DE9203755U1

DE9203755U1 - Switch unit for querying voltages from spatially distributed voltage sources

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Publication number: DE9203755U1
Application number: DE9203755U
Authority: DE
Original assignee: Nemes Istvan Dipl-Geophys 3167 Burgdorf De
Current assignee: Nemes Istvan Dipl-Geophys 3167 Burgdorf De
Priority date: 1992-03-20
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1992-07-30
Anticipated expiration: 2002-03-21

Description

Dipl. Ing. Istvan Nemes: Sehaljergiilh&it für d\e 'AbTrk§e von SpannungenDipl. Ing. Istvan Nemes: Safety for the reduction of tensions

räumlich verteilter Spannungsquellenspatially distributed voltage sources

Description

In Reihe schaltbare Schaltereinheiten für Zwecke der Abfrage solcher elektrischer Spannungen welche an Fühler geophysikalischer Messungen, wie z.B. Eigenpotentialmessung, entstehen.Switch units that can be connected in series for the purpose of querying electrical voltages that arise at sensors for geophysical measurements, such as self-potential measurements.

Für die Abfrage der Spannungen räumlich verteilter Fühler müssen folgende Bedingungen müssen erfüllt werden:To query the voltages of spatially distributed sensors, the following conditions must be met:

1) die Fühler - zwei bis dreihundert Stück - müssen an der Erdoberfläche flächenhaft verteilt werden,1) the antennae - two to three hundred of them - must be distributed over the surface of the earth ,

2) die Messungen müssen an jedem Fühler gleichzeitig erfolgen.2) the measurements must be taken on each sensor simultaneously.

Eigenpotentialmessungen gehören zu den geopysikalisch geoelektrischen Erkundungsmethoden. Hierbei wird das natürliche Eigenpotentialfeld der Erde mit Hilfe an der Erdoberfläche angebrachte Fühlern (sog. nicht polarisierbaren Elektroden) an unterschiedlichen Positionen gleichzeitig und in gleichen zeitlichen Abständen wiederholt gemessen: es wird die elektrische Spannung zwischen einem Referenzfühler und den anderen Fühlern gemessen. Die Messung dient der Erkundung der Struktur und der materiellen Beschaffenheit des Erdbodens.Self-potential measurements are one of the geophysical geoelectrical exploration methods. The earth's natural self-potential field is measured using sensors attached to the earth's surface (so-called non-polarizable electrodes) at different positions simultaneously and repeatedly at the same time intervals: the electrical voltage is measured between a reference sensor and the other sensors. The measurement is used to explore the structure and material properties of the earth's soil.

Voraussetzung ist, daß die Messpunkte flächenhaft und gleichmäßig auf der Erdoberfläche verteilt werden. Die Auswahl der Position der Messpunkte erfolgt entsprechend der nötigen räumlichen Abtastrate des Eigenpotentialfeldes und der örtlichen Gegebenheiten.The prerequisite is that the measuring points are distributed evenly and evenly over the earth's surface. The position of the measuring points is selected according to the necessary spatial sampling rate of the self-potential field and the local conditions.

Die Messungen müssen gleichzeitig an jeden Messpunkt erfolgen. An den Fühlern gleichzeitig gemessene Spannungen werden zu einer Zentraleinheit zwecks Sammlung der Messdaten geleitet.The measurements must be taken simultaneously at each measuring point. Voltages measured simultaneously at the sensors are sent to a central unit for the purpose of collecting the measurement data.

Diese Forderungen werden z.Z. durch zwei Lösungswegen erfüllt.These requirements are currently met by two solutions.

Bei älteren Geräten wird zu jeden Messpunkt eine separate Messleitung gelegt und die Spannungen bei der Zentraleinheit mit Hilfe entsprechend schneller Multiplexer gleichzeitig gemessen: die Zentraleinheit schaltet die einzelnne Leitungen zu einen oder mehreren A/D Wandlern und zeichnet die Daten digital auf (Abb. 3). Die Gleichzeitigkeit der Messungen wird durch der entsprechend hoch gewählter Umschaltfrequenz gewährleistet. Diese Lösung hat Vorteile in der einfachen Ausführung, aber bei 200 oder mehr Messpunkten und bei größeren Punktabständen (15-25 m) muss große Kabelmänge eingesetzt werden. Auch bei gebündelten und auf einzelner Kabeltrommel unterteilten Kabelsätzen müssen große Gesamtgewichte bewegt werden was bei unregelmäßigen Messpositionen und schweren Gelände besonders nachteilig ist. Auch die Handhabung der Kabelanschlüsse an der Zentraleinheit oder an der Kopplungspunkten der Kabelsätze ist volumenbedingt problematisch .In older devices, a separate measuring cable is laid to each measuring point and the voltages are measured simultaneously in the central unit using a correspondingly fast multiplexer: the central unit switches the individual cables to one or more A/D converters and records the data digitally (Fig. 3). The simultaneousness of the measurements is ensured by the correspondingly high switching frequency. This solution has advantages in its simple design, but with 200 or more measuring points and with larger point distances (15-25 m) a large amount of cable must be used. Even with bundled cable sets divided into individual cable drums, large total weights must be moved, which is particularly disadvantageous in irregular measuring positions and difficult terrain. Handling the cable connections on the central unit or at the coupling points of the cable sets is also problematic due to the volume.

Neuere Lösungen teilen die Messpunkte in kleineren Gruppen auf (<= 16 Stück) und ordnen zu jeder Gruppe eine selbstständige Messeinheit zu. Die oben beschriebene Messleitungen führen gruppenweise zu den einzelnen Messeinheiten welche nicht zentral, sondern in der näheren Umgebung der gruppenweise zusammengehörenden Messpunkten am Gelände ausgelegt werden (Abb. 4). Die Funktion der Messeinheiten ist ähnlich der oben beschriebenen Zentraleinheit: sie schalten die zugehörige Leitungen zu einem A/D Wandler und zeichnen die Daten digital auf. Die Messeinheiten untereinander sind durch solche Leitungen verbunden, welche die Daten in digitaler Form zu einer auch hier existierenden Zentraleinheit weiterleiten. Der digitale Datentransfer wird durch die Zentraleinheit gesteuert. Newer solutions divide the measuring points into smaller groups (<= 16) and assign an independent measuring unit to each group. The measuring lines described above lead in groups to the individual measuring units, which are not laid out centrally, but in the immediate vicinity of the grouped measuring points on site (Fig. 4). The function of the measuring units is similar to the central unit described above: they switch the associated lines to an A/D converter and record the data digitally. The measuring units are connected to one another by lines that forward the data in digital form to a central unit that also exists here. The digital data transfer is controlled by the central unit.

Die Vorteile dieser Lösung bestehen darin, daß insgesamt weniger Kabel am Gelände transportiert werden muss. Von vorgegebenen Positionen abweichende Meßstellen sind leichter zu erreichen. Der Nachteil ist, daß die selbstständige Messeinheiten, welche mitunter die KomplexitätThe advantages of this solution are that fewer cables have to be transported on site. Measuring points that deviate from predetermined positions are easier to reach. The disadvantage is that the independent measuring units, which sometimes increase the complexity

chen. Der Nachteil ist, daß die "selbstständige Messeinheiten, welche mitunter die Komplexität eines PC-s erreichen entsprechend mit Speisespannung versorgt werden müssen, wodurch zusätzlicher Bedarf an schweren Kabel entsteht. Nachteil ist, daß die Kosten einer Messeinheit in der Höhe der Kosten der Zentraleinheit liegen.The disadvantage is that the "independent measuring units, which sometimes reach the complexity of a PC, have to be supplied with a corresponding supply voltage, which creates an additional need for heavy cables. The disadvantage is that the cost of a measuring unit is the same as the cost of the central unit.

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltereinheit, welche die Forderungen der flächenhaften Messung und der Geichzeitigkeit der Messung auf vereinfachter Weise zu erfüllen vermag.The subject of the invention is a switch unit which can meet the requirements of area measurement and simultaneity of measurement in a simplified manner.

Eine elektronisch ausgeführte Schaltereinheit wird mittels eines integrierten mehradrigen Kabelstückes und zwei mehrpoligen Steckverbindern (an der Schaltereinheit und am Kabelende) zu einer anderer identischen Schaltereinheit in beliebiger Anzahl so zusammengeschlossen, daß eine Schalterreihe entsteht. Zu jeden Messpunkt, bzw. Fühler wird eine Schaltereinheit verlegt. Das Kabel der Schaltereinheit wird zu den nächsten Messpunkt geführt und an der dort befindlichen Schaltereinheit angeschlossen. Durch die zusammenschaltung der Schaltereinheiten werden die sog. Messleitung, die Resetleitung und die Speisespannungsleitungen von Fühler zu Fühler direkt verlängert. Eine Leitung, die Steuerleitung führt von einer Schaltereiheit zur anderen. Mit Hilfe der Schaltereinheit kann an jedem Messpunkt die Spannung des Fühlers an die dafür ausgezeichnete Ader des Kabels (Messleitung) zugeschaltet werden. (Abb. 1).An electronically designed switch unit is connected to any number of other identical switch units using an integrated multi-core cable piece and two multi-pole connectors (on the switch unit and at the end of the cable) to form a row of switches. A switch unit is installed at each measuring point or sensor. The cable of the switch unit is led to the next measuring point and connected to the switch unit located there. By connecting the switch units together, the so-called measuring line, the reset line and the supply voltage lines are directly extended from sensor to sensor. One line, the control line, leads from one switch unit to the other. Using the switch unit, the voltage of the sensor can be connected to the designated wire of the cable (measuring line) at each measuring point. (Fig. 1).

Die zusammengeschalteten Schaltereinheiten führen ihre vorgeschriebene Funktion so aus, daß der Einschaltzustand von der ersten Schaltereinheit bis zur letzter Schaltereinheit in der Reihenfolge der nacheinander geschalteten Schaltereinheiten automatisch mit der erforderlichen Geschwindigkeit weitergeleitet wird. Die erste Schaltereinheit wird an eine Zentraleinheit angeschlossen, die den Schaltvorgang auslöst. So ist es mit Hilfe einer einziger Messleitung möglich, die Spannungen aller Fühler an den A/D Wandler der Zentraleinheit zuzuführen. Mit der beschriebener Funktionsweise übernehmen die nacheinander geschalteten Schaltereinheiten die Funktion des Multiplexers in der Zentraleinheit der herkömmlichen Lösungen. Die Schalterreihe funktioniert wie ein räumlich verteilter Multiplexer.The interconnected switch units carry out their prescribed function in such a way that the switch-on state is automatically passed on at the required speed from the first switch unit to the last switch unit in the order of the switch units connected one after the other. The first switch unit is connected to a central unit, which triggers the switching process. This makes it possible to feed the voltages of all sensors to the A/D converter of the central unit using a single measuring line. With the described function, the switch units connected one after the other take on the function of the multiplexer in the central unit of the conventional solutions. The row of switches functions like a spatially distributed multiplexer.

Die Funktion der Schaltereinheit ist auf Abb. 2 zu sehen. Der Steuereingang Sj_n empfängt von der benachbarten Schaltereinheit oder von der Zentraleinheit einen Steuerimpuls mit der Länge von 3 bis 10 ms und leitet ihn zu die digitale Schaltung D. Die Schaltung D generiert nach dem Ablauf des Steuerimpulses am Punkt S_out einen gleichlangen Impuls, welche am Eingang der nächsten Schaltereinheit erscheint. Die Digitalschaltung D schaltet während der Impulsdauer einen auf Halbleiterbasis aufgebauten Analogschalter K ein. Schalter K verbindet den Messfühler über einen Impedanzwandler und Filter mit der Messleitung. Es kann ein Fühler, aber mit Hilfe der Analogschalter L auch mehrere Fühler nacheinander an die Messleitung geschaltet werden, wenn außer den Eigenpotenziale z.B. auch die Temperatur gemessen werden soll.The function of the switch unit is shown in Fig. 2. The control input Sj _n receives a control pulse with a length of 3 to 10 ms from the adjacent switch unit or from the central unit and sends it to the digital circuit D. After the control pulse has expired, the circuit D generates a pulse of the same length at point S _out , which appears at the input of the next switch unit. The digital circuit D switches on a semiconductor-based analog switch K during the pulse duration. Switch K connects the measuring sensor to the measuring line via an impedance converter and filter. One sensor can be connected to the measuring line, but with the help of the analog switch L several sensors can also be connected one after the other if, for example, the temperature is to be measured in addition to the self-potentials.

Der Vorgang kann wiederholt werden, wenn die Resetleitung nach Ablauf der Messung den Anfangszustand hergestellt hat. Die Wiederholungsperiode kann bei Eigenpotenzialmessungen wesentlich langer gewählt werden, als die Summe der Schaltzeiten in der längsten Schalterreihe.The process can be repeated if the reset line has restored the initial state after the measurement has been completed. The repetition period for self-potential measurements can be chosen to be significantly longer than the sum of the switching times in the longest row of switches.

Vorteile der Erfindung.Advantages of the invention.

Die Anzahl der Kabeladern ist nicht von der Anzahl der Messpunkten abhängig. Die Schaltereinheiten sind identisch und untereinander austauschbar. Die Handhabung der Schalterreihe am Gelände ist einfach. Dies gilt sowohl für den Transport wie für die Verlegung der einzelner Schaltereinheiten: bei sechs Kabeladern ist das Gewicht des Kabelstückes von 15-25 m incl. der Schaltereinheit unter 500 Gramm, so daß bis zehn Einheiten von einem Mann bewegt werden können.The number of cable cores does not depend on the number of measuring points. The switch units are identical and interchangeable. Handling the row of switches on site is easy. This applies both to transport and to laying the individual switch units: with six cable cores, the weight of the 15-25 m cable section including the switch unit is less than 500 grams, so that up to ten units can be moved by one person.

Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß der Multiplexer der Zentraleinheit entfallt. Als Datenerfassugs und Steuergerät kann ein handelsüblicher PC₁ ausgerüstet mit ebenfalls handelsüblichen Datenerfassungskarten von 8/16 Eingängen benutzt werden . Zu jedem der Eingänge kann eine Schalterreihe mit bis zu 45 Schaltereinheiten angeschlossen werden. Die Identität der Messpunkte wird durch die Reihenfolge der Schaltereinheiten festgelegt.Another advantage of the invention is that the multiplexer of the central unit is eliminated. A commercially available PC ₁ equipped with commercially available data acquisition cards with 8/16 inputs can be used as the data acquisition and control device. A row of switches with up to 45 switch units can be connected to each of the inputs. The identity of the measuring points is determined by the sequence of the switch units.

Die Gesamtanzahl der Messpunkte kann auf 400 bis 600 erhöht werden, auf eine Zahl, die bei Eigenpotenzialmessungen gar nicht mehr angestrebt wird.The total number of measuring points can be increased to 400 to 600, a number that is no longer even aimed for in self-potential measurements.

Die Funktion der Schaltereinheit ist einfach, die nötige elektronische Schaltung ist anspruchslos und kann mit minimalem Gewicht und Leistungsaufnahme hergestellt werden.The function of the switch unit is simple, the necessary electronic circuit is undemanding and can be manufactured with minimal weight and power consumption.

Der finanzieller Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit der kostengünstiger Ausführung und dem Wegfall einer spezieller Datenerfassungseinheit mit großer Anzahl von Eingängen, oder dem Wegfall der am Gelände verteilten speziellen Erfassungseinheiten.The financial advantage results from the possibility of cost-effective implementation and the elimination of a special data collection unit with a large number of inputs, or the elimination of the special collection units distributed around the site.

Claims

Dipl. Ing. Istvan Nemes: Device for the interrogation of voltages of spatially distributed voltage sources Protection claims

1) Switch units that can be connected in series for the purpose of querying electrical voltages that arise from sensors distributed on the earth's surface for geophysical measurements, such as self-potential measurements.

The switch unit is characterized in that several switch units can be coupled to form a switch row using integrated multi-core cables and multi-pole plug connections, and that the switch units can be distributed to any position on the earth's surface depending on the cable length.

2) Switch unit according to claim 1, characterized in that the first switch unit in the switch row is coupled to a data acquisition and control unit using the multi-pin connector and that the switch row automatically carries out a multiplexer function after a control pulse coming from the control unit, in that the individual sensors are switched one after the other to a common measuring line using the switch units, depending on their order within the switch row.

3) Switch unit according to claim 1, characterized in that the switch units coupled together in a series function as spatially distributed multiplexers.

4) Switch unit according to claim 1, characterized in that the number of switch units in the switch row is not fixed, and the number can be changed during the measurement by inserting or adding, or by removing. The switch units are identical to one another.

5) Switch unit according to claim 1, characterized in that not only one sensor can be connected to the switch units.

6) Switch unit according to claim 2, characterized in that several switch rows can be formed from the switch units at the same time.