مقاومت ویژه خاک چطور اندازه گیری می شود ؟

مقاومت ویژه خاک در درجه اول به جنس خاک و سپس به رطوبت و دما بستگی دارد. در واقع مقاومت ویژه خاک طبیعتی الکترولیتی دارد. بنابراین مقاومت ویژه خاک به میزان رطوبت و ترکیب و غلظت مواد شیمیایی و نمک های حل شده در آب آن بسیار وابسته است. 

اندازه گیری مقاومت ویژه خاک قبل از شروع احداث الکترود و به منظور تصمیم گیری درباره مشخصات آن و محل احداث الکترود انجام می گیرد این در حالی است که اندازه گیری مقاومت الکترود در راستای تأمین ایمنی افراد و صحت عملکرد دستگاه ها صورت می گیرد.

مقاومت الکترود زمین

زمانی که الکترود در خاک قرار می گیرد و از آن جریانی عبور می کند، خاک اطراف الکترود، جریان را از خود عبور می دهد و در اصل مقاومتی که اندازه گیری می شود، مقاومت توده خاک اطراف الکترود است. بنابراین مقاومت الکترود، مقاومت خاک چسبیده به الکترود زمین است تا بی نهایت؛ بر خلاف تصور بسیاری، این نادرست است که مقاومت مذکور برابر با مقاومت خود الکترود زمین در نظر گرفته شود. الکترود یک فلز است و مقاومت آن بسیار پایین است و در خاک نیز مقاومت آن تغییری نمی کند.

در واقع مقاومت الکترود زمین قائم بر اساس مقاومت ویژه زمین و مقاومت ویژه ماده مورد استفاده کاهنده مقاومت زمین و قطر آن در پیرامون الکترود محاسبه می شود.

اگر خاک همگن باشد، گرادیان ولتاژ حول آن شبیه لایه های نیم کروی شکل است، که هر نیم کره یک مقاومت و هر مقاومت آن متشکل از مقاومت های موازی فرض می شود. با بزرگتر شدن طول شعاع نیم کره، تعداد این مقاومت های موازی بیشتر شده و لذا مقاومت کوچکتر می شود. تا جایی که در بی نهایت مقدار R_n به سمت صفر میل می کند. بنابراین هر چه از الکترود دور شویم تأثیر خاک اطراف آن کمتر می شود. به دلیل گفته شده، توجه به خاک اطراف الکترود در کاهش مقاومت الکترود زمین نقش اساسی دارد.

عوامل مؤثر در کاهش مقاومت الکترود زمین

کاهش مقاومت الکترود زمین به دو عامل اساسی زیر بستگی دارد:

۱- اندازه و شکل الکترود زمین و هم چنین تعداد الکترودهای موازی

۲- مقاومت خاک منطقه که خود بستگی به عوامل زیر دارد:

الف) املاح خاک (ترکیب شیمیایی نمک های فلزی قابل حل در آب)

ب) درصد رطوبت خاک

ج) دمای خاک

د) اندازه دانه ها و توزیع دانه در خاک (دانه بندی خاک)

ه) تراکم خاک و فشار وارد بر آن

 

مواد کاهنده مقاومت زمین یا الکترولیت ها

الکترولیت های رایج عبارتند از:

1. الکترولیت های پایه رسی (مانند بنتونیت)
2. الکترولیت های پایه بتونی (مانند مارکونیت و GEM)
3. الکترولیت های پایه پلیمری (مانند Anhydrous)
4. الکترولیت های نمک و ذغال (منسوخ شده)

۱- الکترولیت های پایه رسی (بنتونیت)

این ماده نوعی خاک رس است و در دو نوع بنتونیت سدیم و بنتونیت کلسیم وجود دارد. بنتونیت سدیم رس به رنگ قهوه ای زیتونی کم رنگی است و در سیستم اتصال زمین استفاده می شود. در حال حاضر استفاده از آن، در زمین های خشک و زمین های سنگی و سنگلاخی توصیه می شود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است.

1. مقاومت ویژه بنتونیت به دلیل جاذب رطوبت بودن، داشتن املاح موجود در خاک و ریزدانه بودن بسیار پایین است و در حدود ۳ تا ۵ اهم متر است. مقاومت بنتونیت سدیم در ۳۰۰ درصد رطوبت (وزن آب به وزن بنتونیت) گاهی به حدود ۲٫۵ اهم متر می رسد که به دلیل تشکیل الکترولیت ناشی از افزودن آب است.
2.  ماده ای طبیعی و کمی قلیایی (PH حدود ۸ تا ۸٫۵) است.
3. قابلیت جذب آب تا ۵ برابر وزن اولیه و افزایش حجم تا ۱۳ برابر حجم خشک اولیه را دارد. همچنین این ماده وقتی با آب مخلوط می گردد به صورت لزج و غلیظ درآمده و نه تنها شکل خود را نگه می دارد بلکه در صورت تماس با هر سطحی به آن می چسبد و در نتیجه می تواند هم مشکل تراکم خاک و هم چسبندگی و اتصال لازم را حل کند.
4. به لحاظ فراوانی و قیمت مناسب بنتونیت سدیم، استفاده از این ماده جهت ایجاد اتصال زمین به عنوان یک روش موثر و نوین متداول تر شده است.
5. فاقد خاصیت خورندگی بوده و خواص آن برای سالیان متمادی ثابت می ماند.
6. آبی که به صورت شیمیایی در بنتونیت نگهداری می شود اجازه می دهد تا اکسید کلسیم (CaO)، اکسید منیزیم (MgO) و دیگر نمک های معدنی موجود در آن یونیزه شده و باPH حدود ۸ تا ۸٫۵ تشکیل یک الکترولیت خوب را بدهد.

توجه شود در این دوغاب، بنتونیت باید به نسبت یک به سه با آب ترکیب شود. اگر بیش از حد به آن آب اضافه شود؛ پس از زمانی کوتاه و با از دست رفتن رطوبت اضافه، شاهد کاهش یافتن حجم الکترولیت و در نتیجه ترک خوردن توده بنتونیت و سرانجام افزایش مقاومت سیستم اتصال زمین خواهیم بود.

در بازار گاهی عنوان بنتونیت اکتیو شنیده می شود. آنچه به این نام خوانده شده در واقع بعد از انجام دادن ۱۷۰۰-۱۸۰۰ درجه حرارت برای خشک کردن و اضافه کردن ۵ درصد کربنات سدیم حاصل می شود.

مزایای استفاده از بنتونیت اکتیو نسبت به ذغال و نمک

1. به دلیل خاصیت خورندگی بسیار بالای نمک، پس از مدت کوتاهی الکترودها و اتصالات مربوطه به طور کامل از بین رفته و باید با صرف هزینه های اضافی، اقدام به تعویض الکترودها شود.
2. بر اثر بارندگی های سالیانه، پس از مدتی نمک شسته شده و به لایه های زیرین زمین منتقل می شود و مقاومت زمین مجدداً افزایش می یابد. ضمناً تأثیر نامناسبی بر سفره های آب زیرزمینی نیز دارد.
3. بنتونیت فاقد مواد شیمیایی خطرناک بوده و با محیط زیست کاملاً سازگار است.
4. به دلیل خاصیت جذب آب بالای بنتونیت، تا مدت طولانی رطوبت را در خود نگه می دارد. از این رو، برای زمین های خشک و کویری بسیار مناسب است.
5. استفاده از بنتونیت از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است زیرا علاوه بر قیمت پایین و کیفیت مناسب، حجم و عمق شبکه سیستم اتصال زمین را کاهش می دهد.
6. خاصیت تبادل یونی در بنتونیت زیاد است.
7. نتایج حاصله از اندازه گیری های مستمر نشان می دهد، مقاومت الکترود زمین در سیستم های اتصال زمین اجرایی با خاک بنتونیت در مقایسه با مخلوط سنتی خاک رس، زغال و نمک در زمین های رسی به میزان ۶۵ درصد، در خاک های سنتی به میزان ۶۸ درصد، در زمین های سنگلاخی به میزان ۸۸ درصد و در مناطق سنگی به میزان ۹۵ درصد کمتر بوده و مقاومت کلیه زمین های نصب شده با بنتونیت و الکترود صفحه ای کمتر از ۴ اهم است.

۲- الکترولیت های پایه بتونی

بتن، مخلوطی از شن، ماسه، سیمان و آب است. مقاومت مخصوص آن تقریباً بین ۳۰ تا ۹۰ اهم متر است. الکترولیت های پایه بتنی، متعلق به بتن معمولی است. در بتن هادی، به همراه شن معمولی از دانه های ذغالی استفاده می شود.

GIMمواد کاهنده مقاومت زمین

GIM ماده ای بتنی و کربن دار است که برای سیستم های اتصال زمین استفاده می شود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. پس از سفت شدن قابلیت حل شدن ان در آب بسیار ناچیز است.
2. مقاومت مخصوص این ماده ۰٫۱۲  تا ۰٫۱۸ اهم متر است.
3. دارای نقطه ذوب ۳۵۰۰ درجه سانتیگراد است.
4. پودر بی بو و خاکستری رنگی است.
5. تجزیه نمی شود و بر اثر مرور زمان فرسایش نمی یابد.

لوم (LOM) الکترولیت کاهنده مقاومت ویژه خاک

یکی از روش های کاهش مقاومت زمین استفاده از لوم است. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. خاصیت جذب رطوبت تا چندین برابر بنتونیت دارد.
2.  به دلیل داشتن نمک های خنثی اثر خورندگی بر روی الکترود میله ای وجود ندارد.
3. به دلیل وجود نمک های خنثی در آن، شرایط الکترولیتی و یونی مناسبی دارد.

مارکونیت

مارکونیت ذاتاً یک بتن رسانا با ترکیبات کربن دار است. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. بلوری شکل است و حاوی مقدار کمی سولفور و کلرید است.
2. در هنگام ترکیب مارکونیت با بتن، مقاومت مخصوص آن به ۰٫۱ اهم متر می رسد.
3. زمانی که به صورت خمیری باشد، کمی باعث خوردگی فلزات آهن و مس می شود ولی هنگامی که سفت می شود نه تنها خوردگی متوقف می گردد بلکه به عنوان یک لایه محافظ، از الکترود زمین در مقابل مواد شیمیایی دیگر محافظت می کند.
4. رطوبت خود را به راحتی و در شرایط آب و هوایی خشک حفظ می کند.
5. عمر این ماده بیش از ۲۰ سال است.

 

سیمان هادی

مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. خاصیت جذب رطوبت تا چندین برابر بنتونیت را دارد.
2. ۰٫۹۸ درصد کربن ترکیب شده با سیمان است.

۳- الکترولیت های پایه پلیمری

یکی از جدیدترین روش های کاهش مقاومت الکترود زمین، استفاده از پلیمرهای جاذب رطوبت است. پلیمرها در دو نوع مصنوعی و طبیعی موجود هستند و هرچه در برابر فعالیت های میکرو ارگانیمی موجود در آب از خود مقاومت بیشتری نشان دهند برای سیستم زمین مناسب ترند. از پلیمرهای پرکاربرد می توان به Anhydrous – maliec – acid اشاره نمود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این مواد به شرح زیر است:

1. به شرایط آب و هوایی و درجه حرارت جوی و محیطی وابستگی کمی دارند.
2. جاذب رطوبت اند.
3. خاصیت خوردگی ندارند.
4. در ترکیب با آب،حالت ژله ای به خود می گیرند و نمی توانند تکیه گاه مستحکمی برای الکترود باشند. بنابراین، برای استحکام بخشیدن به پلیمر ان را با یک اندود پلاستیکی مخلوط می کند.

دستورالمعل اندازه گیری مقاومت ویژه خاک 

اندازه گیری مقاومت ویژه خاک، قبل از احداث الکترود زمین با اهداف زیر انجام می شود:

1. انتخاب بهترین محل جهت احداث الکترود
2. انتخاب بهترین و مناسب ترین نوع الکترود و ویژگی هایی از آن مانند عمق نصب الکترود قائم 

از جمله روش های اندازه گیری مقاومت ویژه خاک روش ونر (Wenner) و روش اشلومبرگر (Schlumberger) است.

رابطه مقاومت ویژه خاک

ρ : مقاومت ویژه خاک

L: فاصله بین الکترودهای جریان (متر)

a: فاصله بین الکترودهای ولتاژ (متر)

I: شدت جریان بین الکترودهای جریان (آمپر)

U: ولتاژ بین الکترودهای پتانسیل (ولت)

اندازه گیری مقاومت ویژه خاک با روش ونر

اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک با ارت سنج چهار سیمه به روش ونر به صورت زیر انجام می شود.

1. از چهار عدد میل تست استفاده می شود. دو میل جانبی برای برقراری مدار جریان و دو میل میانی برای اندازه گیری ولتاژ در نظر گرفته می شود.
2. هر چهار میل در فواصل مساوی در یک خط قرار داده می شوند. در هر اندازه گیری محل هر چهار میل را باید تغییر داد. در صورت همگن بودن خاک با زیاد شدن فاصله الکترودها، ولتاژ نسبت به فاصله به صورت خطی تغییر می کند.
3. میله های تست به فواصل مساوی در یک راستا روی زمین گذاشته شده و با چهار رشته سیم مجزا به ترمینال های دستگاه متصل می شوند.
4. عمق کوبیدن میل ها در زمین در صورتی که از معادله مخصوص آن استفاده شود نباید از یک بیستم فاصله آنها بیشتر شود.
5. هادی های مربوط به جریان و ولتاژ باید به منظور جلوگیری از القای متقابل، تا جایی که ممکن است از یکدیگر دور نگه داشته شوند.
6. چون خودالقایی باید حداقل باشد، هادی ها باید به طور کامل از روی قرقره ها باز شوند.
7. وجود اجسام فلزی گسترده در زیرزمین، مانند لوله کشی های فلزی از هر نوع و زره کابل ها، در اندازه گیری، اختلالات بزرگ بوجود می آورند. لذا باید مسیری انتخاب کرد که در آن چنین اجسامی در زیرزمین نباشد.

فرمول مقاومت ویژه خاک در روش ونر

در این روش با توجه به برابر بودن فاصله و فرمول قبلی، روابط زیر به دست می آید:

اندازه گیری مقاومت ویژه خاک با روش اشلومبرگر

اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک با دستگاه اندازه گیری به روش اشلومبرگر به صورت زیر انجام می شود.

1.  چهار میل در یک خط مستقیم نصب می شوند ولی فواصل آنها از یکدیگر برابر نیستند. فاصله میل های جریان از یکدیگر، خیلی بیشتر از فاصله میل های ولتاژ از یکدیگر است، زیرا در این روش L>>a ولی میل های ولتاژ در وسط و نزدیک به هم قرار داده می شوند و در هر بار اندازه گیری فقط میل های جریان جابه جا می شوند.
2. در این روش ولتاژ با مجذور فاصله بین میل های جریان تغییر می کنند. لذا در هنگام استفاده از آن باید از لوازم اندازه گیری حساس استفاده شود.
3. هادی های مربوط به جریان و ولتاژ را باید به منظور جلوگیری از القای متقابل، تا جایی که ممکن است از یکدیگر دور نگه داشت.
4. چون خودالقایی باید حداقل باشد، هادی ها باید به طور کامل از روی قرقره ها باز شوند.
5. وجود اجسام فلزی گسترده در زیر زمین، مانند لوله کشی های فلزی از هر نوع و زره کابل ها در اندازه گیری،اختلالات بزرگ به وجود می آورند.
6. در دستگاه های اندازه گیری که از ولت متر یا اهم متر استفاده می کنند. مقاومت ولت متر یا سیم پیچ ولتاژ اهم متر باید بزرگ باشد تا اثر مقاومت الکترود یا الکترودهای ولتاژ را کم کند. این مسئله سبب کم شدن حساسیت ولت متر می شود.

a فاصله بین دو الکترود ولتاژ در محل M و N

L فاصلا دو الکترود جریان در محل A و B

فرمول مقاومت ویژه خاک در روش اشلومبرگر

در این روش فاصله الکترودهای جریان خیلی بیشتر از فاصله الکترودهای ولتاژ انتخاب می شود (L>>a). بنابراین رابطه مقاومت ویژه خاک به صورت زیر در می آید:

  اندازه گیری مقاومت الکترود زمین 

مبنای اندازه گیری مقاومت الکترود زمین، رابطه اصلی بین اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت و شدت جریان عبوری از آن است. 

به طور خلاصه با بهره گیری از یک الکترود کمکی شدت جریانی از الکترود مورد آزمون عبور داده می شود و مقدار آن (I) اندازه گیری می شود و در عین حال ولتاژ دو سر الکترود مورد آزمون و یک الکترود کمکی دیگر اندازه گیری می شود و در نهایت از تقسیم این دو بر یکدیگر مقاومت الکترود مورد نظر به دست می آید.

تفاوت اندازه گیری مقاومت ویژه خاک و اندازه گیری مقاومت الکترود

تفاوت اندازه گیری مقاومت ویزه خاک و اندازه گیری مقاومت الکترود در این است که در مورد مقاومت ویژه خاک همه الکترودها مشابه یکدیگرند و الکترود اصلی وجود ندارد. هم چنین برای اندازه گیری مقاومت ویژه خاک ۴ الکترود مورد ااستفاده قرار می گیرد که دو الکترود آن برای مدار جریان و دو الکترود برای اندازه گیری ولتاژ.

---

برای مطالعه بیشتر در مورد روش های اندازه گیری مقاومت الکترود زمین این جا کلیک کنید.

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید.