DE3805286A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Beschleuni­ gungsmesser für Lochinnenmeßgeräte zur Vermessung eines Bohrloches.

Die GB-PS 14 92 142 offenbart einen Beschleunigungsmesser mit einem Gehäuse, das eine Kammer bildet, einem magne­ tisierbaren Strömungsmittel in der Kammer, einem Per­ manentmagneten, der mittels des magnetisierbaren Strö­ mungsmittels in der Kammer magnetisch aufgehängt ist, wobei seine Pole entlang einer Verschiebeachse ausge­ richtet sind, so daß er durch eine angelegte Kraft aus der Nullstellung entlang der Verschiebeachse verschiebbar ist, und einer Fühleinrichtung zum Erfassen der Verschiebung des Permanentmagneten entlang der Verschiebeachse und zum Liefern eines die angelegte Kraft darstellenden elektrischen Signals.

Ein derartiger Beschleunigungsmesser muß vor der Ver­ wendung kalibriert werden; unter normalen Betriebsbe­ dingungen arbeitet er zufriedenstellend. Es wurde je­ doch festgestellt, daß die erforderliche Kalibrierung des Beschleunigungsmessers unter den im Loch angetroffenen hohen Temperaturen und Vibrationen bestrebt ist, zu driften, was zu Meßungenauigkeiten führen kann. Driften können sogar dann auftreten, wenn der Beschleunigungs­ messer vor dem Einsatz einer Wärmevorspannung ausgesetzt worden ist.

Die Anmelderin hat die möglichen Ursachen solcher Driften untersucht und kam zu folgender Erklärung. Das magneti­ sierbare Strömungsmittel enthält eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln in Kolloidsuspension in einem Suspensionsmittel, was zur Folge hat, daß das Strömungs­ mittel als Ganzes magnetisierbar zu sein scheint. Vor Einsatz des Beschleunigungsmessers im Loch, neigen ge­ wisse magnetisierbare Partikel dazu, unter dem Einfluß der magnetischen Anziehung zur Außenfläche des permanent­ magneten zu wandern, um in der Nähe der Magnetpole eine stärkere Partikelkonzentration zu bilden. Der Beschleu­ nigungsmesser wird unter diesen Bedingungen kalibriert. Wenn der Beschleunigungsmesser jedoch im Loch eingesetzt wird, so verursachen die angetroffenen hohen Temperaturen eine Herabsetzung der Viskosität des Suspensionsmittels des magnetisierbaren Strömungsmittels, und die ange­ troffenen starken Vibrationen und hohen Temperaturen im Verbund mit der herabgesetzten Viskosität bewirken eine Änderung der Konzentration der magnetisierbaren Partikel in der Nähe der Magnetpole. Folglich liegen veränderte Bedingungen, verglichen mit denjenigen, unter denen der Beschleunigungsmesser kalibriert worden ist, vor, womit ein Fehler in die Messungen eingebaut ist. Dies ist nur ein Erklärungsversuch für derartige Fehler, da in diesem Stadium nicht mit einiger Sicherheit genau vorausgesagt werden kann, welche Mechanismen für die Kalibrierungsdrift verantwortlich sind, oder ob nicht gar andere Mechanismen unter anderen Bedingungen ver­ antwortlich sind.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, einen Beschleuni­ gungsmesser zu schaffen, der unter aggressiven Bedin­ gungen eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser enthält ein Gehäuse, das eine Kammer bildet, ein magnetisierbares Strömungsmittel in der Kammer, einen Permanentmagneten, der mittels des magnetisierbaren Strömungsmittels in der Kammer magnetisch aufgehängt ist, wobei die Pole entlang einer Verschiebeachse ausgerichtet sind, so daß er durch eine angelegte Kraft aus einer Nullstellung ent­ lang der Verschiebeache verschiebbar ist, und eine Abfühl­ einrichtung zum Erfassen der Verschiebung des Permanent­ magneten entlang der Verschiebeachse und zum Liefern eines die angelegte Kraft darstellenden elektrischen Signals, wobei zumindest Teile der Außenfläche des Permanentmagneten in der Nähe der Pole mit nichtmagne­ tisierbaren Endelementen versehen sind.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich eine sehr signifikante Herabsetzung der Kalibrierungsdrift ergibt, wenn der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser im Loch eingesetzt wird, verglichen mit ähnlichen Beschleuni­ gungsmessern, bei denen der Permanentmagnet nicht mit nichtmagnetisierbaren Endelementen versehen ist, und daß die Meßgenauigkeit verbessert ist. Eine mögliche Erklä­ rung für diese verbesserte Leistungsfähigkeit liegt dar­ in, daß die nichtmagnetisierbaren Endelemente die Dämpfung des Magneten erhöhen, so daß eine viel weniger ausge­ prägte Änderung des Konzentrationsgradienten der partikel in der Nähe der Pole vorliegt, wenn der Beschleunigungs­ messer im Loch eingesetzt wird. Es könnte auch sein, daß das Vorsehen der Endelemente die Konzentration von magne­ tisierbaren Partikeln in der unmittelbaren Nähe der Pole herabsetzt, wodurch weniger Raum für eine Änderung des Konzentrationsgradienten der Partikel besteht, wenn der Beschleunigungsmesser im Loch eingesetzt wird.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Endelemente durch mindestens eine aus nichtmagnetisier­ baren Material bestehende Hülse auf dem Permanentmagneten gebildet. Vorteilhafterweise umfassen die Endelemente zwei aus nichtmagnetisierbarem Material bestehende Hül­ sen, die in der Nähe der Pole des Permanentmagneten vorgesehen sind, wobei jede Hülse ein im wesentlichen geschlossenes Ende besitzt, das über einer jeweiligen Endfläche des Permanentmagneten liegt.

Der Permanentmagnet kann als Ganzes in einem nichtmagne­ tisierbaren Material eingekapselt sein; in diesem Fall ist im wesentlichen die ganze Außenfläche des permanent­ magneten mit einer Schicht aus nichtmagnetisierbarem Material überzogen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Endelemente durch axiale Verlängerungen der Enden des Permanentmagneten gebildet. Vorteilhafterweise ist zumindest in einem der Endelemente mindestens eine axiale Durchgangsbohrung ausgeformt, die mit einem Raum in dem Permanentmagneten in Verbindung steht. Falls erforderlich, sind in beiden Endelementen axiale Durchgangsbohrungen ausgeformt, die über einen durch den Permanentmagneten verlaufenden Kanal mitein­ ander verbunden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Beschleunigungsmesser;

Fig. 2 ein Schaltbild des Beschleunigungsmessers von Fig. 1;

Fig. 3, 4 zwei alternative Magnetanordnungen zur Verwen­ dung in einem Beschleunigungsmesser nach Fig. 1 gemäß den erfindungsgemäßen Varianten.

Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält der dargetellte Be­ schleunigungsmesser einen zylindrischen Permanentmagneten 10, der mittels eines magnetisierbaren Strömungsmittels 11 in einer zylindrischen Kammer 13 im Inneren eines zylindrischen Gehäuses 12 magnetisch aufgehängt ist, dessen Enden durch Stopfen 14 und 16 verschlossen sind. Das magnetisierbare Strömungsmittel 11 ist ein Ferro­ strömungsmittel, das eine Kolloidsuspension aus sehr kleinen ferromagnetischen Partikeln in einer Flüssigkeit, z.B. einem synthetischen Kohlenwasserstoffträger, aufweist. Eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Permanent­ magneten 10 und den ferromagnetischen Partikeln des magnetisierbaren Strömungsmittels 11 hat zur Folge, daß der Magnet 10 außer Berührung mit der Wand der Kam­ mer 13 in dem Strömungsmittel 11 schwebt.

Zwei Kappen 15 und 17 aus nichtmagnetisierbarem Material sind auf die Enden des Magneten 10 aufge­ drückt, um eine Schicht aus nichtmagnetisierbarem Material zu bilden, die sich über den Großteil der zylindrischen Außenfläche und die Endflächen des Magneten 10 erstreckt. Das Material der Kappen 15 und 17 ist vorzugsweise ein Kunststoff, wie z.B. Poly­ ätherätherketon, mit einem niedrigen Dehnungsvermögen bis zu einer Temperatur von ungefähr 200°C. Außer­ dem ist in jeder Kappe 15 und 17 eine Durchgangs­ öffnung 19 bzw. 21 in deren Endfläche ausgeformt, und ein jeweiliges längliches Begrenzungsteil 18 bzw. 20, das von einem geraden Draht gebildet wird, ist in jeder Öffnung 19 bzw. 21 angebracht und verläuft von den Endflächen des Magnets 10 entlang der Längsachse der Kammer 13 nach außen. Die Begrenzungsteile 18 und 20 dienen dazu, die Verschiebung des Magneten 10 in Längsrichtung der Kammer 13 durch Anlage gegen die Stopfen 14 und 16 zu begrenzen.

Die Außenfläche des Gehäuses 12 bildet den Schaft einer Spindel 22 mit zwei axial beabstandeten Ab­ schnitten, die jeweils eine Innenwicklung 24 bzw. 26 und eine Außenwicklung 28 bzw. 30 enthalten. Die radial inneren Wicklungen 24 und 26 stellen Rückstell­ wicklungen und die radial äußeren Wicklungen 28 und 30 stellen Abfühlwicklungen dar.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Abfühlwicklungen 28 und 30 in einem Kreis verbunden, um zwei der Arme einer Induktionsbrücke zu bilden, deren beide anderen Arme von einer mittig angezapften Sekundärwicklung 32 eines Umformers 31 gebildet sind, dessen Primärwicklung 34 mit einer 1-kHz-Wechselstromversorgung 33 verbunden ist. Zu­ sätzlich ist der gemeinsame Verbindungspunkt der Ab­ fühlwicklungen 28 und 30 mit dem Eingang eines Demodu­ lators 36 verbunden, dessen Ausgang mit einem Stabili­ sierungsnetzwerk 38 verbunden ist, das ein Tiefpaßfilter sein kann. Der Ausgang des Stabilisierungsnetzwerkes 38 ist über einen offenen Verstärker 40 mit den Rückstell­ wicklungen 24 und 26 verbunden, die in Reihe geschaltet und so gewickelt sind, daß durch die Wicklungen 24 und 26 fließende Strom entgegengerichtete axiale Magnet­ felder induziert. Das Ende der Wicklung 24, das nicht mit der Wicklung 26 verbunden ist, ist mit einer Klemme 44 verbunden, und die Mittelanzapfung 35 der Sekundär­ wicklung 32 des Umformers 31 ist mit einer Erdklemme 37 verbunden, wobei ein Widerstand 42 über diese beiden Klemmen 37 und 44 geschaltet ist.

Im Betrieb des Beschleunigungsmessers erhalten die Ab­ fühlwicklungen 28 und 30 Wechselstrom von der Sekundär­ wicklung 32 des Umformers 31. Wenn sich der Magnet 10 in der dargestellten Nullstellung befindet, in der er bezüglich der Abfühlwicklungen 28 und 30 symmetrisch angeordnet ist, werden aufgrund der symmetrischen Po­ sitionierung des durchlässigen Materials des Magneten 10 gleiche und entgegengesetzte Spannungen durch den Wechselstrom in den Abfühlwicklungen 28 und 30 indu­ ziert, und die beiden Arme der Induktionsbrücke, die durch diese Wicklungen 28 und 30 gebildet wird, sind im Gleichgewicht, so daß kein Spannungsausgang zum Demodulator 36 vorliegt. Wenn jedoch der Magnet 10 durch eine angelegte Kraft aus seiner Nullstellung verschoben wird, sind die in den Wicklungen 28 und 30 induzierten Spannungen nicht mehr gleich, und der Eingang des Demodulators 36 erhält eine Außergleich­ gewichtsspannung durch die Induktionsbrücke. Der Demodulator 36 liefert einen Gleichstromausgang, der zur Außergleichgewichtsspannung proportional ist und den Rückstellwicklungen 24 und 26 mittels des Stabilisie­ rungsnetzwerks 38 und des Verstärkers 40 zugeführt wird. Die Richtung des an die Rückstellwicklungen 24 und 26 angelegten Stroms ist derart, daß der Magnet 10 in seine Nullstellung zurückgestellt wird. Weiter ist die potentielle Differenz über dem Widerstand 42 zwischen den Klemmen 37 und 44 proportional zur axialen Rückstell­ kraft und folglich proportional zur auf den Beschleu­ nigungsmesser wirkenden angelegten Kraft.

Da der Abfühlstrom ein Wechselstrom und der Rückstell­ strom ein Gleichstrom ist, ist es möglich, gemeinsame Wicklungen zu verwenden, um sowohl die Funktion der Abfühlwicklungen als auch die Funktion der Rückstell­ wicklungen auszuführen.

Da jegliche Verschiebung des Magneten 10 durch eine aufgebrachte Kraft durch die Anlegung einer Rückstell­ kraft an den Magneten 10 automatisch ausgeglichen wird, sind nur sehr kleine Verschiebungen des Magneten 10 er­ forderlich, um einen Ausgang vom Beschleunigungsmesser zu erhalten. Dadurch wird ein im wesentlichen gleich­ förmiges Ansprechen des Beschleunigungsmessers über einen weiten Bereich der angelegten Kraft und eine hohe Meßgenauigkeit sichergestellt.

Die Meßgenauigkeit des Beschleunigungsmessers im Betrieb wird durch die verwendeten Kappen 15 und 17 aus nicht­ magnetisierbarem Material wesentlich erhöht, die ver­ mutlich die Adhäsion der ferromagnetischen Partikel des magnetisierbaren Strömungsmittels 11 an der Außenfläche des Magneten 10 verringern, was anderenfalls zu Kali­ brierungsdriften bei Einsatz des Beschleunigungsmessers im Loch führen würde.

Bei einer Variante der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Magnetanordnung, bestehend aus dem Magneten 10, den Kappen 15 und 17 und den Begrenzungsteilen 18 bzw. 20, durch einen Permanentmagneten 50 ersetzt, mit dessen entgegengesetzten Enden massive Kunststoffendelemente 51 und 52 verbunden sind (Fig. 3). Die Endelemente 51 und 52 sind von solcher Länge, daß getrennte Begrenzungs­ teile unnötig sind.

Bei einer weiteren Variante der oben beschriebenen Aus­ führungsform ist die Magnetanordnung wie in Fig. 4 dar­ gestellt. Bei dieser Anordnung ist der Permanentmagnet 60 eine zylindrische Hülse mit entgegengesetzten Polen an ihren axialen Enden, mit denen Kunststoffendelemente 61 und 62 mit darin ausgeformten Durchgangsbohrungen 63 und 64 verbunden sind. Während die Durchgangsbohrun­ gen 63 und 64 bei dieser Konstruktion wegfallen könnten, wird vorgezogen, daß mindestens eine derartige Bohrung vorgesehen ist, damit das magnetisierbare Strömungs­ mittel den Hohlraum 65 in dem Magneten 60 ausfüllen kann. Vorzugsweise sind beide Bohrungen 63 und 64 vor­ gesehen, so daß eine Strömungsmittelverbindung zwischen den beiden Enden der Kammer 13 über einen Kanal mit einem Querschnitt stattfindet, der so bemessen sein kann, daß die Dämpfung der Magnetanordnung optimiert wird.

Claims (8)

1. Beschleunigungsmesser mit einem Gehäuse (12), das eine Kammer (13) bildet, einem magnetisierbaren Strömungsmittel (11) in der Kammer, einem Permanent­ magneten (10; 50; 60), der mittels des magnetisierba­ ren Strömungsmittels in der Kammer magnetisch auf­ gehängt ist, wobei seine Pole entlang einer Ver­ schiebeachse ausgerichtet sind, und er durch eine angelegte Kraft aus einer Nullstellung entlang der Verschiebeachse verschiebbar ist, und einer Abfühl­ einrichtung (28, 30) zum Erfassen einer Verschiebung des Permanentmagneten entlang der Verschiebeachse und zum Liefern eines die angelegte Kraft darstellenden elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der Außenfläche des Permanentmagneten (10; 50; 60) in der Nähe der Pole mit nichtmagnetisier­ baren Endelementen (15, 17; 51, 52; 61, 62) versehen sind.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endelemente (15, 17) durch minde­ stens eine aus nichtmagnetisierbarem Material beste­ hende Hülse auf dem Permanentmagneten (10) gebildet ist.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Endelemente (15, 17) zwei aus nichtmagnetisierbarem Material bestehende Hülsen um­ tassen, die in der Nähe der Pole des Permanentmagne­ ten (10) vorgesehen sind, wobei jede Hülse ein im wesentlichen geschlossenes Ende besitzt, das über einer jeweiligen Endfläche des Permanentmagneten liegt.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Endelemente (51, 52; 61, 62) durch axiale Verlängerungen der Enden des Permanentmagneten (50; 60) gebildet werden.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest in einem Endelement (61, 62) mindestens eine axiale Durchgangsbohrung (63, 64) ausgeformt ist, die mit einem Raum (65) in dem Per­ manentmagneten (60) in Verbindung steht.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Endelementen (61, 62) axiale Durchgangsbohrungen (63, 64) ausgeformt sind, die über einen durch den Permanentmagneten (60) ver­ laufenden Kanal (65) miteinander verbunden sind.

7. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endelemente (51, 52; 61, 62) eine solche axiale Ausdehnung besitzen, daß sie die Verschiebung des Permanentmagneten (50; 60) durch Anlage an Teilen des Gehäuses (12) begrenzen.

8. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die End­ elemente (15, 17; 51, 52; 61, 62) aus Polyätherätherketon bestehen.