Лабораторная работа № 2

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 поверхностных и подземных вод.

Таблица 3

Наиболее вероятные значения УЭС природных вод

№п/п	Наименование воды	ρ, Ом·м при t = 180С
1	2	3
1	Подземные воды глубинных рассолов	0,05 – 0,2
2	Поверхностные воды морей и горько-соленых вод	0,1 – 1,0
3	Подземные воды морских побережий и аридных областей	0,3 – 2,0
4	Поверхностные и подземные воды гумидных областей	10 – 60
5	Поверхностные и подземные воды высокогорных областей и районов развития многолетней мерзлоты	60 - 600
6	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
18	0,25	0,57	1,09	2,09	5,03	9,83	19,3
20	0,24	0,55	1,04	2,0	4,8	9,5	18,4
22	0,23	0,53	1,0	1,92	4,6	9,0	17,6
24	0,22	0,51	0,96	1,84	4,4	8,6	16,8
26	0,21	0,48	0,91	1,76	4,2	8,2	16,2
28	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 ε_ρ^ср, которая определяется по формуле:

% (3),

где n – количество эталонных образцов, _Δρ_i - относительная погрешность, определяемая как разность эталонного и измеренного значений:

_Δρ_i = ρ_этал. – ρ_изм

Следовательно, сравнивая ρ_этал (значения ρ эталонных растворов NaCl, приведенных в таблице 4) с отсчетами ρ_изм, 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
1	2	3	4	5	6	7
1	0,5
2	0,2
3	0,1
4	0,05
5	0,02
6	0,01
7	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
1	2	3	4	5	6
					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.