Спосіб аналізу електрофізичних параметрів грунтових шарів та пристрій для його здійснення

1. Спосіб аналізу електрофізичних параметрів грунтових шарів, який полягає в тому, що вимірювальні електроди розміщують у матеріалі грунту, екранованому корпусом від змін вологості, впливу температури, електростатичного і магнітного зовнішніх полів, після чого реєструють електрофізичні параметри грунту в кожному з горизонтальних шарів грунту, який відрізняється тим, що в грунт вводять два рівнобіжних ряди з n електродів у кожному ряді, розміщених у внутрішньому порожнистому каналі корпусу, підключають до електродів постійну та змінну пряму та обернену живильну напруги, виконують 2n2 послідовних виміри міжшарових електрофізичних параметрів для кожного шару одним з n електродів одного ряду щодо усіх інших n електродів другого ряду із наступним усе C2 2 UA 1 3 Відомий спосіб аналізу струмових імпульсних процесів у розчинах електролітів [1], основою якого є вимір електричних параметрів електролітів за допомогою комп'ютерної системи вимірів, що містить з'єднані один з одним комп'ютер і цифроаналоговий перетворювач із, принаймні, двома вхідними каналами для виміру параметрів струму й поляризаційної напруги в зразку. Недоліком його є те, що одержувані при такому способі дані стосуються всього обсягу електроліту, і не підходить для багатошарових об'єктів з різною електропровідністю в шарах, наприклад у шарах ґрунту при його висиханні. Відомим є пристрій для виміру вологості деревини, призначений для виміру вологості неметалічних матеріалів. Вологомір містить датчик з трьома електродами у вигляді голки та вимірювальний блок з індикацією. Дві пари голкових електродів знаходяться на ломаній лінії у вигляді прямого кута вздовж та поперек шарів деревини. Між вимірювальними електродами та вимірювальним блоком встановлено перемикач пар електродів [2]. Недоліком є неможливість використати такі пари в глибині ґрунту, неможливість оцінювати пошарові зміни фізичних параметрів ґрунту в його глибині. Найбільш близьким є відомий спосіб реєстрації динаміки електричної активності ґрунтів, що полягає в тому, що розміщують вимірювальні електроди в ґрунтовому зразку, який розміщено у вентильованій кюветі, зразок нормалізують по величині вологості, екранують від змін вологості й температури навколишнього середовища, а також від електростатичних і магнітного зовнішніх полів. Після цього реєструють часову динаміку електричних потенціалів у кожному з горизонтальних шарів грунту. Після цього по відношенням еталонних й зареєстрованих величин кожного горизонтального шару зразку роблять висновок про динаміку їх електричної активності та функціональний стан [3]. Недоліком способу є то, що зразок виймають з грунту та роблять аналіз у штучних умовах, що відрізняються від реальних. Для його використання, також, потрібно знати еталонні параметри, які можуть не відповідати конкретним даним шарам грунту. Крім того, при такому способі зручно реєструвати електричну активність грунту, але не його фізичні параметри (електропровідність, електроємність). Найбільш близьким до винаходу є відомий пристрій для вимірювання електропровідності грунтів [4], що виконаний у вигляді кондуктометричної кювети, дно якої зроблено у вигляді рухливої діелектричної основи, у яке вмонтовано центральний живлючий та два приймальних електрода. Другий живлючий електрод вмонтовано у бокову стінку кювети. Вивільнення кювети від грунту йде шляхом тиску на шток, яким натискаючи на основу виштовхують грунт із кювети. Недоліком прототипу є неможливість одночасного вимірювання параметрів декількох шарів грунту, та необхідність виймати досліджуваний матеріал з грунту що змінює його параметри, оскільки відомо, що на різній глибині грунту електрофізичні параметри можуть дуже швидко змінюватися [5]. 88044 4 Задача винаходу як у частині способу, так і в частині пристрою - підвищення точності виміру фізичних параметрів грунту по шарах, одночасний вимір параметрів великої кількості тонких шарів, а також виміри в природних умовах без виїмки грунту за рахунок многомірного вимірювання параметрів шарів грунту через свій шар та поруч розташовані шари. Поставлена задача щодо способу вирішується тим, що в грунт вводять два рівнобіжних ряди з nкількістю електродів у кожному, підключаючи до електродів постійну та змінну пряму й обернену живлячу напруги, роблять 2n2 послідовних виміра міжшарових параметрів для кожного з n шарів щодо даного й усіх інших шарів із наступним усередненням даних електрофізичних параметрів по кожному із шарів і аналізом форми розподілу фізичних параметрів по шарах, причому глибину кожного досліджуваного шару визначають лінійним розміром електродів. Поставлена задача в частині пристрою вирішується тим, що він містить блок керування і порожнистий зонд, який має металевий зовнішній каркас з загостреними кінцями, усередині каркаса знаходиться порожній канал, стінки якого виготовлені з ізоляційного матеріалу, на двох протилежних стінках якого встановлено ряд пласких неконтактуючих між собою електродів, електроди мають площу, рівну площі перетину каналу і не виходять за площину поверхні ізолятора, всередині ізоляторів стінок знаходяться провідники, кожний з яких електрично пов'язаний з одним з електродів і контактом прикріпленого до зонда роз'єму, що з'єднує електроди з блоком керування, який містить блоки змінного та постійного струму та три комутатори, перший і другий комутатор мають один вихід, третій - два виходи, причому виходи першого і другого комутаторів приєднані до різних виходів третього, виходи блоків змінного і постійного струму приєднані до входів третього комутатора, електроди одного ряду через роз'єм приєднані до входів першого комутатора, а електроди протилежного ряду - до входів другого комутатора, причому, виходи комутаторів також приєднані до входу аналізу комп'ютерної системи, а керування комутаторів здійснюється з її керуючих виходів. Технічний результат, який забезпечується обома об'єктами, складається в тому, що з'являється можливість реєстрації параметрів грунту з високою точністю по шарах грунту без виїмки досліджуваних зразків із грунту. При цьому провадиться послідовний вимір ряду фізичних параметрів не тільки від шару до шару, але і для кожного шару за допомогою вимірів через усі сусідні шари з перерахунком даних із метою перебування усереднених параметрів шарів із їх наступним графічним представленням. Сутність винаходу пояснюється кресленнями, де на Фіг.1, Фіг.2 та Фіг.3 показано схему зонду пристрою, на Фіг.4 - блок-схему блоку керування, на Фіг.5. та Фіг.6 показано порядок проведення вимірів параметрів грунту для декількох електродів. Пристрій, що здійснює пошаровий аналіз параметрів грунту на основі даного способу склада 5 ється з блока керування і порожнистого зонда (на Фіг.1 представлено вигляд фронтального подовжнього перетину зонду, Фіг.2 - вигляд поперечного перетину зонда). Зонд (Фіг.1) містить зовнішній міцний несучий металевий (що забезпечує екранування від зовнішніх полів) каркас 1 прямокутної форми із загостреним наконечником 2 для проникнення в грунт. Стінки 3 (Фіг.1, Фіг.2) полого каналу 4 зроблено з ізолюючого матеріалу. На двох протилежних стінках 3 знаходяться прикріплені через рівні інтервали електроди, що реєструють, 5 (Фіг.3). У стінках знаходяться також дроти, що йдуть від контактів електричного роз'єму 6 незалежно до кожного з електродів 5. Електроди 5 не виходять за площину поверхні ізоляційних стінок 3. Глибина проникнення зонда у грунт визначається прикріпленими до нього обмежниками 7. Блок керування пристрою містить у собі (Фіг.4) три комутатори (комутатор1, комутратор2 і комутатор3), блок постійного і блок змінного струму. Входи комутаторів 1 і 2 приєднано: до електрода ряду b для комутатора1, і а - для комутатора2. Виходи комутаторів 1, 2 і 3 постійно зв'язані із входами зовнішньої комп'ютерної системи, причому виходи комутаторів 1 і 2 приєднані до різних виходів комутатора3. Входи комутатора3 сполучені з блоками змінного і постійного струму. Усі комутатори спрацьовують при подачи на них керуючих імпульсів з виходів комп'ютерної системи. Засіб здійснюють за допомогою запропонованого пристрою в такий спосіб. Зонд вводять у грунт до максимальної, визначеної обмежниками 7 глибини занурення. Комутатор2 (Фіг.4) автоматично з'єднує один (наприклад, верхній - a1) електрод лівої смуги 6 зонда, а комутатор1 - верхній електрод (b1) правої - з компьютерною системою та блоком змінного або постійного струму (в залежності від позиції контактів комутатора3). Далі ЕОМ здійснює вимір різноманітних фізичних параметрів грунту. У подальшому при постійному приєднанні електрода а1 комутатором 1 по черзі аналогічним способом до вимірювальної системи підключають всі електроди правої смуги (b1 - bn) зонда. Потім комутатор2 приєднує до блока керування другий електрод лівої смуги зонда (а2) і знову по черзі всі електроди правої смуги зонда. Комутація і виміри проводяться доти, поки не буде підєднано останній (нижній) електрод правої смуги зонда (аn) і останній (нижній) - лівої (bn). При кожному підключенні комутатора до двох електродів і подачи на них напруги, вихідні сигнали передаються на обчислювальну машину, реєструються та аналізуються, після чого визначається опір, електропровідність, електроємність і індуктивність кожного шару, товщина якого дорівнює висоті електрода. Автоматично враховується зміна відстані між послідовно приєднаними до вимірювального ланцюга електродами зонда. По усереднених результатах виміру (у перерахунку на одиницю «довжини» грунти між електродами) знаходяться середні значення досліджуваного електрофізичного параметра грунту (опір, електроємність, індуктивність, імпеданс, електропровідність) для кожного з шарів грунти, товщина яких визна 88044 6 чається кроком відстані між електродами зондів. Інтенсивність електрохімічних процесів залежить не тільки від вологості аналізованого середовища, але і концентрації в ґрунтовій воді іонів хімічних речовин. При коливаннях хімічного складу аналізованого середовища значно збільшується похибка вимірів. Зміна концентрації, що спостерігається на практиці, іонів у грунтовому розчині призводить до того, що в ряді випадків інтенсивність електрохімічних процесів визначається не коливаннями вологості, а коливаннями солевмісту грунту, що призводить до збільшення помилки виміру до 100% [5]. У основу аналізу і розрахунку електрофізичних параметрів шарів грунту покладений такий підхід. Запропонований пристрій фактично є «набором» екранованих кондуктометричних кювет із кроком, рівним розміру одного електрода. Оскільки внутрішній канал зонда ізольований від зовнішнього грунту, а площа перетину каналу практично дорівнює площі електродів, то фізичні параметри грунтового зразка, замкнутого в зонді, стають «лінійними» щодо збільшення відстані між електродами. Нехай у зонді використовується набір із n пар електродів: а1, а2, а3,..., an і b1, b2, b3,..., bn. (Фіг.5). При використанні запропонованого способу спочатку пару електродів першого шару ( а 1 і b1) за допомогою комутатора приєднують до вимірювальної системи і визначають опір Ra 1 b 1 між електродами, і електроємність C a 1 b 1 і індуктивність L a 1 b 1 . Далі провадяться аналогічні виміри щодо електрода а2 і усіх електродів b1 - bn. Останнім до системи аналізу приєднується електрод аn і провадиться реєстрації параметрів по шарах щодо цього електрода і усіх b. Знаючи розмір l (відстань між рядами електродів), площу зразка (рівну площі каналу зонда) S визначають електропровідність по постійному струму ga 1 b 1 між відповідними електродами по формулі: 1 l g= R S (1) а також C a 1 b 1 і індуктивність L a 1 b 1 на визначеній частоті (n) генератора, що задає. На другому етапі послідовно обчислюють зазначені параметри відносно усіх "прямих" пар електродів a1-b1, а2-b2,..., аn-bn, та проводять уточнюючі розрахунки щодо кожного шару. Так, вважаючи, що для електродів a1 і b2, які належать двом суміжними областям g + g a2b2 g a1b 2 = a1b1 , 2 l2 + h 2 R a1b2S де h - відстань між центрами сусідніх електродів, R a 1 b 2 - знайдений опір, знаючи після вимірів ga 1 b 2 , додатково знаходять ga 2 b 2 відносно електрода a1. ga 2 b 2 = 2 ×g a 1 b 2 - g a 1 b 1 . Далі, беручи дані для електродів а1 і b3 та враховуючи, що g a1b2 = g a1b3 = g a1b1 + g a2b2 + g a3b3 = 3 l2 + ( 2h)2 R a1b3S 7 88044 знаходять питому електропровідність для шару 3 відносно a1: ga 3 b 3 = 3 ×g a 1 b 3 - g a 1 b 1 - g a 2 b 2 . Відповідно, для шару n, його електропровідність буде: ga n b n = n ×g a 1 b n - g a 1 b 1 - g a 2 b 2 -. . .g a ( n - 1 ) b ( n - 1 ) . Разом, для вимірів щодо електрода а1 буде знайдено n параметрів електропровідності (по постійному струму) для шарів грунту по парам а1 b1, а2-b2, a3-b3 i т.д. до аn-bn. Далі аналогічним чином знаходять ці параметри відносно електроду а2, далі відносно а3, і так до аn. Для усунення можливих ефектів напівпровідникових властивостей грунту змінюють полярність сигналів, запропонованих до електродів, і проводять аналогічні виміри послідовно щодо усіх bn електродів, а потім проводять аналогічні розрахунки. У такий спосіб для кожного з n шарів буде отримано 2n2 вимірів електропровідності. Далі знаходять середнє значення електропровідності для кожного шару і проводять її пошарове графічне представлення. У запропонованому способі аналізу чим більше електродів на зондах, тим більше точні виміри для кожного шару і густіше (тонше) шари грунту, для яких є знайдений параметр електропровідності. Грунт має визначені діелектричні властивості [5], тому для аналізу його стану необхідно також 8 мати набір фізичних параметрів, отриманих на змінному струмі. Після реєстрації R a 1 b 1 аналогічно визначають електроємність ( C a 1 b 1 ) і індуктивність ( L a 1 b 1 ) на змінному струмі (на частоті n) використовуючи приєднаний до електродів блоку змінного струму (Фіг.4). Аналогічно знаходять 2n2 параметрів для пошарових C і L та роблять їхнє усереднення по шарах. Потім знаходять повний опір (імпеданс, Z) зразка грунту, по формулі: 2 1 ö æ Z = R 2 + ç wL ÷ wC ø è де w - кругова частота (w=2×n×v). Підставляючи в (1) замість R повний опір ланцюга Z (активне і реактивне) знаходять електропровідність шарів на змінному струму gn. Дані аналізу, що підтверджують ефективність запропонованого способу, приведені в таблиці 1 для значень параметрів електропровідності для 4 шарів грунту (чорнозем). Використано прямокутні електроди площею 1см2, відстань між рядами електродів l=1см при площі каналу в зонді - 1см2, змінна частота, на якій проводять вимір C І L - 1 КГЦ. ДЛЯ приведених даних через попередній полив (за 20хв до виміру) градієнт вологи в грунті спрямовано зверху униз (від верхніх до нижніх шарів). Таблиця 1 Зміни R,L,C параметрів грунту в залежності від використання різних пар реєструючих електродів Електроди а1 а2 а3 а4 b1 R, кОм L, мкГн 11,2 12 11,5 8 12,0 5 13,2 0 b2 C, нФ R, кОм L, мкГн 63,4 11,6 8 65,6 12,1 9 67,6 12,2 6 75,1 13,9 5 Проводячи автоматизований аналіз великої кількості вимірів фізичних параметрів, одержують пошарові усереднені дані імпедансу й електропро b3 b4 C, нФ R, кОм L, мкГн С, нФ R, кОм L, мкГн 65,7 11,9 6 67,4 13,3 4 68,5 12,4 7 70,2 14,0 4 70,1 12,8 8 72,1 14,5 0 78,7 14,4 0 81,5 15,2 0 C, нФ 75,3 78,8 81,6 86,1 відності для шарів грунту (таблиця 2), кількість яких відповідає кількості рівнобіжних пар електродів у зонді. Таблиця 2 Усереднені дані 8 вимірів деяких фізичних параметрів по кожному електроді зонда Шари a1-b1 а2-b2 а3-b3 а4-b4 g (1/ Ом×см) 8,9×10-5 8,3×10-5 7,8×10-5 6,5×10-5 Для електрофізичних досліджень по обчислених значеннях у залежності від глибини шару h для кожного параметра P будується візуальний «зріз» грунту (Фіг.6), по яких оцінюють її стан і вологість на різній глибині залягання. Таким чином, наявність двох рівнобіжних рядів електродів і використання реєстрації фізичних параметрів шару не тільки через свій шар, але і через усі сусідні шари, а також факт реєстрації Z ( О М) 10012 11172 12014 14743 gn (1 /Ом×см) 9,98×10-5 8,95×10-5 8,32×10-5 6,78×10-5 параметрів зразків грунту без їхньої виїмки з грунту дає більш точні результати. Література 1. Мамаев А.И., Мамаева В.А., и др. Спосіб визначення електричних параметрів сильнотокових імпульсних процесів у розчинах електролітів і компьютерна система виміру - RU №2284517, МПК G21N 27/00, опуб. 20.10.2005. 9 2. Урванов Г.Р., Брусин Н.А., Ладейщиков Н.В. Вологомір для виміру вологості деревини. Пат. Рос. (RU) №2180746, МКИ G01N 27/04, опуб. 2002.03.20 3. Комаров В.М., Гречушкин Б.А., Васильков Я.Р., Судник Ю.А., Снакин В.В., Скворцова И.Н. Спосіб реєстрації динаміки електричної активності грунтів. - Пат. Рос. (RU) №2267127, кл. G01N 88044 10 33/24, опубл. 2005.12.27. 4. Спешков Б.А., Яшин В.М., Спешков Б.А., Яшин В.М. Пристрій для вимірювання електропровідності грунтів. Пат. RU №92008679., МПК G01N27/02, опубл. 1995.01.27. 5. Русин Г.Г. Фізико-хімічні методи анализу в агрохімії. - М.: Агропромиздат, 1990. - 303с. 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 88044 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601