2015-04-01
2365
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Цель работы
Изучение теории и методики измерения удельного электрического сопротивления (УЭС) жидкостей с помощью поверхностного резистивиметра ПР-1. Выполнение метрологического контроля прибора и определение УЭС проб водных и флюидных растворов.
Материалы и принадлежности
Резистивиметр ПР-1, блок аккумуляторных батарей напряжением 9 В; термометр; эталонные растворы NaCl; пробы природных жидкостей; микрокалькулятор.
Порядок проведения работы
1. Изучение устройства и принципа действия ПР-1.
2. Проверка технического состояния и метрологический контроль прибора.
3. Выполнение измерений, оценка результатов.
4. Формулирование выводов.
Пояснение к работе
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) - величина, которая характеризует противодействие единицы объема вещества прохождению постоянного, и в значительной степени, переменного электрического тока. УЭС обозначается ρ и измеряется в единицах Ом∙м. Обратной величиной ρ является электрическая проводимость (σ = 1/ ρ), которая измеряется в сименсах на метр (Сим/м).
Природные воды являются электролитами, гидратация которых в растворе обусловливает их электропроводность. Возрастание температуры (t) приводит к увеличению подвижности ионов в жидкостях и, как следствие, понижению их УЭС. При этом УЭС природных вод мало зависит от химического состава растворенных в них солей и при малых концентрациях последних является величиной, обратно пропорциональной концентрации (C).
Таким образом, пластовая вода, насыщающая породу, оказывает влияние на ρ этой породы. Поэтому УЭС природных вод изучается во многих геологических (гидрогеология, морская и промысловая геофизика) гидрологических, мелиоративных и др. дисциплинах.
В таблице 3 приводятся наиболее вероятные значения ρ поверхностныхи подземных вод.
Таблица 3
Наиболее вероятные значения УЭС природных вод
| №п/п | Наименование воды | ρ, Ом·м при t = 180С |
| Подземные воды глубинных рассолов | 0,05 – 0,2 | |
| Поверхностные воды морей и горько-соленых вод | 0,1 – 1,0 | |
| Подземные воды морских побережий и аридных областей | 0,3 – 2,0 | |
| Поверхностные и подземные воды гумидных областей | 10 – 60 | |
| Поверхностные и подземные воды высокогорных областей и районов развития многолетней мерзлоты | 60 - 600 | |
| Снеговая и дождевая вода | 300 – 1000 |
В таблице 4 сведены значения ρ эталонных водных растворов при различных концентрациях NaCl и температурах.
Таблица 4
Значения УЭС растворов NaCl при различных температурах
| t, 0C | УЭC растворов NaCl в Ом·м при различных концентрациях в г NaCl на 1 литр и в нормалях | Примечание | ||||||
| 29,23 0,5Н | 11,69 0,2Н | 5,845 0,1Н | 2,923 0,05Н | 1,169 0,02Н | 0,5845 0,01Н | 0,2923 0,005Н | ||
| 0,25 | 0,57 | 1,09 | 2,09 | 5,03 | 9,83 | 19,3 | ||
| 0,24 | 0,55 | 1,04 | 2,0 | 4,8 | 9,5 | 18,4 | ||
| 0,23 | 0,53 | 1,0 | 1,92 | 4,6 | 9,0 | 17,6 | ||
| 0,22 | 0,51 | 0,96 | 1,84 | 4,4 | 8,6 | 16,8 | ||
| 0,21 | 0,48 | 0,91 | 1,76 | 4,2 | 8,2 | 16,2 | ||
| 0,20 | 0,46 | 0,87 | 1,68 | 4,0 | 7,9 | 15,6 |
Для определения УЭС поверхностных и подземных вод применяют специальные приборы – резистивиметры. Блок-схема, поясняющая их работу на примере прибора ПР-1, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 Блок-схема резистивиметра ПР-1
1 - переключатель диапазонов; 2 - измерительный сосуд; 3 - переключатель вида измерений; 4 - измеритель (микровольтметр); 5 - регистрирующий прибор;
6 - источник питания; 7 - генератор; 8 - регулировочное сопротивление.
Измерительным датчиком является 4-х электродная электроразведочная установка, вмонтированная в форме пластинчатых электродов в рабочую цилиндрическую ёмкость из изоляционного материала. Два питающих электрода А и В служат для пропускания электрического тока (I), а два измерительных М и N -для измерения разности потенциалов (ΔU). УЭС вычисляется по формуле:
ρ = k * ΔU / I,
где k – геометрический коэффициент, зависящий от расстояния между электродами и их конфигурации.
Экспериментальная часть лабораторной работы состоит из двух последовательных этапов:
I. Метрологический контроль прибора.
II. Массовые измерения УЭС природных жидкостей.
I. Метрологический контроль прибора сводится к измерениям УЭС эталонных проб и определению погрешности прибора ερср, которая определяется по формуле:
% (3),
где n – количество эталонных образцов, Δρi - относительная погрешность, определяемая как разность эталонного и измеренного значений:
Δρi = ρэтал. – ρизм
Следовательно, сравнивая ρэтал (значения ρ эталонных растворов NaCl, приведенных в таблице 4) с отсчетами ρизм, можно определить погрешность прибора ПР-1.
Измерения УЭС эталонных растворов производятся в следующей последовательности:
1) По данным таблицы 4 приготавливаются растворы химически чистой соли NaCl.
2) К прибору ПР 1 подключается питание постоянным напряжением
7,5-9 В, которое проверяется установкой переключателя «Вид измерения» в позицию «Е» (стрелка отклоняется на 75-90 делений).
3) В чисто промытый и высушенный измерительный сосуд прибора ПР-1 до обозначенной отметки заливается приготовленный эталонный раствор NaCl заданной концентрации.
4) Ручка переключателя «Вид измерения» переводится в позицию «К» и потенциометром «Калибровка» устанавливается стрелка прибора на кратное количество делений (предпочтительно 60 или 70).
5) Ручка переключателя «Вид измерения» устанавливается в позицию «I» (ток) и потенциометрами регулятора (грубо и плавно) стрелка прибора устанавливается на то количество делений, которое было установлено в позиции «К». В этом случае ток, протекающий через жидкость, становится равным току, установленному на эталонном сопротивлении (см. блок-схему на рисунке 2).
6) Ручка переключателя «Вид измерения» переводится в позицию ρ, а ручка переключателя пределов измерения в такое положение, чтобы стрелка находилась в интервале, большем 1/3 шкалы. После этого снимается отсчет в Ом·м, соответствующий значению ρ измеряемой пробы.
7) Термометром измеряется температура жидкости в измерительном сосуде и по таблице 4 выбирается значение ρ, соответствующее измеряемому эталонному раствору.
Результаты измерений и расчётов записывают в таблицу 5.
Следует отметить, что кроме метрологических погрешностей в ходе измерений возможны искажения результатов из-за методических ошибок в проведении эксперимента. К ним относятся недостаточный ток питания схемы, неточности в приготовлении эталонных растворов, неправильно выбранный диапазон измерений ρ, загрязнение измерительных ячеек в сосуде, окисление питающих и измерительных электродов и т.д.
Таблица 5
Результаты метрологического контроля на эталонных растворах
| № пробы | Концентрация раствора в нормалях | t, 0С | ρэтал, Ом·м | ρизм, Ом·м | ∆ρi , Ом·м | ∆ρi/ρi |
| 0,5 | ||||||
| 0,2 | ||||||
| 0,1 | ||||||
| 0,05 | ||||||
| 0,02 | ||||||
| 0,01 | ||||||
| 0,005 |
II. Массовые измерения УЭС жидкостей на приборе ПР-1 производят в той же последовательности, что и при метрологическом контроле. Результаты определения ρ записывают в журнал по форме (таблица. 6).
Таблица 6
Результаты измерений УЭС природных жидкостей
| № образца | Наименование жидкости | t, 0С | ρ, Ом·м | 
| Примечание |
| Наибольшая метрологическая погрешность по результатам эталонировки составляет Δρi =±_____ | |||||
Содержание отчёта
1. Титульный лист.
2. Описание физической сущности изучаемого показателя и методики лабораторных работ.
3. Результаты метрологического контроля с расчётом погрешностей и измерений УЭС на эталонных пробах.
4. Выводы по лабораторной работе, сопровождаемые графическими построениями.
Контрольные вопросы
1. Удельное электрическое сопротивление горных пород и природных жидкостей, как основной количественный показатель их физических характеристик.
2. Блок-схема приборов для определения удельного электрического сопротивления жидкостей.
3. Методика лабораторных определений УЭС растворов, метрологический контроль.
4. Зависимость УЭС от концентрации растворов и температуры жидкостей.
