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Dokumentenidentifikation DE69105280T2 20.07.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0561968
Titel DYNAMISCHES PYROTECHNISCHES PENETROMETER.
Anmelder Castagner, Bernard, Coupvray, FR
Erfinder Castagner, Bernard, Coupvray, FR
Vertreter H. Wilcken und Kollegen, 23552 Lübeck
DE-Aktenzeichen 69105280
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 10.12.1991
EP-Aktenzeichen 929017762
WO-Anmeldetag 10.12.1991
PCT-Aktenzeichen FR9100997
WO-Veröffentlichungsnummer 9210753
WO-Veröffentlichungsdatum 25.06.1992
EP-Offenlegungsdatum 29.09.1993
EP date of grant 23.11.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.1995
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 3/48   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erkennung von Böden und zur Messung ihrer Charakteristiken. Die beiden vorhandenen Hauptsysteme zur Erkennung von Böden sind die Erkennung durch Pressiometrie und die Erkennung durch Penetrometrie, insbesondere die dynamische Penetrometrie. Das Prinzip der dynamischen Penetrometrie ist die Bestimmung der kinetischen Energie, die notwendig ist, um eine Sonde aus einer bestimmten Höhe einzuschlagen, wobei die kinetische Energie im allgemeinen durch den kalibrierten Fall einer gegebenen Masse erzeugt wird.

Die mit diesem System durchgeführten Bohrungen nehmen viel Zeit in Anspruch und sind in unserer Zeit der erhöhten Arbeitskosten zu teuer.

Außerdem beziehen die meisten dieser Systeme keine geschriebene automatische Aufstellung der Charakteristiken der Böden ein, was den durchgeführten Erkennungen eine größere Glaubwürdigkeit verleihen würde.

Das System der dynamischen pyrotechnischen Penetrometrie, das Gegenstand der Erfindung ist, gestattet, insbesondere diesen Hauptforderungen zu entsprechen: Schnelligkeit der Durchführung, Verringerung der Kosten und Glaubwürdigkeit der Messung.

Das System, das Gegenstand des vorliegenden Patents ist, bestimmt die Charakteristiken des Bodens durch ununterbrochen erfaßtes und gemessenes Einschlagen einer Normalsondenstange in den Boden. Dieses Einschlagen wird durch die Anwendung des von einem pyrotechnischen Gasgenerator erzeugten Drucks erreicht.

Die Originalität des Prinzips des Systems, das Gegenstand des vorliegenden Patents ist, geht aus seiner Beschreibung, dem Nachweis der verwendeten Techniken und aus seinem Ablaufdiagramm hervor.

- Die wichtigen Eigenschaften des von der Erfindung vorgeschlagenen Systems sind die folgenden:

- Der von einem pyrotechnischen Gasgenerator in einem Ausstoßrohr erzeugte Druck wird angewendet, um eine Normalsondenstange in den Boden einzuschlagen.

- Die Ortsveränderung der Stange in dem Ausstoßrohr wird ununterbrochen erfaßt, insbesondere durch den Durchgang eines Magneten, der mit der Stange verbunden ist, durch Solenoide, die längs des Ausstoßrohres angeordnet sind.

- Mit Hilfe einer vorprogrammierten elektronischen Schaltung wird ununterbrochen die Beschleunigungsresultierende dieser Ortsveränderung berechnet, die die Resultierende der durch den Druck des Gases auf die Stange erzeugten Beschleunigung und der durch den Widerstand des Bodens gegenüber dieser selben Stange erzeugten Beschleunigung ist.

Im Falle eines leichten und tragbaren Systems werden die Bewegungsmengen durch eine vertikale Rückstoßmasse ausgeglichen, deren einer Teil vorzugsweise als Gasausdehnungskammer und als Führung der Normalstange dient.

Die nachfolgende Beschreibung ist ausschließlich veranschaulichend und nicht einschränkend, sie muß im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen gelesen werden:

Fig. 1 stellt die einfachste Form des Systems dar, das Gegenstand der Erfindung ist,

Fig. 2 stellt ein spezieller an Bohrungen von geringer Tiefe angepaßtes System dar,

Fig. 3 und 4 stellen ein spezieller an Bohrungen von größerer Tiefe angepaßtes System dar. Das Basissystem ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.

Die Normalsondenstange (1) ist an einem Kolben (2) befestigt, in dem ein Magnet (3) angeordnet wird.

Die Rückstoßmasse (4) bringt die Bewegungsmenge ins Gleichgewicht, die auf die Normalstange (1) und auf ihren Kolben (2) übertragen wird.

Sie ist mit einem Gasgenerator (5) ausgestattet. Die Absorption der Rückstoßenergie ist durch die Schwerkraft gesichert.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen kann ein anderes Mittel verwendet werden, um die Rückstoßbelastungen auszugleichen, wie beispielsweise Energieabsorber, Masse des Trägers oder des Systems.

Der Aufbau aus Stange, Kolben und Rückstoßmasse und Generator ist in einem aus nichtmagnetischen Materialien hergestellten Rückstoßrohr (7) angeordnet. Das Rückstoßrohr (7) ist mit Solenoiden (6) ausgestattet, die vorzugsweise konzentrisch zum Abschußrohr angeordnet sind.

Diese Solenoide (6) sind mit einem Elektronik- und Informatikgehäuse zur Verarbeitung von Informationen (9) verbunden.

Nach der Zündung liefert der Gasgenerator in der zwischen dem Kolben (2) und seiner Rückstoßmasse (4) befindlichen Ausdehnungskammer (8) den so erzeugten Druck und erteilt der Normalstange (1) eine Geschwindigkeit. Entsprechend dem Ausstoß der Stange erzeugt der Durchgang des Magneten (3) durch die verschiedenen Solenoide (6) elektrische Signale, aus denen die Abstände des Auftretens berechnet werden.

Dies gestattet, die Geschwindigkeit, danach die Beschleunigung der Normalstange zu berechnen.

Der von einem gegebenen Gasgenerator in der Ausdehnungskammer gelieferte Druckverlauf P(t) ist bekannt: entweder genau aufgrund einer Messung oder in guter Näherung (2 bis 3%) aufgrund der Reproduzierbarkeit der Leistungen des verwendeten Gasgenerators.

Die zum Widerstand des Bodens gegenüber dem Einschlagen der Normalstange gehörige Verzögerungskraft ist also bekannt:

R(t) = S.P.(t) = m G(t)

Die Berechnungen werden entweder mit einer angepaßten logischen Schaltung oder mit einem vorhandenen vorprogrammierten Rechner durchgeführt.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können auch and ere Systeme zur Erfassung des Durchgangs dieses Typs verwendet werden, wie beispielsweise elektromechanische Schaltkontakte oder Photozellen.

Ebenso können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, die Detektoren für den Durchgang und ein Teil der Schaltung für die Verarbeitung der Informationen durch einen Beschleunigungsmesser ersetzt werden.

Je nach Typ der Ausführung der Messung kann die Normalstange mit einer vorstehenden Spitze (10) ausgestattet sein oder nicht.

Das System, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist in seiner tragbaren und für Bohrungen von geringen Tiefen sehr praktischen Version schematisch in Fig. 2 dargestellt.

Die Normalsondenstange (1) ist durch einen Kolben (2) befestigt, in welchem ein Magnet angeordnet wird.

Die Rückstoßmasse (4) gleicht die Menge der Bewegungen aus, die von der Normalstange und ihrem Kolben übertragen wird. Sie besteht vorzugsweise aus einem Rohr aus nichtmagnetischen Materialien, z.B. einem zylindrischen, an seinem oberen Ende geschlossenen Rohr, die Rückstoßmasse dient so als Ausstoßrohr.

Vor dem Einschlagen wird die mit dem Kolben ausgestattete Normalstange vorzugsweise mit Hilfe eines elastischen Clips (15) in der Rückstoßmasse gehalten, aber es kann auch, ohne die Erfindung zu verlassen, ein anderes Befestigungssytem verwendet werden, wie beispielsweise eine Kugelfeder, Blattfeder...

Die Rückstoßmasse (4) gleitet in einem Rückstoßrohr (7) aus nichtmagnetischen Materialien, vorzugsweise aus Glasfaserverbundmaterial mit wärmeaushärtender oder thermoplastischer Matrix.

In der Höhe seines Kontaktes mit dem Boden ist das Führungsrohr vorzugsweise mit einem zusätzlichen Absatz (17) ausgestattet, der mit einem Dämpfer (16) für das Zurückfallen der Rückstoßmasse ausgerüstet ist.

Die Solenoide (6) zur Erfassung des Durchgangs des Magneten sind vorzugsweise um das Führungsrohr herum angeordnet und mit dem elektronischen Verarbeitungsgehäuse (9) verbunden.

Das System kann unabhängig sein und einfach mit einem zus ammenlegbaren und einstellbaren Dreibein (22) ausgerüstet sein.

Dieses Dreibein kann vorzugsweise aus einem Montagering (18) mit drei Füßen bzw. Beinen (19) bestehen, deren Länge beispielsweise dank eines verriegelbaren Schiebers (20) einstellbar ist, und die auf dem Boden mit Hilfe einer Fußplatte (22) Halt finden, die gelocht sein können, um gegebenenfalls das System am Boden zu befestigen.

Die Rückstoßmasse ist vorzugsweise mit dem Träger des Bodenstücks (17) des Gasgenerators und seinem Sicherheitssystem (13) für die Ingangsetzung.

Die Ingangsetzung des Gasgenerators geschieht vorzugsweise durch Schlag bzw. Stoß, es kann aber, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, eine elektrische Ingangsetzung oder eine Ingangsetzung durch Laserstrahl angewendet werden.

Der Körper des Gasgenerators besteht vorzugsweise aus thermoplastischen Materialien, wärmeaushärtendem Material, Elastomer, Pappe oder Verbundmaterial, und seine Struktur ist vorzugsweise so konzipiert, das er sich bei Niederdruck aus seinem Sitz bei Verwendung heraus öffnet, und zwar aus Sicherheitsgründen im Falle einer eventuellen zufälligen Zündung oder eines Brandes.

Um die Beladung zu erleichtern und für die Sicherheit zu sorgen, ist der Gasgenerator (5) vorzugsweise in einem Sitz (12) angeordnet, der sich in einem beweglichen Bodenstück (11) befindet.

Die Einführung dieses beweglichen Bodenstücks (11) in seinen Träger (14) gestattet, den Gasgenerator in der Arbeitsposition mit Blick auf die Eintrittsöffnung der Ausdehnungskammer (8) anzuordnen und das Sicherheitssystem für die Ingangsetzung (13) zu verstärken.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann auch eine andere Konstruktion der Funktion "Kolben-Ausstoß" angebracht werden.

Fig. 3 zeigt eine speziell an die tiefe Bohrung angepaßte Variante, die mit Hilfe einer einzigen Normalstange oder mehreren zus ammengefügten Stangen, entsprechend der Durchführung der Bohrung, ausgeführt wird.

Die angetriebene Ausstoßfunktion und die Führungsfunktion für die Normalstange werden nicht von einem Kolben sichergestellt, sondern einerseits von dem geschlossenen Ende der hohlen Normalstange (1), die die vorstehende (10) oder nicht vorstehende Spitze trägt, und andererseits von einem axialen Rohr, längs dessen die Normalstange gleitet.

Die Normalsondenstange (1) ist mit einem Absatz (25) ausgerüstet, der gestattet, ihr Einschlagen in den Boden im Falle eines Engergieüberschusses in bezug auf die durch das Einschlagen in den Boden absorbierte Energie zu begrenzen.

Die Magnete (3) befinden sich in diesem Absatz (25). In diesem Fall sind die Solenoide nicht konzentrisch zum Rohr sondern längs des Rohres gelegen und die Magnete in einer zur Bewegung der Stange senkrechten Ebene angeordnet.

Die Normalsondenstange gleitet um ein Führungsrohr (27) herum, das, vorzugsweise mit Hilfe eines Dorns (26), mit der Rückstoßmasse (4) verbunden ist, diese bildet auch ein Rückstoßführungsrohr, und ist mit der Ausdehnungskammer (8) und dem Bodenstück des Gasgenerators (5) ausgerüstet. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann sich die Sondenstange (1) in dem Führungsrohr (27) befinden.

Das Rückstoßrohr (7) weist in seinem oberen Teil eine Bohrung (29) auf.

Die Ausdehnungskammer weist eine oder mehrere Öffnungen (28) auf, die mit einer Klappe oder einer scherbaren Membran ausgerüstet sind oder nicht.

Tatsächlich müssen im Falle einer Blockierung der Normalsondenstange im Boden die Gase aus der Ausdehnungskammer entleert werden, um das Heben der Rückstoßmasse zu begrenzen.

Diese Fntleerung wird vorzugsweise mit Hilfe dieser Bohrung (29) und dieser Öffnungen (28) durchgeführt. Sie sind so angeordnet, daß sie die Leistungen des Gasgenerators nur geringfügig herabsetzen.

Das Rückstoßrohr (7) und der röhrenförmige Teil der Rückstoßmasse bieten eine Öffnung (30) (Fig. 4), um die Beladung der mit ihrem Führungsrohr (27) ausgerüsteten Normalstange (1) zu gestatten. Diese Öffnung ist während ihres Betriebs entweder durch eine Tür (30) oder durch Drehung der Rückstoßmasse in dem Führungsrohr verschlossen.

Im Falle des Vorhandenseins eines Türchens gibt es für die Beladung der Sondenstange ein Verriegelungssystem (31), das aus Sicherheitsgründen vorzugsweise mit einer Zündsicherheitsvorrichtung (15) verbunden ist.

Im Falle eines teilweisen oder schwierigen Einschlagens der Normalstange kann sie ruhig entweder zurückgezogen oder ihr Einschlagen vervollständigt werden, indem ein zweiter Gasgenerator verwendet wird.

Um die Normalsondenstange (1) zurückzuziehen, genügt es, den Dorn (26) zu öffnen; das Führungsrohr (27) fällt zum tiefsten Teil der Normalstange, das System kann dann abgetrennt und danach die Sondenstange, gegebenenfalls mit Hilfe eines sich auf dem Absatz (25) abstützenden Saugapparates, herausgezogen werden.

Es kann auch eine zweite Verlängerungssondenstange zur Vertiefung der Bohrung hinzugefügt werden, indem sie an der Stelle des Absatzes nach dem Ausbau des Führungsrohrs befestigt wird.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Charakterisierung und Erkennung eines Bodens mit :

- einem Rückstossrohr (7),

- einer Sondenstange (1), die sich im Verhältnis zum Rückstossrohr (7) bewegt,

- einem pyrotechnischen Generator,

- Detektormitteln (6), die aus mehreren Teilen bestehen,

wobei die Sondenstange (1) dazu bestimmt ist, durch den pyrotechnischen Generator (5) in den Boden eingetrieben zu werden, und

wobei die Detektormittel (6) auf dem Rückstossrohr (7) befestigt sind und jedes ihrer Teile den Durchgang der Sondenstange (1) durch sein Niveau erfasst, so dass ein Mass für die Bewegung der Sondenstange während des Eindringens bereitgestellt wird

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Sondenstange (1) durch den Durchgang eines Magneten, der mit dieser Stange verbunden ist, durch Solenoide (6), die längs des äusseren Rohres (7) angeordnet sind, erfasst wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Sondenstange (1) durch deren Vorbeibewegen an Photozellen oder an elektromechanischen Schaltkontakten erfasst wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten der stangenbewegung in einen speziellen oder nicht speziellen Rechner (9), der vorprogrammiert und mit den Vorrichtungsparametern initialisiert ist, eingegeben werden, um unmittelbar die Eigenschaften des Bodens zu erhalten und sie zur Anzeige oder zum Drucken verfügbar zu halten.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichgewicht zur Menge der auf die Sondenstange übertragenen Bewegungen durch eine Rückstossmasse (4) sichergestellt ist, wobei die genannte Rückstossmasse (7) im Rückstossrohr (7) angeordnet ist und deren kinetische Energie durch Ausnutzung der Schwerkraft absorbieft wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstossmasse als Führungsrohr für die Sondenstange und als Gasausdehnungskammer dient

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstossmasse das Gehäuse des pyrotechnischen Gasgenerators (5) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstossmasse im Bereich der Ausdehnungskammer (8) eine oder mehrere Sicherheitsöffnungen (28) aufweist und dass das Rückstossrohr eine Bohrung (29) aufweist, um ein Entweichen von Gas im Falle eines vorzeitigen Blockierens der Sondenstange im Boden während ihres Eindringens zu erleichtern.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer hohlen Sondenstange (1), die längs eines entfernbaren Führungsrohres (27) gleitet, wobei das Führungsrohr durch einen Dorn (26) oder ein Schnellbefestigungssystem in der Rückstossmasse (4) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenstange aus mehreren Teilen durch ein Ineinandersteck-und- Verriegelungssystem nach Massgabe des Verlaufs der Bohrung zusammensetzbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Generators aus thermoplastischem oder aus Verbundmaterial besteht und sich ausserhalb seines Verwendungsgehäuses bei niedrigem Druck öffnet.







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