6.3 Засоби вивчення теплового поля

Теплові властивості гірських порід визначають в лабораторних умовах з застосуванням методів стаціонарного і нестаціонарного теплового потоків, а також калориметричних методів (див. розд. 8, частина ІІ). Методи стаціонарного теплового потоку (методи пластин) є найбільш точними (відносна похибка – 1-6 %) і найбільш громіздкими, оскільки передбачають тривалий час експерименту і жорстке дотримання граничних умов. Для визначення параметрів слід виміряти потік який пройшов через зразок, градієнт температур під час досліду і геометричні розміри датчика: =qx/T. З методів нестаціонарного теплового потоку найвідомішими є методи регуляторного режиму (відносна похибка – 3-5 %) 1-го (вимірюються , a, c), 2-го (вимірюються  і c) і 3-го роду (вимірюються a і c), а також методи миттєвого джерела тепла (плоского, лінійного і точкового джерела тепла, вимірюються  і a, відносна похибка – 6-12 %). Калориметричні методи (змішування та адіабатичний, відносна похибка – 3-6 %) застосовуються для визначення теплоємності зразків. Без знання теплових властивостей гірських порід неможливою є якісна інтерпретація результатів термометрії свердловин і донних осадків, глибинних геотермічних досліджень тощо.

Для виконання геотермічних досліджень в свердловинах, підземних виробках і в акваторіях використовують різного роду термометри, термоградієнтометри і тепломіри, а при аерокосмічних і польових радіотеплових і інфрачервоних зйомках – тепловізори.

Чутливим елементом свердловинних (шпурових) та донних термометрів, які використовують для вимірювання температури порід або води при геотермічних дослідженнях, є термочутливі опори або термістори, що включаються в місткову схему, яка працює на постійному струмі. Зміна температури навколишнього середовища призводить до розбалансування "містка" і появі в ньому пропорційної зміни струму. Використовувані в геотермії точні термометри (похибка вимірювань 0,020,03 K) дозволяють проводити вимірювання температури в свердловинах з точністю до 0,1 К (похибка визначення геотермічного градієнту не перевищує 1-3 %), а застосовувані в каротажних дослідженнях термометри безперервного вимірювання температури – з точністю до 0,10,5 К, при цьому похибка визначення геотермічного градієнту складає 10-15 %.

Однією з важливих характеристик термометрів є їх теплова інерція (її ще називають постійною часу термометру), яка тим більша, чим більша теплоємність датчика, і менші його поверхня та коефіцієнт тепловіддачі. У зв’язку з існуванням явища теплової інерції визначена датчиком температура відрізнятиметься від температури довкілля на величину T=(T₀-T)e^-t/, де  - постійна часу термометра, T₀ – температура попереднього середовища, t - час який пройшов з моменту переміщення в середовище з температурою T. Таким чином, що триваліший час термометр перебуватиме в середовищі з сталою температурою, тим меншою буде різниця температур датчика і довкілля. Важливим наслідком існування явища теплової інерції термометру є те що при безперервному вимірюванні температури в свердловині покази термометру відстають від зміни істинної температури на величину T=‑Гv+(T_П-T₀+Гv)e^-t/‑Гv (де: Г – геотермічний градієнт, v і T_П – швидкість спуску і початкова температура термометру).

Для вирішення ряду завдань термокаротажу точне вимірювання абсолютних значень температур не є конче необхідним – часто достатнім є визначення малих змін температурних градієнтів і фіксація малоамплітудних варіацій температури відносно кривої середнього градієнту. Для досягнення цієї мети використовують диференціальні термометри (термоградієнтометри і аномалій-термометри), в яких є декілька чутливих елементів, розташованих на відстанях 1-2 м один від одного, а різниця температур вимірюється за допомогою електричних схем. При цьому у термоградієнтометрах теплова інерція обох чутливих елементів має бути рівною і якомога меншою, а відмінність опорів є пропорційною градієнтові температур. Що ж стосується аномалій-термометрів, то в них один чутливий елемент має малу теплову інерцію, а два інших - на два порядки вищу. Якщо температура в свердловині зростає лінійно, а швидкість руху термометра є постійною, різниця температур датчиків буде пропорційною до геотермічного градієнта, швидкості руху і відмінності постійних часу: T=‑Гv(_ві-_мі)‑Гv_ві (де _ві і _мі – постійні часу датчиків з великою і малою тепловою інерцією, відповідно).

В районах з високими значеннями теплових потоків, наприклад в вулканічних областях, виконуються прямі виміри теплового потоку з допомогою тепломірів. На жаль, їх низька чутливість не дозволяє використовувати тепломіри в областях з середніми і низькими щільностями теплового потоку.

Появу тепловізорів (теплобачення – метод інтроскопії за якого зображення предметів отримують за допомогою теплових (інфрачервоних) променів відбитих від об’єкту, або випромінених ним) слід вважати одною з найбільш революційних змін в галузі отримання інформації про оточуючий нас світ – ми отримали можливість бачити в самому інформативному (абсолютно всі процеси пов’язані з перетворенням енергії, а відтак з - появою полів температур в об’єктах які беруть участь в реакції чи знаходяться поблизу) діапазоні хвиль. Таким чином, досліджуючи середовище в цьому діапазоні хвиль ми маємо можливість бачити все навколо в енергетичній взаємодії. На сьогоднішній день технологія створення тепловізорів дійшла до створення відеокамер даного мікрохвильового діапазону з виведенням зображення на екран або дисплей комп’ютера, і обробкою зображення програмними фільтрами в реальному часі. Чутливість тепловізорів досягає кількох сотих часток градуса.

Для аерокосмічних і польових радіотеплових і інфрачервоних зйомок виготовляють тепловізори, які працюють у тих або інших ділянках спектру довжин електромагнітних хвиль від мікрометрового до міліметрового діапазону. Фоточутливим елементом (фотодетектором) тепловізору є особливі кристали, чутливі до електромагнітного випромінювання хвиль певної довжини. Одною з головних характеристик за якими класифікують тепловізори є спосіб охолодження детектора: в рідкому азоті або гелії (за температур <70 К досягається висока чутливість і безінерційність), або з застосуванням елементів Пельтьє (Жан Шарль Пельтьє (Peltier, 1785-1845), відкрив у 1834 році ефект (названий його ім’ям) виділення чи поглинання тепла при проходженні струму через контакт 2 різних провідників; елементи Пельтьє - напівпровідники які створюють перепад температур при пропусканні через них струму). Тепловізори на базі елементів Пельтьє є портативними і використовуються для польових досліджень. Їх основні технічні характеристики: спектральний діапазон – 3-15 мкм, діапазон вимірювання температур від 253 К до 1700 К, чутливість (при температурі 303 К) – 0,05 К.

Тепловізори-спектрометри містять пристрої для спектрального розділення прийнятих випромінювань і наступної їх обробки за допомогою ЕОМ. У тепловізорах для аерокосмічної зйомки є скануючий електронно-механічний пристрій для розгортки фотодетектора перпендикулярно до напрямку польоту, щоб здійснити розгортку зображення по рядкам і кадрам, тобто провести оглядову зйомку.