CN108918395A - 一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用静电收集测氡仪对表层土壤采样测量得到土壤孔隙率的方法及装置，本发明利用闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律计算得出准确的土壤孔隙率η，对采样的土壤的土壤孔隙率进行计算时，考虑氡的衰变、泄漏和反扩散效应，采用静电收集测氡仪，通过Po‑218的浓度反推氡的浓度，运用非线性拟合算法快速计算得到准确土壤孔隙率，无需等测量装置内氡浓度稳定，节省了测量时间。本发明采样测量过程及计算方法简单，考虑了影响测量结果的各个因素，提高了测量准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的方法及装置。
背景技术
土壤孔隙率是土壤颗粒之间的孔隙体积占土壤总体积的比率。土壤孔隙率是反映土壤特性的一个重要指标。现有技术中测量土壤孔隙率有经验计算法、水银压入法、土壤容重和比重计算法以及图像处理法等，这些方法都有一定的局限性，存在测量准确性不高，获得的数据误差较大，操作复杂等问题。
经验计算方法由其它土的指标(天然重度、含水量、土粒相对密度、水的重度)换算得来，大部分指标(天然重度、含水量、土粒相对密度)在测量过程中均会有误差，换算过程中的误差会放大，并且测量步骤比较繁琐，故换算得来的数据不准确，而且该方法适用于实验室操作，不适合工程现场应用。水银压入法由于需要压力作用，要用到水银测孔仪，而且不适合应用于土质较软的土壤，因为可能会导致土样被压力压散，所以这种方法一般用于进行较硬固体的孔径分析。另外，水银以及仪器价格不菲，使用此方法时试验成本较高，而且水银属于有毒化学品，使用不当会对实验人员和环境造成危害。图像处理法设备费和使用费都较高，只有条件较好的机构才使用，一般研究人员往往不具备这样的条件。气压比重计法测量周期长，操作复杂，无法满足实时信息获取的需要，极大地限制了它的实际应用。土壤容重和比重计算法对于不同土壤质地，土粒密度差异是客观存在的。并且确定不同土壤质地的土粒密度费工费时，通常以石英砂样本的容重作为典型参考值，这无形中就增加了测量数据的误差。
专利文献CN107741391A公开了一种测量土壤孔隙率的方法，其利用电阻率与土壤孔隙度之间的关系，通过测量土壤电阻率来得到土壤孔隙率，这种方法在采样测量过程中不必破坏土壤原有结构，可以最大限度地保留土壤的原始密度、含水量等要素，但是这种方法仍然存在计算复杂，需要先建立土壤孔隙率与土壤电阻率之间的关系模型，且模型为粗略估计模型，引入了误差，影响计算精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种利用静电收集测氡仪对表层土壤采样测量来得到土壤孔隙率的方法及装置，该方法包括采样过程和测量计算过程，能够通过简单的计算方法快速得到准确的土壤孔隙率。本发明通过密封盖组建闭环式测量系统；利用闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律计算得出土壤孔隙率η，本发明对采样的土壤的土壤孔隙率进行测量计算时，考虑了氡的衰变、泄漏和反扩散效应，采用静电收集测氡仪，通过Po-218的浓度反推氡的浓度，提高了测量的准确性，运用非线性拟合算法快速计算得到准确土壤孔隙率，无需等测量装置内氡浓度稳定，节省了测量时间。本发明方法测量精度高，测量时间短，测量过程及计算方法简单，降低了测量难度，节约了测量成本。
本发明的具体技术方案为：
一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的方法，它包括采样过程和测量计算过程。
S1、采样过程：
利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀(见图1)，切割自然状态的土壤，使土样充满其中。不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中。然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤。取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再连接环刀手柄，将土壤切割装置通过管道、气泵以及测氡仪连接组成一个闭环气路测量系统(见图3)。环刀手柄的结构如图2所示，其与环刀连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄上设置有环形开口腔，当组合成测量系统后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。
S2、测量计算过程：
启动泵，将测量系统内氡混合均匀，考虑泄漏和反扩散效应，测量系统中氡浓度的变化规律如下：
式中，V1是采样土壤的体积；V3是测量系统气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量系统内的氡浓度，单位为Bq·m-3；λe为有效衰变常数，包含氡的衰变常数，泄漏系数及反扩散系数；η为土壤孔隙度，其为无量纲数；A为土壤中氡的产生率，单位为Bq·m-3·s-1。
式(1)的解为：
式中a是任意常数。
对于静电收集法测氡仪，其测量的是Po-218的浓度，认为氡与Po-218达到放射性平衡，然后通过Po-218的浓度反推氡的浓度。根据放射性衰变规律有：
式中CPo(t)是Po-218的浓度；λPo是Po-218的衰变常数。
将式(2)代入式(3)有：
初始条件为：
CPo(0)＝0 (5)
式(4)的解为：
测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。
直接利用n个测量周期的值对式(6)进行非线性拟合，得到的值m。
式中，m为常数。
停止泵，在测量系统气路中添加一个体积为V4的空腔，启动泵，将氡混合均匀，此时测量系统内Po-218浓度的变化规律为：
测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。
直接利用n个测量周期的值对式(8)进行非线性拟合，得到的值k。
式中，k为常数。
将相关参数代入式(7)、式(9)求解，就可以得到土壤孔隙率η。
本发明进一步提供一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于：
所述测量装置为闭环气路装置，其由土壤切割装置、密封盖、气泵及测氡仪通过气路管道连接后组成；
所述土壤切割装置上的直管手柄排气孔通过气路管道与气泵的一端连接，所述气泵的另一端通过气路管道与测氡仪的一端连接，所述测氡仪的另一端通过气路管道与密封盖上的直通管连接。测氡仪为静电收集测氡仪。
所述的土壤切割装置由环刀手柄、环刀组成。所述的环刀手柄的一端设有环形开口腔，环形开口腔的端口设有台阶孔，台阶孔的端口设有与环刀连接的内螺纹，环形开口腔的底部中心设有中心孔，环刀手柄的另一端焊接有一根与中心孔相通的直通管，直通管的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄，直管手柄上的排气孔与直通管的内孔相通。所述的环刀的一端设有刀口，环刀的另一端设有与环刀手柄连接的外螺纹。
所述密封盖中心设有中心孔，中心孔焊接有直通管，直通管通过气路管道与静电收集法测氡仪连接，密封盖盖在环刀有刀口的一端。所述测量装置为闭环气路测量装置。
所述环刀手柄与环刀连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄上设置环形开口腔的作用是其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。
所述环刀手柄与环刀连接处为斜面。
所述外螺纹不高于环刀外表面。
与现有技术对比，本发明存在以下有益效果：
1、本发明利用在闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律计算得出准确的土壤孔隙率η，对采样的土壤的土壤孔隙率进行计算时，考虑氡的衰变、泄漏和反扩散效应，采用静电收集测氡仪，通过Po-218的浓度反推氡的浓度，提高了计算的准确性，运用非线性拟合算法快速计算得到准确土壤氡的产生率及土壤孔隙率，无需等测量装置内氡浓度稳定，节省了测量时间。
2、本发明采样测量过程及计算方法简单，考虑了影响测量结果的各个因素，提高了测量准确性，测量无需等装置内氡浓度稳定，节省了测量时间，测量过程及计算方法简单，降低了测量难度，节约了测量成本。
3、环刀手柄与环刀连接处是一个斜面，便于环刀采样，在采样时用力更加均匀，避免了左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏。
4、环刀手柄与环刀连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄上设置环形开口腔，当组合成测量装置后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的测量装置示意图；
图2为土壤切割装置的结构示意图；
图3为附图2中的A-A剖视图；
图4为环刀手柄的结构示意图；
图5为附图4中的B-B剖视图；
图6为环刀的结构示意图；
图7为附图6中的C-C剖视图；
图8为密封盖的结构示意图；
图9为附图8的D-D剖视图。
其中：1为土壤切割装置，2为气泵，3为测氡仪，4为土壤，5为滤膜，6为密封盖，7为气路管道，1-1为环刀手柄，1-2为环刀，1-1-1为环形开口腔，1-1-2为台阶孔，1-1-3为内螺纹，1-1-4为中心孔，1-1-5为直通管，1-1-6为直管手柄，1-2-1为刀口，1-2-2为外螺纹，6-1为中心孔，6-2为直通管。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的具体参数设置等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的方法，它包括采样过程和测量计算过程。
S1、采样过程：
利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀(见图1)，切割自然状态的土壤，使土样充满其中。不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中。然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤。取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再连接环刀手柄。该组件与其他部件组成一个闭环气路测量系统(见图3)。环刀手柄的结构如图2所示，其与环刀连接后可作为把手用于采样，环刀手柄上设置有环形开口腔，当组合成测量系统后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。
S2、测量计算过程：
启动泵，将测量系统内氡混合均匀，考虑泄漏和反扩散效应，测量系统中氡浓度的变化规律如下：
式中，V1是采样土壤的体积；V3是测量系统气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量系统内的氡浓度，单位为Bq·m-3；λe为有效衰变常数，包含氡的衰变常数，泄漏系数及反扩散系数；η为土壤孔隙度，其为无量纲数；A为土壤中氡的产生率，单位为Bq·m-3·s-1。
式(1)的解为：
式中a是任意常数。
对于静电收集法测氡仪，其测量的是Po-218的浓度，认为氡与Po-218达到放射性平衡，然后通过Po-218的浓度反推氡的浓度。根据放射性衰变规律有：
式中CPo(t)是Po-218的浓度；λPo是Po-218的衰变常数。
将式(2)代入式(3)有：
初始条件为：
CPo(0)＝0 (5)
式(4)的解为：
测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。
直接利用n个测量周期的值对式(6)进行非线性拟合，得到的值m。
式中，m为常数。
停止泵，在测量系统气路中添加一个体积为V4的空腔，启动泵，将氡混合均匀，此时测量系统内Po-218浓度的变化规律为：
测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。
直接利用n个测量周期的值对式(8)进行非线性拟合，得到的值k。
式中，k为常数。
将相关参数代入式(7)、式(9)求解，就可以得到土壤孔隙率η。
本发明进一步提供一种利用静电测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于：
所述测量装置为闭环气路装置，其由土壤切割装置1、气泵2、测氡仪3及密封盖6通过气路管道7连接后组成；
所述土壤切割装置1上的直管手柄1-1-6排气孔通过气路管道7与气泵2的一端连接，所述气泵2的另一端通过气路管道7与测氡仪3的一端连接，所述测氡仪3的另一端通过气路管道7与密封盖6上的直通管6-2连接。
所述的土壤切割装置1由环刀手柄1-1、环刀1-2组成。所述的环刀手柄1-1的一端设有环形开口腔1-1-1，环形开口腔1-1-1的端口设有台阶孔1-1-2，台阶孔1-1-2的端口设有与环刀1-2连接的内螺纹1-1-3，环形开口腔1-1-1的底部中心设有中心孔1-1-4，环刀手柄1-1的另一端焊接有一根与中心孔1-1-4相通的直通管1-1-5，直通管1-1-5的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄1-1-6，直管手柄1-1-6上的排气孔与直通管1-1-5的内孔相通。所述的环刀1-2的一端设有刀口1-2-1，环刀1-2的另一端设有与环刀手柄1-1连接的外螺纹1-2-2。
所述密封盖6带有密封垫，所述密封盖6中心设有中心孔6-1，中心孔焊接有直通管6-2，直通管6-2通过气路管道7与测氡仪3连接，密封盖6盖在环刀1-2有刀口1-2-1的一端。
所述环刀手柄1-1与环刀1-2连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄1-1上设置环形开口腔1-1-1的作用是其与环刀1-2内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。
所述外螺纹1-2-2不应高于环刀1-2外表面。
所述环刀手柄1-1与环刀1-2连接处应是一斜面。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (6)
1.一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的方法，其特征在于，它包括采样过程和测量计算过程，
S1、采样过程：
利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀，切割自然状态的土壤，使土样充满其中；不可左右摇动，以保持土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中；然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤；取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上带密封垫的端盖，然后再连接环刀手柄；将土壤切割装置通过管道、气泵以及测氡仪连接组成一个闭环气路测量系统；环刀手柄与环刀连接后可作为把手用于采样，当组合成测量系统后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙；
S2、测量计算过程：
启动泵，将测量系统内氡混合均匀，考虑泄漏和反扩散效应，测量系统中氡浓度的变化规律如下：
式中，V1是采样土壤的体积；V3是测量系统气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量系统内的氡浓度，单位为Bq·m-3；λe为有效衰变常数，包含氡的衰变常数，泄漏系数及反扩散系数；η为土壤孔隙度，其为无量纲数；A为土壤中氡的产生率，单位为Bq·m-3·s-1。
式(1)的解为：
式中a是任意常数。
对于静电收集法测氡仪，其测量的是Po-218的浓度，认为氡与Po-218达到放射性平衡，然后通过Po-218的浓度反推氡的浓度。根据放射性衰变规律有：
式中CPo(t)是Po-218的浓度；λPo是Po-218的衰变常数。
将式(2)代入式(3)有：
初始条件为：
CPo(0)＝0 (5)
式(4)的解为：
测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。
直接利用n个测量周期的值对式(6)进行非线性拟合，得到的值m。
式中，m为常数。
停止泵，在测量系统气路中添加一个体积为V4的空腔，启动泵，将氡混合均匀，此时测量系统内Po-218浓度的变化规律为：
测氡仪以T为测量周期，T为2-20分钟；测量n个测量周期，n大于等于3；每个测量周期的测量值认为是测量周期中点的测量值。
直接利用n个测量周期的值对式(8)进行非线性拟合，得到的值k。
式中，k为常数。
将相关参数代入式(7)、式(9)求解，就可以得到土壤孔隙率η。
2.一种利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于，所述测量装置为闭环气路装置，其由土壤切割装置、密封盖、气泵及测氡仪通过气路管道连接后组成；
所述土壤切割装置由环刀手柄、环刀组成；所述环刀手柄的一端设有环形开口腔，所述环形开口腔的端口设有台阶孔，所述台阶孔的端口设有与所述环刀连接的内螺纹，所述环形开口腔的底部中心设有中心孔，所述环刀手柄的另一端焊接有一根与中心孔相通的直通管，所述直通管的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄，所述直管手柄上的排气孔与所述直通管的内孔相通；所述环刀的一端设有刀口，所述刀口外壁设置有与密封盖配合的外螺纹，所述环刀的另一端外壁设有与所述环刀手柄连接的外螺纹；所述土壤切割装置上的直管手柄排气孔通过气路管道与所述气泵的一端连接，所述气泵的另一端通过气路管道与所述测氡仪连接组成测量装置，气路测氡仪为静电收集测氡仪。
3.根据权利要求2所述的利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于，所述密封盖中心设有中心孔，所述中心孔焊接有直通管，所述直通管通过气路管道与所述测氡仪连接，所述密封盖盖在环刀有刀口的一端。
4.根据权利要求2所述的利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于，所述密封盖带有密封垫。
5.根据权利要求2所述的利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于：所述外螺纹不高于环刀外表面。
6.根据权利要求2所述的利用静电收集测氡仪测量土壤孔隙率的装置，其特征在于：所述环刀手柄与所述环刀连接处是一斜面。
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