專利名稱：用核子方法測量大壩泄洪霧化濃度的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于利用核子技術進行測量以研究或分析材料，特別涉及一種用γ射線或β射線測量霧化場內(nèi)水霧濃度的方法。
水電站大壩泄洪，在壩區(qū)附近會形成霧化場，霧化場內(nèi)雨霧濃度分布不均，大到暴雨狀和強暴雨狀。這一現(xiàn)象對壩區(qū)周圍環(huán)境會造成惡劣影響，嚴重的會使廠房倒塌、公路塌陷、電廠跳閘，甚至出現(xiàn)人身事故。對于霧化場的研究，對霧化原因分析以及對霧化災害的預防研究，均需對大壩泄洪形成霧化的機理加以研究，這就需要對泄洪形成的霧化場內(nèi)的雨霧濃度進行觀測。由于霧化場的三維空間內(nèi)各點的霧化濃度是不均勻的，更主要的是泄洪時水流的流速和流量十分巨大，霧化區(qū)域內(nèi)危險性大，測量人員不能靠近觀測點，因而迄今為止，尚無有效的技術和方法能很好地解決這一測試難題。
目前，水電站大壩泄洪霧化濃度的測量，僅限于采用常規(guī)雨量計，或者模擬雨量計的鐵皮桶容器，固定安裝在壩區(qū)附近地面或山崖上選擇的若干測點，測定整個泄洪過程霧化的總水量。因而它只能給出布置測點的總水量，而無法得知泄洪過程中水霧濃度及其變化情況，更不能得知霧化場三維空間其它所需測點的水霧濃度數(shù)據(jù)。在實際測量中，還會出現(xiàn)水桶(或雨量計)積水量遠遠超過水桶容積溢出容器，而無法測出水量，或者水桶被強暴雨沖翻、沖毀，而得不到測試資料。
而采用核子方法進行測量在其它領域尚有應用，如采用γ射線吸收法測量土壤密度、淤泥密度，采用β射線吸收法測量紙張厚度、玻璃厚度。但它們的探測系統(tǒng)是不能應用于測量霧化濃度的。
本發(fā)明的目的就是要用核子方法測量大壩泄洪霧化濃度。
本發(fā)明的構思是利用γ-射線吸收法及β-射線吸收法，通過測量水霧密度，測量霧化濃度數(shù)據(jù)。其測量原理是當γ射線或β射線穿透物質時，會被物質吸收，并遵循公式
式中
為γ(或β)射線的初始強度;I為被物質吸收以后的γ(或β)射線強度;
為物質對γ(或β)射線的質量吸收系數(shù);ρ為物質密度，對霧化水量來說也反映霧化濃度;d為探測器及與放射源距離，也稱源距。由此，只要固定放射源(γ或β)、探測器及源距d，制成探測系統(tǒng)，并將探測系統(tǒng)置入測試霧化濃度的測點，就可以通過對γ(或β)射線強度的測量，得知該測點的霧化濃度數(shù)據(jù)。
由于物質對β射線的吸收能力遠大于對γ射線的吸收能力，因而在大壩泄洪霧化濃度測量中，在霧化濃度強的區(qū)域(暴雨區(qū)或強暴雨區(qū))，選用γ射線探測系統(tǒng)，而在薄霧區(qū)選用β射線探測系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明所采用的γ射線探測系統(tǒng)的結構形式示意圖，探測系統(tǒng)為框架結構，其中框架1的一側安裝γ射線源2，采用镅-241點狀源;另一側安裝γ射線探測器3，探測器3由碘化鈉(或鉈)晶體與光電倍增管組成;探測器3測量γ射線4所產(chǎn)生的信號，經(jīng)信號電纜5送至記錄儀器;探測器3接收的γ射線強度決定于進入框架1內(nèi)的水霧6的濃度，因而探測器3的輸出信號僅與測試框架1內(nèi)的水霧濃度有關。
圖2為本發(fā)明所采用的β射線探測系統(tǒng)的結構示意圖，探測系統(tǒng)仍為一框架結構，其中框架7一側安裝β射線源8，采用鍶-90平面源，面積為7×7cm2;另一側安裝β探測器9，由塑料閃爍體與光電倍增管組成。同樣，探測器9測量β射線10所產(chǎn)生的信號經(jīng)跟隨器13和信號電纜11送至記錄儀器。探測器9接收的β射線強度決定於進入框架1的水霧12的濃度。因而探測器9的輸出信號僅與測試框架1內(nèi)的水霧濃度有關。
本發(fā)明所述測量方法的具體步驟為
(1)校驗儀器將上述的探測系統(tǒng)配合常規(guī)射線記錄儀，進行γ、β射線測試試驗，以選定各探測器的工作點，即選定光電倍增管的工作電壓和選定探測信號幅度的閥電壓，並測定測試系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性能。
(2)室內(nèi)標定用上述的探測系統(tǒng)測試不同水霧濃度條件下的射線計數(shù)率。γ射線計數(shù)率N與霧化濃度M的關系為M＝(InN0-InN)/InN0-ImN＊(公式1)，由于探測的γ射線計數(shù)率隨水霧濃度呈線性變化，故只需測出霧化濃度為0(凈氣)的計數(shù)率N＊，與全部霧化，即霧化濃度為100%(凈水)的計數(shù)率N水。對于β射線測量，其射線計數(shù)率N與霧化濃度M的關系為KM＝InN0/N(公式2)，首先測出霧化濃度為0(凈氣)的β射線計數(shù)率N0，再使用濾紙均勻吸附一定量水份，在上述β射線探測系統(tǒng)框架內(nèi)改變浸水濾紙層厚，探測β射線計數(shù)率N的變化，以確定框架內(nèi)水量與計數(shù)率關系曲線，得出曲線常數(shù)K。
(3)選擇測點根據(jù)泄洪現(xiàn)場水電站大壩、泄洪洞等水工建筑物的布置，分析泄洪落水點位置、濃霧區(qū)位置及霧化場范圍。在濃霧區(qū)域由于測量人員無法靠近現(xiàn)場，即采用固定繩索選擇若干測量斷面，用混凝土澆筑斷面線的固定點，以便在斷面線上安裝γ射線探測系統(tǒng)，并在斷面上選擇測量垂線位置和在測線上選擇測點位置。在薄霧區(qū)選擇若干測點、并做好標記，實際測量時供觀測人員攜帶儀器及β射線探測器在測試點用竹桿控制探測器高程進行霧化濃度測量。
(4)現(xiàn)場空白試驗由於大壩泄洪時，水流量大，流急，十分危險，為保證泄洪時現(xiàn)場測量的安全，并可靠的取得測試資料，在正式泄洪放水以前，沒有洪水的條件下，將所有測量裝置按照正式泄洪時的測量要求安裝好，進行探測器選點操作和γ射線、β射線的測量操作，檢查各方面配合情況、探測系統(tǒng)運行情況，如發(fā)現(xiàn)問題即時解決，以保證正式泄洪測試時安全可靠準確無誤。
(5)實際泄洪觀測經(jīng)過現(xiàn)場準備工作以后，水電站大壩泄洪放水時，核子方法即可正式投入霧化濃度測量。在濃霧區(qū)用繩索將γ射線探測系統(tǒng)送至測試區(qū)域，用專用繩索控制探測器的位置和高程，在選擇的測量斷面上的固定垂線上循迴選點進行霧化濃度測量。霧化濃度信號經(jīng)電纜5(如圖1所示)輸送至霧區(qū)以外的記錄儀，可以記錄霧區(qū)內(nèi)不同斷面、不同垂線和不同測點在不同泄洪時間的霧化濃度。在薄霧區(qū)，測試人員攜帶測試儀器及探測器，對選定的固定測點，循迴做不同高程位置的霧化濃度測量。
(6)數(shù)據(jù)整理分析將實測得的γ射線和β射線計數(shù)率分別代入上述公式1或公式2，即可得知不同測點的霧化濃度，將各測點不同時間所測量的霧化濃度數(shù)據(jù)進行整理，用作標圖表示，即可得泄洪過程中各個測點霧化濃度隨泄洪時間的變化過程，及各測點的霧化濃度分布圖。
圖1為本發(fā)明所采用的γ射線霧化探測系統(tǒng)結構示意圖。
圖2為本發(fā)明所采用的β射線霧化探測系統(tǒng)結構示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例1中所選測量斷面上某測線上各測點霧化濃度分布圖。
圖4為本發(fā)明實施例1中所選測量斷面上某測線上各測點在泄洪過程中霧化濃度隨時間變化分布圖。
圖5為本發(fā)明實施例2薄霧區(qū)中各測點霧化濃度分布圖。
圖6為為本發(fā)明實施例1中所選測量斷面各測線及各測點布置圖。
實施例1.在濃霧區(qū)某一觀測斷面上，采用γ射線探測系統(tǒng)進行測量，如圖1所示，探測器3選用碘化鈉晶體與光電倍增管(GDB-23)相配合，應用镅-241點狀源，通過室內(nèi)標定測得γ射線凈氣計數(shù)率N0、凈水計數(shù)率N水分別為N0＝105492.4，N水＝1843。在觀測斷面上選擇若干測量垂線，可用繩索14固定斷面兩端，如圖6所示，再用滑輪在繩索上運行至所定測線位置，再控制探測器高度至所要求的測點位置，在每個測量垂線上分別選擇上、中、下3個測點，分別在泄洪閘門開度為1/5、3/5、5/5時對其進行測量，得知各測點的γ射線計數(shù)率N，將它們分別代入上述公式1，即可計算出各測點的霧化濃度W，例如某一測線的測量數(shù)據(jù)如下閘門開度1／5時間1510測點上中下計數(shù)率N103788 103978103871霧化濃度W4‰3.6‰ 3.8‰閘門開度 3／5時間 1535測點上中下計數(shù)率N 103436103728103251霧化濃度W 4.9‰ 4.2‰ 5.3‰閘門開度5／5時間1550測點上中下計數(shù)點N102888 102760102510霧化濃度W6.2‰ 6.5‰7.1‰將以上數(shù)據(jù)用坐標圖表示，即得到該測線的霧化濃度隨深度變化的分布圖，如圖3所示。同樣，將測量時間代入坐標圖即得到該測線在泄洪過程中霧化濃度隨時間的變化情況，如圖4所示。
實施例2、在薄霧區(qū)由測試人員攜帶β射線探測器到預定各測點進行測量。如圖2所示，β射線源采用β平面源鍶-90，探測器9為塑料閃爍體與GDB-28光電倍增管相配合。室內(nèi)標定，測得β射線探測凈水計數(shù)率N0＝95728.7，利用慮紙濕水測得水霧濃度M與β射線計數(shù)率N關系曲線常數(shù)K＝2.88。分別在閘門開度為1/5、3/5、5/5時在各預定測點進行測量，測得其β計數(shù)率N，代入上述公式2，即可得知各測點的霧化濃度，數(shù)據(jù)如表1，其中含水量即為霧化濃度。制作坐標圖(如圖5所示)，圖中曲線即表示了薄霧區(qū)內(nèi)沿各測點的霧化濃度變化。
權利要求
1.一種用核子方法測量大壩泄洪霧化濃度的方法，其特征在于它采用γ射線探測系統(tǒng)在霧化濃度強的區(qū)域進行測量，而在薄霧區(qū)則選用β射線探測系統(tǒng)；γ射線探測系統(tǒng)的結構為框架結構，其中框架(1)的一側安裝γ射線源(2)，采用镅-241點狀源，另一側安裝γ射線探測器(3)，探測器(3)由碘化鈉(或鉈)晶體與光電倍增管組成，探測器(3)測量γ射線(4)所產(chǎn)生的信號，經(jīng)信號電纜(5)送至記錄儀器；β射線探測系統(tǒng)的結構仍為一框架結構，其中框架(7)一側安裝β射線源(8)，采用鍶-90平面源，另一側安裝β探測器(9)，由塑料閃爍體與光電倍增管組成，探測器(9)測量β射線(10)所產(chǎn)生的信號經(jīng)跟隨器(13)和信號電纜(11)送至記錄儀器。；具體測量步驟為(1)校驗儀器將上述的探測系統(tǒng)配合常規(guī)射線記錄儀，進行γ、β射線測試試驗，以選定各探測器的工作點，即選定光電倍增管的工作電壓和選定探測信號幅度的閥電壓，並測定測試系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性能；(2)室內(nèi)標定用上述的探測系統(tǒng)測試不同水霧濃度條件下的射線計數(shù)率；γ射線計數(shù)率N與霧化濃度M的關系為M=(InN0-InN)/InN0-ImN水(公式1)，由于探測的γ射線計數(shù)率隨水霧濃度呈線性變化，故只需測出霧化濃度為0(凈氣)的計數(shù)率N0，與全部霧化，即霧化濃度為100%(凈水)的計數(shù)率N水；對于β射線測量，其射線計數(shù)率N與霧化濃度M的關系為KM=InN0/N(公式2)，首先測出霧化濃度為0(凈氣)的β射線計數(shù)率N0，再使用濾紙均勻吸附一定量水份，在上述β射線探測系統(tǒng)框架內(nèi)改變浸水濾紙層厚，探測β射線計數(shù)率N的變化，以確定框架內(nèi)水量與計數(shù)率關系曲線，得出曲線常數(shù)K；(3)選擇測點根據(jù)泄洪現(xiàn)場水電站大壩、泄洪洞等水工建筑物的布置，分析泄洪落水點位置、濃霧區(qū)位置及霧化場范圍；在濃霧區(qū)域由于測量人員無法靠近現(xiàn)場，即采用固定繩索選擇若干測量斷面，用混凝土澆筑斷面線的固定點，以便在斷面線上安裝γ射線探測系統(tǒng)，并在斷面上選擇測量垂線位置和在測線上選擇測點位置；在薄霧區(qū)選擇若干測點、并做好標記，實際測量時供觀測人員攜帶儀器及β射線探測器在測試點用竹桿控制探測器高程進行霧化濃度測量；(4)現(xiàn)場空白試驗由於大壩泄洪時，水流量大，流急，十分危險，為保證泄洪時現(xiàn)場測量的安全，并可靠的取得測試資料，在正式泄洪放水以前，沒有洪水的條件下，將所有測量裝置按照正式泄洪時的測量要求安裝好，進行探測器選點操作和γ射線、β射線的測量操作，檢查各方面配合情況、探測系統(tǒng)運行情況，如發(fā)現(xiàn)問題即時解決，以保證正式泄洪測試時安全可靠準確無誤；(5)實際泄洪觀測經(jīng)過現(xiàn)場準備工作以后，水電站大壩泄洪放水時，核子方法即可正式投入霧化濃度測量；在濃霧區(qū)用繩索將γ射線探測系統(tǒng)送至測試區(qū)域，用專用繩索控制探測器的位置和高程，在選擇的測量斷面上的固定垂線上循迴選點進行霧化濃度測量；霧化濃度信號經(jīng)電纜(5)輸送至霧區(qū)以外的記錄儀，可以記錄霧區(qū)內(nèi)不同斷面、不同垂線和不同測點在不同泄洪時間的霧化濃度；在薄霧區(qū)，測試人員攜帶測試儀器及探測器，對選定的固定測點，循迴做不同高程位置的霧化濃度測量；(6)數(shù)據(jù)整理分析將實測得的γ射線和β射線計數(shù)率分別代入上述公式(1)或公式(2)，即可得知不同測點的霧化濃度，將各測點不同時間所測量的霧化濃度數(shù)據(jù)進行整理，用作標圖表示，即可得泄洪過程中各個測點霧化濃度隨泄洪時間的變化過程，及各測點的霧化濃度分布圖。
全文摘要
一種采用γ射線或β射線測量大壩泄洪霧化濃度的方法。其步驟是先在室內(nèi)進行標定試驗，測量γ射線與β射線的凈水與凈氣計數(shù)率，找出含水量與計數(shù)率的關系，實測時在現(xiàn)場做好斷面選擇，將探測系統(tǒng)置入事先選定的位置及測點，進入γ、β射線的計數(shù)率測量，即可計算出各測點的霧化濃度。
文檔編號G01N23/00GK1078804SQ9310779
公開日1993年11月24日 申請日期1993年7月12日 優(yōu)先權日1993年7月12日
發(fā)明者曹更新, 程和森, 李樟蘇 申請人:水利部交通部能源部南京水利科學研究院