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Die
Neuerung betrifft ein Kanalortungssystem mit Kompass nach dem Oberbegriff
des Schutzanspruchs 1.
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Zur
Schadensfeststellung von Schäden
in unterirdisch verlegten Kanalrohren ist es notwendig, mit einem
Kamerafahrwagen den Hauptkanal zu befahren. Ausgehend vom Hauptkanal
zweigen eine Reihe von Nebenkanälen
ab. Gegenstand der Neuerung ist es, ein neuartiges Kanalortungssystem
für die
Schadensfeststellung von Schäden
vom Hauptkanal abzweigenden Nebenkanälen vorzustellen.
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Bisher
ist es lediglich bekannt, an einem Kamerafahrwagen eine Vorschubeinheit
anzuordnen, die beispielsweise aus einem Kabelbündel besteht, an deren vorderen
freien Ende ein Messkopf angeordnet ist. Im Messkopf ist in der
Regel mindestens eine Kamera zur optischen Inspektion des Nebenkanals
angeordnet.
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Nachteil
dieser optischen Inspektion der Nebenkanäle ist jedoch, dass durch eine
bekannte, einfache Längenmessung
des Vorschubes der Vorschubeinheit nicht genau lokalisiert werden
kann, an welchem Abzweig die Vorschubeinheit in welchem Nebenkanal
eingefahren ist und welche Bögen
die Vorschubeinheit im Nebenkanal durchmessen hat. Es besteht also
das Problem, dass man trotz optischer Kontrolle der Nebenkanäle nicht
die aktuelle Position des Messkopfes an der Vorschubeinheit im verzweigten
Nebenkanalsystem feststellen kann.
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Es
ist ferner bekannt, dass im Messkopf ein Sender angeordnet ist,
der einen Sendestrahl in Richtung auf die Erdoberfläche sendet.
Dort kann der Sendestrahl mit einem entsprechenden, an der Erdoberfläche entlanggeführten Empfänger erfasst
werden, so dass über
diese Lokalisation der aktuelle Standort der unterirdisch angeordneten
Kamera erfasst werden kann. Problematisch ist die Lagenortung jedoch
dann, wenn der Empfänger
am Erdboden nicht in die Nähe
oberhalb der Kamera gebracht werden kann, weil beispielsweise ein
Hindernis vorhanden ist. Ein derartiges Hindernis kann ein Gebäude, ein
Wasser oder ein sonstiges Bauwerk sein, was eine Lokalisierung des
Sendestrahls verhindert.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf ein Kanalortungssystem zur Erkundung
von Nebenkanälen
beschränkt,
sondern die Erfindung bezieht sich auch auf das Kanalortungssystem
zur Erkundung von Hauptkanälen,
die dementsprechend ebenfalls Abzweigungen und Bögen aufweisen können. Wenn
demzufolge in der nachfolgenden Beschreibung die Erfindung anhand
eines Kanalortungssystems für
Nebenkanäle
erläutert
wird, so ist dies nicht beschränkend
zu verstehen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Kanalortungssystem
an einer Vorschubeinheit mit Messkopf so weiterzubilden, dass jederzeit
der aktuelle Standort des Messkopfes im Kanalsystem festgestellt
werden kann, ohne das es einer oberirdischen Messung bedarf.
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Zur
Lösung
der gestellten Aufgabe ist die Neuerung durch die technische Lehre
des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Wesentliches
Merkmal der Erfindung ist, dass in dem am vorderen Ende der Vorschubeinheit angeordneten
Messkopf mindestens ein Kompass angeordnet ist.
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Mit
der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil,
dass nun mit Hilfe eines Kompasses eine einfache Lagenbestimmung
(Ortsbestimmung) des Messkopfes im verzweigten Nebenkanalsystem
vorgesehen werden kann. Die Neuerung schlägt hierbei zwei verschiedene
Kompass-Systeme vor. Derartige Kompass-Systeme können auch miteinander kombiniert
werden. Eine erste bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass
das Kompass-System auf das Erdmagnetfeld reagiert und die zweite
Ausführungsform
sieht vor, dass das Kompass-System auf die Schwerkraft der Erde
reagiert.
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Ein
inertiales Navigationssystem ist in der Lage, unabhängig von
externen Signalen und Umweltbedingungen in Echtzeit Position, Geschwindigkeit
und Lagewinkel des Trägerobjektes
(Messkopf einer Vorschubeinheit) zu erfassen. Als physikalischer
Hintergrund wird dazu die Wirkung der Massenträgheit benutzt, wie sie in den
Newtonschen Axiomen für
die Mechanik eines Massepunktes charakterisiert wird. Als primäre Sensoren
werden Beschleunigungsmesser und Kreisel eingesetzt. Aus den gemessenen
Beschleunigungen wird durch Integration die Geschwindigkeit und
durch eine zweite Integration der zurückgelegte Weg berechnet. Die
Kreisel liefern die nötige
Richtungsinformation.
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Grundsätzlich unterscheidet
man bei INS zwei Arten der Mechanisierung: Plattformsysteme und
Strapdown-Systeme.
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Plattformsysteme
bestehen aus einem Kern, auf dem drei senkrecht zueinander angeordnete
Beschleunigungsmesser und Kreisel angebracht sind. Dieser Kern ist
in drei Kardanrahmen gelagert, die die Messeinheit von den Bewegungen
der Trägerobjektes
entkoppeln. Die Kardangelenke sind mit Winkelabgriffen und Servomotoren
versehen, die eine Steuerung der Plattform ermöglichen. Somit kann eine konstante
Orientierung der Sensorplattform im inertialen Raum sichergestellt
werden. Die wesentlichen Vorteile dieser Mechanisierung liegen in
der höheren
Genauigkeit und in der Möglichkeit
der Sensorkalibrierung durch definierte Plattformrotationen begründet.
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Der
weitaus größte Teil
der Anwendungen von inertialen Navigationssystemen wird über sogenannte
Sirapdown-Systeme realisiert (strapdown = festgebunden). Bei dieser
Mechanisierung sind die Sensoren (Kreisel und Beschleunigungsmesser)
fest mit dem Trägerobjekt
verbunden. Die gemessenen Beschleunigungen müssen mit Hilfe der Rotationsinformation
der Kreisel ständig
in ein inertiales System transformiert werden.
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Der
Vorteil dieser Methode liegt in der einfacheren Bauweise dieser
Geräte.
Auf komplizierte mechanische Lagerung der Sensoren kann verzichtet
werden. Dieses führt
zu einer erheblichen Verkleinerung und Verbilligung der inertialen
Messeinheiten. Durch die gesteigerte Robustheit der Systeme wird das
Anwendungsspektrum stark erweitert. Erkauft werden diese Vorteile
im wesentlichen durch eine aufwendigere Fehlermodellierung und einen
erhöhten
Prozessierungsaufwand zur Berechnung der Navigationsdaten.
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Konventionelle
Kreisel nutzen die inertialen Eigenschaften eines sich mit hoher
Geschwindigkeit drehenden Körpers,
d.h. die Stabilität
der Rotationsachse im Raum findet Verwendung. Dazu gehören die
sogenannten Rate Integrating Gyroscopes (RIG) und die Dynamically
Tuned Gyroscopes (DTG). Neben ihrer Größe und der starken Begrenzung
der erlaubten Rotationsgeschwindigkeiten werden ihre Anwendungsmöglichkeiten
durch einen relativ hohen- Preis eingeschränkt (hoher mechanischer Anteil).
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Zu
den sogenannten "Rate-Sensoren" zählen Kreisel,
die unterschiedlichste physikalische Phänomene in Reaktion auf inertiale
Drehungen des Trägerobjektes
ausnutzen, z.B. das Trägheitsverhalten von
Flüssigkeiten
oder die Veränderungen
der Zentrifugalbeschleunigung. Zu dieser Klasse zählen der Dual
Axis Rate Transducer (DART) und der Magneto-Hydrodynamic Sensor (MIID).
Bei diesen Typen sind zwar höhere
Drehraten erlaubt, Größe und hoher
mechanischer Anteil sind jedoch eher nachteilig zu werten.
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Bei
Vibrationskreiseln wird eine Testmasse in Schwingungen versetzt.
Wird der Sensor um eine Achse orthogonal zu diesen Schwingungen
gedreht, wird eine Corioliskraft induziert, die die Schwingung der
Testmasse abhängig
vom Ausmaß der
Drehung verändert.
Bei diesem Kreiseltyp kann der mechanische Anteil sehr reduziert
werden, eine miniaturisierte Bauweise wird möglich. Das Genauigkeitspotential ist
jedoch bisher noch eingeschränkt.
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Die
optischen Kreisel arbeiten auf der Grundlage der Ausbreitung von
Lichtwellen. Dazu zählen der
Ring Laser Gyro (RLG) und der Fiber Optic Gyro (FOG). Zwar kann
bei dieser Bauweise auf Rotationen jeglicher Art prinzipiell verzichtet
werden, der erforderliche Ausbreitungsweg des Lichtes lässt jedoch keine
beliebige Verkleinerung des Sensors zu.
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Völlig ohne
bewegliche Bauteile kommt der Nuclear Magnetic Resonance Kreisel
(NMR) aus. Dessen Messprinzip beruht auf der Bewegung von Molekülen in einem
Magnetfeld, was eine nahezu beliebige Verkleinerungsmöglichkeit
erwarten lässt.
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Die
eingesetzten Beschleunigungsmessertypen reichen von konventionellen
Federpendeln (mechanisch), über
vibrierende fiber-optische- oder Quartz-Beschleunigungsmesser, zu Siliziumsensoren
(solid-state), die auf Basis von Kapazitätsveränderungen eines Kondensators
arbeiten. Letztere gehören
wie die Vibrationskreisel zu den sogenannten MEMS-Sensoren (Micro
Electrical Mechanical Systems). Gerade diese Bauart erlaubt eine
starke Verkleinerung der Instrumente, ist aber zum jetzigen Zeitpunkt
nur für
Anwendungen mit geringen Genauigkeitsanforderungen einzusetzen.
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Der
Genauigkeitsbereich von Beschleunigungsmessern ausgedrückt durch
einen Biaswert (Nullpunktsfehler) liegt zwischen 0.01 und 25 mg,
die Auflösung
kann Werte von 1 μg
erreichen. Der Messbereich umfasst Werte zwischen +/–20 g und
+/–200 g.
Der Einsatz eines bestimmten Sensortyps hängt mehr von den äußeren Umständen (Vibrationen,
Magnetfelder) als von Preis und Genauigkeit der Sensoren ab.
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Für Vermessungsaufgaben,
die Genauigkeiten von 1 mm bis 1 m erfordern, können deshalb nur INS mittlerer
oder höchster
Genauigkeit eingesetzt werden. Die spezielle Genauigkeitsanforderung
der Anwendung legt dabei fest, ob und in welchen Zeitabständen. Datenabgleiche
durch Verwendung anderer Sensoren oder durch spezielle Beobachtungsverfahren
(ZUPT, CUPT) zu erfolgen haben.
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Speziell
für die
Rohrvermessung sind Sensoren auf Basis der Trägheitsnavigation optimal einzusetzen,
da sie dreidimensional arbeiten, wegen ihrer hohen Datenrate auch
bei schneller Bewegung eine ausreichende Punktdichte liefern und
keine Verbindung zu Bezugspunkten auf zum Beispiel optischer oder
elektromagnetischer Basis sichergestellt sein muss.
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Rohrvermessungen
stellen jedoch an die eingesetzten Inertialsensoren höchste Ansprüche. Einerseits
ist ein möglichst
kleine Bauweise erforderlich, um den Anwendungsbereich nicht auf
große Rohrdurchmesser
zu beschränken,
andererseits muss eine hohe Langzeitstabilität erreicht werden, da Korrekturen
von Sensorfehlern durch zusätzliche Messungen
nur sehr begrenzt möglich
sind, z.B. in Form von Zero Velocity Updates (ZUPT) oder von zusätzlichen
Wegaufnehmern.
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Heutige
inertiale Messeinheiten sind deshalb mindestens auf die Verwendung
von fiber-optischen Kreiseln angewiesen. Dies ist aber wiederum
verbunden mit einer Sensorgröße von etwa
10 × 10 × 10 cm.
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Der
Erfindungsgegenstand der vorliegenden Neuerung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Schutzansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Schutzansprüche
untereinander.
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Alle
in den Unterlagen, einschließlich
der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden
als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in
Kombination gegenüber
dem Stand der Technik neu sind.
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Im
Folgenden wird die Neuerung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher
erläutert.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere
wesentliche Merkmale und Vorteile der Neuerung hervor.
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Es
zeigen:
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1: schematisiert ein vom
Hauptkanal abzweigendes Nebenkanalsystem;
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2: schematisiert eine erste
Ausführungsform
eines Messkopfes;
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3: schematisiert eine zweite
Ausführungsform
eines Messkopfes;
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4: schematisiert eine dritte
Ausführungsform
eines Messkopfes.
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In
einem Hauptkanalrohr 1 ist in nicht näher dargestellter Weise eine
Vorschubeinheit 3 verschiebbar angeordnet.
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Für den Vorschubantrieb
der Vorschubeinheit 3 gibt es verschiedenartige Möglichkeiten.
Nach einer ersten Ausführungsform
ist die Vorschubeinheit 3 an einen nicht näher dargestellten
Fahrwagen montiert, der beispielsweise in Pfeilrichtung 2 im
Kanalrohr 1 verfahrbar ist.
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In
einer anderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Vorschubeinheit 3 ohne
Fahrwagen als verschiebbares Kabelbündel 4 ausgebildet
ist. Bei dieser Ausführungsform
fehlt der Fahrwagen und das Kabelbündel 4 der Vorschubeinheit 3 wird
mit einer Schiebestange in das Nebenkanalsystem eingeschoben oder
mittels entsprechender Zugseile oder anderer Zug- oder Schiebemittel
im Nebenkanalsystem bewegt.
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Selbstverständlich ist
es auch vorgesehen, dass der Vorschubeinheit 3 durch einen
entsprechenden aktiven Antrieb verwirklicht werden kann, der am
vorderen Ende der Vorschubeinheit 3 angeordnet ist, nämlich insbesondere
im Bereich des vorne angeordneten Messkopfes 12. Derartige,
bekannte Vorschubantriebe sind beispielsweise Luft- oder hydraulische
Antriebe, die mit Rückstoßdüsen arbeiten
und den Messkopf 12 durch Rückstoss an der Kanalwandung
im Nebenkanalsystem hindurchbewegen.
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Ausgangspunkt
der vorliegenden Erfindung ist, dass die Position 25 des
Messkopfes 12 der Vorschubeinheit 3 im verzweigten
Nebenkanalsystem zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst werden soll.
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Zu
diesem Zweck wird ausgehend von einem ortsfesten Referenzpunkt 21 die
Vorschublänge
der Vorschubeinheit 3 bestimmt, wobei der Messkopf 12 in
Pfeilrichtung 2 von dem Referenzpunkt 21 bis zur Position 5 verschoben
wird. Die zwischen dem Referenzpunkt 21 und der Position 5 zurückgelegte
Länge wird
nun durch über
die Wegmessung an der Vorschubeinheit 3 erfasst und dient
für eine
Kalibrierung des gesamten Vorschubsystems.
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Bei
Position 5 wird der Messkopf nun umgelenkt und in Pfeilrichtung 6 in
einen ersten Nebenkanal 7 eingeschoben.
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Bei
Position 5 werden nun beispielsweise die Messdaten vom
in dem Messkopf 12 angeordneten Kompass 18 abgenommen,
so dass der genaue Navigationsstandort des Messkopfes 12 bei
Position 5 errechnet wird.
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Nach
dem Durchfahren des Messkopfes 12 im Nebenkanal 7 gelangt
dieser bei Position 8 in den Bereich eines Abzweiges 13.
Dort können
wiederum die Navigationsdaten im Kompass 18 des Messkopfes 12 abgefragt
werden und damit kann festgestellt werden, welche Neigung der Nebenkanal 7 im
Bezug zum Hauptkanal hat. Darüber
hinaus ist die Schiebelänge
von Position 5 zu Position 8, nämlich die
Länge 22 ohne
diese über
die Messung der Vorschublänge der
Vorschubeinheit 3 bekannt.
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Nach
dem Umschwenken des Messkopfes am Abzweig 13 in dem zweiten
Nebenkanal 9 wird der Messkopf wiederum um eine bestimmte
Länge 23 (Messung über die
Wegemessung einer Vorschubeinheit) verschoben, bis er bei Position 10 in
einen Bogen 11 des Nebenkanals 9 kommt. Dort können wiederum
die Navigationsdaten des Messkopfes abgefragt werden und damit ist
die Lage des Positionspunktes 10 im Bezug zum Positionspunkt 8 festgelegt.
Damit kann die Neigung des Nebenkanals 9 zum Nebenkanal 7 und
damit auch zum Kanalrohr 1 festgestellt werden.
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Der
Messkopf wird bei Position 10 in den nach oben gerichteten
Abzweig des Nebenkanals 9 eingeschoben und nach dem Durchfahren
einer Länge 24 hat
er die aktuelle Position 25 erreicht. Dort werden wiederum
die Navigationsdaten abgefragt und nun kann der genaue Standort
des Messkopfes 12 im Nebenkanal bestimmt werden. Einerseits
ist die genaue Vorschublänge
bekannt, weil die Länge zwischen
dem Referenzpunkt 21 und dem Messkopf 12 bekannt
und unveränderbar
ist und zum zweiten ist nun auch der aktuelle Standpunkt des Messkopfes 12 bei
Position 25 über
die Abfrage der Navigationsdaten erkannt.
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Darüber hinaus
erfolgt mit dem Durchfahren durch das Nebenkanalnetz auch gleichzeitig
eine Vermessung der Nebenkanäle,
weil nun auch deren Neigung und deren aktuelle Lage in allen drei
Raumachsen genau erfassbar ist.
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Mit
dem vorgestellten Navigationssystem können also nicht nur aktuelle
Standorte eines Messkopfes am vorderen Ende einer Vorschubeinheit
festgestellt werden, sondern es ist darüber hinaus möglich, eine
Vermessung eines Nebenkanalsystems in allen drei Raumachsen vorzunehmen.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform
eines Messkopfes 12 dargestellt. Dort ist angegeben, dass
eine optische Kamera 15 mit einem nach vorne gerichteten
Blickwinkel auf einem Schwenkgestell 16 angeordnet ist,
so dass die Kamera in verschiedenen Ebenen gedreht und geschwenkt
werden kann, um verschiedene Perspektiven im Innenraum des jeweiligen
Nebenkanals erfassen zu können.
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Im
Messgehäuse 17 des
Messkopfes 12 ist darüber
hinaus noch der erfindungsgemäße Kompass 18 angeordnet,
der nach dem allgemeinen Beschreibungsteil beispielsweise auf Feldlinien 19 reagiert,
die durch das Erdmagnetfeld oder durch Trägheitskräfte erzeugt sind.
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Die 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel
eines Messkopfes 14, dass der erfindungsgemäße Kompass 18 auch
getrennt von dem Messgehäuse 17 und
der Kamera 15 angeordnet sein kann. Eine solche Ausführungsform
eignet sich insbesondere für
eine Nachrüstung
vorhandener Messköpfe, wobei
der Kompass 18 beispielsweise über eine Verbindung 20 mit
dem Messgehäuse 17 verbunden
ist.
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Die 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel,
dass der Messkopf nur den Kompass 18 enthalten kann, so
dass er keinerlei optische Kontrollmittel beinhaltet. Auch mit einer
solchen Anordnung ist es ohne weiteres möglich, die Navigationsdaten
des Messkopfes an jedem beliebigen Ort im Nebenkanalsystem festzuhalten.
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Die
Messdaten des Kompasses 18 werden über das Kabelbündel 4 zur
Auswerteeinheit geleitet. Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten
für die Messdatenübertragung.
Neben der draht- und kabelgebundenen sowie der optischen Signalübertragung gibt
es auch noch die drahtlose Datenübertragung, die
ebenfalls als erfindungswesentlich beansprucht wird.
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Wichtig
ist, dass alle Navigationsdaten von einer Auswerteeinheit erfasst
werden können,
die beispielsweise in einem Messwagen an der Erdoberfläche stationär ist. Es
bedarf daher nicht mehr einer Ortung des Messkopfes 12 genau
senkrecht über den
Messkopf an der Erdoberfläche,
was durch verschiedene Hindernisse verhindert werden könnte. Durch
diese Art der Messdatenerfassung wird Personal eingespart, weil
nur noch eine einzige Bedienungsperson die Daten der Auswerteeinheit
auswertet.
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Die
Navigationsdaten des Messkopfes können auch in entsprechende
Katasterpläne
eingearbeitet werden, um so eine genaue Ortsbestimmung der von einem
Kanalrohr abzweigenden Nebenkanäle 7, 9 zu
gewährleisten.
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- 1
- Kanalrohr
- 2
- Pfeilrichtung
- 3
- Vorschubeinheit
- 4
- Kabelbündel
- 5
- Position
- 6
- Pfeilrichtung
- 7
- Nebenkanal
- 8
- Position
- 9
- Nebenkanal
- 10
- Position
- 11
- Bogen
- 12
- Messkopf
- 13
- Abzweigung
- 14
- Messkopf
- 15
- Kamera
- 16
- Schwenkgestell
- 17
- Messgehäuse
- 18
- Kompass
- 19
- Feldlinie
- 20
- Verbindung
- 21
- Referenzpunkt
(Länge)
- 22
- Länge
- 23
- Länge
- 24
- Länge
- 25
- Position