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Bodenwiderstands-Meßgerät X, xveck des vorliegenden Apparates Der
Apparat dient zur Aufnahme von vertikaleii Widerstandsprofiien <ler Erdschichten
unter einer interessierenden Stelle der Erdoberfläche, nach dem allgemein gebräuchlichen
Wenner-Verfahren. Die Widerstände der verschiedenen geologischen Schichten eines
Gebietes erlauben Rückschlüsse aulf den geologischen Bau, weshalb das Verfahren
eine sehr große Bedeutung für die Wasser- und Lagerstättensuche hesitzt.
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Methode An zwei Elektroden p1 und P2 von nach Bedarf zu wählendem
Abstand b wird ein Wechselstrom von 10 bis 30 Hz und bestimmter Stärke J in den
Boden geschickt. Dieser Strom breitet sich zwischen den Elektroden nach den Seiten
und der Tiefe zu aus. In dem vom Strom durchflossenen Bereich entstehen an der Erdoberfläche
zwischen je zwei beliebigen Punkten Wechsel spannungen, die außer von geometrischen
Bedingungen auch, nach dem Ohmschen Gesetz, von der Stromstärke und dem mittleren
(gleich scheinbaren) Widerstand des vom Strom durchflossenen Untergrundes abhängen.
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Für den Spezialfall, daß die beiden Spannungsmeßpunkte (zwei weitere
Elektroden p3 und p4) auf der Verbindungsgeraden der Elektroden P1 und P2 liegen
und sie in drei gleiche Abschnitte a = b/3 teilen, ist nach Wender der scheinbare
spezifische Widerstand des Untergrundes bis zu einer Tiefe a gegeben durch
wobei #V die an p3 und p4 gemessene Wechselspannung bedeutet.
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Um an einer interessierenden Stelle das Profil der spezifischen Bodenwiderstände
von einer Tiefe
von in an bis zu einer Tiefe zu erhalten. müssen
alle vier Elektroden von einem Anfangsabstand m ax 1 : 1 m an in kleinen Stufen
bis zum Endabstand ax:ax:ax m umgesteckt werdne. ist homogener Untergrund vorhanden,
so gibt die obige Formel für alle a den gieichen Meßwert. Auf einem Diagramm dargestellt
ergibt dann Q in Abhängigkeit von der Tiefe a eine der a-Achse parallel laufende
Gerade. Bei einer Änderung des Bodenwiderstandes von einer bestimmten Tiefe ay an
ändert sich. vom gegenseitigen Abstand der Elektroden ay an, die Stromverteilung
im Untergrund. und damit das an der Erdoberfläche gemessene #V relativ, so daß das
Diagramm eine Knick im Punkt a=ay aufweist.
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Tn der Praxis zeigen die Q/a-Diagramme meist eine Anzahl von Knicken
und Zacken. aus denen man auf Tiefenlage und Mächtigkeit geologischer Formationen
schließt.
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Apparat l)ie zu den Messungen erforderliche Gerätschaft besteht aus
1. der Stromquelle, angeschlossen n p1 und p2.
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2. der empfindlichen Meßvorrichtung, an p3 und p4.
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1. Die Stromquelle muß Ströme von wenigen bis einigen Hundert Milliampere
liefern und ist deshalb meist in Stufen von zehn bis einigen Hundert Volt Klemmenspannung
einregulierbar. Die meisten. oft selbstgebauten Apparate benutzen als Stromquelle
Radioanodenbatterien. Der von diesen gelieferte Gleichstrom wird mittels eines von
hand angefriebenen Kommutators mit einer Frequenz von etwa 10 Hz in Wechselstrom
verwandelt, 2. Die empfindliche Meßvorrichtung für die an p3 und p4 aus der Erde
entnommene Sekundärspannung #V besteht aus einem zweiten Kommutator, <ler die
als Wechselspannung ankommende A1' phasengerecht gleichrichtet, und der Potentiometerschaltung,
in der mit Hilfe eines empfindlichen Galvanometers die meist sehr geringe unf leistungsschwache
#V ineßar kompensiert wird. Um bei den geringen vorkommenden Spannungen Kontaktiehler
zu vermeiden, werden die Kompensationsspannungen nicht am Schleifkontakt eines üblichen
Potentiometers abgenommen, sondern an einem festen Widerstand durch gemessene Ströme
erzeugt.
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Aus dem in p1 und p2 geschickten Primärstrom J und dem gemessenen
aV sowie dem verwendeten a wird nach Formel S 1 der scheinbare spezifische Widerstand
errechnet.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Messungen mit Wechselstrom
auszuführen. Jedoch sind bei Gleichstrommessungen die starken Einflüsse der natürlichen
Erdspannungen. verschiedener Elektrolvtkonzentrationen im Erdreich um die Sekundärelektroden
herum und Polarisatonserscheinungen durch Vertauschen der Elecktrodenanschlüsse
und Mittelbildung über die beiden dadurch erhaltenen, differierenden Meßerte zu
beseitigen. Die Wechselstrommethode gibt sofort den richtigen Wert.
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Industrielle Geräte verwenden zur Stromerzeugung häufig handangetriebene
: Magnetinduktorien.
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Ein in den USA. hergestelltes Instrument besitzt einen durch AUtobatterie
zu speisenden Umformer.
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Verschiedene im Handel befindliche Meßgeräte zur Bodenwiderstandsmessung
lassen hei der Kompensation auf einer Skala glas fertig errechnete \erhält ins #V/J
erscheinen. so daß nur noch mit dem Elektrodenabstand a multipliziert werden mut?.
um den betreffenden Widerstandswert zu erhalten.
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Das Bodenwiderstands-Meßgerät mit automatischer Meßwertangabe Das
von mir konstruierte 1 Instrument benutzt zur Erzeugung des in die Erde zu sendenden
Stromes J einen Transformator mit Zerhacker, ähnlich <leii 1>eim Autoradie
zur ANodenspannungserzeugung gebräuchlichen ANordnungen. Stromquelle ist eine kleine
Akkubatterie. l)iese Norrichtung liefert maximal 300 mA bei etwa 700 V Spannung
für eine Bruchteile einer Nfinute dauernde Einzelmessung. Die Stromstärke ist von
Null 1 bis zuin Maximum kontinuierlich einregulierbar.
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Die Schaltung zum Ntesseii der aus kr l:r<le entnommenen Sekundärspaunung
#l' ist die gleiche wie bei den sonst üblichen Geräten. Allerdings ist die im Apparat
erzeugte Kompensationsspannung nicht auf alle #l' einregulierbar, sondern kann wahlweise
auf drei feste Betrage. die sich wie 1:10:100 verhalten, eingestellt werden. Es
muß also durch Regulierung voll J das Al der eingestellten Kompensationsstufe angeglichen
werden.
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Da die an der Erdoberfläche an an p3 p3 und p4 abgenommene Spannung
#l' ein Wechselspannung ist, wird sie durch ein zweipoliges. vom Primärkreis gesteuertes
Relais gleichgerichtet. tlamit sie an dem empfindlichen Galvanometer G1 des Sekundärkreises
angezeigt werden kann. Die Kompensationsspannung liefert ein kleines Trockenelement
TB1.
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Ist durch diese Kompensation I die ANgleichung #V an an die betreffende
Kompensationsnntufe erreicht. und damit also # V bekannt. so so <1er Primärstrom
J gemesseii werden. der #@ in der Erde hervorruft.
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Das Neue l>ei meiller Konstrucktion liegt in der Messung von J,
durch die die automatische Ausrechnung des Resultates erreicht wird. Der Strom wird
nicht, wie sonst ül>lich. mittels eines Amperemeters direkt angezeigt. sondern
durch eine weitere Kompensation (Komp. Il) gemessen. Zu diesem Zweck dienen zwei
lange. gerade. kontinuierlich abgreifbare PotentiometerS die gegeneinander elektrisch
isoliert zusammenmontiert sind und von einem gemeinsamen Schleifkontakt jeweils
im selben Verhältnis p/q unterteilt werden.
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Auf den einen Poltentiometerwiderstand Rj wird eine geringe, durch
J an einem Widerstand erzeugte und damit von ihm abhängige gleichgerichtete Spannung
VJ gelegt. Am zweiten Potentiometerwiderstand RK liegt eine konstante. durch reh
ein Trockenelement TB erzeugte Spannung in in VJ entgegengesetzter Richtung. an.
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An RJ wird die am Abschnitt p. an Rk die am Abschnitt q bestehende
S@ Spannung al <gegriffen und
diese Spannungen über ein Galvanometer
G2 einander gegenübergestellt. Ist. z. B. Strom J groß, so liegt an RJ, and damit
an dessen Abschnitt p eine entsprechend hohe Spannung. Durch Verkleinern von p mittels
des Schleifkontaktes wird die an p auf Rj abzunehmende Spannung geringer, während
auf RK. entsprechend dem hier durch die Schleifkontaktverschiehung erfolgte Vergrößerung
von q, die abgegriffelle. Spannung ansteigt. Bei einem bestimmten Verfhältnis p/q
sind die beiden an RJ und RK abgegriffenen Spannungen einander gleich geworden,
G2 zeigt dann Stromlosigkeit. Die dann eingestellte Lage des Schleifkontaktes des
Doppelpotentiometers ist für die Stromstärke J charakteristisch. Die veschienen
Stellungen des Schleifkontaktes bei Kompensation II für die verschiedenen Stromstärken
zwischen o bis 300 mA ergeben eine Skala der Stromstärke (ohne Umschaltung des Meßbereiches!).
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Ein am Schleitkontakt angebrachter langer Zeiger überstreicht bei
der Ausführung der Kompenstation 11 ein rechteckiges Feld. tlas Skalenfeld.
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Dieses wird außerdem reehtwinkelig dazu von einem zweiten langen Zeiger
Z11. der senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Schleifkontaktzeigers ZJ bewegloich
ist, überstrichen. Za wird an hand einer Skala auf den bei der betreffenden Messung
verwendeten Elektrodengrundabstand a der (inneren =) Sekundärelektroden eingestellt.
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Bei vollendeten Kompensationen l und II und eingestelltem a bezeichnet
der Schnittpunkt der Zeiger ZJ und Za den Punkt der Skalenfläche, der fiir die gegebenen
Daten dem gesuchten Widerstandswert entspricht. Sie Skalenfläche ist mit errechneten
Kurvenscharen. von denen jede Kurve den spezifischen Widerstand in <2 cm für
die verschiedenen a darstellt. versehen, an denen im jeweiligen Schnittpunkt der
Zeiger der gesuchte Wert abgelesen werden kann. DIe bei Kompensation 1 benutzte
Kompensationsstufe ist gegebenenfalls durch Nullen oder Kommaversetzung am abgelesenen
Wert zu berucksichtigen. l)ie Messung des scheinbaren spezifischen Bodenwiderstandes
l>is zu einer Tiefe a hesteht bei vorliegendem Instrument also in der Ausführung
der Kompensationen I, zur Messung von LiV und II, zur Strommessung, und der Einregulierng
des Zeigers ZB. Das Ergebnis ist dann, bei abgeschaltetem Apparat, direkt abzulesen.
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In der praxis wird für G1 und G2 nur ein Galvanometer verwendet,
welches durch Drucktaste vom Sekundärkreis auf den Primärkreis geschaltet werden
kann.
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Vorteile der angegehenen Konstruktion 1. Sehr rasches Meßtempo; 2.
da das Meßergebnis sofort ersichtlich, können während der weiteren Auswertung die
Elektroden umgesteckt werden. Kleoine Abnormitäten im Verlauf eines an einer Meßstelle
aufgenommenen o/a-Diagramms sind sofort zu erkennen und können durch entsprechende
Elektrodenanordnung weiter verfolgt werden. Rechenfehler sind nicht mehr möglich;
3. leichte Handhabung, auch durch Laien. Die Funktion des Gerätes braucht nicht
mehr unbedingt l>-ekannt zu sein, da der Beobachter sich nur nach wenigen, leicht
erlernbaren Vorschriften zu richten hat; 4. die Messung des Primärstromes ist besonders
genau und dabei keine Beriechumschaltung nötig; ; 5. der in die Erde gesendete Strom
ist frei von die Messungen beeinträchtigenden Obertönen; 6. leichter Transport,
da die ganze Apparatur samt Batterie eng zusammengebaut werden kann. Ein Mann kann
die Ausrüstung gut tragen. Rasche Einsatzbereitschaft; 7. verhältnismäßig leichte
Herstellung des Apparates; 8. Betrieh sehr billig.