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Verfahren zur Eichung und zur Kontrolle von Wechselstrom-Kompensations-Apparaten
bei elektrischen Bodenforschungs-Arbeiten nach der Methode der vollständigen Vermessung
des elliptisch polarisierten elektromagnetischen Feldes der Bodenströme Die Vermessung
des elektromagnetischen Feldes von Wechselströmen im Untergrunde, wie sie zu Zwecken
der Erderforschung, insbesondere zur Aufsuchung von gut leitenden Einlagerungen,
wie Pyritmassen, Bleiglanzgängen, Salzwasserhorizonten usw., durchg@-führt wird,
erfordert bekanntlich die Benutzung eines Wechselstrom-Kompensations-Apparates,
mittels dessen die Bestimmungsstücke des elektromagnetischen Feldes der Bodenströme
nach Intensität und Phase an einen vom Sendestrom abgezweigten und somit gleichfrequenten
Vergleichsstrom angeschlossen werden.
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Es ist bekannt, mit welchen Schwierigkeiten eine genaue Messung der
außerordentlich kleinen Wechselstrom-Potentialdifferenzen bei elektrischen Erderforschungsarbeiten
sowohl bei Ausmessung der elektrischen als auch der magnetischen Komponente des
elektromagnetischen Feldes der Bodenströme durch Kompensation in der Praxis verbunden
ist, und es ist daher von ganz besonderer Bedeutung, ein einfaches und zuverlässiges
Verfahren zu besitzen, um mittels eines einfachen Hilfsapparates jederzeit die Eichung
des zu den Messungen benutzten Wechselstrom-Kompensations-Apparates nachprüfen zu
können, der bei solchen Arbeiten bekanntlich oft einer außerordentlich rauhen Behandlung
beim Transport und bei der Arbeit selbst unterworfen ist. Ferner sind die Eichungswerte
bei den im Felde benutzten Kompensationsanordnungen, die auch einen sehr großen
Intensitätsbereich umfassen müssen, viel mehr äußeren Einflüssen unterworfen, als
man es im Laboratorium gewohnt ist, wo man die Arbeitsbedingungen weitgehendst willkürlich
beherrscht.
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Zur Eichung und Kontrolle des Kompensations-Apparates sollen ebenfalls
durch eine Abzweigung von der Sendeleitung, d. h. der Leitung, mittels deren die
Strömung im Untergrunde .erzeugt wird, mindestens zwei gegeneinander phasenverschobene
Spannungen erzeugt: werden, deren Phasendifferenz und Intensitätsverhältnis gegeneinander
sowie gegen die Strömung in der Sendeleitung durch Rechnung oder vorangegangene
Eichung bekannt sind (evtl. in Abhängigkeit von der Frequenz).
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Eine zu diesem Zwecke beispielsweise geeignete, an sich zur Herstellung
von Phasenverschiebungen zwischen kohärenten Spannungen bekannte Schaltungsanordnung
zeigt Fig. r .
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Hier bedeuten: die Spannungsquelle, welche einen Strom der Frequenz
v in der Leitung S-S erzeugt, 'mittels deren die elektrischen Ströme im Untergrunde
erzeugt werden.
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ATl und AT., sind Abzweigtransformatoren, mittels deren die zu dem
kontrollierenden Kompensations-Apparat I( über die
Verbindungsleitung
PhLi und die zum Eichapharat über die Verbindungsleitung PhL. zu
führenden
Ströme von der Sendeleitung S-S abgezweigt werden.
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An Stelle der Transformatoren ATi und AT2 oder nur eines von ihnen
können natürlich auch Abzweigwiderstände, Abzweigdrosselspulen oder Abzweigkondensatoren
in an sich bekannter Anordnung verwendet werden.
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Am anderen Ende ist die Eichleitutg PhL., im allgemeinen über einen
Lufttransformator mit meßbar variablem Kopplungsgradgeführt, um die Intensität des
der eigentlichen Eichvorrichtung zugeführten Stromes dem zu eichenden Meßbereiche
des Kompensations-Apparates 1K anzupassen.
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Der Eichapparat besteht hier beispielsweise aus dem induktions- und
kapazitätsfreien Widerstande W und dem Lufttransformator LT, die hintereinandergeschaltet
sind. Wenn der Widerstand W richtig bemessen ist, so ist die Amplitude der an den
Abzweigungen i und z erzeugten Wechselspannung gleich der Amplitude der an den Enden
3 und ¢ der Sekundärwicklung des Lufttransformators LT induzierten Spannung.
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Das Spanmuigsverhältnis zwischen 1/2 und 3/4 ist natürlich von der
Frequenz des benutzten Wechselstroms abhängig. Hält man diese stets bei den Messungen
auf dem gleichen Wert v, so kann man W als festen, unveränderlichen Widerstand vorsehen.
Will man den Apparat bei verschiedenen Werten der Frequenz v benutzen, so muß man
W variabel machen und seine richtige Einstellung in Abhängigkeit von der Frequenz
v durch Rechnung oder Eichung in an sich bekannter Weise ermitteln.
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Dagegen ist infolge der Verwendung des Lufttransformators die Phasendifferenz
zwischen den Wechselspannungen an 1/2 bzw. 3/4 stets genau go', solange dem Eichapparat
an den Klemmen 1/= und 3/4 kein Strom entnommen wird.
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Da bei der Eichung bzw. Eichungskontrolle des Kompensations-Apparates
I( die an seine Anschlußklemmen a und b angelegte zu messende Wechselspannung
stets vollständig durch die im Kompensations-Apparat nach Intensität und Phase meßbar
regelbare Gegenspannung kompensiert wird, was man an dem Verstummen des über den
Verstärker V an den Kompensations-Apparat angeschlosnen Telephons T erkennt, so
ist die obige Bedingung für das Vorhandensein einer Phasendifferenz von 9o° zwischen
den Klemmenspannungen 1/2 bzw. 3/4 im Augenblicke der E ichungs-Kompensations-Messungen
stets erfüllt.
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Da im allgemeinen Falle das die Phasenangaben des Kompensations-Apparates
bestimmende, in ihm auf irgendeine bekannte Weise erzeugte Drehfeld ein elliptisches
Drehfeld darstellt, so sind : u seiner vollständigen und eindeutigen Bestimmung
vier voneinander unabhängige Größen nötig. Ein solches vollständiges und eindeutiges
System von vier Bestimmungsgrößen dieses Drehfeldes würde zum Beispiel gegeben durch
die Länge der beiden Achsen der Schwingungsellipse, durch die Richtung der großen
Achse und durch die Phase der großen Achse, bezogen auf die Nullpunkte der Meßteilungen.
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Diese vier Bestimmungsgrößen sind mittels des Eichapparates gegeben,
wenn man nacheinander an die Klemmen des Kompensations-Apparates die Spannungen
1/2 und 3/4 legt, indem man für jede dieser beiden Schaltungen Amplitude und Phase
der betreffenden Spannung am Kompensations-Apparat einstellt.
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Während nun die Phasenverschiebung von genau go° zwischen den an den
Klemmen i/2 bzw. 3/4 erzeugten Spannungen von der Frequenz des dem Eichapparate
zugeführten Wechselstromes vollständig unabhängig ist, gilt dies nicht für das Verhältnis
der Amplituden der Spannungen 1/2 bzw. 3/4.
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Im Laboratorium ist es allerdings leicht, bei Wechselstrommessungen
eine vorgegebene Frequenz mit beliebiger Genauigkeit herzustellen und lange Zeit
konstant zu halten. Bei den elektrischen Bodenuntersuchungen im Felde muß man aber
mit möglichst leichten Benzinmotoren zum Antrieb der Wechselstrommaschinen arbeiten
und verfügt aus wirtschaftlichen Gründen meist nicht über genügend zahlreiches technisch
hinreichend vorgebildetes Personal, um bei den Messungen den Benzinmotor auf vollkommen
konstanter Tourenzahl dauernd zu erhalten. Daher kann man praktisch meist nicht
damit rechnen, daß, die Amplituden der Spannungen 1/2 und 3/i stets genau gleich
sind, weil letztere ja von der Frequenz des Wechselstromes abhängig ist.
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Für die Eichung des Drehfeldes im Kompensations-Apparat bzw. einer
anderen Vorrichtung zur Kompensation von Amplitude und Phase einer zu messenden
Wechselspannung benötigt man aber mindestens vier voneinander unabhängige Größen,
wie oben bereits auseinandergesetzt wurde.
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Diese sollen nun gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gewonnen
werden, daß man nur Phasendifferenzen, die der Eichapparat unabhängig von der Frequenz
des benutzten Wechselstromes quantitativ richtig liefert, zur Eichung benutzt.
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Die Ercindung betrifft somit ein Verfahren zur Eichung und zur Kontrolle
von Wechselstrom-Kompensations-Apparaten bei elektrischen Bodenforschungs-Arbeiten
nach der Methode
der vollständigen Vermessung des elliptisch polarisierten
elektromagnetischen Feldes der Bodenströme, und sie besteht darin, daß, durch Abzweigung
von der das Strömungsfeld speisenden Spannungsquelle mit stets gleiche, bekannter
Phasenverschiebung gegen eine Normalspannung, z. B. die Spannung der zur Erregung
der Bodenströme benutzten Wechselstrommaschine, ein System von mindestens zwei gegeneinander
paarweise um 9o° verschobenen Normalspannungen hergestellt wird, mit dem die Einstellungen
an dem zu eichenden bzw. zu kontrollierenden Kompensations-Apparate durch Kompensation
verglichen werden.
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Zu diesem Zwecke erweitert die in Fig. z beispielsweise dargestellte
Schaltung des Eichapparates die Zahl der abgreifbaren Spannungen auf vier, die paarweise
je um 9o° gegeneinander verschoben bleiben, während die Paare gegeneinander bei
der üblichen Normalfrequenz eine Phasenverschiebung von 4.5° gegeneinander aufweisen.
Dann kann man, wie leicht einzusehen, an den Klemmen 1/2 und 3/1 sogar acht verschiedene
Spannungen abnehmen, die immer je um q.5° gegeneinander verschoben sind und so symmetrisch
um den ganzen Phasenkreis herumführep.
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Diese Aufgabe wird bei der in Fig.2 beispielsweise dargestellten Schaltungsordnung
dadurch gelöst, daß durch Umlegen eines Umschalters U ein Kondensator C, parallel
mit einem Widerstand F, in Serie mit dem Widerstand W und der mit ihm in Reihe liegenden
Primärwicklung von LT geschaltet wird. Durch zweckmäßige Wahl von C und F
erreicht man, daß die Phasenkonstanten der Spannungen zwischen den Klemmen 1/" und
3/4 je um ,15° verschoben werden, wenn man den Umschalter U umlegt.
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Um beim Umlegen des Umschalters die Amplitude der Spannung zwischen
1/2 bzw. 3/4 nicht zu verändern, ist ein Widerstand v vorgesehen, der so abgeglichen
ist, daß er den Einfiuß, der Zweige C und F auf die Stromstärke in W und
LT beim Umlegen des Umschalters U gerade ausgleicht.
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Man kann zwar für eine unabhängige Eichung des Kompensations-Apparates
I( zweckmäßig den Kompensations-Apparat und die Eichvorrichtung je über gesonderte
Anschlußleitungen PhLI und PhL. an die Sendeleitung S-S anschließen, doch hat es
sich in der Praxis oft als sehr zweckmäßig eri, iesen, die beiden Systeme des Kompensations-
und des Eichapparates parallel zueinander an die gleiche Speiseleitung PhLl anzuschließen.
Man vermeidet dadurch die häufig sehr zeitraubende Verlegung eines zweiten Verbindungskabels
im Gelände. Allerdings gibt man dadurch die Möglichkeit einer absoluten Eichung
des Kompensations-Apparates auf. Man behält aber die in der Praxis aus den eingangs
erwähnten Gründen außerordentlich nützliche, laufende einfache Kontrolle des guten
Zustandes des in sich ziemlich komplizierten und daher gegenüber der nur aus festen
Teilen bestehenden Eichvorri.chtung leichter bei Transporten u. dgl. verletzlichen
Kompensations-Apparates.
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Diese vereinfachte Schaltung ist in Abb.3 beispielsweise dargestellt,
indem die Bedeutung der Buchstaben aus den vorangehenden Ausführungen verständlich
sein dürfte. Die in Abb.3 angegebenen Transformatoren ATl und 1(T können :entweder
als Eisen- oder auch als; Lufttransformator ausgebildet werden.