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Vorrichtung zur elektromagnetischen Schürfung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Schürfung, mit welcher die Entdeckung und Untersuchung von leitenden Erzvorkommen, insbesondere von Flugzeugen aus, auf einfache Weise durchgeführt werden kann. Wie bekannt, haben die meisten verwendbaren Erzvorkommen leitende Eigenschaften und können mittels einer Vorrich- tung, welche aus einer Sendespule, die durch Wechselstrom gespeist wird und ein Wechselfeld erzeugt, aufgespürt werden. Die leitenden Eigenschaften dieser Erzvorkommen bzw.
Erzschichten, haben die Bildung von Wirbelströmen in . der Schicht zur Folge, welche Ströme ihr eigenes magnetisches Feld erzeugen und durch eine Empfangsspule In Verbindung mit einem geeigneten Messsystem nachgewiesen werden können. Diese Empfangsspule spürt beide Felder auf, sowohl jenes der Sendespule (welches gewöhnlich als Primärfeld bezeichnet wird) als auch jenes der induzierten Ströme in der Erzschicht (gewöhnlich als Sekunrdärfeld bezeichnet). Da nur
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fangsspule vom Messsystem eliminiert werden, damit eine genaue Ablesung, des Sekundärfeldes gewährleistet ist.
Da das Sekundärfeld gewöhnlich relativ schwach ist, wurde bis jetzt. derart verfahren, dass ibe. i elektromagnetischen Luftvermessungsarbeiten eine sehr grosse Sendespule verwendet wurde, welche unveränderlich im Flugzeug angebracht wurde. Die Empfangsspule wurde in der Regel in einem sogenannten Schleppgerät unter und hinter dem Schürfflugzeug, wegen der leitenden Eigenschaften vieler Teile des Flugzeuges und der daraus resultierenden Interferenz und zwecks Vergrösserung der relativen Stärke des Sekundärfeldes im Verhältnis zum Primärfeld in einer Entfernung von etwa 150 m nachgeschleppt.
Da sich in diesem Falle die Lage der Empfangsspule gegenüber der Sendespule fortwährend ändert, ist die Messung des Sekundärfeldes erschwert, da dieses unterschiedliche Lage-und Ab- standsverhältnis der beiden Spulen die Trennung des Sekundärfeldes vom Primärfeld zu einem schwierigen Problem macht.
Weiter ist der relativ grosse Abstand zwischen Sende- und Empfangsspule einer genauen Vermessung nicht zuträglich. Die im Flugzeug untergebrachte und so vom Erzvorkommen relativ weit entfernte Sendespule gibt ein relativ schwaches Sekundärfeld, welches schwer aufzuspüren und zu messen ist.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die angeführten Nachteile bei einer Vorrichtung zur elektromagnetischen Schürfung mit einer lediglich durch Wechselstrom gespeisten Sendespule und einer Empfangsspule zu vermeiden. Die Erfindung besteht hiebei im wesentlichen darin, dass Sendespule und Empfangsspule sowie eine in nächster Nähe der Sendespule liegende und von deren magnetischen Feld erregte, die unmittelbare Einwirkung der Sendespule auf die Empfangsspule kompensierende Kompensationsspule, welche auf den Empfangsspulenkreis im Sinne einer Serienschaltung zur Empfangsspule wirkt, innerhalb eines'gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind, wobei der Empfangsspulenkreis auf die Frequenz der Sendespule abgestimmt ist. Auf diese Weise wird der unmittelbare Einfluss der Sendespule auf die Empfangsspule völlig ausgeschaltet, was die Messung wesentlich erleichtert.
Die Massnahme, den Empfangsspulenkreis auf die Frequenz der Sendespule abzustimmen, trägt wesentlich zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung bei, welche auch dadurch, dass Empfangsspule, Sendespule und Kompensationsspule innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeord- net sind und somit z. B. bei Flügen den gleichen Höhenveränderungen unterworfen sind, gesteigert werden. Vorzugsweise sind hiebei erfindungsgemäss Sendespule, Empfangsspule und Kompen- sationsspule In. unveränderlichem Abstand zueinander innerhalb des gemeinsamen Gehäuses anordnet. Hiedurch wird die Genauigkeit und die Empfindlichkeit der Vorrichtung weiter erhöht, wobei es möglich ist, kleinere Sendespulen als bisher anzuwenden.
Es sind bereits zahlreiche Schaltungen zur elektromagnetischen Bodenerforschung bekannt ge-
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worden, bei welchen störende Einflüsse durch eine Kompensation ausgeschaltet werden sollen. Beispielsweise ist eine Einrichtung bekannt geworden, bei welcher störende Frequenzen durch einen mit dem Hauptkompensator in Serie geschalteten Hilfskompensator eliminiert werden. Da jedoch bei dieser bekannten Schaltung für eine Elimination des unmittelbaren Einflusses der Sen-
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kreis nicht auf die Frequenz der Sendespule abgestimmt ist, können mit dieser bekannten Schal- tung die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile nicht erreicht werden.
Ferner sind zahlreiche Vorrichtungen zum Feststellen verborgener Metallteile (Minensuchgeräte od. dgl.) bekannt geworden, welche eine Sendespule und eine Empfangsspule aufweisen. Bei einer dieser bekannten Einrichtungen ist eine mit der Sendespule in Serie geschaltete weitere Spule vorgesehen, welche durch den Sendespulenstrom erregt wird. Bei einer andern bekannten Einrichtung liegt eine mit der gleichstromerregten Sendespule in Serie geschaltete weitere Spule konzentrisch zur Empfangsspule. Auch bei diesen bekannten Einrichtungen sind Sendespule, Empfangsspule und Kompensationsspule nicht innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet und es ist auch der Empfangsspulenkreis nicht auf die Frequenz der Sendespule abgestimmt. Auch durch diese bekannten Schaltungen können daher die erfindungsgemässen Vorteile nicht erzielt werden.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes zu entnehmen, welche in der Zeich-
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Fig. 1 zeigt hiebei die Darstellung eines Schürfflugzeuges während seiner Tätigkeit. Fig. 2 stellt die Schaltung einer elektromagnetischen Schürfvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung dar.
Fig. 3 zeigt einen vereinfachten Schnitt des in Fig. 1 dargestellten Schleppgerätes und Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Tätigkeit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung.
In der Zeichnung ist ein Flugzeug A dargestellt, welches mittels eines Schleppseiles B ein Schleppgerät C über eine Grundfläche D zieht.
Leitende Erzvorkommen E sind unter der Erd- oberfläche im Schnitt dargestellt.
Gemäss Fig. 2 liefert ein Generator 1 zu einer Induktionsspule 2 einen Wechselstrom, welche ein elektromagnetisches Wechselfeld konstanter Frequenz erzeugt, das als primäres Feld bezeichnet sei. Die Frequenz des vom Generator 1 gelieferten Wechselstromes kann zwischen 100 und 10. 000 Hz liegen. Die untrschiedliche Leitfähigkeit der Erde und die Art der gesuchten Erzvorkommen bedingt die jeweils geeignete Arbeitfrequenz zur Erzielung der besten Resultate.
Eine Empfangsspule 4 ist in einer vorbestimmten Entfernung von der Sendespule 2 angeordnet und mit einem Abstimmkondensator 6 zur Ab- stimmung auf die Sendefrequenz versehen. Eine Kompensationsspule 3 ist dicht bei der Sendespule 2 angeordnet und direkt oder durch eine einfache Kopplungsanordnung, beispielsweise ei- nen Transformator 5, mit der Empfangsspule in Serie geschaltet. Stets muss die Kompensationspule so auf den Empfangsspulenkreis zur Wirkung gebracht sein, dass sie im Sinne einer Serienschaltung zur Empfangsspule wirkt.
Das Primärfeld. induziert eine Spannung in der Kompensationsspule 3, welche dicht bei der Sendespule 2 und vorzugsweise in einer Lage liegt, die dem höchsten Sendespulenfluss entspricht. Mit dieser induzierten Primärspannung in Spule 3 ist es möglich, die in der Empfangsspule 4 induzierte Primärspannung zu'kompensieren, indem diese beiden Primärspannungen in Serie geschaltet werden. Die Kopplungsvorrichtung 5 wird zur Abstimmung des Systems verwendet, so dass die durch das Primärfeld. In der Kompensationsspule 3 induzierte und an den Empfangsspulenkreis weitergegebene Spannung genau gleich der durch das Primärfeld direkt in der Empfangsspule 4 induzierten Spannung und die Kopplungsanordnung für geringere Differenzen zwischen den beiden Spannungen abstimmbar ist.
Wenn erforderlich, kann diese Kopplungsvorrichtung derart angeordnet sein, dass die Einstellung von der Ferne aus erfolgen kann, so dass die im Schleppgerät liegende Empfangsspule vom Schürfflugzeug aus abgestimmt werden kann.
In der Praxis wird die Polarität der Spulen 3 und 4 so gewählt, dass das Primärfeld der Sendespule 2 in der Kompensationsspule 3 eine Primärspannung in einer Richtung und in der Empfangsspule 4 eine Spannung in der entgegengesetzten Richtung induziert. Mittels der Kopplungsvorrichtung, die hier als einfacher Transformator 5 dargestellt ist, werden diese beiden induzierten Spannungen gleich gross gemacht und, da die Kompensationsspule mit der Empfangsspule in Serie geschaltet ist, heben sich diese beiden Spannungen gegeneinander auf und über den Kondensator 6 im Stromkreis der Empfangsspule scheint keine Spannung als unmittelbares Ergebnis des Primärfeldes auf.
Es ist zu beachten, dass das Abstandsverhältnis zwischen den Spulen 2 und 3 und den Spulen 2 und 4 starr und exakt aufrecht erhalten werden muss, da jede Abweichung einen Unterschied zwischen der direkt in der Empfangsspule 4 indu- zierten Spannung und der in Kompensationsspule 3 induzierten Kompensationsspannung bewirken würde.
Bei Verwendung einer serienkompensienen Empfangsspule wie beschrieben, ist es augenscheinlich, dass Änderungen der Frequenz des Generatorstromes und so des Sendefeldes innerhalb gewisser Grenzen keinen Einfluss auf die Kompensation des vom Primärfeld unmittelbar herrührenden Empfangsspulenstromes haben. Die
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Wirkung, dieser Frequenzänderung scheint so- wohl in der Kompensationsspule als auch in. der
Empfangsspule auf und die Kompensation im
Stromkreis der Empfangsspule wird deshalb nicht beeinträchtigt,. da beide Spulen praktisch
Teile desselben Stromkreises sind'und beide indu- zierten Spannungen in diesem Stromkreis in Se- rie wirken.
Aus diesem Grunde ist es möglich, den Strom- kreis der Empfangsspule, welcher die Empfangs- spule und die Ausgleichsspule in Serie beinhaltet, auf Resonanz mit dem Sendefeld abzustimmen, wodurch ein viel stärkeres Senkundärsignal von einer Sendespule ! bestimmter Grösse erhalten wird, was einen der wichtigen Vorteile vorliegender
Erfindung darstellt.
Das Bedürfnis nach einer auf Resonanz abge- stimmten Empfangsspule wurde von der Fach- welt bereits erkannt. Eine solche Empfangsspule gibt viel stärkere Antwortsignale und reduziert die Störgeräusche. Es wurden bereits abgestimmte
Kreise verwendet, jedoch bereitete das Problem der StabiLisierung der Empfangsspuleninduktion,
Abstimmkapazität und Sendefrequenz Schwierig- keiten. Dieses Problem tritt noch mehr in Er- scheinung, wenn versucht wird, nicht nur das ganze sekundäre Feld zu messen, sondern dieses
Feld in in-und ausser Phase-Komponenten zu trennen, wie später beschrieben wird.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass bei
Verwendung der erfindungsgemässen Schaltung zur Kompensation des Primärfeldeinflusses auf den Empfangsspulenstromkreis die Schwierigkei- ten bei Frequenzänderungen der Stromquelle überwunden werden. Durch die beschriebene
Schaltung wird eine solche Kompensation auch bei Änderungen der Induktion der Empfangsspu- le und der Kapazität des Albstimmkondensators, was leicht durch Änderungen der atmosphäriI schen und klimatischen Bedingungen verursacht werden kann, aufrecht. erhalten. Derartige Än- derungen würden die Abstimmung des Empfangs- spulenkreises stören, wodurch dieser dann auf- hören würde, auf der Resonanzfrequenz des Ab- stimmkreises zu arbeiten.
Dadurch würde eine
Phasenverschiebung der über den Kondensator auftretenden Induktionsspannung hervorgerufen werden. Da jedoch sowohl die primär induzierte
Spannung als auch die Kompensationsspannung am Empfangsspulenkreis dieser Verschiebung un- erliegen, wird der Ausgleich. des Kreises nicht gestört.
7, 8, 9, 10, 11, 12 sind Aufspürungs- und Mess- vorrichtungen zur Schürfung nach Erzvorkom- men von einem Flugzeug aus. Es ist bekannt, dass, wenn das von der Sendespule ausgestrahlte Primärfeld auf ein leitendes Erzvorkommen trifft, in diesem Wirbelströme induziert werden, welche ein sekundäres Feld erzeugen. Dieses sekundäre
Feld wird durch die Empfangsspule aufgespürt und induziert in dieser eine sogenannte Sekun- därspannung. Da, wie bereits dargelegt wurde, die Empfangsspule gegenüber dem unmittelbaren Primärfeldeinfluss kompensiert ist, ist diese Sekundärspannung einzig und allein das Ausgangssignal des Empf, angsspulenkreises.
Weiter wird auf Grund der Tatsache, dass das Sekundärfeld dieselbe Frequenz besitzt, wie das Primärfeld und dass die Empfangsspule mit dieser Frequenz auf Resonanz abgestimmt ist, diese sekundäre Signalspannung um den Gütefaktor des Resonanzkreises auf eine besser messbare Amplitude vergrössert.
Es besteht weiter die Möglichkeit, nur einen Verstärker 7 und ein Voltmeter zum Nachweis dieser gesamten Sekundärspannung in den Stromkreis der Empfangsspule einzuschalten.
Da jedoch die in den Erzschichten induzierten Winbelströme, die das Sekumdärfeld bilden, einem Weg folgen, in dem sowohl induktive als auch ohm'sche Widerstände liegen, ist es wünschenswert, das Verhältnis. dieser beiden soweit als mög-
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ichWenn der von den'Wirbelströmen gebildete Stromkreis nur eine reine Induktion enthielte, würde das durch einen solchen Strom erzeugte Sekumdärfeld mit dem Primärfeld in Phase sein.
Da das Primär- und Sekundärfeld in Phase sind, ist die in der Empfangsspule induzierte Spannung ebenfalls in Phase. Wenn der Kreis der Wirbelströme nur einen ohm'schen Widerstand enthielte, würde das durch einen solchen Strom erzeugte Sekundärfeld um 900 ausser Phase mit dem lprimärfeld sein und die in der Empfangsspule induzierten Spannungen würden ebenfalls um 900 phasenverschoben sein.
Da diese Wirbelströme, wie bereits früher erwähnt, jedoch einen Weg sowohl mit ohm'schem Widerstands- als auch mit Induktionseigenschaf-
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wohl mit dem Primärfeld in Phase als auch ausser Phase liegende. Spannungskomponenten vom Se- kundärfeld induziert,. die mit der Schaltung gemäss Fig. 2 getrennt registriert werden können.
In Fig. 2 ist 8 ein Phasenschieber bekannter Art, der dazu, dient, die Bezugsspannung um 900 zu drehen. Dieser Phasenschieber wird im InPhase-Kanal verwendet, um die um 900 nacheilende Phasenverschiebung im abgestimmten Emp- fal1igsspulenkrcis auszugleichen. 9 ist ein Phasendetektor für das In-Phase-Signal und 11 ein Phasendetektor für das Ausser-Phase-Signal wegen der vorher erwähnten 900- Phasenverschiebung im abgestimmten Empf, angsspulenkreis. 10 und 12 sind Registrierapparate für die In-Phase-bzw.
Afusser-Phase-Signale.
Die Ausbildung des Phasenschiebers 8 und der Phasendetektor 9 und 11 kann von bekannter Art sein. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist ebenfalls bekannt.
Angenommen, dass die Detektoren im Schleppgerät liegen und die Registrierapparate im Schürfflugzeug, kann die Ausgangsleistung der Phasendetektoren von den Registnerapparaten, wie dargestellt, unter Vermittlung eines Verblndungska-
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Schleppgerät kann in diesem Falle mittels eines dünnen Stahldrahtes geschleppt werden, wodurch der Luftwiderstand reduziert wird und das Gerät
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Wie oben beschrieben, in. Fig. 3 dargestellt und in der Folge noch eingehender erläutert, befinden sich die Spulenachsen in vertikaler Lage, doch hängt die günstigste Lage von der durchschnittlichen Leitfähigkeit der dem Erzvorkommen überlagerten Bodenschichten und von der Art der gesuchten Erzvorkommen ab.
Erforderlichenfalls können die Spulenachsen auch in horizontaler Lage, parallel zur Achse des in Fig. 3 dargestellten Schleppgerätes angeordnet werden. Zur Erzielung bester Resultate wird natürlich die Empfangsspule in Richtung maximaler Kopplung zur
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die Emp-fangsspule gegen kleine Winkeländerungen der beiden Spulen gegeneinander weniger empfindlich ist. Auf Grund'der oben erwähnten Vorteile kann die Anordnung der Sende- und Empfangsspule sowie der Schaltung in einem einzigen Schleppgerät erfolgen, das in einer solchen Entfernung vom Schürfflugzeug aufgehängt ist, dass Störungen durch das Flugzeug ausgeschaltet werden. Da der Empfangsspulenkreis auf die Sendefrequenz abgestimmt ist, kann eine viel kleinere Sendespule verwendet werden, ohne dass das Sekundärfeld unter einen messbaren Wert reduziert wird.
Da weiters die Sendespule im Schleppgerät und nicht wie bisher im Flugzeug untergebracht ist, ist es möglich, die Sendespule viel näher an den Erdboden als bisher ohne Gefahr für das Flugzeug heranzubringen. Diese kürzere Entfernung hat zur Folge, dass ein stärkeres Primärfeld die Erzvorkommen erreicht, was wiederum ein stärkeres Sekundärfeld zur Folge hat. Dadurch ist es auch möglich, mit einer kleineren Sendespule und einem schwächeren Sender zu arbeiten, um ein messbares Signal zu erhalten.
Um genaue A'bstandsverhältnisse zwischen Sende- und Empfangsspule im Schleppgerät aufrecht zu erhalten, wird das in Fi, g. 3 und 4 schematisch dargestellte Prinzip angewendet.
In Fig. 3 ist das Schleppseil am Gehäuse des Schleppgerätes im Bereich des Schwerpunktes angebracht. Natürlich ist das Schleppgerät an jener Stelle, an welcher das Schleppseil befestigt ist, durch das Steigen und Fallen des im Flug befindlichen Flugzeuges oder durch die Einwirkung von Wind und Luftströmungen auf das Schleppseil und das Gerät selbst, ständigen und wechselnden Beanspruchungen unterworfen. Da die Sendespule an einem Ende und die Empfangsspule am andern Ende des Schleppgerätes untergebracht ist, ist die Einhaltung des genauen Abstandes dieser Teile mit Rücksicht auf die Neigung des Gerätes, sich um seinen Schwerpunkt, an welchem das Schleppseil befestigt ist, zu biegen. schwierig, zumal das Schleppgerät ein relativ langer Körper ist.
Um diesen Effekt auf ein Mindestmass zu reduzieren, ist eine Spulentragvorrichtung 13 im Schleppgerät vorgesehen, welche sich im wesentlichen über dessen ganze Länge (zirka 4, 5 m oder mehr) erstreckt. Die Tragvorrichtung 13 ist am Gehäuse des Gerätes an zwei Punkten 14 und 15 befestigt. Die Sende- und Empfangsspulen sind an den Enden der Tragvorrichtung 13 ausserhalb .der Punkte 14 und 15 wie in der Zeichnung dargestellt, angebracht.
Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise dieser Tragvor-
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tung des Seiles beschleunigt wird, neigt die Vorrichtung 13 dazu, sich zwischen den zwei Punkten 14 und 15 unter dem Einfluss der Reaktionkraft A nach unten durchzubiegen. Da die Enden der Vorrichtung frei sind und diese als Hebel wirkt, bewegen sich die freien Enden mit den Kräften A'nach oben. Diese Tendenz wird jedoch durch die Masse der Enden der Vorrichtung, die infolge der Beschleunigung des Gerätes mit einer Kraft A/j und M2 nach unten wirkt, verringert oder eliminiert.
Die Gesamtheit dieser Kräfte hat die Tendenz, jede Kraftkomponente aufzuheben und die freien Enden der Vorrichtung 13, in welchen sich die Spulen befinden, in ihrem vorbestimmten Abstandsverhältnis zu erhalten.
Vorliegende Erfindung wurde im einzelnen bei ihrer Anwendung auf Luftvermessungen beschrieben, auf Grund der Vorteile, die sie bei dieser Art von Vermessungen bietet. Die Erfindung kann jedoch ebenso vorteilhaft für Bodenvermessungen angewendet werden.
Das Problem des Ausgleiches der Wirkung des Primärfeldes im Empfangsspulenkreis trotz Änderungen der Frequenz der Stromquelle, der Induktivität der Empfangsspule und der Kapazität des Abstimmkondensators, ist auch bei Bodenvermessungsarbeiten anwendbar, da es nur über eine wirksame Kompensation möglich ist, einen abgestimmten Empfangsspulenkreis mit entsprechenden Resultaten zu verwenden.
Die Schaltung und das Prinzip der Serienkompensation können deshalb leicht für Bodenvermessungsarbeiten modifiziert werden, wobei ebenfalls ein abgestimmter Empfangsspulenkreis verwendet wird.
Das Primärfeld kann beim abgestimmten Emp- fangsspulenkrels, wie bei der Luftschürfungsanordnung beschrieben, kompensiert werden. Es kann jedoch auch das Sekundärfeld durch kalibrierte adjustierbare Kompensatoren kompensiert werden, die wirksam in Serie mit dem abgestimmten Empfangsspulenkreis gekoppelt sind. Der Verstärker 7 wirkt so nur als Null-IndikatorVorrichtung mit einem entsprechend gekoppelten Detektor, wie z. B. einem Voltmeter.
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Weiter wurde bei Bodenvermessungen bisher im allgemeinen die Verwendung von Eisenkern- Empfangsspulenkrelsen trotz des offensichtlichen Vorteiles ihrer geringeren Grösse abgelehnt, da eine solche Spule auf atmosphärische Spannungen mehr anspricht und eine Induktivität besitzt, welche wesentlich davon abhängt. Da, wie bereits beschrieben, solche Induktivitätsschwiankungen innerhalb gewissen Grenzen keinerlei Effekt auf
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haben, kann eine Eisenkernspule verwendet und die Grösse und das Gewicht der Anlage wesentlich verringert werden.
Die oben beschriebenen Beispiele der verschiedenen Anwendungsarten vorliegender Erfindung dienen zur Erläuterung derselben, jedoch ohne Beschränkung hierauf.
PATENTANSPRüCHE :
1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Schürfung mit einer lediglich durch Wechselstrom gespeisten Sendespule und einer Empfangsspule, dadurch gekennzeichnet, dass Sendespule (2) und Empfangsspule (4) sowie eine in nächster Nähe der Sendespule (2) liegende und von derem magenetischen Feld erregte, die unmittelbare Einwirkung der'sendespule (2) auf die Empfangsspule (4) kompensierende Kompensationsspule (3), welche ; auf den Empfangsspulenkreis (4) im Sinne einer Serienschaltung zur Empfangsspule (4) wirkt, innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses an-
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auf die Frequenz der Sendespule abgestimmt ist.