管道泥沙濃度分布的伽瑪射線測量

姚磊

（遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽110000）

在工業(yè)和其他領(lǐng)域中應(yīng)用放射性同位素檢測物質(zhì)分布規(guī)律或濃度和密度等物理量的方式已經(jīng)較為常見。這種方式可有效應(yīng)用于液體、懸浮物及散裝物料等不同狀態(tài)的目標(biāo)檢測物中。其廣泛的適用性使其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和普及。借助放射性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)濃度檢測的方式不但檢測精度高，穩(wěn)定性理想，而且不需要直接接觸被檢測物，也不易受到其他流動(dòng)介質(zhì)的干擾，特別適合在現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的工藝生產(chǎn)流程中用于過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。除此之外，在港口航道，河湖水庫等區(qū)域的疏浚檢測工程中，應(yīng)用這種方式實(shí)現(xiàn)管道輸送泥沙檢測的過程也能夠從根本上優(yōu)化常規(guī)的檢測方式和流程。根據(jù)泥沙含量和密度的差異可以配置相應(yīng)動(dòng)力的挖泥船，從而保證了施工過程的效率和安全，也可大幅度降低能源消耗量。而管道中固液混合物流動(dòng)規(guī)律的研究對于疏浚技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在研究泥沙傳送阻力和濃度分布規(guī)律時(shí)，需要考慮到固液物質(zhì)之間的相對滑移速度并按照管道截面的具體構(gòu)型設(shè)定檢測方案。這些因素都會(huì)直接影響到射線檢測的準(zhǔn)確性。

1 伽馬射線測量的實(shí)現(xiàn)原理

伽馬射線是放射性檢測學(xué)中常用的射線種類之一。在銫137 等放射性同位素的衰變過程中都會(huì)釋放出一定量的伽馬射線，而當(dāng)應(yīng)用伽馬射線向目標(biāo)檢測物質(zhì)照射時(shí)便會(huì)與相應(yīng)的物質(zhì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生包括光電效應(yīng)、散射效應(yīng)等在內(nèi)的一系列物理變化。伴隨著伽馬射線不斷被吸收，其強(qiáng)度也會(huì)不斷減弱。這時(shí)通過判別伽馬射線的減弱程度便能夠客觀衡量出該物質(zhì)對于伽馬射線的吸收情況。按照放射線的吸收規(guī)律來看，與射線吸收強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的物理量主要包括：原始射線，即穿過物質(zhì)前射線的強(qiáng)度；穿過物質(zhì)后射線強(qiáng)度；物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)；物質(zhì)的密度以及穿過物質(zhì)的厚度等。這些物理量在不同的應(yīng)用環(huán)境中所對應(yīng)的實(shí)際物理參數(shù)也各不相同。例如在管道泥沙濃度檢測過程中，物質(zhì)厚度所對應(yīng)的物理量即為管道的內(nèi)徑。而當(dāng)計(jì)算出穿過物質(zhì)的射線強(qiáng)度后，可通過閃爍計(jì)數(shù)器對其進(jìn)行直觀的表示。其中閃爍計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率與射線強(qiáng)度自身成正比關(guān)系。經(jīng)過換算和物理量的轉(zhuǎn)化后能夠得到密度的計(jì)數(shù)率表達(dá)式。這時(shí)只需測得閃爍計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率即可計(jì)算得到目標(biāo)檢測物質(zhì)的密度。

2 管道泥沙濃度分布的測量裝置

考慮到需要測量的管道中泥沙顆粒大小和分布濃度在不同區(qū)域會(huì)存在較大的差別，為了避免由泥沙沿管道橫截面分布不均勻造成的測量結(jié)果誤差，需要在充分分析水砂固液物態(tài)流動(dòng)規(guī)律的前提下，設(shè)定合理的測量方案。管道內(nèi)部截面附近的混合物密度測量應(yīng)以原始管道內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，額外增加或配置能夠容納放射源和閃爍計(jì)數(shù)器的裝置空間。在理想的測量環(huán)境中，閃爍計(jì)數(shù)器和放射源應(yīng)能按照管道截面方向完成自由升降，從而通過距離的變化擴(kuò)大測量的覆蓋面積。除了使用固定支架和鋼箍在鋼管外部完成固定外，還可在可升降箱體的表面或兩側(cè)安裝放射源和閃爍計(jì)數(shù)器，使其能夠在測量過程中隨著箱體同步完成升降。此外，還有一種包含螺桿的測量方案。在鋼管外側(cè)表面設(shè)置連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿，將放射源和閃爍計(jì)數(shù)器共同組成測量通道，在待測管道表面實(shí)現(xiàn)整個(gè)截面位置的橫向掃描，從而探測到管道內(nèi)部泥沙的分布狀況。裝置中還需要設(shè)置玻璃板用于標(biāo)定放射源和計(jì)數(shù)器之間的伽馬射線，玻璃板一般需要沿射線傳播方向的垂直方向設(shè)置。若已知干泥沙的密度ρs，水的密度ρw，第i 個(gè)測得的水砂混合物的密度ρmi，那么就可以將第i 個(gè)通道上的泥沙體積濃度表示為：

3 密度計(jì)標(biāo)定過程及注意事項(xiàng)

3.1 密度計(jì)兩點(diǎn)標(biāo)定

管道泥沙濃度測量過程的密度計(jì)標(biāo)定主要目的是為了幫助確定物質(zhì)密度與計(jì)數(shù)率之間關(guān)系公式中的未知常數(shù)。一般情況下的物質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)與其伽馬射線能量的變化規(guī)律有關(guān)。而要確定放射源和被測介質(zhì)之間的數(shù)量關(guān)系只需要在測定物質(zhì)密度的基礎(chǔ)上，測得閃爍計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率，再經(jīng)過公式代入即可求得。利用兩點(diǎn)法標(biāo)定能夠便捷的獲得標(biāo)定介質(zhì)的密度。一般的疏浚工程中泥沙的主要組成成分是二氧化硅，而玻璃的主要成分也為同一物質(zhì)。因此選用玻璃板作為標(biāo)定的介質(zhì)能夠最大限度的還原實(shí)際測量環(huán)境中的伽瑪射線傳播規(guī)律。再通過各類密度已知的被測介質(zhì)就能夠間接獲得未知的常量參數(shù)。最終得出的是被測泥沙混合物的密度隨計(jì)數(shù)率對數(shù)變化的線性函數(shù)，而這其中只有自變量計(jì)數(shù)率和因變量密度兩個(gè)未知物理量。大量的實(shí)驗(yàn)也表明這種兩點(diǎn)標(biāo)定的方式不僅簡單易行，而且測量準(zhǔn)確度較為理想。

3.2 密度計(jì)與數(shù)據(jù)采集回路共同實(shí)現(xiàn)的多點(diǎn)標(biāo)定

利用固定的計(jì)算公式推導(dǎo)得出管道中泥沙濃度密度的方式需要依靠多項(xiàng)物理量作為輸入?yún)?shù)，在操作上存在一定的不便性。而利用密度計(jì)自身提供的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出也能夠?qū)崿F(xiàn)與計(jì)數(shù)率變化相關(guān)的物理指標(biāo)采集和獲取。同時(shí)這種電流信號(hào)的輸出更加便于記錄，在測量的精度和穩(wěn)定性等方面也較傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方式更具優(yōu)勢。如果將已經(jīng)完成標(biāo)定的密度計(jì)連同計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集回路共同組成一套多點(diǎn)標(biāo)定和數(shù)據(jù)回歸分析系統(tǒng)，則能夠間接建立起輸出電壓和待測泥沙密度之間的關(guān)系。具體實(shí)現(xiàn)的方式與上文提到的標(biāo)定方法類似，在測量通道上不同距離處插入玻璃板組成不同物質(zhì)密度的采樣區(qū)間，再經(jīng)過計(jì)數(shù)率和密度計(jì)輸出電壓的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算得到最終的標(biāo)定曲線。在測量通道上，常規(guī)的由玻璃板和純凈水體所構(gòu)成的混合物密度已能夠基本涵蓋管道中泥沙混合物的密度。而區(qū)間端點(diǎn)所對應(yīng)的計(jì)數(shù)率對數(shù)又能與輸出電壓組成線性數(shù)學(xué)表達(dá)關(guān)系。至此即可借助電壓和電流信號(hào)推導(dǎo)出密度與電壓之間的回歸直線方程，從而能夠進(jìn)一步提升密度計(jì)的測量精度。

4 結(jié)論

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境中，對于管道泥沙密度分布的測量需要依據(jù)伽瑪射線的測量原理實(shí)現(xiàn)。大量研究和數(shù)據(jù)分析表明，不同濃度和顆粒大小的泥沙在不同直徑的輸送管道內(nèi)流動(dòng)所呈現(xiàn)出的分布規(guī)律具有明顯的差異。而利用本文描述的伽瑪射線密度計(jì)測量通道能夠靈活的調(diào)節(jié)相應(yīng)測量機(jī)構(gòu)，再匹配簡單易行的標(biāo)定方法即可將密度計(jì)和數(shù)據(jù)采集回路作為聯(lián)合標(biāo)定方案。既能保證測量過程的操作便捷性，也能充分滿足管道泥沙濃度分布探測的實(shí)際需要，為研究各類傾斜管道的流動(dòng)物質(zhì)分布規(guī)律提供幫助。