DE4239224C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von strukturellen Veränderungen in festen Körpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von strukturellen Veränderungen in festen Körpern. Dabei werden elektrische Feldstärkeänderungen detektiert, die durch Laständerungen, mechanische Spannungen u. a. im Material erzeugt werden. Das vor­ gestellte Verfahren und die entsprechende Meßvorrichtung ist insbesondere geeignet zur Registrierung geo­ elektrischer Feldänderungen und kann somit zur Vorhersage oder Auswertung von vulkanischer Aktivität oder Erdbeben verwendet werden.

Es ist bekannt, daß feste Körper aus nicht- oder schlecht­ leitendem Material bei Laständerungen und Auftreten innerer mechanischer Spannungen in ihrer Umgebung elektrische Feldänderungen hervorrufen, die von empfindlichen Meßsonden auf genommen werden können. Diese mechanischen Spannungen sind häufig korreliert mit der Entstehung von Rissen oder Brüchen innerhalb des Körpers. Durch Registrierung der Feldänderungen können daher Aussagen über strukturelle Veränderungen wie z. B. Materialermüdung, Verformung oder Rißbildung gewonnen werden. Da die auftretenden Feldänderungen nur sehr geringe Intensität aufweisen sind spezielle Maßnahmen zu treffen, um Störsignale zu unterdrücken, die z. B. durch das Stromnetz oder von Sendeanlagen erzeugt werden.

In der DE OS 40 04 170 ist ein Verfahren und eine Meßanord­ nung zur Überwachung des Auftretens oder Ausbreitens von Brüchen oder Rissen in Materialien beschrieben. Zur Erfassung der elektrischen Feldänderungen sind leitende Sondenelemente in verschiedenen Ausgestaltungen angegeben, die dem jeweiligen Meßobjekt angepaßt sind. Die in den Sonden angeregten Signale werden von einer separaten elektronischen Schaltung verstärkt und anschließend von einer Aufnahmeeinheit registriert. Zur Reduzierung elektrischer Störungen sind unterschiedliche Bandpaß­ filter vorgesehen. Als untere Grenzfrequenz wird eine Frequenz von 100 kHz angegeben. Signale mit geringerer Frequenz werden bei dieser Anordnung vollständig unter­ drückt, so daß nur relativ hochfrequente Signale re­ gistriert und ausgewertet werden.

Eine andere Methode und Vorrichtung speziell zur Messung von elektromagnetischen Wellen, die durch mechanische Spannungen im Erdmantel erzeugt werden, ist beschrieben in dem US Patent Nr. 4 837 582. Dabei wird als Antenne eine metallisch leitende Sonde tief in den Erdboden (ca. 1000 m) eingebracht. Die Länge der Sonde ist abgestimmt auf ¼ der Wellenlänge geoelektrisch erzeugter Wellen im Frequenzbereich um 3 kHz. Mit dieser aufwendigen Anord­ nung wird erreicht, daß nur ein enger Frequenzbereich optimal von der Antenne aufgenommen wird und daß nieder­ frequente Störsignale von der Erdoberfläche nur in abgeschwächter Form die tief eingebrachte Sonde er­ reichen.

Das europäische Patent Nr. 0 067 924 beschreibt ebenfalls eine Methode zur Vorhersage von Erdbeben. Zur Registrie­ rung wird eine Sonde verwendet, die aus zwei gleichen, im Abstand von ca. 100 m galvanisch in den Erdboden einge­ brachten Metallelektroden besteht. Durch elektronische Filter werden Störsignale in der Weise unterdrückt, daß nur elektrische Signale im tiefen Niederfrequenzbereich unter 2 Hz aufgenommen und verstärkt werden.

Der genannte Stand der Technik macht deutlich, daß ein besonderes Problem bei der Detektierung von elektrischen Signalen, die durch mechanische Spannungen erzeugt werden darin besteht, Störsignale wirksam zu unterdrücken.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der aktuellen Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Methode und Vorrichtung zur Registrierung von strukturellen Veränderungen in festen Körpern zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird dies entsprechend den Ansprüchen erreicht durch eine neuartige Sonde, die zum einen durch ihre Gestaltung und zum andern durch die Implementierung elektronischer Komponenten eine hohe Verstärkung der empfangenen Signale bei einem gleichzeitig besonders niedrig gehaltenem Störpegel ermöglicht. Dazu besteht die Sonde aus mindestens zwei unterschiedlichen Elementen aus leitfähigem Material. Ein Element ist großflächig ausge­ bildet und auf der Oberfläche oder in der Nähe des zu messenden Körpers angebracht. Ein anderes Element, welches kleinere Abmessungen als das erste aufweist, wird in einen Hohlraum des zu messenden Körpers elektrisch isoliert installiert. Das großflächige erste Sondenelement dient als Bezugselektrode, d. h. alle Potentialänderungen des kleineren Sondenelements werden gegen das Potential dieser Elektrode verstärkt und registriert. Eine Erhöhung des Abstandes vom Nutz- zum Störsignal kann dadurch erzielt werden, daß die elektronische Schaltung zur Verstärkung ebenfalls in den Hohlraum des zu messenden Körpers eingebracht ist.

Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des folgenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen Sonde;

Fig. 2 eine Ausführungsform mit Abschirmungseffekt;

Fig. 3 die Anordnung der Verstärkerelektronik innerhalb eines Sondenelements;

Fig. 4 eine Kombination mehrerer Sonden;

Fig. 5 eine spezielle Ausführung der Sonde mit hoher Empfindlichkeit (Seitenansicht).

Fig. 1 zeigt eine Sonde 1, die aus zwei unterschied­ lichen Sondenelementen 2 und 3 besteht. Die Sonden­ elemente bestehen aus elektrisch leitendem Material, z. B. Metall. Ein Element 2 ist auf der Oberfläche des zu messenden Körpers 10 angebracht und kann über die gesamte Oberfläche in galvanischem Kontakt mit dem Körper 10 stehen. Alternativ kann dieses Sondenelement 2 auch in unmittelbarer Nähe des zu messenden Körpers 10 in der Weise angeordnet sein, daß es einen Teil der Objektober­ fläche umgibt. Dabei ist die Form des Elements 2 nicht auf die Ebene beschränkt, sondern kann Unebenheiten wie Wölbungen oder Vertiefungen folgen. Ebenso kann das Sondenelement auch aus mehreren Teilen 21, 22, 23, 24 bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Je nach Größe des zu messenden Körpers (Bauwerk, Brücken­ pfeiler o. a.) ist auch eine vollständige Umhüllung möglich. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 als Schnitt schematisch dargestellt.

Das zweite Sondenelement 3 befindet sich im Inneren des Körpers 10 von diesem und dem ersten Sondenelement elektrisch isoliert in einem Hohlraum 4. Es weist eine kleinere Fläche auf als das erste Sondenelement 2. Wie in Fig. 3 gezeigt ist die elektronische Schaltung 5 zur Verstärkung der empfangenen Signale ebenfalls in dem Hohlraum 4 installiert. Durch die unmittelbare Nähe zum empfangenden Sondenelement 3 werden Störungen vermieden, die i. a. durch längere Verbindungsleitungen entstehen.

Um zusätzlich Störsignale von externen Quellen wirksam zu unterdrücken ist die elektronische Schaltung vorzugsweise von einem Teil der Fläche des äußeren Sondenelements 2 oder/und von Teilen des inneren Sondenelements 3 umgeben, so daß eine Faraday-Abschirmung entsteht. Die Verbindung der elektronischen Schaltung zum äußeren Sondenelement 2 wird durch ein abgeschirmtes Kabel 6 hergestellt, welches durch eine Bohrung 7 bis zur Oberfläche gelegt ist. Durch dieses Verbindungskabel können auch die notwendigen Versorgungsspannungen an die elektronische Schaltung herangeführt werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß bereits Sonden mit relativ geringen Ab­ messungen für eine sichere Detektion ausreichen. Experimentell wurden elektrische Feldänderungen mit einer Sonde entsprechend Fig. 5 gemessen, wobei Sondenelement 2 aus einer nur ca. 50 cm durchmessenden runden Metallplatte mit einer zylinderförmigen Ansatzstück 9 von etwa 10 cm Länge und ca. 5 cm Durchmesser bestand. Sondenelement 2 ist mit dem Meßkörper 10 galvanisch ver­ bunden. Sondenelement 3 war als Metallbecher von ca. 7 cm Durchmesser ausgeführt und so positioniert, daß es teilweise das Ende des Ansatzstückes 9 umschloß. Ein Operationsverstärker war innerhalb des zylinderförmigen Ansatzstückes 9 untergebracht und entsprechend Fig. 5 mit den Sondenelementen 2 und 3 verbunden. Zur Vermeidung von störenden berührungselektrischen Effekten war der in den Meßkörper 10 eingebrachte Teil der Sonde von einer isolierenden Abschirmung 8 umgeben. Mit dieser Anordnung wurden bereits bei einer Positionierung der Sonde in ca. 50 cm Tiefe im Erdboden Signale erhalten, die mit Erdbebenereignissen korrelierten.

Andere Formen der Sonde 1 sind ebenfalls möglich, solange die Anordnung der allgemeinen Vorschrift genügt, daß ein großflächiges Schirmsondenelement 2 das vorzugsweise in galvanischem Kontakt mit dem Meßkörper steht mit einem Auffang-Sondenelement 3 kombiniert wird, das vom Meß­ körper 10 und dem Sondenelement 2 isoliert in einem Hohlraum des Meßkörpers angebracht ist. Der Abstand zwischen den Sondenelementen 2 und 3 wird vorzugsweise den Bereich von einigen Millimetern betragen.

Zur Weiterleitung der Meßsignale können auch - nach entsprechender Umwandlung von elektrischen in optische Signale - Lichtwellenleiter verwendet werden. Auf diese Weise sind elektromagnetische Störeinflüsse ausgeschlos­ sen.

Neben der beschriebenen Unterdrückung von Störsignalen durch Abschirmeffekte und kurze Verbindungsleitungen können zusätzlich elektronische Filter in die Verstärker­ schaltung 5 integriert werden. Damit kann der Empfangs­ bereich der Sonde auf spezielle Frequenzbereiche einge­ schränkt werden.

Zur Erfassung geophysikalischer Vorgänge ist der niederfrequente Bereich von 0,1-100 Hz von besonderer Bedeutung.

In vielen Fällen ist die Registrierung mit einer einzelnen Sonde an einem Abtastort für eine differenzier­ te Analyse der strukturellen Veränderungen im untersuch­ ten Körper nicht ausreichend. Beispielsweise ist es beim Einsatz der erfindungsgemäßen Sonde zur Detektion geo­ physikalischer Prozesse erwünscht, nicht nur absolute Schwankungen des geoelektrischen Feldes an einem Ort zu messen, sondern möglichst über ein größeres Gebiet verteilt lokale Abweichungen zu erfassen. Für eine solche ortsabhängige Registrierung können mehrere Sonden simultan betrieben werden. Fig. 4 zeigt als Beispiel drei Sonden, wobei die in den Körper eingebrachten Sondenelemente 31, 32, 33 in unterschiedlicher Tiefe angeordnet sein können.

Natürlich kann sowohl die Anzahl als auch die geo­ metrische Anordnung der Sonden je nach Aufgabenstellung beliebig variiert werden. Mit einer solchen Meßanordnung können mehrere gleichzeitig an verschiedenen Orten registrierte Werte zur Auswertung herangezogen werden. Durch Kombination der so erhaltenen Daten lassen sich, z. B. aus den jeweilig detektierten Intensitäten und/oder Phasenunterschieden, die Positionen von Entstehungs­ quellen und/oder Lage und Verlauf der Strukturveränderung feststellen.

Eine besonders günstige Meßanordnung besteht aus 6 Sonden, die an den Ecken eines Sechseckes liegen.

Für eine schnelle Auswertung werden die von den Sonden gelieferten Daten vorzugsweise digitalisiert und mittels Prozessorsystem 40 weiterverarbeitet. Eine angeschlossene Speichereinheit 41 ermöglicht beliebigen Zugriff auf die Meßergebnisse, so daß zeitliche Entwicklungen verfolgt werden können. Dies bietet die Möglichkeit, beispiels­ weise vulkanische Aktivität oder Bewegungen in der Erdschicht kontinuierlich und weitgehend automatisiert zu überwachen und beim Auftreten kritischer Werte ent­ sprechende Warnsignale auszulösen.

Claims (13)

1. Meßvorrichtung zur Erfassung von strukturellen Veränderungen in festen Körpern (10), wobei elektrische Feldänderungen durch Messung von Potentialunterschieden mittels einer oder mehrerer elektrisch leitfähiger Sonden (1) aufgenommen, über eine elektronische Schaltung (5) verstärkt und an­ schließend in einer Auswerteeinheit (40, 41) verarbeitet und registriert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Sonde (1) aus mindestens zwei voneinander isolierten Elementen (2, 3) besteht, wobei ein erstes Element (2) flächig ausgebildet und ein zweites Element (3) isoliert in einen Hohlraum (4) des zu messenden Körpers eingebracht ist,
und daß die elektronische Schaltung (5) zur Verstärkung des Potentialunterschiedes der Elemente (2, 3) ebenfalls in dem Hohlraum (4) des zu messenden Körpers angeordnet ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sondenelement (2) in galvanischem Kontakt mit dem Meßkörper (10) steht.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sondenelement (2) aus mehreren separat angebrachten Teilen (21, 22, 23, 24) besteht, die miteinander elektrisch verbunden sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (5) zumindest teilweise von einem der Sondenelemente (2, 3) zur Abschirmung von Störsignalen umgeben ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sondenelement aus einer flächigen Metallelektrode (2) mit einem zylindrischen Ansatz (9) besteht, der in das becherförmig ausgestaltete zweite Sondenelement (3) eingreift und die elektronische Schaltung (5) umgibt.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (5) ein oder mehrere Frequenzfilter enthält.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Frequenzfilter Durchgangswerte im Bereich von 0,1 bis 100 Hz aufweisen.

8. Verfahren zur Erfassung von strukturellen Veränderungen in festen Körpern unter Verwendung der Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Potential­ änderungen in einem oberflächennahen Hohlraum (4) des Meßkörpers (10) gegen ein Bezugspotential auf der Oberfläche des Meßkörpers registriert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erdbebenvorhersage die elektrischen Signale im Frequenzbereich von 0,1-100 Hz gemessen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten elektrischen Signale in optische Signale umgewandelt und über Lichtleiter übertragen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßanordnungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 simultan an unterschiedlichen Positionen des zu messenden Körpers (10) eingesetzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Intensitätsunterschiede und/oder Phasen­ beziehungen zwischen den von den verschiedenen Meßanordnungen detektierten Signalen zur Auswertung herangezogen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Signale digitalisiert und mittels einer Prozessoranlage 40 verarbeitet werden.