Способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01V3/02 

Изобретение относится к технической физике и может бвыть использовано при проведении долговременных стационарных измерений вариацийсопротивления геоэлектрических разрезов в комплексе методов предназначенных для прогнозирования землетрясений, а также при измерениях нелинейной вызванной поляри-зашга (НВП), параметрических измерениях сопротивления и поляризуемости горных пород с установками малых разм ров, (едйшоды - десятки метров)и при проведении лабораторных исследований. Известен способ определения изменений во времени электрического сопротив ления сред, заключакнцийся в том, что в земле возбуждают электроматаитное поле путем пропускания тока через слож ное заземление, состоящее из .нескольки уцапенных м Друг от друга питаю щих электродов, соединенных накоротко. Затем в заданных точках измеряют изме нения во времени разности потенциалов электрического поля. Известно устройство опредепешя изме нений во времени электрического сопротивления сред, состоящее из генератора тока, выходные клеммы которого соединены с заземлениями, а также датчика и измерителя сигналов L . Недостатком известного технического решения является то, что вследствие поляризации приэлектродных зон со временем происходит изменение са-руктуры возбуждаемых полей. Поскольку заземление не точечное, а состоит из нескольких электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга на поверхности земли, то с течением времени положение эквивалентной точки тока в землю изменяется, вследствие чего изменяется расстояние между эквивалентными точками ввода тока в землю, что приводит к тгогрешности измере НИИ (под эквивалентной точкой ввода то,ка в землю понимают точку ввода тока, эквивалентную сложному заземлению). Наиболее близким дс предлагаемому по технической сущности является способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред, пре HMjiiiecTBeHHO горных пород, njTeM возбуждения электромагнитного поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерение в заданных точках разности потенциалов электрического Устройство для осуществления этого способа содер.жит генератор тока, один из выходов которого через эталонный резистор подключен к параллельно соединенным входам нескольких регуляторо тока, основной блок контроля тока, первую основнуго и несколько (пег числу регуляторов тока) вспомогвтельHbtx вькодиых шин, а таюке приемный л чик, соединенный с измерителем сигнал причем второй выход генератора тока . соединен с второй основной выходной шиной, а отводы эталонного резистора с, измерителем, сигналов Г2 3 . Недостатком этих способа и устройст ва является низкая точность измерений измене1гай во времени электросопротивления сред при использовании установок с малыми размерами. В этих случаях, ток в землю вводится с помощью двух электродов, вьшолне1шых в виде секционированных стержней, труб или пластин, погруженных в землр. С течением врем ни вследствие поляризации приэлектродных зон и ихэлектроосмотического высушивания происходит перераспределение плотности тока, стекающего с разных частей электрода. В верхней, более сухой, части приэлектродных зон-происходит более сильная поляризация и высуши вашге, чем в нижней части. Поэтому с течением времени все меньшая часть то ка стекает с верхней части электрода, а все большая - с нижней части,что экв валентно изменению глубины расположения источника тока. Обычно стационарные измерения проводят при расположении устройства на дне шурфа глубиной до20-2 5 м, сечение которого равно примерно 3 4 м , дпя того, что&1 обес печить исклюяение влияния колебаний температуры воздуха, выпадения осадков и т. д. Поэтому расстояние между питаю щими электродами не может быть выбра ио 1Вольшим5-6 м, а кажущееся изменение глубины расположения источника тока доже на несколько сантиметров (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 - повьпиение точности измерений изменений во времени электрического сопротивления сред. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения изменений во времени электрического сопротивления срец, преимущественно горных пород, путем возбуждения электромагнитйого поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотводами и измерении в заданных точках разности потенциалов электрического поля, поддерживают постоянным во времени соотнощение величин токов, пропускаемых через каждый токоотвод. Кроме того, соотношение токов, пропускаемых через токоотводы, расположенные С(на максимальной и минимальной глубине от земной 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 выходные, 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 соответствуквдей вспомогательной ходной шиной и регулятором тока, а основной блок контроля .т.вк9 включен между основной выхоаной шиной я обшей точкой соецинения входов регуляторов тока и эталонного резистора. На чертеже изображена структурная схема устройства цля осушествпения щюалагаемого способа. Устройство содержит генератор J. тока, первый выход. которого через эталонный резистор 2 подключен к параллельно соединенным входам регутшторов 3 тока, выходы которых через вспомогательные блоки 4 контроля тока соединены с вспомогательными выходными шинами 5, общая точка соединения эталонного резистора и регуляторов тока соединена через основной блок 6 контро ля 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 чертеже показан участок изучаемой среды 11,.с поверхности 12 которой забит секционированный электрод, содержащий несколько токоотводов 13, разделенных изоляционными прокладками 14. Способ ос ществлягот следующим обр зом. 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 точки измерений. Так, если точка измере ний находится .на дне шурфа, то целесообразно одно заземление с несколькими токоотводами (секционированнь й металли ческий стержень, разделенный диэлектрическими прокладками) оборудовать-на дн шурфа, а второе - на 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 электрома нитное поле путем пропускания тока от генератора через описанную систему заземлений. Через 1-2 мин после включения тока, когда в земле установится ста ционарное электромагнитное поле, измеряют величину тока, пропускаемого чере каждый токоотвод, а также измеряют и запоминают амплитудупринимаемого и земли сигнала. Для осушествления опера ции запоминания можно воспользоваться компенсационньпу 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 сигнал суммируют с принимаемым из земли сигналом и добиваю1х;я нулевого значения суммарного сигнала. В дальнейшем, если геометрия установки не изменяется, 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 рассогласования, т. е. его приращения, которые свидетельствуют об изменении ьо времени электрического сопротивления сред (абсолютную величину удельного электрического сопротивления определяют путем деления амплитуды измеренного сигнала до начала кo шeнcaции на суммарную величину тока, пропускаемого через все токоотводы, и умножения полученного результата на коэффициент, зависящий от взаимного положения питающих и приемных электродов и определяемьШ по иэвестным формулам) Измерения проводят не непрерывно, а сеансами через 1-2 ч, включая ток на 5-10 мин. Так как приращения сигналов очень небольшие (вагриации сопротивления составляют сотые доли процента), то для уверенного шс выделения в землю требуется пропускать достаточно большие токи (единицы ампер и более). Под действием проходящего через заземление .тока приэлектродные зоны среды сильно поляризуются, в них протекают интенсивные электрохимические процессы, происходит процесс эпектроосмотического высушивания. В зависимости от состава среды по разному начинают изменяться токи, протекающее чю- рез каждый токоотвод. Чаще всего наиболее сильно изменяется переходное сопротивление токоотводов, расположенных близко к поверхности земли, а переходное сопротивление более глубоко расположенных токоотводов изменяется меньше. В процессе проведения измерений .. оператор контролирует величину тока, протекакяцего через каждый токоотвод, и поддерживает постоянньшс соотношение величин этих токов. Поддержание постоянного соотношения токов производят путем регулировки токов спедуклцим оф& зом. 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 1О%, что отмечается измерителем тока, а первоначальное соотношение токов, про-, пускаемых через токоотводы, составляет, например, 1:2:3:4:5 (через самый близко расположенный токоогвод к поверхности среды протекает гок в 5 раз меньший, чем ГОК, прогекакщий через самый глубоко расположенный), то оператор увели чивает силу тока, пропускаемого через каа5Дый токоотвод, так, чтобы соотношение токов оставалось таким же. Иногда изменяется ток толысо через один-гдва токоотвода. В этом случае оператор ре гупирувт ток только в цепи этих токоотводов, добиваясь исходного соотношения токов. Благодаря тому, что соотношение токов, испускаемых через токоотводы, под держивают постояньштм, перераспределения гока между отдельными токоотводаMii не происходит, струкТура возбуждаем го поля сохратгяеэхзя стабильной с высокой степещэЮ точности. Синхронные изменения величин тока,, протекающего. через все токоотводы, пропорциональные по вепячине друг другу, к снижению точ ности нзмерегшй не ведут, так как нри нзменек1-ш -тока ошшаково изменяет ся как нpнн. из земли сигнал, так и коьшенсирующий сигнал, пропорцио наггьный току. Благодаря этому значительно повьннаегся точность измерений. Ус -ройсгво для осуидествления спосо работаот следующим образом. Генератор 1 вырабатывает ток, напрн мер, инфранизкой частоты 0, ,Гц. Tof. перез эта.чониый резистор 2, регуляторы 3 тока, блоки 4 и 6 контроля тока, вспомогательные шины 5 и основ ныв шины 7 и 10 вводится в изучаемую среду 11, с .поверхности 12 которой в не9 погрзжено заземление, состоящее из токоогводов 13, разделенных изоля1шоннь1ыи прокладкаь-ш 14. Сигнал из земли йрй шмаетхзя ДЙГЧИЕОМ 8 к измеряется йа.мерителем 9 сигналов (например избирательным микровольтметром). В качества из лepитeля 9 может быть использовано устройство дня измерения поляризуемости н сопротивления среды или активной и реактивной составляюшюс коылл9ксного еопроуивлешм среды, выполненное по компенсадионкой схеме. Опорный сигнал, пропорциональный току, Фйимают с эталонного резистора 2 н через регуляторы активйЬ® и реактивной состйвлякшшх коьетёвюирующего сигнала, установлешале в блоке 9, вводят ГЕОСййДовргельйо с выходом пр eiMHoro датчика 8, добиваясь полной кокшенсйЯйи .на входе измерителя, который в данном случае служит в качестве нуль-индикатора, а отсчет амплитуды измеряемого сигнала и его. приращений определяют по показаниям органов регулирования величин активной и реактивной составляющих компенсирующего сигнала. Вначале оператор с помошью блоков 4 и 6 контроля тока измеряет величину тока, стекакщего через каждый токоотвод, а затем с помощью регуляторов 3 устанавливает заранее, выбранное соотношение токов. При этом исходят из следукялего. Поскольку влажность приэлектродной зокы увеличивается с глу&1ной, процесс высушивания уменьшается с глубиной. Зная плошадь каждого токоотвода, прежде всего устанавливают такую величину ока генератора 1, протекакяцего через самый глубоко расположенный токоотвод, плотность тока не превышала 0,05 мА/см (при большей плотности к:ледствие интенсивных электрокимических процессов вблизи токоотвода образуется плохопроводяший слой продуктов реакции, ток йлстро падает почти до нуля и без электрода не может быть увеличен). Ток, пропускаемый через каждый следующий токоотвод„ уменьшают таким образом, чтобы плотность тока. протекающего через самый верхний токоотвод, не лревышала О,б1-0,р1бмА/см При таких величинах тока обеспечивает ся наиболее равномерное изменение переходного сопротивления токоотводов (вблизи поверхности земли процессы электроосмоса сильнее влияют на перехйдное сопротивление токоотвода, и для уменьшения этого втгяния уменьшают., веяичину тока, пропускаемого через токоотвод)., В ряде случаев после установки указанных величин токов в процессе измерений изменение соотношения токов, прояускаемых через кйждый токоотвод, очень невелико и оператору достаточно произвести небольшую регулировку одним-двумя, регупятор1ами 3, чтобы поддерживать это соотношение постоянным. Тем не менее каждый раз, когда через заданный интервал времени устррйство включают для измерений, величины токов, пропз каемых через каждый токоотвод, контролируют и поддерживают постоянным их соотношение. Технико-экономическая эффективность применения предлагаемого технического решения заключается в исключении погрешностей измерений, обусловленных по-, ляризациёй приэлектродных зон земли под действием проходящего через них тока. Благодаря этому обеспечивается возможность проведения высокоточных стационарных измерений в течение длительного времени (месяцы -годы) в ком лексе методсЪ, испол1 зуемых для прогнозирования землетрясений, геокриологических исследований в районах распространения вечной мерзлоты, а также при измерениях НВП. При использовании предлагаемого устройства для достижения точности исследо ваний при измерениях НВП достаточно использовать вместо двух циклов пропуск ния тока один, чгп приводит к увеличению производительности работ в 1,4 раза по сравнению с известным устройство Годовая экономия на один прибор состав ляет 1О10О руб. Формула изобретения . 1. Способ определения изменений во времени электрического сопротивления сред, преимущественно горных пород, путем возбуждения электромагнитного поля при пропускании электрического тока через заземления с несколькими токоотврдами и измерении в заданных точках разности потенциалов электрического поля, отличающи йся тем, что, с целью повышения точности измерений, поддерживают постоянным во времени соотношение величин токов, пропускаемых через каждый токоотвод. И. Способ по п. 1, отличающ и и с я тем, что соотношение токов, пропускаемых через токоотводы, расположенные на максимальной и минимальной глубине от земной поверосности, выбирают в пределах 3:1 - 5:1. 3. Устройство определения изменений во времени электрического сопротивлегтая сред, .содержащее генератор тока, один из выходов которого через эталонный резистор подключен к параллельно соединенным входам регуляторов тока, основной блок контроля тока, первую и вспомогательные выходные шины количество которых соответствует коли честву регуляторов тока, а также приемный датчик, соединенный с измеритеием сигналов, причем второй выход гвно ратора тока соединен с второй ocv-новной выходной шиной, а от&оды эталонного резистора - с измернтвлем, сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены вспомогател ные 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 точкой совд|1п нения входов регуляторов тока и.этало ногр 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 СССР № 748318, кл. G, 01 V 3/02, 1978 (прототип).