ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

В настоящей главе рассматриваются методы измере­ния влажности твердых и жидких материалов, основан­ные на зависимости их различных физических парамет­ров (кроме электрических) от влажности. Эти методы, развитые в последние десятилетия, базируются в основ­ном на современных способах исследования состава, структуры и свойств вещества, использующих взаимо­действие различных видов электромагнитных колебаний и ядерных излучений с исследуемым веществом. Общими достоинствами рассматриваемой группы методов явля­ется неконтактный способ измерения и отсутствие нару-

155

ШёНия различных полей (температурных, влажностных, механических. деформаций и т. д.) в объекте измерения, высокая чувствительность и быстродействие (измерение можно считать практически безынерционным). В то же время для их применения необходима аппаратура более сложная, чем в электрических методах.

В радиометрических (ядерно-физических) методах используются различные виды ядерных излучений (гам­ма-лучи, бета-частицы, быстрые нейтроны) и взаимодей­ствий (поглощение и рассеяние гамма - и бета-излучений, упругое рассеяние быстрых нейтронов).

В основе гамма-методов лежит ослабление интенсивности гамма-излучения твердой фазой и влагой исследуемого материала в результате рассеяния и поглощения атомами вещества.

При неизменных условиях измерения (геометрия излучателя и его расположение относительно приемника излучения) ослабление интенсивности излучения в слое материала постоянной толщины за­висит от содержания влаги в нем.

Рассмотрим основные разновидности гамма-методов измерения влажности [Л. 5-1].

А) Абсолютный гамма-метод с использованием колли - мированиого пучка гамма-квантов. Суммарный эффект ослабления гамма-излучения при прохождении через вещество описывается экс­поненциальным законом:

I -- , (5-1)

Где /о — интенсивность излучения, падающего на вещество (интенсив­ность излучения в воздухе); 1 — интенсивность излучения, прошедше­го через слой вещества толщиной D (см); [Ап — линейный коэффи­циент ослабления, см~1.

Ослабление излучения в веществе можно. характеризовать также массовым коэффициентом ослабления |ХМ = [Хл/р (р — плотность ве­щества). Этот коэффициент, характеризующий ослабление в резуль­тате прохождения через слой вещества с массой 1 г/см1, не зависит от плотностн данного вещества. Закон ослабления с массовым коэф­фициентом принимает форму:

= (5-2)

Где р — плотность поглотителя, ejсм3-, R=pd—массовая толщина по­глотителя, т. е. масса единицы площади, г/см2; [хм — массовый коэф­фициент ослабления, смг[г.

Приведенные формулы характеризуют ослабление однородным поглотителем узкого параллельного пучка моноэнергетического излу­чения. При применении радиоизотопных излучений для контроля со­става и свойств материалов узкий пучок получают коллимироваиием, а иногда и дополнительным диафрагмированием излучения. В случае неоднородного поглощения приходится учитывать изменение коэффи­циента ослабления по толщине поглотителя. Радиоизотопные излуче­ния часто имеют сложный спектральный состав. Коэффициенты ослаблення являются функцией энергии излучения и неодинаков*» для различных линий спектра; сильнее всего поглощаются Мягкие (обладающие минимальной энергией) компоненты излучения.

При пропускании через материалы, состоящие из элементов с легкими и средними атомными массами (почвы, грунты, строитель­ные и другие материалы) излучения с энергией 0,5—1 Мае, причиной ослабления интенсивности является почти исключительно комптон - эффект и величина коэффициентов ослабления ([Ал и [хм) зависит от отношения Z/A атомного номера элемента к массовому числу. Для водорода отношение Z/A = I, а для химических элементов, зани­мающих первые четыре ряда периодической системы Д. И. Менде­леева, величина Z/A постоянна и в большинстве случаев близка к 0,5.

Практически чаще всего используются радиоизотопы Со60 или Cs137; для них коэффициент [хл воды равен соответственно 0,063 и 0,086, что более чем на 10% превышает значение [хм твердой фазы упомянутых материалов.

Для вывода основного уравнения рассматриваемого метода бу­дем - считать, что влажный материал состоит из двух однородных ча­стей: воды с коэффициентом ослабления 1Ан20 (для воды с плотно­стью 1 г[ст3 массовый коэффициент ослабления равен линейному) и твердой фазы (сухого вещества), плотность которой равна рс (Г/смS), а массовый коэффициент ослабления |хс. Плотность влаж­ного материала, изменяющуюся с влажностью, обозначим рх- Далее примем, что облучаемый образец материала имеет постоянную тол­щину D, не зависящую от влажности, и подсчитаем коэффициент мас­сового поглощения влажного материала. Известно, что если погло­титель состоит из химического соединения нескольких элементов или смеси нескольких компонентов, то результирующий массовый коэф­фициент ослабления можно определить по аддитивному закону:

(5-3)

Где [1J, [Аг, .... [In — массовые коэффициенты ослабления 1-го, 2-го, ..., /г-го компонентов; а,, а2_ ..., ап — массовые доли этих ком­понентов.

Применяя формулу (5-3) к материалу с влажностью W (в долях массы влажного материала), получаем следующее выражение для его массового коэффициента ослабления |іж:

,ХХ = 1%На0 + (1 — U7) |j, c = W ([АНа0 _ |J, C) + |J, C. (5-4)

Произведем два измерения интенсивности излучения: в --абсолют­но сухом материале и в материале с влажностью W. В соответствии с (5-2) интенсивность излучения, прошедшего через сухой материал,

(5-5)

Для влажного материала получим из (5-2) и (5-4):

Формулы (5-5) и (5-6) после необходимых преобразований дают:

/с

1ч pjfd ({*Hs0 — !->(=) +lJcd (р* —Рс'- (5-7)

Уравнение (5-7) показывает, что ослабление Излучения обуслов­лено повышением влажности материала (первый член правой части уравнения) и изменением его плотности (второй член). С учетом соотношения (см. § 1-2):

Рс

Р* = ]ZZ~W (5"8)

Получим:

/с _ рCWd F_Jc_ _

1п lx —W (|JH,0 — lJ'(=) + lJc« ^ [ _ Ц7 — fcj —

W

= РсD j — ур

Учитывая, что W/( 1—W)=u (и — влагосодержание исследуемого образца), приходим к простой зависимости:

/с

* ас

Уравнения (5-7) и (5-9) выведены при условии сохранения по­стоянства линейных размеров и объема образца материала при его увлажнении. Известно, что у большинства капиллярнопористых ма­териалов в процессе сушки и увлажнения происходят усадка и набу­хание; у этих Материалов величину D в указанных уравнениях сле­дует рассматривать как функцию влажности. Влияние усадки и на­бухания материала учитывается при эмпирической градуировке ра­диоизотопного влагомера. У дисперсных материалов необходимым условием применимости уравнений (5-7) и (5-9) является исследова­ние постоянной массы материала в постоянном объеме.

Важнейшим свойством рассматриваемого метода является влия­ние плотности твердой фазы рс материала на результаты измерения влажности. Непостоянство величины рс влечет за собой погрешности при измерении влажности. Еще важнее то обстоятельство, что для абсолютной оценки влажности материала (величины W или и) необ­ходимо 'предварительно определить величины рс и /с для сухого материала. От необходимости определения величины рс можно осво­бодиться, если ограничиться оценкой объемного влагосодержания материала исс = рси. Действительно, на основании (5-9)

/с

In/-

«об = - ZT7—• (5-Ю)

В большинстве случаев знание объемных показателей влажности недостаточно. Основной областью практического применения метода ослабления гамма-излучений является оценка относительных измене­ний влажности.

Измерив интенсивности излучения /1 и /г, соответствующие двум значениям влагосодержания и< и н2 (иоб« и и0ег) при постоянной толщине D слоя материала, можно на основании (5-9) и (5-10) вы­числить приращения влагоеодержания:

I 2

Ьи — иг — к, = ------------------------------------------

Или

І. І * 2

ЛКое = «Об2 — Ков. = Dj^-

Если первое значение влагоеодержания определено другим ме­тодом, то по результатам двух измерений интенсивности излучения можно определить влагосодержаиие, соответствующее второму изме­рению.

Недостатком гамма-метода с узким пучком является необходи­мость в массивных свинцовых коллиматорах, диафрагмах и экранах для детекторов, а также в источниках излучения большой актив­ности.

От этих недостатков в значительной степени свободна спектро­скопическая модификация гамма-метода. В приемном устройстве используется сцинтилляциониый детектор, например, с кристаллом NaJ(.Tl), с амплитудным дискриминатором, работающий в спектро­метрическом режиме. Он регистрирует излучение, соответствующее первичным - у-кв антам, и обеспечивает подавление регистрации-мно­гократно рассеянного излучения. Благодаря этому можно использо­вать источники малой активности с расходящимся пучком; в то же время отпадает необходимость в эмпирическом определении значе­ния (Хэф (см. ниже).

Б) Гамма-гамма-метод с использованием расходящегося (неколлимироваиного) пучка и регистрацией всех "у-квантов, попадаю­щих на детектор. При этом ослабление излучения носит иной харак­тер, чем для узкого пучка; разница в степени ослабления для широ­кого и узкого пучков тем больше, чем больше относительное значе^ Hue комптон-эффекта.

Ослабление неколлимироваиного гамма-излучения описывается уравнением

Где /р — часть рассеянного излучения, регистрируемая детектором.

Величина /р зависит от 'плотности и химического состава среды, через которую проходит радноизотопное излучение, от энергии излу­чений и свойств детектора. Чем чувствительнее детектор к мягкому излучению, тем сильнее он реагирует па рассеянные гамма-кванты.

Ослабление с учетом рассеяния также можно описать экспонен­циальным. законом при условии замены коэффициентов ослабления (линейного или массового) соответствующими эффективными коэф­фициентами ослабления широкого пучка [аэф. Величина Jx0,J, зависит от конкретных условий измерения, в том числе от размеров и взаим­ного расположения детектора и объекта измерения. Так, например, ари измерениях влажности почвы величина цЭф зависит от толщины контролируемого слоя почвы. На практике эту величину приходится определять и проверять опытным путем в реальных рабочих усло­виях.

В) Гамма-гамма-метод рассеяния основан на зави­симости рассеяния и поглощения гамма-квантов от свойств вещества, в частности от его плотности и химического состава. Рассеянное излучение возникает в результате взаимодействия первичных гамма - кваитов с электронами вещества; рассеянные кванты теряют часть своей энергии, изменяют траекторию и - после многократных столкно­вений поглощаются атомами вещества. Коэффициент рассеяния, ха­рактеризующий потерю энергии рассеянным гамма-квантом, является функцией отношения ZjA элемента. С этим связано избирательное влияние воды в грунтах, почвах и других материалах иа рассеяние гамма-излучений.

В зависимости от энергии первичных гамма-квантов их рассея­ние определяется различными свойствами материала, окружащего источник. Рассеяние в объектах, состоящих из легких и средних эле­ментов, при энергии гамма-излучения 0,3—3 Мэв определяется глав­ным образом плотностью материала; это используется в гамма-плот - иомерах по рассеянному излучению.

При применении мягкого гамма-излучения с энергией 0,1— 0,2 Мэв и ниже на рассеяние гамма-квантов оказывает преобладаю­щее влияние химический состав вещества, что и используется для измерений влажности.

Скорость счета детектора определяется суммарной интенсивно­стью регистрируемого излучения:

/р=/і + /2+/з.

Где /і — интенсивность излучения, рассеянного в среде, окружающей зоид; /2 — интенсивность прямого излучения источника; Із — интен­сивность излучения, рассеянного в самом зонде.

Її представляет собой полезный сигнал, /2+/3 — помехи, от ко­торых детектор защищают свинцовым экраном.

Как и в методе ослабления гамма - и бета-излучений, прямые измерения влажности возможны только при условии дополнительного определения плотности сухого материала. При этом необходимо обес­печить максимальную чувствительность к мягким излучениям.

Применение для измерений влажности ослабления бета-излу - ч е н и й незначительно. Характеристики этого метода аналогичны характеристикам гамма-методов; для определения массовой влажно­сти необходима дополнительная информация о плотности материала в сухом состоянии. Кроме того, вследствие меньшей проникающей способности бета-частиц их применяют для измерений плотности, толщины, веса и частично химического состава лишь тонких, глав­ным образом листовых, материалов.

На практике бета-влагомеры применялись для автоматического контроля влажности движущихся лент или полотен листовых мате­риалов до или после контактной сушки на сушильных цилиндриче­ских барабанах.

Важной областью применения этих - приборов является контроль высоких влагосодержаний (100% и выше) текстильных хлопчатобу­мажных тканей после отжима [Л. 5-2]

Основное -практическое применение га-мма-влагомеров—контроль влажности почв и грунтов, а также торфа в полевых условиях, без нарушения структуры материалов и отбора проб. Реже эти приборы использовались для контроля влагосодержания строительных конст­рукций и материалов (например, керамических масс).

В гамма-влагомерах применяются регистраторы импульсов н источники питания, аналогичные используемым в нейтронных влаго - мерах (см. ниже); детекторами излучения служат газоразрядные (например, галогенные) или, реже, сцинтилляционные счетчики. Ме­тодика и техника измерений хорошо разработаны применительно к иочвогрунтам [JI. 5-1].

Гам-ма- .и нейтронные влагомеры позволяют осуществлять в 'почве глубинные измерения (с заглублением источника и детектора или только источника) и поверхностные. Различные способы глубинного зондирования почвы показаны на рис. 5-1; во всех случаях скважины армируют тонкостенными обсадными трубами.

Для послойных измерений влажности торфа в залежи горизон­тальным просвечиванием была разработана специальная конструк-

Ция датчика-зонда, так называемая радиовилка, позволяющая изме­рять влажность на полной глубине залежи (до 3—4 м).

Для почвы и грунтов разрабатываются также «пенетрационные» способы быстрого введения зондов вдавливанием с помощью винто­вого бура или ударными способами без проходки скважин.

При поверхностных измерениях источник и приемник излучения располагаются в датчике на поверхности почвогрунта без какого - либо нарушения его естественного сложения. Этот способ реализует­ся, в частности, в гамма-гамма-влагомерах и плотномерах. При оче­видных преимуществах недостатками этого метода являются малая глубина зондирования и сильное влияние характера и состояния по­верхности на результаты измерения. Измерение с заглублением одного лишь источника представляет собой компромиссное решение. Относительный характер измерений влажности ограничивает приме­нение рассматриваемого метода как в отношении числа материалов, так и круга решаемых задач

Гамма-методы в последние годы мало применяются для непо­средственного определения влажности; в этой области они вытес­няются нейтронным методом. Гамма - и бета-методы используются для измерения плотности в комбинированных приборах влагомерах- плотномерах (см. § 5-4).

Рентгеновский метод измерения влажности твердых материалов, основанный на взаимодействии рентге­новских лучей с просвечиваемым объектом, имеет характеристики, аналогичные характеристикам гамма-метода, ио обладает большей чувствительностью благодаря тому, что вода сильнее поглощает рент­геновское излучение, чем гамма-лучи. Рентгеновские влагомеры могут измерять высокие влагоеодержания. Ослабление рентгеновских лучей веществом подчиняется экспоненциальному закону (формула (5-1)]. Для обычно применяемого диапазона длин волн справедливо при­ближенное соотношение (KZ)3, где р и Z — плотность и атомный помер вещества. Измерение влажности сводится к определению отно­шения /о//- Рентгеновский метод позволяет определять объемную влажность; для измерения массовой влажности необходима инфор­мация о - плотности и толщине исследуемого материала.

Для автоматического контроля можно применить двухволновый метод измерения, основанный на определении отношения /с// на двух длинах волн: и /,2 {Л. 5-3]. В известном диапазоне длин волн (на-

О о

Пример, при ?ч=0,64 А и ^2=0,25 А) влагосодержаиие и определяет­ся выражением

_ Ln(/„//h, U k 1п Ve/r

(k — коэффициент пропорциональности) и результат измерения и не зависит от плотности и толщины материала. Нужные длины волн выделяются из излучения полихроматического источника с помощью двух непрерывно вращающихся фильтров. Детектором служит сцин - тиляционный счетчик,' выходные сигналы которого .поступают ка амплитудный анализатор, а затем на вычислительное устройство, к выходу которого подключен показывающий и записывающий при­бор влагомера.

Рентгеновский метод до настоящего времени не нашел практиче­ского применения.

В нейтронных влагомерах быстрые нейтро1 ны (с энергией до И Мэв), испускаемые источником, взаимодействуют с ядрами элементов окружающей сре­ды. Основными процессами являются (происходящие в указанной последовательности): рассеяние нейтронов, главным образом упругое, замедление до тепловой энер­гии и диффузия. Рассеянные нейтроны, изменяя направ­ление движения и теряя энергию, превращаются в тепло­вые, имеющие очень низкую энергию — до 0,5 эв (сред­няя энергия тепловых нейтронов около 0,025 эв). Иног­да используются нейтроны («надтепловые») с энергией несколько выше тепловой — приблизительно до 2 эв. Кроме ядерной реакции типа (П, п), используется и за­хватное излучеиие-реакция (п, v) > в результате которой ядро, захватившее тепловой нейтрон, излучает гамма - кванты.

Водород является наиболее эффективным замедлите­лем быстрых нейтронов. Благодаря этому замедляющая способность s воды в сотни раз превышает значения s ядер кислорода, алюминия, кремния и других наиболее распространенных элементов.

Если облучать материал, состоящий из таких элемен­тов и влаги, быстрыми нейтронами и считать количество медленных нейтронов, полученных в результате рассея­ния нейтронного потока в материале, можно определить содержание атомов Н в нем. При условии, что подав­ляющее большинство атомов Н содержится во влаге, а потери энергии нейтронов для всех остальных элемен­тов достаточно близки,, это позволяет определить влаго­содержание материала. Плотность тепловых нейтронов вблизи излучателя зависит от числа атомов водорода, содержащихся в единице объема исследуемого материа­ла. С этим связаны некоторые особенности нейтронного метода измерения влажности: в этом методе измеряется объемная влажность.

Форма характеристики нейтронного влагомера зави­сит от расстояния между источником быстрых нейтронов и приемником медленных нейтронов. Существует опреде­ленное («инверсионное») расстояние между точечным источником и серединой приемника, при котором плот­ность медленных нейтронов не зависит от свойств окру­жающей среды. При расстояниях, больших инверсион­ного, плотность нейтронов уменьшается с ростом содер­жания водорода. Если расстояние меньше инверсионного, рост содержания водорода вызывает увеличение плот­ности медленных нейтронов; датчики нейтронных влаго­меров работают обычно в этой «доинверсионной» области.

Математические модели нейтронных влагомеров, представляющие собой теоретические зависимости плот­ности тепловых нейтронов от параметров влагомера и исследуемой среды, были предложены различными ис­следователями на основе разных методик (Л. 5-4].

Данные о распределении плотности тепловых нейтро­нов в реальных объектах близки к полученным анали­тическим путем, но не совпадают с ними. Причиной яв­ляется то, что математические модели не учитывают некоторых весьма существенных влияющих факторов (содержание водорода в твердой фазе, аппаратурные факторы и ряд других), рассматриваемых ниже. Вслед­ствие этого для градуировки и испытаний нейтронных

Влагомеров, как правило, применяются эксперименталь­ные методы.

Основными частями нейтронного влагомера являют­ся: зонд для глубинных измерений или датчик для по­верхностных, регистратор импульсов с источником пита­ния, контрольно-защитное устройство. Зонд или датчик содержат - излучатель быстрых и детектор медленных нейтронов, а иногда и каскад предварительного усиле­ния, необходимый для использования длинного кабеля, соединяющего зонд с регистратором импульсов.

В качестве радиоизотопных излучателей нейтронов используются Pu-Be, Ро-Ве, Am-Be, Ra-Be.

Экран зондов используется в качестве контейнера для транспортировки и хранения; в~ то же время он слу­жит эталоном для периодической проверки показаний влагомера. Удобнее всего контейнер, имеющий форму цилиндра с осевым цилиндрическим каналом. У поверх­ностных датчиков экран находится внутри кожуха, а эталоном для проверки служит отдельный блок. Уст­ройство зондов и датчиков различных типов показано на рис. 5-2.

В детекторах медленных нейтронов используются реакции: а) В»(п, га) Li7; б) Не3(п, /?)№; в) Li6(n, а)Н3; г) Cd113 (ny) Cd114.

Первые две реакции находят применение в пропор­циональных газоразрядных счетчиках, из которых наи­более распространенными являются борные с заполне­нием парами BF3, отличающиеся низкой чувствитель­ностью к гамма-излучению, благодаря чему отпадает необходимость в экране между источником и детекто­ром. Применяемые в последнее время счетчики с гелие­вым наполнителем отличаются большей эффективностью детектирования медленных нейтронов.

Из сцинтилляционных детекторов (реакция в) наи­более подходящими являются кристаллы Li6J, активиро­ванные европием, и особенно сцинтилляционные стекла, обогащенные литием.

Преимуществами сцинтилляционных счетчиков по сравнению с газоразрядными являются высокая чувст­вительность и возможность использования тонкого слоя (несколько миллиметров) детектора. Их высокая эффек­тивность по отношению к гамма-излучению вызывает необходимость в разделительном экране между источ­ником и детектором, но в то же время дает возможность использовать их (в сочетании с амплитудным дискрими­натором импульсов) в комбинированных влагомерах - плотномерах (см. § 5-4).

К недостаткам системы сцинтиллятор — фотоэлек­тронный умножитель относятся меньшая механическая прочность и необходимость высококачественной стабили­зации напряжения питания.

По предложению В. А. Емельянова [Л. 5-1], в СССР применяются детекторы медленных нейтронов по за­хватному излучению (п, - у) кадмия с обычными галоген-

Иыми счетчиками гамма-квантов, имеющими низкое ра­бочее напряжение. Кадмиевые зонды позволяют приме­нить простые радиометры, но их чувствительность к изменениям влажности, особенно при малых влаго - содержаниях, ниже, а фоновая скорость счета выше, чем у борных счетчиков.

Способы и техника измерений влажности нейтронным методом хорошо разработаны применительно к почво - грунтам. Как и в гамма-методах, возможно глубинное или поверхностное .измерение. В первом случае зонд вво­дят на заданную глубину в предварительно выполненную скважину. При бурении скважин необходимо обеспечить их прямолинейность и устранить возможность деформа­ции стенок. Для этого скважины армируют обсадными трубами (металлическими или пластмассовыми). Вбива­ние или вдавливание зонда непосредственно в объект измерения нарушает его структуру и допустимо лишь для недеформируемых материалов.

Большое практическое значение имеет оценка объе­ма, контролируемого нейтронным влагомером. Дри гра­дуировке эта величина определяет минимальный допу­стимый объем используемых образцов, при глубинных измерениях — вертикальную разрешающую способность и допустимое приближение к поверхности раздела почва — воздух. Указанный объем характеризуют «сферой влия­ния» (именуемой также «сферой значения», а по терми­нологии В. А. Емельянова —- «показывающей сферой»), т. е. сферой с центром, расположенным в источнике (то­чечном), обеспечивающей при отсутствии какого-либо материала вне сферы скорость счета, равную 95% ско­рости счета для бесконечной среды. При градуировке сфера влияния должна обеспечивать 99% скорости счета. Указанное понятие условно, так как в действительности (при равномерности влажности и симметричном зонде) измеряется объем эллипсоида или овала вращения.

Для приближенного определения сферы влияния в почвоірунтах часто применяют формулу Ван-Бавела:

R=l5fm/Wo6,

Где R — радиус сферы, см W0Б — объемная влажность почвы, %.

Более точные результаты дает предложенная Олгар - дом (JI. 5-4] формула

,, ЮО * —1,4-ниже­приведенные формулы не являются универсальными. Они не учитывают конструктивных особенностей зонда и условий его работы. Поэтому более достоверным являет­ся экспериментальное определение вертикального и гори­зонтального радиусов сферы влияния для конкретных условий измерения и конструкции зонда.

В почвогрунтах сфера влияния имеет радиус (в зави­симости от 1Гоб) в пределах 20—40 см.

При поверхностных измерениях датчики приклады­вают к поверхности почвы. Это избавляет от затрудне­ний, связанных с введением зондов в почву, но влечет за

Собой сильное влияние на результаты измерения условий соприкосновения датчика с поверхностью, в частности воздушных зазоров между ними.

Поверхность объекта измерения приходится разравни­вать или подготавливать другими способами. Другим существенным недостатком является малая величина «показывающего - слоя». Это понятие эквивалентно «сфе­ре влияния» и описывается полуобъемом эллипсоида вращения или полусферой. Глубину показывающего слоя можно определить экспериментом.

Для повышения скорости счета в поверхностных дат­чиках применяют экраны-отражатели, окружающие источник и детектор. Материал отражателя не должен существенно замедлять нейтроны (во избежание увели­чения фона), но должен эффективно их отражать.

При этом в объект измерения проникают не только прямые, но и отраженные нейтроны. Нижний предел измеряемой влажности понижается, но чувствительность влагомера и глубина измеряемого слоя Н уменьшаются в связи с меньшей энергией отраженных нейтронов. Для увеличения значения Н, которое при измерении влаж­ности почвы поверхностным датчиком не превышает в среднем 10—20 см, и уменьшения влияния воздушного зазора были разработаны поверхностно-глубинные влаго­меры, у которых детектор находится на поверхности грунта, а источник вводится на некоторую глубину в поч­ву. Глубину введения излучателя в по^ву приходится ограничивать из-за эффекта инверсии и нарушения ли­нейности зависимости скорости счета от влажности.

Для твердых материалов, не являющихся почвогрун - тами, были разработаны в дополнение к рассмотренным выше некоторые специальные приемы измерения. Влаж­ность строительных деталей, компонентов бетона и Дру­гих сыпучих материалов измеряли методом «просвечива­ния» с размещением источника и детектора вне объема, заполненного материалом; указывалось, что при этом уменьшается влияние распределения влаги в объекте по. сравнению с поверхностными измерениями. Другой «бес-, контактный» способ измерения реализуется с помощью датчика, установленного на некотором расстоянии от ис­следуемого материала, перемещаемого транспортерной лентой, в трубе и т. п. Датчик представляет собой отра­жатель, в полости которого находятся источник и детек­тор, причем детектор защищен экраном из материала,

Содержащего кадмий или бор, от тепловых нейтронов, отраженных отражателем. Такой датчик можно вводить в массу сыпучего материала. В нейтронных влагомерах для автоматического. контроля влажности материалов в потоке применяются приемные устройства, аналогичные датчикам автоматических электровлагомеров (§ 3-3).

Перейдем к рассмотрению факторов, влияющих на характеристики нейтронных влагомеров: скорость счета I и ее зависимости от влажности, размеры сфер влияния, погрешности измерения влажности и чувствительность влагомера

I ТГоГ

Эти факторы можно разделить на следующие группы: а) параметры аппаратуры '(измерительных устройств, зондов и датчиков); б) параметры объекта измерения; в)1 условия измерения. Влияние перечисленных факторов изучено в первую очередь применительно к почвогрун - там. Погрешности измерительной аппаратуры нейтрон­ных влагомеров — измерителей счета (пересчетные устройства) или используемых реже интенсиметров с ин­теграторами— освещены в литературе и не рассматри­ваются «ами.

Из параметров зонда важнейшее значение имеют - вза­имное расположение излучателя и детектора, от которо­го зависят чувствительность зонда и форма градуиро - вочной зависимости /(№0б), а также длина и диаметр детектора, определяющие эффективность зонда и ско­рость счета. Оптимальную геометрию зонда получают в результате компромисса, учитывающего перечисленные и - некоторые другие характеристики влагомера. Так, на­пример, при сокращении расстояния излучатель — де­тектор уменьшается вертикальный радиус сферы влия­ния. У поверхностных датчиков дополнительными влия­ющими факторами являются размеры и материал экра­на-отражателя.

Условия измерения должны возможно точнее ■воспро­изводить условия, имевшиеся при градуировке влагоме­ра. Для глубинных измерений в почвах и 'грунтах это относится к диаметру скважин, материалу и толщине обсадных труб, отсутствию зазоров между скважиной - и обсадной трубой. Влияние зазоров между подошвой дат­чика и поверхностью почвы уже отмечалось выше,

Важнейшие Влияющие параметры - материала — плот­ность и химический состав.

Изменение плотности твердой фазы рс влечет за со­бой изменение числа атомов в единице объема, способ­ных рассеивать и захватывать быстрые нейтроны, и, сле­довательно, смещает вверх или вниз (в зависимости от знака изменения плотности) градуировэчную характери­стику. влагомера и изменяет ее крутизну (рис. 5-3,а) [Л. 5-4]. Гранулометрический состав материала сам по

Рис. 5-3. Влияние плотности песка (с) и концентрации NaCl в поч­ве (б) на зависимость скорости счета от объемной влажности.

///0 — скорость счета по отношению к эталону.

Себе не влияет на показания нейтронного влагомера, но только при условии сохранения постоянства плотности материала в зоне влияния; если же с изменением разме­ров частиц связано 'изменение плотности, это вызывает соответствующую погрешность измерения.

Существенным влияющим фактором, относящимся к химическому составу материала, является наличие ано­мальных поглотителей медленных нейтронов и водорода твердой фазы. Наиболее распространенными аномальны­ми поглотителями являются В, CI, Li, Fe (при больших концентрациях), К и Со; некоторые из них содержатся, например, в засоленных почвогрунтах. Влияние концен­трации '(с) NaCl 'в почве на градуировочную характе­ристику влагомера иллюстрирует рис. 5-3,б.

Влияние аномальных поглотителей можно существен­но осл'абить, если детектировать вместо тепловых над - тепловые нейтроны. Для этого можно использовать лю­бой детектор тепловых нейтронов, окружив его кадмием. Однако такой способ сильно понижает эффективность детектора и чувствительность влагомера. Некоторое улучшение эффективности достигается применением счетчиков с гелиевым наполнителем вместо борного или введением слоя водородсодержащего замедлителя (па - пример, оргстекла) между кадмиевым экраном и детек­тором.

Нейтронные влагомеры измеряют общее содержание водорода в воде и твердой фазе, причем 1 г НгО - на 1 см3 эквивалентен 0,111 г Н на 1 см3. Неустранимая погрешность от колебаний содержания водорода в твер­дой фазе Нс для грунтов, строительных и аналогичных им материалов невелика, так как уже при низких вла - госодержаниях начинает превалировать содержание во­дорода в воде, а колебания Нс, отнесенные к общему содержанию <водорода, незначительны. Более существен­на роль этого фактора у материалов, в состав которых входит большое количество водородсодержащих ве­ществ— торфа, угля, почв с большим содержанием гу­муса и т. п.

Существует, однако, мнение, что водород кристалли­ческих решеток « органического вещества почв обладает меньшей замедляющей способностью, чем водород сво­бодной воды. Согласно этим воззрениям замедление бы­стрых нейтронов до энергий, превышающих 1 эв, про­исходит 'на ядрах водорода независимо от его формы связи с замедляющим веществом, а в интервале 1 — 0,025 эв определяется не только водородом, но и моле­кулой, содержащей его. Такая избирательность нейтрон­ных влагомеров представляет интерес для количествен­ного разграничения влаги по формам связи, которое можно осуществить с помощью детекторов двух типов, регистрирующих соответственно надтепловые и тепловые нейтроны. Эта идея была реализована в работах {Л. 5-5 и 5-6].

Составляющая погрешности влагомера, связанная с составом и свойствами материала и условиями изме­рения, равна:

Ди7м=Ут^Ши-^т],

Где среднеквадратичные погрешности имеют следующее значение: ;АИ7Х — от колебаний химического состава (со­держание аномальных 'поглотителей и водорода в твер­дой фазе); ЛИ7П — от колебаний плотности твердой фа­зы; hWy — от неучитываемых условий измерения (зазо­ры между обсадной трубой или подошвой датчика и объ­ектом, неравномерность распределения влаги - и т. д.). Погрешность измерительного устройства имеет система­тическую составляющую оп, равную основной погреш­ности регистратора импульсов, и случайную составляю­щую, равную статистической погрешности скорости сче­та Ос = I/~NH = l/7' (N — число сосчитанных импульсов за время t). Задаваясь допустимой величиной ас, можно "определить минимальные значения N или T пли же верх­ний предел постоянной времени интенсиметра. Погреш­ность измерителя можно уменьшить, используя «внутрен­ний эталон» б контрольно-защитном устройстве влаго­мера.

Область применения нейтронных влагомеров в по­следние годы заметно расширилась. Она охватывает не только измерения влажности почвогрунтов и связанных с ней величин в агротехнике, мелиорации, почвоведении, гидрологии, дорожном, гражданском и промышленном строительстве, но также контроль и регулирование влаж­ности ряда материалов в промышленности.

Достоинства нейтронного метода — широкий диапа­зон измерений (до 100%), интегральная оценка влажно­сти в сравнительно большом объеме. Для почв и грун­тов большое значение имеет возможность полевых изме­рений в условиях естественного залегания без отбора проб, вертикального и горизонтального профилирования влажности - на объектах большой пл-ощади и большой глубины.

К недостаткам метода относятся влияние на резуль­тат измерения содержания некоторых элементов и плот­ности твердой фазы, недостаточная пространственная разрешающая способность и-трудность применения для тонких листовых материалов.

Влияние концентрации 'водорода твердой фазы на результаты измерения влажности ограничивает приме­нение нейтронного метода к органическим объектам, углю, литейным смесям и некоторым другим материа­лам.

С техникой измерения связаны затруднения и по­грешности, обусловленные градиентами влажности, вве­дением зондов в скважины и переменными зазорами между зондом (датчиком) и объектом измерения.

Основным недостатком нейтронного и других радиа­ционных методов является необходимость защиты от биологических действий излучения. Для создания без­опасных условий работы с источниками - у-квантов и бы­стрых нейтронов, особенно при установке и демонтиро­вании приборов, необходимы специальные защитные устройства и меры предосторожности.