6.3. Подкласс 4.3. Форсирование измерительных веполей

Стандарт 4.3.1. Использование физэффектов

Если дана вепольная система, то эффективность обнаружений и измерений в ней может быть повышена за счет использования физических эффектов.

Задача 6.3. Направление движения подземных вод

Условие задачи

Как определить направление движения подземных вод?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 4.3.1.

Решение

Для определения потока подземных вод применяют электролитический индикатор.

В подземный поток через скважину вводят электролитический индикатор (хлористый натрий), который распространяется исследуемым потоком.

Вдоль направления движения потока образуется «яразуем электропроводящего индикатора. На поверхности земли устанавливают пары разнесенных электродов под разными направлениями относительно места инжекции (скважины) и измеряют кажущее сопротивление массива пород. В направлении сноса индикатора оно минимизировано (минимальная электропроводимость) и, наоборот, в направлении, противоположном движению воды, сопротивление максимально (электропроводимость минимальна). Измерение сопротивления осуществляют в определенные моменты времени под разными азимутными углами. Таким образом, строят эпюру и направление движения определяют по направлению максимальной проводимости (минимального кажущегося сопротивления)84.

Задача 6.4. Направление потоков подземных вод

Условие задачи

Способ, описанный в задаче 5.16, дает неточные показания направления потока, как в горизонтальном направлении, так и по глубине залегания потока, особенно на больших расстояниях (десятки и сотни километров). Необходимо вводить индикатор в больших количествах, что сильно загрязняет водные горизонты.

Как быть?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 4.3.1.

Решение

В качестве индикатора используют гелий, который вводят в подземные воды и измеряют его концентрацию на поверхности земли. По участкам с аномальной концентрацией гелия судят о путях движения подземных вод.

На рис. 6.5 показана схема, поясняющая способ.

В подземные воды через скважину опускают шланг, по которому вводят жидкий гелий. Скважину сверху герметизируют. Жидкий гелий вводят из баллона с избыточным давлением в нужном количестве.

Растворенный гелий движется вместе с потоком воды. Гелий проникает через породы к поверхности земли. С помощью портативных измерителей гелия определяют места его максимального выхода.

Гелий совершенно нетоксичен, хорошо растворяется в воде и легко дегазирует из нее. Он не взаимодействует с породами, не изменяет свойства воды и быстро мигрирует через толщу пород (рис. 6.5)85.

Рис. 6.5. Направление движения подземных вод. А. с. 829 893

1 — водоносный горизонт; 2 — скважина; 3 — фильтр; 4 — баллон с газообразным гелием.

4.3.2. Использование резонанса контролируемого объекта

Если невозможно непосредственно обнаружить или измерить происходящие в системе изменения, а также пропустить сквозь систему поле, то задачу решают возбуждением в системе резонансных колебаний (во всей системе или какой-то ее части), по изменению частоты которых можно определить происходящие в системе изменения:

Пример 6.13. Исследование тканей человека

Наиболее точные исследования состояния тканей человека дает использование ядерного магнитного резонанса.

Пример 6.14. Измерение физических величин

Измерение осуществляется путем сравнения частоты измеряемой величины и подстраиваемого датчика, имеющего резонансный контур, состоящий из емкости и параллельно подключенной индуктивности. Индуктивность или емкость могут подстраиваться86.

4.3.3. Использование резонанса присоединенного объекта

Если невозможно применить стандарт 4.3.2, то о состоянии системы судят по изменению собственной частоты объекта (внешней среды), связанного с контролируемой системой.

Пример 6.15. Частота колебаний

Для измерения частоты колебания объекта, например струны, к нему прилепляют пьезоэлемент. Это может исказить истинную частоту колебания объекта, особенно если их массы сопоставимы. Измерять частоту колебания объекта можно по колебаниям воздуха около объекта.

Пример 6.16. Измерение наночастиц

Определение размеров наночастиц осуществляют с помощью измерения спектра электронного параметрического резонанса (ЭПР) мелких доноров в полупроводниковых нанокристаллах. Образец полупроводниковых наночастиц помещают в криогенную систему и воздействуют микроволновым полем частотой через волновод и рупор. На образец наночастиц воздействуют постоянным магнитным полем, соответствующим ЭПР мелких доноров. Образец также облучают импульсным ультрафиолетовым излучением. Сигнал ЭПР мелких доноров регистрирует фотоприемное устройство и по нему судят о размер наночастиц87.