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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Erdformationen,
die von einem Bohrloch durchteuft sind, mit das Bohrloch längs einer Meßstrecke
kontinuierlich durchlaufenden Spulensystemen für die Induktion von Wechselströmen
in aufeinanderfolgenden Tiefenlagen der das Bohrloch umgebenden Erdformationen und
für die Aufnahme eines einzigen, von der Leitfähigkeit der Formationen abhängigen
Meßsignals, zu dem jede Formationsschicht quer zum Bohrloch einen durch die Geometrie
des Spulensystems bestimmten Anteil beiträgt, und mit einer Einrichtung für die
Ermittlung von Kenndaten der Formationsleitfähigkeit aus den Meßsignalen.
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Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Das Spulensystem kann dabei
eine oder mehrere Sendespulen sowie eine oder mehrere Empfangsspulen aufweisen;
bei Mehrspulensystemen ergibt sich eine bessere Fokussierung der Messung quer zum
Bohrloch gegenüber einem Zweispulensystem.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein
größeres Auflösungsvermögen im Vergleich zu den bisher bekannten Vorrichtungen besitzt,
bei der also auch dünne Schichten der Formationen mit abweichender Leitfähigkeit
ermittelt werden. Dabei soll jedoch die Sonde selbst nach Möglichkeit einen einfachen
Aufbau besitzen. Es liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, genauere
Aufschlüsse über die Leitfähigkeit zu erhalten, wenn die gewonnenen Meßsignale bestimmten
mathematischen Operationen unterworfen werden. Die Vorrichtung ist, um die obige
Aufgabe zu lösen, gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung
einen Meßsignalspeicher für die vorübergehende Speicherung der Meßsignale - in an
sich bekannter Weise synchron zur Spulensystembewegung - sowie eine Speicherableseeinrichtung
für die gleichzeitige Ablesung von in vorbestimmten Tiefenabständen gewonnenen Meßsignalen
aufweist und daß die Einrichtung einen Summierverstärker für die vorzeichenbehaftete
Verstärkung um von der Spulensystemgeometrie abhängige Faktoren und die Summierung
der gleichzeitig abgelesenen Meßsignale zur Gewinnung der Kenndaten aufweist.
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Als Speicher können magnetische, kapazitive oder andere zur Speicherung
elektrischer Signale geeignete Einrichtungen verwendet werden. Die Verstärkung um
die vorgegebenen Faktoren erfolgt zweckmäßig dadurch, daß alle Signale zunächst
gleichmäßig verstärkt werden und dann mittels eines Widerstandsnetzwerkes um Faktoren,
die durch die Werte der Widerstände im Netzwerk gegeben sind, geschwächt und zugleich
summiert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; F i g.
1 A ist ein Schaltbild eines Bauelementes, wie es in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung
enthalten ist; Fig. 2 und 3 sind graphische Darstellungen, die typische senkrechte
Empfindlichkeitscharakteristiken für die in der F i g. 1 gezeigte Vorrichtung aufzeigen;
Fig.4 ist ein Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
F i g. 5, 6, 7 und 8 sind graphische Darstellungen, in denen für die in Fig. 4 gezeigte
Vorrichtung typische senkrechte Empfindlichkeitskurven aufgetragen sind;
Fig.9 erläutert
eine Abwandlung für die in F i g. 1 oder 4 gezeigte Vorrichtung; Fig. 10 und 11
sind graphische Darstellungen, die typische senkrechte Empfindlichkeitskurven für
die Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach F i g. 9 wiedergeben; Fig. 12 erläutert
eine weitere Abwandlung, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach F i g. 1 oder 4 ausgeführt werden kann; F i g. 13 und 14 sind graphische Darstellungen,
die typische senkrechte Empfindlichkeitskurven für die Vorrichtung nach F i g. 12
wiedergeben.
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In der Fig. 1 ist eine QuellelO einer Wechselspannung gezeigt, die
über Leiter 11 eines armierten Kabels 12 mit einer Senderspule 13 eines Spulensystems
verbunden ist, das ebenfalls eine Empfängerspule 14 aufweist. Das Spulensystem 13,
14 hängt am Kabel 12 in einem Bohrloch 15, das die Erdformationen 16 durchteuft
und das leer oder mit üblichem Bohrschlamm 17 gefüllt sein kann.
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Die Empfängerspule 14 ist im Längsabstand von der Senderspule 13
angeordnet und mit den Leitern 18 des Kabels 12 verbunden, das sich zu der Erdoberfläche
erstreckt. Das Zweispulensystem 13, 14 kann eine derartige Bauart aufweisen, wie
es in der Arbeit von H. G. Doll mit dem Titel »Introduction to Induction Logging
and Application to Logging of Wells Drilled with Oil-Base Mud«, veröffentlicht in
den Petroleum-Transactions der AIME, Juni 1949, beschrieben ist. Die elektromagnetische
Anordnung 13, 14 ergibt in den Leitern 18 ein Signal, das proportional zu der Leitfähigkeit
der Erdformationen 16 ist.
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Die Leiter 18 sind mit einem Eingangskreis eines Phasenselektivkreises
19 verbunden, der von der Quelle 10 aus ein Bezugssignal empfängt und an seinen
Ausgangsleitungen ein Signal ausgewählter Phase liefert. Der Kreis 19 wählt z. B.
aus dem Signal der Leitungen 18 nur die Komponente aus, die die Leitfähigkeit darstellt,
wobei die Signalkomponenten anderer Phasen (d. h. Signalkomponenten der Suszeptibilität)
ausgeschlossen werden. Somit stellt das Signal, das an den Ausgangsleitungen 20
auftritt, genau die Leitfähigkeit der Formationen 16 dar.
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Das Spulensystem 13, 14 wird in dem Bohrloch vermittels des Kabels
12 und einer Winde (nicht gezeigt) in der üblichen Weise abgesenkt und angehoben,
und hierdurch kann durch Aufzeichnung des Signals der Leitungen 20 als Funktion
der Tiefe eine kontinuierliche Anzeige der Leitfähigkeit der Erdformationen in bekannter
Weise erhalten werden.
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Um das Signal der Leitungen 20 auszuwerten, wird dieses Signal einem
üblichen Modulator 21 zugeführt, der durch die Quelle 22 eines Trägersignals erregt
wird, um so in den Leitungen 23 ein moduliertes Signal zu liefern. Die Leitungen
23 sind mit einem Aufzeichnungskopf 24 verbunden, der in bekannter Weise einer Aufzeichnungstrommel
25 aus magnetischem Material zugeordnet ist. Drei übliche magnetische Wiedergabeköpfe
26, 27 und 28 sind in feststehender Weise der Trommel 25 zugeordnet. Dieselben sind
in Umfangsrichtung der Trommel im Abstand zu dem Aufzeichnungskopf 24 und voneinander
im Abstand derartig angeordnet, wie es weiter unten beschrieben ist. Die übliche
Form des Löschkopfes 25 a ist ebenfalls der Trommel 25 zugeordnet und mit einer
Wechselstromquelle 25 b verbunden.
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Die Aufnahmeköpfe sind mit einzelnen Demodulatoren
29,
30 und 31 üblicher Bauart verbunden, die insgesamt an ein Netzwerk 32 angekoppelt
sind, das z. B. eine Schaltung der in Fig. 1 A gezeigten Art besitzt und aus einzelnen
Widerständen 32 a, 32b und 32 c besteht, die mit einem gemeinsamen Widerstand 32
d verbunden sind. Das Netzwerk 32 stellt somit einen Analogrechner dar, der einen
durch die Werte der Widerstände bestimmten Bruchteil der Signalamplitude von jedem
der Demodulatoren 29, 30 und 31, die positiv oder negativ sein können, algebraisch
summiert, um so in die Leitungen 33 ein Ausgangssignal zu liefern. Die Leitungen
33 sind mit einer üblichen Aufzeichnungsvorrichtung 34 verbunden, in der das Aufzeichnungsmedium
durch ein Meßrad 35 angetrieben wird, das mechanisch mit dem Kabel 12 und der Aufzeichnungsvorrichtung
34 über eine Verbindung, die schematisch durch die gestrichelte Linie 36 angedeutet
ist, mechanisch angekuppelt ist. Die Verbindung 36 ist auch an die Trommel 25 angekuppelt,
so daß die Trommel synchron zu der Bewegung des Spulensystems 13, 14 durch das Bohrloch
15 umläuft.
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Wie weiter oben ausgeführt, stellt das in den Leitungen 20 entwickelte
Signal ein Maß für die Leitfähigkeit der Erdformationen 16 dar. Die senkrechten
Ansprechcharakteristiken für den Teil der Vorrichtung, die dieses Signal liefert,
werden durch die Kurve 40 in der F i g. 2 dargestellt, die einen Kurvenzug für einen
bestimmten Spulensatz 13, 14 darstellt, wobei der relative Beitrag der verschiedenen
Bodenschichten, d. h. eine Vielzahl waagerechter Tiefen einheitlicher Stärke, als
eine Funktion der senkrechten Entfernung bezüglich des Mittelpunktes des Spulensystems
13, 14 gezeigt ist.
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Da eine Zweispulensonde, wie das System 13, 14 der Fig. 1, eine sehr
große Reaktanzkomponente aufweist, wird im allgemeinen ein Transformator oder eine
Spule mit Gegenwindung angewandt, um so die Amplitude dieser Komponente im Vergleich
zu dem Wirkanteil des Signals zu verringern. Zur Vereinfachung der Erläuterung der
Erfindung ist dies jedoch fortgelassen worden. Weiterhin kann das Kabel 12 erhebliche
Phasenfehler einführen, und deshalb wird der Kreis 19 zweckmäßig in einem druckdichten
Gehäuse angeordnet, an dem die Spulen 13, 14 befestigt werden, so daß die gesamte
Anordnung als Baueinheit durch das Bohrloch hindurchgeführt werden kann.
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Bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung moduliert das Signal
in den Leitungen 20 das Trägersignal der Quelle 22, und das modulierte Signal wird
dem Aufzeichnungskopf 24 zugeführt.
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Da sich die Magnettrommel 25 synchron mit der Bewegung des Spulensystems
13, 14 in dem Bohrloch 15 dreht, wird auf der Trommel als Funktion der Tiefe ein
magnetisches Äquivalent des modulierten Induktionsanzeigesignals gespeichert. Anschließend
ergeben die magnetischen Wiedergabeköpfe 26, 27 und 28 gleichzeitig drei Signale,
deren Augenblicksamplituden die Induktionsanzeigesignale darstellen, die an einer
Mehrzahl (hier: drei) im Längsabstand voneinander angeordneter Stationen in dem
Bohrloch gemessen werden. Nach der Demodulation gelangen die drei Signale in das
Netzwerk 32, in dem vorbestimmte Anteile von ihren Amplituden arithmetisch kombiniert
werden, und das sich ergebende Ausgangssignal wird über die Leitungen 33 zu der
Aufzeichnungsvorrichtung 34 geführt, in der eine
kontinuierliche Anzeige als eine
Funktion der Tiefe in dem Bohrloch 15 aufgezeichnet wird. Nachdem die auf der Trommel25
gespeicherten Signale verarbeitet worden sind, wird die in der Trommel gespeicherte
Information durch einen Löschkopf 25 a gelöscht, und über den Aufzeichnungskopf
24 kann in die Trommel eine neue Information eingespeichert werden.
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Bei Ziehen des Spulensystems 13, 14 nach oben durch das Bohrloch
15 wird also ein das Induktionsanzeigesignal repräsentierendes Signal gespeichert,
so daß drei Signale gleichzeitig erhalten werden, die den Induktionsanzeigesignalen
bei einer Mittelstation mn, einer Station m1 unter der Mittelstation und einer Station
m11 über der Mittelstation entsprechen. In dem Netzwerk 32 werden gemäß den Widerstandswerten
bestimmte Bruchteile Ei und ob' der Signalamplituden, die den Stationen m1 und m1'
entsprechen, von der mit einem vorgegebenen Faktor Oo multiplizierten Signalamplitude
in der Mittelstation m0 abgezogen. Die Stationen und die Werte können in verschiedener
Weise ausgewählt werden, es wird jedoch für die vorliegende Besprechung angenommen,
daß m1 und mol'im Abstand von 2,03 m von m0 angeordnet sind und die Werte von Oo
= 1,270 und ob = = 0,135 betragen. Somit stellen in der F i g. 2 die Kurven 40 a
und 40 b die entsprechenden bewerteten Charakteristiken bei den Stationen m und
m1, dar, während die Kurve 40 die senkrechten Untersuchungscharakteristiken für
die Vorrichtung an der Station m0 darstellt. Da die Signale für die Stationen m1
und m1, von dem Signal bei m0 abgezogen werden, sind die ersteren in entgegengesetzter
Polarität relativ zu der letzteren gezeigt. Die Kurve 40c stellt die Kurve 40, erhöht
um deren Multiplikationsfaktor O-o, dar. Durch graphisches Addieren der Kurven 40c,
40a und 40b wird die durch die Kurve 41 gezeigte resultierende Charakteristik erhalten.
Es ist somit offensichtlich, daß das Netzwerk über die Leitungen 33 der Aufzeichnungsvorrichtung
ein Signal zuführt, welches eine durch die Kurve 41 dargestellte effektive senkrechte
Untersuchungscharakteristik besitzt. Im Vergleich zu einer Vorrichtung ohne Signalverarbeitung
(Kurve 40) wird mithin bei der Vorrichtung nach der Erfindung eine wesentliche Verbesserung
in der senkrechten Auflösung erzielt.
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Weiterhin zeigt ein Vergleich der Kurven 40 und 41, daß die erfindungsgemäße
Vorrichtung ein verringertes Ansprechen gegenüber Lagerstätten zeigt, die benachbart
zu derjenigen Lagerstätte sind, deren Leitfähigkeit gerade gemessen wird. Man sieht
z. daß die Kurve 41 einen sehr nahe bei Null liegenden Wert bei plus oder minus
152 cm Abstand aufweist.
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Während somit eine stark leitende Schulterlagerstätte mit einem Abstand
von 152 cm von dem Mittelpunkt der Hauptlagerstätte in erwünschter Weise die Leitfähigkeitsablesung
in der Vorrichtung beeinflussen kann, wenn die Kurve 40 verwendet wird, so wird
offensichtlich die das Ansprechcharakteristikum der Kurve 41 aufweisende Vorrichtung
wesentlich weniger beeinflußt werden, wenn nicht sogar durch die Schulterlagerstätte
überhaupt unbeeinflußt bleiben.
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Das Ausmaß der Verbesserung läßt sich vielleicht besser unter Bezugnahme
auf die F i g. 3 überblicken, in der die Kurve 42 die relative Empfindlichkeit als
eine Funktion der Stärke der Lagerstätte für den
Teil der Vorrichtung
ist, der das Induktionsansprechsignal in die Leitungen 20 liefert. Durch Speichern
und Kombinieren der Signale in der oben beschriebenen Weise besitzt die sich ergebende
Charakteristik einen Verlauf, der durch die Kurve 43 wiedergegeben ist. Ein Vergleich
der Kurven 43 und 42 zeigt deutlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung genauer
die Leitfähigkeit relativ dünner Lagerstätten zu ermitteln gestattet.
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Durch die Erfindung wird also eine verbesserte senkrechte Auflösung
und veringertes Ansprechen auf Schulterlagerstätten erzielt, ohne daß der Aufbau
des Spulensystems 13, 14 komplizierter oder seine Abmessungen verändert werden müssen.
Dies stellt natürlich einen großen Vorteil dar, denn verwickelte und übermäßig große
Bohrlochinstrumente sind grundsätzlich unerwünscht. Wie sich aus den folgenden Besprechungen
ergibt, ist die Erfindung jedoch auch auf Spulensysteme anwendbar, die für verbesserte
Fokussierung ausgebildet sind, wodurch ausgeprägte Verbesserung in den senkrechten
Untersuchungscharakteristiken erzielt werden.
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Es wurde weiterhin gefunden, daß, obgleich die senkrechte Auflösung
verbessert und das Ansprechen auf Schulterlagerstätten verringert wird, die radialen
oder seitlichen Untersuchungscharakteristiken nicht beeinflußt werden. Somit bedingt
bei Erzielung eines tiefen seitlichen Eindringens durch ein Spulensystem dessen
Anwendung in Kombination mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine nachteilige
Beeinflussung dieses zweckmäßigen Merkmals.
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Um die Abstände zwischen den drei Stationen auszuwählen, von denen
aus die Signale kombiniert werden sollen, und um die in Anwendung zu bringenden
relativen Bewertungen zu bestimmen, sei angenommen, daß der geometrische Faktorwert
für den Teil des Systems bis zu den Leitungen 20 (ausschließlich der Speicherung
und der Berechnung) bekannt ist. So wurden z. B. die Kurven 40 und 42 für ein Zweispulensystem
erhalten, bei dem die Spulen im Abstand von 103 cm voneinander angeordnet waren.
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Wenn eine Dicke der Lagerstätte angenommen wird, bei der volle Empfindlichkeit
gewünscht wird, und die Entfernung zwischen den Stationen angenommen wird, lassen
sich die Bewertungen leicht bestimmen. Unter Anwendung dieser Bewertungen wird ein
Kurvenzug des sich ergebenden integrierten senkrechten geometrischen Faktors gegen
die Stärke der Lagerstätte erhalten, und wenn hierdurch irgendein unzweckmäßiges
Charakteristikum aufgedeckt wird, z. B. ein Bereich der Dicke der Lagerstätte, für
den die Empfindlichkeit über l000/o liegt, so kann ein neues Kriterium für die Berechnung
aufgestellt und die Berechnung wiederholt werden. Da man die Spulensystemgeometrie
kennt und der Anteil der Erdformationen zu dem Signal in Abhängigkeit von ihrer
Entfernung zur augenblicklichen Lage des Spulensystems ebenfalls zu ermitteln ist,
bereitet die Festlegung der Bewertungsfaktoren keine Schwierigkeit.
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Es kann aber auch auf rein empirischer Grundlage vorgegangen werden.
Somit können ein Satz der Stationen und Bewertungen willkürlich angenommen und für
die angenommenen Bedingungen kennzeichnende Kurven, wie sie in den F i g. 2 und
3 erläutert sind, aufgezeichnet werden. Wenn die Charakteristika unzweckmäßige Merkmale
zeigen, können die Sta-
tionen und/oder die Bewertungen in geeigneter Weise verändert
und ein anderer Kurvenzug hergestellt werden. Dies kann so oft wiederholt werden,
wie es notwendig ist, um eine gewünschte senkrechte Untersuchungscharakteristik
zu erhalten.
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Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 1 können, da die magnetische
Aufzeichnung auf der Trommehl 25 die Induktionsanzeige als eine Funktion der Tiefe
des Spulensystems 13, 14 darstellt, die relativen Lagen der Wiedergabeköpfe26, 27
und 28 um den Umfang der Trommel 25 herum so eingestellt werden, daß sich die gewünschte
Verteilung der Stationen ergibt. Kontinuierliche Einstellbarkeit der Wiedergabeköpfe
ermöglicht eine breite Auswahl der Stationen. Weiterhin können durch geeignete Auswahl
der Widerstandswerte der Widerstände 32 a bis 32d des Netzwerkes 32 (Fig. 1A) geeignete
Bewertungsfaktoren ausgewählt werden. Gegebenenfalls können einige oder alle Widerstände
32 a bis 32d kontinuierlich veränderbar oder in Stufen veränderbar ausgeführt sein,
so daß sich eine Vielzahl relativer Bewertungen ergibt. So können z. B. die Widerstände
32b und 32d synchron, also in entgegengesetztem Sinne veränderlich sein, um so wirksam
die relativen Bewertungen der Mittelstation (ovo) und der Schulterstationen (01,
sol') zu bestimmen.
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In einer Vorrichtung gemäß der Erfindung können so viele Stationen
in dem Bohrloch mit ihren Signalen zum Endergebnis beitragen, wie zur Erzielung
eines brauchbaren Ergebnisses benötigt werden. Somit können, abweichend von der
in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform mit drei Stationen, weitere Stationen vorgesehen
werden, um so die senkrechte Auflösung der Vorrichtung weiter zu erhöhen und/ oder
die Wirkung der Schulterlagerstätten zu verringern.
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Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform wird ein System aus
drei Spulen angewandt. Eine Senderspule 60 wird durch eine Energiequelle 10 erregt,
und eine Hauptempfängerspule 61 ist mit einer Hilfsempfängerspule 62 in Serienkreisverhältnis
geschaltet, wobei die Empfängerspulen mit dem Eingangskreis des selektiven Phasenkreises
19 verbunden sind.
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Das Spulensystem 60 bis 62 kann so konstruiert sein, daß dasselbe
in bekannter Weise eine gewünschte seitliche oder radiale Fokussierungscharakteristik
ergibt. Dabei läßt sich unter anderem eine Gegeninduktivität von Null zwischen der
Senderspule 60 und der Kombination der Empfängerspulen 61 und 62 erhalten.
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Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung ist mit einem Kondensatorspeicher
versehen. Das Signal auf den Leitungen 20 wird einem Tiefpaßfilter 63 zugeführt,
das mit einem Verstärker 64 verbunden ist, der seinerseits an Ausgangsleitungen
65 geschaltet ist.
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Um das Signal auf den Leitungen 65 sofort auf eine Vielzahl von Speicherkondensatoren
66a bis 66f auf Grund der Bewegung des Spulensystems 60 bis 62 durch das Bohrloch
15 zu übertragen, weist die Vorrichtung einen Kommutator auf, der einen beweglichen
Kontaktarm 67 besitzt und eine Vielzahl von feststehenden Kontakten 67a bis 67f
aufweist, mit denen der Kontaktarm nacheinander in Verbindung gelangt; diese Kontakte
sind mit entsprechenden Durchlässen der Speicherkondensatoren 66a bis 66f verbunden.
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Der Kontaktarm 67 wird synchron zu der Bewegung des Spulensystems
60 bis 62 vermittels eines
Meßrades 35 und der Verbindung 36 in
Zuordnung zu einem elektromechanischen Antriebssystem verschoben. Das Antriebssystem
weist eine Scheibe 69 auf, die zur Ausführung einer Drehbewegung an einer Welle
68 befestigt ist, die vermittels der Verbindung 36 durch das Rad 35 gedreht wird.
In die Scheibe ist eine Vielzahl von Schlitzen 69a bis 69d eingeschnitten, so daß
bei Drehen der Scheibe Licht von der Lichtquelle 70 in Impulse moduliert wird, ehe
dasselbe auf einen photoelektrischen Detektor 71 fällt, z. B. einen Phototransistor.
Somit werden an den Ausgangsklemmen72 des Phototransistors Impulse entwickelt, die
eine Zeitverteilung aufweisen synchron zu der Bewegung des Spulensystems 60 bis
62 durch das Bohrloch 15. Die Klemmen 72 sind mit dem Eingangskreis eines Multivibrators
73 verbunden, der einen üblichen Schalter 73 a aufweist, so daß derselbe wahlweise
frei laufend schwingt oder von außen synchronisiert wird. Bei äußerer Synchronisierung
steuern die Impulse an den Klemmen 72 den Betrieb des Multivibrators, der seinerseits
entsprechende Impulse über die Leitungen 74 an eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung
75 abgibt, die vermittels einer durch die gestrichelte Linie 76 schematisch dargestellten
Verbindung mit dem Schaltarm 67 verbunden ist.
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Um eine Vielzahl von unabhängigen Kopplungskreisen anzuordnen, wobei
derartige Kreise anschließend an die Speicherkondensatoren 66a bis 66f angeordnet
sind, sind die Kondensatoren einzelner Entkopplungswiderstände 77 a bis 77f mit
feststehenden Kontakten einer Vielzahl von Schaltern verbunden, die drehbare Kontaktarme
78, 79 und 80 aufweisen. In der in Fig. 4 dargestellten Anordnung sind bewegliche
Kontaktarme 67, 78, 79 und 80 in den entsprechenden Ebenen eines üblichen Drehschalters
angeordnet. Diese Ebenen liegen parallel zueinander, und eine der Verbindung 76
entsprechende gemeinsame Welle verbindet die Betätigungsvorrichtung 75 mit allen
beweglichen Kontaktarmen.
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Die beweglichen Kontaktarme sind längs ausgefluchtet, und damit sind
die Kondensatoren 66 a bis 66f über die Entkopplungswiderstände 77a bis 77f mit
entsprechenden feststehenden Kontakten der Schalter, zugeordnet den Kontaktarmen
78, 79 und 80, verbunden, um eine Vielzahl an Signalen zu ergeben, die den verschiedenen
Stationen in dem Bohrloch 15 entsprechen. So ist z. B. der Kondensator 66 über Widerstand
77a mit dem feststehenden Kontakt 78 b des Schalters verbunden, der den beweglichen
Kontaktarm 78 enthält, und weiterhin mit dem feststehenden Kontakt 79c des Schalters
verbunden, der den beweglichen Kontaktarm 79 enthält, und ebenfalls mit dem feststehenden
Kontakt 80d des Schalters mit dem beweglichen Kontaktarm 80. Die restlichen Verbindungen
sind in einer ähnlichen Weise angeordnet. Natürlich können auch die feststehenden
Kontakte symmetrisch geschaltet und die Kontaktarme 78, 79 und 80 dafür relativ
zueinander und zu dem Arm 67 verschoben werden, um auf diese Weise die gewünschte
Stationsauswahl zu ergeben.
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Die durch die Schaltarme 78, 79 und 80 gebildeten Kopplungskreise
sind mit einzelnen Ablesekreisen 81, 82 und 83 verbunden, die relativ hohe Eingangsimpedanzen
aufweisen, um so die Entladung der Speicherkondensatoren 66a bis 66f auf einem möglichst
kleinen Wert zu halten. Diese können z. B.
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Kathodenverstärker sein. Wie gezeigt, sind die Ein-
gangsverbindungen
mit den Ablesekreisen 81 und 83 gleich, zeigen jedoch entgegengesetzte Polarität
gegenüber denjenigen des Ablesekreises 82, so daß sich eine gewünschte Signalkombination
ergibt. Die Ablesekreise 81 bis 83 sind mit einem Kombinationsnetzwerk 84 verbunden,
das ähnlich dem in F i g. 1 A erläuterten ist. Das Kombinationsnetzwerk 84 ist an
einen Verstärker 85 angekoppelt, der seinerseits an eine übliche Aufzeichnungsvorrichtung
86 angekoppelt ist, in der das Aufzeichnungsmedium vermittels der Welle 68 angetrieben
wird, so daß eine kontinuierliche Anzeige des verarbeitenden Signals als eine Funktion
der Tiefe in dem Bohrloch 15 erhalten wird.
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In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung kann gegebenenfalls ein weiterer
Kontaktarm angeordnet sein, der sich unmittelbar vor dem beweglichen Arm 67 bewegt,
um so jeden der Speicherkondensatoren 66a bis 66f vor dem Aufbringen einer Ladung
über die Leitungen 65 zu entladen. Andererseits kann der Verstärker 64 in einer
Weise konstruiert sein, die eine relativ geringe Impedanz in dem Ausgangskreis 65
ergibt, und bezüglich der folgenden Besprechung wird angenommen, daß diese Bauart
Anwendung findet.
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Es werden zunächst die Charakteristiken des Spulensystems 60 bis
62 und die Auswahl der Stationen und der Bewertungsfaktoren vernachlässigt.
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Unter Berücksichtigung dieser Vernachlässigung verläuft der Betrieb
der in der Fig. 4 gezeigten Vorrichtung in der folgenden Weise: Sobald das Spulensystem
im Bohrloch 15 nach oben gezogen wird, bewirkt das Meßrad 35, daß die Scheibe 69
den Lichteinfall auf den photoelektrischen Detektor 71 unterbricht, und die sich
ergebenden Impulse steuern den Multivibrator73. Die Impulse des Multivibrators betätigen
die Stufenschalterbetätigungsvorrichtung75, und der Kontaktarm 67 wird von einem
der feststehenden Kontakte 67 a bis 67f zu einem anderen Kontakt verschoben. Somit
wird das Signal in den Leitungen 20, nachdem die Hochfrequenzkomponente gedämpft
und die Verstärkung durchgeführt ist, nacheinander den Speicherkondensatoren 66a
bis 66f zugeführt. Da angenommen ist, daß der Verstärker 64 eine relativ geringe
Ausgangsimpedanz aufweist, wird jeder Kondensator schnell auf das richtige Ladungspotential
gebracht. Mit anderen Worten, wenn ein Kondensator anfänglich nicht geladen ist
infolge der geringen Impedanz des Ladungskreises, wird derselbe sehr schnell auf
die Höhe des Potentials in den Leitungen 65 geladen. Andererseits bewirkt die Energiequelle
geringer Impedanz, wenn ein Kondensator einen höheren Ladungswert auf Grund eines
vorhergehenden Ladungszustandes aufweist, daß der Kondensator schnell auf den richtigen
Ladungswert entladen wird. Es ist somit offensichtlich, daß die Kondensatoren einzelne
Ladungspotentiale aufweisen, welche das der Leitfähigkeit entsprechende Signal darstellen,
das in den Leitungen 20 für aufeinanderfolgende und sich im Längsabstand zueinander
befindende Stationen längs des Bohrlochs 15 erhalten wird.
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Es wird angenommen, daß eine ausreichende Anzahl von feststehenden
Kontakten 67a bis 67f und entsprechende Speicherkondensatoren angewandt werden,
so daß bei normalen Anzeigegeschwindigkeiten sich das Informationssignal nicht wesentlich
in der Amplitude zwischen den Kontakten verändert.
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So ist z. B. eine Anordnung mit einem Kontakt pro 12,7 cm Bohrlochtiefe
erfolgreich angewandt worden.
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Weiterhin werden schnelle Veränderungen in der Signalhöhe, die durch
scharfe Leitfähigkeitskontraste oder Vorgänge durch Streufelder verursacht werden,
durch den Tiefpaß 63 ausgeschieden. Wenn eine höhere Auflösung gewünscht wird, kann
die Anzahl der Kontakte und der entsprechenden Speicherkondensatoren erhöht werden.
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Gleichzeitig mit der Bewegung des Kontaktarmes 67 tasten die Kontaktarme
78, 79 und 80 die Kondensatoren 66a bis 66f dergestalt ab, daß sich drei Signale
ergeben, die drei im Längsabstand im Bohrloch 15 liegenden Stationen entsprechen.
Diese Signale oder Pegel werden Ableserkreisen 81, 82 und 83 zugeführt. Wenn man
annimmt, daß das Signal in dem Kreis 82 auf Grund der in Anwendung gebrachten Eingangsverbindungen
positiv ist, weisen die den Kreisen 81 und 83 zugeführten Signale eine negative
Polarität auf. Vorgegebene Bruchteile dieser Signale werden in dem Kreis 84 arithmetisch
addiert, und das sich ergebende verarbeitete Signal wird dem Verstärker 85 zugeführt,
dessen Ausgangssignal in der Aufzeichnungsvorrichtung 86 als eine Funktion der Tiefe
in dem Bohrloch aufgezeichnet wird.
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Vor dem Beginn des Betriebes kann der Schalter 73 a umgelegt werden,
damit die Stufenschalterbetätigungsvorrichtung 75 eine kontinuierliche Folge von
frei laufend erzeugten Impulsen erhält, um den Kontaktarm 67 einmal durchzudrehen,
wodurch die Kondensatoren 66a bis 66f auf Bezugsladungswerte gebracht werden können.
Natürlich kann diese Betriebsweise auch zur Uberprüfung benutzt werden.
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Obgleich in der Fig. 4 nur drei Berechnungsstationen gezeigt sind,
kann offensichtlich durch die Anordnung von zusätzlichen Ebenen in den Stufenschaltern
jede gewünschte Anzahl an Stationen vorgesehen werden.
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Zur Bestimmung der Stationen und der Bewertungsfaktoren kann eine
Charakteristik des Spulensystems 60 bis 62 dienen, die als der senkrechte geometrische
Faktor bezeichnet wird. In Fig. 5 ist eine derartige Charakteristik als Kurve87
für ein Spulensystem dargestellt, bei dem 2D gleich 152 cm ist. Der Kurvenzug 87
stellt die relative Empfindlichkeit als eine Funktion der Entfernung von dem Mittelpunkt
des Spulensystems dar. Die Kurve 87 erläutert eine Anwendung der Erfindung mit einem
Spulensystem, das eine nicht symmetrische senkrechte Untersuchungscharakeristik
zeigt.
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Die Vorrichtung soll nach durchgeführter Berechnung genau die Leitfähigkeit
einer Lagerstätte mit einer Dicke von 3 m anzeigen. Somit ist es notwendig, daß
die abschließend erhaltene senkrechte Untersuchungscharakteristik 150 cm oberhalb
und 150 cm unterhalb des Systemmittelpunktes eine Empfindlichkeit »Null« aufweist,
und auf Grund des Verlaufs der Kurve 87 in dem Gebiet unter der Mittellinie, wo
dieselbe einen flachen Anteil in dem Gebiet von Null angenähert bis 75 cm zeigt,
wird angenommen, daß eine Station m1 89 cm unter m0 angeordnet sein wird, und es
wird weiterhin angenommen, daß eine Station mm'89 cm über m0 angeordnet sein wird.
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Wenn g (z) der senkrechte geometrische Faktor ist, der durch die
Kurve 87 in der F i g. 5 dargestellt ist, und wenn gj, g2... gn die aufeinanderfolgenden
Annäherungen der senkrechten geometrischen Fak-
toren nach der Berechnung sind, mit
z als Entfernung von dem Mittelpunkt des Spulensystems 60 bis 62, und wenn z10 und
z20 dieselben Örtlichkeiten aufweisen, bei denen gn (z, = 0 ist, gilt g (zto) w,g(Z,o
- 89) = 0; w, ist der passende Bewertungskoeffizient. Aus der Kurve 87 in Fig. 5,
wo g(z10)= 0,00220 und g (z10 -89cm) = 0,00555 ist, sowie durch Auflösen nach w1
ergibt sich, daß w1 = 0,396 ist. Da jedoch die Einführung der Bewertung w1, (die
später bestimmt wird) die Tendenz hat, die gesamte sich ergebende Kurve nach unten
zu verschieben, und hierdurch die Bedingung zu verletzen, daß die relative Empfindlichkeit
bei plus 152 cm Null sein sollte, wird für w1 ein Wert von 0,32 angenommen. Bei
Anwendung lediglich dieses Bewertungsfaktors bei plus 89 cm wird die sich ergebende
relative Empfindlichkeitskurve durch die Kurve 88 in der Fig. 5 erläutert. Um der
Bedingung zu genügen, daß die relative Empfindlichkeit bei minus 152 cm Null ist,
ist es notwendig, daß gI (Z2°) - w1,g1(z20 + 89) = 0 ist. Aus der Kurve 88 ersieht
man, daß g1 (z20) = 0,0022 und gl (z2°+89 cm) = 0,0096 ist. Auflösen nach wo'ergibt
einen Wert von -0,23. Die sich ergebende relative Empfindlichkeit wird durch die
Kurve 89 der F i g. 5 erläutert. Um eine genaue Ablesung in einer unbestimmt dicken
homogenen Lagerstätte zu erhalten, sollte die Summe der Bewertungen gleich 1 sein.
Die abschließenden Bewertungen sind proportional zu den so bestimmten w-Werten;
für ein Vereinheitlichung ist es jedoch notwendig, daß Q + O, Q +Q' = 1 = k(w0 +
w1 + w1,) ist. Somit sind die tatsächlichen Werte für die Bewertungsfaktoren Oo
= 2,222, e1 = 0,711 und 910, = 0,511. In der F i g. 6 ist die sich ergebende normalisierte
Kurve 90 zusammen mit der Kurve 87 gezeigt, die für Vergleichszwecke nochmals dargestellt
ist.
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Naturgemäß können die soeben beschriebenen Schritte erneut wiederholt
werden, um so aufeinanderfolgend Empfindlichkeitskurven zu erhalten, bis eine Kurve
der gewünschten Form erzielt ist. So können z. B. die Stationen in jeder Approximation
einer Serie abgeändert und/oder die Werte der Bewertungen aufeinanderfolgend verändert
werden, bis sich ein gewünschtes Ergebnis ergibt. Andererseits werden zusätzliche
Stationen weiterhin das Ansprechen über und unter einer Lagerstätte ausgewählter
Dicke verringern. Somit kann eine weitere Station bei plus 2,52 cm angewandt werden,
um so die senkrechte Charakteristik benachbart zu plus 228 bis plus 380cm zu verringern.
Weiterhin kann eine fünfte oder sechste oder irgendeine Anzahl weiterer Stationen
vorgesehen sein, wenn dies als zweckmäßig erachtet wird.
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Um die durch die in der F i g. 4 gezeigte Vorrichtung erzielte Verbesserung
besser zu verstehen, ist der integrierte senkrechte geometrische Faktor in endlichen
Lagerstätten für den Anteil der Ausrüstung, die ein Signal in den Leitungen 20 (Fig.
4) ergibt, durch die Kurve 91 in der Fig. 7 erläutert. Unter Anwendung der Stationen
und Bewertungsfaktoren, die in der obigen Besprechung bestimmt worden sind,
weist
der Teil der Vorrichtung, der der Aufzeichnungsvorrichtung 86 das Signal zuführt,
einen integrierten senkrechten geometrischen Faktor auf, der durch die Kurve 92
dargestellt wird. Offensichtlich wird die senkrechte Auflösung verbessert und das
Ansprechen auf benachbarte Lagerstätten verringert.
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In der F i g. 8 ist dieses Merkmal wiederum erläutert.
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Die Kurve 93 stellt das relative Ansprechen einer Sonde auf einer
Lagerstätte einseitig unbegrenzter Dicke als eine Funktion der Entfernung von der
Lagerstättengrenze zu der Mitte des Spulensystems ohne die Anwendung der vorliegenden
Erfindung dar, während die Kurve 94 das Ansprechen erläutert, das durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung erzielt wird.
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Obgleich das Spulensystem in der in F i g. 4 erläuterten Vorrichtung
so ausgebildet ist, daß sich eine große seitliche Untersuchungstiefe (seitliches
Fokussieren) ergibt, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung bequem mit einem Spulensystem
ausgestattet sein, das sowohl ein seitliches als auch ein senkrechtes Fokussieren
zeigt. Wie in der Fig. 9 gezeigt, kann das Spulensystem eine Senderspule 100 und
Empfängerspulen 101, 102 und 103 aufweisen, die im Abstand zu der Senderspule und
voneinander in der angegebenen Ordnung angeordnet sind. Die Senderspule kann jede
gewünschte Windungszahl besitzen, um so eine geeignete passende Impedanz zu ergeben,
und die Empfängerspulen können in der folgenden Weise ausgebildet sein:
| Abstand |
| Spule von der Spule 100 Anzahl der Windungen |
| inm |
| 101 1,12 -24 |
| 102 1,68 +100 |
| 103 2,52 -64 |
Das Vorzeichen gibt den Wicklungssinn an.
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Naturgemäß können alle angegebenen Windungszahlen der Empfängerspulen
mit einem gemeinsamen Faktor multipliziert werden, um so eine richtige Impedanzanpassung
zu erzielen. Das Spulensystem der Fig. 9 kann in jeder der Vorrichtungen der in
den Fig. 1 und 4 erläuterten Typen eingebaut werden. Hierbei werden jedoch elf Berechnungsstationen
vorgesehen, wie vorstehend erläutert.
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Bei Anordnung des Spulensystems in der obigen Weise wird das Ansprechen
auf die Bohrlochflüssigkeit 17 kleinstmöglich auf Grund der seitlichen Fokussierung
gehalten, und zwischen der Senderspule und der Kombination der Empfängerspulen 101
bis 103 ergibt sich eine Gegeninduktivität von Null. Auf Grund der Spulel03 wird
weiterhin ebenfalls ein Grad senkrechten Fokussierens erzielt, wie durch den relativ
scharfen Scheitel in der Kurve 104 der F i g. 10 erwiesen wird, die einen Kurvenzug
der relativen Empfindlichkeit als eine Funktion der senkrechten Entfernung für das
Spulensystem 100 bis 103 darstellt. Weiterhin sollen bei dem Entwurf des Spulensystems
100 bis 103 die Verringerungen in der seitlichen Untersuchungstiefe kleinstmöglich
gehalten werden. Naturgemäß kann sie durch Verlängerung der gesamten Spulenanordnung
erhöht werden.
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Der Meßpunkt für irgendein Spulensystem kann als der senkrechte Pegel
definiert werden, der gleiche Flächen der senkrechten Ansprechkurve abschneidet.
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Somit liegt für das Spulensystem der Fig. 9 der Meßpunkt, der durch
die gestrichelte Linie 105 in der Fig. 10 dargestellt ist, 65 cm unter dem Mittelpunkt
der Senderspule 100.
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Die Stationen und Bewertungen, die den Berechnungsstationen zugeordnet
werden, können, wie oben beschrieben, erhalten werden.
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Ein Satz von Zahlenangaben ist in der folgenden Tabelle zusammengestellt,
in der alle Entfernungen in bezug zu der letzten Station gesetzt sind, die diejenige
darstellt, die zu dem Zeitpunkt eingenommen wurde, bei dem der berechnete Wert auf
der in der Aufzeichnungsvorrichtung 34 (F i g. 1) erzielten Anzeige aufgeschrieben
wird. Es ist zu beachten, daß sich alle Berechnungsstationen tatsächlich unter der
Senderspule 100 befinden, und durch die Anwendung eines Speichers, der ein Intervall
von 6,35 m mit 26 Speicherstellen, die im Abstand von 25,4 cm zueinander angeordnet
sind, bearbeitet, können elf Berechnungsstationen vorgesehen werden.
| Bewertungsfaktor, |
| Station Station unter in m der an der Station |
| Nr. (Nr. Station 11) in Anwendung |
| gebracht wird |
| 1 6,35 -0,0830 |
| 2 5,6 +0,0830 |
| 3 4,57 +0,1417 |
| 4 3,8 -0,3638 |
| 5 3,05 -0,6559 |
| 6 2,28 + 1,2780 |
| 7 2,03 +0,6000 |
| 8 1,78 -0,2200 |
| 9 1,02 +0,2980 |
| 10 0,762 -0,1250 |
| 11 0 +0,0470 |
Bei diesen B ewertungsfaktoren und Stationsörtlichkeiten zeigt die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine relative Empfindlichkeitscharakteristik, die durch die Kurve 106
in der F i g. 10 erläutert ist. Es wird eine scharfe senkrechte Auflösung erzielt.
Dies ist ebenfalls aus der Fig. 11 ersichtlich, in der die Kurve 107 die relative
Empfindlichkeit für den Teil der Vorrichtung bis zu den Leitungen 20 erläutert,
und die Kurve 108 stellt die relative Empfindlichkeit der vollständigen Vorrichtung
dar. Aus der Kurven8 kann entnommen werden, daß angenähert 90°/o des senkrechten
geometrischen Faktors in einer Lagerstätte mit einer Dicke von 1,02 m vorliegen.
Weiterhin läßt sich aus der Betrachtung der Zweige der Kurve 108, die sich den Nullwerten,
eine derselben asymptotisch, nähern, ersehen, daß dieselben an keiner Stelle um
mehr als 1,5 ovo von jedem der Werte abweichen. Somit werden die Schulterwirkungen
auf einem kleinstmöglichen Wert gehalten.
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Durch die Anwendung eines nicht symmetrischen Spulensystems werden
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgezeichnete Gesamtcharakteristiken bezüglich
der Fokussierung erhalten, ohne daß die Länge des Spulensystems übermäßig erhöht
wird.
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Zusätzlich sind eine ausgezeichnete Untersuchungstiefe und damit verringerte
Wirkungen der leitenden Schultern gegeben.
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Das Spulensystem oder/und die Stationen und Bewertungsfaktoren können
modifiziert werden, um so andere Charakteristiken zu erhalten. An Stelle der
Spule
102 können zwei Spulen mit jeweils 50 Windungen in Serie geschaltet und geringfügig
voneinander getrennt werden, wodurch die Wellen 106 der F i g. 10 verringert werden.
Wenn es zweckmäßig ist, die Anzahl der Berechnungsstationen zu verringern, kann
dies dadurch erzielt werden, daß das Spulensystem modifiziert wird. So können die
Berechnungsstationen 10 und 11 (Tabelle) in Fortfall gebracht werden, indem die
Anzahl der Windungen der Empfängerspule 103 verringert wird.
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Ein Spulensystem der weiter unten beschriebenen Art kann ebenfalls
in Anwendung gebracht werden.
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Dieses System ist in der Fig. 12 erläutert, bei dem die Spulen 110,
111 und 112 Sender und die Spulen 113, 114 und 115 Empfänger sind, die die folgenden
Windungszahlen und Abstände aufweisen:
| Abstand |
| Spule von der Spule 110 Anzahl der Windungen |
| inm |
| 110 -4 |
| 111 1,52 15 |
| 112 1,78 +60 |
| 113 0,762 +60 |
| 114 1,02 -15 |
| 115 2,54 -4 |
Das Vorzeichen gibt den Wicklungssinn an.
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Die Kurve 116 in der F i g. 13 erläutert den senkrechten geometrischen
Faktor für ein Spulensystem 110 bis 115 ohne Berechnung. Unter Anwendung der Berechnungsstationen
m1 und mol', die 2,03m von m0 angeordnet sind, und der Bewertung 0 = 1,32 und 91
und e1, = 0,16 wird der sich ergebende senkrechte geometrische Faktor durch die
Kurve 117 dargestellt. In der Fig. 14 sind die integrierten geometrischen Faktoren
vor und nach der Berechnung durch die Kurven 118 und 119 gezeigt.
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Aus den F i g. 13 und 14 ist die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
erzielbare Verbesserung ersichtlich.
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Aus den obigen Besprechungen geht hervor, daß die Erfindung im Zusammenhang
mit Spulensystemen verschiedener Art angewandt werden kann. Sowohl symmetrische
als auch asymmetrische Systeme können Anwendung finden, und jede gewünschte Anzahl
an Berechnungsstationen kann angewandt werden.
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Es kann z. B. ein Induktionsanzeigesystem unter Anwendung einer einzigen
Spule zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet werden.
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Hierbei kann entweder das durch dieses System erhaltene Leitfähigkeitssignal
oder das Suszeptibilitätssignal verarbeitet werden.
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Bezüglich der Verteilung der Berechnungsstationen in der F i g. 2
stellt m0 die Station dar, die den größten Bewertungsfaktor im Vergleich zu den
Stationen m1 und m11 besitzt, und kann als eine Bezugsstation betrachtet werden.
Die Stationen m1 und mit', deren jede sich in einem Abstand von 2,03 cm von m0 befindet,
sind symmetrisch bezüglich der Bezugsstation verteilt. Bezüglich der F i g. 6 sind
die Werte der Bewertungsfaktoren nicht symmetrisch, während die Stationen symmetrisch
angeordnet sind. Andererseits ist in der Erläuterung gemäß Fig. 10 die Verteilung
eindeutig unsymmetrisch. Alle Stationen lassen sich auf der gleichen Seite des durch
die Linie 105 angezeigten effektiven Meßpunktes anordnen.
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Auch Mehrfachspulensysteme können angewandt werden. Es können z.
B. zusätzliche Spulen in jeder der in den Fig. 1. 4, 9 oder 12 gezeigten Vorrichtungen
eingesetzt werden, so daß sich ein weiterer unterschiedlicher räumlicher Abstand
bezüglich der Hauptspule ergibt. Das zusätzliche Spulensystem kann mit einer anderen
Frequenz oder Zeitfolge bezüglich des vorliegenden Spulensystems erregt werden,
so daß zwei Induktionsanzeigesignale erhalten werden können. Jedes der Signale kann
einzeln oder in Kombination unter Erzielung einzelner oder mehrerer Aufzeichnungen
verarbeitet werden.