DE3615291A1

DE3615291A1 - Elektromagnetischer wandler sowie einrichtung zur bestimmung einer relativgeschwindigkeit und/oder einer form unter verwendung eines derartigen wandlers

Info

Publication number: DE3615291A1
Application number: DE19863615291
Authority: DE
Inventors: Donald Lionel Bristol Hore
Original assignee: Radiodetection Ltd
Current assignee: Radiodetection Ltd
Priority date: 1985-05-07
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1986-11-13
Also published as: GB2175096A; GB8610972D0

Description

PATENTAN WALTSBURO SCHUMANNSTR. 97 D-4OOO DÜSSELDORF 1 Telefon: (0211) 683346 · Telefax: (0211) 6790871 ■ Telex: 8586513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ ■ Dipl.-Ing. R KNAUF · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ ■ Dipl.-Ipg. D- H. WERNER ■ Dr rer. nat. B. REDIES

Radiodetection Limited 5. Mai 1986

Western Drive, 46123

Bristol.
BS14 OAZ. / Großbritannien

Elektromagnetischer Wandler sowie Einrichtung zur Bestimmung einer Relativgeschwindig

keit und/oder einer Form unter Verwendung eines derartigen Wandlers

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Wandler sowie eine Einrichtung zur Bestimmung eines Relativgeschwindigkeit und/oder einer Form unter Verwendung eines derartigen Wandlers. Die Erfindung kann bei der Erfassung einer Drehbewegung und/oder zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Körpers Anwendung finden. Die

Erfindung bezieht sich ferner auf eine Fernsteuervorrichtung und auf Vorrichtungen, die mit fernsteuerbaren mobilen Elementen versehen sind, beispielsweise Vorrichtungen zum Durchörtern des Bodens bzw. sog. "Maulwürfe".

Allgemein gesagt wird erfindungsgemäß eine Rotation eines Wandlers hervorgerufen, um ein sich synchron änderndes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Feld wird in einer oder mehreren Winkellagen erfaßt. Die Achse des Feldes bildet vorzugsweise

einen schiefen Winkel mit der Drehachse, so daß das Feld eine Kreisbewegung um die Achse ausführt.

Das Feld ändert sich vorzugsweise mit der Zeit, d.h. es wird durch einen Wechselstron induziert, wobei das sich ändernde Feld induktiv über einen Detektor erfaßt wird. Der Grad der induktiven Kopplung zwischen dem Detektor und dem Feld ist von der Winkellage des Wandlers relativ zum Detektor abhängig.

Bei einer Ausführungsform ist ein drehbarer Körper drehfest mit einem Wandler verbunden, der ein längliches ferromagnetisches Element umfaßt, das sich unter einem Winkel zur Drehachse erstreckt. Eine Erregerspule kann so angeordnet sein, daß ihre Achse mindestens eine koaxial zur Drehachse verlaufende Komponente besitzt, so daß das ferromagnetische Element induziert und in Längsrichtung magnetisiert werden kann. Die Achse des dann von dem magnetisierten Element aufgebauten Feldes ist zu dem Element ausgerichtet, verläuft jedoch unter einem Winkel zur Drehachse. Dieses Feld führt daher eine Kreisbewegung um die Drehachse synchron zur Drehung aus. Das rotierende Feld kann erfaßt werden. Eine Ausführungsform eines entsprechenden Detektors oder Empfängers umfaßt eine Detektorspule, die einen ferromagnetischen Kern aufweisen kann. Eine solche Detektorspule ist vorzugsweise so zu der Erregerspule angeordnet, daß im wesentlichen keine direkte induktive Kopplung zwischen ihnen vorhanden ist (in Abwesenheit des ferromagnetischen Elementes). Der Detektor ist vorzugsweise so angeordnet, daß der Grad der Kopplung mit dem Feld des Wandlers während der Rotation zwischen nahezu 0 und einem Maximalwert schwankt. Diese Erregerspule wird vorzugsweise mit Wechselstrom beaufschlagt, so daß sich das induzierte Feld des ferromagnetischen Elementes verändert, und der entstehende,

sich ändernde Fluß wird erfaßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehung einer Welle mit Hilfe eines ferromagnetischen Elementes, das fest mit der Welle verbunden ist, einer magnetisch mit dem Element gekoppelten Erregerspule und einer Detektorspule erfaßt. Die Erregerspule verläuft vorzugsweise koaxial zur Welle. Sie ist vorzugsweise stationär angeordnet (alternativ dazu kann die Erregerspule sich auch zusammen mit der Welle drehen, d.h. um das ferromagnetische Element gewickelt sein. Sie kann dann über Schleifringe erregt werden). Die Achse der Detektorspule verläuft vorzugsweise parallel zu einer Tangente auf die Erregerspule und im wesentlichen in einer radialen Ebene derselben. Der Detektor kann auch symmetrisch um die Rotationsachse angeordnet sein, wobei sich seine eigene Achse parallel zur Ebene der Erregerspule erstreckt. Die Achsen des ferromagnetischen Elementes, der Welle und der Erregerspule schneiden sich vorzugsweise etwa an einem Punkt. Vorzugsweise ist die Welle nicht magnetisch und nicht leitend, und zwar zumindest in der Nachbarschaft der Erregerspule und des ferromagnetischen Elementes.

Wenn bei einer derartigen bevorzugten Ausführungsform die Erregerspule mit Wechselstrom beaufschlagt wird und die Welle rotiert, erzeugt das fluktuierende induzierte Feld des ferromagnetischen Elementes einen sich ändernden Magnetfluß innerhalb der Detektorspule, dessen mittlere Amplitude während einer einzigen Umdrehung der Wedle ein erstes Maximum, ein Minimum (im wesentlichen 0), ein zweites Maximum (einer unterschiedlichen Phase gegenüber der Erregung beim ersten Maximum) und ein zweites Minimum durchläuft. Die Detektorspule kann somit ein auf

die Drehung der Welle bezogenes Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Eine Vielzahl von Detektorspulen, die in Winkelabständen um die Welle herum verteilt sind, können ein Mehrphasenausgangssignal zur Verfügung stellen, aus dem Informationen über die Winkellage der Welle abgeleitet werden können. In der Tat kann eine Vielzahl von Detektoren Daten über die Lage und Orientierung der Welle zur Verfügung stellen. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Körper mit einer Wandlereinheit versehen, die eine drehbare Welle aufweist. Die Verwendung der vorstehend beschriebenen Detektoren macht es möglich, die Lage und Orientierung des Körpers festzustellen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung;

Figur 2 eine Vorderansicht dieser Vorrichtung;

Figuren

3a bis 3d Ansichten ähnlich Figur 1 zur Erläuterung

Figur 4

der Funktionsweise;

ein Diagramm des Detektorausgangssignales;

Figuren
5 und 6

Ansichten ähnlich Figur 1, die andere Ausführungsformen zeigen;

Figur 7a eine Ansicht ähnlich Figur 2, die einen Detektor in Form eines Toroids zeigt;

Figur 7b eine Seitenansicht der Vorrichtung der Figur 7a, wobei der Detektor im Schnitt dargestellt ist;

Figuren
8a und 8b

Ansichten ähnlich den Figuren 7a und 7b, die eine weitere Ausführungsform zeigen;

Figur 9 ein Diagramm zur Erläuterung der

Funktionsweise der Ausführungsform der Figur 8;

Figur 10

Figur 11

Figuren 12aund 12b

einen Vertikalschnitt durch eine Durchörterungsvorrichtung (Maulwurf) gemäß der Erfindung;

eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Durchörterungsvorrichtung;

Ansichten eines toroidischen Wandlers oder Aerials von der Seite und im Axialschnitt;

Figur 13 einen Axialschnitt durch den toroidischen Wandler der Figur 12, der desweiteren mit einer Längsspule ausgestattet ist;

Figur 14 eine Ansicht ähnlich Figur 13, die eine modifizierte Ausführungsform zeigt;

Figur 15 einen Axialschnitt durch eine praktische Ausführungsform einer Sendeeinheit für

eine Durchörterungsvorrichtung; und

Figur 16 ein Detail der Ausführungsform der Figur

15 in anderer Orientierung. 5

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Welle 10, deren Drehung untersucht werden soll und die zumindest in dem dargestellten Abschnitt nicht magnetisch und als elektrischer Isolator ausgebildet ist. Eine Bohrung 12 erstreckt sich durch die Drehachse unter einem spitzen Winkel. Ein ferromagnetisches Element 14 (das in geeigneter Weise aus Ferrit besteht) ist symmetrisch in der Bohrung befestigt, so daß es um gleiche Strecken auf jeder Seite aus dieser vorsteht und somit das Gleichgewicht der Welle 10 nicht stört.Eine stationäre Erregerspule 16 ist koaxial zur Welle 10 angeordnet und so um diese montiert, daß ihre mittlere Radialebene die Schnittebene der Achsen der Welle 10 und des Elementes 14 enthält. Die mittlere öffnung 18 der Spule 16 ist groß genug, um eine freie Drehung der Welle 10 und des Elementes 14 zu gestatten. Leitungen 20 führen zu einer Wechselstromquelle. Ein Detektor 22 besitzt eine längliche Spule 24, die um einen Ferritkern in der Formeines zylindrischen Stabes 26 gewickelt ist. Ihre Achse verläuft parallel zu einer Tangente auf die Erregerspule 16 oder die Welle 10 und befindet sich in der Mittelebene der Erregerspule 16.

Im Betrieb wird ein Wechselstrom (vorzugsweise mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 150 kHz) an die Erregerspule 16 gelegt. Während eines Halbzyklus bewirkt der Strom eine Induktion des Ferritelementes 14, so daß dieses zu einem Stabmagneten mit einem Nordpol und einem Südpol an gegenüberliegenden Enden wird. Naturgemäß werden im nächsten Halbzyklus die Pole umgekehrt.

Das Element 14 wird somit zu einem kontinuierlich umschaltenden Stabmagneten . Das vom Element 14 aufgebaute Magnetfeld besitzt eine Achse, die zur Drehachse der Welle 10 ausgerichtet ist, sich jedoch unter einem Winkel zu dieser erstreckt, so daß das Feld eine Kreisbewegung um die Welle 10 mit deren Drehgeschwindigkeit ausführt. Dieses Feld ist mit dem Detektor 22 gekoppelt, wobei der Grad der Kopplung von der Winkellage abhängt (man kann den induzierten Stabmagneten auch relativ zur Welle 10 in eine Axial- und eine Radialkomponente aufteilen). Die Radialkomponente bildet ein fluktuierendes Magnetfeld, das sich zusammen mit der Welle 10 dreht und mit dem Detektor 22 gekoppelt ist (wobei der Grad der Kopplung von der Winkellage abhängt). Wie man aus Figur 3 entnehmen kann, besitzt die Kopplung ein Maximum, wenn sich das Element 14 in einer Ebene parallel zum Detektor 22 befindet (Figuren 3a und 3c), und ist im wesentlichen gleich Null in um 90° dazu versetzten Positionen (Figuren 3b und 3d). Die von der Detektorspüle 24 induzierten Signale besitzen eine entgegengesetzte Phase (in Relation zum Erregersignal in der Erregerspule 16) in den Positionen der Figuren 3a und 3c. Das Erregersignal 29 und das Ausgangssignal der Spule 24 sind in Figur 4 dargestellt. Die durchgezogene Linie 30 und die gestrichelte Linie 32 zeigen die Signalmodulationsumhüllenden für eine Umdrehung. Dieser Abschnitt der Umhüllenden besitzt zwei Ausbauchungen B, B¹ und einen Knoten N. Bei der ersten Ausbauchung B ist der Signalstrom 31 im Detektor phasengleich mit dem Erregersignal 29, während er in der zweiten Ausbauchung B' eine entgegengesetzte Phase besitzt. Diese Phasenbeziehung kann erfaßt und dazu verwendet werden, um ein eine Phaseninformation tragendes

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Ausgangssignal zu erzeugen, d.h. das durch die Linie 30 dargestellt ist. Dieses Signal ist quasi-sinusförmig, wobei die tatsächliche Form vom Winkel abhängt, den das Element 14 relativ zur Welle 10 einnimmt. Die Modulationsfrequenz ist in einfacher Weise auf die Drehgeschwindigkeit der Welle 10 bezogen. Das Ausgangssignal eines einzigen Detektors 22 kann somit ein Eingangssignal für einen entfernt angeordneten Tachometer 39 zur Verfügung stellen, der eine die Drehgeschwindigkeit wiedergebende Anzeige erzeugt.

Wenn weitere Detektoren 40a, b (Figur 2) in entsprechender Weise wie der Detektor 22 unter Intervallen von 120° angeordnet sind, bildet die Modulation der in den drei Detektoren induzierten Signale ein Dreiphasenmuster, aus dem die Winkellage der Welle über die vollen 360° genau errechnet werden kann. Zwei Detektoren mit einem Abstand von 90° führen in entsprechender Weise zu einem Zweiphasenergebnis. Naturgemäß können auch andere Mehrphasensysterne in entsprechender Weise erzeugt werden.

Vorzugsweise ist die oder jede Detektorspule 24 tangential zur Welle 10 und in der Ebene der Erregerspule 16 angeordnet, wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt. Hierdurch wird das Ausgangssignal vereinfacht, da eine direkte Kopplung mit der Erregerspule 16 vermieden wird. Es können jedoch auch andere Positionen Anwendung finden. Beispielsweise zeigt Figur 5 einen Detektor 40c, dessen Mittelpunkt noch in der Ebene der Erregerspule 16 liegt, dessen Achse jedoch parallel zu der Achse der Welle 10 verläuft. Dies führt zu einem Ausgangssignal, dessen Größe veränderlich ist, dessen Phase jedoch nicht veränderlich ist, wobei das Maximum der 0-Position der Figur 3b entspricht. Figur 6 zeigt einen Detektor 4Od, dessen Mittelpunkt auf der Achse der Welle 10 liegt und dessen

Achse normal zu dieser verläuft. Dies führt zu einem Ausgangssignal, bei dem sowohl die Phase als auch die Größe veränderlich sind.

Wie vorstehend erläutert, kann ein einziger Detektor zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 10 verwendet werden, und eine Vielzahl von Detektoren kann benutzt werden, um Daten über deren Winkellage zu liefern. Ferner oder alternativ dazu kann eine Vielzahl von Detektoren eingesetzt werden, um die Orientierung der Welle relativ zu den Detektoren zu berechnen, falls diese veränderlich sein sollte. Daher kann ein Körper mit einer Wandlereinheit versehen werden, die eine drehbare Welle 10, ein ferromagnetisches Element 14 und eine Erregerspule 16 in der vorstehend beschriebenen Weise aufweist.

Das auf diese Weise erzeugte, eine Kreisbewegung ausführende Feld kann an vorgegebenen Stellen durch einen oder mehrere entfernt angeordnete Detektoren erfaßt werden. Die Kreisbe-. wegung des Feldes bedeutet, daß die Modulationstiefe und die Phaseneigenschaften eines erfaßten Signales die Orientierung des Detektors relativ zur Wandlereinheit anzeigen. Wenn diese Einheit einen festen Detektor (wie in Figur 6 angeordnet und in geeigneter Weise an einem Gehäuse der Welle 10 montiert) besitzt, kann durch einen Vergleich der Phase des Ausgangssignales dieses Detektors mit der eines entfernt angeordneten Detektors in einfacher Weise deren relative Orientierung bestimmt werden. Winkelunterschiede um die Drehachse (der Welle) entsprechen Phasenverschiebungen.

Durch die Verwendung eines Wechselstromes einer hohen Frequenz kann in einem Detektor ein hoher Variationsgrad des Flusses erzeugt werden, so daß eine Erfassung

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vom Stillstand an bis zu hohen Geschwindigkeiten und darüberhinaus über beträchtliche Entfernungen möglich ist. Darüberhinaus wird durch die Schräglage des induzierten Magneten das eine Kreisbewegung ausführende Feld erzeugt, dessen Eigenschaften weitere Bestimmungsarten möglich machen.

Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Vorrichtung, die im wesentlichen der der vorhergehenden Figuren entspricht, jedoch eine andere Ausführungsform eines Detektors besitzt. Anstelle der stabförmigen Detektorelemente 26, 40 etc. findet ein Detektor 41 in der Form eines Toroides, d.h. ein ringförmig ausgebildeter Detektor, Verwendung. Wie Figur 7 zeigt, wird ein toroidischer ferromagnetischer Kern 43 vollständig durch eine kontinuieriche, gleiche Abstände aufweisende Wicklung 44 besetzt. Die mit Pfeilen versehene strichpunktierte Linie L zeigt an, wie sich der im Stab 14 induzierte Fluß in zwei parallele Bahnen durch den Toroidkern aufteilt, so daß elektromotorische Kräfte erzeugt werden, die eine maximale Spannung an diametral gegenüberliegenden Abgriffsstellen x, x¹ in Ausrichtung mit dem Stab 14 hervorrufen. Durch eine Drehung der Welle 10 wird die Spannung an diesen Abgriffsstellen nach einer Bewegung um 90° auf 0 reduziert. Eine weitere Drehung erhöht die Spannung, jedoch mit entgegengesetzter Phase relativ zur Frequenz des an die Erregerspule 16 angelegten Wechselstromes. Die Amplitude der Spannung durchläuft eine sinusförmige Bahn relativ zum Drehwinkel (genauer als bei den vorhergehenden Ausführungsformen). Drei Abgriffsstellen x, y, z, die unter Abständen von 120° angeordnet sind, erzeugen zwischen ihnen drei Phasen (Delta)Spannungen.

Wenn vier Abgriffsstellen unter Abständen von 90° bei

x, y, χ¹ und y¹ der Wicklung 45 angeordnet sind, wie in Figur 8a gezeigt, durchlaufen die Signalspannungen, die an den diametral gegenüberliegenden Abgriffsstellen x, x¹ und y, y' gemessen werden, sinusförmige Kurven, die um 90° gegeneinander verschoben sind. Obwohl die gemessenen Signale die Wechselstromträgerfrequenz in der Spule 16 umfassen, die durch die Stabdrehung in der in Figur 4 dargestellten Art und Weise moduliert wird, ist es bequemer, diese Signale nach einer Demodulation über herkömmliche elektronische Techniken (über Signalverarbeitungseinrichtungen 48) zu zeigen, so daß Gleichstrompegel erzeugt werdenderen Größe sich mit der Amplitude der Modulation ändert und deren Polarität sich mit der relativen Phase des modulierten Signales zur Versorgungsfrequenz ändert. Dieses Ergebnis ist in Figur 9 für die Konstruktion der Figur 8 dargestellt. Es ist augenscheinlich, daß die beiden Kurven dem Sinus und Cosinus des Drehwinkels entsprechen. Es können herkömmliche elektronische Techniken (über Signalverarbeitungseinrichtungen 48) Anwendung finden, um Analog- oder Digitaldaten herzuleiten, die die absolute Winkellage der Welle wiedergeben.

Die Vorrichtung weist daher das gleiche Verhalten auf wie ein herkömmlich ausgebildeter bürstenloser Drehmelder, jedoch mit einer viel einfacheren Konstruktion. Der herkömmlich ausgebildete Drehmelder besitzt einen gewickelten Zweiphasen-Stator und einen gewickelten Einphasen-Rotor und weist desweiteren einen Drehumformer auf, um die erforderliche Rotorerregung zur Verfügung zu stellen. Dies macht eine hohe Genauigkeit bei der Konstruktion und Wicklung erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur in der Herstellung einfacher und billiger, sondern eignet sich auch besser zu einer Miniaturisierung, da sie nur eine einzige Statoreinheit mit einem toroidischen

gewickelten Kern und einer inneren Erregerspule sowie einen nicht gewickelten Rotor aus einem Ferritstab oder einer äquivalenten laminierten Stahlkonstruktion aufweist. Die Ausführungsform der Figur 7 kann einen bürstenlosen Dreiphasen-Drehmelder ersetzen.

Eine Vorrichtung zur elektromagnetischen überwachung, Anordnung und Spurführung von beweglichen Gegenständen außerhalb der Sichtweite wird nunmehr in Verbindung mit den Figuren 10 und 11 beschrieben.

Es wurde bereits auf die Möglichkeit der Verwendung der Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Orientierung der Drehwelle und eines entfernt angeordneten Detektors hingewiesen. Ein spezielles Anwendungsbeispiel hierfür ist die elektromagnetische Vermessung von Positionen und Orientierungen, die nicht durch optische oder entsprechende Einrichtungen durchgeführt werden kann, d.h. wenn sich das zu vermessende Objekt untertage befindet.

Wenn ein Sender, der den rotierenden Wandler und die Erregerspule der Figur 1 enthält, an einem bekannten Punkt mit einer bekannten Orientierung angeordnet wird, wird in einem Empfänger, der typischerweise einen gewickelten Ferritstab umfaßt, der an dem zu ortenden oder zu führenden Objekt befestigt ist, ein Signal mit der an die Erregerspule angelegten Frequenz (Bezugsfrequenz) induziert, die jedoch je nach dem Grad der Drehung moduliert wird.. Die Modulationstiefe relativ zum Bezugsfrequenzsignal und die Amplitude ändern sich mit der Orientierung der Drehachse des Senders und der Stabachse des Empfängers in einer Weise, die eine mathematische Analyse und Berechnung möglich macht. Ein zweiter Sender, der an einer anderen bekannten Stelle

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angeordnet wird, macht in entsprechender Weise eine Berechnung der relativen Orientierung des Empfängers zum Sender möglich, so daß die beiden Ergebnisse eine Herleitung der tatsächlichen Position des Empfängers über eine Triangulierung ermöglichen. Falls eine gleichzeitige Berechnung durchgeführt werden soll, können unterschiedliche Bezugsfrequenzen für jeden Sender zusammen mit einer geeigneten Filterung der Empfängersignale verwendet werden. Es können natürlich auch mehr als zwei Sender Anwendung finden, um das Vertrauensniveau des Rechenergebnisses zu erhöhen. Eine entsprechende Anwendung ist in Figur 10 in Verbindung mit der einfachen überwachung der geradlinigen Bewegung eines Erddurchbohrungswerkzeuges und in Figur 11 in Verbindung mit der Führung einer lenkbaren Version eines solchen Werkzeuges dargestellt.

Wie man Figur 10 entnehmen kann, ist ein Durchbohrungswerkzeug ("Maulwurf") 50 so ausgebildet, daß es eine geradlinige Bahn durchläuft, die durch den dargestellten Pfeil angedeutet ist. Das Werkzeug wird über einen Schlauch 55 mit Hilfe eines Strömungsmittels angetrieben. Beispielsweise kann es sich hierbei um die Verlegung eines Rohres oder eines Kabels durch den Untergrund einer Straße handeln, ohne daß die Straßenoberfläche bzw. der darauf fließende Verkehr in Mitleidenschaft gezogen werden soll. Das Werkzeug kann jedoch aufgrund von Schwankungen in der Bodenkonsistenz oder infolge eines Auftreffens auf unerwartete Hindernisse von der geradlinigen Bahn abweichen, was zu unerwünschten Folgen führt, falls eine derartige Abweichung unentdeckt bleibt.

Wenn an dem "Maulwurf" ein Empfänger 51 befestigt ist und sich die in einem Ausgangsschacht montierte Sendeeinheit 52 mit ihrer Welle in genauer Ausrichtung zu dem zu bohrenden Loch befindet, sollte das Signal, das vom Empfänger erfaßt und über das Kabel 60 entlang der Zuführung des pneumatischen oder hydraulischen Arbeitsmittels für das Werkzeug zurückgeführt wird, nur die Bezugsfrequenz enthalten und eine mit zunehmender Entfernung abnehmende Amplitude aufweisen, jedoch eine Null-Modulation besitzen, solange wie das Werkzeug und die Empfängerachse zusammenfallen. Wenn das Werkzeug von dieser geradlinigen Bahn um einen Divergenzwinkel d abweicht, wird das Signal vom Empfänger 51 mit der Rotationsfreqnanz moduliert. Die Modulationstiefe steigt mit d an. Die Phase dieser Modulation.schwankt mit dem Winkel p, bei dem es sich um die Abweichung relativ zu der erforderlichen Bohrungsachse handelt. Wenn der Sender mit einer Detektorbezugsspule 53 einer bekannten Orientierung um die Rotationsachse versehen ist, kann durch einen Vergleich der Phase des Signales 51 mit der Phase des Signales 53 (über Signalverarbeitungseinrichtungen 62) der Winkel ρ bestimmt werden. Dieses System ist daher in der Lage, auf einen über eine vorgegebene Grenze hinausgehenden Divergenzgrad aufmerksam zu machen und darüberhinaus die Richtung dieser Divergenz anzuzeigen.

Wie Figur 11 zeigt, ist das Durchörterungswerkzeug so ausgebildet, daß es ferngesteuert werden kann. Es besitzt zwei stabförmige Empfänger 51, 54. Bei diesen Empfängern handelt es sich um längliche Spulen auf ferromagnetischen Kernen. Zur Erleichterung der Berechnung sind sie vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet, wobei ein

Kern 51 genau zum Körper des Werkzeuges ausgerichtet ist. Es kann eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten Sendern vorgesehen sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel finden drei Sender (T-, T₂ und T₃) Anwendung. Jeder Sender besitzt eine bekannte Position, Neigung und Orientierung, die über normale Vermessungstechniken festgelegt worden sind. Der längliche Empfänger 51 empfängt von jedem Sender ein entsprechendes Signal, das eine auf die Relativlage und Orientierung eines entsprechenden Senders bezogene Modulation trägt. Durch eine Analyse der beiden Signale (über einen Computer 70) können dann die Vektoren V., V₂ und V₃, die die Position relativ zu den entsprechenden Sendern verkörpern, berechnet werden. Somit kann die genaue Lage des Werkzeuges berechnet und mit der erforderlichen Bahn verglichen werden, und es kann ein Korrektursignal an das Fernsteuersystem 64 abgegeben werden, falls dies notwendig sein sollte (die Sender können hintereinander eingeschaltet werden oder gleichzeitig, wenn sie unterschiedliche Frequenzen und/ oder Rotationswerte benutzen).

Damit das Steuersystem richtig funktioniert,ist es jedoch von Bedeutung, irgendwelche Veränderungen der Rollachse des Werkzeuges zu kennen. Wenn das Werkzeug mit Rippen 64 versehen ist, um beispielsweise eine Lenkung nach links oder rechts zu ermöglichen, wird ein Rollen des Werkzeuges um 90° bewirken, daß diese Rippen stattdessen eine Lenkung nach oben oder unten herbeiführen.

Um diese Information zu erhalten, ist ein zweiter Empfänger 54 erforderlich, dessen Achse normal zur Achse des Längselementes 51 verläuft. Wenn sich die Achse

54 beispielsweise in der Startposition des Werkzeuges horizontal erstreckt, besitzt irgendein vom Werkzeug empfangenes moduliertes Signal einen entsprechenden Phasenbezug wie ein Signal, das von einem anderen Empfänger 56 empfangen wird, der an einer ausgewählten Stelle horizontal angeordnet ist. Wenn das Werkzeug im Verlauf seiner Traversierung einen Rollvorgang durchführt, ist die Phasendifferenz zwischen den Signalen von 54 und 66 auf den Rollwinkel bezogen, wobei das Lenksystem so eingestellt ist, daß dies über geeignete Einrichtungen korrigiert wird.

Die nachfolgend beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele für Ortungs- und Spurführungssysterne basieren aus Zweckmäßigkeitsgründen auf dem Konzept von festen Sendern und sich'bewegenden Empfängern. Es versteht sich jedoch, daß die Bedingungen auch vertauscht werden können, d.h. der Sender am beweglichen Objekt befestigt und die Empfänger an bekannten Stellen und in bekannten Lagen installiert werden können. In diesem Fall kann eine einzige Sendefrequenz für eine gleichzeitige Berechnung der Positionsvektoren von diversen Empfängern ausreichend sein.

Derartige Durchörterungs- bzw. Durchbohrungswerkzeuge und entsprechende Gegenstände können, beispielsweise durch Druckluft, von einer entfernten Stelle aus angetrieben werden, so daß die daran befestigten elektromagnetischen Elemente so ausgebildet sein müssen, daß sich die entsprechende Leitung für das Arbeitsmittel, beispielsweise ein Strömungsmittelschlauch, durch sie erstrecken kann. In jedem Falle können Kabel vorgesehen sein, um das Arbeitsmittel und/oder die entsprechenden Daten zu über-

tragen. Das bedeutet, daß normalerweise nur ein ringförmiges Volumen zur Übertragung oder zum Empfang der entsprechenden Gegebenheiten zur Verfügung steht.

Wenn es gewünscht wird, eine separate Information über die Lage und den Rollvorgang zur Verfügung zu stellen, sind zwei getrennte Empfangs- oder Sendekanäle erforderlich. Diese können durch zwei gewickelte Aerials zur Verfügung gestellt werden, die unter einem rechten Winkel zueinander befestigt sind, wie in Figur 11 dargestellt. Diese Ausführungsform besitzt jedoch zwei Beschränkungen:

(a) Sie ist nicht ohne weiteres für den Durchgang einer Strömungsmittelleitung etc. geeignet;

(b) die ferromagnetischen Stäbe, die in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, beeinflussen sich in einem bestimmten Ausmaß, so daß das von dem anderen Element ertastete oder erzeugte Feld örtlich verformt wird.

In den Figuren 12-14 sind Aerial- oder Wandlereinheiten dargestellt, mit denen diese Beschränkungen ausgeschaltet werden können. Bei diesen Einheiten ist das aktive Material ringförmig angeordnet. Dabei kann im wesentlichen das gesamte gemeinsame ferromagnetische Kernmaterial innerhalb einer jeden Fühlerwicklung verwendet werden, wobei eine derartige vorstehend erwähnte örtliche Beeinflussung und Feldverformung vermieden bzw. entsprechend reduziert wird.

Wenn man mit den Erfordernissen für die Roilageerfassung bzw. Sendung beginnt, zeigt Figur 12 ein Aerial 78, das wie sämtliche Funkantennen zum Senden oder zum Empfang von

Signalen verwendet werden kann. Es umfaßt ein Toroid aus ferromagnetischem Material 80, bei dem es sich üblicherweise um einen spiralförmig gewickelten Stahlstreifen einer geeigneten Dicke mit entsprechenden magnetischen Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungszweck handelt, auf dem sich eine toroidische Wicklung 82 befindet, die bei a und b endet. Diese umfaßt wiederum zwei nominell gleiche Abschnitte in Reihe, die jeweils 180° abdecken (einer auf jeder Seite des Durchmessers AB in Figur 12a) und so angeordnet sind, daß sich ihre elektromotorischen Kräfte addieren, wenn sie einem äußeren wechselnden Magnetfeld in Vertikalrichtung, die durch die gestrichelte Linie 84 in Figur 12a angedeutet ist, ausgesetzt werden. Es versteht sich, daß sich dabei der entstehende Flux im Kern durch jede Hälfte des toroidischen Kernes aufteilt; eine entsprechende Wirkung entsteht, wenn dieses Element als Sender verwendet wird. Erregerklemmen a, b mit einer Wechsel- oder Gleichspannung bilden an den Punkten A und B in einer dem historischen Grammewicklungsanker entsprechenden Weise Magnetpole, so daß ein Feld einer Orientierung A-B in dem Raum erzeugt wird. Wenn bei der Erregung Wechselstrom verwendet wird, ändert sich auch das Feld. Dies kann EMK-Signale in Empfangsaerialen einer geeigneten Orientierung (nicht gezeigt) induzieren.

Das Aerial 78 (Antenne) dient somit als Sender. Bei dieser Betriebsart sind die Punkte C und D magnetisch neutral. Es versteht sich, daß das Aerial 78 auch als Empfänger verwendet werden kann. Die Figuren 7 und 8 zeigen ein Aerial 43, 44, das diese Funktion erfüllt. Ein äußeres Feld mit horizontaler Orientierung C-D führt zu einem Ausgangssignal von 0 an den Klemmen a und b. Der Signalausgang verändert sich daher etwa sinusförmig mit der Orientierung des Elementes zum äußeren W&chselfeld, wobei ein Maximum für die A-B-Richtung und ein Minimum für die C-D-Richtung erhalten wird. Die Phase des Signalausgangs ändert sich ebenfalls

relativ zur Feldquelle, da die Rotation des Elementes und des Feldes relativ zueinander bewirkt, daß der Signalausgang den Nullzustand durchläuft. Die Signalamplitude und Signalphase können daher durch geeignet ausgelegte elektronische Systeme verarbeitet werden, um eine Information über die Winkelorientierungen des Empfängers und der äußeren Feldquelle zur Verfügung zu stellen, wie bereits in Verbindung mit den Figuren 7 bis 9 beschrieben worden ist. Ein entsprechender Sender dieser Konfiguration bewirkt, daß sich die Orientierung seines äußeren Feldes mit dem Rollwinkel ändert, der dann durch geeignete entfernt angeordnete Empfängersysteme erfaßt und interpretiert werden kann.

Zur Axialpositionserfassung oder Sendung besitzt die in Figur 13 dargestellte Ausführungsform das gleiche toroidische Element 78, das desweiteren mit einer einfachen Längsspule 86 versehen ist, die um ein geeignetes Formelement 88 gewickelt ist, das die toroidische Wicklung umgibt. Es versteht sich, daß bei der Anwendung als Empfänger ein äußeres Wechselstromfeld in horizontaler oder axialer Richtung, wie durch die gestrichelte Linie 90 angedeutet ist, in dem ferromagnetischen Kern entlang des Toroides konzentriert wird und eine elektromotorische Kraft in der axialen Wicklung 86, jedoch nicht in der toroidischen Wicklung 82 erzeugt. Die induzierte elektromotorische Kraft besitzt ein Maximum, wenn die Feldrichtung und die Spulenachse zusammen fallen. Da sich die Richtung des äußeren Feldes von dieser Achse wegbewegt, fällt die elektromotorische Kraft auf Null ab, wenn beide rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Eine weitere Relativdrehung erhöht die elektromotorische Kraft, jedoch mit entgegengesetzter Phase relativ zu der Wechselstromquelle.

Bei der Anwendung als Sender wird durch eine Erregung der Lenkspule 86 an den Klemmen c und d ein von der Spulenachse ausgehendes und darauf orientiertes Feld erzeugt. Das Signal von diesem Feld kann über geeignete entfernt angeordnete Empfängersysteme verarbeitet werden, um' eine Positionsinformation über die Relativlage und den Abstand von Sender und Empfänger zu erhalten.

Obwohl das erfindungsgemäße Prinzip in Verbindung mit einem vollständigen toroidischen Kern erläutert worden ist, können die gleichen Vorteile erhalten werden, indem man den toroidischen Kern und die Wicklungen in zwei Hälften unterteilt, wie dies in Figur 14 dargestellt ist. Dieser quasi-toroidische Kern ist in zwei Hälften 80a, 80b mit entsprechenden Wicklungsabschnitten 82a, 82b unterteilt. Durch das Freiliegen der Enden der Kerne an den Stellen A und B wird die Entwicklung oder das Ertasten von äußeren Feldern in A-B-Richtung verbessert. Ferner ist der wirksamste Abschnitt der toroidischen Wicklung der mittlere Abschnitt, so daß es für die Materialverwendung und den Betrieb wirksamer sein dürfte, nur kurze mittlere Wicklungen 82a und 82b zu verwenden, die wiederum in Reihe geschaltet sind. Die Entfernung von ferromagnetischem Material an den freiliegenden Punkten A und B besitzt nur eine geringe AbSchwächungswirkung auf die Kopplung zur Längswicklung 86, jedoch wird der Gesamtquerschnitt der Struktur eher oval als kreisförmig.

Ein einfacherer und billiger Weg zur Erzeugung eines modifizierten toroidischen Kernes mit verbessertem Vermögen, als Swei-Pol-Struktur in A-B-Richtung zu wirken, besteht darin, einen einfachen rohrförmigen Kern (wie den Kern 80 in den Figuren 12 und 13) zu nehmen und zwei diametral entgegengesetzte Reihen von diametral verlaufenden Löchern 90, 92 (Figur 12b) über die Länge des Kernes zu bohren

(an den Stellen A und B in Figur 12). (Natürlich sind dann keine Wicklungen 82 in den Bereichen der Löcher 90, 92 vorhanden) .

Aus dem Vorhergehenden wird deutlich, daß der gesamte ferromagnetische Inhalt des toroidischen Kernes an beide Sätze von Wicklungen gekoppelt ist, so daß auf diese Weise Probleme der gegenseitigen Beeinflussung minimal gehalten werden können, die bei getrennt gewickelten Stäben aus Ferrit oder einem anderen geeigneten Material vorhanden sind. Es wird ferner deutlich, daß darin ein freier zylindrischer Raum für den Durchgang von Rohren oder anderen Kabeln geschaffen wird.

Die Figuren 15 und 16 zeigen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform eines Senders 100 für ein eine Kreisbewegung ausführendös Feld, der zur überwachung einer Durchörterungsvorrichtung geeignet ist, wie sie in den Figuren 10 oder 11 dargestellt ist. Der Sender besitzt eine Wandlereinheit 102, eine nicht metallische Welle 104 und eine Einrichtung 106 zum Drehen der Welle 104.

Bei der Wandlereinheit 102 handelt es sich grundsätzlich um die gleiche, wie sie in Verbindung mit den Figuren 7 bis 9 beschrieben wurde. Es wurde jedoch vorgezogen, das ferromagnetische Element 108 hierbei als laminierter Stahlkern auszubilden, da ein solcher höhere Energie übertragen kann. Aus Gründen einer einfachen Konstruktion ist das Element 108 aus zwei parallelen Abschnitten gebildet, die jeweils aus einem Stapel von rechteckigen Schichten bestehen. Zur Montage dieser Abschnitte besitzt die Welle 104 zwei winklig ausgebildete Schlitze 110 (s. Figur 16) in einem mittleren Abschnitt 112. Die beiden Abschnitte des Elementes 108 sind mittels Klemmbolzen 114, die sich

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durch öffnungen in den Endbereichen de's Elementes 108 erstrecken und mit Muttern in Eingriff stehen, um die Welle 104 zusammengeklemmt.

Die um ein Spulenelement 118 gewickelte Erregerspule 116 ist so ausgebildet, daß sie das Element 108 eng umgibt. Es ist daher beim Zusammenbau der Vorrichtung erforderlich, das Element 108 nach der Spule 116 zu montieren. Die beiden Abschnitte können in einfacher Weise in ihre entsprechenden Schlitze 110 eingesetzt und dann über die Bolzen 114 miteinander verbunden werden. Um das Element 108 um den Rotor 104 herum auszugleichen, ist dessen Lage durch veränderliche Gestängeteile, die sich von den Bolzen 114 zur Welle 104 erstrecken, feineinstellbar. Jedes Gestängeteil besitzt eine nicht metallische Zugstange 120, die sich zwischen den Abschnitten des Elementes 108 erstreckt, und einen länglichen nicht metallischen Zapfen 122,der sich von der Zugstange 120 durch die Welle 104 in einem verstellbaren Maß erstreckt. Jeder Zapfen 122 trägt ein nicht metallisches Ausgleichsgewicht 124, um auf diese Weise die vom Element 108 erzeugten Kräfte bei der Rotation der Welle 104 auszugleichen .

Die Dreheinrichtung 106 besitzt einen Motor 126, der mit der Welle 104 gekoppelt ist. Die Welle ist in Lagern 128

gelagert, die in nicht metallischen Endplatten 130 montiert sind, zwischen denen rohrförmige Gehäuseabschnitte 132, 134 gelagert sind, die sich mit dem Spulenhalter 118 in Eingriff befinden und diesen positionieren. 30

Die Empfänger 136 für die Erzeugung eines Bezugssignales sind als Längsspulen ausgebildet, die um Ferritstäbe gewickelt sind, und sind in radialen Hohlräumen in einer Endplatte 130 montiert.

Die elektronischen Systeme, die zum Einfangen der Daten der eine Kreisbewegung durchführenden Felder der Sender von den Empfängersignalen erforderlich sind, sind vorstehend nicht beschrieben worden, da eine Vielzahl von unterschiedlichen Techniken und Schaltungen vom Fachmann hierfür eingesetzt werden kann und in Führungssystemen einschließlich Funkübertragungen zwischen dem geführten Objekt und den Empfangs- oder SteuerStationen Verwendung findet.

Naturgemäß können die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren (sowie Teile derselben) in unterschiedlichen Situationen Anwendung finden und für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden als sie vorstehend beschrieben wurden.

Claims

COHAUSZ & FLORACK ori-on,

3b I Ό23 ι

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Dipl.-Ing. W. COHAJSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF ■ Dipl.-Igg. H. B. COHAUSZ · Dipl.-Ing. D. H. WERNER · Dr. rer. nat. B. REDIES

5. Mai 1986 46123

Patentansprüche

1. Wandler zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetfeldes, gekennzeichnet durch:

Eine drehbare Welle (10 , 104\, die eine Drehachse besitzt;

ein längliches ferromagnetisches Element (14, 108), das an der Welle (10, 104) montiert ist, so daß es sich unter einem spitzen Winkel zu dessen Drehachse erstreckt; und

eine Erregerspule (16, 116), die so in bezug auf das längliche ferromagnetische Element (14, 108) angeordnet ist, daß durch den Durchgang eines Stromes durch die Spule (16, 116) das längliche ferromagnetische Element (14,

108) so induziert wird, daß es in Längsrichtung mit einer Magnetisierungsrichtung magnetisiert wird, die von der Richtung des Stromes in der Spule (16, 116) abhängig ist, so daß durch eine Drehung der Welle (10, 104) ein eine Kreisbewegung ausführendes Magnetfeld erzeugbar ist, während ein Wechselstrom durch die Spule (16, 116) fließt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (16, 116) im wesentlichen koaxial zur Drehachse der drehbaren Welle (10, 104) angeordnet ist.

3. Wandler/Empfängereinheit mit einem Wandler nach einem

der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Empfänger (22, 40a, b, 40c, d, 41, 51, 53, 54, 78, 136) aufweist, der in der Lage ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, wenn er einem veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt ist.

4. Wandler/Empfängereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens ein Empfänger eine Detektorspule (22, 40a, 40b) aufweist und so relativ zur Erregerspule (16) angeordnet ist, daß zwischen diesen im wesentlichen keine direkte induktive Kopplung besteht.

5. Wandler/Empfängereinheit nach Anspruch 3, dadurch

gekenn ze ichnet, daß sie eine Vielzahl von derartigen Empfängern (22, 40a, 40b) aufweist, die in entsprechenden unterschiedlichen Winkellagen relativ zur Drehachse der Welle angeordnet sind.

6. Wandler/Empfängereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Empfänger eine toroidische Spule (41, 78) umfaßt, die vorzugsweise im wesentlichen koaxial zur Drehachse der Welle montiert

ist.

7. Wandler/Empfängereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6,dadurch gekennzeichnet, daß sie desweiteren eine Signalverarbeitungseinrichtung (39, 48, 62, 70) aufweist, die mit mindestens dem einen Empfänger (22, 40a, b, 44, 51, 53, 54, 56) gekoppelt ist, um von diesem das elektrische Signal zu empfangen, und die in der Lage ist, von dem Signal Daten in bezug auf die Drehung der Welle (10, 104) abzuleiten und diese Daten anzuzeigen.
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8. Wandler/Empfängereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 7,dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine toroidische Spule (41, 78) aufweist, die eine Vielzahl von Abgriffsstellen in unterschiedlichen Winkellagen der Spule aufweist, so daß ein elektrisches Multiphasensignal ableitbar ist.

9. Vorrichtung zur überwachung der Lage und Orientierung eines Körpers, gekennzeichnet durch eine Wandler/Empfängereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 8, die eine Sendeeinrichtung und eine Eittpfangseinheit aufweist, die relativ zueinander verschiebbar sind, wobei entweder die Sendeeinheit oder die Empfangseinheit an dem Körper montiert sein kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,dadurch gekenn zeichnet, daß die Sendeeinheit einen Bezugsempfänger (4Od, 53, 136) aufweist, der relativ zum Wandler fest und in der Lage ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, wenn er aufgrund des Wandlers einem veränderlichen Magnetfeld ausgesetzt wird, und daß die Vorrichtung desweiteren eine Datenverarbeitungseinrichtung (62, 70) umfaßt, die mit dem Bezugsempfänger und mindestens einem Empfänger (51, 54) der Empfangseinheit gekoppelt ist, um von diesen entsprechenden Signale zu

empfangen, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung in der Lage ist, diese Signale zu vergleichen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,dadurch g e kennzeichnet, daß die Empfangseinheit (51, 54) am Körper (50) montierbar ist und daß die Sendeeinheit mindestens zwei Wandler (T,, T_, T^) an voneinander beabstandeten Stellen aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, d a durch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit zwei Empfänger (51, 54) umfaßt, die jeweils eine magnetische Achse besitzen, und daß die Achsen der beiden Empfänger (51, 54) in im wesentlichen aufeinander senkrechten Ebenen liegen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit eine toroidische oder quasi-toroidische ge- wickelte Spule (41, 78) umfaßt.

14. Vorrichtung:" nach Anspruch 15, dadurch g e kennzeich net, daß die Empfangseinheit die toroidische oder quasi-toroidische gewickelte Spule (80, 82a,b) und eine in Längsrichtung gewickelte Spule (86) aufweist und daß die Spulen koaxial angeordnet sind.

15. Vorrichtung zur überwachung der Lage und Orientierung

eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit aufweist, die relativ zueinander verschiebbar sind, daß die Sfeideeinheit oder die Empfangseinheit am Körper montierbar ist und daß die Sendeeinheit mindestens

eine Spuleneinheit umfaßt, die eine toroidisch oder quasitoroidisch gewickelte Spule (80, 82a, b) und eine in Längsrichtung gewickelte Spule aufweist, welche koaxial angeordnet sind.