CNS 14811-2004 Method of test for field measurement of soil resistivity using the Wenner four-electrode method《现场土壤电阻率之维纳（Wenner）四极测定法》.pdf

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1、 1 印行年月 94 年 10 月 本標準非經本局同意不得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 類號 ICS 77.060； 13.080 Z730814811經濟部標準檢驗局印行 公布日期 修訂公布日期 93 年 4 月 20 日 年月日 (共 8 頁 )現場土壤電阻率之維納（Wenner ）四極測定法 Method of test for field measurement of soil resistivity using the Wenner four-electrode method 1. 適用範圍 1.1 本標準規定土壤電阻率之現場量測或取樣量測的設備及步驟，藉以控制地下結構物的腐

2、蝕作用。 1.2 本標準未規定與安全相關之事項，若有需要，由使用者訂定之。使用者有責任在事先建立安全與維護健康之作業程序及應用管制等之規則。 2. 名詞定義 2.1 電阻率 (resistivity)：單位立方體相對兩面間之電阻，為導電率之倒數。在形容土壤 (以及水 )之導電性質時，通常使用電阻率而不使用導電率表示，因為電阻率數字之值為整數。 2.1 電阻率之量測：介質承載電流之相對能力。如將金屬結構置於一導電介質內，則該介質承載電流之能力會影響加凡尼電流及陰極保護電流強度的大小。電極極化的程度也會影響到上述電流之大小。 3. 測定方法摘要 3.1 維納四極法須將四個金屬電極依等距離直線排列並

3、插入土壤中，其深度不宜超過各電極間 最小間距之 5%。電極之間距大小視欲測量的土壤層而定。量測到的電阻率代表以電極間距為半徑之半球體內土壤的平均電阻率。 3.2 在外電極上施加電壓使電流產生，再利用 靈敏的伏特計測量內電極間的電壓降，此外電阻值亦可直接量測。電阻率 ()，依下式計算： = 2 aR (a 採用 cm)或 = 191.5 aR(a 採用 ft) 上式中， ：電阻率 (cm) a：電極之間距 (cm 或 ft) R：電阻值 () 經由度量分析結果，正確的電阻率單位應表示為歐姆公分 (cm)。 3.3 如果載流 (外 )電極之間距和測壓 (內 )電極之間距不同時，則電阻率 ()，依下

4、式算出： = bR/ )abb1(+ 上式中， ：電阻率（ cm） b：外電極之間距 (cm) 2 CNS 14811, Z 7308 a：內電極之間距 (cm) R：電阻值（ ）。 或 = 95.76 bR/ )abb1(+ 上式中， ：電阻率（ cm） b：外電極之間距 (ft) a：內電極之間距 (ft) R：電阻值（ ） 3.4 土壤盒內土壤的電阻率（ ）之量測如圖 1 所示，依下式算出： = R )aA( 上式中， ：電阻率 (cm) R：電阻值 () A：在容器內垂直於電流方向之截面面積 (cm2) a：內電極之間距 (cm) 備考：內電極之間距由電極棒之內緣量測之，並非自電極之中

5、心處量測。 圖 1 使用土壤盒時，各種不同型式的儀器裝置及其接線配置 4. 設備 4.1 現場之實地量測 4.1.1 現場土壤電阻率量測需要的設 備為一個電源、一個適用的伏特計、安培計或檢流計、四支金屬電極以及如圖 2 所示之線路連接組裝。 4.1.2 電源：通常以 97 Hz 之交流電源為宜，因直流電源會使金屬電極產生極化土壤盒 土壤盒土壤盒 安培計 安培計 3 CNS 14811, Z 7308 作用而導致誤差。電流由一般 的交流電產生器或配有整流震盪器之直流電源供應。如使用一般的直流電 源，則須將電極磨成光亮金屬，再插入土壤中。量測時，極性會反向，所以用每一極性的平均值作為量測結果。 4

6、.1.3 伏特計：不可由電壓計中的電 路分支太多的電流，以避免極化效應產生。最好採用檢流計的型式，如果使用電子型的裝置，只要其輸入阻抗大於 10個百萬歐姆亦可適用。 4.1.4 電極：由一 般軟鋼或麻田散體系不銹鋼製成，直徑為 0.475 公分至 0.635公分 (3/16 吋到 1/4 吋 )，長度為 30 公分到 60 公分 (1 呎到 2 呎 )，可適用於大部分的現場量測。電極的鋼 料須要經過熱處理使其具有足夠的剛性以插入乾硬或夾雜石礫之土壤內。電極須具有握把以及導線連接的接頭。 4.1.5 導線：使用 18 至 22 號外包絕緣體之銅線，與電極及電表接頭處的接觸電阻要低，以確保接觸品質

7、。如 果定期要對固定間距之電極作檢測，則可製作一有屏障的多接頭電纜，此電纜接頭的間距固定且與電極之間距相同。 圖 2 典型直流振動式電源之線路圖 4.2 土壤樣品測定 4.2.1 不管在實地或是在實驗室內， 量測土壤樣品電阻率所需之設備與現場量測的設備相同，唯一不同的是實 驗室量測之四個電極永久被固定在一個容器內 (如圖 1 所示 )。 4.2.2 如果載流 (外 )電極間之間距和測壓 (內 )電極間之間距不同時依下式計算： = bR/ )abb1(+ 上式中， ：電阻率 (cm) b：外電極之間距 (cm) 電流電極電壓電極同步振盪器 定電流表可調電位計二次測電源切換 一次測 比例電壓計 一

8、次測 二次測，其電阻率（電流電極 電池 B開關 ） 4 CNS 14811, Z 7308 a：內電極之間距 (cm) R：電阻值 ()。或 = 95.76 bR/ )abb1(+ 上式中， ：電阻率值 (cm) b：外電極之間距 (ft) a：內電極之間距 (ft) R：電阻值 ()。 4.2.3 量測土壤電阻率之土壤盒的尺 度可以先規劃，則電阻率可由伏特計直接讀出，不需再作計算。測試時土 壤盒必須是清潔的，以避免先前的土壤樣品污染到本次量測的土壤樣品。 5. 標準化 定期使用商用上現有的 10 進位電阻箱來檢查電阻計的準確度。在操作範圍內，電阻計的誤差須在 5%以內。如果誤差超過此範圍，就

9、要定出校正曲線以修正所有量測的結果。土壤盒校正可由已知電阻率之溶液為之。建議使用電阻率為 1000cm、5000cm 和 10000cm 之氯化鈉與蒸餾水的溶液作為校正液。此校正液須在實驗室中調配，而其電阻率須用商用導電儀器測定；此外，該導電儀亦須在 20 (68 ) (1)下，經標準溶液校正之。 註 (1) Handbook of Chemistry and Physics, 41sted., The Chemical Rubber Co.,第 2606頁。 6. 現場操作步驟 6.1 現場量測 6.1.1 在電極涵蓋範圍內，儘量選取 平整的地表進行量測。電極間不容許有大顆粒非導電體如凍結土

10、壤、卵石 、混凝土基樁等存在，以免影響所得土壤電阻率之代表性。在電極間距 (1/2)a 內不得有導電結構物如管線或電纜等存在，除非是與電極間距方向垂直。 6.1.2 配合目標結構物來選擇電極間距。由於大多數的管線都埋設在地下 1.5 公尺到 4.5 公尺 (5 呎到 15 呎 )之深度，因此電極間距通常採用 1.5 公尺、 3.0公尺和 4.5 公尺 (5 呎、 10 呎和 15 呎 )。間距 a 應與埋設結構物的最大深度相等。如果使用直流振動電流 計時，為了方便其他電阻率的計算，通常以1.58 公尺、 3.16 公尺和 4.75 公尺 (5.2 呎、 10.4 呎和 15.6 呎 )為間距，

11、此時的運算倍率恰好為 1000、 2000 和 3000，方便計算。 6.1.3 在外電極施加電壓，量測內電極間之電壓降，若安培計和伏特計分別使用，則應同時記錄電流和電壓降之 讀數。若使用電阻率計，則直接讀出並記錄其電阻率。 6.1.4 記錄所有的資料，包括電極間距、電阻率 (或電流和電壓值 )、日期、時間、氣溫、地形、雨量以及可能導致數據誤差的事物等，以便日後分析詮釋。 6.2 土壤樣品量測 6.2.1 如果量測地之地層含有不同種 類的土壤，則須慎選土壤樣品，使之具有代 5 CNS 14811, Z 7308 表性。最好能就不同土壤類型 ，分別採樣；必要時也需製備混合樣品，此樣品須具足夠的量

12、且充分混合使具代表性。土壤須分 層壓實置於土壤盒內，並將其間的空氣孔隙儘量排除。將土壤盒填滿並依第 6.1.3 節之步驟進行量測。如果樣品之電阻率超 出電阻率計的可量測範圍，則將電阻率記錄為小於 10000 cm 之型式。 6.2.2 量測所得的電阻率往往會受樣 品的緻密程度、濕氣含量、組成物溶解度及溫度等因素影響。緻密度及濕氣含量的影響，可以在將樣品置入土壤盒前，藉由飽和化過程（2）使其降低。 註（2）取一泥漿樣品，加入足夠的水使其表面恰好存有少量水，俟其蒸發後再將此泥漿重新混合置入土 壤盒內。可能的話，此過程最好採用土壤開挖時所在環境的地下水，否則 就用蒸餾水代替。如果土壤之電阻率預估會低

13、於 10000 cm，則使用當地的自來水也不虞造成嚴重的誤差。有些土壤吸收溼氣緩慢，其組成物溶解亦慢，此種樣品 在飽和化之後的 24 小時內，其電阻率仍然不會穩定。飽和 化樣品量測之電阻率會逐漸趨近於一個極小值，此值可與起始值之量測用 來作比較。過剩之水不可隨意傾倒，因其中可能含有土壤溶解出之成分。 6.2.3 量測工作在現場開挖的溝渠內 或在樣品剛取得的狀況下執行時，無需做溫度修正。如果樣品需要保留以 作後續量測，且當量測時之溫度與地下電極點溫度有所差距時，則須進行電阻率修正。若樣品溫度高於 21 (70 )時，建議修正至 15.6 (60 )： R15.6= RT)40T5.24(+上式中

14、， T：土壤之溫度 ( ) RT：在 T時之電阻率 (cm)。 上式修正之圖示法如圖 3（3）所示。 註 (3) National Institute of Standard and Technology Circular, 第 579 號，第157 頁。 6 CNS 14811, Z 7308 圖 3 將在某一溫度下測得之土壤電阻值 (歐姆， ohms)，相對於 15.6 (60 oF)做修正時使用之計算圖表或轉換表 7. 規劃及解釋 7.1 規劃 7.1.1 調查之進行可依照間距區分為 規則式和隨機式。規則式適用於圖示及繪製電阻率與距離的關係圖，藉以 瞭解電阻率的梯度變化與土壤條件改變的情

15、形。隨機式適用於精確的數學 處理，如累積或然率分析，可定出土壤電阻率等於或高於 某一數值出現之機率 (4)。在植物生長處，只能進行隨機式電阻率的量測，所得之數據最好 以作圖法表示之。不論調查方式是以規則式或隨機式進行，利用土壤調查 可規劃及解釋大範圍調查工作之結果。將土壤依不同的排水狀況而予以分類、量測，可使調查規劃簡化。 註 (4) Scott, G.N., “Corrosion”, National Association of Corrosion Engineers, 第 14 卷，第 8 號， 1985 年。 例如：如觀察值為 80 歐姆及 13.3 (56 )，可在外側的兩個尺規中找

16、到此二數值，用直線將其連接。此直線與中間尺規相交之值即為其在 15.6 (60 )之電阻值，即75 歐姆。 40 20 20 25 25 30 30 35 35 40 45 45 50 50 55 55 60 60 65 65 70 70 75 75 80 80 85 85 90 90 95 95 100 100 150 150 200 200 250 250 300 300 350 350 400 400 450 450 500 500 550 550 600 600 650 650 700 750 750 700 800 800 850 850 900 900 950 950 1000 1

17、000 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 歐姆 歐姆 60 溫度 7 CNS 14811, Z 7308 7.1.2 如果電阻率的資料是用來作為 腐蝕控制評估參考時，則在檢測時應採用隨機式。基本上，可供檢視的土壤剖面數量為無限個，為了使統計處 理簡化，必須定出適當的樣品特性。風 險率及誤差範圍須自行制定以決定測量的數目。一般而言，誤差大於 100 cm 之風險率定為 5%應可接受。誤差極限應為預估平均電阻率之 10%左右。當平均值或中間值無法估算時，可使用循環式的採樣技術再

18、執行。 7.2 解釋：電阻率調查結果之詮釋主要取決於相關人仕的經驗。電阻率的平均值及中間值可顯示土壤的一般腐蝕性。隨距離驟變的電阻率或是溼氣含量、排水量顯著的改變，均表示土壤的腐蝕性局部嚴重。以累積或然率作圖可看出整個區域或採樣路線上土壤的均勻性，並可指出結構材料在土壤中遭受嚴重、中等和輕微腐蝕之機率。土壤數據應予參考以利資料解釋。 8. 通則 8.1 在短距離內地表下的情形可能有很大的變化，尤其是該地曾埋有其他結構物。表面污染可能隨著地表水流集中到溝渠內，造成電阻率降低且較正常值小。現場量測時，量測間距內若有排水溝管線存在，則必須改用土壤盒採集樣品。在一個新採樣路線決定後，評估路線上是否有污

19、染因素影響時，可採集既有地下管線或電纜線成交叉點或故意鑽取之土壤樣品量測之。 8.2 除了本標準所提的方法外，還有其他種類的電阻率量測法或設備。通常是將兩個電極裝置在一個尖棒上，插入開挖後的實地土壤中或是鑚好的孔洞內。由於極化效應的影響，兩極法的準確度不如四極法，但可提供有用的資訊，如特定地層之特徵。在實驗室內可採用更精確的步驟，但報告時須將這些步驟予以明確的定義。成果發表時，如列有電阻率之數據，量測技術方法必須加以說明。 9. 精確度 本測定法之精確度依分別使用不同電表之檢測人員記錄，經評估統計而得，即測試人員各自使用不同電表記錄評估。此評估方法的數據可參考 ASTM 的研究報告。該數據之摘

20、要列於表 1。 表 1 土壤電阻率量測 維納四極法之多人估算統計表 (5) 1號現場 3號現場 電極間距， m 6.1 1.5 平均量測電阻， 10.9 62.6 平均電阻率， cm 41700 59900 再現性標準誤差， cm 2300 4700 再現性變異係數， Cv， % 5.6 7.8 重現性標準誤差， cm 6900 10000 重現性變異係數， Cv， % 16.5 16.6 註 (5) 1993 年 5 月 28 日在 New Jersey, Chester 所做的評估，由 7 個人分別用不同的電表參與量測土壤電阻率。 9.1 再現性：再現性指同一操作人員在相同條件下，使用同一

21、設備，進行數次量測 8 CNS 14811, Z 7308 時，其量測結果的變異性。在土壤電阻率量測 時，再現性可用變異係數 Cv，來表示。其值為一個百分比，代表再現性標準偏差除以平均值之結果。經多人估算測試方案結果顯示，其再現性 Cv 值為 6.7%。而 95%信心區間為 2.8 Cv 或18.8%。 9.2 重現性：重現性指不同操作人員量測同一土壤時，其量測結果的變異性。在量測土壤電阻率時，重現性可用變異係數 Cv，來表示。其值為一個百分比，代表重現性標準偏差除以平均值之結果。經多人估算測試方案結果顯示其重現性Cv 值為 16.6%。 95%信心區間為 2.8 Cv 或 46.5%。 10. 關鍵字 四極法（ four electrode method） 、土壤電阻率 (soil resistivity) 相關標準 ASTM G 57-1995 Standard test method for field measurement of soil resistivity using the Wenner four-electrode method