CN1073707C - 智能化单井地下水动态参数测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能化单井地下水动态参数测试仪，它由整体式罩体、信号处理电路、放射性探测体及其驱动电机、磁探测器及压力传感器组成，放射性探测体由可转动的柱体和至少三个的放射性探测器组成，驱动电机的主轴伸入柱体使它们连为一体，柱体一端设有磁探测器，其另一端设有压力传感器，且磁探测器的基准线指向零位放射性探测器，放射性探测器的输出及磁探测器和压力传感器的输出均与信号处理电路的输入相连，信号处理电路的输出接至地面计算机。

Description

智能化单井地下水动态参数测试仪

本发明属水文地质测井领域，涉及一种利用测量单井中同位素示踪剂量来显示地下水流速流向动态参数的测量仪器。

利用放射性指示剂在单井中测定地下水流速流向的方法是Moser(1957)和Maither(1963)分别提出的。于是有多种见诸面世的测定地下水流速流向的装置。最早的有接杆式定向探头；后来有波兰I.B.Hazza发明的P-32吸附与X胶片定向测速装置；日本落合敏郎的三层同位素稀释室定向测速装置；W.Drost和Kiotz等设计的棉纱网吸附测向、活性炭吸附测向装置；美国专利4051368、英国专利2009921介绍的中子活化测向测速装置；德国慕尼黑水文地质实验室W.Drost1982年测定地下水流速流向的新式示踪探头；中国专利85107160、86104175介绍的热释光和电离室同位素示踪测量装置等。上述发明虽达到了测量地下水流速流向的要求，但在实际应用中，它们都存在测量精度不高的缺陷，而且接杆式只适用于浅井测量，且操作麻烦；各种吸附式易造成污染，对深井及井径有一定要求；中子活化，成本高，且存在防护问题；德国的新式探头，工艺复杂，造价昂贵，推广使用受到限制；热释光、电离室虽工艺简单，造价低廉，却测量数据少，周期长。而且，上述传统的各测试装置均只能测定地下水含水层均匀的孔隙流的水流方向，对于非均匀流的裂隙流水流方向却无法测定，这已成为目前世界上地下水动态参数测定的一大难题。

本发明的目地就是为了解决上述问题，提出一种可测量地下含水层裂隙流水流方向且测量精度高，自动化程度好，测量项目齐全，工艺简便，成本低廉，使用安全可靠方便的智能化单井地下水动态参数测试仪。

本发明的技术解决方案；

一种智能化单井地下水动态参数测试仪，它由整体式罩体、信号处理电路、放射性探测体及其驱动电机、磁探测器及压力传感器组成，其特征在于放射性探测体由可转动的柱体和至少三个的放射性探测器组成，各放射性探测器竖直位于柱体边缘内，且柱体和驱动电机及信号处理电路一同位于整体式罩体内，驱动电机的主轴伸入柱体中心使它们连为一体，柱体一端设有磁探测器，其另一端设有压力传感器，且磁探测器的基准线始终指向被设定为零位的放射性探测器，该零位探测器根据柱体内多个放射性探测器初次测量到的地下水流方向的最大计算值，这时驱动电机带动柱体只作正负180度的转动，就可使该零位探测器转至到地下水流方向的最大值处，作更进一步精细的调整，直至到零位探测器探测到地下水流真实的最大值方向止。各放射性探测器的输出及磁探测器和压力传感器的输出均与信号处理电路的输入相连，信号处理电路的输出通过导线接至地面计算机。

本发明首次将放射性探测器与磁探测器有机地结合在一起，利用放射性探测器确定地下水流向，并由计算机控制放射性探测的驱动电机，使放射性探测器始终动态处于测量最大值位置，故可精确地测出地下含水层裂隙流水流方向，解决了世界上至今未能解决的难题。同时本发明利用磁探测器确定所测出的地下水流向(不清楚)与大地北极之间的夹角，故探测精度大大提高。本发明结构简单，成本低，投源采用电动活塞注入，流速采用计数管测量，定向采用弱磁元件探测，动水压力采用压力传感器，所有探测器通过信号处理电路与地面计算机相连，并由其控制，故自动化程度高，测量项目齐全，测量速度快，且工艺简单，使用方便。另外，由于采用本发明的结构，使放射性同位素的投源量降低，故减少了环境污染，安全性高，可靠性好，可在水文地质领域广泛地推广应用。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的信号处理电路原理示意图。

图3是本发明中放射性探测器的柱体断面示意图。

图4是本发明中放射性探测器的另一结构柱体的断面示意图。

如图1，本发明由整体式罩体1、信号处理电路2、放射性探测体3及其驱动电机4、磁探测器5及压力传感器6组成，本发明的特点是放射性探测体3由可转动的柱体7和至少三个的放射性探测器8组成，放射性探测器8竖直位于柱体7边缘内，且柱体7和驱动电机4及信号处理电路2一同位于整体式罩体1内，驱动电机4的主轴9伸入柱体7中心使它们连为一体，柱体7一端设有磁探测器5，其另一端设有压力传感器6，且磁探测器5的基准线始终指向被设定为零位的放射性探测器8，该零位放射器8根据柱体7内多个放射性探测器8初次测量到的地下水流方向的最大计算值，使驱动电机4带动柱体7只作正负180度内的转动，即可使该零位探测器8转至地下水流的最大值处，使零位探测器8探测到地下水流真实的最大值，从而确定实际地下水流的方向。各放射性探测器8的输出及磁探测器5和压力传感器6的输出均与信号处理电路2的输入相连，信号处理电路2的输出通过导线10接至地面计算机11(如笔记本电脑)。上述放射性探测器8可选用盖革计数管，如型号为J404βγ、J402βγ、J304βγ等的计数管，也可选用闪烁计数管，如碘化钠、碘化铯、碘化钾等闪烁计数管。上述磁探测器5可选用弱磁探测器，如型号为MX100、MX1001、MX1002等弱磁探测器，也可选用磁通门式磁探测器，如高斯计、磁场探头、磁力计等，还可选用霍尔探磁元件作为磁探测器。上述压力传感器6可采用硅压阻式压力传感器，也可采用石英压力传感器或振动筒式压力传感器。

本发明的信号处理电路2如图2，它由串行A/D转换器、信号调理器、F/D变换器及中央处理器CPU组成，磁探测器5的输出通过串行A/D转换器接至CPU，压力传感器6的输出通过信号调理器和F/D变换器接至CPU，放射性探测器8的输出也通过串行A/D转换器接至CPU，放射性探测体3的驱动电机4也与CPU相连，CPU的输出通过串行接口及导线10接至地面笔记本电脑11。

本发明放射性探测体3中，其柱体7与放射性探测器8的连接可采用下述两种结构：

1、如图3，可在柱体7侧壁上竖直向内开有凹槽12，该凹槽12的内径和长度与放射性探测器8的直径和长度相吻合，该凹槽12的开口13大小，根据放射性探测器的型号，可在7-9毫米范围内选定。使得放射性探测器能准确地探测到裂隙渗流的确切位置。

2、如图4，也可在柱体7边缘竖直开有多个直径和深度与放射性探测器8直径及长度相吻合的安装孔14，一般为3-10个，它们均匀分布，用于放置多个放射性探测器8，其工作原理与前述相同。

本发明中，磁探测器5可水平安置在放射性探测体3的柱体7上端，压力探测器6可安置在柱体7的下端。

在放射性探测体3下端可连有投源器15，该投源器15由电机16、同位素容器17和活塞18组成，电机16上面与柱体7下端的放射性探测体驱动电机4相连，它们一同位于整体式罩体1内，罩体1下端与同位素容器17相连，电机16位于容器17上口，其电机轴21伸入容器17内位于其中心，电机轴21上螺纹连有活塞18，容器17内设有同位素溶液19，其下部侧壁开有多个微孔20。

本发明工作时，将本发明的测试仪放入打好的井孔水中，其井中所处位置应位于被测层的位置，其信号处理电路2引出的导线10连至井外的笔记本电脑11或其它测量仪器，当安置完毕后，可通过地面笔记本电脑11控制信号处理电路2使投源器15的电机16工作，电机轴21转动，其螺纹结构使活塞18向下移动，将容器17内的放射性同位素溶液19从容器17下部的微孔20挤出，使井中的水均匀地标记上同位素。投源结束后，信号处理电路2就控制各探测器通电工作，压力传感器6将测得的信号通过信号处理电路2处理后送至电脑11，显示出本发明装置所处的位置深度。同时放射性探测器8(如盖革计数管)开始计数。对于地下水含水层为孔隙流时，由于孔隙流是对称性分布的，则当投源器15投出的同位素溶液19均匀标记在井中水时，如果井中水是静止的，则各计数管8测量的计数是相同的，并从地面电脑11中显示出来，如果井中水流动，则流动水体的放射性同位素标记呈不均匀分布，即靠近含水层流入井内方向的计数管8测量的同位素计数就小，而靠近井内流出含水层方向的计数管8测量的同位素计数就大，这样各计数管8将测量的计数通过电脑11处理后就能将水流的方向显示出来。但该水流显示的流动方向是相对于零位计数管8的水流方向，工作人员由于在地面无法知道零位计数管8与大地磁极的相对方位，所以仍不能得知水流的实际方向，故本发明接入了高精度磁探测器5(如高精度弱磁探测器)，该磁探测器5的基准线由于始终指向零位计数管8，故磁探测器5就始终指示出零位计数管8与大地北极之间的夹角，该夹角与零位计数管8和水流之间的夹角进行叠加计算处理后，就能在电脑11中显示出孔隙水流与大地北极之间的实际流向。对于地下水含水层为裂隙流时，由于裂隙流是非对称性分布的，则放射探测器8所探测的放射性同位素最大值的位置误差较大，此时启动放射性探测体3的驱动电机4，并在地面电脑11的控制下带动柱体7作正负180度内的转动(解决动传递问题)，使被设定为零位的放射性探测器8准确找到裂隙渗流的具体位置，因为，裂隙发生渗流的具体位置就是最大值计数管被设定为零位的放射性探测器8的位置，此位置就是磁探测器5探测到的与大地北极的实际方位。这样就无需计算磁探测器5与零位放射性探测器8之间的夹角，零位放射性探测器8探测的水流方向就是磁探测器5探测到的方向，再通过信号处理电路2送至电脑11处理，就能在电脑11中显示出裂隙水流与大地北极之间的实际流向。同理可找到二级裂隙和三级裂隙，再配合磁探测器5定位，这样可确定裂隙水渗流的准确流向，精度更高。

测流速时，根据流速的大小来确定测量的次数和时间，此时各计数管8测得的计数叠加在一起作为一个计数管8的计数，由于地下水流动的速度与井内同位素溶液19的稀释速度有对应关系，故只要测得每次计数管8的计数大小和时间的对应关系就可经过电脑11处理显示出水流速度。

本发明的技术解决方案中，若本发明测试仪投入井中的深度用其它方法或仪器确定，如电缆长度标记法，或长度记数仪等，则本发明测试仪中的压力传感器6可省略。

Claims (3)

1、一种智能化单井地下水动态参数测试仪，它由整体式罩体、信号处理电路、放射性探测体及其驱动电机、磁探测器及压力传感器组成，其特征在于信号处理电路由串行A/D转换器、信号调理器、F/D变换器及中央处理器CPU组成，磁探测器的输出通过串行A/D转换器接至CPU，压力传感器的输出通过信号调理器和F/D变换器接至CPU，放射性探测器的输出通过串行A/D转换器接至CPU，放射性探测体的驱动电机与CPU相连，CPU的输出通过串行接口及导线接至地面笔记本电脑；所述放射性探测体由可转动的柱体和至少三个的放射性探测器组成，各放射性探测器竖直位于柱体边缘内，且柱体和驱动电机及信号处理电路一同位于整体式罩体内，驱动电机的主轴伸入柱体中心使它们连为一体，柱体一端设有磁探测器，其另一端设有压力传感器，且磁探测器的基准线始终指向被设定为零位的放射性探测器；放射性探测体的柱体和放射性探测器的连接或者是，在柱体侧壁上竖直向内开有凹槽，该凹槽的内径和长度与放射性探测器的直径和长度相吻合，该凹槽的开口大小在7-9毫米范围内选定，或者，在柱体边缘竖直开有多个直径和深度与放射性探测器直径及长度相吻合的安装孔，它们均匀分布，用于放置多个放射性探测器；上述磁探测器水平安置在放射性探测体的柱体上端，压力探测器安置在柱体的下端；在放射性探测体下端连有投源器，该投源器由电机、同位素容器和活塞组成，电机上面与柱体下端的放射性探测体驱动电机相连，它们一同位于整体式罩体内，罩体下端与同位素容器相连，电机位于容器上口，其电机轴伸入容器内位于其中心，电机轴上螺纹连有活塞，容器内设有同位素溶液，其下部侧壁开有多个微孔。

2、根据权利要求1所述的智能化单井地下水动态参数测试仪，其特征在于放射性探测器或选用盖革计数管，或选用闪烁计数管；磁探测器或选用弱磁探测器，或选用磁通门式磁探测器，或选用霍尔探磁元件作为磁探测器；压力传感器或采用硅压阻式压力传感器，或采用石英压力传感器或振动筒式压力传感器。

3、根据权利要求1所述的智能化单井地下水动态参数测试仪，其特征在于所述的智能化单井地下水动态参数测试仪，其特征在于所述放射性探测体的柱体边缘竖直开有的安装孔为3-10个。

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