193684. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés nem-fémes porózus anyagok nedvességi jellemzőinek dielektromos úton történő megállapítására
193684 A találmány tárgya eljárás és berendezés nem fémes porózus anyagok nedvességi jellemzőinek dielektromos úton, zavartalan körülmények között történő megállapítására, A földkérek legfelső részét felépítő kőzetek (talajok), mesterségesen előállított halmazok (pl. homok-cement keverék beton gyártásához) nedvességi jellemzőinek megállapítása igen fontos mind a vízgazdálkodási (vízépítés, vízkutatás) mind pedig ipari (építőipar, bányászat) és mezőgazdasági (öntözés) vonatkozásában. A nem fémes porózus anyagok (következőkben röviden: anyagok) nedvességtartalmának mérésére számos eljárás ismeretes és használatos: szárítószekrényes módszer, neutron-gamma, neutron-neutron és gamma-gamma módszer (együttesen űn. izotópos módszerek) fajlagos, elektromos vezetőképesség, illetve ellenállásmérés, hővezetőképesség és hődiffuzivitásmérés. Külön említést kívánnak az ún. dielektromos nedvességmérő eljárások (DN-módszer), amelyek alkalmazási területe egyre bővül, hidrológiai vonatkozásban a rádióhullámos (műholdas) nedvességtérképezés terjedése miatt. A DN-módszerben anyagok relatív dielektromos állandóját határozzák meg, majd abból a fizikai tényből, hogy a pórusvíz relatív dielektromos állandója 80 (a 100 kHz-GHz frekvenciatartományban 20°C-on mérve), míg a porózus anyagok többi összetevőjéé lényegesen kisebb (a szilárd vázé 4-5, a vízgőzé és gázoké pedig egységnyi), a keverék mért relatív dielektromos állandójából következtetnek az öszszetevők arányára, így a relatív víztartalomra. Az ismeretes DN-módszereknél a vizsgálandó anyagot váltakozó elektromos feszültségű hálózat elektromos jellemzőinek (pl. impedanciájának) e hatásra beálló változatát határozzák meg majd következtetnek a relatív dielektromos állandó nagyságára, illetve a víztartalomra. Ismeretesek olyan, a dielektromos állandó mérésen alapuló nedvességmérő eljárások, illetőleg berendezések, melyeknél a mérendő anyagot (pl. szemes termény, öntödei homok) a müszçr tartozékát képező tartályban kell elhelyezni. Ilyen megoldást ismertet a 174359 lajstromszámú HU magyar) szabadalmi leírás. Az eddigi DN-eljárásoknál fennáll az a hiányosság, hogy a porózus anyagok dielektromos állandójának mérését jelentősen befolyásoló egyes anyagi jellemzőket (pl. az elektromos fajlagos vezetőképességet) vagy nem veszik figyelembe, vagy csak néhány speciális esetre korlátozódnak, a mérések maguk pedig csak laboratóriumban végezhetők (elkerülhetetlenül zavart, és így csökkent értékű) mintákon. A mérés pontosságát befolyásolja a mérendő anyag veszteséges volta (pl. a talajvízben oldott sók koncentrációja). A találmány célja olyan dielektromos mérési eljárás és berendezés kidolgozása, amely mentes az előzőekben felsorolt hiányosságok-1 tói és egyszerű alkalmazhatóságánál fogva előnyösen használható mezőgazdasági és ipari .leiadatok megoldásánál, amely lehetővé teszi a nem fémes porózus anyagokban lejátszódó elektromos vezetési jelenségek vizsgálatát és az elektromos kőzetjellemzőknek (relatív elektromos állandó, fajlagos elektromos vezetőképesség, illetve ellenállás) a hidrogeológiai kőzet jellemzőkkel (porózltás, térfogatszázalékos víztartalom, szivárgási tényező, fajlagos szemcsefelület) való kapcsolatának megállapítását, és a mérni kívánt hidro(geo) lógiai jellemzők a mérőberendezésen valós fizikai mértékegységekben leolvashatók legyenek. A találmány alapja az a felismerés, hogy a nem fémes porózus anyagok víztartalom szempontjából igen jól modellezhetők nem vezető (igen nagy fajlagos elektromos ellenállású) gömbök olyan n porozitású halmazával, amelynél a nem vezető váz (gömbrendszer) hézagait részben víz (a teljes halmazra vonatkozó p%-ban) részben gáz ( (n-p) %ban) tölti ki, és az ilyen halmazra megállapított számítási eljárások közvetlenül alkalmazhatók a modellezett anyagokra. A gömbhalmazok dielektromos állandójának számítására a Rayleigh által a kétfázisú esetre kidolgozott és általunk a háromfázisú esetre általánosított módszer alkalmazható. A pórusvíznek a kőzetházzal érintkező vékonyrétegében ionokban gazdag film alakú ki, amelynek elemeit Coulomb erők kötik a kőzetvázhoz. Különösen jellemző ez az agyagásványok esetén (hidrátburok). E „kötött” rétegben elektromosan töltött részecskék koncentrálódnak, ha a pórusvíz különben kis fajlagos vezetőképességű (nagy fajlagos ellenállású), az egyenáramú és igen kis frekvenciájú váltóáram vezetés lényegileg e „kötött” rétegben történik. így az ilyen halmazok fajlagos vezetőképessége a fajlagos szemcsefelülettel arányos. Mivel a „kötött" réteg víz dipólusai kötöttségük miatt nem gerjeszthetők, a dielektromos állandó mérése közvetlenül a nem kötött, „szabad" víztartalomra ad felvilágosítást. A p%-os „kötött" víztartalom a fajlagos szemcsefelülettel arányos. A szemcseváz — ha kristályvízében vannak is vfzdipólok —, nem vezet és dielektromos állandójába sem játszanak bele a kristályvíz dipóljai. Ha a gömbhalmaz elektromosan veszteséges, azaz a pórusvíz fajlagos elektromos vezetőképessége nem zérus (fajlagos elektromos ellenállása nem végtelen) akkor fellép a Maxwell-Wagner hatás és a mért dielektromos állandó a nem veszteséges halmazénál nagyobbnak adódik. Ez a veszteségi hatás annál kisebb, minél nagyobb a gerjesztési (mérési) frekvencia. Ha a veszteségi hatás elég kicsi (a gerjesztő frekvencia meg haladja a 100 MHz-et), a Maxwell-Wagner hatás az általunk kidolgozott számítási eljárással korrigálható. Ha a vizsgálandó anyagot 100 MHz — 200 MHz frekvenciájú elektromos önrezgő rendszer szórt terébe helyezzük, az elektro-2 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
