Радиоактивные изотопы применяются в различных устройствах автоматического контроля (радиометрические измерительные приборы). В промышленных процессах радиометрические технологии используются для сложных измерений с 1950-х годов.
Основные преимущества радиоизотопных устройств:
- бесконтактность измерения (отсутствие непосредственного контакта измерительных элементов с контролируемой средой);
- высокие метрологические качества, обеспечиваемые стабильностью источников излучения;
- удобство использования в типовых схемах автоматизации (электрический выход, унифицированные блоки).
Принципы действия радиоизотопных устройств основаны на явлениях взаимодействия ядерных излучений с контролируемой средой. Схема устройства, как правило, содержит источник излучения, приемник излучения (детектор), промежуточный преобразователь принятого сигнала и выходной прибор.
Радиометрические системы состоят из двух частей: малоактивный радиоактивный изотоп в источнике излучает радиактивную энергию через технологическое оборудование, например, сосуд, а детектор, установленный на противоположной стороне, измеряет приходящее к нему излучение. По мере изменения массы между источником и детектором (высоты уровня, плотности суспензии или веса твердых частиц на конвейере) сила поля излучения на детекторе изменяется.
Основные свойства и области применения отдельных видов излучения:
1) альфа-излучение — поток ядер гелия. Сильно поглощается средой. Пробег альфа-частиц в воздухе несколько см, а в жидкостях — несколько десятков мк. Применяется для измерения давления газа и газового анализа. Методы измерения основаны на ионизации газовой среды;
2) бета-излучение — поток электронов или позитронов. Пробег бета-частиц в воздухе достигает нескольких м, в твердых телах — нескольких мм. Поглощение бета-частиц средой используется для измерения толщины, плотности и веса материалов (ткань, бумага, табачная масса, фольга и т. п.) и для контроля состава жидкостей. Отражение (обратное рассеяние) бета-излучения средой позволяет измерять толщины покрытий и концентрацию отдельных компонентов в веществе, бета-излучение применяется также в ионизационном газовом анализе и для ионизации снятия зарядов статического электричества;
3) гамма-излучение — поток квантов электромагнитной энергии, сопутствующий ядерным превращениям. Пробег в твердых телах — до десятков см. Применяется гамма-излучение в тех случаях, когда требуется большая проникающая способность (дефектоскопия, контроль плотности, уровня) или используются особенности взаимодействия гамма-излучения с жидкими и твердыми средами (контроль состава);
4) n-нейтрониое излучение — поток незаряженных частиц. Обычно используются источники типа Ро - Be (в которых альфа-частицы Ро бомбардируют Be, испускающий при этом нейтроны). Применяется для измерения влажности и состава сред.
Радиометрическое измерение плотности. Для процессов, основанных на знании содержимого трубопроводов и сосудов, знание плотности помогает операторам принимать обоснованные решения.
В качестве приемников излучения в устройствах автоматического контроля наиболее распространены ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики.
Промежуточный преобразователь принятого сигнала излучения может содержать усилительную (формирующую) схему и измеритель скорости счета импульсов (интегратор). Кроме того, в некоторых случаях используются специальные спектрометрические схемы. Иногда устройства автоматического контроля включаются непосредственно в систему регулирования.
Отличительной особенность радиоизотопных устройств — наличие, помимо обычных аппаратурных погрешностей, дополнительных вероятностных погрешностей. Они обусловлены статистической природой радиоактивного распада, в связи с чем при неизменной средней величине потока излучения в каждый данный момент времени могут регистрироваться разные значения этого потока.
Уменьшения погрешностей при измерениях можно добиться увеличением интенсивности потока излучения или времени измерения. Однако первое лимитируется требованиями техники безопасности, а второе ухудшает быстродействие устройства. Поэтому во всех случаях целесообразно применять приемники излучения с наибольшей эффективностью регистрации.
Хотя точное измерение интенсивности потока излучения обязательно для большинства устройств рассматриваемого типа, оно не является конечной целью, т. к. в действительности важно точно контролировать не интенсивность, а технологический параметр.
Радиоизотопные толщиномеры и плотномеры
Наибольшее распространение получили устройства для измерения толщины или плотности по поглощению излучения. Простейшая схема измерения толщины или плотности материала по поглощению излучения содержит источник излучения, контролируемый материал, приемник излучения, промежуточный преобразователь и выходной прибор.
В различных отраслях промышленности для измерения плотности используются радиометрические технологии. Шахты, бумажные фабрики, угольные электростанции, производители строительных материалов и нефтегазовые предприятия - все используют эту технологию для измерения плотности где-то в своих процессах.
Измерения плотности позволяют операторам лучше понимать свои процессы, помогая им оптимизировать пропускную способность суспензии по трубе, выявлять засоры и даже улучшать контроль в сложных приложениях.
Радиометрические датчики плотности являются бесконтактными, что означает, что они не мешают процессу, они не изнашиваются и не требуют технического обслуживания, что позволяет им служить дольше. Внешний монтаж упрощает установку датчиков.
Радиометрическая технология используется для измерения плотности, потому что эти датчики производят измерения, не контактируя с обрабатываемым материалом. Бесконтактное измерение гарантирует работу без износа и обслуживания. Абразивные, агрессивные или коррозионные продукты часто приводят к частому и дорогостоящему обслуживанию или замене других датчиков, но радиометрические детекторы плотности могут прослужить от 20 до 30 лет.
Датчик невосприимчив к условиям запыленности на цементном заводе и продолжает производить точные измерения плотности в вертикальной трубе
Радиометрические приборы устанавливаются снаружи трубы или резервуара, поэтому система невосприимчива к отложению, тепловому удару, резким перепадам давления или другим экстремальным условиям процесса. А благодаря своей прочной конструкции такие приборы способны выдерживать вибрации от трубы или резервуара, на котором они установлены.
Установить эти радиометрические датчики намного проще по сравнению с другими технологиями. Контрольно-измерительные приборы такого типа могут быть установлены без остановки дорогостоящего технологического процесса. Другие технологии требуют удаления участков трубы или других значительных изменений самого процесса.
Первоначальная стоимость радиоактивных изотопов выше, чем у других решений для измерения плотности. Однако радиометрическое решение может прослужить 20 или 30 лет практически без обслуживания.
В отличие от других решений, радиометрические датчики плотности - это долгосрочное вложение во весь процесс, обеспечивающее его безопасную и эффективную работу на десятилетия вперед. Один радиометрический датчик плотности обеспечивает значительную экономию эксплуатационных расходов в течение всего срока службы прибора.
Радиометрическое измерение массового расхода обеспечивает точную загрузку на известковых заводах. Многочисленные конвейерные ленты различной длины от нескольких метров до одного километра гарантируют, что порода, находящаяся в самых разных состояниях обработки, транспортируется в нужное место для дальнейшей обработки.
Наряду с устройствами, точность которых определяется точностью измерения интенсивности потока излучения, важны устройства, в которых задача точного измерения интенсивности потока излучения не ставится вообще. Это системы, работающие в релейном режиме, при котором важен только самый факт наличия или отсутствия потока излучения, а также системы, работающие по фазовому или частотному принципу.
В этих случаях фиксируется не наличие излучения и не его интенсивность, например, частота или фаза чередования состояний, для которых характерна различная интенсивность потока излучения или различная степень взаимодействия этого потока с контролируемой средой. Одно из наиболее широко распространенных применений релейных систем — позиционный контроль уровня.
Радиоактивный уровнемер
Релейные системы применяются также для счета изделий на конвейере, для контроля положения подвижных предметов, бесконтактного измерения скорости вращения и во многих других случаях.
Ионизационные методы
Если в ионизационной камере поместить источник альфа или бета-излучения, то ток камеры будет зависеть от давления газа при постоянном его составе или от состава при постоянном давлении. Это явление используется при конструировании радиоизотопных манометров и газоанализаторов бинарных смесей.
Использование нейтронных потоков
При прохождении через контролируемое вещество, взаимодействуя с его ядрами, нейтроны теряют часть своей энергии и замедляются. В силу закона сохранения количества движения нейтроны передают ядру тем больше энергии, чем ближе масса ядра к массе нейтрона. Поэтому самое сильное замедление быстрые нейтроны испытывают при столкновении с ядрами водорода. Это используется, например, для контроля влажности различных сред или уровня водородосодержащих сред.
В измерительной системе влажности LB 350 используется нейтронная измерительная техника. Измерение проводится либо снаружи, через стенки бункера, либо с помощью прочной погружной трубы, которая устанавливается внутри бункера. Таким образом, сам измерительный прибор не подвержен износу.
Измерение степени поглощения нейтронов различными веществами использовано для определения содержания элементов с большим сечением поглощения нейтронов. Также используется метод контроля состава веществ путем спектрального анализа гамма-излучения возникающего при захвате нейтронов веществами. Такая методика используется, например, для каротажа нефтяных скважин.
Некоторые отрасли промышленности, использующие радиометрическую технологию для измерения технологических процессов, также применяют неразрушающий рентгеновский контроль, или радиографический контроль, для проверки целостности сварных швов и сосудов. Эти устройства также излучают гамма-энергию от источника аналогично радиометрическим измерительным приборам.
Смотрите также:
Датчики и измерительные приборы для определения состава и свойств веществ
Как выполняется автоматическое взвешивание на промышленных предприятиях