DE1548154B2

DE1548154B2 - Verfahren zur bestimmung der staerke und beschaffenheit von schichten durch oberflaechenmessung

Info

Publication number: DE1548154B2
Application number: DE19661548154
Authority: DE
Inventors: Louis Marcel Yvelines Muse (Frankreich)
Original assignee: Centre National de la Recherche Scieritifique, Paris
Priority date: 1965-03-05
Filing date: 1966-03-03
Publication date: 1971-11-25
Also published as: FR1443930A; DE1548154A1; US3422345A; GB1140893A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Stärke und Beschaffenheit von Schichten durch Oberflächenmessung durch Vergleich zweier nach den Maxwellschen Feldgleichungen voneinander abhängiger Feldstärkekomponenten, insbesondere der Horizontalkomponente des magnetischen Oberflächenfeldes und einer dazu senkrechten Horizontalkomponente der elektrischen Feldstärke, wobei die einander zugeordneten zeitlichen Veränderungen beider Feldstärken jeweils über einen bestimmten Spektralbereich aus dem gesamten Frequenzspektrum ausgesondert, über zwei getrennte Meßketten übertragen und dann zur Ermittlung ihrer Amplituden und Phasenabhängigkeit miteinander verglichen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verf ahrens.

Um besser das bei solchen Vermessungen angewendete Prinzip und die Schwierigkeiten zu verstehen, muß man beachten, daß es sich um völlig unregelmäßige und keineswegs sinusförmige Änderungen der statischen Erdfelder handelt. Die im Erdboden auftretenden Ströme sind als tellurische Ströme bekannt und unterliegen unaufhörlich Änderungen, die von der Größe und von der Richtung der magnetischen Feldänderungen abhängen. Dabei interessieren im wesentlichen diejenigen Komponenten der Erdfelder, in deren Folge innerhalb der Erdoberfläche und parallel zu dieser die tellurischen Ströme fließen, weil man dadurch Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit ziehen kann. Es ist auch bekannt, daß im einfachsten Falle die Änderungen der Horizontalkomponente des elektrischen Feldes den entsprechenden Änderungen einer Horizontalkomponente des dazugehörigen Magnetfeldes in senkrechter Richtung zur Horizontalkomponente des elektrischen Feldes eine erhebliche Vereinfachung der Maxwellschen Feldgleichung zulassen. Die betreffende Differentialgleichung für die Abhängigkeit der beiden Felder enthält auch den elektrischen Widerstand und liefert infolgedessen die Möglichkeit, aus dem Vergleich der beiden gemessenen Feldstärkewerte diesen Widerstand zu ermitteln.

Die genannten Feldstärkeänderungen haben zwar keinen sinusförmigen Verlauf, können jedoch trotzdem so betrachtet werden, als seien sie aus der Überlagerung zahlreicher einzelner sinusförmiger Feldstärkeänderungen mit unterschiedlichen Einzelfrequenzen zusammengesetzt. Genauer kann man also sagen, daß das Spektrum der magnetischen Änderungen und ebenso das Spektrum der elektrischen Feld-Stärkeänderungen, die häufig kurz als tellurische Änderungen bezeichnet werden, zerlegt werden kann in die betreffenden Anteile, wenn man bestimmte Einzelperioden T aussiebt und für diese Perioden die Vergleichsmessung durchführt. Es ist auch bekannt, daß sich wegen des Haut- und Skineffektes die tellurischen Ströme um so mehr auf die Erdoberflächenschicht konzentrieren, je kürzer die betreffende Wellenlänge der Feldänderungen ist. Infolgedessen sind die mit den kürzesten Wellenlängen des betreffenden Spektrums bestimmten Widerstände vorzugsweise den Oberflächenschichten zugeordnet. Andererseits geben die zur Messung ausziehbaren Einzelperioden mit zunehmender Dauer als größere Wellenlängen dann die elektrischen Widerstände immer tiefer gelegener Schichten zunehmend wieder. Infolgedessen besteht ein praktisches, geologisches und auch industrielles Interesse daran, das Spektrum der magnetischen und elektrischen Feldstärkeänderungen zu messen und zu analysieren.

Wenn man durch den Feldstärkevergleich die Vermessung von Bodenschichten durchführt, muß für jede der betrachteten Einzelperioden T quantitativ folgendes festgestellt werden:

1. Das Amplitudenverhältnis E/H der einander entsprechenden Änderungen des elektrischen Feldes E und des magnetischen Feldes H sowie

2. die Phasenverschiebung der betreffenden Änderungen des elektrischen Feldes gegenüber den dazugehörigen Änderungen des magnetischen Erdfeldes.

Um in der Praxis mit einem Meßempfänger für jeden einzelnen der zu vergleichenden Feldstärkewerte die einander zugeordneten Ergebnisse zu erhalten, müssen also zwei aufeinander senkrechte Horizontalkomponenten der beiden Erdfelder aufgezeichnet werden.

Der elektrische Meßempfänger kann in einfacher Weise an eine sogenannte tellurische Leitung angeschlossen werden: Zwei Elektroden werden dazu beispielsweise im Abstand von mehreren 100 Metern voneinander in die Erde eingepflanzt, über isolierte und abgeschirmte Kabel mit den Eingangsklemmen der betreffenden Meßkette verbunden, sowie nach entsprechender Spannungsverstärkung am Aufzeichnungsgerät abgelesen. Dazu kann ein Galvanometer oder ein Elektrometer verwendet werden sowie die üblichen elektronischen Verstärker, gegebenenfalls auch mit nachgeschaltetem Oszillograph. Genannt seien beispielsweise auch magnetische Waagen oder Variometer mit einer beweglichen Spule, die auf einer Schneide oder von einem Quarzdraht gehalten sind, sowie Magnetometer, deren bewegliche Spule schwebend an einem vertikalen Torsionsdraht aufgehängt ist, bzw. Spulen, in denen eine elektromotorische Kraft durch Änderungen des sie durchsetzenden magnetischen Flusses induzierbar ist. Wenn solche Spulen einen Kern mit großer magnetischer Permeabilität haben, kann die Empfindlichkeit entsprechend vergrößert werden. Weiterhin sind für dieses Gebiet noch die Meßeinrichtungen zu nennen, die nach dem Hall-Effekt arbeiten und außerdem in neuerer Zeit verschiedene Arten von Magnetometern, die mit nuklearer Präzession sehr genaue Messungen erlauben.

Eine tellurische Leitung, die nachstehend noch beschrieben wird, ermöglicht ohne Schwierigkeiten sehr zuverlässige Aufzeichnungen der elektrischen Feldstärkewerte E für alle auszusiebenden Einzelperioden T, die man in die Messung einbeziehen will. Selbst wenn in der Praxis diese tellurische Aufzeichnung infolge der unterschiedlichen Einzelfrequenzen nicht mit gleichem Verstärkungsgrad durchführbar ist, kann man die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Übertragung leicht durch eine entsprechende Eichung über den Frequenzbereich ergänzen und dadurch den Einfluß etwaiger Verzerrungen auf die gemessenen Amplitudenwerte oder die Laufzeit der Phasen über die Meßkette berücksichtigen. Es ist gleichermaßen grundsätzlich möglich, mit entsprechenden Meßketten auch eine annähernd genaue Aufzeichnung der magnetischen Feldstärkeänderungen in bestimmten Teilbereichen des Gesamtspektrums der betreffenden Einzelperioden zu erhalten. Beispielsweise kann ein Magnetometer, das mit Präzession arbeitet, auch den Änderungen des Magnetfeldes

über den gesamten Bereich der interessierenden Perioden folgen. Jedoch ist der Aufwand erheblich und die Auswertung der Ergebnisse entsprechend umständlich. Infolge ihrer mechanischen Trägheit können die üblichen Magnetometer mit beweglicher Spule den schnelleren Änderungen des Magnetfeldes H nicht mehr folgen und sind deshalb kaum verwendbar, wenn die Einzelperioden T unterhalb einer Dauer von einigen Sekunden liegen. Mit Spulen ausgerüstete Magnetometer ergeben also nur für vergleichsweise lange Periodendauern ausreichend genaue Aufzeichnungen der magnetischen Feldstärke.

Eine mit möglichst großer Drehzahl rotierende Spule kann ebenfalls sehr zuverlässige Aufzeichnungen liefern. Dazu wird durch die Rotation einer solchen Spule das statische Magnetfeld in ein Wechselfeld umgewandelt. Man kann durch entsprechende Einrichtung der Rotationsachse die gewünschte Hauptrichtung des Magnetfeldes ermitteln, weil bei Übereinstimmung von Feldrichtung und Drehachse die induzierte elektromotorische Kraft in der Meßspule ein Minimum erreicht und theoretisch den Wert Null annimmt. Auf diese Weise kann man mit einer senkrechten Rotationsachse den Wert der horizontalen Feldstärkekomponente und mit einer zweiten gleichzeitig um eine waagerechte Achse rotierenden Spule auch die Richtung der Horizontalkomponente ermitteln. Dabei sind jedoch die dynamischen Änderungen der Feldstärke den statischen Werten überlagert. Man erhält deshalb genauere Werte, wenn es gelingt, die statische Feldstärke auszuschalten und allein die Änderungen zu übertragen. Bekanntlich spielt es keine Rolle, ob man die Feldstärke selbst oder ihre Ableitung aufzeichnet, wenn man sinusförmige Änderungen zur Übertragung bzw. zur Aufzeichnung aussiebt, da die Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen sinusförmigen elektrischen Meßgrößen und ihren Ableitungen allgemein bekannt sind.

Es ist eine Vorrichtung zur Durchführung magnettellurischer Messungen bekannt, bei der die elektrische Feldstärke durch in die Erde gesteckte Elektroden ermittelt wird, während die magnetische Feldstärke mit einer Spule gemessen wird. Beide Feldstärken, deren Komponenten nach den Maxwellschen Gleichungen senkrecht zueinander stehen, werden gemessen, um die durch die Erdflächen erzeugten Verluste zu bestimmen und Rückschlüsse auf die Beschaffenheit dieser Schichten ziehen zu können. Bei der Wahl des magnetischen Empfängers muß als wesentlich berücksichtigt werden, daß die Größenordnung der Amplitudenänderungen des Magnetfeldes, insbesondere innerhalb kürzerer Periodendauern, die unterhalb einer Sekunde liegen, außerordentlich klein ist. In vielen Fällen ist man jedoch bestrebt, die Messungen bis auf den Bereich dieser kurzen Perioden von weniger als 0,01 see Dauer zu erstrecken, in deren Bereich die natürlichen Änderungen der Feldstärke selten mehr als 0,01 A/cm übersteigen und deshalb im Vergleich zur statischen Magnetfeldstärke verhältnismäßig klein sind. Andererseits ist dieser Bereich der kürzeren Einzelperioden von besonderer geologischer Bedeutung, jedoch haben die meisten magnetischen Meßempfänger beim gegenwärtigen Stand der Technick eine zu geringe Empfindlichkeit, so daß man die mit Induktion arbeitenden Empfänger durch Verwendung von Spulen mit einer möglichst großen Anzahl sehr dünner Drahtwindungen ausstatten muß und außerhalb nach Möglichkeit einen Kern hoher magnetischer Permeabilität verwendet. Bei einer Spule dieser Art ist die Selbstinduktion vergleichsweise groß, jedoch andererseits die Eigenkapazität keineswegs vernachlässigbar und infolgedessen die Resonanzwirkung der Spule von entscheidender Bedeutung. Man kann deshalb äußere Schaltelemente, wie Kondensatoren, zusätzlich hinzuschalten, um durch Resonanzwirkung die Meßempfindlichkeit im betreffenden Teilbereich des Spektrums zu erhöhen

ίο und diesen Bereich bevorzugt auszufiltern.

Aus diesen Ausführungen ergibt sich, daß es für die Praxis wichtig ist, bei der Aufzeichnung der magnetischen Feldstärkeänderungen die zu erfassenden Einzelperioden mit genügend großer Empfindlichkeit auszusieben und dabei keine elektrischen Verzerrungen der zu verstärkenden Meßwerte zuzulassen. Beide Forderungen widersprechen einander und das Bedürfnis nach möglichst großer Empfindlichkeit hat den Vorrang. Deshalb mußte man sich bisher mit Aufzeichnungen zufriedengeben, die nicht sehr zuverlässig waren, weil in komplexer Form die Werte der Amplituden und der zu messenden Phasen verfälscht wurden. Theoretisch ist es natürlich stets möglich, mit einer vorherigen Eichung der betreffenden magnetischen Meßkette die Übertragungswerte der Amplitude und der Phase als Funktion der verschiedenen Perioden zu ermitteln. Es ist jedoch klar, daß infolge der starken Verzerrungen die Eingangssignale nur mit erheblicher Ungenauigkeit zur Messung der verschiedenen Ausgangssignale führen, zumal man es mit dynamischen Änderungen zu tun hat, bei denen die betreffenden Geräte unter erheblich anderen Bedingungen arbeiten und eine Eichung nur sehr schwierig durchzuführen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Durchführung von Oberflächenmessungen anzugeben, bei dem für einen größeren Frequenzbereich eine Entzerrung der normalerweise durch die Meßeinrichtung verfälschten Zuordnung der elektrischen und magnetischen Signale stattfindet. Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß die durch die Meßeinrichtung selbst verursachte komplexe Verfälschung des Meßergebnisses rückgängig gemacht wird, so daß die tatsächlich vorhandenen Zuordnungen ohne die Fehlerquelle der Meßapparatur registrierbar sind. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßwerte mindestens in der einen Übertragerkette, vorzugsweise in der elektrischen Kette, zusätzlich derart verzerrt werden, daß deren Verzerrungen den vom komplexen Übertragungsfaktor der anderen Übertragungskette hervorgerufenen Verzerrungen angepaßt werden.

Zu diesem Zweck muß also mindestens eine Meßeinrichtung eine zusätzliche Verzerrungsstufe erhalten, damit beide Eingangssignale möglichst mit dem gleichartigen komplexen Übertragungsfaktor auf ihre Verstärkerketten übertragbar sind und die betreffenden Phasenverschiebungen als Funktion der betrachteten Periodendauer T identisch oder durch einen einfachen Verhältniswert zu ermitteln sind und auch in gleicher Weise die miteinander zu vergleichenden Amplitudenwerte in einer ähnlich einfachen Beziehung zueinander stehen.

Eine Vorrichtung zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig so ausgebildet, daß zwischen die Aufnahmeelektroden der elektrischen Meßkette und die Eingangsklemmen

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eines nachgeschalteten Meßverstärkers zusätzlich eine Ubertragerstufe eingeschaltet ist, welche den zu übertragenden elektrischen Signalwerten eine der magnetischen Meßkette entsprechende Signalverzerrung überlagert, so daß die Phasenverschiebung der elektrischen Signale am Ausgang der elektrischen Kette als Funktionen des betrachteten Spektralbereiches den Phasenverschiebungen am Ausgang der magnetischen Meßkette entsprechen und die beiden Amplitudenwerte als einfaches Zahlenverhältnis der Meßgrößen erscheinen.

Die zusätzliche Verstärkerstufe zur Verzerrung der elektrischen Feldstärkesignale wird zweckmäßig mit einer gegenüber den äußeren Magnetfeldern beispielsweise durch Mu-Metall in bekannter Weise abgeschirmten Spule verwirklicht, deren beide Eingangsklemmen mit den Leitungen der beiden im Erdbereich angebrachten Meßelektroden verbunden sind und deren beide Ausgangsklemmen, zwischen den ein entsprechender Kondensator angeordnet ist, mit den Klemmen eines Verstärkers einer an sich bekannten Meßeinrichtung verbunden sind.

Die zusätzliche Verstärkerstufe kann grundsätzlich vor oder nach einer Spannungsverstärkung bzw. Leistungsverstärkung über ein zusätzliches Übertragungselement angekoppelt werden, bei dem zwei zueinander koaxiale Spulen auf einem gemeinsamen Luftkern aufgewickelt und durch eine Abschirmung vor der Einwirkung äußerer Felder geschützt sind. Die beiden Anschlüsse der ersten Spule bilden die Eingangsklemmen dieses Elements und stehen mit den Ausgangsklemmen eines gegebenenfalls vorgeschalteten Leistungsverstärkers in Verbindung. Die beiden Anschlüsse der zweiten Spule bilden die Ausgangsklemmen des Elementes und sind mit den Eingangsklemmen des Verstärkers zur Übertragung der zusätzlichen Verzerrungen zu verbinden. Auf diese Weise wird die statische elektrische Feldstärke eliminiert, weil das Zusatzelement eine galvanische Trennung bewirkt und infolgedessen nur Änderungen der Feldstärke überträgt.

In der Zeichnung sind sowohl die bekannten Meßketten dargestellt als auch dazu die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild der bekannten tellurischen Meßkette für die elektrische Feldstärke,

Fig. 2 das Blockschaltbild der bekannten Meßkette zur Übertragung der magnetischen Feldstärkeänderungen,

F i g. 3 das elektrische Ersatzschaltbild zur Anordnung nach F i g. 2 und

F i g. 4 das Prinzipschaltbild zur vorliegenden Erfindung,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel des Zusatzverstärkers nach F i g. 4,

Fig. 6 das Blockschaltbild einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung und dazu

Fig. 7 die Ausführungsform des zusätzlichen Übertragungselements 34 nach F i g. 6.

In Fig. 4 sind die beiden im Erdbereich 1 und 1' angeordneten Aufnahmeelektroden 2 und 2' dargestellt, welche über zwei isolierte und abgeschirmte Verbindungsleitungen mit den Eingangsklemmen 3 und 3' eines bekannten Meßverstärkers 4 in Verbindung stehen. Andererseits hat der Meßverstärker 4 zwei Ausgangsklemmen 5 und 5', von denen je eine mit je einer Eingangsklemme 6 und 6' irgendeiner bekannten, graphischen, fotografischen, mit Magnetband arbeitenden oder anderen Registriereinrichtungen 7 verbunden ist.

In F i g. 2 ist 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 Windungen 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 Eingangsklemmen 12 und 12' einer Verstärkereinrichtung 13 bekannter Art verbunden, deren Ausgangsklemmen 14 und 14' wiederum mit Eingangsklemmen 15 und 15' einer bekannten Registriereinrichtung verbunden sind.

Es ist interessant, sich zu erinnern, wie in höchst konventioneller Weise der elektrische Stromkreis der magnetischen Registrierkette, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, gebildet ist. In F i g. 3 sind mit P und Q die physikalischen Enden der Spule 8 des magnetisehen Empfängers bezeichnet; diese Spule kann wie folgt zerlegt werden: In Reihe zwischen den Enden P und Q symbolisiert 17 den Koeffizienten der Selbstinduktion von der Größe L, 18 den Widerstand von der Größe R der Spule des Empfängers, 19 einen in die Spule geschalteten Kondensator der Größe C₁, der zu dem Zweck vorhanden ist, um bei der Aufzeichnung der Erscheinung die Eliminierung der relativ langen Perioden sicherzustellen. Die Größe C₁ kann offensichtlich 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 C₂ 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 13 dargestellt. Die Größe dieser Impedanz, die die Form eines reinen ohmschen Widerstandes annehmen kann, ist R. In F i g. 3 sind weiterhin die verschiedenen Klemmen, der Verstärker und das Registriergerät der Fig. 2 dargestellt.

Man wird jetzt zugestehen, daß die Aufzeichnung der Änderungen des Magnetfeldes mit der an Hand der F i g. 2 und 3 beschriebenen Einrichtung möglich ist, und es wird mit diesen Bedingungen, wobei auf die F i g. 4 und 5 Bezug genommen wird, die Zusammensetzung einer tellurischen Registrierkette beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

In F i g. 4 sind die Elektroden 1 und 1' der tellurischen Leitung mit den isolierten Leitern 2 und 2' dargestellt, die diese Elektroden mit Eingangsklemmen22 und 22' eines Generators 23 für zusätzliche Verzerrungen verbinden, der erfindungsgemäß vorgesehen ist und dessen Ausgangsklemmen 24 und 24' mit den Eingangsklemmen 3 und 3' des Verstärkers 4 der tellurischen Kette verbunden sind; über seine Ausgangsklemmen 5 und 5' ist der Verstärker 4 mit den Eingangsklemmen 6 und 6' der Aufzeichnungseinrichtung 7 verbunden.

In F i g. 5 ist im Detail die Ausgestaltung des Generators 23 nach F i g. 4 für die Verzerrungen dar-

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gestellt. Die Einrichtung ist aus einer Spule 25 ge- Ziehung untereinander werden, und daß man somit

bildet, die auf einen geschlossenen Magnetkreis auf- einfach, schnell und mit Sicherheit ausgehend von

gewickelt ist. Ein Kondensator 26 ist parallel zu der den aufgezeichneten Größen am Ausgang der beiden

Spule 25 zwischen die Ausgangsleitungen der Spule Ketten das Verhältnis E/H und die Phasendifferenz

25 nach den Klemmen 24 und 24' geschaltet. Ein 5 zwischen den natürlichen Signalen am Eingang abzweiter Kondensator 27 ist in Reihe mit der Wick- leiten kann. Man sieht sofort, daß in dem im Detail lung der Spule 25 geschaltet. Der Generator 23 ist in mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausfüheiner magnetischen Abschirmung 28 angeordnet, die rungsbeispiel das Verhältnis der Amplituden des teldazu bestimmt ist, parasitäre Induktionswirkungen zu lurischen Feldes zu dem magnetischen Feld mit a · T vermeiden, die von Änderungen des äußeren Magnet- io multipliziert ist, wenn man das natürliche Eingangsfeldes auf den zwischen den Klemmen 22 und 22' signal dem registrierten Ausgangssignal zuführt, woeinerseits und 24 und 24' andererseits angeordneten bei α eine von T unabhängige, einzig und allein von elektrischen Stromkreis abhängig sind. In gleicher den die beiden Ketten bildenden Elementen abhän-Weise ist in Fig. 5 die Eingangsimpedanz 29 des gige, numerische Konstante bezeichnet. Der Wert Verstärkers 4 der F i g. 4 dargestellt. 15 dieser Konstanten kann mit Hilfe der folgenden For-

Die Elemente des Generators 23 für die zusatz- mel berechnet werden:
liehen Verzerrungen der Verstärker 4 und die Auf- a — mNS/2 1
zeichnungsgeräte 16 (F i g. 2 und 3) und 7 (F i g. 4) ^π
sind wie folgt bestimmt. Dabei ist die beim Gegen- in der m die Permeabilität, die am Kern der die stand der magnetischen Registrierkette der Fig. 2 20 Änderungen des Magnetfeldes erfassenden Spule er- und 3 verwendete Notation wiederaufgenommen. scheint, N die Zahl der Windungen dieser Spule, Wenn K ein numerischer Koeffizient ist, der beliebig S die Oberfläche der mittleren Windung dieser Spule, ($ sein kann, ist die Selbstinduktion der Spule 25 gleich und 1 die Entfernung ist, welche die Endelektroden ^v KL und ihr Widerstand, in den einerseits der zwi- der tellurischen Leitung trennt. Es soll daraufhinschen den Elektroden 1 und 1' herrschenden Wider- 25 gewiesen werden, daß man den Wert der Konstanstand und andererseits derjenige der Leitungen 2 ten α durch einfache Eichung bestimmen kann: Die und 2' einbezogen ist, gleich KR. Der Kondensator Eichung kann es offensichtlich werden lassen, daß a

26 erhält eine Kapazität C₂IK, wobei C₂ die Kapa- nicht ganz genau konstant ist, sondern geringfügig zität des Kondensators 20 ist, die in F i g. 3 parallel von einer Konstanten abweicht. Das ist ohne Einfluß zu der Spule 17 mit der Selbstinduktion L, dem Wi- 30 auf die mit der Erfindung erzielten Vorteile, denn es derstand 18 von der Größe R und dem Kondensator genügt, zur Not den rohen Werten eine sehr kleine 19 mit der Kapazität C₁ liegt. Ebenso enthält der Korrektur zuzufügen. Ebenso findet sich in dem wei-Kondensator 27 eine Kapazität C₁IK, wobei C₁ die ter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein VorKapazität des Kondensators 19 in Reihe mit der eilen der Phase des natürlichen tellurischen Feldes E Spule 17 mit der Selbstinduktion L und dem Wider- 35 bezogen auf das magnetische Feld H einfach um π/2, stand 18 vom Wert R der F i g. 3 ist. Der Wert der wenn man die am Ausgang registrierten Signale be-Eingangsimpedanzen 29 des Verstärkers 4 ist gleich trachtet. Eine Eichung kann offensichtlich machen, KRe gewählt. Andererseits ist der Verstärker 4 der- daß diese Änderung der Phasenlage nicht vollständig art ausgelegt, wobei die Eingangsimpedanzen 29 un- konstant ist, aber eine derartige Eichung ist einfach berücksichtigt gelassen sind, daß der Verstärker 13 40 und die zusätzliche Korrektur, die sie den Messungen (Fig. 2 und 3) einerseits und der Verstärker 4 zuzufügen gestattet, ist in jeder Beziehung genau.

(F i g. 4 und 5) andererseits dieselben Übertragungs- Man sieht, daß die vorliegende Erfindung unabfunktionen besitzen und denselben Steuerungen un- hängig davon, daß sie die Möglichkeit eröffnet, sehr terworfen sind. In gleicher Weise sind die Registrier- einfache Ausdrücke bezüglich der Phasenverschieeinrichtung 16 (Fig. 2 und 3) und die Registrierein- 45 bungen und der Beziehungen der Amplituden verrichtung 7 (Fig. 4) identisch gewählt und denselben wenden, es ermöglicht, direkte magnetische Eichun-Steuerungen unterworfen. gen zu vermeiden, die schwierig und kompliziert sind Weiter oben ist ausgeführt worden, daß die Ver- und die man niemals mit den Realteilen der Größen Zerrungen der Amplituden und der Phasen, die auf der magnetischen Änderungen, die man zu messen die Einheit der magnetischen Aufzeichnungskette ein- 50 hat, durchführen kann. Die Erfindung erfordert nur wirken und zwischen dem natürlicher! Eingangssignal Messungen, die auf den Koeffizienten der Selbst- und dem registrierten Ausgangssignal hervorgerufen induktion, auf der Permeabilität, auf der mittleren sind, von den verschiedensten Elementen bestimmt Oberfläche der Windung des magnetischen Empfänsind, die die Kette bilden, und komplizierte Funk- gers, auf der Anzahl der Windungen dieses Empfäntionen der Periode T sind. Die von der tellurischen 55 gers, auf der Entfernung zwischen den Elektroden der Aufzeichnungskette ausgehenden Verzerrungen sind tellurischen Leitung und auf der Periode der Erscheifür ihren Teil ebenfalls mehr oder weniger kompli- nung beruhen.

zierte Funktionen der Periode T, diese tellurischen Es muß noch angegeben werden, daß das Problem

Verzerrungen sind von vornherein ohne einfache Be- noch weiter vereinfacht ist in dem Fall, wo man als

ziehung mit den magnetischen Verzerrungen, wenn 60 magnetischen Empfänger eine Spule verwendet, die

man nicht besondere Vorkehrungen trifft, um diese Windungen von relativ großem Durchmesser besitzt,

herbeizuführen. Die vorliegende Erfindung gestattet was es ermöglicht, die Verwendung eines metallischen

es dank der noch zu beschreibenden Mittel genau, Kerns mit hoher magnetischer Permeabilität zu ver-

die als in einfacher Beziehung zueinander stehend be- meiden: In diesem Fall ist die auftretende Permeabili-

zeichneten Verzerrungen für jede isoliert betrachtete 65 tat gemäß der Definition gleich 1. Die Vereinfachun-

Periode T derart herbeizuführen, daß die magne- gen und die Genauigkeit, die so erzielt werden, sind

tischen und tellurischen Verzerrungen, wenn nicht nachfolgend im Zuge der Beschreibung des Ausfüh-

identisch, so doch zumindest zu einer einfachen Be- rungsbeispiels angegeben.

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Zur Aufnahme der Änderungen des magnetischen gute Aufzeichnung notwendiig. Das ist der dritte Erdfeldes ist eine Spule mit 153 000 ringförmigen Vorteil der Erfindung, obwohl er von nicht ganz so Windungen verwendet worden, von denen die mitt- großer Bedeutung ist wie die schon erwähnten Vorlere Windung einen Durchmesser von 52 cm besitzt teile.

und das Gesamtgewicht des magnetischen Empfän- 5 Dem Gegenstand des zweiten Ausführungsbeispiels gers einschließlich Gehäuse etwa 250 kg beträgt. Die- ist noch hinzuzufügen, daß die Aufzeichnungen der ser Empfänger ist an die Klemmen einer Aufzeich- Änderungen des Magnetfeldes durch die Einrichtung nungskette angeschlossen, wie es vorstehend ange- sichergestellt ist, die am Gegenstand der F i g. 2 und 3 geben wurde. beschrieben wurde; unter diesen Voraussetzungen Die Generatoreinrichtung für die Erzeugung der io wird mit Bezugnahme auf die F i g. 6 und 7 die ZuVerzerrungen nach der Erfindung besitzt die folgende sammensetzung einer Variante der tellurischen AufAusführung: zeichnungskette beschrieben, die gemäß der vor-Eine Spule mit etwa 42 000 Windungen, die auf liegenden Erfindung ausgebildet ist.
einen geschlossenen Magnetkreis mit einem In F i g. 6 sind die Elektroden 1 und 1' der tellu-Querschnitt von 5,65 cm² und einer mittleren 15 rischen Leitung mit den isolierten Leitern 2 und 2' Länge von 23 cm gewickelt ist. Als Metall für dargestellt, die die Elektroden mit Klemmen 30 und den Magnetkreis wurde »Anhyster« verwendet, 30' einer Verstärkereinrichtung 31 bekannter Art vereine hysteresefreie Eisenlegierung der Markt- binden, der z. B. durch eine Stufe eines Spannungsbezeichnung »Anhyster«. Verstärkers gebildet sein kann, der eine geeignete Die von der Spule und dem geschlossenen Ma- 20 Verstärkerstufe für die Leistung nachfolgt. Die Ausgnetkreis gebildete Einheit ist von einem dop- gangsklemmen 32 und 32' des Verstärkers 31 sind pelten Gehäuse aus Mu-Metall geschützt, dessen mit Eingangsklemmen 33 und 33' eines ersten EIe-Außenseiten 19 cm /19 cm /15 cm betragen. Das mentes 34 des Generators für die zusätzlichen VerGewicht der Einheit liegt bei 4,7 kg. Zerrungen verbunden, der erfindungsgemäß ausgebil-Man kann unter der Voraussetzung, daß die Span- 25 det ist und der nachfolgend beschrieben werden wird, nungen, die im Spiel sind, und die Größenordnung Die Ausgangsklemmen 35 und 35' des Elementes 34 der Größe der Selbstinduktion, mit der man zu tun sind mit den Eingangsklemmen 22 und 22' des zweihat, gegeben sind, sehr genau die Selbstinduktion und ten Elementes 23 des Generators für die zusätzlichen den Widerstand des Generators für die Verzerrungen Verzerrungen verbunden. Die Ausgangsklemmen 24 justieren, so daß sie praktisch identisch mit denen der 30 und 24' des Elementes 23 sind mit den Eingangs-Spule sind, die als magnetische Empfänger dient. klemmen 3 und 3' des Verstärkers 4 der tellurischen Der magnetische Empfänger könnte durch Ver- Kette verbunden; über seine Ausgangsklemmen 5 wendung eines Kondensators bestimmter Kapazität, und 5' ist der Verstärker 4 mit den Eingangsklemder parallel zwischen seine Ausgangsklemmen gelegt men 6 und 6' der Aufzeichnungseinrichtung 7 verwird, auf eine gegebene Frequenz abgestimmt werden. 35 bunden.

Ein mit dem vorstehend genannten Kondensator iden- In F ig. 7 ist im Detail die Einrichtung 34, die das

tischer Kondensator befände sich dann zwischen den erste Element des Verstärkers für die zusätzlichen

Ausgangsklemmen des Generators für die Verzerrun- Verzerrungen bildet, dargestellt. Die Einrichtung ist

gen. Wenn der Generator für die Verzerrungen erfin- aus einer ersten Spule 36 gebildet, deren beide Enden

dungsgemäß verwendet und in eine mit der Auf- 40 mit den Klemmen 33 und 33' verbunden sind. Diese

zeichnungskette, die sich zwischen den Klemmen des Spule 36 ist durch eine Selbstinduktion L₁ und einen

magnetischen Empfängers befindet, identische Auf- Widerstand R₁ bestimmt. Das Element 34 enthält eine

zeichnungskette eingeschaltet wäre, wäre der Wert zweite Spule 37 koaxial zu der Spule 36. Diese Spule

der Konstanten α gleich NS/2nl. 37 hat eine Selbstinduktivität L₂, einen Widerstand R₂;

Unter diesen Bedingungen sind die Fehler für N im 45 ihre beiden Enden sind mit den Ausgangsklemmen 35

ungünstigen Fall geringer als V100; ebenso sind die und 35' verbunden.

Fehler für S nicht schlechter als V100. Was die Fehler Die Spulen 36 und 37 sind auf einen Luftkern ge-

für 1 angeht, kann man davon ausgeben, daß sie den wickelt. Zwischen den Spulen 36 und 37 existiert eine

Wert Vioo nicht überschreiten. Gegeninduktivität M. Um parasitäre induktive Wir-

Schließlich ist das Voreilen der Phasen des tellu- 50 kungen, die von Änderungen des äußeren Magnetfel-

rischen Feldes E bezogen auf das magnetische Feld H des herrühren, zu vermeiden, ist eine magnetische

tatsächlich nicht größer als π/2, wenn man die re- Abschirmung 38 vorgesehen, die so ausgeführt ist,

gistrierten Ausgangssignale betrachtet. · daß ihre Gegenwart nicht die Selbstinduktivitäten L₁,

In dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist es L₂ und die Gegeninduktivität M beeinflußt,
natürlich möglich, einen Kondensator in Reihe einer- 55 Die Ausbildung des zweiten Elements 23 des GeseitszuderSpule,diealsmagnetischerEmpfängerdient, nerators für die zusätzlichen Verzerrungen ist genau und andererseits zu dem Generator für die Verzer- identisch mit derjenigen des vorstehend mit Bezug auf rungen zu schalten, um im Falle des magnetischen die F i g. 5 beschriebenen Generators 23 für die VerEmpfängers die relativ langen Perioden, im Falle des Zerrungen; dasselbe trifft zu für den Verstärker 4 und Generators für die Verzerrungen die relativ langen 60 die Aufzeichnungseinrichtungen 16 (Fig. 2 und 3) Perioden und die Gleichspannung zu eliminieren. und 7 (Fig. 4). Diese verschiedenen Elemente sind Tatsächlich wurde bei der tellurischen Aufzeichnungs- hier in der selben Weise bestimmt, wie es mit Bezug kette eine Aussiebung vorgenommen, die es ermög- auf das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel lichte, jegliche sich zwischen den Elektroden der tel- der Erfindung angegeben wurde; jedoch ist im vorlurischen Leitung bildenden Gleichspannung zu eli- 65 liegenden Fall die Summe des Widerstandes der minieren. Dadurch wurde es verhindert, auf zusatz- Spule 25 und des Widerstandes der Spule 37 gleich liehe Einrichtungen zurückgreifen zu müssen, außer- KR, und die Summe der Selbstinduktivitäten der dem ist die Eliminierung dieser Spannung für eine Spule 25 und der Spule 37 gleich KL, wobei L und R

durch die Schaltsymbole 17 und 18 der F i g. 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 (F i g. 6 und 7) die Beziehung der Amplituden des tellurischen Feldes zum magnetischen Feld mit einer Kontastanten 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:

b = mN SRJMlP

in der M, N, S und L die selbe Bedeutung haben, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und in der R₁ 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 ist.

Man kann hier die Konstante b durch eine einfache Eichung bestimmen: Die Eichung kann es offensichtlich machen, daß b nicht genau konstant ist, jedoch nur sehr wenig 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 FeIdE und dem Magnetfeld H existierende Phasenverschiebung konstant, wenn man die registrierten Ausgangssignale betrachtet, und ist daher nicht mehr an den Wert der Periode gebunden.

Alle mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel 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 Phasenverschiebungen anbetrifft, auf Ausgangssignale zu verallgemeinern, die den Ansprechzeiten der beiden Aufzeichnungsketten entsprechen, wenn das Niveau der Erscheinung sich plötzlich ändert. Das macht eine sehr große Selektivität in der Analyse der natürlichen Erscheinungen möglich, ohne daß Fehler in die Berechnung der Amplitudenbeziehungen und der Messung der Phasenverschiebungen eingeführt werden müßten. Es wird somit möglich, in diese Rechnungen nicht nur Messungen, die Amplitude für Amplitude 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 Ausführungsbeispiel (F i g. 6 und 7) nicht nur in absoluter Weise jede tellurische Gleichspannung zu eliminieren, so groß sie auch sein mag, sondern gestattet auch jede in kontinuierlicher Weise abgeleitete Spannung zu eliminieren in dem Maß, in dem man z. B. die Kondensatoren 27 und 19 verwendet.

Andererseits ist es bekannt, daß für Perioden, die größer sind als eine Sekunde, das Maß 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

ίο abhängen, sondern von Änderungen der Ableitung dieses tellurischen Feldes nach der Zeit, 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 Verzerrung den in diesem Beispiel verwendeten Generator für die Verzerrung; das erste Element des Generates für die Verzerrung besitzt folgende Abmessungen:

Die Spule 36 ist eine zylindrische Spule, die 1050 Windungen eines Drahtes mit einem Durchmesser von 0,25 mm enthält. Ihr äußerer Durchmesser beträgt 9,25 cm und ihre Länge 2 cm.
Die Spule 37 besitzt zylindrische Form und ist

koaxial mit der ersten angeordnet. Sie besitzt einen äußeren Durchmesser von 7 cm, 36 000 Windungen aus einem Draht mit ⁷/ioo Durchmesser und eine Länge von 2 cm. Die Gegeninduktivität beträgt somit 1,27 Henry. Das Gewicht der beiden Spulen einschließlich Gehäuse beträgt etwa 500 g. Die durch diese beiden Spulen gebildete Einheit ist in einem Gehäuse aus Mu-Metall gelagert, dessen Außenabmessungen

36 cm / 36 cm /14 cm betragen.
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Für Perioden innerhalb einer Sekunde wurde das elektrische Feld angenähert mit V100 abgeleitet. Die Werte für R₁, M und P konnten leicht mit etwa V100 bestimmt werden. Man hat somit in sehr befriedigender Weise die für diese zweite Ausführungsart angekündigten Vorteile erzielen können.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Stärke und Beschaffenheit von Schichten durch Oberflächenmessung durch Vergleich zweier nach den Maxwellschen Feldgleichungen voneinander abhängiger Feldstärkekomponenten, insbesondere dei Horizontalkomponente des magnetischen Oberflächenfeldes und einer dazu senkrechten Horizontalkomponente der elektrischen Feldstärke, wobei die einander zugeordneten zeitlichen Veränderungen beider Feldstärken jeweils über einer bestimmten Spektralbereich aus dem gesamter.

Frequenzspektrum ausgesondert, über zwei getrennte Meßketten übertragen und dann zur Er mittlung ihrer Amplituden- und Phasenabhängig keit miteinander verglichen werden, d a d u r c 1 gekennzeichnet, daß die Meßwerte min destens in der einen Übertragerkette, Vorzug? weise in der elektrischen Kette, zusätzlich derai verzerrt werden, daß deren Verzerrungen de vom komplexen Übertragungsfaktor der andere

Ubertragungskette hervorgerufenen Verzerrungen angepaßt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Aufnahmeelektroden (2, 2') der elektrischen Meßkette und die Eingangsklemmen (3, 3') eines nachgeschalteten Meßverstärkers (4) zusätzlich eine Übertragerstufe (23) eingeschaltet ist, welche den zu übertragenden elektrischen

Signalwerten eine der magnetischen Meßkette (13, 16) entsprechende Signalverzerrung überlagert, so daß die Phasenverschiebung der elektrischen Signale am Ausgang der elektrischen Kette (7) als Funktionen des betrachteten Spektralbereiches den Phasenverschiebungen am Ausgang der magnetischen Meßkette (16) entsprechen und die beiden Amplitudenwerte als einfaches Zahlenverhältnis der Meßgrößen erscheinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen