DE4000018A1

DE4000018A1 - Sensorsysteme mit starrem verbund von rechteckigen sender- und empfaengerspulen zur durchfuehrung elektromagnetischer sondierungen

Info

Publication number: DE4000018A1
Application number: DE4000018A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Dr Sengpiel
Original assignee: SENGPIEL KLAUS PETER DR
Current assignee: SENGPIEL KLAUS PETER DR
Priority date: 1990-01-02
Filing date: 1990-01-02
Publication date: 1990-11-08
Anticipated expiration: 2010-01-03
Also published as: DE4000018C2

Description

In einem leitfähigen Körper kann man mittels eines (primären) elektromagnetischen Wechselfeldes Stromwirbel erzeugen. Diese Stromwirbel sind von einem (sekundären) elektromagnetischen Wechselfeld umgeben, das den Körper und seinen Außenraum durchsetzt. Aus der gemessenen Amplitude und Phase des Sekundärfeldes kann man angenähert die Verteilung der Leitfähigkeit im Körper bestimmen.

Die Messung des Sekundärfeldes in der Nähe des Senders bereitet im allgemeinen Schwierigkeiten, da es von dem meist sehr viel stärkeren Primärfeld des Senders überlagert wird. Andererseits haben Meßsysteme mit geringen Sender-Empfängerabständen besondere Vorteile:

- das Meßsignal kommt im wesentlichen aus der näheren Umgebung des Sondierungspunktes,
- durch Verwendung verschiedener Frequenzen kann man den Schwerpunkt des induzierten Stromsystems in verschiedene Tiefen legen, d. h. man kann - etwa einer Bohrung vergleichbar - eine "Elektromagnetische Sondierung (EMS)" zur Bestimmung der Leitfähigkeitsverteilung unter dem Sondierungspunkt vornehmen,
- der Weg vom Sender zum Zentrum des Stromsystems und von dort zum Empfänger ist besonders kurz und daher die Abschwächung der Felder mit der Entfernung besonders klein,
- laterale Leitfähigkeitsänderungen werden mit wesentlich höherer räumlicher Auflösung erfaßt als bei weiten Entfernungen zwischen Sender und Empfänger.

Ein Nachteil kurzer Sender-Empfänger-Abstände kann eine (auch bei niedrigen Frequenzen) recht geringe Erkundungstiefe sein. Diesen Nachteil kann man jedoch durch eine erfindungsgemäße Maßnahme weitgehend beseitigen.

Zur Abtrennung des primären Senderfeldes H _P vom gemessenen Gesamtfeld benötigt man die genaue Kenntnis von H _P. Diese Kenntnis kann man durch numerische Rechnungen (z. B. durch Addition der Wirkungen jedes Leiterelements des Senders) erhalten. Zusätzlich benötigt man eine Vorrichtung für eine wiederholbare Kalibrierung; sie dient zur Kontrolle der Konstanz der Ausgangsbedingungen.

Für die Bestimmung des induzierten Sekundärfeldes benötigt man im allgemeinen vier Spulen für die folgenden Funktionen:

Senderspule:
Erzeugt ein möglichst kräftiges primäres Magnetfeld
Empfängerspule:	Verwandelt das Gesamtfeld in einen elektrischen Strom
Kompensationsspule:	Erzeugt eine Gegenspannung, die dem Primärfeld proportional ist und die der Empfängerspule aufgeschaltet wird
Eichspule:	Erzeugt mit Anregung durch das Primärfeld ein genau bekanntes, komplexes Sekundärfeld

Die einfache oder mehrfache Kombination dieser vier Spulen wird im folgenden das Sensorsystem genannt.

Die zuvor genannte Konstanz der Ausgangsbedingungen kann man durch einen sehr starren und temperaturinvarianten Verbund aller Spulen untereinander maximieren. Der starre Verbund bringt auch Vorteile für die Handhabung eines solchen Sensorsystems mit sich:

- man kann diese Sensorsysteme leicht über die Körper- bzw. Erdoberfläche bewegen,
- man kann die Orientierung der Spulenanordnung relativ zur Körper- bzw. Erdoberfläche leicht verändern.

Elektromagnetische Meßsysteme mit starrem Spulenverbund sind derzeit nur in zwei Varianten für geophysikalische Messungen realisiert:

(1) Für Messungen am Erdboden, wobei nur die 90°-Phase Q (oder der out-of-phase-Anteil) des Sekundärfelds bestimmt und daraus die Leitfähigkeit des Untergrundes näherungsweise ermittelt wird (Geräte der Fa. Geonics, Mississauga, Kanada). Die 0°-Phase R (Inphase-Komponente) wird nicht gemessen bzw. verwendet.
(2) Für Flugvermessungen, wobei Sender und Empfänger im Abstand von 6-8 m an der Wandung einer Röhre aus Verbundwerkstoff von ca. 0,5 m Durchmesser befestigt sind.

Die Variante (1) hat nicht nur den Nachteil einer geringen Erkundungstiefe von weniger als 10 m: Da nur die Q-Komponente bestimmt wird, kann prinzipiell nur die Leitfähigkeit in einer nicht bekannten Tiefe und nicht eine Leitfähigkeits- Tiefenfunktion ermittelt werden, d. h. eine elektromagnetische Sondierung (EMS) ist nicht möglich.

Bei der Variante (2) werden Amplitude und Phase des Sekundärfeldes bzw. 0°-Phase R und 90°-Phase Q gemessen, und zwar in Höhen von 30 bis 40 m über der Erdoberfläche. Damit läßt sich eine EMS ausführen. Die etwa 250 kg schwere Flugsonde wird von Hubschraubern mit einer Geschwindigkeit zwischen 80 und 140 km/h nachgeschleppt. Aufnehmen und Absetzen der Flugsonde bei Start und Landung erfolgen bei der Vorwärtsgeschwindigkeit Null, d. h. im Schwebeflug. Für Flächenflugzeuge gibt es keine EM-Flugsonden; neben der Schwierigkeit, eine solche Flugsonde bei Start und Landung fest am Flugzeugrumpf anzukoppeln, liegt die Obergrenze der Meßgeschwindigkeit für die zur Zeit verfügbaren Ausführungen der Sonde bei etwa 140 km/h. Höhere Geschwindigkeiten führen zu mechanisch bedingtem, hohem Rauschpegel in der R-Komponente.

Auch die gebräuchlichen Ausführungen der Flugsonden für Hubschrauber weisen noch eine Reihe von Schwächen auf:

- Das Dipolmoment der kreisförmigen Sendespulen ist wegen ihres geringen Durchmessers (begrenzt durch die Abmessungen der Kunststoffröhre) zu klein und daher das Sekundärfeld gegenüber externen Störsignalen zu schwach, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Dies begrenzt die Erkundungstiefe auf derzeit etwa 60 bis 120 m (abhängig von der Leitfähigkeitsverteilung im Untergrund).
- Die thermische und mechanische Stabilität des Spulenverbundes ist unbefriedigend. Damit ist auch die erforderliche Konstanz des Primärfeldes am Ort der Empfängerspule nicht gegeben.
- Für eine EMS werden Multifrequenz-Systeme benötigt. Bei den derzeit bekannten Systemen wird für jede Meßfrequenz je eine auf stabilen Holzrahmen befestigte Sender- und Empfängerspule verwendet, so daß bereits ab drei Frequenzen Gewichts- und Platzprobleme entstehen.
- Eine Eichung der Meßsysteme mit dem Ziel, das Sekundärfeld als Bruchteil (z. B. in ppm) des Primärfeldes am Ort des Empfängers anzugeben, kann derzeit nur mit externen Eichspülen und am Erdboden durchgeführt werden. Über leitendem Untergrund werden die Phaseneinstellung und die Eichung jedoch verfälscht. Dieses Problem entfiele, falls die Eichung während des Fluges in großer Höhe durchgeführt werden könnte.
- Die Röhre aus Verbundwerkstoff gestattet nur einen sehr beschränkten Zugriff zu den im Innern angebrachten Spulen und der Elektronik. Um die Festigkeit der Röhre nicht zu beeinträchtigen, können nur kleine Öffnungen in ihrer Wandung angelegt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Sensorsysteme mit starrem Spulenverbund zu schaffen, mit welchen sich eine elektromagnetische Sondierung (EMS) zur Ermittlung der Leitfähigkeitsverteilung in einem dreidimensionalen Körper durchführen läßt, welche nicht die oben beschriebenen Nachteile haben, die einfacher herzustellen und zu handhaben sind, und die für verschiedene Anwendungen (z. B. in der Grundwasser- und Lagerstättenexploration, der Baugrunduntersuchung, der Archäologie, der Materialprüfung, der Medizin) ausgestaltet werden können.

Die vorstehende Aufgabe wird für die Sensorsysteme erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Somit ist das Sensorsystem für elektromagnetische Sondierungen erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für die Spulensysteme aus zwei oder mehreren T-förmig miteinander verbundenen Platten aus hochfestem Verbundfaserstoff besteht, daß auf der freien Seite der einen Platte (Trägerplatte) sämtliche Spulen des Sensorsystems, d. h. Sender-, Empfänger-, Kompensations- und Eichspulen in einer Ebene fest angebracht und in das Material der Trägerplatte eingebettet sind, daß weiter sämtliche Spulen rechteckige Windungsflächen haben, wobei insbesondere das Verhältnis Länge zu Breite der Senderspulen und die Abstände zwischen Sender- und Empfängerspulen derart gewählt sind, daß im Bereich der Empfängerspulen die Linien gleicher Feldstärke des primären Magnetfelds annähernd gerade sind (die senkrecht auf der Längsachse des Systems stehen), daß weiter die internen Eichspulen genau bekannte Sekundärfelder (sowohl rein imaginär [R=0] als auch Q=R) erzeugen, daß für die Ausgestaltung als Mehrfrequenz-System sämtliche Spulen für die einzelnen Frequenzgruppen ineinander geschachtelt sind, daß weiter die Dimensionen des Sensorsystems und seine Lage im Raum auf die jeweiligen Anwendungen angepaßt werden und schließlich, daß die Erkundungstiefe der Sondierungen durch die Höhe des Sensorsystems über der Körperoberfläche variiert werden kann, wofür erfindungsgemäß besondere Hebevorrichtungen aus nichtleitendem Material vorgesehen sind.

Das Sensorsystem mit den Merkmalen der Erfindung erlaubt eine genaue Abtrennung von primärem und sekundärem Feld am Empfänger, hat ein gegenüber kreisförmigen Sendespulen wesentlich vergrößertes induzierendes Moment ("Dipolmoment"), vereinfacht wegen des kurzen Sender/Empfängerabstandes den mathematischen Aufwand bei der Inversion der Meßdaten in Sondierungsergebnisse (Leitfähigkeits/Tiefen-Funktion) und erlaubt insbesondere die Herstellung von Geräten, die von der Erdoberfläche aus und im Bohrloch eingesetzt werden können und die nicht die eingangs unter (1) beschriebenen Nachteile haben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht des Sensorsystem-Trägers (1) gemäß der Erfindung in Form der T-förmig verbundenen hochfesten Platten (2) und (3) in der Ausgestaltung und Dimensionierung als Flugkörper, der von Hubschraubern oder Flächenflugzeugen nachgeschleppt wird.

Fig. 2 eine schematische Detailansicht von Vorder- und Rückteil des Flugkörpers (1) gemäß Fig. 1 mit der unter der Trägerplatte (2) anschließenden Spulenträger- Ebene (4). Die Abrundung (E) der Stabilisatorplatte (3) am Vorderteil dient zur Vermeidung eines unerwünschten aerodynamischen Auftriebs bei der Flugausführung.

Fig. 3 schematisch die Unterseite der Spulenträger-Ebene (4) nach Entfernung einer Abdeckplatte und die erfindungsgemäße Anordnung der Rechteckspulen für Sender (6), Empfägner (7) und für die Kompensation der vom Primärfeld in den Empfängerspulen induzierten Spannung (8) sowie die Eichspulen (9). Sämtliche Spulensysteme sind für drei Frequenzgruppen, f₁ (hohe Frequenzen), f₃ (mittlere Frequenzen), f₅ (niedrige Frequenzen), dargestellt, Dimensionen gelten für die Flugausführung.

Fig. 4 schematisch das von einer vom Strom I (A) durchflossenen rechteckigen Senderspule mit N Windungen erzeugte primäre Magnetfeld H _P senkrecht zur Zeichenebene (= Spulenebene) außerhalb und innerhalb der Spule in A/m, in Form von Linien gleicher Feldstärke und von Einzelwerten; gemäß der Erfindung ist das Primärfeld im Bereich der Empfängerspulen bereits sehr schwach und variiert (fast) nur noch in x-Richtung.

Fig. 5 schematisch die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung elektromagnetischer Sondierungen von der Erdoberfläche aus. Hier werden Sensorsysteme mit den Merkmalen der Fig. 1 bis 4, jedoch ohne die aerodynamisch bedingte Abrundung (Fig. 1 und Fig. 2) und mit verkleinerten Dimensionen benutzt. Gemäß der Erfindung werden die Sensorsysteme in einer bestimmten Höhe entweder

(A) mit den Spulenebenen parallel zur Erdoberfläche bewegt oder
(B) mit den Spulenebenen senkrecht zur Erdoberfläche bewegt, wobei im Fall (B) das Sensorsystem auch noch um die vertikale Achse (mit Hilfe der Schnüre 15) gedreht werden kann, je nach Anwendungszweck.

Der T-förmige Verbund der Platten (2) und (3) in Fig. 1 erhöht die Biegesteifigkeit der Platte (2) und liefert damit die Grundlage für einen starren Verbund der Spulentypen (6) bis (9). In der Flugversion übernimmt außerdem die Platte (3) die Funktion einer "Rückenflosse" und wirkt stabilisierend gegen seitliche Bewegungen des gesamten Flugkörpers.

Die Befestigung der Spulen ist auf der Unterseite der Trägerplatte (2) in der sogenannten Spulenträger-Ebene (4) (siehe Fig. 1, 2 und 3) vorgesehen, die - je nach Spulendicke - etwa 1 bis 3 cm dick ist. Dieser Bereich wird durch eine entsprechend starke Unterseite der Trägerplatte (2) gebildet, in welchem geradlinige Einfräsungen den Raum zur Aufnahme der rechteckigen Spulen gemäß Fig. 3 liefern.

Die Spulenwicklung erfolgt derart, daß insbesondere die Sendespulen (6) eine geringe Selbstinduktion L aufweisen. Die sich gegenüberliegenden Schmalseiten von Sende- und Empfängerspulen müssen besonders gut befestigt sein. An den Ecken der jeweils abgewandten Schmalseiten dieser Spulen können Auflagen aus elastischem Material zum Ausgleich von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Platte und Spulendraht eingefügt werden.

Statt entlang der Ausfräsungen können die Spulen auch über starke Kunststoff-Stifte im Bereich der Ebene (4) gewickelt werden. Diese Stifte werden bei der Herstellung der Platte (2) in diese eingelassen.

Bei den bisher bekannten Ausführungen von EM-Systemen mit starrem Spulenverbund müssen in den zylindrischen Trägerkörper noch stabile Halterungen aus Holz (Schlitten) für die auf Sperrholzrahmen aufgewickelten Spulen eingebracht werden. Schlitten und Rahmen bedingen ein hohes Gewicht und lassen kaum eine Vergrößerung des Querschnitts des Tubus zu. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Trägerplatte (2) und den geschilderten Befestigungsarten im Bereich der Ebene (4) wird demgegenüber Gewicht eingespart. Dadurch kann z. B. die Breite des Flugkörpers von 50 cm auf 80 cm vergrößert werden. Dies erlaubt eine Verkürzung des Flugkörpers von etwa 9 m auf etwa 5,80 m. Damit würde der erfindungsgemäße Flugkörper in einen 20-ft-Container passen.

Trotz der Verkürzung des Sensorsystems lassen sich durch die erfindungsgemäße Verwendung von rechteckigen Spulen die vorhandenen Räume besser ausnutzen, d. h. die Spulenflächen vergrößern, und damit das Nutzsignal wesentlich erhöhen.

Das von einer Spule erzeugte elektromagnetische Feld ist - in hinreichender Entfernung - bekanntlich ihrem Dipolmoment M proportional:

M = C · F
C = I · N/(4 π)

mit
F = Windungsfläche der (Sende-)Spule
I = Strom in der Spule
N = Anzahl der Windungen.

Man kann zeigen, daß das von der rechteckigen Senderspule im Abstand 3d (d = Diagonale der Spule) erzeugte Feld praktisch dem eines Dipols entspricht.

Die bisher bekannte Flugsonde hat kreisförmige Sender- und Empfängerspulen mit einem Radius von 0,225 m, und damit einer Fläche F₀ = 0,159 m². Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Flugsonde mit einer Rechteckspule von 3 m×0,8 m für den Sender ist F _S = 2,4 m² und von 1 m×0,8 m für den Empfänger ist F _E = 0,8 m². Der Sender erzeugt also - bei gleichem Wert C - ein 15,06fach größeres Primärfeld und damit auch ein 15,06mal größeres Sekundärfeld H _S. Damit ergibt sich gegenüber externen Störsignalen, z. B. von Hochspannungsleitungen oder von "sferics", ein um den Faktor 15 größeres Nutzsignal. Die Vergrößerung der Empfängerspule führt zu einem gegenüber der Kreisspule um den Faktor 5,03 erhöhten Fluß des Sekundärfeldes (aber auch des Primärfeldes). Insgesamt bewirkt allein die Vergrößerung der Spulenflächen eine um den Faktor

15,06 × 5,03 = 75,92

erhöhte Signalspannung im Empfänger gegenüber der bisher bekannten Version. Man kommt daher erfindungsgemäß mit einer viel geringeren Verstärkung des Empfängersignals aus als bisher.

Die Güte eines EM-Meßsystems wird durch das erreichbare Signal/Rausch-Verhältnis bestimmt. In unserem Fall wird - neben den externen Quellen - das Rauschen durch veränderlichen Fluß des Primärfeldes durch die Empfängerspule erzeugt. Das Primärfeld H _P einer Kreisspule am Ort eines koplanaren Empfängers im Abstand s ist:

H _P = M/s³.

Das Sekundärfeld für vertikale Dipole (erzeugt durch beliebige horizontale Spulen) kann man folgendermaßen ansetzen:

H _S = 2 M · R₀ ,

wobei R₀ ein "response"-Faktor für einen bestimmten Untergrund darstellt, der für kleine s, d. h. starrem Spulenverbund, etwa unabhängig von s ist.

Für kreisförmige Sender- und Empfängerspulen ist

H _S/H _P = 2 R₀s³,

d. h. ein günstiges Signal/Rauschverhältnis erhält man durch einen möglichst großen Abstand s, dem allerdings durch das Gewicht und die mechanische Festigkeit des Spulenträgers Grenzen gesetzt sind. Zur Zeit sind für EM-Flugsonden Abstände s von 6,32 m und 8 m realisiert.

Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Senderspulen in Rechteckform liegen die Verhältnisse insofern anders, als man - bei festgehaltener Breite b der Sendespule (z. B. 0,8 m) und der Position der Empfängerspule - die Länge a der Sendespule so wählen kann, daß

a) ein möglichst großes Dipolmoment M = C·a·b erzeugt wird (dabei ist M bzw. H _S eine lineare Funktion der Länge a), gleichzeitig aber
b) der Abstand s′ zwischen gegenüberliegenden Schmalseiten von Sender- und Empfängerspule hinreichend groß ist, damit das mittlere Primärfeld H _P im Bereich der Empfängerspule nicht zu stark wird.

Mit dem Koordinatensystem und den Bezeichnungen von Fig. 3 und Fig. 4 wurden für den Mittelpunkt x = 5,2 m, y = 0,4 m der Empfängerspule folgende Werte für H _P und H _S/H _P in Abhängigkeit von der Länge a berechnet (bei konstantem b = 0,8 m):

Tabelle 1

Ab a 3 m nimmt H _P stark zu und das Verhältnis H _S/H _P wird schnell klein. Bei bestehenden Systemen mit Kreisspulen sind für s′ = 5,87 m Werte von H _S/H _P = 40·10^-4 für horizontal- koplanare und H _S/H _P = 10·10^-4 für vertikal-koaxiale Spulenanordnungen realisiert (mit R₀ = 10^-5). Für eine vorgesehene rechteckige Senderspule mit einer Länge von a = 3 m für die Flugsonde wird H _S/H _P = 7,14·10^-4, also relativ klein. Dafür ist - wie schon erwähnt - das Feld H _S selbst 15mal größer als in den bisherigen Systemen.

Außerdem ist es sinnvoll, die rechte Schmalseite (b₁) der Senderspule etwa in die Mitte der Trägerplatte (2), d. h. in ihre Querachse, zu legen. Der Anteil von b₁ an H _P im Empfänger ist weitaus am größten. Aus Symmetriegründen sollte für Biegeschwingungen der Platte der Fluß von H _P durch die Empfängerspule nahezu invariant sein.

Wie wirken sich temperaturbedingte Längenänderungen auf die Konstanz von H _P bzw. auf das Verhältnis H _S/H _P aus?

Das von einer der vier geraden Leiterstücke der Senderspule (z. B. der Länge x = a) in einem Punkt P (x,y,z = 0) erzeugte Magnetfeld läßt sich durch folgende Formel berechnen:

wobei r₁ und r₂ die Entfernungen der Endpunkte des Leiterstückes zum Punkt P bedeuten.

Formal ähnliche Formeln gelten auch für die anderen drei Leiterstücke. Bei isotropem Temperaturkoeffizienten α der Trägerplatte werden bei einer Temperaturerhöhung um t °C alle Längen verändert:

l′ = l (1 + α t) .

Die folgenden Betrachtungen gelten unter der Voraussetzung, daß die Leiterstücke sämtlicher Spulen zwar Längenänderungen unterliegen, ihre elektrischen Eigenschaften jedoch unverändert bleiben. Nach obiger Formel ist das veränderte Feld

H₁′ = H₁ (1 + α t)^-1 .

Dies gilt auch für die Summe über die Felder aller vier Leiterstücke:

H′ _P = H _P (1 + α t)^-1 .

Da das Sekundärfeld H _S proportional dem Dipolmoment M = Cab ist, gilt für eine Temperaturänderung t

H _S′ = 2 Cab (1+α t)² R₀ = H _S (1+α t)².

Das temperaturbedingte Gesamtfeld an einem Punkt innerhalb oder außerhalb der Senderspule ist daher

H _G′ = H _P′+H _S′ = H _P (1+α t)^-1 + H _S (1+α t)².

Mit H _S/H _P ≅ 7·10^-4 (Tabelle 1), d. h. H _S/H _P « 1 ergibt sich

H _G′ ≅ H _P (1-α t)^-1,

d. h. die Änderung des Gesamtfeldes ist annähernd vom additiven Term -H _P α t verursacht. Für Werte α = 2·10^-5/°C und H _P = 1 ergibt sich eine Feldänderung von 20 ppm/°C, die sich als Fehler bei der Bestimmung von H _S bemerkbar machen würde.

Für die in der Empfängerspule durch H _G induzierte Spannung kann man ansetzen:

U = i ωμ₀ · N · H _G · F _E

(N = Anzahl der Windungen, F _E Fläche der Empfängerspule).

Bei einer temperaturbedingten Änderung der Lineardimensionen ergibt sich

U′ = i ωμ₀ N H _G′ kF _E′ ≅ i ωμ₀ N H _P (1+α t)^-1 F _E (1+α t)²

oder

U′ = U (1+α t)

mit H _P ≅ H _G.

Die Längenänderung l α t kann man z. B. mit einem Dehnungsmeßstreifen im Bereich zwischen Sender- und Empfängerspule bestimmen und die dadurch bedingten Fehler rechnerisch beseitigen. Dies wird wesentlich dadurch erleichtert, daß das Feld H _P im Bereich der Empfängerspule fast nur noch in Richtung der Längsachse des Sensorsystems variiert (siehe Fig. 4).

Diese Zusatzmessung kann entfallen, wenn man mit Kompensationsspulen (8) arbeitet, die erfindungsgemäß im Zentrum der Senderspule angeordnet und ebenfalls rechteckig sind (Fig. 3). Sie sind mit den jeweiligen Empfängerspulen (7) in Reihe geschaltet und so dimensioniert, daß die in ihnen durch das Senderfeld induzierte Spannung gleich der durch H _P in der Empfängerspule (7) induzierte Spannung ist. Dort ist im Mittel H _P = -7,07 A/m (Fig. 4), während z. B. in der äußeren Kompensationsspule (für f₅ in Fig. 3) das Feld H _P im Mittel 1050,1 A/m beträgt. Mit den in Fig. 3 und Fig. 4 gewählten Dimensionen und einem Verhältnis der Windungsflächen der Spulen (7) und (8) von z. B. 8,91 kommt man mit einer geringen Windungszahl der Kompensationsspulen von nur rund 6% der Windungen der Empfängerspulen aus, um die vom Primärfeld induzierte Spannung vollständig zu kompensieren. Das Sekundärfeld H _S, das an beiden Spulengruppen (7) und (8) etwa gleichstark ist und dort gleiches Vorzeichen hat, wird dagegen nicht geschwächt, sondern die in beiden Spulen induzierten Spannungen addieren sich.

Bei temperaturbedingten Längenänderungen der Trägerplatte (2), die im selben Maße von den Leiterstücken der Kompensations- und Empfängerspulen (8) bzw. (7) mitgemacht werden, gibt es keine Änderung der Kompensation. Denn die oben für die Empfängerspule abgeleitete Beziehung

U′ = U (1+α t)

gilt auch für die Kompensationsspulen, vorausgesetzt natürlich ein überall gleicher Temperaturkoeffizient α. Es sei bemerkt, daß durch die Hintereinanderschaltung von Empfänger- und Kompensationsspulen auch Schwankungen des Sendestromes I vollständig ausgeglichen werden, da der primäre magnetische Fluß durch beide Spulenarten in jedem Moment proportional zu I ist.

Das Sensorsystem und die nachgeschaltete Elektronik haben die Aufgabe, das Sekundärfeld H _S in Einheiten des Primärfeldes am Ort des Empfängers zu messen, und zwar nach Amplitude und Phase bzw. nach Inphase- und Out-of-phase-Anteil R und Q:

Für die phasenrichtige Aufspaltung in R und Q benötigt man ein Referenzsignal vom Sender. Wenn man die Verstärkung V der von H _S in den Spulen (7) induzierten Spannung hinreichend genau kennt sowie den Strom I und die elektrischen und geometrischen Spulenparameter, kann man die Spannungswerte am Empfänger in R und Q umrechnen.

Für sehr schwache Felder und bei ungenauer Kenntnis von I und V empfiehlt es sich, erfindungsgemäß ineinandergeschachtelte Eichspulen (9) zu verwenden, die koplanar zwischen Senderspulen (6) und Empfängerspulen (7) angebracht sind (Fig. 3).

In den bisherigen EM-Flugsonden gibt es sogenannte Eichspulen (q- coils), die ein zunächst unbekanntes Sekundärfeld mit etwa gleich großen Anteilen R _E und Q _E erzeugen. Die genauen Größen R _E und Q _E gewinnt man erst durch eine Vergleichsmessung mit einer externen Eichspule, die allerdings häufig den Genauigkeitsansprüchen nicht genügt, z. B. wegen der Verfälschung durch ein unbekanntes Sekundärfeld aus dem leitenden Untergrund oder von sonstigen Leitern in der näheren Umgebung.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Eichspulen (1) macht diese Vergleichsmessung überflüssig, gestattet eine genaue Phasenmessung und läßt sich auch in großen Flughöhen, d. h. weit weg von sonstigen Leitern, durchführen.

Für den Eichvorgang werden die sonst offenen Enden der Eichspulen (9) leitend überbrückt, wodurch infolge Induktion durch das Senderfeld ein Strom I₉ in der Eichspule fließt. I₉ hängt ab von der in der Eichspule induzierten Spannung U₉, die man berechnen kann, und dem Wechselstromwiderstand R₉(ω) der Eichspule:

R₉(ω) der Eichspule ist im allgemeinen bekanntlich

R₉(ω) = R _i + i (ω L-1/(l C _i)) ,

mit
C _i = innere Kapazität der Eichspule,
L = Induktivität der Eichspule.

Erfindungsgemäß werden durch ein Schaltrelais die offenen Enden der Eichspulen (9) auf zweierlei Art und Weise leitend überbrückt:

1.) Durch eine Kapazität C* in der Weise, daß R₉(ω) = R _id. h. ω L - 1/(ω(C*+C _i)) = 0 , Da U₉ = i l KI ist, wird für rein ohmschen Widerstand R _i der Eichspule der StromI₉ = i l KI/R _i .
2.) Durch einen rein ohmschen Widerstand R*, der so gewählt ist, daß R′ = R*+R _i = |ωL-1/(ω C _i)|.Dann wird

Damit wirkt die Eichspule wie eine kleine Sendespule, deren Magnetfeld H₉ gegenüber dem Feld der großen Senderspule (6) eine Phasenverschiebung von 90° im Fall 1.) und von 45° im Falle 2.) hat. Bei richtiger Aufspaltung des Empfänger- Signals in Inphase-Komponente R _E und Out-of-phase-Komponente Q _E müßte also

im Fall 1.) R _E = 0 und
im Fall 2.) Q _E = R _E sein.

Ferner läßt sich durch numerische Integration der gesamte magnetische Fluß Φ _P des primären Magnetfeldes und Φ _q des sekundären Feldes H _q der Eichspule (9) durch die Fläche der Empfängerspule berechnen. Damit erhält man einen Eichstandard für H _q/H _P bzw. für r _E und q _E (in % bzw. ppm des Primärfeldes).

An die elektrischen Eigenschaften der Eichspulen (9) und die zur Überbrückung benötigten Widerstände und Kondensatoren werden hohe Anforderungen bezüglich ihrer Invarianz gegen Temperaturänderungen gestellt. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Wicklung der Eichspule (9) aus Manganin-Draht oder ähnlichem Material herzustellen.

Verkleinert man die Dimensionen des beschriebenen Sensorsystems etwa auf ein Drittel der in den Fig. 1, 3 und 4 angegebenen Maße für die Flugausführung, so erhält man Sensorsysteme für die Ausführung von EM-Sondierungen vom Erdboden aus. Dadurch ergibt sich eine neue Klasse von geophysikalischen Meßgeräten, die in vergleichbarer Form bisher nicht existierten. Man geht nämlich häufig von der pauschalen Vorstellung aus, daß die Erkundungstiefe eines EM-Systems durch Vergrößerung der Entfernung s zwischen Sender und Empfänger gesteigert werden kann. Eine solche "Sondierung" erfaßt jedoch den ganzen leitfähigen Bereich zwischen Sender und Empfänger, wodurch die räumliche Auflösung der Leitfähigkeitsbestimmung verringert wird. Die Auflösung ist am größten für kleine Entfernungen s. Dabei entsteht aber das Problem der Überlagerung von H _S mit dem vergleichsweise sehr starken Primärfeld. Dieses Problem wird jedoch durch den erfindungsgemäßen starren Spulenverbund weitgehend gelöst. Es kommt jedoch noch ein anderer Aspekt hinzu: Wenn die Sendespule nahe der Leiteroberfläche ist, ist das induzierte Primärfeld H _P besonders inhomogen und erzeugt starke Stromwirbel in der Nähe der Körperoberfläche, die mit Sekundärfeldern mit großen räumlichen Wellenzahlen verknüpft sind. Sie überdecken die schwächeren Felder von tieferliegenden Stromsystemen. Wird der Abstand h des Senders von der Leiteroberfläche vergrößert, nimmt die Inhomogenität von H _P ab, und die Stromwirbel verlagern sich in größere Tiefen. So kann gezeigt werden, daß die Schwerpunktstiefe z* (Sengpiel, 1988) der Ströme, die in einem Halbraum mit dem spezifischen Widerstand ρ = 100 Ohm·m von einer Sendefrequenz f = 100 Hz induziert werden, mit h wie folgt wächst:

Tabelle 2

Dieser Effekt wird erfindungsgemäß in der in Fig. 5 schematisch dargestellten Weise genutzt. Die Aufgabe der gezeigten Vorrichtungen aus nichtleitendem Material ist es, das Sensorsystem für die Messung in einen bestimmten Abstand zur Körperoberfläche (Erdoberfläche) zu bringen und - je nach Anwendungszweck - parallel dazu zu bewegen. Dabei sind die beiden dargestellten Betriebsarten (A) und (B) zu unterscheiden.

Betriebsart (A)

Das Sensorsystem befindet sich mit der Trägerplatte (2) und den Spulenflächen parallel zur Leiteroberfläche in einer durch die zwei Stützen (10) vorgegebenen Höhe, die für geophysikalische Messungen zwischen 3 und 8 m variiert. Die Stützen (10) sind starr und leicht und können mittels der drei Seile (11), die im Boden verankert werden, schnell aufgestellt und in vertikaler Richtung gehalten werden. Am oberen Ende jeder Stütze (10) befindet sich ein Rad (18), über das ein nichtleitendes Tragseil (12) beliebiger Länge verläuft, das an beiden Enden im Boden verankert ist. Auf dem Tragseil (12) laufen die zwei an der Versteifungsplatte (3) des Sensorsystems befestigten Rollen (17). Das Sensorsystem kann mittels des Kabels (13), das sämtliche elektronischen Verbindungen zum Elektronik- und Bedienteil (14) enthält, in der Horizontalen verschoben bzw. in Ruhe gehalten werden.

Betriebsart (B)

Für die Messung befindet sich das Sensorsystem bzw. die Spulenflächen in einer zur Leiteroberfläche (Erdoberfläche) senkrechten Ebene. An der senderseitigen Schmalseite des Sensorsystems ist eine Drehplatte (16) befestigt, an deren Oberteil die Rollen (17) befestigt sind, die auf dem Tragseil (12) laufen. Mittels der Schnüre (15), die an der unteren Schmalseite des Sensorsystems befestigt sind, kann dieses um eine vertikale Achse gedreht bzw. festgehalten werden. Zusätzlich kann es natürlich längs des Tragseils (12) zwischen den Stützen (10) verschoben werden.

In der Betriebsart (B) kann das Sensorsystem unter Verzicht auf das Tragseil (12) und eine der Stützen (10) an nur einer Stütze (10) in die Höhe gehoben und für die Messung kurz festgehalten werden. Die Betriebsart (A) ist vor allem zur EM-Sondierung über geschichtetem Untergrund geeignet. Mit Hilfe des Tragseils (12) können auch unzugängliche Gebiete, wie Flüsse, Sümpfe etc., vermessen werden, wobei die Zuführungskabel (13) zu verlängern sind.

In der Betriebsart (B) erhält man eine bisher nicht gekannte Möglichkeit zur detaillierten Ortung von steilstehenden Grenzflächen zwischen Bereichen verschiedener Leitfähigkeit oder zur Bestimmung der Streichrichtung lateraler Leitfähigkeitsanomalien. Außerdem kann man aus bestimmter Richtung einfallende Störsignale minimieren.

Erfindungsgemäß können die beiden Stützen (10) oder nur eine von ihnen auf einem Kfz-Anhänger, einem Boot oder an einem Lasttier befestigt und über die Erdoberfläche bewegt werden.

Das Sensorsystem kann erfindungsgemäß auch ortsfest als Monitor von zeitlichen Veränderungen der Leitfähigkeit verwendet werden, z. B. zur Beobachtung der Intrusion von Salzwasser während der Entnahme von Süßwasser. Dadurch können Bohrungen eingespart werden.

In der Betriebsart (B) kann eine besonders schlanke Ausführung des Sensorsystems, das in einer wasser- und druckfesten, nichtleitenden Umhüllung untergebracht ist, auch für Messungen im Bohrloch eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß kann das Sensorsystem in allen vorgenannten Ausführungen und Anwendungen auch für sogenannte Transienten- Messungen ausgestaltet werden. Dazu werden die Senderspulen (6) durch eine einzige Senderspule (6) ersetzt, in der kein kontinuierlicher Wechselstrom fließt, sondern ein in bestimmter Weise pulsierender Gleichstrom. Das induzierte Magnetfeld kann in bekannter Weise während der Abschaltphasen des Sendestroms gemessen werden. Die erfindungsgemäße Benutzung der Kompensationsspule (8) ist hierbei sehr nützlich, da dadurch die Empfängerspule (7) während der Einschaltphase des Senderstroms stets stromlos bleibt und damit keine Abklingzeit von Strömen in (7) abgewartet werden muß. Vielmehr kann die Abklingkurve des Sekundärfelds schon sehr früh nach Abschalten des Senderstroms aufgezeichnet werden. Bei genauer Kompensation kann das Signal an der Empfängerspule (7) sogar ohne Unterbrechung aufgezeichnet werden.

Transienten-Verfahren benötigen wegen der schwachen, abklingenden Sekundärfelder Sender (6) mit starken Dipolmomenten und möglichst starke induzierte Spannungen am Empfänger (7). Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorsystems mittels der großflächigen Rechteckspulen erreicht.

Unabhängig vom gewählten zeitlichen Verlauf des Senderstroms hat die erfindungsgemäße kurze Entfernung s zwischen Sender (6) und Empfänger (7) in Verbindung mit der Realisierung einer ausreichenden Meßhöhe h über der Leiteroberfläche erhebliche Vorteile für die schnelle rechnerische Umwandlung des gemessenen Sekundärfeldes in ein Sondierungsergebnis, d. h. in die vertikale Leitfähigkeitsverteilung unter dem Meßpunkt.

Literatur:

Sengpiel, K. P., 1988: Approximate inversion of airborne EM data from a multilayered ground. Geophysical Prospecting 36, 446-459.

Claims

1. Sensorsystem mit starrem Verbund von je einer oder mehreren flachen Sender- (6), Empfänger- (7), Kompensations- (8) und Eichspulen (9) zur Durchführung elektromagnetischer Sondierungen über der Oberfläche dreidimensionaler Körper unter Anwendung unterschiedlicher Sendefrequenzen, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spulen (6) bis (9) rechteckige koplanare Windungsflächen haben und an der freien Seite (4) eines Meßsystemträgers (1) aus T-förmig oder doppel-T-förmig miteinander verbundenen Platten (2) und (3) befestigt sind, die aus hochfestem nichtleitendem Verbundfaserwerkstoff mit kleinem Temperatur-Koeffizienten bestehen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Länge und Breite der Senderspulen (6) und der Abstand zu den Empfängerspulen (7) so gewählt sind, daß einerseits ein starkes Dipolmoment entsteht, aber andererseits das Magnetfeld der Sendespulen am Ort der Empfängerspulen (7) möglichst schwach und im wesentlichen nur eine Funktion des Abstands (x) von der Sendespule ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Meßfrequenzen oder Gruppen von Meßfrequenzen jeweils ein komplettes Spulensystem (6) bis (9) verwendet wird, wobei die Spulen gleichen Typs koplanar ineinandergeschachtelt sind, derart, daß ihre Windungsfläche mit zunehmender Frequenz abnimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergeschachtelten Eichspulen (9) koplanar im Raum zwischen Senderspulen (6) und Empfängerspulen (7) liegen.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergeschachtelten Kompensationsspulen (8) koplanar und im Innern der Senderspulen (6) liegen und die Windungsflächen der Kompensationsspulen (8) so gewählt sind, daß die in ihnen durch das primäre Senderfeld induzierte Spannung gleich derjenigen ist, die vom Primärfeld in der jeweils zugehörigen Empfängerspule (7) induziert ist und die durch Hintereinanderschalten der Spulen (8) und (7) kompensiert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die normalerweise offenen Enden der Eichspulen für den Eichvorgang entweder durch eine Kapazität C* = 1/(ω²L-C _i) oder durch einen ohmschen Widerstand R* = ω L-R _i-1/(ω C _i) überbrückt werden, und daß dadurch am Empfänger entweder ein rein imaginäres Sekundärfeld oder ein komplexes Sekundärfeld mit bekannter Amplitude und Phase erzeugt wird; es bedeuten: ω = 2 π f, f = Sendefrequenz,
L = Selbstinduktion der Eichspule,
R _i = ohmscher Widerstand der Eichspule,
C _i = Kapazität der Eichspule.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichspulen (9) aus temperaturinvariantem Widerstandsdraht, z. B. Manganin, gewickelt werden.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Flugausführung des Sensorsystems die Platten (2) und (3) die in Fig. 1 und 2 angegebene aerodynamische Ausgestaltung haben, die beim Nachschleppen vom Hubschrauber oder vom Flugzeug einen geradlinigen Flug und leicht negativen Auftrieb gewährleisten.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Spulen (6) bis (9) auf Stifte, die aus der Trägerplatte (2) hervorstehen und die "Spulenebene" (4) bilden oder in Ausfräsungen aus dem Material der Platte (2) direkt aufgewickelt werden.

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (2) für die Flugausführung an den Längsseiten eine etwa 25 cm hohe, durchgehende Seitenverkleidung (5) hat, die beim Landen als Kufe wirkt und die zwischen Spulenebene (4) und Boden hinreichend Platz zur Unterbringung der elektronischen Bauteile bietet.

11. Anordnung nach den vorgenannten Ansprüchen außer 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderspulen (6) durch eine Senderspule (6) ersetzt werden, die Impulse oder Impulsfolgen erzeugt, deren abklingende Sekundärfelder von den Empfänger- (7) und Kompensationsspulen (8) in den Sendepausen aufgenommen werden.

12. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer vereinfachten Version die Kompensationsspulen (8) und die Eichspulen (9) entfallen, wobei (8) durch eine elektronische Kompensation und (9) durch Messungen des Stromes in der Sendespule (6) und der zugehörigen Spannung in der Empfängerspule (7) ersetzt wird.

13. Anordnung nach Anspruch 1 bis 12 - außer 8 und 10 - dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem in einer bestimmten Höhe über der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers zur Anwendung kommt, wofür eine Vorrichtung dient, bei welcher zwischen zwei Stützen (10), die z. B. durch aufgespannte Seile (11) in der Vertikalen gehalten werden, ein nichtleitendes Trageseil (12) gespannt ist, längs welchem das Sensorsystem mittels zweiter Rollen (17) und dem nach unten zum Elektronik- und Bedienteil (14) führenden Zuleitungskabel (13) parallel zur Körperoberfläche bewegt werden kann.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem in der Position (A), d. h. mit den Spulenebenen parallel zur Körperoberfläche, oder in der Position (B), d. h. mit den Spulenebenen, senkrecht zur Körperoberfläche bewegt wird, wobei im Fall (B) das Sensorsystem mit den Schnüren (15) und mittels der Drehscheibe (16) um eine vertikale Achse gedreht und mit (15) auch am Boden befestigt werden kann.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützen (10) mit dem Sensorsystem für geophysikalische Anwendungen auf einem nichtleitenden Kfz-Anhänger, einem Boot oder auf Lasttieren befestigt sind.

16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem für Untersuchungen mit geringer Erkundungstiefe in der Position (A) mit einem Riemen über der Schulter oder in Position (B) an einer Stange (10) hängend von einem Menschen über die Erdoberfläche bewegt wird.

17. Anordnung nach den vorgenannten Ansprüchen, außer 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine ortsfeste Anbringung des Sensorsystems oberhalb der Leiteroberfläche erfolgt, wodurch Veränderungen der Leitfähigkeit im Untersuchungsobjekt beobachtet und aufgezeichnet werden können.

8. Anordnung nach den vorgenannten Ansprüchen, außer 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsystem in einer zylindrischen, wasserdichten, druckfesten und nichtleitenden Umhüllung untergebracht und so schmal dimensioniert ist, daß es in einer Bohrung in der Position (B) von Anspruch 14 zum Einsatz kommen kann.