RU2524042C1

RU2524042C1 - Method of measurement of surface density of mainly heterogeneous soils

Info

Publication number: RU2524042C1
Application number: RU2013106181/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Юрьевич Бутиков; Владимир Алексеевич Ролдугин; Владимир Евгеньевич Никитин; Юрий Анатольевич Скобло; Ярослав Сергеевич Вознесенский
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НТЦ Экофизприбор"
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-07-27

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: density of flux of gamma rays scattered on electrons of atoms of the material in the interaction of flow of the primary gamma-ray of the source of ionisation radiation with soil material is detected and registered, and soil density is determined by the registered density of gamma-ray flow, and the detector and gamma-ray source is previously removed from the soil surface to a distance at which in the whole measurement range of the surface density there is a direct (increasing) dependence between the registered by the detector intensity of the radiation scattered by soil of gamma-source and surface density of the controlled soil and, simultaneously, the surface density measurement error due to relief heterogeneity of heterogeneous soil has allowable value.

EFFECT: improved accuracy in measurement of the surface density of predominantly heterogeneous soils.

4 dwg

Description

Изобретение относится к радиоизотопным устройствам, предназначенным для контроля технологических параметров производственных процессов, а конкретно к способам экспрессного измерения поверхностной плотности грунтов при строительстве автомобильных и железных дорог в процессе уплотнения земляного полотна.The invention relates to radioisotope devices designed to control the technological parameters of production processes, and in particular to methods of rapid measurement of surface density of soils in the construction of roads and railways in the process of compaction of subgrade.

Известны радиоизотопные способы (методы) измерения плотности грунтов, основанные на зависимости между плотностью контролируемого грунта и характеристиками ослабления или (и) рассеяния измеряемого детектором потока энергии гамма-излучения. Эти способы представлены в «ГОСТ 23061-90 Грунты. Методы радиоизотопных измерений плотности и влажности».Radioisotope methods (methods) for measuring soil density are known, based on the relationship between the density of the soil being monitored and the attenuation or (and) scattering characteristics of the gamma radiation energy flux measured by the detector. These methods are presented in GOST 23061-90 Soils. Methods of radioisotope measurements of density and humidity. "

В качестве аналогов выбраны метод абсорбции (п.1.5) и альбедо-абсорбционный метод (п.1.6).The absorption method (p. 1.5) and the albedo-absorption method (p. 1.6) were chosen as analogues.

Метод абсорбции заключается в детектировании и регистрации плотности потока гамма-квантов, прошедших через слой материала между радиоактивным источником и детектором гамма-излучения.The absorption method consists in detecting and recording the flux density of gamma rays transmitted through a layer of material between a radioactive source and a gamma radiation detector.

Метод альбедо-абсорбционный заключается в детектировании и регистрации плотности потока гамма-квантов, рассеянных в объеме грунта и прошедших через слой между источником ионизирующего излучения и детектором гамма-излучения.The albedo-absorption method consists in detecting and recording the flux density of gamma rays scattered in the soil volume and passing through the layer between the ionizing radiation source and the gamma radiation detector.

Недостатком абсорбционного и альбедно-абсорбционного методов является высокая трудоемкость и низкая производительность проведения измерения из-за необходимости перед каждым измерением углублять источник (а в абсорбционном методе и детектор) в грунт.The disadvantage of the absorption and albedo-absorption methods is the high complexity and low productivity of the measurement due to the need to deepen the source (and in the absorption method, the detector) into the soil before each measurement.

Наиболее близким по назначению и отличительным признакам к заявляемому является принятый за прототип метод альбедо (п.1.4).The closest in purpose and distinctive features to the claimed is the albedo method adopted for the prototype (p. 1.4).

Метод альбедо заключается в детектировании и регистрации плотности потока гамма-квантов, рассеянных на электронах атомов вещества при взаимодействии потока первичного гамма-излучения источника ионизирующего излучения с материалом грунта. При этом по зарегистрированной плотности потока судят о значении плотности грунта.The albedo method consists in detecting and recording the flux density of gamma rays scattered by the electrons of the atoms of a substance during the interaction of the primary gamma radiation flux of the ionizing radiation source with the soil material. At the same time, the value of soil density is judged by the recorded flux density.

В этом случае не требуется углублять источник с детектором в грунт, т.к. они размещаются на поверхности грунта.In this case, it is not necessary to deepen the source with the detector into the ground, because they are placed on the surface of the soil.

На фиг.1 в описании изобретения показана геометрия измерения по способу-прототипу. При таком способе гамма-излучатель 2 и детектор 4 размещаются на некотором расстоянии друг от друга в одной плоскости, практически совпадающей с верхней поверхностью контролируемого материала 1. При изменении плотности материала в поверхностном слое изменяется степень обратного рассеяния гамма-излучения, что и фиксируется детектором 4.Figure 1 in the description of the invention shows the measurement geometry of the prototype method. With this method, the gamma emitter 2 and the detector 4 are placed at a certain distance from each other in the same plane, which practically coincides with the upper surface of the material being monitored 1. When the density of the material in the surface layer changes, the degree of backscattering of gamma radiation changes, which is detected by detector 4 .

Для уменьшения погрешности измерения между источником 2 и детектором 4 устанавливается экран 3, поглощающий неинформативные гамма-кванты, направленные от источника в сторону детектора.To reduce the measurement error, a screen 3 is installed between the source 2 and the detector 4, which absorbs non-informative gamma rays directed from the source towards the detector.

При этом имеет место обратная (падающая) зависимость интенсивности регистрируемого детектором гамма-излучения от поверхностной плотности контролируемого грунта, что связано с ослаблением потока первичных гамма-квантов, которые доходят до области под детектором непосредственно через грунт.In this case, there is an inverse (falling) dependence of the intensity of gamma radiation detected by the detector on the surface density of the monitored soil, which is associated with a weakening of the flow of primary gamma rays that reach the area under the detector directly through the soil.

Градуировка и характерная экспериментальная зависимость скорости счета зарегистрированных детектором гамма-квантов от плотности материала прибором по способу-прототипу представлена на фиг.2.The calibration and the characteristic experimental dependence of the count rate of the gamma quanta detected by the detector on the density of the material by the device according to the prototype method are shown in FIG. 2.

Указанная зависимость обеспечивается при наличии ровной (плоской) поверхности контролируемого материала и полном (по всей поверхности) прилегании к ней плоскости источник - детектор. Все это может быть обеспечено, если контролируемый материал является гомогенным (однородным), таким как, например, песок или глина.The indicated dependence is ensured in the presence of a flat (flat) surface of the controlled material and full (across the entire surface) adherence to the plane of the source - detector. All this can be achieved if the controlled material is homogeneous (homogeneous), such as, for example, sand or clay.

В то же время, при строительстве автомобильных и железных дорог значительный интерес представляет измерение поверхностной плотности гетерогенных (неоднородных) материалов, таких как гравий или щебень, имеющих размер фракций несколько сантиметров. В этом случае обеспечить полное прилегание плоскости источник - детектор к поверхности контролируемого материала невозможно. Попытки использовать известный способ для измерения поверхностной плотности щебня (плотность весовым методом - 1300 кг/ м³) с размером фракций 40 - 70 мм оказались неудачными. На фиг.2 изображена точка, соответствующая скорости счета зарегистрированных импульсов (265 имп./с) при измерении плотности указанного щебня, что соответствует плотности по градуировочной кривой 830 кг/м³. Здесь абсолютная погрешность измерения превышает 400 кг/м³.At the same time, in the construction of roads and railways, it is of considerable interest to measure the surface density of heterogeneous (heterogeneous) materials, such as gravel or crushed stone, having a fraction size of several centimeters. In this case, it is impossible to ensure a complete fit of the source - detector plane to the surface of the material being monitored. Attempts to use the known method for measuring the surface density of crushed stone (density by the weight method - 1300 kg / m ³ ) with a fraction size of 40 - 70 mm were unsuccessful. Figure 2 shows the point corresponding to the count rate of the recorded pulses (265 pulses / s) when measuring the density of the specified crushed stone, which corresponds to the density on the calibration curve of 830 kg / m ³ . Here, the absolute measurement error exceeds 400 kg / m ³ .

Недостаток прототипа заключается в низкой точности при измерении поверхностной плотности гетерогенных материалов. Этот недостаток обусловлен невозможностью полного прилегания плоскости источник - детектор к поверхности контролируемого материала. Указанный недостаток не позволяет использовать известный способ для измерения поверхностной плотности гетерогенных материалов, таких, например, как щебень и гравий, имеющих размеры фракций более 1 см.The disadvantage of the prototype is the low accuracy when measuring the surface density of heterogeneous materials. This disadvantage is due to the impossibility of a complete fit of the source-detector plane to the surface of the material being monitored. This drawback does not allow the use of the known method for measuring the surface density of heterogeneous materials, such as, for example, gravel and gravel having fractions of more than 1 cm.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении точности при измерении поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов.The technical result of the proposed method is to increase accuracy when measuring the surface density of mainly heterogeneous soils.

Заявленный результат достигается за счет того, что в способе измерения поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов, заключающемся в детектировании и регистрации плотности потока гамма-квантов, рассеянных на электронах атомов вещества при взаимодействии потока первичного гамма-излучения источника ионизирующего излучения с материалом грунта, и определении плотности грунта по зарегистрированной плотности потока гамма-квантов, детектор и источник гамма-излучения предварительно удаляют от поверхности грунта на расстояние, при котором во всем диапазоне измеряемой поверхностной плотности имеет место прямая (возрастающая) зависимость между зафиксированной детектором интенсивностью рассеянного грунтом излучения гамма-источника и поверхностной плотностью контролируемого грунта и, одновременно, погрешность измерения поверхностной плотности, обусловленная неоднородностью рельефа гетерогенного грунта, имеет допустимое значение.The claimed result is achieved due to the fact that in the method of measuring the surface density of predominantly heterogeneous soils, which consists in detecting and recording the flux density of gamma rays scattered by the electrons of the atoms of a substance during the interaction of the primary gamma radiation flux of the ionizing radiation source with the soil material, and determining the density of the soil according to the registered flux density of gamma rays, the detector and the gamma radiation source are previously removed from the soil surface at a distance A phenomenon in which there is a direct (increasing) dependence between the intensity of the gamma source radiation scattered by the soil and the surface density of the monitored soil recorded by the detector over the entire range of measured surface density and, at the same time, the error in measuring the surface density due to the heterogeneity of the relief of heterogeneous soil has an acceptable value .

Схема прибора, реализующего заявленный способ, и геометрия измерения по заявленному способу показана на фиг.З.The diagram of the device that implements the claimed method, and the measurement geometry of the claimed method is shown in Fig.Z.

При таком способе измерения, если определяемое подставкой 6 расстояние от детектора 4 и источника гамма-излучения 2 до поверхности контролируемого грунта достаточно велико, то (в отличие от прототипа) имеет место прямая (возрастающая) зависимость интенсивности регистрируемого детектором 4 гамма-излучения от плотности грунта. Это связано с тем, что в заявляемом способе основная часть первичных гамма-квантов доходит до грунта под детектором по воздуху и практически не ослабляется, а количество рассеянных в направлении детектора гамма-квантов возрастает при увеличении поверхностной плотности грунта из-за уменьшения расстояния от эффективной области рассеяния до детектора.With this measurement method, if the distance from the detector 4 and the gamma radiation source 2 to the surface of the controlled soil determined by the stand 6 is large enough, then (unlike the prototype) there is a direct (increasing) dependence of the intensity of gamma radiation detected by the detector 4 on the density of the soil . This is due to the fact that in the claimed method, the main part of the primary gamma rays reaches the ground under the detector through the air and practically does not weaken, and the number of gamma rays scattered in the direction of the detector increases with increasing surface density of the soil due to a decrease in the distance from the effective region scattering to the detector.

При этом определяемое подставкой 6 расстояние от детектора 4 и источника гамма-излучения 2 до поверхности контролируемого грунта не может выбираться слишком большим, т.к. при этом увеличивается путь, проходимый гамма-квантами до детектора, и, следовательно, уменьшается число гамма-квантов, достигающих детектора. Это в свою очередь вызывает увеличение статистической погрешности измерения. Таким образом, первым критерием выбора величины удаления детектора 4 и источника гамма-излучения 2 от поверхности грунта является минимальное значение удаления, при котором сохраняется прямая (возрастающая) зависимость регистрируемого детектором 4 интенсивности гамма-излучения от плотности грунта во всем диапазоне измерения.Moreover, the distance determined by the stand 6 from the detector 4 and the gamma radiation source 2 to the surface of the controlled soil cannot be chosen too large, because this increases the path traveled by gamma rays to the detector, and therefore decreases the number of gamma rays reaching the detector. This in turn causes an increase in the statistical measurement error. Thus, the first criterion for choosing the amount of removal of the detector 4 and the gamma radiation source 2 from the soil surface is the minimum removal value at which a direct (increasing) dependence of the gamma radiation intensity recorded by the detector 4 on the soil density is preserved over the entire measurement range.

Кроме этого, при измерении предлагаемым способом поверхностной плотности гетерогенного грунта может возникать дополнительная погрешность, обусловленная неоднородностью рельефа такого грунта. Если определяемое подставкой 6 расстояние от детектора 4 и источника гамма-излучения 2 до поверхности контролируемого грунта будет слишком мало, то интенсивность регистрируемого детектором 4 рассеянного гамма-излучения будет значительно зависеть рельефа грунта. Уменьшить эту зависимость до допустимого значения можно, увеличивая расстояние от детектора 4 и источника гамма-излучения 2 до поверхности контролируемого грунта.In addition, when measuring the surface density of a heterogeneous soil by the proposed method, an additional error may occur due to the heterogeneity of the relief of such soil. If the distance determined by the stand 6 from the detector 4 and the gamma radiation source 2 to the surface of the monitored soil is too small, then the intensity of the scattered gamma radiation detected by the detector 4 will significantly depend on the ground topography. This dependence can be reduced to an acceptable value by increasing the distance from the detector 4 and the gamma radiation source 2 to the surface of the controlled soil.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа необходимо выбирать определяемое подставкой 6 такое минимальное расстояние от детектора 4 и источника гамма-излучения 2 до поверхности контролируемого грунта, при котором одновременно сохраняется прямая (возрастающая) зависимость регистрируемого детектором 4 интенсивности гамма-излучения от плотности грунта во всем диапазоне измерения и погрешность измерения поверхностной плотности, обусловленная неоднородностью рельефа гетерогенного грунта, имеет допустимое значение.Thus, when implementing the proposed method, it is necessary to choose such a minimum distance from the detector 4 and the gamma radiation source 2 to the surface of the controlled soil, at which the direct (increasing) dependence of the gamma radiation intensity recorded by the detector 4 on the density of the soil is maintained at the same time the measurement range and the error in the measurement of surface density, due to the heterogeneity of the relief of heterogeneous soil, has an acceptable value.

Заявляемый способ реализован в приборе ИППГ-1, разработанном и изготовленном в 2012 году. В приборе использован гамма-источник на основе изотопа натрий - 22 с активностью 8*10⁵ Бк. Расстояние от оси гамма-источника до оси детектора NaJ(T1) диаметром 40 и высотой 25 мм составляет 150 мм. Высота подставки - 50 мм. Основные погрешности измерения на гомогенных материалах при времени измерительного цикла 100 с не превышают 75 кг/м³. Для гетерогенного материала - щебень с размером фракций от 40 до 70 мм - аналогичная погрешность не превышает 150 кг/м³.The inventive method is implemented in the device IPPG-1, developed and manufactured in 2012. The device used a gamma source based on the sodium isotope - 22 with an activity of 8 * 10 ⁵ Bq. The distance from the axis of the gamma source to the axis of the NaJ (T1) detector with a diameter of 40 and a height of 25 mm is 150 mm. Stand height - 50 mm. The main measurement errors on homogeneous materials at a measurement cycle time of 100 s do not exceed 75 kg / m ³ . For a heterogeneous material — crushed stone with a size of fractions from 40 to 70 mm — a similar error does not exceed 150 kg / m ³ .

Градуировка прибора представлена на фиг.4. Здесь же отмечена точка, соответствующая скорости счета при измерении поверхностной плотности щебня (1300 кг/ м³ плотность весовым методом).The calibration of the device is presented in figure 4. A point corresponding to the counting speed when measuring the surface density of crushed stone (1300 kg / m ³ density by the weight method) is also noted here.

Из вышеизложенного следует, что указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата.From the foregoing, it follows that the specified set of essential features is necessary and sufficient to achieve the specified technical result.

Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное техническое решение является новым и для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области, то есть соответствует критериям изобретения.An analysis of patent and scientific and technical literature containing descriptions of similar technical solutions in the considered and related fields of technology allows us to conclude that the proposed technical solution is new and does not explicitly follow from the prior art, has an inventive step, is industrially feasible and applicable in the specified area, that is, meets the criteria of the invention.

Claims

A method for measuring the surface density of predominantly heterogeneous soils, which consists in detecting and recording the flux density of gamma rays scattered by the electrons of the atoms of a substance during the interaction of the primary gamma radiation flux of the ionizing radiation source with the soil material, and determining the density of the soil from the recorded flux density of gamma rays characterized in that the detector and the gamma source are preliminarily removed from the surface of the soil at a distance at which over the entire range Measurements of the surface density is a direct (increasing) the fixed relationship between the intensity of scattered ground detector gamma radiation source and a controlled surface density of the soil and, simultaneously, the surface density of the measurement error due to the inhomogeneity of the heterogeneous soil relief has a valid value.