DD243192A3 - Meßanordnung zur Untersuchung der galvanischen Materialeigenschaften nichtmetallischer Leiter - Google Patents

Abstract

Die Messanordnung zur Untersuchung der glavanischen Materialeigenschaften nichtmetallischer Leiter bezieht sich auf die Messung des spezifischen Widerstandes und der induzierten galvanischen Polarisierbarkeit von Gesteinsproben zum Zweck einer geologischen Interpretation in der Geoelektrik. Es wird das Ziel verfolgt, eine qualitative Verbesserung der Messergebnisse durch entscheidende Verminderung der Elektrodeneffekte zu erreichen und die Pruefung von Gesteinsproben sowohl in fester oder lockerer Form auch bei Proben mit sehr kleinen Abmessungen zu ermoeglichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beeinflussung der Messung durch Elektrodeneffekte zu beseitigen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die Strom- und Potentialelektroden nicht unmittelbar am Messobjekt anliegen, sondern mit ihm ueber von einander isolierte elektrolytische Zuleitungen von mindestens solcher Laenge verbunden sind, dass die Frequenzabhaengigkeit der Elektrodeneffekte am Messobjekt nachweisbar gering ist. Eine besonders hohe Messempfindlichkeit wird in der Brueckenschaltung dadurch erreicht, dass an das Messobjekt ein Elektrolytvolumen als Referenzwiderstand unmittelbar angrenzt und beide ueber Elektrodenzuleitungen als Brueckenzweige geschaltet sind. Fig. 3

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung des spezifischen Widerstandes und der induzierten galvanischen Polarisierbarkeit von Gesteinsproben bei tiefen Frequenzen von z.B. 0,3 bis 10Hz zum Zwecke einer geologischen Interpretation von geoelektrischen Feldmessungen. Sie kann sowohl für die Untersuchung von Festgesteinsproben als auch für Lockergestein und für die Untersuchung an anstehendem Gestein verwendet werden.

Eine Anwendung ist ferner überall dort denkbar, wo die galvanischen Materialeigenschaften nichtmetallischer Leiter, wie z. B. in der Medizin (Messungen am menschlichen Gewebe), Biologie, Halbleitertechnik und Bauwesen, eine Rolle spielen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind 4-Punkte-Elektrodenanordnungen für elektrische Messungen an Gesteinsproben als eine ganz allgemeine Methode der elektrischen Widerstandsmeßtechnik zur Vermeidung von Meßfehlern durch Übergangswiderstände an den Meßklemmen. Je nach den Meßbedingungen und Genauigkeitsforderungen wird zwischen den Strom- und den Potentialelektroden ein gewisser Abstand gelassen.

Mit dieser räumlichen Trennung zwischen Strom- und Potentialelektroden soll erreicht werden, Verfälschungen des Meßwertes durch Polarisationserscheinungen an den Stromelektroden (sogenannte Elektrodeneffekte) zu vermeiden. Dieses Ziel wird jedoch grundsätzlich nicht in ausreichendem Maße erreicht, weswegen diese Anordnungen einen sogenannten Nulleffekt zeigen, d. h. auch bei Ersatz der Probe durch blanken Elektrolyten mißt man eine bedeutende scheinbare Polarisierbarkeit. In einer bekannten Anordnung (GEOPHYSICS, VOL 47, Heft Nr. 1, Januar 1982, ISSN 0016-8033 S.72) sind die jeweils aus einer Strom- und einer Potentialelektrode bestehenden Elektrodenpaare in einer koaxialen Ausführungsform so angeordnet, daß die Meßprobe (Untersuchungsobjekt) zwischen den beiden Elektrodenpaaren mit einem jeweils relativ großen Abstand zu den Stromelektroden und einem kleineren Abstand zu den Potentialelektroden liegt. Wie aus der o.a. Literaturstelle zu entnehmen ist, wurden viele Versuche bezüglich des günstigsten Elektrodenmaterials und zur sogenannten Ummantelung der Proben (Meßobjekte) unternommen. Eine konsequente Aussage zur optimalen Variante als Ergebnis der vielen Versuche wird dagegen nicht gemacht. Diese Versuche zur Vermeidung bzw. Verringerung der Polarisationserscheinungen sind auch aus der DE-PS 2107088 zu ersehen. Bekannt ist auch, die Elektroden unmittelbar auf die Kontaktflächen des Meßobjektes aufzubringen. Aus der DE-PS 3139835, in der zwar ein anderes spezifisches Fachgebiet behandelt wird, ist erkennbar, daß beim unmittelbaren Kontakt der Elektroden mit den betreffenden Flächen des Meßobjektes besondere Schwierigkeiten in der Qualität des Kontaktes, durch Unebenheiten der Kontaktflächen, auftreten, weshalb diesen, gemäß Vorschlag in dieser Patentschrift, auch mit besonderen Maßnahmen begegnet werden soll.

In Abhängigkeit von der Anordnung der Strom- und Potentialelektroden zum Prüfobjekt in der Form der kontaktierten Endflächen oder der koaxialen in Elektrolyt eingebetteten Elektrodenanordnung treten eine Frequenzabhängigkeit der Spannung an den Potentialelektroden (frequenzabhängige Strombrücke) und eine Frequenzabhängigkeit der Stromdichte-Inhomogenität an den Stromelektroden (Elektrodeneffekt), welche ebenfalls die Spannung an den Potentialelektroden beeinflußt, in unterschiedlichem Maße auf. Bei der koaxialen Variante ist zwar der Stromelektrodeneffekt durch Zwischenschaltung des elektrolytischen Leiters erheblich gemindert, dafür wird die Wirkung der frequenzabhängigen Strombrücke verstärkt und verursacht den sogenannten Nulleffekt.

Es werden bezüglich dieses Problems in der Praxis Kompromisse eingegangen, die für Polarisationsmessungen an Gesteinsproben völlig unzureichend sind, weil durch die Kompromisse zur Vermeidung von Elektrodeneffekten zusätzlich der. Frequenzgang der Elektrodeneffekte in Erscheinung tritt. Damit wird aber eine Messung der Frequenzabhängigkeit des Probenwiderstandes auf geforderte 10~³ illusorisch gemacht.

Für elektrische Widerstandsmessungen, bei denen es auf die Erfassung derartig kleiner Meßwertänderungen ankommt, ist die Verwendung eines sogenannten Referenzwiderstandes, vorteilhafterweise in einer Brückenschaltung, bekannt. Damit kann eine abgeglichene Brückenschaltung sehr empfindlich gegen geringe Änderungen ihrer Widerstände in den Brückenzweigen gemacht werden. Eine gleiche Empfindlichkeit kann man mit einem Kompensationsverfahren erreichen, wobei der Referenzwiderstand nicht unmittelbar an den zu untersuchenden Widerstand angrenzen muß, wozu aber technische Mittel zur streng linearen potentialfreien Übertragung der Referenzspannung nötig sind, die sich bei Tieffrequenz und Hochohmigkeitfast nicht realisieren lassen. In der technischen Lösung der o.g. Literaturstelle wird über einen Referenzwiderstand der Referenz-Strom-Wert gewonnen, der einem gesonderten Referenzkanal des Meßgerätes zugeführt wird. Bei diesem Gerät handelt es sich im übrigen um eine sehr aufwendige technische Einrichtung, die es außerdem erforderlich macht, Proben unterschiedlich zu ummanteln und Elektroden unterschiedlichen Materials—genannt werden Silber-Silberchlorid-Elektroden und Bleielektroden— zu verwenden. Die Unterschiede ergeben sich dabei aus der Unterschiedlichkeit des Probenmaterials je nachdem, ob es sich um hochporöse oder geringporöse Proben handelt. Das unterschiedliche Elektrodenmaterial wird nach Maßgabe der Verfasser für Labor- oder sogenannten Normalbetrieb eingesetzt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Elektrodeneffekte bedeutend zu vermindern, so daß kein nachweisbarer Nulleffekt mehr auftritt. Damit soll eine weitgehende qualitative Verbesserung der Meßergebnisse erreicht und die Prüfung von unterschiedlich geformten und unterschiedliche Konsistenz besitzenden Meßobjekten (Gesteinsproben) ermöglicht werden. Insbesondere ist die Prüfung der häufig anfallenden Gesteinsproben mit sehr kleinen Abmessungen problemlos zu gewährleisten.

Wesen der Erfindung

Es besteht die Aufgabe, zu erreichen, daß die Messung an der Gesteinsprobe weder durch den Polarisationswiderstand noch durch einen frequenzabhängigen Nebenschluß zur Gesteinsprobe beeinträchtigt wird. Durch den im allgemeinen ungleichmäßig und frequenzabhängig über die Fläche der Stromelektrode verteilten Übergangswiderstand wird die Stromverteilung in der Gesteinsprobe und damit der zu messende Spannungsabgriff über ihr ebenfallsfrequenzabhängig. Gleichzeitig bildet die nicht ideal punktförmige, sondern räumlich ausgedehnte Potentialelektrode einen stückweise metallischen und damit polarisationsbedingt frequenzabhängigen Nebenschluß zur Gesteinsprobe. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sowohl die Strom- als auch die Potentialelektroden nicht unmittelbar am Meßobjekt anliegen, sondern mit ihm über von einander isolierte elektrolytische Zuleitungen von mindestens solcher Länge verbunden sind, daß die Frequenzabhängigkeit der Polarisationsvorgänge an den Elektroden am Meßobjekt nicht mehr nachweisbar ist. Um diese störende Frequenzabhängigkeit im Meßfrequenzintervall von beispielsweise 1 ...10 Hz auf etwa 10~³ des Probenwiderstandes zu begrenzen, muß die Länge der elektrolytischen Zuleitung mindestens den 2 fachen Probendurchmesser entsprechen. Indem die Zuleitungen sowohl der Strom- als auch der Potentialelektroden an den Endflächen der Proben ansetzen können, sind diese in voller Länge meßtechnisch nutzbar. Um die bekannte Empfindlichkeit von Brückenanordnungen zum Nachweis des geringen Frequenzganges des Probenwiderstandes nutzen zu können, läßt man weiterhin erfindungsgemäß die Probe an ein Elektrolytvolumen grenzen, welches als Referenzwiderstand dient, und schaltet beide über elektrolytische Zuleitungen als Zweige einer Widerstandsbrücke. Hierdurch wird der erforderliche streng lineare Vergleich zwischen Meß- und Referenzwiderstand in einfacher Weise möglich.

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung werden in den Figuren 1 bis 5 gezeigt. Es wird dargestellt in

Fig. 1: die Grundform der Lösung für feste Proben, welche regelmäßig ausgebildete Endflächen besitzen;

Fig. 2: die Grundform der Lösung für feste Proben, welche unregelmäßige, zerklüftete Endflächen besitzen;

Fig. 3: die komplette Lösung mit einer Brückenschaltung für die Messung sehr geringer Widerstandsänderungen;

Fig.4: die zweckmäßige Lösung für Lockergestein;

Fig. 5: die Anordnung für die Anwendung der Lösung bei anstehendem Gestein.

Die Zweckmäßigkeit der Ausführungsformen der Erfindung richtet sich nach der Geometrie und Konsistenz der Probe, nach dem elektrischen Meßverfahren und nach Kriterien der praktischen Handhabung.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 grenzt die feste Probe 1 mit ihren ebenen Endflächen über Dichtringe 2 an schmale, durchbrochene Isolierstoffkästen 3, welche mit Elektrolyt 4 gefüllt sind und an den gegenüberliegenden Schmalseiten die Stromelektroden 5 und die Potentialelektroden 6 enthalten. In der Anordnung nach Fig. 2 können die Dichtungen 2 und die Ebenheit der Endflächen entfallen, denn die vertikal orientierte Probe 1 taucht unten in ein flaches, langgestrecktes Wasserbecken 7 und endet oben an einem gleichgeformten stark durchfeuchteten Schwamm 8.

Wenn wie in Fig.3 ein elektrolytischer Referenzwiderstand 9 mit abschließendem Wasserbecken 10 unmittelbar an die Probe 1 angefügt wird, lassen sich schon sehr geringe Widerstandsänderungen der Probe 1 in der bekannten Brückenmeßanordnung nachweisen.

Fig.4 zeigt eine ebenfalls für Brückenmessungen geeignete Anordnung für Lockergesteinsproben 11, welche in ein Isolierstoffgefäß 12 mit perforiertem Boden gefülltwerden. Das Gefäß 12trägt oben einflaches langgestrecktes Wasserbecken 10 und taucht insgesamt kommunizierend in ein größeres ähnliches Gefäß 13, dessen doppelter Boden eine zentrale Bohrung zwecks leitender Verbindung zur ringförmigen Masseelektrode 14 besitzt und dessen Elektrolytfüllung vom Zwischenboden bis zur Höhe des Wasserbeckens 13 als Referenzwiderstand 9 wirkt. Eine Anordnung nach Fig.4 eignet sich besonders gut zur Prüfung auf Nulleffekt, indem sie einfach insgesamt nur mit Elektrolyt gefüllt werden muß.

In Fig. 5 ist eine Anordnung für Messungen auf der nicht notwendig ebenen Oberfläche anstehenden Gesteins dargestellt, wobei die Elektroden 5 und 6 über dünnwandige Plasteschläuche 15, gefüllt mit wassergetränktem Schwamm, angeschlossen sind.

Claims (5)

1. Patentanspruch:

   1. Meßanordnung zur Messung der galvanischen Materialeigenschaften nichtmetallischer Leiter mit paarweiser Anordnung jeweils einer Strom- und einer Potentialelektrode in einer Vierpunkte-Anordnung, wobei die zu prüfende Meßprobe elektrolytisch zwischen den beiden Strom- und Potentialelektrodenpaaren liegt, sowie einem, in einer Brückenschaltung liegenden Referenzwiderstand, gekennzeichnet dadurch, daß die Strom- und die Potentialelektroden so am Meßobjekt anliegen, daß sie mit ihm über von einander isolierten elektrolytischen Zuleitungen verbunden sind, wobei die Zuleitungen sowohl der Strom- als auch der Potentialelektroden an den Endflchen des Meßobjektes gleichermaßen elektrolytisch ansetzen, während der Referenzwiderstand aus einem Elektrolytvolumen gleicher Leitfähigkeitsart gebildet wird, welches an das Meßobjekt unmittelbar angrenzt und beide über die Elektrodenzuleitungen als Zweige der Widerstandsmeßbrücke geschaltet sind.
2. 2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge der elektrolytischen Zuleitung mindestens dem zweifachen Probendurchmesser entspricht.
3. 3. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Zuleitungen gleicher Leitfähigkeitsart nur für die Strom- oder die Potentialelektroden eingesetzt sind.
4. 4. Brückenschältung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Elektrodenzuleitungen von Teilen des Meß-bzw. Referenzobjektes gebildet werden.
5. 5. Brückenschaltung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß das Referenzobjekt einen einstellbaren Widerstand besitzt.