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

ликоваио 2 а опублико Да Л, Багмет, .В. В. Сушкевич, Р и М. И. Багмет 72 Авт В апов обретени Институт физики земли им. О.Ю. Шмидта АН СС 1) Заявитель ОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ВО ВРЕМЕТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СРЕДУСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 4 Недостатком извес решения является то поляризации приэлект менем происходит и возбуждаемых полей О Изобретение отн осится к технической. физике и может быть использовано при проведении долговременных стационарных измерений вариаций сопротивления геоэлектрических разрезов в комплексе методов предназначенных для прогноэи 1роввния землетрясений, в также при измерениях нелинейной вызванной поляризации (НВП), параметрических измерениях сопротивления н поляризуемости горных пород с установками малых раэмеО ров, (единицы - десятки метров)и при проведении лабораторных исследований.Известен способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред, заключающийся в том, что в земле возбуждают электромагнитное поле путем пропускания тока через сложное заземление, состоящее из .несколькихупаленных на 2-3 м друг от друга питаю 2 щих электродов, соединенных накоротко. Затем в заданных точках измеряют изменения во времени разности потенциалов электрического поля,Известно устройство определепи 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 .тного технического, что вследствие родных зон со врезменение саруктуры . Поскольку заземление не точечное, а состоит из несколь кнх электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга на поверхности земли, то с течением времени 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 то 4 ка в землю понимают точку ввода тока, эквивалентную сложному заземлению), 10009Наиболее близким;к предлагаемому по технической сущности является способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред, преимущественно горных пород, путем возбуждения электромагнитного поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерение в заданных точках разности потенциалов электрического 1 Е поля.Устройство для осуществления этого способа содержит генератор тока, один иэ выходов которого через эталонный резистор подключен к параллельно сое диненным входам нескольких регуляторов тока основной блОк контроля тока, первую Основнуо и несколько (по числу регуляторов тока) вспомогательных вьходных 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 С 2325 Недостатком этих способа и устройства является низкая точность измерений изменений во времени злектросопротивления сред при использовании установок с малыми 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 35 ных зон и ихэлектроосмотического высушивания происходит перераспределение плотности тока, стекаюпего с разных частей электрода. В верхней, более су 4 Ю 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 экви 45валептно изменению глубины расположения источника тока. Обычно стационарные измерения проводят при расположении устройства на дне шурфа глубиной до 20-25 м, сечение которого равно примерно 34 м, для того, чтобь 1 обес 2печить исклюнение влияния колебаний температуры воздуха, выпадения осадков и т, д, Поэтому расстояние между питающими электродами не может быть выбрано большим 5-6 м, а кажущееся изме нение глубины расположения источника тока лаже на несколько сантиметров йО 4(вследствие поляризации приэлектродных зон) приводит к изменению измеряемого сигнала на величину до единиц процентов что на два порядка может превысить уро вень искомых полезных вариаций сопротивления.Цель изобретения - повьпцение 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 попя при пропускании электрического 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 от жмной поверхности, выбирают в пределах 3: 1 - 5: 1.В устройство для определения изменений во времени электрического сопротивления сред, содержащее генератор гока, 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 эталонногорезистора - с измерителем сигналов, введены вспомогательные блоки контроля тока по числу регуляторов тока, включенные между соответствующей вспомогательной вь+: ходной шиной и регулятором тока, 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 1 тока, первый выход,которого через эталонный резистор 2 подключен к параллельно соединенным входам регуляторов 3 тока, выходы которых через вспомогательные блоки 4 контроля тока соединены с вспомогательными выходными5 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 второму выходу генератора 1 тока подключена вторая основная выходная шина 10. Кроме того, на чер теже показан участок изучаемой среды 11, с поверхности 12 которой забит секционированный электрод, содержащий несколько токоотводов 13, разделенных изоляционными прокладками 14.Способ осушествляют следующим образом.ФНа участке, где необходимо проводить долговременные стационарные иэ мерения вариаций электросопротивления изучаемой среды (например, на дне глубокого шурфа), устанавливают два электрода, Один из электродов удаляют нв максимально возможное расстояние от . 25 точки измерений. Так, если точка измерений находится,нв дне шурфа, то целесообразно одно заземление с несколькими токоотводами (секционированньтй металлический стержень, разделенный диэлектрическими прокладками) оборудовать на дне шурфа, а второе - нв поверхности земли вдали от шурфа (в бесконечности). На дне шурфа на расстоянии нескольких мет ров от 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 гепервтора 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 амплитудупринимаемого из земли сигнала. Для осуществления операции запоминания можно воспользоваться компенсационным методом измерений из токовой цепи передают опорный сигнал, форма которого точно соответствует форме возбуждакяцего тока, а амплитуда изменяется синхронно с изменениями амплитуды тока, затем этот сигнал55 суммируют с принимаемым из земли сигналом и добиваются нулевого значения суммарного сигнала, В дальнейшем, если геометрия установки не изменяетЙО 6ся, а сопротивление среды остается постоянным, то независимо от измененийтока суммарный сигнал будет равнымнулю,По истечении времени (недели,месяцы и более) регулируют сигнал рассогласования, т, е. его приращения, которыесвидетельствуют об изменении во времени электрического сонротивпения сред(абсолютную величину удельного электрического сопротивления определяют путемделения амплитуды измеренного сигналадо начала компенсации на суммарную величину тока, пропускаемого через всетокоотводы, и умножения полученногорезультата на коэффициент, зависящийот взаимного положения питающих и приемных электродов и определяемь 1 й по известным формулам), Измерения проводятне непрерывно, а сеансами через 1-2 ч,включая ток на 5-10 мин. Так как приращения сигналов очень небольшие (вариации сопротивления составляют сотыедоли процента), то для уверенного ихвыделения в землю требуется пропускатьдостаточно большие токи (единицы ампери более). Под действием проходящегочерез заземление .тока приэлектродныеэоны среды сильно поляризуются, в нихпротекают интенсивные электрохимические процессы, происходит процесс электроосмотического высушивания, В зависимости от состава среды по разному начинают изменяться токи, протекающие через каждый токоотвод, Чаще всегонаиболее сильно изменяется переходноесопротивление токоотводов, расположенных близко к поверхности земли, а переходное сопротивление более глубоко рвсцоложенных токоотводов изменяется меньше,В процессе проведения измеренийоператор 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 подлежашей регулировке. Если с течениемвремени этот ток увеличивается на 10%, что отмечается измерителем тока, а первоначальное соотношение токов, про- . пускаемых через токоотводы, составляет, например, 1:2:3:4:5 (через самый близкорасположенный токоотвод к поверхностисреды протекает ток и 5 раз меньший,чем ток, протекающий через самый глубоко расположенный), то оператор увеличивает силу тока, пропускаемого черезкаждый токоотвод, так, чтобы соотношенне токов оставалось таким же, Иногдаизменяется ток только через один-дватокоотвода, В этом случае оператор регулирует: ток только в цепи этих токоотводов, добиваясь исходного соотношения токов,Благодаря тому, что соотношение токов, испускаемых через токоотводы, поддержива 1 от и остоянным, перераспределения тока между отдельными токоотводами не происходитструктура возбуждаемо- а го ноля сохраняется стабильной с высокой степеш.о точности, Синхронные изменения величин тока, протекающего через все токоотводы, пропорциональныено величине друг другу, к снижению точности измерений не ведут, так как приизменении тока Одинаково изменяОРся как поиннмаемый из земли сигнал,так и комненсируюший сигнал, пропорционата:ный току. Благодаря этому значительно повышается точность измерений. Усгеройство для осуществления способаработает следующим образом,1"енератор 1 вырабатывает ток; например, инфранизкой частоты 0,1-10 Гц,Ток через этапониьгй резистор 2, реГуляторы 3 тока, блоки 4 и 6 контроля35тока, вспомогательные шины 5 и Основные шины 7 и ХО вводится в изучаемуюсреду 5.1, с поверхности Х 2 которойв нее погружено заземление, состоящееиз токоотводов 13, разделенных изоля 46ционными прокладками 14, Сигнал изземли пратимается датчиком 8 и измеряется измерителем 9 сигналов (например избирательным микровольтметром) .В качестве измерителя 9 может быть4использовано устройство дня измеренияполяризуемости и сопротивления средыили активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления среды, выполненное по компенсационнойсхеме. Опорный сигнал, пропорциональный току, снимают с эталонного резистора 2 и через регуляторы активйьй иреактивной составляющих компенсирующего сигнала, установленные в блоке9, вводят последовательно с выходом приемного датчика 8, добйваясь полнойкомпенсации сигнала.на входе измерителя, который и данном случае служит в 98 б Ькачестве нуль-индикатбра, .а отсчет амчлитуды измеряемого сигнала и его приращений определяют по показаниям органов регулирования величин актМвной и реактивнойй с оставлякзпих . компенсирующего сигнала.Вначале оператор с помощью блоков4 и 6 контроля тока измеряет величину тока, стекающего через каждый токоотвод, а затем с помощью регуляторов3 устанавливает заранее. выбранное соотношение токов, При этом исходят из следующего. Поскольку влажность приэлектроднойзоны увеличивается с глубиной, процессвысушивания уменьшается с глубиной.Зная плошадь каждого токоотвода, прежде всего устанавливают такую величинутока генератора 1, протекающего черезсамый глубоко расположенный токоотвод,чтобы плотность тока не превышала0,05 мЛ/см (при большей плотности2вследствие интенсивных электрохимических процессов вблизи токоотвода образуется плохопроводящий слой продуктовреакции, ток быстро падает почти до нуля и без перебивки электрода не можетбыть увеличен), Ток, пропускаемый черезкаждый следующий токоотвод, уменьшают таким образом, чтобы плотность тока,протекающего через самый верхний токоотвод, не /превышала 0,01-0,018 мА/смф.При таких величинах тока обеспечиваечся наиболее равномерное изменение переходного сопротивления токоотводов(вблизи поверхности земли процессыэлектроосмоса сильнее влияют на переходное сопротивление токоотвода, и дляуменьшения 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, оченьневелико и оператору достаточно произвести небольшую регулировку одним-двумярегуляторами 3, чтобы поддерживать этосоотношение постоянным, Тем не менеекаждый раз, когда через заданный интервал времени устррйство включают дляизмерений, величины токов, пропускаемыхчерез каждый токоотвод, контролируюти поддерживают постоянным их соотношение,Технико-экономическая эффективностьприменения предлагаемого техническогорешения 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 методов, используемых для прогнозирования землетрясений, геокриологических исследований в районах рвспростране О ния вечной мерзлоты,.а также при измерениях НВП.При использовании предлагаемого устройства для достижения точности исследований при измерениях НВП достаточно 13 использовать, вместо двух циклов пропускания тока один, что приводит к увеличению производительности работ в 1,4 раза по сравнению с: известным устройством. Годовая экономия на один прибор состав ляет. 10100 руб.ф ормул в иэо бретения1, Способ определения изменений вовремени электрического сопротивления сред, преимущественно горных пород, пу тем возбуждения электромагнитного поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерении в заданных точках разности потенциалов электрического по- Зв ля, о т л и ч в ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, поддерживают постоянным во времени соотношение величин токов, пропускаемых через каждый токоотвод.352. Способпоп. 1, отли ч вю- ш и й с я тем, что соотношение токов пропускаемых через токоотводы, располо 80 10женные на максимальной и минимальной глубине от земной поверхности, вы.бирают в пределах 3:1 - 5:1.3. Устройство определения измененийво времени электрического сопротивлениясред,.содержащее генератор тока, одиниз выходов которого через эталонныйрезистор подключен к параллельно соединенным входам регуляторов тока, основной блок контроля тока, первую основную и вспомогательные выходные шины,количество которых соответствует колиффчеству регуляторов тока, в тазже приемный датчик, соединенный с измерителемсигналов, причем второй выход генервтора тока соединен с второй ос 1 новной выходной шиной, а отводЫэталонного резистора - с измерителем,сигналов, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точностиизмерений, в него введены вспомогательные блоки контроля тока по числу регуляторов тока, включенные между соответствующей вспомогательной выходнойшиной и регулятором тока, в основнойблок контроля тока включен между основной выходной шиной и общей точкой соедЭнения входов регуляторов тока и.эталонного резистора,Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Мельников В. П. Электрофизические исследования мерзлых пород. Новосибирск "Наука, 1977, с. 65 - 75.2. Авторское свидетельство С,СР % 748318, кл. С 01 Ч 3/02, 1978 (прототип) .