DE19819626C2 - Datenübertragungssystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung von
Daten bzw. elektrischem Strom für ein lenkbares Horizon
talbohrgerät zum Verlegen und zerstörenden Ersetzen von
Versorgungsleitungen.
Solche Systeme werden beim grabenlosen Verlegen von
Versorgungsleitungen, beispielsweise zur Übertragung von
Meßdaten von einem im Bohrkopf angeordneten Meßgerät
auf eine externe Datenverwertungseinheit eingesetzt. Die
Übertragung erfolgt üblicherweise über eine Funkverbin
dung, wie in der deutschen Patentschrift DE 44 38 934 C1 beschrie
ben. Dazu sind bei bekannten Geräten im Bohrkopf Nei
gungssensoren, Verrollungssensoren und Temperaturfühler
angeordnet, deren Signale außerhalb der unterirdischen
Rohrung ausgewertet werden. Von besonderer Bedeutung
ist die genaue Lagebestimmung des lenkbaren unterirdisch
fortschreitenden Bohrkopfes mit Hilfe eines Ortungssen
ders.
Sämtliche Sensoren und sonstige elektrische Verbraucher
benötigen eine Versorgungsspannung, die über im Bohrkopf
angeordnete Akkumulatoren oder über eine Kabelleitung zu
einer externen Spannungsquelle zur Verfügung gestellt
wird. Die Verwendung von Akkumulatoren besitzt dabei
den Nachteil einer zeitlich begrenzten Einsatzfähigkeit, wo
durch sich erhebliche Probleme ergeben können, wenn der
Sender während eines Bohrvorgangs aufgrund des leeren
Akkumulators ausfällt und der Bohrkopf nicht mehr geortet
werden kann.
Die beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 196 13 788 A1 bekannte Stromversorgung über eine Kabelver
bindung vermeidet das Problem der zeitlich begrenzten Ein
satzfähigkeit. Bei dieser Vorrichtung ist ein Meßgerät zum
Messen der Zugkraft zwischen einem Aufweitkopf und ei
nem einzuziehenden Rohr mit einem parallel zum einzuzie
henden Rohr bzw. zum Bohrgestänge verlaufenden Kabel
mit einem an der Erdoberfläche befindlichen Steuerkasten
verbunden.
In der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 88 09 108 U1 ist
ein Langkörper zum Eintreiben in das Erdreich beschrieben,
bei dem die elektrischen Versorgungsleitungen im Rohr
mantel verlaufen. Eine Rotation des Rohres muß dabei ver
mieden werden, um ein Verdrehen des Kabels auszuschlie
ßen.
In allen Fällen der Kabelverbindung besteht das Problem,
daß das Bohrgerät elementweise mit Hilfe von Gestänge
schüssen oder Rohrelementen in das Erdreich eingetrieben
wird. Dies macht ein schrittweises Verbinden der Elemente
und damit auch der Kabelabschnitte erforderlich, wobei die
jeweiligen Verbindungspunkte, insbesondere beim schla
genden Bohren, schädlichen Axialbelastungen ausgesetzt
sein können, während beim rotierenden Bohren ein Verdre
hen des Kabels vermieden werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System
zur Übertragung von Signalen bzw. elektrischem Strom für
ein lenkbares Horizontalbohrgerät zu schaffen, welches die
vorgenannten Nachteile vermeidet und einen zuverlässigen
und problemlosen Einsatz einer Kabelverbindung zwischen
einem Verbraucher bzw. Sensor und einer Stromquelle bzw.
einer Datenverwertungseinheit erlaubt.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem System mit ver
schiedenen Adaptern gemäß den unabhängigen Ansprü
chen. Das System bzw. die Adapter sind sowohl für den
schlagenden als auch den rotierenden Bohrbetrieb geeignet
ist und bestehen vorzugsweise aus drei Elementen (An
triebsadapter, Gestängeadapter, Verbraucheradapter) zum
Verbinden der Kabelleitung besteht.
Die Signalübertragung zwischen rotierbarem Gestänge
und Datenverwertungseinheit bzw. zwischen Stromquelle
und rotierbarem Gestänge kann mit Hilfe eines Antriebsad
apters mit in Bezug auf das Gestänge ortsfesten Verbin
dungsmitteln erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
eine Schleifringverbindung einen axial verschiebbaren
Schleifring und/oder Stromabnehmer aufweist, um axiale
Beschleunigungen des Bohrgestänges, wie sie beim Bohren
in Hartgestein oder beim Einsatz eines Schlagwerkes entste
hen, zu neutralisieren und damit eine Beschädigung der
Schleifringverbindung zu verhindern.
Beim rotierenden Betrieb des Bohrgerätes rotiert das Ge
stänge und damit der auf dem Gestänge befindliche Schleif
ring und das im Gestänge befindliche Kabel. Der mit der
Spannungsquelle und/oder der Datenverwertungseinheit
verbundene Stromabnehmer liegt an dem Schleifring an,
führt aber keine Rotationsbewegung durch, da er Antriebs
seitig fixiert ist. Eine Verdrillung des Kabels ist somit ausge
schlossen.
Die einzelnen Gestängeschüsse können elektrische In
nenleitungen mit Gestängeadaptern für die Leitungsverbin
dung aufweisen, die zusammen mit den Gestängeschüssen
automatisch verbindbar sind, indem die Leitungsenden im
Gestängekopf fixiert und so ausgerichtet sind, daß ein Ver
binden zweier Gestängeschüsse auch ein Verbinden der Lei
tungsenden zur Folge hat.
Die Leitung kann dabei axial im Bohrgestängeschuß ver
laufen und zentral aus dem Gestängekopf heraustreten.
Die Leitungsverbindungen, insbesondere die Verbindung
zwischen dem im Bohrgerät angeordneten Verbraucher und
der Kabelleitung, können Verbindungselemente (Verbrau
cheradapter) aufweisen, die eine axiale Relativbewegung
zwischen den verbundenen Elementen ohne Übertragung
von Axialkräften zulassen. Durch diese Verbindung von Ka
belelementen bzw. von elektrischem Verbraucher und Ka
belelement ist ein problemloser Einsatz des Bohrgerätes in
Hartgestein oder mit Schlagantrieb ohne Belastung der elek
trischen Verbindung möglich. Zusammen mit einer Dämp
fung des Senders bzw. Sensors über entsprechende Dämp
fungselemente im Sensorgehäuse wird so ein für den dre
henden und schlagenden Bohrbetrieb optimales Übertra
gungssystem geschaffen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Antriebsadapter;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gestängeadapter;
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Gestängeadapter im Gestängekopf der Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Gestängekopf der Fig. 2;
Fig. 5 eine Detailansicht des Steckers in dem Gestängeadapter der Fig. 3;
Fig. 6 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbraucheradapter.
Das System zur Übertragung von elektrischen Signalen und elektrischem Strom
für ein lenkbares Horizontalbohrgerät besteht aus einem Antriebsadapter 10,
einem Gestängeadapter nach Fig. 2 und einem Verbraucheradapter nach Fig. 3.
Der Antriebsadapter 10 dient zur Übertragung der elektrischen Signale von dem
rotierenden Bohrgestänge 11 auf einen feststehenden mit einer Datenverwer
tungseinheit (nicht dargestellt) verbundenen Stromabnehmer 12. Der Stromab
nehmer 12 ist an einer Halterung 13 so angeordnet, daß er auf einem Schleifring
14 aufliegt, der auf einem Gestängeanschluß 15 angeordnet ist und mit diesem
und mit dem Gestänge 11 um die Gestängeachse rotiert.
Ein Kabel 16 tritt zentral aus dem Gestänge 11 aus und in eine zentrale Bohrung
im Gestängeanschluß 15 ein. Über eine Austrittsöffnung 18 in der Wandung des
Gestängeanschlusses 15 ist das Kabel 16 aus dem Antriebsadapter 10 heraus
geführt. Die Austrittsöffnung 18 ist mit einer Dichtverschraubung 19 gegen den
Austritt von Bohrflüssigkeit abgedichtet. Das Kabel 16 ist von der Dichtver
schraubung 19 zu einem Schleifringanschluß 20 geführt. Der Schleifringanschluß
20 steht in direktem Kontakt mit dem Schleifring 14 und rotiert mit diesem um die
Gestängeachse.
Der Schleifring 14 ist axial verschiebbar auf dem Gestängeanschluß 15 gelagert
und in seiner Breite so dimensioniert, daß der Kontakt zum Stromabnehmer 12
auch bei einer Axialverschiebung des Schleifringes bestehen bleibt.
Der Gestängeadapter besitzt im Bereich der Gestängeverbindung 103 eine
Gestängedose 104 mit elektrischen Steckern 105. Die Stecker 105 verbinden
innerhalb der Gestängeschüsse 101, 102 auf deren Achse verlaufende elektrische
Leitungen 106, 107. Des weiteren besitzen die Gestängeschüsse 101, 102
verschiedene Kanäle 108, 109 für flüssige Medien. Der elektrische Stecker 105 ist
gegen die flüssige Medien enthaltenden Kanäle 108, 109 abgedichtet. Die
elektrische Steckverbindung besteht aus einem Stecker 111 und einer Dose 112,
die beim Verbinden ineinander greifen und dadurch einen sicheren elektrischen
Kontakt herstellen.
Die elektrischen Stecker sind durch eine Dichtung 113
und eine Dichtung 114 gegen ihre Umgebung abgedichtet.
Die Steckverbindungen bzw. Kabel sind mit Kabelarretie
rungen 115, 116 so fixiert, daß der Fluß der Medien in den
Kanälen 108, 109 nicht behindert wird.
Beim Verbinden der einzelnen Gestängeschüsse, bei
spielsweise mit einem automatischen Gestängemagazin, er
folgt das Zusammenstecken der Kabelelemente automatisch
als Teil der Gestängeverbindung.
Ein im Bereich des Bohrkopfes angeordnetes Meßgerät
kann daher, beispielsweise wenn der Bohrkopf einen be
stimmten Weg zurückgelegt hat und dessen Position be
stimmt werden soll, an eine Stromquelle angeschlossen wer
den, indem der aus der Bohrung herausragende Gestänge
kopf (Fig. 1, Ziff. 11) an die Maschine bzw. Datenverwer
tungseinheit oder Stromquelle angeschlossen wird.
Beim Verbraucheradapter ist im Gehäuse 205 eines Bohr
gerätes (nicht dargestellt) ein Sender 215 in einer zylindri
schen Kammer 210 angeordnet. Der Sender 215 weist ein
zylindrisches Gehäuse auf, dessen Außendurchmesser ge
ringer ist, als der Innendurchmesser der Kammer 210. Mit
Hilfe von Gleitringen 220 ist der Sender 215 so in der Kam
mer 210 gelagert, daß er axial verschiebbar ist. Die Axialbe
wegung des Senders 215 innerhalb der zylindrischen Kam
mer 210 ist mit in einer Dämpferfassung 225 angeordneten
Dämpfern 230 gepuffert, die an einem metallischen Ver
schlußstopfen 235 anliegen.
Über die mit dem Sender 215 verbundene, elektrisch lei
tende Dämpferfassung 225 ist der Sender geerdet. Die Ver
bindung besteht über eine Erdungsfeder 296, die sich auf
dem metallischen Verschlußstopfen 235 abstützt. Der Ver
schlußstopfen steht in Kontakt mit dem Gehäuse 205 und
folglich mit dem das Gehäuse umgebenden Erdreich.
Der dargestellte hintere Bereich des Senders 215 weist
Verbindungselemente 290, 295, 296, 297, 298 zum Verbin
den des Senders mit einer Stromquelle und/oder einer Da
tenverwertungseinheit über ein Zuleitungskabel 255 auf.
Im einzelnen sind diese Verbindungselemente so aufge
baut, daß ein aus dem Sender heraustretendes Kabel 297
mittels einer Quetschverbindung 295 mit Gewinde mit einer
Gleitbuchse 290 verschraubt ist. Die Gleitbuchse 290 und
die Quetschverbindung 295 sind durch Stützringe 285 und
298 innerhalb der zylindrischen Kammer abgestützt und ge
gen die Dämpferfassung 225 isoliert.
Die Gleitbuchse 290 ist zur Aufnahme eines Steckers 720
ausgebildet, der an dem Verbindungskabel 255 angeschlos
sen ist. Eine Steckerfassung 245 dient zur Fixierung des
Steckers 270 im Bohrergehäuse. Da die Steckerfassung 245
geerdet ist, ist der Stecker über eine Isolationsbuchse 275
gegen das Gehäuse isoliert.
Das gestängeseitige Ende des Steckers ist üblicherweise
mit einer Bohrflüssigkeit beaufschlagt, die vom Gestänge
am Sender vorbei einer Austrittsdüse am Bohrkopf zugelei
tet wird. Daher ist der Sender über ein Dichtelement 265 ge
gen Eindringen der Bohrflüssigkeit abgedichtet.
Das Dichtelement 265 ist über eine Druckscheibe 250
und eine Überwurfmutter 260 an das gestängeseitige Ende
des Steckers 270 angequetscht.
Zum Verbinden des Senders 215 mit der Stromquelle und/
oder einer Datenverwertungseinheit wird der Stecker 270 in
die Gleitbuchse 290 eingeführt. Die Durchmesser des Stec
kers 270 und der Gleitbuchse 290 sind so gewählt, daß ei
nerseits ein sicherer elektrischer Kontakt und andererseits
eine axiale Verschiebbarkeit des Steckers 270 relativ zur
Gleitbuchse 290 zustandekommt. Diese axiale Verschieb
barkeit bedingt gleichzeitig eine axiale Relativverschiebbar
keit zwischen dem Sender 215 und Verbindungskabel 255.
Insbesondere bei schlagendem Bohrbetrieb findet eine ge
dämpfte axiale Auslenkung des Senders 215 statt, die mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zu einer Rela
tivverschiebung des Steckers 270 innerhalb der Gleitbuchse
290 führt, ohne daß Axialkräfte auf das Verbindungskabel
255 übertragen werden.
Der Stecker 270 und die Gleitbuchse 290 lassen sich bei
Verschleiß ohne weiteres austauschen. Zum Austauschen
des Steckers 270 muß lediglich die Überwurfmutter 260 und
die Befestigungsmutter 240 gelöst werden.
Für den Austausch der Gleitbuchse wird diese aus dem
Quetschelement mit Gewinde 295 herausgeschraubt und
kann ohne weiteres durch eine neue Gleitbuchse mit korre
spondierendem Schraubgewinde ersetzt werden.
Andererseits ist auch ein Ausbauen des Senders 215 mög
lich, ohne das Verbindungskabel 255 lösen zu müssen. Ins
besondere ist die Verbindung zum Gestänge und damit auch
der Flüssigkeitsraum der Bohrflüssigkeit auch bei ausgebau
tem Sender 215 verschlossen, da zum Ausbauen des Senders
die Steckeranordnung 240, 260, 265, 270 nicht gelöst wer
den muß.
Ebenso ist ein Austauschen des Verbindungskabels 255
möglich, ohne den Sender 215 aus seinem Gehäuse entfer
nen zu müssen, wie dies bisher erforderlich war.
Darüber hinaus kann auch die Erdung des Senders, die
beispielsweise über eine Feder erfolgt, verschiebbar gela
gert sein, so daß auch hier keine Kraftübertragung bei einer
Axialverschiebung des Senders 215 auf das Erdungselement
stattfindet.
Der erfindungsgemäße Verbraucheradapter erlaubt somit
eine problemlose Verwendung elektrischer Verbraucher, wie
beispielsweise eines Ortungssenders in einem schlagenden
oder zeitweise schlagenden Bohrgerät.
Insgesamt liefert das System zur Übertragung von elektri
schen Signalen bzw. elektrischem Strom mit seinen Elemen
ten, einzeln oder in Kombination, eine zuverlässige Mög
lichkeit einer Leitungsverbindung zwischen Sensoren im
Bohrkopf und externen Verwertungsgeräten sowie zwischen
jeglicher Art Verbrauchern innerhalb der Bohrung und einer
Spannungsquelle.
Claims (24)
1. System zur Übertragung von Daten und/oder elektrischem Strom für ein lenk
bares Horizontalbohrgerät zum Verlegen und/oder zerstörenden Ersetzen von
Versorgungsleitungen mit einem Bohrkopf, einem Antrieb, einem Gestänge,
einem Verbraucher, einem Antriebsadapter (10), einem Gestängeadapter und
einem Verbraucheradapter, wobei der
- - Antriebsadapter (10) ein in Bezug auf das Gestänge ortsfestes elek trisches Verbindungselement (14) und einen in Bezug auf Datenver wertungseinheit bzw. die Spannungsquelle ortsfesten Stromabnehmer (12) aufweist,
- - Gestängeadapter als Bohrgestängeschuß (101, 102) mit je einem Gestängekopf an den Enden und einer elektrischen Innenleitung (106, 107) ausgebildet ist und die Leitungsenden im Gestängekopf der Gestängeschüsse (101, 102) fixiert und so ausgerichtet sind, daß ein Verbinden zweier Gestängeschüsse (101, 102) ein automatisches Verbinden der Leitungen (106, 107) zur Folge hat und
- - Verbraucheradapter ein kabelseitiges Verbindungselement (275) und ein mit diesem in Verbindung stehendes verbraucherseitiges Verbin dungselement (290) aufweist und die Verbindungselemente (270, 290) eine axiale Relativbewegung zwischen elektrischem Verbraucher (215) und Verbindungskabel (255) erlauben.
2. Adapter zur Übertragung von Daten und/oder elektrischem Strom zwischen
einem Gestängeschuß eines lenkbaren Horizontalbohrgerätes zum Verlegen
und/oder zerstörenden Ersetzen von Versorgungsleitungen und einer Daten
verwertungseinheit und/oder einer Spannungsquelle, gekennzeichnet durch
ein in Bezug auf das Gestänge ortsfestes elektrisches Verbindungselement
(14) und ein in Bezug auf die Datenverwertungseinheit und/oder die Spannungsquelle
ortsfesten mit dem elektrischen Verbindungselement in Kontakt
stehenden Stromabnehmer (12).
3. Adapter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische
Verbindungselement als Schleifring (14) ausgebildet ist.
4. Adapter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektri
sche Verbindungselement (14) in Bezug auf die Gestängeachse axial
verschiebbar gelagert ist.
5. Adapter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromabnehmer (12) in Bezug auf die Gestängeachse axial verschiebbar
gelagert ist.
6. Bohrgestängeschuß mit je einem Gestängekopf an den Enden und einer
elektrischen Innenleitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsenden
im Gestängekopf (101, 102) fixiert und so ausgerichtet sind, daß ein Verbin
den zweier Gestängeschüsse (101, 102) ein automatisches Verbinden der
Leitungen zur Folge hat.
7. Bohrgestängeschuß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitung (106, 107) axial im Bohrgestängeschuß verläuft und zentral aus dem
Gestängekopf (101, 102) heraustritt.
8. Bohrgestängeschuß nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet
durch ein Koaxialkabel (106, 107).
9. Bohrgestängeschuß nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß die elektrische Leitung (106, 107) in einem Innenrohr mit einem
Flüssigkeitsraum (108, 109) verläuft und gegen diesen Raum abgedichtet ist.
10. Bohrgestängeschuß nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß der Gestängeschuß zwischen seinem Außenmantel und dem Innen
rohr einen weiteren Flüssigkeitsraum aufweist.
11. Bohrgestängeschuß nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Gestängeschuß an einer Seite ein Außengewinde und an
der gegenüberliegenden Seite ein Innengewinde besitzt.
12. Bohrgestängeschuß nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitungen, die im Gestängeschuß fixiert sind, an einer Seite eine Kupplungs
dose (111) und an der gegenüberliegenden Seite einen Kupplungsstecker
(112) besitzen.
13. Bohrgestängeschuß nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kupplungsdose (111) und der Kupplungsstecker (112) der Leitungen bei ver
bundenem Gestänge und beim Gestängeverbinden in Gleitkontakt stehen.
14. Bohrgestängeschuß nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kupplungsdose (111) und Kupp
lungsstecker (112) ein Dichtelement angeordnet ist.
15. Bohrgestängeschuß nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupplungen (111, 112) als Wirbelkupplungen ausgebildet sind.
16. Verfahren zum grabenlosen Erdbohren mit Hilfe von Gestängeschüssen
gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das
Innenrohr zum Übertragen von Impulsen genutzt wird.
17. Verfahren zum grabenlosen Erdbohren mit Hilfe von Gestängeschüssen
gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das in
dem Innenrohr befindliche Medium zum Übertragen von Impulsen genutzt
wird.
18. Kabelanschluß zum Verbinden elektrischer in einem Bohrgerät angeordneter
Verbraucher mit einer externen Stromquelle oder Datenverwertungseinheit,
gekennzeichnet durch ein kabelseitiges Verbindungselement (275) und ein
mit diesem in Verbindung stehenden verbraucherseitigen Verbindungsele
ment (290), wobei die Verbindungselemente (270, 290) eine axiale Relativbewegung
zwischen elektrischem Verbraucher (215) und Verbindungskabel
(255) erlauben.
19. Kabelanschluß nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Stecker
(270) und eine Gleitbuchse (290).
20. Kabelanschluß nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gleitbuchse (290) senderseitig angeordnet ist.
21. Kabelanschluß nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse (290) am elektrischen Verbraucher
(215) angeschraubt ist.
22. Kabelanschluß nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (270) die Senderkammer
(210) gegen Eindringen von Bohrflüssigkeit abdichtet.
23. Kabelanschluß nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sender (215) über eine Feder (296) geerdet ist.
24. Kabelanschluß nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder
(296) verschiebbar gelagert ist.
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1998
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