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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum
Kartieren der unterirdischen Geologie eines Geländes
mittels elektrischer Profilierung, wobei die
Anordnung mindestens einen elektrischen Stromkreis zum
Leiten eines Stroms von einer Stromquelle über
Stromelektroden durch die zu untersuchende Schicht
aufweist, und mindestens einen Spannungskreis mit
einem Meßgerät, das über Spannungselektroden den
Spannungsabfall im an diesen anstehenden Strom mißt.
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Elektrische Profilierung dieser Art ist seit langem
bekannt und wurde vor allem in den letzten Jahren
häufig als Instrument für die detaillierte
Beschreibung der unterirdischen Geologie z.B. in Verbindung
mit Umweltverschmutzung eingesetzt. Zu diesem Zweck
wird üblicherweise eine Elektronenanordnung in einer
sogenannten Wenner-Konfiguration mit vier Elektroden
in Form von Erdstäben verwendet, die im selben
Abstand zueinander in einer Reihe in die Erde
getrieben werden, wobei der Meßpunkt als Mittelpunkt der
Anordnung definiert ist. Dann wird ein konstanter
elektrischer Strom zwischen den beiden äußeren
Erdstäben, den Stromelektroden, mit einem
Stromgenerator durch die Erde geleitet, woraufhin der
Spannungsabfall des Stroms durch die beiden mittleren
Erdstäbe, die Spannungselektroden, gemessen wird.
Vor dieser Messung müssen die elektrochemischen
Oberflächenpotentiale auf einen konstanten Wert
stabilisiert worden sein, was üblicherweise 20-30
Sekunden dauert. Um diesen Restfehlerbetrag
auszugleichen, werden zwei oder mehr Messungen an derselben
Elektrodenanordnung durchgeführt, wobei die
Stromrichtung jedesmal umgekehrt wird, so daß der
Fehlerbetrag
im wesentlichen durch den Abzug der
individuellen Meßergebnisse bei diesem Verfahren
ausgeglichen wird. Diese Technik ist z.B. aus den
Patentbeschreibungen US 2 640 097 und GB 2 106 653 bekannt.
Auf der Basis der angegebenen Stromstärke, des
gemessenen Spannungsabfalls durch die
Spannungselektroden und eines Faktors, der nur von der Geometrie
der Anordnung( abhängt, wird schließlich der
elektrische Widerstand der Erdformation berechnet, der
einer bestimmten Fokussiertiefe entspricht.
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Bei der Messung wird üblicherweise eine sogenannte
Linienprofilierung verwendet, wobei die
Meßkonfiguration schrittweise auf einer Linie mit demselben
Abstand zwischen den Meßpunkten bewegt wird, und da
der elektrische Widerstand häufig in verschiedenen
Fokussiertiefen am selben Meßpunkt aufgezeichnet
werden soll, werden die Stäbe symmetrisch um diesen
Meßpunkt bewegt, und dann werden die Messungen in
verschiedenen Stababständen, die den zu messenden
Fokussiertiefen entsprechen, wiederholt.
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Wenn eine große Anzahl dieser Linienprofilierungen
nacheinander durchgeführt wird, erhält man eine
Summe von Meßergebnissen, die in Kombination eine
zuverlässige Kartierung des elektrischen Widerstands
der Schichten ergeben und dadurch bei Interpretation
ein zufriedenstellendes Bild der geologischen
Struktur des Geländes liefern. Dieses Verfahren ist sehr
langsam und beschwerlich, insbesondere wenn es
erforderlich ist, die Formation für jeden einzelnen
Meßpunkt in verschiedenen Fokussiertiefen zu
untersuchen und diese für das mit einem ausreichend hohen
Detailniveau zu kartierende Gelände relativ dicht
beieinander liegen, was häufig der Fall ist.
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Im Hinblick auf eine Vereinfachung dieses langsamen
und arbeitsaufwendigen Feldverfahrens wurde in der
US-Patentanmeldung 2 105 247 vorgeschlagen, mobile
Elektroden, z.B. in Form von Endlosschienen auf
einem Zugmittel, zu verwenden, die sich über die
Erdoberfläche bewegen, während ständig Messungen
durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren wurde es als
notwendig angesehen, eine relativ große Stromstärke
zwischen 5 und 20 A zu verwenden, um ein
Spannungssignal zu erhalten, das so stark ist, daß es mit
angemessener Sicherheit von den elektrochemischen
Oberflächenspannungen unterschieden werden kann, die
als Folge der Leitung der Spannungselektroden über
die veränderliche chemische Umgebung der
Erdoberfläche auftreten. Für die Übertragung einer so großen
Stromstärke muß der Elektrodendruck auf die Erde
relativ groß sein, um einen ausreichend kleinen
Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und der
Erde zu bilden. Dadurch wurden in der Praxis
Elektroden mit einem Gewicht zwischen 50 und 100 kg pro
Elektrode verwendet, und diese schweren und unhand
lichen Elektroden in Verbindung mit den hohen und
gefährlichen Stromstärken führten dazu, daß die
vorgeschlagene Technik nur auf rein experimenteller
Basis verwendet wurde.
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Eine andere Form von mobilen Elektroden wird in der
Patentbeschreibung DD 145 671 beschrieben, bei der
die Elektroden als eine Art Messer konstruiert sind,
die unter entsprechenden Trägern befestigt sind, die
in einer Reihe von einem Schleppmittel, z.B. einem
Fahrzeug, geschleppt werden. Wenn die Elektroden als
Messer konstruiert sind, wird der
Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und der Erde gegenüber
dem Verfahren, das aus der oben genannten US-
Patentbeschreibung 2 105 247 bekannt ist,
verringert, andererseits können sie jedoch in der Praxis
nur in homogenen, relativ losen Schichten eingesetzt
werden, da die Messer feste und harte Formationen
nicht oder nur mit Schwierigkeiten durchschneiden
können und da sie den Kontakt mit der Erde verlieren
oder steckenbleiben, wenn sie auf einen Stein
stoßen. Wenn die Spannungssignale mit angemessener
Sicherheit von den elektrochemischen Spannungen in der
obersten Schicht unterschieden werden sollen, ist
es, wenn nur die im Patent beschriebenen Mittel
verwendet werden, in diesem Fall auch erforderlich,
relativ große Stromstärken zu verwenden, die eine
Gefahr für die Bediener darstellen. Außerdem lehrt
das Patent nicht, wie die oben genannten Probleme
gelöst werden sollen und wie die Messung
durchgeführt wird und nennt auch nicht die speziellen
elektrischen Mittel, die im Meßsystem verwendet werden.
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Die US-Beschreibung 2 885 633 beschreibt mobile
Elektroden in Form von Schlitten, die über
Strukturen aus elektrisch nicht-leitendem Material, z.B.
Firneis, gezogen werden, um Inhomogenitäten wie
Kluften in diesem Eis zu erfassen. Der Kontakt ist
kapazitiv, und das Gerät mißt die dielektrische
Konstante durch Verdrängungsstrom. Dieses Gerät kann
also nicht verwendet werden, um den elektrischen
Erdwiderstand zu messen.
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Die US-Patentbeschreibung 3 808 521 beschreibt ein
Gerät zur Messung des elektrischen Erdwiderstands.
Ungefährliche Stromstärken unter 10 mA werden in
diesem Fall verwendet, so daß es beim beschriebenen
elektrischen Stromkreis erforderlich ist, einen
extrem innigen Kontakt zwischen Elektroden und Erde
sicherzustellen, um den Übergangswiderstand auf eine
so kleine Größe zu reduzieren, daß ein annehmbar
zufriedenstellendes Meßergebnis erzielt wird.
Dementsprechend kann dieses Gerät nicht in Verbindung
mit mobilen Elektroden verwendet werden.
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Das Ziel der Erfindung ist es, eine Meßanordnung der
im Eingangsabschnitt genannten Art vorzusehen,
welche die unterirdische Geologie einer Erdformation
durch elektrische Profilierung schneller und
leichter als bisher bekannt und ohne Sicherheitsrisiken
für die Bediener kartieren kann.
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Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist insofern neu
und einzigartig, als daß die Meßanordnung in
Kombination die Merkmale aufweist, daß die Elektroden
mobil sind, daß die Elektroden in einer festen
Anordnung auf ein Tau in Form eines Kabels oder Seils,
das während der Profilierung von einem Fahrzeug oder
einem anderen Schleppmittel geschleppt wird,
montiert sind, daß der Spannungskreis einen
Bandpaßfilter aufweist, daß der Stromkreis einen
Strombegrenzer in Form eines Generators mit so niedrigem Effekt
aufweist, daß er kein Gesundheitsrisiko für
Individuen darstellt, die mit stromführenden Teilen, z.B.
den Stromelektroden, in Berührung kommen könnten.
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Das Schleppmittel kann z.B. ein Traktor sein, der
gleichzeitig den Bediener und das erforderliche
elektrische Gerät trägt, das seinerseits durch
isolierte Drähte, die entlang des Taus verlegt sind,
mit jeder einzelnen Elektrode verbunden ist. Auf
diese Weise kann der Bediener einfach und schnell
und mit der gewünschten Dichte, z.B. kontinuierlich,
die Messungen durchführen, da er nur den Traktor
durch das Gelände steuern muß, wobei die Elektroden
wie ein langer Schwanz, der den Unregelmäßigkeiten
des Geländes folgt, hinterhergezogen werden.
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Bei der Feldarbeit, wo es z.B. erforderlich sein
kann, eine oder mehr Elektroden über ein Hindernis
zu heben, können die Bediener frei mit der Anordnung
umgehen und arbeiten, ohne das Risiko von
gefährlichen oder tödlichen Stromschlägen, die besonders
gefährlich sein können, wenn Wechselstrom mit einer
Frequenz im Bereich zwischen 10 und 100 Hz verwendet
wird, was üblicherweise der Fall ist. Der
Schwellenwert, ab dem ein Mensch bei diesen Frequenzen nicht
mehr in der Lage ist, einen stromführenden Teil
selbst abzuleiten, liegt weit unter 5-20 A, wie sie
in der Anordnung verwendet werden, die in der oben
erwähnten US-Patentbeschreibung 2 105 247
beschrieben wird. Die Größe des Schwellenwerts liegt bei ca.
10 mA und kann nur ein sehr schwaches
Spannungssignal abgeben, das, wenn alles andere gleich bleibt,
daher leicht von den elektrochemischen
Oberflächenspannungen überlagert wird. Diese Spannungen werden
jedoch im wesentlichen durch Bandpaßfilter im
Spannungskreis aus dem vollständigen Signal eliminiert,
so daß nur das Spannungssignal, das sich auf die
fragliche geologische Struktur bezieht,
aufgezeichnet wird. Die eigentliche Strombeschränkung kann
vorteilhaft durch Anordnung der Stromquelle als
konstanter Stromgenerator erfolgen.
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Dadurch kann das Bedienungspersonal ohne Risiko mit
den stromführenden Elektroden umgehen, die vorzugs
weise jeweils ein Gewicht zwischen 10 und 15 kg
haben und daher leicht von einer einzelnen Person
angehoben werden können, die somit die gesamte
Anordnung alleine bedienen kann. In der Vergangenheit
waren für diese Aufgabe mindestens drei Personen
erforderlich. Auf Wunsch kann die Elektrode auch ein
höheres Gewicht von bis zu 100 kg haben; ihre
Handhabung kann dann vorteilhaft durch eine Maschine
erfolgen.
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Wenn die Geologie in mehreren unterschiedlichen
Tiefen untersucht werden soll, können mehrere
Elektrodenkonfigurationen vorteilhaft auf demselben Tau
vorgesehen werden, um die Meßgeschwindigkeit zu
erhöhen. Zusätzlich können mehrere parallele Taue
gleichzeitig von einem Balken geschleppt werden,
wodurch es möglich ist, ein vollständiges Band der
zu messenden Erdoberfläche abzudecken.
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Wie oben erwähnt, werden die verschiedenen
elektrischen Drähte vom elektrischen Gerät auf dem
Schleppmittel zu jeder einzelnen Elektrode auf dem Tau
geführt. Diese parallele Drahtanordnung führt beim
Betrieb dazu, daß von den Stromleitern zu den
Spannungs- oder Signalleitern induktive und
kapazitive Kreuzkopplung und zwischen den Signalleitern
kapazitive Kreuzkopplung auftritt. Die dadurch
entstehenden Störsignale werden durch Einbau eines
Elektrodenverstärkers in Form eines
Seriengegentaktverstärkers, der das Elektrodensignal üblicherweise
um einen Faktor von 10-50 verstärkt, in jede
Elektrode kompensiert. Der Verstärker wird außerdem mit
einer geringen Ausgangsimpedanz versehen, die zu
einer Verringerung der kapazitiven Kreuzkopplung an
den Signalleitern führt. Da die Signale nun nicht
viel verstärkt wurden, wird die Interferenz durch
die induktive Kreuzkopplung von den Stromleitern zu
den Signalleitern gleichermaßen auf eine Größe
verringert, die ohne praktische Bedeutung ist.
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Die Erfindung wird durch die nachfolgende
Beschreibung von Ausführungen, die nur als Beispiele dienen,
genauer erklärt, unter Bezugnahme auf die
Abbildungen, von denen
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Fig. 1 eine konventionelle Meßanordnung zur
elektrischen Profilierung mit vier Erdstäben darstellt, die
in einer Wenner-Konfiguration angeordnet sind,
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Fig. 2 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit vier Schleifelektroden darstellt, die
mit einem Tau von einem Zugmittel geschleppt werden,
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Fig. 3 dasselbe darstellt, aber in einer anderen
Ausführung,
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Fig. 4 ein Tau mit zwei Stromelektroden und vier
Spannungselektroden darstellt,
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Fig. 5 drei parallele Taue auf einem Balken
darstellt, die jeweils zwei Stromelektroden und sechs
Spannungselektroden aufweisen,
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Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht einer Ausführung
einer erfindungsgemäßen Schleifelektrode darstellt,
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Fig. 7 ein Diagramm ist, das eine Variation der
Elektrodenspannungen während des Schleppens
darstellt, und wie die resultierende Störkomponente
durch eine synchrone Erfassungstechnik verringert
wird,
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Fig. 8 ein Diagramm ist, das den scheinbaren Forma
tionswiderstand darstellt, der in einer
traditionellen Wenner-Konfiguration mit Stabelektroden gemessen
wird, wobei die Elektrodenabstände 5 bzw. 15 m
betragen, und
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Fig. 9 dasselbe darstellt, wobei jedoch die
Messungen mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung
durchgeführt werden.
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Der theoretische Hintergrund der elektrischen
Profilierungstechnik kann durch Fig. 1 veranschaulicht
werden, die eine konventionelle Wenner-Konfiguration
mit vier Erdstäben darstellt, die in einem Abstand a
zueinander 10-30 cm tief in die Erde getrieben
werden oder so tief, daß ein zuverlässiger galvanischer
Kontakt mit dieser sichergestellt wird. Mit einem
Stromgenerator 1 und einem elektrischen Draht 2 wird
Strom I über die beiden äußeren Erdstäbe 3a, 3b, und
die Stromelektroden, die schwarz gekennzeichnet
sind, in die Formation geleitet, und der
Spannungsabfall dV über die beiden mittleren Erdstäbe 4a, 4b,
die mit einem elektrischen Draht 5 verbunden sind,
wird mit einem Spannungsmesser 6 gemessen. Auf der
Basis von I und dV kann der scheinbare Widerstand
der Formation nun folgendermaßen berechnet werden:
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Rhoa = K (a) dV/ I,
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wobei K (a) ein geometrischer Faktor ist, der nur
vom Abstand a zwischen den Elektrodenstäben abhängt.
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Dieser Abstand kann z.B. 5 m betragen, wobei sich
die Messungen auf eine entsprechende Fokussiertiefe
im Mittelpunkt der Anordnung beziehen. Normalerweise
ist es wünschenswert, etwas über die geologischen
Bedingungen in verschiedenen Tiefen zu erfahren. Zu
diesem Zweck werden die Stäbe um denselben Mittel
punkt auf einen Stababstand von z.B. 15 m
symmetrisch nach außen bewegt, und dann werden die
Messungen wiederholt. Da der Strom nun tiefer in die
Formation eindringt, beziehen sich die Messungen nun
auf eine entsprechend größere Fokussiertiefe. Dieses
Verfahren kann beliebig oft wiederholt werden, bis
ein zufriedenstellendes Detailniveau an diesem
Meßpunkt erreicht ist, woraufhin die Position der Stäbe
um einen geeigneten Abstand verschoben und der
gesamte Vorgang wiederholt wird. Mit diesem Verfahren
können extrem präzise I«formationen über die Natur
der Formation erhalten werden, die Arbeit ist jedoch
extrem langsam und beschwerlich und erfordert
normalerweise ein Team aus drei Personen.
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In Fig. 2 sind die Stäbe durch Schleifelektroden 7a,
7b für den Strom und Schleifelektroden 8a, 8b für
die Spannung ersetzt. Diese Schleifelektroden sind
an ein Tau 9 in Form eines Seils mit z.B. 10 mm
Durchmesser aus Kevlar angehängt, das elektrisch
nicht leitend ist und außerdem eine Reißfestigkeit
hat, die für den Zweck groß genug ist. Im
dargestellten Fall wird das Tau von einer Zugvorrichtung
durch das Gelände geschleppt, es ist jedoch mög
lich, ein beliebiges anderes Schleppmittel zu
verwenden, z.B. ein Pferd. Wie bei dem in Verbindung
mit Fig. 1 beschriebenen konventionellen Verfahren
wird Strom 1 von einem Stromgenerator 11 und einem
elektrischen Draht 12 durch die äußeren Stromelek
troden 7a, 7b abgeleitet, während der
Spannungsabfall dV über die beiden mittleren
Spannungselektroden 8a, 8b von einem Spannungsmesser 13 in einem
elektrischen Draht 14 gemessen wird. Die Messungen
können nun mit dieser Anordnung laufend und mit
hoher Geschwindigkeit während der Bewegung der
Zugvorrichtung durchgeführt werden. Das erforderliche Team
besteht nur aus einer einzigen Person.
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Damit eine Anordnung dieser Art in der Praxis
nützlich ist, müssen die Elektroden so leicht sein, daß
sie ohne Schwierigkeiten von einer einzigen Person
hochgehoben und bewegt werden können, und daher
sollten sie vorzugsweise nicht mehr als je 10-15 kg
wiegen. Das führt dazu, daß jede einzelne Elektrode
einen relativ schwachen Kontaktdruck auf die Erde
ausübt und daß der Strom auf einen entsprechend
großen elektrischen Widerstand an diesem Punkt trifft.
Dem sollte hinzugefügt werden, daß der Strom
notwendigerweise
auf eine relativ kleine Größe beschränkt
werden muß, so daß er bei den üblicherweise
eingesetzten Frequenzen zwischen 10 und 100 Hz keine
Gefahr für Personen darstellt, die mit stromführenden
Teilen der Anordnung in Berührung kommen könnten,
was häufig der Fall ist, wenn der Bediener z.B. eine
Elektrode über ein Hindernis im Gelände heben soll.
Daher setzt der Bericht der International Electronic
Commission von 1984 über die Wirkung der Leitung von
elektrischem Strom durch den menschlichen Körper bei
Frequenzen zwischen 15 und 100 Hz einen oberen
Schwellenwert von 10 mA für die Stromstärke fest,
die es einem Menschen noch erlaubt, ein bloßes
stromführendes Objekt abzuleiten.
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Aus Sicherheitsgründen weist der Stromkreis in der
erfindungsgemäßen Meßanordnung daher Mittel auf, um
die Stromstärke auf einen Wert zu begrenzen, der
unter dem oben genannten Schwellenwert von 10 mA
liegt, oder auf einen anderen Wert, der
möglicherweise von den Behörden festgelegt wurde. Daher kann
die erfindungsgemäße Meßanordnung nun, im Gegensatz
zu der oben genannten, älteren US-Patentbeschreibung
2 105 247, die eine Anordnung mit schweren
Elektroden und großen Stromstärken beschreibt, leicht und
ohne Schwierigkeiten von einer einzigen Person
bedient werden, die die leichten stromführenden
Elektroden ohne Risiko, durch den elektrischen Strom
verletzt zu werden, frei berühren und bewegen kann.
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Die stark begrenzte Stromstärke in Verbindung mit
dem stark erhöhten elektrischen Übergangswiderstand
zwischen den Elektroden und der Erde gegenüber dem
bisherigen Stand der Technik bringen andererseits
mit sich, daß der Spannungsabfall über die
Spannungselektroden oder das aufzuzeichnende Signal
extrem schwach ist und daher schwer von den
unvermeidlichen Störsignalen zu unterscheiden ist, die durch
die stark variierenden elektrochemischen
Oberflächenpotentiale an den Spannungselektroden
hervorgerufen werden und die üblicherweise in derselben
Größenordnung oder sogar noch größer sein können als
das vom übertragenen Strom erzeugte Signal.
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Damit das gewunschte Signal separat aufgezeichnet
wird, ist in der erfindungsgemäßen Meßanordnung ein
Bandpaßfilter in den Spannungskreis eingefügt, der
mit Abtasttechnik funktioniert, einschließlich
Übertragung einer Niederfrequenz-Impulsfolge mit einer
Frequenz z.B. zwischen 10 und 30 Hz durch Umkehr der
Ströme und Messen der Spannung über die Spannungs
elektroden synchron mit dieser Impulsfolge. Die
einzelnen Spannungsmessungen werden dann in den
speziellen elektronischen Stromkreisen in Phase mit dem
übertragenen Strom addiert/subtrahiert, um ein
Ausgangssignal mittels einer geeigneten
Durchschnittszeit (1-5 sec) zu liefern, wobei die Interferenz von
den Störsignalen auf einen vernachlässigbaren Wert
verringert wird. Die von Fachleuten eingesetzte
Technik, die phasensynchrone Erfassungstechnik
genannt wird, ist an sich bekannt und wird daher hier
nicht genauer beschrieben.
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Das überraschend gute Ergebnis, das mit der Technik
in Verbindung mit leichten Schleifelektroden und
ungefährlich kleinen Stromstärken erzielt wird, wird
aus dem Diagramm in Fig. 7 deutlich, welches das
Störsignal bzw. das synchrone Signal in einem in der
Praxis durchgeführten Test darstellt, bei dem die
Elektroden mit einer Geschwindigkeit von 0,2 m/sec
über die Erde geschleppt wurden, wobei die synchrone
Frequenz 20 Hz und die Durchschnittszeit 1 sec
betrugen.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Meßanordnung sind
die elektrischen Drähte 12, 14 zum besseren
Verständnis so einigezeichnet, als ob sie in bezug auf
das Tau 9 frei wären. Bei der praktischen Ausführung
sind jedoch alle Geräte zweckmäßigerweise auf dem
Zugmittel 10 plaziert, und sowohl die Stromdrähte 12
als auch die Spannungsdrähte 14 werden vom Zugmittel
hinaus zu den Elektroden am Tau entlang geführt. Die
Drähte werden dabei so nah aneinander positioniert,
daß von Stromleiter zu Signalleiter induktive und
kapazitive Kreuzkopplung und zwischen den Signallei
tern kapazitive Kreuzkopplung auftritt.
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Diese Kreuzkopplung addiert sich zur Interferenz mit
dem gewünschten Signal, wenn die Störsignale stark
sind, was jedoch durch Anbringen eines
Elektrodenverstärkers in Form eines Seriengegentaktverstärkers
in jeder einzelnen Elektrode ausgeglichen wird, mit
Bezug auf einen gemeinsamen Anschluß (Erdanschluß),
der zu allen Spannungselektroden geführt wird. Jede
gewünschte Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen
Elektroden kann hierbei gemessen werden. Das
Elektrodensignal wird üblicherweise vom Verstärker, der
außerdem mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz
versehen ist, die dazu führt, daß die kapazitive
Kreuzkopplung
zu den Signalleitern verringert wird,
10-50fach verstärkt. Da die Signale nun sehr
verstärkt werden, wird die Interferenz von der
induktiven Kreuzkopplung von den Stromkabeln gleichermaßen
auf eine Größe verringert, die keine praktische
Bedeutung hat.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine Weiterentwicklung der
in Fig. 2 dargestellten Ausführung, die nun zur
Kornpensation oder Elimination der Störsignale mit den
oben genannten elektronischen Mitteln versehen ist,
sowie mit einer Anordnung zum Messen und Abrufen der
verschiedenen zu sammelnden Daten.
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In diesem Fall sind die Elektroden in einer Wenner-
Konfiguration angeordnet, wobei die Stromelektroden
15a, 15b in der Mitte und die Spannungselektroden
16a, 16b auf beiden Seiten der Stromelektroden an
geordnet sind. Die vollständige Meßeinstellung ist
als Flußplan dargestellt. Die Begrenzung des
elektrischen Stroms findet im gezeigten Beispiel statt,
indem ein konstanter Stromgenerator 17 verwendet
wird, der einen konstanten Strom, vorzugsweise einen
Wechselstrom, innerhalb des maximalen Werts, der aus
Sicherheitsgründen vorgeschrieben ist,
aufrechterhalten kann. Das Spannungssignal, das in den
Elektrodenverstärkern verstärkt wird, wird zusätzlich
von einem Vorverstärker 18 verstärkt, und der Teil
in Phase mit der Impuisfolge vom Generator 17 wird
im Phasensynchronisator 19 ausgewählt, der zusammen
mit dem Mittelwertbildungskreis 20 einen
Bandpaßfilter darstellt. Das Signal vom
Mittelwertbildungskreis 20 wird in einen Datenlogger 21 eingegeben,
der in geeigneten Intervallen, z.B. 1-5 sec, durch
Steuerung von Impulsen aus einem Zählrad (nicht
abgebildet) und dem Bediener einen Meßwert empfängt.
Das Gerät weist außerdem eine Ausgangseinheit 22 und
einen Plotter 23 zur Darstellung kontinuierlicher
Profile bei Kennzeichnung der zurückgelegten
Abstände, die vom Zählrad gemessen wurden, auf.
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Während die in Fig. 2 und 3 dargestellte Meßanord
nung nur eine einzige Elektrodenkonfiguration
aufweist, kann dasselbe Tau wie in Fig. 4 und 5 leicht
mehrere Elektrodenkonfigurationen aufweisen. Auch in
diesen Fall sind die Stromelektroden schwarz
gekennzeichnet und das eigentliche Tau ist unterbrochen
dargestellt, um anzugeben, daß der Elektrodenabstand
nicht abstandsgleich ist, sondern entsprechend
variiert werden kann, um die gewünschten
Konfigurationen zu bilden. Fig. 4 und 5 stellen einige
Elektrodenabstände dar, die sich in der Praxis als
zweckmäßige Konfigurationen erwiesen haben. Bein Tau mit
sechs Elektroden, das in Fig. 4 dargestellt ist,
werden daher zwei Konfigurationen gebildet, und drei
Konfigurationen werden beim Tau mit acht Elektroden
gebildet, das in Fig. 5 dargestellt ist.
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Profilierungsdaten von verschiedenen
Elektrodenabständen und dabei mehr Durchdringungstiefen können
durch die oben erwähnte Anordnung mit verschiedenen
Elektrodenkonfigurationen gleichzeitig im selben
Schleppbetrieb erzielt werden. Die Elektroden werden
dann so im Tau positioniert, daß sie dieselbe
horizontale Fokussierung ergeben. Die
Probennahmegeschwindigkeit, d.h. die Anzahl der Meßvorgänge, die
pro Zeiteinheit durchgeführt werden kann, kann
hierbei zusätzlich auf ein beträchtliches Ausmaß
gegenüber der konventionell eingesetzten Technik erhöht
werden. Mit einer Stange 24 kann das Zugmittel 10
außerdem mehrere parallele Taue schleppen, so daß
ein vollständiges Band der Erdoberfläche in Form
einer Bandprofilierung abgedeckt wird.
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Die Probennahmegeschwindigkeit kann mit dem zuletzt
genannten Verfahren durch die Anzahl der
eingesetzten parallelen Taue erhöht werden, wobei der
zusätzliche Vorteil erzielt wird, daß Kreuzkopplungen, die
Widerstände im Gelände aufzeigen können, zwischen
den Widerstandsprofilen der einzelnen Taue vorgese
hen werden können. Außerdem kann die geologische
Störung, die durch unterirdische Inhomogenitäten
hervorgerufen wird, durch Korrelation zwischen den
einzelnen Tauprofilen verringert werden.
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Fig. 6 zeigt eine zweckmäßige Ausführung einer
Elektrode 25. Die Elektrode, die vorzugsweise aus
Metall, z.B. Eisen, besteht, ist hohl und konisch
verjüngt oder wie ein Torpedo zu beiden Enden hin
dargestellt, um eventuellen Hindernissen, auf welche
die Elektrode treffen können, wenn sie durch das
Gelände geschleppt wird, so wenig Widerstand wie
möglich zu bieten. In Längsrichtung ist durch die
Elektrode ein verschleißfester Schlauch 26 geführt,
der die Stromdrähte 27 und die Spannungsdrähte 28
umgibt, sowie eine Spannungsentlastung, z.B. in Form
eines Seils oder Drahts 29, die indirekt durch den
Schlauch 26 oder einen Auslaß fest an beiden Enden
mit der Elektrode verbunden ist. Diese Verbindung,
die von beliebiger Art sein kann, ist in Fig. 6
nicht abgebildet. Der Elektrodenverstärker 30,
dessen Bedeutung ausführlich oben beschrieben wurde,
ist in den Hohlraum der Elektrode eingebaut und mit
der Elektrode 25 bzw. dem Spannungsdraht 28 durch
einen elektrischen Draht 31 verbunden.
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Bei einer Vielzahl von in der Praxis durchgeführten
Experimenten war das verwendete Zugfahrzeug ein
kleiner Raupentraktor mit einer Breite von 70 cm,
einer Länge von 120 cm und einer Höhe von 70 cm. Der
Traktor wurde von einem kleinen Ottomotor mit 3,5 PS
angetrieben, und die oben genannten elektronischen
Geräte wurden auf den Traktor montiert. Die
Elektroden hatten ein Gewicht von je 10-15 kg und eine
Länge von ca. 35 cm bei einem Durchmesser von ca. 10
cm. Die in Fig. 4 und 5 dargestellten
Elektrodenkonfigurationen wurden verwendet. Das Tau wurde mit
einer Geschwindigkeit von 1,0-1,5 km/h durch das
Gelände gezogen. Diese Grenze wurde durch die
Maschinenkraft des Zugfahrzeugs gesetzt, so daß es
möglich ist, bei stärkeren Schleppmitteln mit
höheren Geschwindigkeiten zu arbeiten. Die verwendete
Frequenz betrug 25 Hz und die Stromstärke 10 mA, die
Durchschnittszeit war 1 sec.
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Im Hinblick auf die Ermittlung der Genauigkeit der
Messungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzielt werden kann, wurden Vergleichsmessungen
teilweise mit Erdstäben in einer konventionellen
Wenner-Konfiguration, teilweise mit der oben
genannten Anordnung über einen Abstand von ca. 350 m
durchgeführt. Der Elektrodenabstand betrug in beiden
Fällen 5 bzw. 15 m. Ein elektrisches Hauptprofil
wurde mit der traditionellen Wenner-Anordnung mit
Stabelektroden bei einem Abstand von zwei Metern
zwischen den Meßpunkten gemessen. Derselbe Abstand
wurde zweimal mit Schleifelektroden hin und zurück
profiliert, dann wurde ein gemitteltes Hauptprofil
auf der Basis der vier Profile berechnet.
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Die Ergebnisse der Messungen mit Erdstäben sind im
Diagramm in Fig. 8 aufgetragen, während das Diagramm
in Fig. 9 dieselben Messungen darstellt, die mit der
erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt wurden.
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Wie zu sehen ist, besteht eine extrem gute
Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen, die mit den
beiden verschiedenen Verfahren erzielt wurden, aber die
Kurven in Fig. 9, welche die Messungen mit der
erfindungsgemäßen Anordnung darstellen, haben einen
etwas "weicheren" Verlauf als die Kurven in Fig. 8,
welche die Messungen mit Erdstäben darstellen.
Dieser unbedeutende Unterschied kann der
Mittelwertbildung der Zeit und dadurch der lokalen
Mittelwertbildung des Meßergebnisses als Folge der
Elektrodenbewegung zugeschrieben werden. Daher kann festgestellt
werden, daß die elektrische Profilierung mit der
erfindungsgemäßen Anordnung ebenso genau und
reproduzierbar bei der Messung des scheinbaren
elektrischen Formationswiderstands ist wie die
traditionelle elektrische Stabprofilierung. Dem sollte
hinzugefügt werden, daß das Verfahren viel schneller und
weniger arbeitsaufwendig ist und daß die geologische
Kartierung mit einem wesentlich höheren Detailniveau
als zuvor durchgeführt werden kann. Dies öffnet
daher
neue Möglichkeiten, die elektrische Profilierung
vorteilhaft für eine Vielzahl von Zwecken
einzusetzen, von denen folgende genannt werden können:
Kartierung von Bodenschätzen, wo die elektrische
Profilierung seit vielen Jahren verwendet wird, wo
jedoch nun mit der neuen Anordnung detailliertere
und regionalere Untersuchungen durchgeführt werden
können.
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Geotechnische Kartierung in Verbindung mit
Straßenbau und Bauland, um die Lage von Feuchtgebieten,
Sand und Lehm zu bestimmen.
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Hydrogeologische Kartierungen, wo die
Ungeschütztheit von Wasserlagern, d.h. die Homogenität und
Dikke der Abdeckschicht aus Lehm, beschrieben werden
soll, und die regionalere Kartierung der Geologie&sub7;
wo ein hydrogeologisches Modell auf der Basis der
Profilierungsergebnisse und Punktinformationen
extrapoliert und interpoliert werden kann.
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Lokale Kartierungen in Verbindung mit Müllkippen, wo
dasselbe Verfahren eingesetzt werden kann, sowie
detaillierte Kartierungen der Lehmmembran bei neuen
Müllkippen.