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Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Bodenerforschung mit Wechselstrom
nach der Sondenmethode unter Verwendung eines komplexen Wechselstromkompensators
Bei den bekannten Verfahren zur Ausführung geoelektrischer Untersuchungen durch
Erregung elektrischer Wechselströme im Untergrunde und Untersuchung der Bodenströme
nach der Sondenmethode werden in dem geoelektrisch zu untersuchenden Erdreich auf
galvanischemWege (mittels Elektroden) oder durch induktive Energieübertragung (mittels
Leiterschleife) Wechselströme erzeugt und die Bodenströme mit Hilfe zweier Sonden
untersucht, indem an beliebig oder regelmäßig verteilten zugänglichen Punkten des
stromdurchflossenen Raumes, z. B. an der Erdoberfläche, Spannungen in einer oder
mehreren räumlichen Richtungen abgegriffen und nach der Kompensationsmethode in
bezug auf Amplitude und Phase ausgemessen werden. Die Messung der Amplitude und
Phase der an den beiden Sonden jeweilig auftretenden Wechselspannung (Sondenspannung)
wird dabei bekanntlich in der Weise ausgeführt, daß die Sondenspannung kompensiert
wird durch eine in bezug auf Amplitude und Phase veränderbare Vergleichsspannung,
welche an einem Wechselstromkompensator abgenommen wird. Die im Erdreich erregten
Wechselströme und der zur Speisung des Wechselstromkompensators dienende Strom werden
vom gleichen Generator erzeugt, um zu erreichen, daß die beiden gegeneinander zu
kompensierenden Spannungen (Sondenspannung und Vergleichsspannung) absolut gleiche
Frequenz haben. Die für vollkommene Kompensation (vollkommene Stromlosigkeit des
Kompensationskreises und des Nullinstrumentes) bestehende Bedingung, daß auch dieKurvenform
dieser beiden Spannungen die gleiche sein muß, ist praktisch meistens nicht erfüllbar,
da die Kurvenformen der in der Meßanordnung wirksamen Ströme und Spannungen im allgemeinen
mehr oder weniger verzerrt sind. Benutzt man zur Abgleichung ein Nullinstrument,
das nur auf Ströme von der Frequenz der Grundwelle, nicht aber auf die höheren Harmonischen
anspricht (z. B. ein auf die Grundwelle abgestimmtes Vibrationsgalvanometer), so
werden nur die Grundwellen der in der Meßanordnung wirksamen Ströme und Spannungen
zur Messung herangezogen, und das Nullinstrument zeigt Stromlosigkeit an, wenn die
Grundwellen der Sondenspannung und der am Wechselstromkompensator abgenommenen Vergleichsspannung
amplitudengleich und in bezug auf den Kompensationskreis um 18o° in der Phase gegeneinander
verschoben sind. Es wird dann nur die Grundwelle der Sondenspannung ausgemqssen,
da die höheren Harmonischen auf die Messung keinen Einfluß haben. Die folgenden
Ausführungen sollen sich ausdrücklich auf den Fall beziehen, daß nur die Grundwelle
der Sondenspannung ausgemessen wird.
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Zur Messung der Sondenspannung benutzt man im allgemeinen eine Ausführungsform
des Wechselstromkompensators (Drysdale, W. v.
K ruk ows ki), bei
der ein an einen Phasenschieber angeschlossener Kompensationsapparat verwendet wird
und bei der die Phase der Vergleichsspannung am Phasenschieber, ihre Amplitude am
Kompensationsapparat reguliert wird..
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Bekanntlich kann man die Messung der Sondenspannung auch mit einem
sogenannten komplexen Wechselstromkompensator (Larsen, Geyger) ausführen, beiwelchem
die zumessende Wechselspannung kompensiert wird durch eine in bezug auf Amplitude
und Phase veränderbare Vergleichsspannung, welche aus zwei hintereinandergeschalteten,
um go ° in der Phase gegeneinander verschobenen Teilspannungen zusammengesetzt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und, eine Einrichtung
zur elektrischen Bodenerforschung mit Wechselstrom nach der Sondenmethode unter
Verwendung eines komplexen Wechselstromkompensators. Der Erfindungsgegenstand weicht
von dem bisher Bekannten dadurch ab, daß dem den Kompensator durchfließenden Meßstrom
in an sich bekannter Weise eine ganz bestimmte, für die geoelektrische Untersuchung
besonders zweckmäßige Phasenlage erteilt wird. Gemäß der Erfindung wird nämlich
die Schaltung des komplexen Kompensators derart gewählt, daß von seinen beiden die
entsprechenden Komponenten der Sondenspannung einzeln kompensierenden Teilspannungen
die eine um o', die andere um go° gegen den in den Elektrodenleitungen bzw. in der
Senderschleife fließenden Strom (Leitungsstrom) phasenverschoben ist. Der Leitungsstrom
ist der Strom, der im geoelektrisch zu untersuchenden Untergrunde ein bzw. mehrere
Strömungsfelder auf galvanischem oder induktivem Wege erzeugt.
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Es ist zwar schon lange bekannt, für verschiedene meßtechnische Aufgaben,
bei denen ein komplexer Wechselstromkompensator verwendet wird, dem den Kompensator
durchfließenden Meßstrom eine ganz bestimmte, für die Messung zweckmäßige Phasenlage
zu erteilen. Bei geoelektrischen Messungen ist jedoch der Kunstgriff, dem im komplexen
Kompensator fließenden Strome eine bestimmte Phasenlage zu geben, bis jetzt noch
nicht bekannt geworden. Die Anwendung dieses Kunstgriffes bei geoelektrischen Untersuchungen
nach der Sondenmethode ergibt viele für die praktische Auswertung solcher Untersuchungen
außerordentlich wichtige Vorteile, wenn man bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
den Kompensatorstrom mit dem oben definierten Leitungsstrome phasengleich macht.
Wenn auch die meßtechnischen Mittel ähnliche sind wie bei bekannten Anordnungen
anderer Gebiete, so wird gerade bei geoelektrischen Untersuchungen durch die Herstellung
der Gleichphasigkeit zwischen Kompensatorstrom und dem oben definierten Leitungsstrom
ein grundlegender technischer Fortschritt erzielt, der sich bei der Auswertung der
Untersuchungsergebnisse sehr vorteilhaft auswirkt. Es treten nämlich in diesem Falle
besonders eigenartige, nicht ohne weiteres voraussehbare Wirkungen auf, wie aus
den folgenden Ausführungen hervorgeht.
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' Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß die von Einlagerungen
höherer elektrischer Leitfähigkeit (z. B. Erzkörper) erzeugtenWirbelstromfelder,
die sich auch an der Erdoberfläche bemerkbar machen, gegen den die Elektrodenleitungen
durchfließenden Leitungsstrom um go ° phasenverschoben sind, während die dem Untergrunde
galvanisch zugeführte Strömung mit diesem Strome phasengleich ist. Bei der praktischen
Durchführung geoelektrischerUntersuchungen kommt es deshalb darauf an, die den beiden
Strömungskomponenten entsprechenden Komponenten der Sondenspannungen getrennt auszumessen.
Tut man dies nicht, so ergibt sich ein gänzlich verwaschenes Bild, das einer vernünftigen,
physikalisch einwandfreien Auswertung nicht zugänglich ist. Die auszumessenden,
mit dem Leitungsstrome phasengleichen Komponenten (Wirkspannungen) müssen in eine
Karte für sich eingetragen werden; ebenso müssen die auszumessenden, gegen den Leitungsstrom
um go ° phasenverschobenen Spannungskomponenten (Blindspannungen) in eine zweite
Karte für sich eingetragen werden.
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Der Erfindungsgegenstand bietet nun die Möglichkeit, die beiden Komponenten
(Wirk-und Blindkomponenten) der im Untersuchungsgebiete auftretenden Sondenspannungen
getrennt auszumessen und an zwei entsprechend geeichten Skalen der hierzu benutzten
Kompensationsmeßeinrichtung ohne irgendwelche Zwischenrechnungen unmittelbar abzulesen.
Eine Ermittlung der beiden genannten Komponenten nach einem rechnerischen oder graphischen
Verfahren wäre bei der großen Anzahl der bei geoelektrischen Untersuchungen auszumessenden
Werte sehr umständlich, zeitraubend und daher unwirtschaftlich; auch könnten sich
dabei leicht Fehler einschleichen, welche sich dann später bei der Auswertung der
Meßergebnisse störend bemerkbar machen.
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Im allgemeinen wird man bei Anwendung des neuen Verfahrens in an sich
bekannter Weise in allen Beobachtungsorten (Meßpunkten) des zu untersuchenden Gebietes
in zwei zueinander räumlich senkrechten Richtungen die beiden um go ° gegeneinander
phasenverschobenen Komponenten der Sondenspannung messen und aus den beiden so gefundenen
Komponentenpaaren in an sich bekannter Weise die beiden Stromrichtungen und die
in diesen Richtungen wirksamen Werte (Höchstwerte) der beiden Komponenten bestimmen.
Sind jedoch die Strömungsrichtungen bekannt (z. B. auf Grund vorher
ausgeführter
besonderer Messungen), so genügt es, die beiden um go ° phasenverschobenen Komponenten
der Sondenspannung in der Richtung bzw. in den Richtungen zu messen, in welchen
diese Komponenten ihre Höchstwerte besitzen. In manchen Fällen (z. B. wenn eine
besonders hohe Genauigkeit erreicht werden soll) ist es zweckmäßig, die beiden um
go ° gegeneinander phasenverschobenen Komponenten der Sondenspannung in einer größeren
Anzahl (z. B. 6 oder =2) räumlichen Richtungen zu messen.
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Als Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird ein komplexer Wechselstromkompensator von an sich bekannter Art verwendet,
welcher auf galvanischem, induktivem oder kapazitivem Wege in die Leitung, welche
die Energiequelle mit den zur Übertragung der elektrischen Energie in den Boden
bestimmten Vorrichtungen verbindet, eingeschaltet ist, wobei die elektrischen Verhältnisse
in dieser Schaltungsanordnung so gewählt sind, daß die beiden Teilspannungen gegen
den Leitungsstrom um o ° bzw. go ° in der Phase verschoben sind. Als komplexen Wechselstromkompensator
kann man dabei jeden Wechselstrom-Kompensationsapparat verwenden, der zwei um go
° gegeneinander verschobene, zur Kompensation dienende Teilspannungen erzeugt. Es
kommt hierfür z. B. der Larsensche Kompensator (vgl. ETZ.1gio, Seite 1039) in Betracht,
bei dem die eine Teilspannung durch Schleifkontakte an einem geeichten Meßdraht
abgegriffen wird, welcher mit der Primärspule eines in der Kopplung veränderbaren
Lufttransformators in Reihe geschaltet ist, während die andere Teilspannung durch
die in der Sekundärspule dieses Transformators induzierte EMK dargestellt wird.
Ganz besonders vorteilhaft ist hier die Anwendung des Geygerschen Schleifdraht Wechselstromkompensators
(vgl. ETZ. 1g2¢, Seite 13q.8), bei dem die beiden zur Kompensation dienenden Teilspannungen
als stetig regelbare Spannungsabfälle an zwei kahbrierten, mit Schleifkontakten
versehenen Meßdrähten abgegriffen werden, an welchen zwei um go ° in der Phase gegeneinander
verschobene Wechselspannungen von gleicher Amplitude wirksam sind. Als Nullinstrument
wird man in an sich bekannter Weise ein Vibrationsgalvanometer verwenden, welches
auf die Grundwelle des Wechselstromes abgestimmt ist.
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Das neue Verfahren sei nun im folgenden an Hand einiger praktischen
Verhältnissen entsprechenden Beispiele kurz erläutert.
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In der schematischen Abb. 3 ist die Durchführung des dem Erfmdungsgegenstande
entsprechenden neuen Verfahrens mit Hilfe des Larsenschen Kompensators gekennzeichnet.
Hierin stellt W den zur Erregung der Wechselströme im Untergrunde dienenden Generator
dar, welcher durch die Leitung L mit den zur Übertragung der elektrischen Energie
in den Boden bestimmten Vorrichtungen (Elektroden oder Leiterschleife) verbunden
ist. Der Larsensche Kompensator K, bestehend aus Schleifdraht 1l7 und Lufttransformator
(Variator für gegenseitige Induktion) T, ist über einen induktions- und kapazitätsfreien
Widerstand R an die Klemmen des in die Leitung L eingeschalteten, induktions- und
kapazitätsfreien Widerstandes RL angeschlossen, wobei der einemTeil desWiderstandes
R parallel geschaltete Hilfskondensator (von konstanter Kapazität) C dazu dient,
den im Kompensator fließenden Strom (Meßstrom) Jnl mit dem die Leitung L durchfließenden
Strom J phasengleich zu machen. Durch Regulieren der beiden vom Kompensator K erzeugten
Teilspannungen P1 und P2 wird die mit den Sonden S1 und S2 z. B. an der Erdoberfläche
abgegriffene Spannung E kompensiert, so daß das als Nullinstrument verwendete Vibrationsgalvanometer
N vollkommen stromlos wird.
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Abb. q. zeigt das Vektorendiagramm bei abgeglichener Meßanordnung
(Stromlosigkeit des Nullinstruments), PI ist (infolge der eigenartigen Schaltungsweise
des Kompensators) mit dem Leitungsstrome J phasengleich, während P2 gegen diesen
Strom um go ° phasenverschoben ist. Aus dem Diagramm in Abb. q. ergibt sich ohne
weiteres, daß P1 = EI =E- cos (p und PZ=E2=E-sincp ist, so daß die Komponenten E1
und E2 der Sondenspannung E (El = Wirkkomponente, E2 = Blindkomponente) an zwei
(am Schleifdraht M und am Lufttransformator T angebrachten) Skalen des Kompensators
direkt abgelesen werden können.
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In der schematischen Abb. 5 ist als weiteres Beispiel die Durchführung
der Erfindung mit Hilfe des Geygerschen Schleifdraht Wechselstromkompensators gekennzeichnet.
Es stellt wieder W den zur Erregung der Wechselströme im Untergrunde dienender<
Generator dar und L die Leitung, welche-den Generator mit den zur Übertragung der
elektrischen Energie in den Boden bestimmten Vorrichtungen (Elektroden bzw. Leiterschleife)
verbindet. Der Schleifdraht-Wechselstromkompensator K, im wesentlichen bestehend
aus den beiden Meßdrähten A71 und 1172, welche in der aus Abb. 5 ersichtlichen Weise
mit den Spulen Sp, und Spe des (in der Kopplung unveränderlichen) Lufttransformators
T, den Hilfswiderständen R1, R2, R3 und den Stromzuführungsleitungen Z verbunden
sind, ist unter Zwischenschaltung eines Stromwandlers Ti (oder mehrerer in Kaskade
geschalteter Stromwandler) in die Leitung L eingeschaltet, so daß (infolge der bekannten
Wirkungsweise des Stromwandlers) der im Kompensator fließende Strom (Meßstrom) J3"
mit dem die Leitung L durchfließenden
Strome j praktisch phasengleich
ist. Durch Regulieren der beiden vom Kompensator K erzeugten Teilspannungen P1 und
P2 wird die mit den Sonden S1 und S2 z. B. an der Erdoberfläche abgegriffene Spannung
E kompensiert, so daß däs Nullinstrument (z. B. Vibrationsgalvanometer) N vollkommen
stromlos wird.
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Das bei abgeglichener Meßanordnung gültige Vektorendiagramm ist auch
hier das in Abb. 4 dargestellte, und es ergibt sich ohne weiteres, daß auch hier
PI =El=Ecoscp und P2=E2=E@sinq9 ist, so daß die beiden Komponenten Ei und
E2 der Sondenspannung E an den beiden Meßdrahtskalen des Kompensators direkt abgelesen
werden können.