NO832346L - Optisk slepering. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår sleperinger og især optiske sleperinger.

Konvensjonelle sleperinger tillater overføring av elek-trisitet eller et elektrisk signal mellom en roterende anordning som eksempelvis en kabelvikling på en trommel som brukes ved brønnundersøkelser og en stasjonær anordning som eksempelvis mottagerenden under utføringen av brønnundersøkelsen.

En alternativ bruk kunne være overføring av kraft i en karu-

sell fra den midtre enhet som inneholder drivmotoren, til den roterende enhet som inneholder karusellsetene. Ved konvensjonelle sleperinger kan en børste benyttes for å overføre elek-trisiteten eller elektroniske signaler fra en stasjonær kilde til den roterende.

Med den seneste utvikling av optisk kominunikasjon, vil

det være ønskelig å ha en anordning og en fremgangsmåte for overføring av elektromagnetisk stråling mellom en stasjonær anordning og en roterende,anordning. Egnede eksempler for bruk av en optisk slepering er høyhastighets-turbininstrumen-tasjon, signaler for langsomme plattformføringer, signalover-føringer ved skillelinjen mellom bevegelige skrog og tårn, kontrollinstrumentasjon for karusellmotorer, skilleflater ved radarsokler, systemer for innsamling av seismiske data, ikke destruktiv testing av oljerørledninger, undervannskommunika-sjonssystemer, rotorkoblinger for helikoptere, brønnundersøk-elser o.l.

I motsetning til konvensjonelle sleperinger, må den elektromagnetiske stråling kunne opprettholdes i en fast stilling for mottakeren under antagelse av flere senderkilder,

dvs. optiske fibre eller flere kilder for elektromagnetisk stråling, dvs. lasere. Dette krav kompliserer fremstillin-

gen av en optisk slepering. Det ville således være høyst ønskelig å ha en innretning som kan overføre eller motta elektromagnetisk stråling mellom en roterende anordning og en stasjonær anordning mens den elektromagnetiske stråling faller inn på et fast punkt mellom anordningene. Det ville også

være ønskelig å ha en optisk slepering som er i stand til å sende og/eller motta flere kanaler, dvs. flere enn et par med sender- og mottakeranordninger.

Foreliggende oppfinnelse omfatter en innretning og en fremgangsmåte for overføring av ett eller flere elektromagnetiske strålingssignaler som utstråles fra en eller flere kilder mellom en stasjonær anordning og en roterende anordning. Oppfinnelsen omfatter bruken av en reflekterende anordning som er plassert mellom den stasjonære anordning og den roterende anordning og reflekterer det elektromagnetiske strålingssignal et ulike antall ganger og hvor den reflekterende anordning roterer med en vinkelhastighet som har et konstant forhold til vinkelhastigheten mellom anordningene.

På tegningen viser figur 1 en utførelse av oppfinnelsen hvor den optiske slepering er tilkoblet en kabel med flere optiske fibre, figur 2 viser et utspilt riss av en ut-førelse av den optiske slepering på .figur 1, og figur 3 viser et utspilt riss av en alternativ utførelse av den optiske slepering på figur 1.

Oppfinnelsen beskrives detaljert på grunnlag av utfør-elsen vist på figur 1. En anordning 10 er her vist for bruk ved seismiske eller andre undersøkelser av en oljebrønn eller andre bruksområder hvor det benyttes et roterende hjul med en fiberoptisk kabel. Innretningen 10 har støtter 12 som omfatter lagre 14 i hvilke en aksel 16 er montert. En trommel 18 er montert på akselen 16. Trommelen 18 danner roterende kilder for avspoling og oppspoling av en fiberoptisk kabel 20. Kabelen 20 inneholder en eller flere optiske fibre 22. Fibrene 22 kan tilkobles geofoner, undersøkelsesutstyr for oljebrønner eller standardanordninger for optisk kommunika-sjon e.l. Den fiberoptiske kabel 20 er festet til en side av sleperingen 30. En foretrukket metode for festing er å føre kabelen gjennom akselen 16 og inn til sleperingen 30. Sleperingen 30 er montert på en fast støtte 40 som er for-bundet med fundamentet 12 eller annen hensiktsmessig anordning for å holde sleperingen 30 i stilling. De ikke roter-bare optiske fibre 42 (ikke vist) er anordnet i den fiberoptiske kabel 44 som er festet til den optiske sleperings 30 faststående side.

Den optiske slepering 30 er vist tydeligere på figur 2. Den optiske slepering 30 omfatter en kilde 32 for elektromagnetisk stråling. Ved denne utførelse er kilden 32 enden av en optisk fiber 22 som har en lyskilde i motsatte ende. Egnede lyskilder er lysemitterende dioder, I.ED eller faststofflasere som eksempelvis gallium arsenid lasere o.l. Egnede LED og lasere kan leveres av Plessey Electronics i Storbritannia og Laser DiodeLaboratories, New Jersey. Enden av den optiske fiber er en egnet kilde hvor anvendelse kan tolerere et større krafttap i størrelsesordenen omtrent 10 dB. For å minimere tapene foretrekkes en optisk fiber med en dia-meter på omtrent 200^/n eller større. Kilden 32 roterer med trommelen 18. Turtallet er betegnet "w".

Den elektromagnetiske stråling fra kilden 32 fokuseres ved å passere gjennom en linse 34a.Linsen 34a er konstruert som en samlelinse for å fokusere en kilde til parallelle stråler. Egnede linser er plan-konvekse og dobbeltkonvekse samlelinser. Disse linser betegnes også som hyper-bolisk plankonvekse og dobbelt hyperboliske. En alternativ linse er en sfæroelliptisk linse. En dobbelt konveks samlelinse er vist på figur 2 som linsen 34a. Alternativt kan hver kilde 32 ha en separat linse 34a for å samle den elektromagnetiske stråling.

Den fokuserte stråling fra linsen 34a overføres gjennom en reflektoranordning 36, eksempelvis et Dove-prisme.

Den elektromagnetiske stråling som trenger gjennom flaten 36a reflekteres fra flaten 36b og trenger ut gjennom falte 36c.

Reflektoranordningen må reflektere lyset et ulike antall ganger og rotere med en hastighet som har et konstant forhold til den roterende strålingsanordnings 32 vinkelhastighet. Reflektoranordningen er konstruert slik at den har tilstrekkelig størrelse til å samle alle elektromagnetiske strålingssignaler som fokuseres av linsen fra kilden. Andre egnede eksempler for en reflektoranordning ville være et "K"-prisme, et Pechan prisme eller Schmidt-prisme og lignende. K-prisme og Schmidt-prisme har hhv. tre og fire reflekser. Alternativt kan den reflekterende anordning ha utformingen som prismene 3, 5, 7 og 9, slik det er vist i Applied Optics and Optical Engineering, Vol. III, med tittelen "Optical Components", kap. 7, Mirror and Prism Systems, section VI, classification of Prisms, sider 302-303, Academic Press,

New York 1965, skrevet av R. Kingslake. De reflekterende an ordninger kan også være bueformede speil, torodiale speilpris-mekombinasjoner og lignende. Dove-prisme foretrekkes. Egnede Dove-prismer kan leveres fra Melles Griot Company.

For å holde det elektromagnetiske signal i en stasjo-

nær stilling i forhold til mottaksanordningen 32, må den re- ^^~flekterende anordning som eksempelvis Dove-prisme, rotere med en hastighet som er w/2 i forhold til kildens 32 rotasjon. Rotasjonen kan oppnås av en motor og tannhjulsdrivanordning

38, eller, noe som ikke er vist, enhver standard reduksjons-veksel som driver prismets rotasjon fra den roterende trommel 18 og reduseres slik at Dove-prismet 36 roterer med en hastighet som er w/2.

Det elektromagnetiske strålingssignal som trenger ut

fra prismets 36 flate 36c fokuseres mot enden av mottaksanordningen 42 av linsen 34b. Linsen 34b er konstruert for å fokusere parallelle stråler til et fokuseringspunkt ved mottaksanordningen 42. Egnede linser er plankonvekse linser for konvergering av lys, dobbeltkonvekse linser o.l.

Mottaksanordningen 4 2 kan alternativt og fortrinnsvis være fotodioder, som eksempelvis PIN-dioder, fototransistorer, fotoforsterkerrør o.l. Disse mottaksanordninger ville kreve overføring av det elektriske signal som utvikles fra mottaksanordningen for å overføres dette tilbake til et elektromagnetisk strålingssignal som skal sendes i en optisk fiberkabel 44. En egnet overføring er omtalt i US-søknad 174 974,

4. august 1980 og som er offentlig tilgjengelig ved EPO-

søknad 0 045 585 i sin helhet. Alternativt kunne det elektriske signal overføres gjennom en kabel til et bearbeidings-senter. StEålingsanordningen og mottaksanordningen har fortrinnsvis samme størrelse. Imidlertid er strålingsanordnin-gens og mottaksanordningens størrelser begrenset av den reflekterende anordnings akseptable vinkel.

En alternativ utførelse av oppfinnelsen er vist på

figur 3 for bruksområder hvor det ikke kan tolereres store tap ved en optisk slepering fiber mot fiber. Dette er den foretrukne utførelse for de fleste bruksområder. Kilden 52

er en LED eller faststofflaser. Lyset fra fibrene 22 støter mot en fotodiode og omformes til et elektrisk signal som for-bindes med en forsterker som driver LED eller laserkilden 52.

formet til et elektromagnetisk strålingssignal ved modulering av kilden 52 for overføring gjennom den reflekterende anordning .

Det elektromagnetiske strålingssignal fra kilden 52 fokuseres av linsen 54a til parallelle stråler. Linsen 54a som er vist er en lett kollimerende plankonveks linse. Der-etter trenger det elektromagnetiske strålingssignal mot den reflekterende anordning 56 gjennom flaten 56a og reflekteres av flaten 56b hvoretter det trenger ut gjennom flaten 56c. Dove-prismetroterer ved en hastighet som er w/2 av trommelens 18 rotasjonshastighet. Rotasjonsanordningen 58 er den samme som rotasjonsanordningen 38 på figur 1.

Det elektromagnetiske strålingssignal som stråler ut fra flaten 56c fokuseres mot mottaksanordningen 62 av linsen 54b. Den viste linse 54b er en plankonveks linse. Imidlertid er enhver fokuseringsanordning som er i stand til å fokusere parallelle stråler mot mottaksanordningen 62, aksep-tabel. For å maksimere det overført signals renhet, bør linsene være konstruert slik at uvedkommende støy fra alle kilder minimeres.

Ved denne utførelse er mottaksanordningen 62 en fotodiode, en fotodiode med lavineeffekt, en PIN-diode e.l. Fotodioden omformer det elektromagnetiske signal til et elektrisk signal som forsterkes i forsterkeren 66 som med tråden 68 er tikoblet for å drive en LED eller laser 70. Lyset fra LED eller laseren føres tilbake i et optisk fiber 74 for utsending. Alternativt kan det elektriske signal fra fotodioden 62 eller forsterkeren 66 overføres i en standard elektrisk kabel. En egnet kombinasjon fotodiode/LED er beskre-vet i den tidligere nevnte EPO-søknad 0 045 585. Især kan den optiske fibersender type SPX 4140 og -mottaker SPX 3620 benyttes, fra Spectronics Division of Honeywell.

Eventuelt kan, da lyset reflekteres et ulike antall ganger, eksempelvis 1, 3 eller 5 o.l., speilbildet reverseres i ett plan kun og derfor kan ytterligere standard optikk, ikke vist, benyttes på mottakssiden 62 for å reversere rotasjonen i rotasjonsplanet. Et annet valg er å reversere kilden og mottakeren, dvs. at mottakeren roterer og kilden er faststående. En ytterligere mulighet er å overføre de elektriske signaler til elektromagnetiske strålingssignaler for sending gjennom de reflekterende anordninger. Den optiske slepering kan benyttes for enhver kombinasjon av elektriske signaler til elektriske signaler, elektromagnetiske strålingssignaler til elektriske signaler, elektromagnetiske strålingssignaler til elektromagnetiske strålingssignaler eller elektriske til elektromagnetiske strålingssignaler for sending mellom en roterende kilde og en faststående kilde.

Oppfinnelsen frembringer en kompakt, solid anordning for å overføre enten et elektrisk signal eller elektromagnetisk strålingssignal fra en roterende kilde til en stasjonær kilde. Den optiske slepering vil kunne brukes på ethvert område hvor et signal må overføres fra en stasjonær kilde til en roterende kilde. Den optiske slepering tillater overfør-ing av flere signaler fra en roterende kilde til en stasjonær kilde. I motsetning til en konvensjonell slepering med en bestemt frekvensgrense på 30 - 40 megabits eller 80 MHz, har innretningen ingen øvre frekvensgrenser, bortsett fra send-erne, mottakerne og de optiske fibre som benyttes ved frem-stillingen av den optiske slepering. Oppfinnelsen er beskre-vet detaljert på grunnlag av foretrukne utførelser, idet det er underforstått at variasjoner og modifikasjoner kan utføres innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (19)

1. Innretning for utsending av et elektromagnetisk strålingssignal mellom en roterende anordning og en stasjonær anordning, karakterisert ved at den har minst én strålingsansordning for utstråling av elektromagnetiske strålingssignaler, andre fokuseringsanordninger for fokusering av de parallelle strålingssignaler til et fokuseringspunkt, mottaksanordninger anordnet parvis med hver strålingsanordning for mottak av de elektromagnetiske strålingssignaler, idet mottaksanordningene er anordnet ved de andre fokuseringsanordningers fokuseringspunkt, og reflekterende anordninger mellom de første fokuseringsanordninger og de andre fokuseringsanordninger, idet de reflekterende anordninger frembringer et ulike antall refleksjoner i banen for overføringen av signalene fra senderanordningen til mottaker-anordningen og de reflekterende anordninger roterer med en vinkelhastighet som har et konstant forhold til den roterende anordnings vinkelhastighet.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at den reflekterende anordning er valgt fra den gruppe som består av et Dove-prisme, et K-prisme, et Schmidt-prisme eller et prisme som har et ulike antall indre refleksjoner under overføringen av det elektromagnetiske strålingssignal.

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at den første fokuseringsanordning er en samlelinse og den andre fokuseringsanordning er en konvergerende linse.

4. Innretning ifølge krav 3, karakterisert ved at strålingsanordningen er en lysutstrålende diode, en faststofflåser, et optisk fiber eller kombinasjoner av disse.

5. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at mottaksanordningen er en PIN-diode, en fototran-sistor, en fotodiode med lavineeffekt, en optisk fiber eller en kombinasjon av disse.

6. Innretning ifølge krav 5, karakterisert ved at den reflekterende anordning er et Dove-prisme.

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at Dove-prismet roterer ved en hastighet på W/2.

8. Innretning ifølge krav 1 eller 7, karakterisert ved at strålingsanordningen er anordnet på en roterende anordnings ende av innretningen og mottaksanordningen befinner seg på den stasjonære anordnings ende av innretningen .

9. Innretning ifølge krav 1 eller 7, karakterisert ved at mottaksanordningen befinner seg på den roterende anordnings ende av innretningen og strålingsanordningen befinner seg på den stasjonære anordnings ende av innretningen.

10. Innretning ifølge krav 1 eller 7, karakterisert ved at både innretningens stasjonære anordnings ende og roterende anordnings ende har strålingsanordning og mottaksanordning.

11. Innretning ifølge krav 1 eller 7, karakterisert ved at den roterende anordnings ende og den stasjonære anordnings ende begge har par med kabler som er valgt fra gruppen som består av optiske fibre, elektriske kabler eller kombinasjoner av disse.

12. Fremgangsmåte for overføring av et elektromagnetisk strålingssignal fra en roterende kilde til en stasjonær kilde, karakterisert ved å utvikle et elektromagnetisk strålingssignal, å fokusere det elektromagnetiske strålingssignal til parallelle strålingssignaler, å overføre det fokuserte elektromagnetiske strålingssignal gjennom en reflekterende anordning som har et ulike antall refleksjoner, å fokusere det elektromagnetiske strålingssignal mot en mottaker, og å rotere den reflekterende anordning ved en vinkelhastighet som holder et konstant forhold til den roterende kildes vinkelhastighet.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at den reflekterende anordning er et Dove-prisme.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at Dove-prismet roterer ved en hastighet som er W/2.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at signalet først fokuseres med en samlelinse og fokuseres mot mottakeren med en konvergerende linse.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at de elektromagnetiske strålingssignal utvikles ved den roterende kilde.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at de elektromagnetiske strålingssignal utvikles ved den stasjonære kilde.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at det elektromagnetiske strålingssignal utvikles ved begge kilder og at begge kilder kan motta signaler som er utviklet ved den motstående kilde.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 16-18, karakterisert ved at flere elektromagnetiske strålingssignaler utvikles.