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Schaltungsanordnung für Erderforschung. Zu Erderforschungszwecken
ist es oftmals erforderlich, ein räumliche-, elektrisches Spannungsfeld quantitativ
zu vermessen. Man kann diesen Zweck durch Aufsuchung der Äquipotentialflächen erreichen.
Oft aber ist das Gelände sehr unübersichtlich, schwer oder gar nicht zugänglich,
man muß in wenigen vorhandenen Bohrungen oder Strecken die Schnittpunkte oder -linien
der Äquipotentialflächen suchen u. dgl. In diesem Falle muß man nach Art der Geodäten
(welche die Höhenschichten zeichnen sollen) vorgehen und an einer großen Zahl von
räumlich verteilten Punkten das absolute Potential bestimmen und in dieses Punktnetz
dann durch Interpolation die Äquipotentialflächen einschalten. Bereiten diese :Methoden
schon bei Gleichstrom wegen der unvermeidbaren zeitlichen Veränderungen der das
Feld erzeugenden Spannung und der Vorgänge in unmitteibarer :Nähe der Elektroden,
wo die Stromdichte unverhältnismäßig groß ist, Schwierigkeiten, so wachsen diese
noch sehr, wenn man, wie es aus verschiedenen Gründen praktisch zweckmäßig ist,
das Strömungsfeld durch eine Wechselspannung erzeugt. Man muß dann das Potentiometer,
gegen das man die Spannungsverteilung im zu vermessenden Felde abgleicht, mit einer
der das Feld erzeugenden Spannung genau äquiformen Spannung betreiben, was wegen
der Polarisationskapazitäten usw. an den den Feldstrom zuführenden Elektroden nur
dadurch möglich ist, daß man die Potentiometerschaltung zwischen zwei im Felde der
Feldelektroden an zweckmäßig ausgewählten Punkten angebrachte Hilfselektroden legt.
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Die Abb. z gibt zu diesem Messungsverfahren ein Beispiel, um den Unterschied
der in Abb. a dargestellten, von uns neu vorgeschlagenen Schaltungsweise schematisch
besonders deutlich erkennen zu lassen. F, und F2 sind die beiden Elektroden, welche
flächenhaft an der Erdoberfläche angebracht sind. E bezeichnet die in die äußere
Verbindungsleitung der beiden Elektroden eingezeichnete Wechselstromquelle. Hl und
H2 sind Hilfselektroden, welche auswärts der Hauptelektroden F1 und FZ am Erdboden
angebracht sind, und welche über den sehr großen kalibrierten Widerstand W miteinander
verbunden sind. In W fließt dann ein dem Hauptstrom synchroner Wechselstrom. Um
nun die relative Spannung der in dem beliebigen Feldpunkte A gegenüber der durch
E zwischen F1 und F, erzeugten Wechselstromspannung festzustellen, führt man von
der an Punkt A angebrachten Sonde einen Draht an den Schleifkontakt des Widerstandes
W und verschiebt den Schleifkontakt so lange längs dieses Widerstandes W, bis in
dem in den Draht eingeschalteten Telephon kein Ton mehr gehört wird. Indem man nun
den Punkt A in dem ganzen zu vermessenden Felde herumführt, erhält man die relative
Spannung an allen diesen Punkten und kann nachträglich auf der Karte in dieses Punktsystem
ohne weiteres die Linien gleicher Spannung durch Interpolation in bekannter Weise
einführen.
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In manchen praktisch wichtigen Fällen ist das aber unmöglich, so z.
B. wenn die Feldelektroden F1 oder F2 in Bohrungen angebracht sind und man die Potentialverteilung
längs der Bohrung selbst auch in der Nähe der Feldelektrode untersuchen will. Man
mühte dann, um auf dem Potentiometer die zu messende Spannung noch zu erhalten,
die Hilfselektrode Hl oder HZ im Bohrloch zwischen Feldelektrode und Potentialsonde
änordnen. Man erhielte also drei Leitungen im Bohrloch; was äußerst
unbequem
ist und wegen der gegenseitigen kapazitiven und induktiven Beeinflussung auch meßtechnisch
nicht unbedenklich wäre. In anderen Fällen stören die Hilfselektroden und die Tatsache,
daß durch sie dem Feld Strom entnommen und dadurch eine Verzerrung der Stromlinien
hervorgebracht wird, die Messungen im Felde.
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In allen derartigen Fällen kann man sich dadurch von Störungen befreien,
daß man die Hilfselektroden Hl und H2 für den Potentiometerstrom nicht in das auszumessende
Feld selbst einlegt, sondern von dem Stromerzeuger ein in genügender Entfernung
oder sonst an unschädlicher Stelle angeordnetes, dem Hauptfeld analoges Hilfsfeld
erzeugt und die Hilfselektroden, zwischen denen das Potentiometer liegt, in diesem
Hilfsfeld anbringt. Dann ist der zeitliche Stromverlauf im Potentiometer genau äquiform
demjenigen in dem zu vermessenden Felde, und die Stromentnahme für das Potentiometer
stört die Stromverteilung im Hauptfeld in keiner Weise.
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Abb. z zeigt die in diesem Falle vorzunehmende Schaltungsweise an
einem wesentlich schematischen Beispiel. Die Buchstaben- haben wieder dieselbe Bedeutung
wie in Abb. i. Die Hilfselektroden Hl und H2 sind jetzt aber nicht mehr neben den
Feldelektroden F, und F2 ohne Verbindung mit der Stromquelle E angebracht, sondern
Hl und H2 sind in einem 'N achbargelände, welches genügend weit von F, und F2 entfernt
ist, unmittelbar an die StromquelleE angeschlossen. Dadurch entsteht ein dem Felde
zwischen F1 und F2 synchrones Feld. Falls die Selbstinduktionen der Leitungen von
E über F, und F2 bzw. über H, und H2 nicht gleich sind, und infolge dieses Umstandes
die Ströme zwischen F1 und F2 und zwischen Hl und H2 nicht ganz synchron werden,
kann man dieses noch erreichen durch eine in die Leitung von E nach Hl oder H2 eingeschaltete
veränderliche Selbstinduktionsspule I, welche die Induktivität der beiden Stromkreise
über F1 und F2 einerseits und HI und H2 anderseits genau gleich macht.
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Die Messung verläuft nun so, daß man zwischen Hl und H2 sich eine
Basis absteckt und diese etwa durch Pflöcke einteilt. U m nun die relative Spannung
an einem beliebigen Punkte .4 des auszumessenden Feldes zu bestimmen, führt man
von einer Sonde, welche in Punkt A eingeschlagen ist, über einen Wechselstromanzeiger
7' eine Leitung in das Gebiet zwischen Hl und HZ und sucht auf der Basis B zwischen
den Punkten Hl und H2 diejenige Stelle auf, welche mit A verbunden im Wechselstromanzeiger
T keinen Strom mehr ergibt. Indem man nun an einer großen Anzahl von Punkten A in
dem zu untersuchenden Gebiete zwischen den Hauptelektroden F1 und F2 diese Messung
wiederholt und für jeden Punkt diejenige Stelle auf der Basis B aufsucht, für welche
das Wechselstrominstrument stromlos wird, kann man dann nachträglich auf einer Karte
diejenigen Linien im Felde zwischen F1 und F2 durch Interpolation finden, deren
Verbindung mit denselben Punkten auf der Basis B den Wechselstromanzeiger T stromlos
machen würden. Diese Linien sind die Äquipotentiallinien in dem zu untersuchenden
Felde zwischen den Elektroden F1 und F2.
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Die Anordnung Hl und H2 kann anstatt in einem neben dem zu untersuchenden
Gelände gelegenen Gebiet auch in einem Trog hervorgebracht werden, in welchem ein
Elektrolvt sich befindet, dessen elektrochemische Eigenschaften denjenigen der wässerigen
Lösungen im Erdboden nahekommen, während das Ende des mit der in dem Felde zwischen
F1 und F2 angebrachten Elektrode A über das Wechselstrominstrument 7' verbundenen
Drahtes längs der Verbindungslinie der Elektroden Hl und H2 in diesem Trog verschoben
wird. Auch hier ist gegebenenfalls durch eine Induktionsspule I dafür zu sorgen,
daß die Induktivität des Kreises E, Hl und H2 gleich derjenigen des Kreises E, F1
und F2 wird.
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Das Verfahren eignet sich in gleicher Weise für Wechsel- wie für Gleichstromfelder.