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Die Erfindung bezieht sich auf ein maulwurfartiges
Bohrsystem, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf
Systeme, die bei der Installation von Gasrohren oder anderen
Versorgungseinrichtungen im Boden anwendbar sind.
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Es wurde in der europäischen Patentanmeldung 247 767
vorgeschlagen, einen Schlagbohrkopf (Mole) niit dem vorderen
Ende eines Bohrrohres zu verbinden. Der Bohrkopf hat eine
Schrägfläche am vorderen Ende, und ein Drehmoment wirkt auf
den Bohrkopf in einer Ebene senkrecht zur Schrägfläche. Das
Bohrrohr wird vorgetrieben in dem Maße, wie der Bohrkopf
vortreibt. Die Vorschubrichtung des Bohrkopfes kann somit
durch Drehen des Bahrrohres, welches den Bohrkopf und die
Schrägfläche um die Längsmittelachse des Bohrkopfes dreht,
konstant gehalten werden. Die Vorschubrichtung wird geändert
durch Aufhören der Drehung und Fortsetzung des Vorschubs
des Bohrkopfes.
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In der GB-A-2 197 078 ist vorgeschlagen worden, einen
Bohrkopf vorzusehen mit nacheinander erregten Spulen, um ein
bewegliches elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das durch
einen entfernten Empfänger ermittelt werden kann, um eine
Anzeige für die Position des Bohrkopfes relativ zum Empfänger
und für Bewegungen des Bohrkopfes um die Längs-, Quer- und
Hochachse abzuleiten.
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In der GB-A-2 175 096 wurde vorgeschlagen, einen Bohrkopf
mit Spulen vorzusehen, die auf ferromagnetische Kerne
aufgewickelt sind, um als Empfänger auf ein magnetisches
Drehfeld anzusprechen, das durch ein entferntes langgestrecktes
ferromagnetisches Übertragungselement erzeugt wird, das sich
relativ zu einer mit Wechselstrom erregten Spule dreht. Die
Position des Bohrkopfes relativ zur Übertragerspulen- und
Element-Baugruppe und die Bewegung um die Längs-, Quer- und
Hochachse des Bohrkopfes können durch Vergleich der gesendeten
und empfangenen Signale ermittelt werden.
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In der US-A- 4 621 698 wurde vorgeschlagen, einen Bohrkopf
vorzusehen mit zwei Spulen, von denen die eine zur Roll- bzw.
Längsachse des Bohrkopfes ausgerichtet ist, wobei sie sich in
Längsrichtung des Bohrkopfes erstreckt, und die andere quer dazu
verläuft. Die Spulen werden intermittierend durch
Niederfrequenzstrom erregt, um so entsprechende Magnetfelder
zu erzeugen. Die Magnetfelder werden durch gekreuzte Spulen
ermittelt, die in einer im Boden ausgehobenen Grube angeordnet
sind. Ausgänge von den Spulen können dazu verwendet werden, die
Winkelstellung des Bohrkopfes um die Rollachse und die
Winkelstellung der Rollachse in bezug auf die horizontale
und vertikale Richtung zu bestimmen.
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In der US-Patentschrift 4 646 277 wurde vorgeschlagen,
einen Bohrkopf vorzusehen mit zwei Spulen, von denen die eine
zur Rollachse des Bohrkopfes ausgerichtet ist, die sich in
Längsrichtung des Bohrkopfes erstreckt, und die andere quer
dazu angeordnet ist. Der überwiegende Teil der Beschreibung
befaßt sich mit einer Erläuterung, wie das System einen Operateur
in die Lage versetzt, die Ausgänge von sogenannten Y- und Z-
Detektorspulen zu nullen, die senkrecht zueinander liegen, und
zwar in einer Ebene quer zur Rollachse des Bohrkopfes, und
sich in einer Erdgrube vor dem Bohrkopf befinden.
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Das System erfordert eine zweite Grube im Boden, von der aus
der Bohrkopf angesetzt wird, und eine feste Verdrahtung ist
erforderlich sowohl zum Bohrkopf (von der zweiten Grube und
durch das vom Bohrkopf hergestellte Bohrloch hindurch verlaufend)
und zu den Detektorspulen in der ersten Grube. Außerdem ist
eine feste Verdrahtung von den Detektorspulen zurück zu einer
Kontrollstation über der Erde und vom Bohrkopf zurück zur
Kontrollstation erforderlich.
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Eine dritte Detektorspule (die X-Spule) wird außerdem
verwendet, die in der ersten Grube senkrecht zu den Y- und Z-
Spulen liegt (mit anderen Worten in der Rollachse des Bohrkopfes).
Die Funktion dieser Spule besteht darin, die variable Eigenart
der Signale in den Y- und Z-Spulen zu beseitigen, sobald sich
der Bohrkopf den X-, Y- und Z-Spulen nähert.
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Es wird in der Beschreibung darauf hingewiesen, daß die
Verlagerung seitlich zum Durchstoßpunkt des Bohrkopfes durch
die relative Stärke der Signale von den Y- und Z-Spulen angezeigt
wird. Das System wird als ein solches beschrieben, das den
Operateur in die Lage versetzt, den Bohrkopf durch eine
Nullungsaktion an den zwei Signalen zu positionieren.
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Der Bohrkopf muß einen geraden Kurs zwischen zwei
Erdlöchern verfolgen, und das System ist ein solches, bei
dem der Bohrkopf sich auf die Detektorspulen X, Y, Z
einpeilt.
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Nur das Verhalten des Bohrkopfes wird durch die Signale
in den Y- und Z-Spulen angezeigt. Es findet keine Messung der
Planposition oder der Tiefe des Bohrkopfes statt.
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Am Ende der Beschreibung wird eine Abweichung im Kurs des
Bohrkopfes erwähnt, um Hindernisse zu meiden und (den Bohrkopf)
auf den Kurs zurückzubringen.
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Es wird vermutet, daß die Verlagerung des Bohrkopfes
entlang dem Bohrloch durch Messen der Länge der Nabelleitungen
ermittelt wird, die in das Bohrloch eingeführt werden, oder
durch Anwendung eines Entfernungs-Anzeigepotentiometers, das
durch den Bohrkopf betätigt wird.
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Es wird ferner vermutet, daß Informationen (d.h. die
Strecke, die durch den Bohrkopf im Bohrloch zurückgelegt wird)
mit Signalen von den Y- und Z-Spulen kombiniert werden könnten,
wobei auf diese Weise es dem Operateur ermöglicht wird,
jederzeit bezüglich der Position des Bohrkopfes Spur zu
halten.
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Allerdings wird nicht offenbart, wie dies geschehen soll.
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Eine weitere Anregung ist, die Detektorspulen X, Y, Z
in der Ansetzgrube in Stellung zu bringen, vorausgesetzt, der
Bohrkopf wird im wesentlichen auf der X-Achse gehalten. Dies
bedingt eine wiederholte Bestimmung der Orientierung des
Bohrkopfes unter Verwendung der Y- und Z-Spulen und den
zunehmenden Vorschub des Bohrkopfes entlang dem Bohrloch.
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Es ist nicht klar, wie dieser Prozeß zu irgendeiner
brauchbaren Bestimmung der Bohrkopf-Position führt. In jedem
Fall ist die Anregung beschränkt auf den Fall, wo der
Bohrkopf im wesentlichen auf der X-Achse gehalten wird. Mit
anderen Worten: Der Bohrkopf wird auf einem bekannten Weg in
einer bekannten Tiefe unter der Erdoberfläche gehalten.
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Es ist keine Beschreibung für die Bestimmung der
Planposition oder Tiefe eines Bohrkopfes gegeben, wenn der
tatsächliche Kurs des Bohrkopfes nicht festgestellt werden
kann und wenn zwei Gruben nicht verwendet werden. Ferner
gibt es keine Bestimmung der Rollposition des Bohrkopfes.
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Aus der US-Patentschrift 4 621 698 ist ein maulwurfartiges
Bohrsystem bekannt, mit einem Bohrkopf mit einer Schrägfläche
am vorderen Ende und mit Mitteln zum Erhalten von Anzeigen
über die Position des Bohrkopfes um eine Rollachse, die sich in
Längsrichtung des Bohrkopfes erstreckt, wobei der Bohrkopf
eine magnetische Einrichtung aufweist, deren magnetische Achse
quer zur genannten Rollachse verläuft und die ein Magnetfeld
weg vom Bohrkopf erzeugt, und wobei die genannten Mittel auf
das Magnetfeld ansprechen, um die genannten Anzeigen über die
Winkelstellung des Bohrkopfes zu liefern.
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Erfindungsgemäß ist ein System dadurch gekennzeichnet,
daß die genannten Mittel Messungen der Planposition und Tiefe
des Bohrkopfes erzeugen und die magnetische Einrichtung ein
Magnet oder dessen Äquivalent ist und das genannte Magnetfeld
von konstanter Amplitude ist und die genannten Mittel
Magnetometereinrichtungen umfassen, die aufgrund von
Scheinschwankungen des Magnetfeldes infolge der Rotation
des Bohrkopfes um die genannte Rollachse betätigbar sind, um
Anzeigen über die Winkelstellung des Bohrkopfes zu liefern, wobei
die genannten Mittel auf der Erdoberfläche oberhalb des
Bohrkopfes entfaltbar sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Systems weist
die magnetische Einrichtung zwei Magnetometer-Detektoren auf,
der eine mit seiner sensitiven Achse horizontal und der
andere mit seiner sensitiven Achse vertikal, wobei die
Ausgänge von den Detektoren an Filter- und
Konditionierungseinrichtungen weitergeleitet und dann in
einem Auflöser bzw. Koordinatenwandler (Resolver) kombiniert
werden, der einen an einen Zeiger gekoppelten Magneten antreibt,
um die Winkelstellung des Bohrkopfes um die Rollachse
anzuzeigen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens werden die Planposition und die Tiefe des
Bohrkopfes unter Verwendung einer Bezugsvorrichtung bestimmt,
die Detektorpositionen in einer vorgegebenen Beziehung vorsieht,
und unter Verwendung von Detektormitteln, die in jeder der
Detektorpositionen aufgrund von Schwankungen des Magnetfeldes
infolge der Rotation der genannten Magneteinrichtungen mit dem
Bohrkopf um die Rollachse betätigbar sind, um eine Anzeige bei
jeder Detektorposition zu liefern, die dem Abstand der
magnetischen Einrichtung von der Detektorposition entspricht.
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Vorzugsweise sind die Detektoreinrichtungen Magnetometer,
die in jeder der Detektorpositionen Anzeigen der Amplitude des
Magnetfeldes liefern, wobei die Spitzenamplitude desselben
den genannten Abstand wiedergibt und die Amplitude der
Schwankung und die Richtung der Amplitudenänderung zu jeder
Zeit die Winkelstellung des Bohrkopfes um die Rollachse
wiedergeben.
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Zweckmäßig weisen die Mittel zur Erlangung von Anzeigen
eine Sendeeinrichtung im Bohrkopf, die betätigbar ist, um
ein elektromagnetisches Wechselfeld auszusenden, und ferner
eine Empfangseinrichtung auf, die betätigbar ist, um das
Wechselfeld zu ermitteln und Anzeigen für die Draufsicht bzw.
Planposition und Tiefe des Bohrkopfes zu erhalten.
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Ausführungsbeispiele eines maulwurfartigen Bohrsystems
und bevorzugte Wege zur Anwendung desselben für die Ausführung
von Verfahren des maulwurfartigen Bohrens werden nunmehr
beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen
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Fig. 1 einen schematischen Längsvertikalschnitt durch
den Boden mit dem in Gebrauch befindlichen System;
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Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer dreieckigen
Bezugsvorrichtungs-Position in bezug auf den Boden
über einem Bohrkopf unter dem Boden;
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Fig. 3 und 4 Diagramme, die ein Dreieck zeigen, aufgebaut
jeweils (I) aus der einen Seite der
Bezugsvorrichtung nach Fig.2 und zwei Seiten mit
Längen, die die Abstände zwischen der magnetischen
Einrichtung im Bohrkopf und zwei Detektorpositionen
wiedergeben, und zwar eine an jedem Ende der Seite
der Bezugsvorrichtung; und (II) aus einer Linie,
die den Scheitel der Bezugsvorrichtung mit dem
Mittelpunkt der gegenüberliegenden Seite verbindet,
und aus zwei Linien mit Längen, die die Abstände
zwischen der magnetischen Einrichtung im
Bohrkopf und dem Scheitel sowie jenem Mittelpunkt
repräsentieren;
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Fig. 5 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen
Teil einer zweiten Ausführungsform des Systems;
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Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5;
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Fig. 7 bis 10 schematisch die Variation im Ausgang des
Magnetometers mit Rollwinkel;
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Fig. 11 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen
Teil einer dritten Ausführungsform des Systems;
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Fig. 12 Magnetometer-Ausgänge für verschiedene Rollwinkel
für das System nach Fig. 11; und
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Fig. 13 Magnetometer-Detektoren des Systems nach
Fig. 11.
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Das maulwurfartige Bohrsystem nach Fig. 1 besteht aus den
folgenden Grundkomponenten: einem pneumatisch betätigbaren
Schlagbohrkopf 10, einem Strang 12 von an den Enden
miteinander verbundenen hohlen Bohrstangen; einem Start- bzw.
Einsetzrahmen 14; einem Hydraulikaggregat 16, das einen
Hydraulikmotor 18 am Rahmen 14 beliefert, um den Strand 12
zu drehen; einer Lieferquelle 20 für Druckluft, um den
Bohrkopf 10 anzutreiben; einer dreieckigen Bezugsvorrichtung
22, die normalerweise flach auf dem Boden positioniert ist,
jedoch der Klarheit wegen vertikal dargestellt ist; drei
Magnetometer-Detektoren 50, 52, 54, einer an jeder Ecke der
Bezugsvorrichtung; und einer Signal-Konditionierungs- und
Anzeigevorrichtung 24.
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Fig. 1 enthält ein vergrößertes Detail, das einen Kopf 30
des Bohrkopfes 10 zeigt. Der Kopf 30 besteht aus Edelstahl
und hat eine Schrägfläche 32. Der Kopf 30 weist eine
Querbohrung auf, die magnetische Mittel in Form eines
Stabmagneten 34 enthält; alternativ sind die magnetischen
Mittel zwei dünne Abschnitte, Seltenerdemagnete, die in
Ausnehmungen auf jeder Seite des Bohrkopfes sitzen; alternativ
werden die magnetischen Mittel durch einen Elektromagneten
gebildet.
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Der Strang 12 ist mit drei Stäben 36 dargestellt, und
der vordere Stab ist mit dem hinteren Ende des Bohrkopfes 10
verbunden. Im typischen Fall ist jeder Stab 36 1,5 Meter
lang.
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Das System wird beispielsweise dazu verwendet, einen
Pilotdurchgang 38 zu bilden, im typischen Fall mit einem
Durchmesser von 50 mm, der anschließend auf einen größeren
Durchmesser ausgeräumt wird, um ein Gas-Verteilerrohr mit
einem Außendurchmesser von beispielsweise 125 mm
aufzunehmen.
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Der Bohrkopf 10 verdrängt Erde, wenn er unter der
Schlagwirkung eines durch Pneumatikdruck angetriebenen
Innenhammers vorgetrieben wird. Die Schrägfläche 32 am
Kopf 30 des Bohrkopfes führt zu einer Querreaktion von der
Erde weg, was dazu führt, daß der Weg des Bohrkopfes in der
Richtung kurvt, die derjenigen entgegengesetzt ist, in welche
die Fläche gerichtet ist. Wenn der Bohrkopf so positioniert
ist wie in Fig. 1 dargestellt, so würde der Weg des Bohrkopfes
nach unten kurven, wobei davon ausgegangen wird, daß der
Bohrkopf nicht um seine Rollachse 40 rotiert, die sich in
Längsrichtung des Bohrkopfes erstreckt. Um den Bohrkopf auf
einem allgemein geraden Weg zu halten, wird der
Hydraulikmotor 18 betätigt, um den Strang 12 zu drehen, wenn
der Bohrkopf vorrückt. Der Weg des Bohrkopfes ist dann ein
korkenzieherförmiger Weg von sehr kleinem Radius und ist
einem geraden Weg angenähert. Der Pilotdurchgang 38 nach Fig. 1
wird anfänglich gebildet, wenn der Bohrkopf 10 vom Rahmen 14
in den Boden in einem kleinen Winkel zur Horizontalen gestartet
wird. Dann wird der Weg des Bohrkopfes so gestaltet, daß er
zur Horizontalen hin kurvt, und zwar durch Einstellen der
Bohrkopf-Winkelstellung um seine Rollachse, so daß die
Schrägfläche 32 nach unten zeigt.
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Sowie der Bohrkopf vorankommt, ist es notwendig, die
Bohrkopf-Stellung unter der Erdoberfläche in sowohl der
horizontalen als auch der vertikalen Ebene zu überwachen.
Es ist außerdem notwendig, die Bohrkopf-Winkelstellung um
dessen Rollachse 40 zu überwachen. Eine solche Überwachung
wird unter Verwendung der Bezugsvorrichtung 22 und der
Signalkonditionierungs- und Anzeigevorrichtung 24 durchgeführt.
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Die Bezugsvorrichtung 22 ist vorzugsweise z.B. ein Rahmen
in Form eines gleichschenkeligen Dreiecks mit zwei gleichen
Seiten, das drei Detektor-Positionen 50, 52, 54 vorsieht, in
denen Magnetometer-Detektoren positioniert sind.
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Die Signalkonditionierungs- und Anzeigeeinheit hat ein
Meßgerät mit einem Zeiger, der auf das fluktuierende
Magnetfeld anspricht, und eine Einrichtung zum Einfangen und
Wiedergeben des Wertes des Spitzenamplitudensignals von jedem
der drei Detektoren auf einem Digital-Messer.
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Wenn der Bohrkopf um seine Rollachse rotiert, im typischen
Fall z.B. mit 20 bis 60 Umdrehungen pro Minute, dann verursacht
die Drehung des Magneten 34 eine Schwankung des Magnetfeldes
oberhalb des Erdbodens.
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Das Ansprechen der Magnetometer-Einrichtung auf diese
Schwankung wird dem Effekt des Erd-Feldes überlagert. Die
Nadel an der Magnetometer-Einheit 24 oszilliert um Null
aufgrund der Erd- und anderer Störmagnetfelder, die entweder
durch elektronische Mittel (z.B. Wechselstromkopplung) oder
durch magnetische Mittel kompensiert werden. Die Spitze-zu-
Spitze-Ablesung von jedem Sensor ist ein Maß für die Entfernung
des Magnetometer-Sensors vom Magneten 34.
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Für jede Umdrehung des Bohrkopfes um seine Rollachse 40
wandert die Nadel von voller Links- nach voller Rechts- und
zurück nach voller Linksablenkung. Die Bewegungsrichtung der
Nadel wie auch ihre Stellung können somit den winkligen
Drehsinn des Bohrkopfes anzeigen und können dazu verwendet
werden, die Winkelstellung der Schrägfläche 32 um die
Rollachse 40 einzustellen.
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Beim Überwachen des Vortriebs des Bohrkopfes werden die
Magnetometer-Einrichtungen dazu verwendet, für jede von
aufeinanderfolgenden Stellungen des Bohrkopfes 10 eine Gruppe
von drei Spitzenamplitude-Ablesungen zu erhalten. Jede
derartige Stellung wird durch den Bohrkopf erreicht, nachdem
der Vorschub für einen gegebenen Stab 36 beendet worden ist.
Mit anderen Worten: drei Stellungen kommen alle 1,5 Meter
vor. Bei jeder Stellung wird der Vorschub des Bohrkopfes
vorübergehend angehalten, aber der Strang 12 und der Bohrkopf
werden durch den Motor 18 gedreht. Der Rahmen 22 wird über
dem annähernd bekannten Weg des Bohrkopfes flach auf den Boden
gelegt, wobei die Spitze des Dreiecks (d.h. die Detektorstellung
50) etwa in die Vorschubrichtung des Bohrkopfes zeigt.
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Für jede Stellung des Bohrkopfes wird die Gruppe von drei
Ablesungen dazu verwendet, die Tiefe, die Längsposition und
Planposition des Magneten 34 zu errechnen, wie als nächstes
mit Bezug auf die Figuren 2, 3 und 4 erläutert wird.
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In Fig. 2 entsprechen die drei Ecken A, B, C des
dreieckigen Rahmens den jeweiligen Detektor-Positionen 50, 52, 54.
Der Punkt G ist in der Ebene des Rahmens und vertikal über der
Magnetstellung M. Der dreieckige Rahmen ist in der Form eines
gleichschenkeligen Dreiecks konstruiert, wobei sich die
gleichen Seiten von der Spitze her erstrecken, die in die
Bohrrichtung zeigt. Für das hier beschriebene System sind die
Längen der gleichen Seiten so gewählt, daß die Länge der
Grundlinie 0,5 m und der Abstand von der Grundlinie zur Spitze
0,5 m beträgt. Wenn auch die Berechnungen, die folgen, für
jedes beliebige gleichschenklige Dreieck gültig sein werden,
so hängt die Genauigkeit der Berechnung der Bohrkopfposition
vom Detektorabstand und von der Tiefe des Bohrkopfes ah. Die
Dimensionen des dreieckigen Rahmens sind ein Kompromiß zwischen
Lokalisierungsgenauigkeit und einer für den Gebrauch des
Detektorrahmens zweckmäßigen Größe.
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In den Figuren 2 und 3 ist die Position D der
Mittelpunkt der Linie BC.
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In Figur 3 ist M die Position des Bohrkopfes, und eine
Senkrechte vom Bohrkopf (M) auf die Grundlinie (BC) schneidet
diese im Punkt X.
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In Figur 4 ist die Linie AD die Mittellinie des
Detektorrahmens, und diese Linie sollte in Flucht gebracht
werden mit dem beabsichtigten Weg des Bohrkopfes (d.h. der
Ziellinie). Position Y ist der Schnittpunkt zwischen der
Mittellinie des Rahmens (AD) und der Senkrechten, konstruiert
von dieser Linie zum Bohrkopf.
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In jeder Stellung ist der Spitzenausgang von den drei
Magnetometer-Detektoren bei den Positionen A, B und C eine
Funktion der Abstände dieser Positionen vom Magneten im Punkt M.
Mit anderen Worten: Die Abstände AM, BM und CM können bestimmt
werden durch Berechnung aus den Detektorausgängen unter
Verwendung der Gleichung 1:
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log S = (-k&sub1;log V) + k&sub2; cos P - k&sub3; ----- Glchg. 1;
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dabei ist S der Abstand des Magneten vom Detektor, k&sub1;, k&sub2;, k&sub3;
sind Konstanten, V ist das Spitzenausgangssignal vom Detektor,
und P ist der Winkel aus der Ebene, d.h. der Winkel zwischen
der Rotationsebene des Magneten und der Linie, die den Magneten
mit dem Detektor verbindet.
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Es kann gezeigt werden, daß für Detektoren in Positionen
B und C der Winkel P aus der Ebene gegeben ist durch
Gleichung 2:
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P = Bogentangente GX/GM ------ Glchg. 2;
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dabei ist GX² = (BM²-BX²-GM²), und GM ist die vertikale Tiefe
des Magneten.
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Für den Detektor in Position A ist der Winkel aus der Ebene
gegeben durch Gleichung 3:
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P = Bogentangente (AD - YD) / GM ----- Glchg. 3.
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Der Wert der Strecke S vom Magnet zu einem Detektor
(entsprechend den Abständen AM, BM, CM) wird errechnet, indem
als ein erster Annäherungswert ein Aus-der-Ebene-Winkel P = 0
verwendet wird. Aus diesen ersten Annäherungswerten kann eine
erste Schätzung der Stellung des Magneten in Ausdrücken von XM,
YM und GM errechnet werden. Aus der ersten Schätzung der Position
des Magneten kann der Aus-der-Ebene-Winkel unter Verwendung
jeder der Gleichungen 2 oder 3 abgeleitet werden. Die
Magnetposition kann dann umgerechnet und eine bessere Schätzung
des Winkels P erhalten werden. Drei Iterationen ergeben eine
ausreichend genaue Schätzung der Magnetposition.
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Die Kalkulation von Tiefe, Plan- und Längsposition wird
in drei Teile gespalten. Der erste Teil errechnet die Seitwärts-
Planposition (d.h. den X-Wert) unter Verwendung der Gleichung 4:
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BX = (BC² + BM² - CM²) / 2 BC ----- Glchg. 4;
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darin ist BC aus den Dimensionen des Detektorrahmens bekannt,
und BM und CM werden aus Gleichung 1 errechnet.
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Der zweite Teil errechnet die Längsposition (d.h. den
Y-Wert).
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Um die Y-Position zu bestimmen, werden die Magnetometer-
Ausgänge von den Detektoren bei den Positionen B und C
kombiniert, um eine Schätzung des Signals aufzustellen, das
durch einen Detektor in der Mittelpunktposition D auf der
Grundlinie gesehen würde, und dann wird das geschätzte Signal
mit dem Signal vom Detektor an der Spitze A dazu verwendet,
die Y-Position zu errechnen.
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Um das Signal vom imaginären Sensor bei D zu erzeugen,
wird zunächst der Abstand von X zum Magneten (XM) errechnet
aus der Gleichung 5:
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XM² = (BM² - BX²) ----- Glchg. 5;
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dann wird der Abstand von D zum Magneten errechnet unter
Verwendung der Gleichung 6:
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DM² = (XM² + DX²) ----- Glchg. 6;
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dann wird unter Verwendung des Abstandes DM in Gleichung 1 eine
Schätzung der Spitzen-Ausgangsspannung gemacht, die durch einen
Detektor bei D erzeugt würde. Schließlich wird der Abstand DY
(d.h. die Y-Position) errechnet aus der Gleichung 7:
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DY (AD² + DM² - AM²) / 2 AD -----Glchg. 7;
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Der dritte Teil des Prozesses errechnet die Tiefe des
Bohrkopfes unterhalb des X-Y-Koordinatenpunktes (G) durch
Errechnen des Abstandes von Y zum Magneten YH unter Verwendung
von
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YM² = (DM² - DY²)
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und dann Errechnen der vertikalen Tiefe (GM) aus
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GM² = (YM² - XD²)
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Die verschiedenen Kalkulationen werden zweckmäßig und
schnell durch einen Mikrocomputer durchgeführt, der ein relativ
einfaches Programm verwendet, so daß die Position und Tiefe
des Bohrkopfes ohne weiteres draußen vor Ort bei Bohrprozessen
ohne nennenswerte Verzögerung des Bohrvorganges ermittelt
bzw. festgelegt werden können.
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Alternativ können die Ausgänge von den drei Detektoren
direkt in den Mikrocomputer eingegeben werden, wobei die
Schnelligkeit des Systems erhöht und die Möglichkeit eines
Bedienungsfehlers vermindert wird.
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Fig. 1 zeigt einen kleinen Erdaushub 60, der dazu bestimmt
ist, beispielsweise die Herstellung einer Verbindung in das
Gasrohr oder eine andere Versorgungsleitung zu ermöglichen,
das bzw. die entweder im Durchgang 38 oder in einem Durchgang
von größerem Durchmesser, der durch Ausräumen des Durchgangs 38
gebildet wird, installiert wird. Der Teil des Durchgangs 38, der
von der Erdoberfläche zum Aushub 60 führt, wäre normalerweise
nicht erforderlich, um ein Gasrohr oder eine andere
Versorgungsleitung aufzunehmen, und fungiert lediglich als
Pilot-Eingangspassage für den Stabstrang 12 während des Bohrens.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen ein alternatives System, wobei
die folgenden Merkmale dargestellt sind:
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Detektormittel 150, vorzugsweise ein Luftspaltmagnetometer,
z.B. Typ LPM2, verfügbar von Thorn EMI Limited; ferner
Detektormittel 152, vorzugsweise eine Empfänger-Einheit
Typ RD300, verfügbar von Radiodetection Limited, mit zwei
Solenoidspulen übereinander; die Erdoberfläche ist bei 158
dargestellt; der Kopf 130 des Bohrkopfes 110; die Schrägfläche
132 am Kopf 130 und die Querbohrung, die den Permanentmagneten
134 enthält. Der Magnet 134 ist vorzugsweise ein Alnico-
Legierung-Typ, verfügbar von Buck & Hickman. Er ist 30
Millimeter lang und 10 mm im Durchmesser. Er liefert eine
Spitzen-Feldstärke von 10 Mikro-Tesla bei 0,3 Meter vom
Magneten. Die magnetische Achse verläuft quer zur Rollachse
140 des Bohrkopfes 110.
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Alternativ können Seltenerde-Magneten verwendet werden,
wie in der Zusammenstellung nach Fig. 1. Diese ergeben eine
Spitzen-Feldstärke von 100 Mikro-Tesla bei 0,3 m vom Magneten.
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Der Bohrkopf rotiert mit 20 Umdrehungen pro Minute,
das Feld variiert effektiv an der Erdoberfläche bei 0,3 Hz.
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Der Kopf 130 besteht aus zwei Teilen: dem Vorderteil aus
zähem Stahl, der die Schrägfläche 132 bildet, und einem
nichtmagnetischen Edelstahlträger 162 für weitere
Detektormittel in Form einer Sonde 166. Die Sonde 166 ist
vorzugsweise eine neu-gepackte Version einer kleinen Sonde,
verfügbar von Radiodetection Limited. Die Sonde 166 sitzt in
einem Querschlitz im Träger 162 und wird durch eine Hülse 167
gehalten. Die Sonde 166 hat die typischen Abmessungen 40 mm
x 40 mm x 13 mm und wird durch eine Gummihalterung abgestützt,
um sie gegen Stoßkräfte zu isolieren. Die Sonde 166 enthält
einstückig eingekapselte wiederaufladbare Batterien und sendet
ein elektromagnetisches Feld mit einer bevorzugten Frequenz
von 33 Kilohertz aus, obwohl ein Bereich von 8-125 kHz zur
Verfügung steht. Der Sender ist so ausgelegt, daß das Feld
um die Rollachse des Bohrkopf es herum gleichförmig ist.
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Das Magentometer 150 und der Empfänger 152 bilden
vorzugsweise eine einzige transportable Einheit. Der Ausgang
der Spulen 154, 156 wird verstärkt, gefiltert, um Interferenz
zu mildern, gleichgerichtet und an einem Drehspulenmesser
angezeigt. Der Ermittlungsbereich ist besser als 1,5 Meter.
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Die sensitive Achse 170 des Magnetometers 150 ist vertikal
angeordnet. Ein positives Spitzenansprechen ist gegeben, wenn
der Nordpol des Magneten 134 vertikal in Richtung auf das
Magnetometer 150 zeigt, und ein Null-Ansprechen wird erhalten,
wenn die Achse des Magneten 134 horizontal liegt. Die Figuren
7 bis 10 zeigen die Messerausgänge des Magnetometers 150,
wenn der Bohrkopf über 360º um seine Rollachse rotiert. Bei
Fig. 7 beginnend, mit der Magnetachse vertikal und dem Nordpol
zuoberst, ist der Messerausgang ein positives Maximum im
Uhrzeigersinn, entsprechend einer Start-Winkelposition von
0º. Fig. 8 zeigt den Messerausgang in der Skalenmitte, d.h.
Null, entsprechend einer 90º-Drehung. Fig. 9 zeigt den
Messerausgang beim negativen Maximum im Gegenuhrzeigersinn,
entsprechend einer 180º-Drehung. Fig. 10 zeigt den
Messerausgang in der Skalenmitte, d.h. Null, entsprechend
einer 270º-Drehung des Bohrkopfes.
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Der Ausgang vom Magnetometer wird verstärkt mit einem
wechselstromgekoppelten Verstärker mit einem Niederfrequenz-
Sperrpunkt bei 0,03 Hz. Die Wechselstromkopplung beseitigt
den großen Versatz, der durch die vertikale Komponente des
Erdmagnetfeldes verursacht wird. Der Verstärker hat eine
regelbare Verstärkung, und der Ausgang wird dem Mittelnull-
Drehspulenmesser zugeführt, der die Skalenanzeigen nach den
Figuren 7 bis 10 liefert.
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Wie die der Bohrkopf rotiert, so
fluktuiert der Messerausgang, wie bereits erläutert, wobei
die Nadel um die Mittelnull schwingt. Die Stärke des
Spitzenansprechens ist abhängig vom Abstand des Magneten 134
vom Magnetometer und von der Verstärkungseinstellung des
Verstärkers. Die Verstärkungseinstellung wird vorgenommen,
sobald die Schwingungen begonnen haben, bis die Messernadel
aus der vollen Gegenuhrzeigersinn-Stellung in die volle
Uhrzeigersinn-Stellung wandert. Durch Kenntnisnahme der Stellung
und Bewegungsrichtung der Nadel kann die augenblickliche
Winkelstellung der Schrägfläche 132 bestimmt werden. Die
Rotation des Bohrkopfes kann angehalten werden, mit der
Schrägfläche 132 in einer vorbestimmten Orientierung, so daß
ein anschließender Vorschub des Bohrkopfes ohne Rotation eine
gewünschte Änderung der Vorschubrichtung bewirkt.
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Die Planposition des Bohrkopfes wird bestimmt, indem
die transportable Einheit über den Boden geschwenkt wird.
Die Feldstärke des von der Sonde 166 ausgesandten
elektromagnetischen Feldes variiert mit dem Abstand so, daß
man, wenn ein Maximum-Ausgang vom Empfänger 152 her
beobachtet wird, weiß, daß sich der Empfänger über dem
Bohrkopf befindet. Die beiden Spulen 154, 156 ermöglichen es,
daß die Feldstärke und der Feldgradient gemessen werden, was
die Bestimmung der Tiefe des Bohrkopfes ermöglicht.
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Die Bestimmung der Planposition, Tiefe und Winkelstellung
des Bohrkopfes wird in aufeinanderfolgenden Intervallen
durchgeführt, vorzugsweise nachdem jeder neue Stab 136 zugefügt
ist. Während der Bestimmung wird die Luftzufuhr zum Bohrkopf
unterbunden, so daß der Bohrkopf nicht vorgetrieben wird.
Der Motor 118 läuft jedoch weiter, so daß der Bohrkopf noch
um seine Rollachse 140 rotiert.
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Wenn die Bestimmung beendet worden ist, dann macht der
Bohrkopf weiter wie vorher oder, wenn eine Korrektur seiner
Vorschubrichtung erforderlich ist, wird der Bohrkopf ohne
Rotation vorgetrieben, wobei die Bohrkopf-Winkelstellung um
die Rollachse 140 so eingestellt worden ist, daß die Schrägfläche
so ausgerichtet ist, daß sie eine erwünschte Korrektur der
Vorschublinie erzeugt. Das Ausmaß der erzielten Korrektur
wird bei der nächsten Positionsbestimmung überprüft und,
falls nötig, wird ein weiterer Vortrieb ohne Rotation
bewirkt u.s.w..
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems ist in den
Figuren 11 bis 14 dargestellt, bei dem zwei Magnetometer-
Detektoren den einzelnen Magnetometer-Detektor nach Fig. 5
ersetzen. Die Empfängereinheit 152 würde natürlich noch
verwendet.
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Diese Ausführungsform kann auch bei dem System verwendet
werden, das mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 beschrieben wurde,
indem vier Magnetometer-Detektoren verwendet werden, wobei
zwei Magnetometer-Detektoren an einer der Ecken des dreieckigen
Rahmens vorhanden sind. Die beiden Magnetometer-Detektoren sind
dicht beieinander direkt über der Magnetposition angeordnet.
Die beiden Detektoren sind so angeordnet, daß die sensitive
Achse des einen in einer vertikalen Richtung und die sensitive
Achse des anderen in einer horizontalen Richtung in der
Rotationsebene des Magneten liegt.
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Wenn der Bohrkopf (und somit der Magnet) rotiert, dann
wird das Signal von beiden Detektoren sinusförmig sein, aber
wegen der unterschiedlichen Orientierung der beiden Detektoren
gibt es eine 90º-Phasenverschiebung zwischen den Ausgängen, so
daß der eine Detektorausgang eine Sinusfunktion und der andere
Detektorausgang eine Kosinusfunktion beschreibt.
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Die Signale von den beiden Detektoren enthalten außerdem
eine Gleichstromkomponente, die sich aus der Einwirkung des
Erdmagnetfeldes und anderer magnetisierter Objekte in der Nähe
ergibt. Die Signale werden daher einer Signal-
Konditionierungseinheit zugeführt, welche die
Gleichstromkomponente herausfiltert, wobei lediglich die
sinusförmigen Komponenten der beiden Signale übrigbleiben. Die
Signale werden dann einer Wiedergabe- bzw. Anzeigevorrichtung
zugeführt, die aus einem Gleichstrom-Resolver besteht, der
einen Zeiger um eine runde Skala herum antreibt.
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Fig. 11 zeigt die Anordnung der Detektoren in bezug auf den
Bohrkopf. Die Ansicht des Bohrkopfes ist entlang der Längsachse
des Bohrkopfes mit querliegender magnetischer Achse. Wenn der
Bohrkopf rotiert, dann erzeugt der Magnet ein magnetisches
Wechselfeld an der Erdoberfläche. Wenn die Drehgeschwindigkeit
einigermaßen konstant ist, dann ändert sich das Magnetfeld an
der Erdoberfläche sinusförmig.
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Der Detektor B ist mit seiner sensitiven Achse in einer
vertikalen Richtung angeordnet, so daß bei rotierendem Magneten
der Ausgang vom Detektor einen positiven Spitzenwert hat,
wenn der Nordpol des Magneten in Richtung auf den Sensor
zeigt, und einen negativen Spitzenwert hat, wenn der Südpol
des Magneten in Richtung auf den Sensor zeigt.
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Zusätzlich zu diesem Wechselfeld wird der Detektor auch
auf die vertikale Komponente des Erdmagnetfeldes ansprechen.
Der sich daraus ergebende Ausgang vom Detektor ist in Fig. 2
dargestellt.
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Der Detektor A ist mit seiner sensitiven Achse in einer
horizontalen Richtung in der Rotationsebene des Magneten
angeordnet. Wenn der Kopf rotiert, dann hat der Ausgang von
diesem Detektor einen positiven Spitzenwert, wenn der Magnet
horizontal liegt, wobei sein Nordpol nach links zeigt, und
einen negativen Spitzenwert, wenn der Südpol nach links zeigt.
Zusätzlich zu dem Wechselfeld wird der Detektor auch auf die
horizontale Komponente des Erdmagnetfeldes ansprechen. Der
sich daraus ergebende Ausgang des Detektors A ist in Fig. 2
dargestellt.
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Die Ausgänge von den Detektoren A und B werden zwei
Konditionierungs-Einheiten zugeführt, welche die
Gleichstromkomponente herausfiltern und dann das Signal auf
den richtigen Pegel verstärken, um den Gleichstrom-Resolver
anzutreiben.
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Der Gleichstrom-Resolver weist zwei Spulen A und B auf,
die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei ein
Magnet um seine Mitte schwenkbar gelagert ist. Die Spule A wird
durch das Kosinussignal vom Detektor A angetrieben,und die
Spule B wird durch das Sinussignal vom Detektor B angetrieben.
Jede Spule erzeugt ein Magnetfeld proportional ihrem
Erregungsstrom, und das resultierende Feld ist die algebraische
Summe der durch A und B erzeugten Felder.
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Wenn die Spitzenamplituden der durch die Spulen A und B
erzeugten Felder die gleichen sind, dann ist die Resultierende
ein Konstantamplituden-Magnetvektor, der mit einer
Geschwindigkeit rotiert, die durch die Periode der
Erregungssignale bestimmt wird. Der rotierende magnetische
Vektor bewirkt somit, daß sich der schwenkbar gelagerte
Magnet dreht und die Rotation des Magneten im Kopf des
Bohrkopfes nachahmt. Ein Zeiger ist am Magneten im Resolver
befestigt, und die runde Skala zeigt die Winkelstellung des
Bohrkopfes an. Somit kann durch Stoppen der Rotation, wenn der
Kopf sich in einer gewünschten Stellung befindet, der Kurs des
Bohrkopfes erforderlichenfalls korrigiert werden.
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Die Vorteile dieser Technik bestehen darin, daß:
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1. Der Zeiger eine klare visuelle Anzeige für die
Orientierung des Bohrkopfes gibt;
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2. der Betrieb des Gleichstrom-Resolvers von den relativen
Amplituden der den Spulen A und B zugeführten Signale abhängig
ist, die gleichermaßen durch Änderungen in der Tiefe beeinträchtigt
werden. Es ist daher für den Operateur weniger notwendig,
die Signalamplitude genau einzuregeln, um eine genaue Anzeige
des Rollwinkels zu erlangen.