WO1998018023A1

WO1998018023A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung mit sinusförmigem wechselstrom in der gleichstromgeoelektrik

Info

Publication number: WO1998018023A1
Application number: PCT/EP1996/004538
Authority: WO
Inventors: Jörg Dehnert; Wolfgang Nestler
Original assignee: Dehnert Joerg; Wolfgang Nestler
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1998-04-30
Also published as: AU7490796A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gleichstromgeoelektrik und betrifft ein Verfahren, wie es z.B. im Bauwesen angewandt werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die mit einer Frequenz oberhalb 10 Hz arbeiten. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem über zwei Elektroden ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V in dem Erdboden eingespeist und an zwei weiteren Elektroden die Spannung mittels Echt-Effektivwertmessung gemessen wird. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung gelöst, die enthält eine interne oder externe Stromquelle, die einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V abgibt, eine Meßapparatur zur Echt-Effektivwertmessung von Spannung und Stromstärke, zwei Elektroden zur Einspeisung des Stroms in den Boden und mindestens zwei Elektroden zur Messung der Spannung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der Gleichstromgeoelektrik

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gleichstromgeoelektrik und betrifft ein Verfahren zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der

Gleichstromgeoelektrik, wie es z.B. im Bauwesen (Grundwasserspiegel, Verlauf von Ton- und Lehmschichten zur Beurteilung der Standsicherheit), in der Erkundungsgeologie (mineralisierte Gangspalten, Kiesgruben, Braunkohle, tektonische Störungen), in der Hydrogeologie (Erkundung des Grundwasserleiters vor dem Brunnenbau), bei der Altlastensanierung (Deponiegrenzen zum Grundgebirge) oder bei der Hohlraumsuche in der Archäologie angewandt werden kann und eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens.

Stand der Technik

Unter dem Begriff Gleichstromgeoelektrik werden die Widerstandsverfahren, die geoelektrische Computertomographie und die Methode des geladenen Körpers zusammengefaßt.

ORIGINAL UNTERLAGEN Bei den Widerstandsverfahren handelt es sich um Vier-Punkt-Verfahren, bei denen dem Erdboden über zwei Stromelektroden A und B ein Strom zugeführt und zwischen zwei weiteren Elektroden M und N die Potentialdifferenz (Spannung) gemessen wird. Dafür gibt es eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen. Die bekanntesten Anordnungen sind die WENNER-Anordnung und die SCHLUMBERGER-Anordnung. Daneben werden auch die 5-Elektrodenanordnung, die Anordnung nach LEE, unsymmetrische Anordnungen (3-Elektroden, mittlerer Gradient), Dipolanordnungen (axial und äquitoriai), Fokussierende Anordnungen, Zwischenfelderkundungs- anordnungen und weitere Anordnungen verwendet (Militzer, H. u.a.: Angewandte Geophysik im Ingenieur- und Bergbau. 2. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie: Leipzig, 1986). Für jede beliebige Elektrodenanordnung kann über die NEUMANNsche Formel

2 π ΔU ΔU

P^* = = K

1 1 1 1 1 I

( ) - ( ) ^rAM ^rBM ^rAN ^rBN

mit r^M- ^rBM- ^rAN- ^rBN - Elektrodenabstände

U - Spannung

I - Strom

K - Konfigurationsfaktor

aus der Geometrie der Elektrodenaufstellung und den Meßwerten von Strom I und Spannung U der spezifische elektrische Widerstand p* der darunterliegenden Schicht berechnet werden. Die Teufe, der dieser Widerstandswert zugeordnet wird, hängt von der Aufstellungsweite der Elektroden ab. Bei geschichtetem Untergrund und bei Inhomogenitäten im Untergrund stellt der spezifische elektrische Widerstand p* einen mittleren Widerstand dar, der als scheinbarer spezifischer elektrischer Widerstand p_s bezeichnet wird.

Unter Kartierung versteht man das Versetzen der Elektrodenanordnung entlang eines Profiles unter Beibehaltung der Elektrodenabstände. Allen Meßwerten wird eine einheitliche Teufe zugeordnet, das Untersuchungsgebiet wird in dieser Teufe fortlaufend kartiert. Ausgewertet wird der scheinbare spezifische elektrische Widerstand p_s als Funktion des Ortes. Für die Kartierung wird häufig die WENNER- Anordnung eingesetzt.

Unter Sondierung versteht man das systematische Vergrößern aller Elektrodenabstände unter Beibehaltung des Mittelpunktes der Elektrodenkonfiguration. Dadurch wird jedem Meßwert eine andere Teufe zugeordnet, das Untersuchungsgebiet wird für den Mittelpunkt der Elektrodenaufstellung in die Tiefe sondiert. Ausgewertet wird der scheinbare spezifische elektrische Widerstand p_s als Funktion der Teufe in Form doppelt logarithmisch dargestellter Sondierungskurven. Diese wurden früher mittels Musterkurven und heute fast ausschließlich mittels Computerprogrammen invertiert. Dabei entstehen ausgehend von einer Startlösung Modelle mit Schichtmächtigkeiten und spezifischen elektrischen Widerständen p*, wobei das Äquivalenzprinzip beachtet werden muß. Dieses besagt, daß verschiedene Widerstands- und Mächtigkeitsverteilungen im Untergrund eine äquivalente Potentiaiverteilung an der Erdoberfläche hervorrufen. Das bedeutet, daß jede Sondierungskurve mehrdeutig ist und für eine sichere Invertierung Zusatzinformationen benötigt werden.

Die Widerstandsverfahren sind verglichen mit anderen geophysikalischen Erkundungsverfahren preiswert. Sie zeichnen sich durch einen hohen Meßfortschritt und eine schnelle Interpretation der Meßwerte aus. Sie sind deshalb weit verbreitet und werden mit unterschiedlichsten Erkundungszielen in vielen Wirtschaftszweigen eingesetzt (Militzer, H. u.a.: Angewandte Geophysik, Bd. 2, Wien, Berlin: Springer- Verlag, Akademie-Verlag, 1985).

Die geoelektrische Computertomographie greift auf die Widerstandsverfahren ursächlich zurück. Jede Einzelmessung einer tomographischen Feldmessung ist eine geoelektrische Widerstandsmessung. Charakteristisch für die geoelektrische Computertomographie ist die Verwendung großer Elektrodenarrays, in denen Widerstandsmessungen an einer Vielzahl von Kombinationen von Speise- und Spannungselektroden durchgeführt werden. Für jede Elektrodenauswahl wird wie bei den Widerstandsverfahren der scheinbare spezifische elektrische Widerstand bestimmt. Über einen Tomographiealgorithmus wird dann durch Ausnutzung von Mehrfachüberdeckungen die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes im Untergrund berechnet. Je nach Elektrodenarray und Algorithmus ist das zwei- und dreidimensional möglich.

Auch die "Methode des geladenen Körpers" (mise a la masse) gehört zu den Gleichstromverfahren (Porstendorfer, G.: Grundlagen der Anwendung der Geoelektrik in der Suche und Erkundung, Teil II, Widerstandskartierungen und die Methode des geladenen Körpers, Bergakademie Freiberg, Lehrbrief, 1981). Bei diesem Verfahren werden niederohmige Anomalien im Untergrund von der Erdoberfläche aus nachgewiesen und erkundet. Nachweisbar sind Erzkörper und graphitische Störungen, sowie künstlich in einem Grundwasserleiter erzeugte niederohmige Anomalien des spezifischen elektrischen Widerstandes (Salzwolke). Die Bewegung der Salzwolke mit der Grundwasserströmung kann von der Erdoberfläche aus meßtechnisch verfolgt werden. Hierzu wird die Speiseelektrode A in das Bohrloch eingehangen und die Speiseelektrode B in größerer Entfernung geerdet. Die Meßelektroden M und N befinden sich an der Erdoberfläche. Bei Stromeinspeisung wird die Salzwolke aufgeladen und die Umrisse der Salzwolke pausen sich in Form von Äquipotentiallinien (Linien gleicher Spannung) bis an die Erdoberfläche durch, wo sie durch die Elektroden M und N meßtechnisch erfaßt werden. Wenn sich die Salzwolke mit der Grundwasserströmung bewegt, verschieben sich die Äquipotentiallinien. Aus mehreren Wiederholungsmessungen lassen sich Richtung und Geschwindigkeit der Grundwasserströmung bestimmen.

Die in der Gleichstromgeoelektrik eingesetzte Feldtechnik soll im folgenden ausführlicher betrachtet werden. Zur Durchführung solcher Messungen werden eine Stromquelle, Meßgeräte zur Strom- und Spannungsmessung (auch kombiniert in einem Widerstandsmeßgerät), Elektroden und Kabel benötigt. Der Strom kann sowohl ein Gleich- als auch ein niederfrequenter Wechselstrom sein. Als Stromquellen werden Batterien oder motorbetriebene spezielle Stromgeneratoren eingesetzt. Als Elektroden werden einfache Metallstäbe oder unpolarisierbare Elektroden verwendet. Die Gleichstromverfahren werden heute fast ausschließlich mit Geoelektrikapparaturen durchgeführt, die neben der Stromquelle auch die Meßtechnik zur Messung von Strom und Spannung, eine Steuerelektronik und Speichermedien enthalten.

Bei Verwendung von Gleichstrom kommt es an den Elektroden zur Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht und damit zu Polarisationseffekten, so daß einfache Metailstäbe als Elektroden nicht verwendet werden sollten. Unpolarisierbare Elektroden bestehen aus einer Elektrode, einem mit einem Elektrolyten gefüllten Behälter und einer halbdurchlässigen Membran. Sie müssen im Gelände eingegraben werden. Außerdem muß das Elektrolyt bei Bedarf nachgegossen werden. Im Boden bilden sich in der Regel Eigenpotentiale aus Diese Eigenpotentiale entstehen durch den Transport von Ionen in den Kapillaren des Bodens z.B. verursacht durch versickerndes Regenwasser und erreichen Größenordnungen von einigen 100 mV. Solche Eigenpotentiale führen zu Fehlern bei der Spannungsmessung. Sie müssen entweder durch Messung im stromlosen Zustand separat ermittelt und anschließend vom Meßwert subtrahiert oder durch das Anlegen einer kompensierenden Spannung bei der Messung berücksichtigt werden. Der Einsatz unpolarisierbarer Elektroden und die Elimination von Eigenpotentialen ist sehr aufwendig, so daß Gleichstrom für Gleichstromverfahren in der Praxis nicht eingesetzt wird.

Üblich ist der Einsatz eines niederfrequenten Wechselstromes, vorzugsweise kleiner als die Netzfrequenz des betreffenden Landes (50 Hz oder 60 Hz) in Form einer Rechteckwelle. Ein solcher Strom wird in der Geoelektrik als alternierender Gleichstrom bezeichnet. Meist wird dieser Strom aus einer Gleichstromquelle (Batterie) durch periodische Umkehrung der Polarisation, entweder von Hand mit einem Umschalter, mittels eines mechanischen Kommutators (Relaissystem) oder eines Vibrators erzeugt. Die Häufigkeit der Stromumkehrung reicht von drei bis vier Umkehrungen pro Minute bis zu 100 Umkehrungen pro Sekunde (0,05 bis 100 Hz). Vereinzelt werden auch motorbetriebene Wechselstromgeneratoren höherer Leistung eingesetzt. Die Sinuswelle des Stromerzeugers wird dann elektronisch in eine Rechteckwelle umgeformt (Telford, W.M. u.a.: Applied Geophysics. Cambridge Univerity Press; Second Edition, 1990).

Es gibt mehrere Gründe für die prinzipielle Verwendung von Rechteckwellen in der Gleichstromgeoelektrik. So steht der Fachmann im allgemeinen dem Einsatz von sinusförmigem Wechselstrom ablehnend gegenüber, weil das Meßsignals durch die beiden Frequenzen 16 2/3 Hz und 50 Hz von Bahnstrom und öffentlicher Energieversorgung gestört wird. Diese beiden Frequenzen werden von Fachleuten ausdrücklich gemieden. Die üblicherweise verwendeten Meßfrequenzen liegen deshalb im Bereich kleiner 10 Hz. Außerdem werden IP-Effekte (Effekte der induzierten Polarisation) genannt, weil diese das Meßsignal verfälschen. Ein weiterer Grund für die Verwendung von Rechteckwellen ist die Rauschunterdrückung. Die Meßwerte werden durch Mehrfachmessung und anschließende Stapelung des Meßsignals erzeugt, was das Rauschen wirkungsvoll reduziert. Diese Stapelung ist bei einem Rechteckimpuls besonders leicht zu realisieren. Ein dritter Grund besteht darin, daß üblicherweise Gleichstromquelien verwendet werden und hier entsteht der Rechteckimpuls durch einfache Umpolung von allein. Bei der Verwendung von Wechselstromgeneratoren als Stromquellen ist die Ursache für die Generierung der Rechteckwellen darin zu suchen, daß die in der Geoelektrik eingesetzten Geräte ebenso wie im Flugzeugbau üblich, einen Wechselstrom von 400 Hz erzeugen. Diese Frequenz ist für die Widerstandsverfahren zu hoch, so daß aus dem Wechselstrom ein Gleichstrom erzeugt wird. Dieser Gleichstrom wird anschließend in einen alternierenden Gleichstrom umgewandelt (Rechteckwelle). Würde man aus dem Gleichstrom wieder eine Sinuswelle mit niedriger Frequenz erzeugen wollen, müßte man Linearrichter einsetzen, die energetisch sehr ungünstig wirken. Sicher hat die heute allgemein übliche Verwendung der Rechteckwelle zu einem nicht unbeträchtlichen Teil auch geschichtliche Gründe, die in den Anfängen der Geoelektrik begründet sind.

Eine Ausnahme in der heute verfügbaren Gerätetechnik für Gleichstromverfahren stellt das Gerät „4-punkt light" dar. Dieses batteriebetriebene Gerät generiert aus einem Gleichstrom einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz von 8,33 Hz. Diese Frequenz wurde gewählt, weil das Doppelte dieser Frequenz gleich der Frequenz des von der Bahn verwendeten Bahnstroms von 16 2/3 Hz und das Sechsfache dieser Frequenz der Netzfrequenz der Energieversorgung von 50 Hz entspricht. Dadurch lassen sich im Rahmen des Meßalgorithmus des Gerätes die durch die öffentliche Energieversorgung und den Bahnstrom verursachten Interferenzen mit dem Meßsignal eliminieren (Login-Verfahren, Synchronisation der Frequenz von Meßgerät und öffentlicher Netzspannung). Der Nachteil des Gerätes besteht in der geringen Ausgangsleistung von 10 mA, da als Stromquelle eine Batterie verwendet wird.

Die geoelektrische Feldmessung von Gleichstromverfahren ist heute weitgehend automatisiert. Geoelektrikapparaturen vereinen in kompakter Bauweise die Stromquelle, die Meßtechnik zur Messung von Strom und Spannung, eine Steuerelektronik und Speichermedien zum Archivieren der Meßwerte. An die Apparatur wird ein Kabelbaum angeschlossen, der diese mit auf der Erdoberfläche gesteckten Elektroden verbindet. Mehrkanälige Apparaturen gestatten den Anschluß ganzer Elektrodenarrays. Die Apparaturen sind programmierbar und wählen Speise- und Meßelektroden selbständig aus. Sie führen die Messung an allen Elektrodenkombinationen automatisch durch und archivieren die Meßwerte. Als Stromquellen werden Batterien verwendet. Eingespeist wird ein alternierender Gleichstrom (Rechteckwelle). Das Meßsignal wird durch Mehrfachmessung und Stapelung gewonnen. Die gespeicherten Daten können über eine Schnittstelle von einem Computer übernommen werden, um sie dort mit unterschiedlicher Software auszuwerten. Besonders mehrkanälige Apparaturen werden direkt von einem Computer online gesteuert.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die für Gleichstromverfahren verwendeten weitverbreiteten Geoelektrikapparaturen mehrheitlich mit Batterien als Gleichstromquellen arbeiten. Als Stromquelle kommen vereinzelt auch Wechselstromgeneratoren zum Einsatz. Als Meßsignal wird ein alternierender Gleichstrom in Form einer Rechteckwelle mit niedrigen Frequenzen deutlich unterhalb der Netzfrequenz von 50 Hz eingesetzt. Das hiervon abweichende Gerät „4-punkt light" ist batteriebetrieben und arbeitet mit dem Login-Verfahren bei niedrigen Leistungen von 10 mA.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der Gleichstromgeoelektrik anzugeben, die mit einer Frequenz oberhalb der bisher in der Geoelektrik üblichen Frequenzen von < 10 Hz arbeiten.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der Gleichstromgeoelektrik wird über mindestens zwei nach an sich bekannten Methoden im Meßgebiet angeordnete Elektroden ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V in den Erdboden eingespeist, dessen Stromstärke mittels Echt-Effektivwertmessung oder mittels Effektivwertmessung gemessen wird, und an mindestens zwei weiteren im Meßgebiet nach an sich bekannten Methoden angeordneten Elektroden die Spannung mittels Echt- Effektivwertmessung oder mittels Effektivwertmessung gemessen, die Meßwerte angezeigt oder gespeichert oder weitergeleitet und anschließend nach an sich bekannten Methoden ausgewertet, wobei vor und nach jeder Messung die Rauschsignale der öffentlichen Energieversorgung und des Bahnstromes einmal oder mehrmals mittels Echt-Effektivwertmessung oder mittels Effektivwertmessung gemessen werden oder nicht, ohne daß über die Elektroden ein Wechselstrom in den Boden eingespeist wird, und wobei bei der Auswertung der Meßergebnisse von dem jeweiligen Meßwert mit Wechselstromeinspeisung der Meßwert der Rauschsignale subtrahiert wird.

Vorteilhafterweise wird ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz in den Boden eingespeist.

Zweckmäßig ist es auch, wenn die Messung der Spannung und der Stromstärke mittels Echt-Effektivwertmessung durchgeführt wird.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn ein Strom mit einer Spannung von 100 V bis 1000 V in den Boden eingespeist wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der Gleichstromgeoelektrik enthält mindestens eine interne oder externe Stromquelle, die einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V abgibt, mindestens eine Verbindung zwischen der Stromquelle und einer Meßapparatur mit einem Stromeingang, mindestens eine Meßapparatur zur Echt- Effektivwertmessung von Spannung und Stromstärke, mindestens zwei Elektroden zur Einspeisung des Stroms in den Boden und mindestens zwei Elektroden zur Messung der Spannung, und mindestens Verbindungen zwischen den Elektroden und der Meßapparatur, mindestens eine Einheit zur Anzeige oder Speicherung oder Weiterleitung der Meßwerte und mindestens eine Einheit zur Auswertung der Meßwerte, wobei mindestens ein Wandler für Spannung und/oder Frequenz für den Strom, der in den Boden eingspeist wird, enthalten ist oder nicht.

Vorteilhafterweise ist die Stromquelle ein Wechselstromerzeuger.

Es ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn die Stromquelle ein Stromversorgungsmodul, bestehend aus einer Batterie und einem Konverter, zur Umformung der Gleichspannung der Batterie in einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V, ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Auswahl von Speise- und Meßelektroden, die Ermittlung der optimalen Spannung des Speisestroms, die Einstellung der optimalen Größe der Spannung des Speisestromes, die Funktion des oder der Wandler zum Einstellen der Spannung und/oder der Frequenz, die Einspeisung des Stromes in den Boden, die Ermittlung der Meßwerte bei Stromeinspeisung, die Ermittlung der Meßwerte der Rauschsignale ohne Stromeinspeisung, die Rauschkorrektur, die Anzeige oder Speicherung oder Weiterleitung und die Auswertung der Meßergebnisse von einem Mikroprozessor gesteuert. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß eine Apparatur zur optischen und/oder akustischen Warnung bei Betrieb und im Gefahrenfalle und/oder eine Apparatur zur Abschaltung der Stromquelle und Stillegung der Meßapparatur im Gefahrenfalle enthalten ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn Edelstahlstabelektroden eingesetzt sind.

Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Verbindungen zwischen den Elektroden und der Meßapparatur Kabelbäume sind, bei denen jedes einzelne Kabel separat abgeschirmt ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Spannung und Stromstärke mittels der Echt-Effektivwertmessung (true RMS-Messung) bestimmt. Das dem Boden durch die öffentliche Energieversorgung aufgeprägte Rauschsignal von 50 Hz oder 60 Hz sowie das Rauschsignal des Bahnstroms von 16 2/3 Hz wird durch Messungen vor und nach jeder Stromeinspeisung ermittelt. Dabei kann es sich um Einzel- oder Mehrfachmessungen vor und nach jeder Stromeinspeisung handeln. Von diesen Messungen wird der Mittelwert gebildet und von dem eigentlichen Meßwert bei Stromeinspeisung subtrahiert. Eventuell auftretende und sich vom Bodenrauschen abhebende besondere Impulse werden durch die Mehrfachmessung erkannt und vor der Mittelwertsbildung eliminiert. Diese Form der Rauschunterdrückung ist möglich, weil die Echt-Effektivwertmessung eines Wechselstromes diesen Wechselstrom als äquivalenten Gleichstrom anzeigt, d.h. es wird die Fläche des Sinussignals im Spannungs-Zeit-Diagramm ermittelt und als zeitlich konstanter Wert angegeben. Das im Boden vorhandene Rauschen beliebiger Frequenzen einschließlich der Netzfrequenz der Energieversorgung und der Frequenz des Bahnstromes führt zu einem im Bereich von Minuten bis Stunden zeitlich konstanten äquivalenten Gleichstrommeßwert. Für die Eliminierung des Rauschens ist aber nur die zeitliche

Konstanz dieses Gleichstrommeßwertes im Bereich von einigen Sekunden erforderlich, so daß die Rauschunterdrückung in der erfindungsgemäßen Art und Weise auf einfache Weise erfolgen kann.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Transformation des

Wechselstromes auf beliebige Spannungen von > 0, gegebenenfalls bis 1000 V oder darüberhinaus.

Es ist auch möglich, ohne eine Echt-Effektivwertmessung (true RMS-Messung) mittels einer Effektivwert-Messung zu ungenaueren, aber noch auswertbaren Ergebnissen zu kommen.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung können handelsübliche, mit Benzin oder Diesel betriebene Wechselstromerzeuger eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt über einen Stromeingang für z.B. die landesübliche Netzspannung von 220 V Wechselstrom bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz. Die feste Verbindung eines solchen Stromerzeugers mit der Meßapparatur zu einer kompakten Apparatur ist möglich. Für Meßeinsätze, die die Tragbarkeit der Vorrichtung erfordern (schwieriges Gelände, Kartierung), kann die Vorrichtung über ein separates, abnehmbares Stromversorgungsmodul verfügen. Dieses Modul besteht aus einer Batterie und einem Konverter, der die Gleichspannung der Batterie in einen Wechselstrom von 220 V bei einer Frequenz von 50 Hz umformt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält weiterhin einen Wandler, mit dem die Eingangsspannung in beliebige kleinere oder größere Spannungen und/oder die Frequenzen in beliebige kleinere oder größere Frequenzen umgeformt werden können. Weiterhin ist eine Meßeinrichtung für die Echt-Effektivwertmessung (true RMS- Messung) von Strom und Spannung enthalten. Ein Mikroprozessor steuert die Vorrichtung und übernimmt zusätzlich die automatische Rauschunterdrückung durch Messung vor, während und nach der Stromeinspeisung mit anschließender Mittelwertsbildung und Subtraktion des Bodenrauschens vom eigentlichen Meßwert. Eine einfache Ausgabe der Meßwerte mit und ohne Rauschunterdrückung zur späteren manuellen Rauschkorrektur ist möglich. Die Vorrichtung ist in der Lage, automatisch zu erkennen, auf welche Spannung > 0 die Eingangsspannung der Apparatur von 220 V transformiert werden muß, um größtmögliche Meßwerte für die Spannung zu erzielen, ohne daß zu hohe Spannungen bei kleinem Elektrodenabstand zu einem Kurzschluß führen.

Die Vorrichtung ist ebenso wie herkömmliche Vorrichtungen programmierbar und wählt Speise- und Meßelektroden selbständig aus. Sie führt die Messung an allen Elektrodenkombinationen automatisch durch und kann die Meßwerte auf einem Speichermedium archivieren. Die Meßwerte können aber auch von der Vorrichtung angezeigt oder über eine Schnittstelle an einen Computer zur Auswertung übergeben werden. Die Vorrichtung kann sowohl einkanalig als auch mehrkanälig gebaut werden. Die Programmierung der Vorrichtung kann auch von einem separaten Computer erfolgen, der online die Vorrichtung steuert und die Meßwerte aufnimmt. Die Vorrichtung kann über eine optische und akustische Warneinrichtung verfügen, wenn Spannungen von mehr als 63 V oder Ströme von 25 mA überschritten werden. Weiterhin kann die Vorrichtung mit einem zentralen Schalter ausgerüstet sein, der den Stromfluß vom Stromerzeuger durch die Meßapparatur zu den Elektroden unterbricht. Dieser Schalter ist auch funkfernbedienbar. Der Meßleiter und Sicherungsposten können über Handfunksender im Gefahrenfall die Vorrichtung abschalten, beispielsweise beim Betreten der Meßfläche durch unbefugte Personen.

Als Elektroden werden herkömmliche Edelstahlstabelektroden verwendet. Die Kabelbäume zur Verbindung einer ganzen Elektrodenaufstellung mit der Meßapparatur sind so beschaffen, daß jedes einzelne Kabel des Kabelbaumes separat abgeschirmt ist. Es sind verschiedene Arten von Kabelbäumen möglich. In jedem Fall muß der Querschnitt jedes einzelnen Kabels, welches zur Stromeinspeisung verwendet wird, dem zu erwartenden maximalen Strom angepaßt sein, der im Bereich von mehreren Ampere liegen kann. Es können Kabelbäume verwendet werden, bei denen alle einzelnen Kabel diesem maximalen Stromfluß angepaßt sind. In diesem Fall können die Elektroden zur Stromeinspeisung und Spannungsmessung beliebig durchgeschaltet werden. Beispielsweise können so bei der SCHLUMBERGER- Anordnung die Speiseelektroden wie üblich von außen zum Mittelpunkt der Elektrodenaufstellung wandern. Es können aber auch Kabelbäume verwendet werden, die nur für eine Spannungsmessung ausgelegt sind. Die Stromzuführung erfolgt in diesem Fall über zwei abgeschirmte separate Stromzuführungskabel mit großem Querschnitt. Unter Ausnutzung des Reziprozitätsprinzipes, welches besagt, daß Strom- und Spannungselektroden miteinander vertauschbar sind, werden im Fall der SCHLUMBERGER-Anordnung die Stromelektroden fest positioniert und die Spannungselektroden entsprechend durchgeschaltet.

Die Erfindung führt zu deutlichen Vorteilen und verbessert die technischen Parameter herkömmlicher Geoelektrikvorrichtungen entscheidend. So steht durch die direkte Anschlußmöglichkeit eines Wechselstromerzeugers mit 50 Hz oder 60 Hz Netzspannung als Stromquelle an die erfindungsgemäße Vorrichtung ein breites Spektrum handelsüblicher, preiswerter Stromerzeuger in allen Leistungsklassen zur Verfügung. Die Leistung tragbarer benzin- oder dieselgetriebene Stromerzeuger reicht bis 6 KW.

Für die Meßdauer gibt es keine Beschränkungen mehr, weil das Nachladen von Batterien entfällt. Die direkte Verwendung des vom Stromerzeugers gelieferten Wechselstroms gestattet die preiswerte Umformung dieses Eingangssignals durch einen in der Apparatur enthaltenen Wandler in beliebige Spannungen von > 0 bis 1000 V und darüber hinaus. Je größer die angelegte Spannung ist, um so größer ist auch der von der Spannung getriebene Strom. Das hat vielfältige Vorteile. Einmal sind die Meßwerte von Spannung und Strom deutlich größer als bei herkömmlichen Apparaturen, was die Meßgenauigkeit verbessert. Außerdem können größere Übergangswiderstände überwunden werden, so daß auch bei hochohmigen Deckschichten das Eindringen des Stromes erzwungen wird. Die Vorrichtung kann deshalb auch dann noch eingesetzt werden, wenn herkömmliche Apparaturen keine Messung mehr ermöglichen. Durch größere Spannungen und damit größere Aufstellungsweiten können vor allem aber größere Eindringteufen erreicht werden, was für den Benutzer ein besonderer Vorteil sein wird. Schließlich führen hohe Spannungen dazu, daß auf den in der Praxis meist notwendigen Aufstellungswechsel der Meßelektroden während des Abmessens einer SCHLUMBERGER-Konfiguration verzichtet werden kann. Ein solcher Aufstellungswechsel macht sich notwendig, wenn die zwischen den beiden Meßelektroden anliegende Spannung zu klein geworden ist. Ein Auseinanderrücken der Meßelektroden vergrößert die Spannung wieder, führt aber nachher bei der Auswertung zu einem Sprung in der Inversionskurve, der korrigiert werden muß. Sowohl der umständliche Aufstellungswechsel als auch die Korrektur von Sprüngen in der Inversionskurve entfallen beim Einsatz ausreichend hoher Spannungen.

Die Fähigkeit der Vorrichtung, das Eingangssignal nicht nur herauf- sondern auch bis auf nahe 0 V herunter zu transformieren, gestattet andererseits in idealer Weise, die Stromelektroden auch sehr dicht nebeneinander aufzustellen, ohne daß der dann geringe elektrische Widerstand des Erdbodens zu einem Kurzschluß führt. Das kann beispielsweise beim Abmessen einer SCHLUMBERGER-Konfiguration erforderlich sein.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung ist die Eigenschaft der Echt-Effektivwertmessung, nur den reinen Wechselstromanteil eines Meßsignals zu messen und als äquivalenten Gleichstrom anzuzeigen. Gleichstromanteile des Meßsignals werden nicht erfaßt. Damit garantiert das Meßprinzip an sich, daß die störenden Eigenpotentiale im Boden von bis zu mehreren hundert mV nicht mit gemessen werden. Bei herkömmlichen Apparaturen sind Teile dieser Eigenpotentiale im Meßsignal enthalten. Durch Vertauschen von Strom- und Spannungselektroden müssen sich nach dem Reziprozitätsprinzip bei einer Wiederholungsmessung gleiche Meßwerte ergeben. In der Praxis ist das aufgrund der Eigenpotentiale nicht der Fall. Aus den Differenzen solcher Messungen können für herkömmliche Apparaturen Meßfehler bestimmt werden. Das gesamte Problemfeld der Eigenpotentiale entfällt beim Einsatz eines sinusförmigen Wechselstromes in Verbindung mit einer Echt-Effektivwertmessung. Bei der von der Vorrichtung vorteilhafterweise verwendeten Frequenz von 50 oder 60 Hz treten an den Elektroden keine Polarisationseffekte auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die Sondierungkurve und das Schichtmodell des spezifischen elektrischen Widerstandes nach dem Stand der Technik mit herkömmlicher Geoelektrikapparatur (Tomoplex, Fa. Campus Ltd.).

In Fig. 2 ist die Sondierungskurve und das Schichtmodell des spezifischen elektrischen Widerstandes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt, abgebildet.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Beispiel

In der Eibaue bei Torgau ist eine SCHLUMBERGER-Sondierung als Vergleichsmessung einmal mit einer bekannten Geoelektrikapparatur nach dem Stand der Technik und ein zweites Mal mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt. Das Profil ist 150 m lang und verfügt über 50 Elektroden. Da die gemessenen scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstände doppelt logarithmisch über dem halben Abstand der Stromelektroden AB/2 aufgetragen werden, werden die Lokationen der Stromelektroden so gewählt, daß pro Dekade die gleiche Anzahl von Datenpunkten vorhanden sind. Bei der Vermessung des Profils sind die Stromelektroden sukzessive von innen nach außen versetzt (durchgeschaltet). Der Abstand der Elektroden M und N in der Profilmitte beträgt 0,5 m. Aus den gemessenen Strom- und Spannungswerten werden Widerstandswerte berechnet und diese mit dem Konfigurationsfaktor der Aufstellung multipliziert. Die auf diese Weise erhaltenen scheinbaren spezifischen elektrischen Widerstände werden zusammen mit der Aufstellungsgeometrie mit Hilfe einer Inversionssoftware als Sondierungskurve dargestellt und diese invertiert. Es wird ein Schichtmodell des spezifischen elektrischen Widerstandes abgeleitet.

Zuerst wird die SCHLUMBERGER-Sondierung mit der mehrkanaligen Geoelektrikapparatur Tomoplex durchgeführt. Bei diesem Gerät können 128 Elektroden angeschlossen werden, von denen der Multiplexer 16 Kanäle gleichzeitig ansteuern kann, was zu einer kurzen Meßzeit führt. Zur Einspeisung wird ein alternierender Gleichstrom (Rechteckwelle) verwendet. Die Einschaltzeit des Rechteckstromes wird mit 1 s und dessen Ausschaltzeit mit 0,5 s gewählt. Eine Einspeisung umfaßt 5 Zyklen. Die maximale Stromstärke beträgt 50 mA. Die zu messenden Potentialdifferenzen werden bei wachsenden Aufstellungsweiten so gering, daß der Meßelektrodenabstand in der Profilmitte von 0,5 auf 1 ,5 m vergrößert werden muß. Die mit der herkömmlichen Geoelektrikapparatur nach dem Stand der Technik erhaltene Sondierungskurve und das daraus abgeleitete Schichtmodell des spezifischen elektrischen Widerstandes sind in Fig. 1 dargestellt.

Anschließend wird die Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wiederholt. Als Stromquelle wird ein handelsüblicher Stromerzeuger, asynchrone Bauart mit Anlaufverstärker eingesetzt. Der Speisestrom hat eine Spannung von 220 V bei einer Frequenz von 50 Hz und wird durch die Apparatur auf 980 V transformiert und in den Boden eingespeist. Die Messung von Spannung und Stromstärke erfolgt als Echt-Effektivwertmessung mit einem digitalen Voltmeter. Jeder Meßwert wird einmal aufgenommen. Das Rauschen durch die öffentliche Energieversorgung und den Bahnstrom wird vor und nach jeder Messung als äquivalenter Gleichstrom bestimmt. Das Rauschen hat über den Zeitraum von einer Stunde bei konstant 9,6 mV gelegen und hat mit sich ändernder Aufstellungsweite kontinuierlich auf 9,4 mV abgenommen. Der Meßelektrodenabstand beträgt 0,5 m und brauchte während der gesamten Messung nicht verändert zu werden. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Sondierungskurve und das daraus abgeleitete Schichtmodell des spezifischen elektrischen Widerstandes ist in Fig. 2 dargestellt.

Der Vergleich beider Messungen zeigt, daß die Meßergebnisse bis in eine Teufe von 20 m identische Werte aufweisen. Bei größeren Eindringteufen zeigt die Sondierungskurve nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine deutlich geringere Streuung.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der Gleichstromgeoelektrik, bei dem über mindestens zwei nach an sich bekannten Methoden im Meßgebiet angeordnete Elektroden ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V in den Erdboden eingespeist, dessen Stromstärke mittels Echt-Effektivwertmessung oder mittels Effektivwertmessung gemessen wird, und an mindestens zwei weiteren im Meßgebiet nach an sich bekannten Methoden angeordneten Elektroden die Spannung mittels Echt- Effektivwertmessung oder mittels Effektivwertmessung gemessen, die Meßwerte angezeigt oder gespeichert oder weitergeleitet und anschließend nach an sich bekannten Methoden ausgewertet werden, wobei vor und nach jeder Messung die Rauschsignale der öffentlichen Energieversorgung und des Bahnstromes einmal oder mehrmals mittels Echt-Effektivwertmessung oder mittels Effektivwertmessung gemessen werden oder nicht, ohne daß über die Elektroden ein Wechselstrom in den Boden eingespeist wird, und wobei bei der Auswertung der Meßergebnisse von dem jeweiligen Meßwert mit Wechselstromeinspeisung der Meßwert der Rauschsignale subtrahiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz in den Boden eingespeist wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Messung der Spannung und der Stromstärke mittels Echt-Effektivwertmessung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Strom mit einer Spannung von 100 V bis 1000 V in den Boden eingespeist wird.

5. Vorrichtung zur Messung mit sinusförmigem Wechselstrom in der Gleichstromgeoelektrik, die mindestens eine interne oder externe Stromquelle, die einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V abgibt, die mindestens eine Verbindung zwischen der Stromquelle und einer Meßapparatur mit einem Stromeingang, die mindestens eine Meßapparatur zur Echt- Effektivwertmessung von Spannung und Stromstärke, die mindestens zwei Elektroden zur Einspeisung des Stroms in den Boden und mindestens zwei Elektroden zur Messung der Spannung, und die mindestens Verbindungen zwischen den Elektroden und der Meßapparatur, die mindestens eine Einheit zur Anzeige oder Speicherung oder Weiterleitung der Meßwerte und die mindestens eine Einheit zur Auswertung der Meßwerte enthält, wobei mindestens ein Wandler für Spannung und/oder Frequenz für den Strom, der in den Boden eingespeist wird, enthalten ist oder nicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Stromquelle ein Wechselstromerzeuger ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Stromquelle ein Stromversorgungsmodul, bestehend aus einer Batterie und einem Konverter, zur Umformung der Gleichspannung der Batterie in einen sinusförmigen Wechselstrom mit einer Frequenz > 10 Hz und einer Spannung > 0 V, ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Auswahl von Speise- und Meßelektroden, die Ermittlung der optimalen Spannung des Speisestromes, die Einstellung der optimalen Größe der Spannung des Speisestromes, die Funktion des oder der Wandler zum Einstellen der Spannung und/oder Frequenz, die Einspeisung des Stromes in den Boden, die Ermittlung der Meßwerte bei Stromeinspeisung, die Ermittlung der Meßwerte der Rauschsignale ohne Stromeinspeisung, die Rauschkorrektur, die Anzeige oder Speicherung oder Weiterleitung und die Auswertung der Meßergebnisse von einem Mikroprozessor gesteuert sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der eine Apparatur zur optischen und/oder akustischen Warnung bei Betrieb und im Gefahrenfalle und/oder eine Apparatur zur Abschaltung der Stromquelle und Stillegung der Meßapparatur im Gefahrenfalle enthalten ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der Edelstahlstabelektroden eingesetzt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Verbindungen zwischen den Elektroden und der Meßapparatur Kabelbäume sind, bei denen jedes einzelne Kabel separat abgeschirmt ist.