PL66119B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: Opublikowano: 15.IX.1972 66119 KI. 421,1/01 MKP GOln 9/24 Wspóltwórcy wynalazku: Jan A. Czubek, Julian Studnicki, Jan Wozniak Wlasciciel patentu: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanislawa Staszica, Kraków (Polska) Dwudetektorowa sonda do pomiaru gestosci gruntów i skal Przedmiotem wynalazku jest dwudetektorowa sonda do bezwzglednego pomiaru gestosci gruntów, zlóz i innych osrodków w warunkach ich natu¬ ralnego zalegania, „in situ", zarówno powierzch¬ niowo jak i wglebnie w otworach wiertniczych.W szczególnosci sonda znajduje zastosowanie do celów geofizyki poszukiwawczej przy profilowaniu odwiertów, gdzie jednym z warunków prawidlo¬ wej interpretacji zlóz jest dokladna znajomosc ich bezwzglednej gestosci. Ponadto sonda jest stoso¬ wana dla celów budownictwa, przy prowadzeniu ziemnych prac inzynierskich.Dotychczas pomiaru gestosci gruntu lub zloza do¬ konuje sie najprostsza metoda przez pobranie pró¬ bek osrodka, co rzadko daje zadowalajace rezul¬ taty z tego wzgledu, ze w trakcie pobierania pró¬ bek zostaje zwykle naruszona struktura osrodka.Pobieranie próbek mozna zatem jedynie stosowac w przypadku skal i osrodków spoistych. Dlatego tez do pomiaru gestosci stosuje sie powszechnie sondy radioizotopowe, pozwalajace na szybki po¬ miar gestosci osrodków w warunkach ich. natural¬ nego zalegania, bez koniecznosci pobierania pró¬ bek. Sonda gestosciomierza zawiera zródlo pro¬ mieniowania gamma i detektor, oddzielone od sie¬ bie olowianym ekranem.Kwanty promieniowania przenikaja ze zródla do badanego osrodka, gdzie na elektronach atomów, budujacych srodowisko rozpraszajace ulegaja roz¬ proszeniom komptonowskim oraz czesciowej ab- 15 25 30 sorpcji w wyniku efektu fotoelektrycznego. Po¬ niewaz ze wzrostem gestosci osrodka zwieksza sie równiez ilosc elektronów w jednostce objetosci, wzrasta zatem ilosc komptonowskich rozproszen kwantów gamma, wychodzacych ze zródla. W re¬ zultacie im wieksza jest gestosc, tym mniej kwan¬ tów dochodzi poprzez srodowisko rozpraszajace ze zródla do detektora. Na podstawie ilosci zliczen impulsów, wychodzacych z detektora, zarejstrowa- nych przez przelicznik z krzywej cechowania, któ¬ ra podaje zaleznosc ilosci zliczen od gestosci, okre¬ sla sie gestosc badanego osrodka.Pomiar gestosci przy uzyciu opisanej sondy ge¬ stosciomierza jest obarczony znacznym bledem o ile osrodki, których gestosc sie mierzy, nie maja jednakowego skladu chemicznego, scislej, jesli róz¬ nia sie liczba atomowa Z, a w przypadku osrod¬ ków zbudowanych z róznych pierwiastków, ekwi¬ walentna liczba atomowa Zeq. Zarejestrowana licz¬ ba zliczen jest zalezna wT tym przypadku nie tylko od gestosci osrodka ale równiez od jego ekwiwa¬ lentnej liczby atomowej Zeq.Nalezaloby w tym przypadku znac krzywe ce¬ chowania dla kazdego osrodka oddzielnie, co jest uciazliwe i trudne do zrealizowania w praktyce, ze wzgledu na koniecznosc zbudowania duzej ilos¬ ci modeli do cechowania, o róznych gestosciach i scisle okreslonych ekwiwalentnych liczbach ato¬ mowych. Innym czynnikiem, powodujacym duzy blad pomiaru gestosci przy uzyciu sondy jedno- 66119? 3 licznikowej gamma-gamma, jest wplyw tak zwanej bliskiej strefy, to znaczy strefy bezposrednio przy¬ legajacej do sondy i rózniacej sie wlasnosciami fizycznymi od badanego osrodka. Strefe te moga tworzyc, np, rury oslaniajace otwór ' wiertniczy, pluczka, nieregularnosci otworu i kawerny, war¬ stwa osrodka, zaburzona na skutek filtracji plucz¬ ki, zageszczenie osrodka, powstale w procesie wy¬ konywania otworu itp., a w przypadku pomiarów powierzchniowych nierównosci powierzchni i zwie¬ trzala przypowierzchniowa warstwa osrodka.Próby usuniecia wplywu skladu chemicznego przez zastosowanie róznego rodzaju filtrów meta¬ lowych, oslaniajacych detektor, które maja na celu obciecie miekkiej skladowej promieniowania roz¬ proszonego, nie daja calkiem zadowalajacych wy¬ ników. Bardziej skuteczna jest dyskryminacja elek¬ troniczna impulsów z detektora, lecz wymaga sto¬ sowania spektrometrycznych liczników scyntyla¬ cyjnych. Stosowanie tych liczników komplikuje cale urzadzenie, zwieksza jego koszt i stwarza duze trudnosci w pomiarach terenowych, zwiazane z ko¬ niecznoscia utrzymania bardzo stabilnych warun¬ ków pracy aparatury elektronicznej. Stosowanie licznika scyntylacyjnego w. sondzie pociaga rów¬ niez za soba zwiekszenie srednicy sondy w porów¬ naniu z sonda, zawierajaca licznik Geigera-Mul¬ lera,* co ogranicza jej zakres stosowania do otwo¬ rów o duzym przekroju.Inna znana sonda zawiera dwa detektory scyn¬ tylacyjne, umieszczone w róznych odleglosciach od zródla. Detektor blizszy zródla jest czuly glównie na gestosc materialu bliskiej strefy, natomiast wskazania detektora dalszego sa w mniejszym sto¬ pniu przez nia zaklócane. W zwiazku z tym przez wprowadzenie odpowiedniej poprawki, obliczanej automatycznie przy pomocy komputera ze wskazan obu detektorów uwzglednia sie wplyw zarurowa- nia oraz nieregularnosci otworu wiertniczego. Po¬ prawke te dodaje sie do gestosci, wyinterpretowa¬ nej ze wskazan detektora bardziej oddalonego od zródla i zarazem mniej czulego na strefe bliska.Oprócz swoich zalet rozwiazanie to posiada nie¬ dogodnosci wynikajace miedzy innymi stad, iz wy¬ maga uzycia skomplikowanej aparatury oraz zasto¬ sowania uciazliwych zabiegów kalibracyjnych.Celem wynalazku jest zwiekszenie dokladnosci pomiarów gestosci gruntów i skal poprzez rów¬ noczesna eliminacje wplywu skladu chemicznego i bliskiej strefy na wynik pomiaru gestosci, oraz uproszczenie konstrukcji znanych urzadzen pomia¬ rowych.Cel ten osiaga sie za pomoca dwudetektorowej sondy wedlug wynalazku, która sklada sie ze zró¬ dla promieniowania gamma, korzystniej izotopu kobaltu 60Co, z dwóch takich samych liczników Geigera-Mullera lub ich zestawów, umieszczonych w róznych odleglosciach od zródla i oddzielonych od niego ekranami olowianymi, oraz z ukladu elektronicznego, sluzacego do przesylania impulsów elektrycznych do urzadzenia rejestrujacego.Dwudetektorowa sonda do pomiaru gestosci grun¬ tów i skal wedlug wynalazku jest przedstawiona w7 przykladowym wykonaniu na rysunku, na któ¬ rym fig. 1 przedstawia sonde w przekroju wzdluz 4 osi podluznej, przystosowana do pomiarów w otwo¬ rach wiertniczych o malej srednicy, a fig. 2 — schemat ukladu elektronicznego.Sonda zawiera metalowa, najlepiej stalowa lub 5 duraluminiowa oslone 1, w postaci rury o sred¬ nicy okolo 20 mm (fig. 1). W górnej czesci oslony 1 sonda ma wodoszczelna glowice 2, skladajaca sie z duraluminiowego korpusu z wspólsrodkowym otwTorem na kabel 3 oraz z dwóch duraluminio- io wych pierscieni i gumowych uszczelek. Przez do¬ krecenie pierscieni, katel 3, laczacy sonde z re¬ jestratorem impulsów i stanowiacy zarazem linke nosna sondy, zostaje szczelnie i sztywno zamoco¬ wany w glowicy 2, przy równoczesnym zaklino- 15 waniu jej w oslonie 1. Ponizej glowicy 2 w oslo¬ nie 1 jest umieszczony zespól elementów, tworza¬ cych elektroniczny uklad 4 oraz dwa takie same chlorowcowe" liczniki 5 i 6 Geigera-Mullera, na przyklad typu STS-5. Od dolu oslona 1 jest za- 20 konczona gwintowanym gniazdem 7, do którego jest przykrecony duralowy zasobnik 8, zawieraja¬ cy zródlo 9 promieniowania. Zródlem 9 jest naj¬ lepiej izotop kobaltu 60Co, o aktywnosci okolo 5 mC. 25 W celu uzycia zródla 9 promieniowania o mniej¬ szej aktywnosci i/lub w celu skrócenia czasu po¬ miaru stosuje sie z.amiast dwóch pojedynczych licz¬ ników 5 i 6 Geigera-Mullera, dwa takie same ze¬ stawy tych liczników. Liczniki 5 i 6 sa umieszczo- 30 ne w róznych, ale odpowiednio dobranych odle¬ glosciach od zródla 9. Odleglosc osrodka dlugosci czynnej jednego licznika 5 od srodka geometrycz¬ nego zródla 9 wynosi najlepiej 490 mm, a ana¬ logiczna odleglosc dla drugiego licznika 6 wynosi 35 najlepiej 270 mm. Pomiedzy licznikami 5 i 6 oraz powyzej gniazda 7 sa osadzone olowiane ekrany 10* Liczniki' 5 i 6, ekrany 10 oraz elementy elektro¬ nicznego ukladu 4 sa polaczone w jedna calosc odcinkami rury i unieruchomione w oslonie 1 za 40 pomoca dociskajacej sprezyny 11. Sonda wraz z przykreconym zasobnikiem 8 zródla 9 promie¬ niowania do gniazda 7 ma dlugosc okolo 830 mm.Sonda jest polaczona kablem 3 z rejestratorem im¬ pulsów, który stanowi jej aparature naziemna. Re- 45 jestratorem impulsów jest znany lampowy lub tranzystorowy przelicznik impulsów, sieciowy lub bateryjny, wraz z zasilaczem wysokiego napiecia.Zasilacz jest wyposazony w przelacznik, umozli¬ wiajacy komutacje polarnosci stalego napiecia za- 50 silania, podawanego przewodem 3 do liczników 5 i 6. Przy ustalonej polarnosci stalego napiecia za¬ silajacego sonde, przesylanego przewodem 3, wla¬ czony jest tylko jeden z dwóch liczników 5 i 6 sondy. 55 Zmiana polarnosci na przeciwna powoduje wla¬ czenie drugiego, z tych liczników 5 i 6. Przelacza¬ nie liczników 5 i 6, poprzez zmiane polarnosci na¬ piecia zasilania sondy, dokonuje sie dzieki pola¬ czeniu tych liczników 5 i 6 z elektronicznym ukla- 60 dem 4. Uklad 4 zawiera dwie krzemowe diody Dx i D2, których anody sa polaczone we wspólnym punkcie A z katodami liczników 5 i 6 (fig. 2).Anoda jednego licznika 5 jest polaczona poprzez opornosc Rx obciazenia z katoda jednej diody D2 65 i zyla kabla 3. Anoda drugiego licznika 6 jest po-66119 5 loczona poprzez opornosc R2 obciazenia z katoda dru¬ giej diody D2 i ekranujacym oplotem kabla 3. Przy dodatnim napieciu zyly kabla 3 wzgledem jego oplotu, wlaczony jest jeden licznik 5, natomiast drugi licznik 6 jest wylaczony, w wyniku zablo¬ kowania dioda D2. W przypadku ujemnego na¬ piecia zyly wzgledem oplotu zachodzi odwrotne zjawisko: mianowicie wlaczony jest drugi licznik 6, a pierwszy licznik 5 jest wylaczony wskutek zablokowania go dioda D1# Anody liczników 5 i 6 sa polaczone poprzez dwa kondensatory Cj i C2 z jednym z wyprowadzen pierwotnego uzwojenia, miniaturowego transforma¬ tora T, o przekladni obnizajacej 1:40. Natomiast jedno z wyprowadzen uzwojenia wtórnego, trans¬ formatora T jest polaczone poprzez kondensator Cs z zyla kabla 3, a pozostale dwa wyprowadzenia uzwrojenia pierwotnego i wtórnego tego transfor¬ matora T sa polaczone z oplotem kabla 3. Zasto¬ sowanie kondensatorów Clf C2 i C3 ma na celu usuniecie stalej skladowej sygnalów, a uzycie mi¬ niaturowego transformatora T o przekladni obni¬ zajacej pozwala na optymalne przesylanie sygna¬ lu, zbieranego równolegle z obu liczników 5 i 6 kablem 3 z sondy do rejestratora impulsów.W celu przeprowadzenia pomiarów ilosciowych sonda pomiarowa musi byc odpowiednio wycecho- wana. Cechowanie przeprowadza sie na modelach gruntów, wykonanych z jednorodnych osrodków, o róznych ale dokladnie znanych gestosciach. Do przygotowanego modelu wprowadza sie sonde po¬ miarowa i obserwuje sie jej wskazania, podajac ilosc zliczen impulsów w jednostce czasu, odpowiednio dla licznika umieszczonego blizej i dalej od zród¬ la promieniowania, a nastepnie tworzy sie stosu¬ nek tych wskazan. Szereg tak przeprowadzonych pomiarów na modelach o róznej gestosci umozli¬ wia ustalenie poszukiwanej zaleznosci pomiedzy stosunkiem ilosci zliczen lub jego logarytmem a gestoscia otaczajacego osrodka, w wyniku czego otrzymuje sie tak zwana krzywa cechowania sondy.Taki sposób cechowania sondy pomiarowej eli¬ minuje bledy pomiaru, spowodowane róznym skla¬ dem chemicznym badanych osrodków, niedoklad¬ nosciami wykonania otworu i obecnoscia rur okla¬ dzinowych w otworze.Przy wlasciwym pomiarze gestosci gruntów, do¬ konywanym sonda wedlug wynalazku z uzyska¬ nego podobnie jak przy jej cechowaniu stosunku ilosci zliczen impulsów, interpretuje sie odpowied¬ nia wartosc gestosci przy uzyciu uprzednio wyzna¬ czonej krzywej cechowania. Ostatecznym wynikiem pomiaru jest srednia gestosc osrodka, zalegajacego wokól oslony sondy w strefie pomiarowej o gru¬ bosci 15—20 cm i wysokosci okolo 60 cm.Dwudetektorowa sonda wedlug wynalazku znaj¬ duje równiez zastosowanie do badan powierzchnio¬ wych. Wówczas nie stosuje sie rurowej oslony za¬ konczonej glowica i gniazdem, do którego jest przykrecony zasobnik ze zródlem promieniowania, lecz zasobnik ten moze byc umieszczony bezpo¬ srednio w oslonie. 6 Dwudetektorowa sonda do pomiaru gestosci gruntów i skal wedlug wynalazku odznacza sie duza dokladnoscia pomiaru dzieki uniezaleznieniu go od skladu chemicznego osrodka oraz zmniej- 5 szeniu wplywu takich czynników, jak zarurowanie otworu, niedokladnosci jego wykonania i innych.Ponadto konstrukcja i wyposazenie gestosciomie- rza, zawierajacego sonde wedlug wynalazku sa prostsze w porównaniu z innymi gestosciomierza- io mi dwudetektorowymi w wyniku zastosowania liczników Geigera-Miillera w miejsce liczników scyntylacyjnych, wymagajacych bardziej skompli¬ kowanej aparatury. W zwiazku z tym obniza sie takze koszt grubosciomierza. Zaleta sondy jest jej 15 mala srednica, pozwalajaca na zastosowanie jej do pomiaru w otworach o malej srednicy, co ma szczególne znaczenie w pracach inzynierskich i bu¬ dowlanych. 20 PL PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Dwudetektorowa sonda do pomiaru gestosci gruntów i skal, majaca metalowa oslone, zasobnik ze zródlem promieniowania gamma i olowiane 25 ekrany ora?: uklad elektroniczny, polaczony wspól¬ osiowym kablem z urzadzeniem rejestrujacym, znamienna tym, ze w oslonie (1), w róznych odle¬ glosciach od zródla (9) promieniowania sa umiesz¬ czone dwa takie same liczniki (5) i (6) Geigera- 30 -Mullera lub dwa takie same zestawy tych licz¬ ników, które sa oddzielone olowianymi ekranami (10) od zródla (9) i polaczone z elektronicznym ukladem (4). 2. Dwudetektorowa sonda wedlug zastrz. 1, zna- 35 mienna tym, ze zródlem (9) promieniowania gam¬ ma jest izotop kobaltu 60Co, o aktywnosci okolo 5 mC. 3. Dwudetektorowa sonda wedlug zastrz. 1 i 2, znamienna tym, ze odleglosc srodka dlugosci czyn- 40 nej jednego licznika (5) od srodka geometryczne¬ go zródla (9) wynosi 490 mm, a analogiczna od¬ leglosc dla drugiego licznika (6) wynosi najlepiej 270 mm. 4. Dwudetektorowa sonda wedlug zastrz. 1—3, 45 znamienna tym, ze elektroniczny uklad (4) zawie¬ ra dwie krzemowe diody (Dj) i (D2), których ano¬ dy sa polaczone we wspólnym punkcie (A) z ka¬ todami liczników (5) i (6), przy czym anoda jed¬ nego licznika (5) jest polaczona poprzez opornosc 50 (Ri) obciazenia z katoda jednej diody (Dj) i zyla kabla (3), a anoda drugiego licznika (6) jest pola¬ czona poprzez opornosc (R2) obciazenia z katoda drugiej diody (D2) i oplotem kabla (3), ponadto anody liczników (5) i (6) sa polaczone poprzez dwa 55 kondensatory (Cy i (Cy z jednym z wyprowadzen pierwotnego uzwojenia miniaturowego transforma¬ tora (T) o przekladni obnizajacej 1:40, natomiast jedno z wyprowadzen uzwojenia wtórnego tego transformatora (T) jest polaczone poprzez konden- 60 sator (C3) z zyla kabla (3), a pozostale dwa wy¬ prowadzenia uzwojenia pierwotnego i wtórnego tego transformatora (T) sa polaczone z oplotem kabla (3).Ki. 421,1/01 66H9 MKP G01n 9/24 A / Fig. f ± C3 r Cl HI—t R1 rh Sdi 0 C2 HM U/ R2 Fin.

2. y^2 ~< PZG w Pab., zam. 1098-72, nakl. 210 + 20 egz. Cena zl 10,— PL PL