch in einem Abstand voneinander positioniert sein können (z. B. die Empfangseinheit in einer Ausführungsform als sogenannter „Walk-Over”-Empfänger, d. h. einem tragbaren Empfänger, der oberhalb des Bohrgeräts positioniert wird, und einer Auswerteinheit, die im Bereich eines Bedienstands der Erdbohrvorrichtung angeordnet sein kann).
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Unter „Bohrgerät” wird erfindungsgemäß dasjenige Bauteil einer Erdbohrvorrichtung verstanden, durch das das Erdreich abgebaut oder verdrängt wird. Der Begriff „Bohrgerät” soll dabei jedoch nicht so eng gefasst werden, dass darunter nur ein frontseitig angeordnetes Werkzeug verstanden wird, sondern ein „Bohrgerät” kann auch mit dem Werkzeug in Verbindung stehende weitere Bauteile der Erdbohrvorrichtung umfassen, wie beispielsweise ein Gehäuse mit einem darin angeordneten pneumatischen Antrieb oder einem hydraulischen Rotationsantrieb („Mud-Motor”). Der Begriff „Bohrgerät” kann somit auch eine vollständige Bohreinheit, wie beispielsweise eine Erdrakete (d. h. ein selbstgetriebenes, pneumatisches Rammbohrgerät) umfassen.
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Zur Übertragung des Ausgangssignals kann vorzugsweise eine Versorgungsleitung verwendet werden, die mit dem Bohrgerät verbunden ist. In der Regel weist jedes Bohrgerät einer Erdbohrvorrichtung eine entsprechende Versorgungsleitung auf.
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Unter „Versorgungsleitung” wird jegliche Leitung (z. B. Gestänge, Rohr, Schlauch, Kabel, etc.) verstanden, über die dem Bohrgerät Signale oder Energie zugeleitet wird oder über die Kräfte und Momente übertragen werden können. Hierunter fallen insbesondere Bohrgestänge und Schläuche für die Zufuhr eines Fluids (insbesondere für den Betrieb von Erdraketen) sowie Kabel für beispielsweise eine elektrische Energieversorgung.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, als Ausgangssignal einen durch eine elektrische Spannung (insbesondere Wechselspannung) bedingten Stromfluss durch das Bohrgerät zu erzeugen, wodurch als Ortungssignal von dem in der Regel metallischen Bohrgerät ein Magnetfeld erzeugt wird. Vorrichtungsseitig sind hierfür die Verbindungsleitung und das Bohrgerät zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet, so dass als Reaktion auf den durch die (Wechsel-)Spannung bedingten Stromfluss ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt wird (entsprechend einem von einem Strom durchflossenen Leiter erzeugtes Magnetfeld). Hierdurch kann das erfindungsgemäße System auf konstruktiv einfache Weise umgesetzt werden; es bedarf nämlich lediglich einer entsprechenden, eine (Wechsel-)Spannung erzeugenden Signalerzeugungseinrichtung, die wiederum selbst konstruktiv einfach verwirklicht werden kann und zudem auf dem Markt verfügbar ist, da sie für andere Anwendungen verwendbar ist, sowie eines Empfängers, anhand dessen das erzeugte Magnetfeld erfasst und ausgewertet werden kann. Da ein Bohrgerät einer Erdbohrvorrichtung regelmäßig aus einem Metall und insbesondere aus Stahl besteht, muss lediglich noch für eine elektrische Verbindung zwischen dem Bohrgerät und der Signalerzeugungseinrichtung über eine entsprechende Verbindungsleitung gesorgt werden. Sofern das Bohrgerät mit einem Bohrgestänge verbunden ist, das in der Regel ebenfalls aus einem Metall und insbesondere Stahl besteht, ist die elektrische Leitfähigkeit des als Verbindungsleitung dienenden Bohrgestänges in der Regel bereits gegeben.
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Die Ankoppelung der Signalerzeugungseinrichtung an die Verbindungsleitung kann beispielsweise direkt (galvanisch) oder auch induktiv erfolgen.
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Auch bei Erdraketen, die regelmäßig über einen flexiblen, aus Kunststoff bestehenden Druckluftschlauch mit Betriebsdruckluft versorgt werden, kann eine einfache Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt werden. Hierzu kann der Druckluftschlauch selbst elektrisch leitend ausgebildet werden, wozu dieser beispielsweise mit einer Metall- und insbesondere Stahlarmierung versehen werden kann. Hierbei sollte eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Druckluftschlauch und dem Gehäuse der Erdrakete vorgesehen sein. Eine alternative Ausführungsform kann vorsehen, parallel zu der Druckluftleitung ein elektrisch leitendes Kabel und insbesondere ein Stahlkabel mitzuführen, über das das Ausgangssignal übertragen wird. Das Kabel kann sowohl außerhalb als auch innerhalb der Versorgungsleitung (insbesondere der Druckluftleitung) der Erdrakete mitgeführt werden.
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Bei dieser bevorzugten Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Systems wird durch die Umkehrung der elektromagnetischen Induktion ein Magnetfeld erzeugt, das kreisförmig und senkrecht zur Längsachse des Bohrgeräts (entspricht der Bohrachse) ausgerichtet ist; kurz vor der Spitze des Bohrgeräts endet dieses („Signalabfall”), was von dem Empfänger erfasst werden kann. Hierdurch wird eine besonders genaue Lokalisierung der Bohrgerätespitze ermöglicht, was besonders vorteilhaft ist, weil durch eine Überwachung der Bewegung der Bohrgerätespitze der (häufig zu kontrollierende) Bohrverlauf am exaktesten kontrolliert werden kann.
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Bei einer elektrisch leitenden Ausbildung der Verbindungsleitung kann diese zusätzlich für die Übertragung von Zusatzsignalen verwendet werden. Beispielsweise können im Bereich des Bohrgeräts und insbesondere des Bohrkopfs des Bohrgeräts einer oder mehrere Sensoren angeordnet werden, dessen/deren Messwerte über die elektrisch leitende Verbindungsleitung zu einem externen und insbesondere an der Erdoberfläche angeordneten Anzeigegerät übertragen werden, wo die Messwerte grafisch dargestellt werden können.
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Dies ermöglicht beispielsweise, das Bohrgerät bzw. den Bohrkopf mit einem Sensor zur Detektion einer vor dem Bohrkopf liegenden, stromführenden Leitung zu versehen, und die elektrisch leitende Verbindungsleitung zur Übertragung der Messwerte des Sensors an eine Signaleinrichtung (z. B. Warnlicht, Warnhupe) zu verwenden, die beispielsweise einem Bediener der Erdbohrvorrichtung das Auftreffen des Bohrgeräts bzw. Bohrkopfs auf die stromführende Leitung signalisiert. Hierbei können die Messwerte des Sensors auch zu einer automatischen Abschaltung der Erdbohrvorrichtung im Falle des Auftreffens des Bohrgeräts bzw. des Bohrkopfs auf die stromführende Leitung verwendet werden.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Umwandlung eines durch eine (Wechsel)Spannung erzeugten Stromflusses in ein Magnetfeld beschränkt, sondern umfasst sämtliche von den unabhängigen Patentansprüchen umfassten Verfahren bzw. Systeme, bei denen ein dem Bohrgerät über eine Verbindungsleitung zugeleitetes Ausgangssignal von dem Bohrgerät in ein entsprechendes Ortungssignal gewandelt wird, das daraufhin von einem entsprechenden Empfänger empfangen und zur Bestimmung der Position des Bohrgeräts ausgewertet werden kann. Beispielsweise kann die Übertragung von Schallwellen vorgesehen sein (z. B. über die Betriebsdruckluft einer Erdrakete oder die Spülflüssigkeit der Erdbohrvorrichtung), die von dem Bohrgerät in entsprechende Körperschwingungen gewandelt werden, die sich wiederum auf das Erdreich übertragen und von einem entsprechenden Empfänger empfangen und ausgewertet werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System in einer ersten Ausführungsform;
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2 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System in einer zweiten Ausführungsform; und
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3 in einer schematischen Darstellung die Ausbreitung eines Magnetfelds in radialer Richtung bei einem System gemäß 1 oder 2.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System zum Lokalisieren eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung. Konkret handelt es sich bei dem Bohrgerät um eine sogenannte Erdrakete 1, d. h. ein selbstgetriebenes Rammbohrgerät mit einem internen, über Druckluft betriebenen Schlagkolben, der bei jedem Zyklus der durch die Druckluft bewirkten Hin-und-her-Bewegung auf eine Schlagfläche eines Bohrkopfs 2 oder eines Gehäuses 3 der Erdrakete 1 auftrifft und hierdurch seine kinetische Energie auf den Bohrkopf 2 überträgt, so dass die Erdrakete 1 schrittweise durch das Erdreich 4 vorgetrieben wird. Die für den Betrieb der Erdrakete 1 benötigte Druckluft wird dieser über einen Druckluftschlauch 5 von einer an der Erdoberfläche angeordneten Druckluftversorgungseinheit (nicht dargestellt) zugeführt. Der weitere Aufbau und die Funktionsweise einer Erdrakete 1 sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Das dargestellte erfindungsgemäße System umfasst weiterhin eine Signalerzeugungseinrichtung, bei der es sich um einen Wechselspannungsgenerator 6 handelt; der Aufbau und die Funktionsweise eines Wechselspannungsgenerator sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Wechselspannungsgenerator 6 ist über eine Verbindungsleitung, vorliegend ein Kabel 7, das durch den Druckluftschlauch 5 hindurch geführt ist, mit dem Gehäuse 3 der Erdrakete 1 verbunden.
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Die von dem Wechselspannungsgenerator 6 erzeugte Wechselspannung bewirkt einen sich stetig ändernden Stromfluss durch das Kabel 7 und das aus Stahl bestehende Gehäuse 3 sowie den aus Stahl bestehenden Bohrkopf 2 der Erdrakete 1, was wiederum ein Magnetfeld induziert, das sich ringförmig um die Längsachse der Erdrakete 1 ausbreitet (vgl. 3). Das Magnetfeld kann dann mittels eines Empfängers, wie beispielsweise eines (Dreiachs-)Magnetometers erfasst und zur Bestimmung der Position der Erdrakete in dem Erdreich ausgewertet werden. In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen kommt ein sogenannter „Walk-Over”-Empfänger 8 zum Einsatz, d. h. ein tragbarer Empfänger. Der Aufbau und die Funktion eines solchen „Walk-Over”-Empfängers sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Kurz vor der Spitze des Bohrkopfs 1 endet das von dem Stromdurchflossenen Gehäuse bzw. dem Bohrkopf erzeugte Magnetfeld; dies kann von dem „Walk-Over”-Empfänger als Signalabfall erfasst werden. Hierdurch kann relativ exakt die Position der Bohrkopfspitze der Erdrakete 1 lokalisiert werden, was zur Bestimmung des Bohrverlaufs besonders vorteilhaft ist.
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In der 2 ist ein erfindungsgemäßes System zum Lokalisieren eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung abgebildet, bei dem gegenüber der Ausführungsform gemäß 1 lediglich die Führung des stromführenden Kabels 7' verändert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 wird das Kabel 7' außen neben dem Druckluftschlauch 5' geführt.