DE509420C - Verfahren zur elektromagnetischen Bodenerforschung mittels Wechselstroeme in einer Sendeschleife - Google Patents

Description

• Verfahren zur elektromagnetischen Bodenerforschung mittels Wechselströme in einer Sendeschleife Die Selbstinduktion einer Stromschleife, welche man an der Erdoberfläche oder teilweise oder gänzlich im Erdinneren anordnet, ist bekanntlich außer von ihren geometrischen Dimensionen und ihrem Leitermaterial noch stark abhängig von der Verteilung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften in dem sie umgebenden Raume. Diese Tatsache hat man bereits in verschiedenartiger Weise für die Ausführung von elektrischen Bodenforschungsarbeiten ausgenutzt.
• Dabei war man aber bisher insbesondere davon ausgegangen, die Selbstinduktion der von der zu erforschenden Umgebung beeinflußten Leiterschleife mit derjenigen eines anderen von der Umgebung unabhängigen oder eines in einer von der ersteren Leiterschleife abweichenden Weise von der Umgebung beeinflußten Systems instrumentell zu vergleichen, wodurch man ziemlich umständliche, bei den oft schwierigen Transporten im Gelände leicht verletzliche Apparaturen entwickeln mußte.
• Eine einfachere Auswirkung der von der Umgebung beeinflußten und daher gemäß der Umgebung wechselnden Selbstinduktion einer geeignet angeordneten bzw. verlagerten Leiterschleife, bei der nur Vorgänge in dieser Schleife selbst untersucht werden, findet sich auf Grund der nachfolgenden Erwägungen, «-elche zu den weiterhin beschriebenen Meßmethoden und Meßv orrichtungen hinleiten.
• Die irgendwie über, an oder unter der Erdoberfläche angebrachte Schleife S werde durch eine Wechselspannung erregt, wie das in Fig. i beispielsweise auf induktivem Wege dargestellt ist. -Natürlich kann die Anregung auch vermittels galvanischer oder kapazitiver Kopplung erfolgen. Die elektrischen Schwingungen in der Schleife sind aber, wenn S keinen reinen Widerstand darstellt, sondern - wie das ja praktisch stets der Fall ist -auch Selbstinduktion und Kapazitäten enthält, mit der von E aus in S erregten Wechselspannung e nicht in Phase, sondern besitzen eine Phasenverschiebung rpx gegen e, welche in bekannter Weise von den elektromagnetischen Eigenschaften der Schleife S abhängig ist. Eine Messung der Phasenverschiebung (p1, die in bekannter Weise erfolgen kann, gibt also die Möglichkeit, bei bekanntem Widerstand und gegebenen Kapazitäten in der Schleife S deren Selbstinduktion zu berechnen. Legt man dann die Schleife S der Reihe nach an verschiedenen Stellen des zu untersuchenden Gebietes aus, so kann man aus den Variationen von (p,. und den diesen entsprechenden Änderungen der berechneten Selbstinduktion auf die Annäherung an leitende bzw. magnetisierbare Massen schließen und somit deren Lage bestimmen.
• Diese prinzipielle Grundlage der Erfindung möge nunmehr an einigen Beispielen erläutert werden: i. Die Schleife S (Fig. 2) von einigen iooo oder mehr in= Windungsfläche sei z. B. in einem wüstenhaften Gebiete an der Erdoberfläche ausgelegt. Sie ist an einen Transformator Ti- angeschlossen, mit dessen Hilfe die von dem WechselstromerzeugerEhervorgebrachte Energie auf S übertragen wird. Die SchleifeS kann weiterhin einen Kondensator C, dessen Kapazität in zweckmäßigem Verhältnis zur Selbstinduktion von S gewählt wird und evtl. auch einstellbar ist, enthalten. Um nun den Einfluß der Umgebung der Schleife S' auf die Phase des in ihr fließenden Stromes zu studieren, vergleicht man sie mit der Spannungsphase des Wechselstromerzeugers E, indem man dessen Klemmen z. B. über einen hohen induktions- und kapazitätsfreien Widerstand verbindet und den Koppelsatz K, an diesen Stromkreis anschließt. Zu diesem Zwecke ordnet man in der Stromschleife S und in dem Primärstromkreis von Ti- je eine kleine Spule an, denen die Koppelspulen K, bzw. K= gegenüberstehen. Die in K, bzw. Ii, induzierten Spannungen werden auf einen Phasenmesser bekannter Bauart übertragen, welcher in Verbindung mit dem Indikator I die Phasendifferenz zwischen den zu vergleichenden Wechselströmen erkennen und messen läßt.
• Die Selbstinduktion L ist dann, wenn die Frequenz konstant erhalten würde, dem jeweils für (p, = o bzw. i,li2 - Maximum entsprechenden Werte von C umgekehrt proportional.
• Die Methode hat noch ein wichtiges Nebenergebnis. Die Dämpfung der Schwingungen in S wird, bei sonst gleichen Nebenumständen, durch induzierte Wirbelströme in benachbarten Leitern erhöht. Dagegen bewirken Selbstinduktionsänderungen durch die Rückwirkung benachbarter'magnetisierbarer Massen keine :Änderung der Dämpfung, da die Magnetisierung derselben im magnetischen Wechselfelde ein in erster Annäherung reversibler Vorgang ohne Energieverbrauch ist. Eine Bestimmung der Phasendifferenz zwischen K, und K, bzw. des Intensitätsverhältnisses i"i2 der in IL, bzw. K., erregten Ströme mittels des Phasenkompensators Ph in Abhängigkeit von der Einstellung von C in der Umgebung der Resonanzkapazität C, läßt in bekannter Weise die Größe der Dämpfung berechnen und damit entscheiden, inwiefern die Änderung der Selbstinduktion L der Schleife S durch in der Nähe befindliche Leiter einerseits oder magnetisierbare Massen andererseits verursacht ist.
• Diese Methode hat gegenüber den sonst üblichen.Vermessungen des Strömungs- bzw. magnetischen Feldes mittels Sonden bzw. Induktionsspulen den großen Vorteil, daß zur Messung der Selbstinduktion der Schleife S nur sehr schwache Wechselströme erforderlich sind, so daß als Stromgenerator ein Röhrengenerator oder sonst eine ganz kleine und leichte Vorrichtung dienen kann, bei der man auch für einen besonders reinen sinusförinigen, einwelligen Erregerstrom sorgen kann, z. B. durch Einbau von Siebkreisen. Dann wird die Messung der Phasendifferenzen sowie evtl. auch des Stromstärkeverhältnisses i,Ii. besonders scharf und genau.
• 2. Än Stelle einer vollständig geschlossenen Schleife S kann man auch nach Fig. 3 eine Strombahn benutzen, die teilweise durch den Erdboden selbst gebildet wird. An die Sekundärwicklung des Transformators Tr sind ev t1. unter Zwischenschaltung eines festen und (oder) einstelbaren Kondensators C die beiden Erdplatten E, und E., angeschlossen. Die Koppelelemente K, und k., sind entsprechend der früheren Anordnung (Fig. 2) angeordnet. Phasenkompensator Pla und Indikator I sind wieder in gleicher Weise vorgesehen.
• In diesem Beispiel ist aber die vom Strom umflossene Fläche nicht konstant, sondern von der räumlichen Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit im Untergrunde abhängig. Fig.3 zeigt z. B. die Konzentration der Stromlinie innerhalb einer leitenden schraffierten Bodenschicht, die in der Tiefe d liegt. Dadurch wird der Anwendungsbereich der Methode in der Praxis noch erheblich erweitert. Man kann auch jetzt wiederum die besonders scharf und charakteristisch meßbaren Phasenverhältnisse in der Umgebung derResonanzlage ausnutzen, in welcher die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung durch 'Null hindurchgeht.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur elektromagnetischen Bodenerforschung mittels Wechselströme in einer Sendeschleife, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz zwischen dem in dieser Sendeschleife fließenden Wechselstrome und der Erregerspannung und deren Abhängigkeit von der räumlichen Anordnung der Sendeschleife in dem zu untersuchenden Gelände bestimmt wird.
2. 2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschleife eine geschlossene, gegen den Erdboden isolierte Leitung ist, welche die erforderlichen Schaltelemente enthält und galvanisch, induktiv oder kapazitiv mit dein Wechselstromgenerator gekoppelt ist.
3. 3. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der galvanisch, induktiv oder kapazitiv mit dem Wechselstromgenerator gekoppelten Sendeschleife durch den Erdboden ersetzt ist, während der andere Teil die erforderlichen Schaltelemente enthält. 4..
4. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebenen Werten von Widerstand, Selbstinduktion und Kapazität der geerdeten oder urgeerdeten Sendeschleife die Erregerfrequenz so eingestellt wird, daß die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom in der Sendeschleife verschwindet (Resonanzfrequenz).
5. 5, Abänderung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Erregerfrequenz Widerstand, Selbstinduktion und Kapazität der Sendeschleife einzeln oder in Kombination miteinander vermittels veränderlicher Schaltelemente so geregelt werden, daß die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom in der Sendeschleife verschwindet (Resonanzeinstellung).
6. 6. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Phasendifferenz. vorn Nullwert in Abhängigkeit von der Änderung der Erregerfrequenz gemessen wird. ;.
7. Abänderung des Verfahrens nach An-Spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Phasendifferenz vom Nullwert in Abhängigkeit von der Änderung der elektrischen Größen (Widerstand, Selbstinduktion und Kapazität) der Sendeschleife gemessen wird. B.
8. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Phasenwinkelmessung auch die Amplituden der Wechselströme miteinander relativ oder absolut verglichen werden.
9. 9. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i oder q. bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung der Wechselströme ein einstellbarer Röhrengenerator in Verbindung mit Siebkreisen dient. io. Verfahren nach Anspruch i oder q. bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Selbstinduktionskoeffizienten der geerdeten Sendeschleife ihre scheinbare Windungsfläche bestimmt und daraus die Tiefe der gesuchten Einlagerung ermittelt wird.