Rezistivite Tasarımı 7Jeofizik yöntemlerden biri olan elektrik özdirenç(rezistivite) yöntemi ile yeraltına ait parametrelerin belirlenmesi uzun yıllardan beri yapılmaktadır. Bu parametreler sayesinde topraklama hatları oluşturularak elektrik sorunsuz bir şekilde kullanılmakta, tarihi eserler gün yüzüne çıkarılmakta, insalık için en büyük nimetlerden olan suyun tespiti yapılabilmektedir. Toprağın özdirenci bize toprak altındaki farklılıklar ile ilgili bir çok vermektedir. İlk defa 1915 yılında Wenner tarafından uygulanan özdirenç yöntemi, Schlumberger, 1920 tarafından geliştirilerek başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bilgisayar ve jeofizik cihaz teknolojisinin gelişmesiyle elektrik özdirenç yöntemi, yeraltının özdirenç değişimlerinin bir, iki ve üç boyuta incelenmesine olanak vermiştir. Böylelikle yöne bağımlı ve tekdüze olmayan yeraltının gerçeğe daha yakın özdirenç değişimleri incelenebilmiştir. İlk bir boyutlu (1B) olarak düşey elektrik sondaj (DES) yöntemleri ile incelenen bu değişim, 1990’lı yıllardan itibaren iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) araştırmalara doğru gelişmiştir (Berge, 2002; Drahor ve diğ., 2004).

1. Rezistiviteye Giriş

Yeryüzü çeşitli minerallerden meydana gelmiştir. Bu mineraller kendi aralarında fiziki ve kimyevî özellikler ile birbirlerinden ayrılırlar. Jeofiziğin jeoelektrik bölümünde amaç, bu mineral özelliklerinden faydalanarak, yeryüzündeki cevherli zonları, fayları veya tektonik hadiseleri bulup çıkarmaktır.

Araştırılması istenilen bölgenin jeolojik yapısının ortaya konulabilmesi için uygulanan birçok jeofizik yöntem vardır. En yaygın kullanılan ölçü şekli, iki akım elektrotu (A,B) ile yerin içine elektrik göndermek ve iki potansiyel elektrotu (M,N) ile bu akımın meydana getirdiği potansiyel dağılımının yüzeyden yapılan ölçümler yoluyla belirlendiği elektrik özdirenç yöntemidir.

Rezistivite Tasarımı 1

Rezistivite cihazının temel amacı yüzeyden yapılan gerilim ölçümleriyle yeraltı katmanlarının derinlik ve özdirenç değerlerinin saptanmasıdır. Bu amaç için yeryüzüne iki noktadan elektrik alan uygulanır ve diğer iki nokta arasında gerilim farkı ölçülür. Elektrik alanın uygulandığı elektrotlar “akım elektrotları” ve gerilim farkının ölçüldüğü elektrotlar “gerilim elektrotları” olarak adlandırılır. Akım elektrotları arasındaki uzaklığın arttırılması akımın daha derinlere inmesini sağlar. Derinlik ile ilişkili görünür özdirenç değerleri elde edebilmek için akım uçları arasındaki uzaklığın her ölçüm sonunda arttırılması yoluyla bir dizi ölçü alımını gerektirebilir. Elektrotların ölçüm sırasındaki çeşitli konumlarına göre geliştirilen ölçü alım teknikleri mevcuttur. Buna rağmen 5V gibi bir gerilimin toprağa aktaracağı akım ile metrelerce derine inebileceğini göstermez. Elbette toprağa uygulanan en ufak bir akım size toprak hakkında bilgi verecektir. Ancak her belli kurallar çerçevesinde gerçekleşmektedir her şey. Rezistivite cihazı toprağa gönderilen akım ve ölçülen gerilim ile alakalı olduğundan gönderilen akımı yüksek tutmak daha tatmin edici sonuçlar verecektir.

İşin teorisine değinmek gerekirse, toprağa akım iletecek iki çubuk sokulup, bu iki çubuk arasına da topraktaki gerilimi ölçen bir voltmetre bağlandığında voltmetrenin bize değer gösterdiği görülecektir. Bu olay bize topraktaki termo olaylarından veya yukarıda bahsedilen minerallerin fiziki ve kimyevi özelliklerden meydana gelmektedir. Toprakta meydana gelen fiziki, kimyevi ve termo olaylar ile meydana gelen bu çok küçük gerilim yerkabuğu tabakaları veya değerli metaller hakkında yeterli bilgi veremez. Bu nedenle toprağa harici olarak bir akım gönderilir ve bu gönderilen akım bize toprak altı için yeterli bilgiyi verebilir.

Anlaşıldığı üzere bu işin mihenk taşı akımdır. Bu iş için, piller, aküler ve hatta jeneratörler kullanılabilir. Bazı jeoelektrik metotlarında Doğru Akımdan, bazılarında ise Alternatif Akımdan istifade edilir. Toprağa akım gönderebilmek için iki iletken A ve B elektrotu, meydana gelen potansiyel farkı ölçmek içinse M ve N elektrotu kullanılır.

Rezistivite Tasarımı 2

Böylece akım kaynağından A, B elektrotlarıyla toprağa akım verilip, M ve N elektrotlarıyla da meydana gelen potansiyel farkı “dv” ölçülür. Ohm kanunundan istifade edilerek “gs” yani toprağın özdirenci hesaplanır. Yeraltındaki her tabakanın kendine has
görünür özdirenci “gs” olduğundan, her tabakanın geçirgenliği farklı olmaktadır. İşte bu özdirençten faydalanılarak, yeraltındaki metalleri, boşlukları ve tektonik yapıları hesaplanarak bulabiliriz.

Bu yöntemle ölçülen en önemli fiziksel özellikler kayaçların elektriksel özdirenci ve elektrik geçirgenliğidir. Metallerde özdirenç, iletken olduklarından çok düşükken, su içermeyen sokulum kayaçların özdirenci iletken olmadıklarından çok yüksektir. Arazide elde edilen özdirenç değerleri ile kayacın hangi kayaç olduğunu saptamak zordur. Çünkü aynı kayaç türünün özdirenci tek bir değer olmayıp geniş bir bant aralığına yayılır. Ayrıca farklı kayaç türlerinin özdirençler de aynı bant değerinin kapsayacak şekilde çakışabilir. Bu durumda farklı parametre değerleri bulunarak ve jeolojik veriler incelenerek kayaç türü saptanmaya çalışılır. Topraktaki kayaç türlerinden ziyade, toprakaltındaki değişimleri aradıklarından metal türleri, boşluk, yapılar hakkında oldukça iyi sonuçlar vermektedirler.

2. Özdirenç Yönteminin Esasları

Yapay kaynaklı elektrik özdirenç yönteminde çözümü istenen jeolojik problemlerin farklı olması durumunda farklı ölçüm teknikleri geliştirilmiştir. Sabit bir noktadan simetrik açılım yaparak yerin düşey yöndeki değişimini izlemek amacıyla geliştirilen düşey elektrik sondaj (DES) ölçümü, yanal süreksizliklerin araştırılması için geliştirilen profil (yatay kaydırma) olcumu, hem yanal hem düşey yöndeki değişimlerin saptanması amacıyla geliştirilen sondaj-profil olcumu özdirenç yönteminde kullanılan olcum teknikleridir.

Rezistivite Tasarımı 3

DES olcumu, akım elektrotları arasındaki uzaklığın artırılması, akımın derinlere inmesine dolayısıyla daha derinlerdeki yapıların özdirenç özellikleri hakkında bilgi toplanmasını sağlar. Böylece sabit bir noktanın düşey yöndeki değişimi belirlenmiş olur. Profil ölçümü, bir hat boyunca yanal süreksizliklerin belirlenmesi amacıyla uygulanır. Araştırılmak istenen derinliğe göre belirlenmiş sabit bir elektrot aralığı ile kurulan dizilim her ölçüden sonra profil boyunca kaydırılarak ölçme işlemi sürdürülür. Bu ölçü tekniği daha çok kırık-çatlakların, fayların yerlerinin belirlenmesinde ve dayk gibi
yapıların araştırılmasında kullanılır. Sondaj-Profil ölçümü, bu ölçümde sondaj ve profil ölçü teknikleri birlikte kullanılır. Bir hat boyunca belirlenmiş noktalar üzerinde ölçülmüş DES değerleri birlikte sunulur. Bu yöntem ile yeraltında hem yanal hem de düşey yöndeki özdirenç dağılımı belirlenir. Jeofizik ölçümlerde, genel dizilim yerine akım ve potansiyel elektrotlarının yerleri değiştirilerek türetilmiş özel dizilimler kullanılır. Bu dizilimlerin özellikleri göz önünde bulundurularak karşılaşılan jeolojik probleme göre sonuca gitmede en etkili olan dizilim seçilir. Klasik elektrot dizilimlerinden birkaçı,
simetri merkezine göre bir çizgi boyunca dizilen Schlumberger ve Wenner dizilimleridir. Bir başka yaygın kullanılan dizilim turu Dipol-Dipol’dur. Schlumberger elektrot dizilimi, genellikle düşey elektrik sondaj(DES) olcum tekniği ile birlikte kullanılır ve yatay veya yataya yakın tabaka sınırlarının derinlik ve özdirençlerinin belirlenmesinde kullanılır. Wenner
dizilimine göre daha derinlerden bilgi alınmasını sağlar. Bu dizilim de elektrotlar düzgün bir çizgi üzerine simetrik olarak akım elektrotları dışarıda potansiyel elektrotları içerde olmak üzere yerleştirilir ve simetri merkezi olan ölçü noktasındaki elektrik alan ölçülür. Potansiyel elektrotları arasındaki mesafe akım elektrotları arasındakine göre küçüktür.

Rezistivite Tasarımı 4

 

Wenner diziliminde ise, akım elektrotları dışarıda potansiyel elektrotları içeride ve birbirlerinden eşit uzaklıkta olmak üzere dizilirler. Dıştaki iki elektrottan yere akım verilir. İçte yer alan iki elektrottan ise verilen akımın yarattığı gerilim alanı ölçülür. Wenner elektrot dizilimi, düşey süreksizliklerin belirlenmesi için kaydırma ölçü tekniği kullanılarak oldukça hassas bir şekilde yapılabilmektedir. Ölçme işlemi elektrot arası mesafe değişmeden profil boyunca kayarak veya ölçü noktası etrafında simetrik biçimde açılarak devem eder. Yanal yöndeki değişimler bu dizilimle daha kolay saptanır. Diğer yöntemlere göre sığ yapıları çok yüksek çözünürlükle belirleyebilmektedir (Wightman ve diğ.,2003). Dizilimin gürültüye karşı daha az duyarlı olması ise en büyük avantajlarındandır.

3. Özdirenç Ölçüm Methodları

Toprak özgül direnci tespitinde birçok hesaplama metodu kullanılabilir. En çok kullanılan 2 metod 4 Elektrod ile yapılabilen:
• WENNER metodu sabit bir derinlik için uygundur.
• SCHLUMBERGER metodu farklı derinlikler için uygundur.

3.1. Wenner Methodu:

Ölçüm prensibi
“a” eşit mesafesi ile 4 adet kazık toprak üzerinde bir çizgi halinde yerleştirilerek ölçüm gerçekleştirilir. A ve B elektrotlarından akım gönderilir. M ve N elektrotları arasındaki ΔV gerilim potansiyeli ölçülür.

Rezistivite Tasarımı 5

Kullanılan ölçüm mantığı geleneksel toprak direnci ölçüm mantığıdır. Ancak tasarlanacak cihazın akım verme ve ΔV potansiyeli ölçme yeteneği olmalıdır. Elde edilen akım ve gerilim değerlerinden yararlanarak “Ohm Kanunu” yardımıyla direnç “R” değeri hesaplanır. Bu “R” değerini aşağıdaki formül ile beraber çözerek özdirenç değerine ulaşmış oluruz.

ρ = 2 π a R

Formül 1: Özdirenç Formülü

          Burada “ρ” Ω.m olarak 0 noktası altında, h = 3a/4 derinliğindeki özgül direnci temsil etmektedir. “a” metre olarak kazıklar arası metre olarak değerlendirilir. “R” değeri (Ω) cihaz tarafından ölçülen direnci temsil eder. Bu ölçüm biriminde derinlik a/3 dür. Yani kazıklar arasındaki mesafenin üçte biri boyutundadır. Bahsedildiği gibi gerilimi artırarak yüzlerce metre derini göstermek bu cihaz için imkânsızdır. Gerilim ile alakası vardır veyahut kazıklar arası mesafe ile alakası vardır. Ama yüzlerce metre derini gösteremez.

3.2. Schlumberger Methodu:
Ölçüm prensibi

          Schlumber metodu Wenner metodu ile aynı ölçüm presibi ile çalışır. İki metod rasındaki fark sadece kazıkların yerleşimi arasındaki farktır.

Rezistivite Tasarımı 6

– Dış iki kazık arasındaki mesafe 2d
– İç iki kazık arası mesafe A

Ve ölçüm sonucunda elde edilen R direnç değeri aşağıdaki formülde kullanılarak özgüldirenç hesaplanır:

ρS = (π.(d²-A²/4).RS-ES) / 4

Formül 2: Özdirenç Formülü

          Bu method özellikle geniş arazi özgül direnç ölçümlerinde ciddi zaman tasarrufu kazandırır zira bu ölçümlerde dış iki kazık hareket ettirilerek yapılırken Wenner metodunda 4 kazığında yeri değiştirilmesi gereklidir.

          Schlumberger metodu büyük alan ölçümlerinde zaman kazandırsa da pratikte Wenner metodu daha yaygın olarak kullanılır. Bunun nedeni Wenner metodundaki matematik denkleminin Schlumberger metoduna kıyasla daha basit olmasından kaynaklanır. Wenner methodu daha kesin sonuç vermektedir. Wenner methodunun gürültüyü filtreleme oranı Schlumberger methoduna göre daha iyidir.

4.Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

          Elektromanyetik etkilerden korunmak için, ölçüm için kullanılacak kabloların tam olarak açılması ve herhangi bir döngü oluşturmamasına dikkat edilerek kulanılması, birbirlerinden uzak yerleşleştirilmesi ve iletkenlerden (kablo, tren rayları, teller gibi) uzak olması gerekir.

          Ölçüm sonuçlarının doğruluğunu devam ettirebilmek için, harici kazık bölgelerinin dirençleri düşük olmalıdır. Eğer gerekli ise, kazıklar daha derine yerleştirilmeli ve toprak nemlendirilmelidir. Ölçüm sonucunun doğruluğunu test etmek için, 0V referans kazığı B’nin yeri değiştirilerek ölçüm tekrarlanmalıdır.

          Bu cihaz ile ölçüm yapmak sabır ve emek gerektirir. Araştırılacak alanda defalarca ölçüm yapmak gerekir. Çoklu kazık sistemiyle ölçümler kolaylaştırılabilir. Ancak tek bir ölçüm alınarak yer altı grafiği çizilemez.

          Doğru bilinen yanlışlardan birisi de kare şeklinde çakılmış elektrotların tek bir ölçüm alarak yer altı grafiği çizmesidir. Bu teknoloji tümevarım tekniğiyle çalışır. Yer altını görüntülemek istediğiniz alanı parça parça ölçerek grafiği tamamlayabilirsiniz. Daha sonra ölçüm yapılan alanı tek bir parça olarak gösterebilirsiniz. Tek bir ölçüm yaparken yeraltındaki farkları göremezsiniz. Yer altı farklılıklarını görebilmek için alanı parçalara ayırıp ölçmeniz gerekmektedir. Bu da fazlasıyla zahmetli bir iştir. Tasarlanmakta olan Rezistivite ile çoklu ölçüm tekniği uygulanacak ve otomatik ölçüm alınabilecektir. Bu da kullanıcıyı birçok dertten kurtaracaktır.

5. EPE Rezistivite

          Bu alanda en önemli kaynak hiç kuşkusuz ki EPE rezistivitedir. Açık şema, baskı devre gibi bütün materyalleri paylaşılmıştır. Ve bu devreyi ticari ürün haline getiren bir çok yerli ve yabancı cihaz vardır. Ufak modifikasyonlarla düzenlenmiştir ve yıllarca kullanılmaktadır. İlerleyen zamanlarda bu devre ile ilgili daha ayrıntılı bilgi vereceğim.

6. Tasarım Fizibilitesi

          Rezistivite tasarlamak için bazı bileşenlerin hazır olması gerekmektedir. PC ile bağlantıya geçebilmek için uygun bir anakart, doğru veya alternatif akım kaynağı, voltmetre, ampermetre, elektrotlar, uygun boyutlarda kablo.

6.1. Anakart
Ölçümleri hafızasında saklayabilen ve daha sonra bilgisayar ortamına aktarabilen bir anakarta ihtiyaç vardır. Belirlenen şekillerde kazanç ve çıkış direnci gibi ayarlamaların yapılmasına olanak tanıyan otomatik ölçüm alabilen ve tercihen çoklu kazık sistemini desteklemesi ölçümlerde işleri kolaylaştıracaktır.

6.2. Akım Kaynağı
Toprağa elektrotlar yardımıyla verilecek akım, ya doğru akım ya da 60 Hz’den küçük düşük frekanslı alternatif akım şeklinde olmalıdır. Güç kaynağı olarak doğru akım kullanılıyorsa piller seri olarak bağlanır ve böylece toplam birkaç yüz voltluk güç elde
edilir. Fazla güç gerektiren derin çalışmalar için birkaç yüz Watt’lık kapasiteye sahip olan jeneratörler kullanılabilir. Ancak böyle bir ekipman, yer değiştirmeleri olumsuz etkileyeceğinden dezavantaj oluşturmaktadır. Bu sorunun çözümü için çoklu elektrot
tekniğine geçilmiştir. Çoklu elektrotlar yardımıyla büyük güç sağlayan sistemleri sabit bir noktada iken birçok ölçüm alınabilmektedir.

6.3. Ampermetre ve Voltmetre
Ölçü sırasında doğru akım veya uzun periyotlu kömütatörlü doğru akım kaynakları kullanıldığında; elektrot açılımı, zeminin tipi ve durumu ve kullanılan güç dikkate alınarak 5-1000 mA’lik DC miliampermetreleri kullanılır. Potansiyel ise yüksek giriş
empedanslı (1 megaohm veya üstü) ve ölçü aralığı 10 mV’tan 20 Volt’a kadar değişen bir DC voltmetre ile ölçülür. Alternatif akım kullanılması durumunda yukarıda verilmiş olan cihazların alternatif akımölçerleri kullanılır.

6.4. Elektrotlar
Çalışmalarda kullanılacak tüm akım elektrotları çelik, alüminyum ya da pirinç olabilir. Önemli olan paslanmamalarıdır. Boyları en az 35-40 cm. olmalıdır. İyi elektrik teması için yer içine en az 20-25 cm. çakılmaları gerekmektedir. Kuru zeminlerde akım elektrotlarına su dökerek elektrik temasının artması yani iletkenlik sağlanır.

Bileşenleri de tanıdığımıza göre ilk yazıyı burada sonlandırabiliriz. Bu yazımızda rezistiviteye giriş yaparak, beklentileri belirledik. Bundan sonraki yazımızda, parça parça işlem bloklarını tasarlayıp, test edeceğiz. Sonrasında da bütün sistemin senkronizasyonunu sağlayarak cihazımızı tamamlayacağız. Öncelikle hassas ampermetre ve voltmetre tasarlayıp, doğru akım 12 volttan toprağa bir kaç yüz volt alternatif akım verecek yükselteç devremizi tasarlayacağız.

Takipte Kalın !

Cevabını bulabileceğimiz sorular.
Rezistivite nedir ?
Rezistivite nasıl tasarlanır ?
Rezistivite devreleri, Rezistivite şeması, Rezistivite baskı devresi
EPE Rezistivite nedir ? EPE Rezistivite devre şeması.

* Bu döküman bu cihazın tasarımı süresince güncellenecektir. Döküman oluşturulurken yerli ve yabancı bir çok makaleden yararlanılmıştır.