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Verfahren und Vorrichtungen zur elektrischen Untersuchung des Untergrundes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtungen zur elektrischen
Untersuchung des Untergrundes. Dieses Verfahren und diese Vorrichtungen gestatten
es insbesondere, die Wirkungen der natürlichen Erdpotentiale auszuschalten, wenn
man Messungen von Potentialen ausführt. die künstlich zwischen zwei entfernten Punkten
der Erdoberfläche durch Einleiten eines elektrischen Stromes in den Boden in dem
zu untersuchenden Gebiet erzeugt werden.
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Bekanntllich fließen natürliche Ströme, sogenannte Erdströme, im
Boden über weite Gebitte und erzeugen zwischen entfernten Punkten der Bodenoberfläche
Potentialdifferenzen, dren änderungen rasch erfolgen und deren Amplitude die Größenordnung
der künstlich erzeugten Potentialdiffer,enzen, die man zwiedlen diesen Punkten messen
will, um daraus Angaben über den Aufbau oder die Struktur des Untergrundes abzuleiten,
erreicht und mitunter iiberschreitet. Deshalb können die Messungen der künstlich
erzeugten Potentialdifferenzen mit groben Fehlern behaftet sein, wenn man nicht
sorgfältig den Erdpotentialen Rechnung trägt.
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Um die Wirkungen dieser Erdströme auszuschalten, sind bereits Verfahren
benutzt worden, bei denen man in den Boden Wechselstrom leitet. Dabei treten aber
zusätzliche Schwierigkeiten in den Meßgeräten und Vorrichtungen zur Stromzuführung
auf.
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Ein anderes bekanntes Verfahren zur Ausschaltung der Erdpotentiale
besteht darin, daß man eine erste Messung der Potentialdifferenz zwischen zwei voneinander
entfernten Punkten vor Zuführung des künstlichen Stromes ausführt, daß man dann
während der Zuführung dieses Stromes zwischen diesen beiden selben Punkten eine
zweite Messung der
Potentialdifferenzen ausführt, die entweder von
der kombinierten Wirkung der künstlichen Potentiale und Erdpotentiale oder von der
Wirkung der künstlichen Potentiale allein herrühren. Im ersteren Falle zieht man
die erste Messung von der zweiten Messung ab; im zweiten Falle kompensiert man elektrisch
bei der zweiten Messung die Wirkung des Erdfeldes durch eine gegengeschaltete Potential
differenz von gleicher Größe wie die Potential differenz der ersten Messung.
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Während die bekannten Verfahren von der Voraussetzung ausgehen, daß
das Erdfeld während der Zeit. in der die beiden Messungeil nacheinander durchgeführt
werden, unverändert bleibt. beruht die Erfindung auf der Erkenntnis. daß sich der
Wert des Erdfeldes zwischen den beiden Niessungen verändert.
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Gemäß der Erfindung wird gleichzeitig einerseits die kombinierte
Wirkung der Kunstlich durch ununterbrochenen Gleichstrom erzeugten Potentialdifferenz
und der Potentialdiffe reilz des natürlichen Erdfeldes zwischen zwei Punkten und
andererseits die durch das Erdfeld erzeugte Potentialdifferenz zwischen zwei anderen
Punkten gekessen, die auf einer zur Verbindungslinie der ersten Meßpunkte praktisch
parallelen Linie Liegen und in solcher Weise angeordnet sind, daß zwischen ihnen
eine Potentialdifferenz des künstlichen Gleichstromfeldes nich auftritt, und zwischen
denen eine vorher festelbare Beziehung zu der Potentialdifferenz des natürlichen
Erfeldes zwischen den beiden ersten Punkten besteht.
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Um die Wirkung der künstlich erzeugten Potentialdifferenz auf die
zwischen einem Punktepaar herrschende Potentialdifferenz des natürlichen Erdfeldes
auszuschalten, werden die Punkte dieses Paares sehr weit von den das künstliche
Feld Bestimmenden Stromzuführungselektroden entfernt angeordnet.
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Z.B. führt man in das erste Punktepaar entgegen der Zwischen ihnen
bestehenden Potentialdifferenz eine Potentialdifferenz ein, die sich verhältnisgleich
mit der zweiten Potentialdifferenz ändert, die zwischen dem zweiten Punktepaar besteht.
Man kann auch das zweite Punkttepaar in der Weise anordnen, daß der Einfliß des
kunstlichen Potentialfeldes auf die beiden Punkte derselbe ist, wobei die Punkte,
zwischen denen das Erdfeld gemessen wird, auf ein und derselben Äquipotentiallinie
les künstlich erzeugten Feldes angeordnet werlen. Außerdem wird dieses zweite Punktepaar
lerartig in bezug auf das erste Punktepaar angeordnet, daß die in jedem dieser Punkte
paare erzeugten Erdpotentialdifferenzen einander gleich sind oder in einer vorher
feststellbaren Beziehung zueinander stehen.
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Zu diesem Zweck kann man folgende Anordnung wählen ; Die gerade Linie.
welche die beiden Punkte eines Paarcs verbindet, verhäuft parallel zu der die beiden
Punkte des anderen Paares verbindenden Geraden, und der Abstand zwischen den Punkten
eines Paares ist gleich dem Abstand zwischen den Punkten des anderen Paares oder
steht in einer bekannten Beziehung zu diesem zweiten Abstand. Man kann beispielsweise
die beiden Punktepaare auf der Geraden anordnen, welche die Stromzuführungselektroden
verbindet, wobei die beiden Punktepaare einen Punkt gemeisam haben oder besser voneinander
getrennt sind. um eine gegeilseitige Beeinflussung der beiden Meßkreise zu verminden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Gesamteinrichtung
eine Gleichstromquelle, welche dem Boden über die Leizungen zwischen zwei mit dem
Bodeii in Berührung stehenden Elektroden Strom zuführt ; ein in Reihe in diese Leitungen
geschaltetes Amperemeter, welches es gestattet, in jedem Augenblick die Stärke des
Stromes zu üherwachen; ein Meßgerät, welches es gestattet, die Potentialdifferenz
zwischen einem Paar voneinander entfernter Punkte zu überwachen, die all der Erdoberfläche
derart angeordnet sind, daß diese Potentialdifferenz praktisch nicht durch den Durchfluß
des künstlichen Stromes beeinflußt wird; einen elektrischen Kreis, der ein zweites,
an ein anderes Paar voneinander entfernter Punkte an der Erdoberfläche angeschlossenes
Meßgerät enthält, das es gestattet, die zwischen diesen beiden Punkten durch Überlagerung
des durch Stromzufuhr erzeugten künstlichen Feldes und des Erdfeldes sich ergebende
Potentialdifferenz zu überwachen. Diese zweite Kreis enthäalt dabei eine Spannungsquelle,
die denErdpotentialdifferenzen zweischen jenen Punkten gegengeschaltet werden kann
und derart eingestellt wird. daß sie die Erdpotentialdifferenz entsprechend den
auf dem ersten Meßgerät gegebenen Anzeigen kompensiert.
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Die Einstellung Gegenspannung kann auf verschiedene Weise erfolgen.
Beispielsweise stellt eine Bedienungsperson die gegengeschaltete Spannung entsprechend
der voii dem andern Meßgerät gemachten Spannungsanzeige ein, oder dieses andere
Meßgerät enthält eine Handeistellung, die mechanisch mit der Einstellung der Gegenspannung
verbuiiden ist, oder diese Anpassung der Gegenspanung entsprechend der im anderen
Kreis vorhandenen Spannung kann vollkommen automatisch erfolgen. Schließlich kann
man mit jedem Meßgerät in stetiger Weise die Potentialdifferenzen entweder messen
oder anzeigen oder bezeichnen. Niian kann sogar WIeßvorrichtungen wählen, welche
unmittelbar das Verhältnis zwischen der künstlichen, zwischen
dem
ersten Punktepaar durch den Stromdurchgang durch den Boden erzeugten Spannung und
der Stärke dieses Stromes messen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der schematischen, lediglich
als Beispiel dienenden Zeichnung erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt in lotrechtem schematischem Schnitt eine erfindungsgemäße
Einrichtung.
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Fig. 2 zeigt eine etwas abweichende Form dieser Einrichtung.
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Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung der Elektroden.
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Fig. 4 zeigt in lotrechtem Schnitt die bei Lotungen benutzte Vorrichtung.
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Fig. I zeigt eine Vorrichtung, die sich besonders dazu eignet, die
durch die Erdströme hervorgerufenen Meßfehler möglichst klein und yernachlässigbar
zu machen oder selbst vollständig auszuschalten. Bei dieser Vorrichtung sieht man
bei Ij und I2 die Stromzuführungselektroden, die voneinander an der Erdoberfläche
um einen bekannten Abstand entfernt sind. Diese Elektroden sind mittels Leiter an
eine einstellbare Stromquelle, wie einen Generator 76, angeschlossen. Ein Amperemeter
77 kann in den Stromzuführungskreis eingeschaltet werden, um die Stärke des Stromes
zu messen. Die Elektrode Ii ist ortsfest dargestellt, während die Elektrode I2 mit
Hilfe einer an sich bekannten Vorrichtung beweglich ist, welche ständig die Berührung
mit dem Erdboden gewährleistet und es auf diese Weise gestattet, ununterbrochen
den Strom einzuleiten, während man die Elektrode 12 in Richtung des Pfeiles verschiebt.
Auf der Zeichnung sind die zur Messung der Potentialdifferenz dienenden Elektroden
zu beiden Seiten von 1, bei 7S und 79 am Boden angeschlossen und genau auf der Linie
X angeordnet, welche durch die Stromzuführungselektroden Il, I2. geht. Eine dritte,
bei So dargestellte Elektrode liegt ebenfalls auf der Linie A-A zwischen 79 und
I2. Meßinstrumente 74 und 75, wie an sich bekannte, zur Auf7eichnung oder Anzeige
dienende Spanunnusteiler sind durch geeignete Leiter zwischen 78 und 79 bzw. 79
und 80 angeschlossen.
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Beim Durchgang eines elektrischen Stromes durch den Boden zwischen
den Elektroden I1 und I2 werden Potentialdifferenzen zwischen den verschiedenen
Punkten der Erdoberfläche erzeugt. Wenn man 78 und 79 in richtiger Weise anordnet,
so kann die zwischen diesen beiden Punkten durch den künstlichen elektrischen Strom
erzeugte Potentialdifferenz auf einen vernachlässigbaren kleinen Wert herabgesetzt
oder ganz ausgeschaltet werden. Dies besagt mit anderen Worten, daß die Potentiale
der Elektroden 78 und 79 dann nicht durch die Stromzuführung beeinflußt sind.
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Praktisch kann dies dadurch erreicht werden, daß man die Elektroden
78 und 79 an zwei Punkten anordnet,,die auf einer rings um die Elektrode It führenden
Ätuipotentiallinie zu beiden Seiten von I1 auf der Linie H-24 oder auf einer zu
A-A parallel verlaufenden Linie liegen.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Einrichtung kann folgendermaßen
erklärt werden: Nimmt man einen Augenblick an, daß kein Erdstrom durch die betrachtete
Zone fließt, dann befinden sich alle Punkte dieser Zone auf demselben Potential.
Beim Durchfluß des elektrischen Stromes durch den Boden zwischen den Elektroden
I1 und 2 wird ein elektrisches Feld erzeugt, das an der Erdoberfläche Aquipotentiallinien
aufweist. Zu beiden Seiten der einen Elektrode, beispielsweise der Elektrode Ii,
gibt es dann genau auf der Linie A-A zwei Punkte, wie 78 und 79, die auf ein und
derselben .\quipotentiallitnije liegen, so daß ein zwischen diesen Punkten eingeschaltetes
Meßgerät keinerlei Potentialdifferenz bei Stromzuführung anzeigt. Bei verhältnismäßig
kleinen Abständen von It, die weniger als Io 0/o des Gesamtabstandes zV011 It undI2
betragen. können diese Punkte 7S und 79 als in gleichen Abständen von lt angesehen
werden, da dann zwischen zwei solchen im gleichen Abstand von I1 liegenden Punkten
höchstens eine vernachlässigbar kleine Potentialdifferenz auftritt. Wenn jetzt Erdströme
in der betrachteten Zone fließen; so rufen diese ein zweites Spannungsfeld hervor,
das sich dem künstlich erzeugten Spannungsfeld überlagert, derart, daß im allgemeinen
eine Erdpotentialdifferenz zwischen Punkten wie 78 und 79 auftritt. Zwischen anderen
Punkten, wie 79 und 80, besteht ebenfalls eine Erdpotentialdifferenz, die sich der
durch den künstlichen Strom bedingten Potentialdifferenz überlagert. Die Erdpotentialdifferenzen
auf jeden Punktepaar stehen in einem bekannten Verhältnis zueinander, beispielsweise
dem Verhältnis der relativen Abstände von 75 und 79 einerseits sowie 79 und So andererseits.
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Um ein Beispiel, dafür zu geben, wie man ein Punktepaar, wie 78 und
79, so anordnen kann, daß zwischen den Punkten die Potentialdifferenz nicht durch
die künstliche Stromzufuhr beeinflußt wird und demnach ausschließlich von den Erdströmen
herrührt, kann man in folgender Weise verfahren: Der Punkt 79 wird willkürlich in
einem geeigneten Abstand von der Elektrode Ii gewählt; der Punkt 78 kann zunächst
in einem gleichen Abstand von I1, aber auf der entgegengesetzten Seite, gewählt
werden. Man leitet dann diskontinuierlich Strom zwischen
I1 und
I2 ein und beobachtet das Meßinstrument 74, um zu sehen, ob es eine Potentialdifferenzänderung
anzeigt. Wenn dies der Fall ist, so verschiebt man den Punkt 79 auf der Linie A-,4,
bis man eine Stellung findet, in welcher die künstliche Stromzufuhr keinerlei Einfluß
auf das Meßgerät 74 mehr hat. Falls die Elektrode L um ein großes Stück aus ihrer
Anfangslage verschoben wird, kann es außerdem notwendig werden, daß von neuem wieder
einer der Punkte7S oder 79 ein wenig verschoben wird, wobei man wiederum in der
vorstehend angegebenen Weise verfährt.
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Die Erdströme haben einen zonenartigen Charakter und können als Ströme
angesehen werden, die in gerader Linie über große Gebiete fließen, so daß im Falle,
daß der Abstand zwischen den Elektroden 78 und 79 gleich dem Abstand zwischen den
Elektroden 79 und 80 ist, die entsprechenden Erdpotentialdifferenzen zwischen diesen
Punktpaaren in jedem Augenblick gleich sind. Infolgedessen geben die bei künstlicher
Stromzufuhr zwischen 7S und 79 ausgeführten Messungen lediglich die Erdpotentialdifferenz
an, während die zwischen den Punkten 79 und so ausgeführten Messungen die Überlagerung
der Erdpotentialdifferenzen und der auf das künstliche Feld zurückzuführenden Potential
differenz angeben. Wenn man die ersten Messungen (zwischen 78 und 79) von den zweiten
Messungen (zwischen 79 und So) abzieht, so sind die erzielten Ergebnisse, die im
übrigen, abhängig von den aufeinanderfolgenden Lagen, von I2 veränderlich sind,
frei von den durch die Erdströme bedingten Einflüssen.
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Wenn die bewegliche Elektrode 2 in bezug auf I1 auf der Linie A-A
auf der entgegengesetzten Seite angeordnert wird, so ist es zweckmäßig, I1 nach
I1' annähernd in die Mitte zwischen 79 und 80 zu verlegen.
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Auf Fig. 2 ist eine ein wenig abgeänderte Anordnung dargestellt.
Dabei zeigen dieselben Bezugzeichen die entsprechenden Teile auf Fig. 1 an. Das
in Reihe zwischen den Punkten 78 und 79 eingeschaltete Meßgerät ist bei 33 dargestellt.
Bei 34 sieht man einen Spannungsteiler, der mit dem Punkt 79 über einen beweglichen
Arm 35 verbunden ist. Ein anderes Meßgerät 36 ist in Reihe zwischen den Punkten
78 und So eingeschaltet, und nicht mehr, wie bei dem Beispiel gemäß Fig. I, zwischen
den Punkten 79 und 80. Eine der Klemmen 3 dieses zweiten Meßgerätes 36 ist mit dem
Punkt 78 über den beweglichen Arm 39 eines Spannungsteilers 40 verbunden, während
die andere Klemme 38 des Meßgerätes 36 an den Punkt 8o angeschlossen ist. Das Meßgerät
36 enthält seinerseits einen gegengeschalteten, aut der Fig. 2 dargestellten Spannungsteiler.
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Wie oben dargelegt wurde, sind die Punkte 78 und 79 vorher auf einer
gleichen Äquipotentiallinie des künstlichen Feldes angeordnet worden. das rings
um den Punkte, durch Stromzuführung zwischen It und I2 erzeugt wird. Die Erdopotentialdifferenzen
zwischen 78 und 80 bzw. 78 und 79 stehen in dem bekannten Verhältnis der Abstände
78-80 und 78-79 zueinander. Man stellt die Lage des Schwenkarms 35 des Spannungsteilers
34 derart ein, daß die Zeigernadel des Galvanometers 33 auf Null zurückgeführt wird;
die Stellung dieses Armes 35 gibt dann den Erdpotentialunterschied zwischen den
Punkten 78 und 79 an. Darauf wird in den Kreis 78-80 durch eine geeignete Einstellung
des Armes 39 des Spannungsteilers Ao eine der vorigen Potentialdifferenz entgegengesetzte
Potentialdifferenz eingeführt, die mit jener im Nrer hältnis der Abstände 78-80
und 78-79 steht.
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Die Erdpotentialdifferenzen sind dann im Meßkreis 78-80 kompensiert,
und die künstlich erzeugten Potentialdifferenzen zwischen diesen beiden Punkten,
deren Messungen mittels des Gerätes 36 ausgeführt werden, sind auf diese Weise bezüglich
der durch die Erdströme hedingten Einflüsse berichtigt.
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Die Handeinstellung der Spannungsteiler Ao und 34 kann vereinfacht
werden, wenn mal die Teilungen oder Staffelungen der Widerstande dieser beiden Spannungsteiler
kennt.
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Diese Vereinfachung kann mittels einer geeigneten mechanischen, schematisch
durch einen Hebel 41 dargestellten Verbindung zwischen den Armen 39 und 35 bewirkt
werden. Die Bedienungsperson braucht dann das Galvanometer 33 nur durch Einwirkung
auf die Lage des Armes 35 in der Nullstellung zu halteii.
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Die Einstellung der Lage des Armes 35 kann schließlich auch völlig
automatisch gemacht werden, da selbsttätig wirkende Potentiometer oder Spannungsteiler
an sich wohl bekannt sind. Der Ausgleich der Erdtröme zwischen 78 und 80 erfolgt
dabei in stetiger Weise mittels einer geeigneten Verbindung zwischen den beiden
Spannungsteilern.
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Es ist ersichtlich, daß diese verschiedenen Geräte vorteilhaft durch
Geräte ersetzt werden können, welche Potentialunterschiede aufzeichnen, dabei werden
die Anzeigen des Amperemeters 77 ebenfalls aufgezeichnet.
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In Fig. 3 ist eine Elektrodenanordnung dargestelt, bei welcher die
die künstlich erzeugten Potentiale betreffenden Messungen unter Berichtigung bezüglich
der Erdpotentiale zwischen einem mit 51 und 52 bezeichmeten Elektrodenpaar ausgeführt
werden. Die Elektroden 51, 52 sind zwischen den Stromzuführungselektroden Ij und
I2 angeordnet-, während die Spannungsteilervorrichtung welche dazu dient, den Wert
der Erdstromkorrektur zu
liefern, wie früher zwischen einem Paar
von Elektroden 78 und 79 eingeschaltet ist, welche in gleichem Abstand zu beiden
Seiten von I1 angeordnet sind. Diese Vorrichtung, bei welcher die beiden Meßkrejse
keine gemeinsame Elektrode haben, wie die Elektrode 79 bei dem Beispiel gemäß Fig.
I oder die Elektrode 78 bei dem Beispiel gemäß Fig. 2, bietet den Vorteil, daß die
elektrischen Einflüsse ausgeschaltet werden, die gegebenenfalls in dem einen Kreis
durch einen unvollständigen Ausgleich der Potentiale im anderen, dabei von einem
Strom durchflossenen Kreis hervorgerufen werden.
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Übrigens kann die Lage des Elektrodenpaares 5I, 52 des Kreises, der
zur Messung des künstlichen Potentials mit Berichtigung des Einflusses des Erdpotentials
in der oben angegebenen Weise dient, im Rahmen der Erfindung vielfach abgeändert
werden. So kann man beispielsweise 51 und 52 seitlich außerhalb der Linie I1 I2
oder auf der LinieI-I2 oder zu beiden Seiten von Ii oder von I2 oder auch außerhalb
des Abschnittes IX I2 anordnen.
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Außerdem kann man die Stärke des künstlichen Stroms konstant halten
oder diese Stromstärke in bestimmter Weise abhängig von dem Abstand I1-I2 ändern
oderauch eine Nnderung in beliebiger Weise vornehmen, vorausgesetzt, daß man diese
Stromstärke bei jedem neuen Vorgang mißt.
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Die Erfindung läßt sich für die verschiedenartigsten Elektrodenanordnungen
anwenden.
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In Fig. 4 ist beispielsweise eine Anordnung dargestellt, bei welcher
die eine Stromzuführungselektrode I3 sich nicht mehr ander Bodenoberfläche, sondern
im Innern einer zur Lotung dienenden Bohrung 21 in veränderlicher Tiefe befindet.
Diese Elektrode 13 ist durch einen Leiter 22 mit einer der Klemmen der Stromquelle
23 verbunden, deren andere Klemme mit einem Amperemeter und der Eldrode 14 über
einen Leiter 24 verbunden ist. Wie bei dem Beispiel gemäß Fig. I sieht man bei 79
und So die Potentialelektroden, zwischen -denen man mit Hilfe der Vorrichtung 26
die kombiniert auf das künstliche Feld und das Erdfeld zurückzuführenden Potentialdifferenzen
mißt. Die Erdpotentialdifferenzen werden entsprechend den Anzeigen der Nießvorrichtung
25 kompensiert, welche zwischen 79 und einer dritten Elektrode7S eingeschaltet ist,
die ihrerseits derart angeordnet ist, daß 78 und 79 auf derselben Aquipotentiallinie
des künstlichen Feldes liegen.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten
Einrichtungen, Geräte und Elektrodenanordnungen oder auf die beschriebenen Verfahrensbeispiele
beschränkt, sondern kann in allen Einzelheiten vielfach abgeändert werden.
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Insbesondere kann man das Verhältnis der von dem künstlichen Feld
allein unter Ausschluß der Erdströme erzeugten Potentialdifferenz zur Stärke des
künstlichen Stromes messen, indem zwischen einer Potentialelektrode und einem Spannungsteiler
eine Kompensationsspannung für die Erdströme eingeführt wird, wobei diese Spannung
zwischen den Elektroden, wie 78 und 79, abgenommen sowie in einem passenden Verhältnis
durch irgendwelche geeigneten Mittel verstärkt oder vermindert wird, beispielsweise
durch eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.
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PATENTANSPRÜCRE: 1. Verfahren zur elektrischen Untersuchung des Untergrundes
durch Messung der zwischen zwei voneinander entfernten Punkten bei Durchgang eines
künstlichen Stromes durch die Erde erzeugten Potentialdifferenz, dadurch gekennzeichnet,
daß man gleichzeitig einerseits die kombinierte Wirkung der künstlich durch ununterbrochenen
Gleichstrom erzeugten Potentialdifferenz und der Potentialdifferenz des natürlichen
Erdfeldes zwischen zwei Punkten und andererseits die durch das Erdfeld erzeugte
Potential differenz zwischen zwei anderen auf einer der Verbindungslinie der ersten
Meßpunkte praktisch parallelen Linie liegenden Punkten mißt, welche in solcher Weise
angeordnet sind, daß zwischen ihnen eine Potentialdifferenz des künstlichen Gleichstromfeldes
nicht auftritt und zwischen denen eine vorher feststellbare Beziehung zu der Potentialdifferenz
des natürlichen Erdfeldes zwischen den beiden ersten Punkten besteht.