JPS634667B2

JPS634667B2 -

Info

Publication number: JPS634667B2
Application number: JP56075755A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kano; Tsutomu Hino; Kazuhiro Pponda
Original assignee: Taisei Kiso Sekkei Co Ltd
Current assignee: Taisei Kiso Sekkei Co Ltd
Priority date: 1981-05-21
Filing date: 1981-05-21
Publication date: 1988-01-29
Also published as: JPS57191558A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、流体の流動測定装置に係り、とくに
微小な動きを示す地下水等の動態の測定に好適な
流体の流動測定装置に関する。

近年、凍結工法採用の可否の判断や、地下水汚
染の調査等を行なう上で、地下水の流動（流速又
は流向もしくはその両方）を正確に測定する必要
が多くなつてきている。従来より、地下水の流動
測定方法として広く利用されているものに所謂ト
レーサ法がある。この方法は、複数のボーリング
孔の内、１孔に食塩或いは色素を投入し、他のボ
ーリング孔との間で電気抵抗或いは濃度の経時的
変化を調べ、到達時間及びその位置からの流動を
測定するものである。しかしながら、上記従来技
術においては、ボーリング孔を多数掘削しなけれ
ばならず、調査費用が極めて高くなるとともに、
地下水の流速が遅いときには測定に長時間を要
し、かつ、その間雨水等により地下水流が変化し
て正確な測定を行なうことが困難になるという本
質的欠点を有していた。

近時、上記従来技術の欠点を改善する試みとし
て、プロペラ式流速計を用いてプロペラの回転数
及び変化より流速及び流向を測定したり、また、
特公昭45−25029に開示された発明の如く、円板
をボーリング孔内に降下させ、該円板に作用する
孔内水の上昇流および下降流による圧力差から地
下水の流動状況を推定したり、或いはラジオアイ
ソトープを流水に投入し、流水による放射線量の
分布変化をトレースして流速及び流向を測定する
方法が考案されている。

しかし乍ら、流水にて機械的測定手段を駆動す
る方法にあつては、流速が毎秒２cm以下の微小な
場合、流速を正確に測定することは極めて困難で
あり、また放射性物質を利用する方法は取扱いに
際し危険を伴うのみならず、装置が極めて高価な
ものになるなどの欠点を有していた。

本発明は、かかる従来技術の欠点に鑑みなされ
たものであつて、単一の測定点で、極めて微小な
流速からなる流体の少なくともその流向を正確に
測定することができ、かつ、取扱の容易で構成の
簡単な物体の流動測定装置を提供することを、そ
の目的とする。

本発明は、被測定流体中に挿入されるプローブ
の観測部に、該被測定流体とは電気的性質の異な
る置換物質の前記流体の流動による移動状況を測
定する一対の電流電極と該電流電極に近接装備さ
れた一対の電圧検出用の電圧電極とから成る４電
極法による測定電極群を、同心円状に複数組備え
かつ、前記一対の電流電極を周方向に配設すると
ともに、隣接する測定電極群間で少なくとも前記
電流電極を共用せしめ、さらに、前記電流電極へ
の電圧の印加及び電圧電極による電圧の検出を、
各測定電極群毎に時分割して行なうように構成し
たことにより、前記目的を達成しようとするもの
である。

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第９図に
基づいて説明する。

第１図は、本発明に係る流体の流動測定装置を
用いて、実際に測定を行なつている場合の一例を
示す概略説明図である。図において、１は地盤Ｅ
内を、地表から所定深さの地下水層（砂層、礫層
など）内まで掘削された測定用のボーリング孔で
ある。このボーリング孔１内に、ボーリングロツ
ド２を介して吊持された測定用プローブ（以下、
単に「プローブ」という）３が試験深度まで降下
挿入されている。ここで、前記プローブ３の方向
は、該プローブ３の上部に内蔵された方位計（第
２図参照）４によつて確認されながら、所定の向
きに設置固定されるようになつている。地盤Ｅ内
の前記地下水層には、図の矢印Ｆで示す地下水の
流れがあり、これがため地下水面以下前記ボーリ
ング孔１内に地下水Ｗが湧出し、この地下水Ｗの
中に前記プローブ３が浸漬されることになる。前
記プローブ３は、ボーリングロツド２内に延設さ
れたケーブル５によつて、外部の計測機器等（図
示せず）と電気的に接続されており、これによ
り、地下水の流動測定及び記録が行なわれるよう
になつている。

次に、前述したプローブ３の具体的構成を第２
図に示す。このプローブ３の主要部であるプロー
ブ本体部３Ａは、上部に方位計４が内装された円
筒状のプローブ本体６と、このプローブ本体６の
下端に装着された円盤形のヘツド７と、このヘツ
ド７の下方に所定間隔おいて配置された底盤８と
から構成されている。

前記ヘツド７は、絶縁材から形成されており、
このヘツド７には、後述するように４電極法を構
成する複数個の電極７１〜９４が下方に突出され
て第６図に示すように同心円かつ放射状に配設さ
れている。そして、このヘツド７は、所定の長さ
を有する４本の支柱２０，２０，………の上端部
にて、前記プローブ本体６の下端面にねじ止めさ
れ、これにより、該プローブ本体６に密閉装着さ
れるようになつている。前記ヘツド７の第２図に
おける上面側には、ケーブル５の下端を支持する
支持板２１が固着されており、このケーブル５を
介して、前記電極７１〜９４の配線がなされてい
る。

一方、前記底盤８は、支柱２０，２０，………
の下端部にナツト２２，２２，………によつて固
定されており、これがため、前記ヘツド７の下端
面と底盤８との間に所定の空間部（観測部）２３
が形成され、この観測部２３内に地下水が流入し
得るようになつている。この底盤８は、後述する
ように置換物質としての電解液（例えばNaCl溶
液）２４を充填させる容器底としての機能を有す
る他に、プローブ全体をボーリング孔１内で降下
させるとき、当該ボーリング孔１の底に誤つて該
プローブ３を押下した場合でも、前記電極７１〜
９４の破損を防止するとともに、さらに前記観測
部２３内の流れを安定にせしめる等の機能を有す
るものである。

前記ヘツド７の周端部と、底盤８の周端部との
間には、前記ヘツド７に植設された各電極７１〜
９４を囲繞して筒状の金網２５が配設されてい
る。この金網２５は、ボーリング孔１の孔壁１Ａ
（第１図参照）の崩れ等により、前記観測部２３
内への異物の侵入を防ぐとともに、電極７１〜９
４部分を電気的にシールドして地電流等による外
来雑音の影響を除去し、また後述するように、ス
リーブ３０の上昇時に生じる乱流の発生を抑制
し、さらに前記底盤８とともに、観測部２３内の
整流を行なうためのものである。

このように構成されたプローブ本体部３Ａの上
端には、前記プローブ本体６の外径より小さな径
を有する案内ロツド２６が固着され、これにより
全体がピストン形に構成されるとともに、この案
内ロツド２６の上端にさらに前記ボーリングロツ
ド２が接続されるようになつている。そして、前
記案内ロツド２６の上端部には、後述するスリー
ブ３０の上方向移動を制限するための円環状のス
トツパー２７が嵌着されている。

前記プローブ本体部３Ａの全長に亘つて、該プ
ローブ本体部３Ａの外周部を囲繞するスリーブ３
０が上下動可能に装備されている。このスリーブ
３０は、底部が開口した壜状のシリンダ形に形成
されている。即ち、前記スリーブ３０は、プロー
ブ本体部３Ａの側面部分を被覆する円筒部３１
と、この円筒部３１の上端部近傍が前記プローブ
本体６の上端にて内方向に略円錐状に曲折された
肩部３２と、この肩部３２の内端部より前記案内
ロツド２６に当接して上方に延設された首部３３
とから構成されている。そして、前記プローブ本
体６の上下端部近傍及び、底盤８の下端部に装着
されたＯリング３４乃至３６によつて、円筒部３
１とプローブ本体部３Ａとの間が密閉され、また
首部３３の上端部に装着されたＯリング３７によ
つて該首部３３と案内ロツド２６との間が密閉さ
れて、かつ、スリーブ３０全体が上下に摺動自在
となるように形成されている。このように構成さ
れたスリーブ３０と、前記案内ロツド２６及びプ
ローブ本体６とによつてピストン・シリンダ機構
３８が形成されるようになつている。これを更に
詳述すると、シリンダ部としての前記スリーブ３
０の肩部３２には、第２図の左側に示すように、
吐出口３９が穿設されており、この吐出口３９の
外側部にホース４０と接続されたノズル４１が嵌
合されている。そして、前記ホース４０を介して
外部に設けられた水圧ポンプ（図示せず）より、
所定の圧水がスリーブ３０の肩部３２とピストン
部としてのプローブ本体６の上端面間に注入され
るようになつている（第２図の矢印Ａ参照）。こ
の圧水の注入により、スリーブ３０が反力を受け
て上方に移動されることになる（第４図参照）。
一方、スリーブ３０の下方移動（復帰）は、前記
肩部３２の第２図における右側に設けられた抜弁
４２を開放してスリーブ３０全体を押下げること
により簡単に行なうことができるようになつてい
る。

前記スリーブ３０の上方向移動は、前述したス
トツパー２７によつて制限され、このとき、前記
観測部２３全体が露出されるようになつている
（第４図参照）。また、スリーブ３０の下方向移動
は、前記肩部３２の内側に設けられた段部４３が
プローブ本体６の上端縁に当接することにより制
限され、このとき、前記円筒部３１の下端が底盤
８の側部に嵌合するようになつている（第２図、
第３図参照）。このため、前記観測部２３が外部
から密閉されることになる。

このように構成されたスリーブ３０は、流動の
測定前には下方に配置されて、前記観測部２３内
に、予め地下水とは導電率の異なる液状の置換物
質（例えばNaCl溶液）２４を密閉充填させるた
めのものであり、また、流動の測定時には上方に
移動されて、前記観測部２３内に地下水を侵入せ
しめ、これにより、前記置換物質を地下水の流動
に従つて外部へ押し出させるためのものである。
また、このスリーブ３０は、前記プローブ３をボ
ーリング孔１内に降下させる際、該プローブ本体
部３Ａを孔壁１Ａから保護する機能を有してい
る。

次に前記ヘツド７に突設された電極７１〜９４
の構成並びに流動の測定方法を第６図及び第７図
に基づいて説明する。

まず、第６図において、ヘツド７の下面端部近
傍の周方向に、等間隔離れて円状に外部電極８３
〜９４が配設されている。また、この外部電極８
３〜９４の内側には、該外部電極８３〜９４の
各々に対向近接して同心円状に内部電極７１〜８
２が配設されている。これらの外部電極８３〜９
４及び内部電極７１〜８２は、隣接する４つの電
極、例えば、外部電極８３，８４及び内部電極７
１，７２など、が順次、液体の導電率測定方法の
一つである４電極法を形成するようになつてお
り、内部電極７１，７２が電流電極の機能を有
し、外部電極８３，８４が電圧検出用の電圧電極
としての機能を有し、これらが１組の測定電極群
P₁を形成して、12方向S₁〜S₁₂（第６図参照）に量
子化された方向の内、１つ（例えばS₁方向）を測
定することができるようになつている。他の測定
電極群、例えば、外部電極８４，８５及び内部電
極７２，７３（第６図のP₂参照）についても全
く同様に機能する。

ここで、一般に、被測定物の導電率は、該被測
定物に印加する電圧及び電流の関係から求められ
るが、液体中に電流を通ずると、電極反応を起こ
して徐々に電流が流れにくくなり、測定誤差を生
ずる。前記４電極法は、一対の電圧電極間にかか
る電圧が常に一定となるように、一対の電流電極
に印加される電圧を調整し、これにより上記測定
誤差を排除せしめ、高精度の測定を行なうもので
ある。次に本実施例に係る測定回路５０を第７図
に示す。図に於て、前記各測定電極群P₁〜P₁₂の
内部電極７１，７２，７３，７４，………には、
交流電源５１により、電圧制御部５２を介して所
定の電圧が印加され、各電極間近傍の液体を介し
て電流が通じるようになつている。ここで、各一
対の内部電極７１，７２，７３，７４，………へ
の電圧の印加は、一組のアナログスイツチ５３，
５４により所定のタイミングで順次切換えながら
行なうように形成されている。一方、各測定電極
群P₁〜P₁₂の一対の外部電極８３，８４，８５，
８６，………間の電圧（外部電極近傍に電流が流
れたときに生ずる電圧）は、前記アナログスイツ
チ５３，５４と同期して切換られる一組のアナロ
グスイツチ５５，５６によつて順次切換検出さ
れ、増幅器５７を介して前記電圧制御部５２へ送
られるようになつている。この電圧制御部５２
は、増幅器５７から入力される検出電圧が各測定
電極群P₁〜P₁₂毎に別個独立して常に一定となる
ように、各一対の内部電極７１，７２，７３，７
４，………間に印加する電圧を各測定電極群P₁
〜P₁₂毎に独立して制御する機能をなすものであ
る。一方、前記電圧制御部５２とアナログスイツ
チ５４との間に電流測定用の抵抗Ｒが挿入されて
おり、この抵抗Ｒを流れる電流が両端間の電圧に
変換され、整流回路５８及び前記アナログスイツ
チ５３〜５６と同期したサンプリング回路５９を
経てマルチチヤンネルレコーダ６０にて、各測定
電極群Ｐ１〜Ｐ１２毎に記録されるようになつて
いる。ここで抵抗Ｒを流れる電流Ｉと電圧電極間
の電圧Ｖとにより、Ｇ＝Ｉ／Ｖの関係から液体の
導電率Ｇを正確に測定できるが、Ｖが一定である
ため、Ｉの変化から導電率の変化を直接測定する
ことができる。従つて、地下水と置換物質との導
電率の差から、地下水が各測定電極群Ｐ１〜Ｐ１
２位置に到達した時刻を正確に測定することが可
能となる。

次に、上記実施例の全体的動作を第８図及び第
９図に基づいて説明する。

まず、予めプローブ３の前記観測部２３内に測
定対象の地下水とは導電率の異なる置換物質（例
えば、地下水の導電率が低い場合にはNaCl溶液
等の電解液、一方地下水が塩分を含んで導電率が
比較的大きい場合には純水等を使用する。ここで
はNaCl溶液を用いることとする。）２４を充填
し、スリーブ３０の最下方に移動させた状態（第
３図参照）で、該プローブ３をボーリング孔１内
の所定の測定深度に降下させる。このとき、プロ
ーブ３は、前記方位計４によつて所定方向に配置
される。

次に、プローブ３の降下による地下水の撹乱が
おさまつたのち、前記ホース４０を介して圧水を
スリーブ３０内に注出し、該スリーブ３０を静か
に上方へ移動させる。このとき、スリーブ３０の
上昇に伴ない、該スリーブ３０の下端部近傍に乱
流を生じるが、前記金網２５の働きによつて、観
測部２３内側での乱流が抑制され前記NaCl溶液
２４の流出は殆んど生じない（第５図参照）。

そして、スリーブ３０が最上端に移動すると、
地下水Ｗの流動に従つて、次第に前記観測部２３
内に地下水Ｗが流入し、これに伴ないNaCl溶液
２４が外部へ押し出される。この際、前述した金
網２５の作用で観測部２３内に流入する地下水Ｗ
は、第８図の２に示すように流動方向に凸状とな
つて進行するが、該金網２５及び前記底盤８によ
り整流されるため、該観測部２３内は地下水層内
の流れと略同一な層流状態となる。

ここで、地下水Ｗが、例えば外部電極８３，８
４に係る測定電極群P₁から外部電極８９，９０
に係る測定電極群P₇方向へ流動する場合（第８
図のＫ参照）、前記スリーブ３０を上昇した時点
では未だ地下水Ｗが観測部２３内に流入せず、従
つて、全ての測定電極群がNaCl溶液中に在り、
検出される導電率も高い（第８図の１、第９図の
T₀参照）。次に地下水Ｗが前縁が外部電極８
３，８４間に到達し始めると、地下水の導電率が
低いので、外部電極８３，８４間の検出電圧を一
定とする為に要する外部電極８３，８４近傍の電
流は少なくなり、従つて、内部電極７１，７２間
に流す電流が減少し、S₁方向の測定電極群P₁に
よつて検出される液体の導電率が最初に低下する
（第８図の２、第９図のT₁参照）。これにより、
地下水Ｗの流向がS₁方向であることが検出される
と同時に、地下水Ｗの外部電極８３，８４間位置
に到達したタイミングが求められる。一方、他の
測定電極群、例えばＰ２は、地下水Ｗの到達タイ
ミングが前記測定電極群Ｐ１より遅れるので、検
出される導電率の変化も遅延する（第９図のT₂
（）参照）。

前記地下水Ｗの進行により更にNaCl溶液２４
との置換が進み、該地下水Ｗの前縁が測定電極群
Ｐ７位置までくると、前述と同様にして当該測定
電極群Ｐ７によつて測定される導電率が低下し始
める（第８図の３、第９図のT₃（）参照）。こ
の導電率の低下は、該測定電極群Ｐ７位置に地下
水Ｗの到達したタイミングを表わすことにより、
前記測定電極群Ｐ１とＰ７の間の距離をＬとして
Ｌ／（T₃−T₁）の計算式から地下水の流速を求
めることができる。他の方向から地下水が進行し
た場合でも全く同様である。

この実施例によれば、導電率変化の測定に４電
極法を用いたので、地下水の流動測定を正確に行
なうことができ、かつ、複数個の測定電極群を周
方向に循環配設したので、流動の検出領域に隙間
がなく、従つて、任意方向の流動を常に確実に測
定することが可能となる。また、隣接する測定電
極群の電極を共用する構成としたので、少ない電
極数で多方向の検出を行なうことができるととも
に、各測定電極群による導電率変化の測定を、単
一の測定回路を用いて行なうことができるので、
装置全体のコストを低下することが可能となる。

また、この実施例によれば、スリーブの上昇
を、ピストン・シリンダ機構を用いて単に外部か
ら圧水を注入するのみで行なうことができ、従つ
てスリーブの外壁を地上まで延設して上昇させる
など複雑な構成を用せず、また、ワイヤー等で上
昇させた場合におけるワイヤーの絡まりなどの誤
操作を防止して確実に上昇移動を成すことができ
る。

尚、上記実施例においては、電圧検出用の電圧
電極を電流電極の外側に配設する構成としたが、
第１０図に示すように、測定電極群毎に独立した
一対の電圧電極６５，６５を、電流電極６６，６
６に近接して、該電流電極６６，６６と略同心円
上に配設してもよい。また、上記実施例において
は、置換物質として電解液を用いたが、例えば誘
電率の差を利用したり、また金属粒子等を混入し
た複合物質を使用して測定感度の向上を図つても
よく、要は測定対象の地下水等と電気的（導電
率・誘電率など）性質が異なり、比重及び粘性が
近似した液状の物質（ゾル状のものを含む）であ
ればよい。また、前記置換物質としては、被測定
対象中に放電等により、イオン層を形成せしめた
ものを利用してもよい。

以上のように、本発明によれば、装置全体の構
成を簡単にすることができるとともに、単一の測
定点で極めて微小な流速からなる流体の少なくと
もその流向をかつ、任意の方向に対し常に正確に
測定することができ、さらに取扱の容易な流体の
流動測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流体の流動測定装置を用
いて測定を行なつている状態を示す説明図、第２
図は、第１図のプローブ部分を示す詳細部分断面
図、第３図及び第４図は各々第２図の一部に係る
スリーブの動作説明図、第５図は第２図の他の一
部に係る金網の作用説明図、第６図は、第２図の
−線に沿つた一部省略した横断面図、第７図
は本発明の測定原理を示す回路図、第８図の１乃
至３は測定状態を示す説明図、第９図は測定結果
の一例を示す線図、第１０図は第６図における外
部電極部分の他の実施例を示す概略図である。３……プローブ、２３……観測部、２４……置
換物質、６５……電圧電極、６６……電流電極、
７１〜８２……電流電極としての内部電極、、８
３〜９４……電圧電極としての外部電極、５０…
…測定回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１被測定流体中に挿入されるプローブの観測部
に、該被測定流体とは電気的性質の異なる置換物
質の、前記流体の流動による移動状況を測定する
一対の電流電極と該電流電極に近接装備された一
対の電圧検出用の電圧電極とから成る４電極法に
よる測定電極群を、同心円状に複数組備え、か
つ、前記一対の電流電極を周方向に配設するとと
もに、隣接する測定電極群間で少なくとも前記電
流電極を共用せしめ、さらに、前記電極への電圧
の印加及び電圧電極による電圧の検出を、各測定
電極群毎に時分割して行なうように構成したこと
を特徴とする流体の流動測定装置。