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中子水分測定儀使用說明

時間:2012-05 -25  來源:宇達電子  

哈爾濱宇達電子技術有限公司生產在線水分測定儀,紅外水分測量儀。

一.簡介
智能中子土壤水分儀是集多種技術于一體的野外土壤含水量測量儀器。測量時只要將探頭放入預先埋設好的導管內,半分鐘左右就能得到一個土壤層的含水量值。整個測量過程不用取樣,、快速、測深不限、不受水分物理狀態(如冰凍)的影響。該儀器主要用于田間土壤水分測量,觀察水分分層分布情況及動態變化,作物的需水量研究,節水灌溉指導。嚴寒地區凍土水分測量,及某些部門的長期土壤水分資料積累等方面,也可用于其他物料的水分測量。
儀器內部采用單片計算機系統,直接顯示含水量值,計算貯存自動完成,可根據被測量的土壤狀況輸入10條多項式標定曲線供計算用,并可隨意調用。測量的結果可顯示或打印出來,并可和微機聯機通訊。
二.主要技術指標
1.測水范圍:0~100(%)θ(容積含水量θ)。
2.測量度:小于1 (%)θ(和烘干法比較).
3.測量靈敏度:土壤水分每變化1(%)θ,相應的計數變化>600脈沖/分鐘。
4.測量深度:地表面至埋置的導管深度。
5.放射防護:符合《放射防護規定》GB8703標準.
6.中? 子? 源:30mCi(1.1Gbq)241镅—鈹同位素中子源,中子發射率為6.9×104n/s,三層不銹鋼氬弧焊封裝.
7.數據與貯存:可存2000個水分測量值,40個曲線方程系數,即10條三項式曲線。在掉電的情況下這些數據可保存8年.
8.耗??? 電:整機電流小于100毫安,一次滿額充電可連續使用40小時。
9.工作環境:溫度-20℃~+45℃,濕度<90%.
10.體積重量:17×17×38cm;6.8Kg

三.基本原理???
在物理學上,通常以能量的大小替中子分類,習慣上分別將106、103、10-2左右電子伏特的中子稱為快中子,慢中子,和熱中子,能量大的中子其運動速率也大。在中子水分儀前端,一個中子源不斷發出快中子,快中子有一個特點,當它和氫原子核碰撞時,損失的能量大,很快就被慢化成熱中子,這就象普通物理學實驗中,當一個質量小的球與一個質量大的球相碰撞時,小球只是改變方向而速率并無多大變化,只有當兩球的質量相等時,運動的球會把靜止的球撞得向前滾去,而自己卻停了下來。氫原子是原子中質量小的,和中子質量接近,因此當快中子和氫原子相碰時,能量損失比其他原子要大得多。
探頭中的中子源不斷地放射出快中子,使得中子源附近的土壤中一直存在著快中子減速成為熱中子,熱中子在土壤中擴散,被土壤吸收的過程。從整體上看,中子源周圍的土壤中總是裹著一團中心密集,邊緣稀疏的熱中子,這團熱中子稱作熱中子云球在快中子慢化過程中,氫原子有著特別重要的作用,一方面它們每次碰撞時損失的能量比別的元素大得多,另一方面氫原子與中子的作用截面也較大,也就是說相碰的機會也較多,所以當把中于源放入土壤中,若土壤中含氫量大,中子就慢化得快,中子源周圍形成的”熱中子云球”的半徑就小,熱中子密度也就大,反之,熱中子密度就較小。中子源旁有一塊體積確定的熱中子探測器,它能將進入探測器的熱中子轉換成光電信號并通過電子線路將其個數記錄下來,這樣土壤中含氫量大,儀器記錄到的計數就多。我們知道每一個水分子含有二個氫原子,而土壤中的氫大部分來自水中,這樣熱中子計數和土壤含水量之間就存在著一種確定的關系,我們在標定中通過回歸的方法找出這種關系,就能計算出含水量。為了適應土壤的多樣性和復雜性,我們采用了三項式方程,這樣無論兩者的關系如何變化,都能很好地擬合。

四.主要部件簡介
1.探頭
①中子源:中子水分儀使用30mCi(1.1Gbq)241镅—鈹三層不銹鋼封裝柱狀同位素中子源,它們平均能量是5MeV左右,中子發射率為6.9×104n/s,半衰期為433年,所以在十多年的使用期內中子發射率基本不會變化。
②鋰玻璃探測器:其外形象一塊圓形玻璃,用硅脂粘合在光電倍增管前端,每當熱中子和探測器中鋰發生核反應時,便會產生很弱的閃光,它對熱中子的探測效率很,不易損壞而且壽命長。
③光電倍增管:光電倍增管是光電轉換器件,探測器接受到熱中子并發出閃光時,光子會在光陰上打出一些電子,這些電子在光電倍增管內經過多放大,便輸出一個個脈沖信號,后被電子線路接收記錄。光電倍增管外殼是由玻璃制造,所以要注意防止猛烈震動而受到損壞。
2.標準防護容器:
它是由含氫量很的復合聚乙烯材料制成,一個作用是水分測量儀快中子經過它時大部分已被慢化和吸收了,容器外的劑量率低于允許標準,使用者可放心地提著儀器到野外去測量,保證了使用者的身體健康。容器的二個作用是做標準計數,如果外界原因(溫度影響等)使測量計數率減小或增加,那么標準計數率也會以相同的比率變化,其計數率比應不受外界因素影響,采用計數率比可減小系統誤差,提測量的性。
3.主機面板各鍵功能。
主機面板共有21個鍵,現將其功能簡述如下:
①0~9數字鍵、小數點鍵、正負號鍵:用于數據輸入和應答儀器的提示。,在測量態時,當出平均值提示符P,按數字鍵選擇曲線方程。
②復位鍵:用于整機恢復初態,這時提示HELLO。
③監控鍵:在監控態時提示PP,它是狀態的出入口。當欲從一種狀態變成另一種狀態,必須通過監控鍵來轉換。?
④標定鍵:在標定態可查看和修改曲線方程系數。
⑤測量鍵:在初態按測量進入標準態,測量標準計數,在監控態按測量進入測量態,提示輸入測量次數、測量管號、測量深度并進行測量。
⑥重復鍵: 在重復態時將做無限重復計數。???
⑦清零鍵:將水分值存貯單元變為零,其他系數,連按兩次有效。
⑧顯示鍵:提示輸入管號,深號,然后顯示測量得到的水分值。
⑨打印鍵:提示輸入打印機類型代號和打印范圍,然后將測量值打印輸出。
⑩結束鍵:關機前按結束鍵能使的信息可靠地保存。
4.其他部件功能:
①主機后蓋板有一圓蓋,旋開后可看到三個器件:
a.五位開關:每一位開關都標有數碼,其中5是積分微分開關(請參看七章),在ON位置時是微分測量。1是自檢測量開關,ON時是測量。2、3、4是自檢信號選擇開關,分別撥到ON位置時,輸出9764,4880、2440標準信號供檢查修理時使用。
b.指針式電位器:調節閾值用,和微分開關配合使用可信號進行微分分析。
c.壓電位器:用于光電倍增管壓調節。
②主機側板插頭:其中15孔端口供打印輸出用、9孔端口供微機通訊用。另一個是充電插孔,充電時間應控制在10至15小時之間,當主機和容器分離時,充電器可作為主機電源使用。
③上蓋板按鈕:上蓋板有一按鈕,用于電池電壓顯示,另一個也是充電插孔。??????
④電纜接頭:主機和探頭之間用電纜相聯,注意不能帶電插拔,接頭要旋緊。
⑤容器正上方裝有探頭鎖定裝置,側向扳動可打******定裝置讓探頭進入導管。容器下的墊板用腳一踩即可脫落。當需要主機和容器分離時,可打開上蓋板,垂直上拔即可取下主機,這時可拿到辦公室去打印或將數據輸給計算機。主機的電池插頭在其底部的右下方,安裝主機時注意對準插好。
五.測量步驟與實例
1.測量可歸納為以下幾個主要步驟:(*表示可選擇使用步驟)
①開機
*輸入曲線方程系數,一次輸入后即自動貯存,以后不必再輸。
*清零:根據情況決定是否清除上次測量的結果o
②測標準計數:將探頭置于容器內測標準計數,一般半天一次即可。
③測量計數:將探頭置于欲測深度進行測量,之后自動計算,顯示并存貯在相應的存貯器單元。
④關機???
⑤顯示或打印出測量的結果
2.標定操作實例:
操作鍵??????? ??顯示? ·??? ??注?????????? 釋
---------------------------------------------------------------------------------------
開關?? ???????????????????? ?HELL0????? 開啟電源,儀器處在初態。
監控???? ????????? ?????****** ?????????? ?顯示上次測量的標準計數。
監控? ??????????????? ?????PP??? ???????????? ?進入監控態。
標定 ???????????????????????? ??A00?? ?????????? ?提示將顯示0條曲線的0次項系數。
標定???? ???????????????? ??**.**?? ? ????顯示原輸入值。
-29.34????????? ??-29.34?????? 輸入新的系數值,如不修改直接再按標定鍵,
標定????????????? A01??????? 提示將顯示0條曲線的1次項系數。
標定????????????? ***.**.¨?? 顯示原輸入值***.**。
這樣可輸入10條曲線的共40個系數,注意輸入值要到小數點后二位,否則可能會影響到計算精度。如采用直線方程,只要將2次項以上的系數置為0即可。由于技術原因,再次顯示系數時負號不再出現,使用者應記好。
3.標準計數操作實例:??? ,
按復位鍵,儀器回到初態,這時將探頭放置在防護容器中,下墊聚乙烯墊板,測量地點好每次都相同,并且1米內含氫物質(植物,水等)盡量要少,這樣不會因環境因素影響到標準計數。
具體操作步驟如下:
操作鍵? ??????????? ???顯示?? ??????? 注???????????? 釋
---------------------------------------------------------------------------------------
復位? ??????????????? ??HELLO??? ??使儀器處在初態。
測量? ???????? ??????*****??????? 顯示上次的標準計數。
測量? ??????????PL 01??????? 進入測量狀態,顯示的數是10秒一次的測量次數,可改寫。
20??? ???????? ???????PL 20??????? 測20次,然后取其平均值。
測量???????? ????*****???????? 每10秒顯示一個計數,自動測20次。??????????????????????????
P*****?? ??顯示20次的平均值。
監控????????????? PP? ????????進入監控狀態,這時標準計數已自動存入,供計算計數率比用。如認為這次測量結果不,可直接按測量鍵再測。
4.測量計數操作實例:??
用腳輕輕踩住墊板使之和儀器分開,將儀器放在導管上,打開線夾將探頭順著導管放至欲測深度,這時即可進行測量了。
具體操作步驟如下:
操作鍵? ??????????? ????????顯示??? ????????? 注??????????? 釋
---------------------------------------------------------------------------------------
PP??? ???????? 儀器處在監控態。
測量?? ???????????????????? ????HE 01? ???????????? 請輸入測量次數,每次10秒,
一般為4~6次。
4????? ???????????????????? ????HE 04??? ? ?測4次重復。
測量?? ???????????????????? ????LL 01?????? 請輸入管號,大值為99。
5????? ???????????????????? ????LL 05?????? 測5根管。
測量 ?????????? ??????????EE 01??? ??? 請輸入深度號,大值為20。
3???? ???????? ??????????EE 03?????? 測3個深度。
測量????????? ?????*****??? ?????? ????10秒一次測4次。
P*****? ? ????顯示4次測量的平均值。???
0???????????? ??????**.**??????? 按0鍵則按0條曲線方程計算? 水量并自動貯存,數字鍵0~9共有10條曲線可供選擇。
將探頭放至另一深度,重復上述步驟,直至完成測量。
測量深度烙記在電纜線上,可用線夾在任意深度定位,也可在電纜線上固定若干個定位夾,使用定位夾便捷,常在測深確定的情況下采用。線夾內側夾線用,外側和定位夾配合用。為了使電纜線上的深度標記和實際深度一致,我們規定導管露出地面的度為10厘米,這時電纜線上指示的深度就是實測的深度,如不一致,應注意增減其差值。???
每一根管測完以后,將探頭拉回容器,這時如聽到”咔嗒”一聲,說明探頭已自動鎖好,可轉移至其他測管去測量。
5.顯示操作實例:
操作鍵? ??????????? ??????顯示??? ????????????? ??注????????? 釋
---------------------------------------------------------------------------------------
監控??? ??????????? ??????PP??? ?????????? ??進入監控態。
顯示??? ??????????? ??????LL 01 ?????????? ??請輸入管號。
5?????? ?? ??????LL 05 ?????????? ?????欲查看5根管。
顯示??? ??????????? ??????HH 01 ????????? ??請輸入深度號。
3????? ????????????? ??????HH 03 ????????? ??欲查看3個深度。
顯示??? ??????????? ??????**** ???????????? ???顯示貯存的含水量值。
顯示?? ????????????? ??????HH 04??? ??? ??將顯示下一深度含水量值。
6.打印操作實例:
操作鍵? ??????????顯示?? ?????注???????????? 釋
---------------------------------------------------------------------------------------
監控??? ?????????PP????? ?????進入監控態。
打印??? ?????????123???? ?????提問用40行,80行,100行哪種打印機?
2???  ??? ????LL 01??? ??????用80行打印機,又問從哪一管起打??????????????????????????????????
5???  ??? ????LL 05??? ??????從5根管起打。
打印?? ????????HH 01??? ??????問從幾深度起打?
10??  ??? ????HH 10??? ??????從10個深度起打?
打印?? ????????LL 99??? ???????問打至哪根管止?
10???? ????????LL 10??? ???????打至10根管止。
打印?? ????????HH 20??? ?????? ??????問打至哪個深度止?
15???? ????????HH 15??? ?????? ??????打至15個深度止。
打印??? ?????????PHL??? ?????? ???打印開始。
注意打印是一組組輸出的,如80行打印輸出是10個一組。由于打印機多種多樣,如不能正常打印,請按說明書上的郵編地址和我們聯系。

六.導管的埋設與儀器的標定
測量首先要埋管,埋管地點的選擇很重要,因為我們是要通過一根或幾根管的測量,推斷出一塊或一片田某一層總體含水量是多少?埋管的地點應具有代表性,能較好地反映出總體的狀況。鉆孔可用麻花式取土鉆或筒式取土鉆(洛陽鏟),土鉆外徑應比鋁管略大,盡量使孔垂直。鉆孔時還應注意上下土層的容重,質地是否一致,如差異明顯,應記住界面深度,以便分別標定,以后測量? 采用不同的曲線計算,以提測量的性.
中子水分儀測量到的主要是熱中子計數,計數值的大小和土壤含量成正比,但測量到的某一計數值究竟對應的含水量是多少,由于土壤狀況的多樣性和復雜性,很難從理論上推導出兩者的關系,因此需要通過烘干法進行標定,得出一組兩者關系的對應點,然后求出回歸方程,這樣就可以通過該方程,由一個已知量(測量計數)求出另一個未知量(土壤含水量)。烘干法是中子測水的參照標準,中子測水的度依賴于烘干法的度,因此,標定的是盡可能提烘干法測量的性。標定有許多種方法,這里我們只介紹較為常用的田間標定,相信使用者能舉一反三,結合自己的實際情況創造出更好的標定方法。
由于土壤的空間變異性,在導管附近同一土層取出的若干土樣是一個隨機變量,要想得到某一層的水分真值,就應在該層的同一水平面上取多個土樣,然后根據數理統計的方法求出水分真值和誤差,如精度不夠,就必須適當增加土樣數量或另選點,為了保證中子法測水的度,通常要求烘干法測量誤差不大于0.5θ(%)。另外,中子法測量的有效體積是一個直徑20厘米左右的球體,垂直方向的水分不同也會影響到標定的精度,所以標定前可用中子儀進行初測,選在一個垂直方向水分變化小的土層進行標定。還有就是標定的范圍要大于測量范圍,如采用多項式回歸,隨意擴展曲線可能會在外延部分引起較大的誤差,如水分變化范圍不夠,可參照步驟3,用人為方法擴大水分范圍。標定時儀器的測量時間應比正常測量延長2-4倍,以減小計數的統計誤差。烘干法常用的單位是重量含水量(W),而中子法則一般采用容積含水量(θ)。兩者通過土壤干容重(p)相聯系(θ=Wp),如垂直方向土壤容重變化大,應挖坑測出土壤干容重用于換算。儀器的標定有時是一個較長的過程,使用者并非一定要等到標定好以后才能進行測量,使用者可先使用一個假定的方程,等到標定好以后再進行換算。如以后的數據積累多了,還可對原來的標定曲線進行再次修正?;貧w方程計算應通過計算機完成,我們可免費提供有關軟件或代為計算。田間標定的具體步驟可歸納為:
1.仔細選點,鉆孔埋管。
2.用中子儀每10厘米一層進行粗測,對標定地點土壤含水量有一個大致的了解。
3.如含水量不夠,可根據情況進行控制灌水,然后蓋上塑料薄膜防止蒸發和降雨,讓其自然平衡1-3個星期。如含水量太,可在導管1米遠處挖溝,阻斷側向水分的滲潤,上蓋塑料薄膜防雨,晴天打開曝曬,以取得低含水量點,低水分之間一般要有5個以上的點,并盡可能使之均勻分布。
4.再粗測選擇垂直方向水分分布較均勻的標定層。
5.測標準計數,然后將探頭放在標定層測測量計數,用計算器算出計數率比待用。為了減小計數的統計誤差,標定時標準計數一般在30次以上,測量計數在15次以上。
6.在標定導管四周20厘米范圍內,每個水分值取6~10個土樣,取樣深度和中子儀測量深度一致。
7.土樣稱重,烘干,稱重,計算出含水量和誤差,刪除不的點。
8.得出一組相對應的計數率比和土壤含水量值,用多項式回歸軟件(如EXCEL)計算出回歸方程?;貧w方程的項次為3次。
9.將曲線的4個系數輸入儀器用于計算含水量用。
10.標定導管附近的土壤結構已被破壞,用拔管器將導管拔出,重新埋置使用。
(以上測量方法僅供用戶參考)
在淺層測量時,由于部分中子會逃出地表面而使計數減小,這時測量計數變成了含水量和深度的函數,只要我們將深度固定,在這一深度標定和測量,單使用一根專用標定曲線,就能減小中子逃逸的影響,進行淺層測量。為了使深層和淺層測量的精度大致相同,我們已將深度標記為1,2,3的測量時間按比例延長,請使用者注意。

七.數據處理與脈沖分析
即使在外界條件完一致的情況下,‘每次測量到的計數卻很少是相同的,這并非是儀器不穩定,而是由于放射性物質衰變的屬性決定的,镅的半衰期是433年,但在某一分鐘內究竟哪些镅原子發生衰變,則完是隨機的,但這也不是雜亂無序的,而是有著其內在的規律性。標準計數的外界條件基本一致,因此常作為儀器工作是否正常的標志,在這里我們將著重介紹標準計數的一些放射性統計規律及數據處理方法。下面是我們某次測量到的20個10秒的標準計數:??? .
8670? 8448? 8380? 8548? 8440? 8544? 8420? 8412? 8279? 8300?? 8416? 8388? 8400? 8308? 8476? 8188? 8480? 8250? 8320? 8316
水分檢測儀=8399? ?S=114,在這組數據中,兩個特征值是重要的:
1.平均值水分測試儀,其數學定義為水分分析儀=∑X/n,表明各計數值的分布趨勢。
2.樣本標準差,其數學定義為S=木材水分儀,
S表明以水份測定儀為中心各計數值的分散程度。放射性物質的衰服
從泊松分布的,它的一個特殊性質是σ=紅外水分測定儀,這是理論上導
出的測量誤差,這樣當我們知道某一測量計數值時,就立即知道
它的誤差該是多少。如無其他誤差介入,測量得到的S和理論值
σ應基本相等。我們測量到的計數較大,因此可以用我們熟悉的
正態分布來處理,即測量計數的68%會落在一個標準差之內,計
數的95.5%會落在兩個標準差之內,(參見圖2)在上面的標準計數
測量中,水份測量儀=8399,σ=近紅外水分儀=糧食水分儀=97所以二個標準差的范圍是
在線水分儀-2σ~水份檢測儀+2σ,即8215~8582之間,由于測量計數出現在
這個范圍的概率是95.5%,所以在這20個計數中,應該僅有一個左右的計數可能會出此范圍。如果我們得到的是一組m次測量的平均值,那么它的誤差將比單次測量減小鹵素水分測定儀倍。通過標準計數的檢驗,我們能夠大致地了解計數是否符合放射性統計規律,從一個側面了解儀器工作是否正常。
測量計數的漂移會影響到測量的性,因此我們也可通過檢驗標準計數觀察漂移問題,它也是檢驗儀器工作是否穩定的指標,盡管采用計數率比可以消除其部分影響,但一般測量過程中前后二次的標準計數仍不應有統計上的不同。為了保證測量條件一致,測量的地點要相同,并要將儀器放在石板等含氫量變化小的材料上,標準計數檢驗可采用數理統計中常用的t檢驗法,由于篇幅所限,請自己參考有關資料。
在減小儀器漂移方面,脈沖分析器起著重要作用。脈沖分析器能分析出脈沖幅度的低,找出脈沖計數的“谷底”,從而減小光電倍增管壓波動的影響并將中子和其它無用射線分開,提測量的穩定性.脈沖分析器是一個寬度為0.3伏的窗口,于或低于這個窗口的脈沖都不能被記錄下來,隨著窗口下沿逐次上移,我們就能知道脈沖的分布狀況,這就是脈沖的微分計數,找到”谷底”(閾值)后,將窗口固定在那時里,再進行積分計數,木材水分儀就能把有用的熱中子計數都記錄下來。具體的做法是:使儀器處在重復態,這時它將不停地計數,打開后旋蓋,將開關5撥至ON即微分狀態,指針電位器從0.5圈開始,每計一次或二次數就將電位器增加半圈,直至10圈止,這樣記錄到的數應呈圖3示狀態,再將電位器旋回計數的低點,將開關5撥回積分狀態,就可進行正常測量。這樣低于閾值的γ射線脈沖被擋住,于閾值的中子脈沖都被記錄下來,這個數據即是測量的真實值。


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