Title:
Sensorsystem und Verfahren zur räumlichen Verlaufsmessung eines Bohrlochs
Kind Code:
A1
Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem (1) zur räumlichen Verlaufsmessung eines Bohrlochs (2), insbesondere einer Erdwärmesonde (EWS) (3). Um den Verlauf von Bohrungen mit kleinem Durchmesser messen zu können, wird vorgeschlagen, dass mittels eines inertialen Messsystems (4), mit 3-achsigen Beschleunigungsgeber Beschleunigungsgeber (5), es je Messachse (6, 7, 8) ein Integralglied (9), zur Bildung eines Geschwindigkeitssignals (10) und je Messachse (6, 7, 8) ein weiteres Integralglied (11) zur Bildung eines Wegsignals (12) aufweist. Zusätzlich weist das Sensorsystem einen dreiachsigen Drehratengeber (13) auf. Der Bezug zum Weltkoordinatensystem wird, weist es einen zusätzlichen Magnetfeldsensor (14) zur Referenzbildung zur Umwelt auf.



Inventors:
Linder, Philipp (76137, Karlsruhe, DE)
Meier, Simeon (76131, Karlsruhe, DE)
Application Number:
DE102016103166A
Publication Date:
08/24/2017
Filing Date:
02/23/2016
Assignee:
enOware GmbH, 76131 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE19505855C1N/A1996-02-08
DE3135743C2N/A1984-12-06
DE2701394A1N/A1978-07-20
Foreign References:
38624991975-01-28
EP16007492005-11-30
Other References:
EBERHARD, Mark ; SACHS, Oliver: Qualitätssicherung Erdwärmesonden: Lage, Effizienz und Qualität der Hinterfüllung. In: HK-Gebäudetechnik, Bd. 10, 2012, H. 8, S. 34-36. - ISSN 1016-5878
Eberhard, Mark ; SACHS, Oliver: DeepDrifter - neues räumliches Vermessungssystem von bestehenden Erdwärmesonden. In: Umwelttechnik Schweiz, Bd. 48, 2012, H. 10-11, S.13-14. - ISSN 1421-8615.
Geologische Untersuchungen von Baugrundhebungen im Bereich des Erdwärmesondenfeldes beim Rathaus in der historischen Altstadt von Staufen i. Br. - Sachstandsbericht, Az.: 94-4763//10-563, 01.03.2010. Ausg.: März 2010. Freiburg i. Br.: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, 2010. 304 S.
Attorney, Agent or Firm:
Mierswa Hamel Vonnemann Rechts- und Patentanwälte, 68161, Mannheim, DE
Claims:
1. Sensorsystem (1) zur räumlichen Verlaufsmessung eines Bohrlochs (2), insbesondere einer Erdwärmesonde (EWS) (3), dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines inertialen Messsystems (4), mit 3-achsigen Beschleunigungsgeber (5), es je Messachse (6, 7, 8) ein Integralglied (9), zur Bildung eines Geschwindigkeitssignals (10) und je Messachse (6, 7, 8) ein weiteres Integralglied (11) zur Bildung eines Wegsignals (12) aufweist.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich einen dreiachsigen Drehratengeber (13) aufweist.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen zusätzlichen Magnetfeldsensor (14) zur Referenzbildung zur Umwelt aufweist.

4. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalprozessor (18) vorgesehen ist zur Umrechnung der Signale aus dem Sensorkoordinatensystem (19) in ein ortsfestes Koordinatensystem (20).

5. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensorsysteme (1) in vorgegebenem Abstand (27) vorgesehen sind, deren Messsignale (26) zu einem Mittelwert verarbeitet werden.

6. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (1) ein hydrostatisches Druckmesssystem (48) aufweist, das ein Teufenreferenzsignal erzeugt zur Generierung von Stützstellen (44) und/oder das Sensorsystem (1) energieautark und/oder kabellos ausgebildet ist.

7. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quartionenbildner (28) und eine Quartionenverarbeitungseinheit (29) vorgesehen ist.

8. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse (30) aufweist, das zyklisch über einen Bypass (47) umwälzbar in einer EWS ausgebildet ist.

9. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taktgeber (31) vorgesehen ist zur getakteten Ermittlung von Messwerten (32) und/oder eine lösbare Klemmvorrichtung (46) zur Arretierung des Messmolches (45) an Stützstellen (44).

10. Verfahren zum Vermessen des räumlichen Verlaufs einer Bohrung, vorzugsweise eines Rohres einer Erdwärmesonde, dadurch gekennzeichnet, dass als physikalische Größe in jeder Achsrichtung eines 3-achsigen, kartesischen Sensorkoordinatensystem eine Beschleunigung beim Durchfahren der Bohrung gemessen und den Messwerten ein Zeit- oder Teufenstempel zugeordnet wird und anschließend mittels doppelter Integration nach der Zeit die räumliche Bewegung bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als physikalische Größe in jeder Achsrichtung eines 3-achsigen, kartesischen Sensorkoordinatensystem eine Drehrate gemessen wird und den Messwerten ein Zeitstempel zugeordnet wird und anschließend mittels doppelter Integration nach der Zeit die Winkellage des Sensors bestimmt wird und/oder das Signal eines Magnetfeldsensors als Referenz zum Kalibrieren des Sensorsystems vorzugsweise in Stützstellen dient und/oder ein Magnetfeldvektor gemessen wird und daraus der Bezug zum Referenzkoordinatensystem bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Messung eine erneute Kalibrierung und/oder Kompensation von Temperatur- und Anomalieeinflüssen vor jeder Messung erfolgt und/oder die Erdbeschleunigungskomponete von den Relativbeschleunigungen substrahiert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Stützstellen 44 eine Drift der Messwerte ermittelt wird und Ausgangsgröße der zweiten Integration ein um die Sensordrift bereinigte Geschwindigkeit verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartigen Systeme in Form einer Kette zur räumlichen Vermessung des Bohrlochverlaufs verwendet werden und deren Messergebnisse gemittelt werden oder das Sensorsystem im Kreislauf einer Erdwärmesonde sich zyklisch bewegt und die dabei ermittelten Messwerte der Verläufe gemittelt werden.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem und ein Verfahren zur räumlichen Verlaufsmessung eines Bohrlochs, insbesondere einer Erdwärmesonde EWS, mittels eines inertialen Messsystems, mit mindestens einem 2-achsigen, vorzugsweise 3-achsigen Beschleunigungsgeber.

Beim Bohren und Einsetzen von Erdwärmesonden kann es zu ungewollten Abweichungen des Bohrgestänges kommen. Diese Abweichungen können von der Bohransatzstelle nicht ohne erheblichen technischen Aufwand zurückverfolgt werden. Lediglich bei Bohrungen im petrochemischen Umfeld sind derartige Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Die Übertragung auf EWS scheitert aber aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser, die sich um etwa eine Größenordnung unterscheiden.

Nicht zu wissen, wo genau sich eine Erdwärmesonde befindet kann in verschiedenen Fällen zu technischen Problemen sowie wirtschaftlichen, rechtlichen oder ökonomischen Nachteilen führen. Bei der Erweiterung eines Sondenfeldes sowie bei begrenztem Raum ist das Wissen über die genaue Lage der Sonden von großem Vorteil. Beim Ausbau einer bestehenden Anlage kann durch ein Vermessen der Lage verhindert werden, dass durch nahe beieinander liegende Sonden, diese thermisch beeinflusst werden. Durch eine thermische Beeinflussung der Sonden untereinander, sinkt die Effizienz. Das Wissen um die exakte Lage hilft dem Planer und Betreiber und gewährleistet mehr Sicherheit im Betrieb einer EWS. Die Erweiterung eines EWS Feldes wird sicherer und verhindert u. a. auch, dass eine bestehende Sonde angebohrt wird.

Wenn beim Bohren für eine Erdwärmesonde zwei Grundwasserleiter durchbohrt werden, kommt es bei unzureichend dichter Hinterfüllung des Bohrraumes zu Ausgleichsströmungen der Grundwasserleiter. Hierbei können Wasserqualität sowie Temperatur beeinflusst werden. Ein weiterer Problemfall ist das Durchbohren von Grundwasserleitern und wasserisolierenden Schichten, die ohne Eingriff, eine Verbindung von wasserführenden Schichten mit Anhydrit Schichten verhindern. Durch eine Verbindung kommt es mitunter zu geologischen Verschiebungen des Bodens und des darüber befindlichen Gesteins.

Der Rückbau ist ohne ein genaues Wissen der Lage der Erdwärmesonde sehr aufwendig, für den Betreiber ggf. auch sehr teuer und nicht mit Sicherheit durch den Bohrfachbetrieb durchführbar. Wird beim Rückbau durch eine Abweichung neben der bestehenden Sonde gebohrt, können weitere Fehlstellen entstehen. Mit der Kenntnis des Sondenverlaufes kann mittels Richtbohrtechnik ein deutlich effizienterer Rückbau von Erdwärmesonden durchgeführt werden.

Bohrungen im Erdreich oder in Felsen müssen oft einen genau vorgeschriebenen Verlauf haben. Vielfach ergibt sich die Notwendigkeit, eine Bohrung überprüfen zu müssen, wie sie liegt, ob ihr Verlauf die vorgegebene Richtung und Lage hat, und falls nicht, wie groß die Abweichung ist.

Es gibt mehrere in der Petrochemie bekannte Messmethoden.

Nach einem bekannten Verfahren werden z. B. mit Kompass und Lot ausgerüstete Messsonden, die an einem Kabel befestigt sind, in das Bohrloch eingefahren. Die räumliche Lage, die die Messsonde zu jeder Zeit hat, wird durch zwei Winkel, den Azimutwinkel gegen die Nordrichtung und den Neigungswinkel gegen die Vertikale festgelegt. Die Messwerte dieser kontinuierlich gemessenen Winkel werden bei den bekannten Verfahren kontinuierlich über das Kabel auf einen Schreibstreifen, der synchron zur gefahrenen Kabellänge läuft, übertragen und aufgezeichnet. Da die räumliche Lage der Messsonde mit dem Verlauf des Bohrlochs übereinstimmt, kann auf diese Weise kontinuierlich Neigung und Azimut des Bohrlochverlaufs bei der entsprechenden Kabellänge registriert werden.

Der Bohrlochverlauf selbst wird in Schritten nach einem Näherungsverfahren aus Neigung, Azimut und Bohrlochteufe berechnet. Die Bohrlochteufe entspricht dabei der Kabellänge.

Ein wesentlicher Nachteil besteht aus dem komplizierten Aufbau. Magnet- oder Kreiselkompass, Pendel, Kreiselantrieb, Kamera, usw. lassen sich nicht beliebig verkleinern, sie beanspruchen auch bei der extremsten Miniaturisierung einen nicht unerheblichen Platz bzw. Mindestdurchmesser.

Aus der DE 27 01 394 A1 ist eine weitere Messsonde bekannt. Um all die o. g. Nachteile mit einem grundsätzlich anderen Messverfahren auszuschalten, wurde eine Vermessungssonde vorgeschlagen, die geeignet ist, alle nicht senkrechten oder beinahe senkrechten Bohrungen zu vermessen.

Die Sonde besteht aus drei schweren Kugeln, wobei die drei Kugeln, falls die Bohrung gerade ist, genau hintereinander liegen. Sollte die Bohrung eine Krümmung haben, werden die drei Kugeln nicht mehr genau hintereinander stehen. Daraus lässt sich dann der Verlauf bestimmen.

Zwei Sätze von Beschleunigungsmesser-Ausgangssignalen, die Schwerkraft-Vektorkomponenten in Positionen darstellen, die entlang der Achse des Bohrloches beabstandet sind, werden benutzt, um die Bohrlochneigung in jeder Position sowie die Änderung im Bohrloch-Azimutwinkel zwischen den Positionen der Beschleunigungsmessersätze abzuleiten. Die Beschleunigungsmessersignale werden zusammen mit einem Signal, das die Position der Sonde längs des Bohrloches darstellt, gemischt, um eine dreidimensionale Darstellung des Bohrlochverlaufes hinsichtlich eines Bezugspunktes zu liefern, der das Ende des Bohrloches an der Oberfläche ist.

Die US-PS 38 62 499 zeigt ein Bohrlochvermessungsgerät mit Beschleunigungsmessern, die die Inklination messen, und einen Magnetometer, der zusammen mit den Beschleunigungsmessern den Azimut bestimmt.

Aus der DE 195 05 855 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von insbesondere abgelenkten Bohrungen bekannt, bestehend im Wesentlichen aus einer in einem sondenartigen Gehäuse angeordneten und beispielsweise über ein Bohrlochmesskabel im Bohrloch verfahrbaren, inertialen Sensoreinheit. Die Sensoreinheit weist mindestens zwei Beschleunigungsaufnehmer und mindestens einen Kreisel als Sensoren auf. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist in dem Gehäuse mindestens die Spannungsversorgung, die Kreiselelektronik und die Signalverarbeitung aufnehmende Elektronikeinheit vorgesehen. Die drei orthogonal angeordneten, statischen Beschleunigungsaufnehmer und zwei, jeweils zwei Messachsen aufweisende Kreisel aufnehmende Sensoreinheit sind in einer um die Längsachse des Gehäuses drehbar gelagerten inneren Hülse angeordnet. Ein Kreisel ist um 180° klappbar ausgebildet.

Aus der DE 3135743 C2, von der die Erfindung ausgeht, ist eine Vorrichtung zum Vermessen von insbesondere abgelenkten Bohrungen bekannt, die im Wesentlichen aus einer in einem sondenartigen Gehäuse angeordneten und beispielsweise über ein Bohrlochmesskabel im Bohrloch verfahrbaren, inertialen Sensoreinheit besteht, die mindestens zwei Beschleunigungsaufnehmer und mindestens einen Kreisel als Sensoren aufweist.

Aus der DE 3135743 C2 ist eine andere Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Bohrloches, eines Grubenschachtes o. dgl. bekannt, um dessen Verlauf zu bestimmen. Eine Sonde mit zwei beabstandeten Sätzen von Beschleunigungsmessern misst Komponenten des Schwerkraftvektors entlang orthogonalen Achsen in aufeinander folgenden Positionen entlang des Bohrloches. Die beiden Sätze der Beschleunigungsmesser sind durch einen Verbinder, wie beispielsweise ein Rohr oder ein Seil, zusammengefügt, der flexibel gegenüber einer Biegung ist und sich durch Torsionssteifheit auszeichnet. Die Winkelorientierung der beiden Beschleunigungsmessersätze zueinander um die Bohrlochachse wird durch den Verbinder so festgelegt, dass jede Differenz in der Orientierung der beiden Sätze eine Funktion des lokalen Verlaufes des Bohrloches ist.

Derartige Verfahren können wegen der quasi statischen Wirkungsweise der Inklinometer nur durch Anhalten der Messeinrichtung an einer Anzahl von Punkten durchgeführt werden. Eine wesentliche Verbesserung und Erleichterung stellt deshalb ein System dar, dass während der Bewegung Messdaten aufzeichnen kann. Hierzu eignet sich in besonderem Maße die Inertialtechnik.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vermessen von Bohrungen zu schaffen, die aus sich heraus alle notwendigen Messinformationen mit hoher Genauigkeit liefert und während der Bewegung Messdaten auch in Leitungen von Erdwärmesonden (EWS) mit weniger als 25 mm Bohrungsdurchmesser aufzeichnen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem zur räumlichen Verlaufsmessung eines Bohrlochs, insbesondere einer Erdwärmesonde EWS, löst die Aufgabe dadurch, dass mittels eines inertialen Messsystems, d. h. einem körpergebundenen auf einen Messmolch bezogenen, 3-achsigen Beschleunigungsgeber, es je Messachse ein Integralglied, zur Bildung eines Geschwindigkeitssignals und je Messachse ein weiteres Integralglied zur Bildung eines Wegsignals, aufweist.

Wird zum Herablassen der Sonde ein torsionssteifes aber biegeweiches Seil verwendet und dieses während des Herablassens in Bezug zum Azimut invariabel gehalten, so lässt sich durch Integration der Beschleunigungssignale nach der Zeit zunächst die Geschwindigkeit und dann auch die Abweichung von der Vertikalen bestimmen und über den Ort der Messsonde bzw. deren Tiefe auftragen. Dazu ist notwendig, dass die Tiefe beim Herablassen durch eine Wegmessung des Seiles mit protokolliert wird und diese Informationen mit den Meßsignalen in Beziehung gesetzt wird.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sonde zusätzlich einen dreiachsigen Drehratengeber aufweist. Mit Vorteil kann bei dieser Ausgestaltung auf ein torsionssteifes Seil verzichtet werden. Auch wenn sich die Sonde beim Herablassen im Bohrloch verdreht, so wird diese Verdrehung gemessen und aus den Messwerten herausgerechnet, um die ortsabhängige Lage des Bohrlochs relativ zum Azimut zu bestimmen.

Durch die Verbindung des jeweils dreiachsigen Beschleunigungssensors und des Gyroskaps ergibt sich ein sogenanntes Inertialmesssystem (IMU). Dieses ist in der Lage, die sechs Freiheitsgrade einer starren Masse vollständig zu erfassen. Hierbei werden Beschleunigung und Drehrate im Inertialsystem des Sensors gemessen. Diese Daten können so miteinander korreliert und verrechnet werden, dass sich daraus Positionsdaten ermitteln lassen. Ein Nachteil eines IMU liegt in der Abweichung des Drehratensignals mit der Zeit, da durch die Rotationsübersetzung in andere Ebenen eine geringe Signalabweichung entsteht. Ursache dieser Abweichung sind mikroskopische Unebenheiten in der Fertigung der Strukturen, sowie die durch Dämpfung der Substratbrücken hervorgerufene Abschwächung der Vibration.

Das Gyroskop misst Relativdrehungen [°/s] mithilfe eines aktiv angeregten Schwingungsgitters. Dieses ist dreidimensional flexibel, wobei in den beiden passiven, nicht angeregten Achsen durch Veränderung der Kapazitäten der Messgitter, die Schwingungsauslenkung gemessen wird. Durch die Erhaltung des Drehmoments in einem abgeschlossenen System wird bei Drehung aus der Primärachse heraus durch die Corioliskraft das umgekehrte Drehmoment auf die Achse übertragen, in welche sich der Drehimpulsvektor hineinbewegt. Dies gilt auch für die Übersetzung von Schwingungen um eine Achse, wie es bei MEMS Gyroskopen angewandt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sonde einen zusätzlichen Magnetfeldsensor zur Referenzbildung zur Umwelt aufweist. Alle Messwerte werden zunächst in einem sensoreigenen Koordinatensystem erfasst. Will man deshalb den ermittelten Verlauf der Bohrung in einem erdfesten Koordinatensystem darstellen, so muss eine Referenz zu diesem erdfesten Koordinatensystem geschaffen werden. Erfindungsgemäß wird zur Referenzbildung das Erdmagnetfeld herangezogen. Zu dessen Messung dient der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor. Aus den Daten des Magnetfeldsensors lässt sich die notwendige Korrektur der Sensordaten mit bekannten Rechenverfahren ermitteln, so dass der Verlauf der Bohrung auch in einem erdfesten Koordinatensystem darstellbar ist. Der ermittelte Vektor des Erdmagnetfeldes wird so mit anderer Meßstechnik als Referenz verwendet.

Das System kann mit Vorteil auch zur Vermessung üblicher Bohrungsdurchmesser von Erdwärmesonden benutzt werden, die meist einen Durchmesser von 20 mm aufweisen, wenn die Beschleunigungsgeber als mikroelektromechanische Sensoren ausgebildet sind (MEMS).

Mit Vorteil lässt sich die Messfrequenz erhöhen und die Messgenauigkeit verbessern, wenn zur Verringerung der Datenmenge ein Signalvorprozessor vorgeschaltet ist.

Dem gleichen Zweck dient die Maßnahme, dass der Beschleunigungssensor und der Drehratensensor kombiniert sind und das Magnetometer getrennt als Baustein ausgebildet ist.

Eine weitere Miniaturisierung lässt sich mit Vorteil erreichen, wenn ein Signalprozessor vorgesehen ist, zur Umrechnung der Signale aus dem Sensorkoordinatensystem in ein ortsfestes Koordinatensystem. Die Daten liegen in der in der Sonde bereits als Werte eines erdfesten Koordinatensystems vor. Dadurch verringert sich mit Vorteil der benötigte Speicherplatz. Die erreichte Datenreduktion liegt bei ca 30%.

Die Maßnahme, dass ein Datenspeicher vorgesehen ist, zur Speicherung einer Vielzahl von Messverläufen und ein Prozessor zur Mittelwertbildung der Messverläufe vorgesehen ist, erlaubt eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit.

Das Potenzieren von Signalstörungen durch die Integration hat weniger Einfluss auf die Messergebnisse, wenn ein Hochpass- und/oder Tiefpass-Filter zur Filterung der Messsignale vorgesehen ist.

Zusätzliche Verbesserungen der Messgenauigkeit lassen sich durch Mittelwertbildung erreichen, wenn mehrere Sensorsysteme in vorgegebenem Abstand vorgesehen sind, deren Messsignale zu einem Mittelwert verarbeitet werden oder wiederholte Messfahrten in einem Beobachtungsraum zusammengefasst werden.

Die Messung des Bohrlochverlaufes lässt sich wesentlich bequemer und genauer gestalten, wenn das Sensorsystem ein hydrostatisches Druckmesssystem aufweist, das ein Teufenreferenzsignal erzeugt zur Generierung von Teufenstützstellen und/oder das Sensorsystem (1) energieautark und/oder kabellos ausgebildet ist. Die Messdaten werden dann innerhalb der Sonde gespeichert und können induktiv aus der Sonde ausgelesen werden. Die Versorgung der Sensoren übernehmen Akkumulatoren innerhalb der Sonde, die sich induktiv laden lassen. An festen von dem hydrostatischen Druckmesssystem in vorgegebenen Tiefen erzeugten Teufenstützstellen wird die momentane Lage des Messmolches mittels des Sensorsystems ermittelt und die dabei ermittelte Teufe mit der des hydrostatischen Druckmessystems verglichen und ggf. korrigiert.

Wenn ein Quartionenbildner und eine Quartionenverarbeitungseinheit vorgesehen sind, lassen sich die im sensoreigenen Koordinatensystem ermittelten Messwerte mit besonders wenigen Rechenschritten in das erdfeste Koordinatensystem überführen. Da der Rechenaufwand geringer ist, kann dadurch auch vorteilhaft die Messfrequenz erhöht werden. Das Ergebnis ist eine höhere Messgenauigkeit des Bohrlochverlaufs. Die Verwendung der Quartionenmathematik weist als Vorteil gegenüber den sonst verwendeten Eulerwinkeln eine höhere Stabilität auf.

Eine Mittelwertbildung der Messwerte wird auch ermöglicht, wenn das Sensorsystem ein Gehäuse aufweist, das zyklisch in einer EWS umwälzbar ausgebildet ist. Bei jedem Umlauf durch das Rohrsystem der EWS kann dann der Bohrlochverlauf gemessen werden. Die Messwerte jedes Umlaufs werden danach gemittelt, um zu einer höheren Genauigkeit des Verlaufs zu gelangen. Dazu ist das Gehäuse vorzugsweise als Kugel oder oblongartig ausgebildet.

Ein vorgesehener Taktgeber dient zur getakteten Ermittlung von Messwerten in vorzugsweise gleichen Zeitabständen oder gleichen Teufenabständen. Mit Vorteil erfolgt vor jeder Messung eine erneute Kalibrierung. Von Vorteil ist dabei, wenn der Messmolch in seiner Lage in dem Bohrloch lösbar in seiner Lage arretiert wird, sodass vor der eigentlichen Messung der Messmolch automatisch arretiert werden kann. Eine dadurch entstehende Stützstelle kann zur Neukalibrierung des Sensorsystems genutzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Vermessen des räumlichen Verlaufs einer Bohrung, vorzugsweise eines Rohres einer Erdwärmesonde gelöst, bei dem als physikalische Größe in jeder Achsrichtung eines 3-achsigen, kartesischen Sensorkoordinatensystems eine Beschleunigung beim Durchfahren der Bohrung gemessen und den Messwerten ein Zeit- oder Teufenstempel zugeordnet wird und anschließend mittels doppelter Integration nach der Zeit der räumliche Ort bestimmt wird.

Die Sensordaten werden in einem sensorfesten Koordinatensystem erfasst, wodurch jeder Beschleunigungswert an sich nur in Bezug auf die Position des Sensors aussagekräftig ist.

Um dies auszugleichen wird mit der Erfassung der Drehrate, in jedem gemessenen Beschleunigungspunkt auch die Richtungsänderung zu dem vorherigen Ausgangspunkt erfasst. Dies lässt sich beim Auswerten der Daten anwenden, um die Inertialmessung in das Referenzsystem zu überführen. Dazu ist vorgesehen, dass als physikalische Größe in jeder Achsrichtung eines 3-achsigen, kartesischen Sensorkoordinatensystems eine Drehrate gemessen wird und den Messwerten ein Zeitstempel zugeordnet wird und anschließend mittels doppelter Integration nach der Zeit die Winkellage des Sensors bestimmt wird. Als Referenz dient dabei das Signal eines Magnetfeldsensors, der den Vektor des Erdmagnetfeldes als Referenz zur Verfügung stellt und so in den Stützstellen als Referenz zum Kalibrieren des Sensorsystems dient.

In Kombination oder alternativ zum Vorstehenden kann als physikalische Größe in jeder Achsrichtung des 3-achsigen, karthesischen Sensorkoordinatensystems ein Magnetfeldvektor gemessen wird, und daraus der Bezug zum Referenzkoordinatensystem bestimmt werden. Das Signal kann dabei quasi als ein digitaler Kompass verwendet und sogar in bestimmten Fällen auf Drehratengeber verzichtet werden. Es entfallen dabei mit Vorteil Fehler die durch die sonst notwendige Integration des Drehratensignals entstehen.

Für die Messung muss zwischen den Bezugssystemen unterschieden werden. Bei einem Inertialsystem handelt es sich um ein Bezugssystem, welches an den Körper gebunden ist. Somit erfährt der Körper in seinem Bezugssystem nur vektorielle Beschleunigungen. Es muss eine Verknüpfung zwischen dem Referenzsystem und dem Inertialsystem hergestellt werden, damit sich absolute Aussagen über die Bewegung des Inertialsystems machen lassen.

Das Referenz- und das auf den Messmolch bezogene Inertialsystem lassen sich miteinander verknüpfen, wenn zu jedem Messschritt die Drehung erfasst wird, die das Inertialsystem erfährt. Nimmt man die Relativbeschleunigung des Inertialsystems auf und überträgt diese mit der Drehung in das Referenzsystem, lässt sich der Weg des Inertialsystems bestimmen.

Da sich die Sensoren in einem Inertialsystem befinden, die Darstellung der Daten jedoch in einem erdfesten Koordinatensystem notwendig ist, müssen die Messdaten für die Bestimmung der Lage in das erdfeste Koordinatensystem übertragen werden. Die Aussage der Messwerte im Referenzsystem wird durch Multiplikation der Messwerte mit der Rotationsmatrix M Rot, zum Zeitpunkt des Messwertes bestimmt. Die Rotationsmatrix des Koordinatensystems lässt sich auf bekannte Weise vorteilhaft einfach mit Hilfe von Quaternionen berechnen.

Zu jedem Messschritt wird die Orientierung des Sensors in das Referenzsystem überführt. Dadurch kann die Erdbeschleunigungskomponente von den Relativbeschleunigungen subtrahiert werden, da der Erdbeschleunigungsvektor im Referenzsystem immer nach unten, in Richtung der vertikalen Achse zeigt. Durch Subtraktion der Erdbeschleunigung von den Messwerten, wird die Bewegungskomponente des Inertialsystems nicht mehr durch die Erdbeschleunigung verfälscht. Die Überführung kann alternativ direkt mit den von der Sensorik ausgegebenen Quaternionen durchgeführt werden.

Bei der Verarbeitung der Messsignale zu Messwerten, lässt sich mit Vorteil die Genauigkeit steigern, wenn die Sensorsignale im Sensor vorverarbeitet und/oder mittels eines Tiefpass-Filters und/oder eines Hochpass-Filters vorverarbeitet werden, insbesondere wenn zu jeder Messung eine erneute Kalibrierung und Kompensation von Temperatur- und Anomalieeinflüssen vor jeder Messung erfolgt. Solche Störungen können durch das Kabel, durch die Hinterfüllmaterialen um das Bohrloch, durch Materialanomalien, z. B. durch ferromagnetische Werkstoffe im Erdreich entstehen.

Mit Vorteil wird zu jedem Messschritt die Erdbeschleunigungskomponete von den Relativbeschleunigungen subtrahiert.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens Ist vorgesehen, dass die Sensordaten als Quaternionen ausgegeben werden. Quaternionen sind vierdimensionale Zahlen, welche einen reellen Anteil haben und einen dreidimensionalen imaginären Anteil. Sie werden verwendet, um die Ausrichtung eines starren Körpers oder eines lokalen Koordinatensystems in einem Referenzsystem zu beschreiben (Madgwick, Quaternions 2011).

Die Darstellung eines Quaternions ist gegeben zu: q = w + xi + yi + zk

Wobei w, x, y, z reelle Zahlen sind und w der reelle Anteil des Quaternions q. Hierbei wird ein Referenzsystem R mit übereinstimmendem Ursprung um den gemeinsamen reellen Zeiger A mit dem Winkel Θ gedreht, daraus ergibt sich die Ausrichtung I. Des konjugierte Quaternion q* entspricht der Umkehrung, was dem Übergang des Inertialsystems in das Referenzsystem entspricht, also dem gleichen Referenzzeiger mit negativem Rotationswinkel.

Auf diese Weise kann mit Vorteil die Umrechnung der Messwerte aus dem Sensorkoordinatensystem in ein erdfestes Referenzsystem durch Multiplikation mit einer Rotationsmatrix erfolgen.

Die Vorteile von Quaternionen gegenüber Euler-Winkeln bestehen zum einen in deren Robustheit gegenüber einer kardanischen Blockade, zum anderen ist der Rechenaufwand zum Transformieren in ein Bezugssystem erheblich geringer. Eine kardanische Blockade bezeichnet den Zustand eines dreidimensionalen Orientierungssystems, das mit Eulerwinkeln beschrieben wird. Wenn durch die Drehung einer Drehachse um 90°, diese mit einer der anderen Orientierungsebenen zusammenfällt, geht ein Freiheitsgrad des Systems verloren. Ab dem Zeitpunkt, an welchem die beiden Orientierungsebenen aufeinander treffen, lässt sich eine Drehung dieser Ebenen nicht mehr eindeutig beschreiben, da eine Winkeländerung der einen oder anderen Ebene, mathematisch die gleiche Auswirkung haben.

Die Transformation eines Vektors ri (i für inertial, b für Bezug) in ein anderes Bezugssystem lautet unter Verwendung von Quaternionen wie folgt rb = q⊗ri⊗q*wobei bei den Umwandlungsschritten ⊗ das Vektorprodukt der Quaternionen darstellt. und q* für das konjugierte Quaternion. Durch die Anwendung der Quaternionen lassen sich im Auswertungsalgorithmus die gemessenen Signale mit einfachen Schritten direkt in das Bezugskoordinatensystem überführen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messwerte klassifiziert werden und/oder in Ruhelage eine Drift der Messwerte ermittelt wird und als Ausgangsgröße der zweiten Integration ein um die Sensordrift bereinigte Geschwindigkeit verwendet wird.

Wenn das Magnetfeldsignal bei der Berechnung der Quaternionen intern vom Datenvorprozessor verwendet wird, ergeben sich vorteilhaft stabile Messwerte.

Durch eine Mittelwertbildung der Messwerte können vorteilhaft stabilere Ergebnisse erreicht werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, mehrere gleichartigen Systeme in Form einer Kette zur räumlichen Vermessung des Bohrlochverlaufs verwendet werden und deren Messergebnisse gemittelt werden oder das Sensorsystem im Kreislauf einer Erdwärmesonde sich zyklisch bewegt und die dabei ermittelten Messwerte der Verläufe gemittelt werden.

Bei der Messung der Lagedaten, wird der Sensor an dem Ausgangspunkt der Messung zu Beginn in Ruhe gehalten, um eine Referenz in den Messdaten zu erzeugen, welche auch in dem rohen Darstellungsformat CSV, d. h. durch Kommata getrennte Werte, gut auszumachen ist. Dieser Abschnitt wird auch vom Sensor verwendet, um sich selbst zu kalibrieren, damit die Ausrichtung der Quaternionen Bezug zur Gravitationsrichtung haben. Die Ausgabedaten umfassen Quaternionen, Beschleunigung, Drehrate und magnetische Feldstärke. Da der Auswertungsalgorithmus zur Kompensation während der Messung Ruhepositionen benötigt, wird die Messung nicht gleichförmig, sondern pulsierend ausgeführt. Dies ist notwendig, da zur Bestimmung der Position des Sensors in Referenz zum Ausgangspunkt der Messung das Beschleunigungssignal doppelt integriert wird. Dabei gehen auch alle Messfehler in der Beschleunigung quadratisch in die Positionsbestimmung ein. Nach der Ruhephase kann der Sensor beliebig im Raum bewegt werden, wobei kontinuierlich Messwerte aufgezeichnet und ausgelesen werden.

Das Magnetfeld wird bei der Berechnung der Quaternionen intern vom Datenvorprozessor verwendet. Vom Referenzpunkt ausgehend, kann über die Veränderung der magnetischen Flussdichte auf die Orientierung relativ zum Referenzsystem geschlossen werden. Hierbei wird nicht die absolute Ausrichtung zum magnetischen Pol gemessen, sondern die Ausrichtung im Erdmagnetfeld. Als Referenz für die Orientierung genügt die vektorielle Stärke des Magnetfeldes zu Beginn der Messung. Da der Drehratensensor über längere Zeit driftet, während der Magnetfeldsensor konstant bleibt, können dessen Messwerte zur Korrektur des Drehratensensors verwendet werden.

Für eine absolute Ausrichtung der Bohrung muss in die Messung des Magnetfeldes ein Korrekturfaktor mit einfließen, da das Erdmagnetfeld lokal abweicht. Hierdurch ist die gemessene Richtung des magnetischen Nordpols nicht die tatsächliche Richtung des magnetischen Pols. Die Änderung des Erdmagnetfeldes wird alle 5 Jahre von der NOAH aktualisiert und hat zwischenzeitlich eine als konstant anzunehmende Abweichungen der magnetischen Ausrichtung. Wie auch die Richtung, weicht die Intensität der magnetischen Feldstärke lokal vom globalen Mittel ab. Am Standort Stuttgart beträgt die Intensität der magnetischen Flussdichte im Mittel 48,3 [μT]. Der Richtungsvektor des Magnetfelds hat eine Deklination von 2,1° nach Osten und eine Inklination von 64,4° zur Erdoberfläche.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

1 ein schematisches Blockschaltbild der Mess- und Auswerteelektronik,

2 einen schematischen Programmablaufplan der Messwerterfassung und -verarbeitung,

3 Darstellung des Referenz- und Inertialsystems,

4 eine Tabelle zur Messwertauflösung,

5 eine zeitliche Darstellung der unverarbeiteten Messsignale,

6 eine zeitliche Darstellung der verarbeiteten Messsignale,

7 einen räumlich dargestellten vermessenen Bohrlochverlauf,

8 einen vermessenen Bohrlochverlauf in einer vertikalen Ebene,

9 den vermessenen Bohrlochverlauf gemäß 8 in einer senkrecht zur Darstellungsebene gemäß 8 gelegenen vertikalen Ebene,

10 eine Kette von Messmolchen in einer Bohrung und

11 einen Messmolch in einem Kreislauf einer EWS.

In 1 ist ein Blockschema der Mess- und Auswerteelektronik dargestellt. Der Signalvorprozessor 16 stellt gleichzeitig auch die kombinierte Schnittstelle zu den einzelnen Sensoren des Messsystems dar. Dieser gibt die gesammelten Daten der Bestandteile der erweiterten inertialen Messeinheiten (englisch inertial measurement unit, IMU) 5 mit Achsen 6, 7, 8 sowie des Drehratengebers 13 mittels I2C Schnittstelle an den Verarbeitungsrechner weiter. Die Ansteuerung der Messtechnik erfolgt mittels eines Ansteuerungs- und Ausleseprogramms, das auch die Parameter zu den Registern und Einstellungen der Sensoren vornimmt und eine Umwandlung der Daten vornimmt. Dieses Sensorsystem 1 ist in einem Baustein 17 integriert.

Die Länge der Datenleitungen ist begrenzt, da durch Kapazitäten der Leitungen die Spannung abfällt. Die Anbindung der Sensorik erfolgt mittels Mikrocontroller 34, der die Daten auf eine serielle Datenkommunikation nach RS485 als Signalwandler 33 umsetzt. Hierzu kann auf einen bestehenden Schnittstellenumsetzer zurückgegriffen werden, welcher das I2C Signal und Protokoll auf die serielle RS485 Schnittstelle umwandelt und überträgt. Bei RS485 Übertragung können vorteilhaft lange Kabel zu einem Computer 35 Verwendung finden. Im Computer erfolgt die weitere Verarbeitung der Messsignale.

Die Sensorik wird mittels eines druckdichten Gehäuses 30 gegen den um eine Sonde, d. h. um den Messmolch 36, vorherrschenden Wasserdruck geschützt und mittels eines Kabels 37 mit dem Computer 35 verbunden. Innerhalb des Gehäuses 30 kann die Elektronik eine Erweiterung mit einem Energiespeicher und einem Prozessor zur Datenspeicherung sowie einem geeigneten Speicher Modul erfahren, um den Messmolch zu einem autarken System zu ertüchtigen.

Zum Auslesen der Sensoren muss nach dem I2C-Protokoll zunächst eine Adresse angesprochen werden, um dem angesprochenen Gerät anschließend eine Anweisung geben zu können. Hier müssen Konfigurationseinstellungen und Parameter an die Sensoren übergeben werden, welche im jeweiligen binären Konfigurationsregister in Hexadezimaldarstellung geschrieben werden. So lassen sich beispielsweise die Messfrequenz und der Messbereich der Sensoren einstellen, zudem kann hierüber die Darstellung der Messwerte angepasst werden.

Die mathematische Auswertung der Messdaten, die im Computer 35 erfolgt, ist in 2 dargestellt.

Die Beschreibung der Sensorik in einem beliebigen Punkt im Raum zu jedem Zeitpunkt erfolgt durch die doppelte Integration 9, 11 der Beschleunigungssignale 5. Hiermit lassen sich die Relativbewegungen des Referenzsystems I, in welchem sich die Sensoren befinden, bestimmen. Nach dem zweiten Newton'schen Satz der Mechanik ist die Beschleunigung a eines Massenpunktes m

Im Falle einer konstanten Masse folgt

Im Umkehrschluss ist die doppelte Integration der Beschleunigung a nach der Zeit, die zurückgelegte Strecke des Schwerpunkts s(t) = ∫v(t) dt = ∫∫a(t)dt2

Das gleiche Verfahren wird auf alle drei Anteile der Beschleunigung angewandt, um die Wegstrecken des Sensors im dreidimensionalen Raum zu erhalten. Die Integrationskonstanten sind dabei durch die vorherigen Werte bzw. den Startwert bestimmt. Durch Aneinanderreihen der Strecken vom Ausgangspunkt P0 = [0, 0, 0], kann der Verlauf der Sensorik in Relation zum Anfangspunkt bestimmt werden. Hierbei soll angemerkt sein, dass auch Messfehler und Sensorrauschen durch die doppelte Integration quadratisch in das Ergebnis der Position eingehen, worauf später eingegangen wird. Für die Bestimmung der Ausrichtung des Inertialsystems muss die Drehrate integriert betrachtet werden, da nur mittels Multiplikation der Drehrate mit der Zeit t auf den Ausrichtungswinkel zur Referenz geschlossen werden kann. Die Drehung von der Referenzposition in einem Schritt ergibt sich zu Δθi = ωi·Δti

Der integrale Wert, wird numerisch durch die Bildung der Summe aus θi = θi-1 + Δθibestimmt.

Die Umrechnung der Drehrate in die Drehung ist bei der Koordinatentransformation mittels Quaternionen, wegen der Bildungsvorschrift der Quaternionen bereits mit einbezogen.

Die Relativbeschleunigung auf Bezug zum Referenzsystem ergibt sich durch die Multiplikation des Beschleunigungsvektors A mit dem Quaternion zum Zeitpunkt t nach der Vorschrift AR(t) = q(t)⊗Ai(t)⊗q·(t)

Hierbei ist Ar die Beschleunigung im Referenzsystem und die Beschleunigung die der Sensor im Inertialsystem erfährt. Anschließend wird die Erdbeschleunigung von der Messung subtrahiert, wodurch man die korrigierte Relativbeschleunigung des Inertialsystems erhält. Diese wird dann beschrieben, für die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit verwendet.

Nach der Auswertung der Beschleunigung wird zur Verringerung der durch die doppelte Integration zu erwartenden Messfehler, eine Klassifizierung von stationären Punkten vorgenommen. Hierfür wird der Betrag des Beschleunigungssignals betrachtet. Angenommen wird, dass Beschleunigungen erst ab einem ausreichend großen Betrag von Relevanz für die Bewegung des Sensors sind. Hierzu wird der Betrag des 3-achsigen Beschleunigungssignals zum Zeitpunkt i gebildet und anschließend für jeden Zeitpunkt Hoch- und Tiefpass gefiltert, um durch Rauschen verursachte Beschleunigungswerte aus den Messergebnissen zu eliminieren. Der gefilterte Betrag wird nun durch Abgleich mit einem Grenzwert Agrenz zu einem stationären Punkt deklariert, wenn Afilt < Agrenz ist. Der Grenzwert wird zunächst bei jeder Messung angepasst. Nach ausreichender Analyse von verschiedenen Messfahrten kann dieser Wert entweder fest definiert werden oder durch eine weitere Analyse der Daten auf anderem Weg bestimmt werden. Im stationären Zustand kann nun die Geschwindigkeit des Sensors zu vs = [0, 0, 0] festgelegt werden.

Die Geschwindigkeit v [m/s] wird durch die Integration der Beschleunigung A nach der Zeit bestimmt. Im Algorithmus ist dies durch die Summenbildung des vorangegangenen Wertes und der Wertänderung, multipliziert mit dem Zeitschritt umgesetzt, wobei v(t) = v(t – 1) + A(t)·Δtist.

Die Sensorik wird über eine serielle Schnittstelle angesprochen, damit der Sensor in der Lage ist, Messwerte bei konsistenten Zeitschritten auszugeben. Bei einer konstanten Messfrequenz kann die Geschwindigkeit vereinfacht als v(t) = v(t – 1) + A(t)·1fangegeben werden.

Eine achsenübergreifende Empfindlichkeit wird durch die kontinuierliche Kalibrierung der Sensoren durch den Mikrokontroler 34 während des Messvorgangs kompensiert, die Drift kann jedoch nur in Ruhephasen ermittelt werden. Hierfür wird zu Beginn einer stationären Phase die Beschleunigung betrachtet. Es wird angenommen, dass der Sensor ab einem durch Referenzmessungen gewählten Schwellenwert als stationär betrachtet werden kann. Zur Kompensation der integralen Drift, wird die Geschwindigkeit zum letzten Zeitpunkt vor Ende der Ruhephase betrachtet, durch die Anzahl der Zeitschritte geteilt und zuletzt mit der Gewichtung der Stelle von dem jeweiligen Messwert der Geschwindigkeit subtrahiert.

Wobei S die Anzahl an stationären Messpunkten der Ruhephase ist, und ta, te Anfangs-, und Endpunkt der Ruhephase. Zur Korrektur der Messwerte folgt nun V = V~ – vi,driftwobei die Korrektur auf die vektoriellen Größen bezogen ist. Die Ausgangsgröße ist nun die, um die Sensordrift bereinigte Geschwindigkeit.

Zur Bestimmung der Position werden die Werte der relativen Kinematik weiter verwertet. Dadurch ist auch das Ergebnis der Positionsbestimmung bereits in das Referenzsystem übertragen. Die Lage des Sensors wird erneut integral, mittels Summation der Geschwindigkeit nach folgender Formel bestimmt P(t) = P(t – 1) + V(t)·Δt

Das Ergebnis stellt die Position des Sensors in Bezug zum Anfangspunkt der Messung dar. Die Messwerte können anschließend direkt in einem dreidimensionalen Plot aufgetragen werden.

In einem weiteren Schritt wird die Visualisierung der Ergebnisse mit einem Einheitskreis in Polarkoordinaten erweitert, da diese Art der Darstellung in der Vermessungstechnik für Erdwärmesonden gebräuchlich ist. Bei der Darstellung ist die Y-Achse nordzeigend positiv, die X-Achse zeigt nach Osten und die Z-Achse ist nach unten in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet.

3 zeigt die zu berücksichtigenden Koordinatensysteme. Für die Messung muss zwischen den Bezugssystemen unterschieden werden. Bei einem Inertialsystem zi, yi, zi handelt es sich um ein Bezugssystem, welches an den Körper, d. h. dem Messmolch, gebunden ist. Somit erfährt der Körper in seinem Bezugssystem nur vektorielle Beschleunigungen. Es muss eine Verknüpfung zwischen dem Referenzsystem und dem Inertialsystem hergestellt werden, damit sich absolute Aussagen über die Bewegung des Inertialsystems machen lassen.

Das Referenz- und Inertialsystem lassen sich miteinander verknüpfen, wenn zu jedem Messschritt die Drehung erfasst wird, die das Inertialsystem erfährt. Nimmt man die Relativbeschleunigung des Inertialsystems auf und überträgt diese mit der Drehung in das Referenzsystem, lässt sich der Weg des Inertialsystems bestimmen.

Da sich die Sensoren in einem Inertialsystem befinden, die Darstellung der Daten jedoch in einem erdfesten Koordinatensystem notwendig ist, müssen die Messdaten für die Bestimmung der Lage in das erdfeste Koordinatensystem übertragen werden.

4 stellt eine Tabelle mit den Auflösungen der gemessenen physikalischen Größen dar.

5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Rohdaten also die Signalverläufe der Sensorik für die Messachsen 6, 7 und 8 für den Magnetfeldsensor 14, dem Beschleunigungsgeber sowie dem Drehratengeber 13. Im Schaubild der Beschleunigungsmesswerte ist die schwarze Linie die Kennzeichnung der stationären Punkte 38. Der Wert ist boolesch und nimmt somit in Ruhephasen den Wert „1” an. Mit dem Algorithmus werden daraus die Relativbeschleunigungswerte, die Geschwindigkeit und die Position ermittelt. Die sprunghaften Abweichungen 39 des Magnetfeldes treten durch den Einfluss von Eisenelementen in in der Umgebung des Rohrverlaufs auf.

6 stellt die Integrationsschritte des Beschleunigungsverlaufs für die Achsen X, Y und Z dar, d. h. die Relativbeschleunigung, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Position. Die Messachse 6 stellt die Z-Achse dar, die der Tiefe bzw. der Teufe entspricht in der sich der Messmolch momentan im errechneten Wegsignal 12 im unteren Kasten der 7 befindet. Das eigentliche Rohsignal, d. h. das Beschleunigungssignal des Beschleunigungsgebers 5 ist im obersten Kasten dargestellt. Im Kasten darunter sind die errechneten Geschwindigkeitssignale 10 gezeigt, die sich nach Integration des Beschleunigungssignals 5 ergeben. Die weitere Integration dieses Signals ergibt schließlich das Wegsignal 12. Die stationären Punkte 38 sind durch den treppenförmigen Verlauf im Weg-Zeit-Diagramm deutlich erkennbar.

7 ist die Darstellung der Messergebnisse als räumlicher Verlauf 41 des Bohrlochs. Dabei wird zur Visualisierung der Ergebnisse mit einem Einheitskreis 42 in Polarkoordinaten 40 erweitert. Diese Art der Darstellung in der Vermessungstechnik für Erdwärmesonden gebräuchlich. Bei der Darstellung ist die Y-Achse 8 nordzeigend positiv, die X-Achse 7 zeigt nach Osten und die Z-Achse 6 ist nach unten in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet. Der Verlauf wird somit dreidimensional in kartesischen Koordinaten dargestellt. Zusätzlich ist auf dem Plot, d. h. dem gemessenen Verlauf der EWS alle 2 [m] ein Referenzkreis 42 in Polarkoordinaten 40 abgebildet. Auf diesem kann die Abweichung der EWS radial vom Ursprung 43, sowie die Abweichungsrichtung abgelesen werden. Die Markierung ist vom Ursprung alle 5 [cm] eingezeichnet, mit Richtungsmarken in 10° Schritten. Die Y-Achse 8 ist nach Norden positiv aufgetragen und die X-Achse 7 nach Osten.

8 zeigt den Verlauf 41 des Bohrlochs in einer vertikalen Projektionsebene, d. h. die Abweichung von der Senkrechten in Ost-West-Richtung.

9 entspricht der Darstellungsweise gemäß 9, jedoch in einer Nord-Süd-Ebene.

10 zeigt als vertikal geführten Axialschnitt einen Abschnitt eines Bohrlochs 2 einer EWS in das an einem Kabel 37 mehrere, in diesem Fall drei, gleichartige Messmolche 45 mit je einem Sensorsystems 1 eingeführt sind. Wie Glieder einer Kette 49 sind sie hintereinander am Kabel aufgereiht. Durch Abstandshalter 50 werden die Messmolche 45 am Kabel auf gleichem Abstand zueinander gehauen. Beim Durchfahren des Bohrlochs 2 vermisst jeder Messmolch den Bohrlochverlauf. Die Messergebnisse werden gemittelt, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.

11 zeigt als Axialschnitt zwei unten verbundene Bohrungen 2 einer EWS, die den abfallender Ast und aufsteigender Ast einer Erdwärmesonde darstellen. Diese sind über einen Bypass 47 zu einem Kreislauf 51 geschlossen, in dem ein Wärmeträgermedium in Pfeilrichtung in einem Kreislauf umgewälzt wird. Der Messmolch 45 weist an seinem Umfang eine Klemmvorrichtung 46 auf, die an bestimmten Stützstellen 44 den Molch zu arretieren und wieder freizugeben imstande ist. Der Messmolch kann über den Bypass 47 zyklisch sowohl den aufsteigenden als auch den absteigenden Ast des Kreislaufs 51 durchfahren. Die dabei gewonnenen Messwerte des Rohrverlaufs werden zur Erhöhung der Messgenauigkeit gemittelt.

Während wenigstens eine exemplarische Ausführungsform in der oben angegebenen Zusammenfassung und der vorangehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt worden ist, sollte verstanden und festgehalten werden, dass eine große Anzahl von Variationen bzw. Modifikationen dazu existieren. Es sollte auch festgehalten werden, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang (bzw. Schutzumfang), die Anwendbarkeit oder den Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung in irgendeiner Weise zu begrenzen. Vielmehr geben die Zusammenfassung und die ausführliche Beschreibung dem Fachmann eine hinreichende und leicht verständliche Anweisung zur Implementierung von wenigstens einer exemplarischen Ausführungsform. Dabei sollte verstanden werden, dass vielfältige und verschiedenartige Änderungen dieser Ausführungsform bezüglich der Funktion und der Anordnung der in einer exemplarischen Ausführungsform beschriebenen Elemente ausgeführt werden können, ohne von dem durch die beigefügten Patentansprüche und deren gesetzlichen Äquivalente definierten Umfang (bzw. Schutzumfang) abzuweichen.

Bezugszeichenliste

1
Sensorsystem
2
Bohrloch
3
Erdwärmesonde
4
Messsystems
5
Beschleunigungsgeber
6
Messachse
7
Messachse
8
Messachse
9
Integralglied
10
Geschwindigkeitssignal
11
Integralglied
12
Wegsignals
13
Drehratengeber
14
Magnetfeldsensor
15
mikroelektromechanische Sensoren
16
Signalvorprozessor
17
Baustein
18
Signalprozessor
19
Sensorkoordinatensystem
20
ortsfestes Koordinatensystem
21
Datenspeicher
22
Prozessor
23
Messverläufe
24
Hochpass
25
Tiefpass
26
Messsignal
27
Abstand
28
Quartionenbildner
29
Quartionenverarbeitungseinheit
30
Gehäuse
31
Taktgeber
32.
33
Signalwandler
34
Mikrokontroller
35
Computer
36
Messmolch
37
Kabel
38
Stationärer Punkt
39
Abweichungen
40
Polarkoordinaten
41
Rohrverlauf
42
Referenzkreis
43
Ursprung
44
Stützstelle
45
46
Klemmvorrichtung
47
Bypass
48
Druckmesssystem
49
Kette
50
Abstandshalter
51
Kreislauf
52
Pfeilrichtung
53

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 2701394 A1 [0011]
  • US 3862499 [0014]
  • DE 19505855 [0015]
  • DE 3135743 C2 [0016, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Madgwick, Quaternions 2011 [0048]