Способ измерения влажности органогенной почвы Советский патент 1992 года по МПК G01N23/00 

(Л

С

Использование: контроль влажности по- чвогрунтов. Сущность изобретения: облучают на требуемой глубине почву быстрыми нейтронами изотопного источника Регистрируют поток замедлившихся нейтронов в надтепловой области спектра с последующим определением водородосодержания почвы. Регистрируют рассеянное гамма-излучение радиационного захвата нейтронов водородом в двух областях энергетического спектра: жесткой 0,4-0,3 МэВ с после дующим определением плотности почвы и мягкой 0,2-0,05 МэВ с последующим определением зольности почвы. По полученным значениям водородосодержания, плотности и зольности рассчитывают влажность почвы 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для контроля водного режима почвогрунтов на орошаемых массивах

Известен способ измерения влажности почвогрунтов, основанный на эффекте замедления быстрых нейтронов в процессе упругого рассеяния на ядрах водорода, со.- держащегося во влаге материала, и регистрации потока медленных нейтронов.

Недостатком известного способа являются отсутствие коррекции по плотности и непригодность для органогенных почв, содержащих водород в твердой фазе.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерений влажности органогенной почвы, закл ючающийся в облучении почвы быстрыми нейтронами изотопного источника и регистрации потока медленных нейтронов вблизи источника и рассеянного гамма-излучения радиационного захвата нейтронов

на инверсионном расстоянии от источника нейтронов с последующим расчетом влажности по отношению скоростей счета медленных нейтронов и гамма-квантов.

Однако на результаты измерений влажности влияет химический состав органогенной почвы, в частности ее минеральной компоненты, а также различие в замедляющей способности по отношению к нейтронам водорода свободной воды и водорода органических соединений, слагающих твердую фазу, что в совокупности снижает точность измерений, особенно в почвах малой влажности.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения влажности органогенной почвы, включающем облучение почвы быстрыми нейтронами изотопного источника и регистрацию nofOKa замедлившихся нейтронов вблизи источних4

00

со

СдЭ

ю о

ка и рассеянного гамма-излучения радиационного захвата нейтронов на инверсионном расстоянии от источника нейтронов с последующим расчетом влажности по отношению интенсивностей потоков замедлившихся нейтронов и гамма-квантов, регистрируют интенсивность потока замедлившихся нейтронов в надтепловой области энергетического Спектра, регистрируют рассеянное гамма-излучение радиационного захвата нейтронов в двух областях энергетического спектра, жесткой 0,4-0,3 МэВ и мягкой 0,20-0,05 МэВ, по измеренной интенсивности потока гамма-излучения в жесткой области определяют плотность почвы, по измеренной интенсивности потока гамма- излучения в мягкой области определяют зольность почвы, по измеренной интенсивности потока надтепловых нейтронов определяют водородосодержание почвы, а по полученным значениям водородосодержа- ния, плотности и зольности р ассчитывают влажность органогенной почвы.

Различие в замедляющей способности по отношению к нейтронам водорода воды и органических соединений (твердой фазы) проявляется лишь в энергетическом интервале от ,0,1 до 0,025 эВ. Поэтому, осуществляя регистрацию интенсивности потока замедлившихся нейтронов в надтепловой области энергетического спектра (0,1 + 1 эВ), можно полностью устранить влияние на результаты измерений различий в замедляющей способности водорода твердой фазы и влаги и тем самым повысить точность измерений влажности органогенной почвы.

Наличие в твердой фазе органогенной почвы не только органической, но и минеральной компоненты приводит к необходимости учета также и зольности торфа, характеризуемой весовым содержанием минеральных компонентов в сухом веществе Ас. С учетом этого фактора выведена следующая расчетная формула для содержания водорода в единице объема среды Н, которое может быть измерено в результате применения нейтронного метода1

H + K2p(1-W) (1-Ac),

0)

где р- плотность почвы, кг/м ,

W - относительная весовая влажность,

%:

Ki.Ka - коэффициенты, учитывающие весовое содержание водорода соответственно в воде и твердой фазе почвы,

Из формулы (1) следует, что для определения весовой влажности органогенной почвы необходимо знать ее плотность и зольность, Измерить плотность и зольность органогенной почвы нейтронным методом можно, осуществив разделение энергетических полос спектра рассеянного гамма-излучения радиационного захвата нейтронов на жесткую (энергия гамма-квантов 0,4- 0,3 МэВ) и мягкую (0,20-0,05 МэВ) составляющие при его исходной энергии 2,2 МэВ.

При этом регистрируемое рассеянное гамма-излучение в полосе спектра от 0,4 до 0,3 МэВ определяется в основном плотностью почвы и не зависит от ее зольности, тек как в этом интервале энергии преобладающим процессом является комптоновское рассеяние, На фиг.1 представлена зависимость интенсивности рассеянного гамма-излучения радиационного захвата нейтронов от плотности торфяной почвы.

Начиная от энергии 0,2 МэВ и менее преобладающим процессом взаимодействия гамма-квантов с веществом является фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), и, как следствие, интенсивность рассеянного гамма-излучения определяется зольностью почвы. На фиг.2 представлена зависимость интенсивности рассеянного гамма-излучения радиационного захвата нейтронов от объемной зольности торфяной

почвы. В свою очередь, объемная зольность связана с зольностью на сухое вещество следующим выражением:

35

A Ac/o(1-W).

(2)

Преобразуя формулу (1) с учетом формулы (2), получают

H Ki pW + «2 p(1-W) x 40,,А ч,.

х (1-p(1-W))(3)

или

H KipW+K2p(1-W)-K2A.(4)

Проведя соответствующие преобразования формулы (4) и заменяя Ki - Ка на аи K2/(Ki - К2) на Д получают следующее выражение для определения относительной весовой влажности в процентах:

л

100%. (5)

W

Таким образом, используя поток быст- рых нейтронов, одновременно измеряют в одном и том же объеме органогенной почвы водородосодержание, плотность и зольность и определяют ее относительную весовую влажность.

Изобретение осуществляется с помощью устройства, показанного на фиг.З.

Устройство включает измерительный преобразователь 1, контрольно-защитный блок 2 и программно-вычислительное устройство 3. Измерительный преобразователь 1 содержит источник 4 быстрых нейтронов, детектор 5 замедлившихся нейтронов, детектор 6 гамма-квантов, амплитудные дискриминаторы 7-9 Детектор 5 замедлившихся нейтронов расположен в непосредственной близости от источника 4 быстрых нейтронов (нулевой зонд), а детектор 6 гамма-квантов удален от него на инверсионное расстояние (ъ20 см). Измерительный преобразователь 1 конструктивно совмещен с контрольно-защитным блоком 2 и посредством кабеля соединен с программно-вычислительным устройством 3.

Измерительный преобразователь 1 извлекают из контрольно-защитного блока 2 и вводят в органогенную почву на требуемую глубину. Поток быстрых нейтронов от источника 4, замедляясь на ядрах водорода, преобразуется в поток замедлившихся нейтронов, которые регистрируются детектором 5. Замедлившись до тепловой энергии, нейтроны захватываются ядрами элементов, которые возбуждаются и, переходя затем в основное состояние, испускают гамма-кванты, которые в свою очередь претерпевают рассеяние, поглощение и т.п. акты взаимодействия с веществом, в данном случае с почвой, и их интенсивность регистрируют детектором 6. Сигналы с выходов детекторов замедлившихся нейтронов и гамма-квантов, прошедшие через амплитудные дискриминаторы 7-9 и несущие информацию об интенсивностях надтепло- вых нейтронов, жестких и мягких гамма- квантов радиационного захвата нейтронов, т.е. соответственно с водйродосодержа- ния, плотности и зольности одного и того же объема органогенной почвы, одновременно поступают на соответствующие входы программно-вычислительного устройства 3, где по соответствующему алго1- ритму (см. формулу 5) происходит обработка полученной информации и определяется относительная весовая влажность органогенной почвы.

П р и м с р 1 Проводили измерение влажности осушенной почвы (торф различного типа м вида, степени разложения и зольности). Коэффициенты а и /3, учитывающие содержание водорода в твердой фазе почвы, принимались равными 0,05 и 1,2.

Для получения сравнительных данных параллельно в точках, где проводились измерения влажности способом-прототипом,

отбирались пробы почвы с последующим определением их влажности гермостатно- весовым методом (ГОСТ 11305-65). Данные

приведены в табл.1.

5Из табл.1 следует, что результаты измерения влажности торфяной почвы предлагаемым способом более близки к результатам, полученным методом термостатной сушки, чем результаты, полученные с помощью

0 способа-прототипа. Следовательно, использование предлагаемого способа значительно повышает точность измерений в торфяных почвах малой влажности.

П р и м е р 2. Предлагаемым способом

5 производили измерения влажности неосушенной торфяной почвы, сравнивая полученные значения с результатами, определенными способом-прототипом и методом отбора проб с последующей термостатной

0 сушкой. Полученные данные приведены R табл.2.

Из табл 2 видно, что результаты измерений влажности предлагаемым способом и способом-прототипом близки к результэ5 там, полученным методом отбора проб с последующей термостатной сушкой, и незначительно различаются между собой. Это можно объяснить тем, что в области высоких водородосодержаний (большой

0 влажности), характерных для неосушенной торфяной почвы, водород твердой фазы и зольность оказывают менее заметное влияние на результат измерений влажности нейтронными методами. Однако примене5 ние предлагаемого способа все же предпочтительней, так как его относительная погрешность меньше погрешности способа-прототипа.

Использование предлагаемого способа

0 измерения влажности органогенной почвы позволяет по сравнению с существующим повысить точность измерений, что, в свою очередь, обеспечивает надежность и достоверность получаемых результатов

5

Формула изобретения Способ измерения влажности органогенной почвы, включающий облучение на требуемой глубине почвы быстрыми нейтро0 нами изотопного источника, регистрацию потока замедлившихся нейтронов вблизи источника и потока рассеянного гамма-излучения радиационного захвата нейтронов водородом на инверсионном расстоянии

5 от источника нейтронов с последующим расчетом значения влажности по измеренным величинам потоков излучений, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений, регистрируют поток замедлившихся нейтронов в надтепловой

области их энергетического спектра, регистрируют рассеянное гамма-излучение радиационного захвата нейтронов водородом в двух областях энергетического спектра, жесткой 0,4-0,3 МэВ и мягкой 0,20-0,05 МэВ, по измеренной интенсивности потока гамма-излучения в жесткой области определяют плотность почвы, по измеренной

Таблица 1

Сравнение результатов определения влажности осушенной торфяной почвы различными

методами

интенсивности потока гамма-излучения в мягкой области определяют зольность почвы, по измеренной интенсивности потока надтепловых нейтронов определяют водо- родосодержание почвы, а по полученным значениям водородосодержания, плотности и зольности рассчитывают влажность органогенной почвы.

Таблица 2

Сравнение результатов определения влажности неосушенной торфяной почвы различными

методами

А/ Ш3 им/с

-0,4-О.ЬМэб

57

Фиг i

р-Ю кг/мМ10. имп/с

в

20

40

иг 2

,г-0.05Мэ6

BO A,KS/M