Využití radioaktivních izotopů v automatických kontrolních zařízeních, radiometrických měřicích zařízeních
Radioaktivní izotopy se používají v různých automatických kontrolních zařízeních (radiometrická měřicí zařízení). V průmyslových procesech se radiometrická technologie používá pro komplexní měření od 50. let 20. století.
Hlavní výhody radioizotopových zařízení:
- bezkontaktní měření (bez přímého kontaktu měřicích prvků s řízeným prostředím);
- vysoké metrologické kvality poskytované stabilitou zdrojů záření;
- snadné použití v typických automatizačních schématech (elektrický výkon, unifikované bloky).
Principy činnosti radioizotopových zařízení jsou založeny na jevech interakce jaderného záření s řízeným prostředím. Schéma zařízení zpravidla obsahuje zdroj záření, přijímač záření (detektor), mezipřevodník přijímaného signálu a výstupní zařízení.
Radiometrické systémy se skládají ze dvou částí: nízkoúrovňový radioaktivní izotop ve zdroji vyzařuje radioaktivní energii prostřednictvím technologického zařízení, např. nádoby, a na druhé straně instalovaný detektor měří záření, které k němu přichází. Jak se mění hmotnost mezi zdrojem a detektorem (výška hladiny, hustota kalu nebo hmotnost pevných částic na dopravníku), mění se intenzita pole záření detektoru.
Hlavní vlastnosti a oblasti použití některých typů záření:
1) alfa záření — proud jader helia. Je silně absorbován z prostředí. Rozsah alfa částic ve vzduchu je několik centimetrů a v kapalinách - několik desítek mikronů. Používá se pro měření tlaku plynu a analýzu plynů. Metody měření jsou založeny na ionizaci plynného média;
2) beta záření — proud elektronů nebo pozitronů. Dosah beta částic ve vzduchu dosahuje několika metrů, v pevných látkách - několik mm. Absorpce beta částic prostředím se používá k měření tloušťky, hustoty a hmotnosti materiálů (látka, papír, tabáková drť, fólie atd.) a ke kontrole složení kapalin. Odraz (zpětný rozptyl) beta záření od okolí umožňuje měřit tloušťku povlaků a koncentraci jednotlivých složek v dané látce, beta záření se využívá i při rozborech ionizujících plynů a pro ionizaci k odstranění nábojů ze statické elektřiny ;
3) gama záření — tok kvant elektromagnetické energie doprovázející jaderné přeměny. Pracuje v pevných tělesech - až desítky cm.Záření gama se používá v případech, kdy je vyžadována vysoká pronikavost (detekce defektů, kontrola hustoty, kontrola hladiny) nebo se využívají vlastnosti interakce gama záření s kapalným a pevným prostředím (kontrola složení);
4) n-neutronové záření Toto je proudění nenabitých částic. Zdroje Po — Be (ve kterých částice Po alfa bombardují Be, často se používají emitující neutrony). Slouží k měření vlhkosti a složení prostředí.
Radiometrické měření hustoty. U procesů snímání potrubí a nádob pomáhá znalost hustoty operátorům činit informovaná rozhodnutí.
Nejběžnějšími přijímači záření v automatických řídicích zařízeních jsou ionizační komory, plynové výboje a scintilační čítače.
Mezipřevodník přijímaného radiačního signálu může obsahovat zesilovací (tvarovací) obvod a měřič rychlosti čítání impulzů (integrátor). Kromě toho se v některých případech používají speciální spektrometrická schémata. Někdy jsou automatická řídicí zařízení začleněna přímo do řídicího systému.
Charakteristickým rysem radioizotopových zařízení je přítomnost, kromě obvyklých instrumentálních chyb, dalších pravděpodobnostních chyb. Jsou způsobeny statistickou povahou radioaktivního rozpadu, a proto při konstantní průměrné hodnotě toku záření v daném časovém okamžiku lze zaznamenat různé hodnoty tohoto toku.
Snížení chyb měření lze dosáhnout zvýšením intenzity radiačního toku nebo doby měření.To první je však omezeno bezpečnostními požadavky a to druhé zhoršuje výkon zařízení. Proto se ve všech případech doporučuje používat detektory záření s nejvyšší účinností detekce.
Přestože je přesné měření intenzity toku záření povinné pro většinu zařízení uvažovaného typu, není to konečný cíl, protože ve skutečnosti je důležité přesně kontrolovat nikoli intenzitu, ale technologický parametr.
Měřiče tloušťky a hustoty radioizotopů
Nejpoužívanější přístroje pro měření tloušťky nebo hustoty absorpcí záření. Nejjednodušší schéma měření tloušťky nebo hustoty materiálu pohlcováním záření obsahuje zdroj záření, testovací materiál, přijímač záření, mezipřevodník a výstupní zařízení.
Různá průmyslová odvětví používají k měření hustoty radiometrickou technologii. Doly, papírny, uhelné elektrárny, výrobci stavebních materiálů a ropné a plynárenské společnosti používají tuto technologii měření hustoty někde ve svých procesech.
Měření hustoty umožňuje operátorům lépe porozumět jejich procesům, pomáhá jim optimalizovat výkon kejdy, identifikovat ucpání a dokonce zlepšit kontrolu ve složitých aplikacích.
Radiometrické snímače hustoty jsou bezkontaktní, což znamená, že nezasahují do procesu, neopotřebovávají se a nevyžadují údržbu, což jim umožňuje delší životnost. Vnější montáž zjednodušuje instalaci senzoru.
Radiometrická technologie se používá k měření hustoty, protože tyto senzory provádějí měření, aniž by přišly do kontaktu se zpracovávaným materiálem. Bezdotykové měření zajišťuje provoz bez opotřebení a údržby. Abrazivní, korozivní nebo korozivní produkty často vedou k časté a nákladné údržbě nebo výměně jiných senzorů, ale radiometrické detektory hustoty mohou vydržet 20 až 30 let.
Senzor je imunní vůči prašným podmínkám v cementárně a pokračuje v přesném měření hustoty ve vertikálním potrubí
Radiometrické přístroje jsou namontovány vně potrubí nebo nádrže, takže systém je odolný vůči nánosům, teplotním šokům, tlakovým rázům nebo jiným extrémním procesním podmínkám. A díky své robustní konstrukci jsou tato zařízení schopna odolat vibracím z potrubí nebo nádrže, na které jsou instalovány.
Instalace těchto radiometrických snímačů je mnohem jednodušší než u jiných technologií. Spotřebiče tohoto typu lze instalovat bez přerušení nákladného procesu.Jiné technologie vyžadují odstranění úseků potrubí nebo jiné významné změny samotného procesu.
Počáteční cena radioaktivních izotopů je vyšší než u jiných řešení pro měření hustoty. Radiometrické řešení však může vydržet 20 nebo 30 let s malou nebo žádnou údržbou.
Na rozdíl od jiných řešení jsou radiometrické snímače hustoty dlouhodobou investicí do celého procesu a zajišťují bezpečný a efektivní provoz na desítky let dopředu. Jediný radiometrický snímač hustoty poskytuje významné úspory provozních nákladů po celou dobu životnosti přístroje.
Radiometrické měření hmotnostního průtoku poskytuje přesné nabíjení ve vápenkách. Četné dopravníkové pásy s různou délkou od několika metrů do jednoho kilometru zajišťují, že hornina je za nejrůznějších podmínek zpracování dopravována na správné místo k dalšímu zpracování.
Spolu s přístroji, jejichž přesnost je dána přesností měření intenzity radiačního toku, jsou důležitá zařízení, u kterých není úloha přesného měření intenzity radiačního toku vůbec stanovena. Jedná se o systémy pracující v reléovém režimu, u kterých je důležitá pouze samotná skutečnost přítomnosti či nepřítomnosti radiačního toku, a dále o systémy pracující na fázovém nebo frekvenčním principu.
V těchto případech není registrována přítomnost záření ani jeho intenzita, například frekvence nebo fáze střídání stavů, které se vyznačují různou intenzitou toku záření nebo různou mírou interakce tohoto toku s řízeným prostředím. . Jednou z nejrozšířenějších aplikací reléových systémů je řízení úrovně polohy.
Radioaktivní manometr
Reléové systémy se také používají pro počítání produktů na dopravníku, pro sledování polohy pohybujících se objektů, bezdotykové měření rychlosti otáčení a v mnoha dalších případech.
Ionizační metody
Pokud je v ionizační komoře umístěn zdroj záření alfa nebo beta, bude proud komory záviset na tlaku plynu při konstantním složení nebo na složení při konstantním tlaku. Tento jev se využívá při konstrukci radioizotopových manometrů a analyzátorů plynů pro binární směsi.
Použití neutronových toků
Při průchodu řízenou látkou při interakci s jejími jádry ztrácejí neutrony část své energie a zpomalují se. Na základě zákona zachování hybnosti přenášejí neutrony do jádra tím více energie, čím blíže je hmotnost jádra hmotnosti neutronu. Proto rychlé neutrony zažívají nejsilnější zmírnění, když se srazí s jádry vodíku. Toho se využívá například pro regulaci vlhkosti různých médií nebo hladiny médií obsahujících vodík.
Systém měření vlhkosti LB 350 využívá technologii neutronového měření. Měření se provádí buď zvenčí, přes stěny sila, nebo přes silnou ponornou trubici, která je instalována uvnitř sila. Samotné měřicí zařízení tak nepodléhá opotřebení.
Měření rozsahu absorpce neutronů různými látkami se používá pro stanovení obsahu prvků s velkým absorpčním průřezem neutronů. Používá se také metoda kontroly složení látek spektrální analýzou záření gama, které je výsledkem záchytu neutronů látkami. Tato technika se používá např. pro opláštění ropných vrtů.
Některá průmyslová odvětví, která používají technologii radiometrického měření procesů, používají také nedestruktivní rentgenovou kontrolu nebo radiografickou kontrolu k ověření integrity svarů a nádob. Tato zařízení také vyzařují gama energii ze zdroje podobným způsobem jako radiometrické měřiče.
Viz také:
Senzory a měřicí přístroje pro stanovení složení a vlastností látek