DE3906679A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser, insbeson­ dere, jedoch nicht ausschließlich Beschleunigungsmesser für im Bohrloch positionierte Instrumente zum Messen eines Bohrlochs.

Die US-PS 14 92 142 offenbart einen Beschleunigungsmesser mit einem Gehäuse, das eine Kammer bildet, einem magnetisierbaren Strömungsmittel innerhalb der Kammer, einem Permanentmagneten, der in der Kammer von dem magnetisierbaren Strömungsmittel innerhalb der Kammer, einem Permanentmagneten, der in der Kammer von dem magnetisierbaren Strömungsmittel unter Ausrichtung seiner Pole entlang einer Verschiebeachse magnetisch abgestützt und aus einer Nullstellung entlang der Verschiebeachse von einer aufgebrachten Kraft verschiebbar ist, und einer Fühleinrichtung, die eine Verschiebung des Permanentmagneten entlang der Verschiebeachse feststellt und ein die aufgebrachte Kraft darstellendes elektrisches Signal liefert.

Dieser Beschleunigungsmesser muß vor der Verwendung kalibriert werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß die erforderliche Kalibrierung des Beschleunigungs­ messers dazu neigen kann, unter den im Bohrloch herrschenden hohen Temperaturen und Vibrationen zu driften, was zu Meßungenauigkeiten führen kann. Es wird angenommen, daß dieses Driften auf Änderungen in der wirksamen Masse der Prüfmasse des Beschleunigungs­ messers zurückzuführen ist, die durch Änderungen in der Verteilung der Magnetteilchen in dem Strömungsmittel und in der magnetischen Wechselwirkung zwischen diesen Teilchen und dem Magneten entstehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine neue Form eines Beschleunigungsmessers zu schaffen, der unter solchen Bedingungen bessere Leistung erbringt.

Ein Beschleunigungsmesser zur Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Bei dieser Anordnung werden die magnetisierbaren Teilchen im Strömungsmittel durch die magnetischen Mittel magneti­ siert, und die resultierende magnetische Wechselwirkung der Teilchen miteinander sowie mit den magnetischen Mitteln erzeugt einen "magnetischen Druck", der bestrebt ist, die Prüfmasse innerhalb der Kammer zu zentrieren. Da dieser "magnetische Druck"-Effekt von der Wechselwirkung zwischen dem mangetisierbaren Strömungsmittel und magnetischen Mitteln außerhalb der Kammer herrührt, braucht, im Gegensatz zur vorbekannten Anordnung, die Prüfmasse selbst nicht magnetisch zu sein. Folglich herrscht keine magnetische Wechselwirkung zwischen den magnetisierten Teilchen des Strömungsmittels und der Prüfmasse, und die effektive Masse der Prüfmasse ist daher im wesentlichen unbeeinflußt von Änderungen in der Teilchenverteilung. Mit anderen Worten, die erforderliche Kalibrierung des Beschleunigungsmessers neigt daher im Betrieb weniger zum Driften als der vorbekannte Be­ schleunigungsmesser.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Prüfmasse ein elektisch leitender hohler Zylinder, der an beiden Enden offen ist. Der Zylinder ist vorzugs­ weise dünnwandig und kreisförmig im Querschnitt.

Die Fühleinrichtung kann eine Elektrodenanordnung aufweisen, die an der Wand der Kammer befestigt ist und mindestens zwei, vorzugsweise drei Elektroden enthält, die in Richtung der Verschiebeachse beab­ standet und so positioniert sind, daß das Ausmaß der Überlappung der Elektroden durch die Prüfmasse sich in Abhängigkeit von der Verschiebung der Prüf­ masse aus der Nullstellung ändert.

Vorteilhafterweise enthält der Beschleunigungsmesser ferner eine Rückhol-Spulenanordnung, die ein Magnet­ feld anlegt, um die Prüfmasse in Abhängigkeit eines Signals von der Fühleinrichtung in ihre Nullstellung zurückstellen.

Die magnetischen Mittel können Permanentmagnete sein, die symmetrisch bezüglich der Verschiebeachse angeordnet sind.

Die Erfindung schlägt auch einen Beschleunigungs­ messer vor, der ein Gehäuse, eine Prüfmasse, die innerhalb des Gestänges so abgestützt ist, daß sie aus einer Nullstellung entlang einer Verschiebeachse von einer aufgebrachten Kraft verschiebbar ist, und eine Fühleinrichtung aufweist, die die Verschiebung der Prüfmasse entlang der Verschiebeachse feststellt und ein die aufgebrachte Kraft darstellendes Signal liefert; dabei enthält die Fühleinrichtung einen variablen Kondensator mit einer Kapazität, die sich in Abhängigkeit von der Verschiebung der Prüfmasse ändert, einen Oszillator zum Versorgen des variablen Kondensators und einen phasenabhängigen Detektor, der die Phasenänderung des Ausgangs des variablen Kondensators feststellt, die durch die Verschiebung der Prüfmasse entsteht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach­ stehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den Be­ schleunigungsmesser entlang der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Beschleuni­ gungsmesser entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Steuerschaltung des Beschleunigungsmesser.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist der dargestellte Beschleunigungs­ messer ein nichtmetallisches zylindrisches Gehäuse 10 auf, das eine zylindrische Kammer 11 bildet und vier angeformte babstandete Ringflansche 12, 13, 14 und 15 besitzt. Eine Prüfmasse 16 in Form eines hohlen zylindrischen elektrisch leitenden Rohrs z. B. aus Kupfer wird innerhalb der Kammer 11 von einem magnetisierbarem Strömungsmittel 17 getragen. Das magnetisierbare Strömungsmittel 17 ist ein Ferroströmungsmittel, das eine Kolloid-Suspension mit sehr kleinen ferromagnetischen Teilchen in einer Flüssigkeit wie z. B. einen synthetischen Kohlenwasserstoff­ träger enthält.

Wie deutlich in Fig. 2 zu sehen, sind zwei Permanent­ magnete 18, 19 zwischen den Ringflanschen 13 und 14 am Gehäuse 10 auf entgegengesetzten Seiten der Kammer 11 symmetrisch bezüglich der Mittelachse der Kammer 11 positioniert. Die Magnete 18 und 19 sind so angeordnet, daß ihre N-Pole radial nach innen und ihre S-Pole radial nach außen weisen. Die Magnete 18 und 19 magnetisieren die ferromagnetischen Teilchen in dem Strömungsmittel 17 derart, daß die Teilchen miteinander und mit den Magneten 18 und 19 in magnetische Wechsel­ wirkung treten, um die Prüfmasse 16 innerhalb der Kammer 11 außer Anlage mit der Wandung der Kammer 11 zu zentrieren. Somit ist die Prüfmasse 16 innerhalb der Kammer 11 so abgestützt, daß sie aus ihrer Nullstellung (Fig. 1) entlang der Mittelachse der Kammer 11 von einer aufgebrachten Kraft verschiebbar ist.

Diese Bewegung wird von einer Fühleinrichtung fest­ gestellt, die drei Elektroden 20, 21, 22 aufweist, die sich axial beabstandet an der zylindrischen Wand der Kammer 11 befinden. Wie in Fig. 2 anhand der Elektrode 21 dargestellt, bildet die Elektrode 20, 21, 22 keinen vollständigen Zylinder, sondern ist durch einen axialen Schlitz 23 unterbrochen. Dadurch soll sichergestellt werden, daß Induktionsströme nicht kontinuierlich um die Elektroden herum fließen. Die Elektroden 20, 21, 22 sind elektrostatisch mit der Prüfmasse 16 verbunden, so daß die Kapazität über benachbarten Elektroden sich in Abhängigkeit vom Ausmaß der Überlappung der End­ elektroden 20 und 22 durch die Prüfmasse 16 ändert. Wenn z. B. die Prüfmasse 16 sich nach links bewegt (Fig. 1), so nimmt die Überlappung der Elektrode 20 zu, und folglich steigt die Kapazität über den Elektroden 20 und 21, während die Überlappung der Elektrode 22 durch die Prüfmasse 16 abnimmt und folglich die Kapazität über den Elektroden 21 und 22 abnimmt.

Zwei Rückholspulen 24 und 25 sind um das Gehäuse 10 zwischen den Ringflanschen 12 und 13 bzw. den Ringflanschen 14 und 15 gewickelt. Jede Spule 24 und 25 induziert bei Zufuhr von Wechselstrom einen Wechselstromfluß in der Prüfmasse 16, die als Spule mit einer Windung angesehen werden kann, wodurch die Prüfmasse 16 von der Spule 24 oder 25 abgestoßen wird. Dadurch können die Rückholspulen 24 und 25 dazu dienen, die Prüfmasse 16 in ihre Nullstellung zurückzustellen, wenn die Prüfmasse aus der Nullstellung verschoben ist.

Die Steuerschaltung des Beschleunigungsmessers wird nun anhand der Fig. 3 beschrieben. Wie dargestellt, können die Elektroden 20, 21, 22 in Zuordnung zur Prüfmasse 16 als zwei variable Kondensatoren 26 und 27 angesehen werden, die miteinander verbunden und in ihrem gemeinsamen Punkt geerdet sind. Ein Oszillator 30 versorgt die Kon­ densatoren 26 und 27 über Widerstände 31 bzw. 32. Ein phasenempfindlicher Detektor 33 greift die Ausgänge der Kondensatoren 26 und 27 ab und liefert eine gepulste Ausgangsgleichspannung, die positive oder negativ ist, je nachdem, ob der Ausgang des Konden­ sators 26 dem Ausgang des Kondensators 27 vorauseilt oder nachhinkt. Mithin hängt die Polarität des Ausgangs des phasenempfindlichen Detektors 33 davon ab, ob die Prüfmasse 16 nach links oder rechts in Fig. 1 verschoben wird, und, folglich, ob die Kapazität des Konden­ sators 27 ist.

Ein Integrator 34 integriert den Ausgang des phasen­ empfindlichen Detektors 33 und liefert eine Ausgangs­ spannung, die in einer Richtung sägezahnförmig ist, wenn die gepulste Eingangsspannung positiv ist, und in der entgegengesetzten Richtung sägezahnförmig ist, wenn die gepulste Eingangsspannung negativ ist. Ein Polaritäts­ schalter 35 leitet die Ausgangsspannung des Integrators 34 zu einer Steuerleitung 36 eines einstellbaren Verstärkers 37, wenn die Spannung positiv ist, und zu einer Steuerleitung 38 eines einstellbaren Ver­ stärkers 39, wenn die Spannung negativ ist.

Ein Oszillator 40 liefert jeweilige Eingänge, die 180° phasenverschoben bezüglich der einstellbaren Verstärker 37 und 39 sind, die wiederum ihre Ausgänge den Rück­ holspulen 24 und 25 zuführen, die überjeweilige Wider­ stände 41 und 42 geerdet sind. Die Größe der den Spulen 24 und 25 zugeführten Wechselströme hängt von den durch die Verstärker 37 und 39 angelegten Verstärkungen ab, die von den an die Steuerleitung 36 und 38 angelegten Spannungen abhängen. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei Verschiebung der Prüfmasse 16 aus der Nullstellung in der einen Richtung, die Spulen 24 und 25 eine Nutz­ rückholkraft ausüben, um die Prüfmasse 16 in die Null­ stellung zurückzustellen.

Die durch die Spulen 24 und 25 fließenden phasenver­ schobenen Ströme werden in einem Addierglied 43 summiert, und der summierte Ausgang wird einem phasenempfindlichen Detektor 44 zugeführt, der über eine Bezugsleitung 45 mit dem Ausgang des Oszillators 40 synchronisiert ist. Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 44 ist eine Gleichstromspannung V _o , die zur Differenz zwischen den durch die Spulen 24 und 25 fließenden Strömen proportional und folglich proportional zur zu messenden aufgebrachten Kraft ist.

Da jegliche durch die aufgebrachte Kraft hervorgerufene Verschiebung der Prüfmasse 16 durch eine an die Prüfmasse 16 angelegte Rückstellkraft ausgeglichen wird, sind nur sehr kleine Verschiebungen der Prüfmasse 16 erforderlich, um einen Ausgang des Beschleunigungsmessers zu erhalten. Dadurch wird ein im wesentlichen gleichförmiges Ansprechen des Beschleunigungsmessers in einem weiten Bereich der aufgebrachten Kraft und hohe Meßgenauigkeit sicherge­ stellt. Des weiteren kann jegliche thermische Ausdehnung des magnetisierbaren Strömungsmittels 17 dadurch aus­ geglichen werden, daß mindestens eine Endwand der Kammer 11 durch eine flexible Membran gebildet wird.

Claims (10)

1. Beschleunigungsmesser mit einem Gebläse (10), das eine Kammer (11) bildet, einem magnetisierbaren Strömungsmittel (17) innerhalb der Kammer (11) so abgestützt ist, daß sie aus einer Nullstellung entlang einer Verschiebeachse von einer aufge­ brachten Kraft verschiebbar ist, und einer Fühl­ einrichtung (20, 21, 23), die eine Verschiebung der Prüfmasse (16) entlang der Verschiebeachse fest­ stellt und ein die aufgebrachte Kraft darstellendes elektrisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmasse (16) im wesentlichen unmagnetische Mittel (18, 19) angeordnet sind, die das magnetisier­ bare Strömungsmittel (17) magnetisieren, damit die Prüfmasse (16) innerhalb der Kammer (11) von dem Strömungsmittel (17) getragen wird.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfmasse ein elektrisch leitender hohler Zylinder (16) ist, der an beiden Enden offen ist.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (16) dünnwandig und von kreisförmigem Querschnitt ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung eine an der Wand der Kammer (11) befestigte Elektrodenanordnung aufweist, die mindestens zwei Elektroden (20, 21, 22) enthält, die in Richtung der Verschiebeachse beabstandet und so positioniert sind, daß das Ausmaß der Überlappung der Elektroden (20, 21, 22) durch die Prüfmasse (16) sich in Abhängig­ keit von der Verschiebung der Prüfmasse (16) aus der Nullstellung ändert.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (20, 21, 22) im wesentlichen die Form eines hohlen Zylinders hat, jedoch durch einen vorgesehenen axialen Schlitz (23) daran gehindert wird, einen vollständigen Zylinder zu bilden.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung weiters einen Oszillator (30), der der Elektrodenanordnung ein Wechseleingangssignal zuführt, und einen phasen­ abhängigen Detektor (33) aufweist, der die Phasen­ änderung des Ausgangs der Elektrodenanordnung fest­ stellt, die durch die Verschiebung der Prüfmasse (16) verursacht wird.

7. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rückhol- Spulenanordnung (24, 25) zum Anlegen eines Magnet­ feldes, um die Prüfmasse (16) in Abhängigkeit eines Signals von der Fühleinrichtung in ihre Nullstellung zurückzustellen.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückhol-Spulenanordnung zwei Spulen (24, 25) aufweist, die koaxial zur Verschiebe­ achse liegen und um das Gehäuse (10) gewickelt sind, so daß sie auf entgegengesetzten Seiten der Nullstellung symmetrisch angeordnet sind.

9. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß die magnetischen Mittel Permanent­ magnete (18, 19) sind, die symmetrisch bezüglich der Verschiebeachse angeordnet sind.

10. Beschleunigungsmesser mit einem Gehäuse (10), einer Prüfmasse (16), die innerhalb des Gehäuses (10) so abgestützt ist, daß sie aus einer Nullstellung entlang einer Verschiebeachse von einer aufgebrachten Kraft verschiebbar ist, und einer Fühleinrichtung (20, 21, 22), die die Verschiebung der Prüfmasse (16) entlang der Verschiebeachse feststellt und ein die aufge­ brachte Kraft darstellendes Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung einen variablen Kondensator (26, 27) mit einer Kapazität enthält, die sich in Abhängigkeit von der Verschiebung der Prüfmasse (16) ändert, einen Oszillator (30) zum Versorgen des variablen Kondensators (26, 27) und einen phasenabhängigen Detektor (33) aufweist, der die Phasenänderung des Ausgangs des variablen Kondensators (26, 27) feststellt, die durch die Verschiebung der Prüfmasse (16) entsteht.