Die Verwendung radioaktiver Isotope in automatischen Kontrollgeräten, radiometrischen Messgeräten

Radioaktive Isotope werden in verschiedenen automatischen Kontrollgeräten (radiometrische Messgeräte) verwendet. In industriellen Prozessen wird die radiometrische Technik seit den 1950er Jahren für komplexe Messungen eingesetzt.

Die Hauptvorteile von Radioisotopengeräten:

• berührungslose Messung (ohne direkten Kontakt der Messelemente mit der kontrollierten Umgebung);
• hohe messtechnische Qualitäten durch die Stabilität der Strahlungsquellen;
• Benutzerfreundlichkeit in typischen Automatisierungsschemata (elektrischer Ausgang, einheitliche Blöcke).

Die Funktionsprinzipien von Radioisotopengeräten basieren auf den Phänomenen der Wechselwirkung nuklearer Strahlung mit einer kontrollierten Umgebung. Das Schema des Geräts enthält in der Regel eine Strahlungsquelle, einen Strahlungsempfänger (Detektor), einen Zwischenwandler des empfangenen Signals und ein Ausgabegerät.

Radiometrische Systeme bestehen aus zwei Teilen: Ein schwach radioaktives Isotop in der Quelle emittiert radioaktive Energie durch technische Geräte, beispielsweise ein Schiff, und ein auf der anderen Seite installierter Detektor misst die auf ihn einfallende Strahlung. Wenn sich die Masse zwischen Quelle und Detektor ändert (Füllstandshöhe, Schlammdichte oder Gewicht fester Partikel auf einem Förderband), ändert sich die Strahlungsfeldstärke des Detektors.

Haupteigenschaften und Anwendungsgebiete einiger Strahlungsarten:

1) Alphastrahlung – ein Strom von Heliumkernen. Es wird stark aus der Umwelt aufgenommen. Die Reichweite von Alphateilchen in der Luft beträgt mehrere Zentimeter und in Flüssigkeiten mehrere zehn Mikrometer. Es wird zur Gasdruckmessung und Gasanalyse eingesetzt. Die Messmethoden basieren auf der Ionisierung des Gasmediums;

2) Betastrahlung – ein Strom von Elektronen oder Positronen. Die Reichweite von Betateilchen in der Luft beträgt mehrere Meter, in Feststoffen mehrere mm. Die Absorption von Betapartikeln durch das Medium wird zur Messung der Dicke, Dichte und des Gewichts von Materialien (Stoff, Papier, Tabakpulpe, Folie usw.) und zur Steuerung der Zusammensetzung von Flüssigkeiten genutzt. Durch die Reflexion (Rückstreuung) von Betastrahlung aus der Umgebung können Sie die Dicke von Beschichtungen und die Konzentration einzelner Komponenten in einem bestimmten Stoff messen. Betastrahlung wird auch bei der Analyse ionisierender Gase und zur Ionisierung zur Entfernung von Ladungen aus statischer Elektrizität verwendet ;

3) Gammastrahlung — ein Quantenfluss elektromagnetischer Energie, der Kernumwandlungen begleitet. Funktioniert in festen Körpern – bis zu mehreren zehn Zentimetern.Gammastrahlung wird dort eingesetzt, wo eine hohe Durchdringungsleistung erforderlich ist (Defekterkennung, Dichtekontrolle, Füllstandskontrolle) oder die Besonderheiten der Wechselwirkung von Gammastrahlung mit flüssigen und festen Medien (Zusammensetzungskontrolle) genutzt werden;

4) n-Neutronenstrahlung Dies ist der Fluss ungeladener Teilchen. Po – Be-Quellen (in denen Po-Alpha-Teilchen Be bombardieren und Neutronen emittieren, werden häufig verwendet). Es dient zur Messung der Luftfeuchtigkeit und Zusammensetzung der Umgebung.

Radiometrische Dichtemessung. Bei der Erfassung von Pipelines und Schiffen hilft das Wissen über die Dichte den Betreibern dabei, fundierte Entscheidungen zu treffen.

Die gebräuchlichsten Strahlungsempfänger in automatischen Steuergeräten sind Ionisationskammern, Gasentladungs- und Szintillationszähler.

Der Zwischenwandler des empfangenen Strahlungssignals kann eine Verstärkerschaltung (Formschaltung) und einen Impulszählratenmesser (Integrator) enthalten. Darüber hinaus kommen teilweise spezielle spektrometrische Verfahren zum Einsatz. Manchmal sind automatische Steuergeräte direkt in das Steuerungssystem integriert.

Ein besonderes Merkmal von Radioisotopengeräten ist das Vorhandensein zusätzlicher probabilistischer Fehler zusätzlich zu den üblichen instrumentellen Fehlern. Sie sind auf die statistische Natur des radioaktiven Zerfalls zurückzuführen und daher können bei einem konstanten Durchschnittswert des Strahlungsflusses zu einem bestimmten Zeitpunkt unterschiedliche Werte dieses Flusses aufgezeichnet werden.

Eine Reduzierung der Messfehler kann durch eine Erhöhung der Intensität des Strahlungsflusses oder der Messzeit erreicht werden.Ersteres ist jedoch durch Sicherheitsanforderungen eingeschränkt und letzteres beeinträchtigt die Leistung des Geräts. Daher empfiehlt es sich in jedem Fall, Strahlungsdetektoren mit höchster Detektionseffizienz zu verwenden.

Obwohl eine genaue Messung der Intensität des Strahlungsflusses für die meisten Geräte des betrachteten Typs obligatorisch ist, ist dies nicht das ultimative Ziel, da es in Wirklichkeit darauf ankommt, nicht die Intensität, sondern den technologischen Parameter genau zu steuern.

Messgeräte für die Dicke und Dichte von Radioisotopen

Die am häufigsten verwendeten Geräte zur Messung der Dicke oder Dichte durch Absorption von Strahlung. Das einfachste Schema zur Messung der Dicke oder Dichte eines Materials durch Absorption von Strahlung besteht aus einer Strahlungsquelle, einem Testmaterial, einem Strahlungsempfänger, einem Zwischenwandler und einem Ausgabegerät.

Verschiedene Branchen nutzen radiometrische Technologie zur Messung der Dichte. Bergwerke, Papierfabriken, Kohlekraftwerke, Baustoffhersteller sowie Öl- und Gasversorger nutzen diese Technologie zur Dichtemessung in ihren Prozessen.

Mithilfe von Dichtemessungen können Bediener ihre Prozesse besser verstehen und so die Gülleleistung optimieren, Verstopfungen erkennen und sogar die Steuerung in komplexen Anwendungen verbessern.

Radiometrische Dichtesensoren sind berührungslos, was bedeutet, dass sie den Prozess nicht beeinträchtigen, nicht verschleißen und keine Wartung erfordern, wodurch sie länger halten. Die externe Montage vereinfacht die Sensorinstallation.

Zur Messung der Dichte wird die radiometrische Technologie eingesetzt, da diese Sensoren Messungen durchführen, ohne mit dem verarbeiteten Material in Kontakt zu kommen. Die berührungslose Messung gewährleistet einen verschleiß- und wartungsfreien Betrieb. Abrasive, ätzende oder korrosive Produkte führen oft zu häufiger und teurer Wartung oder zum Austausch anderer Sensoren, aber radiometrische Dichtedetektoren können 20 bis 30 Jahre halten.

Der Sensor ist immun gegen staubige Bedingungen in einer Zementfabrik und misst weiterhin genau die Dichte in einem vertikalen Rohr

Radiometrische Instrumente werden außerhalb eines Rohrs oder Tanks montiert, sodass das System vor Ablagerungen, Temperaturschocks, Druckstößen oder anderen extremen Prozessbedingungen geschützt ist. Und dank ihres robusten Designs sind diese Geräte in der Lage, den Vibrationen des Rohrs oder Tanks, an dem sie installiert sind, standzuhalten.

Diese radiometrischen Sensoren sind viel einfacher zu installieren als andere Technologien. Geräte dieser Art können ohne Unterbrechung eines teuren Prozesses installiert werden. Andere Technologien erfordern die Entfernung von Rohrleitungsabschnitten oder andere wesentliche Änderungen am Prozess selbst.

Die Anschaffungskosten für radioaktive Isotope sind höher als bei anderen Lösungen zur Dichtemessung. Eine radiometrische Lösung kann jedoch bei geringem oder gar keinem Wartungsaufwand 20 bis 30 Jahre halten.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen stellen radiometrische Dichtesensoren eine langfristige Investition in den gesamten Prozess dar und gewährleisten einen sicheren und effizienten Betrieb über Jahrzehnte hinweg. Ein einzelner radiometrischer Dichtesensor sorgt über die gesamte Lebensdauer des Instruments für erhebliche Einsparungen bei den Betriebskosten.

Die radiometrische Massendurchflussmessung sorgt für eine genaue Beschickung in Kalkwerken. Zahlreiche Förderbänder mit Längen von wenigen Metern bis zu einem Kilometer sorgen dafür, dass das Gestein unter den unterschiedlichsten Bearbeitungsbedingungen an den richtigen Ort zur Weiterverarbeitung transportiert wird.

Neben Geräten, deren Genauigkeit durch die Genauigkeit der Messung der Intensität des Strahlungsflusses bestimmt wird, gibt es wichtige Geräte, bei denen die Aufgabe der genauen Messung der Intensität des Strahlungsflusses überhaupt nicht gestellt wird. Hierbei handelt es sich um Systeme, die im Relaismodus arbeiten, bei denen nur die Tatsache des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Strahlungsflusses von Bedeutung ist, sowie um Systeme, die nach dem Phasen- oder Frequenzprinzip arbeiten.

In diesen Fällen wird weder das Vorhandensein von Strahlung noch ihre Intensität registriert, beispielsweise die Häufigkeit oder Phase des Zustandswechsels, die durch unterschiedliche Intensität des Strahlungsflusses oder unterschiedlichen Grad der Wechselwirkung dieses Flusses mit einer kontrollierten Umgebung gekennzeichnet sind . Eine der am weitesten verbreiteten Anwendungen von Relaissystemen ist die Lageregelung.

Radioaktives Manometer

Relaissysteme werden auch zum Zählen von Produkten auf einem Förderband, zur Positionsüberwachung bewegter Objekte, zur berührungslosen Messung der Drehzahl und in vielen anderen Fällen eingesetzt.

Ionisationsmethoden

Wenn in der Ionisationskammer eine Quelle für Alpha- oder Betastrahlung angebracht ist, hängt der Kammerstrom vom Druck des Gases bei konstanter Zusammensetzung oder von der Zusammensetzung bei konstantem Druck ab. Dieses Phänomen wird bei der Konstruktion von Radioisotopenmanometern und Gasanalysatoren für binäre Gemische genutzt.

Nutzung von Neutronenflüssen

Beim Durchgang durch eine kontrollierte Substanz verlieren Neutronen bei der Wechselwirkung mit deren Kernen einen Teil ihrer Energie und werden langsamer. Aufgrund des Impulserhaltungssatzes übertragen Neutronen umso mehr Energie auf den Kern, je näher die Masse des Kerns an der Masse des Neutrons liegt. Daher erfahren schnelle Neutronen die stärkste Moderation, wenn sie mit Wasserstoffkernen kollidieren. Dies dient beispielsweise der Regelung der Feuchte verschiedener Medien oder des Füllstands wasserstoffhaltiger Medien.

Das Feuchtemesssystem LB 350 nutzt die Neutronenmesstechnik. Die Messung erfolgt entweder von außen durch die Silowände oder durch ein starkes Tauchrohr, das im Inneren des Silos installiert ist. Dadurch unterliegt das Messgerät selbst keinem Verschleiß.

Die Messung des Ausmaßes der Neutronenabsorption durch verschiedene Stoffe dient zur Bestimmung des Gehalts an Elementen mit großem Neutronenabsorptionsquerschnitt. Eine Methode wird auch verwendet, um die Zusammensetzung von Stoffen durch Spektralanalyse von Gammastrahlung zu kontrollieren, die beim Einfangen von Neutronen durch Stoffe entsteht. Diese Technik wird beispielsweise zur Verrohrung von Ölquellen eingesetzt.

Einige Branchen, die radiometrische Prozessmesstechnik einsetzen, nutzen auch die zerstörungsfreie Röntgeninspektion oder Durchstrahlungsprüfung, um die Integrität von Schweißnähten und Behältern zu überprüfen. Auch diese Geräte strahlen Gammaenergie von der Quelle ab, ähnlich wie radiometrische Messgeräte.

Siehe auch:

Sensoren und Messgeräte zur Bestimmung der Zusammensetzung und Eigenschaften von Stoffen

Wie automatisches Wiegen in Industrieanlagen durchgeführt wird