DE19948684B4 - Computer-aided measurement method for determining the dielectric properties of floor layer structures and device for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Rechnerunterstütztes Messverfahren zur Ermittlung der dielektrischen Eigenschaften von Bodenschichtstrukturen im zumindest axialen Bereich eines Bohrlochs, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität (C) im Innen- oder Außenraum eines mit n radialen Schichten und mit Kondensator-Elektroden (E), zwischen deren Berandungsflächen lsolierspalte vorhanden sind, aufgebauten zyλinderförmigen Kondensators (DEP) an einem Messort (M) in der radialen Schicht n kapazitiv hochgenau bei einer Messfrequenz im elektromagnetischen Wechselfeld gemessen wird, wobei die Länge (L) des zylinderförmigen Kondensators (DEP) so groß, die durch den Winkel Ψ bestimmten Isolierspalte zwischen den Kondensator-Elektroden (E) so klein und die Messfrequenz so niedrig bemessen ist, dass deren Einfluss auf die Messung im Rahmen der angestrebten Messgenauigkeit fehlertolerabel ist, und dass durch Quotientenbildung der gemessenen Kapazität (C) mit der durch Luftmessung, Eichmessung oder Berechnung bekannten Leerkapazität (C0 ∞) des zylinderförmigen Kondensators (DEP) eine effektive Dielektrizitätskonstante (ε*) als charakteristischem Parameter für die reale Bodenschichtstruktur berechnet wird, aus der dann durch mathematische Inversion unter Kenntnis der...Computer-aided measurement method for determining the dielectric properties of soil layer structures in the at least axial region of a borehole, characterized in that the capacitance (C) in the interior or exterior of an insulation gap with n radial layers and with capacitor electrodes (E) are present between their boundary surfaces , built-up cylindrical capacitor (DEP) at a measuring point (M) in the radial layer n is measured capacitively with high precision at a measuring frequency in the alternating electromagnetic field, the length (L) of the cylindrical capacitor (DEP) being so great as determined by the angle Ψ Isolation gaps between the capacitor electrodes (E) are so small and the measurement frequency is dimensioned so low that their influence on the measurement is error-tolerable within the scope of the desired measurement accuracy, and that by forming the quotient of the measured capacitance (C) with that by air measurement, calibration measurement or Calculation known empty capacitance (C 0 ∞ ) of the cylindrical capacitor (DEP) an effective dielectric constant (ε * ) is calculated as a characteristic parameter for the real soil layer structure, from which then by mathematical inversion with knowledge of the ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein rechnerunterstütztes Messverfahren zur Ermittlung der dielektrischen Eigenschaften von Bodenschichtstrukturen im Bereich eines Bohrlochs und auf eine Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung.The invention relates to a computer-aided Measuring method for determining the dielectric properties of Soil layer structures in the area of a borehole and on a device to carry out the procedure.
Erkenntnisse über Bodenschichtstrukturen haben in vielen unterschiedlichen Gebieten eine große Bedeutung. Petrophysikalische Eigenschaften sind von Interesse für die Ölindustrie, geologische und seismische Eigenschaften interessieren Wissenschaft und Forschung und der geophysikalische Aufbau von Eisgebieten ist von besonderer Bedeutung für die Polarforschung. Dabei sind die Messungen der elektrischen Eigenschaften als Basismessungen anzusehen, da von diesen nahezu alle wesentlichen Eigenschaften von Bodenschichtstrukturen, wie beipielsweise deren Leitfähigkeit und Dichte, ableitbar sind. Im folgenden sollen die bekannten Verfahren zur Bodenschichtstrukturdetektion beschrieben werden. Der darin hauptsächlich auftretende Bezug auf die sogenannte „Bohrlochmatrix" als Parametergitter der das Bohrloch umgebenden Schichten ist dabei analog auch auf die „Bohrkernmatrix" zu beziehen.Findings on soil layer structures are of great importance in many different areas. Petrophysical properties are of interest to the oil industry, Science is interested in geological and seismic properties and research and the geophysical construction of ice areas of particular importance for polar research. Here are the measurements of the electrical properties to be regarded as basic measurements, since almost all of them are essential Properties of floor layer structures, such as their conductivity and density, can be derived. The following are the known methods for soil layer structure detection. The one in it mainly occurring reference to the so-called "borehole matrix" as a parameter grid the layers surrounding the borehole are also analogous the "core matrix" to acquire.
Bekannte Detektionsverfahren für Bodenschichtstrukturen
basieren hauptsächlich
auf induktiven Messungen – neben
ultrasonischen und thermischen Messungen – und benutzen dementsprechend
Bohrlochsonden, die induktivmagnetisch wirken. Aus der
Allen induktiven Messmethoden ist jedoch gemeinsam, dass sie eine nur relativ grobe Ortsauflösung aufweisen. Dieser Umstand hat dazu geführt, dass bislang im Feld die Messergebnisse nur mit „wahrscheinlich gut" – „vielleicht schlecht" und „wahrscheinlich schlecht" interpretiert werden. Hohe Ortsauflösungen, gerade im Bereich von relevanten Phasenübergängen, beispielsweise zwischen Gestein und anderen Phasen mit sehr ähnlichen Leitfähigkeiten, sind mit den bekannten induktiven Messverfahren nicht erzielbar.All inductive measurement methods is however, they have in common that they only have a relatively rough spatial resolution. This has led to that so far the measurement results in the field have only been "probably good" - "maybe bad "and" probably bad ". High spatial resolutions, especially in the range of relevant phase transitions, for example between rock and other phases with very similar conductivities, cannot be achieved with the known inductive measuring methods.
Aus der
Der Stand der Technik, von dem die
Erfindung hinsichtlich des Verfahrens ausgeht, wird in der
Für die vorliegende Erfindung soll es daher vor dem Hintergrund der beschriebenen Verfahren ein Hauptaspekt der zu lösenden Problematik sein, ein Verfahren zur Ermittlung der dielektrischen Eigenschaften von Bodenschichtformationen anzugeben, das eine einfache Ableitung von relevanten Bodenparametern mit einer besonders hohen örtlichen Auflösung in axialer Richtung, aber auch durch Einbeziehung von störenden Einflüssen konzentrischer Schichten in radialer Richtung ermöglicht. Dabei soll der für die Ableitungen heranzuziehende Messparameter eine örtlich besonders hohe Unterscheidungskraft aufweisen. Weiterhin ist es für eine aussagekräftige Beurteilung der Messergebnisse wichtig, dass diese mit einer möglichst geringen Fehrlertoleranz gegenüber den realen Werten der zu vermessenden Bodenschichtstrukturen behaftet sind. Berechnungsvereinfachende Annahmen, die bei bekannten Messverfahren zu einer Vergröberung der Messergebnisse führen, sind weitgehend auszuschließen. Eine geeignete Anordnung zur Durchführung des Messverfahrens soll einfach in ihrem Aufbau und damit in ihrer Handhabung sein. Robustheit und Kostengünstigkeit sind ebenfalls anzustreben.For the present invention is therefore intended against the background of described methods to be a main aspect of the problem to be solved Procedure for determining the dielectric properties of soil layer formations indicate that a simple derivation of relevant soil parameters with a particularly high local resolution concentric in the axial direction, but also by including disturbing influences Allows layers in the radial direction. This is supposed to be for the derivatives Measurement parameters to be used have a particularly high local distinctive character exhibit. Furthermore, it is for one meaningful Assessment of the measurement results is important that these with a possible low Fehrler tolerance towards the real values of the soil layer structures to be measured are. Calculation-simplifying assumptions made with known measuring methods to a coarsening of the measurement results, are largely excluded. A suitable arrangement for carrying out the measurement process should be simple in their structure and thus in their handling. robustness and cost-effectiveness should also be aimed at.
Zur Lösung der beschriebenen Problematik ist bei dem erfindungsgemäßen rechnerunterstützten Messverfahren deshalb vorgesehen, dass zunächst die Kapazität C im Innen- oder Außenraum eines mit einer Anzahl n radialen Schichten aufgebauten zylinderförmigen Kondensators am Messort kapazitiv hochgenau gemessen wird und anschließend durch Quotientenbildung der gemessenen Kapazität mit der durch Luftmessung, Eichmessung oder Berechnung bekannten Leerkapazität C0 ∞ des zylinderförmigen Kondensators eine effektive Dielektrizitätskonstante ε* als charakteristischem Parameter für die reale Bodenschichtstruktur berechnet wird, aus der dann durch mathematische Inversion unter Kenntnis der geometrischen Schichtenverhältnisse (ρ1,..., ρn) und der dielektrischen Eigenschaften (ε1,..., εn) der den zylinderförmigen Kondensator konzentrisch bis zum Messort raumfüllenden Schichten die dielektrischen Eigenschaften εi der Bodenschichtstrukturen am Messort rechnerisch ableitbar sind, wobei in der Fehlertoleranzabschätzung der numerischen Implementation die endlich lange Ausdehnung des zylinderförmigen Kondensators, minimierte Isolierspalte zwischen den Kondensator-Elektroden und elektrostatische Verhältnisse als Näherung für niedrige Frequenzen bei den Messungen berücksichtigt sind.To solve the problem described, it is therefore provided in the computer-assisted measurement method according to the invention that first the capacitance C in the interior or exterior of a cylindrical capacitor constructed with a number n radial layers is measured capacitively at the measurement location and then by forming the quotient of the measured capacitance with the through Air measurement, calibration measurement or calculation of known empty capacitance C 0 ∞ of the cylindrical capacitor, an effective dielectric constant ε * is calculated as a characteristic parameter for the real soil layer structure, from which mathematical inversion with knowledge of the geometric layer ratios (ρ 1 , ..., ρ n ) is then used. and the dielectric properties (ε 1 , ..., ε n ) of the layers concentrically filling the cylindrical capacitor up to the measurement location, the computationally store the dielectric properties ε i of the bottom layer structures at the measurement location The error tolerance estimate of the numerical implementation takes into account the finally long extension of the cylindrical capacitor, minimized insulation gaps between the capacitor electrodes and electrostatic conditions as an approximation for low frequencies in the measurements.
Erstmals in der Entwicklung der Prospektion werden mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren Bodenschichtstrukturen rein kapazitiv detektiert und und auf den Einfluss zusätzlicher, aus technischen Gründen vorhandener radialer Schichten korrigiert, sodass auch eine radiale Ortsauflösung möglich ist. Eine Untersuchung der einzelnen Bodenphasen ist damit problemlos möglich, da der relevante Messparameter nicht mehr allein die elektrische Leitfähigkeit mit ihrer geringen Unterscheidungskraft zwischen unterschiedlichsten Phasen der Bodenschicht ist. Vielmehr handelt es sich hierbei um die dielektrischen Eigenschaften der Phasen mit einer – auch in kleinsten Werten – starken Materialabhängigkeit. Insbesondere lässt sich über Mischungsformeln in Bodenschichten mit hohem Kontrast in den dielektrischen Eigenschaften der Phasen die anteilige Zusammensetzung der Bodenschicht abschätzen. Die Messmethode liefert sowohl die Dielektrizitätskonstante als auch die Leitfähigkeit des zu untersuchenden Materials. Somit können im Bereich eines Bohrlochs, das heißt bezogen auf den Bohrkern und die Bohrlochumgebung, direkt die dielektrischen Eigenschaften – auch einer nicht zugänglichen – Gesteinsschicht problemlos ermittelt werden, sofern die Radien und dielektrischen Eigenschaften der übrigen Schichten bekannt sind. Durch die Absolutheit der Messungen können mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren daher wohldefinierte Materialkonstanten mit einer minimalen Fehlerbehaftung im Bereich von unter einem Prozent zuverlässig abgeleitet werden.For the first time in the development of prospection with the measuring method according to the invention Bottom layer structures detected purely capacitively and and on the Influence of additional, existing for technical reasons corrected radial layers, so that a radial spatial resolution is also possible. An investigation of the individual soil phases is therefore easy possible, since the relevant measurement parameter is no longer just the electrical one conductivity with its low distinctive character between different Phases of the bottom layer is. Rather, it is about the dielectric properties of the phases with a - also in smallest values - strong ones Material dependence. In particular, lets yourself about Mixing formulas in soil layers with high contrast in the dielectric Properties of the phases the proportional composition of the soil layer estimated. The measurement method provides both the dielectric constant and the conductivity of the material to be examined. Thus, in the area of a borehole, this means related to the core and the borehole environment, directly the dielectric Properties - also one inaccessible - rock layer can be easily determined provided the radii and dielectric properties the rest Layers are known. Due to the absolute nature of the measurements, the measuring method according to the invention hence well-defined material constants with minimal error can be reliably derived in the range of less than one percent.
Die „effektiven Dielektrizitätskonstanten" sind skalare komplexwertige Größen, in die die Dielektrizitätskonstanten, im Sinne des üblichen Ansatzes der relativen Dielektrizitätskonstanten in der Festkörperphysik (vgl. bspw. Ibach und Lüth, ISBN 3-540-52193-3, Kapitel 11, Relation 11.10), aller in Bezug auf den Messkondensator angeordneten radialen Schichten eingehen. Aus der Kenntnis der Dielektrizitätskonstanten aller bekannten Schichten und deren geometrischer Abmessungen, insbesondere der Dicke, kann dann die „absolute" Dielektrizitätskonstante des zu untersuchenden Materials in Abhängigkeit vom Radius abgeleitet werden. Auch hierbei handelt es sich dann um einen realen Stoffwert als absolute Materialkonstante, die radial und axial örtlich genau zuordenbar ist und eine optimale Materialinterpretation ermöglicht. Die absolute Dielektrizitätskonstante weist zwischen den einzelnen in Bodenschichtstrukturen auftretenden Phasen große, gut unterscheidbare Kontraste auf. So liegt sie beispielsweise für Gestein in einem Bereich zwischen 2 und 10, für Wasser aber oberhalb von 80. Die Ermittlungen der effektiven bzw. der absoluten Dielektrizitätskonstanten ermöglichen hochpräzise Aussagen über Art, Aufbau und Lage der realen Bodenschichtstrukturen. Gerade auf dem Gebiet der Erdölförderung ermöglicht daher die Kenntnis dieser Parameter genaueste Vorhersagen über mögliche Erölvorkommen, insbesondere auch in unzugänglichen Gebieten. Gleiches gilt natürlich auch für die Förderung anderer Bodenvorkommen.The "effective dielectric constants" are scalar complex-valued quantities into which the dielectric constants, in the sense of the usual approach of relative dielectric constants in solid state physics (cf. for example Ibach and Lüth, ISBN 3-540-52193-3, Chapter 11, relation 11.10) , all in relation to the measuring con radial layers arranged. From the knowledge of the dielectric constant of all known layers and their geometric dimensions, in particular the thickness, the “absolute” dielectric constant of the material to be examined can be derived as a function of the radius. This is also a real material value as an absolute material constant that The absolute dielectric constant shows large, clearly distinguishable contrasts between the individual phases occurring in soil layer structures, for example for rocks in a range between 2 and 10, for water but above 80. The determination of the effective or absolute dielectric constants enables highly precise statements to be made about the type, structure and location of the real soil layer structures, which is why knowledge of these parameters enables ge in particular in the field of oil production accurate predictions of possible oil deposits, especially in inaccessible areas. The same naturally also applies to the extraction of other soil deposits.
Die zylinderförmige Anpassung der Messkapazität ermöglicht eine optimale Anpassung an das Bohrloch bzw. an den Bohrkern. Auf den hierzu bekannten Stand der Technik wird noch im Verlauf der Beschreibung näher eingegangen. Auf einen wesentlichen Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahren hierzu soll jedoch schon an dieser Stelle eingegangen werden. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, die vereinfachend davon ausgehen, dass zwischen den Messelektroden und dem Messgut keine Zwischenräume existieren, wird bei dem vorliegenden Verfahren vom Realfall ausgegangen. Durch die Berücksichtigung von n verschiedenen Radialschichten beim zylinderförmigen Kondensator kann exakt auf jeden vorliegenden Schichtenaufbau eingegangen werden, messwertverfälschende Vereinfachungen entfallen. Insbesondere können leere oder gefüllte Zwischenräume zwischen den Messelektroden und dem Messgut, wie sie in der Praxis – gerade im Bohrloch – immer auftreten, in die Parameterermittlung aufgenommen oder zusätzliche Schichten, wie beispielsweise Isolations- oder Schutzfolien oder Flüssigkeitsfilme, berücksichtigt werden. Gerade auch bei der Vermessung von Bodenschichten mit gegenüber den übrigen Radialschichten sehr verschiedenen dielektrischen Eigenschaften ist unbedingt der Einfluss der übrigen Radialschichten zu korrigeren. Alle verschiedenen Dielektrika, die entweder von den Kondensatorhalbschalen umgeben sind (Bohrkern) oder diese umgeben (Bohrloch), können also berücksichtigt werden. An einer mehrschichtigen Bohrkernprobe können ohne weiteren Probenpräparationsaufwand die dielektrischen Eigenschaften bis in die Kernmitte ermittelt werden.The cylindrical adjustment of the measuring capacity enables one optimal adaptation to the borehole or the core. On the the prior art known in this regard will become apparent in the course of the description discussed in more detail. For a significant difference in the method of the invention however, this should already be discussed at this point. in the Contrary to the known methods, which assume for simplicity, that there are no gaps between the measuring electrodes and the material to be measured, In the present procedure, the real case is assumed. By the consideration of n different radial layers in the cylindrical capacitor can exactly deal with each existing layer structure, messwertverfälschende Simplifications are eliminated. In particular, empty or filled spaces between the measuring electrodes and the material to be measured, as in practice - straight in the borehole - always occur, included in the parameter determination or additional Layers, such as insulation or protective films or Liquid films, considered become. Especially when measuring soil layers with compared to the other radial layers very different dielectric properties is absolutely the Influence of the rest Correct radial layers. All different dielectrics that are either surrounded by the condenser half-shells (core) or surround it (borehole) so taken into account become. A multi-layer drill core sample can be prepared without additional sample preparation the dielectric properties are determined right down to the center of the core become.
Durch die Berücksichtigung der einzelnen Radialschichten am zylinderförmigen Kondensator selbst und am Messgut sind auch andere Anwendungen als die Bodenprospektion, die das Hauptanwendungsgebiet des vorliegenden Messverfahrens darstellt, durchaus möglich. Beispielsweise soll an dieser Stelle eine mögliche Dichtedetektion über die Vermessung der dielektrischen Eigenschaften von Flüssigkeits- oder Gasströmen in geschlossenen Rohren, insbesondere auch mit einer mittigen Achsenführung ennrähnt sein. Auch hier ermöglicht die Schichtenberücksichtigung bei der Kapazitätsmessung eine optimale Annäherung an den Realfall.By considering the individual Radial layers on the cylindrical Capacitor itself and on the measured material are also other applications than the soil prospection, which is the main area of application of the present Represents measuring method, quite possible. For example, should a possible one at this point Density detection via the measurement of the dielectric properties of liquid or gas flows in closed pipes, especially with a central axis guide. Enabled here too the stratification when measuring capacity an optimal approximation to the real case.
Da eine Messkapazität insgesamt gegenüber einer Messinduktivität mit Sendeund Empfangseinrichtungen im Allgemeinen eine wesentlich kleinere Baugröße aufweist, sind mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren auch in axialer Richtung wesentlich höhere örtliche Auflösungen als bisher erreichbar. Enivähnenswert ist hierbei jedoch noch der Einfluss axial benachbarter Bereiche zum Messort, der die axiale Auflösung wieder etwas vermindert. Dieser kann aber mit einer einfachen Abschätzung behandelt werden. Für kleine Spalte ist der Einfluss daher relativ klein, sodass er gut kontrollierbar ist. Ihre hohe Genauigkeit erhalten die mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren erzielbaren Messergebnisse aber auch durch die Berücksichtigung weiterer realer Messverhältnisse. Es wird von einem zylinderförmigen Kondensator endlicher Länge und nicht – wie oft in der Theorie – unendlicher Länge ausgegangen, das heißt, es werden auftretende Randeinflüsse an den Kondensatorelektroden in die Messergebnisse miteinbezogen. Letzendlich kann jedoch auch ein zylinderförmiger Kondensator endlicher Länge bewusst so dimensioniert werden, dass er für die Messungen wie ein Kondensator unendlicher Länge wirkt, was die Berechnungen dann wieder entsprechend vereinfacht, ohne sie jedoch zu verfälschen. Weiterhin werden Spalte zwischen den Berandungsflächen der Kondensatorelektroden berücksichtigt, deren Größe jedoch zur Einflussminimierung so gering wie möglich angesetzt wird. Die isolierende Wirkung zwischen den Elektroden bleibt jedoch zwingend erhalten. Auch die Annahme von elektrostatischen Messbedingungen bedeutet keine ergebnisverfälschende Vereinfachung für das erfindungsgemäße Messverfahren, da bereits für Messungen unterhalb von 100 MHz die Wellenlänge in Luft groß gegenüber dem Kondensatordurchmesser ist. Dadurch reduziert sich die allgemeine elektrodynamische Fragestellung zulässig auf ein elektrostatisches Problem. Anschaulich gesehen variiert das Feld dann bei niederfrequenten Messungen nur vernachlässigbar über die Längenausdehnung des zylinderförmigen Kondensators.Because a total measuring capacity across from a measuring inductance with transmitters and receivers generally an essential one has a smaller size, are with the measuring method according to the invention also in the axial direction much higher local resolutions than previously available. Enivähnenswert is the influence of axially adjacent areas to the measurement site, which again has the axial resolution somewhat diminished. However, this can be treated with a simple estimate become. For small column, the influence is therefore relatively small, making it good is controllable. The high accuracy obtained with the measuring method according to the invention achievable measurement results but also by taking them into account further real measurement conditions. It is of a cylindrical shape Finite length capacitor and not - how often in theory - more infinite Length run out this means, there will be marginal influences included in the measurement results at the capacitor electrodes. Ultimately, however, a cylindrical capacitor can also be finite Length conscious be dimensioned so that it is like a capacitor for measurements infinite length works, which then simplifies the calculations accordingly, without to falsify them. Furthermore, gaps between the boundary surfaces of the Capacitor electrodes taken into account their size, however is set as low as possible to minimize influence. The isolating one However, the effect between the electrodes remains intact. The acceptance of electrostatic measurement conditions also means no distorting results Simplification for the measuring method according to the invention, there already for Measurements below 100 MHz the wavelength in air is large compared to that Capacitor diameter. This reduces the general electrodynamic question allowed on an electrostatic Problem. Clearly, the field then varies at low frequencies Measurements only negligible over the Linear expansion of the cylindrical Capacitor.
Die grundlegende Idee bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren basiert auf der Durchführung von rein kapazitiven Messungen im Bohrlochbereich mit radialer Schichtenauflösung und unter den bereits genannten Randbedingungen. Die damit ermittelbaren dielektrischen Parameter sind präzise, gut differenzierbar und weisen eine hohe Ortsauflösung auf. In ihrer Ermittlung unterliegen sie den allgemeinen Gesetzen und Algorithmen zur Bestimmung von kapazitiven Messwerten und den darauf anwendbaren numerischen Inversionsverfahren (vergleiche beispielsweise „Numerical Recipes in C", Press et al., Cambridge Univ. Press, ISBN 0-521-43108-5, Chapter 9). Dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Messtechnik reicht daher dieses Wissen um den Einsatz eines kapazitiven Messvertahrens mit den vorgegebenen Randbedingungen für eine allgemeine Auswertung durchaus bereits aus. Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens kann es aber insbesondere auch vorteilhaft sein, dass zur rechnerischen Ableitung der dielektrischen Eigenschaften (ε1,..., εn) der Bodenschichtstrukturen (ρi,..., ρn) folgende allgemeine Potenzreihenentwicklung – oder eine dazu mathematisch äquivalente Potenzreihe mit bedarfsweise analytisch ausgewerteten Teilsummen – genutzt wird: wobei sich die Koeffizienten mit i=(n-1),...,1 und m ϵ N0 nach den Rekursionsformeln The basic idea in the measuring method according to the invention is based on the implementation of purely capacitive measurements in the borehole area with radial layer resolution and under the boundary conditions already mentioned. The dielectric parameters that can be determined in this way are precise, easily differentiable and have a high spatial resolution. In their determination, they are subject to the general laws and algorithms for determining capacitive measured values and the numerical inversions applicable to them onsverfahren (see, for example, "Numerical Recipes in C", Press et al., Cambridge University Press, ISBN 0-521-43108-5, Chapter 9). This knowledge of the average specialist in the field of measurement technology is therefore sufficient for the use of a capacitive According to an embodiment of the measurement method according to the invention, it can also be particularly advantageous that for the mathematical derivation of the dielectric properties (ε 1 , ..., ε n ) of the bottom layer structures (ρ i , ..., ρ n ) the following general power series development - or a mathematically equivalent power series with analytically evaluated partial sums - is used: where the coefficients with i = (n-1), ..., 1 and m ϵ N 0 according to the recursion formulas
Die in den Gleichungen verwendeten geschweiften Klammern ({...}) bezeichnen alternativ einzusetzende Größen für den Innenraum (< / Bohrkern) oder den Außenraum (> / Bohrlochsonde) des zylinderförmigen Kondensators, die prinzipiell nur die Vorzeichen der Berechnungen beeinflussen und zu einer Berücksichtigung der Radienverhältnisse, die durch a1 m und b1 m eingehen, führen. Mit S (∞) ist die allgemeine Potenzreihe bezeichnet, die wegen der Eindeutigkeit der Lösungen der zugrunde liegenden Differentialgleichungen mathematisch ebenfalls eindeutig ist. Die trigonometrischen Funktionen in der Potenzreihe S (∞) in Gleichung (1) beziehen sich auf die Potentialverteilung auf den Elektrodenoberflächen. Hier sind beliebige Verteilungen, insbesondere am Rand denkbar, die dargestellte Reihenentwicklung bezeichnet eine Verteilung, die technisch sinnvoll ist. Andere Reihenentwicklungen unter einer geforderten Beliebigkeit von φ bis in die Endsummen in sin(2m+1)φ oder cos(2m+1)φ sind möglich, sollen aber an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Die Gleichungen (5i) und (5a) ergeben sich aus der Beschränktheit der Lösungen bei ρn = 0 im Innenraum und ρn = ∞ im Außenraum.The curly brackets ({...}) used in the equations designate alternative sizes for the interior (</ drill core) or the exterior (> / borehole probe) of the cylindrical capacitor, which basically only affect the signs of the calculations and should be taken into account of the radius ratios that enter through a 1 m and b 1 m . S (∞) denotes the general power series, which is also mathematically unique because of the uniqueness of the solutions of the underlying differential equations. The trigonometric functions in the power series S (∞) in equation (1) relate to the potential distribution on the electrode surfaces. Any distribution is conceivable here, especially at the edge, the series development shown denotes a distribution that makes technical sense. Other series developments with a required arbitrariness from φ to the final totals in sin (2m + 1) φ or cos (2m + 1) φ are possible, but are not to be explained further here. Equations (5i) and (5a) result from the limitation of the solutions at ρ n = 0 in the interior and ρ n = ∞ in the exterior.
Die Berechnung der relevanten Dielektrizitätskonstanten εi erfolgt rmittels numerischer Inversion, insbesondere nach einer anderen Erfindungsausgestaltung bevorzugt durch die Lösung der Gleichung aus der ermittelten effektiven Dielektrizitätskonstanten und ihrer Potenzreihenentwicklung nach den dielektrischen Eigenschaften am Messort (z.B.Newton-Algorithmus, Regula falsi, Intervallschachtelung) der Gleichung (1) für die aus gemessener Kapazität C und Leerkapazität C0 ∞ bestimmte effektive Dielektrizitätskonstante ε*. Dabei wird zunächst vorausgesetzt, dass alle εi bis auf das gesuchte bekannt sind. Bei der numerischen Inversion wählt man dann für das gesuchte εi der interessierenden Schicht einen Startwert und bestimmt es iterativ aus der Variation dieses Eingangswertes. Alle diese Berechnungen können durch rechnerimplementierte Algorithmen schnell und einfach erfolgen. Die angegebene Formel (1) wurde während ihrer Ableitung durch Herausziehen der Summe über a1 m + b1 m und die separate Auswertung der Reihe für die Leerkapazität in einem analytischen Ausdruck für C0 ∞ (vgl. Bericht zur Polarforschung 191/'96, Relation 2.45) einerseits übersichtlicher gemacht, hat andererseits aber auch wichtige Gründe für Konvergenzbetrachtungen. Die alternierende Reihe für C0 ∞ mit bekannter Summe kann herausgezogen und die verbleibende Reihe mit den Radienverhältnissen geometrisch majorisiert werden. Unter Beachtung der mit Index i im Außenraum wachsenden und im Innenraum fallenden ρi und den unterschiedlichen Rekursionsstartpunkten (5a, 5i) in den Rekursionsformeln (2) und (3) für Innen- und Außenraum sieht man, dass alle auftretenden Radien-Produkte kleiner eins bleiben. Die mit Index m indizierten Summanden der Reihe S(∞) können deshalb abgeschätzt werden. Die Reihe S (φ) ist nach Definition also geometrisch majorisiert. Das Restglied R(N) der Reihe S (∞) kann zwar nicht direkt berechnet werden, da die Summe S der Reihe nicht bekannt ist. Eine Kontrolle durch eine absolut konvergente Potenzreihe S* ist jedoch möglich. Durch deren kompakte Konvergenz wird das Restglied beliebig klein. Diese Restgliedabschätzung ist direkt auf eine Programmierung übertragbar. Für jeden iterativen Schleifendurchlauf erhält man dann eine aktuelle Restgliedabschätzung.The relevant dielectric constant ε i is calculated by means of numerical inversion, in particular according to another embodiment of the invention, preferably by solving the equation from the effective dielectric constant determined and its power series development according to the dielectric egg properties at the measurement location (e.g. Newton algorithm, regular falsi, interval nesting) of equation (1) for the effective dielectric constant ε * determined from the measured capacitance C and empty capacitance C 0 ∞ . It is initially assumed that all ε i are known except for the one you are looking for. In the case of numerical inversion, a starting value is then selected for the ε i of the slice of interest and it is determined iteratively from the variation of this input value. All of these calculations can be carried out quickly and easily using computer-implemented algorithms. The formula (1) given was obtained during its derivation by extracting the sum over a 1 m + b 1 m and the separate evaluation of the series for the empty capacity in an analytical expression for C 0 ∞ (cf. report on polar research 191 / '96, Relation 2.45) made clearer on the one hand, but also has important reasons for considering convergence on the other. The alternating row for C 0 ∞ with a known sum can be extracted and the remaining row geometrically majorized with the radius ratios. Taking into account the ρ i growing outside and falling inside with index i and the different recursion starting points (5a, 5i) in recursion formulas (2) and (3) for inside and outside, you can see that all occurring radius products are less than one stay. The summands of the series S (∞) indexed with index m can therefore be estimated. The series S (φ) is geometrically majorized by definition. The residual term R (N) of the series S (∞) cannot be calculated directly, since the sum S of the series is not known. However, control by an absolutely convergent power series S * is possible. Due to their compact convergence, the remainder is arbitrarily small. This residual limb estimate can be transferred directly to programming. A current residual limb estimate is then obtained for each iterative loop run.
Um die Bedeutung und die Grundlagen der genannten genannten Gleichungen etwas näher zu erläutern, sollen im folgende einige Ausführungen zu der den Gleichungen zugrunde liegenden Theorie eines geschützten zylinderförmigen Kondensators mit einem konzentrisch geschichteten Dielektrikum gemacht werden. Diese basiert auch auf den Ausführungen in dem Bericht zur Polarforschung 191/'96 „Leitfähigkeits- und Dichtemessung an Eisbohrkernen" von Frank Wilhelms, Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven. Berücksichtigt man die Variation der Dielektrizitätskonstanten des Mediums in Richtung der Zylinderachse, so variiert die Potentialverteilung für ein jeweils in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse homogenes Medium nicht. Erst eine Variation der Dielektrizitätskonstanten entlang der Zylinderachse trägt bei der Berechnung der Kapazität bei. Die Potentialverteilung ist jeweils gleich und bei Anwesenheit eines Dielektrikums wird um den Faktor der relativen Dielektrizitätskonstanten e mehr Ladung auf der Messelektrode influenziert. Für ein konzentrisch um die Zylinderachse geschichtetes Medium verändert sich die Potentialverteilung jedoch entlang der Zylinderachse mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, da diese in die Berechnung der Potentialverteilung eingehen.To the meaning and the basics To explain the above-mentioned equations in more detail, some are to follow versions on the theory of a protected cylindrical capacitor on which the equations are based be made with a concentrically layered dielectric. This is also based on the explanations in the report on polar research 191 / '96 "Conductivity and density measurement an Eisbohrkernern "by Frank Wilhelms, Alfred Wegener Institute for Polar and marine research, Bremerhaven. Taking the variation into account the dielectric constant of the medium in the direction of the cylinder axis, the potential distribution varies for a medium homogeneous in the plane perpendicular to the cylinder axis Not. First a variation of the dielectric constant along the cylinder axis contributes to the Capacity calculation at. The potential distribution is always the same and in the presence of a dielectric is reduced by the factor of the relative dielectric constant e more charge is influenced on the measuring electrode. For a concentric The potential distribution changes around the layered medium but along the cylinder axis with different dielectric constants, since these are included in the calculation of the potential distribution.
Die Koordinatenbezeichnungen sind
dem speziellen Beschreibungsteil,
Über eine theoretische Ableitung der Potentialfunktion für beliebige Schichtenanordnungen an den halbschalenförmigen Elektroden, aus der auch weitere elektrodynamische Größen wie der elektrische Fluss und die Feldstärkenverteilung entsprechend der physikalischen Gesetzmäßigkeiten ableitbar sind, ergibt sich nach getrennter Lösung für den Winkel- und den Radialanteil aus deren Linearkombination eine rekursive Lösung für die Gebiete innerhalb der jeweiligen Dielektrika. Die darin vorkommenden natürlich indizierten Koeffizienten a1 m und b1 m hängen ausschließlich von den Dielektrizitätskonstanten εl und den Radien ρi der einzelnen Materialschichten ab. Sie lassen sich nach den oben genannten Rekursionsformeln (2) und (3) zusammen mit der Normierungsbedingung (4) iterativ berechnen. In der Rekursionformel verschwindet also je nach erforderlicher Berechnung im Außenraum oder im Innenraum bei der Initialisierung gemäß Gleichung (5i, 5a) einer der Koeffizienten. Das bedeutet, dass jeweils mit dem anderen Koeffizienten mit 1 gestartet wird. Danach werden die erhaltenen Koeffizienten durch Division durch ihre Summe normiert. Die Normierungsbedingung gemäß Gleichung (4) ergibt sich dabei aus der Potentialverteilung auf der Elektrodenoberfläche durch direkten Vergleich mit einer Fourierreihenentwicklung.A theoretical derivation of the potential function for any layer arrangements on the half-shell electrodes, from which further electrodynamic variables such as the electrical flux and the field strength distribution can be derived according to the physical laws, results in a separate solution for the angular and radial components from their linear combination recursive solution for the areas within the respective dielectrics. The naturally indicated coefficients a 1 m and b 1 m occurring therein depend exclusively on the dielectric constant ε l and the radii ρ i of the individual material layers. They can be calculated iteratively according to the recursion formulas (2) and (3) mentioned above together with the normalization condition (4). In the recursion formula, depending on the calculation required, one of the coefficients disappears in the exterior or interior during the initialization according to equation (5i, 5a). This means that the other coefficient starts with 1. The coefficients obtained are then normalized by division by their sum. The standardization condition according to equation (4) results from the potential distribution on the electrode surface by direct Comparison with a Fourier series development.
Metalle bilden für den Algorithmus gemäß Gleichung (1) einen Sonderfall. Sie verhalten sich wie Materialien mit unendlich hoher Dielektrizitätskonstanten, das heißt durch sie treten die Feldlinien senkrecht ein und aus. Das Innere von Metallen ist feldfrei. Die Metallschicht ist jeweils die letzte Schicht von der Zylinderelektrode aus gesehen, da jede Information innerhalb einer Metalloberfläche abgeschirmt wird. Dieser Fall wird im Algorithmus (1) durch Grenzwertbildung erreicht, indem man die Dielektrizitätskonstante εn (mit n als höchstem Index) ausklammert, bei der Normierung der Koeffizienten herauskürzt und dann gegen Unendlich streben lässt. Das bedeutet, dass alle Brüche, in denen εn auftritt, wegfallen, also ist 1 ± εn/ε(n-1) durch ±1/ε(n-1) zu ersetzten. Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messverfahrens ist es deshalb vorteilhaft, wenn eine Eichung des Messverfahrens durch Grenzwertbildung der Algorithmen unter Annahme einer unendlich hohen Dielektrizitätskonstanten für die jeweils letzte Schicht des zylinderförmigen Kondensators durchgeführt wird. Dabei kann bevorzugt zur Verwendung des zylinderförmigen Kondensators als Eichkapazität ein Metallrohr als letzte Schicht von der Elektrodenoberfläche aus gesehen in diesen eingebracht oder über diesen geschoben werden.Metals are a special case for the algorithm according to equation (1). They behave like materials with an infinitely high dielectric constant, that is, through them the field lines enter and exit vertically. The inside of metals is field-free. The metal layer is the last layer from the cylinder electrode, since all information is shielded within a metal surface. In algorithm (1), this case is achieved by forming limit values by excluding the dielectric constant ε n (with n as the highest index), shortening it when normalizing the coefficients, and then letting it strive towards infinity. This means that all fractions in which ε n occurs are eliminated, so 1 ± ε n / ε (n-1) must be replaced by ± 1 / ε (n-1) . According to an embodiment of the measuring method according to the invention, it is therefore advantageous if the measuring method is calibrated by forming the limit values of the algorithms, assuming an infinitely high dielectric constant for the last layer of the cylindrical capacitor. In this case, a metal tube as the last layer, seen from the electrode surface, can preferably be introduced into or pushed over the electrode surface to use the cylindrical capacitor as the calibration capacitance.
Bei der einer besonders geeigneten Anordnung zur Verfahrensdurchführung zugrunde liegenden Apparatur handelt es sich die sogenannte „DEP-Apparatur" (DiElectric Profiling), die beispielsweise aus dem bereits weiter oben zitierten Bericht zur Polarforschung 191/'96, Seite 38 ff. bekannt ist und ausschließlich zur kapazitiven Messung elektrischer Eigenschaften von Eisbohrkernen bei Frequenzen oberhalb der Debye-Relaxation eingesetzt wird. Anwendungen für ungefrorene Materialien oder als Sonde in einem Bohrloch sind nicht vorgesehen. Diesem Bericht sind die konstruktiven Grundkonzepte einer DEP-Apparatur zu entnehmen (Kapitel 2.2), die zum einen ein „Guarding-Konzept" mit einer geschützten Messelektrode zur Reduzierung von Streukapazitäten und zum anderen ein „Blocking-Konzept" mit vollständig isolierten Elektroden (beispielsweise durch Eloxieren) zur Reduzierung von Polarisationseffekten umfassen. Weiterhin wird in diesem Bericht eine theoretische Behandlung der DEP-Apparatur zur Durchführung von Leitfähigkeitsmessungen an Eisbohrkernen erläutert (Kapitel 2.3). Hierbei handelt es sich jedoch um eine rein theoretische Grundlagenbetrachtung, die – da sie erstmals derartig spezifiziert angestellt wurde – von einer Reihe von bedeutenden Vereinfachungen und ohne eine Fehlerquantifizierung ausgeht. So wird zum einen eine unendlich lange Ausdehnung des Kondensators zur Berechnung der Leerkapazität und zum anderen – als eine viel einschneidendere Beschränkung – das völlige Fehlen einer Schicht zwischen den Kondensatorelektroden und dem zu vermessenden Eisbohrkern angenommen. Diese Annahme stimmt jedoch nicht mit den realen Verhältnissen überein, da sie einer spaltlosen Umschließung des Bohrkerns bzw. Anlage an das Bohrloch entspricht. Gerade im Bohrloch jedoch befindet sich zwischen der Bohrlochsonde und der Bohrlochwandung immer ein weiteres Medium, beispielsweise Luft, Bohnniasser, Schlamm oder körniges Bohrmaterial, dessen unberücksichtigte Anwesenheit die Messergebnisse, wie bereits weiter oben ausgeführt, bis zur Unbrauchbarkeit verfälschen kann.With a particularly suitable one Arrangement for carrying out the procedure the underlying apparatus is the so-called "DEP apparatus" (DiElectric Profiling), for example from the one already cited above Report on polar research 191 / '96, page 38 ff. Is known and exclusively for the capacitive measurement of electrical properties of ice cores is used at frequencies above the Debye relaxation. applications for unfrozen Materials or as a probe in a borehole are not provided. This report is the basic design concepts of a DEP apparatus can be seen (Chapter 2.2), on the one hand a "guarding concept" with a protected measuring electrode to reduce stray capacities and on the other hand a "blocking concept" with completely isolated electrodes (e.g. by anodizing) for reduction of polarization effects include. Furthermore, this report is a theoretical one Treatment of the DEP apparatus for carrying out conductivity measurements explained on ice cores (Chapter 2.3). However, this is a purely theoretical one Basic consideration, the - there she was first employed in such a specified manner - by one Set of significant simplifications and without error quantification emanates. On the one hand there is an infinitely long expansion of the capacitor to calculate the empty capacity and on the other - as a much more restrictive limitation - the complete absence of a layer between the capacitor electrodes and the ice core to be measured accepted. However, this assumption does not match the real situation, because it is a gapless enclosure of the drill core or system corresponds to the borehole. However, it is precisely in the borehole always another between the borehole probe and the borehole wall Medium, for example air, bean water, mud or granular drilling material, its disregarded Presence the measurement results, as already explained above, until falsify to uselessness can.
In dem genannten Forschungsbericht 191/'96 werden daher zwar das Messprinzip und eine geeignete Vorrichtung an einem Eisbohrkern veranschaulicht, eine prognosefähige Anwendung für reale Fälle, insbesondere auch zur Erstellung einer parametrischen Bohrlochmatrix für Prospektionszwecke, ist in diesem Beschreibungsstadium nicht vorgesehen. Die Voraussetzungen sind stark theoretisiert und erzeugen Messergebnisse, deren Zuverlässigkeit nicht über die eingangs erwähnte grobe Abschätzungsstrategie hinausgeht. Ziel der Erfindung ist jedoch die Angabe von hochgenau ermittelbaren Parametern, die optimale Aussagen über die vorliegenden Bodenschichtstrukturen zulassen. Eine Zusammenfassung des Forschungsberichts 191/'96 ist auch dem Aufsatz „Precise dielectric profiling of ice cores a new device with improved guarding and its theon" von F. Wilhelms et al., Journal of Glaciology, Vol. 44, No. 146, 1998, pp. 171-174, zu entnehmen. In diesem Aufsatz ist jedoch nur eine theoretische Formel für die Leerkapazität ohne Berücksichtigung von Isolierschichten und der übliche Grundaufbau der Elektroden beschrieben. Es wird hier noch einmal gezeigt, dass sich eine DEP-Apparatur bei entsprechender Wahl der Abmessungen in einer Näherung mit einer Fehlerrate im Bereich von bis zu 15% wie ein unendlich langer zylinderförmiger Kondensator ohne Luftspalte verhalten kann. Zum Fehler trägt hauptsächlich die durch Streuadmittanzen (in den Kabeln und der Messbrücke) limierte absolute Genauigkeit der Messbrücke bei. Der Fehler kann aber durch die oben beschriebene Eichmessung wesentlich reduziert werden.In the research report mentioned 191 / '96 are therefore the measuring principle and a suitable device illustrated on an ice core, a predictable application for real Cases, especially for the creation of a parametric borehole matrix for prospecting purposes, is not provided at this stage of the description. The conditions are strongly theorized and produce measurement results, their reliability no over the one mentioned at the beginning rough estimation strategy goes. However, the aim of the invention is to provide highly accurate information determinable parameters, the optimal statements about the existing soil layer structures allow. A summary of research report 191 / '96 is also the article “Precise dielectric profiling of ice cores a new device with improved guarding and its theon "by F. Wilhelms et al., Journal of Glaciology, Vol. 44, No. 146, 1998, pp. 171-174. Is in this essay however, only a theoretical formula for the empty capacity without consideration of insulating layers and the usual Basic structure of the electrodes described. It will be here again shown that there is a DEP apparatus with an appropriate choice of dimensions in approximation an error rate in the range of up to 15% like an infinitely long one cylindrical Condenser can behave without air gaps. The main contributor to the mistake limited by scatter admittances (in the cables and the measuring bridge) absolute accuracy of the measuring bridge at. However, the error can be caused by the calibration measurement described above be significantly reduced.
Kapazitiv-elektrisch wirkende Bohrlochsonden
sind bislang nicht bekannt. Auch die größte am Markt existierende Prospektionsfirma „Schlumberger"
verwendet nur magnetisch-induktiv wirkende Sonden mit unterschiedlichen
Sender-Empfänger-Anordnungen
unter Verwendung von Induktionsspulen. Die bevorzugte Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahren
stellt daher eine völlig
neue Prospektionssonde mit optimaler Handhabung für eine zuverlässige Durchführung von
kapazitiven Messungen dar. Nach einer Ausgestaltung dieser Vorrichtung
mit einer dielektrischen Profilapparatur mit einem elektrisch abgeschirmten
und geschützten
zylinderförmigen
DEP-Kondensator
aus Messelektrode, Schutzelektrode und Gegenelektrode als Messkapazität ist deshalb
vorgesehen, dass die Länge
und der überstrichene
Winkelbereich der Messelektrode im Verhältnis zu verbleibenden Randspalten
und zur Länge
der Schutzelektrode so gewählt ist,
dass im Rahmen der angestrebten Messgenauigkeit eine vereinfachende,
nur Variationen in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse berücksichtigende
Theorie verwendet wird. Dabei kann die DEP-Apparatur konstruktiv
bevorzugt so ausgelegt sein, dass die Länge der Messelektrode im Bereich
von 10 mm liegt und dass bei einem Einsatz der Apparatur als Bohrkerndetektor
die Länge
der Schutzelektrode im Bereich von 300 mm oder bei einem Einsatz
der Apparatur als Bohrlochsonde im Bereich des Sechs- bis Zehnfachen
davon liegt. Deutlich ist bei dieser Ausgestaltung festzustellen,
dass bei einem Einsatz der Vorrichtung als Bohrlochsonde eine wesentlich
größere Dimensionierung
vorgenommen wird. Um Wiederholungen in der Begründung zu vermeiden, sei an
dieser Stelle auf den speziellen Beschreibungsteil zu den
Bereits im Eingang der Beschreibung wurde erläutert, dass zur möglichst realitätsnahen Auslegung der Parameterberechnung auch die Isolierspalte zwischen den Elektrodenhalbschalen berücksichtigt werden, allerdings mit minimierten Abmessungen. Dies kann gut eingehalten werden, wenn gemäß einer nächsten Ausgestaltung der Isolierspalt zwischen Mess- bzw. Schutzelektrode und Gegenelektrode nur so breit ist, wie es aus isolations- oder produktionstechnischen Gründen erforderlich ist. Hierbei kann es sich z.B. um die Durchschlagfestigkeit des Isoliermaterials, die Breite des Sägeblatts zum Zerteilen eines Rohres in zwei Halbschalen oder Fertigungstoleranzen handeln.Already in the receipt of the description was explained that as possible realistic Interpretation of the parameter calculation also the isolation gap between the electrode half-shells be, but with minimized dimensions. This can be kept well if, according to a next design the insulating gap between the measuring or protective electrode and the counter electrode is only as wide as it is from insulation or production technology establish is required. This can e.g. about the dielectric strength of the insulating material, the width of the saw blade for cutting one Trade tube in two half shells or manufacturing tolerances.
Das erfindungsgemäße Messverfahren und eine bevorzugte Anordnung zu seiner Durchführung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren und Diagramme näher erläutert. Dabei zeigtThe measuring method according to the invention and a preferred one Order to carry it out are based on the schematic figures and diagrams explained in more detail. there shows
Die
In den
Da die Schutzelektrodenausdehnung jedoch immer noch lang gegenüber der Ausdehnung der Lo-Elektrode ist, verlaufen die elektrischen Feldlinien im Bereich der Lo-Elektrode in sehr guter Näherung in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse. Damit ergibt sich eine Reduzierung des Problems von dreidimensionalen Koordinaten auf ebene, zweidimensionale Polarkoordinaten. Es ist weiter zu beachten, dass auf der Außenseite – respektive auf der Innenseite – der Apparatur DEP ein elektrischer Potentialabfall von der gleichen Größe wie auf der Innenseite – respektive auf der Außenseite – herrscht. Bei einer Halbschalengeometrie ohne seitliche Schutzelektroden Guard-E resultiert daraus eine beträchtliche Streukapazität. Es zeigt sich, dass die Kapazität halbiert wird, wenn man die Außenseite – respektive die Innenseite – abschirmt. Bei der DEP-Apparatur ist deshalb eine elektrische Abschirmung DK aus Aluminium an der Außenseite – respektive DB an der Innenseite – im Bereich der Lo-Elektrode angebracht, die mit der Schutzelektrode Guard-E abschließt. Die Abschirmung wird auf Erdpotential gelegt, sodass die Schutzelektrode Guard-E die Lo-Elektrode auf der Außenseite – respektive auf der Innenseite – vollkommen umschließt. Bei der Beschattung liegen Schutzelektrode Guard-E und Lo-Elektrode auf gleichem Potential, wie vom Schutzelektrodenkonzept gefordert, da die Lo-Elektrode auf virtueller Erde liegt. Die Einschübe im vorangehenden Text beziehen sich auf den jeweiligen anderen Anwendungsfall der DEP-Apparatur. Bei einer Bohrlochsonde ist im Innenbereich eine Abschirmung um die Lo-Elektrode anzubringen, da die influenzierten Kapazitäten noch größer als im Außenbereich sind. Die Isolierung für das Blocking-Elektrodenkonzept wurde durch Eloxieren der Alu miniumschalen zur Bildung einer Aluminiumoxidschicht erreicht. Weitere konstruktive Maßnahmen zur mechanischen Realisierung einer kompletten Messstation sind dem bereits genannten Forschungsbericht 191/'96 zu entnehmen.However, since the protective electrode extension is still long compared to the extension of the Lo electrode, the electric field lines in the area of the Lo electrode run in a very good approximation in the plane perpendicular to the cylinder axis. This results in a reduction of the problem from three-dimensional coordinates to flat, two-dimensional polar coordinates. It should also be noted that on the outside - or on the inside - of the DEP apparatus there is an electrical potential drop of the same Size as on the inside - or on the outside - prevails. With a half-shell geometry without Guard-E protective electrodes on the side, this results in considerable stray capacitance. It turns out that the capacity is halved if you shield the outside - or the inside -. In the DEP apparatus, an electrical shield D K made of aluminum is therefore attached to the outside - or D B on the inside - in the area of the Lo electrode, which terminates with the Guard-E protective electrode. The shield is connected to earth potential so that the Guard-E protective electrode completely encloses the Lo electrode on the outside - or on the inside. When shading, the Guard-E protective electrode and Lo electrode are at the same potential as required by the protective electrode concept, since the Lo electrode is on virtual earth. The inserts in the previous text refer to the respective other application of the DEP apparatus. In the case of a borehole probe, a shield must be attached around the Lo electrode, since the capacities influenced are even larger than in the outside area. The insulation for the blocking electrode concept was achieved by anodizing the aluminum shells to form an aluminum oxide layer. Further constructive measures for the mechanical realization of a complete measuring station can be found in the previously mentioned research report 191 / '96.
Der
Der
In der
Eine anschauliche Interpretation der Ergebnisse kann ausgehend von der Proportionalität von Feldliniendichte und influenzierter Lasung entwickelt werden. Je länger der Zylinder ist, desto mehr wird das Feld in der Mitte im Messelektrodenbereich zusammengedrückt und die Feldkomponenten in Richtung der Zylinderachse werden kleiner. Damit ist verdeutlicht, dass die Leerkapazität eines endlich langen Zylinders größer als die eines unendlich langen ist, da für den zusätzlich vom Feld durchgriftenen Raum mehr Ladungen auf der Obertläche der Feldlinienquellen untergebracht werden können. Da der Innenraum effektiver umschlossen wird als ein nach unendlich ausgedehnter Außenraum, wird das Feld im Innenraum stärker zusammengedrückt als im Außenraum. Weiterhin zeigen die Ergbnisse, dass eine Bohrlochsonde nur wenige Meter lang sein muss, um die Fehlergrenze unter 1 % zu drücken. Solche Längen sind aber noch gut zu handhaben und insofern stellen die hier von der Theorie geforderten Dimensionierungen keine Einschränkungen der technischen Ausführbarkeit dar. Die konservative Wahl von ca. 70 cm Schutzelektrodenlänge bei bekannten DEP-Apparaturen könnte bei zukünftigen Dimensionierungen von Apparaturen sogar auf ca. 30 cm reduziert werden, da dann die Unsicherheit mit der Länge gleich groß bleibt mit der Unsicherheit der aus technischen Gründen verbleibenden Luftspalte zwischen den Elektrodenberandungen.A clear interpretation of the results can be made based on the proportionality of Feldli niene-tight and influenced solution are developed. The longer the cylinder is, the more the field is compressed in the middle in the measuring electrode area and the field components in the direction of the cylinder axis become smaller. This makes it clear that the empty capacity of a finitely long cylinder is larger than that of an infinitely long one, since more charges can be accommodated on the surface of the field line sources for the additional space penetrated by the field. Since the interior is enclosed more effectively than an infinitely extended exterior, the field in the interior is compressed more than in the exterior. Furthermore, the results show that a borehole probe only has to be a few meters long in order to keep the error limit below 1%. However, such lengths are still easy to handle and, in this respect, the dimensions required here by theory do not represent any restrictions on the technical feasibility. The conservative choice of approximately 70 cm protective electrode length in known DEP apparatuses could even be approximately 30 in the future dimensioning of apparatus cm are reduced, since the uncertainty then remains the same with the length with the uncertainty of the air gaps remaining for technical reasons between the electrode edges.
Die
und
- DEPDEP
- DiElectric Profiling-ApparaturDielectric Profiling equipment
- HP-LCRHP-LCR
- Energieversorgungpower supply
- Hi-EHi-E
- Gegenelektrodecounter electrode
- Lo-ELo-E
- Messelektrodemeasuring electrode
- Guard-EGuard-E
- Schutzelektrodeguard electrode
- DB D B
- elektrische Abschirmung für Bohrlochmessungelectrical Shielding for logging
- DK D K
- elektrische Abschirmung für Kernmessungelectrical Shielding for core measurement
- ll
- Länge der MesselektrodeLength of measuring electrode
- LL
- Länge der Guard-ElektrodeLength of Guard electrode
- VV
- Potentialpotential
- aa
- HalbschalenradiusHalf shell radius
- nn
- Anzahl der radialen Schichtennumber of the radial layers
- mm
- SummationsindexSummation Index
- ii
- bestimmte radiale Schicht, Messortcertain radial layer, measuring location
- CC
- effektive Messkapazitäteffective measuring capacitance
- C0 ∞ C 0 ∞
- Leerkapazität für einen unendlich langen ZylinderEmpty capacity for one infinitely long cylinder
- C0 L C 0 L
- Leerkapazität für einen Zylinder der Länge LEmpty capacity for one Cylinder of length L
- RR
- Ortsvektorposition vector
- εε
- effektive Dielektrizitätskonstanteeffective permittivity
- εi ε i
- relative Dielektrizitätskonstante der Schicht irelative permittivity layer i
- x,y,zx, y, z
- kartesisches KoordiatensystemCartesian Koordiatensystem
- ρ,φ,zρ, φ, z
- ZylinderkoordinatensystemCylindrical coordinate system
- ρ,φρ, φ
- PolarkoordinatensystemPolar coordinate system
- ξ,Φ0, ψξ, Φ 0 , ψ
- Winkelabmessungenangle dimensions
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DE1999148684 DE19948684B4 (en) | 1999-09-30 | 1999-09-30 | Computer-aided measurement method for determining the dielectric properties of floor layer structures and device for carrying out the method |
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