DE2458928A1

DE2458928A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von winkeln

Info

Publication number: DE2458928A1
Application number: DE19742458928
Authority: DE
Inventors: Michael King Russell
Original assignee: Individual
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1973-12-12
Filing date: 1974-12-12
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2458928C2; NO138786B; NL7416223A; JPS5094947A; CA1029548A; FR2254780A1; GB1467809A; FR2254780B1; US3935643A; CH585388A5; NL177336B; NL177336C; JPS5749842B2; NO138786C; NO744464L; SU617025A3

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Winkeln

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Winkeln, insbesondere zur Ausmessung tiefer Bohrlöcher, wobei das Meßergebnis an einem vom Meßort entfernten Ort abgelesen \tferden kann.

Erfindungsgemäß weist der Meßwertgeber einer Vorrichtung zur Messung des Neigungswinkels zwischen einer Achse eines Körpers und dem Schwerkraftvektor sowie des Drehwinkels zwischen dem auf eine zu dieser Achse senkrechten Ebene projizierten Schwerkraftvektor und einer gegenüber dem Körper festen Bezugsachse in dieser Ebene einen am freien Ende einer Pendelstange angeordneten Stabmagneten und vier elektromagnetische Spulen auf, wobei die Spulen zur Neutralstellung der Pendelstange symmetrisch liegen und zwei dem Stabmagneten gegenüberstehende Differential-Flux-Gate-Paare bilden.

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Vorzugsweise sind die Mfferential-Flux-Gate-Paare im Betrieb derart verbunden, daß der magnetische Fluß in jedem zugehörigen Flux-Gate-Paar Null wird.

Diese Flux-Gate-Paare werden in einfacher Weise durch angepaßte elektromagnetische Spulen erhalten, von denen jede eine u-Metallstange aufweist, wobei die Spulen derart angeordnet sind, daß die Achsen der Stangen parallel zueinander verlaufen und gegenseitig auf gleichem Abstand gehalten sind. Die Spulen wirken in einfacher

vorzugsweise
Weise mit dem/in einem Pendelgewicht vorgesehenen Stabmagneten zusammen, wobei das Pendel zusammen mit den Spulen derart innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist, daß die Achsen von dem Stabmagneten, der Pendelstange, den Spulen und dem Gehäuse parallel zueinander verlaufen, wenn die Achse des Gehäuses parallel zum Schwerkraftvektor verläuft.

Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel und anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines aufgeschnittenen Meßwertgebers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 schematisch die Relativlage und die Windungsrichtung ! der Spulen des in Fig. 1 gezeigten Meßwertgebers;

Fig. 3 das Schaltbild für den Meßwertgeber gemäß Fig. 1;

Fig. 4 Wellen und ihre Phasenbeziehung im Zusammenhang mit dem Schaltbild gemäß Fig. 3;

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Figl 5 ein Gleichstrom-Ersatzschaltbild für den Meßwert-

' geber;

Fig. 6 und 7 geometrische Beziehungen im Meßwertgeber.

Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, weist ein rohrförmiges Gehäuse 1o eine biegsame Pendelstange 12 auf, die an ihrem freien Ende ein Pendel- ;gewicht 14 trägt. Ein Stabmagnet 16 ist im Pendelgewicht 14 angeord^· net, wobei seine Achse parallel zur Pendelstange 12 verläuft, wenn_ diese in paralleler Ausrichtung zum Schwerkraftvektor entspannt ist. Aufgrund der Schwerkraft kann daher der Stabmagnet 16 kleine seitliche Ausschläge in einer bezüglich des Gehäuses 1o kontrollierten Weise vollführen.

Das Gehäuse 1o enthält ferner vier gleiche, angepaßte elektromagnef tische Spulen (Solenoide) 18_A, 18_ß, 18_C und 18^, die entlang ihrer Achse jeweils eine mit den Enden der Spule abschließende u-Metalistange aufweisen und gegenseitig auf Abstand gehalten sind, wobei jdie u-Metallstangen parallel zueinander verlaufen und die Stangenlenden zwei parallele Ebenen definieren. Dabei liegen die Enden der yU-Metallstangen an den Ecken eines Quadrats in der von ihnen definierten Ebene. Die räumliche Anordnung der Spulen und die Windungs· richtung geht aus Fig. 2 hervor.

Die als Meßkopf dienende Spulenanordnung ist gemäß Fig. 3 beschaltet. Die Spule 18^ liegt zwischen den Schaltpunkten 21 und 22, die Spule 18g zwischen den Schaltpunkten 22 und 23, die Spule 18_C zwischen den Schaltpunkten 23 und 24 und die Spule 18^. zwischen.den Schaltpunkten 24 und 25. Die Schaltpunkte 21 und 25 sind mit dem

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Ausgang eines Rechteckimpuls-Generators 26 verbunden, der gegenüber Erde ausgeglichen ist (balanced).

Der Schaltpunkt 22 ist über einen Widerstand 28 und einen Vorver-

32 |bzw. der zweiten Harmonischen <., stärker 3o mit einem Demodulator/für die erste Oberwelle/verbunden| dessen Gleichstromausgang über einen Verstärker 34 hoher Verstärkung und einen Widerstand 36 zum Schaltpunkt 22 zurückgeführt ist. Vom Verstärker 34 kann die Spannung V abgegriffen werden. Die Spulen 18_A und 18g bilden somit ein Differential-Flux-Gate-Paar bzw. Mag-' netometer. In ähnlicher Weise ist der Schaltpunkt 24 über einen Wij derstand 38 und einen Vorverstärker 4o mit einem Demodulator 42 j für die erste Oberwelle verbunden, dessen Gleichstromausgang über ■ einen Verstärker 44 hoher Verstärkung und einen Widerstand 46 zum ί Schaltpunkt 24 zurückgeführt ist,so daß die Spulen 18_C und 18_β ein Differential-Flux-Gate-Paar bilden. Der Schaltpunkt 23 ist übei

einen Widerstand 48 und einen Vorverstärker 5o mit einem Demodulator 52 für die erste Oberwelle verbunden, dessen Gleichstromausgang über einen Verstärker 54 hoher Verstärkung und einen Widerstand 56 mit dem Schaltpunkt 23 verbunden ist, so daß die zwei durch die •Spulen 18_A, 18_ß und 18_C, 18_β gebildeten Differential-Flux-Gate-Paare zusammen ein Standard*Flux-Gate-Paar bilden. Dadurch wird die 'Bedingung erhalten, daß der resultierende magnetische Fluß in aller !Spulen Null ist.

Die Demodulatoren 32, 42 un 52 sind natürlich derart abgestimmt, daß die erste Oberwelle des Rechteckimpuls-Generators 26 demodulieit wird. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgang des Rechteck

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impuls-Generators' 26 (Wellenform I) und der Demodulator-Ansteuerung (Wellenform II). Das Gleichstrom-Ersatzschaltbild der Flux-Gate-Paare ist in Fig. 5 gezeigt.

Da der Ausgang des Rechteckimpuls-Generators 26 gegenüber Erde ausgeglichen ist, ist das Signal mit der Grundfrequenz am Schaltpunkt 23 Null, wohingegen ein Signal mit der Grundfrequenz an den Schaltpunkten 2 2 und 24 vorliegt. Um die Größe dieses Signals zu verkleinern und damit die Größe des durch die Vorverstärker 3o und 4o laufenden Gesamtsignals, werden umgekehrte Signale mit der Grundfrequenz vom Ausgang des Rechteckimpuls-Generators 26 den Eingängen der Vorverstärker 3o und 4o über diesbezügliche Widerstände 58 und 6o zugeführt.

Der resultierende magnetische Fluß in irgendeiner Spule kann in der Form B = f. Ο/Ο χ (H + konstant χ i) angeschrieben werden, wobei f ( jj.) eine Funktion der Permeabilität der in der Spule befindlichen/l-Met al 1st ange, H die Magnetisierungskraft in der Mitte der Spule infolge äußerer Einflüsse und i der durch die Spule fließende Gleichstrom ist. Daher kann für die Spulen 18., T8g-, 18_C und 18p der magnetische Fluß innerhalb dieser Spulen wie folgt dargestellt werden:

B_A = £Qx_A) χ (H_A-k.i_A)

X (II_ß - k.i_B)

X (H_c + k.i_c)

B_D = f(u_D) χ (H_{D +} k.i_D)

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Die Gleichstrom-Rückführung zum Punkt 22 erzwingt die Bedingung

B. = B_R, und die Gleichstromrückführung zum Punkt 24 erzwingt die

^A ^ü Wenn
Bedingung B_c = B_ß./die Permeabilitäten der ju-Metailstangen gleich sind, ist daher H. - H_ß proportional zu i. - i_ß und H^ - H« proportional zu Iq - ijj. In der Praxis jedoch sind die Permeabilitäten der^i-Metallstangen nicht genau gleich und zeigen auch nicht notwendigerweise das gleiche Temperaturverhalten. Da.es wünschenswert ist, Abweichungen aufgrund von Permeabilitätsverschiebungen auszuschalten, wird der Gleichstrom auch zum Punkt 23 zurückgeführt, um die weitere Bedingung B_A = B„ = B„ =B_D = .o zu erzwingen. Daher gilt: H_A - Hg = K χ (i_A - i_ß) und H_D - H_c = K χ (i_c - i_D).

Da gemäß Fig. 5 i_A - i_ß = -i₂ und i^. - i_ß = i^ ist, folgt Hg - H_A * K χ i 2 und H - Η_β = K χ L.

Die Ausgangsspannungen V und V sind proportional zu ij bzw. i» und somit proportional zu Hg - H_A bzw. Hp - H^.

Die zwei, aus diesen gemessenen Spannungen bestimmten Winkel sind:

1.) Der Neigungswinkel θ der Längsachse des Meßkopfes bzw. der Spulen gegenüber dem Gravitationsvektor (vertikale Richtung) uiid

2.) der Drehwinkel 0 zwischen dem auf eine zur Längsachse senkrechten Ebene projizierten Gravitations vektor und einer gegenüber dem Meßkopf festen Bezugsachse in dieser Ebene. :

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Fig. 6 zeigt eine Ebene, die parallel zu der durch einen Satz ju-Metailstangenenden (A, B, C, D) bestimmten Ebene liegt. Die verlängerten Spulenachsen schneiden diese Ebene an den Stellen A¹, B¹, C und D¹, wobei D^f, C¹ die OX-Richtung und A¹, B¹ die OY-Richtung bestimmen.

Es kann gezeigt werden, daß bei einem Magnetpol mit den Koordinaten (x, y) in der OXY-Ebene hinsichtlich der Magnetisierungskraft gilt: iH_r - H_n = K₁ .x und H_n - H. = K- . y, wobei K₁ und K₁ Konstante sind, vorausgesetzt, daß die Koordinaten χ und y im Vergleich mit ^; den Spulenabständen klein' sind. i

Eine gute Annäherung an diese theoretische Konfiguration wird erreicht,wenn ein Stabmagnet derart angeordnet wird, daß seine Achse parallel zu den der ju-Me tails tan gen verläuft und das eine Ende des I Stabmagneten in der OXY-Ebene in 0 endet. Daher ist für kleine seit

j liehe Versetzungen des Magneten die Magnetisierungskraft des Magne

ten derart, daß Hp- Η~ = K.. . χ und Hg - H^ = K, . y gilt, wobei χ und y die seitlichen, auf das OXY-Koordinatensystem bezogenen Verschiebungen bedeuten. Da H_c - Η_β proportional zu V_x und H_ß H^ proportional zu Vy ist, ist ν_χ proportional zu χ und Vy proportional zu y.

Da das Pendel zusammen mit dem Meßkopf innerhalb des äußeren rohrförmigen Gehäuses derart angeordnet wird, daß die Achsen von dem Stabmagneten, der Pendelstange, den Spulen und dem Gehäuse parallel, verlaufen, nimmt das eine Ende des Stabmagneten die Lage χ = ο und

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y = ο ein, wenn die Gehäuseachse senkrecht, also parallel zum Graviatationsvektor, verläuft. Falls der Meßwertgeber aus der Vertikalen derart gekippt wird, daß der Winkel zwischen der Vertikalen und der Längsachse des Gehäuses gleich θ ist und die Steifheit der Pendelstange derart beschaffen ist, daß das Ende des Stabmagneten eine Stellung (x,y) einnimmt, wobei χ und y kleine Auslenkungen

2 2 1/7
bedeuten, dann ist (x + y ) proportional zu sin θ und tan 0 =

■^ bestimmt den Winkel 0 zwischen der OX'Richtung und der oben lie*- genden Seite des Meßwertgebers (siehe Fig. 7).

2 2 Daher werden θ und 0 allein durch sin θ = K₁ (V_Y + V_v ) und tan 0 *=

V I A I _:

Y
K₂ . -γ- bestimmt, wobei K.. und K^ Konstante sind.

Λ !

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Claims

Patentansprüche

.) Vorrichtung zur Messung des Neigungswinkels zwischen einer Achse eines Körpers und dem Schwerkraftvektor sowie des Drehwinkels zwischen dem auf eine zu dieser Achse senkrechten Ebene projiezierten Schwerkraftvektor und einer gegenüber dem Körper festen Bezugsachse in dieser Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber einen am freien Ende einer Pendelstange angeordneten Stabmagneten (16) und vier elektromagnetische Spulen (18A, 18B, 18C, 18D) aufweist, wobei die Spulen zur Neutralstellung der Pendelstange symmetrisch liegen und zwei dem Stabmagneten gegenüberstehende Differential-Flux-Gate-Paare (18A,18B; 18C, 18D) bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die Differential-Flux-Gate-Paare verbindende Einrichtung (48 bis 52), die/im Betrieb den magnetischen Fluß ii jedem zugehörigen Flux-Gate-Paar zu Null macht.

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-Ιοί oder . :
3. Vorrichtung nach Anspruch/2, dadurch gekennzeichnet, daß die

die zwei Differential-Flux-Gate-Paare verbindende Einrichtung (48 bis 52) derart angeordnet ist, daß die zwei Differential-Flux-Gate-Paare ein Standard-Flux-Gate-Paar bilden, so daß der resultierende magnetische Fluß in allen Spulen Null wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen mit einer Wechselstromquelle (26) fester Frequenz verbunden sind und jedes Flux-Gate-Paar einen Verstärker hoher Verstärkung (34,44,54) aufweist, der auf die erste Oberwelle des Signals am Verbindungspunkt der das Flux-Gate-Paar bildenden Spulen anspricht und ein Gleichspannungssignal an einen derartigen Verbindungspunkt abgibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Rückführungsschleifen einen Demodulator für die erste Oberwelle aufweist, und eine Einrichtung (58,6o) vorgesehen ist,, die ein Signal mit derselben Frequenz wie die Wechselstromquellö (26),aber mit entgegengesetzter Polarität dem Eingang des Demo-ι dulators eines jeden Differential-Flux-Gate-Paares zuführt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen eines jeden Differential-Flux-Gate-Paares einander angepaßt sind und jeweils eine ii-Metallstange aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge-

- ϊ 1 -■""' 509 8 26/0732

kennzeichnet, daß die Spulen (18) derart angeordnet sind, daß die Achsen der^-Metallstangen parallel zueinander verlaufen und gegenseitig auf gleichem Abstand gehalten sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabmagnet (16) in einem Pendelgewicht (14) angeordnet ist. '
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18) und das Pendel (12,14) in ^: einem rohrförmigen Gehäuse (1o) derart angeordnet sind, daß die Achsen des Stabmagneten, der Pendelstange, der Spulen und des ! Gehäuses parallel zueinander verlaufen, wenn die Achse des Ge- |

häuses parallel zum Schwerkraftvektor verläuft. I

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