DE2823282C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Innenabmessungen eines Hohlraumes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Innenabmessungen eines HohlraumesInfo
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Description
Die Erfindung bezi«. ht sich auf ein Verfahren nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Seit Jahren besteht ein starkes Interesse an der Entwicklung solcher Verfahren und Vorrichtungen, vor
allem im Hinblick auf die Erkundung unterirdischer Salzlagerstätten zu verschiedenen Zwecken. Durch
den Abbau von Salzlagerstätten lassen sich z. B. Erdöispeicher und langfristige Endiagerstätten für radioaktive
Abfälle schaffen. Auch wurde die Möglichkeit des Einsatzes unterirdischer Hohlräume von Salzlagerstätten
zur Speicherung von Druckluft als Energiespeicher erforscht. Zu Zeiten niedrigen Energiebedarfs
wird Luft vermittels elektrischer Energie verdichtet und in solchen unterirdischen Hohlräumen
gespeichert. Während der Spitzenenergiebedarfszeiten wird die verdichtete Druckluft dann zum Antrieb
von Turbinen und elektrischer Generatoren genutzt.
Zur Herstellung großer unterirdischer Hohlräume in Salzstöcken wird das Salz durch Auslaugen aus der
unterirdischen Lagerstätte entfernt. Fig. 1 veranschaulicht einen durch solche Auslaugung erhaltenen
typischen unterirdischen Hohlraum. Dieser Hohlraum 5 befindet sich innerhalb eines Salzstockes 7,
der von darüberlicgendem Deckgestein 9 überlagert ist. Das Auslaugverfahren erfolgt über ein verrohrtes
Bohrloch 11. Durch eine von zvvci konzentrischen
Rohrleitungen 13, 15, die auch als Auslauggestänge bezeichnet werden, wird Frischwasser injiziert, während
die Salzlauge durch die andere Rohrleitung abgezogen wird. Dabei wird das Salz in Nähe des Wasserinjektionspunkts
zur Auflösung gebracht. Eine dritte, als Abdeckmittelgestänge bezeichnete, konzentrische
Rohrleitung 17 dient zum Injizieren eines Abdeckmittels 19 von geringerer Dichte als Wasser.
Das Abdeckmittel beendet den Auflösevorgang oberhalb einer bestimmten Höhe, so daß der Wasserspiegel
nach unten gedruckt wird. Als Abdeckmittel finden typischerweise Dieselöl oder Propan Verwendung.
Die Auslaugungeines großen unterirdischen Hohlraums kann mehrere Jahre dauern. Die aufzubereitende
Menge an Salzlauge entspricht etwa dem zehnfachen Volumen des Hohlraums. Die Konzentration
der abgezogenen Salzlauge wird überwacht und dadurch die Menge an abgebautem Salz ermittelt. Die
beiden Auslaugegestänge 13 und 15 und das Abdeckmittelgestünge
17 werden in periodischen Zeitabständen neu eingesetzt, oder der Abdeckmitteldruck wird
geiindert, um auf diese Weise die Formgebung des abgebauten Bereichs zu verändern. Von Zeit zu Zeit
wirtl die Formgebung des unterirdischen Hohlraums gemessen, indem die drei Rohrleitungen herausgezogen
und eine Mcßvorrichtung in ilen Hohlraum hinabgelassen wird. Auf diese Weise lasse :i sieh Durchmes-
ser, Tiefe und Gleichförmigkeit der Wand messen. Sobald der Hohlraum eine gewünschte Formgebung
angenommen hat, wird der Auslaugungsvorgang beendet und das Wasser aus dem Hohlraum herausgepumpt.
Durch Auslaugung gewonnene unterirdische Hohlräume in Salzstöcken weisen typischerweise ein Fassungsvermögen
von etwa 1 Million Kubikmeter, einen Durchmesser von etwa 60 m und eine Höhe von angenähert
600 m auf. Der Durchmesser des Bohrlochs beträgt zwischen 25 und 40 cm, und das Bohrloch hat
eine Länge von etwa 300 m. Der Boden des Hohlraums liegt angenähert 900 m unter der Erdoberfläche.
Das zur Zeit am meisten verbreitete Verfahren zum Messen der Abmessungen eines unterirdischen Hohlraums
in einem Salzstock beruht auf Schall-Entfernungsmessungen anhand der sich im Wasser fortpflanzenden
Schallwellen. Dieses Verfahren ist kosten- und zeitaufwendig, weil der Hohlraum dazu
mit Wasser oder Salzlauge gefüllt sein muß, das bzw. die anschließend wieder herausgepumpt werden muß.
Dieses Meßverfahren nimmt typischerweise mehrere Monate in Anspruch. Eine unerwünschte Felge dieses
Meßverfahrens ergibt sich daraus, daß sich die Abmessungen des Hohlraums durch die zusätzliche Auslaugung
verändern. Außerdem führt der hohe Flüssigkeitsdruck auf die Hohlraumwände zur Entstehung
von Ausbauchungen in diesen. Die vermittels dieses Verfahrens gemessenen Durchmesserwerte stellen
dabei lediglich eine Näherung an den tatsächlichen Durchmesser des luftgefüllten Hohlraums dar. Der
hydrostatische Druckunterschied zwischen oberem und unterem Ende eines mit gesättigter Salzlauge gefüllten
derartigen unterirdischen Hohlraums beträgt angenähert 28 bar.
Ein anderes Verfahren zum Bestimmen der Abmessungen von Hohlräumen in Salzlagerstätten besteht
in der Radar-Impulsecho-Entfernungsmessung vermittels Mikrowellen. Derartige Radargeräte sind
sehr kostenaufwendig und benötigen zahlreiche Zusatzgeräte an der Erdoberfläche. Außerdem lassen
sich Meßgeräte dieser Art nicht ohne weiteres miniaturisieren,
um durch ein langes, enges Bohrloch einführbar zu sein.
Andere bekannte Verfahren zur Abtastung von Hohlräumen beruhen auf dem Einsatz von Laserstrahlen
oder von sich in Luft fortpflanzenden Schallwellen.
Es ist eine Laserecho-Hohlraumvermessung mit kontinuierlichen Lasersirahlen zum Bestimmen der
Entfernung zu einem Punkt auf der Innenwand eines Ofens mit einer Temperatur von wenigstens 500° C
bekannt (DE-OS 2551965). Ferner ist eine Hohlraumvermessung
mit Hilfe von Ultraschall bekannt, welche dazu dient, Organe im Körper eines Patienten
flächenweise abzutasten, um eine körperexterne Ultraschall-Schnittbildanzeigevorrichtung
zu steuern.
Beim Einsatz eines ausreichend leistungsfähigen Lasers zur Vermessung eines unterirdischen Hohlraumes
reflektieren die Wandflächen des Hohlraums eine meßbare Lichtmenge. Zur Messung von Abstandsschwankungen
der Wand von plus minus 2,5 cm (I Zoll) beträgt jedoch die für einen Laserstrahl erforderliche
Zeitmeßgenauigkeit angenähert f>.Γ*3 x IO " Sekunden. Wenngleich sich Zeitintervalle
dic-er Größenordnung ohne weiteres im Labor messen hi-sen, siiul de.artige Zeitmessungen unter
den harten Einsatzbedingungen an einer Bohrstelle nur unter großen Schwierigkeiten durchzuführen.
Außerdem weist die Grenzfläche von Luft und Salz einen niedrigen Reflexionskoeffizienten für Wellenlängen
zwischen 0,2 und 20 μπι auf. Der Einsatz sich
in Luft ausbreitender Schallwellen wurde nicht weiter entwickelt, weil sich dabei das Problem ergibt, einen
ausreichend leistungsfähigen Schallsender zu entwikkeln, welcher Schallwellen in den ganzen Hohlraum
abgeben kann, dabei jedoch so kleine Abmessungen aufweist, daß er durch das Bohrloch hindurch eingeführt
werden kann. Außerdem ergibt der Einsatz sich in Luft ausbreitender Schallwellen das zusätzliche
Problem der größeren Dämpfung bei verringerten Wellenlängen, um eine Meßtoleranz von 2,5 cm zu
erzielen.
Beim Einsatz von Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen ergibt sich außerdem ein geometrisches
Problem. Die Wände des Hohlraums in einem Salzstock jind typischerwei.se spiegelglatt. Aufgrund
dieser Wandglätte werden so-ohl auf treffende
Schallwellen als auch elektromagnetische wellen an
den Wänden spiegelnd reflektiert. Bei Echo-Entfernungsmessungen besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit
dafür, daß der ganze reflektierte Strahl nicht Po/ den Empfänger trifft, weil die Ebene der
Hohlraumwandung nicht senkrecht steht zur Wellenausbreitungsrichtung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen
eines große Innenabmessungen aufweisenden Hohlkörpers mit sehr kleiner Zugangs- oder Zutrittsöffnung
zu schaffen, die eine sehr genaue Feststellung der Innenabmessungen unabhängig von der an der
Hohlkörperinnenfläche auftretenden Energierückstrahlung und unabhängig davon, ob die reflektierende
Räche senkrecht oder nicht senkrecht zur Meßrichtung steht, ermöglichen und insbesondere zum
präzisen Ermitteln des Durchmessers eines in einem Salzstock ausgebildeten großen unterirdischen Hohlraumes,
etwa mit folgenden Abmessungen, geeignet sinJ:
Durchmesser des Bohrlochs 25-40 cm
Hohlraumdurchmesüer 6(> m
Schwankungen des Hohlraumdurchmessers ± 3 m
Länge des Bohrlochs 300 m
Tiefe des Hohlraumbodens unter
der Erdoberfläche 900 m
Fassungsvermögen 1 000000 m"
Länge des Bohrlochs 300 m
Tiefe des Hohlraumbodens unter
der Erdoberfläche 900 m
Fassungsvermögen 1 000000 m"
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das in dem Patentanspruch 1 angegebene Verfahren
gelöst.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist in dem Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung
einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 3 bis- 9 angegeben.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielc näher erläutert. In der Zeichnung ist
Fig. 1 ein nicht maßstabgerechter seitlicher Aufrißciuerschnitt
durch einen durch Auslaugung abgebauten Salzstock,
Fig. 2 eine tcilwcMc im Schnitt dargestellte Seitenansicht
einer zum Messen der Innenabmessungen eines Hohlkörpers dienenden Vorrichtung,
F;ig. 3 ein teilweiser seitlicher Aufrißeines unterirdischen
Hohlraums in einem Salzstock mit der in diesem befindlichen Vorrichtung von Fig. 2,
Fig. 4 ein schematischer Schaltplan der Zeitgeberund Logikschaltung für die Vorrichtung von Fig. 2.
Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Schaltung von Fig. 4.
Fig. 6 ein teilweise im Schnitt dargestellter Seitenaufriß
einer zweiten Ausführungsform der zum Messen der Abmessungen eines Hohlkörpers dienenden
Vorrichtung.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen der Innenabmessungen
eines Hohlkörpers ist insbesondere anwendbar zur Messung der Innenabmessungen eines durch SaIzlaugungsabbau
in einem Salzstock 7 ausgebildeten, großen unterirdischen Hohlraum 5. Die Vorrichtung
umfaßt einen Sender-Empfänger 21 in einem Gehäuse, das vermittels eines Gestänges oder eines Seils
23 innerhalb des Hohlraums 5 aufgehängt gehalten bündel nach links gerichtet. Das übrige Laserlicht
durchsetzt den oberen halbdurchlässigen Spiegel 36 in senkrechter Richtung nach unten, wird vermittels
des Spiegels 40 in waagerechter Richtung abgelenkt und tritt an einem optischen Fenster 42 aus. Entsprechend
Fig. 2 ist dieses zweite, waagerechte Lichtbündel nach rechts gerichtet. Die verbleibende Laserstrahlung
fällt senkrecht nach unten auf einen Fotodetektor 44 bekannter Ausführung, der /ur Ansteuerung
der weiter unten beschriebenen Zeitgeberund Logikschaltung und zur Anzeige dient, daß die
Vorrichtung Licht aussendet.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 beleuchten die energiereichen Impulse kollimierten Laserlichts,
welche an beiden Seiten des Sende/Empfängers 21 austreten, zwei kleine Stellen 46. 46' auf sich gegenüberliegenden
Wandseiten des Hohlraums 5. Die elektromagnetische Strahlungsenergie wird von der
Wand absorbiert, so daß es zu einer örtlich begrenz-
.«.!!ULI -
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UCIl I HJII
durch ein enges, verrohrtes Bohrloch 11 hindurch eingeführt,
nachdem die Auslaugegestänge 13, 15 von Fig. 1 und das Abdeckmittelgestänge 17 aus dem
Bohrloch entfernt worden sind. Zur Drehung von Sender und Empfänger in einen bestimmten Azimutalwinkel
um eine senkrechte Achse ist ein in Fig. 2 dargestellter, servogesteuerter Rotor 29 vorgesehen,
welcher die Ausführung mehrerer Messungen in einer waagerechten Ebene innerhalb des Hohlraums gestattet.
Zur Speisung und Triggerung von Sender/ Empfänger ist ein in Fig. 3 dargestelltes Spannungsspeisegerät
25 an der Erdoberfläche in Nähe des Bohrlochs vorgesehen. Die vom Sender/Empfänger
ermittelten Meßwerte werden in einem Ausgabegerät 27 verarbeitet, gespeichert und zur Anzeige gebracht,
das sich ebenfalls an der Erdoberfläche in der Nähe des Bohrlochs befindet. Das Spannungsspeisegerät
und das Ausgabegerät sind mit dem Sender/Empfänger durch elektrische Leiter innerhalb des Seils oder
Gestänges 23 verbunden.
Der in Fig. 2 dargestellte Sender/Empfänger 21 umfaßt Mittel zum Aussenden gebündelter elektromagnetischer
Energie gegen zwei Stellen 46, 46' auf sich gegenüberliegenden Innenwandabschnitten des
Hohlraums 5 von Fig. 3. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Aussenden
elektromagnetischer Energie einen Laser 32, einen halbdurchlässig versilberten Spiegel 36 und einen
nahezu voll reflektierenden Spiegel 40. Der Spiegel 40 läßt gerade nur so viel Licht hindurch, daß durch
dieses ein Fotodetektor 44 [p einer nachstend beschriebenen
Weise betätigt wird. Der Laser ist von herkömmlicher Beschaffenheit und gibt einen energiereichen,
gebündelten Strahl kohärenten, kollimierten Lichts ab. Der Laser wird von dem Spannungsspeisegerät
25 in Fig. 3 gespeist und kann im Impulsoder im Dauerbetrieb arbeiten. Bei Verwendung eines
kontinuierlich arbeitenden Lasers wird das ausgesandte Lichtbündel durch einen elektrisch betätigten
Verschluß 34 von Fig. 2 gesteuert. Dieser Verschluß öffnet und schließt sich während der Aussendung von
Licht. Bei Verwendung eines Impulslasers kann der Verschluß gegebenenfalls in Fortfall kommen.
Ein Teil des vom Laser 32 in Fig. 2 abgegebenen Lichts wrrd vermittels des halbdurchlässigen Spiegels
36 in eine waagerechte Richtung reflektiert und tritt durch ein oberes optisches Fenster 38 aus. Entsprechend
der Darstellung in Fi g. 2 ist dieses obere Licht-Erwärmung werden im Salz Druckwellen erzeugt, die
ihrerseits Schallwellen hervorrufen, welche sich im Luftraum des Hohlraums fortpflanzen. Die Schallwellen
scheinen dabei von der kleinen, durch den Laser beleuchteten Stelle auszugehen. Die Schallwellen bereiten
sich radial nach außen in den Hohlraum hinein aus, unter Ausbildung von den beleuchteten Stellen
46. 46' ausgehender, kugeliger Wellenfronten. Das Lascrlic''t ist kollimiert und etwas fokussiert, um zu
gewährleisten, daß die beleuchteten Stellen eine kleine Fläche aufweisen. Kleine beleuchtete Stellen
sind wünschenswert, damit die elektromagnetische Erhitzung auf eine Stelle konzentriert ist und die
Schallquelle als Punktquelle erscheint. Bei einer kleinen Stelle ist außerdem gewährleistet, daß die sich
in den Hohlraum hinein ausbreitenden Schallwellen eine sphärische Wellenfront aufweisen und ein Teil
dieser Schallwellen von dem Sender/Empfänger 21 •aufgefangen wird.
Die auf den Sender/Empfänger 21 von Fig. 2 auftreffenden
Schallwellen werden vermittels zwei kleiner piezoelektrischer Schallwandler 50, 50' aus keramischem
Material aufgefangen. Jeder dieser beiden Detektor-Schallwandler ist dabei in der Weise ausgerichtet,
daß seine Achse höchster Empfindlichkeit im wesentlichen parallel zur Achse der Fortpflanzungsrichtung
des Laserstrahls verläuft. Die von diesen Schallwandlern aufgefangenen Schallwellen werden in
elektrische Signale umgesetzt, welche einem Elektronikteil 52 im unteren Tei' des Sender/Empfängers 21
zugeführt werden. Der Elektronikteil 52 ist endseitig am Sender/Empfänger 21 angeordnet, so daß ' - die
Aussendung des Laserstrahls bzw. das Auffangen der Schallwellen nicht beeinträchtigt und zugleich als Anschlagschutz
oder Stoßschutz für die Meßvorrichtung dient.
Entsprechend Fi g. 3 sendet der Sender/Empfänger 21 und empfängt Schallwellen entlang zwei zueinander
paralleler, entgegengesetzter Richtungen, wodurch die Ungewißheit über die genaue Lage des Sender/Empfängers
ausgeschaltet wird. Der Sender/ Empfänger 21 wird in den Hohlraum 5 durch ein
langes Bohrloch 11 hindurch abgesenkt, das bis zu 300 m Länge aufweisen kann. Somit ist die Lage des
Sender/Empfängers in bezug auf die senkrechte Mittelachse des Hohlraums nicht genau festlegbar. Wenn
der Abstand zwischen den beiden sich diametral gegenüberliegenden
Stellen gemessen wird, ergibt die
Summe dieser beiden Meßwerte die GesHintabmessung
des Hohlraums, und dieser Gesamtwert ist unabhängig von der genauen Lage des Sender/Empfängers.
Zur Eichung des Sender/Empfängers wird die Geschwindigkeit der Schallwellenfortpflanzung gemcs- "■
sen. was deswegen erforderlich ist, weil der Hohlraum
eine Tiefe in der Größenordnung von 900 m aufweisen kann, entlang welcher mehrere Messungen in unter,
chiedlichen gegenseitigen Abständen ausgeführt werden sollen. Außerdem kann im Hohlraum ein |o
Luftdruck von zwischen 40 bis 80 bar herrschen. Die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Hohlraums wird
dadurch gemessen, daß die Laufzeit von Schallwellen entlang einer Strecke vorbekannter Länge gemessen
wird. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung den in ι '<
Fig. 2 dargestellten Signalgenerator 56 auf. welcher einen Senderwandler 58 speist, der im oberen Teil
des Sender/Empfängers 21 angeordnet ist und Schallwellen von im wesentlichen der gleichen Wellenlänge
viiis iiic von den !^!siichtstsn Stsücn 4ό 4ό b^°c°c~ -"
bene Wellenlänge aussendet. Die vom Senderwandler 58 abgegebenen Schallwellen werden an einem
Schallreflektor 60 reflektiert, der an dem zur Aufhängung der Vorrichtung dienenden Seil oder Gestänge
23 oberhalb des Sender/Empfängers angeordnet ist. r> Am Schallreflektor 60 werden die Schallwellen zum
Sender/Empfänger zurück reflektiert, und das zurückkehrende Echo wird von einem Empfängerwandler
62 aufgefangen. Da die Länge der Strecke zwischen dem Senderwandler und dem Reflektor bekannt ist m
und die Wellenlänge derjenigen der von den beleucht ten Stellen ausgehenden Schallwellen entspricht,
läßt sich das Zeitintervall für die Fortpflanzung der Schallwellen entlang dieser Strecke in die Geschwindigkeit
der von den beleuchteten Stellen 46, 46' ent- η sprechend Fig. 3 empfangenen Schallwellen umsetzen.
Entsprechend einer abgeänderten Ausführungsform kann die Eicheinrichtung auch aus einem ausgesandten
Laserimpuls bestehen, der auf einen (hier -w nicht dargestellten) Zielsender trifft, welcher einen
Schallimpuls entlang eines Weges bekannter Länge zurücksendet.
Der bender/tmptanger 21 milit das zeitintervall
zwischen der Aussendung der elektromagnetischen i>
Energie und dem Auffangen der Schallwellen vermittels der in Fig. 4 dargestellten Zeitgeber- und Logikschaltung.
Diese Schaltung befindet sich innerhalb des Elektronikteils 52 von Fig. 2 und umfaßt einen
Haupttaktgeber 66, der Taktimpulse konstanter Frequenz liefert. Der Ausgang des Taktgebers liegt an
einer Gatter- und Zählerlogik 68, vermittels welcher die Gatter 70, 70' und 70 angesteuert werden. Im
angesteuerten Zustand lassen die Gatter 70, 70' die von den Schallwandlern 50,50' abgegebenen elektrisehen
Signale durch, wodurch das Ankommen von Schallwellen von den Hohlraumwänden angezeigt ist.
Die Ausgangssignale an den Gattern 70 bis 70" werden getrennt voneinander vermittels der Signalverstärker
74, 74' bzw. 74" verstärkt. bo
Im Betrieb mißt der Sender/Empfänger das Zeitintervall
zwischen der Übertragung eines elektromagnetischen Energieimpulses und dem Auffangen von
Schallwellen, die von den Hohlraumwänden ausgehen. Wenn diese Messung während des Auslaugungs- b5
abbaus erfolgt, werden zunächst die Auslaugungsgestänge
13, 15 von Fig. 1 und das Abdeckmittelgestänge 17 entfernt. Dann wird der Sender/Empfänger
durch das Bohrloch 11 von Fig. 3 hindurch in den Hohlraum 5 abgesenkt und vermittels des in Fig. 2
dargestellten, durch Fernsteuerung servogesteuerten Rotors 29 in verschiedene ausgewählte Azimutalwinkel
gedreht.
Zur Ausführung einer Messung wird der Laser 32 vermittels des an der Erdoberfläche befindlichen
Spannungsspeisegeräts 25 entsprechend Fig. 3 erregt. Das Spannungsspeisegerät 25 erzeugt außerdem einen
in Fig. 5 dargestellten Triggerimpuls, durch den ein Laserlichtimpuls bekannter Zeitdauer ausgelöst wird.
Wenn es sich bei dem Laser 32 um einen kontinuierlich strahlenden Laser handelt, öffnet und schließt der
Triggerimpuls den Verschluß 34. Bei Verwendung eines Impulslasers löst der Triggerimpuls die Abgabe
eines Lichtimpulses durch den Laser aus. Die Zeitzählung beginnt, sobald der Laserstrahl auf den Fotodetektor^
von Fig. 4 trifft. Der Fotodetektor, wie z. B. eine Fotozelle, triggert dann die in Fig. 4 dargestellte
Zpitopher- und I .ngikschaltung. welche die Gatter 70.
70' und 70" wie irT Fig. 5 angedeutet ansteuert und damit beginnt, Taktimpulse an die Zähler 72, 72' und
72" abzugeben.
Sobald sich der Verschluß 34 von Fi g. 4 öffnet oder
ein Lichtimpuls durch den Laser 32 abgegeben wird, werden durch die halbdurchlässigen Spiegel 36, 40
zwei zueinander parallele, jedoch in entgegengesetzte Richtungen weisende Lichtstrahlen in den Hohlraum
5 abgegeben. Die Laserbündel treffen auf die beiden Beleuchtungsstellen 46, 46' von Fig. 3. Die
elektromagnetische Energie ist dabei kollimiert und etwas fokussiert, damit ein großer Teil der elektromagnetischen
Energie auf eine sehr kleine Fläche zentriert ist. Diese Energie wird von der Hohlraumwandung
absobiert, so daß es zu einer sehr starken örtlichen Erhitzung kommt, aufgrund welcher Druckwellen
im Salz entstehen, welche ihrerseits zum Entstehen von Schallwellen führen, die sich in entgegengesetzter
Richtung zum Sender/Empfänger 21 hin ausbreiten. Diese Schallwellen scheinen dabei von einer
Punktquelle auszugehen, welche der beleuchteten Stelle entspricht. Die Schallwellen divergieren van
den beleuchteten Stellen nach außen und weisen kugeiige Weüenironien auf.
Die Schallwellen werden von dem in Fig. 2 dargestellten Sender/Empfänger 21 vermittels der Schallwandler
50,50' aufgefangen, welche die auffallenden Schallwellen zu elektrischen Signalen umsetzen, die
entsprechend Fig. 5 als Echo 1 und Echo 2 bezeichnet sind, durch die Gatter 70,70' durchgesteuert und
vermittels der Signalverstärker 74 und 74' verstärkt werden. Aufgrund der von den Schallwandlern abgegebenen
Signale beenden die Zähler 72,72' die Zählung der von dem Haupttaktgeber 66 gelieferten
Taktimpulse. Diese Taktimpulse·gehen vom Taktgeber aus und durchlaufen die Gatter- und Zählerlogik
68. Das Zeitintervall zwischen der Aussendung der elektromagnetischen Energie und dem Auffangen der
Schallwellen von den beiden beleuchteten Stellen entspricht der Anzahl der in den beiden Zählern gezählten
Zählimpulse. Diese Information wird dem Ausgabegerät 27 zugeführt, das sich entsprechend Fig. 3 an
der Erdoberfläche befindet, und wird in diesem in einen
Längenmeßwert umgesetzt.
Der von dem Spannungsspeisegerät 25 in Fig. 3 ausgehende Triggerimpuls steuert außerdem eine
Fortpflanzungsgeschwindigkeits-Eichschaltung an. Der Triggerimpuls schaltet den Signalgenerator 56 an,
welcher seinerseits den in Fig. 4 dargestellten Scnderwandler
58 speist. Der Senderwandler gibt dann eine gebündelte Schallstrahlung ab, welche von dem
in Fig. 2 dargestellten Schallreflektor 60 reflektiert und vom Empfängerwandler 62 aufgefangen wird.
Das Signal des Enipfängerwandlers wird über das Gatter 70" dem Signalverstärker 74" zugeführt und
hält den Zähler 72" an, der bis dahin Taktimpulse von der Gatter- und Zählerlogik 68 gezählt hat. Die
Anzahl der vom Zähler 72" gezählten Taktimpulse steht somit in Beziehung zu der von Sender/Empfänger
21 ermittelten Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die Schallwellen. Es ergibt sich dabei die einfache Beziehung,
daß die Anzahl der gezählten Impulse dem Quotienten 2df/v entspricht, wobei d der Abstand des
zur Eichung verwendeten Schallreflektors, / die Taktoder Impulsfrequenz und ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
ist. Der Ausgang des Zählers 72" ist außerdem mit dem an der Erdoberfläche befindlichen
Ausgabegerät 27 verbunden.
Entsprechend Fig. 5 wird durch den Triggerimpuls vom Spannungsspeisegerät 25 vermittels der Gatterund
Zählerlogik 68 zuerst das Gatter 70" angesteuert. Im angesteuerten Zustand schaltet dieses Gatter das
Eich-Echo durch, durch welches der Zähler 72" zum Anhalten gebracht wird. Als nächstes wird das Gatter
70" ausgesteuert, und die Gatter 70,70' werden angesteuert,
um die beiden Echos von den beiden beleuchteten Stellen 46 und 46' durchzulassen. Diese Echos
werden vermittels der Schallwandler 50, 50' in elektrische Signale umgesetzt, durch welche der Zähler
72 bzw. der Zähler 72' angehalten wird. Die drei Zähler 72,72' und 72" beginnen mit ihrer Zählung, sobald
das vom Laser abgegebene Licht auf den Fotodetektor 44 trifft. Der Fotodetektor triggert. seinerseits die
Gatter- und Zählerlogik 68. Die Gatter 70, 70' und 70" werden wie in Fig. 5 dargestellt an- und ausgesteuert,
um zu gewährleisten, daß die von den verschiedenen Wandlern aufgefangenen Schallwellen in
der Tat die zur Messung erwünschten Schallwellen sind. Dabei ist nämlich zu berücksichtigen, daß an einem
unterirdischen Hohlraum in einem Salzstock der
in r ig. ι uargesleiiien /\usiunrung cmc mcilgc i«ur
hall, Oberwellen und reflektierte Schallwellen entsteht.
Das Zeitintervall zwischen der Abgabe des Laserimpulses und dem Auffangen der Schallwellen entspricht
ziemlich genau der Laufzeit der Schallwellen von der Hohlraumwandung zum Empfänger, weil die
Laufzeit des Lichts innerhalb des Hohlraums im Vergleich zur Laufzeit von Schallwellen in Luft vernachlässigbar
klein ist.
In Fig. 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt, bei
welcher der Laser 32 und der Verschluß 34' an der Erdoberfläche angeordnet sind und das vom Laser abgegebene
Licht durch das Bohrloch 11 hindurch nach unten eingestrahlt wird. Diese Ausführungsform ist
verwendbar in Verbindung mit einem Hochleistungs-Laser, der zu große Abmessungen aufweist und
daher nicht durch das Bohrloch hindurch in den Hohlraum eingeführt werden kann. Diese Ausführungsform eignet sich weiterhin für Anwendungen, bei denen
der Hohlraum 5 unter Druck steht und gegenüber der Atmosphäre abgedichtet ist. Das vom Laser abgegebene
Licht durchsetzt dann ein optisches Fereter 76 in der Dichtung 77.
Die Arbeitsweise der in Fig. 6 dargestellten Aus-
führungsform der Vorrichtung entspricht im wesentlichen der der vorstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen,
weswegen einander entsprechende Teile auch mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Das vom Laser 32 abgegebene Licht wird durch den elektrisch betätigten Verschluß 34' durchgelassen
bzw. gesperrt, welcher durch das Spannungsspeisegerät 25 getriggert ist. Vermittels eines Spiegels 79 wird
der Laserstrahl nach unten in das Bohrloch 11 hinein abgelenkt. Wenn der Hohlraum gegenüber der Atmosphäre
durch eine Dichtung 77 abgedichtet ist, weist diese ein optisches Fenster 76 auf, durch welches der
Laserstrahl hindurchtritt. Der auf den Sender/Empfänger 21' treffende Laserstrahl wird in diesem durch
einen Strahlenteiler 81 bekannter Ausführung in zwei gleiche Strahlungsanteile aufgespalten. Der eine
Strahlungsanteil fällt auf einen Fokussierspiegel 83, durch welchen der Strahl in waagerechter Richtung
durch das optische Fenster 42 nach außen gerichtet wird. Ein Fokussierspiegel wird deswegen verwendet,
um das Licht nach seiner langen Laufstrecke durch das Bohrloch 11 hindurch auf der Hohlraumwandung
auf eine kleine Fläche zu konzentrieren. Der andere Strahlungsanteil wird noch einmal durch einen nahezu
voll reflektierenden Spiegel 85 gespalten. Der größere Teil der abgespaltenen Strahlung fällt senkrecht nach
unten auf einen zweiten Fokussierspiegel 83', der den Strahl durch das optische Fenster 38 hindurch nach
außen ablenkt. Der andere, kleinere Strahlungsanteil durchläuft den Spiegel 85 und fällt auf den Fotodetektor
44. Die Arbeitsweise des Fotodetektors 44 entspricht der des in Fig. 2 dargestellten und vorstehend
beschriebenen. Die beiden, auf die Hohlraumwände fallenden elektromagnetischen Strahlungsbündel führen
zur Erzeugung von Schallwellen, die in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben aufgefangen und
gemessen werden.
Der Sender/Empfänger 2Γ von Fig. 6 weist außerdem
eine ähnliche Echo-Eicheinrichtung zum Messen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen
auf. Diese Einrichtung umfaßt die Wandler 58,62 von Fig. 6 und weist die vorstehend beschriebene Ar-
t--:* : -..f A..n„r^m Jot Aar QwtiHor-Fmnfänopr
21' mit der vorstehend beschriebenen Zeitgeber- und Logikschaltung von Fig. 4 versehen, welche entsprechend
dem Zeitdiagramm von Fig. 5 arbeitet.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung gestatten außerdem u. a. Entfernungs- und Größenmessungen
durch Erzeugung von Schallwellen in Luft vermittels Absorption von im Meßgegenstand
absorbierter Laserstrahlung. Bei den bekannten Impulsecho-Entfernungsmessungen ergab sich sowohl
für Schallwellen als auch für die elektrische oder elektromagnetische Strahlung das Problem mit der spiegelnden
Reflexion. Wenn die reflektierende Oberfläche des Maßgegenstands nicht senkrecht zur Energiefortpflanzungsrichtung
ausgerichtet ist, läuft dabei die spiegelnd reflektierte Welle am Empfänger vorbei,
so daß entweder nur ein sehr schwaches Echo oder auch gar kein Echo aufgefangen wird. Beim Verfahren
und der Vorrichtung nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß Schallwellen
erzeugt werden, welche vom Meßgegenstand aus mit kugeliger Wellenfront divergieren. Die Fortpflanzung
dieser kugeligen Wellenfronten ist unabhängig vom Aussehen des Meßgegenstandes und seiner Oberflächenbeschaffenheit
wie insbesondere seiner Rauhigkeit.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Verfahren zur Ermittlung der Innenabmessungen eines Hohlraumes unter Verwendung des
Prinzips der Abstandsmessung durch Signalrückstrahl-Laufzeitmessung mit Hilfe von Laserstrahlen
bzw. Schallwellen, dadurch gekennzeichnet, daß scharf gebündelte energiereiche, gepulste
Laserstrahlen als Sendestrahlen und die durch direkte Umwandlung der Laserstrahlenergieimpulse
infolge thermischer Effekte beim Auftreffen auf eine Wandstelle (46, 46') des Hohlraumes erzeugten
Schallwellen als Empfangswellen verwendet werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer in den zu vermessenden
Hohlraum einführbaren Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (21,21') an einem
Hängeglied (23) aufgehängt ist und eine Spiegelanordnung, durch die der zunächst in Achsrichtung
oder parallel zur Achsrichtung des Hängegliedes verlaufende Laserstrahlweg um einen
rechten Winkel umgelenkt wird, sowie einen zur Aufnahme der reflektierten Schallwellen dienenden
Empfänger enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Spiegelanordnung
(36,40; 81 bis 85), daß der in oder parallel zu der Achse des Hängeglieds verlaufende
Laserstrahlweg in einander entgegengesetzte Richtungen umgelenkt wird, sowie durch je einen
Schallwellenempfänger (SO 50') für die dazugehörigen, einander entgegengesetzten Empfangsrichtungen für die reflektieren Schallwellen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der
Schallwellenfortpflanzungsgeschwindigkeit in der jeweiligen Meßtiefe im Bohrloch die Sonde (21,
21') einen Signalgenerator (56) und einen von ihm gespeisten Sendewandler (58), welcher Schallwellen
von annähernd der gleichen Wellenlänge wie die von der bestrahlten Wandfläche (46, 46') reflektierten
Schallwellen in Richtung der Achse des Hängegliedes (23) oder parallel dazu gegen einen
an dem Hangeglied (23) in einer bekannten Entfernung von der Sonde angebrachten Schallreflektor
(60) richtet, sowie einen Schallempfängerwandler (62) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bestimmung des Zeitintervalls zwischen der Abgabe der
elektromagnetischen Energie und dem Auffangen der Schallwellen dienende Signalrückstrahl-Laufzeitmeßschaltung
(Fig. 4) als Elektronikteil (52) im unteren Ende der Sonde angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (32) innerhalb
der Sonde angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis ^. dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (32)
außerhalb der Sonde und des Bohrloches angeordnet ist und der Laserstrahlweg zwischen ihm
und der in der Sonde befindlichen Spiegelanordnung durch das Bohrloch hindurch verläuft.
S. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 his 7. dadurch gekennzeichnet, daß die zur Steuerung
der \ iin idiluiig und Aufzeichnung tier Meßwerte
dienenden Einrichtungen (25, 27) oberhalb des Bohrloches angeordnet und mit der Sonde durch
innerhalb des Hängeglieds (23) verlaufende elektrische Leitungen verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine fernsteuerbare
Stellvorrichtung (29) zur azimutalen Einstellung der Sonde (21) vorgesehen ist.
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