173118. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés fúrólyukakat körülvevő talajrétegek vizsgálatára
13 173118 14 Egy lehetséges kiviteli alakban a rés hossza X/2*=7,5 cm 1,1 GHz működési frekvencia esetén, e=4 dielektromos állandójú szigetelő anyagban. A T adóantenna és az RÍ vevőantenna közötti távolság Z = 8 cm, az RÍ és R2 vevőantennák közötti távolság pedig L = 4 cm. A frekvenciára és a méretekre vonatkozó további meggondolásokat alább ismertetjük. A 7. ábra felnagyított részmetszet a 6. ábra 7-7 vonala mentén, és a T adóantennát mutatja A./4=3,75 cm üregmélységgel, amely 71 üreg a vezetőanyagú fém 65 házban van kialakítva. A koaxiális 66 kábel belső 67 vezetőt és a külső vezető 68 köpenyt tartalmaz. A vezető köpenyt 69 szigetelő anyag tölti ki. A 71 üregbe a belső 67 vezető folytatásaként függőleges 70 vezető rúd nyúlik be. A 70 vezető rúd egy kicsi, szigetelővel töltött hengeres 72 benyüásban végződik, amely a 71 üreg tetején van kiképezve. Az RÍ és az R2 vevőantennák hasonló felépítésűek, mint a 6. és 7. ábrán látható T adóantennát. A vevőantennák koaxiális kábelen keresztül csatlakoznak az 1. ábra 47 és 48 keverőihez. A három koaxiális kábel egyetlen megerősített kábelen haladhat, amely a 37 hordozó tagot a 34 tartótaghoz csatlakoztatja, ez utóbbi tartalmazza a fúrólyukba lebocsátott elektronika nagy részét. A továbbiakban a működési frekvenciával és a berendezés méreteivel foglalkozunk. A (4) egyenletből következik, hogy előnyös minél nagyobb u alkalmazása a veszteségi tényező minimalizálása érdekében. Kimutatták, hogy sósvízzel telített kőzet, például homokkő esetén, a dielektromos állandó veszteségi összetevője e” (a korábban bevezetett e*=e* + je” komplex dielektromos állandó kifejezésével) nagyobb,mint e’ a körülbelül 100 MHz-nél kisebb frekvenciák esetén. Ezen frekvencia fölött e” csökkenni kezd, és körülbelül 500 MHz-től kezdve e’ értéke nagyobb, mint e” értéke, így az e’ mérése könnyebbé válik. Ezt a jelenséget ismerteti például az 1 088 824 számú angol szabadalmi leirás, amely szerint a felszín alatti réteg valamely részét egy kondenzátor lemezei közötti dielektrikumnak használják a fel és a mérő berendezés elektródáit alkalmazzák a kondenzátor lemezeiként. Ez a megoldás, valamint a többi hasonló, amikor a réteget megkísérelték tápvonal szakaszként vagy lezárásként alkalmazni, tudomásunk szerint nem vezetett kereskedelmileg elfogadható mérőeszközökhöz. Amikor a működési frekvencia a GHz tartományt eléri, e’ lényegesen nagyobbá válik, mint e”. Ez a nagyobb frekvenciák választásának célszerűségét mutatja, azonban gyakorlati meggondolások arra vezetnek, hogy a működési frekvenciának felső határa van. Az egyik üyen tényező az, hogy a dipólusos relaxációs veszteségek e” értékéhez jelentősen 1 GHz fölött növekvő mértékben járulnak hozzá. A másik az iszaplepény hatása a kívánt hosszirányú hullám kialakulására a rétegben. A GHz-es frekvenciatartományban a terjedő energia hullámhossza egészen kicsi és kezdi megközelíteni az általában kialakuló iszaplepény vastagság nagyobb értékeit. Amikor ez fellép, az iszaplepény hullámvezetőként kezd működni és a továbbított energia bizonyos részét vezeti. Ilymódon csökken azon energiamennyiség, amely a hosszirányú hullám kialakításában vesz részt. Ez az iszaplepény hatás akkor kezd jelentőssé válni, amikor az iszaplepénybe bejuttatott energia fél hullámhossza megközelíti az iszaplepény vastagságát. Közelítő, becsült számítás érdekében tételezzük fel, hogy a számbajöhető maximális iszaplepény vastagsága körülbelül 2 cm és az iszaplepény maximális dielektromos ál lan dója körülbelül 20. Ez azt jelente- 5 né, hogy a maximális légüres térbeli Xo/2 félhullámhossz, amely kielégíti ezt a feltételt az alábbi: Xo = 2 cmV2Ö"= 9 cm. 'Trió Vagyis Xo = 18 cm, ez körülbelül 2 GHz frekvenciának felel meg. Ezekből a megfontolásokból látható, hogy az optimális tartomány valahol 500 MHz-nél kezdődik és 2 GHzág tart. Az 1,1 GHz-es, az ismertetett kiviteli alakban alkalmazott frekvencia 15 ezen tartomány közepére esik, és azt megfelelőnek találtuk. A berendezés méreteit gyakorlati meggondolások alapján lehet megválasztani, ezek közül néhányat már említettünk. A 6. ábrán látható T adóantenna és RÍ 20 vevőantenna közötti Z távolságot illetően a fentiekből az következik, utalva 2. és 2a. ábrákra, hogy domináns hosszirányú hullám kialakítása érdekében célszerű a Z távolságot nagynak választani az iszaplepény vastagságához képest. Azonban, ha Z értéke túlságo- 25 san nagy, a hullámnak ezen jelentős útszakaszon akkora lesz a csillapítása, hogy az már nehézzé teszi a pontos mérést. Az ábrákon bemutatott kiviteli alakban Z javasolt értéke 8 cm (négyszerese az átlagosan várt iszaplepény vastagságnak), ezt kielégítőnek talál- 30 tűk, de nyilvánvaló, hogy ezen mérettől más kiviteli alakoknál el lehet térni. Az RÍ és R2 vevőantennák közötti L távolságának eléggé nagynak kell lennie ahhoz, hogy képesek legyünk célszerű fázistolás tartomány megkülönböz- 35 tetősére, és elegendő kicsinynek ahhoz, hogy a mérés szükségtelen kétértelműségei elkerülhetők legyenek. Az 1,1 GHz-es működési frekvencia megfelel körülbelül 27 cm légüres térbeli hullámhossznak. Az L cm légüres térbeli távolsághoz tartozó fázistolás ennél- 40 fogva: 360° 0 (égüres tér 27 L = 13,3° • L (11) Nagy frekvencia-értékeknél Qn fázistolás körülbelül a közeg em dielektromos állandója négyzetgyökével Arányos (em a terjesztési közeg dielektromos állandója, v.ö. (3) egyenlet), ilymódon a (11) egyenletből származó általános összefüggés az alábbi: 50 . I /— (12) ó = • m 360' 27 13,3" Az általában számításba veendő legkisebb dielektromos állandó értéke felszínalatti rétegek esetén körülbelül 55 4, ami igaz a nem pórozus kvarc mátrixra. Ez az érték adja a maximális fázistolás közelítő kifejezését L távolság esetén: Q3) 0min = 13>3° * L = 26,6° • L 60 “ Az általában várható legnagyobb dielektromos állandó értéke a kb. 35 % porozitású, vízzel tökéletesen telített mészkő esetén fordul elő. A mikrohullámú 65 energia fáziskésleltetése keverék formációban a tiszta folyadékra, illetve a tömör kvarc mátrixra eső késleltetések súlyozott összegeként adódik. Az eredő maxi-7
