Способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред и устройство для его осуществления

 

Союз Советскык

Социалистических

Республик (1).), 3 000980

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 02.12.81. (21 ) 3360478/18-25 с присоединением заявки М— (23) П риорнтет—

Опубликовано28.02 83 Бюллетень М 8

Дата опубликования описания 28.02.83.

401 V 3/02

Гееударствевай кенктет

CCCP (53) УДК SS0.83 (088.8) ао аман кзабреетеккк и етернтнй (72) Авторы изобретения

В. А. Попов, A. Л. Багмет, В. В. Сушкевич, Р и М. И. Багмет й

Институт физики земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР (7l) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ВО ВРЕМЕНИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СРЕД

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУКЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение отн осится к технической. физике и может быть использовано при проведении долговременных стационарных измерений вариаций сопротивления геоэлектрических разрезов в комплексе методов предназначенных для прогноэиl роввния землетрясений, в также при измерениях нелинейной вызванной поляриз ациии (НВП), параметрических измерениях сопротивления и поляризуемости горных пород с установками малых раэме-1о ров, (едЪнпшы — десятки метров)и при проведении лабораторных исследований.

Известен способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред, заключаюшийся в том, что в земле возбуждают электромагнитное поле путем пропускания тока через сложное заземление, состояшее из .нескольких ! удаленных на 2-3М друг от друга питаюзо ших электродов, соединенных накоротко.

Затем в заданных точках измеряют изменения so времени разности потенцивлов электрического поля.

Известно устройство определен изме пений во времени электрического сопро- тивления сред, состоящее из генератора тока, выходные клеммы которого соеди-. нены с заземлениями, а также датчика и измерителя сигналов $1) .

Недостатком известного технического решения является то, что вследствие поляризации приэлектродных зон со временем происходит изменение скруктуры возбуждаемых полей. Поскольку заземление не точечное, а состоит из несколь ких электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга на поверхности земли, то с течением времони положение эквивалентной точки ввода тока в землю изменяется, вследствие чего изменяется расстояние между эквивалентными точками ввода тока в землю, что приводит к погрешности измерен ний (под эквивалентной точкой ввода то4кв в землю понимают точку ввода тока, эквивалентную сложному заземлению) .

10009

Наиболее близким;к предлагаемому по технической сущности является способ определения изменений so времени электрического сопротивления сред, преимушественно горных пород, путем возбуждения электромагнитного поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерение в заданных точках разности потенциалов электрического 16 поля.

Устройство для осуществления этого способа содержит генератор тока, один из выходов которого через эталонный резистор подключен х параллельно соединенным входам нескольких регуляторов тока, основной блок контроля тока, первую основную и несколько (по числу регуляторов тока) вспомогательных выходных шин, а также приемный датчик, соединенный с измерителем сигналов, причем второй выход генератора тока . соединен с второй основной выходной шиной, а отводы эталонного резистора— с измерителем, сигналов (2) .

Недостатком этих способа и устройства является низкая точность измерений изменений во времени злектросопротивления сред при использовании установок с мапыми размерами. В этих случаях. ток в земпю вводится с помощью двух электродов, выполненных в виде секционированных стержней, труб или пластин, погруженных в землю. С течением времени вследствие поляризации приэлектрод%5 ных зон и их электроосмотического высу шивания происходит перераспределение плотности тока, стекаю пего с разных частей элехтрода. Вверхней,,более су49 хой, части приэлектродных зон происходит более сильная поляризация и высушиванпе, чем в нижней части. Поэтому с течением времени все меньшая часть тока стекает с верхней части электрода, а все большая — с нижней части,что экви45 валептно изменению глубины расположения источника тока. Обычно стационарные измерения проводят при расположении устройства на дне шурфа глубиной до 20-25 м, сечение которого равно примерно 3 ° 4 м, для того, чтобы обес2 печить исклюнение влияния колебаний температуры воздуха. выпадения осадков и т. д. Поэтому расстояние между питаюшими электродами не может быть выбрано большим 5-6 м, а кажущееся изме» нение глубины расположения источника тока даже на несколько сантиметров

60 4 (вследствие поляризации приэлектродных зон) приводит к изменению измеряемогo сигнала на величину до единиц процентов что на два порядка может превысить уро, вень искомых полезных вариаций сопротивления.

Цель изобретения - повъппение точности измерений изменений во времени электрического сопротивления сред.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения изменений во времени электрического сопротивления сред, преимущественно горных пород, путем возбуждения электромагнитного поля при пропускании злектрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерении в заданных точках разности потенциалов электрического поля, поддерживают постоянным во времени соотношение величин токов, пропускаемых через каждый токоотвод.

Кроме того, соотношение токов пропускаемых через токоотводы, расположенные чна максимальной и минимальной глубине or жмной поверхности, выбирают в пределах 3: 1 — 5: 1.

В устройство для определения изменений во времени электрического сопротивления сред, содержащее генератор тока, один из выходов которого через эталонный резистор подключен к параллельно соединенным входам регуляторов тока, основной блок контроля тока, первую основную и вспомогательные выход» ные. шины, количество которых соответствует количеству тока, а также приемный датчик, соединенный с измерителем сигналов, причем второй выход генератора тока соединен с второй основной выходной шиной, а отводы эталонного резистора — с измерителем сигналов, введены вспомогательные блоки контроля тока по числу регуляторов тока, включенные между соответствующей вспомогательной вь + : ходной шиной и регулятором тоха, а основной блок контроля,токр включен между основной выхоцной шиной и обшей точкой соединения входов регуляторов тока и эталонного резистора.

На чертеже изображена структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит генератор I тока, первый выход, которого через эталонный резистор 2 подключен к параллельно соединенным входам регуляторов 3 тока, выходы которых через аеаоМогательные блохи 4 контроля тока соединены с вспомогательными выходными

5 10000 шинами 5, общая точка соединения эталонного резистора и регуляторов тока соединена через основной блок 6 контроля тока с первой основной выходной шиной 7, приемный датчик 8 соединен с измерителем, 9 сигналов, к которому подключены также отводы эталонного резистора, к BtopoMy выходу генератора 1 тока подключена вторая основная выходная шина 10. Кроме того, на чертеже показан участок изучаемой среды 11, с поверхности 12 которой забит секционированный электрод, содержащий несколько токоотводов 13, разделенных изоляционными прокладками 14.

Способ осуществляют следующим образом.

Ф

На участке, где необходимо проводить долговременные стационарные измерения вариаций электросопротивления изучаемой среды (например, на дне глубокого шурфа), устанавливают два электрода. Один из электродов удаляют на максимально возможное расстояние от . g5

t точки измерений. Так, если точка измерений находится,на дне шурфа, то целесообразно одно заземление с несколькими токоотводами (секционированньтй металлический стержень, разделенный диэлектрическими прокладками) оборудовать.на дне шурфа, а второе — на поверхности земли вдали от шурфа (в бесконечности). На дне шурфа на расстоянии нескольких мет ров or первого заземления располагают приемный датчик, например заземленную приемную линию длиной 1-2 м, которую подключают к измерителю сигналов.

Затем возбуждают в среде электромагнитное ионе путем пропускания тока от 40 геператора через описанную систему заземлений. Через 1-2 мин после включения тока, когда в земле установится стационарное электромагнитное поле, измеряют величину тока, пропускаемого через каждый токоотвод, а также измеряют и запоминают амплитуду принимаемого из земли сигнала. Для осуществления операции запоминания можно. воспользоваться компенсационным методом измерений из токовой цепи передают опорный сигнал, форма которого точно соответствует форме возбуждающего тока, а амплитуда изменяется синхронно с изменениями амплитуды тока, затем этот сигнал

55 суммируют с принимаемым из земли сигналом и добиваются нулевого значения суммарного сигнала. В дальнейшем, если геометрия установки не изменяетЙО 6 ся, а сопротивление среды остается постоянным, то независимо от изменений тока суммарный сигнал будет равным нулю.

По истечении времени (недели, меся цы и более) регулируют сигнал рассот ласования, т, е. его приращения, которые свидетельствуют об изменении во времени электрического соцротивпения сред (абсолютную величину удельного электрического сопротивления определяют путем деления амплитуды измеренного сигнала до начала компенсации на суммарную величину тока, пропускаемого через все токоотводы, и умножения полученного результата на коэффициент. зависящий

or взаимного положения питающих и приемных электродов и определяемь и по известным формулам). Измерения проводят не непрерывно, а сеансами через 1-2 ч, включая ток на 5-1 0 мин. Так как приращения сигналов очень небольшие (вариации сопротивления составляют сотые доли процента), то для уверенного их выделения в землю требуется пропускать достаточно большие токи (единицы ампер и более). Под действием проходящего через заземление .тока приэлектродные эоны среды сильно поляризуются, в них протекают интенсивные электрохимические процессы, происходит процесс электроосмотического высушивания. B зависимости от состава среды по разному начинают изменяться токи, протекающие через каждый токоотвод, Чаще всего наиболее сильно изменяется переходное сопротивление токоотводов, расположенных близко к поверхности земли, а переходное сопротивление более глубоко расцоложенных токоотводов изменяется меньше, В процессе проведения измерений, оператор контролирует величину тока, протекающего через каждый токоотвод, и: поддерживает постоянным соотношение величин этих токов. Поддрржание постоянного соотношения токов производят путем регулировки токов следующим образом. Так как переходное сопротивление самого глубоко расположенного токоотвода наиболее стабильное, через этот токоотвод пропускают максимальный ток, и считают его величину опорной, не подлежащей регулировке. Если с течением времени этот ток увеличивается на 10%Ä что отмечается измерителем тока, а первоначальное соотношение токов, пропускаемых через токоотводы, составляет, например, 1:2:3:4:5 (через самый близи расположенный токоотвод к поверхности среды протекает ток и 5 раз меньший, чем ток, протекающий через самый глубоко расположенный), то оператор увеличивает силу тока, пропускаемого через каждый токоотвод, так, чтобы соотношение токов оставалось таким же. Иногда изменяется ток только через один-.два токоотвода. В этом случае оператор регулирует: ток только в цепи этих токоотводов, добиваясь исходного соотношения токов.

Благодаря тому, что соотношение токов, pcHóñêàåìûõ через токоотводы, поддержива1от п остоянным, перераспределения тока между отдельными токоотводами не происходит„структура возбуждаемого поля сохраняется стабильной с высо кой c"ãûreíûo точности. Синхронные изменения величин тока,. протекающего через все гокоотводы, пропорциональные но величине друг другу, к снижению точности измерепий не ведут, так как при изменении тока одинаково изменяется как принимаемый из земли сигнал, так и компенсирующий сигнал, пропорцио» нып:ный току. Благодаря этому значительно повышается точность измерений.

Устройство для осуществления способа работаег следующим образом. ."енератор 1 вырабатывает ток; например, инфранизкой частоты 0,1-10 Гц. гок через эталониьгй резистор 2, регуляторы 3 тока, блоки 4 и 6 контроля

35 тока, BcBОмогатсльные шины 5 и основ ные шины 7 и 10 вводится в изучаемую среду 11, с поверхности 12 которой в нее погружено заземление, состоящее из токоотводов 13, разделенных изоля46 ционными прокладками 14. Сигнал из земли при имается датчиком 8 и измеряется измерителем 9 сигналов (например избирательным микровольтметром) .

В качестве измерителя 9 может быть

45 использовано устройство для измерения поляризуемости и сопротивления среды или активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления среды, выполненное по компенсационной схеме. Опорный сигнал, пропорциональный току, анимают с эталонного резистора 2 и через регуляторы активньй и реактивной составляюпгих компенсирующего сигнала, установленные в блоке

9, вводят последовательно с выходом приемного датчика 8, добйваясь полной компенсации сигнала.на входе измерителя, который и данном случае служит в

98б Ь качестве нуль-индикатбра, а отсчет аьшлитуды измеряемого сигнала и его приращений определяют по показаниям органов регулирования величин актМвной и реактивнойй составляющих . компенсирующего сигнала.

Вначале оператор с помощью блоков

4 и 6 контроля тока измеряет величину тока, стекающего через каждый токоотвод, а затем с помощью регуляторов

3 устанавливает заранее. выбранное соотношение токов. При этом исходят из следующего.

Поскольку влажность приэлектродной зоны увеличивается с глубиной, процесс высушивания уменьшается с глубиной.

Зная площадь каждого токоотвода, прежде всего устанавливают такую величину тока генератора 1, протекающего через самый глубоко расположенный токоотвод, чтобы плотность тока не превышала

0,05 мЛ/см (при большей плотности

R вследствие интенсивных электрохимических процессов вблизи токоотвода образуется плохопроводящий слой продуктов реакции, ток быстро падает почти до нуля и без перебивки электрода не может быть увеличен). Ток, пропускаемый через каждый следующий токоотвод, уменьшаd or таким образом, чтобы плотность тока, протекающего через самый верхний токоотвод, не лревышала 0,01-0,016 мА/см .

При таких величинах тока обеспечиваеч ся наиболее равномерное изменение переходного сопротивления токоотводов (вблизи поверхности земли процессы электроосмоса сильнее влияют на переходное сопротивление токоотвода и для уменьшения этого влияния уменьшают.„ величину тока, пропускаемого через токоотвод).

В ряде случаев после установки указанных величин токов в процессе измерений изменение соотношения токов, пропускаемых через каждый токоотвод, очень невелико и оператору достаточно произвести небольшую регулировку одним-двумя регуляторами 3, чтобы поддерживать это соотношение постоянным. Тем не менее каждый раз, когда через заданный интервал времени устррйство включают для измерений, величины токов, пропускаемых через каждый токоотвод, контролируют и поддерживают постоянным их соотношение.

Технико-экономическая эффективность п рименения предлагаемого технического решения заключается в исключении пог9 10009 решностей измерений, обусловленных по-,ляризацией приэлектродных эон земли под действием проходящего через них тока. Благодаря этому обеспечивается воэможность проведения высокоточных стационарных измерений в течение длительного времени (месяцы — годы) в комплексе методпв, используемых для прогн зирования землетрясений, геокриологических исследований в районах распростране- 0 ния вечной мерзлоты, а также при измерениях КВП.

При использовании предлагаемого устройства для достижения точности исследований при измерениях НВП достаточно 35 испольэовать, вместо двух IlEIKlIoB пропускания тока один, что приводит к увеличению производительности- работ в 1,4 раза по сравнению с: известным устройством.

Годовая экономия на один прибор состав- 20 ляет . 1 01 00 руб.

Ф ормул а иэо бретения

1. Способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред, преимущественно горных пород. пу- 25 тем возбуждения электромагнитного поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерении s заданных точках разности потенциалов электрического по- 56 ля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, поддерживают постоянным во времени соотношение величин токов, пропускаемых через каждый токоотвод.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю - ш и и с я тем, что соотношение токов,, пропускаемых через токоотводы, располо80 10 женные на максимальной и минимальной глубине от земной поверхности, вы.бирают в пределах 3:1 — 5:1.

3. Устройство определения изменений во времени электрического сопротивления сред,.содержащее генератор тока, один из выходов которого через эталонный резистор подключен к параллельно соединенным входам регуляторов тока, основной блок контроля тока, первую основную и вспомогательные выходные шины, количество которых соответствует коли® честву регуляторов тока, а также приемный датчик, соединенный с измерителем сигналов, причем второй выход гене ратора тока соединен с второй основной выходной шиной, а отводЫ эталонного резистора - с измерителем, сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я . тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены вспомогательные блоки контроля тока по числу регуляторов тока, включенные между соответствующей вспомогательной выходной шиной и регулятором тока, а основной блок контроля тока включен между основной выходной шиной и общей точкой соедЭ нения входов регуляторов тока и.эталонного резистора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мельников В. П. Электрофизические исследования мерзлых пород. Новосибирск "Наука, 1977, с. 65 - 75.

2. Авторское свидетельство CCCP

% 748318, кл. 4 01Ч 3/02, 1978 (прототип) .

ВНИИПИ Закаэ 1 381/50 Тираж 708 . Поцписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгороп, уа. Проектная, 4