Risto Puranen Kalevi Sulkanen Timo Jäppinen GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS Geofysiikan osasto Laiteseloste

Transkriptio

1 Risto Puranen Kalevi Sulkanen Timo Jäppinen GEOLOGINEN TUTKIMUSLAITOS Geofysiikan osasto Laiteseloste

2 1 ARKISTOKAPPALE 1 RAPORTTITIEDOSTO KIVINAYTTEIDEN (0MINAIS)VASTUSMAARITYKSET BAFRIP-MITTARILLA LA1 TESELOSTE 15/%8,2/3/1 --

3 1. Mittarin toiminta Laitteella voidaan mitata kivinaytteiden (ominais)vastuksia taajuuksilla 0.1, 10 ja 500 Hz. Taajuudesta riippumatta voidaan mittausvirraksi valita 0.7, 7 tai 70 pa (tehollisia arvoja). Mittari pitää virran amplitudin vakiona, kun virranvoimakkuus on valittu oikein suhteessa naytteen vastukseen. Laite opastaa havainnoitsijaa virran valinnassa ERROR-valomerkin ja aanimerkiri avulla. Virranvoimakkuuden huippuarvot ovat 1, 10 tai 100 pa, joten Ohmin lain mukaisesti saadaan naytteen vastus kertomalla naytteen päistä mitatun jännitteen numeroarvo sopivalla kymmenen potenssilla. Laite toteuttaa kertolaskun valitsemalla sopivasti desimaalipisteen paikan ja tulostusyksikön. Nämä valinnat tapahtuvat automaattisesti ja ohjautuvat virtakytkimen kautta. Näytteiden vastukset tulostuvat laitteen nayttöön yksiköissä 103 ohmia (ka) tai 106 ohmia (Mfi). Mittarin elektronisen rakenteen pääpiirteet selviävät liitteen 1 kuvasta. 2. Mittarin kalibrointi Mittarin maadoitustilanne ja ympäristön sahköinen häiriötaso riippuvat mittauspaikasta, minkä vuoksi laitteen kalibrointi on tarkistettava aina kun mittarin paikkaa vaihdetaan. Laitteen kalibroinnissa käytetään elektronista standardinäytetta (MAFRIP- STANDARDI). Standardi koostuu kolmesta osanäytteestä A, B ja C, jotka saadaan käyttöön standardissa olevan valintakytkimen avulla (ks. liite 2). Osanäytteiden vastusarvot virherajoineen on esitetty liitteen 2 taulukossa kullekin taajuudelle erikseen. Standardinäytteen mittaus j ohtimet 3 j a 4 kytketään vastaaviin liittimiin mittarin kannessa. Virtajohtimet 1 ja 2 kytketaan vastaaviin liittimiin standardin ja mittarin sivuissa. Mittarin maadoitusjohto G kytketaan lähimpään vesijohtoon tai liimpöpatteriin, johon valmistellaan kunnollinen kontaktipinta. Mittarin kalibrointia säädetään laitteen oikeassa sivussa olevia vastuksia i70, i7, i.7 ja f500 käyttäen. Kuhunkin mittausvirtaan liittyy i-alkuinen säatövastus, jonka avulla voidaan muuttaa kyseisellä virralla saatua mittaustulosta. Tulos kasvaa kun vastuksia kierretiian myötapaivaan. Vastukset kuuluvat virran vakiointipiiriin ja vaikuttavat virranvoimakkuuden nimellisarvoon.

4 Saatövastus f500 sijoittuu sinigenei-aattoripiiriin. Sen avulla voidaan säätää erikseen taajuuteen 500 Hz liittyvä2 virranvoimakkuutta ja siten myös mittaustulosta. Suuria vastuksia mitattaessa summautuu näytön tulokseen hairiösignaaleja erityisesti taajuudella I.z. Hairiösignaalien osuus tuloksessa riippuu mittauspaikasta. Vastuksella f500 voidaan eri taajuuksilla saadut mittaustulokset pakottaa samaksi erilaisissa mittausymparistöissä. Kaytannössa laitteen kalibrointi kannatta tehdä seuraavasti: 1. Kytketään standardin osanayte A mitattavaksi, valitaan taajuus 10 Hz ja virranvoimakkuus 0.7 pa, jolloin oikea mittaustulos on 2.00t0.03 Fifi (ks. liite 2). 2. Suoritetaan mittaus painamalla toimintakytkin asentoon START. Muutetaan näytön tulosta kohti oikeaa arvoa kiertämällä vastusta i.7 saatömeisselin avulla. Toistetaan mittauksia ja saätöä kunnes näyttöön saadaan oikea tulos. 3. Valitaan taajuus 500 Hz, jolloin mittaustuloksen pitäisi pysyä samana. Suoritetaan mittauksia ja tehdaan saätöjä vastuksella f500, kunnes nayttöön saadaan oikea tulos. 4. Kytketään osanayte B mitattavaksi, valitaan taajuus 10 Hz ja virranvoimakkuus 7 pa, jolloin oikea mi.ttaustulos on MJL. Suoritetaan mittauksia ja tehdaan saatöj2 vastuksella,i7, kunnes nayttöön saadaan oikea tulos. 5. Kytketaiin osanäyte C mitattavaksi, valitaan taajuus 0.1 Hz ja virranvoimakkuus 70 pa, jolloin oikea mittaustulos on kfi. Suoritetaan mittauksia ja tehdaan saatöja vastuksella i70, kunnes näyttöön saadaan oikea tulos. 3. Mittausten valmistelu Ennen päivittaisten mittausten alkamista varmistetaan laitteen oikea toiminta MAFRIP-STANDARDIN avulla (ks. kohta 2). Jos standardinaytteen mittaustulokset poikkeavat taulukoiduista arvoista, tarkistetaan maadoitusjohdon G kytkentä. Jos vika ei ole maadoituksessa, kalibroidaan mittari uudelleen kohdan 2 ohjeiden mu-

5 kaisesti. Kun laitteen toimintakunto on varmistettu, kiristetään elektrodiputket paikoilleen ja kierretään elektrodien messinkikorkit kiinni. Työnnetään märät vaahtomuovitaytteet elektrodiputkien sisälle. Kytketaan virtajohtimet 1 ja 2 vastaaviin liittimiin elektrodien korkeissa ja mittarin sivuissa. Kytketaan elektrodien mittausjohtimet 3 ja 4 vastaaviin liittimiin mittarin kannessa. Mitattaviin kivinäy.tteisiin sahataan kaksi likimain yhdensuuntaista tasopintaa. Näytteet laitetaan likoamaan vesialtaaseen vähintään kaksi vuorokautta, mutta enintään viikkoa ennen mittauksia. Märkäelektrodien muovitäytteitä liotetaan samassa vesialtaassa naytteiden kanssa. Ennen mittausta irtovesi naytteen ulkopinnalta kuivataan esimerkiksi paineilmalla. Taman jälkeen naytteen annetaan kuivua edelleen noin 15 minuuttia ennen kuin se mitataan. Järjestämällä naytteiden kuivatus ja mittaukset 5 naytteen vaihesiirtoon keskenään, päästään mittauksia tekemään jatkuvasti. 4. Mittausten suoritus Kytketaan mittari päälle (POWER ON), jolloin äänimerkki alkaa hälyttää, jos toimintakytkin on keskiasennossa. Halytys voidaan lopettaa painamalla kytkin asentoon SHUT UP. Puristetaan nayte tasopinnoistaan elektrodien väliin. Mittaus käynnistetään painamalla toimintakytkin asentoon START, jolloin aänihalytys alkaa jälleen. Halytys jatkuu lukeman integroimisen ajan, mikä kestää noin 15 s taajuudella 0.1 Hz ja noin 1 s taajuuksilla 10 ja 500 Hz. Integroinnin aikana mittarin näytössä on lukema nolla. Mitattava nayte kuivuu koko ajan ja sen vastus muuttuu. Taman vuoksi on suositeltavaa, että naytteen vastus mitataan 2 kertaa kullakin taajuudella. Kun mittaukset suoritetaan taajuusjärjes- tyksessä 0.1, 10, 500, 500, 10 ja 0.1 Hz, saadaan vastusarviot keskiarvotettua likimain samaan ajanhetkeen. Tällöin kuivumisesta aiheutuva vastuskäynti ja vastaava näennäinen polaroituminen eli- minoituu tuloksista suureksi osaksi. Mittaukset kannattaa aloit- taa taajuudella 0.1 Hz, johon liittyy suurin vastusarvo polaroi- tuvien naytteiden tapauksessa. Suurimmalla vastuksella valittu virta soveltuu myös pienempien vastusten mittaukseen. Näin ollen voidaan käyttää samaa virranvoimakkuutta kyseisen havaintosarjan kaikilla taajuuksilla. Käytännössä naytteen mittaus tehdään seu- raava~ ti :

6 1. Valitaan taajuus 0.1 Hz ja virta 70 ua. 2. Painetaan toimintakytkin asentoon START. 3. Jos ERROR-valo jää palamaan, pienennetään virtaa ja palataan kohtaan Kirjataan virranvoimakkuus 1 (pa) j a vastuslukema V1 ( k ~ mittauslomakkeelle ) (ks. liite 3). 5. Valitaan taajuus 10 Hz, painetaan START ja kirja- taan vastuslukema V2 rnittauslomakkeelle 6. Valitaan taajuus 500 Hz, painetaan START ja kir- jataan vastuslukema V3 rnittauslomakkeelle. 7. Säilytetään taajuus 500 Hz, painetaan START ja kirjataan vastuslukema V4 rnittauslomakkeelle. 8. Valitaan taajuus 10 LIZ, painetaan START ja kir- jataan vastuslukema V5 mittauslomakkeelle. 9. Valitaan taajuus 0.1 Hz, painetaan START ja kir- jataan vastuslukema V6 rnittauslomakkeelle. 10. Mitataan naytteen pituus L (cm) ja poikkipinta-ala 2 A (cm ) sekä kirjataan ne mittauslomakkeelle. Vastusmittauksen aikana on syytä välttää naytteen ja elektrodien koskettelua. Näytteen vaihdon aikana mittari tuntee tyhjän näy- tetilan (ilmanäytteen) aärettöman suurena vastuksena. Tallaiseen näytteeseen mittari ei pysty syöttämään vakiovirtaa, jolloin ERROR-valomerkki ja äänimerkki hälyttävät. Jos äänimerkki halu- taan hiljentää naytteen vaihdon ajaksi, painetaan toimintakytkin asentoon SHUT UP. Mittausten päättyessä katkaistaan laitteesta virta (POWER OFF). 5. Tulosten käsittely Mittaustuloksista V1,..., V6 (kn) lasketaan naytteen keskimääräi- nen vastus VFi (kn) kullakin taajuudella Fi (0.1 10, 500 Hz). Liitteen 4 tulostuslomakkeelle kirjataan ominaisvastukset RFi, jotka lasketaan kaavalla missä 2 A = naytteen poikkipinta-ala (cm ) L = naytteen pituus (cm) Fi = taajuus 0.1, 10 tai 500 (Hz)

7 Näytteen polaroituvuutta voidaan kuvata monilla parametreilla, jotka kaikki lasketaan vastusarvoista VFi (tai RFi) lähtien. Mittauslomakkeelle (ks. liite 3) on valittu parametrit PL ja PT, jotka maaritetaan kaavoilla missä F1=0.1, F2=10 ja F3=500 Hz. Parametria PL voidaan nimittää hitaaksi varautuvuudeksi, silla se kuvastaa polaroitumista alemmilla taajuuksilla H z. Parametrille PT sopii nimeksi kokonaisvarautuvuus, silla se luonnehtii polaroitumista aaritaajuuksien 0.1 ja 500 Hz valilla. Kirjallisuudessa usein esiintyviä polaroitumis-parametreja ovat myös taajuusvaikutus FE, normalisoitu taajuusvaikutus FN seka metallikerroin MF, jotka lasketaan kaavoilla 6. Mittausten rajoitukset Vas tusalueella ohmia on yksittäisten mittausten virhe pienempi kuin -2 + % mitatusta arvosta, kun laitteen kalibrointi on tarkistettu kyseisellä mittauspaikalla. Mainitulla vastusalueella on myös toistomittausten vaihtelu pienempi kuin 22 '% saadusta tuloksesta, kun mitataan elektronisia keinonäytteitä. Kivinaytteiden tapauksessa mittausten toistettavuus on selvästi huonompi (210 %). Tämä johtuu siitä, että näytteiden vesipitoisuus ja veden johtavuus vaihtelevat toistomaaritysten välillä, vaikka näytteiden vesiliotus ja pintakuivatus pyritään tekemään samalla tavoin kerrasta toiseen. Kun näytteen vastus ylittää arvon 107 ohmia, huonontuu mittaustarkkuus ja toistettavuus. Kun vastus on 6 suurempi kuin ohmia, ei laitteen nayttöön saada mittaustulosta lainkaan. Tällaisiin eristenaytteisiin mittari ei jaksa syöttää vakiovirtaa, jolloin ERROR-valo ja äänihälytys jäävät päälle. Eristenaytteiden vastuksesta saadaan vain tieto, että vastus on suurempi kuin 12.10~ ohmia.

8 Jos markaelektrodeilla saatu mittaustulos on kertaluokkaa 10 3 ohmia, on mitattavana melko varmasti kompakti malmi- tai grafiittinäyte. Kompakteissa johdenaytteissa on sahattujen päätypintojen polarisaatiovastus vallitsevana, kun niitä mitataan märkänä ja varsinkin alemmilla taajuuksilla. Tiillöin mittaus antaa tietoa lähinnä kyseisen naytteen pintapolarisaatiosta. Tavallisissa kivilajinäytteissä on mittaustulos 103 ohmia hyvin harvinainen. ~allainen tulos on kuitenkin saatu Kolarin huokoisista vihreakivista, joissa alhainen vastus johtuu huokosveden normaalia suuremmasta elektrolyyttipitoisuudecta. 7 MAFRIP-laitteen vastusmittausalue on noin ~ ohmia. Vastaava ominaisvastusalue on ~~m, kun mitataan kivisylintereita, joiden halkaisija ja pituus on noin 30 mm. Ominaisvastusmittausaluetta voidaan haluttaessa huomattavasti laajentaa sekä ylös- että alaspäin muuttamalla naytteen halkaisijaa tai pituutta tai molempia.

9 MAFRIP - integration timing. ustart METER -costop ALARM b- POWER DVM display control EXPLANATIONS: DSG = digital sine wave generator CCS = constant current source CIB = control and integration block ELE = wet electrodes SPE = rock specimen DIF = differential amplifier SUM = summing amplifier PD+ = positive peak detector PD- = negative peak detector DVM = digital volt meter SM0 = main power switch SW1 = frequency selecting switch SW2a= current selecting switch SW2b= DVM display control switch SW3 = DVM disable switch

10 LIITE 2. ELEKTRONINEN MAFRIP-STANDARDI (OSANXYTTEET A. B JA CI Kytkentakaavio:

11

12