Искусственные и естественные заземлители: Естественные и искусственные заземлители

Содержание

Естественные и искусственные заземлители

Чтобы полу­чить заземляющие устройства с малым сопротивлением, широко используются естественные заземлители.

Естественным заземлителем называются находящиеся в со­прикосновении с землей электропроводящие части коммуника­ций, зданий и сооружений производственного или иного назначе­ния, используемые для заземления. К ним можно отнести: водопроводные и иные трубы, проложенные в земле, металличе­ские конструкции, хорошо связанные с землей, сварочные обо­лочки кабелей, металлические шпунты и т.п. На устройство та­ких заземлителей не требуется специальных затрат. Поэтому они должны быть использованы в первую очередь.

В тех случаях, когда такие естественные заземлители отсут­ствуют, для заземляющих устройств приходится устраивать ис­кусственные заземлители.

Искусственным заземлителем называется заземлитель, спе­циально выполненный для целей заземления. Для искусственных заземлителей применяются обычно

вертикальные и горизонталь­ные электроды.

В качестве вертикальных электродов использует­ся прутковая сталь диаметром 12 мм и длиной 4-5 м, а горизон­тальных — угловая сталь размером 50 x 50 x 6 мм и длиной 2,5-3 м или сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Верти­кальные электроды погружаются на глубину 4 м в предваритель­но вырытой траншее глубиной 0,7-0,8 м. Верхний конец электро­да должен выступать над дном траншеи на высоту 0,1-0,2 м. Вертикальные электроды с горизонтальными соединяются свар­кой. Погружение электродов производится, как правило, механи­зированным способом с помощью копров, вибраторов, гидропрес­сов и т.п. Траншеи с уложенными в них электродами следует засыпать землей, не содержащей камней и строительного мусора.

Выбор электродов и глубину их заложения определяют в зависимости от характера грунта и климатических условий.

В соответствии с ПУЭ величина сопротивления заземления нейтрали источника тока в любое время года должна быть:

не бо­лее 8 Ом при напряжении 220/127 В,

4 Ом при напряжении 380/220 В и

2 Ома при напряжении 660/380 В.

Если заземляющее устройство одновременно используется для электроустановок выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю, то сопротивление заземляющего устройства определя­ется по формулеr3 = 125 / I3, где I3 — расчетный ток замыкания на землю, А.

Приближенное значение расчетного тока I3 может быть оп­ределено таким образом

I3 =(35 lКЛ + lВЛ), А, где U — напряжение сети, кВ;

lКЛ и lВЛ — протяженность кабель­ных и воздушных линий, км.

На воздушных линиях зануление должно быть осуществле­но нулевым рабочим проводом, проложенным на тех же опорах, что и фазные провода. На концах воздушной линии длиной более 200 м, а также на вводах от воздушных линий к электроустанов­кам, которые подлежат занулению, должны быть выполнены по­вторные заземления нулевого рабочего провода. Общее сопротив­ление повторного заземлителя должно быть не более 5, 10 и 20 Ом при напряжениях 660, 380 и 220 В соответственно.

Расчет заземлителя сводится к определению количества вертикальных и длины горизонтальных электродов, обеспечи­вающих необходимую норму сопротивления заземления.

Какой заземлитель эффективнее: естественный или искусственный?

Все новости

02.03.16                            , 

Существует два вида заземления: искусственное и естественное. Роль естественного заземления выполняют части металлических конструкций объекта, постоянно находящиеся в земле: арматура фундамента, водопровод, обсадные трубы и т.д. Искусственное заземление - это отдельная самостоятельная конструкция, монтирующаяся в землю. Практически каждый подрядчик сталкивается с вопросом при установке заземления, какой заземлитель лучше: искусственный или естественный?

Для ответа на данный вопрос обратимся к нормативным документам, а именно к пунктам 1.7.54 и 1.7.109 “Правил Устройства Электроустановок” (ПУЭ). Здесь мы видим ответ: для заземления подойдут как естественные, так и искусственные заземлители. Давайте выясним, в каких случаях правильнее применить тот или иной способ? Разберем подробнее каждый из вариантов.

Вариант 1. Естественный заземлитель

Если вы решили использовать естественный заземлитель, то вам нужно знать о многих факторах: типе фундамента объекта, его материале, а также об агрессивности грунта. В разделе ПУЭ 1.7.109 изложены варианты конструкций объекта, которые можно применить в качестве заземлителя. Самым распространенным из них является фундамент. Различают несколько видов фундамента: ленточный, столбчатый, свайный и плитный. Выбор основы зависит от плотности грунта, сейсмической активности, рельефа поверхности, уровня грунтовых вод и глубины промерзания грунта. В качестве материала используют: арматуру, бетон, кирпич, дерево, бут, асбестоцементные или металлические трубы. Подробную информацию о фундаменте можно найти в нормативной документации (СНБ 5.01.01-99 Основания и фундаменты зданий и сооружений). Таким образом, при решении использования вашего фундамента в качестве заземлителя, нужно удостовериться, что он имеет электрически связанные металлические части.

Все элементы естественного заземлителя должны быть объединены в общий контур и контактировать с землей для отвода токов непосредственно или через бетон. Также, выбранный заземлитель должен удовлетворять требованиям ПУЭ касательно величины площади поперечного сечения проводника (Таблица 1.7.4). В процессе эксплуатации естественного заземлителя, нельзя допустить разрушение его структуры или нарушение работы устройств, связанных с ним.

Не допускаются в качестве заземлителя трубы канализации и центрального отопления, а также трубопроводы для горючих и взрывоопасных смесей. Трубы легко поддаются коррозии металла, разрывая при этом электрический контакт. Данный вид заземления безусловно более экономичный: не требует затрат на материалы, монтаж и демонтаж заземляющего устройства, но в ходе его длительной эксплуатации, ремонт поврежденных участков будет стоить не меньше, чем установка отдельного заземления.


Естественный заземлитель

Вариант 2. Искусственный заземлитель

Представляет собой совокупность электродов, установленных в земле и объединенных с электрооборудованием с помощью заземляющего проводника. В качестве материала электродов применяют омедненную сталь, оцинкованную сталь или черные металлы:

  1. Омедненная сталь - имеет наиболее высокую электропроводность и сцепление с различными материалами. Соединение меди и стали крепче, чем с цинком, поэтому омедненные стержни прочнее, чем оцинкованные. Медь менее электрохимически активная, чем цинк и сталь, что увеличивает срок службы до 100 лет.

  2. Оцинкованная сталь - коррозионностойкий материал с низким удельным сопротивлением. Электроды из данного металла имеют высокую устойчивость к кислотным средам со средним сроком службы 30 лет.

  3. Черные металлы - имеют высокую механическую прочность, но быстро разрушаются при эксплуатации в агрессивной среде грунта, образуя ржавчину и коррозию. И, как следствие, получаем высокое сопротивление растекания тока, представляющее опасность для жизни человека.

Размеры проводников должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 50571.5.54-2013. Множество вариантов установки заземляющего устройства помогает обеспечить нужную площадь контакта поверхности заземлителя с грунтом, что в свою очередь позволяет влиять на значение сопротивления растеканию тока. Преимуществом искусственного заземлителя является то, что его можно установить глубоко в землю, где удельное сопротивление ниже за счет грунтовых вод, которые стекают вниз. Это обеспечивает стабильность итогового сопротивления.


Искусственный заземлитель


Подведем итоги: можно выбрать в качестве заземлителя любой из описанных выше вариантов, главное подойти к данному вопросу ответственно. Для безопасности вашего дома и продолжительного срока службы, выбирайте заземление с антикоррозионным покрытием, изготовленным в соответствии с нормативными правилами. Позвоните или напишите в наш Технический центр и мы подберем для вашего объекта нужный комплект заземления.


Хотите получать избранные новости о молниезащите и заземлению раз в 3-4 недели?
Зарегистрируйтесь и автоматически получайте email-рассылку с подборкой.

Все новости публикуются в наших группах в мессенджерах и в социальных сетях.
[ Новостной канал в Telegram ]


виды, от чего защищает, применение, схема подключения

Такие заземлители являются одним целым проводником. Они должны удовлетворять требованиям правил устройств электроустановок касательно электрического сопротивления. Базовым материалом, применимым для элементов заземления – сталь. В случае невозможности использования стали, как альтернатива применимы алюминий и медь.

В статье расскажем про естественный заземлитель, рассмотрим основные виды.

От чего защищает заземлитель

Главное предназначение заземлителя – создание защиты от воздействия электрического тока. Заземление обеспечивает защиту самого человека и электроприборов. Существуют два основных вида заземления:

  • защитное;
  • рабочее.

Рабочее – в первую очередь служит для обеспечения безопасной работы большинства электрических приборов. Базовой задачей такой разновидности защиты есть реализация бесперебойного использования электрических установок, а также приборов такого рода в их нормальном режиме.

Защитное – основная цель заключается в обеспечении безопасности. Такой вид заземления позволяет снизить вероятность выхода из строя аппаратуры при воздействии на нее скачков тока либо напряжения. Данный тип обеспечивает защиту человека при работе с электрическим оборудованием. Причинами возникновения опасных значений тока и напряжения – удар молнии или неправильная эксплуатация рабочего оборудования.

Сравнение естественного и искусственного контура

Естественный контур – совокупность металлических конструкций, контактирующих с грунтом для обеспечения заземления. Заземлителем естественного типа может быть:

  • разновидность металлических сооружений, таких как арматуры строительных конструкций, которые контактируют с грунтом;
  • трубопроводы различного назначения, располагающиеся в земле.

Такой тип защитного контура должен быть связан с объектом минимум двумя заземляющими элементами. Они как правило монтируются в разных участках конструкции.

Нельзя применять в качестве естественного заземления:

  • трубные металлоконструкции токсичных веществ и горючих газов;
  • трубы, используемые коррозионностойкую изоляцию;
  • канализационные магистрали и отопительные системы.

Искусственный контур – металлические специальные приспособления, устанавливаемые в грунт для реализации заземления. Примеры таких контуров:

  • стальные балки, трубы, уголки, стержни, установленные в грунт;
  • заложенные в землю металлические полотна, различной формы.
Пример заземлителя в виде стального стержня с подключенным проводником заземления.

Все элементы искусственного контура должны иметь коррозионностойкие электрические проводники (из цинка, меди). Читайте также статью: → «Защитное заземление».

Преимущества и недостатки устройств заземления

  • Естественные устройства заземления лучше использовать в тех случаях, когда они позволяют обеспечить все требования техники безопасности, предъявляемые к ним.
  • Контуры заземления искусственные рекомендуется использовать для уменьшения величин токов, которые будут уходит в земли через естественные заземлители.
  • В большей степени можно обойтись использованием только естественных заземлительных приспособлений. Это прежде всего сохранит затраты на покупку дополнительных материалов, а также гораздо уменьшит трудовые и физические затраты. Кроме того, использование естественных приспособлений гораздо проще в применении нежели искусственных.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ)

В связи с ПУЭ происходит сооружение новых и реконструкция старых электрических установок. Речь идет о сооружениях питаемые переменным и постоянным токами с напряжением менее 750 кВ. Содержание вышеуказанных правил, необходимо применять для существующих конструкций, если это помогает повысить производительность и надежность электрического сооружения, а также способствует усовершенствованию требований техники безопасности. ПУЭ дает указание к проведению и ремонту всех электрических установок, а также производить их наладку и ремонт.

Использование фундамента как естественного заземлителя

Подготовка к сварке стальных арматурных прутков перед заливкой бетонного фундамента.

Заземлители в виде железобетонных фундаментов применяют только в случаях, когда бетонные конструкции спроектированы в виде отдельных блоков, соединенных между собой. Для более надежного построения, арматурные сваи сваривают между собой электродуговой сваркой.

Сегодня применение заземлителей на железобетонных фундаментах зданий возможно лишь при влажности грунта не более 3%. На сооружения могут воздействовать исключительно слабоагрессивные либо неагрессивные вещества.

Использование труб как естественного заземлителя

Если же за основу взят заземлитель трубопровода, то подключение производится на задвижке трубы через перемычку. Использование канализационной трубы как заземлителя крайне нежелательно, поскольку будет иметь место слабый электрический контакт в стыках металлоконструкции.

В качестве заземлительного проводника нельзя использовать водопроводные трубы или трубы, предназначенные для отопления. В трубопроводе могут присутствовать нетокопроводящие вставки, следовательно, это нарушит электроконтакт. Также на плохую электропроводность влияет коррозия. Читайте также статью: → «Разновидности систем заземления».

Монтаж и соединение заземлителей

Разновидности грунта, подходящие под строительство заземления:

  • суглинок;
  • глина;
  • торф.
Приведенные различные виды почв, в которых рекомендуется проводить установку заземлителей.

Разновидности грунта, не подходящие под строительство заземления:

  • каменный грунт;
  • скальный грунт.
Приведенные различные виды почв, в которых не рекомендуется проводить установку заземлителей.

Таблица 1. Показания удельных сопротивлений различных типов грунта, необходимые при монтаже заземления.

Каждый тип грунта, обладает при определенных условиях различными свойствами. Заземлительные электроды, зачастую выполняются из меди либо черного металла, покрытого цинком.

Таблица 2. Рекомендуемые сечения стальных (без покрытия) электродов для выполнения монтажа заземления.

Таблица 3. Рекомендуемые сечения медных электродов для выполнения монтажа заземления.

Таблица 4. Рекомендуемые сечения стальных оцинкованных электродов для выполнения монтажа заземления.

В виде электродов, для прокладки заземления можно применить:

  • уголок из стали с номинальными размерами 50 х 50 х 5, имеющие сечение 480 – 500 мм2;
  • полосу из стали с номинальными размерами 40 х 4, имеющие сечение 160 – 200 мм2.
Изображения нескольких разновидностей электродов, которые рекомендуется применять при различных видах заземления.

Отобранные вертикальные заземлительные материалы вкапываются в землю не полностью. Над поверхность должно остаться 20-25 см электрода. На следующем этапе электроды привариваются к стальным уголкам, установленным по периметру в виде треугольника.

Схема подключения стальных уголков, сваренных между собой по периметру в виде треугольника.

Совет #1. По окончанию монтажа, обязательно необходимо выполнить измерение сопротивления заземления.

Какие естественные заземлители использовать для частного дома

В качестве естественных заземлителей используются:

  1. Стальные и железобетонные сооружения, которые имеют непосредственный контакт с землей. К ним относятся фундаменты железобетонных зданий и сооружений, имеющие гидроизоляцию в условиях слабо- и среднеагрессивных условиях.
  2. Водопроводные трубопроводы, проложенные в грунте.
  3. Стальные фрагменты сооружений гидротехнического назначения.
  4. Иные элементы металлических конструкций и построений.

Защитный контур должен обеспечивать надежную защиту человека от воздействия на него электрического тока в случае соприкосновения с металлическими нетоковедущими фрагментами. Эти элементы могут находится под напряжением в случае выхода из строя изоляции. Читайте также статью: → «Монтаж контура заземления в доме».

Совет #2. Устанавливать защитное оборудование рекомендуется при непосредственном соприкосновении стальных частей электрических установок с «землей» либо с ее аналогом.

Практические вопросы по установке заземлителей

Вопрос №1. Какие разновидности природного заземления применяется на электролиниях?

В данном случае рекомендуется использовать свай, различные подножки железобетонные. Они будут играть роль заземлителей. Если же сопротивление грунтового покрова около 300 Ом/м, такое строение будет наиболее рациональное. Исходя из практики, грунтовая почва через определенной период после установки контура, будет со временем увлажняться. Тем самым смонтированная конструкция будет постепенно превращаться в естественный заземлитель. Сопротивление такой монтажной установки будет не сильно изменятся в течении времени работы, это позволяет просто не учитывать такие изменения.

Вопрос №2. В каких случаях применяется фундамент из железобетона в качестве заземлительного контура?

Такое строительное решение возможно, если используемая площадь грунта имеет влажность не менее 3%. При таком показателе влажности, бетон может оказывать гораздо большее сопротивление и как следствие не быть надежным заземлительным строением. Железобетон является защитным контуром, если на него не будут действовать токсичные и агрессивные среды.

Вопрос №3. Случаи, запрещающие использование фундамента на основе железобетона?

Железобетонная основа не является природным защитным контуром, если такое сооружение имеет нагруженные арматурные балки. При таких условиях бетонная конструкция не нуждается в монтаже искусственного заземлителя, что позволяет снизить размеры прокладывающих проводников. Такое решение позволит снизить затраты на дополнительном оборудовании, строительных материалах и приспособлениях.

Вопрос №4. Как необходимо соединить между собой фрагменты заземлительного контура?

Все элементы контура, как металлические, так и не металлические, должны соединяться между собой, тем самым обеспечив беспрепятственное прохождение по ним электрического тока. Во всех бетонных балках, если таковые используются, необходимо смонтировать в них закладные детали. Такие вспомогательные элементы устанавливаются на каждом этаже сооружения и к ним присоединяются оборудования для заземления.

Вопрос №5. Какие железобетонные сооружения не рекомендуется использовать, как заземлительный компонент?

Не желательно подводить заземляющий кабель к сборочной конструкции, которая полностью выполнена из железобетона. Нужно обеспечить надежное соединение между стальными арматурами и только сооружается естественное заземление. Если сложно реализовать такой процесс, рекомендуется использовать искусственный заземлительный контур.

4 ошибки при выборе естественных заземлителей

  1. Использование дешевых и плохопроводимых материалов, таких как:
  • ржавая арматура;
  • стержни с малой проводимостью.
  1. Монтаж заземлителя далеко от постройки. Заземлительное сооружение должно располагаться как можно ближе к строению в самом влажном месте, поскольку такая среда увеличивает проводимость и происходит мгновенное замыкание цепи и активация защитного устройства.
  2. Объединение заземленного контура с контуром молниезащиты. При отсутствии устройства защиты от импульсных перенапряжений, которое воспроизводит размыкание цепи при поступлении заряда высокого значения. Большая величина тока выведет из строя электроаппаратуру.
  3. Объединение проводника электробезопасности и рабочего нуля. Такое нарушение приводит к появлению больших токов и ошибочному срабатыванию устройства защитного отключения.

Оцените качество статьи:

Заземление силового оборудования и цеховых сетей / Справка / Energoboard

Электрические сети выполняют проводниками, изолированными друг от друга и от земли. Однако в сетях имеют место утечки тока через изоляцию. Электросети представляют собой протяженный конденсатор, обкладками которого являются токоведущие проводники и земля. Между проводниками и землей проходит емкостный ток. Таким образом, между изолированными проводниками и землей всегда существует электрическая цепь, замкнутая через сопротивление изоляции и емкость сети (рис. 1). Прикосновение не только к голым, но и к изолированным частям, находящимся под напряжением, включает человека в электрическую цепь. Ток, проходящий через тело человека, будет тем больше, чем выше напряжение сети, чем больше ее емкость и меньше сопротивление изоляции.

 

Наибольшую опасность представляют случаи повреждения изоляции токоведущих частей, при которых доступные для прикосновения металлические корпуса электрооборудования и конструкции  оказываются под полным напряжением. На эти случаи для обеспечения безопасности людей предусматривают преднамеренное соединение с землей металлических корпусов электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при нарушении изоляции токоведущих частей, с помощью заземляющих проводников и заземлителей.

Ниже приведены определения терминов, относящиеся к элементам заземляющих устройств в электрических установках.

Заземлитель — проводник или совокупность металлически соединенных проводников, находящихся в соприкосновении с землей или ее эквивалентом. Заземлители делят на искусственные и естественные.

Заземляющий проводник — проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем (рис. 2).

Заземляющее устройство — совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителя.

Замыкание на землю — случайное электрическое соединение токоведущей части непосредственно с нетоковедущими электропроводящими конструкциями и предметами, не изолированными от земли.

Замыкание на корпус — случайное электрическое соединение токоведущей части с металлическими нетоковедущими частями электроустановки.

Магистраль заземления или зануления — заземляющий (нулевой защитный) проводник с двумя или более ответвлениями.

Защитное заземление — преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

3ануление — преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Зона растекания тока — зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю.

3она нулевого потенциала — зона земли за пределами зоны растекания.

Напряжение на заземлителе — напряжение между заземлителем и какой-либо точкой зоны нулевого потенциала при стекании тока с заземлителя в землю.

Напряжение относительно земли — напряжение относительно точки земли, находящейся вне зоны растекания тока замыкания на землю.

Сопротивление растекания заземлителя — отношение напряжения на заземлителе к току, стекающему с него в землю.

Сопротивление заземляющего устройства — сопротивление, состоящее из сопротивления растеканию заземлителя и сопротивления заземляющих проводников.

Ток замыкания на землю — ток, проходящий в электрической цепи через место замыкания на землю.

Напряжение прикосновения — напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Шаговое напряжение — напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага (0,8 м), на которых одновременно стоит человек.

Заземленная нейтраль — нейтраль генератора (трансформатора), присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.

Изолированная нейтраль — нейтраль генератора (трансформатора), не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление.

В электроустановках до 1 кВ с заземленной нейтралью или глухозаземленным выводом источника однофазного тока, а также с глухозаземленной средней точкой постоянного тока выполняется зануление с целью обеспечения надежного автоматического отключения от электросети оборудования, имеющего поврежденную изоляцию, в минимально короткий срок.

 

Для этого зануляемые части электрооборудования присоединяют к заземленному нулевому проводу сети (рис. 3, а). Как видно из рисунка, замыкание на корпус светильника является замыканием в первой фазе сети (цепь замыкания показана стрелками), что вызовет перегорание предохранителей в этой фазе, отключение светильника и снятие напряжения его корпуса. В соответствии с ПУЭ наиболее распространенные электроустановки напряжением 380/220 В выполняются с глухозаземленной нейтралью.

В электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью, а также во всех установках выше 1 кВ выполняется заземление, предназначенное для снижения тока, протекающего через тело человека, до безопасного значения. Для этого заземляющие части электрооборудования присоединяют к заземляющему устройству, сопротивление которого Rз должно быть мало по сравнению с сопротивлением тела человека (рис. 3, б).
Электрическое сопротивление тела человека изменяется от 800 до 100 000 Ом. Оно зависит от многих факторов: состояния здоровья, нервной системы, психического состояния, влажности кожи, состояния одежды, обуви и других причин.

Сопротивление заземляющих устройств в электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью согласно ПУЭ должно быть не более 4 Ом, а в электроустановках 220, 380 и 660 В с заземленной нейтралью соответственно не более 8, 4 и 2 Ом.

В электроустановках 3—35 кВ сопротивление заземляющих устройств должно быть 125//р, но не более 10 Ом (/р — расчетный ток замыкания на землю). Если заземляющее устройство одновременно используется для установок до 1 кВ, то сопротивление его не должно превышать этих значений.

Заземление или зануление выполняют во всех случаях в электроустановках переменного тока при напряжении 380 В и выше и постоянного при напряжении 440 В и выше; при напряжении 42 В и выше переменного и 110 В постоянного тока в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках.

Во взрывоопасных установках заземление или зануление выполняют при любых напряжениях.

Заземлению или занулению подлежат корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т. п.; приводы электрических аппаратов; вторичные обмотки измерительных трансформаторов; каркасы распределительных щитов и щитов управления, а также съемные или открывающиеся части конструкций, если на них установлено электрооборудование; металлические конструкции РУ, металлические кабельные конструкции и кабельные соединительные муфты, металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабеле!} металлические оболочки проводов, стальные трубы электропроводки, корпуса шинопроводов, лотки, короба, тросы и стальные полосы, на которых укреплены кабели и провода (кроме тросов и полос, по которым проложены кабели с заземленной или зануленной металлической оболочкой или броней).

Указанные выше металлические части заземляют или зануляют как на стационарных, так и переносных электроприемниках.

Заземлению или занулению не подлежат корпуса электроприемников с двойной изоляцией, а также корпуса электроприемников, подключаемых к сети через разделительный трансформатор.

 

Разрешается не выполнять преднамеренного заземления или за нулей и я корпусов электрооборудования, аппаратов и электромонтажных конструкций, установленных на заземленных (зануленных) металлических конструкциях, щитах, шкафах, щитках, станинах станков, машин и механизмов, при условии обеспечения надежного электрического контакта с заземленными или запуленным и основаниями металлических конструкций.

Каждая заземляемая или зануляемая часть электроустановки присоединяется к сети заземления (зануления) при помощи отдельного ответвления (рис. 4). Последовательное включение в заземляющий или нулевой защитный проводник заземляемых (зануляемых) частей электроустановки запрещается. При этом разрешается последовательное включение нескольких стационарных металлических конструкций (рельсовых путей, обрамлений каналов, строительных ферм и колонн и т. п.), используемых в качестве заземляющих (нулевых защитных) проводников или магистралей заземления (зануления). Под один заземляющий болт на магистрали заземления (зануления) разрешается присоединять только один проводник.

Защитное отключение. Во время работы с электрифицированным инструментом рабочий неизбежно прикасается к его металлическому корпусу и переносно проводу и при неисправности их изоляция может оказаться под напряжением. В условиях монтажа электроинструмент часто подключают к шинам и щиткам с плавкими вставками, рассчитанными на большой ток. Время отключения инструмента в этих случаях из-за большого сопротивления петли фаза — нуль кабеля, питающего инструмент, может достигнуть нескольких секунд и оказаться опасным.

Во избежание этого при работе с электроинструмент той, как правило, применяют специальные защитные отключающие, устройства, обеспечивающие автоматические отключение аварийного участка электросети и инструмента при возникновении замыкания на корпус или непосредственно на землю за время не более 0,2 с.

Защитные отключающие устройства изготовляют нескольких видов и в зависимости от схемы обеспечивают: контроль изоляции фаз относительно земли, контроль непрерывности цепи заземления, защиту от перехода тока фаз на нетоковедущие части, от одно- и двухфазных замыканий на землю, а также от прикосновения к незащищенным токоведущим частям.

Наиболее широко применяют защитные отключающие устройства с трансформаторами тока нулевой последовательности (ТНП) типов С-901, ИЭ-9801, ИЭ-9807 и ЗОУП-25. Эти устройства обслуживают один или несколько инструментов 380/220 В и 50 Гц.

Чувствительность защиты при замыкании фазы на землю составляет 0,01 А при времени срабатывания 0,01—0,05 с.

Заземлители.

Для заземления электроустановок в первую очередь используют естественные заземлители. Если эти заземлители имеют сопротивление растеканию, удовлетворяющие требованиям ПУЭ, то устройство искусственных заземлителей не выполняют.

В качестве естественных заземлителей используют железобетонный фундамент зданий и сооружений, проложенные под землей водопроводные и другие металлические трубопроводы, обсадные трубы, металлические шпунты и другие металлические конструкции, имеющие соединение с землей. Исключение составляют трубопроводы для горючих жидкостей и горючих взрывчатых газов, чугунные трубопроводы и временные трубопроводы строительных площадок.

В качестве, естественных заземлителей используют также свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле алюминиевые оболочки кабелей и голые алюминиевые провода использовать в качестве заземлителей запрещается.

Искусственные заземлители по их расположению в грунте и форме делят на:

  • заглубленные — из круглой или полосовой стали, укладываемые горизонтально на дно котлованов по периметру фундаментов (зданий, колонн, опор). При монтаже таких заземлителей отпадает необходимость выполнения трудоемких земляных работ и возможна предварительная заготовка элементов заземлителей. При укладке таких заземлителей на большой глубине используют грунты с большей электрической проводимостью и менее подверженные сезонным изменениям;
  • вертикальные — из стальных вертикально ввинчиваемых или вдавливаемых в грунт стержней из круглой стали, а также из забиваемых отрезков угловой стали;
  • горизонтальные — из круглой или полосовой стали, уложенные в траншею. Эти заземлители используют и по прямому назначению, и для связи между стержнями вертикальных заземлителей.

Для заземлителей обычно применяют круглую сталь диаметром 10—16 мм, полосовую сталь сечением 40x4 мм и угловую сталь сечением 50x50x5 мм. Трубы для этих целей применять не рекомендуется из-за их дефицита.

Длина вертикальных заземлителей принимается равной: ввинчиваемых и вдавливаемых 4,5—5 м, забиваемых 2,5 3 M.

На территориях электроустановок с большим удельным сопротивлением земли (более 200 Ом-м в наиболее неблагоприятное время года) применяют углубленные заземлители или производят искусственную обработку земли с целью снижения ее удельного сопротивления. Например, для вертикальных электродов выполняют укладку слоев соли (нитрат натрия, гидрат окиси кальция) и земли при диаметре обработки примерно 0,5 м на 7а длины электрода; после укладки каждого слоя его поливают водой; устраивают выносные заземлители, если вблизи электроустановок есть участки с меньшим удельным сопротивлением к земле. Устройство выносных заземлителей выполняют проводами или кабелями.

На территориях вечномерзлых грунтов заземлители помещают в непромерзающие водоемы или талые зоны, в том числе, искусственные, используют артезианские скважины.

В качестве заземляющих и нулевых защитных проводников используют в первую очередь нулевые рабочие проводники; специально предусмотренные для этой цели проводники; металлические конструкции зданий; металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы РУ и площади галерей; шахты лифтов, подъемников, элеваторов, обрамление каналов) ; металлические стационарно проложенные трубопроводы различного назначения, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ, канализации и центрального отопления; стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, металлические кожухи шинопроводов, короба и лотки электропроводок. Не допускается использовать для этих целей металлические оболочки трубчатых рукавов, изоляционных трубок, металлорукавов, несущие тросы (при тросовой электропроводке), а также броню и свинцовые оболочки кабелей и проводов.

В помещениях и установках с целью выравнивания потенциала строительные металлические конструкции, стационарные металлические трубопроводы всех назначений, металлические корпуса оборудования и т. п. присоединяют к сети заземления или зануления. При этом естественные металлические контакты в сочленениях являются достаточными.

Для стационарно проложенных заземляющих проводников, как правило, применяют сталь, если для этих целей не используется нулевой провод четырехпроводной системы трехфазного тока. Наименьшие допустимые размеры заземляющих и нулевых защитных проводников, а также стальных заземлителей приведены в табл. 1 и 2.
В электроустановках напряжением до 1 кВ и выше с изолированной нейтралью проводимость заземляющих проводников должна составлять не менее 1/3 проводимости фазных проводников, а сечение — не менее указанных в табл. 1 и 2.
В производственных помещениях с электроустановками напряжением до 1. кВ магистрали заземления из стальной полосы применяют сечением не менее 100 мм2, а напряжением выше 1 кВ — не менее 120 мм2 (допускается применение круглой стали той же проводимости).

Таблица 1. Наименьшие допустимые размеры стальных заземлителей, заземляющих и нулевых защитных проводников


Заземлители, заземляющие и нулевые защитные проводники
в зданиях Прокладка
в наружных уста- в земле новках
Круглые проводники диаметром, 5 6 10
мм      
Прямоугольные проводники:      
сечение, мм2 24 48 48
толщина, мм 3 4 4
Угловая сталь (толщина полок), 2 2,5 4
мм      
Стальные трубы (толщина стенок), мм: водогазопроводные 2,5 2,5 3,5
тонкостенные 1,5 2,5 Не допуска
      ются

Использование металлических конструкций зданий и сооружений, трубопроводов и оборудования в качестве нулевого рабочего проводника запрещается.

Для передвижных и переносных электроприемников в качестве заземляющего или зануляющего защитного проводника применяют отдельную жилу в общей оболочке с фазными жилами одинакового с ними сечения.

Таблица 2. Наименьшие допустимые сечения медных, алюминиевых заземляющих и нулевых защитных проводников в электроустановках до 1 к В


Заземляющие и нулевые защитные проводники
Медь, мм2 Алюминий, мм2
Неизолированные проводники при открытой прокладке 4 6
Изолированные провода 1,5* 2,5
Заземляющие жилы кабелей или многожильных проводов в общей защитной
оболочке с фазными жилами
1 2,5

* При прокладке проводов в трубах допускается сечение нулевых защитных проводников (медных) принимать равным. 1 мм2, если фазные проводники имеют то же сечение.

Во взрывоопасных установках в качестве заземляющих и нулевых защитных проводников используют проводники, специально предназначенные для этой цели. Использование для этих проводников металлических конструкций строительного и производственного назначения, стальных труб электропроводок, металлических оболочек кабелей и т. п. рассматривается лишь как дополнительная мера безопасности.

Во взрывоопасных установках в сетях напряжением до 1 кВ с глухозаземлеиной нейтралью зануление в силовых сетях выполняют с помощью специально проложенного пулевого защитного проводника: третьего — в двухпроводных (одно- и двухфазных) сетях и четвертого — в трехпроводных (трехфазных) сетях. В осветительных двухпроводных (однофазных) сетях специальный третий проводник для зануления прокладывают только во взрывоопасных зонах В1.

Монтаж заземлителей. Искусственные заземлители сооружают только в случае, если естественные заземлители (железобетонные фундаменты зданий и сооружений) не обеспечивают сопротивление растеканию, требуемое ПУЭ.

Углубленные заземлители, заранее заготовленные, укладывают на дно котлованов под фундаменты зданий й сооружений при производстве строительных работ. Вертикальные заземлители из угловой стали и труб погружают в грунт путем забивки или вдавливания. Для этой цели используют копры, автоямобуры, вибраторы, гидропрессы, бурильно-крановые машины, ручные приспособления.

Глубина заложения верха вертикальных заземлителей должна быть 0,6—0,7 м от урозня планировочной отметки земли и выступать от дна траншеи на 0,1—0,2 м (рис. 5) для удобства приварки к ним соединительных полос или круглых стержней.

Все соединения в цепях заземлителей выполняют сваркой внахлестку. Расположенные в земле заземлители и заземляющие проводники не окрашивают. Если в грунте содержатся примеси, вызывающие повышенную коррозию, применяют заземлители увеличенного сечения, оцинкованные или омедненные заземлители или делают электрическую защиту от коррозии.

Горизонтальные заземлители в местах пересечения с подземными сооружениями (кабелями, трубопроводами) с железнодорожными путями и дорогами, а также, в местах возможных механических повреждений защищают асбестовыми трубами.

По окончании монтажа заземлителей перед засыпкой траншеи составляют акт освидетельствования скрытых работ.

 

Енисейское РТН (12.03.2019 г.) Электробеопасность 5 группа допуска Тестирование по вопросам 2-1 для аттестации Билет 15

В данной инструкции изложены основные функции сайта, и как ими пользоваться

Здравствуйте,  

Вы находитесь на странице инструкции сайта Тестсмарт.
Прочитав инструкцию, Вы узнаете  функции каждой кнопки.
Мы начнем сверху, продвигаясь  вниз, слева направо.
Обращаем Ваше внимание, что в мобильной версии  все кнопки располагаются, исключительно сверху вниз. 
Итак, первый значок, находящийся в самом верхнем левом углу, логотип сайта. Нажимая на него, не зависимо от страницы,  попадете на главную страницу.
«Главная» -  отправит вас на первую страницу.
«Разделы сайта» -  выпадет список разделов, нажав на один из них,  попадете в раздел интересующий Вас.

На странице билетов добавляется кнопка "Билеты", нажимая - разворачивается список билетов, где выбираете интересующий вас билет.

«Полезные ссылки» - нажав, выйдет список наших сайтов, на которых Вы можете получить дополнительную информацию.

 

 

 

В правом углу, в той же оранжевой полосе, находятся белые кнопки с символическими значками.

  • Первая кнопка выводит форму входа в систему для зарегистрированных пользователей.
  • Вторая кнопка выводит форму обратной связи через нее, Вы можете написать об ошибке или просто связаться с администрацией сайта.
  • Третья кнопка выводит инструкцию, которую Вы читаете. 🙂
  • Последняя кнопка с изображением книги ( доступна только на билетах) выводит список литературы необходимой для подготовки.
Опускаемся ниже, в серой полосе расположились кнопки социальных сетей, если Вам понравился наш сайт нажимайте, чтобы другие могли так же подготовиться к экзаменам.
Следующая функция «Поиск по сайту» - для поиска нужной информации, билетов, вопросов. Используя ее, сайт выдаст вам все известные варианты.
Последняя кнопка расположенная справа, это селектор нажав на который вы выбираете, сколько вопросов на странице вам нужно , либо по одному вопросу на странице, или все вопросы билета выходят на одну страницу.

На главной странице и страницах категорий, в середине, расположен список разделов. По нему вы можете перейти в интересующий вас раздел.
На остальных страницах в середине располагается сам билет. Выбираете правильный ответ и нажимаете кнопку ответ, после чего получаете результат тестирования.
Справой стороны (в мобильной версии ниже) на страницах билетов располагается навигация по билетам, для перемещения по страницам билетов.
На станицах категорий расположен блок тем, которые были добавлены последними на сайт.
Ниже добавлены ссылки на платные услуги сайта. Билеты с ответами, комментариями и результатами тестирования.
В самом низу, на черном фоне, расположены ссылки по сайту и полезные ссылки на ресурсы, они дублируют верхнее меню.
Надеемся, что Вам понравился наш сайт, тогда жмите на кнопки социальных сетей, что бы поделиться с другими и поможете нам.
Если же не понравился, напишите свои пожелания в форме обратной связи. Мы работаем над улучшением и качественным сервисом для Вас.

С уважением команда Тестсмарт.

Искусственный заземлитель - это... Что такое Искусственный заземлитель?

Искусственный заземлитель

"...1.7.16. Искусственный заземлитель - заземлитель, специально выполняемый для целей заземления..."

Источник:

Приказ Минэнерго РФ от 08.07.2002 N 204 "Об утверждении глав Правил устройства электроустановок" (вместе с "Правилами устройства электроустановок. Издание седьмое. Раздел 1. Общие правила. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 7. Электрооборудование специальных установок. Главы 7.5, 7.6, 7.10")

Официальная терминология. Академик.ру. 2012.

  • Искусственный графит (электрографит)
  • Искусственный мед

Смотреть что такое "Искусственный заземлитель" в других словарях:

  • Искусственный заземлитель — заземлитель, специально выполняемый для целей заземления …   Российская энциклопедия по охране труда

  • Заземлитель — проводящая часть (или совокупность соединенных между собой проводящих частей), находящаяся в контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду. Различают искусственные З. и естественные заземлители. Искусственный З. З.,… …   Российская энциклопедия по охране труда

  • Заземление — Статья не является нормативным документом. Предупреждение: статья носит чисто информативный характер и не является нормативным документом. При выполнении работ, связанных с электричеством, следует руководствоваться …   Википедия

  • сеть — 3.48 сеть (network): Совокупность систем связи и систем обработки информации, которая может использоваться несколькими пользователями. Источник: ГОСТ Р ИСО/ТО 13569 2007: Финансовые услуги. Рекомендации по информационной безопасности 3.13 Сеть TN …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Из какого материала должны изготавливаться искусственные заземлители: отличия искусственных и естественных

Заземление является главным защитным инструментом, предотвращающим риск поражения человека электрическим током. Без него использование электротехники небезопасно, поэтому оно должно присутствовать и в городской квартире, и в частном доме. Заземлительная система может быть естественной или искусственной. Создавая защитную конструкцию самостоятельно, важно знать, из какого материала должны изготавливаться искусственные заземлители.

Разновидности конструкций

Применение неправильно подключённых электроприборов может быть небезопасным. Опасность состоит в том, что в процессе использования может случиться пробой, в результате которого напряжение перейдёт на корпус устройства. Это напряжение может как вывести из строя сам прибор, так и нанести человеку электротравму разной степени тяжести (вплоть до летального исхода). Для предотвращения подобных проблем могут быть использованы два вида заземления:

  • Естественное. К нему относятся массивные конструкции, постоянно находящиеся в земле. Роль естественных заземлителей отводится фундаментам зданий, водопроводным трубам, металлоконструкциям и шпунтам, хорошо закреплённым в грунте. Достоинство таких конструкций в том, что на обеспечение заземления с их помощью не требуется дополнительных затрат. Однако сопротивление естественного контура невозможно рассчитать.
  • Искусственное. Заземление такого рода создаётся специально из горизонтальных и вертикальных элементов (электродов), изготовленных из определённого материала и имеющих конкретный размер. В качестве основных элементов искусственного контура чаще всего выступают стальные детали, имеющие круглую или угловую форму. Качество такого заземления зависит от сопротивления, которым обладают искусственные заземлители. Определение сопротивления каждого электрода осуществляется по специальной формуле.

Во всех современных устройствах, работающих за счёт электроэнергии, предусмотрено заземление. Всё, что требуется сделать — просто обеспечить соединение с основной заземлительной системой.

Элементы искусственного контура

Несмотря на то что естественные и искусственные заземлители выполняют одинаковую функцию, заключающуюся в защите от поражения электрическим током, использование первых не всегда оказывается целесообразным. Установка искусственной конструкции необходима, когда:

  1. Она является единственно возможной.
  2. Естественный контур не выдерживает токовых нагрузок.

И в том, и в другом случае оптимальным решением является создание искусственной заземлительной системы с проведением предварительных расчётов. В процессе таких расчётов определяется форма, размер контура и материал, из которого будут выполнены электроды. В качестве основы для них обычно используют сталь, которая имеет покрытие:

  • Из цинка. Обеспечивает устойчивость к действию коррозии и кислотной среды. Детали из такого материала отличаются низким сопротивлением.
  • Из меди. Для стали и меди характерно хорошее сцепление, поэтому такие электроды обладают высокой прочностью и хорошо контактируют с другими материалами. Имеют отличную электропроводимость и долгий срок службы, обеспечивающийся за счёт низкой электрохимической активности металлов.

Ещё один вариант изготовления электродов (из чёрных металлов) обладает существенным недостатком, выражающимся в низкой устойчивости к коррозии и ржавчине. Из-за высокой прочности сопротивление растеканию тока возрастает, в результате этого создаётся очень опасная для человека ситуация.

Расположение электродов

Входящие в общую заземлительную конструкцию детали могут располагаться вертикально или горизонтально. При первом способе монтажа электроды закапываются в грунт на 70 см. При этом их длина не должна превышать 5 м, а диаметр должен находиться в диапазоне 10−16 мм.

Горизонтальный метод укладки предполагает углубление заземлителей на 50 см (в случае с пахотной землёй на — 1 м). Горизонтально расположенные стальные пруты диаметром более 1 см (либо стальные полосы толщиной более 4 мм) используются для связывания вертикально установленных элементов, стыки между ними фиксируются при помощи сварки. Такой метод показывает свою эффективность лишь при достаточной электропроводимости верхнего слоя грунта.

Правила устройства электроустановок обязывают обеспечить заземление для электрооборудования бытового и промышленного назначения. Чётких требований относительно того, как электроды должны располагаться в грунте, не существует. В каждом конкретном случае это определяется индивидуально.​

Электрическая безопасность, созданная с помощью искусственных заземлителей, реализуется с помощью уменьшения разности потенциалов и отвода блуждающего тока. Ток утечки возникает вследствие взаимодействия заземляющего элемента и фазного кабеля. Одновременно обеспечивается бесперебойное и эффективное функционирование электротехники.

Особенности установки

Для того чтобы искусственная заземлительная конструкция эффективно выполняла защитную функцию, она должна быть правильно установлена с применением техники и специального оборудования. При укладке двух горизонтальных электродов от заземляемой части установки их необходимо располагать в противоположном направлении. Если количество заземлителей больше двух, их монтаж требуется проводить под наклоном в 90−120 градусов. Таким образом удастся достичь улучшенного показателя сопротивляемости деталей.

В процессе установки происходит распределение электрических потенциалов. Наличие существенной разницы показателей на поверхности земли и внутри неё повлечёт за собой возникновение опасных напряжений. С целью предотвращения такой ситуации и выравнивания параметров применяется искусственный заземлительный элемент в виде сетки, когда горизонтальные электроды располагаются вдоль и поперёк, а места их пересечений фиксируются сваркой.

При таком способе укладки необходимо избегать слишком близкого расположения электродов друг к другу. Иначе возникнет экранирование, которое существенно уменьшит эффективность заземлителей.

Заземлители искусственного типа должны иметь естественный цвет, их нельзя окрашивать, поскольку это приведёт к образованию изоляционного слоя. Он ограничит протекание электричества в грунт. Покрывать битумной краской разрешается только места соединения проводников, обработанные сваркой. Такое покрытие защитит элементы от раннего разрушения.

Самой простой и эффективной (с точки зрения монтажа и эксплуатации) считается установка круглой заземлительной конструкции. Она имеет низкую себестоимость, поскольку для её изготовления требуется минимальное количество материалов. Коррозийная устойчивость круглого контура значительно выше, чем контуров другой формы.

Измерение сопротивления

Завершающим этапом монтажа конструкции является измерение сопротивления, которым обладают электроды. Этот параметр является главной качественной характеристикой работы заземлительного контура искусственного типа. Он зависит от таких факторов, как площадь электродов и удельное электрическое сопротивление грунта.

Удельное сопротивление показывает уровень электропроводности грунта, выступающего в роли проводника. В разных почвах оно разное, на его величину оказывает влияние влажность, температура, состав и плотность грунта, а также наличие в нём солей, кислотных и щелочных остатков.

Проверка сопротивления установленного контура происходит с применением специальной техники. Если система содержит разветвления, то сначала делают замеры на отдельных участках магистрали и сравнивают их с показателями на участке, связанном с заземлителем. После этого снимают показания между заземляемыми электроустановками и соотносят их с показателями на ранее проверенных участках.

(PDF) Новая искусственная обработка для снижения сопротивления заземляющего электрода

ОПЕРАЦИИ IEEE НА ПОДАЧУ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, ТОМ. 19, НЕТ. 2, АПРЕЛЬ 2004 г. 601

Новое искусственное средство для снижения

сопротивления заземляющего электрода

Уго Э. Мартинес, Эдвард Л. Фуэнтеалба, Луис А. Систернас, Гектор Р. Галлегийос, Хорхе Ф. Касанева и

Освальдо А. де ла Фуэнте

Аннотация. В этом исследовании описывается добавка для снижения сопротивления

(RRA) для снижения и поддержания пониженного сопротивления заземляющих электродов

с течением времени.Используемый RRA представлял собой смесь неорганических солей

ганических кислот, некоторые из которых образуются в виде остатков от промышленной переработки минералов в Чили. Описаны химические характеристики смеси

, а также результаты измерений электрического сопротивления заземляющих электродов с течением времени с обработкой RRA и без нее.

. Также приведены измерения силы тока и потери массы электродов

в испытательных электродах, заглубленных под землей с RRA

, и в контейнерах элементов, имеющих определенную емкость.Было проведено

небольших испытаний воздействия импульсного тока в испытательных ячейках, содержащих

электродов, обработанных RRA.

Ключевые слова - химический анализ, коррозия, заземление,

заземляющие электроды

, измерение сопротивления.

I. ВВЕДЕНИЕ

Цели, которые преследуются при создании системы заземления

, несколько, и они подчиняются различным причинам

. Самое главное - это гарантировать людям безопасность

.Однако обеспечение хорошей работы электрической и электронной системы

также имеет большое значение [1], [2]. С точки зрения безопасности

, система заземления должна предотвращать воздействие опасного электрического потенциала на

человек

разности [1] - [4]. Теперь, с точки зрения хорошей работы

в электрической и электронной системе, системы заземления

должны выполнять высокоприоритетные функции, как показано в

, следующем [1]:

• стабильные напряжения между активными фазы и заземление,

при однофазном коротком замыкании в системе электроснабжения

;

• в случае замыкания на землю, чтобы обеспечить низкоомный путь

;

• в случае атмосферных разрядов направить эту огромную энергию

на землю;

• создание опорного напряжения уровня.

Рукопись получена 24 сентября 2002 г. Работа поддержана в рамках проекта

PROIM «Промышленные полезные ископаемые: новые возможности для развития

страны», Университет Антофагаста, Чили.

Х. Э. Мартинес и Э. Л. Фуэнтеалба работают с кафедрой электротехнической инженерии, Университет Антофагаста, Антофагаста, Чили (электронная почта:

[email protected]; [email protected]).

Л. А. Систернас и Х. Р. Гальегильос работают на кафедре химической инженерии, Университет Антофагаста, Антофагаста, Чили (электронная почта: lcis-

ternas @ uantof.cl; [email protected]).

Дж. Ф. Касанева работает с физического факультета Университета Антофагаста,

Антофагаста, Чили (электронная почта: [email protected]).

О. А. де ла Фуэнте работает на факультете системной инженерии Университета

Антофагаста, Антофагаста, Чили (электронная почта: [email protected]).

Цифровой идентификатор объекта 10.1109 / TPWRD.2004.824760

Существуют случаи, когда высокое удельное сопротивление почвы затрудняет или даже делает невозможным получение низких значений сопротивления в конструкции заземляющего электрода

.По этой причине, в

присутствуют естественные и искусственные средства модификации почв, которые покрывают

заземляющих электродов, которые имеют характеристики низкого сопротивления -

тиков. К ним относятся изменение характера вышележащей почвы [1]

и покрытие ее натуральными материалами, такими как бентонит [5], или искусственными составами

, такими как синтетические смолы.

В этом отчете представлены результаты значений испытательных заземленных электродов

с приложением тока и без него, которые

были обработаны добавкой для снижения сопротивления (RRA)

, состоящей из сырья и остаточных неорганических солей из

Чили.Время проведения испытаний варьировалось от периода до одного года.

Хотя результат, показанный в этой работе, содержит данные только за один или два года, аналогичные результаты наблюдались для других

тестов за период времени более четырех лет. Оба испытания, с

и

без подачи тока, были проведены в четырех местах

, включая Антофагаста, Ранкагуа, Чукикамата, месторождение нитратов Мария Елена

и город Меджильонес. Также предварительно получены результаты для напряжений и разрядов тока молнии в ячейках с конкретными размерами

, содержащих полусферический электрод, покрытый упомянутым выше испытательным материалом для уменьшения сопротивления

в заземляющем электроде.

II. ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ПРОДУКТА

Используемый RRA был продуктом объединения трех типов смесей неорганических солей

, которые здесь обозначены как MA, MB,

,

и MC, соответственно. Следующие результаты были получены при анализе

каждой из этих смесей методом дифракции рентгеновских лучей с использованием автоматического компьютеризированного рентгеновского дифрактометра

Siemens Co., модель D5000.

Смесь MA ​​состояла в основном из галита (NaCl),

и в меньшей степени из блодита [Na Mg SO H O] и

стевенсита [группа монтмориллонита Ca Mg Si O OH

HO].

Смесь МБ состояла в основном из галита и монтморил-

лонита [Na Al Mg Si O OH nH O]. Его второстепенные соединения

включали хантит [Mg Ca CO], анкерит

[Ca Fe Mg CO] и кальцит (CaCO).

Смесь неорганических солей MC состояла в основном из

галита с небольшими фракциями, включая гисмондин

(CaAl Si OHO), анкерит, диаспору, ханскит

[Kna CO SO Cl], монтмориллонит и сапонит

[Mg. Al O OH HO].

После рентгеноструктурного анализа качественного состава

была проведена количественная оценка некоторых из более

важных элементов и соединений, присутствующих в смесях солей.

0885-8977 / 04 $ 20,00 © 2004 IEEE

Разрешенное лицензионное использование ограничено: UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. Загружено 21 июня 2009 г. в 11:02 с IEEE Xplore. Ограничения применяются.

Достижение приемлемого уровня почвы в бедных почвах

Чтобы ваша электрическая система функционировала должным образом, важно, чтобы ваша подземная система заземления имела низкое сопротивление.Так как же достичь этой цели, помня о безопасности?

При проектировании и установке систем электроснабжения правильное заземление - это не просто роскошь, а необходимость. Все хорошие системы заземления должны обеспечивать путь с низким сопротивлением для проникновения в землю токов короткого замыкания и молнии, обеспечивая максимальную безопасность от сбоев в электрической системе и молнии. В частности, правильно установленная система заземления не только помогает защитить здания и оборудование от повреждений, вызванных непреднамеренными токами короткого замыкания или разрядами молнии, но также защищает гораздо более важные инвестиции: людей.

Достичь приемлемой позиции - непростая задача. Правильная установка систем заземления требует знания национальных стандартов, материалов проводов, а также соединений и концевых заделок (рис. 1 в оригинальной статье). Но это не все. Не забывайте учитывать почвенные условия, в которых вы устанавливаете заземляющие стержни (или заземляющую сетку).

Влияние почвенных условий на заземление. Хотя общая эффективность подземной системы заземления зависит от многих факторов, сопротивление земли (или удельное сопротивление земли) существенно влияет на полное сопротивление подземного проводника.Характеристики почвы, такие как влажность, температура и тип почвы, определяют общее удельное сопротивление земли. При заземлении системы всегда помните следующее:

  • Содержание влаги.

    Содержание влаги в почве важно, потому что она помогает химическим веществам в почве, окружающим заземляющие проводники, проводить электрический ток. Как правило, чем выше содержание влаги, тем ниже удельное сопротивление почвы. Когда влажность падает ниже 10%, удельное сопротивление значительно увеличивается.

  • Температура почвы.

    Температура ниже нуля также увеличивает удельное сопротивление почвы. Как только влага превращается в лед, сопротивление резко возрастает. В зонах, подверженных замерзанию, необходимо установить заземляющий стержень ниже линии замерзания для поддержания заземления с низким сопротивлением.

  • Тип почвы.

    Черная грязь или почвы с высоким содержанием органических веществ обычно являются хорошими проводниками, поскольку они сохраняют более высокий уровень влажности и имеют более высокий уровень электролита, что приводит к низкому удельному сопротивлению почвы.Песчаные почвы, которые быстрее дренируют, имеют гораздо более низкое содержание влаги и уровень электролитов. Следовательно, они имеют более высокий импеданс. Твердая порода и вулканический пепел, например, найденный на Гавайях, практически не содержат влаги и электролитов. Эти почвы имеют высокий уровень удельного сопротивления, и трудно обеспечить эффективное заземление. См. Таблицу 1 (в оригинальной статье) для определения удельного сопротивления различных почв.

Измерение удельного сопротивления земли. Эффективность заземляющих стержней во многом зависит от того, может ли почва, окружающая стержни, проводить большие электрические токи.Чтобы правильно спроектировать подземную систему заземления, необходимо измерить удельное сопротивление земли с помощью прибора для измерения сопротивления заземления. Этот прибор также должен иметь переключатели для изменения диапазона сопротивления. Для измерения удельного сопротивления земли можно использовать различные методы испытаний, но наиболее распространенными являются три:

  • Четырехточечный метод, наиболее точный.

  • Глубинный вариационный метод (трехточечный метод).

  • Двухточечный метод.

После определения удельного сопротивления почвы вы сможете лучше определить, какая схема подземного заземления будет наиболее эффективной.В зависимости от удельного сопротивления почвы и требований схемы заземления конкретная система может варьироваться от простого подземного заземляющего проводника до обширного заземляющего стержня. Последний мог включать в себя сеточную систему или заземляющее кольцо (рис. 2, в оригинальной статье). Для уменьшения импеданса системы заземления можно использовать материал для улучшения заземления или электроды химического типа.

Как добиться приемлемого заземления. Существуют различные варианты снижения удельного сопротивления почвы. Один из способов - увеличить влажность почвы.Удельное сопротивление верхнего слоя почвы может быть уменьшено на 800 Ом-м за счет увеличения влажности с 5% до 10%. Дополнительное снижение удельного сопротивления, хотя и намного меньшее, может быть получено путем увеличения влажности с 10% до 20%. Проблема с добавлением влаги в почву в том, что в большинстве случаев это не практичный вариант.

Другой способ снизить удельное сопротивление земли - обработать почву солью, например сульфатом меди, сульфатом магния или хлоридом натрия. В сочетании с влагой соли выщелачиваются в почву, снижая удельное сопротивление почвы.Однако этот недорогой процесс также может вызвать проблемы. Во-первых, когда соли смываются, почва возвращается в необработанное состояние. В результате вам необходимо периодически заряжать систему. Во-вторых, некоторые соли могут вызвать коррозию заземляющих проводов. Наконец, соль может загрязнять грунтовые воды. Местные экологические нормы и Агентство по охране окружающей среды (EPA) могут возражать против добавления солей в почву.

Во многих местах обеспечить систему заземления с низким сопротивлением так же просто, как вбить стержень заземления в подповерхностный слой почвы, который имеет относительно постоянное и проводящее содержание влаги.Помните, что заземляющий стержень должен выступать ниже минимальной глубины промерзания. Вы также можете использовать материал для улучшения заземления для достижения приемлемого сопротивления системы (рис. 3 в оригинальной статье).

Что следует знать при использовании материала для улучшения грунта. Практически во всех почвенных условиях использование материала для улучшения грунта повысит эффективность заземления. Некоторые из них являются постоянными и не требуют обслуживания. Вы можете использовать их в областях с плохой проводимостью, таких как каменистая почва, горные вершины и песчаная почва, где нельзя использовать заземляющие стержни или где ограниченное пространство затрудняет адекватное заземление с помощью обычных методов.

Доступно несколько видов материалов для улучшения земли. Но будьте осторожны при выборе материала. Он должен быть совместим с заземляющим стержнем, проводом и соединительным материалом. Некоторые варианты включают бентонитовую глину, коксовый порошок и специально разработанные вещества.

Бентонит - это глинистое вещество, используемое в районах с высоким удельным сопротивлением почвы. Однако проводимость в бентонитовой глине происходит только за счет движения ионов. Ионная проводимость может происходить только в растворе, что означает, что бентонитовая глина должна быть влажной для обеспечения требуемых уровней сопротивления.Когда бентонитовая глина теряет влагу, ее удельное сопротивление увеличивается, а объем уменьшается. Эта усадка приводит к прерыванию контакта между бентонитовой глиной и окружающей почвой, что дополнительно увеличивает сопротивление системы.

Порошок кокса - другой выбор. Коксовый порошок, состоящий преимущественно из углерода, обладает высокой проводимостью. Однако грунтовые воды могут его смыть.

Некоррозионное вещество с низким сопротивлением, повышающее сопротивление, представляет собой проводящий цемент, который можно укладывать влажным или сухим.В зависимости от вещества, он не выщелачивается в почву и соответствует требованиям EPA для захоронения отходов. Этот материал успешно применяется в железнодорожной и коммунальной промышленности. При установке в сухом состоянии он впитывает влагу из окружающей почвы и затвердевает, удерживая влагу в своей структуре. При использовании в сухом виде перемешивание не требуется, а максимальная эффективность достигается за считанные дни. Это потому, что он поглощает достаточно воды из окружающей почвы. Вы также можете предварительно смешать его с водой до получения густого раствора.Вы можете добавить его в траншею, в которой находится заземляющий провод, или использовать его вокруг заземляющего стержня в усиленном отверстии. Материал связывает воду в цемент, образуя прочную массу с высокой проводимостью.

Некоторые продукты предлагают подтвержденное испытанием удельное сопротивление 0,12 Ом-м или ниже по сравнению с 2,5 Ом-м для бентонитовой глины. В отличие от бентонитовой глины, цементоподобный материал не зависит от постоянного присутствия воды; он также не требует периодической зарядки / замены.

Идеальный материал для улучшения грунта не требует обслуживания.При проектировании или установке подземной системы заземления ищите материалы, которые не растворяются и не разлагаются с течением времени, требуют периодической зарядки или замены или зависят от постоянного присутствия воды для поддержания проводимости.

Установка материалов для улучшения грунта. После выбора материала продумайте способ монтажа. Размещение материала для улучшения грунта происходит быстро и легко. Для установки вокруг стержня заземления (рис. 4, в оригинальной статье) используйте шнек диаметром 3 дюйма.до отверстия диаметром 6 дюймов до глубины на 6 дюймов меньше длины стержня. Опустите стержень в отверстие так, чтобы нижний конец был отцентрирован и вбивался в землю минимум на 12 дюймов. Подключите заземляющий провод к заземляющему стержню. Затем заполните большую часть отверстия материалом для улучшения грунта. Наконец, заполните оставшуюся часть ямы почвой, удаленной во время бурения.

Установка кондуктора в траншею включает шесть этапов, перечисленных ниже. См. Рис. 5 для получения дополнительных указаний.Если вы используете цемент проводящего типа для улучшения грунта, см. Расчетное количество погонных футов, которое можно получить из мешка с материалом для использования в качестве покрытия заземляющего проводника, в Таблице 2 (на странице 64P в исходной статье).

  1. Выкопайте траншею шириной не менее 4 дюймов и глубиной 30 дюймов или ниже линии замерзания, в зависимости от того, что находится глубже.

  2. Разложите достаточно материала для улучшения грунта (сухого или в виде суспензии), чтобы покрыть дно траншеи примерно на 1 дюйм глубиной.

  3. Поместите проводник поверх материала для улучшения заземления.

  4. Нанесите больше материала для улучшения заземления поверх проводника, чтобы полностью закрыть провод, примерно на 1 дюйм глубиной.

  5. Осторожно покройте грунтом материал для улучшения грунта на глубину около 4 дюймов, стараясь не обнажить провод.

  6. Утрамбуйте почву и засыпьте траншею.

Электроды химического типа - еще один вариант для сложных ситуаций с заземлением.Они состоят из медной трубки, заполненной солями, установленной в бурном отверстии или траншее. Электрод засыпан материалом для улучшения заземления. Медная трубка имеет отверстия в верхней и нижней части, а верхняя часть электрода остается открытой для атмосферы. Вода медленно растворяет соли, которые попадают в трубку через верхние отверстия, открытые для атмосферы. Солевой раствор с высокой проводимостью просачивается в почву из отверстий около дна трубы.

Материал засыпки обычно представляет собой бентонитовую глину или комбинацию бентонитовой глины внизу и описанного выше цементного раствора вверху.Электроды химического типа требуют периодической подзарядки солей. Хотя он и дороже заземляющего стержня, заключенного в цементный раствор, несколько длительных испытаний показывают, что электрод химического типа обеспечивает примерно такую ​​же эффективность.

Измерение установленных систем заземления. После установки вам может потребоваться измерить сопротивление заземления установленной системы. Имейте в виду, что NEC 1996 г., гл. 250-84, требуется один электрод, состоящий из стержня, трубы или пластины, который не имеет сопротивления заземления 25 Ом или менее, должен быть усилен одним дополнительным электродом типа, указанного в разделах 250-81 или 250-83.Всегда устанавливайте несколько электродов на расстоянии более 6 футов друг от друга.

Обслуживание системы заземления. Вам необходима эффективная программа проверок и периодического обслуживания, чтобы обеспечить непрерывность всей системы заземления. Обязательно регулярно осматривайте его, используя утвержденный инструмент для проверки заземления, чтобы проверить электрическое сопротивление и целостность.

Методы сопротивления | Экологическая геофизика

Введение

Измерение удельного электрического сопротивления поверхности основано на принципе что распределение электрического потенциала в земле вокруг токоведущий электрод зависит от электрического удельные сопротивления и распределение окружающих почв и горные породы.Обычной практикой в ​​этой области является применение электрический постоянный ток (DC) между двумя электродами, имплантированными в землю и измерить разность потенциалов между двумя дополнительные электроды, не пропускающие ток. Обычно потенциальные электроды находятся на одной линии между токовыми электродами, но в принципе они могут располагаться где угодно. Электрический ток используется либо постоянный ток, либо коммутируемый постоянный ток (т. е. прямоугольный переменный ток) или переменный ток низкой частоты (обычно около 20 Гц).Весь анализ и интерпретация выполняются на основа постоянных токов. Распределение потенциала может теоретически связаны с удельным сопротивлением грунта и их распределение для некоторых простых случаев, в частности, случай горизонтально-слоистый грунт и случай однородных масс разделены вертикальными плоскостями (например, вертикальный разлом с большим бросок или вертикальная дамба). Для других видов удельного сопротивления распределений, интерпретация обычно выполняется качественными сравнение наблюдаемого ответа с идеализированным гипотетическим модели или на основе эмпирических методов.

Минеральные зерна, состоящие из почв и горных пород, по существу непроводящий, за исключением некоторых экзотических материалов, таких как металлический руды, поэтому сопротивление грунтов и горных пород регулируется в первую очередь по количеству поровой воды, ее удельному сопротивлению и расположению пор. Поскольку различия литологии сопровождаемые перепадами удельного сопротивления, измерения удельного сопротивления могут быть полезным при обнаружении тел из аномальных материалов или в оценка глубины поверхности коренных пород.В грубом виде зернистые почвы, поверхность грунтовых вод обычно отмечена резкое изменение водонасыщенности и, следовательно, изменение удельное сопротивление. Однако в мелкозернистых почвах может отсутствовать такое изменение удельного сопротивления, совпадающее с пьезометрическим поверхность. Как правило, поскольку удельное сопротивление почвы или породы контролируется в первую очередь состоянием поровой воды, есть широкий диапазон удельного сопротивления для любого конкретного типа почвы или породы, и значения удельного сопротивления не могут быть напрямую интерпретированы с точки зрения тип почвы или литология.Однако обычно зоны отличительное удельное сопротивление может быть связано с конкретной почвой или горные породы на основе информации о месторождении или буровой скважине, и измерения удельного сопротивления могут быть выгодно использованы для расширения месторождения исследования в областях с очень ограниченными или несуществующими данные. Кроме того, измерения удельного сопротивления могут использоваться в качестве метод разведки, чтобы обнаружить аномалии, которые могут быть исследованы дополнительными геофизическими методами и / или бурением дыры.

Метод электрического сопротивления имеет некоторые присущие ограничения, влияющие на разрешение и точность, которые можно ожидать от него. Как и все методы, использующие измерения потенциального поля, значение измерения, полученное при любом местоположение представляет собой средневзвешенное значение эффектов, произведенных за большой объем материала, при этом соседние части вносят свой вклад очень сильно. Это имеет тенденцию давать плавные кривые, которые делают не поддаются интерпретации с высоким разрешением. Еще одна общая черта всех методов геофизики потенциальных полей. заключается в том, что определенное распределение потенциала на земле поверхность обычно не имеет однозначной интерпретации. Хотя эти ограничения следует признать, неединственность или неоднозначность метода сопротивления едва ли меньше, чем с другие геофизические методы. По этим причинам это всегда рекомендуется использовать несколько дополнительных геофизических методов в комплексной программе разведки, а не полагаться на единый метод разведки.

Теория

Данные измерений удельного сопротивления обычно представлены и интерпретируются в виде значений очевидных удельное сопротивление ρ a . Кажущееся удельное сопротивление определяется как удельное сопротивление электрически однородного и изотропного полупространства, которое дают измеренное соотношение между приложенным током и разность потенциалов для конкретного расположения и расстояния между электроды.Уравнение, определяющее кажущееся сопротивление в условия приложенного тока, распределения потенциала и расположение электродов может быть достигнуто путем осмотра распределения потенциала за счет одиночного тока электрод. Влияние пары электродов (или любой другой комбинация) можно найти суперпозицией. Рассмотрим сингл точечный электрод, расположенный на границе полубесконечного, электрически однородная среда, представляющая фиктивную однородная земля.Если электрод пропускает ток I, измеряется в амперах (а), потенциал в любой точке среды или на границе дает:

(1)

где

U = потенциал, в В,

ρ = удельное сопротивление среды,

r = расстояние от электрода.

Математическая демонстрация вывода уравнения можно найти в учебниках по геофизике, например в учебниках Келлера и Фришкнехт (1966).

Для пары электродов с током I на электроде A и -I при электрод B (рисунок 1), потенциал в точке задается алгебраическая сумма индивидуальных взносов:

(2)

где

r A и r B = расстояния от точки до электроды A и B

На рисунке 1 показано электрическое поле вокруг двух электродов. с точки зрения эквипотенциальных и токовых линий.В эквипотенциалы представляют собой оболочки изображений или чаши, окружающие токовые электроды, и на любом из которых электрические потенциал везде одинаков. Текущие строки представляют собой выборка бесконечного множества путей, по которым идет ток, пути, которые определяются условием, что они должны быть везде нормально к эквипотенциальным поверхностям.

Фигура 1.Эквипотенциальные и токовые линии для пары токовые электроды A и B на однородном полупространстве.

Помимо токовых электродов A и B, На рисунке 1 изображена пара электродов M и N, на которых нет ток, но между которыми разность потенциалов V может быть измеряется. Следуя предыдущему уравнению, потенциал разница В может быть письменный

(3)

где

U M и U N = потенциалы при M и Н,

AM = расстояние между электродами A и M и др.

Эти расстояния всегда актуальны. расстояния между соответствующими электродами, независимо от того, лежать на линии. Количество в скобках - это функция только различное расстояние между электродами. Количество обозначается 1/ K , что позволяет переписать уравнение как:

(4)

где

K = геометрический фактор массива.

Уравнение 58 может быть решено для ρ получить:

(5)

Удельное сопротивление среды можно найти по измеренным значениям В , I и K , геометрический фактор. K - это функция только геометрии расположения электродов.

Кажущееся сопротивление

Везде, где эти измерения производятся на реальная неоднородная земля, в отличие от фиктивной однородного полупространства символ ρ заменяется на ρ a для кажущееся сопротивление. Проблема измерения удельного сопротивления заключается в следующем: сводится к его сути, использование значений кажущегося сопротивления из полевые наблюдения в разных местах и ​​с разными электродами конфигурации для оценки истинных сопротивлений нескольких грунтовые материалы, присутствующие на участке, и определение их границ пространственно ниже поверхности сайта.

Массив электродов с постоянный интервал используется для исследования боковых изменений видимых удельное сопротивление, отражающее латеральную геологическую изменчивость или локализованное аномальные особенности. Для исследования изменений удельного сопротивления с глубиной размер электродной решетки варьируется. В на кажущееся удельное сопротивление материал все больше влияет большая глубина (следовательно, больший объем), поскольку расстояние между электродами вырос.Из-за этого эффекта график очевидного сопротивление относительно расстояния между электродами может использоваться для указания вертикальные вариации удельного сопротивления.

Типы электродных решеток, которые наиболее обычно используются (Schlumberger, Wenner и диполь-диполь): показано на рисунке 2. Есть и другие электроды. конфигурации, которые используются экспериментально или для негеотехнических проблемы или сегодня не пользуются большой популярностью.Что-нибудь из этого включают Ли, полушлюмберже, полярный диполь, бипольный диполь, и градиентные массивы. В любом случае геометрический фактор для любая четырехэлектродная система может быть найдена из уравнения 3 и может быть разработан для более сложных систем с использованием правила проиллюстрировано уравнением 2. Это также можно увидеть из уравнения 58, что токовые и потенциальные электроды можно менять местами. не влияя на результат; это свойство называется взаимность.

Массив Шлюмберже

Для этого массива (рисунок 2а) в пределе как a стремится к нулю, величина V / a приближается к значению градиента потенциала в середине массива. На практике чувствительность инструменты ограничивают отношение с к a и обычно удерживает его в пределах от 3 до 30.Поэтому типичной практикой является использование конечного расстояние между электродами и уравнение 2 для вычисления геометрического фактора (Келлер и Фришкнехт, 1966). Кажущееся сопротивление (r) составляет:

(6)

В обычных полевых операциях внутреннее (потенциальные) электроды остаются неподвижными, а внешние (токовые) электроды регулируются, чтобы варьировать расстояние с . Расстояние a составляет настраивается при необходимости из-за снижения чувствительности измерение. Расстояние a должно никогда не быть больше 0,4 с или Предположение о потенциальном градиенте больше не действует. Также, интервал иногда можно отрегулировать с помощью с поддерживается постоянным для обнаружения присутствия локальных неоднородности или боковые изменения в окрестности потенциальные электроды.

Массив Веннера

Этот массив (рисунок 2b) состоит из четырех электроды в линию, разделенные равными интервалами, обозначаются а . Применяя уравнение 2, пользователь обнаружит, что геометрический коэффициент K равен a , поэтому кажущееся сопротивление определяется по формуле:

(7)

Хотя массив Шлюмберже всегда был предпочтительным массивом в Европе до недавнего времени использовался массив Веннера больше значительно больше, чем массив Schlumberger в США. При съемке с различным расстоянием между электродами полевые работы с массив Шлюмберже быстрее, потому что все четыре электрода массив Веннера перемещается между последовательными наблюдениями, но с массивом Шлюмберже только внешние должны быть взолнованный. Также говорят, что массив Шлюмберже превосходит различая латеральные и вертикальные вариации в удельное сопротивление. С другой стороны, массив Веннера требует меньше чувствительность инструмента, и обработка данных немного проще.

Рисунок 2. Конфигурация электродной решетки для измерения удельного сопротивления. измерения.

Диполь-дипольная решетка

Диполь-дипольная решетка (рисунок 2c) - это одна член семейства решеток, использующих диполи (близко расположенные пары электродов) для измерения кривизны потенциала поле. Если расстояние между обеими парами электродов тот же а, и расстояние между центрами диполей ограничено к a (n + 1) , кажущееся сопротивление определяется по формуле:

(8)

Этот массив особенно полезен для измерения изменений бокового удельного сопротивления и все чаще используется в геотехнических приложениях.

Глубина расследования

Чтобы проиллюстрировать основные особенности соотношение между кажущимся сопротивлением и расстоянием между электродами, На рисунке 3 показана гипотетическая модель земли и некоторые гипотетические кривые кажущегося сопротивления. Модель земли имеет поверхность слой удельного сопротивления ρ1 и слой удельного сопротивления фундамента ρn, которая простирается вниз до бесконечности (рисунок 3a).Там могут быть промежуточными слоями произвольной толщины и удельные сопротивления. Расстояние между электродами может быть равно Веннеру. шаг a или интервал Шлюмберже a ; кривые кажущегося сопротивления в зависимости от расстояния будут иметь одинаковая общая форма для обоих массивов, хотя они не будут в целом совпадают.

Для малых расстояний между электродами кажущееся сопротивление близко к удельное сопротивление поверхностного слоя, тогда как при больших расстояниях между электродами оно приближается к удельному сопротивлению цокольного слоя.Каждый кривая кажущегося сопротивления, таким образом, имеет две асимптоты: горизонтальная линии ρ a = ρ 1 и ρ a = ρ n , что приближается к экстремальным значениям расстояние между электродами. Это верно, если ρ n больше, чем ρ 1 , как показано на рисунке 3b, или обратный. Поведение кривой между областями, где он приближается к асимптотам, зависит от распределения удельные сопротивления в промежуточных слоях.Кривая A представляет случай, когда имеется промежуточный слой с удельным сопротивлением больше ρ n . Поведение кривой B напоминает таковой для двухслойного случая или случая, когда удельные сопротивления увеличиваются с поверхности до подвала. Кривая могла бы выглядеть как кривая C, если бы был промежуточный слой с удельное сопротивление ниже ρ 1. К сожалению для интерпретатора, ни максимум кривой A, ни минимум кривая C достигает истинных значений удельного сопротивления для промежуточных слои, хотя они могут быть близкими, если слои очень толстые.

Нет простой связи между расстояние между электродами, при котором характеристики кажущегося сопротивления кривой расположены и глубины до границ раздела между слои. Глубина исследования будет ВСЕГДА быть меньше расстояния между электродами. Как правило, максимальное расстояние между электродами в три или более раз превышает глубина интереса необходима, чтобы гарантировать, что достаточно данных было получено.Лучшее общее руководство для использования в полевых условиях: для построения кривой кажущегося сопротивления (рис. 2b) в качестве съемки прогрессирует, так что можно судить, есть ли асимптотическая фаза кривой была достигнута.

Рисунок 3. Асимптотика кажущегося сопротивления. кривые на очень маленьких и очень большие расстояния между электродами.

Приборы и измерения

Теория и полевые методы, используемые для исследований удельного сопротивления, основаны на от использования постоянного тока, потому что он позволяет большую глубину исследования, чем переменный ток, и потому что он позволяет избежать сложности, вызванные влиянием индуктивности и емкости заземления и результирующая частотная зависимость удельного сопротивления.Тем не мение, на практике реальный постоянный ток редко используется для двух Причины: (1) электроды постоянного тока создают поляризованные поля ионизации в электролитах вокруг них, и эти поля создают дополнительные электродвижущие силы, которые вызывают ток и потенциалы в земле отличаться от таковых в электроды; и (2) естественные токи Земли (теллурические токи) и спонтанные потенциалы, которые по существу однонаправленные или медленно меняющиеся во времени, индуцируют потенциалы в дополнение к тем, которые вызывают приложенным током.Последствия этих явлений, как а также любые другие, которые производят однонаправленные компоненты текущие или потенциальные градиенты уменьшаются за счет использования переменного тока, потому что поляризованные поля ионизации не имеют достаточно времени, чтобы развиться за полупериод, и переменная составляющая отклика может быть измерена независимо любых наложенных постоянных токов. Используемые частоты: очень низкий, обычно ниже 20 Гц, так что измеренный удельное сопротивление по существу такое же, как у постоянного тока удельное сопротивление.

По идее, постоянный ток (I) или переменный ток низкой частоты, приложенный к току электроды, а ток измеряется амперметром. Независимо, разность потенциалов В измеряется на потенциальных электродах, и, в идеале, не должно быть тока, протекающего между потенциалом электроды. Это достигается либо с помощью нулевого баланса гальванометр (старая технология) или очень высокий входной импеданс операционные усилители.Некоторые приборы для измерения удельного сопротивления имеют отдельные «отправляющие» и «принимающие» блоки для тока и потенциала; но в обычной практике схема измерения потенциала выводится от того же источника, что и потенциал через ток электроды, так что колебания напряжения питания влияют на оба одинаково и не влияют на точку баланса.

Питание обычно осуществляется от сухих аккумуляторных батарей в меньших инструменты и мотор-генераторы в более крупных инструментах. От 90 В до нескольких сотен вольт можно использовать через токовые электроды в изысканиях инженерного назначения. В В устройствах с батарейным питанием ток обычно небольшой и составляет применяется только на очень короткое время, пока потенциал измеряется, поэтому расход батареи низкий. Следует проявлять осторожность НИКОГДА не подавайте напряжение на электроды во время работы с ними, потому что с приложенными потенциалами в сотни вольт, ОПАСНО И Это может привести к СМЕРТЕЛЬНО СМЕРТЕЛЬНЫМ ударам.

Токовые электроды, использующиеся с переменным током (или коммутируемые постоянного тока) инструменты обычно представляют собой колья из бронзы, меди, сталь с бронзовыми кожухами или, что менее желательно, сталь, около 50 см. в длину. Их нужно вогнать в землю достаточно глубоко, чтобы установить хороший электрический контакт. Если есть трудности, потому что высокого контактного сопротивления между электродами и почвой, может иногда можно облегчить, облив соленой водой вокруг электроды.Многие приборы для измерения удельного сопротивления включают амперметр. чтобы убедиться, что ток между токовыми электродами равен приемлемый уровень, желательная характеристика. Прочие инструменты просто выведите необходимую разность потенциалов для управления выбранным ток в токовые электроды. Типичные токи в инструменты, используемые для инженерных приложений, находятся в диапазоне от 2 мА до 500 мА. Если сила тока слишком мала, чувствительность измерение ухудшено.Проблема может быть исправлена улучшение электрических контактов на электродах. Тем не мение, если проблема связана с сочетанием высокого удельного сопротивления земли и большое расстояние между электродами, выходом является увеличение напряжения поперек токовых электродов. Где земля слишком твердая или скалистый, чтобы сделать ставки, распространенная альтернатива - листы алюминиевая фольга, закапанная в неглубоких углублениях или в небольших холмах земли и намочили.

Одним из преимуществ четырехэлектродного метода является то, что измерения не чувствителен к контактному сопротивлению на потенциальных электродах, поэтому до тех пор, пока он достаточно низкий, чтобы можно было произвести измерение, потому что наблюдения производятся с настройкой системы таким образом, чтобы ток в потенциальных электродах. При нулевом токе фактическое значение контактного сопротивления несущественно, так как оно не повлиять на потенциал.На токовых электродах также фактическое значение контактного сопротивления не влияет на измерение, до тех пор, пока он достаточно мал, чтобы получить удовлетворительный ток получен, и пока нет большой разницы между два электрода. Контактное сопротивление влияет на отношения между током и потенциалами на электродах, но поскольку используется только измеренное значение тока, потенциалы на эти электроды не фигурируют в теории или интерпретации.

При использовании постоянного тока должны быть приняты специальные меры для устранить эффекты поляризации электродов и теллурических токи. Неполяризующий электрод выпускается в виде пористого неглазурованного керамического горшка с центральным металлический электрод, обычно медный, заполненный жидкостью электролит, который представляет собой насыщенный раствор соли того же металл (с медью используется медный купорос).Центральный электрод подключен к прибору, а электрический контакт с землей производится через электролит в порах керамический горшок. Этот тип электрода может быть полезен для использование на горных породах, где приводятся электроды стержневого типа. трудный. Хороший контакт горшка с землей можно помогает убрать траву и листья под ней, заделать ее немного в почву, а если земля сухая, подсыпать небольшой количество воды на поверхности перед тем, как поставить горшок.В кастрюли необходимо наполнить электролитом за несколько часов до того, как они будут используется для проникновения электролита в мелкие поры керамический. Пористые электролизеры следует проверять каждый раз. несколько часов в течение рабочего дня для проверки уровня электролита и наличие твердой соли для поддержания насыщенного решение.

Теллурические токи возникают в природе электрические поля, которые широко распространены, некоторые из которых имеют глобальный масштаб.Обычно они невелики по величине, но могут быть очень большими. большие во время солнечных вспышек или если они дополняются токами искусственного происхождения. Спонтанные потенциалы на Земле могут быть генерируется гальваническими явлениями вокруг электрохимически активных материалы, такие как трубы, трубопроводы, захороненный лом, золы и рудные месторождения. Они также могут быть потоковыми потенциалы, создаваемые движением грунтовых вод. (Электрический поля, связанные с движением грунтовых вод, будут иметь наибольшую амплитуда при высоких расходах грунтовых вод, например, через подземный поток в открытом русле.Движение грунтовых вод в карсте области могут демонстрировать быстрый поток через растворенные каналы внутри Скала. Источники и подземный поток могут быть причиной теллурические источники, которые могут скрывать удельное сопротивление измерения.) Теллурические токи и спонтанный потенциал эффекты могут быть компенсированы применением потенциала смещения для баланса потенциальные электроды перед подачей тока электроды. Поскольку теллурические токи обычно меняются в зависимости от время, может потребоваться частая корректировка потенциала смещения в ходе наблюдения.Если инструмент отсутствует положение о применении потенциала смещения, менее удовлетворительной альтернативой является использование переключателя полярности для снимать показания с попеременно обратными направлениями тока в токовые электроды. Средние значения V и I для направления прямого и обратного тока затем используются для вычисления кажущееся сопротивление.

Расположение электродов должно производиться непроводящим измерительным ленты, так как ленты из токопроводящих материалов, оставленные на земле во время измерения может влиять на кажущееся сопротивление значения.На измерения удельного сопротивления также могут влиять металлические заборы, рельсы, трубы или другие проводники, которые могут индуцировать спонтанные потенциалы и обеспечивать пути короткого замыкания для электрический ток. Эффект от таких линейных проводников можно свести к минимуму, но не исключить, разложив электрод массив на линии, перпендикулярной проводнику; но в некоторых мест, таких как некоторые городские районы, может быть так много проводящие тела в непосредственной близости, что это не может быть сделано. Кроме того, электрические шумы от линий электропередач, кабелей или других источников. может помешать измерениям. Из-за почти повсеместный шум от источников питания 60 Гц в США, использование 60 Гц или его гармоник в приборах для измерения сопротивления не допускается. желательно. В некоторых случаях на качество данных влияет электрический шум может быть уменьшен путем усреднения значений, полученных из ряд наблюдений; иногда электрический шум возникает из-за временные источники, поэтому более точные измерения могут быть получены ожидая улучшения условий.Иногда эмбиент электрические шумы и другие мешающие факторы на объекте могут вызвать съемка удельного сопротивления невозможна. Современное сопротивление инструменты имеют возможность усреднения или суммирования данных; это позволяет проводить измерения удельного сопротивления, несмотря на самый шумный участок условий и для улучшения отношения сигнал / шум для слабых сигналов.

Сбор данных

Исследования удельного сопротивления проводятся для удовлетворения потребностей двух отдельных различные виды проблем интерпретации: (1) изменение удельного сопротивления с глубиной, более или менее отражающее горизонтальное расслоение грунтовых материалов; и (2) боковой вариации удельного сопротивления, которые могут указывать на линзы почвы, изолированные рудные тела, разломы или полости.Для первого вида проблема, измерения кажущегося сопротивления производятся на одном местоположение (или вокруг одной центральной точки) с систематическим различное расстояние между электродами. Эта процедура иногда называется вертикальным электрическим зондированием (VES) или вертикальным профилирование. Обследование боковых отклонений может быть произведено на месте. или местоположения сетки или вдоль определенных линий хода, процедура иногда называется горизонтальным профилированием.

Рис. 4. Система сбора данных об удельном сопротивлении постоянному току, развернутая для определения характеристик площадки (http://water.usgs.gov/ogw/bgas/toxics/NAWC-surface.html). Это изображение предоставлено для демонстрационных целей и не предназначено для одобрения использования этого продукта.

Вертикальное электрическое зондирование (VES ) - 1D-визуализация

Либо Шлюмберже, либо, что менее эффективно, массив Веннера используется для зондирования, так как все общедоступные интерпретации методы и средства интерпретации для зондирования основаны на этих двух массивы.При использовании любого метода центральная точка массив хранится в фиксированном месте, а расположение электродов разнообразны вокруг него. Значения кажущегося сопротивления и истолкованные из них глубины слоя, относятся к центру точка.

В решетке Веннера электроды расположены на расстоянии a / 2 и 3a / 2 от центральной точки. Самый удобный способ Расположение электродных станций заключается в использовании двух измерительных лент, прикрепленных булавками. с их нулевыми концами в центральной точке и отходящими от центр в противоположных направлениях.После каждого чтения каждый потенциальный электрод выдвинут на половину шага электрода расстояние, а каждый токовый электрод выдвигается в 1,5 раза приращение. Используемое приращение зависит от методы интерпретации, которые будут применяться. В большинстве методы интерпретации, кривые отбираются в логарифмическом разнесенные точки. Соотношение между последовательными интервалами может быть полученное из соотношения

(9)

где

n = количество точки, которые должны быть нанесены на график в каждом логарифмическом цикл.

Например, если требуется шесть баллов за каждый цикл логарифмического графика, затем каждый интервал будет в 1,47 раза больше предыдущего интервала. Последовательность, начиная с 10 м, будет тогда 10, 14,7, 21,5, 31,6, 46.4, 68.2, которые для удобства разметки и черчения можно было бы округляется до 10, 15, 20, 30, 45, 70. В следующем цикле интервалы будут 100, 150, 200 и так далее.Шесть баллов за цикл - минимальный рекомендуемый; 10, 12 или даже больше за цикл может понадобиться в шумных местах.

Обзоры VES с массивом Schlumberger также выполнен с фиксированной центральной точкой. Первоначальный шаг с (расстояние от центра массива до один из токовых электродов), а ток электроды выдвигаются наружу вместе с потенциальными электродами фиксированный.Согласно Ван Ностранду и Куку (1966), ошибки в кажущееся сопротивление находится в пределах от 2 до 3 процентов, если расстояние между потенциальными электродами не превышает 2 с /5. Таким образом, потенциальное расстояние между электродами определяется минимальное значение с . Как с увеличивается, чувствительность потенциала измерение уменьшается; поэтому в какой-то момент, если s становится достаточно большим, необходимо будет увеличить потенциальное расстояние между электродами.Приращения в s обычно должно быть логарифмическим и может быть выбрано в так же, как описано для массива Веннера.

Для любого типа электродной решетки минимум и максимальные интервалы регулируются необходимостью определения асимптотические фазы кривой кажущегося сопротивления и необходимые глубина исследования. Зачастую максимум полезного расстояние между электродами ограничено доступным временем, топографией участка или боковые вариации удельного сопротивления.С целью при планировании обследования максимальное расстояние между электродами не менее трех раз можно использовать глубину интереса, но очевидное Кривая удельного сопротивления должна быть построена по мере продвижения съемки в чтобы судить о том, было ли получено достаточно данных. Также прогрессивный график можно использовать для обнаружения ошибок в показаниях. или ложные значения удельного сопротивления из-за местных эффектов. Образец Листы полевых данных показаны на рисунках с 4 по 6.

Рисунок 4. Пример листка технических данных для вертикальной компании Schlumberger. звучание.

Рисунок 5. Пример таблицы данных для массива Веннера.

Фигура 6. Пример листа данных для диполь-дипольной решетки.

В нормальной серии наблюдений полное сопротивление, R = V / I , уменьшается с увеличением расстояния между электродами.Время от времени, нормальные отношения могут быть обратными для одного или нескольких чтения. Если эти развороты не являются результатом ошибок в чтение, они вызваны какими-то боковыми или локальными изменениями по удельному сопротивлению почвы или породы. Такой эффект может быть вызвано тем, что один токовый электрод помещен в материал с большой более высокое удельное сопротивление, чем вокруг другого, например, в карман из сухого гравия, соприкасающийся с валуном из высокопрочного рок или близко к пустой полости.Систематические развороты могут быть вызвано истончением поверхностного проводящего слоя, где нижележащий устойчивый слой приближается к поверхности, потому что он опускается круто или из-за рельефа поверхности. В холмистой местности, линию электродов следует прокладывать по контуру, если возможный. Известно, что грядки крутые (более около 10 градусов), линию следует провести по забастовка. Электроды не следует размещать в непосредственной близости от валунов, поэтому иногда может потребоваться смещение отдельных электроды подальше от линии.Теоретически правильный способ смещения одного электрода, например токового электрода A, было бы поместить его в новое положение A 'так, чтобы геометрический коэффициент K без изменений. Это условие было бы удовлетворяется (см. уравнение 10), если

(10)

Если расстояние между электродами велико по сравнению с количеством сдвиг, удовлетворительно перемещать электрод по линии перпендикулярно массиву.Для больших смен разумный приближение заключается в перемещении электрода по дуге с центром на ближайший потенциальный электрод, пока он не перемещается более чем на около 45 ° от линия.

График кажущегося сопротивления в зависимости от расстояния всегда гладкий. кривая, где она определяется только вертикальным изменением удельное сопротивление. Изменения сопротивления и неровности в кривая кажущегося сопротивления, если не из-за ошибок, оба указывают боковые изменения и требуют дальнейшего исследования.С Веннера модификация Ли может быть использована для обнаружения отличия от одной стороны массива к другой, и дальнейшее проверку можно произвести, сняв второй набор показаний в то же время. расположение, но на перпендикулярной линии. Где Schlumberger используется массив, изменение расстояния между потенциальными электродами может вызывают смещение кривой кажущегося сопротивления в результате боковая неоднородность. Такое смещение может происходить как общая сдвиг кривой без особого изменения ее формы (Zohdy, 1968 г.).В таких условиях причина смещения может часто определяется повторением частей звучания с различное расстояние между потенциальными электродами.

Горизонтальное профилирование - 1D-визуализация

Исследования боковых изменений удельного сопротивления могут быть полезны для исследование любых геологических особенностей, которые, как можно ожидать, предлагают контрасты удельного сопротивления с окружающей средой.Депозиты гравия, особенно ненасыщенного, обладают высоким удельным сопротивлением и успешно разведаны резистивными методами. Круто падающие разломы могут быть локализованы с помощью траверсов сопротивления. пересечение предполагаемой линии разлома, если имеется достаточно контраст удельного сопротивления между породами по обе стороны от вина. Полости для раствора или отверстия в стыках могут быть обнаружены как аномалия высокого удельного сопротивления, если они открыты, или низкое удельное сопротивление аномалия, если они заполнены почвой или водой.

Исследования удельного сопротивления для изучения аэрогеологии проводятся сделано с фиксированным расстоянием между электродами, перемещая массив между последовательные измерения. Горизонтальное профилирование само по себе означает перемещение массива по линии траверса, хотя и по горизонтали отклонения также могут быть исследованы путем индивидуальных измерений. в точках сетки. Если симметричный массив, такой как Используется массив Шлюмберже или Веннера, значение удельного сопротивления полученное связано с расположением центра множество.Обычно сначала выполняется вертикальное обследование, чтобы определить наилучшее расстояние между электродами. Любые доступные геологическая информация, такая как глубина особенностей интерес, также следует учитывать при принятии этого решения, которое определяет эффективную глубину расследования. Расстояние между соседние станции удельного сопротивления или тонкость сетки определяет разрешение деталей, которое может быть получено. Это очень во многом зависит от глубины функций и достижимых разрешение уменьшается с глубиной.Как правило, расстояние между станциями сопротивления должно быть меньше, чем ширина самого маленького объекта для обнаружения или меньше, чем Требуемое разрешение в месте расположения боковых границ.

Полевые данные могут быть нанесены в виде профилей или изолиний на карта исследуемой территории. Для контурной карты удельное сопротивление данные, полученные в точках сетки, предпочтительнее данных, полученных из линии профиля, если линии не расположены близко друг к другу, потому что выравнивание данных по профилям имеет тенденцию искажать контурную карту и придает ему искусственную зернистость, которая отвлекает и мешает с интерпретацией карты.Лучший метод данных коллекция для контурной карты должна использовать квадратную сетку или, по крайней мере, набор станций с равномерным покрытием территории и без направленный уклон.

Иногда сочетание вертикальных и горизонтальных методов может использоваться. Если требуется картирование глубины до коренной породы, вертикальное зондирование может производиться на каждой сетке набора точки. Однако до того, как будет принято обязательство комплексное обследование такого типа, результаты удельного сопротивления исследования на нескольких станциях следует сравнивать с буровым отверстием журналы.Если сравнение показывает, что надежные количественные может быть сделана интерпретация удельного сопротивления, съемка может быть распространяется на интересующую область.

Когда профилирование выполняется с помощью массива Веннера, удобно используйте расстояние между станциями, равное расстоянию между электродами, если это совместимо с требованиями задачи и условия сайта. При перемещении массива крайний задний электрод нужно только переместить на шаг впереди переднего электрода на расстояние равно расстоянию между электродами.Затем кабели повторно подсоединен к нужным электродам, и следующее показание будет сделали. Однако с массивом Schlumberger весь набор электроды необходимо перемещать между станциями.

Обнаружение полостей

Подповерхностные полости чаще всего встречаются как полости для раствора в карбонатные породы. Они могут быть пустыми, заполненными землей или вода. При благоприятных обстоятельствах любой из этих типов может предложить хороший контраст удельного сопротивления с окружающей породой, так как карбонат породы, кроме пористых и насыщенных, обычно имеют высокие сопротивления, в то время как грунтовые или водные насыпи обычно проводящий, а воздух в пустой полости по существу непроводящий.Массивы Веннера или Шлюмберже могут использоваться с горизонтальное профилирование для обнаружения возникающих аномалий удельного сопротивления полостями, хотя сообщения в литературе указывают на смешанные успех. Вероятность успеха этим методом зависит от условий участка и использования оптимального сочетания расстояние между электродами и интервал между последовательными станциями. Многие из неудачных опросов тоже проводятся с интервалом. большой, чтобы устранить искомые аномалии.

Интерпретация данных вертикального электрического зондирования

Проблема интерпретации данных VES заключается в использовании кривой кажущееся сопротивление в зависимости от расстояния между электродами, построенное по полю измерений, для получения параметров геоэлектрического раздел: удельные сопротивления и толщины слоев. Из при заданном наборе параметров слоя всегда можно вычислить кажущееся удельное сопротивление как функция расстояния между электродами (VES изгиб).К сожалению, для обратной проблемы как правило, невозможно получить однозначное решение. Там это взаимодействие между толщиной и удельным сопротивлением; может быть анизотропия УЭС в некоторых пластах; большие различия в геоэлектрический разрез, особенно на глубине, дает небольшие различия в кажущемся сопротивлении; и точность поля измерения ограничены естественной изменчивостью поверхности почвы и рок, и по инструментальным возможностям.Как результат, различные секции могут быть электрически эквивалентными в пределах практические пределы точности полевых измерений.

Чтобы справиться с проблемой неоднозначности, интерпретатор должен проверить все интерпретации путем расчета теоретической кривой VES для интерпретированный раздел и сравнение его с кривой поля. Должен применяться тест на геологическую обоснованность. В в частности, истолкованные тонкие пласты с неоправданно высокими контрасты удельного сопротивления могут быть артефактами интерпретации а не реальные возможности.Корректировки интерпретируемого значения могут быть получены на основе рассчитанных кривых VES и проверено путем вычисления новых кривых. Из-за точности ограничения, вызванные инструментальными и геологическими факторами, усилием не следует тратить зря на излишнюю доработку интерпретация. В качестве примера предположим, что набор полевых данных и трехслойная теоретическая кривая согласуются в пределах 10 процентов. Добавляем несколько тонких слоев для достижения идеальной посадки 2 процента редко лучше с геологической точки зрения.

Все методы прямой интерпретации, кроме некоторых эмпирических и полуэмпирические методы, такие как кумулятивный метод Мура и Метод слоя Барнса, которого следует избегать, полагайтесь на кривую сопоставление в некоторой форме для получения параметров слоя. Потому что теоретические кривые всегда гладкие, кривые поля должны сгладить, прежде чем приступить к их интерпретации, чтобы удалить очевидные ошибки наблюдений и эффекты боковой изменчивости. Отдельные точечные всплески сопротивления удаляются, а не интерполированный. Кривые следует проверять на предмет очевидного искажение из-за эффектов боковых колебаний.

Сравнение с теоретическими многослойными кривыми полезно в обнаружение такого искажения. Условия на сайте должны быть обдуманный; чрезмерное падение подповерхностных пластов по длине съемки линия (более 10 процентов), неблагоприятный рельеф или известная высокая латеральная изменчивость свойств почвы или горных пород может быть причины отклонить полевые данные как непригодные для интерпретации в с точки зрения простого вертикального изменения удельного сопротивления.

Простейший многослойный случай - это одиночный слой конечной толщины, покрывающий однородное полупространство разное удельное сопротивление. Кривые ВЭС для этого случая различаются в относительно простой способ, а полный набор справочных кривых может быть напечатано на одном листе бумаги. Стандартные двухслойные кривые для массива Schlumberger показаны на рисунке 7. Кривые нанесены в логарифмическом масштабе как по горизонтали, так и по вертикали, и нормируются путем построения отношения кажущегося сопротивления к удельное сопротивление первого слоя (ρa / ρ1) в зависимости от отношения расстояние между электродами до толщины первого слоя (a / d1).Каждый кривая семейства представляет собой одно значение параметра k , который определяется

(11)

Кажущееся сопротивление для малых расстояний между электродами приближается к ρ 1 и для подходов с большими шагами ρ 2; эти кривые начинаются в ρ a / ρ 1 = 1, и асимптотически подход ρ a / ρ 1 = ρ 2 / ρ 1 .

Любая двухслойная кривая для определенного значения k или для определенное соотношение удельных сопротивлений слоев, должно иметь одинаковую форму на логарифмическом графике как соответствующая стандартная кривая. Отличается только горизонтальным и вертикальным смещениями, которые равны к логарифмам толщины и удельного сопротивления первого слой. Ранний (т.е. соответствующий меньшему расстояние между электродами) часть более сложных многослойных кривых также может быть подогнан к двухслойным кривым для получения первого слоя параметры ρ1 и d1 и удельное сопротивление ρ2 слоя 2.В крайние кривые на рисунке 7 соответствуют значениям k, равным 1,0 и -1,0; эти значения представляют собой бесконечно большое удельное сопротивление контрасты между верхним и нижним слоями. Первый случай представляет собой слой 2, который представляет собой идеальный изолятор; второй, слой 2, который является идеальным проводником. Следующие ближайшие кривые в обоих случаях представляют соотношение 19 в слое удельные сопротивления. Очевидно, где контраст удельного сопротивления равен более чем примерно 20 к 1, точное разрешение удельного сопротивления слоя 2 нельзя ожидать.Потеря разрешения - это не просто влияние способа построения кривых, но является репрезентативным основы физики проблема и приводит к неоднозначности в интерпретации VES кривые.

Рисунок 7. Двухслойный эталонный набор кривых зондирования для Массив Шлюмберже. (Зохды 1974а, 1974б)

Где три или более слоев контрастного сопротивления, VES кривые более сложные, чем двухслойные кривые.На троих слоев, существует четыре возможных типа кривых VES, как показано на рисунок 8, в зависимости от характера последовательного удельного сопротивления контрасты. Классификация этих кривых находится в литературу обозначениями H, K, A и Q. Эти символы соответствуют кривым типа чаши, которые возникают при промежуточный слой с более низким удельным сопротивлением, чем слои 1 или 3; кривые колоколообразного типа, где промежуточный слой выше удельное сопротивление; восходящие кривые, где сопротивления последовательно увеличивать; и нисходящие кривые, где сопротивления последовательно снижаться.С четырьмя слоями присутствует еще один сегмент кривой, так что можно выделить 16 типов кривых: HK для чаши-раструба кривая, AA для монотонно восходящей кривой и т. д.

Рисунок 8. Четыре типа трехслойных кривых VES; три примерные кривые для каждого из четырех типов представляют значения d2 / d1 = 1/3, 1 и 3.

До появления персональных компьютеров кривая согласования процесс был выполнен графически путем нанесения полевых данных на прозрачный журнал миллиметровка в том же масштабе каталогов двух- и трехслойные стандартные кривые.Использование стандартных кривые требует идентификации типа кривой, за которым следует сравнение со стандартными кривыми этого типа для получения наилучшего соответствие. Двухслойные и трехслойные кривые можно использовать для полная интерпретация кривых VES большего количества слоев Метод вспомогательной точки, требующий использования небольшого набора вспомогательные кривые и некоторые конструкции. Обсуждения и пошаговые примеры этого метода даны Zohdy (1965), Орельяна и Муни (1966) и Келлер и Фришкнехт (1966).Наборы стандартных кривых были разработаны несколькими рабочие. Орельяна и Муни (1966) опубликовали набор из 1417 двух-, трех- и четырехслойные кривые Шлюмберже, сопровождаемые набор вспомогательных кривых и табличные значения для Шлюмберже и кривые Веннера. Значения кажущегося сопротивления для 102 трехслойные кривые Веннера были опубликованы Ветцеля и МакМюрреем. (1937). Коллекция из 2400 двух-, трех- и четырехслойных кривые были опубликованы Муни и Ветцелем (1956).Большинство, если не все из этих публикаций разошлись, но копии могут быть доступны в библиотеках.

Гош (1971a, 1971b) и Йохансен (1975) использовали теорию линейных фильтров. разработать быстрый численный метод вычисления кажущейся значения удельного сопротивления из преобразования удельного сопротивления и наоборот наоборот. С помощью этих методов новые стандартные кривые или пробные VES кривые могут быть вычислены по мере необходимости с помощью цифрового компьютера или калькулятор, либо для сопоставления кривых, либо для проверки действительности интерпретация полевых данных.Таким образом, методом проб и ошибок возможна интерпретация данных VES. Пробные значения параметры слоя можно угадать, проверить с помощью вычисленного кажущегося кривая удельного сопротивления, и скорректированная, чтобы поле и вычисленное кривые согласны. Конечно, процесс будет намного быстрее, если первоначальное предположение основывается на полуколичественном сравнении с двух- и трехслойные кривые. Компьютерные программы были написанные Зоди (1973, 1974a, 1975), Зоди и Бисдорф (1975), и несколько коммерческих компаний-разработчиков программного обеспечения для использования этого метода для получить параметры слоя автоматически путем итерации, начиная с начальной оценкой, полученной приближенным методом. Для большинства компьютерных программ требуется предварительная оценка, предоставляемая пользователем. (модель), тогда как некоторые программы могут по желанию сгенерировать начальную режим. После индивидуальной настройки набора звуковых кривых интерпретируется таким образом, второй проход может быть сделан там, где определенные толщину слоя и / или удельное сопротивление можно зафиксировать, чтобы получить более последовательная интерпретация проекта.

Интерпретация данных горизонтального профилирования

Данные, полученные при горизонтальном профилировании для проектирования заявки обычно интерпретируются качественно.Очевидный значения удельного сопротивления нанесены на карту и нанесены изолинии на карты или нанесены как профили и области с аномально высокими или низкими значениями или выявлены аномальные закономерности. Толкование данных, а также при планировании обследования необходимо руководствоваться доступные знания местной геологии. Переводчик обычно знает, что он ищет с точки зрения геологических особенности и их ожидаемое влияние на кажущееся сопротивление, потому что исследование удельного сопротивления мотивировано геологическими данными особого вида исследовательской задачи (например,г., карстовый рельеф). Затем опрос проводится таким образом, который, как ожидается, будет наиболее эффективным. реагировать на типы геологических или гидрогеологических особенностей искал. Ошибка, присущая этому подходу, заключается в том, что устного переводчика могут ввести в заблуждение его предубеждения, если он не достаточно внимателен к возможности неожиданного происходит. Следует рассмотреть альтернативные интерпретации, и доказательства из как можно большего числа независимых источников должны быть применительно к интерпретации.Один из способов помочь спланировать исследование заключается в построении модельных кривых зондирования ВЭЗ для ожидаемых модели, измените каждый параметр модели отдельно, скажем, на 20%, а затем выберите расстояние между электродами, которое наилучшим образом разрешит ожидаемые вариации удельного сопротивления / глубины. Большинство следователей затем выполняют ряд зондирований VES для проверки и уточнения результатов модели перед началом горизонтального профилирования.

Построение теоретических профилей возможно наверняка. виды идеализированных моделей, и изучение таких профилей очень полезно для понимания важности профилей полей. Ван Ностранд и Кук (1966) всесторонне обсуждают теория интерпретации удельного электрического сопротивления и многочисленные примеры профилей удельного сопротивления на идеализированных моделях разломов, дамбы, заполненные раковины и каверны.

На рисунке 9 показана теоретическая модель Веннера. профиль пересекает разлом, ситуация, о которой можно думать больше как правило, как линия обзора, пересекающая любой резкий переход между участками с разным сопротивлением.Цифра сравнивает теоретическая кривая, представляющая непрерывное изменение кажущейся удельное сопротивление с расположением центра электродной решетки, и теоретическая кривая поля, которая была бы получена с интервалом из /2 между станциями. Чаще всего интервал, равный расстоянию между электродами, будет использовал; различные теоретические кривые поля для этого случая могут быть построены соединяя точки на непрерывной кривой с интервалами а .Эти кривые не смогли бы раскрыть большую часть детали непрерывной кривой и могут выглядеть совершенно иначе друг от друга. На рисунке 10 показан профиль через сланцевый сток (т.е. тело с относительно низким удельным сопротивлением) и сравнивает его с теоретической непрерывной кривой и теоретической кривая поля. Теоретические кривые приведены для проводящего тела. на поверхности, в то время как полевой футляр имеет тонкую крышку из alluvium, но кривые очень похожи.На рисунке 9а показано число теоретических непрерывных профилей по идеально заглубленным изоляционные цилиндры. Эта модель будет близко приближать подземный туннель и менее удлиненная пещера. А сферическая пещера произвела бы аналогичный отклик, но с меньшими затратами. выраженные максимумы и минимумы. На рисунке 11b показан набор аналогичные кривые для цилиндров разного удельного сопротивления контрасты.

Рисунок 9.Горизонтальный профиль удельного сопротивления Веннера на вертикальный разлом; типичная кривая поля (сплошная линия), теоретическая кривая (пунктир). (Ван Ностранд и Кук, 1966)

Рис. 10. Горизонтальные профили удельного сопротивления Веннера на заполненная раковина: A) непрерывная теоретическая кривая над полусферический сток, б) кривая наблюдаемого поля с геологическим крестом разрез, в) график теоретического поля над полусферическим стоком (Ван Ностранд и Кук, 1966 г.).

Рисунок 11. Теоретические профили Веннера по кругу. цилиндр; а) идеально изолирующие цилиндры на разной глубине, б) цилиндры с разным контрастом удельного сопротивления. (Ван Ностранд и Повар 1966)

2D и 3D электрические изображения

Вслед за одномерными приложениями теории построения изображения удельного сопротивления следуют двухмерные, а затем и трехмерные приложения.2D-профили используют вышеуказанные методы зондирования и объединяют их в 2D-плоскость, пересекающую желаемую целевую область. В наиболее распространенной конфигурации 2D-съемки используются диполь-дипольные конфигурации электродов. Пример геометрии сбора данных для 2D-профиля представлен на рисунке 12.

Рис. 12. Двухмерная конфигурация измерения диполь-дипольного профиля удельного сопротивления. Место нанесения псевдоразреза обозначено вред.

На рисунке 12 показан диполь передающего тока (I), за которым следует ряд потенциальных диполей (V), которые измеряют результирующий градиент напряжения на каждой станции вдоль линии.Последующие измерения завершаются последовательным перемещением токового диполя вниз по линии. Однако альтернативные измерения удельного сопротивления могут быть выполнены с использованием буксируемых наземных или морских массивов, которые будут поддерживать указанную выше конфигурацию и создавать 2D-изображение путем перемещения всей измерительной группы для каждой серии измерений. В обоих случаях полученное изображение отображает кажущееся удельное сопротивление с глубиной, которое затем контурируется (обычно кригингом) с использованием коммерчески доступной программы. Цветное контурное изображение отображает распределение значений кажущегося сопротивления и связанных градиентов в пределах интересующей области.Чтобы преобразовать данные кажущегося сопротивления в истинное сопротивление, данные инвертируются. На рис. 13 показан пример измеренного псевдоразреза кажущегося сопротивления вверху, за которым следует вычисленный псевдоразрез кажущегося сопротивления, в результате чего получается двумерный разрез инвертированного истинного сопротивления. Цифры, представленные в нижней части перевернутого раздела, отображают критерии согласия, используемые для оценки точности рассчитанной модели удельного сопротивления. Наконец, обратите внимание, что отметки поверхности были включены в окончательную модель с учетом изменений геометрии измерения из-за изменения топографии.

Рис. 13. Примеры измеренного кажущегося сопротивления, вычисленного кажущегося сопротивления и сечения обратного сопротивления (http://www.agiusa.com/agi2dimg.shtml). Это изображение предоставлено для демонстрационных целей и не предназначено для поддержки использования этого программного обеспечения.

На рисунке 14 представлен альтернативный способ создания двухмерного изображения удельного электрического сопротивления геологической среды. В этом сценарии ряд электродов размещается с равными интервалами вертикально вниз по двум обсадным трубам скважины.Каждый доступный диполь используется как для передачи (ток), так и для приема (напряжение). На рисунке 15 показан пример набора данных инвертированного 2D межскважинного ERT.

Рис. 14. Траектории измерительных лучей, связанные с одним передающим диполем, проходящим через ствол скважины. Традиционно измерения производятся с использованием каждого доступного диполя как передающего, так и принимающего диполя.

Рисунок 15. Пример набора данных инвертированного межскважинного ERT (http: // www.agiusa.com/agi2dimg.shtml). Это изображение предоставлено для демонстрационных целей и не предназначено для поддержки использования этого программного обеспечения.

Страницы, найденные в разделах "Поверхностные методы" и "Скважинные методы" в основном основаны на отчете Министерства транспорта США:

Wightman, W. E., Jalinoos, F., Sirles, P., and Hanna, K. (2003). «Применение геофизических методов к проблемам, связанным с автомобильными дорогами."Федеральное управление шоссейных дорог, Управление автомобильных дорог Центральных федеральных земель, Лейквуд, Колорадо, публикация № FHWA-IF-04-021, сентябрь 2003 г. http://www.cflhd.gov/resources/agm/

Электрические методы | Экологическая геофизика

Электрогеофизическими методами разведки обнаруживают поверхностные эффекты, вызванные протеканием электрического тока в земля. Используя электрические методы, можно измерить потенциалы, токи и электромагнитные поля, которые возникают естественным путем или искусственно внесены в грунт.В Кроме того, измерения можно проводить различными способами, чтобы определяют множество результатов. Есть гораздо большее доступны различные электрические и электромагнитные методы чем в других поисковых методах, где только одно месторождение силы или аномального свойства. Однако в основном это огромное изменение удельного электрического сопротивления, обнаруженное в различные породы и минералы, которые делают эти методы возможными (Телфорд и др., 1976).

Электрические свойства горных пород

Все материалы, в том числе грунт и камни, обладают присущими ему свойствами. свойство, удельное сопротивление, которое регулирует соотношение между плотность тока и градиент электрического потенциал. Вариации удельного сопротивления земли материалы по вертикали или по горизонтали создают вариации в отношения между приложенным током и потенциалом распределение, измеренное на поверхности, и тем самым выявить кое-что о составе, степени и физических свойствах подземных материалов.Различные электрические геофизические методы различают материалы контраст существует в их электрических свойствах. Материалы которые различаются геологически, например, описанные в литологической каротажной диаграмме от просверленного отверстия, может отличаться или не отличаться электрически и, следовательно, может или не может быть различен электрическим съемка удельного сопротивления. Свойства, влияющие на удельное сопротивление почвы или породы включают пористость, влажность, состав (содержание глинистых минералов и металлов), соленость поровой воды и гранулометрический состав.

В электропроводящем теле, пригодном для описание в виде одномерного тела, например, обычного провода, взаимосвязь между текущим и потенциальным распределением описывается законом Ома:

(1)

где:

Сопротивление ( R ) длина провода равна

(2)

где

ρ = удельное сопротивление среды, составляющей провод,

L = длина,

A = площадь поперечного сечения проводника.

Обратите внимание, что если R выраженное в омах (Ом), удельное сопротивление имеет размеры Ом, умноженное на единицу длины. Это обычно выражается в Ом · м, но может быть дано в Ом-см или Ω-фут. Проводимость (σ) материала равна определяется как величина, обратная его удельному сопротивлению (ρ). Таким образом, удельное сопротивление рассматривается как внутреннее свойство материал, в том же смысле, что плотность и модули упругости внутренние свойства.

В большинстве земных материалов проводимость электрического тока составляет размещать практически полностью в воде, занимая поровые пространства или совместные отверстия, так как большинство почво- и породообразующих минералов по существу непроводящий. Глины и некоторые другие минералы, особенно магнетит, зеркальный гематит, углерод, пирит и другие сульфиды металлов, могут быть найдены в концентрации, достаточной для вносят заметный вклад в проводимость почвы или породы.

Вода в чистом виде практически непроводящий, но образует проводящий электролит с присутствие химических солей в растворе, а проводимость пропорционально солености. Эффект увеличения температура должна увеличить проводимость электролит. Когда поровая вода замерзает, возникает увеличение удельного сопротивления, возможно, в 104 или 105 раз, в зависимости от солености.Однако в почве или скале это эффект уменьшается из-за того, что поровая вода не все замерзнуть при этом, и обычно остается немного незамерзшей воды присутствует даже при температурах значительно ниже нуля. Наличие растворенных солей и адсорбция воды на поверхности зерна снижают температуру замерзания. Выравнивать Таким образом, измерения удельного электрического сопротивления, проведенные на мерзлых грунтах, являются могут возникнуть трудности из-за высокого удельного сопротивления замороженного поверхностного слоя и высокое контактное сопротивление на электроды.С другой стороны, эффект замораживания на удельное сопротивление делает метод удельного сопротивления очень полезным в определение глубины мерзлого слоя. Это очень полезно при интерпретации таких опросов, чтобы иметь данные сравнения, полученные при разморозке грунта.

Поскольку ток в почве и скалах проходит через электролит содержится в порах, удельное сопротивление регулируется в основном из-за пористости или пустотности материала и геометрия пор.Поровое пространство может иметь вид межкристаллитные пустоты, отверстия в суставах или трещинах, а также слепые поры, такие как пузыри или каверны. Только соединенные между собой поры эффективно способствует проводимости, а геометрия взаимосвязи или извилистость текущих путей, в дальнейшем влияет на это. Удельное сопротивление ρ насыщенного пористого материал можно выразить как

(3)

где

F = фактор пласта,

ρ Вт = удельное сопротивление поровой воды.

Фактор формирования является функцией только свойства пористой среды, прежде всего пористость и геометрия пор. Эмпирическое соотношение, закон Арчи, есть иногда используется для описания этих отношений:

(4)

где

и м = эмпирические константы, зависящие от геометрии поры,

φ = пористость материала.

Значения и в диапазон от 0,47 до 2,3 можно найти в литературе. В значение м составляет обычно считается функцией вида цементирования присутствует и, как сообщается, варьируется от 1,3 до полностью нецементированные почвы или отложения до 2,6 для сильно цементированных горных пород, например, плотные известняки. Уравнения 3 и 4 обычно не полезен для количественной интерпретации данных с поверхности электрические обследования, но они предлагаются здесь, чтобы помочь прояснить роль порового пространства в управлении удельным сопротивлением.

Тела из глины или сланца обычно имеют более низкое удельное сопротивление, чем почвы или породы, состоящие из крупногабаритные минеральные зерна. Хотя частицы глины сами по себе непроводящие в сухом состоянии, проводимость поры вода в глинах увеличивается за счет десорбции обменных катионы с поверхности частиц глины.

В таблице 1 показаны некоторые типичные диапазоны значений удельного сопротивления для искусственные материалы и природные минералы и горные породы, похожие на многочисленные таблицы, найденные в литературе (van Blaricon 1980; Телфорд и др.1976; Келлер и Фришкнехт 1966). В показаны диапазоны значений, которые обычно встречаются, но не представляют собой крайние значения. Это может быть выведено из перечисленные значения, которые пользователь ожидает найти в типичном УЭС низкоомные для слоев грунта, с нижележащая коренная порода дает более высокое сопротивление. Как правило, это будет так, но особые условия сайта может изменить отношения удельного сопротивления.Например, крупный песок или гравий, если он сухой, может иметь удельное сопротивление вулканических пород, в то время как слой выветрившейся породы может быть более проводящий, чем покрывающая его почва. В любой попытке интерпретировать удельные сопротивления с точки зрения типов почв или литологии, следует учитывать различные факторы, влияющие на удельное сопротивление.

Таблица 1. Типичное электрическое сопротивление земли. материалы.

Материал

Удельное сопротивление (Ом · м)

Глина

1-20

Песок влажный до влажный

20-200

Сланец

1-500

Известняк пористый

100–1000

Плотный известняк

1 000–1 000 000

Метаморфический скалы

50–1 000 000

Магматические породы

100–1 000 000

Классификация электрических методов

Количество электрических методов, использованных с момента первого применения около 1830 г. (Parasnis 1962) действительно большой; они включают собственный потенциал (СП), теллурические токи и магнитотеллурика, удельное сопротивление, эквипотенциальное и миз-а-ля-масс, электромагнитная (ЭМ) и наведенная поляризация (ИП). Из-за большого количества методов существует множество способов классифицируя их для обсуждения. Один из распространенных методов - тип используемого источника энергии, то есть природный или искусственный. Из перечисленных выше методов первые два являются сгруппированы по естественным источникам, а остальные - как искусственные. Другая классификация, которая будет использоваться здесь, - это группировка по измеряются ли данные во временной области или по частоте домен.Только методы, которые сегодня широко используются для решения инженерные, геотехнические и экологические проблемы будут рассматривается в этом обсуждении, таким образом опуская теллурический ток методы, магнитотеллурика и многие методы ЭМ.

Методы временной области (часто сокращенно TDEM или TEM) - это те в котором только величина или величина и форма принимаемый сигнал измеряется. Техники в этом классе обсуждаются под заголовками Удельное сопротивление постоянному току, индуцированное поляризация, электромагнетизм во временной области и самопотенциал.Методы частотной области (часто сокращенно как FDEM или FEM) - это те, в которых частотная составляющая принимаемый сигнал измеряется. Обычно методы FDEM методы непрерывного источника, и измерения производятся, пока источник включен. Измерение имеет величину при заданном частота. Методы этого класса обсуждаются в разделе рубрики СНЧ, проводимости местности и металлоискателей.

Методы сопротивления и электромагнитные методы

Прежде чем обсуждать отдельные методы, полезно обрисовать основные отличия удельного сопротивления (в том числе наведенного поляризация) методы и электромагнитные методы.С резистивные методы, источник состоит из электрического тока вводится в землю через два электрода. В форма волны передаваемого тока может быть постоянным током, низкочастотной синусоидальной (примерно до 20 Гц) или прямоугольной формы, как при индуцированной поляризации обзоры с частотой около 0,1 Гц. Энергетик, следовательно, электрический ток вводится в землю через токовые электроды.

При использовании электромагнитных методов источником чаще всего является замкнутого контура провода, в котором течет переменный ток.Может быть небольшой переносной катушкой передатчика диаметром до 1 м, в в этом случае есть много витков провода. В качестве альтернативы Источником может быть большой контур передатчика на земле, размером с 1 км в диаметре. Частота тока передатчика может находиться в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 10 000 Гц. Инструменты обычно используется для инженерных приложений (например, EM-31, EM-34 и EM-38) используют малогабаритную многооборотную катушку и частоты выше 2500 Гц.Электрический ток в контур передатчика генерирует магнитное поле. Магнитный поле является источником энергии в электромагнитных методах по сравнению с с электрическим током в резистивных методах.

Что касается реакции, то при использовании методов удельного сопротивления возникают аномалии. от контрастов удельного сопротивления. Например, если цель с Удельное сопротивление 10 Ом · м находится во вмещающей породе с удельным сопротивлением 100 Ом · м, возникает такая же аномалия, как если бы цель имела удельное сопротивление 100 Ом · м во вмещающей породе с удельным сопротивлением 1000 Ом · м.В обоих случаях присутствует удельное сопротивление контраст 10. Этот пример верен, пока частота передатчика достаточно мала, чтобы не было заметных электромагнитная индукция в горных породах. С электромагнитные методы, аномалии связаны скорее с абсолютными сопротивление, а не контрасты сопротивлений. Два примеры, упомянутые ранее для методов сопротивления, не будут производят те же аномалии с помощью электромагнитных методов (Klein и Lajoie, 1980).



Страницы, найденные в разделах "Поверхностные методы" и "Скважинные методы" в основном основаны на отчете Министерства транспорта США:

Wightman, W. E., Jalinoos, F., Sirles, P., and Hanna, K. (2003). «Применение геофизических методов к проблемам, связанным с автомобильными дорогами». Федеральное управление шоссейных дорог, Управление автомобильных дорог Центральных федеральных земель, Лейквуд, Колорадо, Публикация No.FHWA-IF-04-021, сентябрь 2003 г. http://www.cflhd.gov/resources/agm/

Реализация потенциала искусственных мышц из диэлектрического эластомера

Значение

Для создания новых роботов, которые могут безопасно взаимодействовать с людьми при выполнении сложных задач, нам необходимы искусственные мышцы. В идеале эти устройства должны быть полностью мягкими, такими же сильными, как естественные мускулы, и питаться от электричества для легкой интеграции с остальной частью робота. Мы нашли решение материалов, основанное на установленной технологии - мягкий конденсатор из диэлектрического эластомера, который деформируется при приложении электрического поля.Используя уникальную комбинацию наноразмерных проводящих частиц и мягких эластомеров, мы можем применять сильные электрические поля и достигать силы сокращения на уровне естественных мускулов. Возможные области применения включают новые хирургические инструменты, протезы и протезы, тактильные устройства и более способные мягкие роботы для исследований.

Abstract

Мягкая робототехника представляет собой новый набор технологий, направленных на работу в естественной среде и рядом с человеческим телом. Чтобы взаимодействовать с окружающей средой, мягким роботам требуются искусственные мускулы для приведения в действие движения.Эти искусственные мышцы должны быть такими же сильными, быстрыми и крепкими, как и их естественные аналоги. Приводы из диэлектрического эластомера (DEA) являются многообещающими мягкими преобразователями, но обычно демонстрируют низкие выходные силы и низкую плотность энергии при использовании без жестких опор. Здесь мы сообщаем о мягком композитном DEA, сделанном из упрочняющих деформацию эластомеров и электродов из углеродных нанотрубок, который демонстрирует пиковую плотность энергии 19,8 Дж / кг. Результат близок к верхнему пределу для естественных мышц (0,4–40 Дж / кг), что делает эти DEA самыми эффективными мягкими искусственными мышцами с электрическим приводом, продемонстрированными на сегодняшний день.Для получения высоких сил и смещений мы использовали сверхтонкие электроды из углеродных нанотрубок с низкой плотностью, которые могут выдерживать приложенные электрические поля до 100 В / мкм без пробоя диэлектрика. Возможные области применения включают протезирование, хирургических роботов и носимые устройства, а также мягких роботов, способных передвигаться и манипулировать в естественной или ориентированной на человека среде.

Мягкая робототехника - это зарождающаяся область робототехники с широким спектром приложений (1–3), от носимых и реабилитационных устройств (4) до новых хирургических инструментов (5), а также биомиметических роботов для поиска, спасения и т. Д. и разведка (6, 7).Фундаментальной задачей при разработке этих роботов является создание эффективных исполнительных механизмов для деформации мягкого тела для выполнения движений, манипуляций или других задач (8, 9). Золотым стандартом для приведения в действие мягкого тела являются естественные мышцы (10), которые демонстрируют высокую плотность энергии (0,4–40 Дж / кг), широкий диапазон частот (1–200 Гц) и большие напряжения (5–30%). ). С момента их первоначальной разработки приводы из диэлектрического эластомера (DEA) (11⇓ – 13) были провозглашены искусственными мышцами, но ограничения материала обычно вынуждают пользователя выбирать между действительно мягким приводом, который демонстрирует низкую плотность энергии (14), и энергосберегающим. плотный привод с несколькими жесткими компонентами (15).По сути, DEA работают как совместимые конденсаторы, в которых диэлектрический эластомер деформируется в ответ на приложенное электрическое поле. В этой работе мы описываем, как при тщательном выборе и обработке материала можно заставить DEA работать как сильную искусственную мышцу, не требуя каких-либо жестких компонентов.

В этой работе мы воплощаем давнюю концепцию DEA как полностью мягких, электрически энергоемких искусственных мышц (Рис. 1 A и B ). Однопленочные диэлектрические эластомеры обычно тонкие, чтобы минимизировать напряжение срабатывания, что приводит к небольшим выходным усилиям (<10 мН) и ограниченным применениям.Чтобы достичь желаемых сил (> 10 Н) и смещения (> 1 см), нам нужно сложить несколько слоев. Здесь мы основываемся на нашей более ранней работе, которая объединила отверждаемые УФ-излучением эластомеры, повышающие деформацию (16), с перколяционными электродами на основе ультратонких углеродных нанотрубок (17) для создания многослойных, надежных и полностью мягких исполнительных механизмов. Использование усиливающих деформацию эластомеров в многослойной конфигурации позволяет обойтись без предварительного растяжения эластомера (18), что в противном случае сводит на нет преимущества мягкого исполнительного механизма, окружая его жесткой рамой.Без жестких ограничений DEA можно превратить в линейные сжимающие и расширяющие приводы (19), чтобы имитировать функцию естественных мышечных волокон (20) и мышечных гидростатов (21) соответственно. Эти линейные приводы также служат простыми, но надежными инструментами для измерения механической деформации и, следовательно, количественной оценки плотности энергии, а также других физических и электрических свойств. Диапазон напряжений в разных типах мышц животных довольно постоянен (5–10%), но плотность мощности и энергии зависит от типа передвижения (22).Например, плотность энергии колеблется от 0,4 Дж / кг для плавающего окуня при 4 Гц, до 6 Дж / кг при 25 Гц для летных мышц саранчи, до 40 Дж / кг для бегущей крысы при 7,5 Гц (23 ⇓ – 25). С целью создания искусственных мышц из диэлектрического эластомера, которые достигают такой же плотности энергии и ширины полосы, что и естественные мышцы, мы стремились к следующей комбинации возможностей привода: ( i ) продемонстрировать линейное сокращение или расширение в полностью мягких DEA, ( ii ) соответствие способность к деформации и плотность энергии естественной мускулатуры и ( iii ) максимизировать скорость деформации для достижения вязкоупругих пределов эластомерного материала.

Рис. 1.

Этапы изготовления и характеристики поломки. ( A и B ) Демонстрация мышечного срабатывания. Сжимающийся DEA используется для приведения в действие полимерной копии костей руки человека с механикой, аналогичной человеческой двуглавой мышце. Металлические проволоки служат жесткими звеньями для соединения DEA с костью. ( C ) Сжимающийся привод, показывающий несколько наборов активных элементов (темно-серый), чередующихся с пассивными элементами (светло-серый) для улучшения сцепления.( D ) Увеличенное изображение шести верхних стопок в сжимающемся приводе. Каждый пакет состоит из 25 отдельных слоев диэлектрического эластомера, каждый толщиной примерно 30 мкм; электроды выполнены чернилами B с поверхностной плотностью 15,59 мкл / см2. ( E ) Последовательность изготовления дисковых приводов, используемых при испытаниях на отказ. ( F ) Поле разбивки дискового привода в зависимости от концентрации используемых чернил A показано левой осью y . Расчетная площадь покрытия УНТ в зависимости от концентрации используемых чернил, основанная на изображении SEM, указана правой осью y .Результаты показывают, что более низкие поверхностные плотности УНТ снижают вероятность пробоя диэлектрика. Заштрихованная область слева от отметки 9 мкл / см2 указывает на то, что деформации не наблюдалось ни при каком приложенном поле. Пунктирная линия соответствует полю пробоя при использовании обычной угольной смазки в качестве электрода, определяемой собственными силами. Каждая точка данных соответствует среднему полю разбивки пяти различных образцов. Полоса ошибок соответствует SD набора данных. ( G ) Поле пробоя как функция модуля Юнга эластомера при двух различных поверхностных плотностях чернил A.Результаты показывают, что поверхностная плотность УНТ определяет начало пробоя диэлектрика, а не жесткость эластомера. Каждая точка данных соответствует среднему полю разбивки пяти различных образцов. Полоса ошибок соответствует SD набора данных.

Для достижения этих целей мы оптимизировали состав электродов и многослойную обработку, чтобы выдерживать высокие приложенные электрические поля без начала деструктивного пробоя диэлектрика. Чтобы понять эту мотивацию в количественном выражении, для небольших деформаций, наравне с деформациями, наблюдаемыми в естественных мышцах (<20%), деформацию в линейной DEA можно аппроксимировать как s = ϵE2 / Y, где ϵ - диэлектрическая проницаемость эластомера, Y - модуль Юнга эластомера, а E - приложенное электрическое поле.Как было продемонстрировано ранее (17), эластомеры, используемые в этой работе, демонстрируют линейное поведение в диапазоне представляющих интерес деформаций. В первом порядке плотность упругой энергии деформированного эластомера может быть аппроксимирована как Ue = s2Y / 2, что приводит к Ue = ϵ2E4 / 2Y, что означает, что плотность энергии очень чувствительна к приложенному электрическому полю. Кроме того, нам нужны тонкие электроды, чтобы максимально увеличить объем, занимаемый эластомером в конечном устройстве.

УНТ

удовлетворяют требованиям высокой проводимости при малой толщине (26, 27) и могут быть легко интегрированы в многослойный актуатор.Другие рассматриваемые электродные материалы были слишком толстыми [например, гидрогели (28) и ионогели (29, 30)], недостаточно проводящими [например, смятый графен (31)] или трудными для интеграции в многослойный исполнительный механизм (например, смятый металл (32). )]. Основным недостатком УНТ является раннее начало пробоя диэлектрика (33) по сравнению с более традиционными электродами, такими как угольная смазка. В более ранней работе (34) было показано, что пробой диэлектрика происходит при малых деформациях (<20%) до начала деформационного упрочнения эластомера.Мы предположили, что причина преждевременного пробоя диэлектрика связана с неоднородным распределением УНТ, вызывающим высокие концентрации электрического поля. Основываясь на этой гипотезе, мы исследовали связь между поверхностной плотностью УНТ и началом диэлектрического пробоя.

Более низкая поверхностная плотность УНТ в электродах может увеличить сопротивление листа, что, в свою очередь, увеличивает постоянную времени RC исполнительного механизма (постоянную времени цепи, состоящей из резистора и конденсатора). Скорость отклика DEA ограничена либо тем, как быстро заряжается совместимый конденсатор, либо тем, насколько быстро эластомер может деформироваться в ответ на создаваемое напряжение Максвелла между электродами.Мы стремились найти электроды с достаточно низким сопротивлением листа, чтобы деформация ограничивалась вязкоупругостью эластомера. В результате ключевые показатели производительности привода (то есть плотность энергии и полоса пропускания) можно систематически изменять, настраивая различные свойства материала (т.е. поле пробоя и вязкоупругость эластомера, соответственно).

Результаты

Для проверки гипотезы о том, что поле пробоя зависит от поверхностной плотности нанотрубок, мы изготовили многослойные дисковые приводы с разным количеством УНТ и измерили поле пробоя диэлектрика в каждом.Схема дискового привода и многослойной процедуры показана на рис. 1 F . Дисковые исполнительные механизмы были изготовлены путем многократного нанесения покрытия центрифугированием и УФ-отверждения прекурсоров акриловых эластомеров, чередующегося с штамповкой электродов из поддерживающей несущей пленки. Электроды были изготовлены путем фильтрации чернил УНТ на водной основе, разбавленных изопропанолом, через фильтры из политетрафторэтилена (ПТФЭ), используемые в качестве несущих пленок. Мы сохранили постоянными площадь фильтра (9,62 см2) и концентрацию чернил (определяемую оптической плотностью, с коэффициентом пропускания, равным 17% при 550 нм).Чтобы систематически изменять поверхностную плотность УНТ, мы варьировали количество используемых чернил (50–600 мкл), в результате чего поверхностная плотность составляла от 5,19 до 62,37 мкл / см2. Мы использовали две разные чернила: чернила A содержали функционализированные УНТ, диспергированные в воде (средний диаметр = 5 нм), а чернила B содержали УНТ, покрытые поверхностно-активным веществом, диспергированные в воде (средний диаметр = 10 нм). Поверхностно-активные вещества, используемые для стабильной дисперсии очищенных УНТ в чернилах B при высоких концентрациях в воде, могут быть удалены при низких температурах путем нагрева (2 часа при 120 ° C) после осаждения.Многослойный процесс изготовления позволил нагревать электроды на несущих пленках из ПТФЭ, что устраняет необходимость подвергать эластомер воздействию высоких температур. Приводы, изготовленные с использованием двух красок в различных количествах, были испытаны при возрастающих электрических полях, как подробно описано в Приложении SI , до тех пор, пока не произошел пробой диэлектрика.

Оптимизация электродов CNT.

Результаты показали, что для обеих красок существует желательная область с низкой поверхностной плотностью УНТ (7.79–15.59 мкл / см2), в которых пробой происходит в сильных электрических полях. Уменьшение поверхностной плотности УНТ увеличило поле диэлектрического пробоя до уровней выше, чем у более обычных электродов с углеродной смазкой (рис. 1 F ). Аналогичные эффекты наблюдались для обоих типов использованных чернил ( SI Приложение , рис. S1 A ). Было обнаружено, что начало пробоя диэлектрика приблизительно обратно пропорционально площади покрытия (рис. 1 F ). Сканирующая электронная микроскопия (SEM) УНТ, диспергированных на фильтрах из ПТФЭ ( SI Приложение , рис.S1 B - J ) показал, что по мере увеличения площади покрытия электрода с 30% при поверхностной плотности 5,59 мкл / см2 до ∼70–90% выше 20,79 мкл / см2. Однако электроды неоднородны: участки плотных УНТ образуются с плотностью ~ 10,39 мкл / см2, в то время как некоторые области остаются почти свободными от УНТ. К нашему удивлению, увеличение модуля эластомера в 10 раз (за счет дополнительного сшивающего агента в предшественнике эластомера) не так сильно повлияло на вероятность разрушения, как увеличение поверхностной плотности УНТ в 3 раза (рис.1 G ). СЭМ-изображения электродов на пленках из ПТФЭ для переноса показывают, что неоднородность может быть связана с агрегацией в порах фильтра ( SI Приложение , рис. S2 A и C ). Микроструктура сохраняется после переноса электрода на эластомер ( SI Приложение , рис. S2 B и D ). В целом, результаты показывают, что процесс дает контроль над поверхностной плотностью УНТ, что, в свою очередь, позволяет приводить в действие более высокие электрические поля, чем продемонстрировано ранее.

Хотя низкая поверхностная плотность электродов из УНТ снижает вероятность преждевременного пробоя, это может привести к плохим электромеханическим характеристикам из-за низкого покрытия поверхности эластомерами. Чтобы количественно оценить влияние поверхностной плотности УНТ на механические характеристики, мы построили приводы валков (35) и измерили их линейное смещение в осевом направлении (рис. 2 A ). Расширяющийся актуатор состоял из 15 слоев эластомера (6 × 1 см) и электродов с низким (15,59 мкл / см2) или высоким (46.77 мкл / см2) поверхностной плотности чернил B. Исполнительные механизмы испытывали, прикладывая возрастающие ступени напряжения, при этом измеряя смещение исполнительного механизма и потребляемый ток. При первоначальном испытании до 2 кВ электроды с более высокой поверхностной плотностью потребляли более высокие токи, чем электроды с низкой поверхностной плотностью ( SI Приложение , рис. S3 A - C ), при этом показывая меньшие смещения. В последующем испытании такое же поведение наблюдали только тогда, когда приложенное напряжение было самым высоким из когда-либо приложенных к устройству (2–2.Область 5 кВ; SI Приложение , рис. S3 D - F ). Поведение повторилось, когда приводы были заряжены до 3 кВ в первый раз (рис. 2 B , D и F ). Для сравнения, потребление тока было аналогичным на 20-м цикле (рис. 2 C , E и G ), в то время как смещение было значительно меньше для электродов из УНТ с высокой поверхностной плотностью. Выравнивание в потребляемом токе предполагало, что механизм самоочищения происходил во время начальной зарядки исполнительных механизмов (36).Согласно нашим наблюдениям и интерпретации, всплески тока вызывали локальный нагрев и, следовательно, частичное повреждение электродной сети. Мы ожидаем, что тот же самый механизм отвечает за полный пробой диэлектрика, описанный на рис. 1. Учитывая, что более высокие всплески тока коррелируют с электродами с более высокой поверхностной плотностью, вероятно, что морфология электродов УНТ играет значительную роль ( SI Приложение , рис. S1). Причина всплесков тока до сих пор не ясна: одна из гипотез состоит в том, что концы УНТ усиливают локальное электрическое поле.В качестве альтернативы, более плотные участки CNT могут вызвать чрезмерный нагрев по сравнению с более однородной сетью поблизости или плохое соединение между соседними слоями. Учитывая нашу заинтересованность в максимальном увеличении производительности привода, для оставшихся демонстраций мы сосредоточились на более прочных электродах, изготовленных из чернил с низкой поверхностной плотностью.

Рис. 2.

Характеристики приводов валков. ( A ) Последовательность изготовления приводов валков, используемых при оптимизации электродов CNT и выборе чернил. ( B ) Приложенное напряжение в 0.Шаг 3 кВ каждые 1 с для двух приводов валков, использующих чернила B, после термообработки при поверхностной плотности 15,59 и 46,67 мкл / см2 во время первого испытания устройства. ( C ) Соответствующее приложенное напряжение во время 20-го испытания каждого устройства. Шум в напряжении, приложенном к исполнительному механизму, вызванный более высокой концентрацией чернил, происходит из-за высоких пиков тока, которые достигли безопасного предела источника питания 2 мА. ( D ) Текущий отклик на приложенное напряжение от B во время первого теста.( E ) Текущий отклик на приложенное напряжение от C во время 20-го теста. ( F ) Осевое удлинение привода соответствует B . Высота привода составляет 1,1 см для каждого устройства. ( G ) Осевое удлинение привода соответствует C . Наибольшее смещение измеряется в электродах, изготовленных из чернил CNT с низкой поверхностной плотностью, что указывает на то, что эти материалы наиболее подходят для создания высокоэффективных искусственных мышц. ( H ) Осевое удлинение привода в зависимости от приложенного поля для устройств, изготовленных с четырьмя различными типами чернил.Зависимость параболическая: смещение пропорционально квадрату приложенного электрического поля. ( H , Inset ) График показывает измеренную емкость исполнительного механизма для каждого типа чернил. Пунктирная линия соответствует расчетной емкости устройства с учетом геометрии и параметров материала. Результаты показывают, что чернила B после термической обработки создают наиболее эффективный электрод из УНТ и должны использоваться для создания искусственных мышц.

Измеренные ток и приложенное напряжение (рис.2) были использованы для оценки ввода электроэнергии в систему: Uetotal = Q × V / 2 = 200 мДж для актуатора с низкой поверхностной плотностью, где Q - заряд, накопленный в конденсаторе, как произведение приложенного тока и времени. , V - напряжение, при котором конденсатор заряжается. Измеренное смещение (d) и заблокированное усилие (Fb) привода ( SI Приложение , рис. S4) использовались для оценки механической выходной мощности (Umech = d × Fb / 2 = 3,0 мДж для привода с низкой поверхностной плотностью. ), что дает энергоэффективность (umech / uetotal), равную 1.5%. Кроме того, мы также определили эффективность электромеханического преобразования привода, сравнив выходную механическую энергию с электрической энергией, накопленной в конденсаторе (Uestored). Электрическая энергия в конденсаторе была рассчитана на основе измеренной емкости (C = 10 нФ) и напряжения на конденсаторе (V = 3 кВ), используя Uestored = C × V2 / 2 = 45 мДж. Электромеханический КПД (Umech / Uestored) привода раскатывающего валка составил 6,7%.

Чтобы завершить оптимизацию электродов, мы рассмотрели влияние термической обработки на два типа чернил при постоянной поверхностной плотности УНТ.Помимо измерения смещения линейно расширяющихся осевых приводов, мы также количественно оценили сопротивление электродного листа и емкость привода при низком напряжении (см. Описание в приложении SI, приложение , рис. S5). Мы ожидали, что электроды, которые не могут физически эффективно покрывать всю поверхность эластомера, будут иметь соответственно высокое сопротивление листа, более низкие значения емкости, чем рассчитанные, и меньшее смещение исполнительного механизма. Наши ожидания подтвердились: актуаторы, показавшие наибольшее смещение, также имели самую высокую измеренную емкость (рис.2 F ). Наиболее эффективными материалами оказались чернила B после термической обработки (вакуум в течение 2 часов при 120 ° C), что позволяет предположить, что удаление молекул поверхностно-активного вещества дает наиболее эффективную сетку УНТ. СЭМ-изображение чернильных электродов B не показало значительных изменений микроструктуры до и после термической обработки ( SI Приложение , рис. S6). Измерения листового сопротивления красок на подложках из ПТФЭ согласуются с этой тенденцией ( SI Приложение , Таблица S1). Учитывая более высокие поля пробоя (> 100 В / мкм) и большие перемещения исполнительного механизма, мы выбрали чернила B после термической обработки в качестве оптимального электрода для наших искусственных мышц.

Демонстрации искусственных мышц.

Создав несколько слоев наших УФ-отверждаемых эластомеров и оптимизированных электродов с чернилами B, мы создали линейную сокращающуюся DEA, чтобы реализовать нашу цель создания полностью мягкой искусственной мышцы с электрическим приводом. Мы адаптировали установленный процесс (19, 37), уложив 45 дисков каждый из 26 слоев, чтобы создать цилиндр из 1170 слоев (Рис. 3 A и SI Приложение , Рис. S7 A ). Чтобы охарактеризовать полезную плотность энергии, мы измерили вес (w), тяговое усилие в механическом тестере без смещения (Fb) и свободное смещение (d) против силы тяжести привода в зависимости от приложенного электрического поля (рис.3 B - D , SI Приложение , Рис. S7 B - E и Movie S1). Сила тяги измерялась путем прикрепления одного конца привода к датчику нагрузки и удерживания другого конца неподвижным. Датчик нагрузки имел практически нулевое смещение, привод был запитан, и максимальное показание силы было записано как тяговое усилие. В сильных электрических полях плотность энергии (= Fb × d / 2w) достигала 19,8 Дж / кг, в то время как смещение соответствовало напряжению 24%, покрывая большой сегмент диапазона работоспособности естественных мышц (38).Для мышц млекопитающих типичная плотность энергии составляет 8 Дж / кг, а типичное напряжение - 20%. По сравнению с более ранними демонстрациями многослойных DEA, наши устройства имеют более высокую плотность энергии и более тонкие электроды (Таблица 1). Кроме того, наш производственный процесс позволяет независимо настраивать свойства и обработку эластомера вместе с электродом.

Рис. 3.

Характеристики прямоходных приводов. ( A ) Последовательность изготовления прямоходных приводов, используемых для измерения плотности энергии.( B ) Подключающийся привод, прикрепленный к грузу весом 1 кг без подачи электроэнергии. Привод имеет длину 6,3 см, состоит из отдельных слоев толщиной 30 мкм, весит 20 г и изготовлен из чернильных электродов B после термообработки с плотностью 15,59 мкл / см2. ( C ) Тот же привод с питанием от 3,5 кВ, поднимающий 1 = кг веса на 8 мм. ( D ) Плотность энергии того же исполнительного механизма из B. Подгоняемая линия соответствует четвертой степени зависимости плотности энергии от приложенного электрического поля, как предсказано нашей моделью.В самом высоком приложенном поле актуатор демонстрирует пиковую плотность энергии 19,8 Дж / кг, что соответствует естественной мускулатуре. ( E ) Сравнение относительных перемещений приводов сжимающего цилиндра и раздвижных валков в зависимости от частоты срабатывания при 3 кВ. Сжимающий исполнительный механизм представлял собой цилиндр длиной 2 см и диаметром 1,2 см, изготовленный из чернильных электродов B, после термообработки при 15,59 мкл / см2. Раздвижной привод представлял собой цилиндр длиной 2 см и диаметром 1 см, изготовленный из чернильных электродов B, после термообработки на 15.59 мкл / см2.

Таблица 1.

Эффективность DEA по сравнению с естественными мускулами

Те же строительные блоки можно использовать для демонстрации высокой плотности энергии в приводах с линейным расширением. Аналогичная оценка характеристик расширяющих приводов (приводы чернил с низкой плотностью на рис. 2 E , использующие блокированную силу вместо тягового усилия) продемонстрировала пиковую плотность энергии 13,75 Дж / кг, в то время как смещение соответствовало 22%. штамм ( SI Приложение , рис. S4).Сила блокировки измерялась путем закрепления привода между механическим заземлением и тензодатчиком, который был зафиксирован на месте. Когда привод был включен, его перемещение было полностью ограничено: максимальное значение силы записывалось как заблокированная сила. Более низкая плотность энергии, демонстрируемая исполнительными механизмами валков по сравнению с сжимающимися цилиндрическими исполнительными механизмами, может быть связана с потерями механической энергии при расширении исполнительных механизмов в радиальном направлении. По сравнению с более ранними примерами (39), эти линейные актуаторы достигли почти в 30 раз более высокой плотности энергии, в первую очередь из-за более высокого достижимого приложенного электрического поля без пробоя диэлектрика.Несмотря на разную геометрию, как расширяющий, так и сжимающий приводы демонстрируют одинаковую ширину полосы, если сравнивать смещение относительно длины привода (рис. 3 E ). Результаты показывают, что рабочие характеристики устройства зависят не от окончательной геометрии привода, а от свойств материалов, используемых в качестве строительных блоков.

Обсуждение

Чтобы понять электронные и вязкоупругие пределы устройства, мы охарактеризовали полосу пропускания привода (т.е.е., время отклика) и электрические свойства. С этой целью мы сравнили две поверхностные плотности чернил B после термообработки (15,59 и 46,77 мкл / см2) при линейном расширении привода в диапазоне частот от 0,1 до 200 Гц. Испытание заключалось в приложении синусоидального напряжения 3 кВ при заданной частоте в течение 1–100 с и измерении свободного смещения. Мы не наблюдали значительной разницы в смещении между двумя исполнительными механизмами, несмотря на 3-кратное увеличение концентрации УНТ и соответствующее 4-кратное уменьшение сопротивления листа.Для сравнения, емкости двух актуаторов были одинаковыми: 9,6 и 9,9 нФ для низкой и высокой концентраций соответственно. Сопротивления составили 0,6 и 2,2 МОм соответственно. Как данные о полосе пропускания, так и постоянные времени RC (5–20 мс) показывают, что отклик был ограничен вязкоупругостью материала (рис. 4 A ). Эти исполнительные механизмы не достигают полного смещения на частотах> 10 Гц, что приводит к плотности мощности на нижнем конце плотности мощности в мышцах млекопитающих (100–400 Вт / кг).Дальнейшее увеличение плотности мощности потребует увеличения полосы пропускания и материалов с более низкими вязкоупругими потерями.

Рис. 4.

Пределы производительности. ( A ) Удлинение привода рулона в зависимости от частоты срабатывания при 3 кВ для двух разных составов чернил CNT. Оба исполнительных механизма расширения были цилиндрическими: длиной 1,2 см и диаметром 1 см, изготовленные из чернильных электродов B, после термообработки при концентрации 15,59 и 46,77 мкл / см2. Сходные характеристики УНТ-красок с разной поверхностной плотностью указывают на то, что реакция исполнительного механизма ограничена вязкоупругостью эластомера, а не константой RC цепи.( B ) Расширение привода ролика в зависимости от количества циклов во время непрерывных испытаний под синусоидальным сигналом с частотой 10 Гц и пиком 3 кВ. Расширяющийся привод представлял собой цилиндр длиной 1,2 см и диаметром 1 см, изготовленный из чернильных электродов B после термообработки при 15,59 мкл / см2. Устройство надежно и выдерживает 100 000 циклов без заметного ухудшения механических характеристик. Каждая точка данных соответствует среднему смещению одного и того же устройства, испытанного пять раз.Полоса ошибок соответствует SD набора данных. ( C - F ) Сложные приводы, сделанные из простых строительных блоков: копия мышечного гидростата, сделанная из линейно расширяющихся приводов, питаемых до 3 кВ. ( C ) Расслабленное состояние. ( D ) Колонка 1 активирована. ( E ) Колонка 2 активирована. ( F ) Колонка 3 активирована.

Для полноты картины непрерывно подавался сигнал частотой 0–3 кВ и частотой 10 Гц для проверки устойчивости устройства. Мы не наблюдали заметного ухудшения рабочих характеристик исполнительных механизмов, изготовленных с электродами с низкой поверхностной плотностью чернил B (рис.4 B ) в течение 100 000 циклов непрерывных испытаний. Смещение приводов упало почти до половины первоначального значения после 300 000 циклов. Эта усталость могла быть связана с повреждением сетки УНТ, которое можно было уменьшить путем смешивания с проводниками различных наноразмеров, такими как серебряные нанопроволоки (40). Чтобы соответствовать прочности естественных мышц (109 циклов), нам потребуется лучшее понимание деградации устройства. Кроме того, мы использовали установленные простые строительные блоки (приводы для раскрытия и гибки) для создания более сложных систем с дополнительными возможностями.Одним из примеров этих сложных систем является копия мышечного гидростата, сделанная из линейно расширяющихся приводов, способных как изгибаться (углы наклона 30 ° в трех независимых направлениях), так и расширяться (деформация 10%) (Рис. 4 C - F и фильм S2). Мы предполагали, что оптимизированные версии этих типов усовершенствованных приводов могут найти применение при манипулировании хрупкими объектами или других сложных манипуляционных задачах.

DEA, представленные в этой работе, демонстрируют самую высокую пиковую плотность энергии на сегодняшний день, оставаясь при этом мягкими и растяжимыми, без включения каких-либо жидких компонентов.Путем тщательного отбора и обработки ультратонких проводников нанометрового размера ( SI Приложение , рис. S8) мы смогли применять сильные электрические поля без риска преждевременного пробоя диэлектрика. В сильных полях приводы демонстрируют способность к деформации и плотность энергии наравне с естественными мускулами. Мы обнаружили, что скорость привода ограничивается вязкоупругостью эластомера, а не сопротивлением электродного листа. Эта работа представляет собой важный шаг к реализации полностью растягиваемых, управляемых электричеством, сильных и быстрых искусственных мышц, которые будут реализованы в различных мягких машинах, которые могут взаимодействовать, улучшать или восстанавливать функции человеческого тела.

Материалы и методы

Вкратце, мы изготовили искусственные мышцы, используя известную многослойную технику (17). Искусственные мышцы были изготовлены из отверждаемых УФ-излучением акриловых эластомеров и ультратонких матов из УНТ. Мы количественно оценили смещение привода, выходное усилие и полосу пропускания как для сжимающихся, так и для расширяющихся приводов, используя лазерные датчики смещения и тензодатчики. Дополнительные сведения приведены в приложении SI .

Выражение признательности

Мы благодарим Dr.Афтаб Хуссейн за разработку испытательной установки для приводов линейного расширения; и Shuwen Zhang за предоставление оборудования для тестирования искусственных мышц, используемых в демонстрациях бицепса. Исследование было поддержано грантом DMR14-20570 Национального научного фонда исследований материалов и инженерного центра, Институтом биологической инженерии Висса и Link Foundation. Эта работа была частично выполнена в Центре наномасштабных систем (CNS), который является членом Национальной сети координированной инфраструктуры в области нанотехнологий, которая поддерживается премией Национального научного фонда № 1541959.CNS является частью Гарвардского университета. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.

Сноски

  • Вклад авторов: исследование, разработанное доктором медицины; Доктор медицины и Э. проведенное исследование; H.Z. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; Доктор медицины и Э. проанализированные данные; и M.D., R.J.W. и D.R.C. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

  • Эта статья представляет собой прямую публикацию PNAS.

  • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1815053116/-/DCSupplemental.

Пересмотренные критические напряжения сдвига стенок сплавов Куни | КОРРОЗИЯ NACE

РЕФЕРАТ:

С помощью погруженной ударной струи с контролируемым электрохимическим шумом критические напряжения сдвига стенки были исследованы для CuNi 90/10 (UNS C70600) и CuNi 70/30 (UNS C 71500) при комнатной температуре в необработанном и хлорированном искусственном и природная морская вода.Состав сплава, состояние поверхности (шлифованная, предварительно покрытая окалиной) и присутствие гипохлорита существенно влияют на сопротивление материалов локальной коррозии, вызванной потоком (FILC). Было обнаружено, что характеристики сплавов CuNi в чистой искусственной морской воде аналогичны поведению в чистой природной морской воде. Стойкость сплавов CuNi к FILC оказалась значительно выше, чем ранее сообщалось в литературе.

ВВЕДЕНИЕ

Локальная коррозия, вызванная потоком (FILC), развивается при критических интенсивностях потока (рис. 1), которые создают локальные элементы турбулентности с энергоемкостью, достаточной для разрушения защитных слоев

1

.После удаления высокая локальная интенсивность потока предотвращает повторное формирование защитных слоев и, следовательно, запускает локальное растворение металла, контролируемое быстрым переносом массы (FILC, также называемое эрозионной коррозией). (Обратите внимание, что эрозионная коррозия может возникать и в отсутствие твердых частиц). Хотя скорость потока, измеряемая в [м / с], часто используется в технических обсуждениях, она не является подходящим физическим термином для описания интенсивности потока, потому что в этом термине эффект коррозионного потока зависит от геометрических параметров (например,грамм. диаметр трубы). Более общий, не зависящий от геометрии термин - это напряжение сдвига стенки tw, измеряемое в [Н / м2] или [Па] (уравнение 1). Расчеты и измерения показали, что даже напряжение сдвига стенки не несет прямой ответственности за разрушение защитных отложений, потому что напряжения сдвига стенки, встречающиеся в технических проточных системах, варьируются только в пределах от 1 до 100 Па, в очень крайних случаях порядка От 1 до 100 кПа. Однако обнаружено, что силы сцепления чешуек находятся в диапазоне от 1 до 10 МПа, а напряжение разрушения чешуек - от 10 до 100 МПа.Это показывает, что напряжения сдвига в стенках на несколько порядков слишком малы, чтобы разрушить защитные чешуйки. Было обнаружено, что силы в высокоэнергетических элементах микротурбулентности, ориентированных перпендикулярно стенке, в конечном итоге ответственны за разрушение накипи (Freak Energy Density (FED) -Model)

1,3

. Максимальный FED в проточной системе может быть измерен с помощью соответствующих инструментов

2

, однако на практике в этом нет необходимости, потому что в данной проточной системе FED пропорционален напряжению сдвига стенки

1-4

с коэффициентом порядка от 105 до 106.Таким образом, для практического применения и оценки системы потока напряжения сдвига стенки могут использоваться для количественной оценки интенсивности потока в данной системе потока. Для выбора материалов для технических систем потока чрезвычайно важно знать критические напряжения сдвига стенок tcrit, при превышении которых инициируется FILC. Критическое напряжение сдвига стенки зависит от типа металла и свойств окружающей среды, поскольку металл и окружающая среда влияют на механические и электрохимические свойства и, следовательно, на эффективность защиты чешуек, образующихся в данных условиях окружающей среды.

Новые искусственные нервы могут изменить протезирование | Наука

Роберт Ф. Сервис

Протезирование может скоро приобрести совершенно новый вид. Это потому, что исследователи создали новый тип искусственного нерва, который может ощущать прикосновения, обрабатывать информацию и общаться с другими нервами так же, как и те, что находятся в нашем собственном теле. В будущих версиях могут быть добавлены датчики для отслеживания изменений текстуры, положения и различных типов давления, что приведет к потенциально значительным улучшениям в том, как люди с протезами, а когда-нибудь и роботы, ощущают окружающую среду и взаимодействуют с ней.

«Это довольно хороший шаг вперед», - говорит Роберт Шеперд, специалист по органической электронике из Корнельского университета. Шеперд говорит, что не только мягкие, гибкие, органические материалы, которые делают искусственный нерв идеальным для интеграции с податливой тканью человека, но и относительно дешевы в производстве в больших массивах.

Современные протезы уже впечатляют: некоторые люди с ампутированными конечностями позволяют управлять движением руки только своими мыслями; у других есть датчики давления на кончиках пальцев, которые помогают владельцам контролировать захват без необходимости постоянно следить за прогрессом глазами.Но наше естественное осязание намного сложнее, поскольку оно включает тысячи датчиков, отслеживающих различные типы давления, такие как мягкое и сильное прикосновение, а также способность ощущать тепло и изменение положения. Этот огромный объем информации передается по сети, которая передает сигналы через локальные скопления нервов к спинному мозгу и, в конечном итоге, к головному мозгу. Только когда сигналы объединяются и становятся достаточно сильными, они составляют следующее звено в цепи.

Теперь исследователи под руководством химика Женана Бао из Стэнфордского университета в Пало-Альто, Калифорния, сконструировали искусственный сенсорный нерв, который работает примерно так же.Изготовленный из гибких органических компонентов, нерв состоит из трех частей. Во-первых, несколько десятков датчиков улавливают сигналы давления. Нажатие на один из этих датчиков вызывает повышение напряжения между двумя электродами. Затем это изменение улавливается вторым устройством, называемым кольцевым генератором, который преобразует изменения напряжения в последовательность электрических импульсов. Эти импульсы, а также импульсы от других комбинаций датчика давления / кольцевого генератора, подаются в третье устройство, называемое синаптическим транзистором, которое посылает серию электрических импульсов в виде паттернов, которые соответствуют тем, которые вырабатываются биологическими нейронами.

Бао и ее коллеги использовали свою установку для обнаружения движения небольшого стержня, движущегося в разных направлениях через их датчики давления, а также для идентификации символов Брайля. Более того, им удалось связать свой искусственный нейрон с биологическим аналогом. Исследователи отсоединили ногу от таракана и вставили электрод от искусственного нейрона к нейрону в ноге таракана; Сигналы, поступающие от искусственного нейрона, заставляли мышцы ног сокращаться, сообщается сегодня в Science .

Поскольку производство такой органической электроники стоит недорого, этот подход должен позволить ученым интегрировать большое количество искусственных нервов, которые могли бы улавливать различные типы сенсорной информации, говорит Шеперд. Такая система могла бы предоставить гораздо больше сенсорной информации будущим носителям протезов, помогая им лучше контролировать свои новые придатки. Это также может дать будущим роботам большую способность взаимодействовать с их постоянно меняющейся средой - что-то жизненно важное для выполнения сложных задач, таких как уход за пожилыми людьми.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *