DE1548154C - Verfahren zur Bestimmung der Starke und Beschaffenheit von Schichten durch Oberfl achenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Stärke und Beschaffenheit von Schichten durch Oberflächenmessung· durch Vergleich zweier nach den Maxwellschen Feldgleichungen voneinander abhängiger Feldstärkekomponenten, insbesondere der Horizontalkomponente des magnetischen Oberflächenfeldes und einer dazu senkrechten Horizontalkomponente der elektrischen Feldstärke, wobei die einander zugeordneten zeitlichen Veränderungen beider Feldstärken jeweils über einen bestimmten Spektralbereich aus dem gesamten Frequenzspektrum ausgesondert, über zwei getrennte Meßketten übertragen und dann zur Ermittlung ihrer Amplituden und Phasenabhängigkeit miteinander verglichen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Um besser das bei solchen Vermessungen angewendete Prinzip und die Schwierigkeiten zu verstehen, muß man beachten, daß es sich um völlig unregelmäßige und keineswegs sinusförmige Änderungen der statischen Erdfelder handelt. Die im Erdboden auftretenden Ströme sind als tellurische Ströme bekannt und unterliegen unaufhörlich Änderungen, die von der Größe und von der Richtung der magnetischen Feldänderungen abhängen. Dabei interessieren im wesentlichen diejenigen Komponenten der Erdfelder, in deren Folge innerhalb der Erdoberfläche und parallel zu dieser die tellurischen Ströme fließen, weil man dadurch Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit ziehen kann. Es ist auch bekannt, daß im einfachsten Falle die Änderungen der Horizontalkomponente des elektrischen Feldes den entsprechenden Änderungen einer Horizontalkomponente des dazugehörigen Magnetfeldes in senkrechter Richtung zur Horizontalkomponente des elektrischen Feldes eine erhebliche Vereinfachung der Maxwellschen Feldgleichung zulassen. Die betreffende Differentialgleichung für die Abhängigkeit der beiden Felder enthält auch den elektrischen Widerstand und liefert infolgedessen die Möglichkeit, aus dem Vergleich der beiden gemessenen Feldstärkewerte diesen Widerstand zu ermitteln.

Die genannten Feldstärkeänderungen haben zwar keinen sinusförmigen Verlauf, können jedoch trotzdem so betrachtet werden, als seien sie aus der Überlagerung zahlreicher einzelner sinusförmiger Feldstärkeänderungen mit unterschiedlichen Einzelfrequenzen zusammengesetzt. Genauer kann man also sagen, daß das Spektrum der magnetischen Änderungen und ebenso das Spektrum der elektrischen Feldstärkeänderungen, die häufig kurz als tellurische Änderungen bezeichnet werden, zerlegt werden kann in die betreffenden Anteile, wenn man bestimmte Einzelperioden T aussiebt und für diese Perioden die Vergleichsmessung durchführt. Es ist auch bekannt, daß sich wegen des Haut- und Skineffektes die 'tellurischen Ströme um so mehr auf die Erdoberflächenschicht konzentrieren, je kürzer die betreffende Wellenlänge der Feldänderungen ist. Infolgedessen sind die mit den kürzesten Wellenlängen des betreffenden Spektrums bestiimmten Widerstände vorzugsweise _dcn .Obe.rfiächenschichten zugeordnet. Andererseits geben die zur Messung ausziehbaren Einzelperioden mit zunehmender Dauer als größere Wellenlängen dann die elektrischen Widerstände immer tiefer gelegener Schichten zunehmend wieder. Infolgedessen besteht ein praktisches, geologisches und auch industrielles Interesse daran, das Spektrum der magne-. tischen und elektrischen Feldstärkeänderungen zu messen und zu analysieren.

Wenn man durch den Feldstärkevergleich die Vermessung von Bodenschichten durchführt, muß für jede der betrachteten Einzclperioden T quantitativ folgendes festgestellt werden:
1. Das Amplitudenverhältnis E/H der einander entsprechenden Änderungen des elektrischen Feldes E und des magnetischen Feldes H sowie

ίο 2. die Phasenverschiebung der betreffenden Änderungen des elektrischen Feldes gegenüber den dazugehörigen Änderungen des magnetischen Erdfeldes.
Um in der Praxis mit einem Meßempfänger für jeden einzelnen der zu vergleichenden Feldstärkewerte die einander zugeordneten Ergebnisse zu erhalten, müssen also zwei aufeinander senkrechte Horizontalkomponenten der beiden Erdfelder aufgezeichnet werden.

Der elektrische Meßempfänger kann in einfacher Weise an eine sogenannte tellurische Leitung angeschlossen werden: Zwei Elektroden werden dazu beispielsweise im Abstand von mehreren 100 Metern voneinander in die Erde eingepflanzt, über isolierte und abgeschirmte Kabel mit den Eingangsklemmen der betreffenden Meßkette verbunden, sowie nach entsprechender Spannungsverstärkung am Aufzeichnungsgerät abgelesen. Dazu kann ein Galvanometer oder ein Elektrometer verwendet werden sowie die üblichen elektronischen Verstärker, gegebenenfalls auch mit nachgeschaltetem Oszillograph. Genannt seien beispielsweise auch magnetische Waagen oder Variometer mit einer beweglichen Spule, die auf einer Schneide oder von einem Quarzdraht gehalten sind, sowie Magnetometer, deren bewegliche Spule schwebend an einem vertikalen Torsionsdraht aufgehängt ist, bzw. Spulen, in denen eine elektromotorische Kraft durch Änderungen des sie durchsetzenden magnetischen Flusses induzierbar ist. Wenn solche Spulen einen Kern mit großer magnetischer Permeabilität haben, kann die Empfindlichkeit entsprechend vergrößert werden. Weiterhin sind für dieses Gebiet noch die Meßeinrichtungen zu nennen, die nach dem Hall-Effekt arbeiten und außerdem' in neuerer Zeit verschiedene Arten von Magnetometern, die mit nuklearer Präzession sehr genaue Messungen erlauben.

Eine tellurische Leitung, die nachstehend noch be-• schrieben wird, ermöglicht ohne Schwierigkeiten sehr zuverlässige Aufzeichnungen der elektrischen Feldstärkewerte E für alle auszusiebenden Einzelperioden T, die man in die Messung einbeziehen will. Selbst wenn· in der Praxis diese tellurische Aufzeichnung infolge der unterschiedlichen Einzelfrequenzen nicht mit gleichem Verstärkungsgrad durchführbar ist, kann man die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Übertragung leicht durch eine entsprechende Eichung über den Frequenzbereich ergänzen und dadurch den Einfluß etwaiger Verzerrungen auf die gemessenen Amplitudenwerte oder die Laufzeit der Phasen über die Meßkette berücksichtigen. Es ist gleichermaßen grundsätzlich möglich, mit entsprechenden Meßketten auch eine annähernd genaue Aufzeichnung der magnetischen Feldstärkeänderungen in bestimmten Teilbereichen des Gesamtspektrums der betreffenden Einzelperiodeii zu erhalten. Beispielsweise kann ein Magnetometer, das mit Präzession arbeitet, auch den Änderungen des Magnetfeldes

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über den gesamten Bereich der interessierenden Pe- hoher magnetischer Permeabilität verwendet. Bei

rioden folgen. Jedoch ist der Aufwand erheblich und einer Spule dieser Art ist die Selbstinduktion ver-

die Auswertung der Ergebnisse entsprechend um- gleichsweise groß, jedoch andererseits die Eigenkapa-

ständlich. Infolge ihrer mechanischen Trägheit kön- zität keineswegs vernachlässigbar und infolgedessen

nen die üblichen Magnetometer mit beweglicher 5 die Resonanzwirkung der Spule von entscheidender

Spule den schnelleren Änderungen des Magnetfei- Bedeutung. Man kann deshalb äußere Schaltelemente,

des H nicht mehr folgen und sind deshalb kaum ver- wie Kondensatoren, zusätzlich hinzuschalten, um

wendbar, wenn die Einzelperioden T unterhalb einer durch Resonanzwirkung die Meßempfindlichkeit im

Dauer von einigen Sekunden liegen. Mit Spulen aus- betreffenden Teilbereich des Spektrums zu erhöhen

gerüstete Magnetometer ergeben also nur für ver- io und diesen Bereich bevorzugt auszufiltern.

gleichsweise lange Periodendauern ausreichend Aus diesen Ausführungen ergibt sich, daß es für

genaue Aufzeichnungen der magnetischen Feldstärke. die Praxis wichtig ist, bei der Aufzeichnung der ma-

Eine mit möglichst großer Drehzahl rotierende gnetischen Feldstärkeänderungen die zu erfassenden Spule kann ebenfalls sehr zuverlässige Aufzeichnun- Einzelperioden mit genügend großer Empfindlichkeit gen liefern. Dazu wird durch die Rotation einer sol- 15 auszusieben und dabei keine elektrischen Verzerrunchen Spule das statische Magnetfeld in ein Wechsel- gen der zu verstärkenden Meßwerte zuzulassen. Beide feld umgewandelt. Man kann durch entsprechende Forderungen widersprechen einander und das Be-Einrichtung der Rotationsachse die gewünschte dürfnis nach möglichst großer Empfindlichkeit hat Hauptrichtung des Magnetfeldes ermitteln, weil bei den Vorrang. Deshalb mußte man sich bisher mit Übereinstimmung von Feldrichtung und Drehachse 20 Aufzeichnungen zufriedengeben, die nicht sehr zudie induzierte elektromotorische Kraft in der Meß- verlässig waren, weil in komplexer Form die Werte spule ein Minimum erreicht und theoretisch den Wert der Amplituden und der zu messenden Phasen ver-Null annimmt. Auf diese Weise kann man mit einer fälscht wurden. Theoretisch ist es natürlich stets senkrechten Rotationsachse den Wert der horizon- möglich, mit einer vorherigen Eichung der betrefientalen Feldstärkekomponente und mit einer zweiten 25 den magnetischen Meßkette die Übertragungswerte gleichzeitig um eine waagerechte Achse rotierenden der Amplitude und der Phase als Funktion der ver-Spule auch die Richtung der Horizontalkomponente schiedenen Perioden zu ermitteln. Es ist jedoch klar, ermitteln. Dabei sind jedoch die dynamischen Ände- daß infolge der starken Verzerrungen die Eingangsrungen der Feldstärke den statischen Weiten über- signale nur mit erheblicher Ungenauigkeit zur Meslagert. Man erhält deshalb genauere Werte, wenn es 30 sung der verschiedenen Ausgangssignale führen, zugelingt, die statische Feldstärke auszuschalten und mal man es mit dynamischen Änderungen zu tun hat, allein die Änderungen zu übertragen. Bekanntlich bei denen die betreffenden Geräte unter erheblich spielt es keine Rolle, ob man die Feldstärke selbst anderen Bedingungen arbeiten und eine Eichung nur oder ihre Ableitung aufzeichnet, wenn man sinusför- sehr schwierig durchzuführen ist.
mige Änderungen zur Übertragung bzw. zur Auf- 10 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zeichnung aussiebt, da die Amplituden- und Phasen- Verfahren zur Durchführung von Oberflächenmesbeziehungen zwischen sinusförmigen elektrischen Meß- sungen anzugeben, bei dem für einen größeren Fregrößen und ihren Ableitungen allgemein bekannt sind. quenzbereich eine Entzerrung der normalerweise

Es ist eine Vorrichtung zur Durchführung magnet- durch die Meßeinrichtung verfälschten Zuordnung tellurischer Messungen bekannt, bei der die elek- 40 der elektrischen und magnetischen Signale stattfindet, trische Feldstärke durch in die Erde gesteckte Elek- Durch die Erfindung soll erreicht werden, daß die troden ermittelt wird, während die magnetische Feld- durch die Meßeinrichtung selbst verursachte komstärke mit einer Spule gemessen wird. Beide Feld- plexe Verfälschung des Meßergebnisses rückgängig stärken, deren Komponenten nach den Maxwellschen gemacht wird, so daß die tatsächlich vorhandenen Gleichungen senkrecht zueinander stehen, werden 45 Zuordnungen ohne die Fehlerquelle der Meßapparagemessen, um die durch die Erdflächen erzeugten tür registrierbar sind. Diese Aufgabe wird bei einem Verluste zu bestimmen und Rückschlüsse auf die Be- Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsschaffenheit dieser Schichten ziehen zu können. Bei gemäß dadurch gelöst, daß die Meßwerte mindestens der Wahl des magnetischen Empfängers muß als in der einen Übertragerkette, vorzugsweise in der wesentlich berücksichtigt werden, daß die Größen- 50 elektrischen Kette, zusätzlich derart verzerrt werden, Ordnung der Amplitudenänderungen des Magnetfei- daß deren Verzerrungen den vom komplexen Überdes, insbesondere innerhalb kürzerer Periodendauern, tragungsfaktor der anderen Übertragungskette herdie unterhalb einer Sekunde liegen, außerordentlich vorgerufenen Verzerrungen angepaßt werden,
klein ist. In vielen Fällen ist man jedoch bestrebt, die Zu diesem Zweck muß also mindestens eine Meß-Messungen bis auf den Bereich dieser kurzen Perio- 55 einrichtung eine zusätzliche Verzerrungsstufe erhalden von weniger als 0,01 see Dauer zu erstrecken, ten, damit beide Eingangssignale möglichst mit dem in deren Bereich die natürlichen Änderungen der gleichartigen komplexen Übertragungsfaktor auf ihre Feldstärke selten mehr als 0,01 A/cm übersteigen und Verstärkerketten übertragbar sind und die betreffendeshalb im Vergleich zur statischen Magnetfeldstärke den Phasenverschiebungen als Funktion der betrachverhältnismäßig klein sind. Andererseits ist dieser Be- 60 teten Periodendauer T identisch oder durch einen reich der kürzeren Einzelperioden von besonderer einfachen Verhältniswert zu ermitteln sind und auch geologischer Bedeutung, jedoch haben die meisten in gleicher Weise die miteinander zu vergleichenden magnetischen Meßempfänger beim gegenwärtigen Amplitudenwerte in einer ähnlich einfachen Bezie-Stand der Technick eine zu geringe Empfindlichkeit, hung zueinander stehen.

so daß man die mit Induktion arbeitenden Empfänger 65 Eine Vorrichtung zur praktischen Durchführung

durch Verwendung von Spulen mit einer möglichst des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßig

großen Anzahl sehr dünner Drahtwindungen ausstat- so ausgebildet, daß zwischen die Aufnahmeelektroden

ten muß und außerhalb nach Möglichkeit einen Kern der elektrischen Meßkette und die Eingangsklemmen

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eines nachgeschalteten Meßverstärkers zusätzlich eine Übertragerstufe eingeschaltet ist, welche den zu übertragenden elektrischen Signalwerten eine der magnetischen Meßkette entsprechende Signalverzerrung überlagert, so daß die Phasenverschiebung der elektrischen Signale am Ausgang der elektrischen Kette als Funktionen des betrachteten Spektralbereiches den Phasenverschiebungen am Ausgang der magnetischen Meßkette entsprechen und die beiden Amplitudenwerte als einfaches Zahlenverhältnis der Meßgrößen erscheinen.

Die zusätzliche Verstärkerstufe zur Verzerrung der elektrischen Feldstärkesignale wird zweckmäßig mit einer gegenüber den äußeren Magnetfeldern beispielsweise durch Mu-Metall in bekannter Weise abgeschirmten Spule verwirklicht, deren beide Eingangsklemmen mit den Leitungen der beiden im Erdbereich angebrachten Meßelektroden verbunden sind und deren beide Ausgangsklemmen, zwischen den ein entsprechender Kondensator angeordnet ist, mit den Klemmen eines Verstärkers einer an sich bekannten Meßeinrichtung verbunden sind.

Die zusätzliche Verstärkerstufe kann grundsätzlich vor oder nach einer Spannungsverstärkung bzw. Leistungsverstärkung über ein zusätzliches Übertragungselement angekoppelt werden, bei dem zwei zueinander koaxiale Spulen auf einem gemeinsamen Luftkern aufgewickelt und durch eine Abschirmung vor der Einwirkung äußerer Felder geschützt sind. Die beiden Anschlüsse der ersten Spule bilden die Eingangsklemmen dieses Elements und stehen mit den Ausgangsklemmen eines gegebenenfalls vorgeschalteten Leistungsverstärkers in Verbindung. Die beiden Anschlüsse der zweiten Spule bilden die Ausgangsklemmen des Elementes und sind mit den Eingangsklemmen des Verstärkers zur Übertragung der zusätzlichen Verzerrungen zu verbinden. Auf diese Weise wird die statische elektrische Feldstärke eliminiert, weil das Zusatzelement eine galvanische Trennung bewirkt und infolgedessen nur Änderungen der Feldstärke überträgt.

In der Zeichnung sind sowohl die bekannten Meßketten dargestellt als auch dazu die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild der bekannten tellurischen Meßkette für die elektrische Feldstärke,

Fig. 2 das Blockschaltbild der bekannten Meßkette zur Übertragung der magnetischen Feldstärkeänderungen,

F i g. 3 das elektrische Ersatzschaltbild zur Anordnung nach F i g. 2 und

F i g. 4 das Prinzipschaltbild zur vorliegenden Erfindung,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel des Zusatzverstärkers nach F i g. 4,

Fig. 6 das Blockschaltbild einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung und dazu

Fig. 7 die Ausführungsform des zusätzlichen Übertragungselements 34 nach F i g. 6.

In F i g. 4 sind die beiden im Erdbereich 1 und 1' angeordneten Aufnahmeelektroden 2 und 2' dargestellt, welche über zwei isolierte und abgeschirmte Verbindungsleitungen mit den Eingangsklemmen 3 und 3' eines bekannten Meßverstärkers 4 in Verbindung stehen. Andererseits hat der Meßverstärker 4 zwei Ausgangsklemmen 5 und 5', von denen je eine mit je einer Eingangsklemme 6 und 6' irgendeiner bekannten, graphischen, fotografischen, mit Magnetband arbeitenden oder anderen Registriereinrichtungen 7 verbunden ist.

In F i g. 2 ist eine Registrierkette für Änderungen des Magnetfeldes dargestellt. Diese Kette enthält einen magnetischen Empfänger, einen Verstärker und ein Registriergerät, die untereinander in dieser Reihenfolge verbunden sind. Der magnetische Empfänger ist aus einem metallischen Kern 8 hoher magnetischer Permeabilität gebildet, auf dem eine Wicklung 9 mit einer großen Anzahl untereinander isolierter Windungen angeordnet ist; in der Zeichnung sind weiterhin magnetische Kraftlinien 10 dargestellt, die dank der hohen Permeabilität von dem Kern 8 abgelenkt und konzentriert sind. Ausgangsklemmen 11 und 11' der Wicklung 9 sind mit Eingangsklemmen 12 und 12' einer Verstärkereinrichtung 13 bekannter Art verbunden, deren Ausgangsklemmen 14 und 14' wiederum mit Eingangsklemmen 15 und 15' einer bekannten Registriereinrichtung verbunden sind.

Es ist interessant, sich zu erinnern, wie in höchst konventioneller Weise der elektrische Stromkreis der magnetischen Registrierkette, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, gebildet ist. In Fig. 3 sind mit P und β die physikalischen Enden der Spule 8 des magnetisehen Empfängers bezeichnet; diese Spule kann wie folgt zerlegt werden: In Reihe zwischen den Enden P und Q symbolisiert 17 den Koeffizienten der Selbstinduktion von der Größe L, 18 den Widerstand von der Größe R der Spule des Empfängers, 19 einen in die Spule geschalteten Kondensator der Größe C₁, der zu dem Zweck vorhanden ist, um bei der Aufzeichnung der Erscheinung die Eliminierung der relativ langen Perioden sicherzustellen. Die Größe C₁ kann offensichtlich unendlich sein, wenn man nicht an einer derartigen Filterung interessiert ist. Parallel zu der Selbstinduktion 17, dem Widerstand 18 und dem Kondensator 19 ist ein Kondensator 20 mit der Kapazität C₂ dargestellt, der entweder die von der Spule herrührende Kapazität oder diese letztere zusammen mit einer im Hinblick auf eine mögliche Aussiebung zugefügte Kapazität darstellt. Außerdem ist eine Eingangsimpedanz 21 des Verstärkers 13 dargestellt. Die Größe dieser Impedanz, die die Form eines reinen ohmschen Widerstandes annehmen kann, ist R. In F i g. 3 sind weiterhin die verschiedenen Klemmen, der Verstärker und das Registriergerät der Fig. 2 dargestellt.

Man wird jetzt zugestehen, daß die Aufzeichnung der Änderungen des Magnetfeldes mit der an Hand der Fig. 2 und 3 beschriebenen Einrichtung möglich ist, und es wird mit diesen Bedingungen, wobei auf die F i g. 4 und 5 Bezug genommen wird, die Zusammensetzung einer tellurischen Registrierkette beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

In F i g. 4 sind die Elektroden 1 und 1' der tellurischen Leitung mit den isolierten Leitern 2 und 2' dargestellt, die diese Elektroden mit Eingangsklemmen 22 und 22' eines Generators 23 für zusätzliche Verzerrungen verbinden, der erfindungsgemäß vorgesehen ist und dessen Ausgangsklemmen 24 und 24' mit den Eingangsklemmen 3 und 3' des Verstärkers 4 der tellurischen Kette verbunden sind; über seine Ausgangsklemmen 5 und 5' ist der Verstärker 4 mit den Eingangsklemmen 6 und 6' der Aufzeichnungseinrichtung 7 verbunden.

In F i g. 5 ist im Detail die Ausgestaltung des Generators 23 nach F i g. 4 für die Verzerrungen dar-

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gestellt. Die Einrichtung ist aus einer Spule 25 ge- ziehung untereinander werden, und daß man somit

bildet, die auf einen geschlossenen Magnetkreis auf- einfach, schnell und mit Sicherheit ausgehend von

gewickelt ist. Ein Kondensator 26 ist parallel zu der den aufgezeichneten Größen am Ausgang der beiden

Spule 25 zwischen die Ausgangsleitungen der Spule Ketten das Verhältnis E/H und die Phasendifferenz

25 nach den Klemmen 24 und 24' geschaltet. Ein 5 zwischen den natürlichen Signalen am Eingang abzweiter Kondensator 27 ist in Reihe mit der Wick- leiten kann. Man sieht sofort, daß in dem im Detail lung der Spule 25 geschaltet. Der Generator 23 ist in mit Bezug auf die Figuren beschriebenen Ausfüheiner magnetischen Abschirmung 28 angeordnet, die rungsbeispiel das Verhältnis der Amplituden des teldazu bestimmt ist, parasitäre Induktionswirkungen zu lurischen Feldes zu dem magnetischen Feld mit a · T vermeiden, die von Änderungen des äußeren Magnet- io multipliziert ist, wenn man das natürliche Eingangsfeldes auf den zwischen den Klemmen 22 und 22' signal dem registrierten Ausgangssignal zuführt, woeinerseits und 24 und 24' andererseits angeordneten bei α eine von T unabhängige, einzig und allein von elektrischen Stromkreis abhängig sind. In gleicher den die beiden Ketten bildenden Elementen abhän-Weise ist in Fig. 5 die Eingangsimpedanz 29 des gige, numerische Konstante bezeichnet. Der Wert Verstärkers 4 der F i g. 4 dargestellt. 15 dieser Konstanten kann mit Hilfe der folgenden For-

Die Elemente des Generators 23 für die zusatz- mel berechnet werden:

liehen Verzerrungen der Verstärker4 und die Auf- _ _m ν·ο/ο_-ι
zeichnungsgerate 16 (F 1 g. 2 und 3) und 7 (F 1 g. 4)

sind wie folgt bestimmt. Dabei ist die beim Gegen- in der m die Permeabilität, die am Kern der die stand der magnetischen Registrierkette der Fig. 2 20 Änderungen des Magnetfeldes erfassenden Spule er- und 3 verwendete Notation wiederaufgenommen. scheint, N die Zahl der Windungen dieser Spule, Wenn K ein numerischer Koeffizient ist, der beliebig S die Oberfläche der mittleren Windung dieser Spule, sein kann, ist die Selbstinduktion der Spule 25 gleich und 1 die Entfernung ist, welche die Endelektroden KL und ihr Widerstand, in den einerseits der zwi- der tellurischen Leitung trennt. Es soll daraufhinschen den Elektroden 1 und 1' herrschenden Wider- 25 gewiesen werden, daß man den Wert der Konstanstand und andererseits derjenige der Leitungen 2 ten α durch einfache Eichung bestimmen kann: Die und 2' einbezogen ist, gleich KR. Der Kondensator Eichung kann es offensichtlich werden lassen, daß a

26 erhält eine Kapazität C₂IK, wobei C₂ die Kapa- nicht ganz genau konstant ist, sondern geringfügig zität des Kondensators 20 ist, die in F i g. 3 parallel von einer Konstanten abweicht. Das ist ohne Einfluß zu der Spule 17 mit der Selbstinduktion L, dem Wi- 30 auf die mit der Erfindung erzielten Vorteile, denn es derstand 18 von der Größe R und dem Kondensator genügt, zur Not den rohen Werten eine sehr kleine 19 mit der Kapazität C₁ liegt. Ebenso enthält der Korrektur zuzufügen. Ebenso findet sich in dem wei-Kondensator 27 eine Kapazität C₁IK, wobei C₁ die ter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein VorKapazität des Kondensators 19 in Reihe mit der eilen der Phase des natürlichen tellurischen Feldes E Spule 17 mit der Selbstinduktion L und dem Wider- 35 bezogen auf das magnetische Feld H einfach um π/2, stand 18 vom Wert R der F i g. 3 ist. Der Wert der wenn man die am Ausgang registrierten Signale be-Eingangsimpedanzen 29 des Verstärkers 4 ist gleich trachtet. Eine Eichung kann offensichtlich machen, KRe gewählt. Andererseits ist der Verstärker 4 der- daß diese Änderung der Phasenlage nicht vollständig art ausgelegt, wobei die Eingangsimpedanzen 29 un- konstant ist, aber eine derartige Eichung ist einfach berücksichtigt gelassen sind, daß der Verstärker 13 40 und die zusätzliche Korrektur, die sie den Messungen (Fig. 2 und 3) einerseits und der Verstärker 4 zuzufügen gestattet, ist in jeder Beziehung genau.

(F i g. 4 und 5) andererseits dieselben Übertragungs- Man sieht, daß die vorliegende Erfindung unab-

funktionen besitzen und denselben Steuerungen un- hängig davon, daß sie die Möglichkeit eröffnet, sehr terworfen sind. In gleicher Weise sind die Registrier- einfache Ausdrücke bezüglich der Phasenverschieeinrichtung 16 (F i g. 2 und 3) und die Registrierein- 45 bungen und der Beziehungen der Amplituden verrichtung 7 (Fig. 4) identisch gewählt und denselben wenden, es ermöglicht, direkte magnetische Eichun-Steuerungen unterworfen. gen zu vermeiden, die schwierig und kompliziert sind

Weiter oben ist ausgeführt worden, daß die Ver- und die man niemals mit den Realteilen der Größen Zerrungen der Amplituden und der Phasen, die auf der magnetischen Änderungen, die man zu messen die Einheit der magnetischen Aufzeichnungskette ein- 50 hat, durchführen kann. Die Erfindung erfordert nur wirken und zwischen dem natürlichen Eingangssignal Messungen, die auf den Koeffizienten der Selbst- und dem registrierten Ausgangssignal hervorgerufen induktion, auf der Permeabilität, auf der mittleren sind, von den verschiedensten Elementen bestimmt Oberfläche der Windung des magnetischen Empfänsind, die die Kette bilden, und komplizierte Funk- gers, auf der Anzahl der Windungen dieses Empfäntionen der Periode T sind. Die von der tellurischen 55 gers, auf der Entfernung zwischen den Elektroden der Aufzeichnungskette ausgehenden Verzerrungen sind tellurischen Leitung und auf der Periode der Erscheifür ihren Teil ebenfalls mehr oder weniger kompli- nung beruhen.

zierte Funktionen der Periode T, diese tellurischen Es muß noch angegeben werden, daß das Problem

Verzerrungen sind von vornherein ohne einfache Be- noch weiter vereinfacht ist in dem Fall, wo man als ziehung mit den magnetischen Verzerrungen, wenn 60 magnetischen Empfänger eine Spule verwendet, die man nicht besondere Vorkehrungen trifft, um diese Windungen von relativ großem Durchmesser besitzt, herbeizuführen. Die vorliegende Erfindung gestattet was es ermöglicht, die Verwendung eines metallischen es dank der noch zu beschreibenden Mittel genau, Kerns mit hoher magnetischer Permeabilität zu verdie als in einfacher Beziehung zueinander stehend be- meiden: In diesem Fall ist die auftretende Permeabilizeichneten Verzerrungen für jede isoliert betrachtete 65 tat gemäß der Definition gleich 1. Die Vereinfachun-Periode T derart herbeizuführen, daß die magne- gen und die Genauigkeit, die so erzielt werden, sind tischen und tellurischen Verzerrungen, wenn nicht nachfolgend im Zuge der Beschreibung des Ausfühidentisch, so doch zumindest zu einer einfachen Be- rungsbeispiels angegeben.

Zur Aufnahme der Änderungen des magnetischen Erdfeldes ist eine Spule mit 153 000 ringförmigen Windungen verwendet worden, von denen die mittlere Windung einen Durchmesser von 52 cm besitzt und das Gesamtgewicht des magnetischen Empfängers einschließlich Gehäuse etwa 250 kg beträgt. Dieser Empfänger ist an die Klemmen einer Aufzeichnungskette angeschlossen, wie es vorstehend angegeben wurde.

Die Generatoreinrichtung für die Erzeugung der Verzerrungen nach der Erfindung besitzt die folgende Ausführung:

Eine Spule mit etwa 42 000 Windungen, die auf einen geschlossenen Magnetkreis mit einem Querschnitt von 5,65 cm² und einer mittleren Länge von 23 cm gewickelt ist. Als Metall für den Magnetkreis wurde »Anhyster« verwendet, eine hysteresefreie Eisenlegierung der Marktbezeichnung »Anhyster«.

Die von der Spule und dem geschlossenen Magnetkreis gebildete Einheit ist von einem doppelten Gehäuse aus Mu-Metall geschützt, dessen Außenseiten 19 cm/ 19 cm/ 15 cm betragen. Das Gewicht der Einheit liegt bei 4,7 kg.
Man kann unter der Voraussetzung, daß die Spannungen, die im Spiel sind, und die Größenordnung der Größe der Selbstinduktion, mit der man zu tun hat, gegeben sind, sehr genau die Selbstinduktion und den Widerstand des Generators für die Verzerrungen justieren, so daß sie praktisch identisch mit denen der Spule sind, die als magnetische Empfänger dient.

Der magnetische Empfänger könnte durch Verwendung eines Kondensators bestimmter Kapazität, der parallel zwischen seine Ausgangsklemmen gelegt wird, auf eine gegebene Frequenz abgestimmt werden. Ein mit dem vorstehend genannten Kondensator identischer Kondensator befände sich dann zwischen den Ausgangsklemmen des Generators für die Verzerrungen. Wenn der Generator für die Verzerrungen erfindungsgemäß verwendet und in eine mit der Aufzeichnungskette, die sich zwischen den Klemmen des magnetischen Empfängers befindet, identische Aufzeichnungskette eingeschaltet wäre, wäre der Wert der Konstanten α gleich NS/2nl.

Unter diesen Bedingungen sind die Fehler für N im ungünstigen Fall geringer als Vioo; ebenso sind die Fehler für S nicht schlechter als Vioo. Was die Fehler für 1 angeht, kann man davon ausgeben, daß sie den Wert Vioo nicht überschreiten.

Schließlich ist das Voreilen der Phasen des tellurischen Feldes E bezogen auf das magnetische Feld H tatsächlich nicht größer als π/2, wenn man die registrierten Ausgangssignale betrachtet.

In dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist es natürlich möglich, einen Kondensator in Reihe einerseits zu der Spule, die als magnetischer Empfänger dient, und andererseits zu dem Generator für die Verzerrungen zu schalten, um im Falle des magnetischen Empfängers die relativ langen Perioden, im Falle des Generators für die Verzerrungen die relativ langen Perioden und die Gleichspannung zu eliminieren. Tatsächlich wurde bei der tellurischen Aufzeichnungskette eine Aussiebung vorgenommen, die es ermöglichte, jegliche sich zwischen den Elektroden der tellurischen Leitung bildenden Gleichspannung zu eliminieren. Dadurch wurde es verhindert, auf zusätzliche Einrichtungen zurückgreifen zu müssen, außerdem ist die Eliminierung dieser Spannung für eine gute Aufzeichnung notwendiig. Das ist der dritte Vorteil der Erfindung, obwohl er von nicht ganz so großer Bedeutung ist wie die schon erwähnten Vorteile.

Dem Gegenstand des zweiten Ausführungsbeispiels ist noch hinzuzufügen, daß die Aufzeichnungen der Änderungen des Magnetfeldes durch die Einrichtung sichergestellt ist, die am Gegenstand der F i g. 2 und 3 beschrieben wurde; unter diesen Voraussetzungen

ίο wird mit Bezugnahme auf die F i g. 6 und 7 die Zusammensetzung einer Variante der tellurischen Aufzeichnungskette beschrieben, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

In F i g. 6 sind die Elektroden 1 und V der tellurischen Leitung mit den isolierten Leitern 2 und 2' dargestellt, die die Elektroden mit Klemmen 30 und 30' einer Verstärkereinrichtung 31 bekannter Art verbinden, der z. B. durch eine Stufe eines Spannungsverstärkers gebildet sein kann, der eine geeignete Verstärkerstufe für die Leistung nachfolgt. Die Ausgangsklemmen 32 und 32' des Verstärkers 31 sind mit Eingangsklemmen 33 und 33' eines ersten Elementes 34 des Generators für die zusätzlichen Verzerrungen verbunden, der erfindungsgemäß ausgebildet ist und der nachfolgend beschrieben werden wird. Die Ausgangsklemmen 35 und 35' des Elementes 34 sind mit den Eingangsklemmen 22 und 22' des zweiten Elementes 23 des Generators für die zusätzlichen Verzerrungen verbunden. Die Ausgangsklemmen 24 und 24' des Elementes 23 sind mit den Eingangsklemmen 3 und 3' des Verstärkers 4 der tellurischen Kette verbunden; über seine Ausgangsklemmen 5 und 5' ist der Verstärker 4 mit den Eingangsklemmen 6 und 6' der Aufzeichnungseinrichtung 7 verbunden.

In F ig. 7 ist im Detail die Einrichtung 34, die das erste Element des Verstärkers für die zusätzlichen Verzerrungen bildet, dargestellt. Die Einrichtung ist aus einer ersten Spule 36 gebildet, deren beide Enden mit den Klemmen 33 und 33' verbunden sind. Diese Spule 36 ist durch eine Selbstinduktion L₁ und einen Widerstand R₁ bestimmt. Das Element 34 enthält eine zweite Spule 37 koaxial zu der Spule 36. Diese Spule 37 hat eine Selbstinduktivität L₂, einen WiderstandR₂; ihre beiden Enden sind mit den Ausgangsklemmen 35 und 35' verbunden.

Die Spulen 36 und 37 sind auf einen Luftkern gewickelt. Zwischen den Spulen 36 und 37 existiert eine Gegeninduktivität M. Um parasitäre induktive Wirkungen, die von Änderungen des äußeren Magnetfeldes herrühren, zu vermeiden, ist eine magnetische Abschirmung 38 vorgesehen, die so ausgeführt ist, daß ihre Gegenwart nicht die Selbstinduktivitäten L₁, L₂ und die Gegeninduktivität M beeinflußt.

Die Ausbildung des zweiten Elements 23 des Generators für die zusätzlichen Verzerrungen ist genau identisch mit derjenigen des vorstehend mit Bezug auf die F i g. 5 beschriebenen Generators 23 für die Verzerrungen; dasselbe trifft zu für den Verstärker 4 und die Aufzeichnungseinrichtungen 16 (Fig. 2 und 3) und 7 (F i g. 4). Diese verschiedenen Elemente sind hier in der selben Weise bestimmt, wie es mit Bezug auf das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben wurde; jedoch ist im vorliegenden Fall die Summe des Widerstandes der Spule 25 und des Widerstandes der Spule 37 gleich KR, und die Summe der Selbstinduktivitäten der Spule 25 und der Spule 37 gleich KL, wobei L und R

durch die Schaltsymbole 17 und 18 der F i g. 3 wiedergegeben sind.

Die Spulen 37 und 36 sind derart ausgeführt, daß das tellurische Erregersignal nach Durchgang in dem Verstärker 31 und in der Spule 36 in der Spule 37 eine Erregung erzeugt, die für das für die Verwendung interessante Frequenzband proportional etwa einem Hundertstel z. B. der Ableitung des elektrischen Feldes nach der Zeit ist. Man sieht sofort, daß im vorstehenden Ausführungsbeispiel (F i g. 6 und 7) die Beziehung der Amplituden des tellurischen Feldes zum magnetischen Feld mit einer Kontastanten b multipliziert wird, wenn man von dem natürlichen Eingangssignal zu dem registrierten Ausgangssignal übergeht. Die numerische Konstante b ist unabhängig von T, hängt vielmehr allein von den die zwei Ketten bildenden Elementen ab. Der Wert dieser Konstanten ist durch die Formel auszudrücken:

b = mNSRJMlP

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in der M, N, S und L die selbe Bedeutung haben, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und in der .R₁ der Widerstand der Spule 36, M die Gegeninduktivität zwischen den Spulen 36 und 37 und P der der ersten Stufe des Verstärkers 31 gegebene Verstärkungsfaktor ist.

Man kann hier die Konstante b durch eine einfache Eichung bestimmen: Die Eichung kann es offensichtlieh machen, daß b nicht genau konstant ist, jedoch nur sehr wenig von einer Konstanten abweicht. Das ist ohne Einfluß auf die mit der Erfindung erzielten Vorteile, denn es genügt, den rohen Werten dann eine geringe Korrektur zuzufügen. Ebenso bleibt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung die zwischen dem natürlichen elektrischen FeIdE und dem Magnetfeld H existierende Phasenverschiebung konstant, wenn man die registrierten Ausgangssignale betrachtet, und ist daher nicht mehr an den Wert der Periode gebunden.

Alle mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung genannten Vorteile finden sich somit wieder, es ergeben sich jedoch noch zusätzliche Vorteile. Tatsächlich sind die dem vorliegenden Beispiel anhaftenden Vorteile, sowohl was die Amplitudenbeziehungen als auch was die Phasenverschiebungen anbetrifft, auf Ausgangssignale zu verallgemeinern, die den Ansprechzeiten der beiden Aufzeichnungsketten entsprechen, wenn das Niveau der Erscheinung sich plötzlich ändert. Das macht eine sehr große Selektivität in der Analyse der natürlichen Erscheinungen möglich, ohne daß Fehler in die Berechnung der Amplitudenbeziehungen und der Messung der Phasenverschiebungen eingeführt werden müßten. Es wird somit möglich, in diese Rechnungen nicht nur Messungen, die Amplitude für Amplitude durchgeführt wurden, eingehen zu lassen, sondern auch Integrale, die durch Ausgangssignalspannungen als Funktion der Zeit definiert sind, und dieses für ein gegebenes Zeitintervall und eine gegebene Periode. Die Werte der Beziehungen E/H und der Phasenverschiebungen sind somit über statische Messungen aufgestellt, was ebenso eine größere Geschwindigkeit als auch eine größere Sicherheit bei der Untersuchung der Meßergebnisse ermöglicht.

Außerdem gestattet die Anordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel (F i g. 6 und 7) nicht nur in absoluter Weise jede tellurische Gleichspannung zu eliminieren, so groß sie auch sein mag, sondern gestattet auch jede in kontinuierlicher Weise abgeleitete Spannung zu eliminieren in dem Maß, in dem man z. B. die Kondensatoren 27 und 19 verwendet.

Andererseits ist es bekannt, daß für Perioden, die größer sind als eine Sekunde, das Maß des natürlichen elektrischen Feldes mit der Periode wächst. Aus diesem Grunde sind, dank der Tatsache, daß die Ausgangssignale der tellurischen Aufzeichnungskette nicht mehr von Änderungen des tellurischen Feldes abhängen, sondern von Änderungen der Ableitung dieses tellurischen Feldes nach der Zeit, die in den Aufzeichnungsgeräten von dem tellurischen Weg für eine gegebene Steuerung annähernd konstant in diesem Bereich des Spektrums: Eine sehr viel einfachere und sehr viel wirksamere Filterung der verschiedenen interessanten Perioden ist somit für den Forscher möglich.

In dem folgenden praktischen Beispiel hat man den magnetischen Empfänger des ersten Zahlenbeispiels verwendet und als zweites Generatorelement für die Erzeugung der Verzerrung den in diesem Beispiel verwendeten Generator für die Verzerrung; das erste Element des Generatos für die Verzerrung besitzt folgende Abmessungen:

Die Spule 36 ist eine zylindrische Spule, die 1050 Windungen eines Drahtes mit einem Durchmesser von 0,25 mm enthält. Ihr äußerer Durchmesser beträgt 9,25 cm und ihre Länge 2 cm.
Die Spule 37 besitzt zylindrische Form und ist koaxial mit der ersten angeordnet. Sie besitzt einen äußeren Durchmesser von 7 cm, 36 000 Windungen aus einem Draht mit V100 Durchmesser und eine Länge von 2 cm. Die Gegeninduktivität beträgt somit 1,27 Henry. Das Gewicht der beiden Spulen einschließlich Gehäuse beträgt etwa 500 g. Die durch diese beiden Spulen gebildete Einheit ist in einem Gehäuse aus Mu-Metall gelagert, dessen Außenabmessungen 36 cm / 36 cm / 14 cm betragen.

Für Perioden innerhalb einer Sekunde wurde das elektrische Feld angenähert mit V100 abgeleitet. Die Werte für R₁, M und P konnten leicht mit etwa V100 bestimmt werden. Man hat somit in sehr befriedigender Weise die für diese zweite Ausführungsart angekündigten Vorteile erzielen können.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Stärke und Beschaffenheit von Schichten durch Oberflächenmessung durch Vergleich zweier nach den Maxwellschen Feldgleichungen voneinander abhängiger Feldstärkekomponenten, insbesondere der Horizontalkomponente des magnetischen Oberflächenfeldes und einer dazu senkrechten Horizontalkomponente der elektrischen Feldstärke, wobei die einander zugeordneten zeitlichen Veränderungen beider Feldstärken jeweils über einen bestimmten Spektralbereich aus dem gesamten Frequenzspektrum ausgesondert, über zwei getrennte Meßketten übertragen und dann zur Ermittlung ihrer Amplituden- und Phasenabhängigkeit miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte mindestens in der einen Übertragerkette, vorzugsweise in der elektrischen Kette, zusätzlich derar; verzerrt werden, daß deren Verzerrungen der vom komplexen Übertragungsfaktor der anderer

Übertragungskette hervorgerufenen Verzerrungen angepaßt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Aufnahmeelektroden (2, 2') der elektrischen Meßkette und die Eingangsklemmen (3, 3') eines nachgeschalteten Meßverstärkers (4) zusätzlich eine Übertragerstufe (23) eingeschaltet ist, welche den zu übertragenden elektrischen

Signalwerten eine der magnetischen Meßkette (13, 16) entsprechende Signalverzerrung überlagert, so daß die Phasenverschiebung der elektrischen Signale am Ausgang der elektrischen Kette (7) als Funktionen des betrachteten Spektralbereiches den Phasenverschiebungen am Ausgang der magnetischen Meßkette (16) entsprechen und die beiden Amplitudenwerte als einfaches Zahlenverhältnis der Meßgrößen erscheinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen