СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ГЕТЕРОГЕННЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N23/02 

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.

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».

В качестве аналогов выбраны метод абсорбции (п.1.5) и альбедо-абсорбционный метод (п.1.6).

Метод абсорбции заключается в детектировании и регистрации плотности потока гамма-квантов, прошедших через слой материала между радиоактивным источником и детектором гамма-излучения.

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.

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.

Наиболее близким по назначению и отличительным признакам к заявляемому является принятый за прототип метод альбедо (п.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.

В этом случае не требуется углублять источник с детектором в грунт, т.к. они размещаются на поверхности грунта.

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.

Для уменьшения погрешности измерения между источником 2 и детектором 4 устанавливается экран 3, поглощающий неинформативные гамма-кванты, направленные от источника в сторону детектора.

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.

Градуировка и характерная экспериментальная зависимость скорости счета зарегистрированных детектором гамма-квантов от плотности материала прибором по способу-прототипу представлена на фиг.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.

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.

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.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении точности при измерении поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов.

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.

Схема прибора, реализующего заявленный способ, и геометрия измерения по заявленному способу показана на фиг.З.

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.

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.

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.

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.

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.

Градуировка прибора представлена на фиг.4. Здесь же отмечена точка, соответствующая скорости счета при измерении поверхностной плотности щебня (1300 кг/ м³ плотность весовым методом).

Из вышеизложенного следует, что указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата.

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.

Использование: для измерения поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов. Сущность изобретения заключается в том, что детектируют и регистрируют плотность потока гамма-квантов, рассеянных на электронах атомов вещества при взаимодействии потока первичного гамма-излучения источника ионизирующего излучения с материалом грунта и определяют плотность грунта по зарегистрированной плотности потока гамма-квантов, при этом детектор и гамма-источник предварительно удаляют от поверхности грунта на такое расстояние, при котором во всем диапазоне измерения 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. Технический результат: повышение точности при измерении поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов. 4 ил.

Способ измерения поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов, заключающийся 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, отличающийся тем, что детектор и гамма-источник предварительно удаляют от поверхности грунта на такое расстояние, при котором во всем диапазоне измерения 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.