Työraportti 2004-20

Kallion termisten ominaisuuksien reikäluotauslaitteisto TfR 0

likka Suppala

Teemu Koskinen

Ilmo Kukkonen

Syyskuu 2004

-- ~---~~~~~~~

Työraportti 2004-20

Kalliontermisten ominaisuuksien reikäluotauslaitteisto TfR 0

POSIVA OY

FIN-27160 OLKILUOTO, FINLAND

Tel +358-2-8372 31

Fax +358-2-8372 3709

likka Suppala

Teemu Koskinen

Ilmo Kukkonen

Syyskuu 2004

Työraportti 2004-20

Kalliontermisten ominaisuuksien reikäluotauslaitteisto TfR 0

likka Suppala

Teemu Koskinen

Ilmo Kukkonen

Geologian tutkimuskeskus

Syyskuu 2004

Pasivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa

tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia.

Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat

ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä

vastaa Posiva Oy:n kantaa.

KALLION TERMISTEN OMINAISUUKSIEN REIKÄLUOTAUSLAITTEISTO TERO

TIIVISTELMÄ

Raportissa esitellään uusi reikäluotauslaitteisto, jolla voidaan määrittää kallion lämmönjohtavuus ja diffusiviteetti laboratorionäytteitä laajemmista kalliotilavuuksista. Laitteella on suoritettu ensimmäiset testimittaukset Laite perustuu sylinterimäisen lämpölähteen lämpötilavasteeseen, joka riippuu lämmitystehon lisäksi ympäröivän väliaineen lämmönjohtavuudesta ja diffusiviteetistä. Reikäanturi on suunniteltu halkaisijaltaan 56 mm kairanreikiin. Anturi on rakennettu alumiiniputkesta, jonka pituus on 1630 mm ja ulkohalkaisija 50 mm. Kalvomainen lämmitin, jonka pituus on 1500 mm, on asennettu putken sisäpinnalle. Lämmitysteho on maksimissaan 20 W. 28 NTC­pintaliitostermistoria on asennettu neljään jonoon pitkin alumiiniputken sisäpintaa. Neljä elektroniikkakorteille sijoitettua termistoria monitoroi elektroniikan tuottamaa taustalämpöä. Lämmitystehoa mitataan jatkuvasti. Veden virtaus reiässä estetään pehmeiden silikonikumipakkereiden avulla. Laite on paineenkestävä 700 m syvyyteen saakka.

Ensimmäisissä GTK:n koereiässä tehdyissä testimittauksissa käytettiin lämmitysaikoina 5 ja 16.5 tuntia. Mittaustuloksia mallinnettiin sylinterimuotoisen lämpölähteen numeerisella lämmönsiirtomallilla. Tulokset ovat yhteneväiset aikaisempien in situ ja laboratoriomittausten kanssa.

Avainsanat: lämmönjohtavuus, terminen diffusiviteetti, in situ -mittaus, numeeriset mallit, ydinjätteen sijoituspaikkatutkimukset, kiteiset kivilajit, syvät poranreiät

DRILL HOLE TOOL .. TERO .. FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND DIFFUSIVITY IN SITU

ABSTRACT

This report presents a new construction of a thermal drill hole tool for measurement of thermal conducti vity and diffusi vity of the crystalline bedrock in situ and its first test results. The constructed apparatus is based on conduction of heat from a cylindrical heat source placed in the drill hole with 56 mm diameter. The down-hole probe is built of a hollow aluminium cylinder, which is 1630 mm Iong and whose outer diameter is 50 mm. A foil-like heating resistor is placed on the inner surface of the hollow cylinder. The length of the heating section of the cylinder is 1.5 m. The applied maximum heating power is 20 W. 28 NTC termistors are placed in four Iinesalong the inner surface of the aluminium cylinder. In addition four termistors are placed on the circuit boards to monitor the background heating produced by the electronics. The heating power is also monitored. Convection of water in the hole is prevented with soft silicon rubber packers. The instrument is pressure-proof up to 700 m depths in water-filled boreholes.

First test measurements were made in the test hole of Geological Survey of Finland (GTK) using heating periods of 5 and 16.5 hours at 100 m depth. The results were interpreted with numerical models of conducti ve heat transfer from a cylindrical source. Comparison of the present results with previous in situ measurements and drill core laboratory measurements are in agreement.

Key words: Thermal conductivity, diffusivity, in situ measurements, numerical models, nuclear waste disposal studies, crystalline rocks, deep borehole, site investigations

1

SISÄLLYSLUETTELO

Tiivistel mä

Abstract

Esipuhe....................................................................................... 2

1 JOHDANTO......................................................................... 3

2 REIKÄLUOTAUSLAITTEEN RAKENNE..................................... 5 2.1 ln situ -mittauksen periaate........................................... 6 2.2 Mekaaninen rakenne.................................................... 7 2.3 Lämmityskalvo ja termistorit........................................... 8 2.4 Elektroniikan toteutus................................................... 1 0 2.5 Termistoreiden kalibrointi............................................ .. 10

3 TERO -REIKÄLUOTAUSLAITTEEN TESTIMITTAUKSIA............... 13 3.1 Mittaukset syvyydellä 100m.......................................... 13 3.2 Mittausten alustava tulkinta........................................... 17 3.3 Single point -mittaus..................................................... 19 3.4 TERO-Iaitteen toiminnassa havaittu ja seikkoja.................. 21

4 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET.................................... 22

5 KIRJALLISUUSVIITTEET... ......... ............... ...... ... ......... ........... 23

LIITTEET ... ... ... ...... ... ...... ... ......... ............... ... ...... ............ ......... 24

2

Esipuhe

Työ on tehty Geologian tutkimuskeskuksessa Espoon yksikössä geofysiikan vastuualueella Posiva Oy:n tilauksesta. Tilaajan puolesta työn ohjaukseen ovat osallistuneet Heikki Hinkkanen ja Aimo Hautajärvi Posiva Oy:stä sekä Erik Johansson Saanio & Riekkola Oy:stä. Laitteen geofysikaalisesta suunnittelusta ja mallinnuksesta vastasivat llmo Kukkonen ja likka Suppala. Laitteen tekninen suunnittelu ja toteutus ovat Teemu Koskisen tekemiä.

3

1 JOHDANTO

Työ liittyy ydinjätteiden loppusijoitustutkimuksissa tarvittaviin kallion termisten ominaisuuksien tutkimuksiin. Tässä hankkeessa tehty suunnittelu- ja laiterakennustyö perustuu Posi va Oy:n toimeksiantoon "Reikäluotauslaitteen rakentaminen kallion termisten ominaisuuksien määrittämistä varten (TERO-laite )". Laite tulee osaksi mittaus- ja tulkintajärjestelmää, jolla voidaan määrittää loppusijoitustilojen suunnittelussa tarvittavia kallion lämpöteknisiä ominaisuuksia loppusijoituksen edellyttämässä mittakaavassa.

Laite perustuu aikaisemmissa Posiva Oy:n toimeksiannoissa tehtyihin tutkimuksiin lämmönjohtavuuden ja diffusiviteetin in situ -mittauksista. Aiheesta tehtiin mm. kirjallisuusselvitys ja teoreettisten mittausten simulointeja (Kukkonen ja Suppala 1999). Näistä tuloksista edettiin ensimmäisen prototyypin rakentamiseen ja sillä tehtyihin testimittauksiin (Kukkonen et al. 2000; Kukkonen et al. 2001). Ensimmäistä in situ -mittalaitetta (Kukkonen et al. 2000) käytettiin vatn Geologian tutkimuskeskuksen koereiällä. Valmistettu ensimmatnen prototyyppi oli laboratoriomittalaite, jolla testattiin mittausmenetelmän toimivuutta. Toimintaperiaate oli kuitenkin sama kuin tässä esitetyssä mittalaitteessa: lämmitetään tunnetulla lämmitysteholla pitkää (n. 1.5 m) alumiinisylinteriä, seurataan sen lämpötilaa lämmityksen aikana ja sen jälkeen ja estimoidaan tuloksista ympäröivän kallion lämmönjohtavuus ja diffusiviteetti. Anturin halkaisija oli 42 mm ja lämmitysteho maksimissaan 16.7 W m-1

. Lämmitys tapahtui putken ulkopuolisissa pitkittäisissä urissa sijaitsevien vastuslankojen avulla (6 kpl tasavälisesti eri puolilla anturiputkea). Lämpötila-antureita oli 5 kpl yhtenä jonona alumiiniputken sisäpinnalla.

Kokemukset ensimmäisestä prototyypistä (Kukkonen et al. 2000; 2001) ovat osaltaan johtaneet tässä esiteltävän uuden laitteen konstruktioon. Samalla on kehitetty mittausten tulkintamenetelmiä, ja laitteen ominaisuuksia on suunnittelussa arvioitu myös numeeristen simulointien avulla.

Uudella laitteella tullaan tekemään jo tuotantomittauksia, mikä on huomioitu laitteen suunnittelussa. Uuden TERO-laitteen rakentamiselle asetettiin tilauksessa mm. seuraavat tavoitteet:

kallion lämmönjohtavuuden ja termisen diffusiviteetin mittalaite halkaisijaltaan 56 mm kairanreikiin mittausperiaate: lämmitettävän sylinterilähteen termineo vaste anturin ulkohalkaisija 50 mm syvyysulottuvuus 700 m, moottoroitu kaapelikela mittalaitteen lämmitettävän osan pituus (ilman pakkereita) 1.5 m lämmitysteho maksimissaan 20 W, lämmitystehoa monitoroidaan lämmitys anturiputken sisäpintaan asennettavan lämmityskalvon avulla veden virtaus estetään pehmeillä kumipakkereilla ( 1-2 kpl anturin kummallakin puolella)

4

lämpötila-antureita 28 kpl eri puolilla reikäanturia single point -anturi ominaisvastuserojen avulla tapahtuvaa tarkkaa syvyyspaikannusta varten laitteen asennon määrittämiseksi siihen liitetään reikäkompassi (magneettikenttä- ja kiihtyvyysanturit)

5

2 REIKÄLUOTAUSLAITTEEN RAKENNE

Reikäluotauslaitteisto muodostuu anturista, kaapelista ja vinssistä sekä maanpinnalla olevasta PC:n avulla toimivasta ohjausyksiköstä ja teholähteestä. Kaapelivinssi sekä kaapeli hankittiin saksalaiselta Logln GmbH:lta, ja ne edustavat tavanomaista geofysikaalista reikäluotauskalustoa. Kaapelina on 700 m pitkä teräskuorineo 4-johtimellinen standardiluotauskaapeli. Moottoroitua (2.2 kW) vinssiä ohjataan erillisestä ohjauspaneelista, ja vinssisysteemissä on huomioitu mahdollisuus mittauksen automatisointiin. PC lukee vinssiltä syvyystiedon ja ohjausyksikön avulla reikäanturilta lämpötilasensoreiden vastukset, lämmitysvirran ja syöttöjännitteen sekä single point -anturien vastuksen, jatkossa myös reikäkompassin tiedot. Järjestelmään kuuluu myös erillinen taittopyörä.

Heating cylinder and temperature sensors

Kuva 1. TERO-laitteiston periaatekuva.

Kuva 2. TERO-laite GTK:n testireiällä, edessä vinssin ohjauspanee Li.

Kuvassa 1 esitetään reikäluotauslaitteisto on kolmi j aikainen taittopyörä.

6

TERO-laitteiston periaatekuva. Kuvassa 2 TERO­GTK:n testireiällä. Maaputken ja reiän päällä on

2.1 ln situ -mittauksen periaate

Tarkastellaan tilannetta, missä in situ -anturi sijaitsee kairanreiässä, jossa lämpötila on stationäärisessä tilassa. Kun anturia lämmitetään, sen lämpötila ajan funktiona riippuu lämmitystehosta, ympäröivän väliaineen lämmönjohtavuudesta, diffusiviteetistä (tai lämpökapasiteetista) ja anturin ja kallion välisen vesikerroksen paksuudesta. Lämpötila riippuu myös anturin rakenteesta ja anturin materiaalien ominaisuuksista. Anturin vaikutus huomioidaan aikariippuvan lämmönjohtumistehtävän ratkaisussa mallin kiinnitettyinä parametreina. Lämmönjohtumistehtävän estimoitaviksi parametreiksi jäävät ympäröivän väliaineen ominaisuudet. Kairanreiässä anturia ympäröi (yleensä) vesikerros, ja reiän kaliperin vaihdellessa vesikerroksen paksuus vaihtelee. Tulkinnassa vesikerroksen (tai ilmakerroksen) vaikutus on huomioitava.

Lämmönjohtumista kuvaava lineaarinen yhtälö lausuttuna paikasta r (paikkavektori suorakulmaisessa koordinaatistossa) ja ajasta t riippuvalle lämpötilalle T(r,t) on seuraavanlainen (esim. Carslaw and Jaeger 1959, Jarny et al. 1991):

dT(r, t) p c(r) =V ·(J,.(r) VT(r, t) + g(r, t).

dt (2.1)

Yhtälössä .A.:lla on merkitty lämmönjohtavuutta tensorina [W m-1 K-1] , pc on lämpökapasiteetti (tiheysxominaislämpö) [J m-3 K-1

] ja g on lämpölähteen teho [W m-3].

Lämmönjohtavuuden ja lämpökapasiteetin suhde on terminen diffusiviteetti s = A/pc.

Kun homogeenisessa kokoavaruudessa on äärettömän hyvin lämpöä johtava äärettömän pitkä sylinteri, voidaan tämän sylinterin lämmönnousu esittää analyyttisenä ratkaisuna (Carslaw and Jaeger 1959). Analyyttistä ratkaisua hyödynnettiin menetelmän ensimmäisissä tarkasteluissa ja mittausten tulkinnoissa (Kukkonen ja Suppala 1999; Kukkonen et al. 2000). Analyyttinen ratkaisu ei ole kuitenkaan riittävä johtavuudeltaan ja dimensioiltaan äärellisen sylinterilähteen mallintamiseen, eikä sillä voida tyydyttävällä tavalla käsitellä kontaktiresistanssia anturin ja kallion välillä. Sen vuoksi tässä työssä on mittausten mallintamiseen käytetty numeerista (finite element) menetelmää FEMLAB ® -ohjelmistolla. Malleina on käytetty sylinterisymmetristä äärettömän pitkää anturia ( 1-D -elementti verkko) tai äärellistä sylinterisymmetristä anturia (2-D -elementtiverkko).

Yhtälön 2.1 numeerisen ratkaisun avulla lasketaan tulkinnan ns. suora tehtävä. Tuntemattomat kallion lämmönjohtavuus ja diffusiviteetti sekä näiden lisäksi

7

kontaktiresistanssi tai vesikerroksen paksuus estimoidaan minimoimaHa pienimmän neliösumman menetelmällä anturin mitattujen lämpötilojen ja mallinnettujen lämpötilojen eroja. Edellisissä raporteissa (Kukkonen ja Suppala 1999; Kukkonen et al. 2000; 2001) on käsitelty tulkintatehtävää tarkemmin. Mallinousten ja niiden herkkyystarkastelun perusteella tiedetään, että lämmönjohtavuus saadaan määritettyä parhaiten (maks. 2 % virheellä) ja diffusiviteetti hieman huonommin (n. 5 % virheellä), mikäli lämpötilamittausten virhe on alle 0.03 K (Kukkonen et al. 2001). Diffusiviteetillä ja lämpökapasiteetilla on voimakas korrelaatio kontaktiresistanssin eli vesikerroksen paksuuden kanssa. Toisin sanoen anturin ja kallion väliin jäävä vesikerroksen paksuus on tunnettava diffusiviteetin luotettavaa määritystä varten.

Mittaus tapahtuu laskemalla anturi kairanreiässä haluttuun syvyyteen. Anturin lämpötilojen tasoittuminen ympäristön lämpötilaan (stationääriseen tilaan) vaatii noin tunnin. Lämmitysaika voidaan valita vapaasti, ja sen pidentäminen kasvattaa mittauksen vaikutustilavuutta. Teoreettiset tarkastelut osoittivat (Kukkonen ja Suppala 1999), että esim. 12 tunnin lämmitys nostaa kallion lämpötilaa vasta noin 0.5 m etäisyydelle reiästä. Sen vuoksi TERO-laitteistossa on varauduttu pitkiin 6-16 tunnin lämmitysjaksoihin. Lämpötila rekisteröidään sekä anturin asettumisen, anturin lämmityksen että anturin jäähtymisen aikana. Siten yhden pisteen mittaustapahtuma kestää 12-24 tuntia. Tulkinnassa huomioidaan vain lämpötilan nousu ja lämpenemisen jälkeinen jäähtyminen suhteessa alkutilaan. Tärkeimmät lämpötilalukemat saadaan pitkän anturin keskeltä, jossa approksimaatio äärettömän pitkästä anturista on pisimpään toimiva.

2.2 Anturin mekaaninen rakenne

Reikäanturi on esitetty kuvassa 3, ja yksityiskohtaiset rakennepiirrokset ovat liitteissä 1-12. Alumiiniputken sisään on sijoitettu lämmitysvastukset ja termistorit. Valkoiset muoviosat ovat Ertacetal -polyasetaalia (POM). Elektroniikkakortit sijaitsevat yläpään muoviputkessa. Rakennetta on kuvattu tarkemmin liitteen 1 kokoonpanokuvassa. Reikäanturi on mitoitettu kestämään vesipainetta 700 m asti. Mittauksen aikainen veden virtaus estetään molempiin päihin sijoitetuilla pehmeillä kumipakkereilla, jotka ovat PRG-Tee Oy:n valmistamia (kuva 4 ).

Anturin alumiiniputken ulkohalkaisija on 50 mm, sisähalkaisija 40 mm. Reikäanturin poikkileikkaus on esitetty kuvassa 5. Putken alumiiniseoksen lämmönjohtavuus on metallin toimittajan mukaan 201 [W m-1 K-1] ja lämpökapasiteetti 2432700 [J m-3 K-1

].

Muovin lämmönjohtavuudeksi on valmistaja ilmoittanut 0.31 [W m-1 K-1].

Mittausanturin syvyyspaikannusta varten laitteeseen on liitetty single point -vastusmittausanturi. Vastusmittauksen virtaelektrodina toimii teräksinen lisäpainojen kiinnittämiseen käytettävä korvake alapään pakkereiden alapuolella. Pakkereiden aiheuttaman kitkan vuoksi laitteen laskeminen reikään tapahtuu hitaasti ja anturin alapäähän ripustetaan 20 kg :n lyijypaino lisäämään anturin painoa reiässä.

8

1630

1500

Heating foi Probetubej

Single point sensor

---=:----!1- ~ - -~··,_ =- . - . '·' ~--;" .-- -.~ -- · _ --~ __ ..., :.....~.:.:.._~{\-':. -·.2 ~ ·= .. ~---: ... ~ : . -- \ -~~t.~--'

Kuva 3. Yllä reikäluotausanturin mitat ja osat, alla rakennettu reikäluotausanturi sekä yksi putken sisään asennettava 1.5 m pitkä lämmitys- ja anturikalvo termistoreineen. Kaapelipääte kytketään vasemmalle, ja oikealle reikäluotausanturin alapäähän lisätään tarvittavat painot. Single point -anturi on alapään pakkereiden alapuolella.

Kuva 4. Pehmeät kumipakkerit anturin alapäästä (PRG-Tec Oy). Pronssiset ruuvit vasemmalla ( 4 kpl) keskistävät anturiputkea reiässä.

2.3 Lämmityskalvo ja termistorit

Reikäanturia lämmitetään kahdella ohuella alumiiniputken sisäpintaan levittäytyvällä lämmitinkalvolla, joilla saadaan aikaan putken homogeeninen lämpiäminen. Lämmitin ja tennistorit johtimineen on asennettu yhteen. Kuvassa 3 on toinen putken sisään asennettavista lämmitys- ja anturikalvoista termistoreineen. Kalvot on valmistanut ruotsalainen Calesco Foil Ab. Kuvan 3 kaivoja tilattiin 10 kpl, joista osaan termistorit asennettiin valmiiksi jo Ruotsissa. Termistorit ovat BCcomponents:n NTC­pintaliitostermistoreita (tyyppinro. 2322615131 03). Termistoreiden nimellisvastus 25

9

oc lämpötilassa on 10000 Q. Pitkin alumiiniputkea termistoreita on neljässä jonossa yhteensä 28 kpl. Lisäksi kussakin piirilevymodulissa ( 4 kpl) on yksi termistori seuraamassa elektroniikan lämpötilaa.

Kuvassa 5 on esitetty reikäanturin poikkileikkauskuva. Kalvot puristetaan paineisella pyörän sisäkumista tehdyllä putkella alumiiniputken sisäpintaan kiinni. Sisäkumi on noin kalvojen pituinen. Lämmityskaivoja ei liimata alumiiniputkeen kiinni. Siten lämmitys- ja anturikalvot ovat vaihdettavissa ja uudelleen kalibroitavissa.

AJ-put . 50x5 mm

50.0

40.0

Lämmityskalvo

Kuva 5. Reikäanturin poikkileikkaus: alumiiniputki, lämmityskalvo ja anturikalvo.

Kuva 6. Messinkinen lämmityskalvo (alla) ja anturikalvo termistoreineen kuvattuna kalvojen yläpäästä.

Kuvassa 6 on esitetty kalvosysteemin yläpää. Lämmityskalvon muodostaa eristekalvojen välissä kiertävä ohut messinkinen lämmitysjohdin. Anturikalvo muodostuu eristekalvojen välissä kulkevista kuparijohtimista, jotka yhdistävät piirilevyn liittimet termistoreihin, sekä varsinatststa pintaliitostermistoreista. Eristekalvot ovat 0.075 mm paksua polyesteriä. Yksityiskohtaisemmin anturikalvon

10

yläpäätä ja termistoriliitäntää on kuvattu liitteessä 13. Lämmityskalvon periaatekuvia on esitetty liitteissä 14 ja 15.

Lämmityskalvojen resistanssi on yhteensä no1n 100 .0. Lämmitettäessä kalvojen resistanssi hieman kasvaa (0.145 .Q/K). Lämpötilariippuvuuden vaikutus lämmitystehoon on alle 1 %, kun lämmityskalvon lämpötila kasvaa alle 7 K. Sen vaikutus tulkintatulokseen on pieni, eikä sitä ole tässä vaiheessa otettu huomioon.

2.4 Elektroniikan toteutus

Anturiputkessa olevan elektroniikan lohkokaavio on esitetty liitteessä 16. Kaaviossa on esitetty myös 3-komponenttimagnetometrin ja 2-komponenttikiihtyvyysanturin ohjauselektroniikan periaatekuva ja kytkentä sekä single point -anturin kytkentä. Termistoriantureiden johdotus on esitetty liitteessä 17.

Maanpinnalla on ohjaustietokone ja ohjausyksikköön sijoitetut modeemi, käyttöjännite­ja lämmityssähköteholähteet. Ohjausyksikön elektroniikan lohkokaavio on esitetty liitteessä 18. Tällä hetkellä lämmityssähkölle syöttöjännite asetetaan esim. 100 V:ksi, ja jännitettä ja virtaa kaapelissa ja lämmitysvastuksissa mitataan. Molempia rekisteröidään automaattisesti. Luotauskaapelin resistanssi on n. 57 .Q.

2.5 Termistoreiden kalibrointi

Termistorit kalibroitiin lämmityskalvoille asennettuina. Molemmat kalvot termistoreineen olivat spiraalimaisesti rollalla pienen muovista ja alumiinista kootun renkaan sisällä. Rengas sijoitettiin onttoon puristetusta suolasta (NaCl) valmistetun kuution sisään, jonka koko oli 18x18x15 cm2 ja alkuperäinen paino 10 kg. Lasinen elohopealämpömittari seisoi renkaan akselilla. Mittarin elohopeasäiliö tukeutui kuparitappiin, joka oli renkaan keskellä. Tyhjä tila täytettiin irtosuolalla. Osin styroksilla eristetty suolakuutio asetettiin koestuskaappiin, jossa videokamera seurasi styroksista osittain esiin pistävän lämpömittarin lukemaa (kuva 7).

Koestuskaapin sisälämpötila pidettiin vakiona. Termostaatin ohjaaman lämmityksen tai jäähdytyksen vaikutuksen saattoi nähdä suolan ulkopuolella olevissa kalibroimattomien termistoreiden vastusarvoissa säännöllisinä jaksollisina vaihteluina, mutta ei enää suolan ja eristeen sisällä olevissa termistoreissa.

Käytetyn elohopealämpömittarin asteikon jakoväli oli 0.1 °C. Lukema arvioitiin videokuvasta 0.02 oc lukematarkkuudella. Vastaavina vastusarvoina käytettiin keskiarvoa n. 30 peräkkäisestä vastuslukemasta (lukema väli 10 sek). Kalibrointi suoritettiin kahdelle termistorikalvoparille. Ensimmäisen parin kalibroinnissa lämpötilat olivat 2.02, 6.4, 8.67, 11.28, 18.22 ja 25.6 °C. Toisen termistorikalvoparin 8 kalibrointilämpötilaa ja lasketut kalibrointikäyrät näkyvät kuvassa 8. Termistonen

11

mitatun jännite-eron luonnollisen logaritmin ja lämpötilan välinen riippuvuus on lähes lineaarista.

Kuva 7. Termistorikalvojen kalibrointi koestuskaapin sisällä. Kalvot ovat renkaan ja suolakuution sisällä. Renkaan keskellä on elohopealämpömittari, jota luetaan videokameran avulla. Kuution tyhjä tila täytettiin irtosuolalla ja kuutiota lisäeristettiin styroksilla.

Termistonen lämpötilalukemat Ti :t muodostetaan kolmannen asteen polynomeina jännite-eron luonnollisesta logaritmista: Ti(U) = ai + bi ln(U) + ei ln(U)2 + di ln(U)3

.

Lukuunottamatta yhtä ensimmäiseksi kalibroidun kalvoparin termistoria sovitukset olivat yhtä hyvät. Poikkeavana termistorilla sovituksen virhe oli moninkertainen muihin verrattuna, mikä johtunee termistorien laatuvaihtelusta. Sovitusten absoluuttisen virheen mediaani oli n. 0.01 K molemmissa kalibroinneissa. Esimerkiksi ensimmäisessä kalibroinnissa kaikkien termistoreiden 20 peräkkäisen n. 10 sekunnin välein mitatun jännite-eron hajontojen mediaani kuvautuu malleilla ±0.001 :ksi K, maksimihajonta ±0.003 :ksi K.

12

30~----~------~------~----~------~------~----~

25 " ~ ,

.~. :::: - - - - - - - - - - .- - - - - - - - - - - - - - - - '- - - - - - - - 25.56 - - - -

~' 0 20 - - - - - - - - - - ' -~, ~ ~ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -20.46 - - - -

0

0~----~------~------~----~------~------~----~ 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55

Potential difference, V

Kuva 8. Kalvoille asennettujen termistorien kalibrointikäyrät ja kalibrointilämpötilat (toinen käytetty kalvopari ).

Polynomisovituksen virhe syntyy lähinnä elohopeamittarin lukemavirheestä (vähintään ±0.01 °C). Kalibrointi on riittävän tarkkaa, jotta saavutetaan johtavuuden estimoinoissa alle 2 %virhe ja diffusiviteetissä alle 5 % virhe.

13

3 TERO -REIKÄLUOTAUSLAITTEEN TESTIMITTAUKSET

3.1 Mittaukset syvyydellä 100 m

TERO-laitteistoa testattiin GTK:n koereiässä tehdyillä mittauksilla. Reikämittausten tavoitteena oli todeta laitteiston mekaaninen ja elektroninen toimivuus. Varsinainen geofysikaalinen testaus ja termisten ominaisuuksien laajempi määrittäminen eivät kuuluneet tämän työn piiriin. Mittauksista tehtiin kuitenkin alustavat tulkinnat. GTK:n testireikä on 302 m syvä, halkaisijaltaan 56 mm:n kairareikä. Reikä lävistää graniittia, graniittigneissiä, kiillegneissiä ja sarvivälkegneissiä (ks. Kukkonen et al. 2000).

2 ~ ........................... , ............................ c ........ ~~~~, ... ±240 mm - ·- ·· 2, +480 mm

±480 mm - ·- ·· 3, +240 mm , .......... , .................... 1 -- 4, center

~- 1.2 ·;::

~ .a 1 ~ Q) Q.

E 0.8 Q)

1--

0.6

0.4 ................ ..... . .

0.2 . .. ........... ... . ...... ,,.,, ....................... ................ .. . .

0 ....... .. ..... .... . 0 0.5 1.5

Time, s

......... 5,-240 mm ... · 7, -720 mm

--- model (1 ... 7) - 12, center

·· ±720 mm ...... - 20, center - 28, center

·········· ··· ····!·· .................... ... .... ... .. .

2 2.5 3

1 •

2 •

3 •

4 •• 12 (20) (28)

5 •

6 •

7 •

Kuva 9. Mittaus 100 m syvyydellä 5 tunnin lämmityksellä (21.01.2004 ). Kuvassa on tuloksia keskimmiiisiltä tennistoreilta ( 4, 12, 20, 28) sekä tennistori 4:n ylä- ja alapuolella sijaitsevien tennistori en lukemia ( anturit 2, 3, 5, 7, jotka sijaitsevat 240, 480 ja 720 mm etäisyydellä keskeltä, + tarkoittaa keskikohdan yläpuolella, -alapuolella). Anturien numerointi on kuvattu kaaviokuvassa oikealla sekä liitteessä 14. Kaaviokuvassa suluissa olevat anturinumerot viittaavat toiseen anturikalvoon. Katkoviivalla on esitetty teoreettisella äärellisen anturin mallilla saatavia vastaavia lämpötiloja. Tulkintamalli (model) on selitty tekstissä.

14

TERO-laitteistolla tehtiin mittauksia reikäsyvyydellä 100 m, jossa kallio on graniittigneissiä ja lämpötilagradientti on hyvin pieni. Ensimmäisellä termistorikalvoparilla suoritettiin syvyydellä 100m kaksi testimittausta, 5 tunnin ja 16.5 tunnin lämmitysaikoja käyttäen. Mittausten välillä laitetta nostettiin n. 65 m:iin neljän tunnin ajaksi, ja laskettiin takaisin. Mittausanturi ei (todennäköisesti) ole ollut täsmälleen samassa paikassa ja samassa asennossa näissä kahdessa mittauksessa. Mittauksissa oli käytössä uusi stabiili virtalähde. Syvyydellä 100 m oli aluksi mitattu myös toisella virtalähteenä yhden tunnin lämmityksellä, mutta virtalähde havaittiin epästabiiliksi ja vaihdettiin.

Mitattuja tuloksia 5 tunnin lämmityksellä on esitetty kuvissa 9 Ja 10. Termistorikytkennöiltä mitatut jännitearvot on muunnettu lämpötiloiksi käyttäen termistorien kalibroinnissa määritettyjen kalibrointikertoimien keskiarvoja (käytännössä keskimääräinen kalibrointikäyrä kuvasta 8). Lämpötilat on asetettu samoiksi alkaen lämmityksen alkuhetkestä. Toisin sanoen, tuloksina esitetään vain suhteellisia lämpötilaeroja. Mittaustuloksissa näkyvät piikit kuvassa 9 johtuvat todennäköisesti sähköhitsauksesta reiän läheisyydessä.

Mittaustulokset osoittavat, että laitteisto toimii odotetulla tavalla. Kuvissa 9 ja 10 on esitetty myös teoreettisella mallilla (äärellinen sylinteri kuvasta 3) laskettuja lämpötilavasteita vertailuksi. Kalvoparin kalibroinnista ja antureiden yksilöllisistä eroista johtuen tulokset eivät ole vielä täsmälleen teoreettisen mallin mukaisia. Mittauspisteen geologisesta homogeenisuudesta ei ole myöskään varmuutta. Single point -mittaus tehtiin näiden testimittausten jälkeen, ja se osoittaa kallion jonkinlaista epähomogeenisuutta (rakoilua) mittaussyvyydessä (kuva 14). Termisten ominaisuuksien heterogeenisuus voi aiheuttaa pieniä poikkeamia tuloksiin. Termistonen väliset erot voivat kertoa myös niiden termistenkontaktien (termistorianturi-alumiini) vaihteluista.

Q)­(/) ·c

~

15

2.05

2 , . '"'" ,, ., :;r:::::,::::J;;;::;;;r;;;;~;;· . ±240 mm= !: ~~!~~~ ~lr"t-1!~ 3 ~- • , ········· 5,-240 mm

..... , ········· 7,-720 mm .... . ...... ; ........ ...... . _ ........................... --- model (1 .. . 7)

- 12, center ::::J 1U 1.95 :·

- 20, center (i) a.

- 28, center E Q)

1--

1.9 .: ...

1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 Time, s X 10

4

1 •

2 •

3 •

4 •• 12 (20) (28)

5 • 1 . 6 • 1

Kuva 10. Mittaus JOO m syvyydellä 5 tunnin lämmityksellä (21.01 .2004), suurennos kuvasta 9 lämmityksen loppuessa. Numerointi on kuvattu kaaviokuvassa oikealla sekä liitteessä 14. Kaaviossa suluissa olevat anturinumerot viittaavat toiseen anturikalvoon. Katkoviivalla on esitetty teoreettisella äärellisellä anturilla saatavia vastaavia lämpötiloja (:t 240 ja :t480 mm). Malli on selitty tekstissä.

Kuvien 9 ja 10 tulokset ovat tyypillisiä ensimmäiselle kalvoparille: Termistorianturijonon 1-7 ensimmäinen (yläpäässä) ja viimeinen (alapäässä) sijaitsevat 720 mm etäisyydellä reikäanturin keskipisteestä (numerointi kuvissa 9 ja 10 sekä liitteessä 14). Viimeisen anturin (7) lukemat on esitetty kuvassa 9. Yläpään anturi (1) toimi, mutta sen kohinataso oli satakertainen kuvan kohinatasoihin verrattuna, joten lukemia ei ole piirretty. Keskipisteestä 480 mm päässä sijaitsevista antureista alempi anturi (6) ei toiminut (murtuma anturikalvolla), ylemmän tulokset (2) ovat kuvissa 9 ja 10. Keskimmäisestä anturista 240 mm:n päässä sijaitsevat anturit (3 ja 5) toimivat.

Keskimmäisten anturien ( 4, 12,20,28) lämpötiloissa havaittiin eroja ( <0.03 K) (kuvat 9 ja 10), jotka voivat johtua anturien kalibroinnista, reikäanturin epäkeskisestä asennosta reiässä tai termistorien kontaktieroista alumiiniputken kanssa. Koska samanlaiset poikkeamat havaittiin myös toisessa (16.5 tunnin) mittauksessa, kyseessä ei liene epäkeskisyys. Kalibrointi voi olla osatekijä, mutta tässä vaiheessa epäillään anturien ja

16

alumiinin välisiä kontakteja. Tätä tukee se, että eri mittauksissa samojen termistorien lämpiäminen oli samanlaista lämmityksien alussa, jolloin kontakti vaikuttaa eniten .

. . . . . . . . . ~. . . . . . . . . . . . . ..... ....... ~ . . . . . . . . . . . . . . . ......... · ...... . .. . 17 •

18 •

19 •

20 •• 28

21 •

22 •

23 •

19 20 .

2 3 4 5 6 Time, s

Kuva 11. Mittaus JOO m syvyydellä 5 tunnin lämmityksellä (13.02.2004). Mittaukset on suoritettu eri tennistorikalvoparilla kuin edelliset tulokset (kuvissa 8 ja 9). Tulokset ovat tennistoreilta 18-23 (kaaviokuva oikealla ja liite 14 ). Lämmityksen jälkeen tennistareiden lämpötilat asettuvat suuruusjärjestykseen ylhäältä alas.

Kuvassa 11 on esitetty toisella kalvoparilla saatuja tuloksia 100 m syvyydestä. Termistonen kalibrointi onnistui ensimmäistä kalibrointia paremmin. Vastaavat termistorien kalibrointikäyrät on esitetty kuvassa 8. Kuvan 11 tuloksista näkyy myös elektroniikan aiheuttaman lämpenemisen vaikutus. Lämmityksen jälkeen putken yläosa on korkeammassa lämpötilassa kuin alaosa. Kuitenkin lämmityksen aikana lähempänä elektroniikkaa sijaitseva termistori 18 on matalammassa lämpötilassa kuin putken alaosassa sijaitseva 22. Sama ilmiö on havaittavissa myös muilla termistorijonoilla, joten kyseessä ei ole satunnainen tekninen ilmiö. Havainto voi olla viite siitä, että mittauspaikan lämmönjohtavuus ei ole homogeeninen, vaan lämmönjohtavuus on korkeampi anturiputken yläosan kuin sen alaosan kohdalla.

17

3.2 Mittausten alustava tulkinta

Testimittauksista estimoitiin lämmönjohtavuutta, diffusiviteettia sekä vesikerroksen paksuutta (reiän sädettä) keskimmäisten antureiden lukemista. Mallina oli äärettömän pitkä anturi. 1-D sylinterisymmetrisessä mallissa simuloidaan putken sisäosa (-ilmaa), lämpiävä alumiiniputki, ympäröivä vesikerros ja kallio. Taulukossa 1 on esitetty mallin kiinteät sekä estimoitavat parametrit Uohtavuus, diffusiviteetti ja reiän säde). Tulkinta on tehty 1, 1.5 ja 2 tunnin mittausajoilla 5 ja 16.5 tuntia kestäneistä lämrnityksistä. Kuvassa 12 on esitetty estimoituja johtavuuksia ja diffusiviteettejä. A:lla merkityt mittaukset on tehty 21.01.2004, B:llä merkityt 21.-22.01.2004.

Tulkinnassa saadut reiän säteen arvot ovat systemaattisesti yli 29 mm, mutta keskenään ne vaihtelevat alle 0.7 mm. Tämä viittaa toisaalta siihen, että reikähalkaisija olisi mittauspisteessä yli 2 mm suurempi kuin nimellishalkaisija 56 mm. Reiästä ei ole kaliperimittausta käytettävissä, joten tätä seikkaa ei voi varmistaa. Toisaalta kyseessä voi olla lämpötila-anturien kontaktiresistanssien vaikutus. Tulkintamalli ei huomioi terrnistorien ja alumiinin välistä kontaktiresistanssia, ja jos sellainen on olemassa, sen vaikutus kasvattaa tulkinnassa alumiiniputken ulkopuolella olevan vesikerroksen paksuutta. Tämä seikka selviää myöhemmissä laitteen testimittauksissa.

Taulukko 1. 1-D sylinterisymmetrisen mallin parametrit: äärettömän pitkä anturi ja reikä homogeenisessa kokoavaruudessa (vrt. kaava 2.1). Estimoitavat parametrit ovat kursiivilla.

materiaali ilma alumiini ves1 kallio etäisyysväli [mm] 0- 19.9 19.9-25 25- rreikä rreikä - ääretön

'A [W m-1 K-1] 0.05 201 0.6 A kallio

pc [J m-3 K-1] 7620 2432700 4195804 fJCkallio

g [W m-J] 0 Mitattu 0 0

--9- A 4 3.75 -B- A 12

q 3.70 -A- A 20 E 4-- A28

..._., -o- B 4 ~ 3.65 -D- B 12

-l::s- B 20 : :

1::: ....... 628 ·.·.··········~········ 3.45 ··················-

0 2000 4000 6000 8000 Time of measurement, s

~ ~ --9- A 4 29.8 -B- A 12

E -A- A20 E 29.6 4-- A 28

·········~· ·······

~::: · ! 1~1 ...•.•.•... ~········ ~

~ 28.8

a::: 28 6 ................. ! ......... ....... .......... . .

0 2000 4000 6000 8000 Time of measurement, s

18

X 10-6

1.9 --9- A 4 -B- A 12

1.8 -A- A20 4-- A 28

~ -0- 84 NE 1.7 -D- B 12 -l::s- B 20

~ 1.6 B 28 > ·u; :E 1.5 i:5

1.4 i :

1.3 ··················- ................ : .. ..... ...... ......... .

0 2000 4000 6000 8000 Time of measurement, s

Kuva 12. Estimoituja lämmönjohtavuuksia ja diffusiviteettejä kokeen kestaajan funktiona. A:lla on merkitty tuloksia mittauksesta 21.01.2004, B:llä tuloksia mittauksesta 22.-23.01.2004. Tulkinnassa käytettiin anturin keskellä olevien antureiden lämpötiloja. Mallina on äärettömän pitkä sylinteri.

Tarkastellaan lähemmin kahden tunnin mittausten tulkintaa. Mittauksesta 21.01.2004 saatiin lämmönjohtavuus 3.545 - 3.601 [W m-1 K-1

] ja diffusiviteetti vastaavasti 1.63 -1.53 [10-6 m2 s-1

]. Mittauksessa 22.-23.01. 2004 estimoitiin lämmönjohtavuudeksi 3.593 - 3.609 [W m-1 K-1

] ja diffusiviteetiksi 1.67 - 1.49 [10-6 m2 s-1]. Tarkasteltaessa

yksittäisten mittaussarjojen tulkintatuloksia näkyy, että sekä estimoitu diffusiviteetti että johtavuus kasvavat lämmitysaikojen kasvaessa. Tämä johtuu kontaktiresistanssin vaikutuksesta tulkintaan. Samasta syystä eri mittaussarjojen välillä on tuloksissa eroja siten, että korkeat diffusiviteetit liittyvät mataliin johtavuusarvoihin ja kääntäen. Lämmitysajan kasvaessa voidaan odottaa tulosten konvergoivan lopullisiin arvoihinsa. Tulos osoittaa kontaktiresistanssikerroksen suurta merkitystä tulkintaan. Tulokset ovat hyvässä sopusoinnussa aiempien mittausten kanssa, jolloin ensimmäisen prototy(,pin mittauksesta syvyydellä 95 m estimoitiin lämmönjohtavuudeksi 3.67 [W m-1 K- ] ja diffusiviteetiksi 1.65 [10-6 m2 s-1

] (Kukkonen et al. 2001). Nyt tulkitun johtavuuden

19

vaihtelu ei ylitä 2 %:a eikä diffusiviteetin vastaavasti 10 %:a. Yllä olevissa tulkinnoissa lämmitysteho on ollut vakio (keskimääräinen virta2 x lämmitysvastuksen resistanssi).

Edellä kuvissa 9 ja 10 esitetyt teoreettiset lämpötilavasteet on saatu taulukon 1 tuloksista poiketen äärellisellä mallilla, jonka parametreina on käytetty yllä olevista tulkintatuloksista (kuva 12) A 4:llä merkittyjä arvoja. Äärellisen mallin rakenne radiaaliseen suuntaan on taulukon 1 mukainen. Lämmitettävä osa alumiiniputkesta on 1.5 m, lämmittämätöntä osaa on molemmissa päissä 0.065 m, jonka jälkeen reikäanturi jatkuu muovisena (yksinkertaistettu kuvista 3 ja 5 sekä liitteestä 1).

Mittauksissa havaittiin myös, ettei vakiovirtalähde ollut aivan vakio. 21.01.2004 mitattu lämmitysvirran voimakkuus laski 0.470 A:sta 0.466 A:iin ja vakiojännitteeksi asetettu jännite nousi 99.8 V:sta 101.1 V:iin. Lämmitysanturien vastus on n. 100 Q, joka lämmetessään hieman kasvaa. Teho laskettiin keskimääräisen virran ja jännitteen sekä mitatun kaapelin resistanssin avulla (laveDave -2 Iave2 Rkaapeli). Mitattaessa systemaattisesti lämmitysvirtaa ja jännitettä tehon ajallinen vaihtelu voidaan myös automaattisesti ottaa numeerisissa malleissa huomioon.

Malli kuvaa hyvin kyseisen" A 4" -anturin lämpötilavastetta. Tämän anturin yläpuolella oleva anturi (3) näyttää myös seuraavan vastaavaa teoreettista äärellisen sylinterin lämpötilavastetta. TER 0-reikäanturin pitkäaikaisen käyttäytymisen kuvaaminen oikealla mallilla vaatii vielä lisämittauksia ja tulkintaa.

3.3 Single point -mittaus

Kuvassa 13 on esitetty TERO-laitteistolla suoritettavan single point -mittauksen periaate. Kuvassa 14 esitetään TERO-laitteen single point -mittaus (19.2.2004) sekä vertailuksi galvaaninen luotaus Otaniemen koereiässä vuodelta 1987. Single point -mittauksessa näkyvät samat piirteet kuin galvaanisessa lyhyt normaali -luotauksessa. Single point -mittaus tehtiin 31 Hz vaihtovirralla: huippujännitteeksi oli asetettu ±10 V, virran voimakkuus mitattiin. Toinen virtaelektrodi oli kytketty maaputkeen. Syvyyslukemat luettiin vinssiltä. Mitattu virranvoimakkuus on muunnettu vastukseksi.

1

/ /

1 1 1 1

1 1

1 1

1 1

20

Kuva 13. Single point -mittauksen periaatekuva, toinen elektrodi on kytketty maaputkeen.

E 80

..c 100 +-' c.. Q)

0 120

140

160

180

200 10°

. . . . ....... ... -. . . .. ·. . . . . . . .. ~- ... : .. .. f

......... ...... .. : . . .......... :. . . . ... l. ..... ~ ..... j . . . . . . . : .... : .. ~ TERO single-point

NORMA sho~ n~rm~l , :. . .L

101

TERO resistance, 1<0; 10

2

NORMA resistivity, o m

Kuva 14. TERO-laitteen single point -mittaus GTK:n testireiässä (punaisella) 19.2.2004. Sininen katkoviiva kuvaa lyhyt normaali -elektrodijärjestelmällä ( a=0.6 m) mitattua galvaanista luotausta (Kukkonen et al. 2000 ).

21

3.4 TERO-Iaitteiston toiminnassa havaittuja seikkoja

TERO-laitteiston testausvaiheessa havaittiin pieniä puutteita ja ongelmia, jotka on voitu ottaa huomioon vasta käytännön testien jälkeen. Tällaisia olivat mm. vuotava kaapelipääte, joka korjattiin. Termistoreista osa sammui, koska toistuvan anturin sisäosien purkamisen ja kokoamisen vuoksi hauras vastuskalvo murtui. Nyt termistorien anturikorvakkeet on teipattu kiinni kaivoon.

Tärkeä havainto oli, että konstruktiossa ensimmäiseksi käytetty teholähde ei pysynyt riittävän vakaana, vaan syöttövirta vaihteli muutaman prosentin. Tämä on korjattu vaihtamalla teholähde ja monitoroimalla syöttövirtaa ja jännitettä. Numeerisessa mallissa voidaan käyttää myös ajallisesti vaihtelevaa teholähdettä.

Reikäanturin termineo tasoittuminen reiässä mittauspisteen lämpötilaan on tärkeä vaihe, jotta anturin lähtötilanne on riittävän stabiili tulkintaa varten. Tähän tarvitaan noin Y2- 1 h aika. Tasoittumisen aikana havaittiin myös sellainen seikka, että lämpötila-antureiden elektroniikka, joka on sijoitettu anturin yläpäähän, synnyttää merkittävän lämpötehon (n. 1 W verrattuna sylinterin lämpötehoon 20 W). Se aiheuttaa koko anturin lämpiämiseen epäsymmetrisen tilanteen, joka on havaittavissa mm. siinä, että lämpötilat eivät anturin yläpäässä palaa lähtötasolleen lämmityksen jälkeen. Ongelmaa voidaan pienentää pitämällä lämpötilan mittauselektroniikka päällä vain nimenomaan mittaushetkellä ja pidentämällä lukemavälejä. Toisaalta äärellisen sylinterin numeerisessa mallissa voidaan ottaa huomioon ylimääräinen lämpölähde.

Konstruktiossa vastuskalvot ja lämpötila-anturit painetaan alumiiniputken sisäpintaan polkupyörän sisäkumin avulla, johon pumpataan vakiopaine. Tämä ratkaisu toimii hyvin.

Anturiputken laitimmaisten termistorien joukosta löytyivät kohinaisimmat lämpötila­anturit. Ylimmissä termistoreissa kohina aiheutui ilmeisesti anturin yläpäässä olevan elektroniikan vaikutuksesta. Toisaalta termistoreiden mittausvirta näyttäisi synnyttävän "itselämmitystä", joka on kuitenkin vain muutaman mK:n luokkaa. Kalvoilie kiinnitettyjen termistoreiden kalibrointien perusteella termistorien välillä ei näkynyt merkillepantavia laadullisia eroja.

22

4 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET

TERO-reikäluotauslaitteisto on tässä työssä rakennettu testivalmiiksi reikämittauksia varten. Laitteessa on useita aiempaan konstruktioon (Kukkonen et al. 2000) verrattuna uusia ominaisuuksia: Sylinterianturin lämmitys tapahtuu putken sisäpintaan levitettävillä vastuskalvoilla painesuojatussa tilassa, ja lämpötila-antureita on 28 kpl eri puolilla anturiputkea, minkä avulla voidaan analysoida termisten ominaisuuksien 3-D efektejä ja laitteen geometristä asentoa ja sijaintia reiässä. Myös laitteeseen liitetyt sen asentoa mittaavat magneettikenttä- ja kiihtyvyysanturit ovat merkittävä lisä tulosten käyttökelpoisuuden kannalta. Ne asennetaan laitteeseen lopullisesti myöhemmin.

TERO-laitteella tehtiin testimittauksia GTK:n Otaniemen koereiässä. Tulokset osoittavat laitteen toimivan odotetusti. Lisäksi havaittiin useita pieniä ongelmia, jotka poistuvat laitteen jatkokehityksessä. Nämä liittyvät mm. lämpötila-anturien kalibrointiin ja niiden termisten kontaktien vakioimiseen. Kalvojen hauraus vaikeuttaa reikäanturin sisäosien purkamista ja uudelleen kokoamista, ja joitain lämpötila-antureita menetettiin ensimmäisen kalvoparin murtumien vuoksi.

Lämmitystehoa ei aluksi monitoroitu ja tallennettu automaattisesti. Testeissä se osoittautui välttämättömäksi. Mitatuista lämmitysvirran ja -jännitteen lukemista tehon arvioiminen onnistui kohtuullisesti. Todellinen aikariippuva lämmitysteho on tunnettava, jotta voitaisiin tarkemmin "kalibroida" tulkinnassa käytettävää äärellisen anturin numeerista mallia.

Reikäanturin purkaminen ja uudelleenkokoaminen on mahdollista. Lämpötila­antureiden kalibrointi tehtiin ennen asennusta putken sisään. Koska kaivoja ei ole asennettu kiinteästi, kalibrointi on mahdollista uusia, jolloin voidaan seurata termistorien ajallista stabiilisuutta.

Mittaustulokset olivat hyvin tulkittavissa, teoreettisen mallin mukaisia ja saadut johtavuus- ja diffusiviteettiarvot vastaavat kairansydännäytteistä mitattuja. Mallinnuksessa käytettiin sekä äärettömän että äärellisen pitkää sylinterimallia. Elementtimallin diskretoinnista johtuen äärettömän pitkää sylinterimallia voidaan helpommin muokata vastaamaan anturin rakennetta säteen suunnassa. Äärellisen sylinterimallin avulla saatiin kuitenkin mittauksiin parhaiten sopivat mallinnustulokset, mikä johtuu laitteen ja lämmönjohtumisen 3-dimensionaalisuudesta.

Kahdessa tulkitussa lämmityksessä (1-2 h) saatujen mittausten tuloksena saatiin lämmönjohtavuudelle arvoja 3.55- 3.61 [W m-1 K-1

] ja diffusiviteetille 1.49- 1.67 [10-6

m2 s-1] sekä vesikerroksen paksuudeksi 29.0- 29.7 mm. Lämmönjohtavuus on samaa

luokkaa kuin kairasydännäytteiden laboratoriomittaukset samalta syvyysalueelta.

23

5 KIRJALLISUUSVIITTEET

Carslaw, H.S. and Jaeger, J.C., 1959. Conduction of heat in solids. Oxford University Press, Oxford, 510.

Jarny, Y., Ozisik, M.N. and Bardon, J.P. 1991. A general optimisation method using adjoint equation for solving multidimensional inverse heat conduction. Int. J. Heat Mass Transfer 34, 2911-2919.

Kukkonen, 1. and Suppala, 1. 1999. Measurement of thermal conducti vity and diffusi vity in situ: Literature survey and theoretical modelling of measurements. Posiva Oy, Posiva Report 99-01, 69 p.

Kukkonen, 1., Suppala, 1., Sulkanen, K. and Koskinen, T. 2000. Measurement of thermal conductivity and diffusivity in situ: measurements and results obtained with a test instrument. Posiva Oy, Working Report 2000-25, 28 p.

Kukkonen, 1., Suppala, 1. and Koskinen, T. 2001. Measurement of rock thermal properties in situ: numerical models of borehole measurements and development of calibration techniques. Posiva Oy, Working Report 2001-23, 47 p.

LIITTEET 1. Reikäluotainanturin kokoonpanokuva

Kaapelipääte ki vikuppeineen.

24

Anturin yläosa, liitos kaapelipäätteeseen ja alumiiniputkeen. Elektroniikkakortit sijaitsevat pakkereiden alapuolella, osin alumiiniputken sisällä (katkoviivalla). Anturin alaosa, liitos alumiiniputkeen, alimpana korvake lisäpainoille, joka toimii myös single point -elektrodina. Korvake on sähköisesti eristetty lyijypainosta

2. Reikäluotainanturin kokoonpanokuva, rakennepiirrosten kuvaamat osat 3. Rakennepiirustusten luettelo 4. Rakennepiirustus T 48.3 - 01 5. Rakennepiirustus T 48.3-02 6. Rakennepiirustus T 48.3 - 03 7. Rakennepiirustus T 48.3 - 04 8. Rakennepiirustus T 48.3 - 05 9. Rakennepiirustus T 48.3-06 10. Rakennepiirustus T 48.3-07 11. Rakennepiirustus T 48.3 - 08, 2 kpl 12. Rakennepiirustus T 48.3-09 13. Anturikal von yläpää 14. Lämmityskalvo, termistorien numerointi 15. Lämmityskalvon yläpää 16. Anturiputken elektroniikan lohkokaavio 17. Termistoriantureiden johdotus 18. Ohjausyksikön elektroniikan lohkokaavio

r 60 250

180 0 50 max. Ertalyte

1

----------------------.r 1

' ' 1630 mm 0 50 Alumiini ________________ ,: \ _____________________________________________ _

0 48.3 Ertalyte ---

100 0 50 max. Ertalyte

180

--

175 0 48.3 RST

osa nimi

-- .... -

piir. no

-~

raaka-aine

suun. GEOLGIAN TUTKIMUSKESKUS 27.08.-03/KS

: TERO-hanke -, -- ·-·---rev.

T 48.3 T 48.3 anturi, rakennepiirustus piir. no

N Vl

~ --~ m 1--"

26 L

IITE

2

KAAPELILllTIN

osa nimi

IK kosketinrunko 2K kierreholkki JK vetotulppa 4K valukuppi SK vedonp.brtio 1 6K vedonp.kartio 2 7K holkki 8K kivikuppi

ANTURILIITIN

IA runkokappale 2A · kosketinrunko JA kierreholkki 4A jousi

PACKERIT 2 kpl

lP 2P 3P 4P SP

paclcer-runko VllihoDdå tukirengas lukitusrengas x· 2 packerJrumi X 2

KÄRKIKAPPALE

IT 2T

lålrkiruDko singlep. eJektrodi

27

piirustusno

T 48.3-01 T48.3 -02 T48.3 -03 T48.3 -03 T48.3 -03 T48.3 -03 T48.3 -04 T48.3 -04

T 48.3-05 T 48.3-06 T48.3 -07 T48.3 -07

T48.3 -08 T48.3- 08 T 48.3 .. 08 T 48.3-08 T48.3 -08

T 48.3-09 T 48.3-09

oea 1 nimi 1 pllr. no

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS

TERO-hanke

T 48.3 anturl 'P ,'11

1-"t ~ t~ /'t ~#-~ .

LIITE 3

f'llaka-alne

auun • .2. ~ .. ' ~~ ., 1114 rev.

pllr. no

·T-·----· 1

(1-j

D-...-~"1.~f

2. ~.o x :<.s-

1'10,t;J_ . .

,O,o

3~-:o

2.0,o.~

~ __ ._..,--~--

(~l+s·~~,.. \. ·~~ 1 . ~

1.

--r. •• --~ H/~,r

t~ Ar

1-e /~~. A -A'

~/

'· 1'

II

A/}s.,J,

'

......

<:)

<::) M

C)

...ö \'<"')

~1 "Q

....... '•

)A

' ·• 1 kl( 1 La/ee 4..

1 K k"'~~t."J~r'-'ln~o osa nimi

1 1 1

piir. no

•' J:

1 -1-' ,, ·- .-.- .... ~•""

NSI t~:-o,J..-4 ~fr

f/!ir~ n~tJ ,~-

raaka -aine

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS • suun. 2?-.tJf.-oJ (JeS

TERO-hanke rev.

T 48.3 anturl Tlfl. 3- tJ 1 ftll• ftft

N 00

t:-~ ~

~ m -+::-.

,-­/'

1 \ ~:1

' ' -

M '1fi. Q..:aML / 1"1 '-ote

~1 ~ ~ ~ '(j. "$..,_. +-1 --LI-

:, ~,~-~-~ -:! .,..:tN ... ' i:-FI~ ~ //

~-

__ ...,

rJ~

i:,.().o

1-J.,,o

-, """ ~ '.-, · .......

/1 1 \- \ )..1 1 • \ : +~ - rt+-'Q 1 \~

\ ,\ 1 , j \ 1 1

~- . / 1 ',, ,, -... 1 --·-;:. /,/~

'.._ -~-------------/

113'- w: 1.,"J-

____ __!!..~2. ~"4 /Y~I:.oto ------~---._ /

/ .. ~ .. ------'--..:....

1 /,·· ----~-"-- . '· -... ''

1 //:///. ,. ---- ·- '. '+ >-' 1 ( ' ', " 1 : / \ -(f.f_ :, \\ ', + ---- \ ;: l \\,\ J ; . \\.'', 1 1 .'' (

'< ~;;::_~;::~ / i

·-

JK 'lt:fof,__/ppa.

~/( /f.(/c itw sJ, ()/k.k.,

osa nimi piir. no

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS

TERO-hanke

T 48.3 anturl

1 .

rl $'J "fp ~ it..t'J 'ff'"" t/SI fa'l~o -f"C

raaka -aine

suun.~'f.6f,·IJ /~

rev.

1 "1 E, :r - o <, pilr. no

N \0

t'""" --~ m Vl

(1.

4t'\ ~. '&

"

'='O.o i~

/

0-1--.....(.A<Lf -t ,.......-·" ·"1> ... 1...,

~· ~ -·· ._, u, ~. /. ~ . \

(:'/-+ ... _ ... _ .

f-······:?~

f. '~· . - : . : __ \ /.! / -\_··-. ~_1::>_"./

·,_ .. ··t·'"' .cr--

+:::1_ __ ,_

(~~+~. \_ ' "' f .$_.,-.:

\~L--/· -

' 1< t e.d. QI'V) p.la rl:. ~

~-1( .Jc..<l. "_,? . ~ .. ,.t.~ 1

~1( '/aJ"' Jt c.t j> P a,

osa nimi plir. no

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS

TERO-hanke

T 48.3 anturi -

ll!'r t•~leo lO II!T 1'~ ~/II~ .to ~~~j" +.,."'liitO ~()

raaka -aine

suun.

rev.

IJJR.:r-03 plir. no

- ··--

w 0

t""" --....., m 0\

31

,·' i; .· ; ~

' 1

' r

: 1'

; +

\'

\

'i

•

\:~ .. >L. ......

j·.-,,.;

"-.

• .T

t"

• ..... :_~-' : ~

..

' 1 1

. f!

' ~ .. . .... '

• !

.. ~

1 ' l

i ,

\ ...

. "'J

' r• ··•+

-:-•·•-•

'~i 1

i

~· ~1 i

~--+----~' 1.

f\'y

~

~

M

~ ~

~

Q)

~

.s :* "'

~

)'.: 1

~ ~ JJ

\..... !

c l ...

1? '-1

~

~ ~

~

rn C

l) ::;)

0 ~

c: C

l)

~

w

~

·a C

l) :J

::E ~

1-....

::)

Q.. 1-

' Cl..

z .=

~ ' e

~

c ~

..V •

....... ..._

·~: ()

-~ (!)

.c ~ ~

0 1

~

0 0

« ~ ~

w

1!! "'

(!) 0

0

rf.. 8

-·

LIIT

E 7

-l"' ~ 1

"-,

\\; 0

~

c l-...

.~ ·a

·c :s c CG r')

~ 1-

11/0.o ----;'/ ·'

/

::~~L 1

~\\~ 1

~~r

-!t~ --; -

H3~X f.~ ....PF = = -w~ __ ._,_..,_u.,,)-

L-i'

!

' ~ 1 ll ·------

2' 131 1.3 _1 1...3 131 lt- 1

@ ,·

/

1

_.--*~·~ '/.;;;_ -___..r.-~ -~-

_,<,_,._.----- 111-fl- . •. ' / ~ / _- .. -''j II.· ~ ' ~ .. ~

, 1 .-

'·.

r .' 1 ! i

-1

\ . . 1 .. . . '

' \" ... -\ ' '--. .. ~.

1' t

.. 1 r H -- --- ~' .; ~ ~

"'Q '

' 1 .. 1 ' ,·

- ,4'~

il~~~~

1

\ f A ~ ., '=-() ,k~ p pa Ie f/S'J-1«~~ -:fö

osa nimi piir. no raaka -aine

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS suun. 2 ~~ r. -6J ( k.-~

TERO-hanke rev.

T 48.3 anturi T#f.3-0.r 1 piir. no 1

v:J N

r ......... ......... ~ m 00

33 L

IITE

9 -1

1 1

1

0 1~

,._;

,.., ~ •

~

~

c ....

~

-~ ~ ~

t ,.,..;

f'7 0

crv -u.· c

~t c i

~~

t~ ~

c. """

~

~

.. tn :;:)

~ ~ w

..:

~

i. , :::» -

-~

-J

~ (

:::» j

t-l

J .. ~

z "C

't e ~

c :s

1 1 ~ ·=

§ .! c

Q

1 •

1 ~

0 f')

0 ~

i 1

w ~

~ ! "

.... 1

~

-' 1

_,....J

,_

_

1 -.

Ie.

1< . ~~

® 1

() ,. "'S. )(

u t

~ pwr.'st~zr .... .-,c -~ ..... --

""1.")

\,.--o-~'···-- 4' ' ~ : • • '

. '

1--+ - ... ;_ ... ....--..·

-4/Y?e:

j

.- .. -~

>/

? r-o ., ! S ,' 1- ,.._ ~ q,

7-,...r

1

'f,' '1

~c?i~ ~ .... -toi"! """'.,.r,r-)~-4

3?-,o

"' 0 ·> ~ .)----t--~ "Q.

-· _, ./

4-- -1 t ·-

~ \ \ l J

\ ''-..,__ -----< ,... ~' '· ...

.:-"1 ..... '•' ,; ~-.. ·~

-l_p ~--+ "----

-...........LJ.lit.D P· l~.:tttA~ /~,..r~ 7j •• "1 ~ k 'i ( 1, f' +" 1. ',) __. 2:,

~~+ l ~al ~1 ~l ,.:! ~ ~

~

't~ ' ' JOU..ll il {'J ;,. ,.k...t 1,;

3A 1< ,'~rry; lt.o {{,~ lt. ,' /1[1 ~~~~ ~ 111'

osa nimi piir. no raaka -aine

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS suun.< ~.~f ... D3 /ltl!

TERO -hanke rev. -

T 48.3 anturi T"t~, J - o t piir. no

w ..j::::...

~ --~ m """""" 0

35 LIITE lla

36 LIITE llb

l· . ~-'

,_

'-·~ ........ .......

) _:i~].l:::. ;.,:.,. :. 1

' •• f.; L ~-:

' 1 ' '(

··--~-r-~ ....... ·~-.-~-----~ -·-··· .. ..,.

~~~·--· -~---t--- GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS ·! !:.

:::·· i~ TERO- hanke rev. ~~~~--~-~~~~~~-~~;~~.~------------------~----------~.

:··-+ T 48.3 anturl /J.ti'. "J-oi pllr. no

• t· 1 j··

r 1 \ t··· i i j ... 1 L

r r·· 1 l t· i i .... f 1

i }· 1

- ·-- +-' .1 i

! ·-r-

T ,,, ~ 1

·-+­l

J !J'

!.

r. ·-.· . ,

..

·l-· : i

··--=-r---· -i·--······t.-. ·t· L---~·-:r-·-·

f. -i ~ .. · .. ·····i~T .. :..LJi~::•~:; -+··r·······h····:·:~1·· j .. >;:rl----·:·~ --~?1L~~:ik

fTifl:1l:H _ _ LJJiniT -~-·~~---.. ·'- .......,__....._.___

=-A:- .. t__ .... '. i .f

. ~.;. ·- -F·- ·--- :..:-! -- . -r:-·-··

·-·-r··· ·-·

l --r--; .

~...- # 'j••• """'1-cf' .............. ~ - ' . . ' .. -~-~·""'t ' ..

Z. 1 1 s/ ~ ql~ f>· ~_lt:.k'fr. /'f{l i7t- _.., k-P :{ 'S-

( / 1 k'ärk-, -r~ rtk..a E rt"~~t. ~'--'et t s-o osa nimi piir. no raaka -aine

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS 1 suun. < -,, a~. -oJ /~e-·5

TERO -hanke

T 48.3 anturi

rev.

l"'tf', 1-0 ~ piir. no

w -..)

~ ,........

~ tTl 1---"

N

38

/Lämmitysjohtimet, > 500 mm

____ 1 _~:~-----~~ ~Liuskan yläpäästä muovikalvo poistettu.

---..-----11--- · k// Sopii 'flext -liittimeen, esim.

0

8

0 ci ('1)

\ \

14.5

Anturi­kalvo

T$rm~tori, koko 0805\ \ (2x1.25x1 .25)

\

',,~\\

\ Lämmitys- \ kalvo

Molex 511 71 -14 90

liimaa tälle alueelle

0.6 mm leveät Kuparijohtimet 7: IIe termistorille = 14 kpl

Osasuurennes termistorista, 10:1

_Juotostina

Muovikalvo poistettu termlstorin ja kuparin välistä.

'1 ~Termistori ,Mturikolvo

::-- ;:_-:-·--~ / L .. "" - 1 amm, 1s-

~ .. lvo

LIITE13

t

0 0 V N

39

60.0 u 1 1 _____.__

t

0 0 ('t)

- y

0 . 0

Lämmitys· h . . k

.. . ~o t1m1en unmtys

.. -

1

1

@€)

@@)

@@ @@

@®

~1

0 0

Kalvo #1

Kalvo #2

LIITE14

~~ 60.0

~ !1 • ~ 14.5 1

--4~~)=t

0 0 N

1

31.0

40

-~~ f-----Lämmi1ys-

! ]ohdlnten 1

kiinnityskohdat

1

____ Lämmittävä alue

14.5

Reiät (5mm) antureille

/\

\/ \··.// 'v/ \ \ \

LIITE15

b Single-point anturi

" 1

128x NTC>: 1 /,

V 1

24-bitA/0 + mikrokontrolleri

Reset

Program t

111

r1 24-bit AJO + ~ ,

mikrokontrone,: r j i 1

Lämmitys­vastus

1

[ 1_xNf9>

Program •

24-bitA/0 + mikrokontrolleri

Reeet

Program

24-bit AIO + .__ mikrokontrolleri ~

Reeet

Program

24-bitA/0 + mikrokontrolleri

Reset

Program t ~~~---~~

i' ~'> ! :!

3-komp. j

magneto- i

metri ·

2-komp. ~ kiihtyvyys-anturi l

1

!

1

1, r

41

~~~~ ! GND

UART

Mikro­kontrolleri

~------1. UART + A/0

! 1

1

~-----

1

Kytketään lämmitysputkeen

Tero 1

Lohkokaavio versio 1.03 23.01.2004 GTK/tk

LIITE16

42

Antureiden johdotus

Kalvo #1 : Anturit 8 ja 16 piirilevyllä Kalvo #2: Anturit 24 ja 32 piirilevyllä

'!

~11111 lr,, 1 ~!1 1 il

i: 1

-~~.~Jiillll II

[1~----II 1 ,'1

1

• • CD :~;

·-·

1

i

Anturi-kalvo

~ -· @

'\ \

\ \ -

LIITE17

Kalvo#1 Kalvo#2 AID-mod #2 AID-mod #4

ch 9 ch 25

ch 10 ch 26

ch 11 ch 27

ch 12 ch 28

ch 13 ch 29

ch 14 ch 30

ch 15 ch 31

00 ,.....-!

~ ~ --~

M

""""

.!...­.. c

.!ö ·c; Gnd

Ula.

Data/+

Data/-w ~ HV/+ a:: IL HV/-

,,

P4 "

P4 El

... c -P4 D

Shield

8P4 E

r r

~ ~

~ ... YEL

"' N2 HV RED

N3

BLU

....

-

2311Vec P'S 2

PS 3

+3Be:: t

::; Daut I"Z 3

"' ~ u Din I"Z 2 a:~

Gnd P2 5

-

IL,

•NV

\

-!-

·1 "A4 HV+

"At4 HV-

"All2 GND

",.. "A12

" A22 Ureg

Pl A:Z4

Pl A28 L

"A38 N

HV po-r supply

~ ..... ...!L-. L L---...1

,..f!._., L---...1 N

GND

.. +38V, po-r supply

-

P3 Al IDaut

1"11 Ali IDin

P'll A!l lc..d

1, P'll A2'5

~ - ~

1"1 A27 + ~-... A2. IData/V+ r7 ~h

~~ T P'll A31 1 ...... n~ .•

... ... ... P3 ... A28 A22 A2B A24 A211

HV+ HV- HV HV/SP SP return aut return

1 .--... o-

1....-

~L .. ,.5A • 511•V r-- ·a.va=

J.-HV gnd 38V gnd

DAC

·r;-u A/D

A/D ~ ~ j

.cu A/D~

~ 1 J,

~

'i~

~

-

p.

ein out 1---

'- fVOUT

Single Point 'i!7

[

~ Deta/I"'C Laval ahif ter

1

,___ 311Vdc: in r 5Vdc !----

out

1 Wildelli

.. Data/proba

-

Geolo11ian TutkiMuekeskue

TERO Ohjauaykeilcon elak troniilcka

Lohk ok aav io

/

v ...... .... .... IZ-13.2814

Tielleet• Te,.•Cl .. a2