اصول اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین و مقاومت ویژه خاک

در این مقاله با اصول اندازه گیری مقاومت الکترود زمین و مقاومت ویژه خاک آشنا خواهیم شد. با ما همراه باشید.

اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین

مقدمه

روش اندازه گیری مقاومت الکترود زمین در این مقاله ارائه خواهد شد، اساس روش اندازه گیری بکار رفته در همه دستگاههای مدرنی است که امروزه مورد استفاده می باشند. سازندگان مختلف برای بالا بردن دقت اندازه گیری و از بین بردن اثر جریانهای سرگردان در نتایج به دست آمده، اقدام به نوآوریهایی می کنند که ممکن است بسیار موثر باشند.

به نحوی که ملاحظه خواهد شد و با در نظر گرفتن جنبه های نظری، اندازه گیری مقاومت زمین ممکن است به ظرهر کاری ساده به نظر آید ولی در بسیاری از موقعیتهای عملی، انجام درست کار، احتیاج به دقت و صرف وقت و انرژی فراوان از طرف افرادی کار آزموده در این رشته خواهد داشت.

1. شرح اصول اندازه گیری

در شکل 1، الکترود X الکترودی است که اندازه گیری مقاومت آن موردنظر می باشد. Y الکترود کمکی جریان و Z الکترود کمکی ولتاژ نامیده می شوند. در صورت مساعد بودن کلیه شرایط با مشخصات آزمون، مقاومت الکترود X نسبت به جرم کلی زمین، از بخش ولتاژ بر شدت جریان اندازه گیری شده به وسیله ولتمتر و آمپرمتر که در شکل نشان داده شده اند، به دست خواهد آمد. منبع ولتاژ آزمون، ممکن است جریان متناوب با فرکانس 50 هرتز باشد که از شبکه فشار ضعیف گرفته می شود. برای به دست آوردن دقتی معقول در این اندازه گیری، لازم است مقاومت ولتمتر نسبت به مقاومت الکترود ولتاژ، Z، زیاد باشد. در بسیاری از موارد مقاومت این الکترود ممکن است 1000 اهم (و حتی بیشتر) باشد که در اینصورت برای کسب دقت اندازه گیری با تقریب 5 درصد، لازم خواهد بود مقاومت ولتمتر دست کم 20000 اهم باشد.

در صورت استفاده از ولتاژ شبکه به عنوان منبع تغذیه، لازم است از یک ترانسفورماتور مجزاکننده (با سیم پیچی های مجزای اولیه و ثانویه) استفاده شود. الکترود نیز به نوبه ی خود باید از سیستم نیرو مجزا شده باشد تا انجام اندازه گیری ممکن شود.

شكل 1: روش اندازه گیری مقاومت الكترود زمين

2- وجود جریانهای سرگردان

هنگام اندازه گیری مقاومت اتصال زمین با منبع ولتاژی که دارای فرکانس شبکه است به علت وجود جریانهای سرگردان در زمین که در همه سیستم های الکتریکی وجود دارد، وارد شدن خطا در نتایج . ارقام به دست آمده از آزمون حتمی خواهد بود. بدین سبب در یک دستگاه اندازه گیری تجاری، یا از منبع ولتاژگردان دستی استفاده می شود و یا اینکه ولتاژ متناوب به کمک تبدیل کننده های الکترونیک از باتری به دست می آید. ولتاژ متناوب نباید حتما سینوسی باشد.

3- در صورت استفاده از منبع جریان مستقیم

جز در مواردی که ناچار باشند، نباید از جریان مستقیم برای اندازه گیری مقاومت زمین استفاده شود. جریان مستقیم سبب اجتماع جباب گاز در اطراف الکترودو زیاد شدن مقاومت آن می شود.

هر آن در صورت استفاده از جریان مستقیم، پس از فراهم شدن کلیه مقدمات آزمون، جریان به مدتی هرچند ممکن است کوتاه، برقرار شده و اندازه گیری انجام می شود. سپس با عوض کردن قطبهای باتری (و البته لوازم اندازه گیری) با سرع یک اندازه گیری دیگر به عمل می آید. اگر با توجه به سایر شرایط گفته شده تفاوتی اساسی بین دو اندازه گیری وجود نداشت، میانگین دو مقدار به عنوان مقدار مقاومت انتخاب می شود.

4- الکترودهای کمکی

الکترودهای کمکی Yو Z ممکن است از قطعات لوله نیم اینچی یا میله های فولادی تشکیل شده باشند که تا عمق یک متری در زمین کوبیده می شوند. فواصل الکترودهای کمکی از یکدیگر و از الکترود اصلی X بسیار مهم است. در واقع چیزی که به نام مقاومت الکترود خوانده می شود، مثاومت حجم “خاک” ای است که الکترود را احاطه می کند و به آن به اصطلاح، حوزه مقاومت الکترود زمین می گویند. با توجه به اینکه حوزه مورد بحث از نظر تئوریک تا بی نهایت ادامه دارد، همه الکترودها در حوزه مقاومت یکدیگر قرار دارند و لذا داشتن الکترودهای مستقل ممکن نیست. در عمل بسته به نوع زمین (خاک) و لایه های آن در اطراف الکترود و عوامل دیگری مانند رطوبت و مقدار املاح و غیره، این حوزه ممکن است از 10 تا 20 متر ادامه یابد که در هر حال اگر دو الکترود در فاصله 20 متری قرار داشته باشند، عملا می توان آنها را در خارج از حوزه مقاومت یکدیگر دانست به شرطی که هیچ نوع وضعیت منحرف کننده ای مانند زمینی با مقاومت ویژه بسیار بالا، وجود نداشته باشد. در این حالت حوزه ولتاژ الکترود مکن است خیلی بیشتر از 20 متر باشد.

5- راهنمای عملی برای انجام اندازه گیری

اگر الکترود مورد اندازه گیری X، از انواع ساده یعنی یک میله کوبیده شده یا صفحه ای دفن شده در زمین باشد، الکترود جریان Y را می توان بر فرض در فاصله 30 متری از الکترود اصلی X قرار داده و الکترود ولتاژ را در وسط این دو نصب کرد. در این حالت مقاومت را اندازه گیری و یادداشت کرده و الکترو ولتاژ را جابه جا می کنند؛ یک بار به طول حدود 6 متر نزدیکتر به الکترود اصلی X و بار دیگر به همین مقدار نزدیکتر به الکترود کمکی جریان Y. چنانچه نتایج هر سه آزمون در حد دقت موردنظر باشند، میانگین سه مقدار اندازه گیری شده، مقاومت موردنظر خواهد بود.

اگر نتیجه اندازه گیریها قابل قبول نبود، الکترود جریان Y را به فاصله ای دلخواه مانند 45 تا 50 متری از الکترود اصلی X منتقل کرده و کل اندازه گیریها را مشابه بالا تکرار می کنند و در صورت لزوم آنقدر (برای فواصل دورتری از الکترود Y نسبت به X) به این عمل ادامه می دهند تا نتیجه مطلوب حاصل شود.

نتایج به دست آمده از این روش ساده برای اندازه گیری در موارد زیر رضایت بخش نخواهد بود:

اگر مقاومت الکترود مورد اندازه گیری X، حدود یک اهم یا کمتر باشد.
اگر مقاومت الکترود کمکی جریان Y، بسیار زیاد باشد.

(در این موارد حوزه اثر مقاومت الکترود جریان Y، بسیار وسیعتر بوده و در نتیجه لازم خواهد بود فاصله الکترود جریان Y از الکترود اصلی X خیلی بیشتر باشد.)

شرایط مورد بحث هنگامی پیش می آیند که الکترود مورد اندازه گیری مانند الکترود یک نیروگاه یا پست اصلی، بسیار گسترده باشد. برای ای حالت تجویز روش معینی ممکن نخواهد بود جز اینکه تهیه یک یا چند منحنی تغییرات مقاومت نسبت به فاصله لازم خواهد بود. ترتیب کار چنین است که الکترود جریان Y را در فاصله ای دلخواه در دوردست قرار داده و الکترود ولتاژ Z را در فواصل معین، از نزدیکیهای الکترود اصلی X، به سمت الکترود جریان حرکت داده و هر بار اندازه گیری ها را یادداشت می کنند. سپس نتایج را بر روی محور مختصات منتقل کرده و منحنی تغییرات مقاومت نسبت به فاصله را می کشند. اگر منحنی دارای قسمتی باشد که اساسا افقی است این مقدار افقی، مقاومت الکترود موردنظر یعنی X خواهد بود.

اگر منحنی بدست آمده دارای قسمتی افقی نباشد، لازم خواهد بود الکترود کمکی جریان یعنی Y را باز هم دورتر برده و عملیات را تکرار کرد تا قسمت افقی هویدا شود. بایستی توجه شود که نباید انتظار داشت که قسمت افقی در حوالی وسط فاصله دو الکترود X و Y هویدا شود لذا باید اندازه گیری ها برای موقعیتهای الکترود Z از نزدیکی الکترود X شروع شده و به سمت الکترود Y حرکت شود.

یادآوری- اگر وسیله اندازه گیری مخصوص برای مقاومت زمین در دسترس نباشد، می توان با استفاده از یک ترانسفورماتور مجزا کننده و یک آمپرمتر معمولی و یک ولت متر با مقاومت زیاد، مقاومت زمین یک الکترود را با دقت کافی اندازه گیری کرد به شرط اینکه جریانهای سرگردان نادیده گرفته نشود و احتمالا با انتخاب ساعت مناسب برای این کار اثر این جریانها خنثی شود.

6- اندازه گیری مقاومت ویژه خاک

اندازه گیری مقاومت ویژه خاک با همان دستگاهی انجام می شود که اندازه گیری مقاومت الکترود زمین به عمل می آید با این تفاوت که در مورد اخیر از جهار الکترود به جای سه الکترود که در اندازه گیری مقاومت خودنمائی می کنند استفاده می شود. بدیهی است که در مورد اخیر هر چهار الکترود موقتی می باشند.

شکل 2: روش اندازه گیری مقاومت ویژه خاک

برای انجام آزمون، چهار الکترود کمکی عمقی حدود 1 متر در زمین کوبیده می شوند. عمق فرورفتگی الکترودها در زمین نباید از یک بیستم فاصله الکترودها یعنی a بیشتر باشد. اگر فرض شود که زمین مورد آزمون کاملا یکدست و همگن است مقاومت اندازه گیری شده R در رابطه زیر صدق خواهد کرد:

که در آن:

P = مقاومت ویژه میانگین برای خاک بر حسب اهم متر در عمق a متر است.

a = فاصله الکترودها از یکدیگر بر حسب متر و عمقی است که در آن مقاومت ویژه برابر r است.

با تکرار اندازه گیری ها برای مقادیر مختلف فاصله a مقاومت ویژه میانگین برای عمقهای مختلف a به دست می آید و با مطالعه همه نتایج می توان به انتخاب عمق کوبیدن یا دفن کردن الکترود، تصمیم گیری نمود و به عبارت دیگر قضاوت کرد که ازدیاد عمق تا چه حد به کم کردن مقاومت کمک خواهد کرد. شکل 3 نمونه ای است برای نشان دادن تاثیر عمق الکترود و نوع خاک لایه ها در مقدار مقاومت الکترود.