Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w urządzeniach automatyki, radiometrycznych przyrządach pomiarowych

Izotopy promieniotwórcze są stosowane w różnych automatycznych urządzeniach kontrolnych (radiometrycznych urządzeniach pomiarowych). W procesach przemysłowych technologia radiometryczna jest wykorzystywana do złożonych pomiarów od lat pięćdziesiątych XX wieku.

Główne zalety urządzeń radioizotopowych:

• pomiar bezkontaktowy (bez bezpośredniego kontaktu elementów pomiarowych z kontrolowanym środowiskiem);
• wysokie walory metrologiczne zapewniane przez stabilność źródeł promieniowania;
• łatwość użycia w typowych schematach automatyki (wyjście elektryczne, zunifikowane bloki).

Zasady działania urządzeń radioizotopowych opierają się na zjawiskach oddziaływania promieniowania jądrowego z kontrolowanym środowiskiem. Schemat urządzenia z reguły zawiera źródło promieniowania, odbiornik promieniowania (detektor), pośredni konwerter odbieranego sygnału i urządzenie wyjściowe.

Systemy radiometryczne składają się z dwóch części: niskoenergetyczny izotop promieniotwórczy w źródle emituje energię radioaktywną za pośrednictwem urządzeń technologicznych, na przykład naczynia, a detektor zainstalowany po drugiej stronie mierzy dochodzące do niego promieniowanie. Wraz ze zmianą masy między źródłem a detektorem (wysokość poziomu, gęstość zawiesiny lub masa cząstek stałych na przenośniku) zmienia się natężenie pola promieniowania detektora.

Główne właściwości i obszary zastosowania niektórych rodzajów promieniowania:

1) promieniowanie alfa — strumień jąder helu. Jest silnie absorbowany z otoczenia. Zasięg cząstek alfa w powietrzu wynosi kilka centymetrów, aw cieczach kilkadziesiąt mikronów. Służy do pomiaru ciśnienia gazu i analizy gazu. Metody pomiarowe opierają się na jonizacji ośrodka gazowego;

2) promieniowanie beta — strumień elektronów lub pozytonów. Zasięg cząstek beta w powietrzu sięga kilku metrów, w ciałach stałych — kilka mm. Absorpcja cząstek beta przez medium służy do pomiaru grubości, gęstości i masy materiałów (tkaniny, papieru, pulpy tytoniowej, folii itp.) oraz do kontroli składu cieczy. Odbicie (rozproszenie wsteczne) promieniowania beta od otoczenia pozwala na pomiar grubości powłok oraz stężenia poszczególnych składników w danej substancji, promieniowanie beta wykorzystywane jest również w analizie gazów jonizujących oraz przy jonizacji do usuwania ładunków z elektryczności statycznej ;

3) promieniowanie gamma — przepływ kwantów energii elektromagnetycznej towarzyszący przemianom jądrowym. Działa w ciałach stałych - do kilkudziesięciu cm.Promieniowanie gamma jest stosowane w przypadkach, gdy wymagana jest duża zdolność penetracji (wykrywanie defektów, kontrola gęstości, kontrola poziomu) lub wykorzystywane są cechy oddziaływania promieniowania gamma z ośrodkami ciekłymi i stałymi (kontrola składu);

4) promieniowanie n-neutronowe Jest to przepływ nienaładowanych cząstek. Po — źródła Be (w których cząstki Po alfa bombardują Be, często stosuje się emitujące neutrony). Służy do pomiaru wilgotności i składu środowiska.

Pomiar gęstości radiometrycznej. W przypadku procesów wykrywania rurociągów i zbiorników wiedza o gęstości pomaga operatorom podejmować świadome decyzje.

Najczęstszymi odbiornikami promieniowania w urządzeniach automatyki są komory jonizacyjne, gazowe liczniki wyładowcze i scyntylacyjne.

Przetwornik pośredni odbieranego sygnału promieniowania może zawierać układ wzmacniający (kształtujący) oraz miernik szybkości zliczania impulsów (integrator). Ponadto w niektórych przypadkach stosowane są specjalne schematy spektrometryczne. Czasami automatyczne urządzenia sterujące są wbudowane bezpośrednio w system sterowania.

Charakterystyczną cechą urządzeń radioizotopowych jest obecność, oprócz zwykłych błędów instrumentalnych, dodatkowych błędów probabilistycznych. Wynikają one ze statystycznego charakteru rozpadu promieniotwórczego, a zatem przy stałej średniej wartości strumienia promieniowania w dowolnym momencie czasu można rejestrować różne wartości tego strumienia.

Zmniejszenie błędów pomiarowych można osiągnąć poprzez zwiększenie natężenia strumienia promieniowania lub czasu pomiaru.Ta pierwsza jest jednak ograniczona wymogami bezpieczeństwa, a druga pogarsza wydajność urządzenia. Dlatego we wszystkich przypadkach zaleca się stosowanie detektorów promieniowania o najwyższej skuteczności detekcji.

Chociaż dokładny pomiar natężenia strumienia promieniowania jest obowiązkowy dla większości urządzeń rozważanego typu, nie jest to ostatecznym celem, ponieważ w rzeczywistości ważne jest precyzyjne kontrolowanie nie natężenia, ale parametru technologicznego.

Mierniki grubości i gęstości radioizotopów

Najszerzej stosowane urządzenia do pomiaru grubości lub gęstości poprzez absorpcję promieniowania. Najprostszy schemat pomiaru grubości lub gęstości materiału poprzez pochłanianie promieniowania obejmuje źródło promieniowania, badany materiał, odbiornik promieniowania, przetwornik pośredni i urządzenie wyjściowe.

Różne gałęzie przemysłu wykorzystują technologię radiometryczną do pomiaru gęstości. Kopalnie, papiernie, elektrownie węglowe, producenci materiałów budowlanych oraz przedsiębiorstwa naftowe i gazowe wykorzystują tę technologię pomiaru gęstości gdzieś w swoich procesach.

Pomiary gęstości pozwalają operatorom lepiej zrozumieć ich procesy, pomagając zoptymalizować wydajność gnojowicy, zidentyfikować blokady, a nawet poprawić kontrolę w złożonych zastosowaniach.

Radiometryczne czujniki gęstości są bezkontaktowe, co oznacza, że ​​nie zakłócają procesu, nie zużywają się i nie wymagają konserwacji, dzięki czemu działają dłużej. Montaż zewnętrzny upraszcza instalację czujnika.

Do pomiaru gęstości wykorzystywana jest technologia radiometryczna, ponieważ czujniki te wykonują pomiary bez kontaktu z przetwarzanym materiałem. Pomiar bezkontaktowy zapewnia bezawaryjną i bezobsługową pracę. Produkty ścierne, żrące lub żrące często powodują częstą i kosztowną konserwację lub wymianę innych czujników, ale radiometryczne detektory gęstości mogą działać od 20 do 30 lat.

Czujnik jest odporny na zapylenie w cementowni i nadal dokładnie mierzy gęstość w pionowej rurze

Przyrządy radiometryczne są montowane na zewnątrz rurociągu lub zbiornika, dzięki czemu system jest odporny na gromadzenie się osadów, szok termiczny, skoki ciśnienia lub inne ekstremalne warunki procesowe. A dzięki solidnej konstrukcji urządzenia te są w stanie wytrzymać wibracje z rury lub zbiornika, na którym są zainstalowane.

Te czujniki radiometryczne są znacznie łatwiejsze w instalacji niż inne technologie. Urządzenia tego typu można instalować bez przerywania kosztownego procesu.Inne technologie wymagają usunięcia odcinków orurowania lub innych istotnych zmian w samym procesie.

Początkowy koszt izotopów promieniotwórczych jest wyższy niż w przypadku innych rozwiązań do pomiaru gęstości. Jednak rozwiązanie radiometryczne może trwać 20 lub 30 lat przy niewielkiej lub żadnej konserwacji.

W przeciwieństwie do innych rozwiązań, radiometryczne czujniki gęstości to długoterminowa inwestycja w cały proces, zapewniająca bezpieczną i wydajną pracę przez dziesięciolecia. Pojedynczy radiometryczny czujnik gęstości zapewnia znaczne oszczędności kosztów operacyjnych przez cały okres eksploatacji przyrządu.

Radiometryczny pomiar przepływu masowego zapewnia dokładne ładowanie w zakładach wapienniczych. Liczne przenośniki taśmowe o różnej długości od kilku metrów do jednego kilometra zapewniają transport skały w różnych warunkach obróbki we właściwe miejsce do dalszej obróbki.

Wraz z urządzeniami, których dokładność zależy od dokładności pomiaru natężenia strumienia promieniowania, są ważnymi urządzeniami, w których zadanie dokładnego pomiaru natężenia strumienia promieniowania nie jest w ogóle ustawione. Są to układy pracujące w trybie przekaźnikowym, w których ważny jest sam fakt obecności lub braku przepływu promieniowania, jak również układy pracujące na zasadzie fazy lub częstotliwości.

W tych przypadkach nie rejestruje się ani obecności promieniowania, ani jego natężenia, np. częstotliwości lub fazy naprzemienności stanów, które charakteryzują się różnym natężeniem strumienia promieniowania lub różnym stopniem oddziaływania tego strumienia z kontrolowanym środowiskiem. . Jednym z najbardziej rozpowszechnionych zastosowań systemów przekaźnikowych jest sterowanie poziomem położenia.

Manometr radioaktywny

Układy przekaźnikowe wykorzystywane są również do liczenia produktów na przenośniku, do monitorowania położenia poruszających się obiektów, bezkontaktowego pomiaru prędkości obrotowej oraz w wielu innych przypadkach.

Metody jonizacji

Jeśli w komorze jonizacyjnej zostanie umieszczone źródło promieniowania alfa lub beta, prąd w komorze będzie zależał od ciśnienia gazu przy stałym składzie lub od składu przy stałym ciśnieniu. Zjawisko to jest wykorzystywane w projektowaniu manometrów radioizotopowych i analizatorów gazów do mieszanin dwuskładnikowych.

Wykorzystanie strumieni neutronów

Przechodząc przez kontrolowaną substancję, oddziałując z jej jądrami, neutrony tracą część swojej energii i zwalniają. Zgodnie z prawem zachowania pędu neutrony przenoszą się do jądra im więcej energii, im masa jądra jest bliższa masie neutronu. Dlatego neutrony szybkie doświadczają najsilniejszego moderowania, gdy zderzają się z jądrami wodoru. Służy to na przykład do kontrolowania wilgotności różnych mediów lub poziomu mediów zawierających wodór.

System pomiaru wilgotności LB 350 wykorzystuje technologię pomiaru neutronów. Pomiar dokonywany jest albo z zewnątrz, przez ściany silosu, albo przez mocną rurkę zanurzeniową zainstalowaną wewnątrz silosu. W ten sposób samo urządzenie pomiarowe nie podlega zużyciu.

Pomiar stopnia absorpcji neutronów przez różne substancje służy do określenia zawartości pierwiastków o dużym przekroju poprzecznym absorpcji neutronów. Stosowana jest również metoda kontroli składu substancji poprzez analizę spektralną promieniowania gamma powstającego w wyniku wychwytu neutronów przez substancje. Technikę tę stosuje się na przykład do obudowy szybów naftowych.

Niektóre gałęzie przemysłu, które wykorzystują radiometryczną technologię pomiaru procesu, wykorzystują również nieniszczącą kontrolę rentgenowską lub kontrolę radiograficzną do weryfikacji integralności spoin i zbiorników. Urządzenia te emitują również energię gamma ze źródła w sposób podobny do mierników radiometrycznych.

Zobacz też:

Czujniki i urządzenia pomiarowe do określania składu i właściwości substancji

Jak przebiega automatyczne ważenie w zakładach przemysłowych