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Dokumentenidentifikation DE68916762T2 26.01.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0372059
Titel VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM NIVELLIEREN EINER DIE SCHWERKRAFT MESSENDEN ANORDNUNG.
Anmelder Allied-Signal Inc., Morristown, N.J., US
Erfinder HULSIN, Rand, H., Redmond, WA 98052, US
Vertreter Schroeter, H., Dipl.-Phys.; Fleuchaus, L., Dipl.-Ing.; Lehmann, K., Dipl.-Ing., 81479 München; Wehser, W., Dipl.-Ing., 30161 Hannover; Gallo, W., Dipl.-Ing. (FH), Pat.-Anwälte, 86152 Augsburg
DE-Aktenzeichen 68916762
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.04.1989
EP-Aktenzeichen 899066336
WO-Anmeldetag 14.04.1989
PCT-Aktenzeichen US8901580
WO-Veröffentlichungsnummer 8911666
WO-Veröffentlichungsdatum 30.11.1989
EP-Offenlegungsdatum 13.06.1990
EP date of grant 13.07.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.01.1995
IPC-Hauptklasse G01V 13/00

Beschreibung[de]
Technischer Bereich

Die Erfindung betrifft einen Gravitationsbeschleunigungssensor und bezieht sich insbesondere auf das Verfahren, durch das der Sensor nivelliert wird, so daß die Gravitationsbeschleunigung längs einer vertikalen Achse gemessen werden kann.

Hintergrund der Erfindung

Das Erdgravitationsfeld variiert in Abhängigkeit von der Position, an der es gemessen wird, der Dichte der umgebenden Masse, der Höhe oder Tiefe der Messung und der Entfernung zu natürlichen topographischen Gegebenheiten und vom Menschen geschaffenen Einrichtungen mit beträchtlicher Masse, wie Berge und große Gebäude. Die Unterschiede im Gravitationsfeld wurden über einen wesentlichen Teil der Erdoberfläche präzise gemessen, und es wurden Karten erstellt, die eine Beziehung der Gravitationsfeldstärke zu der Position herstellen. Während diese Karten von wissenschaftlichem Interesse sind, finden diese auch militärische Anwendungen. Unter Verwendung dieser Karten kann beispielsweise ein untergetauchtes U-Boot während einer geheimen Mission durch Aufnahme von Gravitationsprofilen längs des Meeresbodens navigieren.

Eine exakte Gravitationsmessung ist auch für die Mineralölindustrie wichtig. Präzise Gravitationsvermessungen von erschöpften Öl- oder Gasquellen werden manchmal gemacht, in denen Unterschiede der örtlichen Gravitation im Mikro- oder Nano-g Bereich aufgezeichnet werden, um Daten zu erstellen, die Variationen der Dichte der die Quelle oder das Bohrloch umgebenden Schichten wiedergeben, welche ein Anzeichen für unerschlossene Einschlüsse von Gas oder Öl liefern können. Gravitationsmessungen bei diesem Auflösungsgrad erfordern die Verwendung eines Gravitationssensors mit sehr hoher Präzision, und während der Messungen muß große Sorgfalt aufgewendet werden, um brauchbare Ergebnisse zu erhalten. Der Gravitationssensor muß beispielsweise so orientiert sein, daß seine empfindliche Achse vertikal ausgerichtet ist. Eine Abweichung von der vertikalen Ausrichtung um einem Winkel Θ erzeugt einen Fehler, der gleich dem Wert der Gravitationsbeschleunigung g multipliziert mit cos Θ ist. Somit liefert eine Abweichung von der Vertikalen um einen Winkel Θ gleich 50 mikrorad einen Fehlerbeitrag von einem nano-g (oder ungefähr einem mikro-g).

Eine herkömmliche Gravitationsmessungsanordnung von der Art, wie sie für gravimetrische Bohrlochmessungen verwendet wird, umfaßt typischerweise einen an einem Rahmen befestigten Sensor, welcher Rahmen in einem zweiachsigen kardanischen Rahmen befestigt ist, so daß eine Referenzebene in dem Rahmen präzise nivelliert werden kann. Der Sensor wird in einem präzisen Winkel von 90º bezüglich der Referenzebene angeordnet, wodurch seine empfindliche Achse durch Nivellieren der Referenzebene vertikal ausgerichtet werden kann. Die Winkelbeziehung zwischen der Referenzebene und der empfindlichen Achse muß natürlich korrekt sein, um Ausrichtungsfehler zu vermeiden. Sowohl der Mangel an Präzision beim exakten Nivellieren der Referenzebene als auch die Schwierigkeit beim Aufrechterhalten des präzisen 90º-Winkels zwischen der empfindlichen Achse der Gravitationsmessungsanordnung und der Referenzebene haben die Geschwindigkeit, die Auflösung und die Genauigkeit von Gravitationsmessungsanordnungen nach dem Stand der Technik wesentlich eingeschränkt. Des weiteren waren die zweiachsigen kardanischen Rahmen derartiger Anordnungen nach dem Stand der Technik in ihrer Drehung um jede Achse auf einen Winkel von ungefähr nur ± 12º beschränkt. Der begrenzte Winkel der Kardanbewegung machte Gravitationsmessungen für die Verwendung in Bohrlochvermessungen mit einem Neigungswinkel von mehr als 12º unmöglich.

Das US-Patent 4 021 774 (Asmundsson et al) offenbart einen Bohrlochsensor mit einer dreiachsigen kardanisch aufgehängten Anordnung zum Bestimmen von vertikalen und horizontalen Ebenen unter Verwendung der Gravitationskraft als Referenz. Diese Anordnung beseitigt einige der oben genannten Probleme, benötigt aber zwei Beschleunigungsmesser und beseitigt nicht die Probleme bezüglich der Winkelbeziehung zwischen der Referenzebene und der empfindlichen Achse des Beschleunigungsmessers.

Ein anderer Weg zur Bestimmung der vertikalen Ausrichtung für Gravitationsmessungen verwendet ein Rad, das sich um eine Nivellierungsachse dreht. Eine Vielzahl von Beschleunigungsmessern ist längs des Umfangs des Rades angeordnet und dient der Erzeugung eines Ausgangssignals, das periodisch Anzeigewerte + 1g, 0g, -1g und 0g durchläuft, wenn sich das Rad dreht. Der Vorteil dieser Methode im Gegensatz zu der zweiachsigen kardanischen Rahmenanordnung ist, daß von den drehenden Beschleunigungsmessern erzeugte Daten verarbeitet werden können, um systematische Fehler (bias errors) im Ausgangssignal zu bestimmen und zu beseitigen. Es ist jedoch immer noch notwendig, die Rotationsachse des Rades zu nivellieren, so daß die Ebene des Rades vertikal ist. Darüber hinaus müssen die von den Beschleunigungsmessern ausgegebenen Signale zu einem Prozessor über Schleifringe oder andere bewegbare elektrische Verbindungen übertragen werden, die in der Regel rauschen. Die Verarbeitung des von einem rotierenden Beschleunigungsmesser ausgegebenen Signals ist außerdem schwieriger und möglicherweise eine Fehlerquelle; das Ergebnis ist teilweise von einem genauen Timing der Rotation des Rades abhängig.

Die oben beschriebenen, mit Gravitationsmessungsanordnungen nach dem Stand der Technik verbundenen Einschränkungen und Probleme, teilweise bezüglich dem genauen Nivellieren der Anordnung, so daß die empfindliche Achse des Gravitationssensors vertikal ausgerichtet ist, haben einen umfassenden Einsatz von präzisen Gravitationsvermessungen weitgehend verhindert, insbesondere hinsichtlich gravimetrischer Bohrlochaufzeichnungsvermessungen. Die vorliegende Erfindung liefert eine einfache und sehr genaue Lösung für dieses Problem, die eine große Steigerung der Genauigkeit und Geschwindigkeit verspricht, mit denen solche Messungen durchgeführt werden können. Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus den beiliegenden Zeichnungen und der Beschreibung der folgenden bevorzugten Ausführungsform hervor.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nivellieren einer Gravitationsmessungsanordnung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfaßt einen kardanischen Rahmen, der auf der Gravitationsmessungsanordnung angebracht ist und um eine erste Achse drehbar ist. Ein zweiter kardanischer Rahmen ist auf dem ersten kardanischen Rahmen angebracht und ist um eine zweite Achse drehbar, die unter einem beträchtlichen Versetzungswinkel bezüglich der ersten Achse angeordnet ist. Einrichtungen, die ein die Beschleunigung angebendes Signal erzeugen, werden für die Erfassung der Beschleunigung längs einer beschleunigungsempfindlichen Achse bereftgestellt Die Beschleunigungserfassungseinrichtungen sind auf dem zweiten kardanischen Rahmen derart befestigt, daß die beschleunigungsempfindliche Achse in einem rechten Winkel zu der zweiten Achse steht. Darüber hinaus sind Einrichtungen für das inkrementale Drehen des ersten und des zweiten kardanischen Rahmens vorgesehen, um die beschleunigungsempfindliche Achse in einer ersten Stellung und dann in einer zweiten Stellung auszurichten, bei der das von der Beschleunigungserfassungseinrichtung erzeugte Signal im wesentlichen eine minimale Beschleunigung aufgrund der Gravitation wiedergibt.

Die erste und die zweite Stellung definieren eine Nivellierungsebene für den ersten und den zweiten kardanischen Rahmen derart, daß die beschleunigungsempfindliche Achse im wesentlichen vertikal bezüglich der Nivellierungsebene ausgerichtet werden kann. Eine vertikale Ausrichtung der beschleunigungsempfindlichen Achse ermöglicht der Beschleunigungserfassungseinrichtung, die Schwerkraft genau zu messen.

Die Einrichtungen zum inkrementalen Drehen der ersten und zweiten kardanischen Rahmens weisen einen ersten und zweiten Schrittmotor und Steuerungseinrichtungen zum Steuern der Schrittmotoren in Abhängigkeit des von der Beschleunigungserfassungseinrichtung erzeugten Signals auf. Die Steuerungseinrichtungen steuern wahlweise den ersten und den zweiten Schrittmotor an und drehen den ersten und den zweiten kardanischen Rahmen inkremental um ihre jeweiligen ersten und zweiten Achsen. Ein Drehungsschritt eines jeden Schrittmotors entspricht einem festgelegten Inkrementalwinkel, um den die kardanischen Rahmen gedreht werden. Somit drehen die Steuerungseinrichtungen die Beschleunigungserfassungseinrichtungen derart, daß die beschleunigungsempfindliche Achse mit zwei verschiedenen Ausrichtungen in der Nivellierungsebene liegt und die jeweilige Anzahl der Schritte des ersten und des zweiten Schrittmotors bestimmt, die zum Antreiben der kardanischen Rahmen benötigt werden, um die beschleunigungsempfindliche Achse bezüglich der Nivellierungsebene vertikal auszurichten.

Die Einrichtungen zum inkrementalen Drehen des ersten und des zweiten kardanischen Rahmens umfassen darüber hinaus erste und zweite Getriebeeinrichtungen zum jeweils antreibenden Verbinden des ersten und des zweiten Schrittmotors mit den ersten und zweiten kardanischen Rahmen. Die ersten Getriebeeinrichtungen umfassen ein erstes Triebwerk und mindestens ein spielfreies Getriebe. Die zweiten Getriebeeinrichtungen umfassen ein zweites Triebwerk, mindestens ein spielfreies Getriebe und zwei Kegelradgetriebe.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden die erste und die zweite Achse einen rechten Winkel. Darüber hinaus weist der erste kardanische Rahmen einen äußeren Ring auf, der an einer erste Antriebswelle angebracht ist, die zur ersten Achse ausgerichtet ist. Das spielfreie Getriebe der ersten Getriebeeinrichtung ist auf der ersten Antriebswelle angebracht. Eines der Kegelradgetriebe ist konzentrisch zu der zweiten Achse an dem zweiten kardanischen Rahmen angebracht. Das andere Kegefradgetriebe ist auf einer zweiten Antriebswelle angebracht, die bezüglich der ersten Achse ausgerichtet ist, und greift antreibend in das eine Kegelradgetriebe ein, wenn die zweite Antriebswelle um die erste Achse rotiert. Die zweite Antriebswelle wiederum wird drehbar von dem spielfreien Getriebe der zweiten Getriebeeinrichtung angetrieben. Der erste und der zweite Schrittmotor drehen jeweils das erste und zweite Triebwerk, um die spielfreien Getriebe zu drehen. Die erste und die zweite Getriebeeinrichtung können des weiteren beide eine Vorgelegeachse enthalten, auf der ein anderes spielfreies Getriebe und ein Spannradgetriebe angebracht sind, wobei das erste und das zweite Triebwerk jeweils in das andere spielfreie Getriebe eingreift und somit das Spannradgetriebe dreht. Das Spannradgetriebe greift in das eine spielfreie Getriebe ein und überträgt die Drehbewegung darauf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht einer Gravitationsmessungsanordnung, wobei ein Teil eines Gehäuses weggeschnitten wurde, um den Mechanismus für die Bestimmung einer Nivellierungsreferenzebene darzustellen;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Gravitationsmessungsanordnung längs der Schnittlinie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht, die einen von einem Kardanaufbau der Gravitationsmessungsanordnung abgetrennt dargestellten Schrittmotoraufbau zeigt, wobei das Gehäuse zur Verdeutlichung vollständig weggelassen wurde;

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den Kardanaufbau längs der Schnittlinie 44 von Fig. 1;

Fig. 5A bis 5D sind eine Reihe von vier isometrischen Ansichten eines Modells eines Kardanaufbaus, die die Rotationsbewegung darstellen, die nötig ist, um eine beschleunigungsempfindliche Achse eines darin angebrachten Beschleunigungsmessers in vier verschiedene horizontale/vertikale Stellungen zu bringen; und

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer Steuerung der Gravitationsmessungsanordnung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 und 2 ist eine im allgemeinen mit Bezugszeichen 10 bezeichnete Gravitationsmessungsanordnung gezeigt. Eingebaut in die Gravitationsmessungsanordnung ist die vorliegende Erfindung zur Bestimmung einer Horizontalen, so daß eine genaue Messung der Gravitationsbeschleunigung in einer genau vertikal ausgerichteten Richtung ausgeführt werden kann. Die Gravitationsmessungsanordnung ist von einem Rahmen 14 unterstützt und ist normalerweise vollständig von einem röhrenförmigen Gehäuse 12 umhüllt. In den Fig. 1 und 2 wurde jedoch das röhrenförmige Gehäuse weggeschnitten, um die die Anordnung bildenden Elemente besser darstellen zu können.

In einer typischen Anwendung bei gravimetrischen Bohrlochvermessungen sind zwei Gravitationsmessungsanordnungen 10 in einem Vermessungsfühler mit röhrenförmigem Gehäuse 12 im Abstand von ungelähr 3 Metern (10 Fuß) angebracht. Der Fühler wird mit einem Kabel in das Bohrloch hinabgelassen (nicht gezeigt) und ermöglicht dabei, die Dichte der das Bohrloch umgebenden Erdschichten gemäß den Änderungen der örtlichen Gravitationsbeschleunigung aufzuzeichnen. Beide Gravitationsmessungsanordnungen arbeiten unabhängig voneinander, benützen aber eine gemeinsame Mikroprozessorsteuerung, ein gemeinsames Stromversorgungsmodul und gemeinsame Kommunikationsschnittstellenmodule. Details der Steuerung und dieser Module bezüglich einer einzelnen Gravitationsmessungsanordnung sind nachstehend offenbart. Während die Verwendung eines Nivelliergerätes in einer Gravitationsmessungsanordnung für Bohrlochgravimetrie eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt, sollte es jedoch klar sein, daß es viele andere nicht verwandte Anwendungen gibt, für die die Erfindung genauso einsetzbar ist.

Die Gravitationsmessungsanordnung 10 weist im allgemeinen einen Schrittmotoraufbau 16 und einen Kardanaufbau 18 auf, die in Fig. 3 voneinander getrennt dargestellt sind. Der Schrittmotoraufbau umfaßt einen Schrittmotor 20 und einen Schrittmotor 22, die im allgemeinen parallel zueinander in einem Befestigungsjoch 24 angebracht sind, der an einem Rahmen 14 befestigt ist. Gemäß Fig. 1 reicht jedoch eine Motorantriebswelle des Schrittmotors 20 über die rechte Seite der Fig. hinaus und weist ein Getriebezahnrad 28 auf, das antreibend in ein spielfreies Getriebe 30 eingreift. Spielfreie Getriebe sind in der mechanischen Präzisionsgetriebeteclmik wohlbekannt und sind ohne weiteres in einer Vielzahl von Größen und Drehmomentspeziftkationen im Handel erhältlich. Das spielfreie Getriebe 30 ist längs einer zu der Stirnfläche des Getriebes parallelen Linie in zwei Hälften 30a und 30b unterteilt. Eine zwischen den zwei Hälften 30a und 30b angebrachte Feder (nicht gezeigt) liefert eine Kraft, die dazu neigt, die zwei spielfreien Getriebehälften in einer entgegengesetzten Richtung um ihre gemeinsame Drehachse zu drehen. Die von der Feder gelieferte Kraft übertrifft die von dem Schrittmotor 20 über das Getriebezahnrad 28 gelieferte Antriebskraft, so daß jede Seite jedes Zahnes auf dem Zahntriebwerk, das in das spielfreie Getriebe 30 eingreift, an gegenüberliegenden Zähnen auf den Hälften 30a und 30b eingreift. Somit ist klar, daß virtuell das gesamte Getriebespiel, das andererseits bei der Richtungsumkehr der Drehung der Motorantriebswelle 26 auftreten würde, im wesentlichen durch das spielfreie Getriebe eliminiert wird, wenn es eine Vorgelegeachse 34 antreibt, auf der es montiert ist. Ein Ende der Vorgelegeachse 34 ist drehbar in einem Lager 36 befestigt, das an einem Befestigungsjoch 24 angebracht ist, und das andere Ende ist drehbar in einem Lager 36 befestigt, das am Rahmen 14 angebracht ist.

In ähnlicher Weise umfaßt der Schrittmotor 22 eine Motorantriebswelle 38, die wie in Fig. gezeigt links herausragt Ein Zahntriebwerk 40 ist auf der Motorantriebswelle angebracht und greift in ein spielfreies Getriebe 42 ein. Das spielfreie Getriebe 42 umfaßt zwei Hälften 42a und 42b, die der Drehung einer Vorgelegeachse 46 dienen, auf der das spielfreie Getriebe 42 befestigt ist. Die Vorgelegeachse 46 ist ebenfalls drehbar in den Lagern 36, die auf dem Befestigungsjoch 24 und dem Rahmen 14 angebracht sind, auf einer entgegengesetzten Seite des röhrenförmigen Gehäuses der Vorgelegeachse 34 befestigt. Die zwei Vorgelegeachsen sind in einer gemeinsamen Achse ausgerichtet, werden aber unabhängig durch die Schrittmotoren gedreht.

Das Spannradgetriebe 32 greift in ein anderes spielfreies Getriebe 48 ein, das die zwei Hälften 48a und 48b umfaßt. Wie vorstehend beschrieben, eliminiert das spielfreie Getriebe 48 das wegen der Richtungsumkehr der Drehung des Spannradgetriebes 32 auftretende Spiel. Wenn sich das Spannradgetriebe 48 dreht, dreht es eine Antriebswelle 50, auf der es angebracht ist. Ein Ende der Antriebswelle 50 dreht sich in den Lagern 37, die in dem Rahmen 14 angebracht sind, und ein anderer Abschnitt der Antriebswelle dreht sich in den Lagern 52, die in einer Seite eines Kardanrahmens 54 angebracht sind. Ein erstes Kegelradgetriebe 58 ist auf einem sich nach innen erstreckenden Ende der Antriebswelle 50 in dem Kardanrahmen 54 angebracht. Die Seite des Kardanrahmens 54 gegenüber der Antriebswelle 50 ist von einer Antriebswelle 56 unterstützt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß ein zweites Kegelradgetriebe 60 auf einer Kardanwelle 62a angebracht ist, die in einem Lager 64 angebracht ist, das an einer Seite des Kardanrahmens 54 angeordnet ist. Eine zweite Kardanwelle 62b ist ebenfalls in einem Lager 64 an der gegenüberliegenden Seite des Kardanrahmens 54 angebracht. Die inneren Enden der Kardanwellen 62a und 62b erstrecken sich längs einer gemeinsamen Achse zum Unterstützen einer Beschleunigungsmesserhalterung 66, die im allgemeinen in einem Kardanrahmen 54 zentriert angeordnet ist. Ein Beschleunigungsmesser 68 ist in einer in der Beschleunigungsmesserhalterung 66 gebildeten Aussparung unter Verwendung von Bolzen 70 oder anderen geeigneten Befestigungsteilen angebracht. Eine beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers 68 ist unter einem rechten Winkel zu einer Längsachse der ersten und zweiten Kardanwellen 62a und 62b angeordnet. in ähnlicher Weise ist die Längsachse der ersten und zweiten Kardanwellen 62a und 62b in einem rechten Winkel zu einer Längsachse der Antriebswelle 50 angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Kardanrahmen 54 weist somit einen ersten kardanischen Rahmen auf den Lagerwellen 50 und 56 auf, und die Kardanwellen 62a und 62b und die Beschleunigungsmesserhalterung 66 weisen einen zweiten kardanischen Rahmen auf, wobei die ersten und zweiten kardanischen Rahmen es dem Beschleunigungsmesser 68 ermöglichen, um zwei orthogonale Achsen gedreht zu werden.

Die Drehung der Antriebswelle 50 bewirkt, daß sich das erste Kegelradgetriebe dreht, und da es antreibend in das zweite Kegelradgetriebe eingreift, bewirkt die erste Kardanwelle 62a das Drehen der Beschleunigungsmesserhalterung 66 und des daran befestigten Beschleunigungsmessers 68. Der Schrittmotor 20 kann somit die beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers 68 um im wesentlichen 360 um die Langsachse der ersten und zweiten Kardanwellen 62a und 62b drehen und damit ausrichten. Die beschleunigungsempfindliche Achse bleibt während derartiger Drehungen jedoch senkrecht zu der Längsachse der Kardanwellen.

Durch Ansteuern des Schrittmotors 22 wird ein mit dem spielfreien Getriebe 42 auf der Vorgelegeachse 46 angebrachtes Spannradgetriebe gedreht. Das Spannradgetriebe 44 greift antreibend in ein spielfreies Getriebe 72 ein, das eine erste und eine zweite auf der Antriebswelle 56 angebrachte Hälfte 72a und 72b umfaßt. Das spielfreie Getriebe 72 eliminiert das Getriebespiel während der Umkehr der Drehrichtung des Spannradgetriebes 44, wie vorstehend beschrieben ist. Die Antriebswelle 56 ist drehbar in den Lagern 39 angebracht, die im Rahmen 14 angeordnet sind. Das spielfreie Getriebe 72 ist an dem Kardanrahmen 54 befestigt, und das nach sich nach innen erstreckende Ende der Antriebswelle 56 ist derart an den Kardanrahmen 54 angebracht, daß eine Drehung der Antriebswelle 56 bewirkt, daß sich der Kardanrahmen um die Längsachse der Antriebswelle (die zur Längsachse der Antriebswelle 50 ausgerichtet ist) dreht. Eine Drehung des Kardanrahmens 54 um die Längsachse der Antriebswelle 56 dreht den Beschleunigungsmesser 68 in gleicher Weise um diese Achse. Da eine Drehung des Kardanrrthmens eine relative Bewegung zwischen dem ersten und zweiten Kegelradgetriebe 58 und 60 verursacht, sollte deutlich sein, daß der Schrittmotor 20, wenn die beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers 68 in einer gegebenen Winkelbeziehung zu der Längsachse der ersten und zweiten Kardanwellen 62a und 62b bleiben soll, ebenfalls so angesteuert werden muß, daß eine Drehung der Antriebswelle 50 in einer Richtung und mit einer Stärke bewirkt wird, die ausreichen, die vom Schrittmotor 22 verursachte relative Drehung zwischen den Kegelradgetrieben zu kompensieren.

Die Beziehung der Elemente, die den Kardanaufbau bilden, ist deutlich in dem Querschnitt von Fig. 4 dargestellt. Aus dieser Ansicht ist ersichtlich, daß die gemeinsame Längsachse der Antriebswellen 50 und 56 einen rechten Winkel mit der Längsachse der ersten und zweiten Kardanwellen 62a und 62b bildet.

Darüber hinaus dürfte klar sein, daß der Beschleunigungsmesser 68 derart gedreht werden kann, daß seine beschleunigungsempfindliche Achse durch selektives Ansteuern der Schrittmotoren 20 und 22 in praktisch jede gewünschte Richtung ausgerichtet werden kann.

In den Fig. 5A bis 5D ist das Modell eines Kardanaufbaus generell mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Diese Fig. zeigen vier Stellungen, in denen sich der Kardanaufbau befinden kann, um die Richtung zu ändern, in der eine beschleunigungsempfindliche Achse 118 eines darin angebrachten Beschleunigungsmessers 116 ausgerichtet ist. Das Modell des Kardanaufbaus umfaßt Träger 102, die eine analoge Funktion zu dem Rahmen 14 der vorstehend angegebenen Gravitationsmessungsanordnung darstellen. Ein rechteckiger Kardanrahmen 104 ist drehbar auf starken Gelenkbolzen 106 angebracht, die an zwei entgegengesetzten Seiten des Kardanrahmens befestigt sind. Die starken Gelenkbolzen 106 drehen sich in Lagern 108 in Trägern 102. Der Kardanrahmen 104 ist somit um eine Längsachse der starken Gelenkbolzen 106 drehbar, so wie der Kardanrahmen 54 um die Längsachse der Antriebswelle 56 (und der Antriebswelle 50) drehbar ist.

Eine Beschleunigungsmesserhalterung 110 ist auf den starken Gelenkbolzen 112 im Kardanrahmen 104 angebracht, und die äußeren Enden der starken Gelenkbolzen 112 sind drehbar in den Lagern 114 an den zwei anderen gegenüberliegenden Seiten des Kardanrahmens 104 befestigt. Die starken Gelenkbolzen 112 sind somit den Kardanwellen 62a und 62b ähnlich. Ein Pfeil 118 ist an den Seiten der Beschleunigungsmesserhalterung in der Darstellung angegeben, um die Richtung anzuzeigen, in die die beschleunigungsempflndliche Achse des Beschleunigungsmessers 116 zeigt. In Fig. 5A zeigt der Pfeil 118 nach oben und zeigt somit an, daß die beschleunigungsempfindliche Achse praktisch vertikal in positiver Richtung ausgerichtet ist. Ein Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 116 in dieser Stellung wärde abhängig von Fehlern in der vertikalen Ausrichtung der beschleunigungsempfindlichen Achse ungefähr 1g betragen.

In Fig. 5B ist die Beschleunigungsmesserhalterung 110 um die starken Gelenkbolzen 112 gedreht, so daß die beschleunigungsempfindliche Achse auf den vordersten Träger 102 zeigt, wie durch den Pfeil 118 angezeigt ist. Die beschleunigungsempfindliche Achse ist in Fig. 5B horizontal ausgerichtet, wenn das vom Beschleunigungsmesser 116 erzeugte Ausgangssignal im wesentlichen 0g anzeigt.

Um die in Fig. 5C gezeigte Anordnung zu erhalten, wird die Beschleunigungsmesserhalterung 110 anfangs um exakt 90º um die starken Gelenkbolzen 112 gedreht, so daß die beschleunigungsempfindliche Achse in gleicher Weise wie in der in Fig. 5A gezeigten Stellung nach oben zeigt, und dann wird der Kardanrahmen 104 um die starken Gelenkbolzen 106 gedreht, so daß die beschleunigungsempfindliche Achse horizontal ausgerichtet ist, aber in eine Richtung in einem rechten Winkel zu derienigen des Pfeils 118 in Fig. 5B zeigt. Die horizontal ausgerichtete Stellung wird wieder durch Uberwachen des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers 116 gefünden, um die Stellung zu bestimmen, bei der das Signal anzeigt, daß die Gravitationsbeschleunigung längs der beschleunigungseinpfindlichen Achse ungefähr gleich Null ist.

Schließlich wird in Fig. 5D der Kardanrahmen 104 weiter um die starken Gelenkbolzen 106 um exakt 90º gedreht, so daß die beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers 116 vertikal in der Richtung des Pfeils 118 nach unten zeigt, und dabei ein Ausgangssignal erzeugt, das -1g entspricht. Eine Drehung um die beiden starken Gelenkbolzen 106 und 112 in eine Stellung, an der die beschleunigungsempfindliche Achse in eine entgegengesetzte Richtung zu deijenigen von Fig. 5D zeigt, das heißt, eine Drehung um exakt 180º, richtet die Achse vertikal aus, so daß + 1g gemessen werden kann.

Nach der Untersuchung des relativ vereinfachten Kardanaufbaumodells 100 sollte es leicht verständlich sein, wie die vorliegende Erfindung dazu verwendet wird, eine den zwei Stellungen des Beschleunigungsmessers 116 in Fig. 5B und 5C entsprechende Nivellierungsbezugsebene zu definieren und den Beschleunigungsmesser so auszurichten, daß seine beschleunigungsempfindliche Achse vertikal für eine Messung der Gravitationsbeschleunigung gemäß dieser in Fig. 5D gezeigten Bezugsebene ausgerichtet ist. Das Kardanaufbaumodell 100 zeigt vereinfacht die sich durch die starken Gelenkbolzen 106 erstreckende Längsachse als im allgemeinen horizontal ausgerichtet, so daß der Beschleunigungsmesser 116 in Fig. 5A nahezu vertikal ausgerichtet ist. Das gleiche Verfahren kann jedoch zur Bestimmung der Vertikalen (mit Bezug zu einer Nivellierungsebene) unabhängig von der Anfangsbeziehung zwischen der Nivellierungsreferenzebene und den starken Gelenkbolzen 106 und 112 verwendet werden.

Hinsichtlich der Gravitationsmessungsanordnung 10 ist die Reihenfolge der Schritte, die für die Bestimmung einer Niveliierungsreferenzebene vorgenommen werden, so daß die beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers 68 vertikal ausgerichtet werden kann, um eine lokale Gravitationsbeschleunigung zu messen, wie folgt: (a) die Beschleunigungsmesserhalterung 66 wird um die Längsachse der Kardanwellen 62a und 62b gedreht, bis das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 68 anzeigt, daß die Gravitationsbeschleunigung längs der beschleunigungsempfindlichen Achse im wesentlichen 0 ist, und daß somit die beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers im wesentlichen horizontal liegt; (b) die Beschleunigungsmesserhalterung 66 wird um einen Winkel von 90º um die Längsachse der Kardanwellen 62a und 62b zurückgedreht; (c) der Kardanrahmen 54 wird dann so gedreht, daß das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 68 wieder eine Gravitationsbeschleunigung anzeigt, die im wesentlichen gleich 0 ist, und daß somit die beschleunigungsempfindliche Achse horizontal in einer senkrechten Achsenrichtung zu derjenigen von Schritt (a) liegt; (d) der Kardanrahmen 54 wird wieder um die Längsachse der Antriebswelle 56 um 90º bezüglich seiner Stellung in Schritt (c) gedreht, wobei die beschleunigungsempfindliche Achse in negativer vertikaler Richtung ausgerichtet wird, so daß -1g genau gemessen werden kann; und (e) die Beschleunigungsmesserhalterung 66 wird um die Kardahwellen 62a und 62b gedreht, und der Kardanrahmen 54 wird um die Längsachse der Antriebswelle 56 gedreht, so daß die beschleunigungsempfindliche Achse des Beschleunigungsmessers 68 vertikal in positiver Richtung ausgerichtet wird und somit das Ausgangssignal + 1g anzeigt. Die Stellung des Beschleunigungsmessers 68 in Schritt (e) ist um 90º bezüglich der zwei senkrechten Achsennivellierstellungen der Schritte (a) und (c) und um 180 bezüglich der Stellung in Schritt (d) versetzt. Die negativen und positiven Messungen der Gravitationsbeschleunigung in den Schritten (d) und (e) können gemittelt werden, um systematische Fehler in dem Ausgangssignai des Beschleunigungsmessers auszulöschen, was zu einer sehr genauen und präzisen Messung für die lokale Gravitationsbeschleunigung in der Nähe der Gravitationsmessungsanordnung 10 führt.

Eine Drehung des Beschleunigungsmessers in jede Ausrichtung in dem vorstehenden Verfahren wird durch selektives Ansteuern der Schrittmotoren erreicht, um die Beschleunigungsmesserhalterung 66 und den Kardanrahmen 54 um die orthogonalen drehbaren Achsen zu drehen, auf denen sie befestigt sind. Um die 90º-Drehung von jeder der Nivellierstellungen in Schritt (b) und (d) und die Drehung um 180º in Schritt (e) mit einer Genauigkeit von 50 mikrorad zu bewerkstelligen, muß die Auflösung der Schrittmotoren und dem damit verbundenen Getriebezug 50 mikrorad oder weniger betragen. Eine Drehung um einen 90º- Winkel kann durch Zählen von Schritten von einer Stellung aus erreicht werden, in der der Beschleunigungsmesser einen Wert von 0g anzeigt. Wenn jeder Schritt des Schrittmotors gleich 50 mikrorad beträgt, ist eine Drehung um 90º durch die Anzahl von 31,416 Schritten bestimmt. Obwohl spielfreie Getriebe 30, 42, 48 und 72 in den Getriebezügen verwendet werden, die jeden der Schrittmotoren mit ihren zugehörigen Antriebswellen 50 und 56 verbinden, muß jedes Restspiel und die Getriebenachgiebigkeit mit in die Berechnung bei Wendepunkten eingehen, bei denen die Richtung der Antriebsdrehkraft umgedreht wird. Fehler aufgrund von Spiel und der Getriebenachgiebigkeit können während jeder Positionierungssequenz bestimmt werden, indem der Punkt, bei dem der Beschleunigungsmesser 0g oder die Horizontale anzeigt, um eine festgelegte Anzahl von einem bekannten Winkel entsprechenden Schritten vorbeigedreht wird und dann eine bekannte Anzahl von Schritten zurückgesetzt wird, wahrend die Winkeländerung in Abbängigkeit der Gravitationsbeschleunigung abgelesen wird. Eine Abweichung von einer Nivellierstellung um einen Winkel Θ kann genau bestimmt werden, da das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 68 mit sin Θ variiert, wenn seine beschleunigungsempfindliche Achse relativ nahe der Horizontalen ist. Einmal bestimmt, kann die Korrektur für das Spiel und die Getriebenachgiebigkeit dem Schrittmotorantriebssignal wie benötigt hinzuaddiert werden.

Der Beschleunigungsmesser 68 ist vorzugsweise von der Art, die ein Ausgangssignal mit einer der Beschleunigung proportionalen Frequenz erzeugt. Ein derartiger Beschleunigungsmesser gewährleistet selbst die digitale Verarbeitung des erzeugten Signals. In einem vollständig digitalen System kann der gleiche für die Steuerung des Nivelliermechanismus verwendete Prozessor dazu verwendet werden, die die Gravitationsbeschleunigung wiedergebenden Signale zu verarbeiten.

Fig. 6 stellt eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuerung dar, die verwendet wird, um den Beschleunigungsmesser 68 zu nivellieren und sein Ausgangssignal für eine Messung der Gravitationsbeschleunigung zu verarbeiten. Die Steuerung umfaßt eine Mikroprozessor- CPU 142, die mit dem Nur-Lesespeicher (ROM) 144 und dem Direkt-Zugriffsspeicher (RAM) 146 über Adressleitungen 148 und Datenleitungen 150 verbunden ist. Das ROM wird dazu verwendet, ein digitales, die oben beschriebenen Schritte für den Algorithmus zum Nivellieren des Beschleunigungsmessers 68 durchführendes Programm zu speichern und zusätzlich den für die Verarbeitung seines Ausgangssignals zur Bestimmung der Gravitationsbeschleunigung benötigten Algorithmus zu speichern. Einzelheiten der letztgenannten Algorithmen sind hier nicht offenbart, da diese Informationen nicht für das Verstehen der vorliegenden Erfindung benötigt werden. Während der Verarbeitung der Beschleunigungsmesserdaten errechnete Variablen und andere temporäre Daten werden in dem RAM für den Zugriff durch die CPU gespeichert. Ein mathematischer Koprozessor 152 ist mit der CPU 142 über Adressleitungen 148 und Datenleitungen 150 verbunden und dient der Reduzierung des Überhangs der mathematischen Fließkommaberechnungen in der CPU, was die Geschwindigkeit erhöht, mit der mathematische Berechnungen in der Steuerung 140 ausgeführt werden können. In der bevorzugten Ausführungsform werden vorzugsweise eine 68020-CPU und ein mathematischer Koprozessor 68881 von Motorola Corporation verwendet. Andere Arten von CPUs und mathematischen Koprozessoren mit ähnlichen Eigenschaften können jedoch genauso gut verwendet werden.

Von der CPU 142 errechnete Daten werden an einen Bediener über die Datenleitungen 150 gesandt, die mit einer universalen asynchronen Empfangs-Sendeschaltung (universal asynchronous receiver/transmitter oder UART) 154 verbunden sind. Die UART ist über Leitungen 158 mit einem Kommunikationsmodul 156 verbunden, das in der Anwendung der bevorzugten Ausführungsform für gravimetrische Bohrlochmessungen für die Durchführung der Kommunikation mit einer entfernt aufgestellten Datenstation oder Terminal (nicht gezeigt) über ein Leitungskabel 160 verwendet wird. Das Kommunkationsmodul 156 und die UART 154 arbeiten bidirektional und ermöglichen es einem an der oberen Seite des Bohrlochs befindlichen Bediener, Befehle an die Steuerung 140 zu übertragen, beispielsweise einen Nivellierungsvorgang zu starten und die Gravitation an einer gegebenen Stelle in einem Bohrloch zu messen und die Daten von der Messung zu der entfernt aufgestellten Datenstation zu übersenden.

Das die Beschleunigung darstellende Signal, das von dem Beschleunigungsmesser 68 ausgegeben wird, wird über die Leitungen 170 zu einem digitalen Zähler 168 geleitet. Ein 400- Hz-Timer 164 erzeugt ein Lese-Interrupt-Signal für den digitalen Zähler, welches über die Leitungen 166 dort eingegeben wird. Der digitale Zähler 168 bestimmt die Frequenz des Ausgangssignals, das partielle Zylden des Signals umfaßt (durch Vergleich mit der Anzahl von Zyklen eines internen Hochfrequenztakts). Daten, die die Frequenz des vom Beschleunigungsmesser 68 ausgegebenen Signals und somit die Beschleunigung darstellen, die gerade gemessen wird, werden über die Datenleitungen 150 an die CPU 142 geliefert.

Die Schrittmotoren 20 und 22 werden gemäß den über die Datenleitungen 150 in den Schrittmotorentreiber 172 eingespeisten digitalen Daten von der CPU 142 gesteuert. Die oben beschriebenen aufeinanderfolgenden Schritte zur Bestimmung der Horizontalen und zur vertikalen Ausrichtung der beschleunigungsempfindlichen Achse des Beschleunigungsmessers 68, um die Gravitationsbeschleunigung zu messen, werden von der CPU 142 ausgeführt, wie sie von einem im ROM 144 gespeicherten digitalen Softwareprogramm geliefert werden. Die Schrittmotorentreiber 172 erhalten ihre Befehle von der CPU und treiben die Schritttnotoren 20 und 22 um die entsprechend benötigte Anzahl der von der CPU bestimmten Schritte an. Die CPU 142 sorgt dafür, daß der Schrittmotor 20 wie benötigt angesteuert wird.

Um eine maximale Präzision bei der Messung der Gravitationsbeschleunigung zu erhalten, umfaßt die Gravitationsmessungsanordnung 10 eine interne Temperaturüberwachungsschaltung, die eine Vielzahl von Temperatursensoren 174 aufweist, die an voneinander beabstandeten Stellen in dem röhrenförmigen Gehäuse 12 angeordnet sind. Das Ausgangssignal der Temperatursensoren 174 wird von einem analogen Signal durch einen AID-Wandler (nicht extra gezeigt) in ein digitales Signal umgewandelt und über Leitungen 175 an die CPU 142 übertragen. Die Temperatur innerhalb des Gehäuses wird durch die Temperaturüberwachung 176 abhängig von den von den Temperatursensoren 174 erzeugten und über die Leitungen 173 übertragenen Signalen gesteuert. Die CPU 142 liefert durch Modellieren der von dem Beschleunigungsmesser 68 erhaltenen Beschleunigungsdaten geeignete Temperaturkorrekturfaktoren, wodurch Fehler in der Überwachung der Temperatur durch die Temperaturüberwachung 176 korrigiert werden.

In der bevorzugten Ausführungsform versucht die Temperaturüberwachung 176, die Temperatur innerhalb des röhrenförmigen Gehäuses 12 bei ungefähr 98º ± 2º C durch Ansteuern der Heizer 180 wie benötigt beizubehalten. Zusätzlich wird eine kritischere Temperaturüberwachung für den Beschleunigungsmesser 68 bereitgestellt, der vorzugsweise auf 100º ± 0,1º C gehalten wird.

Eine Energieversorgung 184 liefert über die Leitungen 162 die Energie für jede Komponente der Steuerung 140. In der bevorzugten Ausführungsform, in der die Gravitationsmessungsanordnung 10 für gravimetrische Bohrlochvermessungen verwendet wird, liefert die Energieversorgung 184 eine ungeregelte Leistung von einer übergeordneten Quelle (nicht gezeigt) und weist eine Vielzahl von regulierten Energieversorgungen auf, die Leistung bei geeigneter Spannung für jede Komponente der Steuerung 140 liefern.

Es gibt mehrere Vorteile der Konfiguration der Gravitationsmessungsanordnung 10, in der der Schrittmotorautbau 16 räumlich von dem Kardanaufbau 18 getrennt angeordnet ist. Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, den Beschleunigungsmesser 68 auf einem genauen Temperatuuwert zu halten, um Fehler aufgrund von Temperaturschwannungen zu verhindern. Durch ein räumliches Trennen der Schrittmotoren 20 und 22 von dem Beschleunigungsmesser 68 durch einen gewissen Abstand wird der Beschleunigungsmesser weniger von der ausgestrahlten Wärme der Schrittmotoren beeinflußt, wenn sie zum Drehen des Beschleunigungsmessers während des Nivellierungsvorgangs und zum Ausrichten des Beschleunigungsmessers für eine Gravitationsmessung angesteuert werden. Durch eine Änderung der Konfiguration des Schrittmotoraufbaus wäre es auch möglich, das spielfreie Getriebe 48 direkt mit dem Getriebezahnrad 28 anzutreiben und dabei das spielfreie Getriebe 30, das Spannradgetriebe 32 und die Vorgelegeachse 34 wegzulassen. In ähnlicher Weise könnte das Getriebezahnrad 38 direkt das spielfreie Getriebe 72 antreiben und dabei das spielfreie Getriebe 42, das Spannradgetriebe 44 und die Vorgelegeachse 46 weggelassen werden. Um diese Änderung auszuführen, müssen die Schrittmotoren 20 und 22 um 180º gedreht werden, so daß sie über die Außenseite des röbrenförmigen Gehäuses 12 hervorstehen (um eine Wechselwirkung mit dem Kardanrahmen 54 zu verhindern), und in geeigneter Weise näher an den Kardanaufbau herangerückt werden. Diese Änderung würde die Gravitationsmessungsanordnung 10 weniger kompakt machen und den Wärmefluß vom Schrittmotoraufbau zum Kardanaufhau erhöhen.

Es gibt einen weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber Anordnungen nach dem Stand der Technik Da die Präzisionsmessung der Gravitation nach dem Ausschalten der Schrittmotoren erfolgt, gibt es keine Störkopplung zwischen den Schrittmotoren und dem Beschleunigungsmesser, die andernfalls zwischen einer beschleunigungsempfindlichen Anordnung und einer aktiven Steuerung, wie sie in Systemen nach dem Stand der Technik verwendet wird, existieren können.

Die Verwendung des Mikroprozessors 142 in der Steuerung 140 gewährleistet es, eine Nivellierungsreferenzebene sogar dann zu bestimmen, wenn die Längsachse des röhrenförmigen Gehäuses 12 einen relativ großen Neigungswinkel aufweist. Bei großen Neigungswinkeln beeinflussen sich die Drehung des Beschleunigungsmessers 68 um die Kardanwellen 62a und 62b und die Drehung des Kardanrahmens 54 um die Längsachse der Antriebswelle 50. Sollte die Längsachse der Antriebswelle 50 in einer vertikalen Ebene liegen, muß die Sequenz der für die Bestimmung einer Nivellierungsreferenzebene benötigten Schritte eine andere Stellung für die Beschleunigungsmesserhalterung 66 umfassen und sie um die Längsachse der Kardanwellen 62a und 62b drehen, um eine horizontale Stellung für den Kardanrahmen 54 zu finden. Diese horizontale Stellung für den Kardanrahmen ist mit einer geeigneten Koordinatentransformation leicht zu bestimmen. Derartige Koordinatentranformationen sind dem Fachmann wohlbekannt und sind mit dem Mikroprozessor 142 und dem mathematischen Koprozessor 152 leicht einzubinden.

Die Verwendung des Beschleunigungsmessers selbst für die Bestimmung der Horizontalen kompensiert automatisch ein Verstellen der Ausrichtung der Beschleunigungsmesserachse, was in Systemen nach dem Stand der Technik, die sekundäre Nivelliersensoren verwenden, ein Problem darstellen kann. Auch die Schrittmotoren in der vorliegenden Erfindung können ihre Winkeldrehung selbst kalibrieren, so daß keine sekundären Winkelsensoren benötigt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform wird der Beschleunigungsmesser um die zwei orthogonalen Achsen gedreht, die die Längsachsen der Antriebswellen 50 und 56 und der Kardanwellen 62a und 62b umfassen. Es wäre auch möglich, den Beschleunigungsmesser 68 um nicht orthogonale Achsen zu drehen, so daß eine erste und eine zweite horizontale Stellung des Beschleunigungsmessers, in denen sein Ausgangssignal 0g anzeigt, nicht in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Um eine Nivellierungsungsebene genau zu bestimmen, sollten die horizontalen Stellungen um einen beträchtlichen Winkel auseinanderliegen, der Winkel muß jedoch nicht 90º betragen.

Während die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und deren Modifikationen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, daß andere Modifikationen im Rahmen der nachstehenden Ansprüche gemacht werden können. Demzufolge muß der Rahmen der Erfindung vollständig mit Bezug auf die Ansprüche bestimmt werden und sollte in keiner Weise durch die Darstellung der bevorzugten Ausführungsform eingeschränkt werden.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum vertikalen Ausrichten einer beschleunigungsempfindlichen Achse eines Beschleunigungsmessers (68) mit:

einer ersten Einrichtung (30, 48, 58, 60) zum Drehen des Beschleunigungsmessers um eine erste Achse (62);

einer zweiten Einrichtung (42, 72) zum Drehen des Beschleunigungsmessers um eine zweite Achse (56), die bezüglich der ersten unter einem Winkel versetzt angeordnet ist;

Antriebseinrichtungen (20, 22), die mit der ersten und zweiten Einrichtung verbunden sind, um die erste und zweite Einrichtung wahlweise anzutreiben, um die Ausrichtung des Beschleunigungsmessers bezüglich der ersten beziehungsweise zweiten Achse zu verändern;

einer Verarbeitungseinrichtung (142), die auf ein vom Beschleunigungsmesser erzeugtes, die Erdbeschleunigung angebendes Signal anspricht und dabei feststellen kann, wenn sich die beschleunigungsempfindliche Achse in einer horizontalen Richtung befindet, zum Steuern der Antriebseinrichtungen, um die beschleunigungsempfindliche Achse aufeinanderfolgend in zwei oder mehreren derartigen horizontalen Richtungen auszurichten, um eine horizontale Ebene zu bilden, und des weiteren zum Steuern der Antriebseinrichtungen, um die beschleunigungsempfindliche Achse senkrecht zu der horizontalen Ebene auszurichten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Einrichtung eine oder mehrere Wellen (62a, 62b) umfaßt, auf denen der Beschleunigungsmesser drehbar angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die zweite Einrichtung einen drehbaren Rahmen (54) umfaßt, in dem die Welle angebracht ist, wobei sich die erste Einrichtung innerhalb des Rahmens dreht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Versetzungswinkel zwischen der ersten und zweiten Achse im wesenflichen 90º beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antriebseinrichtungen von dem Beschleunigungsmesser räumlich beabstandet sind, um die Wärmeübertragung dazwischen zu minimieren.

6. Verfahren zum vertikalen Ausrichten der beschleunigungsempfindlichen Achse eines Beschleunigungsmessers (68) unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:

(a) Drehen des Beschleunigungsmessers um eine erste Achse (62) in eine erste Stellung, in der die empfindliche Achse horizontal liegt;

(b) weiteres Drehen des Beschleunigungsmessers um die erste Achse;

(c) Drehen des Beschleunigungsmessers um eine zweite Achse (56) in eine zweite Stellung, in der die empfindliche Achse horizontal liegt;

(d) Drehen des Beschleunigungsmessers um die erste und/oder die zweite Achse in eine dritte Stellung, in der die beschleunigungsempfindliche Achse senkrecht zu ihrer Lage in sowohl der ersten als auch der zweiten Stellung steht, wobei diese dritte Stellung die beschleunigungsempfindliche Achse vertikal ausrichtet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die weitere Drehung des Beschleunigungsmessers um die erste Achse (Schritt (b)) eine Drehung von im wesentlichen 90º ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die erste und zweite Drehungsachse senkrecht zueinander und zu der beschleunigungsempfindlichen Achse stehen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die letzte Drehung (Schritt (d)) eine Drehung von im wesentlichen 90º um die zweite Achse ist.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7, 8 oder 9, das den Schritt des Drehens des Beschleunigungsmessers um die erste und/oder die zweite Achse in eine vierte Stellung umfaßt, in der die beschleunigungsempfindliche Achse vertikal in der entgegengesetzten Richtung zu deijenigen ausgerichtet wird, in der sie in der dritten Stellung angeordnet war.







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