-
Verfahren zum Abtrennen einer Komponente von gegebener Phas enbeziehung
aus einem Wechselstromsignal, insbesondere zur Feststellung von Metallkörpern Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen einer Komponente von gegebener
Phasenbeziehung aus einem Wechselstromsignal, das sich aus verschiedenen Phasen
zusammensetzt, insbesondere zur Feststellung von Metallkörpern und zur Erforschung
von magnetischen Adern in der Umgebung eines Bohrlochs.
-
In verschiedenen Wechselstromkreisen besteht die Forderung zur Trennung
von Wechselstromkomponenten einer gegebenen Phase von Wechselstromkomponenten einer
anderen Phase. Zum Beispiel bei Mehrfachnachrichtenverbindungen werden häufig zwei
Nachrichtenkanäle von derselben Frequenz, aber von unterschiedlichen Phasen benutzt.
-
Andererseits muß auf der Empfangsstation einer solchen Anordnung der
Stromkreis so angeordnet sein, daß er die beiden Phasen in der Weise trennt, daß
die beiden Kanäle unabhängig voneinander demoduliert oder gleichgerichtet werden
können.
-
Als weiteres Beispiel sei die Auffindung bzw.
-
Feststellung von Metallkörpern in Abfallstoffen oder anderen Materialien
aufgeführt, die bisher durch die Beobachtung der Verstimmung einer vorher abgeglichenen
Wechselstrommeßbrücke erfolgte.
-
Eine Wechselstrommeßbrücke ist ein besonderes Vierklemmenisystem,
wobei zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen, in welchen Anderungen in den
Eigenschaften der Brückenzweige angezeigt werden, vorgesehen sind. Diese Brücken,
welche im allgemeinen auf der Veränderung der gegenseitigen Induktion beruhen, um
eine Verstimmung oder eine Anzeige im Ausgangskreis zu er-
halten,
sind .\bwalldlungen der Wheatst. neschen Brücke, welche bisher dazu benutzt wurde,
unbekannte Größen durch Feststellung einer Verstimmung durch eine solche unbekannte
Größe nach der vorherigen Abgleichung der Brücke zu bestimmen.
-
Da der Ausgang dieser Brücken im allgemeinen ein Wechselstromsignal
von verschiedenen Phasen enthält, von denen nur eine einzige Phase malAgeblich ist,
ist bei diesen leßhrücken im \usgangskreis eine Schaltungsanordnung mit Phasenauswahl
notwendig. Diese bekannten Brücken waren nicht immer ganz zufriedenstellend. da
sie meist sehr empfindlich sein müssen und aus diesem Grunde unter den üblichen
Bedingungen von Temperaturänderungen und Feuchtigkeits schwankungen schwierig in
ihrer Gleichgewichtslage zu halten sind.
-
Aus diesem Grunde schwanken auch die elektriedlen Eigenschaften und
insbesondere die gegenseitigen Induktivitäten, so daß die Brücke aus dem ç lleichgewicht
gerät. Derartige Ungleichheiten können dadurch in üblicher Weise korrigiert werden,
daß man geeignete. vorsichtig von Hand betätigte Reguliermittel vorsieht. Daher
würde eine Scha!-tungsanordnung, welche eine besondere Phase aus dem Ausgang einer
solchen Brücke auswählt, um so die Größe der Verstimmung anzuzeigen, sehr wertvoll
sein.
-
Ein anderes Anwendungsgebiet für Phasenselektionskreise liegt in
der elektrischen Untersuchung von durch ein Bohrloch durchteuften Erdschichten.
-
Hierbei ist es häufig notwendig. eine von zwei Komponenten, die miteinander
in einer gewissen Phasenbeziehung stehen. zu unterdrüclien. und zwar im Hinblick
auf ein anderes Signal. das von einer Impedanzmeßbrücke erhalten wird. Bei der Erforschung
von magnetischen Adern in der Umgebung eines Bohrlochs durchHerablassen einer3Ießbrücke
kann das Wasser in dem Bohrloch, das mitunter sehr leitend ist, eine bedeutendeWiderstandskomponente
zur Folge haben, die abzusondern ist. damit die charakteristischen Reaktions- oder
induktiven Signalkomponenten der magnetischen Ader beobachtet werden können. Auch
wenn nichtmamagnetische leitende Massen gesucht werden, so lassen sich Störungen
durch unbedeutende magnetische Erdmaterialien feststellen, die eine ausgesprochen
induktive Signalkomponente zur Folge haben. Die letztere muß abgetrennt werden,
damit die leitenden Massen bestimmt werden können und die Variationen in der Leitfähigkeit
der geologischen Schichten, die von dem Bohrloch durchteuft werden, gemessen werden
können. Für die weiteren Betrachtungen sei eine elektromotorische Kraft, wie sie
an den beiden Ausgangsklemmen eines Vierklemmensystems in Erscheinung tritt, als
induktive Komponente bezeichnet, wenn ihre Phasenverschiebung in bezug auf den Eingangsstrom
jeweils go oder 270 beträgt. Sie soll als Widerstandskomponente bezeichnet werden,
wenn ihre Phasenverschiebung gegenüber dem Eingangsstrom o oder I800 beträgt. Die
obigen Bezeichnungen Widerstandskomponente und induktive Komponente wurden gewählt,
weil sie mit dem Vorgang bei Meßbrücken mit gegenseitigen Impedanzen vergl ei dibar
sind, Rie sie später beschrieben werden sollen.
-
Wenn z. B. ein rein induktives Material, wie Eisen. in das magnetische
Feld einer solchen Impedanz brücke gebracht wird, so erzeugt es ein Signal voll
induktiver Phase. Da diese elektromotorische Kraft durch ein induktives Material
erzeugt wird, ist es naheliegend. sie als die induktive Komponente des Signals zu
bezeichnen. Ebenso wird, wenn ein reines Widerstandsmaterial in das magnetische
Feld hineingebracht wird, ein Signal der Widerstandsphase erzeugt.
-
Im allgemeinen kann gesagt werden, daß bei den üblich verwendeten
Frequenzen die meisten metallischen Gegenstände sowohl induktive wie auch Widerstandskomponenten
in Erscheinung treten lassen, die von der gleichen Größenordnung sind, so daß jede
für die Messung ausgewertet werden kann. Die meisten der. anderen hlaterialien,
die irgendwelche Effekte hervorrufen, ergeben Signale nur von der einen der beiden
Komponenteil. So ergibt z. B. Meerwasser Signale von im wesentlichen reinem Widerstandscharakter,
während ein magnetischer Untergrund im wesentlichen rein induktive Signale zur Folge
hat. Auf diese Weise ist es mit Hilfe eines geeigneten Phasenselektionskreises möglich,
Massen. die lediglich einen ohmschen Widerstand besitzen, in im wesentlichen induktiven
Medien mittels einer Impedanzmeßbrücke festzustellen, die in die Umgebung derartiger
nassen gebracht wird.
-
Temperaturschwankungen längs eines Bohrlochs bewirken eine mechanische
Störung in dem Spulensystem. wodurch die gegenseitige Induktivität zwischen den
Sende- und Empfangsspulen geändert wird, die zu Meßzwecken in entsprechendem Abstand
in das Bohrloch hinabgesenkt werden. Hierdurch wird zuweilen eine Verstimmung hervorgerufen,
welche eine Verschiebung des Bezugsnullpunktes des Systems zur Folge hat. Um diese
Ver schiebung zu vermeiden, ist es wünschenswert, das Signal, das diese Verstimmung
hervorruft, auszuschalten. Auch andere irreführende Signale, die sich aus der relativen
mechanischen Bewegung zwischen der Sende- und Empfangsspule ergeben können, wären
zu unterdrücken.
-
Demgemäß ist der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, neuartige
und verbesserte Wechselstrommeßanordnunben zu schaffen, die in bezug auf \\~echselstromsignalkomponenten
der gleichen Frequenz, jedoch verschiedener Phasen, phasenselektiv sind.
-
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, neue
und verbesserte elektrische Schaltanordnungen der obigen Art zu schaffen, bei denen.
eine Vektorkomponente vorausbestimmter Phase eines gegebenen Wechselstromsignals
von den Komponenten anderer Phasen getrennt werden kann, um sie messen oder sonstwie
auswerten zu können.
-
Weiterhin bezweckt die Erfindung, neue und verbesserte Phasenselektionskreise
zu schaffen, bei denen eine unerwünschte veränderliche Komponente
vorherhestimmter
Phase eines gegebenen Wechselstromsignals fortlaufend unterdrückt wird, damit eine
andere Signalkomponente von anderer Phase beobachtet oder gemessen werden kann.
-
Weiterhin bezweckt die Erfindung, Phasenselektioussysteme zu schaffen,
bei denen eine oder mehrere Komponenten verschiedener Phasen eines veränderlichen
Wechselstromsignals gegebener Frequenz fortlaufend unterdrückt werden und eine oder
mehrere der unterdrückten Signale beobachtet oder gemessen werden.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß den Wechselstromsignalkomponenten
gegebener Frequenz, bei denen die Phasenselektion angewandt werden soll, ein Wechselstromhilfssignal
von solcher Phase und Intensität zugeordnet wird, daß die unerwünschte Komponente
entweder eliminiert oder ihre Größe im Hinblick auf die gewünschte Komponente vernachlässigbar
gering wird. Das Hilfssignal vorherbestimmter Phase wird vorzugsweise durch einen
Stromkreis geliefert, der späterhin als Variometerröhrenkreis bezeichnet wird und
eine Elektronenröhre steuerbarer Leitfähigkeit enthält. Der Variometerröhrenkreis
ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß bei einem Eingangssignal gegebener Phase
der Ausgangsstrom die richtige Phase für das Zusammengehen mit der Wechselstromsignalkomponente
besitzt, um die erwünschte Phasenselektion durchzuführen. Auch die Amplitude oder
Stärke des Wechselstromsignals aus dem Variometerröhrenkreis kann durch Einstellung
der Steuerspannung am Steuergitter dieser Röhre, welche eine steuerbare Leitfähigkeit
besitzt. geändert werden.
-
Um die Stärke oder Amplitude des Ausgangssignals aus dem Variometerröhrenkreis
laufend zu regulieren, wird gemäß der Erfindung die an das Steuergitter der Röhre
angelegte Spannung entsprechend den Änderungen in einer Vektorkom ponente einer
vorausbestimmten Phase des Signals, für das die Phasenselektion Anwendung finden
soll, automatisch geändert.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Eingangsstrom von
gegebener Phase für den Variometerröhrenkreis von der Eingangsseite einer üblichen
\tierklemmenschaltung abgeleitet. Der Ausgang- des Variometerröhrenkreises wird
dazu benutzt, ein unerwünschtes Signal von gegebener Phase in der Ausgangsseite
der Schaltungsanordnung zu eliminieren. Die fortlaufende und automatische Eliminierung
der Ausgangssignalkomponente unerwünschter Phase wird durch Benutzung eines Teils
jener Signalkomponente, gegebenenfalls nach Verstärkung, erreicht, um die an das
Steuergitter der steuerbaren Induktanzröhre in dem Variometerröhrenkreis angelegte
Spannung zu steuern. Diese Unterdrückung der unerwünschten Signalkomponente ermöglicht
die Beobachtung von Signalkomponenten anderer Phase, wenn dies erwünscht ist. Auch
sind gemäß der Erfindung Mittel vorgesehen, um Anzeigen über die Stärke oder Anderungen
in der Stärke der zu unterdrückenden Signalkomponente zu erhalten.
-
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Eingangsstrom
von gegebener Phase für den Variometerröhrenkreis von der Eingangsseite eines üblichen
Vierklemmensystems entnommen, wohingegen der Ausgangsstrom des Variometerröhrenkreises
dazu benutzt wird, um die Stärke, d. h. die Amplitude der gewünischten Signalkomponente,
auf der Ausgangsseite des Systems bedeutend zu vergrößern. Nachdem auf diese Weise
die gewünschte Signalkomponente verstärkt worden ist, ist ein Kreis vorgesehen,
in dem das gewünschte Signal nunmehr leicht von der schwachen unerwünschten Komponente
getrennt werden kann, wie es später noch erläutert wird.
-
In der Zeichnung sind einige der möglichen Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes beispielsweise dargestellt, deren Wirkungsweise und Vorteile
nachstehend eingehend erläutert werden.
-
Hierin bedeuten Fig. in bis 1 E Vektorendiagramme für die grundsätzliche
Erläuterung der Erfindung, Fig. 2 ein Schaltschema einer grundsätzlichen Anordnung
gemäß der Erfindung, Fig. 3 bis 7 Schaltschemata zur Erläuterung der ersten Ausführungsform
der Erfindung, wobei Fig. 3 ein Schaltschema einer Anordnung zur elektischen Untersuchung
der näheren Umgebung von Bohrlöchern oder für geophysikalische Feststellungen, Fig.
4 ein Schaltschema, welches eine Abänderung des Variometerröhrenkreises in Fig.
3 zeigt, das Anderungen in der Amplitude der zu unterdrückenden Signalkomponente
zu messen gestattet, und Fig. 5 eine weitere Abänderung der ersten Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, bei der zwei Signale verschiedener Phase laufend
unterdrückt und Anzeigen über die Größe oder Änderungen in den Amplituden der unterdrückten
Signale erhalten werden; Fig. 5 a ist ein Schaltschema einer Abänderung eines Teils
des in Fig. 5 gezeigten Kreises; Fig. 6 und 7 veranschaulichen verschiedene Arten
von Schaltanordnungen in den Variometerröbrenkreisen; Fig. 8 ist ein Schaltschema
zur eingehenden Erläuterung der zweiten Ausführungsform der Erfindung, in der es
sich um Apparate zur Untersuchung der Erdoberfläche oder anderer Materialien hinsichtlich
ihrer verschiedenen Struktur handelt.
-
Wenn auch die Erfindung bei jedem elektrischen Vierklemmensystem
Anwendung finden kann, soll sie hier in Verbindung mit gegenseitigen Impedanzmeßbrücken
erläutert werden, wie sie zur Untersuchung von Bohrlöchern oder für Oberflächenuntersuchungen
verwandt werden.
-
Gemäß Fig. in ist am Ausgang von Vierklemmenschaltungen, wie sie
nach der Erfindung Verwendung finden sollen, ein Wechselstromsignal von der Amplitude
oC und der Phasen im Verhältnis zum Eingangssignal festzustellen. Dieses Signal
setzt sich aus zwei Komponenten oAundoB von senkrechter Phasenverschiebung zusammen,
deren Resultierende durch das Signale dargestellt wird. Die Komponente oA, welche
in Phase mit dem Signaleingang an der Vierklemmenschal-
tung liegt,
stellt die Widerstandskomponente dar. während die Komponente 0 B die induktive Komponente
darstellt, deren Phase gegenüber der Widerstandskomponente um go0 verschoben ist.
Das erfindungsgemäß gelöste Problem liegt in der Trennung jeder dieser beiden Komponenten
voneinander, !So daß die eine oder andere oder beide unabhängig gemessen oder anderweitig
verwandt werden können. Dies wird durch Anordnungen erreicht, welche sowohl eine
zufällige Verstimmung des Vierklemmensystems korrigieren als auch die einzelnen
Komponenten voneinander trennen. Zur Vereinfachung der Erklärung dieses Vorganges
sei angenommen, daß die Messung der Widerstandskomponente oA gewünscht wird und
die induktive Komponente 0 B unterdrückt werden soll.
-
Die erste Ausführungsform der Erfindung weist Einrichtungen auf,
durch die eine in ihrer Amplitude laufend veränderbare Hilfsschwingung o gemäß Fig.
1 B dem Ausgangskreis des Vierklemmensystems zugeführt wird, wobei die Amplitude
von oB' im wesentlichen zu allen Zeiten gleich der Amplitude von oB ist und die
beiden Schwingungen genau um I800 in der Phase verschoben sind. Es ist klar, daß
sich dann oB und oB' völlig aufheben, so daß nur die gewünschte Komponente Oa1 übrigbleibt,
die gemessen oder anderweitig ohne Beeinträchtigung durch die unerwünschte Komponente
oB ausgewertet werden kann.
-
Die zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Anordnung, bei
der ein Hilfsdauersignal oD gemäß Fig. 1 D in Reihe mit dem Ausgangskreis der Vierklemmenanordnung
eingeführt wird, wobei die Amplitude von oD bedeutend größer ist als jede induktive
oder Widerstandskomponente, oD jedoch in Phase mit der gewünschten Komponente oA
liegt. Wie aus Fig. I D zu erkennen ist, werden Amplitudenänderungen der Widerstandskomponente
oA entsprechende Änderungen in der Gesamtamplitude des Widerstandssignals im Ausgangskreis
verursachen, da eich, vektoriell ausgedrückt, Signale gleicher Phase unmittelbar
addieren. Ferner kann man aus Fig. IE ersehen, daß die induktive Komponente, wenn
sie vektoriell zur DauerhilfsschwingungoD addiert wird, nur einen fast vernachlässigbaren
Betrag zu dem Gesamtsignal in dem Kreis hinzufügt. Somit wird das sich im Ausgangskreis
des VierklemmensystemJs endgültig ergebende Signal ein verhältnismäßig mächtiges
Signal darstellen, welches sich unmittelbar und bedeutend mit der gewünschten Widerstandskomponente
ändert, ohne daß sich eine merkbare Änderung bei der induktiven Komponente ergibt.
Wenn dann später das Dauerhilfssignal von dem resultierenden Gesamtsignal abgezogen
wird, bleibt im wesentlichen lediglich die gewünschte Widerstandskomponente übrig.
-
Eine Anordnung zur Durchführung der in den Fig. 1 A bis I E veranschaulichten
Vorgänge ist in Fig. z schematisch dargestellt. Bei der dargestellten Schaltungsanordnung
I mit vier Anschlußklemmen sind die Eingangsklemmen mit I a und I b und die Ausgangsklemmen
mit 1 c und 1 d bezeichnet. Sie besitzt eine Sendespule 2 und eine Empfangsspule
3. Zur Speisung der Sendespule 2 dient ein Wechselstrom bestimmter Phase und Frequenz,
der durch den Oszillator g erzeugt wird. Dieser Strom wird auch in den Variometerröhrenkreis
4 gespeist.
-
Für den Fall, daß sich keine Medien in der Nähe befinden, wird sich
an den Ausgangsklemmen 1 und 1 d des Vierklemmensystems kein Ausgangsstrom ergeben,
da die Meßbrücke völlig ausgeglichen ist und die Achsen der Spulen 2 und 3 senkrecht
zueinander liegen. Wenn dagegen die Schaltungsanordnung in die Nähe von störend
einwirkenden Medien gebracht wird, so wird ihr Gleichgewicht gestört und hierdurch
in der Spule 3 eine Spannung erzeugt, die Aufschluß über die die Gleichgewichtsstörung
verursachenden induzierten Ströme gibt. Diese Spannung setzt sich aus zwei Komponenten
gemäß Fig. iA, und zwar einer Widerstandskomponente oA, welche als die erwünschte
Komponente angenommen wurde, und einer induktiven Komponente oB, welche unterdrückt
werden soll, zusammen.
-
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Ausgang des
Variometerröhrenkreises 4 zum Transformator 5 hin eine Hilfsspannung aufzeigen,
welche sich ständig in ihrer Amplitude in Abhängigkeit von der unerwünschten induktiven
Komponente ändern wird und genau um iSo0 in der Phase verschoben ist. Daher wird
am Eingang zum Verstärker 6 nur die gewünschte Widerstandskomponente in Erscheinung
treten, da die unerwünschte Komponente unterdrückt worden ist.
-
Die Phasenlage dieser Hilfsspannung wird durch die Eingangsspannung
an der Variometerröhre von -dem Oszillator g her gesteuert und die Amplitude durch
den Rückkopplungskreis 7, und zwar beide in einer später noch beschriebenen Weise.
Die gewünschte Widerstandskomponente wird mittels eines Wechselstrommeß instrumentes
8 gemessen, jedoch können auch beliebige andere Einrichtungen benutzt werden, um
die erwünschte, so abgetrennte Komponente auszuwerten.
-
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Ausgang
des Variometerröhrenkreises 4 zum Ausgang. des Schaltsystems 1 ein dauerndes Hilfssignal
einführen, das in Phase mit der gewünschten Wi derstandskomponente liegt, jedoch
wesentlich stärker ist als die unerwünschte induktive Komponente, wie es in Verbindung
mit den Fig. 1 D und 1 E ausgeführt worden ist. Der Verstärker 6 kann so beeinflußt
werden, daß das Dauersignal nicht hindurchtreten kann, sondern lediglich das zusätzliche
Signal, das im wesentlichen der Widerstandskomponente entspricht, verstärkt wird,
womit die unerwünschte induktive Komponente unterdrückt wird. Die Phase des Variometerröhrenkreisess
wiederum wird durch den Oszillator 9 gesteuert, wobei der Rückkopplungskreis 7 die
Röhre 4 beeinflußt und so die Amplitude des Dauer&ignals geändert wird, um die
dauernden Abweichungen vom Gleichgewichts zustand der Meßanordnung auszugleichen.
-
I)ie erste Ausfiihruiigsform der Erfindung soll an Hand der Fig.
3 bis 7 im einzelnen beschrieben werden.
-
Gemäß Fig. 3 besitzt das Untersuchungsgerät für Bohrlöcher ein Meßspulensystem
1o mit einer Sendespule II und einer Empfangsspule 13, die induktiv gekoppelt sind.
Das Spulensystem 10 kann beliebiger Art sein, wobei seine mechanische Form l>esonders
dadurch bestimmt ist, ob es in Bohrlöchern oder zur Messung an der Oberfläche oder
auch zu anderen Untersuchungen bestimmt ist.
-
Für gewisse Zwecke werden die Sende- und die Empfangsspule in keinen
feststehenden Abstand zueinander gebracht, sondern beweglich zueinander angeordnet,
wie es insbesondere für Oberflächenuntersuchungen in Frage kommt. Die Sendespule
1 1 wird mit Wechselstrom von einem geeigneten Oszillator 14 über die Leitungen
15 und i6 gespeist.
-
Die Empfangsspule I3 ist durch die Leitungeti 17 und I8 mit den Eingangsklemmen
eines Verstärkers I9 verbunden, in dessen Ausgangskreis irgendeine geeignete Anzeigeeinrichtung
oder auch z. B. ein Kopfhörerpaar eingeschaltet ist. Die direkte gegenseitige Induktion
zwischen der Sendespule II und der Empfangsspule 13 wird vorzugsweise auf irgendeine
passende Art, wie z. B. durch das Variometer 21, aufgehoben.
-
Wenn der Teil des Untersuchungsgeräts, der zuvor beschrieben worden
ist, unter Strom gesetzt wird und das Spulensystem 10 in die Nähe von magnetischen
Erdschichten gebracht ist, so läßt sich feststellen, daß eine starke R eaktionssignalkomponente
auftritt, welche von einer solchen Größe ist, daß andere wünschenswerte Signale,
die durch leitende Massen oder Schichten hervorgerufen werden können, überdeckt
werden, deren Lage oder Leitfähigkeit aber gerade festgestellt werden soll. Für
jede gegebene Lage des Spulensystems 10 gegenüber den magnetischen Erd schichten
können hierdurch verursachte Signale durch entsprechende Einstellung der Variometer21
und 22, wie es bekannt ist, vollständig ausgeschaltet werden.
-
Das Variometer 21 dient dazu, in den Kreis der Em,pfangsspule I3
eine Spannung zu liefern, welche zu jedem aufgenommenen Reaktionssignal entgegengesetzt
gerichtet ist. Es kann beispielsweise eine Primärwicklung 23, die in Reihe mit der
Zuführungsleitung 15 liegt, und eine Sekundärwicklung 24 besitzen, die in Reihe
mit der Leitung I7 liegt, wobei übliche Mittel vorgesehen sind, um die gegenseitige
Induktivität zwischen den Wickungern 23 und 24 zu ändern. Das Variometer 22 ist
so ausgebildet, daß es eine gegenseitige Induktanz etwa vom Nullwert besitzt und
in den Empfangsspulenkreis I3 eine Widerstandsspannung entgegengesetzt zu jedem
Widerstandssigual, das aufgenommen werden könnte, einspeist. Es besitzt eine Primärwicklung
25, die in Reihe mit der Zuführungsleitung 15 liegt, und eine Sekundärwicklung 26,
die in Reihe mit der Zuführungsleitung I7 liegt. Ein Widerstandssignal kann dadurch
hervorgerufen werden, daß man für die Wicklungen 25 und 26 einen leitenden Kern,
wie einen Messingstab beispielsweise, vorsieht.
-
Wenn die gegenseitige Impedanz zwischen der Sendespule II und der
Empfangsspule 13 infolge ihres Abstandes gering ist, kann man das eine oder auch
heide Variometer 21 und 22 fortlassen und das Gleichgewicht in erster Linie mit
Hilfe des Variometerröhrenkreises herstellen.
-
Es ist jedoch festgestellt worden, daß, wenn auch das System für
jede gegebene Lage des Spulensystems 10 durch entsprechende Einstellung der Variometer
21 und 22 ausgeglichen werden kann, es sofort aus dem Gleichgewichtszustand kommt,
wenn das Spulensystem 10 in eine andere Lage im Verhältnis zu den magnetischen Erdschichten
gebracht wird.
-
Gemäß der Erfindung wird nun vorgeschlagen, dadurch das System fortlaufend
im Gleichgewichts. zustand zu halten, indem in den Kreis der Empfangsspule I3 eine
Spannung geeigneter Phase und Größe eingespeist wird, um jede unerwünschte Signalkomponente
gegebener Phase oder Größe (in diesem Fall eine Reaktionssignalkomponente), die
durch das Empfangsspulensystem I3 aufgenommen werden könnte, zu unterdrücken. Dies
wird mittels des Variometerröhrenkreises 27 erreicht.
-
Gemäß der Fig. 3 besitzt dér Variometerröhrenkreis 27 eine übliche
Elektronenröhre 2E, welche eine Pentode mit einem Schutzgitter 29 sein kann, das
mit der Kathode 30 verbunden ist. Das Steuergitter 31 der Pentode 28 liegt in Reihe
mit einem Kondensator 32 an einer Klemme eines Widerstandes 33, welcher in Reihe
mit der Zuführungsleitung 16 verbunden ist. Die andere Klemme des Widerstandes 33
ist bei 34 geerdet.
-
Die an das Steuergitter 3I vom Widerstand 33 angelegte Spannung liegt
in Phase mit dem Wechselstrom, der vom Oszillator 14 zur Sendespule 11 in delm Spulensystem
10 gespeist wird.
-
Das Schirmgitter 35 der Röhre 28 ist in Reihe mit den Ableitungswiderständen
36 und 37 und der Leitung 38 mit der positiven Klemme einer üblichen Wechselstromgleichricbteranordnung
4o verbunden, welche an das Wechselstromnetz 41 angelegt ist. Die der Schirmgitterelektrode
35 zugespeiste Spannung wird in der üblichen Weise mittels der Nebenschlußkondensatoren
42 und 43 ausgefiltert.
-
Die Anode 44 der Pentode 28 ist über die Primärwicklung 45 eines
Transformators 46 mit einem gemeinsamen Punkt zwischen den Ableitwiderständen 36
und 37 verbunden, so daß die Anodenspannung vom Gleichrichter 40 zur Pentode 28
gelangt. Die Sekundärwicklung 47 des Transformators 46 ist in Reihe mit dem Leiter
17 verbunden, welcher im Kreis mit der Empfangsspule I3 liegt bzw. zu dieser hinführt.
-
Der Variometerröhrenkreis 27 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß
die Phasenverschiebung zwischen einem an das Steuergitter 31 angelegten Signal und
dem Signalausgang an der Sekundärwicklung 47 des Transformators 46 im wesent-
lichen
frequenzunabhängig ist. Zu diesem Zweck ist der Transformator 46 so auszubilden.
daß er eine verhältnismäßig niedrige Impedanz gegenüber dem Anodenwiderstand der
Pentode 28 besitzt, und hat vorzugsweise einen Kern aus Permalloypulver, um die
Verluste auf ein Minimum zu reduzieren. Ein fester Widerstand 48 und ein veränderbarer
Widerstand 49 sind im Nebenschluß mit der Primärwicklung 45 des Transformators 46
verbunden, um gegebenenfalls die richtige Phasenbeziehung herstellen zu können.
-
Die Pentode 28 ist vorzugsweise eine Röhre mit veränderlichem innerem
Widerstand. dessen Größe eine Funktion der dem Steuergitter 3I zugeführten Spannung
ist. Durch Regulierung der Spannung an dem Steuergitter 31 der Röhre 28 kann eine
Spannung in den Kreis der Empfangsspule 13 eingespeist werden, welche entweder in
Phase mit der von der Sendespule II induzierten Spannung liegt oder um I800 in der
Phase verschoben ist, was von der Phase des Eingangssignals am Steuergitter 31 der
Pentode 28 und der Kopplung zwischen dem Variometerröhrenkreis 27 und dem Kreis
der Empfangsspule 13 über den Transformator 46 abhängig ist. Es ist einleuchtend,
daß bei geeigneter Einstellung der Spannung am Steuergitter 3I und bei entsprechenden
Verbindungen jedes durch die Empfangs spule 13 aufgenommene Reaktionissignal vollständig
eliminiert werden kann.
-
Die Unterdrückung des unerwünschten Reaktionssignals wird erfindungsgemäß
dadurch automatisch erzielt, daß die an das Steuergitter 3I der Variometerröhre
angelegte Spannung in Ubereinstimmung mit der Größe jeder Signalkomponente der unerwünschten
Phase, die in dem Kreis der Empfangsspule I3 vorhanden ist, und infolgedessen verstärkt
in dem Ausgang des Verstärkers 19 in Erscheinung tritt. Hierzu wird der Ausgangsstwm
von der Endröhreso in dem Verstärker 19 über die Leitung und einen Sperrkondensator
52 zu einem Spannungsteiler mit den Widerständen 53 und 54 geleitet, wobei der Kondensator
55 einen geringen kapazitiven Widerstand gegenüber der Erde für Wechselströme aufweist.
Ein Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers 19 an dem Widerstand 54 wird zu einem
Phasenselektions kreis 6I gespeist, welcher eine Gleichspannung für das Steuergitter
31 der Röhre 28 erzeugt. welche sich mit Änderungen der Größe jeder Signalkomponente
von unerwünschter Phase, die in dem Empfangsspulenkreis auftritt und am Ausgang
des Verstärkers Ig verstärkt in Erscheinung tritt, ändert.
-
Der Phasenselektionskreis 6I besitzt beispielsweise eine übliche
Pentode60, deren Steuergitter 59 in Reihe mit der Sekundärwicklung j6 eines Transformators
57 mit dem gemeinsamen Punkt zwischen den Widerständen 53 und 54 verbunden ist.
Die Primärwicklung 58 des Transformators 57 ist in Reihe mit der Zuführungsleitung
I6 verbunden. Der Transformator 57 dient dazu, in den Gitterkreis der Röhre 60 eine
Wechselspannung verhältnismäßig großer Stärke einzuspeisen, welche in der Phase
gegenüber dem in dem Leiter Im fließenden Strom um go0 verschoben ist. Diese Spannung
wird mit der vom Verstärker 19 gelieferten Spannung vereinigt, um die Phasenselektion,
wie sie später noch beschrieben wird, zu bewirken. Das Schutzgitter 62 der Röhre
60 ist mit der Kathode 63 und die Schirmgitterelektrode 64 über einen Ableitwiderstand
65 mit der Leitung 38 verbunden, die zu dem Pluspol des Gleichrichters po führt.
Ein Filterkondensator 66 ist zwischen der Schirmgitterelektrode 64 und der Erde
ein geschaltet. Die Anode 67 der Röhre ist durch einen Leiter 6S mit dem Anodenwiderstand
69 ver hunden, der wiederum mit dem Leiter 38 verbunden ist, der über den Entkopplungswiderstand
110 zum Gleichrichter 40 führt. Der Ausgangsstrom der Röhre 60 wird über einen Sperrkondensator
70 zu einem am anderen Ende geerdeten Widerstand 7I geleitet, welcher durch einen
üblichen Diodengleichrichter 72 im Nebenschluß liegt. Die gleichgerichtete Spannung
am Widerstand 7I wird durch eine übliche AC-Kopplung gefiltert, die aus den in Reihe
liegenden Widerständen 73 und 7+ und den Kondensatoren 75 und 32 besteht. Die resultierende
Gleichspannung wird dem Steuergitter 3 1 der Pentode 28 aufgedrückt.
-
Die Spannung für die Phasenselektionsröhre 60 muß relativ groß gewählt
werden. Sie wird in geeigneter Weise z. B. durch Gleichrichtung eines Teils der
Ausgangsspannung des Oszillators 14 erzeugt. Somit ist ein Teil der Ausgangsspannung
der Anode 76 der Oszillatorröhre77 über einen Gleichstromsperrkondensator III mit
der Anode 78 eines anderen üblichen niodengleichrichters 77 verbunden. Die Widerstände79,
80 und 81 liegen zwischen der Anode 78 und der Erde. Der Widerstand so besitzt einen
verschiebbaren Kontakt 81 a, der durch einen Leiter82 mit dem gemeinsamen Punkt
zwischen dem Widerstand 54 und dem Kondensator 5n verbunden ist. Hierdurch wird
eine einstellbare Gleichspannung dem Steuergitter 59 der Röhre 60 zugeführt.
-
Wenn der Variometerröhrenkreis 27 so angeschlossen ist, daß in den
Kreis der Empfangsspule T3 eine Unterdrückungsspannung eingespeist wird, die gegenphasig
zu der unerwünschten Signalkomponente liegt, so ist der Phasenselektionsgleichrichter
61 so anzuschließen, daß sich die unerwünschte Signalkomponente, wenn sie am Ausgang
des Verstärkers 19 erscheint, von der Spannung subtrahiert, weiche durch den Transformator
57 in den Gitterkreis der Röhre60 eingespeist wird. Bei einem solchen Anschluß liefert
der Phasenselektionskreis 6I dem Steuergitter 3I der Variometerröhre eine Gleichspannung,
welche weniger negativ ist, je mehr sich die Amplitude der unerwünschten Signalkomponente
in dem Empfangskreis vergrößert. Auf diese Weise wird fortlaufend eine vollständige
Unterdrückung der unerwünschten Signalkomponente erzielt.
-
Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 19 entsprechend der unerwünschten
Komponente nicht
die richtige Phasenlage besitzt, um eine Differenzwirkung
zu ermöglichen, kann ihre Phase auf jede gewünschte Weise verändert werden, indem
beispielsweise ein Kondensator 20 a entsprechend eingestellt wird, der parallel
zum Ausgang des Verstärkers geschaltet ist. Alternativ kann die Phase der in den
Gitterkreis der Röhre 60 durch den Transformator 57 eingespeisten Spannung durch
übliche Mittel verändert werden, um sie in die geeignete Differenzbeziehung zur
Ausgangsspannung des Verstärkers 19 zu bringen.
-
Es sei jedoch bemerkt, daß das System versagt, wenn die Größe der
unerwünschten Signalkomponente vom Ausgang des Verstärkers I9, die dem Steuergitter
59 der Röhre 60 zugeleitet wird, größer wird als die vom Transformator 57 gelieferte
kombinierte Spannung. Dem kann aber durch entsprechende Ausbildung des Spannungsteilerkreises
vorgebeugt werden, der mit dem Ausgang des Verstärkers 19 verbunden ist und durch
entsprechende Einstellung der Spannung am Gitter 59 der Röhre 60 und der Größe der
durch den Transformator 57 gelieferten Spannung. Der Spannungsteilerkreis kann auch
fortgelassen und die ganze Ausgangsspannung des Verstärkers 19 dem Gitter 59 der
Röhre 60 zugeleitet werden, vorausgesetzt, daß beide Spannungen, nämlich die negative
am Gitter 59 und die durch den Transformator 57 gelieferte groß genug sind, um das
System unter allen Arbeitsbedingungen betriebs fähig zu halten.
-
Bei der Bedienung des Systems werden vorzugsweise die Variometer
21 und 22 zuerst eingestellt, um im wesentlichen alle unerwünschten Signale in dem
Kreis der Empfangsspule 13 einschließlidi jedes Ausgangssignals des Variometerröhrenkreises
27 auszuschalten, wenn das Spulensystem 10 in eine bestimmte Lage zur magnetischen
Erdoberfläche gebracht ist. Der Variometerröhrenkreis 27 wird vorzugsweise so angeschlossen,
daß er in den Kreis der Empfangsspule 13 eine Spannung einspeist, welche um I800
verschoben ist gegenüber der unerwünschten Reaktionsspannung, die in dem Kreis auftritt.
Die Pentode 6o in dem Phasenselektionskreis 6I wird vorzugsweise unter hoher negativer
Spannung gehalten, so daß sie als Richtverstärker arbeitet. Die Verbindungen sind
so hergestellt, daß ein anwachsendes Signal von unerwünschter Phase, das in dem
Empfangskreis auftritt und durch den Verstärker 19 verstärkt wird, das Bestreben
hat, die negative Gitterspannung des Steuergitters 3I der Pentode 28 herabzusetzen
und so die Größe der Unterdrückungsspannung entgegengesetzter Phase, die in den
Kreis der Empfangsspule 13 eingespeist wird, zu erhöhen.
-
Wenn die Anordnung, wie es zuvor angegeben ist, einreguliert ist,
wird jede veränderliche Signalkomponente unerwünschter Phase, die in dem Empfangsspulenkreis
I3 auftnitt, automatisch und fortlaufend mit Ausnahme eines geringen Teils, der
etwa nur 0,2 0/o betragen kann, unterdrückt. Dieser geringe Teil ist notwendig,
um die Änderung der Gleichspannung am 5 Steuergitter der Variometerröhre 28 zu ermöglichen.
Daher werden nur Widerstandssignale, die im allgemeinen charakteristisch für leitende
unterirdische Gesteinsschichten sind, das System aus dem Gleichgewicht bringen und
ein Signal erzeugen, das in den Kopfhörern 20 gehört werden kann.
-
Es dürfte weiterhin verständlich sein, daß der Verstärker 19 nicht
so ausgebildet zu sein braucht, daß er eine Phasenverschiebung aufweist, die gänzlich
unabhängig von der Frequenz ist, da der Phasenselektionskreis 6I auch dann funktionieren
wird, wenn die Phase der unerwünschten Signalkomponente von dem Verstärker um 30°
gegenüber der theoretisch erforderlichen Phasenverschie; bung von I800 für eine
Subtraktion von dem durch den Transformator 59 gelieferten Signal differiefen. Ein
solcher Zustand würde sich lediglich in einer geringen Herabminderung der Wirksamkeit
des Systems auswirken, so daß ein etwas groß jeder Anteil des Signals der unerwünschten
Phase in dem Empfängerkreis verbleiben muß, um der Variometerröhre 28 die zusätzliche
GIe.idhspannungsänderung zu liefern, die für eine annähernde Unterdrückung des unerwünschten
Signals notwendig ist. Indessen muß die Phase des Signals, welches die Variometerröhre
28 in den Kreis der Empfangsspule einspeist, sehr genau eingehalten werden, d. h.
innerhalb eines geringen Bruchteils eines Grades, bei bestimmten Untersuchungen,
die einen hohen Grad der Unterdrückung erfordern, wenn auch ein Fehler von 300 in
der Phasenbeziehung des Selektionskreises 6I, wie es vorher angegeben worden ist,
hingenommen werden kann.
-
Es ist möglich, daß die Röhre 28 in dem Maria meterkreis 27 eine
harmonische Oberschwingung in den Kreis der Empfangsspule I3 einbringen kann. Dementsprechend
ist es wünschenswert, eine geeignete Siebkette im Verstärker 19 vorzusehen, um irgendwelche
derartige harmonische Oberschwingungen zu unterdrücken. Der abgestimmte Kreis mit
der Induktanz 83 und dem Kondensator 84 wirkt als Selektionsfilter, um solche harmonischen
Oberschwingungen auszuschalten. Die Bandbreite dieses Filters kann, wenn erwünscht,
durch entsprechende Größenausbi ldung des Widerstandes 85 verbreitert werden. Andere
geeignete Filterkreise können zur Unterdrückung der harmonischen Oberschwingungen
benutzt werden. Indessen sind diese so auszubilden, daß sie keine zu rasche Phasenverschiebung
bei Frequenzänderung in der Nähe der Arbeitsfrequenz der Meßanordnung ergeben.
-
Alternativ kann das System, wenn erwünscht, so eingestellt werden,
daß die in den Kreis der Empfangsspule I3 eingespeiste Spannung in Phase mit der
unerwünschten Signalkomponente liegt, anstatt daß sie in Gegenphase zu ihr begt,
wie es vorher beschrieben ist. Hier wiederum werden anfänglich die beiden Signale
unter gegebenen Bedingungen durch entsprechende Einstellung der Variometer 2I und
22 und des Variometerröhrenkreises 27 im wesentlichen unterdlrüclot. Bei dieser
Alternative ist das System so zu schalten, daß ein anwachsen-
der
Ausgangsstrom vom Verstärker I9, bedingt durch ein Signal unelrwünschter Phase,
das Steuergitter 3I der Röhre 28 stärker negativ macht und so die Größe der in den
Kreis der Empfangsspule 13 eingespeisten Spannung verringert wird.
-
Das zuvor beschriebene System ist im wesentlichen so ausgebildet,
daß jede Reaktionssignalkomponente unterdrückt wird und nur Widerstandskomponenten
durch die Empfangsspule I3 zur Erzeugung eines Signals in den Kopfhörern 20 aufgenommen
werden. Ein System dieser Art ist insbesondere zur Feststellung von leitenden Erzadern
oder anderen leitenden Materialien bestimmt, die von magnetischen Gesteinen oder
Erde umgeben sind, oder kann auch zur Messung der Leitfähigkeit der Erde in der
Nähe des Spulensystems dienen, olive daß Fehler auf Grund der magnetischen Permeabilität
des Erdbodens hineingebracht werden.
-
Ein System dieser Art kann dazu dienen, um eine unerwünschte Slignalkomponente
beliebiger Phase zu unterdrücken. Beispielsweise ergibt salzhaltiges Wasser, das
sich in gewissen Bohrlöchern vorfindet, eine starke Widerstands signalkomponente,
und es kann wünschenswert sein, Erdschichten mwit einer magnetischen Permeabilität,
die unterschiedlich ist von jener des umgebenden Mediums, zu lokalisieren. Man kann
dies durch eine Abänderung der Meßanordnung in der Weise erreichen, daß sie auf
die induktive Komponente des Signals anspricht, während die Widerstandskomponente
unterdrückt wird. Dafür wäre z. B. an Stelle des Widerstandes 33 ein Kondensator
vorzusehen, so daß die unterdrückte Spannung in dem Kreis der Empfangsspule 13 eine
Phasenverschiebung von 900 gegenüber der Reaktionskomponente aufweist, wodurch jegliche
Widerstandskomponente ausgeschaltet wird.
-
Wenn es erwünscht ist, die Amplitude der unerwünschten Signalkomponente
zu messen. so kann die Meßanordnung gemäß Fig. 4 abgeändert werden. Bei dieser abgeänderten.
Ausführung ist die Ausgangsspannung des Var iometerröh renkrei ses 27 einem Signal
feststehender Amplitude und gleicher Phase gleichzusetzen. Gemäß Fig. 4 ist die
Primärwicklung 86 eines Transformators 87 in dem Anodenkreis der Variometerröhre
28 gelegen. Die Sekundärwicklung 88 des Transformators 87 ist durch die Leiter 89
und go mit den Klemmen eines üblichen Meßinstruments, z. B. einem Röhrenvoltmeter
91, verbunden. An den Leiter go ist die Sekundärwicklung 92 eines Transformators
93 angeschlossen, dessen Primärwicklung 94 mit der Zuführungsleitung I6 in Reihe
verbunden ist.
-
Die Transformatoren 87 und 93 sind so ausgebildet, daß die Ausgangsspannung
von dem Anodenkreis der Variometerröhre 28 im wesentlichen durch die Ausgangsspannung
der Sekundärwicklung des Transformators 93 unter entsprechenden Bedingungen unterdrückt
wird. Während sich die Ausgangsspannung der Variometerröhre 28 und diejenige der
Sekundärwicklung 88 des Transformators 87 proportional der unerwünschten Komponente
ändern, bleibt die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 92 des Transformators 93
konstant. Dementsprechend wird das Röhrenvoltmeter 91 fortlaufend derartige Änderungen
registrieren.
-
Auf diese Weise werden für zu untersuchende Körper oder Schichten
charakteristische Widerstandssignale ein Signal in den Kopfh&ern 20 (Fig. 3)
erzeugen, während das Vakuumröhrenvoltmeter 91 Anzeigen über GröRenänderungen des
unerwünschten Reaktionssignals aufzeigen wird, das unterdrückt werden soll. Wenn
das Meßinstrument 91 entsprechend geeicht ist, kann die tatsächlichte Größe der
unterdrückten Signalkomponente gemessen werden.
-
Bei der in Fig. 5 dargestellten Abänderung werden beide, nämlich
die Reaktions- und die Wi derstandssignalkomponenten, die von der Empfangsspule
I3 aufgenommen werden, unterdrückt und Anzeigen über die Gröflenänderungen der unterdrückten
Signalko,mponenten erhalten. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden zwei
Variometerröhrenkreise 27 und 27' der in Fig. + gezeigten Art verwandt. Da die Variometerröhrenkreise
27 und 27' im wesentlichen gleich sind, werden gleiche Teile in den letzteren mit
gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
-
Der Zweck des Variometerröhrenkreises 27 besteht darin. die Reaktionssignalkomponenten
in dem Kreis der Empfangsspule 13 zu unterdrücken.
-
Zu diesem Zweck wird die Steaergitterelekfrode 3I der Pentode 28 durch
eine Spannung erregt, welche in Phase mit den in dem Zuführungsleiter i6 fließenden
Strömen liegt. Diese Spannung kann von einer Klemme des Widerstandes 33 über den
Sperrkondensator 32, wie bei der in Fig. 3 gezeigten Abänderung, entnommen werden.
-
Der Variometerröhrenkreis 27' dient dazu, jegliche von der Empfangsspule
13 aufgenommene Widerstands signalkomponenten zu unterdrücken.
-
Deshalb muß die Steuergitterelektrode 3I' der Pentode 28' durch eine
Spannung erregt werden., die um 900 in der Phase gegenüber dem in der Zuführungsleitung
I6 flließenden Strom verschoben ist. Diese Spannung kann über einen Kondensator
98 a erhalten werden, der in Serie mit dem Leiter I6 liegt, welche Spannung dem
Steuergitter 31' der Pentode 28' über den Sperrkondensator 32' aufgedrückt wird.
Alternativ kann sie auch. von einem Transformator Io6 geliefert werden, der an die
Stelle des Kondensators 98 a tritt, wie es in Fig. 5 a gezeigt ist. Die Speisespannungen
für die Variometerröhrenkreise 27 und 27' kommen von den Phasenselektionsgleichrichterkreisen
6I und 61', die im wesentlichen lidentisch mit dem Phasenselektionsgleichrichterkreis
6-1 gemäß Fig. 3 sind.
-
Da es der Zweck des Variometerröhrenkreises 27' ist, die Widerstandssignalkomponente
zu unterdrücken, muß die Variometerröhre 28' mit Gleichspannung gespeist we!rden,
die eine Funktion der Widerstandssignalkomponente am Ausgang des Verstärkers 19
ist Infolgedessen ist die Steuerelektrode 59' der Pentode 60 mit einer Mischspannung
zu speisen, die die gleiche Phase hat wie
die dem Steuergitter
59 der Röhre 60 aufgedrückte Spannung. H iermdt wird die Ausgangsspannung des Verstärkers
19 kombiniert, welche um go0 in der Phase verschoben ist, bevor sie zur Mischspaniiung
hinzutritt, so daß dieWiderstandskomponente, wenn sie in dem Ausgang des Verstärkers
19 in Erscheinung tritt, entweder in Phase oder außer Phase mit der Mischspannung,
die dem Steuergitter 59' zugeführt wird, liegt. Die Mischspannung kann durch eine
andere Wicklung 56' des Transformators 57 erzeugt werden, welche mit dem Gitter
59' der Röhre 60' in Reihe verbunden ist. Die Gleichspannung für das Steuergitter
59' kann von einem Spannungsteiler mit den Widerständen 80' und 8I' geliefert werden,
welcher in Parallelschaltung mit dem Spannungsteiler mit den Widerständen 80 und
8I verbunden ist.
-
Die Spannung vom Verstärker 19 wird dem Steuergitter 59' der Röhre60'
von der Sekundärwicklung 97 eines Transformators 98 zugefFührt, dessen Primärwicklung
99 mit den Widerständen 53 und 54 in Reihe liegt. Die durch die Sekundärwicklung
97 gelieferte Spannung steht in senkrechter Phasenbeziehung zu dem Ausgangsstrom
des Verstärkers 19 und daher in gleicher Beziehung zu dem Signal von dem Verstärker
I9, welches dem Steuergitter 59 der Röhre 60 zugeführt wird. Der Kondensator 55'
dient zur umleitung von Wechselströmen an den Widerständen 80' und 8I' zur Erde.
-
Für die richtige Arbeit des Voltmeters 91' ist ein Widerstand 107
in den Anodenkreis der Variometerröhre 28' eingeschaltet, der über einen Blockkondensator
Io8 eine Spannung liefert, die mit der Ausgangsspannung des Transformators 93' kombiniert
und dem Voltmeter gr' zugeführt wird.
-
Wenn die Meßanordnung gemäß Fig. 5 zu Beginn so eingestellt wird,
wie es in Verbindung mit der Fig. 3 beschrieben wurde, werden beide von der Empfangsspule
13 aufgenommenen Widerstands-und Reaktionssignalkomponenten im wesentlichen unterdrückt,
mit Ausnahme der geringen Signale, die zur Betätirgung der Variometerröhren 28 und
28' benötigt werden, so daß weder Widerstandsnoch Reaktionssignalkomponenten, die
nach der anfänglichen Einstellung auftreten, einen Ton in den Kopfhörern 20 erzeugen
werden. Jedoch werden Änderungen in der Größe der beiden Komponenten, die unterdrückt
werden, fortlaufend durch die Vakuumröhrenvoltmeter 91 und 9t' angezeigt.
-
Durch eine geeignete Eichung der Voltmeter 91 und 9I' können die absoluten
Werte der Signalkomponenten erhalten werden.
-
Während die zuvor beschriebenen Phasenselektionssysteme in erster
Linie zur Feststellung von geologischen Formationen und Metall adern bestimmt sind,
können sie leicht auch für viele andere Zwecke verwandt werden. Zum Beispiel ist
das in Fig. 5 dargestellte System insbesondere für die Feststellung fehlerhafter
Gegenstände, z. B. der Risse in Kugeln aus magnetischem Material, geeignet. Wenn
das Spulensystem IO in die Nähe einer solchen Kugel gebracht wird, würden die durch
die Voltmeter 91 und gI' gemessenen Reaktions- und Widerstandskomponenten., oder
auch nur eine von diesen, in ihren Werten von denjenigen abweichen, die von einer
fehlerfreien Kugel erhalten wurden.
-
Die in Fig. 3 gezeigten. Schaltungen sind für drie Untersuchung verhältnismäßig
flacher Löcher nutzteringenxl anzuwenden, bei denen die Leiter nur eine mäßige Länge
zu besitzen brauchen.. Bei tieferen Löchern wäre die in Fig. 3 dargestellte Ausrüstung
in ein wasserdichtes Gehäuse einzusciließen und in das Bohrloch hinabzulassen. Hiervon
wären. die Kopfhörer 20 und die Kraftquel.leneinheit40 auszunehmen. Die Leitungen
vom Ausgang der Kraftquelle und jene von den Kopfhörern 20 zu dem Verstärker 19
können in einem Mehrfachkabel liegen, das von der Erdoberfläche zu der Ausrüstung
im Bohrloch läuft. Geeignete Spulensysteme für Untersuchungen in Bohrlöcher sind
allgemein bekannt und brauchen. hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Falls
erwün.scht, kann der Ausgangsstrom des Verstärkers I9 in geeigneter Weise gleichgerichtet
und ein entspreohendes Gleichstromsignal an. die Erdoberfläche zur Messung oder
Registrierung gesandt werden..
-
Bei einem anderen Verfahren zur Untersuchung eines Bohrlochs kann
die in Fig. 5 beschriebene Ausrüstung verwandt werden. Die Ablesungen des einen
der Anzeigegeräte 91 und 9I' oder auch beider können gleichzeitig und fortlaufend
erfolgen, wie das Spulensystem 10 längs dem Bohrloch bewegt wird. Wenn erwünscht,
können auch Registriergeräte benutzt werden. Das Meßinstrument 91 ergibt Anzeigen
über Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit der das Bohrloch umgebenden Erdschichten,
während das Meßinstrument 9I' die relativen magnetischen Eigenschaften der Schichten
in verschiedenen Tiefen anzeigt.
-
Wenn flache Löcher untersucht werden sollen., kann sich die gesamte
Ausrüstung mit Ausnahme des Spulensystems IO an der Erdoberfläche befinden.
-
Wenn tiefere Bohrlöcher zu untersuchen sind, so ist die Ausrüstung
mit Ausnahme der Ausgangsskalen der Röhrenvoltmeter 91 und 9I' und der Kraftquelle,
die entweder eine Gleichstrombatterie oder ein Wechselstromgleichrichter sein kann.,
in das Bohrloch hinabzusenken.
-
Bei der Erforschung von Erzadern gemäß der Erfindung ist die Wahl,
ob das Widerstands- oder das induktive Signal ausgenutzt werden soll oder nicht,
von den relativen Widerstands- un.d. Reaktionseigenschaften der festzustellenden
Ader und dem Medium abhängig, in das sie eingebettet ist.
-
Im Falle von Massen, die eine hohe Leiltfáhigkeit besitzen., z. B.
bei Kupferverbindungen un.d Ma.-gnetkies, die in. wenig leitender Umgebung eingebettet
sind, wird es im allgemeinen wünschenswert sein, die induktive Komponente zurückzudrängen
und sich auf die Widerstandskomponente zu stützen. Indes ist in einem solchen Fall
die Frequenz miedfig genug zu wählen, um sicherzustellen, daß das Verhältnis zwischen
dem der festzustellenden Ader entsprechenden Widerstand.ssignal und dem der umgebenden
Schicht entsprechenden
Widerstandssignal so groß wie möglich ist.
Es läßt sich nachweisen, daß dieses Verhältnis so lange befriedigend sein wird,
wie die Frequenz eine derartige ist, daß die induktive Reaktanz der zu erforscbenden
Ader kleiner ist als ihr Widerstand.
-
Wo es hingegen erwünscht ist, eine leitende Ader in einer mäßig leitenden,
im wesentlichen nicht magnetischen Flüssigkeit, wie Meerwasser beispielsweise, zu
erforschen, wird es im allgemeinen wünschenswert sein, die Widerstandskomponente
zu unterdrücken und sich auf das induktive Signal zu stützen. In diesem Fall sollte
vorzugsweise die Frequenz von einer Größenordnung sein, daß die induktive Reaktanz
der stark leitenden Ade!r größer a.ls ihr Widerstand wird.
-
Wenn die zu untersuchende Ader eine große Leitfähigkeit besitzt und
in einem Medium eingebettet liegt, das mäßig leitet und gleichzeitig magnetisch
ist, wie z. B. magnetischer Sand, so kann für die Messung entsreder die induktive
oder die Widerstandskomponente verwendet werden, was davon abhängt, welche günstigere
Arbeitsbedingungen ergibt, wobei hier an den relativen Widerstand und die Reaktionseigenschaften
der zu erforschenden Ader und des Mediums gedacht ist. Wenn im allgemeinen bei einer
Frequenz, bei der die induktive Reaktanz und der Widerstand der Ader gleich sind,
die Widerstandskomponente des unerwünschten Signals, bedingt durch das Medium, geringer
ist als die induktive Komponente des unerwünschten Signals, wird es gewöhnlich erwünscht
sein, auf die Widerstandskomponente zurückzugreifen und in einem Frequenzbereich
zu arbeiten, der die ininduktive Reaktanz der Ader niedriger macht als ihren Widerstand.
Wenn auf der anderen Seite die Widerstandskomponente des Bodensignals größer ist
als seine induktive Komponente, wird es gewöhnlich vorzuziehen sein, die induktive
Komponente auszunutzen und mit einer Frequenz zu arbeiten, welche die induktive
Reaktanz der Ader größer macht als ihren Widerstand.
-
Es ist einleuchtend, daß die zuvor beschriebenen speziellen Kreise
im Rahmen der Erfindung ganz wesentliche Abänderungen erfahren können. So kann an
Stelle eines Transformators 46 in dem Variometerröhrenkreis 27 ein Anodenwiderstand
IOO verwandt werden, um eine Ausgangsspannung zu entwickeln, welche über einen Blockkondensator
101 und einen Widerstand 102 einem Kondensator 103 zugeführt wird, der in Reihe
mit dem Kreis der Empfangsspule I3 liegt, wie es in Fig. 6 gezeigt ist Die gleiche
Wirkung kann dadurch erhalten werden, daß der Kondensator 103 durch einen. Widerstand
104 ersetzt und ein Kondensator 105 für den Widerstand 33 der Fig. 6 eingeführt
wird, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Auch andere äquivalente Kreise sind hier anwendbar,
wie sie jedem Fachmann. geläufig sind.
-
Es dürfte weiterhin. einleuchtend sein. daß die in den obenerwähnten
Abänderungen des ersten Ausführun.gsbeispieles verwendeten Kreise zur Erregung der
Variometerröhre und zur Kopplung ihres Ausganges innerhalb des Empfangsspulenkreises
weseufliche Abänderungen innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung erfahren
können. Wenn z. B. eine Reaktionskomponente zu kompensieren ist (vgl. Fig. 3, deren
Abänderung), kann die Variometerröhre durch eine Wechselstrompoteutialdifferenz
erregt werden, die einem Kondensator im Sendekreis entnommen wird, oder über einen
Transformator, dessen Primärwicklung im Sendekreis liegt und dessen Sekundärwicklung
eine Eingangsspannung an das Gitter der Variometerröhre liefert. In jedem Fall ist
der Ausgang der Variometerröhre im Kreis der Empfangsspule mittels einer Widerstandsschaltung
zu koppeln. so daß eine Reaktionskomponente zu dem Kreis der Empfangsspule gespeist
wird. Durch geeignete Wahl der Erregung und der Ausgangskopplung für die Variometerröhre
kann eine Ausgangsspannung von erwünschter Phase leicht hergestellt werden.
-
Darüber hinaus ist der erwähnte Gleichrichter lediglich als ein Beispiel
für ein typisches Phasenselektionsgleichrichtersystem anzusehen, das für den Zweck
geeignet ist Wenn es gewünscht wird, können auch andere Arten von phasenempfindlichen
Gleichrichtersystemen verwandt werden.
-
Die andere Ausführungsforrn der Erfindung, bei der die Phasenselektion
nicht durch Unterdrückung der unerwünschten Phase mittels einer Hilfsschwingung
wie bei der ersten Ausführungsform, sondern durch Benutzung der Hilfsschwingung
um sie zu der gewünschten Phase hinzuzufügen, ga schicht, soll jetzt näher beschrieben
werden. In Rig. 8 ist eine Vierklemmenschaltung gezeigt, die eine Meßbrücke mit
einer Primär- oder Sendespule I26 und einer Sekundär- oder Empfangsspule 112 aufweist.
In dieser Brückenschaltung sind die beiden Spulen I26 und 112 rechtwinklig zueinander
in der gleichen Weise wie bei der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Brückenanordnung
angeordnet, so daß normal keine Spannung in der Empfangsspule II2 induziert wird.
-
Die Sendespule 126 wird von einem Oszillator 121 erregt, während
der Sendekreis durch einen Kondensator 115 abgestimmt wird. Die Empfangsspule 112
ist mit einem Verstärker 119 verbunden, dessen Ausgangsspannung durch einen Gleichrichter
I20 gleichgerichtet wird. Der Ausgang des Gleichrichters 120 ist über eine Batterie
124 an einen Spannungsmesser I25 angelegt. Der Ausgangsstrom des Gleichrichters
I20 fließt über eine übliche Widerstandskapazitätsanordnung bzw. Verzögerungskette,
welche beispielsweise Widerstände 116 und 117 und einen im Neben schluß liegenden
Kondensator 118 aufweisen kann. Hinter dieser Anordnung wird die Gleichspannung
dem Steuergitter einer Variometerröhre II3 zugeführt, welche beispielsweise von
der um Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 7 beschriebenen Art sein kann. Das Steuergittelr
der Röhre II3 wird auch durch die Wechselspannung erregt, welche vom Kondensator
115 her kommt, während der Gleichstrom durch den Kondensator 114 blockiert wird.
Die übrigen Teile der Gleich-
stromverbindungen zur Röhre 1 13
sind die üblichen.
-
Die Anode der Röhre II3 ist über einen Blockkondensator I22 mit der
Primärwicklung eines Transformators 123 verbunden, dessen Sekundärwicklung zwischen
dem einen Ende der Spule 112 und dem Verstärker 119 liegt.
-
Bei der Erläuterung der Wirkungsweise dieses Phasen se lektionskrei
ses ist davon ausgegangen worden, daß die induktive Komponente des Ausgangssignals
gemessen und die Widerstandskomponente unterdrückt werden soll.
-
Im Betrieb speist der Oszillator 121 die Selllde spule I26, wobei
der Kreis durch den Kondensator II5 abgestimmt wird. Die über den Kondensator II5
fließende Wechselspannung wird über den Blockkondensator 114 an das Steuergitter
der Röhre II3 angelegt. Die Ausgangsspannung der Röhre 113 wird so in Übereinstimmung
mit der Wechselspannung am Kondensator 115 geändert.
-
Die Gleichspannung am Steuergitter reguliert die Verstärkung der Röhre.
Die Variometerröhre II3 liefert daher stets einen Wechselstrom, der über einen Blockkondensator
122 und den Transformator I23 zum Eingang des Verstärkers 119 gelangt. Die Reaktanz
des Kondensators I22 ist so klein, daß sie vernachlässigbar ist. Die Eigenimpedanz
der Primärwicklung des Transformators 123 ist im Vergleich zum Widerstand des Kathoden
-Anode n-Kreises der Röhre II2 ebenfalls klein, wohingegen die Eingangsimpedanz
des Verstärkers 119 im Vergleich zu den Impedanzen in seinem Eingangskreis groß
ist. Auf diese Weise ist die Phase der an den Eingang des Verstärkers angelegten
Spannung um go0 gegenüber dem in dem Sender fließenden Strom verschoben.
-
In diesem Zusammenhang sei darauf hin.-gewesen, daß die Phase der
an den Verstärker 119 von der Röhre 113 her angelegten Spannung eine Phase,nverschi
ebung von 2700 aufweisen. könnte, wenn die Verbindungen an. der Eingangsseite des
Transformators 123 umgepolt würden. Es wurde jedoch festgestellt, daß dann ein permanentes
Signal zur induktiven Komponente des Ausgangssignals hinzugefügt werden mußte, weshalb
zur Veranschaulichung eine Phasenverschiebung von go0 gewählt wurde.
-
Die Wirkung der Röhre 113 besteht also darin, eine induktive Komponente
der Signa.lspannung in den Empfangskreis einzuführen, wobei die Größe dieses zusätzlichen
Signals durch die Cleichspannung an dem Steuergitter überwacht wird. Die Wirkung
dieser Variometerröhre ist somit eine ähnliche wie diejenige der in dem Zusammenhang
mit den Fig. 3 bis 7 zuvor beschriebenen Variob meter röhren.
-
Die Achse der Sendespule 126 steht senkrecht zur Achse der Empfangsspule
II2, so daß normal keine elektromotorische Kraft in der Empfangsspule II2 als Ergebnis
eines in der Sendespule I26 fließenden Stromes induziert wird. Wenn zu dieser Zeit
keine äußeren Einflüsse auf die Impedanzmeßbrücke erfolgen, so ist die einzige am
Eingang des Verstärkers 119 auftretende Spannung die induktive Komponente, die auf
die Kopplung der Varioe meterröhre 112 im Eingangskreis des Verstärkers 119 zurückzuführen
ist. Der Verstärker 119 ist nun so eingestellt, daß nur ein kleiner Teil dieser
starken dauernden induktiven Komponente hindurchtreten wird. Wie bereits in den
Fig. ID und IE veran schau licht wurde, wird diesem verhältuismäßiig starken induktiven
Dauersignal vom Transformator I23 ein zusätzliches induktives Signal von der Empfangsspule
1 12 hinzugefügt. Der Ausgangsstrom des Verstärkers 119 wird sich somit in Abhängigkeit
voll dem induktiven Signal aus der Spule 112 ändern. Indes wenn der Ausgang der
Spule 112 auch ein unerwünschtes Widerstandssignal enthält, das natürlich in seiner
Größe im Verhältnis zum Dauersignal klein sein dürfte und um go0 in der Phase verschoben
ist, so wird dieses Widerstandssignal einen so geringen Wert zum Dauersiignaleingang
am Verstärker 119 hinzufügen, daß sich der Ausgahgsstrom des Verstärkers nur unbeachtlich
mit der unerwünschten Widerstandskomponente ändert.
-
Im praktischen Gebrauch wird die Spulenanordnung über die Oberfläche
der zu untersuchenden Gegend geführt. Hierbei soll angenommen werden, daß magnetische
Gegenstände festgestellt werden sollen, welche eine starke induktive Spannung in
der Empfangsspule II2 erzeugen. Bei der Untersuchung von Abfällen ist es häufig
erwünscht, magnetische Gegenstände, wie z. B. Nägel, ausfindig zu machen. In diesem
Fall würde das Spulensystem an den Abfällen vorbeigeführt, und die Bedienungsperson
hätte die Anzeigen am Meßinstrument I25 zu beobachten.
-
Das Meßinstrument wird durch einen geeigneten Spannungskreis I24
auf den Nullpunkt eingestellt Wenn z. B. ein metallischer Gegenstand entdeckt wird
oder ein Signal in der Empfangsspule 112 infolge eines Stromflusses in der Sendespule
126 induziert wird, so erfährt die Eingangsspannung am Verstärker 119 eine Änderung.
Aus Gründen der Erläuterung sei angenommen, daß das durch die Fes ts teilung des
metallischen Gegenstandes erzeugte Signal in Phase mit dem Dauersignal liegt, das
durch die Röhre II3 erzeugt wird. Demgemäß steigt die Eingangsspannung am Verstärker
119 plötzlich an, und auch derAusgangsstrom des Gleichrichters I20 erhöht sich.
Wenn aber der Ausgangsstrom des Gleichrichters 120 infolge des durch den metallischen
Gegenstand erzeugten Signals ansteigt, so ist ein entsprechender Ausschlag an dem
Meßinstrument I25 festzustellen. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters I20 wird
über die Verzögerungskette zu dem Steuergitter der Röhre II3 weitergeleitet, so
daß die Gleichspannung an dem Steuergitter entsprechend stärker negativ wird, wodurch
wiederum die Verstärkung der Röhre II3 herabgemindert und so die Stärke des in den
Verstärkerkreis IIg eingeführten induktiven Signals verringert wird. Diese Wirkung
setzt sich so lange fort, bis die resultierende Signalstärke etwa gleich ist dem
ursprünglichen Dauersignal und der Zeiger des Meßinstruments qn seine Ursprungslage
zurückgeht.
-
Die Wirkung der Ve.rzögerungskette geht absichtlich langsam vor sich
und kann einige Sekunden erfordern, um die ursprüngliche Ausgangslage wieder zu
erreichen. Die Zeitspanne dient dazu, Zeit zu gewinnen, um die durch den metallischen
Gegenstand erzeugten Signale beobachten zu können.
-
Gewöhnlich werden die Spulen 126 und II2 parallel über die Erdoberfläche
geführt, so da, wenn sie über einen metallischen Gegenstand hinweggehen, ein plötzliches
Signal erzeugt wird. Auf der anderen Seite vollziehen sich die Ausschläge gewöhnlich
allmählich, und die langsame Wiederherstellung des Gleichgewichts der Anordnung
ist ausreichend, um diese Ausschläge ohne Erzeugung eines festzustellenden Signals
auszugleichen.