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Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Bodenerforschung mit Wechselstrom
nach der Induktionsrahmenmethode 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 Induktionsrahmenmethode werden in dem geoelektrisch zu untersuchenden Erdreich
auf galvanischem Wege (mittels Elektroden) oder durch induktive Energieübertragung
(mittels Leiterschleife) Wechselströme erzeugt und die Bodenströme mit Hilfe eines
oder mehrerer Induktionsrahmen untersucht, indem an beliebig oder regelmäßig verteilten
zugänglichen Punkten des stromdurchflossenen Raumes, z. B. an der Erdoberfläche,
das von den Bodenströmen erzeugte magnetische Feld in einer oder mehreren räumlichen
Richtungen nach der Kompensationsmethode in bezug auf Amplitude und Phase ausgemessen
wird. Die Messung der Amplitude und Phase der am Induktionsrahmen jeweilig auftretenden
Wechselspannung (Rahmenspannung) wird dabei bekanntlich in der Weise ausgeführt,
daß die Rahmenspannung 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 (Rahmenspannung und Vergleichsspannung)
absolut gleiche Frequenz haben. Die für vollkommene Kompensation (vollkommene Stromlosigkeit
des Kompensationskreises und des Nullinstrumentes) bestehende Bedingung, daß auch
die Kurvenform 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 Rahmenspannung und der am Wechselstromkompensator abgenommenen
Vergleichsspannung amplitudengleich und in bezug auf den Kompensationskreis um z8o
° in der Phase gegeneinander verschoben sind. Es wird dann nur die Grundwelle der
Rahmenspannung ausgemessen, 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 Rahmenspannung ausgemessen wird.
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Zur Messung der Rahmenspannung benutzt man im allgemeinen eine Ausführungsform
des Wechselstromkompensators (Drysdale, W. v.-
Krukowski), bei der
ein an einem 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 Rahmenspannung auch mit einem
sogenannten komplexenWechselstromkompensator (Larsen, G e yg e r) ausführen, bei
welchem die zu messende Wechselspannung kompensiert wird durch eine in bezug auf
Amplitude und Phase veränderbare Vergleichsspannung, welche aus zwei hintereinandergeschalteten,
um go ° gegeneinander in der Phase verschobenen Teilspannungen zusammengesetzt ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zur elektrischen Bodenerforschung mit Wechselstrom nach der Induktionsrahmenmethode
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 Rahmenspannung 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 Kompensator
fließenden Strome eine bestimmte Phasenlage zu geben, bis jetzt noch nicht bekannt
geworden. Die Anwendung dieses Kunstgriffes bei geoelektrischen Untersuchungen nach
der Rahmenmethode ergibt viele für die praktische Auswertung solcher Untersuchungen
außerordentlich wichtige Vorteile, wenn man gemäß dem Verfahren nach 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 Einlagerangen
höherer elektrischer Leitfähigkeit (z. B. Erzkörpern) erzeugten Wirbelstromfelder,
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 Rahmenspannungen 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 Rahmenspannungen
getrennt auszumessen und an zwei entsprechend geeichten Skalen der hierzu benutzten
Kompensationsmeßeinrichtung ohne irgendwelche Zwischenrechnungen unmittelbar abzulesen.
Eine Ermittelung 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 oder drei zueinander räumlich senkrechten Richtungen die beiden
um go ° gegeneinander phasenverschobenen Komponenten der Rahmenspannung messen und
aus den so gefundenen Komponentenpaaren in an sich bekannter Weise die Feldrichtungen
und die in diesen Richtungen wirksamen Werte (Höchstwerte) der Komponenten bestimmen.
Sind jedoch die Strömungs- bzw. die Feldrichtungen bekannt (z. B. auf Grund vorher
ausgeführter
besonderer Messungen); so genügt es, die beiden um go ° phasenverschobenen Komponenten
der Rahmenspannung 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 Rahmenspannung in einer größeren
Anzahl (z. B. sechs oder zwölf) räumlicher Richtungen zu messen.
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Als Einrichtung zur Ausführung des neuen Verfahrens 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 W echselstromkompensationsapparat verwenden, -der zwei um go ° gegeneinander
verschobene, zur Kompensation dienende Teilspannungen erzeugt. Es kommt hierfür
z. B. der Larsensche Kompensator (vgl. ETZ igio S. io3g) in Betracht, bei dem die
eine Teilspannung durch Schleifkontakte an einem geeichten Meßdraht abgegriffen
wird, welcher mit der Primärspüle 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 1924 S. 13q.8), bei dem die beiden zur Kompensation dienenden Teilspannungen
als stetig regelbare Spannungsabfälle an zwei kalibrierten, 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 Erfindungsgegenstande
entsprechenden neuen Verfahrens mit Hilfe des Larsenschen Kompensators gekennzeichnet.
Hierin stellt W den zur Erregung der WechselströmeimUntergrundedienenden Generator
dar, welcher durch die LeitungL mit den zur Übertragung der elektrischen Energie
in den Boden bestimmten Vorrichtungen (Elektroden oder Leiterschleife) verbunden
ist. Der Larsensche Kompensator K, bestehend aus Schleifdraht i11 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 einem Teil des Widerstandes
R parallel geschaltete Hilfskondensator (von konstanter Kapazität) C dazu dient,
den im Kompensator fließenden Strom (Meßstrom) j-9 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 am Induktionsrahmen O wirksame 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 Nullinstrumentes), P1 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 Pl=El=E-coscp und P2 = E2 = E - sin 9p ist, so daß die Komponenten
El und E2 der Rahmenspannung E (El = Wirkkomponente, E2 = Blindkomponente) an zwei
(am Schleifdraht i11 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 dienenden 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 Ml und i112, welche in der aus Abb. 5 ersichtlichen «'eise mit den Spulen
Sp, und Spe des (in der Kopplung unveränderlichen) Lufttransformators T, den Hilfswiderständen
R1, R2, R3 und den Strömzuführungsleitungen 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) JII 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 am Induktionsrahmen
0 wirksame Spannung E kompensiert, so daß das Nullinstrument (z. B. Vibrationsgalvanometer)
N vollkommen stromlos wird.
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Das bei abgeglichener Meßanordnung gültige Vektorendiagramm ist auch
hier das in Abb. q. dargestellte, und es ergibt sich ohne weiteres, daß auch hier
P1 = Ei = E - cos qg und P2 = E2 = E - sin (p ist, so daß die beiden Komponenten
El und E2 der Rahmenspannung E an den beiden Meßdrahtskalen des Kompensators direkt
abgelesen werden können.