DE498912C - Verfahren zur elektrischen Bodenforschung - Google Patents

Verfahren zur elektrischen Bodenforschung

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DE498912C
DE498912C DEA53647D DEA0053647D DE498912C DE 498912 C DE498912 C DE 498912C DE A53647 D DEA53647 D DE A53647D DE A0053647 D DEA0053647 D DE A0053647D DE 498912 C DE498912 C DE 498912C
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/02Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with propagation of electric current
    • G01V3/06Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with propagation of electric current using ac

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Description

  • Verfahren zur elektrischen Bodenforschung Für die Untersuchung des Untergrundes zum Zwecke der geophysikalischen Bodenforschung hat man bisher entweder Gleichstrom oder Wechselströme von mittlerer (etwa 5oo Per.Jsek.) oder hoher (Hochfrequenzströme) Frequenz benutzt. Dabei stehen als erhebliche Nachteile den unpolarisierbaren Elektroden, kochempfindlichen Galvanometern sowie dem störenden Einffuß der natürlichen Erdströme bei den Gleichstrommethoden auf der einen Seite die unerwünschte Überlagerung von induktiven, galvanisch und kapazitiv erzeugten StrÖ-mungsfeldern und die dadurch hervorgebrachte Komplikation der Feldverteilung auf der anderen Seite gegenüber. Man hat zwar die durch Erdströme und Polarisation bei der Gleichstrommethode verursachten Störungen durch periodisches Kommutieren des Gleichstroms beseitigt, aber die vollständige Vermessung des elliptisch polarisierten elektromagnetischen Feldes einer Wechselstromverteilung im Untergrunde ist trotzdem zweifellos die heute günstigste Methode der elektrischen Bodenforschung, da sie es ermöglicht, aus dem System der vollständig vermessenen Schwingungsellipsen des elektrischen und magnetischen Vektors nachträglich am Schreibtisch diejenigen Momentanfelder auf rein rechnerischem oder konstruktivem Wege abzuleiten, deren zugehörige Stromrichtungen den geometrischen FormeA und der räumlichen Lage der ja vorher unbekannten gesuchten Einlagerungen am günstigsten angepaßt sind. _ Die nachstehend beschriebene Methode zur elektrischen Bodenforschung soll nun die Vorteile der Gleichstrommethode mit periodischer Kommutierung und die der Wechselstrommethoden vereinigen. Die Erfindung besteht darin, daß extrem langsame sinusförmige oder nahezu sinusförmige (einwellige) Wechselströme aus dem Frequenzbereich: zwischen 0,3 und io Per./sek. dem Untergrunde zugeführt werden, deren Spannungsverteilung im Strömungsfelde unmittelbar oder durch Kompensation ausgemessen wird. Hierdurch wird erreicht, daß die induktiven und kapazitiven Komponenten der Bodenströmung praktisch völlig verschwinden, so daß ein lineares Strömungsfeld im Boden besteht, welches überall mit der Sendespannung in Phase ist. Andererseits können innerhalb des genannten Frequenzbereiches noch mittels Eisenkernen oder Kondensatoren von im Gelände praktisch brauchbarem Ausmaß Kopplungen zwischen den einzelnen Stromkreisen einer Meßapparatur erzielt werden. Die Vermessung der Ströme selbst soll mittels Galvanometer erfolgen, die auf die Frequenz der Sendespannung abgestimmt sind. Daher darf die Sendeperiode nicht zu lang sein, damit man mit mäßig gedämpften Instrumenten unter Ausnutzung der Resonanzerscheinungen in praktisch genügend kurzen Zeiten die stationären Schwingungszustände erhalten kann.
  • Die auf -die Sendefrequenz abgestimmten Empfangsgeräte können durch induktive oder kapazitive Kopplung in die Leitung zwischen den Suchsonden eingeschaltet werden, um stets gewöhnliche Eisenstäbe o. dgl. an Stelle der zerbrechlichen unpolarisierbaren Elektroden gebrauchen zu können.
  • Im folgenden seien nun Ausführungsformen zur praktischen Durchführung der Erfindung an Hand einiger Beispiele beschrieben.
  • Die Erzeugung des langsarn-periodischen, möglichst einwelligen Wechselstromes zur Speisung des Untergrundes kann grundsätzlich natürlich auf jede beliebige Weise geschehen,'@d. h. also z. B. mittels langsam rotierenden Dynamos, mittels eines Röhrengenerators oder eines mechanischen Umschalters, dessen rechteckiger Sekundärstrom mittels an sich bekannter, geeigneter Mittel einem sinusförmigen Ström möglichst angenähert wird.
  • Am einfachsten aber dürfte eine mittels eines kleinen Motors oder eines kleinen Uhrwerkes gleichförmig gedrehte Vorrichtung nach Abb. i sein, bei der eine Gleichstromquelle E über einen ringförmigen Widerstand WW durch Anschluß an zwei einander gegenüberliegenden Punkten a, a desselben kurzgeschlossen ist, über den die an einer sich gleichförmig mit der gewünschten Frequenz drehenden Welle isoliert befestigten Bürsten h, b gleiten, die über Schleifringe mit den Feldelektroden, die den Strom dem Boden zuführen, verbunden sind.
  • Es sei nun zunächst eine einfache Vorrichtung zur Aufsuchung der Äquipotentiallinien beispielsweise beschrieben, aus der weiterhin eine Potentiometeranordnung zur Bestimmung der absoluten Spannungsverteilung stufenweise entwickelt werden soll.
  • Abb. 2 zeigt zunächst die einfachste Anordnung, indem zwischen die beiden Suchsonden S, und S2 das abgestimmte Galvanometer G und ein einstellbarer Widerstand WS eingeschaltet ist. Abb.3 unterscheidet sich hiervon nur dadurch, daß vor das Galvanometer G noch ein im allgemeinen mit Widerstandskoppelung ausgeführter Verstärker eingesetzt wird. Da das Galvanometer auf die Frequenz der künstlich erregten Bodenströme abgestimmt ist, so ist die Unterscheidung zwischen diesen und den durch natürliche Erdströme oder Polarisationseffekte an den . Sonden hervorgebrachten Einwirkungen auf das Meßinstrument, die Gleichstromcharakter I besitzen, ohne weiteres gegeben.
  • 1 och günstiger wird die Beobachtung, wenn man nach Abb. q. zwischen den Sondenkreis und das Galvanometer G mit dem davorgeschalteten Verstärker einen Transformator T,. mit genügend großem Eisenkern schaltet, der das Eindringen der Störströme von Gleichstromcharakter in die Meßinstrumente überhaupt verhindert.
  • An Stelle der induktiven Aussonderung der Wechselströmkomponente kann man nach Abb. 5 eine kapazitive Aussonderung anwenden, wo L eine Selbstinduktion und C, und C2 genügend große Kapazitäten (z. B. je io &tF) bedeuten.
  • Indem man diejenige Stellung der Sonden S, und S, gegeneinander aufsucht, bei der der Wechselstrom im Galvanometer G völlig verschwindet, erhält man die Potentiallinienrichtung. Ordnet man sodann S, gegen S, senkrecht zur Richtung der Äquipotentiallinien an und bestimmt in an sich bekannter Weise durch Variation von Ws die Spannungsdifferenz. und den Bodenwiderstand zwischen S, und S, einzeln, so kann man das ganze Spannungsfeld auch quantitativ ausmessen.
  • Dabei ist allerdings Voraussetzung, daß das Vergrößerungsverhältnis des Verstärkers stets konstant ist. Besser ist daher die Benutzung eines Kompensationsverfahrens, indem die Spannungsdifferenzen mit einer Abzweigung des Hauptspeisestromes oder mit diesem selbst verglichen werden.
  • Die extrem niedrige Frequenz des Speisestromes läßt merkliche Phasenverschiebungen nicht störend in Erscheinung treten.
  • Abb. 6 zeigt ein Beispiel für eine solche Schaltung. F, und F2 sind die beiden Feldelektroden, über welche der für die Erfindung charakteristische landperiodische Wechselstrom, den der Stromerzeuger E liefert, dem Boden an geeigneten Stellen zugeführt wird. Der dem Boden zugeführte Strom durchläuft mit einem Teil, der durch den einstellbaren Widerstand WH geregelt und gemessen wird, die Primärwicklung eines Transformators Tr, an dessenSekundärwicklung dieSuchsondenS, undS2 angeschlossen s@ind.D-ieKompensationseinstellung an WH wird mittels der dritten Wicklung Z des Transformators T, erkannt, i an die der Verstärker und das abgestimmte Galvanometer G angeschlossen sind.
  • Eine etwas abweichende Schaltung zur zweckmäßigen Herstellung der Kompensation zeigt Abb. 7.
  • Hier wird über einen zwischen den Feldelektroden F, und F2 in Reihe mit dem Stromerzeuger E eingeschalteten Transformator T,., ein Vergleichsstrom abgezweigt, der längs des Widerstandes Wk einen um 9o° phasenverschobenen Spannungsabfall erzeugt, mit dem, die im Transformator T,z, der zwischen den Suchsonden S, und S, liegt, ebenfalls um 9o° phasenverschobene, zu messende Spannung kompensiert wird. Die Feststellung der vollständigen Kompensation wird hier mittels eines Telephons erreicht, indem im Cberlagerer dem langsamen Wechselstrom ein Wechselstrom von Hörfrequenz (etwa iooo Per.) überlagert wird, dessen Pulsationen im Verstärker verstärkt durch das Telephon dem Ohre leicht kenntlich werden, so daß die Aussonderung des Feldstromes aus etwaigen Störströmen anderer Frequenz akustisch-physiologisch erfolgt. Der Überlagerer ist in an sich bekannter Weise so gebaut, daß beim Verschwinden der langperiodischen Spannung der überlagerte hochperiodische Strom gerade im Telephon verschwindet. Noch zweckmäßiger ist die entsprechende Schaltung der Abb. 8, in der der Transformator T,.3 die Phase der Kompensationsspannung nochmals um 9o° verschiebt, so daß im Augenblicke der vollständigen Kompensation über die Suchsonden S1 und S2 kein Strom fließt und so die zu messende Stromverteilung im Boden bei der Messung völlig unverändert bleibt. Der Empfang erfolgt wiederum beispielsweise mit dem abgestimmten Galvanometer G. Die übrigen Bezeichnungen in Abb.8 entsprechen den bisher verwendeten.
  • Waren bisher verschiedene Schaltungsmöglichkeiten zur Verwertung des neuen Verfahrens gegeben ohne Rücksicht auf den speziellen Verwendungszweck, so soll nunmehr noch eine für die Lösung einfacher Aufgaben besonders wichtige Methode gegeben werden, welche die Feststellung der Verteilung des räumlichen Widerstandes im Erdboden ermöglicht, in ähnlicher Weise, wie dies schon mit reinem Gleichstrom von Wenner, Gish & Rooney (s.Amb r o n n , Methoden der angewandten Geophysik, Dresden 1926 S. 128) durchgeführt ist.
  • Abb.9 zeigt die Anordnung. Um längs eines geradlinigen Profils AB durch ein zu untersuchendes Gelände die Widerstandsverteilung im Untergrunde bis zu erheblichen Tiefen festzulegen, bestimmt man die Spannungsdifferenz zwischen zwei Sonden, die in immer genau demselben geometrischen Abstandsverhältnis in der Verbindungslinie zwischen zwei Feldelektroden angeordnet sind, denen stets die gleiche Stromstärke zugeführt wird (bzw. wird auf gleiche Abstandsverhältnisse und gleiche Stromstärken reduziert). Diese Kombination wird zunächst mit kleinen und dann schrittweise steigenden Abständen zwischen den Feldelektroden längs der ganzen Profillinie entlanggeführt, und man erhält dann durch einfache Rechnungen den Widerstand der Bodenschichten von kleinen zu größeren Tiefen ansteigend. Bei dieser Abtastung der Profillinie ist es bei der Verwendung von Gleichstrom sehr unangenehm, daß die Suchsonden unpolarisierbar sein müssen, wohingegen man die Feldelektroden der stärkeren Ströme wegen, die sie in den Boden führen müssen, im allgemeinen nur aus Metallstäben usw. ausführen kann. Bei Verwendung der schnellen, bisher üblichen Wechselströme wird das Verfahren aber durch die Phasenverschiebungen sehr kompliziert und praktisch in dieser Form unverwertbar. Bei der hier vorgeschlagenen Verwertung extrem langsamer Wechselströme aber kann man die Feldelektroden und die Suchsonden als einfache Eisenstäbe ausbilden und infolgedessen beide Elektrodenarten beliebig miteinander vertauschen.
  • Man geht demnach folgendermaßen vor: Man schlägt längs des zu vermessenden Profils Elektrodenstäbe 1, 2, 3 ... in gleichmäßigen Abständen, z. B. alle 25 m, in den Boden ein. In einem Meßkasten ist der Stromerreger F_ mit dem Kompensator usw. zur Ausmessung der Spannungsdifferenz zwischen den Suchsonden S1 und S2, dem Überlagern, dem Verstärker usw. vereinigt. Von dieser leicht transportabel montierten Zentrale aus gehen die vier fliegenden Leitungen zu den Feldelektroden F, und FZ und zu den beiden Suchsonden S, und S, Man beginnt damit, als F, und F2 die Elektrodenpflöcke i und 4 und als Suchsonden die Pflöcke :2 und 3 anzuschalten. Dann geht man zu 2 und 5 als Feldelektroden und 3 und 4 als Suchsonden über usw. Um die Widerstandsverteilung in der nächsttieferen Schicht zu erhalten, nimmt man in einer zweiten Messungsserie z. B. i und 7 als Feldelektroden und 3 und 5 als Suchsondeui, dann 2 und 8 als Feldelektroden und .4 und 6 als Suchsonden usw. So geht man zu stets wachsenden Entfernungen über, um entsprechend zunehmende Tiefen zu erreichen. Auch andere Kombinationen zwischen den Elektro-@ denpflöcken als Feldelektroden und Suchsonden sind unter Verwendung entsprechender Reduktionsformeln für die Berechnung der Bodenwiderstände verwertbar.
  • Die Einrichtung der Meßapparatur ist in Abb. 9 nochmals in etwas abweichender Ausgestaltung beispielsweise angegeben.
  • Die Kompensationsspannung wird vom Hauptstrom über die Widerstände W,. und Wz abgezweigt. Am Widerstand WZ wird die Kompensationsspannung abgegriffen. Die Feststellung der Spannungsgleichheit bezüglich der langsamen Wechselströme erfolgt über den Siebtransformator Tr", den Überlagerer, den Verstärker mittels des Telephons nach dem oben beschriebenen Überlagerungsverfahren. Ein Regelwiderstand stellt stets eine zweckmäßige Stromstärke im Feldkreise ein, die am Amperemeter A abgelesen wird.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur elektrischen Bodenforschung, dadurch gekennzeichnet, daß extrem langsame sinusförinige oder nahezu sinusförmige (einwellige) Wechselströme aus dem Frequenzbereiche zwischen 0,3 und io Per./sek. dem Untergrunde zugeführt werden, deren Spannungsverteilung im Strömungsfelde unmittelbar oder durch Kompensation ausgemessen wird.
  2. 2. Verfahren zur elektrischen Bodenforschung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die langsame Wechselstromkomponente durch induktive oder kapazitive Filterung von der durch natürliche Erdströme oder elektrochemische Erscheinungen an den Elektroden hervorgebrachten Gleichstromkomponente vor Eintritt in die Meßapparatur getrennt wird:
  3. 3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigeinstrument ein auf die Sendefrequenz abgestimmtes elektromagnetisch - mechanisches System dient, gegebenenfalls unter Verwendung von Überlagerung mit akustischen Frequenzen.
DEA53647D 1928-03-21 1928-03-21 Verfahren zur elektrischen Bodenforschung Expired DE498912C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2523993A (en) * 1947-07-25 1950-09-26 Mccandless William Direct current to three-phase alternating current converter

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US2523993A (en) * 1947-07-25 1950-09-26 Mccandless William Direct current to three-phase alternating current converter

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