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Gerät zur Untersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Untersuchung von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchteuft sind und betrifft im besonderen neuartige und verbesserte Systeme, um die Span- nungs- und Stromverteilung in den Erdformationen, die an eine durch das Bohrloch hindurchgeführte elektrische Messanordnung angrenzen, zu kontrollieren.
Es ist bisher übliche Praxis gewesen, Aufzeichnungen über den elektrischen Widerstand der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen dadurch zu gewinnen, dass die Spannungs-und Stromverteilung in der Nachbarschaft einer durch das Bohrloch hindurchgeführten Messanordnung automatisch festgestellt wurde, wodurch Anzeigen über den Widerstand oder die Leitfähigkeit gewonnen wurden, die ein angenähertes Bild über den wirklichen spezifischen Widerstand oder die wirkliche Leitfähigkeit ergaben.
Bei den Systemen, die diese Art von Anzeigen ergeben, wurde ein konstanter Messstrom, der von einer Hauptelektrode in dem Bohrloch ausgesandt wurde, in eine im wesentlichen zur Bohrlochachse senkrechte Bahn gezwungen, u. zw. mit Hilfe von Hilfsströmen, die von Hilfselektroden ausgesandt wurden, welche auf entgegengesetzten Seiten der Hauptelektrode in entsprechenden Abständen angeordnet waren.
Die Hilfsströme wurden dabei durch Rückkopplungsverstärkereinrichtungen geliefert, die auf den Potentialgradienten zwischen den Elektroden ansprachen, wobei diese Ströme dazu dienen, den Potentialgradienten im wesentlichen auf Null zurückzuführen. Bei einem besonderen System wurde der von der Hauptelektrode ausgesandte Messstrom von Rückkopplungsverstärkereinrichtungengeliefert, die auf den Potentialgradienten zwischen den Haupt- und den Hilfselektroden ansprachen, um den Potentialgradienten im wesentlichen auf Null zurückzuführen.. Mit diesen Systemen wurden Widerstands- oder Leitfähigkeitsanzeigen gewonnen, die von dem Verhältnis des von der Hauptelektrode ausgesandten Messstromes und der Spannung an einem Punkt in der Nähe der Hauptelektrode abhingen.
Wo solche Systeme mit den Elektroden in Kontakt mit einem verhältnismässig niedrig leitenden Medium kommen und besonders in Fällen, wo die Elektroden sich vor einer Formation verhältnismässig hohen Widerstandes befinden, ist der Potentialgradient, auf den die Rückkopplungsverstärkereinrichtungen ansprechen, relativ niedrig und gegen Änderungen der durch die Verstärkereinrichtungen gelieferten Ströme verhältnismässig unempfindlich. In gewissen Fällen ist eine sehr hohe Verstärkung der Verstärkereinrichtungen erforderlich, damit der gelieferte Strom mit dem erwünschten Genauigkeitsgrad eingestellt werden kann.
Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges und verbessertes Bohrlochmessgerät der vorstehenden Art zu schaffen, bei dem die Anforderungen an die Verstärkereinrichtungen unter extremen Bohrlochbedingungen nicht so streng sind wie zuweilen bei. der bisherigen Praxis.
Des weiteren sollen die Verstärkungseinrichtungen unter extremen Bohrlochbedingungen gegenüber dem Potentialgradienten relativ unempfindlich sein und trotzdem den richtigen Strom liefern.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Untersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen mit einem Träger, der durch das Bohrloch hindurchgeführt wird, einer Hauptelektrode an dem Träger, einer elektrischen Energiequelle, die mit der Hauptelektrode und einem Stromrücklaufpunkt gekoppelt ist, um einen Messstrom in die der Hauptelektrode benachbarten Formationen auszusenden, mit Hilfselektroden, die an dem Träger im Abstand oberhalb und unterhalb der Hauptelektrode ange-
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ordnet sind, um einen Hilfsstrom auszusenden, einem Paar eng beieinander angeordneter Messelektroden, um eine Potentialdifferenz, die dem Potentialgradienten zwischen den Haupt- und jeder der Hilfselek- troden entspricht, aufzunehmen, einem Verstärkersystem, das auf die Potentialdifferenz zwischen den erwähnten Messelektroden anspricht,
um dieselbe im wesentlichen auf einem Nullwert zu halten, und Mitteln, die auf das Verhältnis des Messstromes und des Potentials eines Punktes in der Nähe der Haupt- elektrode ansprechen, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion eines elektrischen Cnarakteristikums der Formationen ist und besteht im wesentlichen darin, dass das Verstärkersystem auch auf das Potential eines Punktes zwischen der Hauptelektrode und der Hilfselektrode anspricht und dass der Ausgang des Ver- stärkersystems dazu geeignet ist, einen der Mess- oder Hilfsströme einzustellen. Die Erfindung betrifft ferner Einzelheiten an einem solchen Gerät.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird von den Hilfselektroden Strom ausgesandt, der die
Spannung an einem Punkt in der Nachbarschaft der Hauptelektrode auf einem vorher bestimmten kon- stanten Wert hält. Die Verstärkereinrichtungen sind so auszubilden, dass sie auf diese Spannung konstanten
Werts und auch auf einen verstärkten Potentialgradienten zwischen den Elektrodenfür eingestellte Strom- aussendung aus der Hauptelektrode ansprechen, um den Potentialgradienten im wesentlichen auf Null zurückzuführen. Je nach der Grösse des von der Hauptelektrode ausgesandten Stromes werden Anzeigen abgeleitet, die die Leitfähigkeit der benachbarten Erdformationen widerspiegeln.
Bei einer ändern Aus- führungsform der Erfindung wird von der Hauptelektrode im wesentlichen konstanter Strom ausgesandt, und die Verstärkereinrichtungen sprechen auf den Pötentialgradienten zwischen den Elektroden an, um den von den Hilfselektroden ausgesandten Strom zu kontrollieren und den Potentialgradienten im we- sentlichen auf Null zurückzuführen. Entsprechend der Spannung eines Punktes zwischen Haupt- und Hilfs- elektrode werden Anzeigen abgeleitet, die den Widerstand der benachbarten Erdformationen wieder- spiegeln. Bei einer andern Ausführungsform der Erfindung wird eine andere Elektrodenanordnung gewählt, um zu veranschaulichen, dass der Erfindungsgedanke auch mit andern Elektrodenanordnungen verwirklicht werden kann.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt ein Schema eines Bohrlochuntersuchungssystems gemäss der Erfindung, mit dem Anzeigen über die Leitfähigkeit gewonnen werden, Fig. 2 ist ein Teilschema einer andern Ausführungsform der Erfindung, um Anzeigen über den
Widerstand der Erdformation zu gewinnen. Fig. 3 veranschaulicht eine andere Elektrodenanordnung gemäss der Erfindung, die diejenige der Systeme gemäss den Fig. l oder 2 ersetzen kann.
In Fig. 1 ist eine Elektrodenanordnung 10 und ein druckfestes Gehäuse 11 gezeigt, das zur Bewegung durch das mit einer schwach leitenden Bohrlochspülung 13 angefüllt Bohrloch 14 an. einem elektrischen
Kabel 12 aufgehängt ist. Das Bohrloch 14 durchteuft die Erdformationen 15. Das Kabel kann an eine nicht gezeigte Winde an der Erdoberfläche angeschlossen sein, wobei Mittel, wie ein Messrad 17, dazu vor- gesehen sind, den Kabelablauf von einem Messpunkt an der Erdoberfläche an zu überwachen. Ein Paar von Kabelleitern 18, 19 ist mit einer Stromquelle 20 an der Erdoberfläche verbunden, um elektrische
Energie dem unter Tage befindlichen Gerät zuzuführen, während ein zweites Paar von Kabelleiter 21,22 an eine geeignete Anzeigevorrichtung, wie z.
B. ein Registrierungsgalvanometer 24, angeschlossen ist, um Anzeigen über ein durch das Kabel übertragenes Messsignal zu gewinnen. Diese Anzeigen können in
Funktion der Tiefe aufgezeichnet werden, indem eine Antriebsverbindung 25 zwischen dem Messrad 17 und dem Registrierungsgerät 24 vorgesehen wird.
In der Praxis können nun verschiedene Elektrodenanordnungen Verwendung finden. Bei dem ge-
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Paar von Spannungsaufnahmeelektroden M1, Ma und unterhalb der Hauptelektrode ein symmetrisches Paar von Messelektroden M', Mn. Diese Aufnahmeelektroden sind übereinander, d. h. in der Längsrichtung der Elektrodenanordnung angeordnet, um auf den Potentialgradienten längs des Bohrloches anzusprechen. Um das Prinzip der Erfindung zu erläutern, sind symmetrisch entsprechende Elektroden durch Drähte niedrigen Widerstands verbunden. Es können aber auch gesonderte Kontrollanordnungen für die oberen und unteren Elektrodensätze vorgesehen sein. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Aufnahme-
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dem Gehäuse 11 untergebracht, an dessen Eingangsklemmen die Leiter 18, 19 angeschlossen sind.
Der Signalerzeuger wird mit Energie versorgt, um eine Wechselspannung, beispielsweise 400 Perioden/sec.
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zu erzeugen. Diese erzeugte Wechselspannung wird an die Eingangsklemmen eines veränderlichen Verstärkers 32 angelegt, der von üblicher Bauart mit einer Stufe sein kann, die auf ein Verstärkungskontrollsignal anspricht, um die Gesamtverstärkung des Verstärkers zu ändern. Um eine Hilfsstromäussendung aus dem veränderlichen Verstärker 32 zu bewirken, ist der Ausgang des Verstärkers mit einem Transformator 33 gekoppelt, dessen eine Klemme seiner Sekundärwicklung mittels einer isolierten Leitung 34 an die Hilfselektroden Al und A2 und dessen andere Klemme mittels des Leiters 35 an einen entfernt liegenden StromrUcklaufpunkt 36 angeschlossen ist.
Der Stromrücklauf kann beispielsweise durch einen freigelegten Teil der Kabelbewehrung oberhalb des Kopfes des Gehäuses 11 auf einer Isolationslänge 37 in der Grössenordnung von 30,5 m (100 Fuss) erfolgen. Wo ein solcher Stromrücklauf vorgesehen ist, wird der von den Hilfselektroden Ai und An ausgesandte Hilfsstrom an der Kabelbewehrung zurückgeleitet. Die Scheinleitfähigkeit der Formation ist nun proportional dem Verhältnis des von der Hauptelektrode Ao ausgesandten Stromes und des Potentials eines Punktes zwischen den Hauptelektroden und der Hilfselektrode gemessen gegenüber dem Potential eines verhältnismässig weit entfernt liegenden Bezugspunktes. Um Anzeigen über die Leitfähigkeit zu gewinnen, ohne dieses Verhältnis tatsächlich zu errechnen, kann die Spannung konstant gehalten und die Grösse des Stroms gemessen werden.
Zu diesem Zweck sind die Aufnahmeelektroden Mi und M2 mittels eines Paars gleicher in Serie geschalteter Widerstände 38,39 miteinander verbunden, so dass das Potential an-ihrem Zusammenschlusspunkt 40 die Spannung eines Punktes
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Serie geschaltet einen Spannungsteiler ergeben. Indem eine Klemme des Widerstandes 41 mittels eines
Leiters 43 an eine entfernt liegende Bezugselektrode 44 oberhalb des Gehäuses 11 angeschlossen ist, kann das Potential der andern Klemme des Widerstandes 41 als das vorherbestimmte konstante Potential, das an dem Zusammenschlusspunkt 40 aufrechterhalten werden solL angenommen werden.
Indem der Zu- sammenschlusspunkt 40 und der Zusammenschlusspunkt 45 der Widerstände 41 und 42 mit den entsprechen- den Klemmen der Primärwicklung des Transformators 46 durch isolierte Leiter 47 verbunden sind, wird jede Abweichung zwischen dem Potential des Zusammenschlusspunktes und dem konstanten Potential im
Widerstand 41 auf den Eingang eines Verstärkers 48 übertragen. Dieser Verstärker 48 ist üblicher Bauart und verstärkt das Fehlsignal und leitet es einem phasenempfindlichen Detektor 49 zu, dessen Eingangskreis ein Signal von dem Signalerzeuger 30 angeliefert wird.
Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors wird dem Verstärkungskontrollkreis des veränderlichen Verstärkers 32 als ein Gleichstromsignal angeliefert, das sich oberhalb und unterhalb eines Bezugswertes entsprechend dem Sinn des Fehlsignals ändert, wobei die Verstärkungskontrolle in der Weise durchgeführt wird, dass das Fehlsignal durch eine geeignete Einstellung der Grösse des Hilfsstromes im wesentlichen auf Null zurückgeführt wird.
Um Anzeigen über die Leitfähigkeit zu erhalten, die den mit Systemen, bei denen ein Messstrom horizontal fokussiert wird, gewonnenen Widerstandsanzeigen in ihrem charakteristischen Verlauf entsprechen, wird ein Messstrom von der Hauptelektrode Ao in Phase mit von den Elektroden A-, An ausge- sandtem Hilfsstrom und in einer durch die Verstärkereinrichtungen 50 eingestellten Stärke ausgesandt, um längs des Bohrlochs zwischen den Elektroden einen Potentialgradienten zu erhalten, der etwa dem Wert Null entspricht.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird dieses Ergebnis bei stark variierenden Bohrlochbedingungen dadurch erzielt, dass die Verstärkereinrichtungen 50 nicht nur auf die Potentialdifferenz zwischen den Aufnahmeelektroden M1 und Mu. sondern auch auf eine Spannung ansprechen, die das Potential an einem Punkt zwischen Hauptelektrode Ao und Hilfselektrode Al'A2 gemessen im Verhältnis zu dem Potential an einem entfernt liegenden Bezugspunkt, wiederspiegelt. Daher ist ein Teil 51 der Verstärkereinrichtungen 50 mit seinem Eingang über einen Transformator 52 und isolierte Leiter 53,54 an die Aufnahmeelektroden MI'M2 angelegt, um die Potentialdifferenz zwischen diesen Elektroden auf ein verhältnismässig hohes Niveau zu verstärken.
Ein zweiter Teil 55 der Verstärkereinrichtungen 50 ist mit seinen Eingangsklemmen an die Ausgangsklemmen des ersten Teils 51 mittels Leiter 56,57 angelegt. Der zweite Verstärkerteil 55 hat vorzugsweise eine Verstärkung G, die im wesentlichen auf dem Wert eins gehalten wird. Die Sekundärwicklung des Abwärtstransformators 58 des zweiten Teils 55 ist in den Messstromkreis gelegt. In diesem Kreis ist die eine Klemme der Sekundärwicklung des Transformators 58 über einen isolierten Leiter 59 an die Hauptelektrode Ao gelegt, während die andere Klemme der Sekundärwicklung über den Leiter 60 an eine entfernt liegende Stromrücklaufelektrode 61 angelegt ist, die sich oberhalb des Gehäuses 11 befindet.
Die Eingangsklemmen des zweiten Teils 55 der Verstärkereinrichtung sind über einen Eingangstransformator 62 über den Widerstand 41 gelegt, um auf die von dem Signalerzeuger 30 gelieferte konstante Wechselspannung anzusprechen, die im Gleichgewicht mit dem Potential des Zusammenschlusspunktes 40, gemessen im Verhältnis zu einem entfernt liegenden Bezugspunkt, ge-
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Potential zwischen den Aufnahmeelektroden M,M und ausreicht, um einen Potentialgradienten zwischen den Aufnahmeelektroden im wesentlichen vom Null-Wert zu erzeugen. Als beispielsweiser Wert des konstanten Potentials, das die Hauptelektrode besitzen kann, sei 20 Millivolt genannt.
Nachdem die korrekte Einstellung des von der Hauptelektrode ausgesandten Stromes durch die Ver- 5 stärkungseinrichtungen 50 bewirkt ist, wird die Grösse dieses Messstromes durch den Widerstand 64 in eine
Messspannung konvertiert, die verstärkt und an die Erdoberfläche als Gleichstromspannung zur Registrierung in Funktion der Tiefe der Elektrodenanordnung in dem Bohrloch übertragen wird. Während die unmittel- bar je nach dem übertragenen Messsignal aufgezeichneten Werte über die Scheinleitfähigkeit der Forma- tionen Aufschluss geben, kann das Messsignal auch in bekannter Weise so umgerechnet werden, dass man registrierte Anzeigen über den Scheinwiderstand der Formation erhält.
Solche Anzeigen spiegeln genau die wahren Formatiönswiderstände und Leitfähigkeitseigenschaften als Ergebnis der Strom- und Spannungs- verteilungskontrolle, wie sie in der beschriebenen Weise durchgeführt wurde, wieder.
Messsignale, die unmittelbar dem Scheinwiderstand der Formationen proportional sind, können mit dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäss Fig. 2 gewonnen werden, wo eine andere Schaltung im
Gehäuse 11 vorgesehen ist. Die Leiter 18, 19 sind hier mit dem Eingang eines Oszillators 70 verbunden, dessen Ausgang über den Transformator 58 in den Messstromkreis eingeschaltet ist, um einen Wechsel- messstrom von im wesentlichen konstantem Wert zur Aussendung aus der Hauptelektrode Ao zu erzeugen.
Der Anschluss des Verstärkerteils 51 ist unverändert, jedoch ist die eine Klemme der Primärwicklung des
Einheitskopplungstransformators 62 an die Hauptelektrode Ao angelegt, während dessen andere Klemme mit dem entfernt liegenden Punkt 61 verbunden ist, um ein Signal, das dem Potential der Hauptelektrode entspricht, in die Verstärkermittel einzuspeisen. Der Kopplungstransformator 33 wird hier als Ausgangs- transformator für den Verstärkerteil 55 benutzt, dessen Sekundärwicklung wiederum in den Hilfsstrom- kreis, wie beim System der Fig. l, gelegt ist.
Um einen Messwert über den Scheinwiderstand der Formation zu erhalten, ist der Messsignalverstär- ker 66 an seinem Eingang mit einem Transformator 71 gekoppelt, der auf das Potential zwischen der Auf- nahmeelektrode MI und der entfernt liegenden Bezugselektrode 44 anspricht. Der Leiter 47 dient dazu, die Elektrode MI mit einer Klemme der Primärwicklung des Transformators 71 zu verbinden, während der Leiter 43 die Verbindung der anderen Klemme zu der entfernt liegenden Elektrode 44 herstellt.
Bei einem beispielsweisen Einsatz des Geräts gemäss Fig. 2, der dem des Geräts'nach Fig. 1 im grossen und ganzen ähnlich ist, wird ein konstanter Messstrom von der Hauptelektrode Ao in die angren- zenden Formationen ausgesandt'und an einem entfernt liegenden Stromrücklaufpunkt, nämlich an der
Elektrode 61, zurückgeführt. Infolge der Einheitkopplung des Transformators 62 und der Einheitsverstär- kung des Verstärkerteils 55 werden die Hilfselektroden Al und A2 auf einem Potential gehalten, das min - destens so gross ist wie das Potential der Hauptelektrode Ao'Indessen spricht der Verstärkerteil 55 auch auf eine verstärkte Potentialdifferenz zwischen den Aufnahmeelektroden Mi und M2 an, wie sie vom
Verstärkerteil 51 herkommt.
Auf diese Weise wird das Potential der Hilfselektroden auf einem Wert ge- halten, der der Summe des Potentials der Hauptelektrode und eines Potentials, das eine verstärkte Poten- tialdifferenz oder des Potentialgradienten zwischen den Aufnahmeelektroden M, Mn ist, entspricht. Da die Verstärkungsmittel mit einer Gegenkopplung ausgestattet sind, wird der Potentialgradient zwischen den
Elektroden im wesentlichen auf Null gehalten.
Demgemäss ist das Potential an einem Punkt in der Nähe der Hauptelektrode wie jenes der Messelektrode Mi, gemessen gegenüber einem verhältnismässig entfernt liegenden Bezugspunkt, proportional dem
Scheinwiderstand der Formation. Dieses Potential wird verstärkt und der Registrierungseinrichtung in Form einer Gleichstromspannung zur Aufzeichnung in Funktion der Tiefe der Elektrodenanordnung in dem Bohrloch übertragen.
An Stelle der Elektrodenanordnung 10 können auch andere Elektrodenanordnungen verwendet werden.
Wie in Fig. 3 beispielsweise gezeigt ist, ist die Hauptelektrode Ao zentral in einem nichtleitenden Kissen 74 angeordnet, das im Schnitt gezeichnet ist und mit ovaler Fläche 75 an der Bohrlochwand an-
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lich ist, besitzen diese Elektroden Teile oder Segmente in symmetrischem Abstand oberhalb und unterhalb der Hauptelektrode, wobei diese Teile elektrisch verbunden sind, so dass die Elektroden die Hauptelektrode ringartig umschliessen.
Das Kissen 74 wird von gebogenen Federn 76 am Gehäuse 11 gehalten, um so an die Bohrlochwand federnd angedrückt zu werden. Zwischen den Elektroden und den Kreisen innerhalb des Gehäuses bestehen
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Verbindungen durch die Leiter 34,47, 53,54 und 59. E ie Verbindungen können zu den Schaltungen der Fig. 1 und 2 führen, in welchem Fall die Arbeitsweise etwa wie vorstehend beschrieben vor sich geht.
Durch Verwendung der Elektrodenanordnung 10'der Fig. 3 werden jedoch die Widerstands- oder Leitfähigkeitswerte eine flachere Untersuchungstiefe wiederspiegeln als sie mit der Elektrodenanordnung 10 erhältlich ist.
Der Rahmen der Erfindung lässt zahlreiche Abänderungen zu. So z. B. können die Potentiale, auf die die Verstärkungsmittel ansprechen, in anderer Weise gekoppelt sein, und ihre Kombination kann auch in anderer Weise als durch eine algebraische Addition erfolgen. Anstatt Widerstände 38, 39 zu verwenden, um einen Zusammenschlusspunkt zu schaffen, an dem das Potential zwischen den Aufnahmeelektroden Mil m2 gemessen werden kann, kann der Leiter 47 mit der Anzapfung der Primärwicklung des Transformators 52 verbunden werden. Obwohl der Potentialgradient längs des Bohrloches zwischen der Haupt-
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einen Potentialgradienten quer zur Achse des Bohrloches wiedergeben.
Nichtsdestoweniger wird die resultierende Rückkopplung an den Potentialgradienten längs des Bohrloches zwischen der Haupt- und den Hilfselektroden im wesentlichen auf dem Nullwert halten.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern diese sollen lediglich den Grundgedanken der Erfindung veranschaulichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gerät zur Untersuchung der von einem Bohrloch durchteuften Erdformationen mit einem Träger, der durch das Bohrloch hindurchgeführt wird, einer Hauptelektrode an dem Träger, einer elektrischen Energiequelle, die mit der Hauptelektrode und einem StromrUcklaufpunkt gekoppelt ist, um einen Messstrom in die der Hauptelektrode benachbarten Formationen auszusenden, mit Hilfselektroden, die an dem Träger im Abstand oberhalb und unterhalb der Hauptelektrode angeordnet sind, um einen Hilfsstrom auszusenden, einem Paar eng beieinander angeordneter Messelektroden, um eine Potentialdifferenz, die dem Potentialgradienten zwischen der Haupt- und jeder der Hilfselektroden entspricht, aufzunehmen, einem Verstärkersystem, das auf die Potentialdifferenz zwischen den erwähnten Messelektroden anspricht,
um dieselbe im wesentlichen auf einem Nullwert zu halten, und Mitteln, die auf das Verhältnis des Messstromes und des Potentials eines Punktes in der Nähe der Hauptelektrode ansprechen, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion eines elektrischen Charakteristikums der Formationen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkersystem auch auf das Potential eines Punktes zwischen der Hauptelektrode und der Hilfselektrode anspricht und dass der Ausgang des Verstärkersystems dazu geeignet ist, einen der Mess- oder Hilfsströme einzustellen.
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