DE1623565A1 - Geologisches Untersuchungsverfahren mit Hilfe von mechanischen Wellen,Betriebseinrichtung und Anwendungen - Google Patents

Description

DipMng. Drpf.oec publ DIETRiCH LEVViNSKY

PATENTANWALT ._Qe, „

• München 21 - 6οΜ*. IT '"

Telefon 56Ϊ762

Societe Nationale des PStroles d'Aquitaine, Courbevoie, Tour Aquitaine (Frankreich)

»Geologisches Untersuchungsverfahren mit Hilfe von mechanischen Wellen, Betriebseinrichtung und Anwendungen"

Französische Priorität vom 28. Dezember 1966 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 89 069 (Seine)

.Die Erfindung betrifft die Untersuchung der Ausbreitung von mechanischen Wellen in einem Medium heterogener Schichten unterschiedlicher Beschaffenheit. Das beschriebene Forschungsverfahren bezieht sich im wesentlichen auf die geologische Untersuchung von Oberflächenschicht«« der Erdrinde sowie auf deren Erforschung im allgemeinen.

Bekanntlich besteht das Prinzip derartiger Forschungen ä auf der Aussendung eines aus mechanischen Wellen gebildeten Signals, das von einem Sendezentrum ausgehend, auf verschiedenen Bahnen das jeweilige Medium durchdringt, um nach erfahrenen Brechungen und Reflexionen verschiedene Komponenten an die einzelnen EmpfangsZentren zu liefern, wobei wiederum die Laufzeiten ermittelt werden, die sich zwischen Sende- und EmpfangeZentren ergeben und auf die Verschiebung »wischen Sendezeitpunkt des Signals und Empfangszeitpunkt der einzelnen Komponenten gründen.

Ein verbessertes Verfahren zur Erlangung dieser Ergebnisse geht davon ab, ein Einheitsimpuleeignal au verwenden, wie dies bai Verwendung ©ln©s Sprengstoffes der Fall ist und bedient Blei.·, vielmehr ©ines Signals, das b©i dar Aussendung

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von mechanischen Wellen während einer gewissen Zeit und nach einem bestimmten Gesetz entsteht.

Im Anschluß daran vergleicht man mit Hilfe eines Korrelationeverfahrens die verschiedenen, nach den genannten Durchgängen empfangenen Komponenten,mit dem eigentlichen Erstsignal, um die für diese Durchgänge maßgeblichen Daten abzuleiten, die wiederum über Form und Aufbau des untersuchten Mediums Aufschluß geben.

Bei der seismischen Qfassung der Oberflächenschichten

■t der Erdrinde verwendet man ebenfalls nichtwiederholende Signale, die aus sinusförmigen oder ähnlichen Wellen gebildet werden, deren Frequenz zwischen Signalanfang und -ende variiert. Hierbei ist wesentlich, daß man ein möglichst breites Fre-. guenzband zwischen ausgesendeter Maximal- und Minimalfrequenz verwendet, um dadurch nach der Korrelation eine gute Auflösung zu erzielen. Unter dem Begriff «Auflösung* versteht man hierbei die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten ermittelbare Mindestentfernung.

Diese Signale werden im allgemeinen durch Vibratoren erzeugt, die entweder auf der Bodenoberfläche aufgestellt werden oder, in Wasser getaucht, sich in der Sendezentraie befin- ^ den und dort hydraulisch oder elektromagnetisch unter Frequenzen angetrieben werden, die beispielsweise über eine Magnettrommel gesteuert werden.

Diese Verfahrensweise weist allerdings eine gewisse Anzahl von Nachteilen auf. Einerseits ist das im Boden verwendbare Frequenzband verhältnismäßig beschränkt, ein Nachteil, der im wesentlichen auf die Eigenschaften der mechanischen Vorrichtung zurückzuführen ist, andererseits besteht eine Kopplung zwischen Vibrator und Boden, wodurch β- zu Verschiebungen zwischen den ausgesendeten und ä®n in äma Boden übertragenen Frequenzen komjnfc, schließlich treten noch AmplitudendäxiRpfyngen bei den übertragenen Frequenzen auf.

Ein© bekannte Tatsache ist ferner, daß eine von der Obo-ΠSch®· das Bodens aus arbeitende Quelle wesentlich mehr

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Oberflächen- und Scherwellen als eigentlich als einzige bei der seismischen Erforschung verwendbare Druckwellen liefert. Gegenstand der Erfindung ist demnach die Beseitigung der vorgenannten Nachteile durch die Anwendung eines neuen, geologischen UntersuchungsVerfahrens mit Hilfe der Aussendung von mechanischen Wellen, das auf dem genannten Prinzip beruht, ferner die Schaffung einer hierfür geeigneten Betriebseinrichtung. In diesem Sinne wurde ein Verfahren und eine Einrichtung entwickelt, mit deren Hilfe dem Medium verschiedene, nach einem bestimmten Gesetz ausgesendete Signale tibertragen werden, insbesondere solche, ™ die sich aus Erschütterungen zusammensetzen, deren Frequenz in sehr weiten Grenzen variieren kann.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die Entwicklung eines Verfahrens und einer Einrichtung, die jegliche Verschiebung oder Dämpfung z.B. durch Kopplung zwischen Vibrator und Boden ausschließen und zwar im Hinblick auf die Strecke zwischen dem im Sendezentrum erzeugten Signal einerseits und dem dem Medium übertragenen Signal für den mechanischen Energietransport andererseits.

Aus diesen Erwägungen heraus befaflt sich die Erfindung mit einer Methode der Erforschung der Form und des Aufbaus eines Mediums, wobei letzterem ein nichtwiederholendes Signal ™ übertragen wird, das sich aus Erschütterungswellen zusi setzt und nach einem bestimmten Gesetz von einem Sendezentrum ausgesendet wirdι in zumindest einem Empfangszentrum empfängt man daraufhin verschiedene Komponenten dieses Signals, die den verschiedenen Mediumsdurchgängen entsprechen und hernach zur Bestimmung der Laufzeit mit den Erstsignal korrellert werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich das ausgesendet· Signal aus einer Folge von Erschütterungen unterschiedlicher Dauer zusammensetzt, wobei die aufeinanderfolgenden Erschütterungen durch Pausenintervalle ebenfalls unterschiedlicher Dauer unterbrochen werden und jede Erschütterung durch eine Folge von Elementarimpulsen konstanter Einheitsenergie gebildet wird und zwar bei

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veränderlicher Wiederholfrequenz. Die genannten Impulse sind dabei soweit angenähert, daß in der Folge die innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls ausgesendete Energiestärke von der Zeit abhängt, die die Elementarimpulse im genannten Zeitintervall trennt.

Entsprechend einer praktischen Anwendung der Erfindung kann die Aussendung mehrerer Elementarimpulse praktisch gleichzeitig erfolgen, wobei die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Eleraentarimpulsen entweder gleich einem gegebenen _Ä Wert oder praktisch gleich null ist.

Gemäß einer weiteren Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens richten sich die Abstände der Elementarimpulse nach einem Gesetz, nach dem ebenfalls der Sender arbeitet.

Als praktisch gleichzeitige Sendung zweier Elementarimpulse bezeichnet man die Sendung zweier mechanischer Impulse, die von einem Empfänger aufgenommen werden, der eich in geringer Entfernung von der Quelle, z.B. einige Meter von dieser entfernt befindet. Somit wären praktisch diese beiden Impulse als ein Impuls aufzufassen, dessen Energie allerdings höher als die eines einzelnen Impulses ist.

Die um eine feststehende, variable Zeitspanne versetzten ^ oder praktisch gleichzeitig auftretenden Impulse erzeugen jeweils eine sogenannte Einheitswelle. Aue der Sendung einer Impulsfolge entsteht eine Folge von Einheitswellen, die miteinander kombiniert entweder während ihrer Laufzeit oder mit Hilfe einer Filterung beim Empfang nur ein resultierendes Signal auftreten läßt, das linear zur Hüllkurve der Erschütterungswelle verläuft.

Bei einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Staffelung zwischen Sendezeiten und PaasenintervalLan In der Weise, daß die Bezugs&ufzeichnung der zu einem Film mit veränderlicher Schwärzung Übertragenen Signale ein Abbild entstehen läßt, dessen Lichtstarkenaufteilung analog zur Aufzeichnlang eines Teiles von Interferenzstreif©4 erfolgt, die unter der Bezeichnung „Newtonsehe Ringe" bekannt sind, wobei dieser Teil durch zwei Geraden begrenzt wird.

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die zu einem Durchmesser der genanten Ringe parallel verlaufen.

Die Erfindung umfaßt ferner für die Anwendung der genannten Methode eine Einrichtung zur Aussendung von Erschütterungsweilen, die aus Speichervorrichtungen für elektrische Energie, Vorrichtungen zur Funkenbildung sowie Steuerorganen zur Auslösung dieser Funken besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung zumindest eine Entladevorrichtung besitzt, die mit mindestens einem Funkengenerator verbunden ist, der sich in einer Flüssigkeit befindet, die mit dem zu untersuchenden Medium in Verbindung steht, Λ wobei diese Entladevorrichtung mit einem gemeinsamen Organ zur Steuerung der Funkenauslösung nach einem bestimmten Gesetz verbunden ist. Im Hinblick auf eine bestimmte Verwendung ist das Steuerorgan zur Auslösung der Funken mit einem Magnetbandstreifen zur Aufzeichnung von Syn&olen ausgerüstet und umfaßt ferner einen Abtastkopf und einen Verstärker, dessen Ausgang nach einem vorherbestimmten Gesetz über einen Adressenwähler mit der Entladevorrichtung verbunden werden kann.

Gemäß einem weiteren Anwendungefall let die Einrichtung mit mehreren Funkengeneratoren ausgerüstet, die atss mehreren Elektrodenpaaren bestehen, die in der Flüssigkeit nebeneinander angeordnet und jeweils über eine Entladevorrichtung mit ä einer Kondensatorenbatterie verbunden sind.

Entsprechend einem anderen Anwendungsfall umfaßt die Einrichtung zumindest eine elektrische Stromquelle, die mit mindestens einem Funkengenerator verbunden ist, der aus einem Kondensator, einer Elektrodenanordnung und einer Steuerfunkenstrecke besteht, wobei diese Verbindung Über einen von einem Motor angetriebenen Drehschalter erfolgt.

Bei einer bevorzugten Variante dieses Anwendungsfalle« besitzt der Drehschalter mine Käfigläuferanordnung, bai der eine Reihe von Leiterschienen (parallel©» Sehienen) von swei Isolationskronen getragen wird und diee© Anordnung ψ&η einem Motor 1» Rotation versetzt wird, ·dessen Csssfshwiiidigfoalt dsrlieh ja* Rar Rotätioß3V3£<c?ang atea®s£t obQnfalla äan

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lichtbogen der Steuerfunkenstrecke und zwar mit einer gewissen Phasenverschiebung gegenüber dem Schaltzeitpunkt, wobei dieser Schaltvorgarig in dem Augenblick stattfindet, wenn eine der Schienen die Verbindung zwischen Spannungsquelle und Kondensator herstellt.

Bei einer verbesserten Anwendungsform ist das Sendegerät außerdem mit einer Metallplatte versehen, die sich in geringer Entfernung vom Sender befindet, wobei diese Platte bei eingetauchtem Sender über diesem liegt»

Die Funkenstrecken können, durch metallische Massen gebildet sein, die mit den Kondensatoren verbunden sind und zu beiden Seiten eines perforierten Isolierkörpers angeordnet

Gagenstand der Erfindmig ist schließlich die Anwendung

sowohl der vorgenannten Methode als auch des genannten Betriebsgeräts auf die geophysikalische Forschung mit Hilfe von mechanischen Wellen, dadurch gekennzeichnet* daß die Folgefrequenz der Impulsfolgen sswisoi&en 0,1 Ez und 1000 Hs liegt.

Eine besonders interessante Anwendung der vorgenannten Methode sowie Betriebseinrichtung bildet die geophysikalische Meeresforschung. Für diesen Zweck wird ein in einem Sendezentrua untergebrachter Funkengenerator unter dem Meeresspiegel verwen-

Gemäß einer anderen Anwendung werden Methode und vorgenannte Betriebseinrichtung für die Erderforschung in der Weise verwendet, daß ein Funkengenerator von einem Punkt veränderlicher Tiefe aus arbeitet und zwar vorzugsweise unterhalb der Verwitterungsoberfläche des Bodens in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Erdloch.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr in der folgenden Beschreibung ein erfindungsgemäßer Funkengenerator beschrieben und zwar unter Einbeziehung der genannten Methode sowie ihrer Anwendungen bei der seismischen Erforschung. Diese Beschreibung wird durch die beigefügten Zeichnungen ergänzt, wobei

- FIg* 1 das übersidhtssehema ©ines erflndungsgemäßen

- Fig. 2 das Schema eines anderen erfindungsgeroäBen Betriebsgeräts,

- Fig. 3 das Schema eines Elementarimpulses,

- Fig. 4 das durch gleichzeitige sowie gestaffelte Impulssendungen (Elementarimpulse) gewonnene Signal,

- Fig. 5 eine andere Kombination von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesendeten Impulsen, .

- Fig. 6 eine weitere Kombination von Impulsen zur Ausarbeitung des in Fig. 5 erwähnten Signals,

- Fig. 7 eine Kombination von Elementarsignalen für die optische Korrelation und die resultierende Hüllkurve,

- Fig. 8 die Anwendung des' Betriebsgeräts zur Sendung von Signalen zur Meereserforschung

zum Gegenstand hat.

- Fig. 9 zeigt schließlich die Anwendung des genannten Betriebsgeräts für die Erdkrustenerforschung.

In Fig. 1 wurde bei 1 ein Magnetband-Abtastgerät dargestellt. Auf einem Magnetband 2 werden Symbole eingeschrieben, die bei der Abtastung durch den Abtastkopf 3 elektrische Impulssignale liefern. Das Magnetband 2 läuft unter dem Abtastkopf 3 durch, dem ein Verstärker 6 nachgeschaltet ist. Die Magnetbänder werden von den Spulen 4 und 5 angetrieben, wovon die eine als Antriebsspule wirkt und die andere frei läuft. Die am Ausgang des Verstärkers 6 erscheinenden Signale werden mit Hilfe eines Wählers 7 zwei oder mehreren symmetrischen Signalformungsstufen 8 und 9 zugeführt. Die Stufe 8 empfängt ein erstes Signal vom Magnetband, während ein zweites Signal einer zweiten Stufe 9 zugeführt wird, die parallel zur ersten angeordnet ist, wobei die Auswahllenkung zur einen oder anderen Signalformungsstufe vom Wähler 7 vorgenommen wird. Die von der Signalformungsstufe kommenden und geeichten Impulse werden über eine Leitung 10 einer Steuerfunkenstrecke 11 zugeführt, in der diese einen schwachen Funken erzeugen. Dieser Funke bewirkt die Leitfähigkeit dieser Funkenstrecke und löst die Entladung einer Kondensatorenbatterie 12 aus, wodurch es zu einer Funkeneendung zwischen den beiden Elektroden 13- -kommt,. -·,. -

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In d©r gl@Iefe@n Z®it_p in der dar Impuls der Steuerfunkenstrekke 11 %ng®£Wa£t wird_ff wirkt d@r In§puls auf eine Verzögerungsstuf@ 14ρ eH© b©ispi©lsweis@ durch ©in© monostabil® Kippstufe dargestellt wircL lsi if®ltmr®n Verlauf wird der verzögerte Impuls über di© Leitung 15 ©Inem Haißkathoden^Thyratron zugeführt und öffnet dieses_o

In gleicher Weis© tflrd auch das folgende Signal der SignaifosmmigsstGf© S öad aaschlicBend dsr Steuerfunkenstrek-

ke 10 iiagefüh^tp u©aa©h ©s sia ©iner Entlad^mg ©inar Kondensatorenbatfeeri© W ober dl© Elelctrodsn 20 koraat,, Das gleiche m miä döseh ©In© moaoistabll© ICippstuf® 21 ^©rsSgerte Signal wird über ©iae isiteng 22 ©Inem Thyratron 23 zugeführt,

Der GlelshrIsIit©£"traasfcsiaator 24 besteht aus ainem DrshstroM^Aöfwäs'tstE'aiiii^QSffiator'c) ©£ώ®μ ^osj F©stdiod©ii hoher Spanaeagsf©stigk©it g®bild®t©n GleiAriAfeer^ einem Drossel» filtez¹ issid ©isMSE¹ Koa^sao^to^ssAattQ^iiio Dissstsz' TrsBisfoEiEator liefert ©ia©" Spasmöag <w&st 11 kV·

Bei @Ia@ffi bd'jFiOE'Siagtea Aufbau fe©f£iad©a sich dl© Elekteodea 13 raad 20 g^eiinaades' ia geringem Safef©rauag in ®ia®a Block aus lsolleffcsadsm Material _β Äußerd®sa s£®ä die'Steuerfmttkenstorek— ken mit ©ines¹ V©atilatio2i ^©rseSiea, dl© aa©h der Kondensatoren-

ioai@i@rt@n Luft bewirkt·

ä@s in Flg. 1 gezeigten Betrisbsg^s-lt© ^IMßt sieh wiefolgt

® Ip ®£a© Spaaiiung von 380 ¥^50 Hs uiagefarmt wird, wobei di© Leistung d@s Wechs©lrlsht@r® 50 kW beträgt.

Dez· oleiehs-lehteEtransforsoätor 24 liefert an seine Klemmen ©in© sjehs" höh® Spasmwig von 11 kV, Dies© Spannung wird «inen Ladekreis ®la©r !©a<äen@ator©nbatteri© IS sug®führt, die mit einem Heißkathodsa^Kiyratsoa sw^ie ©iner ¥®rdopplsrdroesel ausgerüstet istρ wwQa letzter® mit der Itoaiansatprenbatterie 19

ist. Die Zwischeaselialtung der Drossel hat Kondensatorenbatt®ri@ wie ein Resonanzkreis arb©It®t₀ &®s ©la,® Spit&enspannung von 22 kV liefert. Diese Span-

«4«qO1*2S/Q1M _BA0 original *·' \,

nung wird allerdings durch die Thyratron® 16 and 23 gesperrt· Sobald nun diese Thyratrons 16 und 23 leitend geworden sind, verwendet man diese Spannung sot Aufladung der Kondtoaatorenbatterien 12 und 19.

Erreicht nun ein auf dem Band 2 eingeschriebenes Symbol den Abtastkopf 3, so erzeugt es einen elektrischen Impuls, der durch 6 verstärkt wird und d©r SigaaIformimgsstufe 8 zur Verfügung steht. Im Anschluß daran läßt dieses Signal die Steuerfunkenstrecke 11 leitand werden, woraufhin die in der Kondensatoranbatterie 12 gespeichert© Spannung wn 22 kV zu den beiden Elektroden 13 gelangt. Zwischen den Endpolen der beiden in einer isolierenden Keramlkamffe befindlichen Elektroden tritt nunmehr ein Funke mit eiaer Stärke von 100 Joule auf, wodurch die 0,4l-Mikrofarad*°K6ndensatx>ren entladen werden. Die Entladezeit beträgt in der Regel 1 bis 100 Mikrosekunden ■„

Nach einer gewissen von der Veraögerung^stufe 14 bestimmten Zeit wird das elektrisch© 'Steuersignal dem Thyratron 16 zugeführt _s das hierdurch öffnet und leitend wird. Der Gleichrichtertrans forraator 24 lädt nunmehr di© K©nd@asatorenbafct®ri® 12 solange aaf, wie der Ladestrom noch ffiaer &®m S tr em liegt^ der dem direkten Hitsstrora d@s Thyratrons IS ©fitspricht»Die Steuerelektrode dieses Shyr&tsrona Ii .ist äußere!*», ständig n§^e gativ polarisiert un<ä sswas" dusefo <aia© Spanaimgi, d@r@si Werfe

geliefert wJxcL Ätaf eütss© Weis© iit aesstahs· da© Äyrateoa großer Sicherheit g^spo^rfe «md j©glleSa© Mngowllte lüadimg <äer Hochspannungsquelie ausgeschlossen·

Die Arbeitsweise der ^w©lt©n S©M^Lifeit 1st mit der der ersten Einheit identisch.

Hiervon abgesehen, wurden %w®± Einheiten dargestellt^ sv/ischen die eine große Asisahl. von Scsndeeinhisiten g®sshalt®t werden känne^_e F@rK©E· wird ams ^!©sqe¹ DaE'SfcsIIraig detatlteti;? man der Erfiaiäiasaf ®utQp£©eh®nä üb©^ % te

dog¹ teSaosa fissik^Esahl ia ctaff

Bei einem speziellen Aufbau kann das Magnetband rere Spuren besitzen, wobei jede Spur als Adresse eine Kette von Kondensatoren sowie Lade- und Entladelemente besitzt_β

Das erfindungsgemäße Betriebsgerät ermöglicht insbesondere die Aussendung von Signalen mit Hilfe zweier Kond@n~ satorenbatterien 12 und 19, wobei diese Signale im Verhältnis zueinander in Koinzidenz oder phasenverschoben auftreten trad diese Koinzidenz oder Phasenverschiebung wiederum durch die Koinzidenz oder Phasenverschiebung der auf dem Magnetband 2 eingeschriebenen Symbole gesteuert wird. Hieraus ist numraehr erkennbar, daß die zwischen den Elektroden 13 und den Elektroden 20 auftretenden Funken entweder in Koinzidenz oder phasen·» verschoben auftreten.

Fig_o 2 seigt ein weiteres Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßer), Betriebsgeräts_β Bei 25 liegt eine Wechselspannungsquelle, die mit einem Aufwärtstransformator 24 verbunden ist, an dessen Ausgang ©in eingebauter Gleihrichter eine Spannung von beispielsweise 22 kV abgibt» Eine der Ausgangsklemmen dieses Transformators ist mit Masse verbunden, während die andere Klemme mit einem Spannungsabgreifer 29a verbunden ist» Dieser Spannungsabgreifer berührt eine Reihe von Leitersehienen, die auf einer Trommel 28 liegen _g wobei diese Trdmmel-von einem Elektromotor 26 angetrieben wird,? der den Strom von der Spannungsquell© 25 ©rhälto Berührt d@r Spannungsabgreif©r 29a ein® der von der Trommel 28 g®t%&g®nmn L©ifeerschienen_# s._eB_e dis Schiene 2Sa^ so wird dies© worn SfesOsa dugehflossen₀ D©r mife der Schiene 28a sur glslehen. Emit mit dem Spaoauagsabgrelfer 2Sa in Berührung kommend© Spannung®afofr©±for 29b ©rapfängt diesen elektrischen Strom und warw©nd@t diesen sur Ladong ©Iner Kon« densatorenbatterie, z.B. der Balteria 19. Der Motor 26 bewegt eine Scheibe 26a, auf der sich eine Anzahl Kontakte befinden, die gegenüber den Schienen 28a, 28b, 28c, 28d versetzt sind. Sin Schaltschütz 26b , das mit der Spannungsquell® 25 verbijn«»» den 1st, berührt die Seh@±b© 26a, auf die ebenfalls ein zweites Sehaltsehüts 26© wirkt. ¥erfoindet ©ine auf des Scheibe 26a

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BAD OFHQINAL

Es besteht die Möglichkeit , zwei oder mehrere Betriebs geräte miteinander su kombinieren_ff wobei die verschiedenen Motoren 26 synchronisiert werden kdtinen. Hierdurch erhält man gleichzeitig auftretend© Entladungsfunken sowie eine Amplitudenänderung der gesendeten Signal©. Die Zeitintervalle, während denen die Gatter 27a der einzelnen miteinander verbundenen Geräte geöffnet B±na_e können unabhängig voneinander eingestellt werden _s wodurch man di© verschiedenen und das Sendesignal bildenden Erschüttenangswellen beliebig modulieren

Bei einer Variante des obengesebilderten Betriebsgeräts

wurde auf die Spannun^abgreifer 29a und 29b verzichtet.

Pig ο 3 zeigt die Strosnkennlinie des Entladekreises in Abhängigkeit von der Zeit, wobei dieser Strom einen Elementarimpuls erzeugt^ der die Anstiegszeit des- Entladestroms ohne weiteres erkennen läßt, d_eh_e die Zeit, während' der der über die Funkenstrecke gelangende Strom zunimmt. Außerdem wird die Abfallzeit entsprechend der Entladung der von den Kondensatoren 19 gebildeten Kapazität ersichtlich.

Dieser Elementar*°Snergieiiqpuls wird in der weiteren

Beschreibung als _mS£M<M^m bezeichnet,

Fig. 4 zeigt ©ine Reihe von Impulsen^ die von einem wie dem in FIg„ 2 dargestellten Gerät ausgesendet werden, bei dem 10 Elektrodenpaare kosnbiniert wurden. Der erste dargestellte Energieimpuls entspricht der Sendung von fünf „Sonons", d.h. daß 5 der 10 Geräte durch öffnen der 5 UND-Gatter 27a synchronisiert wurden _β Der zweite Energieimpuls entspricht der Sendung von 6 Sonons, d.h_a daß S von 10 Geräten durch öffnen der 6 UND-Gatter 27a synchronisiert wurden. Der dritte Energleimpula entspricht d©r Sendung von 7 Sonons, der vierte der Sendung von 8 Sonons, der fünfte der von 9, der sechste der von 10, der siebente der von 9, usw.

Nach dem fünfzehnten Impuls, der der Aussendung eines einzigen Sonons entspricht, beginnt ein neuer Kreislauf, in dem ein, zwei, drei, vier Impulse ausgesendet werden, um eine entsprechend der zweiten in Fig. 4 dargestellten Gruppe gemäße Sendung %® erwirk®»» Im Anschluß daran wird noch eine dritte sowie eine vMrt@ tesppe gesendet. Bei dieser Sendung arbeiten

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BAD OFMQlNAL

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die einzelnen Motoren 26 mit konstanter Geschwindigkeit, wodurch ebenfalls die Wiederholfrequenz der einzelnen Impulse konsteint gehalten wird_e Die Synchronisierung der UND-Gatter 27a übernehmen die auf dem Band 2 eingeschriebenen Symbole.

Nach einer gewissen Bodendurchlaufseife stellt-man fest, daß die^wie in Fig_o 4 angegeben, ausgesendeten'Elementardruckwellen nicht einzeln-erscheinen, sondern ein© Hüllkurve entsteht, die einer Sinuskurve
achse um einen Wert gleich einer halben verschoben istf woraufhin alle Ordinaten positiv siad_e

Fig. 5 zeigt eine weitere Impulsfolge? bei- äuz während der ersten sehn Impuls© ein einziges Gerät arbeitet^ während der zehn folgenden Impulse zwei Gerät© synchronisiert sind, während den sehn darauffolgenden Impulse drei Gerät® synchronisiert sind? im Verlauf von weiteren sehn Xnqsulsen sind nunmehr nur noch zwei Geräte synchronisiert und während der wiederum zehn darauffolgenden Impulse arbeitet nnz noch ein einziges. Gerät. Auf diese Weise erzieit man eine Einheits-Erschüt terungswelle , die sich im Boden fortpflanzt xmä von der man im wesentlichen die Hüllkurve empfängt^ dadurch bedingt, daß der Boden sich gegaüber den Einheitsimpulsen wie ein Filter verhält. Diese Erschütterungswellenfolgen können aufeinanderfolgend wiederholt werden _t wobei di© Dauer <Si@@©r Wellenfolgen entsprechend der uffnungs- mid Seh ließet des UND-Gatters 27a verändert werden kauiu

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der zweiten Erschütterungswelle wird eine dritte Erschütterungswelle ausgesendet. Während der dritten Erschütterungswelle werden neun Impulse ausgesendet, während der vierten schließlich 24 Impulseβ Im Anschluß hieran kommt es zur Sendung einer fünften Erschütterungswelle der Dauer der dritten Welle und zn einer sechsten Erschütterungswelle der Dauer der zweiten wia su einer siebenten Erschütterungswelle der Dauer der erst©« Welle. Die Dauer der Ersehütterungswellen sowie die Unterbreehwaasintervalle sind in der Weise gestaffelt, daß die Aufzeichnung bei optischer Dichte auf einem Film der in Fig. 7 dargestellten Erschütterungswelle einem Streifen entwicht, der aus einer Reihe £ von Newtonschen Ringen ausgeschnitten ist, wobei die Angahl der genannten Impulse lediglich zur Erläuterung erfolgte.

Die einzelnen Funken erzeugen Druckwellen, die sich zeitlich .wiederholen. Auf diese Weise erhält man eine Reitn© von Druckwellen^ die als Erschütterungswelle bezeichnet wird. Dia mittlere Dauer der Druckwelle sowie die Dauer der ünterbrechungs intervalle zwischen den einzelnen Erschütterungswellen können stark abweichen und ihre Staffelung erfolgt lediglich mit Hilfe der Symbole,, die auf dem Magnetband eingeschrieben sind, das unter dem Äbtastkopf 1 vorbeiwandert.

Aus dieser Darstellung geht insbesondere hervor, daß

eine Erschütterungen© innerhalb einer gewissen Zeit T ausgell sendet v/erden kann» Diese Erschütterungswelle der Dauer T wird durch eine Folg® von auf dem Magnetband 2 ähgesehrieb©a@B Sym-

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BADORieiN^L

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wissen Eigenperiode» Man erhält somit ebenfalls eine' Druck«=* welleβ deren Gesamtdauer der Dauer der Srschütterungswelleentsprich£_o in gleicher Weis© ©anfängt man nunmehr die Hüll«= kurve der ausgesendeten Iffi^ulse_ff deren Implitude gegenüber der der .anderen Impulse in einem Verhältnis ^©ritdadert ist_p das sich nach, dem Verhältnis der Send®·= und Ruhezeiten während der Dawar der Erschüfcterungswelle richtete

Das Betriebsgeräfc arbeitet ammishE wie ein W^S®näer_s ^jobei die Frequenzdauer veränderlich «nä n&eh Belieben ©instellbar isfeo Die Sende- bg^_e Rüh©g@iträ?aats zwischen jeder Erschlt=· terraspwelle können beliebig Isag gewählt werden _o Insbesondere arbeitet dieses Betriebsgerät wie ein Sender sehr tiefer Fre== a guenseni, dessen Bereich nach unten praktisch unbegrenzt ist_o Ia gleicher Weise kann «liases Betriebsgerät auch als iffi-Sen» der verwendet werden, mit dessen Hilf® Druckwellen ©ia@r Frequenz von über I₈OOO He erzeugt wesä®n können „ Zudem @r^g» licht die ausgesendete Druckwelle ©inen sehr gwten Wirkungs·=» ^^ra ° Analog siir Datenaögwahl^ bei der Mouasntiferte ©ia@r Funk«= tion ausgewertet bzw_o die Punktion dwreh M©M©atw@rt© ausgedrückt wirdff kann man hier von einer gestaffelten Sendung sprechen^ äah» beim Aussenden von Signalen eines bestiisBat@n'Wertes und zu bestinmiten Zeitptmkten sendet man außer den El@si®ntarimpul«» sen eine Druckfunktion _t deren Period® durch die Sendezeit definiert wirdo Ss treten hierbei deamach Niederfrequenzerscheinungen aufg wobei hinzuzufügen ist, daß der Boden niedere Frequenzen ^% ™ besser überträgt, die überdies b©i ihrer Fortpflanzung weniger gedärnpft werden»

Hiermit werden die Vorteile des in Fig« I dargestellt Betriebsgeräts sowie seine Anpassungefähigkeit klar ersichtlich, insbesondere hinsichtlieh der JUissendung von ausgewählten Signalen unterschiedlicher Sffcken.

Mit Hilfe des die Syitahole tragenden Magnetbandes erfolgt nun die Koinzidenz oder Phasenverschiebung der von verschiedenen Ketten gesendeten Signale untereinander_β überlappt man bei einer Variante mehrere Sendeketten, ßo erwirkt man dadurch eine Sendung,

BAO ORJGIfSWl

die einem in geringer Entfernung vom Sendegerät stehenden Betrachter als absolut gleichmäßig erscheint, vorausgesetzt, daß die Elementarunterbrechungszeiten der ersten Kette durch Sendeintervalle anderer Ketten ausgefüllt sind.

Hieraus wird ersichtlich, daß bei Koinzidenz zweier Ketten zu einem, bestimmten Zeitpunkt die Sendung eines Signals doppelter Amplitude erfolgt.

Das in Fig«, 2 gezeigte Betriebsgerät bietet bei gleichen Vorteilen eine noch größere Anpassungsfähigkeit.

Die Erfindung umfaßt gleichermaßen die Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsgeräts auf die seismische Untersuchung des Erd» und des Meeresbodens.

Die Anwendung auf den Meeresboden ist einfach. Die Elektroden befinden sich in einer gewissen Tiefe und die Sendung erfolgt durch Schaffung eines Plasmas, aus dem wiederum Elementardruckwellen entstehen. Beim Auftreffen auf dem.Boden werden die Druckwellen in Signale bestimmter Dauer umgewandelt und pflängen sich im Meeresboden mit der ihnen eigenen Frequenz fort. Die hferzu verwendete Leistung ist beträchtlich, denn jeder Elernentarfunke erzeugt beispielsweise 100 Joule; verwendet man einen Sender mit 10 gekoppelten Ketten, so kann man während einer Sendedauer von einer Sekunde eine elektrische Leistung von 50 Kilojaule abstrahlen.

Infolge der rechteckigen Form der ausgesendeten Wellen weist das Signal eine steile Front auf und kann somit leicht mit dem von einem Detektor bzw. Seismographen empfangenen Signal korreliert werden und zwar nachdem dieses Signal von einem Spiegelreflektor bzw. Horizontspiegel reflektiert wurde. Die Interkorrelationsfunktbn des empfangenen und des gesendeten Signale kann von irgendeinem Gerät, insbesondere mit Hilfe eines Rechners herbeigeführt werden, dem die Daten des vom Generator gesendeten Signals zugeführt werden, wobei das Signal zur Abbildung des übertragenen Signals gefiltert werden kann und die Aufzeichnung des empfangenen Signals von einem Detektor vorgenommen wird, der sich im Meer befindet und die empfangenen Schwingungen in ein elektrisches Signal umwandelt.

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Die Interkorrelationsfunktion komprimiert die empfangenen Signale und ermöglicht die Bestimmung der Laufzeit der einzelnen Wellen. Diese Reclmoperation entspricht einer Ermittlung der Verschiebung zwischen den beiden Funktionen, die die zu verschiedenen Zeitpunkten gesendeten und empfangenen Signale ausdrücken und für die man eine maximale Kohärenz erhält. Der Sendezeitpunkt wird durch die Autokorrelationsfunktion des gesendeten Signals bestimmt· Die Laufzeit der mechanischen Bodenwellen erhält man durch Vergleich dieser beiden Funktionen.

Die mechanischen Wellen können auf verschiedene Art μ ausgesendet werden. So kann man einmal während einer bestimmten !Zeit eine Wellenfolge mit fest zugeordneter Frequenz aussenden und nach einer gewissen Zeit eine Wellenfolge unterschiedlicher Frequenz nachsenden. Hierbei wird in der Weise verfahren, daß die Wellenfolgen zu einem bestimmten Zeitpunkt, vorzugsweise zu Sendebeginn, in Phase liegen. Dies wird durch Verwendung eines Programmiarbandes erreicht* woraufhin die empfangenen Signale addiert werden. Ein reflektiertes Signal wird somit verstärkt, da alle mit dar gleichen Phase gesendeten Signale in Koinzidenz liegen und da das seiner Natur nach ungewisse Grundgeräusch sich zumindest teilweise aufhebt. Man erhält somit eine Bestimmung des Horizontreflektors, die umso genauer ausfällt, je größer der Anteil der gesendeten mittle- I ren Frequenzen ist· Dieses Verfahren ist insofern aehr interessant, da man die Horizontspiegel in ständig angenäherter Form beobachtet. In gleicher Weise können auch Ia^uIefolgen b«w. Wellenfolgen verwendet werden, eisresi Program die Frequenaetaffelung bestimmt, wobei die Korrelationsfunktionen verwendet werden müssen.

Es wurde ein spezielles Sendeverfahren festgelegt, daß sich für die optische Korrelation als besonders vorte&haft erweist. Zur näheren Definition dieses Verfahrens sollten einige Begriffe der klasslechen Physik angeführt werdest·

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Es ist bekannt, daß beim Auftreffen eines kohärenten Lichtbündels auf einer aus einer reflektierenden Platte und einer durchscheinenden Kugelschale bestehenden Anordnung (die Kugelschale liegt hierbei an einem Punkt auf der Platte auf) eine Anzahl von Interferenzstreifen sichtbar wird,die als „Newtonsche Ringe"bezeichnet werden.

Bewegt man sich von dieser Ringdarstellung ausgehend entlang eines Durchmessers, so bemerkt man einen ständigen Wechsel der Lichtstärke,gemäß einem Gesetz, daß wir als Gesetz der Newtonschen Ringe bezeichnen.

Bei einer Variante folgt das Gesetz der Intensitätsverteilung der Erschütterungswellen einem Gesetz der Newtonschen Ringe.

Bei einer weiteren, einfacheren AnwendungsVariante ersetzt man die Erschütterungswellen veränderlicher Amplitude durch Erschütterungswellen konstanter Amplitude, die durch UnterbrechungsIntervalle voneinander getrennt sind. Das Verteilungsgesetz der Medien jeder dieser Erschütterungswellen eitspricht dem Verteilungsgesetz der Intensitätsmaxima im Gesetz der Newtonschen Ringe und die Medien der Unterbrechungsintervalle entsprechen den Intenaitätsminima des Gesetzes der Newtonschen Ringe.

Eine Anwendung auf die Geophysik der Erde ist möglich. Hierzu wird das Sendegerät, d.h. insbesondere d@r die beiden Elektroden ©nthaltenfe Isolierkörper, der mit den Kondensatoren und der Entladevorrichtung verbunden ist, in einen Hohlraum gebracht, der mit einer Flüssigkeit, s.B„ Wasser, angefüllt ist. Die Signale gelangen somit in das Wasser und werden in den Boden übertragen. Die Verbindung zwischen awei Punkten kann somit durch genaues Modulieren der ausgesendeten Walisn erfolgen, die sich infolge ihrer schwachen zugeordneten Frequenz über sehr große Strecken fortpflanzen·

Fig. 8 zeigt schematisch die Verwendung des erfindüngsgemäßen Betriobsgeräts für die seismische Erforschung des Meeresboden© ₀

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Auf dem Schiff 31 sind Stromquelle und Sigmalg@nera° tor montiert und als Einheit mit der Kennziffer 32 b@g@iehneto Bin Kabel 33 verbindet den Signalgenerator mit den in einem Isolierzylinder 34 liegenden Elektroden, wobei das Ende der Elektroden um einige Millimeter aus der Rückseite des Isoliercylinders 34 teausragt®

Sendet man bei 34 Signale aus,so entsteht wie vorher beschrieben eine Anzahl Funken^ die ihrerseits mechanische Wellen erzeugen, die sieh im flüssigen Medium 45 fortpflanzen. Die gleichen Wellen pfknzen sich nunmehr auch unter dem Meeresboden 44 fort, wobei die mit 35 ₀ 36 «nd 37 bezeichneten Bahnen beschritten werden. Nach überschreiten der Mediumgrenge zwischen flüssigem Medium 45 und festem Untergrund 44 werden diese Wellen an einem Horizontspiegel 38reflektiert. Diese reflektierten Wellen werden wiederum von den Seismographen 39, 40 und 41 erfaß t, die mit einer Datenverarbeitungseinheit 42 verbunden sind, die die Aufzeichnung der von den S®isa©graphen 39 _e 40 und 41 kommenden Signale vornimmt»

In Flg. 8 wurde die Datenverarbeitungseinheit auf dem zweiten Schiff dargestellt, di© jedoch in gleicher Weise auf dem ersten Schiff 31 untergebracht sein kann. Die Kennziffer 46 bezeichnet außerdem eine WeIIe₉ die von den Seismographen nicht erfaßt wird.

Die Arbeitsweise des verwendeten Betriebsgeräts ist einfach? Die Wellenfolgen gelangen in das Medium A4 mit einer Verstärkung, die vom Anteil der Niederfreguenzwellen abhängt imd gelangen als solche in den Meeresboden. Die gleichen Wellen v/erden am Horizontspiegel 38 reflektiert und von den Seismographen 39 j, 40 und 41 aufgenommen«, Die Inter !correlations funktion dee bei 38 gesendeten Signals sowie jedes bei 39, 40 und 4% empfangenen Signals führt zur zeitlichen Zusammenführung der verschiedenen und zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bei 34 ausgesendeten mechanischen Wellen und bietet eine Darstellung, die einer solchen bei Empfang eines Impulssignals bei 39, 40 und 41 vergleich-· bar wäre» Die Verwendung dieser Xntärkorrelationsfunktionen und

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der Autokorrelationsfunktion ermöglicht die Bestimmung der Bodenlaufzeit der mechanischen Wellen. Da andererseits die Wellengeschwindigkeit eine bekannte Größe ist, wird die Tiefe des Horizontspiegels 38 hieraus abgeleitet.

Fig. 9 zeigt die Sendung eines vom erfindungsgemäßen Betriebsgerät verwendeten Signals für die Bodenuntersuchung.

Der Signalgenerator 50 sendet über die Kabel 51 Signale zum Sendekopf 52, der in einen mehr oder weniger großen Hohlraum (wassergefüllt) getaucht ist.

Vorzugsweise sollte der untere Teil dieses Hohlraumes unterhalb der verwitterten Oberflächenzone ("Weathering zone") liegen.

Nach Ingangsetzung des Signalgenerators 50 kommt es bei

52 zur Aussendung von Signalen, die im Boden gruppenweise mit einer niedrigen Frequenz übertragen werden.

Die Bezugsziffern 55 und 56 bezeichnen bevorzugte Bahnen der Ttellenfolgen, die nach Reflektierung am Horizontspiegel

53 auf den Bahnen 57 und 58 zurückkehren und von den auf der Bodenoberfläche oder in gewisser Tiefe in den Hohlräumen aufgestellten Seismographen 63 und 64 empfangen werden. Eine Datenverarbeitungseinheit 65 analysiert die von den Seismographen

63 und 64 ausgesendeten elektrischen Signale. Die die Bahnen und 60 einschlagenden Wellenfolgen werden ebenfalls von einem zweiten Horizontspiegel 54 reflektiert und werden nach Rückkehr über die Bahnen 61 und 62 von den gleichen Seismographen 63 und

64 aufgenommen, die mit der Datenverarbeitungseinheit 63 (?) verbunden sind.

Die Zeitspanne zwischen der Ankunft der beiden in Koinzidenz gesendeten Signale ermöglicht die Bestimmung der Entfernung zwischen den beiden Horizontspiegeln 53 und 54. Diese Zeit ist umso genauer definiert, je größer die Genauigkeit der Interkorrelationsfunktion des empfangenen und des gesendeten Signals ist, d.h. je größer der Frequenzbereich der empfangenen Signale ist.

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Claims (1)

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   SociÖte" Nationale des PStroles d^fAquitaine, Courbevoie, Tour Aquitaine (Frankreich)

   Patentansprüche :

   Geologisches Untersuchungsverfahren für Gestaltung und Aufbau eines Mediums entsprechend dem man einem Medium von einem Sendezentrum aus eine Folge von Erschütterungswellen in Form eines Signals überträgt, dessen Komponenten, die unterschiedlichen Wellenausbreitungsbahnen entsprechen, in zumindest einem EmpfangsZentrum aufgenommen werden, um diese dort zur Bestimmung der Laufzeit mit dem Erstsignal zu korrelieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Erschütterungswellenfolge durch zeitlich gestaffelte Erschütterungswellen gebildet wird, wobei jede Erschütterungswelle von einer Reihe von Impulsen gleicher Richtung erzeugt wird und jeder Impuls die Kombination von Elementarimpulsen gleichbleibender Amplitude ist.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von mindestens zwei Sendegeräten ausgesendeten Impulsfolgen untereinander kombiniert werden, um die Amplitude der Erschütterungswelle in der Zeit ihres Auftretens mit Hilfe einer Zentralsteuereinheit zu verändern.

   Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einheitsimpuise synchron ausgesendet werden.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erschütterungswellen voneinander durch uhterbrechungsZeiträume getrennt sind.

   Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Erschütterungswellen zeitlich veränderlich ist und die Minima- und Maximaaufteilung der Minima- und Maximaaufteilung der Lichtstärke entlang eines Durchmessers eines In-

   irop. _SPl/533 _109g2S/01a9

   terferenzbildes in einem System Newtonscher Ringe ähnlich ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Symmetrieachsen der Erschütterungswellen entsprechenden Zeitpunkte einerseits und die die Erschütterungswellen trennenden UnterbrechungsZeiträume andererseits in der gleichen Weise verteilt sind, wie die Maxima und Minima der Leuchtstärke entlang eines Durchmessers eines Interferenzbildes oder Bildes der Newtons chen Ringe.

   7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Impulse durch eine elektrische Energiequelle erzeugt werden.

   8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Energieimpulse von einer Funkenstrecke erzeugt werden.

   9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Hüllkurve der Erschütterungswellen zugeordnete Frequenz zwischen 0,1 und 1000 Hz liegt.

   10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulswiederholfrequenz zwischen 5 und 100.000 Hz liegt.

   11. Betriebsgerät zur Anwendung des erfindungagemäßen Verfahrens, bestehend aus einer elektrischen Spannungsquelle (25), einem Gleichrichter/Aufwärtstransformator (24), Vorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie (19) sowie aus Schaltmitteln für die zeitweilig unterbrochene Verbindung zwischen den Speichervorrichtungen (19) und dem Ausgang des ^leichrichter/Aufv/ärts trans forma tor s (24), ferner Vorrichtungen zur Funkenauslösung und Funkengeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsgerät mehrere Entladeelemente besitzen kann, die mit einer gemeinsamen Funkenauslösevorrichtung und einer einzigen Energiequelle verbunden sind.

   12. Betriebsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschaltelemente durch eine isolierende Trommel (28) gebildet werden, die zumindest eine Leiterschiene (28a) trägt, von einem Motor (26) angetrieben wird und die Kurzschlußverbindung zwischen dem Ausgang des Gleichrichtertransformators (24) und den Vorrichtungen zur Speicherung von Energie (19) herstellt. _{ßÄ0 mmmL} ^ ^

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   13. Betriebsgerät nach Anspruch X2 _f dadurch gek«nnzeldh&@t, daß die Funkenauslösevorrichtung von einer Steuerfunkenstrecke (11) dargestellt wird* die aus zwei parallelen Platten besteht, zwischen die eine Steuerelektrode eingefügt ist, die nur dann einen Steuerfunken abgibt, wenn ein von einem Magnetabtastgerät geeteuettee logisches Organ eine zeitweise aussetzende Spannung durchläßt, deren Frequenz gleich der Schaltfrequenz der Energleepeichervorrichtungen (19) ist und deren AuftrittsZeitpunkt um einen festen Wert gegenüber dem Zeitpunkt des Ladebeginne durch die Energiespeichervorrichtungen (19) verschoben ist;

   14. Betriebsgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösevorrichtung im Entladekreis der Energiespeichervorrichtungen (19) liegt»

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