JPS634669B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は、流体の流動測定用センサ装置に係
り、特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。

〔従来技術とその問題点〕

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調トレ
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
及びその変化により流速及び流向を測定したり、
また、特公昭45−25029号公報に開示された発明
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、プロペラ等の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。

〔発明の目的〕

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、一の測定用ボーリング孔で、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る構成が簡単で耐
久性ある流体の流動測定用センサ装置を提供する
ことを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明では、複数の棒状測定電極部を
同心円状に且つ放射状に一定間隔をおいて配設し
て成る観測部を備え、各棒状測定電極部を、一対
の電流電極とこの電流電極相互間に装備された一
対の電圧電極とから成る４電極法を利用した構成
とし、各一対の電流電極の内の一方の電流電極を
小円板状に形成するとともに、これに対する他方
の電流電極を他の同一側の各電流電極とともに共
通の一枚の電流電極板により形成する、という構
成を採り、これによつて前記目的を達成しようと
するものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図乃至害１０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用セン
サ装置を用いて、実際に測定を行つている場合の
一例を示す概略説明図である。

この第１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の前記ボーリング孔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。

ヘツド７は絶縁材から形成されており、このヘ
ツド７の下端面に全体的に共通の大円板状に形成
された第４電極９が固着されている。また、この
第４電極９から下方に突出して、複数個の円筒状
の電極棒１０乃至１８が第７図に示すように同心
円状に植設されている。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。

ヘツド７の第２図における上面側には、ケーブ
ル５の下端を支持す支持板２１が固着されてお
り、このケーブル５を介して、各電極棒１０乃至
１８及び第４電極９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、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３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
押圧した場合でも、電極棒１０乃至１８の破損を
防止するとともに、さらに観測部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。

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棒１０，１
１，…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、電極棒１０，
１１…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。

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３０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、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の円端部より案内ロツド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、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３１とプローブ本体部３
Ａ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全体が上下に褶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、
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ス
リーブ３０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、このホース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、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うことができるようにな
つている。

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、観測部２
３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、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、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、測定開
始前には下方に配置されて、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、測定開始時には上方に移動させ
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
外部に押し出させるためのものである。また、こ
のスリーブ３０は、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に突設された電極棒１０〜１
８の構成並びに流動の測定方法を第６図乃至第８
図に基づいて説明する。

まず、第７図において、ヘツドの中心位置に中
心電極棒１０が設けられており、この中心電極棒
１０を中心として八等分方向に、同心円状に外部
電極棒１１〜１８が配設されている。これらの電
極棒１０〜１８は、同一形状に構成されており、
例えば電極棒１０は、第６図に示すように、ヘツ
ド７を貫通して下方に突出され、かつ、下端に円
板形の凸部８１を有する絶縁部材から成る電極棒
本体８２と、前記凸部８１の第６図における上面
側に、前記大円板状で全体共通の第４電極９と対
向して装着された小円環状の第１電極１０Ａと、
電極棒本体８２の外周上で、第１電極１０Ａと第
４電極９の中間位置に互いに所定間隔おいて装着
された円環状の第２、第３電極１０Ｂ、１０Ｃと
から構成されている。そしてこの第１乃至第３電
極１０Ａ〜１０Ｃは、電極棒本体８２内に形成さ
れた孔８３を介してリード線により前記ケーブル
５と接続されており、一方、第４電極９は、ヘツ
ド７に穿設されたスルーホールメツキ（図示せ
ず）を介してケーブル５と接続されるようになつ
ている。

前述した第１乃至第４電極９，１０Ａ〜１０Ｃ
は、原理的には例えば所謂液体の導電率測定方法
の一つである４電極法を形成するものであり、第
１及び第４電極１０Ａ，９が電流電極の機能を有
し、第２及び第３電極１０Ｂ，１０Ｃ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
の測定電極群を形成するようになつている。

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。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
るものである。本実施例に係る測定回路５０を第
８図に示す。図に於て、各電極棒１０〜１８の第
１電極１０Ａ〜１８Ａ及び第４電極９には、交流
電源５１より、電圧制御部５２を介して所定の電
圧が印加され、電極棒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、各第１電極１
０Ａ〜１８Ａへの電圧の印加は、アナログスイツ
チ５３により所定タイミングで切換えながら行な
うように形成されている。一方、各電極棒１０〜
１８の第２、第３電極１０Ｂ，１０Ｃ、および１
１Ｂ，１１Ｃ…の各相互間の電圧（電極棒近傍に
電流が流れたときに生ずる電圧）は、アナログス
イツチ５３と同期して切換えるられる一組のアナ
ログスイツチ５４及び５５によつて順次切換検出
され、増幅器５６を介して、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５６から入力される検出電圧が各電極
棒１０〜１８毎に別個独立して常に一定となるよ
うに、各第１電極１０Ａ〜１８Ａと第４電極９間
に印加する電圧を各電極棒１０〜１８毎に独立し
て制御する機能をなすものである。一方、電圧制
御部５２とアナログスイツチ５３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５
７及びアナログスイツチ５３〜５５と同期したサ
ンプリング回路５８を経てマルチチヤンネルレコ
ーダ５９にて各電極棒１０〜１８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
換物質の導電率の差から、地下水が各電極棒１０
〜１８に到達した時刻を検出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９図及び第１
０図に基づいて説明する。

まず、予めプローブ３の観測部２３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
比較的高い場合には純水等を使用する。ここで
は、NaCl溶液を用いることにする。）２４を充填
し、スリーブ３０を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
の所定の深度に降下させる。このとき、プローブ
３の方向は、前述した方位計４によつて所定方向
に配置される。

次に、プローブ３の降下によるボーリング孔１
内の地下水の攪乱がおさまつたのち、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３
０の下端部近傍に乱流を生じるが、金網２５の働
きによつて、観測部２３内側で乱流が抑制され、
前記NaCl溶液２４の流出は殆ど生じない（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２
５の作用で、観測部２３内にはボーリング孔１に
よつて生じた乱流が殆ど流入しない他、該金網２
５及び底盤８により観測部２３内の流れが整流さ
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、外部電極棒１１
から外部電極棒１５方向へ流動する場合（第７図
のＳ方向）、地下水Ｗが未だ外部電極１１に到達
しないときは、全電極棒１０〜１８がNaCl溶液
中に在り、各電極棒１０〜１８によつて検出され
る導電率は高い（第９図の１、第１０図のT₀
（）参照）。

次に、地下水Ｗがまず外部電極棒１１に到達し
始めると、地下水の導電率が低いため、外部電極
棒１１によつて検出される液体の導電率が最初に
低下する（第９図の２、第１０図のT₁（）参
照）。

地下水Ｗが進行して、更に該地下水ＷとNaCl
溶液との置換が進み、該地下水の前縁が中心電極
棒１０位置までくると、当該中心電極棒１０によ
つて測定される導電率が低下する（第９図の２、
第１０図のT₁（）参照）。これにより、地下水
Ｗの流向が外部電極棒１１→１５の方向であるこ
とが検出されるとともに、地下水Ｗが外部電極棒
１１に到達したタイミングが求められる。一方、
他の外部電極棒、例えば１２は、地下水Ｗの到達
タイミングが外部電極棒１１より遅れるので、導
電率の変化も遅延する（第９図のT₂（）参照）。

前記地下水Ｗが進行して、更に該地下水Ｗと
NaCl溶液との置換が進み、該地下水の前縁が中
心電極棒１０位置までくると、当該中心電極棒１
０によつて測定される導電率が低下する（第９図
の３、第１０図のT₃（）参照）。この導電率の
低下は該中心電極棒１０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、前記外部電極
棒１１及び中心電極棒１０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。このため、比較的短時間に流
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
極法を用いたので流動測定を正確になすことがで
き、また各測定部位をなす４電極の内、一つの電
流電極を一対の電圧電極を一体に装備し、かつ、
他の電流電極を全ての測定部位に亘つて一体的に
形成したので、配線が簡略化されるとともに構成
が単純となり、従つて装置を小型にすることが可
能であると同時に、プローブ内への地下水の流入
等を防止し信頼性を向上させることができる。ま
た、各測定部位（電極棒）に係る導電率変化の測
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させることができ
る。また、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挿作を防止して確実に
上昇移動をなすことができる。

尚、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、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。

〔発明の効果〕

本発明は、以上のように構成され機能するの
で、これを使用すると、例えば地下水の流向を単
一のボーリング孔内のみで高精度に測定すること
ができ、各一対の電流電極の内の一方の電流電極
を小円板状に形成するとともに、これに対向する
他方の電流電極を他の同一側の各電流電極ととも
に共通の一枚の電流電極板により形成したことか
ら、構成がいたつて簡単となり、従つて生産性及
び耐久性向上を図ることができ、電流電極の対向
面積を比較的大きく設定できるので動作の安定を
図ることができる流体の流動測定用センサ装置を
提供することができる。

【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用センサ
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スリーブ上昇時における作用
説明図、第６図は第２図の中心電極棒近傍を示す
部分断面図、第７図は第２図の−線に沿つた
一部省略した横断面図、第８図は本発明に係る測
定原理を示すブロツク図、第９図の１乃至３は測
定状態を示す説明図、第１０図は測定結果の一例
を示す線図である。 ３……プローブ、９……電流電極としての第４
電極、１０〜１８……測定電極群を有する電極
棒、１０Ａ〜１８Ａ……電流電極としての第１電
極、１０Ｂ〜１８Ｂ……電圧電極としての第２電
極、１０Ｃ〜１８Ｃ……電圧電極としての第３電
極、２３……観測部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の棒状測定電極部を同心円状に且つ放射
   状に一定間隔をおいて配設して成る観測部を備
   え、 前記各棒状測定電極部を、一対の電流電極とこ
   の電流電極相互間に装備された一対の電圧電極と
   から成る４電極法を利用した構成とし、 前記各一対の電流電極の内の一方の電流電極を
   小円板状に形成するとともに、これに対向する他
   方の電流電極を他の同一側の各電流電極とともに
   共通の一枚の電流電極板により形成したことを特
   徴とする流体の流動測定用センサ装置。