DE3227083A1 - OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM FOR HOLE HOLE PROBE - Google Patents

Description

Hamburg, den 16. Juli 1982 2592 82Hamburg, July 16, 1982 2592 82

Priorität; 20. Juli 19 81, U.S.A. Pat.Anm. Nr. 285,146Priority; July 20, 19 81, U.S.A. Pat. Ann. No. 285,146

Anmelder;Applicant;

Chevron Research CompanyChevron Research Company

5 25 Market Street5 25 Market Street

San FranciscoSan Francisco

CaI. 94105CaI. 94105

U.S.A.UNITED STATES.

Optisches übertragungssystem für BohrlochsondenOptical transmission system for borehole probes

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches übertragungssystem für Bohrlochsonden, bei dem aus einem Sondankörper im Bohrloch Daten mit hoher Geschwindigkeit an die Erdoberfläche übermittelt werden.The invention relates to an optical transmission system for borehole probes, in which data from a probe body in the borehole is carried out at high speed transmitted to the surface of the earth.

Die größte Geschwindigkeit, mit der Bits über elektroms chanische Kabel aus den tie festen Ölbohrungen von etwa 10000 Metern übertragen werden können, beträgt • Zehntel Kilohertz. Dagegen machen die zur ZeitThe greatest speed with which bits are extracted from the deep oil wells via electromechanical cables about 10,000 meters can be transmitted is • tenths of a kilohertz. That’s what they’re doing against it at the moment

-X--X-

in Entwicklung befindlichen, besonders ausgeklügelt und mit einer großen Zahl von Sensoren ausgestatteten Sonden eine höhere übertragungsgeschwindigkeit erforderlich. Die bekannten Breitbandeigenschaften dar optischen Fasern in Verbindung mit den ohne Zwischenverstärkung zu erreichenden großen Übertragungslängen erfüllen diesen Zweck. Die Faser muß natürlich in einem armierten Kabel angeordnet werden, ohne dadurch merkliche Lichtverluste aufgrund von Störungen der Faser oder Mikrobiegungen zu verursachen.under development, particularly sophisticated and equipped with a large number of sensors Probes require a higher transmission speed. The well-known broadband properties of optical fibers in conjunction with those without intermediate amplification to meet the long transmission lengths to be achieved this purpose. The fiber must of course be placed in an armored cable without being noticeable Causing light loss due to fiber disruption or microbending.

Das Problem der Benutzung eines faseroptischen Übertragungssystems entsteht durch die äußerst harten Einsatzbedingungen in sehr tiefen Bohrungen. Diese sind mit korrodierender Sole angefüllt, die vielfach Hydrogen-The problem of using a fiber optic transmission system arises from the extremely harsh operating conditions in very deep bores. These are filled with corrosive brine, which is often hydrogen

2 sulfide enthält. Der Druck imBohrschlamm kann 2110 kg/cm (30000 ρ si ) betragen, die Temperatur 25O°C. Andere Einschränkungen ergeben sich dadurch, daß elektrische Kraft und Raum in einer Bohrlochsonde nur beschränkt verfügbar sind. Schließlich gehen auch oft Sonden im Bohrloch verloren. Die übertragungseinrichtung darf deshalb nicht sehr teuer sein.Contains 2 sulfides. The pressure in the drilling mud can be 2110 kg / cm (30000 ρ si), the temperature 25O ° C. Other limitations arise from the fact that electrical The power and space available in a borehole probe are limited. After all, probes often go in the Borehole lost. The transmission device must therefore not be very expensive.

Die Komponenten üblicher optischer übertragungssysteme können unter den unten im Bohrloch herrschenden Bedingungen nur mit Kühlung befriedigend arbeiten. Halbleiter-Laser und LEDs (Ii ent induzierende Dioden) arbeiten nicht oberhalb von 100°C. Hochdruck-Kupplungen, die einen zuverlässigen Kontakt für den optischen Weg vom Kabelende zur Sonde herstellen, gibt es nicht. Alle Kunststoffe verlieren ihren Zusammenhalt unter den extremen Bedingungen in tiefen Bohrlöchern. SelbstThe components of common optical transmission systems can only work satisfactorily with cooling under the conditions prevailing below in the borehole. Semiconductor laser and LEDs (Ii ent inducing diodes) do not work above 100 ° C. High pressure couplings that There is no such thing as a reliable contact for the optical path from the end of the cable to the probe. All Plastics lose their cohesion under the extreme conditions in deep boreholes. Self

Fluor-Verbindungen, die chemisch inert sind, neigen dazu, unter Spannung zu fließen. Ein zusätzliches Problem bildet das Wasser, das den Kunststoff durchdringt und die Spannungskorrosion der Glasfaser fördert. Fluorine compounds, which are chemically inert, tend to flow under tension. An additional The problem is the water that penetrates the plastic and promotes stress corrosion of the glass fiber.

Als Stand der Technik ist die US-PS 4,156,104 zu berücksichtigen. Das in dieser Schrift behandelte Kabel wird an sich als wasserdicht bezeichnet, könnte aber nicht dem Abrieb oder wiederholten Biegungen ausgesetzt werden, ohne daß es zu Ermüdungsausfällen käme.US Pat. No. 4,156,104 is to be considered as prior art. The cable dealt with in this document is referred to as watertight per se, but it could not subjected to abrasion or repeated flexing without fatigue failure.

Zur Vermeidung der vorstehenden Schwierigkeiten wird nach dar Erfindung ein für Bohrlochsonden in tiefen Bohrlöchern verwendbares optisches Übertragungssystem mit dan Merkmalen das Anspruches 1 geschaffen. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.In order to avoid the above difficulties According to the invention, an optical transmission system which can be used for borehole probes in deep boreholes with dan features that claim 1 created. Refinements of the invention are set out in the subclaims marked.

In einer praktischen Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße System ein armiertes Kabel mit einer oder mehreren, glasumkleideten optischen Fasern innerhalb einer rohrförmigen Feuchtigkeitssperre , einen Neodym-Laser in der Kabeltrommel zur Einstrahlung von Infrarot-Licht in eine der Fasern, einen Modulator in dem unten im Bohrloch befindlichen Kabelanschlußstück zur Modulierung von Licht und dessen Rücksendung nach der Oberfläche, und einen Halbleiter-Detektor in der Trommel zur Demodulation des Daten-Signales aus dem zurückgaleiteten Licht.In a practical embodiment, the invention contains System an armored cable with one or more glass-clad optical fibers inside a tubular moisture barrier, a neodymium laser in the cable drum for irradiation of Infrared light into one of the fibers, a modulator in the cable connector located in the bottom of the borehole for modulating light and sending it back to the surface, and a semiconductor detector in the Drum for demodulating the data signal from the returned light.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Neodym-Laser auf Schwingungen in einer Wellenlänge von etwa 1,32 ,um beschränkt. In dieser Wellenlänge sind die Rayleigh-Streuverluste minimal im Vergleich zu kürzeren Wellenlängen, und andererseits ist die htermische Störung im Detektor klein im Vergleich zu der bei größeren Wellenlängen.According to a further feature of the invention, the neodymium laser is sensitive to vibrations in one wavelength limited by about 1.32 µm. At this wavelength the Rayleigh scattering losses are minimal in comparison to shorter wavelengths, and on the other hand the thermal disturbance in the detector is small compared to the one at longer wavelengths.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erFurther advantages and features of the invention emerge from the claims and from the following description and the drawings in which the invention is illustrated and illustrated by way of example. Show it: Fig. 1 is a schematic representation of a he

findungsgemäßen übertragungssystems für Bohrlochsonden,inventive transmission system for Borehole probes,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform der ErFig. 2 shows a modified embodiment of the Er

findung,finding,

Fig, 3 ein Anschlußstück in ausführlicher DarFig, 3 shows a connector in more detail Dar

stellung,position,

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein armiertes Ka4 shows a cross section through an armored Ka

bel mit faseroptischen Leiter,bel with fiber optic conductor,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch einen Achsansatz5 shows an axial section through an axle extension

einer Kabeltrommel für die Übertragung von drei gesonderten Lichtstrahlen, Fig. 6 einen Schnitt durch eine wahlweise zua cable drum for the transmission of three separate light beams, Fig. 6 is a section through an optional to

verwendende Ausführungsform einer optischen Schleifring-Einrichtung zur Übertragung von Lichtsignalen aus einer sich drehenden Achse nach einem stationären Detektor, undusing embodiment of an optical slip ring device for transmission of light signals from a rotating axis to a stationary detector, and

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 derFig. 7 is a section along line 7-7 of

Fig. 6.Fig. 6.

Ein faseroptisches übertragungssystem für in Bohrlochsonden aufgenommene Daten, Fig. 1, weist einen Neodym-Laser 21a als Lichtquelle und einen Detektor 34a auf, die in dem eigentlichen Trommelteil 36a einer Kabeltrommel untergebracht sind. Elektrische Anschlüsse warden durch Drähte 39a über nicht dargestellte Schleifringe nach einer Grundplatte hergestellt. Das armierte Kabel 5 8a führt von der Trommel über nicht dargestellte Rollen in das Bohrloch und endet im Inneren der Kupplungshülse 10a des Kabelendes. Der Laserstrahl wird durch eine Linse 22a in den Kern der mit Glas umkleideten Faser 23a des Kabels gerichtet. An dem im Bohrloch befindlichen Ende ist die Faser mit einem Lichtmodulator 31 innerhalb einer Kammer 40a verbxmden, die gegen die äußere Umgebung abgedichtet ist. Der Modulator erhält Strom über Drähte 37a zugeführt, die von einer mehrpoligen elektrischen Kupplung 13a herkommen, die in den nicht dargestellten Instrumententeil bzw. die Sonde oder eine zweite Kupplungshälfte paßt, die mit der Sonde durch ein kurzes Stück eines elektrischen Kabels verbunden ist. Damit wird das Problem einer genauen übertragung des Lichtes durch eine sogenannte make-break-Kupplungsfläche vermieden. Das Kabel enthält auch nicht dargestellte Kraft- und Steuerleitungen, die nach dem Kupplungsteil 13a geführt sind.A fiber optic transmission system for use in borehole probes recorded data, Fig. 1, has a neodymium laser 21a as a light source and a detector 34a, which is located in the actual drum part 36a of a cable drum are housed. Electrical connections are made by wires 39a via slip rings, not shown manufactured according to a base plate. The armored cable 5 8a leads from the drum via not shown Rolls into the borehole and ends inside the coupling sleeve 10a of the cable end. The laser beam will directed through a lens 22a into the core of the glass-clad fiber 23a of the cable. On the one in the borehole located end, the fiber is connected to a light modulator 31 within a chamber 40a, the is sealed against the external environment. The modulator receives power via wires 37a, which are fed by a Multipole electrical coupling 13a come from, which is in the instrument part, not shown, or the probe or a second coupling half fits which is connected to the probe by a short length of electrical cable is. This eliminates the problem of an accurate transmission of the light through a so-called make-break coupling surface avoided. The cable also contains power and control lines (not shown) that follow the coupling part 13a are performed.

Der übliche, optisch arbeitende Kristall-Laser, der mit Neodym-Ionen,Nd ,dotiert ist, schwingt im Bereich der Wellenlänge X = 1,06 ,um. Wenn jedoch der Laser-Resonator bei λ = 1,06 ,um verlustbehaftet gemacht wird, kann der Laser zum Schwingen im Bereich von A ⁼ 1»32 ,un gezwungen werden. Dies ist erwünscht, da in glasumklei-The usual, optically working crystal laser, which is doped with neodymium ions, Nd, oscillates in the range of the wavelength X = 1.06. However, if the laser cavity is made lossy at λ = 1.06 µm, the laser can be ^{forced to oscillate in the range of A =} 1 »32, un. This is desirable because in glass cladding

de te η Fasern Licht durch Streuung an Inhomogenitäten verloren geht, die während der Herstellung eingeführt werden. Die Verlustgröße aufgrund, dieser Eigenschaftde te η fibers light by scattering at inhomogeneities lost during manufacture. The size of the loss due to this property

t -4
schwankt mit /·, . Daher ist nach Durchlaufen von 20 km Faser nach unten und wieder zurück nach oben ein Unterschied von etwa 15 dB im Lichtleitungsverlust bei diesen beiden Wellenlängen. Der Neodym-Laser liefert ausreichende Lichtleistung, oberhalb von 0,1 watt, sodaß das Licht hin und zurück läuft und ausreichende Leistung empfangen wird. Das vermeidet die Notwendigkeit, in der Bohrlochsonde oder in dem Kupplungsteil etwas einzubauen, was im günstigsten Fall ein wenig brauchbarer und platzverbrauchender Laser sein würde.t -4
fluctuates with / ·,. Therefore, after traversing 20 km of fiber downwards and back up again, there is a difference of about 15 dB in the light transmission loss at these two wavelengths. The neodymium laser provides sufficient light output, above 0.1 watt, so that the light travels back and forth and sufficient power is received. This avoids the need to install something in the borehole probe or in the coupling part, which in the best case would be a less useful and space-consuming laser.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines für die Erfindung vorgesehenen Kabels. In diesem Fall sind drei mit Glas umkleidete Fasern 51, von denen eine der Faser 23a der Fig. 1 entspricht, in einem Mantel 5 3 eingeschlossen, der die folgenden, wesentlichen Eigenschaften hat: A Er muß hart und steif sein, um die Fasern gegen Biegung während der nachfolgende η _w Herstellungsschritte des Kabels, wie der Auflage der äußeren Armierung 58d, zu schützen. Dies ist wesentlich, da "Mikrobiegungen" dem Licht das Auslecken aus der Faserumkleidung ermöglichen, das heißt, die Dämpfung erhöhen. Irgendwelche Blasen oder Leerstellen in dem ersten "Puffer"-überzug 52 aus weichem Kunststoff um die Fasern 51 werden zusammengedrückt und führen dabei zu Mikrobiegungen, falls nicht der Mantel ausreichend inkrompessibel ist, daß der umgebende Druck nicht übertragen wird.Fig. 4 shows the cross section of a cable provided for the invention. In this case three fibers 51 clad with glass, one of which corresponds to the fiber 23a of FIG Bending during the subsequent η _w manufacturing steps of the cable, such as the support of the outer armouring 58d. This is important because "microbends" allow light to leak out of the fiber cladding, that is, increase attenuation. Any bubbles or voids in the first soft plastic "buffer" coating 52 around the fibers 51 will be compressed causing microbending unless the jacket is incompressible enough that the surrounding pressure is not transmitted.

I NACHGEREICKTI FOLLOWED

3Ζ27Ό13Γ33Ζ27Ό13Γ3

•r-• r-

B Der Mantel 5 3 muß na&e Hoch-frei sein und der Diffusion von Flüssigkeit aus der Umgebung widerstehen. Damit soll nicht nur der Druck niedrig gehalten werden, · sondern auch die Faser und ihr Kunststoff-Puffer gegen chemische Angriffe geschützt werden. Die Mikrorisse in der Oberfläche einer glasumkleideten Faser unter Spannung setzen sich in Gegenwart von Feuchtigkeit fort und verursachen, daß die Faser bricht.B The coat 5 3 must be na & e high-free and the Resist diffusion of liquid from the environment. This is not just about the pressure be kept low, · but also the fiber and its plastic buffer against chemical Attacks are protected. The micro-cracks in the surface of a glass-coated fiber under tension continue in the presence of moisture and cause the Fiber breaks.

In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel sind die drei Fasern 51 durch Tauchen mit einem Silikongummi-Elastomer 52 beschichtet, um einen symmetrischen, gepufferten Kern zu bilden. Eine zusätzliche Pufferung kann mit einer zusätzlichen Kunststoffhülle erreicht werden. Während des Be s chi chtungs vor gange s werden die Fasern zu einer Schraube mit großer Steigung verdrillt, zum Beispiel etwa 3,75 cm. Dadurch wird eine Biegung des Kernes erleichtert, und diese Schraubenverdrillung hat den zusätzlichen Vorteil, daß, falls das fertige Kabel einer Spannungsbeanspruchung ausgesetzt wird, die Fasern zu einer geraden Ausrichtung neigen. Dadurch wird das Elastomer zusammengedrückt und der Kern verlängert sich, ohne daß die Glasfasern selbst einer so großen Beanspruchung wie das gesamte Kabel ausgesetzt werden. Damit wird die Möglichkeit eines Bruches verringert.In the example shown in Fig. 4, the three fibers 51 are coated with a silicone rubber elastomer 52 by dipping, to form a symmetrical, buffered core. Additional buffering can be achieved with an additional plastic cover. While During the coating process, the fibers are twisted into a screw with a steep pitch, for example about 3.75 cm. This makes it easier to bend the core, and this screw twist has the added benefit of Advantage that, if the finished cable is exposed to tension, the fibers to incline towards a straight line. This compresses the elastomer and elongates the core, without the glass fibers themselves being subjected to as much stress as the entire cable. In order to the possibility of breakage is reduced.

Der gepufferte Kern 52 wird mit einem harten Mantel umhüllt, der widerstandsfähig gegen den austretenden Druck ist und ein so geringes Diffusionsvermögen hat, daß die inneren Komponenten gegen einen Angriff der Bohrlochflüssigkeit geschützt sind. Der Mantel kann mehrereThe buffered core 52 is covered with a hard jacket, which is resistant to the exiting pressure and has such a low diffusivity that the internal components are protected against attack by the borehole fluid. The coat can have several

NAOHGEREIOHT NAO HEREIOHT

Schichten aufweisen. Zum Beispiel kann eine Schicht 53 hart und widerstandsfähig gegen Bruchkräfte sein, während eine zweite Schicht 5 4 geringes Diffusionsvermögen hat und widerstandsfähig gegen korrodierende Einflüsse ist. Die zwei Schichten 53 und 54 liefern daher in Kombination die erforderlichen Manteleigenschaften. Zum Beispiel kann die Schicht 5 3 ein Hochtemperatur-Epoxy-Polymer sein, das mit in Längsrichtung laufenden Glasfasersträngen gefüllt ist. Es hat sich gezeigt, daß dieses Hüllenmaterial, das durch das bekannte "Pultrusion"-Verfahren aufgebracht wird, sehr wenig zu dem Lichtverlust in den Fasern aufgrund von Mikrobiegungen beiträgt, selbst bei hohem Druck oder Spannung. Bei Aushärtung oder Polymerisation des flüssigen Epoxids paßt es sich genau den gepufferten Fasern ohne Verursachung von Mikrobiegungen an. Falls das Material thermisch gehärtet wird, zieht es sich zusammen und drückt dabei die Faser in Längsrichtung zusammen. Dies wirkt in gewissem Umfange dem Effekt einer Spannungsbeanspruchung und thermischen Ausdehnung in der Kabel armierung entgegen. Die Schicht 5 4 kann ein Fluor-Kunststoff sein, wie zum Beispiel ein unter dem Handelsnamen Teflon erhältlicher Kunststoff. Derartige Kunststoffe sind chemisch inert und haben eine äußerst geringe Durchlässigkeit für Diffusion. Statt dessen und besonders für Einsätze bei höchsten Temperaturen kann die Hüllenschicht 53 ein gegen Wasser undurchlässiges Metallrohr sein. Zum Beispiel ist ein geschweißtes Rohr aus einer Nickel-Stahl-Legierung mit einem äußeren Durchmesser von 2/413 mm und einer Wandstärke von 0,21 mm bis zu einer Belastung von 1055 kg/cm geprüft worden, ohne daß es zusammengebrochen ist.Have layers. For example, a layer 53 can be hard and resistant to breaking forces while a second layer 5 4 has low diffusivity and is resistant to corrosive influences is. The two layers 53 and 54 in combination therefore provide the required jacket properties. To the For example, the layer 5 3 may be a high temperature epoxy polymer made with glass fiber strands running in the longitudinal direction is filled. It has been shown that this casing material, by the known "pultrusion" process contributes very little to the loss of light in the fibers due to microbends, even with high pressure or tension. When the liquid epoxy cures or polymerizes, it fits precisely to the buffered fibers without causing microbends. If the material is thermally hardened it contracts, compressing the fiber lengthways. This works to a certain extent the effect of stress and thermal stress Expansion in the cable armouring against. the Layer 5 4 can be a fluoroplastic, such as one available under the trade name Teflon Plastic. Such plastics are chemically inert and have an extremely low permeability for Diffusion. Instead, and especially for applications at the highest temperatures, the cover layer 53 can be a be water-impermeable metal pipe. For example is a welded tube made of a nickel-steel alloy with an outer diameter of 2/413 mm and a wall thickness of 0.21 mm up to a load of 1055 kg / cm without it collapsing is.

' NACHQEKEICHTI'NACHQEKEICHTI

Für die Kraftversorgung im Bohrloch unten ist der die Fasern schützende Mantel 53, 54 von einem Ring umgeben, der Leiter 55 enthält, die jeweils Gruppen bilden, die durch Abstandshalter 56 voneinander isoliert sind. Statt dessen können die Drahtbündel auch jeweils ihre eigene Isolation haben. Die Leiter sind ihrerseits mit einer durch Extruder aufgebrachten, isolierenden Kunststoffschicht 57d umhüllt, die wiederum vorzugsweise ein Fluor-Kunststoff ist, der widerstandsfähig gegen chemische Angriffe bei hohem Druck und hoher Temperatur ist. In einer "anderen Ausführungsform kann die Schicht 57d wie der Mantel 53, 54 aufgebaut sein. Das heißt, daß die Fasern 51 und die Leiter 55 in dem harten, gegen Druck widerstandsfähigen und nur geringes Diffusionsvermögen zeigenden Mantel enthalten sein können. For the power supply in the borehole below that is the Fiber-protective jacket 53, 54 surrounded by a ring containing conductors 55, which each form groups that are isolated from one another by spacers 56. Instead, the wire bundles can each also have their own have their own isolation. The conductors are in turn covered with an insulating plastic layer applied by an extruder 57d encased, which in turn is preferably a fluorine plastic that is resistant to chemical Attacks at high pressure and high temperature is. In another embodiment, the layer 57d be constructed like the jacket 53, 54. That is, the fibers 51 and the conductors 55 in the hard, against Pressure-resistant and poorly diffusible sheath can be included.

Die Schicht 57d ist nicht nur eine Sperre gegen agressive Bohrlochflüssigkeit, sondern dient auch zur Einbettung der doppelschichtigen, gegenläufig geschraubten und gegen Verdrehung entlasteten Armierung 58d. Diese Armierung muß auf der Außenseite eines im Bohrloch zu verwendenden Sondenkabels vorgesehen werden, um gegen den Abrieb zu schützen, der baim Einfahren und Ausfahren der Sonde auftritt.The layer 57d is not only a barrier against aggressive borehole fluid, but also serves for embedding the double-layer reinforcement 58d, screwed in opposite directions and relieved of torsion. This reinforcement Must be used on the outside of a downhole Probe cables are provided to protect against abrasion that occurs when retracting and extending the probe occurs.

Ohne in irgendeiner Weise die vorstehende Beschreibung einzuschränken, werden in der nachfolgenden Tabelle I die Größen der verschiedenen Bestandteile des in Fig. 4 gezeigten armierten faseroptischen Kabels angegeben, das für die übertragung von Daten aus Bohrlochsonden benutzt werden soll.Without in any way the preceding description To restrict, the sizes of the various components of the in Fig. 4 armored fiber optic cable shown for the transmission of data from borehole probes should be used.

Tabelle ITable I.

Glasumkleidete Faser 51,Glass clad fiber 51,

Durchmesser jeder der drei Fasern 140 ,umDiameter of each of the three fibers 140 µm

Silikongummipuffer 52,Silicone rubber buffers 52,

Äußerer Durchmesser 0,813 mmOutside diameter 0.813 mm

Mit Glasfasern verstärkte Epoxy-Schicht 53,Glass fiber reinforced epoxy layer 53,

Äußerer Durchmesser 1,37 mmOuter diameter 1.37 mm

Teflon-PFA-Schicht 54,Teflon-PFA layer 54,

Äußerer Durchmesser 1,63 mmExternal diameter 1.63 mm

4 Gruppen Cu-Drähte 55,4 groups of copper wires 55,

Durchmesser 0,226 mmDiameter 0.226 mm

PFA-Isolierung und Armierungsbett 57d,PFA insulation and reinforcement bed 57d,

Äußerer Durchmesser 2,996 mmOuter diameter 2.996 mm

2 Schichten Stahlarmierung 58d,2 layers of steel reinforcement 58d,

Äußerer Durchmesser 4,699 mmOutside diameter 4.699 mm

Das armierte faseroptische Kabel, Fig. 1, endet unten im Bohrloch innerhalb der Kabelkopf-Kupplungshülse 10a. Die Armierung 58a, die das Hauptfestigkeitselement des Kabels bildet, kann im Kabelkopf in irgendeiner bekannten Weise verankert werden. Zum Beispiel kann sie um den Ring 27a gebogen und in das konische Ende des Kupplungsteiles la eingezwängt werden. Die geringen Druck enthaltende Kammer 40a ist von der gefluteten Kammer 41a durch die Sperre 8a isoliert. Abstandshalter und andere Einzelheiten sind zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen. Die Sperre 8a ist gegen die Kupplungshülse 10a durch den 0-Ring 15a und gegen die Kabelschicht 5 7a geringen Diffusionsvermögens durch einen elastomere η Schuh 7a abgedichtet. Falls die Kammer 41a nicht vorher mit einem schützenden Fatt gefüllt wird, sollte der Schuh 7a aus einem Fluor-Kunststoff zum Schutz gegen chemische Einflüsse hergestellt werden.The armored fiber optic cable, FIG. 1, ends at the bottom in the borehole within the cable head coupling sleeve 10a. the Armouring 58a, which forms the main strength element of the cable, can be in the cable head in any known manner be anchored. For example, it can be bent around the ring 27a and inserted into the conical end of the coupling part la be constrained. The low pressure containing chamber 40a is from the flooded chamber 41a through the barrier 8a isolated. Spacers and other details are omitted to simplify the drawing. the Lock 8a is against the coupling sleeve 10a through the O-ring 15a and against the cable layer 5 7a low diffusivity sealed by an elastomeric shoe 7a. If the chamber 41a is not previously with a protective fatt is filled, the shoe 7a should be made of a fluoroplastic to protect against chemical influences getting produced.

ASAS

-Yl--Yl-

Fi g. 3 zeigt in halbem Maßstab die Kabelkopf-Kupplung, die für das in Fig. 4 und Tabelle I beschriebene Kabel tatsächlich hergestellt und benutzt worden ist. Die Anordnung und Funktion der Kupplung ist die gleiche, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, mit Ausnahme einer zusätzlich vorgesehenen Schuhdichtung 7e. Die Schuhdichtung 7e ist Rücken an Rücken mit der Schuhdichtung 7c angeordnet, um eine Druckprüfung der Dichtungen der Faserseele 5 7c vor dem Einfahren in das Bohrloch zu ermöglichen. Die Prüfung wird dadurch ausgeführt, daß Öl mit hohem Druck durch die Löcher eingeleitet wird, die später durch Schrauben 6 verschlossen werden.Fi g. 3 shows the cable head coupling on half scale, which was actually manufactured and used for the cable described in FIG. 4 and Table I. the The arrangement and function of the coupling is the same as described with reference to FIG. 1, with the exception of one additional provided shoe seal 7e. The shoe seal 7e is back to back with the shoe seal 7c arranged to a pressure test of the seals of the fiber core 5 7c before driving into the borehole enable. The test is carried out by introducing oil at high pressure through the holes, which are later closed by screws 6.

Das in das Bohrloch übertragene Licht wird mit dem Datenstrom moduliert und an die Erdoberfläche zurückübartragen, wobei eine der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen benutzt wird.The light transmitted into the borehole is modulated with the data stream and transmitted back to the earth's surface, one of the embodiments shown in Figures 1 and 2 being used.

In dem Beispiel nach Fig. 1 wird das Laserlicht durch die Faser 23a nach unten übertragen, in der Kammer 40a moduliert, durch eine zweite Faser 28 nach oben zurückübertragen und durch die Linse 33a auf den Detektor 34a focussiert. Der Detektor und sein Verstärker erhalten elektrische Kraft durch Leitungen 38a, die mit nicht gezeigten Schleifringen verbunden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor eine Germanium-Avalanche -Photodiode .In the example of FIG. 1, the laser light is through transmit the fiber 23a downward, modulated in the chamber 40a, transmitted back up through a second fiber 28 and focused on detector 34a through lens 33a. Preserved the detector and its amplifier electric power through lines 38a which are connected to slip rings, not shown. In a preferred In the embodiment, the detector is a germanium avalanche photodiode.

Die Enden der Fasern 23a und 28 sind genau in den Brennpunkten der Linsen 29a bzw. 30 angeordnet. Dadurch wird das aus der Faser 23a austretende, infrarote Licht zum Strahl 59a geformt und ausgerichtet und geht durch dieThe ends of the fibers 23a and 28 are precisely positioned at the focal points of the lenses 29a and 30, respectively. This will the infrared light emerging from the fiber 23a is shaped and aligned to the beam 59a and passes through the

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optischen Elemente 35, 31, und 32 und wird dann erneut für die Rückleitung nach oben an die Oberfläche in die Faser 28 focussiert. Die optischen Elemente 35, 31 und 32 sind Komponenten eines Lichtstrahl-Modulators. Es gibt verschiedene Typen solcher Modulatoren, zum Beispiel akustisch-optische Modulatoren. Vorzugsweise wird ein elektro-optischer Kristall-Modulator verwendet, da diese Art unempfindlich gegen Tampe raturä nde runge η gemacht werden kann. Die Elemente 35 sind die für diese Art von Modulator benötigten Lichtpolarxsatoren. Der elektro-optische Kristall kann in vier Kristalle unterteilt sein, die so angeordnet sind, daß sie eine doppelte Kompensation ermöglichen, siehe auch Seite 17-12 des "Handbook of Optics", herausgegeben von der Optical Society of America. Die elektro-optischen Kristalle sind vorzugsweise aus Lithiumtantalat hergestellt, das einen hohen elektro-optischen Koeffizienten, eine hohe Curie-Temperatur und eine geringe Verlusttangente bei einer hohen Modul ations frequenz hat. Der Anschluß von elektrischen Spannungen an die Elektroden der Elemente 31 ist schematisch durch die Drähte 37a dargestellt, die an den Mehrpol-Stecker teil 13a anschließen und durch elektrische Signale aus der eigentlichen, nicht dargestellten Sonde beaufschlagt werden. Das Prisma 32 kehrt den Lauf des Lichtstrahles um und zurück in die optische Faser 28. Die verschiedenen Bestandteile des Modulators und die Faserenden sind auf einem Träger mit einem niedrigen Wärmekoeffizienten angeordnet, zum Beispiel aus "INVAR", einer Nickel-Eisen-Le gie rung.optical elements 35, 31, and 32 and is then used again for return up to the surface in the Fiber 28 focused. The optical elements 35, 31 and 32 are components of a light beam modulator. It are different types of such modulators, for example acousto-optical modulators. Preferably will an electro-optical crystal modulator is used, as this type is made insensitive to Tampe raturä nde runge η can be. The elements 35 are the light polarizers required for this type of modulator. Of the electro-optic crystal can be divided into four crystals arranged to form a enable double compensation, see also page 17-12 of the "Handbook of Optics", published by Optical Society of America. The electro-optical crystals are preferably made of lithium tantalate, that has a high electro-optic coefficient, a high Curie temperature and a low one Loss tangent at a high modulation frequency. The connection of electrical voltages to the electrodes of the elements 31 is shown schematically by the wires 37a shown, which connect to the multipole connector part 13a and acted upon by electrical signals from the actual probe, not shown. The prism 32 reverses the path of the light beam and back into the optical fiber 28. The various components of the modulator and the fiber ends are arranged on a support with a low thermal coefficient, for example from "INVAR", a nickel-iron alloy.

Das in Fig. 1 gezeigte, optische Übertragungssystem arbeitet mit direkter Wahrnehmung von amplitudenmoduliertem Licht. Ein Vorzug dieser Arbeitsweise ist der,The optical transmission system shown in Fig. 1 operates with direct perception of amplitude modulated Light. One advantage of this way of working is that

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daß Multimode-Fasern mit einem Kern- oder Seelen-Durchmesser von 50 /um oder mehr benutzt werden können. Das erleichtert die Aufgabe, die Lage eines focussierten Lichtflecks auf dem Ende dar Faser zu halten. Eine gesonderte Faser 28 ist in dem Kabel für die Rückleitung des Lichtes nach dem Detektor enthalten. Dies gestattet die optische Isolierung des Detektorendes der Faser 28 von dem Laserende der Faser 23a und vermeidet die Aufnahme von Licht, das vom Laserende der Faser 23a zmrück gestreut wird. Es vermeidet auch den Verlust von Licht an einem Strahlteiler, der erforderlich sein würde, falls eine einzelne Faser für die Abwärts- und Aufwärts-Leitung benutzt würde. Dieses System ist außerdem unempfindlich gegenüber einer Streckung des Kabels.that multimode fibers with a core or core diameter of 50 µm or more can be used. That makes the task easier, the location of a focused Keep light spot on the end of the fiber. A separate fiber 28 is in the cable for the return line of the light after the detector. This allows optical isolation of the detector end of the fiber 28 from the laser end of the fiber 23a and avoids the reception of light emanating from the laser end of the Fiber 23a is scattered zmrück. It also avoids the loss of light at a beam splitter that is required would be if a single fiber were used for the downlink and uplink. This The system is also insensitive to stretching of the cable.

Falls mehr als ein optischer Kanal benötigt wird, können mehrere Fasern vorgesehen sein, um das Licht von mehreren getrennten Modulatoren zur Erdoberfläche zurückzuführen. Jedoch ist nur eine Faser 23a erforderlich, um das Licht vom Laser nach unten auf die verschiedenen Modulatoren zu übertragen. Das Licht aus der Faser 23a kann dort durch mehrere Strahlteiler geteilt werden.If more than one optical channel is required, several fibers can be provided to convey the light from several separate modulators to the earth's surface. However, only one fiber 23a is required, to transmit the light from the laser down to the various modulators. The light off the fiber 23a can be divided there by several beam splitters.

Die in Fig. 2 dargestellte andere Ausführungsform der Erfindung benutzt optische Homodyn-Erfassung anstelle der direkten Erfassung des modulierten, von der Sonde im Bohrloch nach oben übertragenen Lichtes. Gemäß der Erfindung wird der Neodym-Laser 21b zu Schwingungen bei einer Wellenlänge J^ = 1,32 ,um gezwungen. Ein wesentlicher Teil des austretenden StrahlsThe other embodiment of the invention shown in FIG. 2 uses optical homodyne detection instead of direct detection of the modulated light transmitted up the borehole from the probe. According to the invention, the neodymium laser 21b is forced to vibrate at a wavelength J ^ = 1.32 µm. A substantial part of the exiting beam

wird durch die Linse 22b in die Seele der optischen Faser 23b gerichtet. Dieses Licht wird dort nach unten in die Sondenkupplung übertragen, mit dem Meßsignal moduliert und in derselben Faser zurück übertragen. Das austretende Licht wird teilweise durch den Stahlteiler 60 aus den Detektor 34b gerichtet.is directed through the lens 22b into the core of the optical fiber 23b. That light is going down there transmitted into the probe coupling, modulated with the measuring signal and transmitted back in the same fiber. The exiting light is partially directed through the steel splitter 60 out of the detector 34b.

In dem bekannten Homodyn-Demodulationsverfahren wird der mit dem Signal modulierte Strahl kohärent mit einem Teil des unmodulierten Laserstrahles zusammengefaßt, der gewöhnlich als örtlicher Oszillatorstrahl bezeichnet wird. Das heißt, daß die zwei Strahlen mit parallelen Wellenfronten überlagert werden, wenn sie durch die Linse 33b auf den Detektor gegeben werden. Dies wird durch einen Strahlteiler 60 und den Reflektor 61 erreicht. Statt dessen kann auch der Reflektor 61 weggelassen und der lokale Oszillatorstrahl als Reflexion von der Vorderseite des Faserkernes erhalten werden, um Koinzidenz der Wellenfronten zu gewährleisten. In the known homodyne demodulation method, the beam modulated with the signal becomes coherent with a Part of the unmodulated laser beam, usually called a local oscillator beam referred to as. That is, the two beams with parallel wavefronts are superimposed when they can be applied to the detector through the lens 33b. This is done by a beam splitter 60 and the reflector 61 reached. Instead, the reflector 61 can be omitted and the local oscillator beam as Reflection from the front of the fiber core can be obtained to ensure coincidence of the wavefronts.

In der Praxis übersteigt das Schrotrauschen, das durch die Demodulation des lokalen Oszillatorstrahles erzeugt wird, das dem Detektor eigentümliche Geräusch. Andererseits erzeugt die Interferenz des Signals und der lokalen Oszillatorwellen in dem Detektor ein elektrisches Signal, dessen Frequenz gleich der Dif fe ranz frequenz dieser Wellen ist, und einen Strom, der proportional dem Produkt ihrer Amplituden ist. Demnach wird das Datensignal im Verhältnis zu dem Geräusch verstärkt. Daraus ergibt sich, daßIn practice, the shot noise exceeds that the demodulation of the local oscillator beam generates the noise peculiar to the detector. On the other hand, the interference of the signal and the local oscillator waves generates in the detector an electrical signal, the frequency of which is equal to the differential frequency of these waves, and a current proportional to the product of their amplitudes. Accordingly, the data signal becomes in proportion amplified to the sound. It follows that

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das Verhältnis von Nutz- zu Stör-Signal größer sein kann als bei direkter Demodulation, selbst wenn der Detektor eine Germanium-PIN-Diode anstatt einer Avalnche-Photodiode ist, vorausgesetzt, daß die zwei Wellen am Detektor räumlich kohärent sind. Diese Bedingung bedeutet, daß die Faser 23b eine Einzelmode-Faser sein muß. Das heißt, daß die Faser nur die zwei netarteten optischen Wllenf ührungstype η der niedersten Ordnung überträgt.the ratio of useful to interference signal can be greater than with direct demodulation, even if the Detector is a germanium PIN diode rather than an avalnche photodiode, provided that the two Waves at the detector are spatially coherent. This condition means that the fiber 23b is a single mode fiber have to be. This means that the fiber only supports the two different types of optical wave guide η of the lowest Order transmits.

Das in der. Faser 23b nach unten laufende Licht tritt in dem abgedichteten Raum 40b innerhalb der Kupplungshülse 10b aus. Das austretende Licht wird durch die Linse 29b zu dem Strahl 5 9b gesammelt, der durch den Einzelkristall-Modulator 62 hindurch geht. Das Licht wird durch den Modulator 62 hindurch zurück reflektiert mittels des rückre flektierende η Würfelecken-Prismas 63, wieder in den Kern der Faser 23b focussiert, und geht dann nach der Oberfläche. Der Kern einer Einzelmode-Faser, der das Licht umschließt, hat typisch einen Durchmesser von etwa 5 ,um, verglichen mit 50 ,um oder mehr einer Multimode-Faser. Da 5 ,um nur 4 Wellenlängen des Neodym-Lichts sind, muß der Strahl 5 9b vom Modulator 62 zurückgeführt und durch die Linse 29b genau wieder auf den Kern der Faser 23b focussiert werden, trotz der Bewegungen, die von Temperaturänderungen in der Einrichtung herrühren. Dies wird erreicht, indem ein Würfelecken-Rück-Reflektor 63 als Prisma benutzt wird. Dieses Prisma hat die Eigenschaft, einen Strahl in einer Richtung zu reflektieren, die genau entgegengesetzt zu der des auftreffenden Strahles ist.That in the. Light traveling downwardly fiber 23b emerges in the sealed space 40b within the coupling sleeve 10b. The emerging light is through the Lens 29b collected to beam 59b that passes through single crystal modulator 62. The light is reflected back through the modulator 62 by means of the retro-reflecting η cube-corner prism 63, focussed back into the core of fiber 23b, and then goes to the surface. The core of a single mode fiber, which encloses the light is typically about 5 µm compared to 50 µm in diameter or more of a multimode fiber. Since 5 to only 4 wavelengths of neodymium light, the beam 5 9b must be returned from modulator 62 and accurate through lens 29b be refocused on the core of the fiber 23b, despite the movements caused by temperature changes in originate from the establishment. This is accomplished by using a cube corner back reflector 63 as a prism will. This prism has the property of reflecting a beam in a direction that is exactly opposite to that of the incident ray.

Der Modulator 62 kann ein akustisch-optischer Kristall-Modulator oder ein elektro-optischer Kristall-ModulatorThe modulator 62 can be an acousto-optic crystal modulator or an electro-optic crystal modulator

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sein. Im letzteren Fall wird mit einem Einzelkistall und ohne Polarisator und Analysator der Lichtstrahl phasenmoduliert mit dem durch die .Leitungsdrähte 37b angelegten Signal. Das zurückkehrende Licht kann durch das Homodyn-Demodulationssystem im Gegensatz zu der unmittelbaren Demodulation demoduliert werden.be. In the latter case, the light beam is generated with a single crystal and without a polarizer and analyzer phase modulated with the lead wires 37b applied signal. The returning light can be opposed by the homodyne demodulation system demodulated to the immediate demodulation.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform gleicht der der Fig. 1 in allen hier nicht besonders erwähnten Teilen, zum Beispiel in der Ausführung des Kabels und der Dichtung der Kammer 40b durch den Dichtungsschuh 7b, der auf den Mantel 5 7b geringen Diffusionsvermögens drückt.The embodiment shown in Fig. 2 is similar to that of Fig. 1 in all parts not specifically mentioned here, for example in the execution of the cable and the seal the chamber 40b through the sealing shoe 7b, which presses on the jacket 5 7b of low diffusivity.

In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das modulierte Laserlicht, das durch das Kabel nach oben kommt, erfaßt und demoduliert durch einen Empfänger, der in dem sich drehenden Trommelteil der Kabelhaspel angeordnet ist. Das elektrische Datensignal muß dann auf eine stationäre Datenverarbeitungs- oder -aufZeichnungseinrichtung übertragen werden. Falls die Datenübertragungs-Geschwindigkeit geringem als etwa 1 MHz ist, kann das Signal zuverlässig durch übliche Schleifringe auf dem Achsansatz der Kabelhaspel übertragen werden. Falls jedoch die Geschwindigkeit grosser ist, wird die Bit-Fehlerzahl auf nicht annehmbare Höhen aufgrund von elektrischen Störgeräuschen und Übersprechen erhöht. Dies kann vermieden werden, indem der Datenfluß optisch auf einen stationären Detektor durch eine Ausführungsform der nachstehend beschriebenen Arten von "optischen Schleifringen" übertragen wird.In this preferred embodiment of the invention, the modulated laser light passing through the cable comes up, detected and demodulated by a receiver located in the rotating drum part of the Cable reel is arranged. The electrical data signal must then be on a stationary data processing or - be transferred to the recording device. if the Data transfer speed slower than approx 1 MHz, the signal can be reliably transmitted through conventional slip rings on the axle attachment of the cable reel will. But if the speed is greater the bit error count is reduced to unacceptable levels due to electrical noise and Crosstalk increased. This can be avoided by opting the data flow onto a stationary detector is transmitted through an embodiment of the types of "optical slip rings" described below.

Fig. 5 zeigt einen Axialschnitt durch den Achsansatz einer Kabeltrommel, die für die übertragung von drei gesonderten Lichtstrahlen durch "optische Schleifringe" eingerichtet ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung werden modulierte Laser-Lichtsignale, die nach oben durch drei optisch-e Fasern in dam Kabel übertragen worden sind, in der Trommel der Kabelhaspel demoduliert. Die sich ergebenden elektrischen Signale werden durch koaxiale Kabel 103 in der Achse auf lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Laser-Dioden 102 und 102a übertragen. Das von der Lichtquelle 102a in der Achse des sich drehenden Axialteiles abgegebene Signallicht wird durch die Linse 104a gebündelt und auf den stationären Detektor 106a focussiert. Der Einfachheit halber sind Trägerteile und eine von den Detektoren ausgehende koaxiale Leichtung weggelassen. Das Licht von den zwei oder mehr Quellen 102, die mit Bezug auf die Achse in verschiedenen radialen Abständen angeordnet sind, bleibt durch die ineinander gesetzten parabolischen Reflektoren 105 auf die stationären Detektoren 106 focussiert, während die Strahlen um die Achse herum laufen. Ringförmige Linsenabschnitte könnten auch benutzt werden, um das Signallicht auf die Detektoren zu ri-chten, aber die Parabol-Reflektoren werden bevorzugt, da sie zusätzlich eine optische und elektrische Abschirmung bewirken.Fig. 5 shows an axial section through the axial extension of a cable drum for the transmission of three separate light beams through "optical slip rings" is set up. In this embodiment of the invention are modulated laser light signals that are transmitted upwards through three optical fibers in the dam cable have been demodulated in the drum of the cable reel. The resulting electrical signals will be through coaxial cables 103 in the axis to light emitting diodes (LEDs) or laser diodes 102 and 102a transfer. That from the light source 102a in the axis of the Signal light emitted by the rotating axial part is converged by the lens 104a and onto the stationary Detector 106a in focus. For the sake of simplicity, there are support members and one emanating from the detectors coaxial lightness omitted. The light from the two or more sources 102 referenced with respect to the axis in FIG Different radial distances are arranged, remains due to the nested parabolic Reflectors 105 are focused on the stationary detectors 106 while the rays are focused around the axis to run. Annular lens sections could also be used to direct the signal light onto the detectors, but the parabolic reflectors are preferred, because they also provide optical and electrical shielding.

Grundsätzlich könnten die Enden der optischen Fasern aus dem Kabel unmittelbar bis zur Stelle der Lichtquellen 102 und 102a geführt werden, anstelle einer Regenerierung der Lichtsignale. Die Stärke des an die Erdoberfläche zurückkehrenden Laserlichtes ist jedoch gering und würde noch weiter gedämpft durch den Verlust,In principle, the ends of the optical fibers from the cable could be directly up to the point of the light sources 102 and 102a, instead of regenerating the light signals. The strength of the However, laser light is returning to the earth's surface low and would be further dampened by the loss,

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der sich durch die Einfügung von optischen Schleifringen ergäbe. Dies würde aber bei allen Komponenten zu besonders Engen Toleranzen führen. Auch würden anstatt kleiner PIN-Dioden für die Detektoren 106 und 106a ziemlich umfangreiche Avalanche-Photodioden benötigt. which would result from the insertion of optical slip rings. However, this would apply to all components lead to particularly tight tolerances. Instead of small PIN diodes for detectors 106 and 106a requires quite large avalanche photodiodes.

Die Lichtquelle 102a und der Detektor 106a können auch vertauscht werden, um in der entgegengesetzten Richtung zu übertragen und Befehlssignale nach unten in die Sonde zu leiten.The light source 102a and the detector 106a can also be swapped to work in the opposite direction to transmit and route command signals down into the probe.

Die optische Schleif ring-Anordnung wird gegen die äußere Umgebung durch ein stationäres Gehäuse 107 geschützt, das eng an den Ansatz 108 anschließt, der sich mit der Achse 100 dreht.The optical slip ring assembly is against the external environment protected by a stationary housing 107, which is closely connected to the extension 108, the rotates with axis 100.

Figuren 6 und 7 zeigen schematisch eine andere Ausführungsform eines optischen Schleifringes zur übertragung von Lichtsignalen aus der sich drehenden Achse auf einen benachbart angeordneten stationären Detektor. Fig. 6 ist eine Ansicht in Richtung der Achse, Fig. 7 ein Schnitt entlang der Linie 7-7. Eine Lichtquelle 120 ist auf der Achse angeordnet und strahlt ein moduliertes Lichtsignal nach allen radialen Richtungen in eine transparente Scheibe 121,die eine kleine Bohrung im Zentrum für die Lichtquelle aufweist. Die Scheibe kann aus einem Acrylharz oder einem ähnlichen ' durchsichtigen Kunststoff hergestellt sein. Das Licht ist durch innere Totalreflexion auf die Scheibe beschränkt und tritt an der Kante der Scheibe aus. Ein stationäres transparentes Blech 122 von etwa derselbenFIGS. 6 and 7 schematically show another embodiment of an optical slip ring for transmission of light signals from the rotating axis onto an adjacently arranged stationary detector. Fig. 6 is a view in the direction of the axis, Fig. 7 is a section along the line 7-7. A source of light 120 is arranged on the axis and emits a modulated light signal in all radial directions into a transparent disk 121, which has a small hole in the center for the light source. the Disc can be made of an acrylic resin or a similar ' be made of clear plastic. The light is limited to the pane by total internal reflection and exits at the edge of the disc. A stationary transparent sheet 122 of about the same

Dicke wie die Scheibe ist an einen merklichen Teil des Scheibenumfanges bis auf einen Zwischenraum angepaßt, der die Drehung der Scheibe mit der Achse ermöglicht. Die Außenkante 125 des Bleches reflektiert das Licht nach einem Dioden-Detektor 123, der mit einer koaxialen Leitung 124 verbunden ist. Die Form des Blechrandes 125 ist Teil einer Ellipse, bei der die Lichtquelle und der Detektor in den Brennpunkten liegen. Daher wird ein merklicher Teil des von der Quelle ausgestrahlten Lichtes am Detektor gesammelt.Thickness like the disc is adapted to a noticeable part of the disc circumference except for a gap, which allows the disk to rotate with the axis. The outer edge 125 of the sheet is reflective the light to a diode detector 123, which is connected to a coaxial line 124. The shape of the Sheet metal edge 125 is part of an ellipse in which the light source and the detector lie in the focal points. Therefore, a significant part of the light emitted by the source is collected at the detector.

Die Lichtquelle kann eine rand-emittierende LED sein, oder, falls die Frequenz des modulierten Signales größer als etwa 30 MHz ist, kann eine Laser-Diode verwendet werden. Da eine Laser-Diode in ihrer übergangsebene nicht über volle 360 abstrahlt, kann das gewünschte Muster der Abstrahlung in die Scheibe dadurch erreicht werden, daß der Laser so gestellt wird, daß er einen Strahl entlang der Achse abgibt. Der Strahl wird dann radial in die Scheibe durch einen konischen Reflektor abgelenkt, der koaxial bei 120 angeordnet wird, wobei der Scheitel zum Laser gerichtet ist. Statt dessen kann der Laser in der Trommel der Haspel zusammen mit seinem elektronischen Treiberkreis angeordnet werden. Das abgegebene Lichtsignal wird dann durch einen kurzen Abschnitt einer optischen Faser in der Achse nach dem Scheitel des reflektierenden Kegels geführt.The light source can be an edge-emitting LED, or, if the frequency of the modulated signal is greater than about 30 MHz, a laser diode can be used will. Since a laser diode does not radiate over a full 360 in its transition level, the desired Patterns of radiation into the disc can be achieved in that the laser is positioned so that it emits a beam along the axis. The jet is then radially into the disc through a conical Deflected reflector placed coaxially at 120 with the apex directed towards the laser. Instead of of this, the laser can be placed in the drum of the reel along with its electronic driver circuit will. The emitted light signal is then in-axis through a short section of optical fiber led to the apex of the reflective cone.

Für mehrere optische Faserkanäle wird eine übertragung durch gesonderte optische Schleifringe vorgesehen, die alle die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform haben und die entlang der Achse des Achsansatzes der Kabel-One transmission is required for several optical fiber channels provided by separate optical slip rings, all of which have the embodiment shown in FIG and along the axis of the axle extension of the cable

NACHQEREICHTSUBSCRIBED

haspel angeordnet sind. Die Schlitze 126 in der das Licht umschließenden Scheibe 121 dienen dazu, daß irgendwelche Bauteile und elektrische oder Licht-Leiter durch die Scheibe hindurch geführt werden können, ohne dadurch mehr als einen kleinen Bruchteil des Lichtes zu verdeckan.reels are arranged. The slots 126 in the light enclosing disc 121 serve that any components and electrical or light conductors can be passed through the pane, without covering more than a small fraction of the light.

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Claims (12)

PatentansprücheClaims 1.J Optische Übertragungseinrichtung für eine ein Meßinstrument enthaltende Bohrlochsonde, die in einem Bohrloch am unteren Ende eines armierten Kabels angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Laser-Lichtquelle (21b) , die mit einer Wellenlänge von mehr als 1 ,um schwingt, durch mindestens eine, in dem armierten Kabel (51 bis 5 8) angeordnete optische Faser (51) , die das Laser-Licht von der über Tage angeordneten Lichtquelle nach unten in das Bohrloch und zurück, überträgt, durch Mittel zum Modulieren des Laser-Lichtes mit einem Datensignal in der am Kabel hängenden Sonde und Mittel (34b) zur Demodulierung der Datensignale aus dem am oberen Ende des Kabels empfangenen, modulierten Laser-Licht.1.J Optical transmission device for a one Borehole probe containing a measuring instrument inserted into a borehole at the lower end of an armored cable is arranged, characterized by a laser light source (21b) with a wavelength of more than 1 to oscillates through at least one optical fiber (51) arranged in the armored cable (51 to 5 8), which the laser light from the light source arranged above ground down into the borehole and back, transmits, by means for modulating the laser light with a data signal, in the on the cable hanging probe and means (34b) for demodulating the data signals from the at the top of the cable received, modulated laser light. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Lichtquelle ein Neodym-Laser ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the laser light source is a neodymium laser. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neodym-Laser (21b) zu Schwingungen bei einer Wellenlänge von etwa 1,32,um erregt wird.3. Device according to claim 2, characterized in that that the neodymium laser (21b) is excited to vibrate at a wavelength of about 1.32 µm. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (51) , die in dem Kabel das modulierte Licht von der Sonde nach über Tage überträgt, eine mit Bezug auf die Faser, die das Licht abwärts nach der Sonde überträgt, gesonderte Faser ist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the optical fiber (51) which in the cable follows the modulated light from the probe above days, one separate with respect to the fiber that transmits the light downward to the probe Fiber is. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragung von moduliertem Licht von der Sonde nach über Tage über dieselbe optische Faser (51) geht, die das Licht nach der Sonde leitet.5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the transmission of modulated Light from the probe after days passes through the same optical fiber (51) that the light goes to the probe directs. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rückführung des modulierten Lichtes in die Faser (51) eine Reflektoreinrichtung (63) vorgesehen ist.6. Device according to claim 5, characterized in that that a reflector device (63) is provided for the return of the modulated light into the fiber (51). 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung in der optischen Faser (51) auf zwei optische Modi beschränkt ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that transmission in the optical fiber (51) is limited to two optical modes. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Demodulation des Datensignals aus dem modulierten Licht eine optische Homodyn-Aufnähme- und -Demodulations-Einrichtung ist.8. Device according to claim 7, characterized in that that the means for demodulating the data signal from the modulated light is an optical homodyne pickup and -Demodulation device is. 9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das armierte Kabel (51 bis 5 8) ein für Wasser undurchlässiges Metallrohr enthält, in dem wenigstens eine optische Faser (51) enthalten ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the armored cable (51 to 5 8) contains a metal tube impermeable to water, in which includes at least one optical fiber (51). 10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kupplungsteil am bohrlochseitigen Ende des Kabels, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupplungsteil (10a; 10b) eine Kammer (40a; 40b) enthält, die gegen das Eindringen von Flüssigkeit abgedichtet ist und in die das Kabel eintritt, wobei in der Kammer eine Modulationseinrichtung (31; 62) für das Laser-Licht angeordnet ist.10. Device according to one of the preceding claims with a coupling part at the end of the cable on the borehole side, characterized in that the coupling part (10a; 10b) contains a chamber (40a; 40b) which is sealed against the ingress of liquid and in which the cable enters, wherein a modulation device (31; 62) for the laser light is arranged in the chamber is. 11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansrpüche mit einer Haspel zum Ab- und Aufwickeln des armierten, eine Mehrzahl von optischen Fasern· enthaltenden Kabels, dadurch gekennzeichnet, daß für die Übertragung verschiedener Lichtsignale von dem Ende der sich drehenden Achse der Haspel nach stationären Detektoren eine Einrichtung mit den folgenden Komponenten vorgesehen ist:11. Device according to one of the preceding claims with a reel for unwinding and winding up the armored cable containing a plurality of optical fibers, characterized in that different for the transmission Light signals from the end of the rotating axis of the reel for stationary detectors a device is provided with the following components: a. für jedes Lichtsignal gesonderte, in der Achse der Haspel angeordnete Quellen zur Ausstrahlung gesonderter Lichtstrahlen in verschiedenen radialen Abständen von der geometrischen Achse der Achse,a. for each light signal separate sources arranged in the axis of the reel for emission separate light rays at different radial distances from the geometric axis of the Axis, b. gesonderte, stationäre, konzentrische und drehungssymmetrische Mittel (105) für die Focussierung gesonderter Lichtstrahlen auf gesonderte Stellen, die entlang der Verlängerung der geometrischen Achse der Haspelachse mit Abstand zueinander liegen und auf denen jeweils ein Detektor (106) angeordnet ist, der die Lichtsignale auffängt und in elektrische Signale umwandelt.b. separate, stationary, concentric and rotationally symmetrical means (105) for focusing separate ones Rays of light on separate spots that run along the extension of the geometric Axis of the reel axis are spaced apart and on each of which a detector (106) is arranged which picks up the light signals and converts them into electrical signals. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Haspel zum Ab- und Aufwickeln des eine Mehrzahl von optischen Fasern enthaltenden Kabels, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Übertragung von Lichtsignalan aus der sich drehenden Achse der Kabalhaspel nach stationären Detektoren über gesonderte optische Kanäle, die jeweils die folgenden Mittel enthalten:12. Device according to one of claims 1 to 9 with a reel for unwinding and winding the a plurality of cables containing optical fibers by a device for the transmission of light signals from the rotating axis of the cable reel to stationary detectors via separate optical Channels, each containing the following funds: a. wenigstens eine in der Achse nahe der geometrischen Achse angeordnete Vorrichtung (120) zur Abstrahlung von LichtSignalen,a. at least one radiation device (120) arranged in the axis close to the geometric axis of light signals, b. Mittel zur Ausrichtung des Lichtes auf transparenteb. Means for directing the light on transparent ones ? 7 η 8 ? ^{: :} :·· I naohgereichtI? 7 η 8? ^::: ·· I naohgereicht I Wege in im wesentlichen allen radialen Richtungen über den Umfang der Achse, eine stationäre, konkave Reflexionsvorrichtung, die eine im Schnitt im wesentlichen elliptische Form hat und neben der drehbaren Achse angeordnet ist, um das aus dem transparenten Lichtweg austretende Licht auf einen stationären Fleck zu focussieren, undPaths in essentially all radial directions over the circumference of the axis, a stationary, concave reflection device, which has a substantially elliptical shape in section and is arranged next to the rotatable axis is to the light emerging from the transparent light path to a stationary spot to focus, and einen an dem stationären Fleck angeordneten Detektor zur Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale (Figuren 6 und 7) .a detector arranged at the stationary spot for converting the light signals into electrical signals (Figures 6 and 7).