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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.
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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.
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Im folgenden seien nun Ausführungsformen zur praktischen Durchführung
der Erfindung an Hand einiger Beispiele beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die extrem niedrige Frequenz des Speisestromes läßt merkliche Phasenverschiebungen
nicht störend in Erscheinung treten.
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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.
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Eine etwas abweichende Schaltung zur zweckmäßigen Herstellung der
Kompensation zeigt Abb. 7.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Einrichtung der Meßapparatur ist in Abb. 9 nochmals in etwas abweichender
Ausgestaltung beispielsweise angegeben.
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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.