DE1548154A1 - Messeinrichtung,insbesondere fuer magnettellurische Bodenforschungen - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖ NWALD DR.-1NG. TH. MEYER DR. FUES 4»iv«8«#**^&f#fe^H¥#

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS ξ ^ _p .....^

Seh-DB/SK.

CBNTBE NATIONAL EE LA BSCHSRCHB SCIENTXfIQlIB, 13, quai Anatol· France PABIS (FRANCS)

Meßeinrichtung, insbesondere für magnettellurische Bodenforschungen»

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung, die hauptsächlich dazu bestimmt 1st« bei magnettellurischen Bodenforschungen verwendet zu werden, bei denen es notwendig ist, genau die zwischen den natürlichen magnetischen und tellurischen Feldern bestehenden Beziehungen zu bestimmen. Die Meßeinrichtung ist andererseits in allen den Fällen verwendbar, in denen man gehalten ist, die Beziehungen der Amplituden und der Phasen zwischen zwei physikalischen Größen genau zu bestimmen, die in irgendeiner Weise miteinander Über Beziehungen verbunden sind, die z.B. analog den magnettellurischen Beziehungen sind, z.B. in der Physik und In der Medizin (Seismologie, Kardiologie, usw.).

Um besser den Umfang der Erfindung bestimmen zu können, 1st es unerläßlich, zunächst die bei der raagnettellurischen Bodenforschung verwendeten Prinzipien anzugeben. Bs ist bekannt, daß die natürlichen elektrischen Ströme, als tellurisch· Strosse bezeichnet, die ständig in der Erde umlaufen, unaufhörlichen Änderungen unterliegen; es 1st bekannt, daß dasselbe mit dem magnetischen Erdfeld geschieht. Andererseits sind die Änderungen der tellurischen Ströme und d^s magnetischen Feldes nicht unabhängig voneinander. Ss ist bekannt, daß in den mehr oder weniger »infachen Fällen di« Änderungen, die •in« Horizontalkotnponente des elektrischen Feldes betreffen und diejenigen der magnetischen Horizontalkomponente, die dazu senkrecht steht, quantitativ durch dl· Gleichungen des •lektro-magneti»eh»n

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Feldes verbunden sind. Da diese Beziehungen von de» elektrischen Widerstand der darunter befindlichen Erde abhängen« liefern sie die Möglichkeit, diesen Widerstand zu bestimmen und damit zu kennen.

Die genannten magnettellurischen Änderungen haben nicht den Charakter von sinusförmigen Änderungen sondern sind sehr komplex. Trotzdem kann man sie so betrachten» als wenn sie von der Überlagerung sinusförmiger Änderungen unterschiedlicher Frequenz herrühren würden. Genauer kann man sagen, daß das Spektrum der magnetischen Änderungen ebenso wie das der entsprechenden tellurischen Änderungen mehr oder weniger kontinuierliche Spektren sind, von denen man bis aufWeniges, unbedeutendes Irgendeine Periode T mittels einer geeigneten elektrischen Filterung extrahieren kann. Andererseits stellt man fest, daß aus Gründen des Haut- oder Skineffekts die tellurischen Ströme sich in dem MaBe in der Nähe der Oberfläche der Erde konzentrieren, in der die Wellenlänge der Änderungen kürzer wird. Der ausgehend von den kürzesten Wellenlängen des Spektrums bestimmte Widerstand 1st somit derjenige der Oberflächenschichten· Umgekehrt betreffen in dem Maß, in dem man die immer größer werdenden Wellenlängen betrachtet, die gemessenen Widerstände immer tiefer gelegene Schichten. Ss besteht somit ein praktisches, geologisches und industrielles Interesse daran* die magnettellurischen Änderungen messen und analysieren zu können.

Wenn man eine magnettellurische Bodenforschung durchführen will, muß man für Jede betrachtete Periode isoliert in dem magnettellurischen Spektrum bestimmen können

1. das Verhältnis E/H der entsprechenden Amplituden der Änderungen des elektrischen Feldes B und des magnetischen Feldes H,

2. die Phasenverschiebung tellurischer Änderungen bezogen auf magnetische Änderungen.

Um in der Praxis dieses Ergebnis zu erhalten, muß der Forscher mittels eines Empfängers für Messungen oder Aufzeichnungen der

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gleichzeitig auftretenden Änderungen einer Horizontalkomponente des elektrischen Feldes und der Horizontalkomponente des Magnetischen Feldes, welches dazu senkrecht steht, vorgehen.

Der elektrische Empfinger kann sehr einfach sein, es genügt das zu verwenden, was »an eine tellurische Leitung nenntt Zwei elektroden sind in die Brde eingepflanzt, z.B. lsi Abstand von mehreren hundert Metern voneinander, und sind über isolierte Kabel Bit den Klemmen des Mefl- oder Aufzeichnungsgeräts verbunden (Galvanometer, Elektrometer, elektronischer Verstärker usw.) Die gegenwärtige Technik stellt auch eine grole Anzahl von magnetischen Empfängern, die auch als Magnetometer oder Magnetograf bezeichnet sind, zur Verfügung. Oenannt selen z.B. die magnetischen Waagen oder Variometer, die eine bewegliche Spule besitzen, die von einer Sohneide oder einem Quarzdraht gehalten sind, die

Magnetometer, deren bewegliche Spule schwebend an einem

in# vertikalen Torsionsdraht aufgehängt ist, die Spulen, /die eine elektromotorische Kraft durch die Xnderung des sie durchfllelenden magnetischen Flusses induziert ist, wobei diese Spulen gegebenenfalls einen Kern grofter magnetischer Permeabilität besitzen, der dazu bestimmt ist, die Empfindlichkeit zu vergrößern und die bisweilen vorzugsweise mit ·. einem Flussmesser verbunden sind. Man kann auf diesem Oebiei noch die Einrichtungen nennen, die mit dem Hall-Effekt arbeiten. Kürzlich sind auch verschiedene Typen Magnetometer mit nuklearer Fräzesslon auf dem Markt erschienen.

Die tellurische Leitung so, wie sie noch beschrieben werden wird, ermSglioht es, ohne Schwierigkeiten sehr zuverlässige Aufzeichnungen der Xnderung des elektrischen Feldes E für

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alle die Perioden T zu erzielen« für die es nützlich 1st« daß sie in die Überlegung einbezogen «erden. Selbst wenn in die Praxis die tellurlache Aufzeichnung nicht alt absoluter Genauigkeit und Zuverlässigkeit die Änderungen des Feldes S überträgt, ist es doch leicht, durch eine einfache Eichung der Einrichtung den kleinen Ungenauigkeiten und gegebenenfalls vorhandenen Terzerrungen, die auf den Aaplituden und den Phasen beruhen, in Rechnung zu stellen.

Es 1st in gleicher Weist möglich, alt Hilfe eines geeigneten Empfängers eine genaue oder sehr angenähert genaue Aufzeichnung der Magnetischen Änderungen in einem derartigen »ehr. oder weniger ausgebreiteten Bereich der Perioden zu erzielen* z.B. ermöglich«!es die Magnetometer sit Präzession* streng den Änderungen des Magnetfeldes von den für den Forscher noch verwendbaren kürzesten Perioden bis zu den langsamsten Änderungen zu folgen* Als Folge ihrer mechanischen Trägheit können die Magnetometer mit bewegbarer Spule nicht den sehr schnellen Änderungen des Magnetfeldes H folgen und es 1st kaum möglich, ihre Verwendung in Betracht zu ziehen, wenn die Perloden T unterhalb einiger Sekunden bleiben* Für sehr groß« Perloden ermöglichen sie Jedoch ebenfalls genaue Aufzeichnungen der magnetischen Änderung.

Eine Spule mit oder ohne Kern kann ebenfalls eine zuverlässige Aufzeichnung liefern, außer des Magnetfeldes, zumindest seiner zeitlichen Ableitung, unter der Bedingung, daß sie nur eine genügend geringe Anzahl von Windungen besitzt* Ss muß andererseits darauf hingewiesen werden, daJ es gleichgültig ist, ob das Feld oder seine Ableitung aufgezeichnet wird, da die Beziehxingen der Amplituden und der Phasen zwischen einer sinusförmigen Größe und ihrer Ableitung von vornherein bekannt sind.

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• 1- 5 A 8 1 5 A

Bei der Wahl eines magnetischen Empfängers mufl bei den betrachteten Fall wesentlich berücksichtigt werden, daß die Größenordnung der Größe der Amplitude der Änderungen des Magnetfeldes sehr klein im Bereich der kurzen» gleich oder unter einer Sekunde liegenden Perioden bleibt* Oder der Forscher 1st gehalten seine Messungen bis auf den Bereich der Perioden von 0,01 see zu erstrecken, in dem die natürlichen Amplituden meistens nicht 0,01 Gamma übersteigen. Zn diesem Bereich der Perioden, der von ganz besonderer geologischer Bedeutung ist, ergibt es sich jedoch, daß beim vorliegenden Stand der Technik die Mehrzahl der Empfängertypen eine viel zu schwache Empfindlichkeit besitzen. BIe mit Induktion arbeitenden Empfänger bleiben somit nicht verwendbar, und man muß ihnen eine genügende Empfindlichkeit durch Anbringen einer sehr großen Anzahl von relativ dünnen Drahtwindungen geben, die entweder auf einen Kern hoher magnetischer Perms» abllität gewickelt sind oder nicht· Bei einer Spule dieser Art 1st die Selbstinduktion sehr groß und dia Bigankapazltlit der Spulen 1st weit davon entfernt, vernachlässigbar au sein; Resonanzwirkungen In der Spule erhalten eine großü Bedeutung. Man kann auch dahin geführt werden, äußere Elements zuzuführen, z.B. Kondensatoren, um günstige Resonansswirkutigen für eine Zunahme der Empfindlichkeit in diesem Bareleh des Sp-slctrums hervorzurufen.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die Anforderungen der Praxis, nämlich zu wissen, daß eine genügend große Empfindlichkeit vorhanden sein muß und dall bsi der Aufzeichnung keine Verzerrungen vorhanden sein dürfen, widersprüchlich sind· Da das Bedürfnis nach Empfindlichkeit den Vorrang vor jeder anderen Überlegung hat, 1st man gezwungen, sich mit Aufzeichnungen zufrieden zu geben, die sehr unzuverlässig sind, d.h., die wesentlich in komplizierter Form die

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Amplituden und die Phasen verformen. In der Theorie ist es sicherlich immer möglich« mit einer vorher wählbaren Eichung des magnetischen Apparats für die Amplitude und die Phase als Punktion der Periode zu arbeiten. Es ist jedoch klar, daß, wenn diese Deformationen des Eingangssignals sehr markant sind, daraus eine große Ungenau!gkeit in dem Endsignal resultiert, und zwar umso mehr man es mit dynamischen Eichungen zu tun hat, wo der Apparat unter Bedingungen arbeitet, die genügend weit von denjenigen entfernt sind, die die Natur und die Größenordnung der Größe der Erscheinung festlegen.

Unter Berücksichtigung dee Interesses, das für magnetvellurische Bodenforschungen besteht und in dem Bestreben, die wesentlichen vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen, hat man die Idee gehabt, die auch die Basis der Erfindung bildet i.n zumindest eine der magnetischen tellurischen Ketten zusätzliche Verzerrungen einzuführen, die so gewählt sind, daß sie in einfacher Weise als Funktion der Periode T zugänglich bleiben, einerseits die ..,*«öl«-, '-n tellurischen und magnetischen Signalen herrschende Phasenv :-- Schiebung als Erreger, die in jede Aufzeichnungekette eindringen, und andererseits das Verhältnis der Amplituden der Signale.

Zu diesem Zweck enthält eine Meßeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung im wesentlichen eine Generatoreinheit für zusätzliche Vorzerrungen, die in die eine oder die andere von mindestens zwei, die-magnetische oder die tellurißche, Ketten eingefügt ist und die derart ausgewählt ist, daß die beiden Erregersignale tatsächlich zwischen dem Eingang und dem Ausgang Hirer jeweiligen Kette einer Verzerrung unterliegen,die identisch oder praktisch identisch ist,und da. folglich die Phasenverschiebungen als Punktion der betrachtet» Periode T₁ die zwischen den Ausgangssignalen besteht, iden-

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tisch oder in sehr einfacher Beziehung zu den Phasenverschiebungen zwischen den Erregersignalen ist« so daß das Verhältnis der Amplituden, betrachtet als Punktion der Periode T der Ausgangssignale identisch oder in sehr einfacher Beziehimg mit dem Verhältnis der Amplituden der Eingangssignale steht»

Gemäß der Erfindung kann die Generatoreinheit für die zusätzlichen Veraerrungen vorteilhaft aus einer den Wirkungen des äußeren Magnetfeldes entzogenen Spule gebildet sein, die um einen geschlossenen Magnetkreis gewiekelt ist, deren beide Eingangsklenanen mit den Leitungen der Meßelektroden verbunden sind und deren beide Ausgangsklemmen, zwischen die ein ©instellbarer Kondensator gelegt ist, mit den Klemmen des an sieh bekannten Verstärkers der Meßeinrichtung verbunden let»

Man kann mit der Wicklung der Spule in Reihe elriön Kondensator söhaiten, dessen Kapazität bestimmt 1st, wie es weiter unten noch erläutert werden wird.

Dis Generatoreinrichtung für die zusätzlicne Verzerrung., der möglicherweise eine Spannlingsverstärkung und eins Leistungsverstärkung vorausgeht, kann nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung aus einem ersten Element gebildet sein, welches zwei koaxiale Spulen auf einem Luftkern enthält, welche durch eine geeignete Äbsehirnmng der Wirkung der äußeren Magnetfelder entzogen sind, und von denen die Enden der ersten Spule die beiden Eingangsspulen der Einrichtung bilden und mit den Klemmen des Leistungsverstärkers verbunden sind, während die Enden der zweiten Spule die beiden Ausgangsklemmen der Einrichtung bilden und mit den beiden Eingangs-

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klemmen eines zweiten Elemente* verbunden sind, welches wie die soeben definiert· Generatoreinheit ausgeführt ist,

In der nachfolgenden, anhand der Zeichnung durchgeführten Beschreibung ist zunächst die Ausbildung und Arbeitsweise von bekannten Meßeinrichtungen erläutert« sodann die Ausbildung und Arbeitsweise der beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung im Bereich der magnettellur!sehen Bodenforschung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schetnatlsch eine übliche tellurische Aufzeichnungskettej

Fig. 2 das Schema einer Aufzeichnungskette für Änderungen des Magnetfeldes;

Fig. 3 schematisch das elektrische Ersatzschaltbild für die Aufzeichnungskette der Änderungen des Magnetfeldes;

Flg. H das Prinzip einer tellurischen Auf«· zelchnungskette nach der Erfindung;

Fig. 5 ein praktisches AusfUhrungsbelspiel eines Elements der Fig« 4;

Fig. 6 das Prinzip einer zweiten tellurieohen Aufzeichnungskette nach der Erfindung;

Fig. 7 ein praktisches Ausführimgebeispiel eines Elements der FIg* 6.

In Flg. 1 sind Endelektroden 1 und I¹ der tellurischen Kette zu sehen. Isolierte Leiter 2 und 2* verbinden je eine Elektrode 1 und 1* mit Klemmen 3 und 3* einer Verßtärkereinrlchtung 4 von geeigneter, bekannter Ausführung« Diese Verstärkereinrichtung 4 enthält Ausgangskienroen

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5 und 5** von denen je eine mit je einer Eingangsklemme 6 und 6^f irgendeiner bekannten« graphischen* fotografiechen, mit Magnetband arbeitenden oder anderen Registriereinrichtungen 7 verbunden ist*

In Fig, 2 let eine Registrierkette für Änderungen des Magnetfeldes dargestellt. Diese Kette enthält einen magnetischen Empfänger, einen Verstärker und ein Registriergerät, die untereinander in dieser Reihenfolge verbunden sind. Der magnetische Empfänger ist aus einem metallischen Kern 8 hoher magnetischer Permeabilität gebildet, auf dem eine Wicklung 9 mit einer großen Anzahl untereinander isolierter Winduigen angeordnet ist; in der Zeichnung, sind weiterhin magnetische Kraftlinien 10 dargestellt, die dank der hohen Permeabilität von dem Kern 8 abgelenkt und konzentriert sind. Ausgangsklemmen 11 und 11* der Wicklung 9 sind mit Eingangski enimen 12 und 12* einer Verstärkeralnrichtung IjJ bekannt-sr Art verbunden, deren Ausgangsklemmen 14 und 14* wiederum mit Eingangsklemiaen 15 und 15* einer bekannten "Registriereinrichtung verbunden sind.

Es ist interessant, sich zu erinnern, wie in höchst konventioneller Weis® der elektrische Stromkreis der magnetischen Registrierkette, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, gebildet ist» In Pig. 3 sind rait P und Q die physikalischen Enden der Spule 8 des magnetischen Empfängers bezeichnet\ diese Spule kann wie folgt zerlegt werdenί In Reihe zwischen den Enden P und Q symbolisiert 17 den Koeffizienten der Selbstinduktion von der Größe L, 16 den Widerstand von der Gi¹SJBe R der Spule des Empfängers, 18 einen in die Spule geschalteten Kondensator der Größe G., der zu dem Zweck vorhanden 1st, um bei der Aufzeichnung der Erscheinung die Eliminierung der relativ langen Perioden sicherzustellen. Die Größe C. kann Offensicht-

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lieh unendlich sein, wenn man nicht an einer derartigen Filterung Interessiert ist. Parallel zu der Selbstinduktion 17, dem Widerstand 18 und dem Kondensator 19 ist ein Kondensator 20 mit der Kapazität C₀ dargestellt, der entweder die von der Spule herrührende Kapazität oder diese letztere zusammen mit einer im Hinblick auf eine mögliche Aussiebung zugefügte Kapazität darstellt. Außerdem ist eine Eingangsimpedanz 21 des Verstärkers 12 dargestellt. Die Größe dieser Impedanz, die die Form eines reinen ohmschen Widerstandes annehmen kann, 1st R^ . In Fig, 3 sind weiterhin die verschiedenen Klemmen, der Verstärker und da* Registriergerät der Fig. 2 dargestellt.

Man wird jetzt zugestehen, daß die Aufzeichnung der Änderungen des Hagnetfeldes mit der anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen Einrlchißung möglieh 1st, und es wird mit diesen Bedingungen, wobei auf die FIg♦ 4 und 5 Bezug genommen wird, die Zusammensetzung einer tellurisehen Registrierkette beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

In Fig. 4 sind die Elektroden 1 und I¹ der tellurisehen Leitung mit den isolierten Leibern 2 und 2¹ dargestellt, die diese Elektroden mit Eingangsklenuncn 22 und 22* eines Generators für zusätzliche Verzerrungen verbinden, der erfindungsgemäß x) ist und dessen Ausgangsklemmen 24 und 24' mit den Eingangsklemmen 3 und 3* des Verstärkers 4 der tellurisehen Kette verbunden sind; über seine Ausgangsklemmen 5 und 5* ist der Verstärker 4 mit den Eingangsklemmen 6 und 6^f der Äufzeichnungseinriehtung 7 verbunden.

In FIg* 5 ist im Detail die Ausgestaltung des Generators 23 nach Fig. 4 für die Verzerrungen dargestellt. Die Einrichtungjj* aus einer Spule 25 gebildet, die auf einen geschlossenen Magnetkreis aufgewickelt ist. Sin Kondensator 26 ist parallel zu der

x) vorgesehen

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BAD ORf_Glriv

Spule 25 zwischen dl· Ausgangsleitungen der Spule 25 nach den Kleauoen 24 und 24* geschaltet, lin zweiter Kondensator 27 1st in Reihe Bit der Wicklung der Spule 25 geschattet. Der Generator 23 1st In einer magnetischen Absohiraung 28 angeordnet, die dasu bestlBut ist, parasitäre Induktionswirkungen zu vermeiden, die von Änderungen des äußeren Magnetfeldes auf den zwischen den Klemmen 22 und 22* einerseits und 2H und 24* andererseits angeordneten elektrischen Stromkreis abhängig sind. In gleicher Weise ist in Fig. 4 die Eing&ngsimpedanz 29 des Verstärkers 4 der Fig. 4 dargestellt.

Die Elemente des Generators 23 fUr die zusätzliche Verzerrungen der Verstärker 4 und die Aufzeiclinungsgeräte 16 (Fig. 2 und 3) und 7 (Fig. 4) sind wie folgt bestimmt. Dabei ist die beim Gegenstand der magnetischen Regietrierkette der Fig. 2 und 3 verwendete Notation wiederaufgenommen. Wenn K ein numerischer Koefflz.i -it 1st, der beliebig sein kann, ist die Selbstinduktion der Spule 25 gleich KL und ihr Widerstand, in den einerseits der zwischen den Elektroden 1 und 1* herrschenden Widerstand und andererseits derjenige der **. * »,üs^te -?nd S* einbezogen ist, gleich KR« Der Kondensator 26 erhält eiiu. ";«oa-Zitat Cg/K, wobei Cg die Kapazität des Kondensators 20 1st, in Fig« 3 parallel zu der Spule 17 mit der Selbstinduktion L, dem Widerstand 18 von der Größe R und dem - Kondensator 19 mit der Kapazität C₁ liegt« Ebenso enthält der Kondensator ZJ eine Kapazität C./1, wobei C. dim Kapazität de« KondenEstors 19 in Reihe mit der Spule 17 mit der Selbstinduktion L und dem Widerstand 18 vom Wert R der Fig. 3 ist. Der Wert der Eingangsini« pedanzen 29 des Verstärkers 4 ist gleich KRe gewählt. Andererseits ist der Verstärker 4 derart ausgelegt, «robel die Eingänge impedanzen 29 unberücksichtigt gelassen sind, daß der Versfefcrker 13 (Fig. 2 und 3) einerseits und der Tfc-pstärker 4 (Fig. 4 und 5) andererseits dieselben übertragisjgefunktionen besitzen und denselben Steuerungen unterworfen sind. In

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gleicher Welse sind die Registriereinrichtung 16 (Fig. 2 und >) und die Registriereinrichtung 7 (Pig. k) identisch gewählt und denselben Steuerungen unterworfen«

Weiter oben ist ausgeführt worden, daß die Verzerrungen der Amplituden und der Phasen, die auf die Einheit der magnetischen Aufzeichnungskette einwirken und zwischen dem natürlichen Eingangssignal und dem registrierten Ausgangssignal hervorgerufen sind, von den verschwiedensten Elementen bestimmt sind, die die Kette bilden, und komplizierte Funktionen der Periode T sind. Die von der tellurischen Aufzeichnungskette ausgehenden Verzerrungen sind für ihren Teil ebenfall» mehr oder weniger komplizierte Funktionen der Perlode T, diese tellurischen Verzerrungen sind von vorneherein ohne einfache Beziehung mit den magnetischen Verzerrungen, wenn »an nicht besondere Vorkehrungen trifft, um diese herbeizuführen. Die vorliegende Erfindung gestattet es dank der noch zu beschreibenden Mittel genau, die als in einfacher Beziehung zueinander stehend bezeichneten Verzerrungen für jede isoliert betrachtete Perlode T derart herbeizuführen, daß die magnetischen und tellurischen Verzerrungen, wenn nicht identisch, so doch zumindest su einer einfachen Beziehung untereinander werden, und daß man somit einfach, schnell und mit Sicherheit ausgehend von den aufgezeichneten Größen am Auegang der beiden Ketten das Verhältnis E/H und die Phasendifferenz zwischen den natürlichen Signalen am Eingang ableiten kann. Man sieht' ßofor-t, daß in dem im Detail mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausfülmmgsbeispiel daa Verhältnis der Amplituden des tellurischen Feldes zu dem magnetischen Feld mit a.T multipliziert ist, wenn man das natürliche Eingangssignal dem registrierten Ausgangsslgnal zuführt, wobei a eine von T unabhängige, einzig und allein von den die beiden Ketten bildenden Elementen abhängige, numerische Konstante bezeichnet»

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Der Vert dieser Konstanten kann mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:

I-BI8/2U

in der m die Permeabilität, die am Kern der die Änderungen des Magnetfeldes erfassenden Spule erscheint, N die Zahl der Windungen dieser Spule,S die Oberfläche der mittleren Windung dieser Spule, und 1 die Entfernung ist, welche die Endelektroden der tellurischen Leitung trennt. Ss soll daraufhingewiesen werden, daß man den Wert der Konstanten a durch einfache Eichung bestimmen kann: Die Eichung kann es offensichtlich werden lassen, daß a nicht ganz genau konstant ist, sondern geringfügig von einer Konstanten abweicht. Das ist ohne Einfluß auf die mit der Erfindung erzielten Vorteile, denn es genügt, zur Not den rohen Werten eine sehr kleine Korrektur zuzufügen* Ebenso findet sich in dem weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Voreilen der Phase des natürlichen tellur!sehen Feldes E bezogen auf das magnetische Feld H einfach um -v/2, wenn man die am Ausgang registrierten Signale betrachtet« Eine Eichung kann offensichtlich machen, daß diese Änderung der Phasenlage nicht vollständig konstant ist, aber eine derartige Eichung ist einfach und die zusätzlicl Korrektur, die sie den Messungen zuzufügen gestattet, ist in jeder Beziehung genau»

Man sieht, daß die vorliegende Erfindung unabhängig davon, daß sie die Möglichkeit eröffnet, sehr einfache Ausdrücke bezüglich der Phasenverschiebungen und der Beziehungen der Amplituden verwenden, es ermöglicht, direkte magnetische Eichungen zu vermeiden, die schwierig und kompliziert sind und die man niemals mit den Realteilen der Größen der magnetischen Änderungen, die man zu messen hat, durchführen kann.

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Die Erfindung erfordert nur Messungen« die auf den Koeffizienten der Selbstinduktion, auf der Permeabilität, auf der mittleren Oberfläche der Windung des magnetischen Empfängers, auf der Anzahl der Windungen dieses Empfängers, auf der Entfernung zwischen den Elektroden der tellurischen Leitung und auf der Perlode der Erscheinung beruhen.

Es muß/angegeben werden, daß das Problem noch weiter vereinfacht ist in dem Fall, wo man als magnetischen Smpfänger eine Spule verwendet, die Windungen von relativ großem Durchmesser besitzt, was es ermöglicht, die Verwendung eines metallischen Kerns mit hoher magnetischer Permeabilität zu vermelden: In diesem Fall 1st die auftretende Permeabilität gemäß der Definition gleich 1. Die Vereinfachungen und die Genauigkeit, die so erzielt werden, sind nachfolgend im Zuge der Beschreibung des AusfUhrungsbeispiels angegeben.

Zur Aufnahme der Änderungen des magnetischen Erdfeldes ist eine Spule mit 155 000 ringförmigen Windungen verwendet worden, von denen die mittlere Windung einen Durchmesser von 52 cm besitzt und das Gesamtgewicht des magnetischen Empfängers einschließlich Gehäuse etwa 250 kg beträgt. Dieser Empfänger 1st an die Klemmen einer Aufzeichnungskette angeschlossen, wie es vorstehend angegeben wurde.

Die Generatoreinrichtung fUr die Erzeugung der Verzerrungen nach der Erfindung besitzt die folgende Ausführungϊ

- Eine Spule mit etwa 42 000 Windungen, die auf einen geschlossenen Magnetkreis mit einem Quer-

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schnitt von 5*65 cm und einer mittleren Länge von 22 cm gewickelt ist. Als Metall für den Magnetkreis wurde "Anhyster* verwendet,

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- die von der Spule und dem geschlossenen Magnetkreis gebildete Einheit ist von einem doppelten Gehäuse aus Mu-Metall geschlitzt, dessen Außenseiten 19cm/19cm/15cm betragen. Das Gewicht der Einheit liegt bei 4,7 kg.

Man kann unter der Voraussetzung, daß die Spannungen, die im Spiel sind« und die GrÖßenordming der Grüße der Selbstinduktion, mit der man zu tun hat, gegeben sind, sehr genau die Selbstinduktion und den Widerstand des Generators für die Verzerrungen justieren, so daß «sie praktisch identisch mit denen der Spule sind, die als magnetische Empfänger dient.

Der magnetische Empfänger könnte durch Verwendung eines Kondeneatorß bestimmter Kapazität, der parallel zwischen seine

gelegt wird, auf eine g-egebene Frequenz ab-Herden« Ein mit dem vorstehend genannten Kondensator identischer Kondensator befinde sich dnnn svilechen den Ausgangsklemmen des Generatore für die Verzerrungen. Wenn dor Generator für die Verzerrungen erixi, ^/ _; "jsrwnndet und in eine rait- der AufzeichmmgskGtte* die sich zwisch^ Ίβη Klemmen dee magnetischen Empf singers befindet, identische- /...' seiehnunßekefcte eingeschaltet wltre, wäre der VJert der Kon« st&nten a.gleich N S / 2 « Ic

tinter diesen Bedingungen ßina die Fehler für- !J 3ia ungtinst-igen Fall geringer- als l/löOi ebenso sind die Fehler für S nicht schlechter als 1/100. Was die Fehler für 1 anseht, kann man davon ausgehen, daß sie den Viert 1/100 nicht überschreiten.

Schließlich ist das Voreilen der Phasen des tellurischen Feldes E bezogen auf das magnetische? FeDd H tatsächlich nicht größer als ">■ / 2, wenn man die registrierten Ausgangssignale betrachtet.

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In dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist es natürlich möglich, einen Kondensator in Reihe einerseits zu der Spule» die als magnetischer Empfänger dient» und andererseits zu des Generator für die Verzerrungen zu schalten» um im Falle des magnetischen Empfängers die relativ langen Perioden» in Falle des Generators für die Verzerrungen die relativ langen Perioden und die Gleichspannung zu eliminieren. Tatsächlich wurde bei der tellurischen Aufzeichnungskette eine Aussiebung vorgenommen, die es ermöglichte» jegliche sich zwischen den Elektroden der tellurischen Leitung bildenden Gleichspannung zu ellminieren. Dadurch wurde es verhindert» auf zusätzliche Einrichtungen zurückgreifen zu müssen, außerdem ist die Eliminierung dieser Spannung für eine gute Aufzeichnung notwendig. Das ist der dritte Vorteil der Erfindung, obwohl er von nicht ganz so großer Bedeutung ist wie die schon erwähnten Vorteile«

Dem Gegenstand des zweiten Ausführungebeispiels ist noch hinzuzufügen» daß die Aufzeichnungen der Änderungen des Magnetfeldes durch die Einrichtung sichergestellt ist» die mm Gegenstand der Fig. 2 und 3 beschrieben wurde; unter diesen Vorraue·» Setzungen wird mit Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 äie Zusamen* setzung einer Variante der tellurischen Aui'teichnungekette beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

In Fig. 6 sind die Elektroden 1 und 1* der tellurischen Leitung mit den isolierten Leitern 2 und 2* dargestellt» die die Elektroden mit Klemmen 30 und 30* einer Verstärkereinriohtung 31 bekannter Art verbinden, der*z.B. durch eine Stufe eines Spannungsverstärker« gebildet sein kann, der ein· geeignete Verstärkerstufe für die Leistung nachfolgt. Die Ausgangsklemmen 32 und 32* des Verstärkers 31 sind mit EingangskleasMn 33 und 33* eines"ersten Elementes 34 des Generators für die zusätzlichen Verzerrungen verbunden, der erfindungsgeeäfi ausgebildet ist und der nachfolgend beschrieben werden wird. Die Ausgangs-

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klemmen 35 und 35* des Elementes 34 sind mit den Eingangsklemmen 22 und 22* des zweiten Elementes 23 des Generators für die zusätzllcBen Verzerrungen verbunden. Die Ausgangsklemmen 24 und 24* des Elementes 23 sind mit den Eingangs« klemmen 3 und 3* des Verstärkers 4 der tellurischen Kette verbunden; über'seine Ausgangsklemmen 5 und 5* 1st der Verstärker 4 mit den Eingangsklemmen 6 und 6' der Aufzeichnungseinrichtung 7 verbunden.

In Fig. 7 ist im Detail die Einrichtung 34« die das erste Element des Verstärkers für die zusätzlichen Verzerrungen bildet, dargestellt. Die Einrichtung 1st aus einer ersten Spule 36 gebildet, deren beide Enden mit den Klemmen 33 und 33* verbunden sind. Diese Spule? 36 ist durch eine Selbstinduktion L₁ und einen Widerstand R- bestimmt. Das Element 34 enthält eine zweite Spule 37 koaxial zu der Spule 36. Diese Spule 37 hat eine Selbstinduktivität L_g, einen Widerstand JUj ihre beiden Enden sind mit den Ausgangsklemmen 35 und 35* verbunden.

Die Spulen 36 und 37 sind auf einen Luftkern gewickelt. Zwischen den Spulen 36 und 37 existiert eine Gegeninduktivität M. Uta parasitäre induktive Wirkungen, die von Änderungen des äußeren Magnetfeldes herrühren, zu vermeiden, ist eine magnetische Abschirmung 38 vorgesehen, die so ausgeführt ist, daS ihre Gegenwart nicht die Selbstinduktivitäten I«., L₂ und die Gegeninduktivität M beeinflußt.

Die Ausbildung des zweiten Elements 23 des Generators für die zusätzlichen Verzerrungen ist genau identisch mit derjenigen des vorstehend mit Bezug auf die Fig. 5 beschriebenen Generators 23 für die Verzerrungen; dassalbe trifft zu für den Verstärker 4 und die Aufzeichnungseinrichtungen 16 (Flg. 2 und 3) und 7 (Flg. 4)· Diese verschiedenen Elemente sind hier in

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derselben Weise bestimmt, wie es mit Bezug auf das oben beschriebene erste AusfUhrungsbeispiel der Erfindung angegeben wurde; jedoch ist im vorliegenden Pall die Summe des Widerstandes der Spule 25 und des Widerstandes der Spule 37 gleich KR, und die Summe der Selbstinduktivitäten der Spule 25 und der Spule 37 gleich KL, wobei L und R durch die Schaltsymbole 17 und 18 der Pig. 3 wiedergegeben sind.

Die Spulen 37 und 36 sind derart ausgeführt, daß das tellurische Erregersignal nach Durchgang in dem Verstärker 31 und in der Spule 36 in der Spule 37 eine Erregung erzeugt, die für das für die Verwendung interessante Frequenzband proportional etwa einem hundertstel z.B. der Ableitung des elektrischen Feldes nach der Zeit ist. Man sieht sofort, daß im vorstehenden Ausführungsbeispiel (Fig. 6 und 7) die Beziehung der Amplituden des tellurischen Feldes zum magnetischen Feld mit einer Konstanten b multipliziert wird, wenn man von dem natürlichen Eingangssignal zu dem registrierten Ausgangssignal übergeht. Die numerische Konstante b ist unabhängig von T, hängt vielmehr allein von den die zwei Ketten bildenden Elementen ab, Der Wert dieser Konstanten ist durch die Formel auszudrücken:

in der M, N, S und L dieselbe Bedeutung haben, wie In dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und in der R. der Widerstand der Spule 36, M die Gegeninduktivität zwischen den Spulen 36 und 37 und P der der ersten Stufe des Verstärkers 31 gegebene Verstärkungsfaktor 1st. i

Man kann hier die Konstante b durch eine einfache Eichung bestimmen : Die Eichung kann es offensichtlich machen, daß

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b nicht genau konstant ist, Jedoch nur sehr «renig von einer Konstanten abweicht. Das ist ohne Einfluß auf die mit der Erfindung erzielten Vorteile» denn es genügt« den rohen Werten dann eine geringe Korrektur zuzufügen. Ebenso bleibt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung die zwischen dem natürlichen elektrischen Feld E und dem Magnetfeld H existierer de Phasenverschiebung konstant, wenn man die registrierten Ausgangesignale betrachtet« und 1st daher nicht mehr an den Wert der Perlode gebunden.

Alle mit Bezug auf das erste Aueführungsbeispiel der Erfindung genannten Vorteile finden sich somit wieder, es ergeben sich jedoch noch zusätzliche Vorteile. Tatsächlich sind die dem vorliegenden Beispiel anhaftenden Vorteile, sowohl was die Amplitudenbeziehungen als auch was die PhßGenvereehiebungen anbetrifft, auf Ausgangssignale zu verallgemeinern, die den orübergehenden Ansprechzeiten der beiden Aufzeichnungsketten entsprechen, wenn das Niveau der Erscheinung plötxlich sich ändert. Das macht eine sehr große Selektivität in der Analyse der natürlichen Ersehe .*;&·,;. "^J--Oh, ohne das Fehler in die Berechnung der Amplltudenbesleiiungar ^nd der Messung der Phasenverschiebungen eingeführt werden müßte Es wird somit möglich, in diese Rechnungen nicht nur Messungen, die Amplitude für Amplituden durchgeführt wurden, eingehen zu lassen, sondern auch Integrale, die durch Ausgangssignalspannungen als Funktion der Zeit definiert sind, und dieses für ein gegebenes Zeitintervall und eine gegebene Periode. Die Werte der'Beziehungen E/H und der Phasenverschiebungen sind somit über statische Messungen aufgestellt-., was ebenso eine größere Geschwindigkeit als auch eine größere Sicherheit bei der Untersuchung der Meßergebnisse ermöglicht«

Außerdem gestattet die Anordnung nach dem zweiten AusfUhrungs beispiel (Fig. 6 und J ) nicht nur in absoluter Weise jede

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tellurische Gleichspannung zu eliminieren, so groß ale auch sein mag, sondern gestattet auch jede in kontinuierlicher Weise abgeleitete Spannung zu eliminieren in de* MaS, in des man z.B. die Kondensatoren 27 und 19 verwendet.

Andererseits ist es bekannt, daß für Perioden, die größer sind als eine Sekunde, das MaJ des natürlichen elektrischen Feldes mit der Periode wächst. Aus diesem Grunde sind, dank der Tatsache, daß die Ausgangssignale der tellurischen Aufzeichnungskette nicht mehr von Änderungen des tellurischen Feldes abhängen, sondern von Änderungen der Ableitung dieses tellurischen Feldes nach der Zelt, die in den Aufzeichnungsgeräten von dem tellurischen Weg für eine gegebene Steuerung annähernd konstant in diesem Bereich des Spektrums: Eine sehr viel einfachere und sehr viel wirksamere Filterung der verschiedenen Interessanten Perioden ist somit für den Forscher möglich.

In dem folgenden praktischen Beispiel hat man den magnetischen Empfänger des ersten Zahlenbeispiels verwendet und als zweites Generatorelement für die Erzeugung der Terzerrung den in diesem Beispiel verwendeten Generator für dl· Verzerrung; das erste Element des Generators für die Verzerrung besitzt folgende Abmessungen:

- Die Spule 36 ist eine zylindrische Spule, die 1030 Windungen eines Drahtes mit einem Durchmesser von 0,25 mm enthält. Ihr äußerer Durchmesser beträgt 9,25 cm und ihre Länge 2cm«

- Die Spule 37 besitzt zylindrische Form und 1st koaxial mit der ersten angeordnet. Sie besitzt einen äußeren Durchmesser von 7 cm, 36 000 Windungen aus einem Draht mit 7/100 Durchmesser

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und eine Länge von 2 cm. Die Gegeninduktivität beträgt eoeit 1,27 Henry. Das Gewicht der beiden Spulen einschließlich Gehäuse beträgt etwa 300 g. Die durch diese beiden Spulen gebildete Einheit 1st in einem Gehäuse aus Mu-Metall gelagert, dessen Außenabmessungen j56 cm/ 56 cm/ 14 cm betragen.

Für Perloden innerhalb einer Sekunde wurde das elektrische Feld angenähert mit 1/100 abgeleitet. Die Werte für R₁, M und P konnten leicht mit etwa 1/100 bestimmt werden. Man hat somit in sehr befriedigender Welse die für diese zweite AusfUhrungsart angekündigten Vorteile erzielen können.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Messen der Beziehungen zwischen den natürlichen magnetischen und tellurischen Feldern oder zwischen physikalischen Größen, die untereinander durch (den magnettellurlschen Beziehungen) analoge Beziehungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet* daß in mindestens eine magnetische oder tellurische Kette zusätzliche Terzerrungen eingeführt sind, die derart gewählt sind, daß einerseits die Phasenverschiebung, die zwischen den erregten tellurischen und magnetischen Signalen besteht, die in jede Aufzeichnungskette eindringen, und andererseits das Verhältnis der Amplituden dieser Signale in einer einfachen Weise als Funktion der Perlode T zugänglich bleiben.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit Aufnahmeelektroden, Empfänger, Verstärkern und Aufzeichnungsgeräten gekennzeichnet durch eine Generatorelnheit zur Erzeugung zusätzlicher Verzerrungen, die mindestens an einer der beiden magnetischen oder tellurischen Aufzeichnungsketten angeordnet und derart gewählt ist, daß die beiden Erregersignale zwischen dem Eingang und dem Ausgang ihrer jeweiligen Kette einer praktisch identischen Verzerrung unterliegen, daß die Phasenverschiebungen zwischen den Ausgangssignalen als Funktion einer betrachteten Periode T, zumindest in sehr einfacher Beziehung zu den Phasenverschiebungen zwischen den Erregersignalen stehen, und daß die Beziehung zwischen den Amplituden als Funktion der Periode T von den Ausgangssignalen zumindest in sehr einfacher Beziehung zu dem Verhältnis der Amplituden der Eingangssignale steht.

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3· Qeneratoreinrichtung zur Erzeugung von zusätzlichen Verzerrungen nach Anspruch 2, geleinzeichnet durch eine auf einem geschlossenen Magnetkreis angebrachte und durch eine Abschirmung vor der Wirkung äußerer magnetischer Felder geschützte Spule (25)> deren beide Bingangskleanten (22, 22*) mit den Leitungen (2« 2¹) von Meßelektroden (1, 1*) verbunden sind und deren beide Ausgangsklemmen (24, 24*), zwischen denen ein Kondensator (26) angeordnet iit, mit den Klemmen (3# 3^r) eines Verstärkers (4) einer an eich bekannten Meßeinrichtung verbunden sind,

4* Generatoreinrichtung zur Erzeugung zusätzlicher Verzerrungen, nachgeschaltet einer Spannungsverstärker- und einer Leistungsveretärkerelnrichtung, nach An» spruch 2, gelftuizeichnet durch ein erstes Element, welches zwei koaxiale Spulen (26,27) auf einem Luftkern enthält, die durch eine Abschirmung vor der Wirkung Kuierer elektrischer Felder geschützt sind, von denen die Enden (33, 33*) der ureter* _£>1« (36) die beiden Blngangskleanen des Elements bilden und mit den Hemmen (32, 32*) des Lelstungsvtrst&rkers verbunden sind, und von'denen die Enden (25« 35*) der zweiten Spule (37) die beiden Ausgangsklemmen des Elements bilden und mit den beiden Blngangsklemmen eines zweiten, nach Anspruch 3 auggebildeten Elements verbunden 1st.

5· Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre Verwendung für magnetische Bodenforschungen.

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