(57)【要約】【課題】機械（１００）に使用するためのエンコーダを提供する。【解決手段】本エンコーダ（１５２）は、少なくとも１つの可動部材を含む。本エンコーダは、磁束によって起動するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。本エンコーダは、約１μＷよりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成される。また、少なくとも１つのセンサが、複数のスイッチ（１７８、１７９）を含み、スイッチの各々が、１μＷの１／３のよりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成されてもよい。【選択図】      図１
2008014946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの可動部材を含む機械（１００）で使用するためのエンコーダ（１５２）であって、
磁束によって起動するように構成された少なくとも１つのセンサを含み、
１μＷよりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成される、
エンコーダ（１５２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのセンサが、複数のスイッチ（１７８、１７９）を含み、
前記スイッチの各々が、１μＷの１／３のよりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成される、
請求項１記載のエンコーダ（１５２）。
【請求項３】
前記機械（１００）が回転機械であり、また前記可動部材が回転部材であり、前記エンコーダが、
前記回転機械の少なくとも１つの回転部材に対して回転可能に結合するように構成された少なくとも１つのロータ（１６８）と、
前記少なくとも１つのロータの少なくとも一部分を覆って該ロータとの間に間隙が形成されるように延びる密封ハウジング（１６４）と、
前記少なくとも１つのロータの少なくとも一部分内に結合された複数の磁石（１７６）と、をさらに含む、
請求項１記載のエンコーダ（１５２）。
【請求項４】
前記複数の磁石（１７６）が、該複数の磁石が前記少なくとも１つのロータの周りで互いに実質的に等距離で円周方向に間隔を置いて配置され、また該複数の磁石の各々の半径方向最外側部分が前記ロータの外表面（１７０）と実質的に同一面になるように構成される、請求項３記載のエンコーダ（１５２）。
【請求項５】
前記少なくとも１つのセンサが、前記ハウジング（１６４）に結合されかつ前記複数の磁石（１７６）からの磁束を受けるように構成される、請求項３記載のエンコーダ（１５２）。
【請求項６】
前記複数の磁石（１７６）が、前記少なくとも１つの磁気駆動センサの作動を制御する、請求項５記載のエンコーダ（１５２）。
【請求項７】
前記少なくとも１つのセンサ及び複数の磁石（１７６）が、前記ロータ（１６８）の回転方向及び該ロータの回転数の少なくとも１つを表す信号を発生するように構成される、請求項５記載のエンコーダ（１５２）。
【請求項８】
少なくとも１つの回転部材を含む掘削組立体（１００）のための測定システムであって、
磁束によって起動するように構成された少なくとも１つのセンサを含み、また１μＷよりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成されたエンコーダ（１５２）と、
少なくとも１つの入力チャネル（１８６）を介して前記エンコーダ（１５２）と電子データ通信するように結合され、また少なくとも１つのエンコーダ出力信号を受信しかつ処理するように構成された少なくとも１つのプロセッサ（１９３）と、
を含む測定システム。
【請求項９】
前記少なくとも１つのセンサが、複数のスイッチ（１７８、１７９）を含み、
前記スイッチの各々が、１μＷの１／３よりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成される、
請求項８記載の測定システム。
【請求項１０】
前記エンコーダが、
前記掘削組立体の少なくとも１つの回転部材に対して回転可能に結合するように構成された少なくとも１つのロータ（１６８）と、
前記少なくとも１つのロータの少なくとも一部分を覆って該ロータとの間に間隙が形成されるように延びる密封ハウジング（１６４）と、
前記少なくとも１つのロータの少なくとも一部分内に結合された複数の磁石（１７６）と、
をさらに含む、請求項８記載の測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には回転機械に関し、より具体的には、回転機械をモニタするための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油井のような幾つかの公知の井戸は、地表面下の天然地質層内にボーリング孔を掘削することによって形成される。そのような地質層は、陸上地表面及び／又は水中地表面下に見出される。幾つかの公知の掘削方法は、ドリルパイプにトルクを与える動力回転装置を使用し、ドリルパイプが次にドリルビットを回転させる。回転ドリルビットは、掘削井戸を形成するために、地質層内に孔を開けて地質層の掘削屑を発生させるが、この時に掘削屑を地表面に運び出すのを可能にする適切な流体が井戸内で循環させられる。ドリルパイプは、ドローワークスドラムから延びる支持ケーブルによって、掘削井戸内で下降及び上昇される。回転すると、ドローワークスドラムは、ケーブルを繰り出し及び引き戻して、ドリルパイプをそれぞれ下降及び上昇させる。掘削井戸内でのドリルビット運動の所定の速度及び量は、多くの変数によって影響を受け、これらの変数には、それに限定されないが、掘削している地質層の硬さ及び／又はドリルビット交換のために井戸からドリルパイプを引き出す必要性が含まれる。掘削作業の促進は、少なくとも部分的には井戸内におけるドリルビットの深度を判定することによって達成される。ドリルビット深度は一般的に、掘削井戸内に挿入されたドリルパイプの長さ並びに該ドリルパイプの運動（移動）の速度及び方向をモニタすることによって達成される。
【０００３】
そのようなドリルビット深度を判定するのを可能するために、幾つかの公知の掘削組立体は、ドローワークスドラムの回転を測定するエンコーダを備えたドリルビット測定装置を含む。エンコーダは、モニタシステムにデータを送信し、モニタシステムは、ドローワークスドラムの回転をドリルパイプ深度に相関させる。しかしながら、幾つかの公知のエンコーダは、０．２５ワット（Ｗ）以上の電力レベル及び２４ボルト（Ｖ）ＤＣ以上の電圧を供給する外部電源を必要とするので、そのようなエンコーダは、発火性環境が存在する可能性がある区域内での使用には適さないことになる。
【特許文献１】米国特許第４，１５６，４６７号公報
【特許文献２】米国特許第４，１１４，４３５号公報
【特許文献３】米国特許第６，０２９，９５１号公報
【特許文献４】米国特許第４，９５１，５０５号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０２１２３６６号公報
【特許文献６】米国特許第６，０８７，６５４号公報
【特許文献７】米国特許第４，９８２，１８９号公報
【特許文献８】米国特許第４，８０６，７５２号公報
【特許文献９】米国特許第４，３８６，２７０号公報
【特許文献１０】米国特許第５，５５７，４５０号公報
【特許文献１１】米国特許第４，３１９，１３４号公報
【特許文献１２】米国特許第５，９４９，０５１号公報
【特許文献１３】米国特許第６，５５６，００５号公報
【特許文献１４】米国特許第６，４５５，９５７号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、少なくとも１つの可動部材を含む回転機械で使用するためのエンコーダを提供する。本エンコーダは、磁束によって起動するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。本エンコーダは、約１μＷよりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成される。
【０００５】
別の態様では、少なくとも１つの回転部材を含む掘削組立体のための測定システムを提供する。本システムは、磁束によって起動するように構成された少なくとも１つのセンサを備えたエンコーダを含む。エンコーダは、約１μＷの１／３よりも小さい電力振幅を有する電気的信号を消費するように構成される。本システムはまた、少なくとも１つの入力チャネルを介してエンコーダと電子データ通信するように結合された少なくとも１つのプロセッサを含む。少なくとも１つのプロセッサは、少なくとも１つのエンコーダ出力信号を受信しかつ処理するように構成される。
【０００６】
さらにここでは、ロータシャフトを含む回転構成部品の移動量を判定する方法を開示する。この方法は、密封ハウジングの内側で、ロータとハウジングとの間に間隙ギャップが形成されるように延びる少なくとも１つのエンコーダロータを備えた内蔵型の磁気駆動エンコーダを設ける段階を含む。本方法はまた、ロータシャフトに対してエンコーダを回転可能に結合する段階を含む。本方法はさらに、エンコーダロータの第１の位置を測定する段階と、エンコーダロータに基づいてロータシャフトの第１の線形位置測定値を判定する段階とを含む。本方法はまた、ロータシャフトを第２の位置に回転させる段階と、エンコーダを使用してロータシャフトの回転の方向及び第２の線形位置測定値を判定する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、例示的な井戸掘削装置１００の概略図である。この例示的な実施形態では、掘削装置１００は、回転ウェルトップドライブ式掘削装置１００である。それに代えて、掘削装置１００は、本明細書に記載した本発明を組み込むことができるあらゆる掘削装置とすることができる。掘削装置１００は、その上に支持構造体つまりデリック１０４が結合されたプラットフォーム１０２を含む。クラウンブロック１０６は、デリック１０４から懸垂される。掘削装置１００はまた、動力源（図１には図示せず）によって駆動されるドラム１１０を備えたドローワークス１０８を含み、動力源には、それに限定されないが、電気駆動モータを含むことができる。それに代えて、動力源は、掘削装置１００が本明細書に記載したように機能することを可能にするあらゆる装置とすることができる。具体的には、この例示的な実施形態では、動力源は、ドラム１１０に対して回転可能に結合されたドローワークス駆動シャフト１１２に結合される。
【０００８】
ケーブル１１４が、ドラム１１０の周りに巻かれ、ドラム１１０からクラウンブロック１０６まで延びる。ケーブル１１４は、所定の機械的利点を可能にするプーリシステムと同様な方式でクラウンブロック１０６に結合され、それによってクラウンブロック１０６によるトラベリングブロック１１６の支持を可能にする。トラベリングブロック１１６は、懸垂部材１２０を介して回転ドライブ装置１１８を支持する。この例示的な実施形態では、部材１２０は、それに限定されないが、フック・スイベル組立体を含むことができる。それに代えて、部材１２０は、掘削装置１００が本明細書に記載したように機能することを可能にするあらゆる装置とすることができる。装置１１８は、電源（図１には図示せず）によって動力供給される。例えば、この例示的な実施形態では、装置１１８は、電気モータ式トップドライブ１１８である。
【０００９】
トップドライブ１１８は、ケリー１２２に対して回転可能に結合される。この例示的な実施形態では、ケリー１２２は、それに限定されないが、方形又は六角形部材である。それに代えて、ケリー１２２は、掘削装置１００が本明細書に記載したように機能することを可能にするあらゆる構成を有することができる。ケリー１２２は、ドリルパイプ１２４に対して回転可能に結合され、トップドライブ１１８からドリルパイプ１２４にトルクを伝達するように構成される。案内部材１２３は、ケリー１２２を半径方向に支持するのを可能にする。ドリルパイプ１２４は、ボーリング孔又は井戸１２８を形成するのに使用する少なくとも１つのドリルビット１２６に対して回転可能に結合される。掘削装置１００の別の実施形態は、トップドライブ１１８の代わりにスイベル継手を含み、また案内部材１２３の代わりに動力駆動式の方形又は六角形ブッシングを含むことができる。
【００１０】
掘削装置１００はまた、少なくとも１つのエンコーダ１５２を備えたドリルパイプ位置測定システム１５０を含み、エンコーダ１５２は、駆動シャフト１１２に対して回転可能に結合され、かつエンコーダケーブル１５６を介してインタフェース装置１５４に対して電気的に結合される。この例示的な実施形態では、エンコーダケーブル１５６は、絶縁及びシールド銅ケーブルであり、装置１５４は、オハイオ州ツインズバーグ所在のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙから購入可能なＳａｆｅ  Ａｒｅａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＳＡＩ）装置１５４である。インタフェース装置１５４は、該装置１５４内に含まれた複数の電子装置（図１には図示せず）を収納するのを可能にする環境内に、プラットフォーム１０２から距離をおいて配置される。プラットフォーム１０２から所定の距離をおいた遠隔位置に装置１５４を配置することによりまた、井戸１２８の近傍で電弧が不用意に発生する可能性を軽減することが可能になる。インタフェース装置１５４は、複数の電子ケーブル１６２を介してオペレータインタフェース端末（ＯＩＴ）１６０に結合されたデータ処理組立体１５８に対して電気的に結合される。この例示的な実施形態では、電子ケーブル１６２は、シリアル及び／又はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブルである。また、この例示的な実施形態では、組立体１５８及びＯＩＴ１６０は、ポータブルラップトップコンピュータとして結合される。それに代えて、組立体１５８及びＯＩＴ１６０は、別個のユニットである。
【００１１】
装置１５４及びデータ処理組立体１５８の両方は、少なくとも１つのプロセッサとメモリ（図１にはいずれも図示せず）とを含む。本明細書で使用する場合、コンピュータという用語は、当技術分野においてコンピュータと呼ばれるような集積回路そのものに限定されるものではなく、広くプロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能論理コントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路及びその他のプログラム可能回路を指しており、これらの用語は、本明細書では互換的に使用している。この例示的な実施形態では、メモリには、それに限定されないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のようなコンピュータ可読媒体を含むことができる。それに代えて、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク−読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）及び／又はデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）もまた、使用することができる。また、この例示的な実施形態では、それに限定されはないが、ＯＩＴ１６０と関連したマウス及び／又はキーボードのようなコンピュータ周辺装置に対して、付加的な入力チャネルを結合することもできる。それに代えて、例えばスキャナを含むその他のコンピュータ周辺装置もまた、使用することができる。さらに、この例示的な実施形態では、付加的な出力チャネルは、付加的なデータディスプレイ、プリンタ、プロッタ及び／又は操作制御機構に結合することができる。
【００１２】
インタフェース装置１５４及び組立体１５８のためのプロセッサは、エンコーダ１５２及び装置１５４から受信した信号を含む情報を処理する。ＲＡＭ装置は、プロセッサによって実行されるべき情報及び命令を記憶しかつ送信する。ＲＡＭ装置はまた、プロセッサによる命令の実行中に、一時的変数、静的（つまり、変化しない）情報及び命令並びに／或いはその他の中間情報を記憶しかつプロセッサに提供するために使用することもできる。実行することができる命令には、常駐の変換、較正及び／又はコンパレータアルゴリズムを含むことができるが、それらを含むことだけに限定されるものではない。一連の命令の実行は、ハードウエア回路又はソフトウエア命令のいずれの特定の組合せに限定されるものではない。
【００１３】
掘削装置１００の作動時に、ドリルパイプ１２４及びドリルビット１２６は、井戸１２８内に懸垂される。トップドライブ１１８は、トルク及び回転運動をケリー１２２に伝え、ケリー１２２は、トルク及び回転運動をドリルパイプ１２４及びドリルビット１２６に伝える。また、ドリルビット１２６上方に位置した構成部品の重量によって、ドリルビット１２６には下向きの力が生じ、この力は、掘削されている地質層への貫入を可能にする。トラベリングブロック１１６は、該トラベリングブロック１１６とクラウンブロック１０６との間に結合されたケーブル１１４の多数のループを介して位置決めされる。ドリルビット１２６に対して生じる下向きの力を調整するために、ドローワークスドラム１１０を回転させて、ケーブル１１４の一部分を引き戻すか又は繰り出す。ケーブル１１４の引戻し及び繰出しにより、トラベリングブロック１１６が上昇又は下降し、ドリルビット１２６上に生じる下向きの力が次に、減少又は増大するようになる。ドリルビット１２６によって削り取られた地下地質層の掘削屑（図１には図示せず）は、ドリルビット１２６を貫通する流体の循環によって地表面に運ばれ、掘削屑除去サブシステム（図１には図示せず）によって除去される。井戸１２８から掘削屑が除去され、また井戸１２８の深さが増すにつれて、ドリルパイプ１２４は、ドリルビット１２６がより深く掘削するのが可能になるように、井戸１２８内に降下される。具体的には、ドリルパイプ１２４が降下するにつれて、ドラム１１０は回転してケーブル１１４の一部分を繰り出す。繰り出されたケーブル１１４の長さは、ドリルパイプ１２４の深度及びドラム１１０の回転数と相関させることができる。時には、井戸１２８の深さが増大した時に、ドリルパイプ１２４の付加的なセクションを掘削装置１００に付加することが必要になる場合がある。
【００１４】
図２は、井戸掘削装置１００（図１に示す）で使用することができる例示的なエンコーダ１５２の概略図である。図３は、エンコーダ１５２の側面図である。エンコーダ１５２は、その中にエンコーダ内部空洞１６６を形成したハウジング１６４を含む。ハウジング１６４は、空洞１６６をエンコーダ１５２の外部環境から密封して、塵埃及び水から保護するのを可能にする。
【００１５】
エンコーダ１５２はまた、ドローワークス駆動シャフト１１２（図１に示す）に対して回転可能に結合されたロータ１６８を含む。ロータ１６８は、外部環境と空洞１６６との間の相互作用を軽減するのを可能にするシ−ル組立体（図示せず）を介して、ハウジング１６４を貫通して延びる。ロータ１６８は、回転軸線１６９の周りで回転する。ハウジング１６４及びロータ１６８は、エンコーダ１５２の作動中にロータ１６８の半径方向最外側表面１７０とハウジング１６４の半径方向最内側表面１７２とが、ロータ１６８及びハウジング１６４間の接触を防止するのを可能にするギャップ１７４を形成するように作られる。
【００１６】
エンコーダ１５２はまた、複数の永久磁石１７６を含み、これらの永久磁石１７６は、各磁石１７６の半径方向最外側部分がロータ表面と実質的に同一面になるように、ロータ１６８内でほぼ半径方向に配向される。ロータ１６８の回転中に、磁石１７６は、所定の磁気強度と向きとを有する磁束を発生する。この例示的な実施形態では、５つの磁石１７６が、互いに実質的に円周方向に等距離で配置される。それに代えて、エンコーダ１５２が本明細書に記載したように機能することを可能にするあらゆる円周方向の距離間隔になったあらゆる数の磁石１７６を使用することができる。１磁気サイクルは、第１の磁石１７６から円周方向に隣接する次の磁石１７６までのロータ１６８の回転移動として定義される。
【００１７】
エンコーダ１５２はさらに、ハウジング１６４に固定されたスイッチホルダ１８０に固定結合された２つの磁気リードスイッチ１７８及び１７９を含む。この例示的な実施形態では、スイッチ１７８及び１７９は、エンコーダ１５２の作動を可能にするために約１８°離れている。それに代えて、スイッチ１７８及び１７９は、エンコーダ１５２が本明細書に記載したように機能することを可能にするあらゆる円周方向距離間隔で配置することができる。スイッチ１７８及び１７９は各々、磁石１７６の磁束と実質的に協働するように選択された所定の感度を有する。この例示的な実施形態では、スイッチ１７８及び１７９は、磁気サイクルの１／４にほぼ等しく、かつ磁石１７６が回転してスイッチ１７８及び１７９を通過する時に第１の磁気パルスと第２の磁気パルスとの間の関係を少なくとも部分的に定める距離だけ、円周方向に分離される。さらに、この例示的な実施形態では、５つの磁石１７６と２つのスイッチ１７８及び１７９とが、ドリルパイプ１２４の所定の移動分解能を達成するのを可能にする。１対の共通電源電線管１８２及び１８４が、それぞれスイッチ１７８及び１７９と電気的に結合される。電線管１８２及び１８４は、インタフェース装置１５４（図１に示す）内に配置された電源（図２及び図３には図示せず）と電気的に結合される。さらに、共通接地電線管１８３が、電線管１８２及び１８４の接続部とは反対側のスイッチ１７８及び１７９の端部において該スイッチ１７８及び１７９と電気的に結合される。電線管１８２、１８３及び１８４は、エンコーダケーブル１５６内に封入される。この例示的な実施形態では、電線管１８２、１８３及び１８４は、銅ワイヤである。それに代えて、電線管１８２、１８３及び１８４は、システム１５０が本明細書に記載したように機能することを可能にするあらゆる導電性装置とすることができる。電線管１８３、スイッチ１７８及び電線管１８２は、第１のエンコーダチャネル１８６を少なくとも部分的に形成し、また電線管１８３、スイッチ１７９及び電線管１８４は、第２のエンコーダチャネル１８８を少なくとも部分的に形成する。
【００１８】
現場条件に露出されるシステム１５０の可動部品は比較的少数であり、またエンコーダ１５２内に完全に収納されているから、エンコーダ１５２は、システム１５０、従って掘削装置１００の信頼性を高めるのを可能にする。具体的には、本明細書に記載したようにエンコーダ１５２の性能に影響を与える作動運動を利用するのは、ロータ１６８とスイッチ１７８及び１７９とのみである。機能不良の場合には、エンコーダ１５２は、容易かつ迅速に交換して、掘削作業の中断を軽減することができる。さらに、エンコーダ１５２は、シャフト１１２に対して冗長エンコーダ１５２を結合することができるような及び／又は交換用エンコーダ１５２の保管の必要性を軽減するようなサイズにすることができる。
【００１９】
作動時に、ドローワークスドラム１１０（図１に示す）は、井戸１２８（図１に示す）内におけるドリルパイプの深度の関数としてケーブル１１４（図１に示す）を引き戻すか又は繰り出す。ドローワークス駆動シャフト１１２によってドラム１１０が回転されると、エンコーダロータ１６８も、同じ方向に回転する。例えば、ロータ１６８が時計方向に（矢印で示すように）回転する時、磁石１７６は、連続的にスイッチ１７８に接近し、スイッチ１７８の側を回転し、かつスイッチ１７８から遠ざかる。磁石１７６は、所定の磁性強度及び向きを有する磁束を発生して、各磁石１７６がスイッチ１７８に接近する場合に、スイッチ１７８に接近する間においてスイッチ１７８から所定の円周方向距離だけ離れた位置で、スイッチ１７８が閉じる。スイッチ１７８は、これが閉じた時、第１のチャネル１８６内に電気回路を完成して、電気的信号を装置１５４から電線管１８２を介してスイッチ１７８に送りまた電線管１８３を介して装置１５４に戻すことができるようになる。スイッチ１７８は、磁石１７６がスイッチ１７８から所定の円周方向距離だけ遠ざかるまで、閉じた状態に保持される。スイッチ１７９、電線管１８３及び電線管１８４を含む第２チャネル１８８の構成部品、磁石１７６並びに装置１５４は、全体として同様な方式で作動する。スイッチ１７８を閉じる磁石１７６の各々の作用は、第１の負の磁気パルスエッジを形成し、スイッチ１７９を閉じる各磁石１７６の作用は、第２の負の磁気パルスエッジを形成する。この作用と各磁石１７６並びにスイッチ１７８及び１７９との相互作用に関連したその後の作用については、さらに後述する。
【００２０】
図４は、掘削装置１００（図１に示す）で使用することができる例示的なドリルパイプ位置測定システム１５０の電気配線図である。システム１５０は、エンコーダケーブル１５６を介してインタフェース装置１５４に対して電気的に結合された少なくとも１つのエンコーダ１５２を含む。インタフェース装置１５４は、複数の電子ケーブル１６２を介してオペレータインタフェース端末（ＯＩＴ）１６０に結合されたデータ処理組立体１５８に対して電気的に結合される。エンコーダ１５２は、２つの磁気リードスイッチ１７８及び１７９を含む。共通電源電線管１８２及び１８４が、それぞれスイッチ１７８及び１７９と電気的に結合される。さらに、共通接地電線管１８３が、電線管１８２及び１８４の接続部とは反対側のスイッチ１７８及び１７９の端部において、該スイッチ１７８及び１７９と電気的に結合される。電線管１８２、１８３及び１８４は、エンコーダケーブル１５６内に封入される。
【００２１】
電線管１８３、スイッチ１７８及び電線管１８２は、第１のエンコーダチャネル１８６を少なくとも部分的に形成する。チャネル１８６はさらに、５ボルト直流（ＶＤＣ）電源１９０を含む。チャネル１８６はまた、電源１９０に対して電気的に結合された２５，０００オーム限流抵抗器１９１と、抵抗器１９１の下流で電線管１８２に対して電気的に結合された電源信号電線管１９２とを含む。チャネル１８６はさらに、電線管１９２に対して電気的に結合されたプロセッサ１９３を含む。チャネル１８６はまた、電線管１８３に対して電気的に結合された電気的接地装置１９４と、電源１９０と、プロセッサ１９３に対して電気的に結合された接地電線管１９５とを含む。電線管１９５はまた、接地装置１９４の上流で電線管１８３に対して電気的に結合される。抵抗器１９１、電線管１９２、プロセッサ１９３、接地装置１９４及び接地電線管１９５は、インタフェース装置１５４内に配置される。従って、第１のチャネル１８６は、電源１９０、抵抗器１９１、電線管１８２、電線管１９２、スイッチ１７８、電線管１８３、接地装置１９４、電線管１９５及びプロセッサ１９３によって形成される。プロセッサ１９３は、電線管１６２を介して組立体１５８と電子データ通信するように結合される。
【００２２】
同様に、電線管１８３、スイッチ１７９及び電線管１８４は、第２のエンコーダチャネル１８８を少なくとも部分的に形成する。チャネル１８８はさらに、電源１９０と、電源１９０に対して電気的に結合された２５，０００オーム限流抵抗器１９６と、抵抗器１９６の下流で電線管１８４に対して電気的に結合された電源信号電線管１９７とを含む。チャネル１８８はまた、電線管１９７に対して電気的に結合されたプロセッサ１９３を含む。チャネル１８８はさらに、電気的接地装置１９４と、接地電線管１９５とを含む。抵抗器１９６及び電線管１９７は、インタフェース装置１５４内に配置される。従って、第２のチャネル１８８は、電源１９０、抵抗器１９６、電線管１８４、電線管１９７、スイッチ１７９、電線管１８３、接地装置１９４、電線管１９５及びプロセッサ１９３によって形成される。
【００２３】
図５は、エンコーダ１５２（図２及び図３に示す）及びシステム１５０（図４に示す）を使用して生成することができる複数の波形の例示的なグラフ図２００である。縦座標軸２０２（Ｙ軸）は、スイッチ１７８及び１７９（両方を図２及び図４に示す）からの出力信号電圧の振幅をボルト（Ｖ）単位で表す。横座標軸２０４（Ｘ軸）は、時間単位を表す。スイッチ１７８は、第１のチャネル１８６（図２及び図４に示す）を介して第１のチャネル出力信号２０６を送るのを可能にし、またスイッチ１７９は、第２のチャネル１８８（図２及び図４に示す）を介して第２のチャネル出力信号２０８を送るのを可能にする。信号２０６及び２０８は、実質的に方形波信号であり、明瞭にするために振幅が互いに僅かにオフセットしたものとして図示している。
【００２４】
第１のチャネル１８６内で送られた信号は、電線管１９２及び１９５を介してプロセッサ１９３によって受信され、また両者合わせて第１のチャネル信号２０６を形成する。約５ＶＤＣの電圧差が、電源１９０、抵抗器１９１、電線管１８３及び１８２並びに接地装置１９４（全て図４に示す）を介してスイッチ１７８に印加される。接地装置１９４は、電線管１９５を通して送られる実質的に全ての信号が、システム１５０の作動全体にわたってほぼゼロＶＤＣの電圧振幅を有するのを可能にする。スイッチ１７８が開状態にある時、第１のチャネル１８６を通って流れる電流は、実質的にゼロである。さらに、約５ＶＤＣの電圧振幅を有する信号は、電線管１９２を通って送られる。信号２０６は、第１のチャネルの「スイッチ１７８開」の出力部分２２０を含み、この出力部分２２０は、スイッチ１７８が開いている期間並びに電線管１９２及び１９５間の関連した電圧差の値を表している。部分２２０は、この電圧差をグラフで表している。
【００２５】
同様に、第２のチャネル１８８内で送られた信号は、電線管１９７及び１９５を介してプロセッサ１９３によって受信され、また両者合わせて第２のチャネル信号２０８を形成する。約５ＶＤＣの電圧差が、電源１９０、抵抗器１９６、電線管１８３及び１８４並びに接地装置１９４（全て図４に示す）を介してスイッチ１７９に印加される。接地装置１９４は、電線管１９５を通して送られる実質的に全ての信号が、システム１５０の作動全体にわたってほぼゼロＶＤＣの電圧振幅を有するのを可能にする。スイッチ１７９が開状態にある時、第２のチャネル１８８を通って流れる電流は、実質的にゼロである。さらに、約５ＶＤＣの電圧振幅を有する信号は、電線管１９７を通って送られる。信号２０８は、第２のチャネルの「スイッチ１７９開」の出力部分２２２を含み、この出力部分２２２は、スイッチ１７９が開いている期間並びに電線管１９７及び１９５間の関連した電圧差の値を表している。部分２２２は、この電圧差をグラフで表している。この例示的な実施形態では、それぞれ信号２０６及び２０８の部分２２０及び２２２は、実質的に類似している。
【００２６】
信号２０６はまた、第１の負の磁気パルスエッジ２１０と第１の正の磁気パルスエッジ２１２とを含む。エッジ２１０は、磁石１７６がスイッチ１７８に接近し該スイッチ１７８を閉じた時のように、各磁石の磁束がスイッチ１７８の感度限界値を越えた時に発生する。エッジ２１２は、各磁石１７６がスイッチ１７８から遠ざかり該スイッチ１７８が開いた時のように、スイッチ１７８の近傍の磁束が弱まった時に発生する。信号２０６の「スイッチ１７８閉」の部分２１１が形成され、エッジ２１０及び２１２間で延びる。部分２１１は、スイッチ１７８の近傍における磁束の強さがスイッチ１７８の感度限界値及びスイッチ１７８の両端における関連する電圧差を越えた持続時間に等しい。スイッチ１７８が閉じている時、電流は、スイッチ１７８を含む第１のチャネル１８６を通って電源１９０から接地装置１９４まで流れ、それによって電線管１９２を通して送られる信号の電圧振幅を実質的にゼロに減少させることが可能になる。従って、電線管１９２及び１９５間の電圧差は、実質的にゼロになる。
【００２７】
同様に、出力信号２０８もまた、第２の負の磁気パルスエッジ２１４と第２の正の磁気パルスエッジ２１６とを含む。また同様に、信号２０８の「スイッチ１７９閉」の部分２１５が形成され、エッジ２１４及び２１６間で延びる。スイッチ１７９が閉じている時、電流は、スイッチ１７９を含む第２のチャネル１８８を通って電源１９０から接地装置１９４まで流れ、それによって電線管１９７を通して送られる信号の電圧振幅を実質的にゼロに減少させることが可能になる。従って、電線管１９７及び１９５間の電圧差は、実質的にゼロになる。この例示的な実施形態では、それぞれ信号２０６及び２０８の部分２１１及び２１５は、実質的に類似している。
【００２８】
１磁気サイクルは、第１の磁石１７６から次の磁石１７６までのロータ１６８の回転移動として定義される。１磁気サイクルは、図４では３６０°として定義されている、すなわち、３６０°は、エッジ２１０と次のエッジ２１０の発生事象との間の時間分と実質的に等しい。次に、９０°は、エッジ２１０とエッジ２１４との間の時間分と実質的に等しい。また、９０°は、エッジ２１４とエッジ２１２との間の時間分、及びエッジ２１２とエッジ２１６との間の時間分と等しい。さらに、９０°は、エッジ２１６と次のエッジ２１０の発生事象との間の時間分と実質的に等しい。この事象のシーケンスは、実質的に各磁気サイクルについて繰り返される。この例示的な実施形態では、エンコーダ１５２は、５つの磁石１７６を含み、エンコーダロータ１６８（図２及び図３に示す）の各３６０°の回転により、５つの磁気サイクルが生じる。従って、各磁気サイクルは、ロータ１６８の７２°の回転に実質的に相当し、３６０°の磁気サイクルの各象限つまり９０°の磁気サイクルは、ロータ１６８の１８°の回転に実質的に相当する。
【００２９】
エンコーダ１５２が時計方向に回転する時、信号２０６は、出力信号２０８に先行する。これと対照的に、出力信号２０６に先行する信号２０８は、エンコーダ１５２が反時計方向に回転していることを示す。この例示的な実施形態では、それぞれ部分２２０及び２２２の期間における電圧出力信号２０６及び２０８の振幅は、約５ボルト（Ｖ）ＤＣであり、またスイッチ１７８及び１７９を通って流れ電流は、実質的にゼロアンペア（Ａ）である。これと対照的に、それぞれ部分２１１及び２１５の期間におけるスイッチ１７８及び１７９からの電圧出力信号２０６及び２０８の振幅は、約ゼロＶＤＣである。さらに、部分２１１及び２１５が重なり合った期間には、１マイクロワット（μＷ）の１／３よりも小さい電力が、システム１５０によって消費される。
【００３０】
本明細書に記載したような、エンコーダ１５２を含むシステム１５０に関連した電圧、電流及び電力の例示的な振幅（大きさ）は、所定の物質及び化合物の発火を誘発するのに十分なエネルギーを有するエンコーダ１５２と関連した不用意な電弧が生じる可能性を低減するのを可能にする。さらに、この例示的な実施形態では、エンコーダ１５２は、如何なる有効な外部電源、つまり１μＷよりも大きな電力を送達するように構成された電源に対しても電気的に結合されない。従って、エンコーダ１５２は、それに限定されないが、第１種区分１条件のような本質的に安全な装置が必要となるような用途において使用ことができる。そのような条件は、それに限定されないが、化学プラント、穀物倉庫及び天然ガス輸送ステーションを含む施設内に存在する可能性がある。それに代えて、本明細書に記載したようなエンコーダ１５２の作動を可能にする電圧、平均電力、ピーク電力、平均電流及びピーク電流のあらゆる値を使用することができる。
【００３１】
再び図１を参照すると、掘削装置１００の作動時、ケーブル１１４が、ドリルパイプ１２４の深度を変化させるためにドラム１１０から繰り出されまたドラム１１０に向けて引き戻された時に、ドローワークスシャフト１１２に対して回転可能に結合されたエンコーダ１５２は、それぞれ電線管１８２及び１８４を介してインタフェース装置１５４に送信される出力信号２０６及び２０８を送るのを可能にする。エンコーダ１５２は、それが始動時深度からの相対的深度を測定し、またその始動時深度からの上向き又は下向きへの深度変化を測定する点で増分エンコーダ１５２である。初期始動時深度に対応する初期データセットが、システム１５０内に手動で入力される。装置１５４及びデータ処理組立体１５８は、第１の信号２０６及び２０８の組を受信し、組立体１５８は、少なくとも１つの常駐変換アルゴリズムを使用してドリルパイプ１２４の第１の距離を判定する。シャフト１１２が回転してドリルパイプ１２４の深度が第２の位置まで変化すると、第２の信号２０６及び２０８の組が装置１５４に送られ、装置１５４は、少なくとも１つの常駐変換アルゴリズムを使用して、磁気サイクルの数及び極性を判定する。装置１５４によって判定された磁気サイクルの数及び極性は、データ処理組立体１５８に送られ、データ処理組立体１５８において、複数の変換アルゴリズムが実行されて、ドリルパイプ１２４の移動距離、移動方向及び移動速度が求められる。変換アルゴリズムの実施例には、それに限定されないが、ドリルパイプ１２４の移動の距離及び方向を表す磁気サイクルの数及び極性をオペレータが解釈することができる値に変換する積分アルゴリズムが含まれる。処理された信号は、次にＯＩＴ１６０に送信される。
【００３２】
本明細書に記載したような回転機械のシャフトをモニタするための方法及び装置は、回転掘削装置の操作及びモニタを可能にする。より具体的には、本明細書に記載した回転エンコーダは、効率的かつ有効なドリルパイプ深度測定方式を可能にする。また、回転エンコーダは、内蔵型の低電力構成部品を備えかつ外部電源を必要としない状態で受動オペレーティングシステムを作動させるのを可能にし、また危険な環境において本質的に安全である。さらに、回転エンコーダはまた、掘削装置の信頼性を高め、また保守コスト及び掘削装置一時停止を減少させるのを可能にする。さらに、回転エンコーダはまた、それに限定されないが、化学プラント、穀物倉庫及び天然ガス輸送ステーションを含む施設の稼動も可能にする。
【００３３】
以上、ドリルパイプ深度測定方式と関連した回転エンコーダの例示的な実施形態について詳述している。本方法、装置及びシステムは、本明細書に記述した特定の実施形態にも、また特定の例示した掘削装置にも限定されるものではない。
【００３４】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】例示的な井戸掘削装置の概略図。
【図２】図１に示す掘削装置で使用することができる例示的なエンコーダの概略図。
【図３】図２に示すエンコーダの側面図。
【図４】図１に示す掘削装置で使用することができる例示的なドリルパイプ位置測定システムの電気配線図。
【図５】図２に示すエンコーダを使用して生成することができる波形の例示的なグラフ図。
【符号の説明】
【００３６】
１００  掘削装置
１０２  プラットフォーム
１０４  デリック
１０６  クラウンブロック
１０８  ドローワークス
１１０  ドラム
１１２  駆動シャフト
１１４  ケーブル
１１６  トラベリングブロック
１１８  トップドライブ
１２０  懸垂部材
１２２  ケリー
１２３  案内部材
１２４  ドリルパイプ
１２６  ドリルビット
１２８  井戸
１５０  システム
１５２  エンコーダ
１５４  インタフェース装置
１５６  エンコーダケーブル
１５８  データ処理組立体
１６０  端末（ＯＩＴ）
１６０  端末（ＯＩＴ）
１６２  電子ケーブル
１６４  ハウジング
１６６  空洞
１６８  ロータ
１６９  回転軸線
１７０  最外側表面
１７２  最内側表面
１７４  ギャップ
１７６  磁石
１７８  スイッチ
１７９  スイッチ
１８０  スイッチホルダ
１８２  電線管
１８３  電線管
１８４  電線管
１８６  第１のチャネル
１８８  第２のチャネル
１９０  電源
１９１  限流抵抗器
１９２  電線管
１９３  プロセッサ
１９４  接地装置
１９５  電線管
１９６  限流抵抗器
１９７  給電信号電線管
２００  グラフ図
２０２  縦座標軸
２０４  横座標軸
２０６  第１のチャネル出力信号
２０８  第２のチャネル信号
２１０  負の磁気パルスエッジ
２１１  部分
２１２  正の磁気パルスエッジ
２１４  負の磁気パルスエッジ
２１５  部分
２１６  正の磁気パルスエッジ
２２０  部分
２２２  部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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