Việc sử dụng đồng vị phóng xạ trong thiết bị điều khiển tự động, thiết bị đo phóng xạ

Đồng vị phóng xạ được sử dụng trong các thiết bị điều khiển tự động khác nhau (thiết bị đo phóng xạ). Trong các quy trình công nghiệp, công nghệ đo phóng xạ đã được sử dụng cho các phép đo phức tạp từ những năm 1950.

Những ưu điểm chính của thiết bị đồng vị phóng xạ:

• phép đo không tiếp xúc (không tiếp xúc trực tiếp giữa các phần tử đo với môi trường được kiểm soát);
• chất lượng đo lường cao được cung cấp bởi sự ổn định của các nguồn bức xạ;
• dễ sử dụng trong các sơ đồ tự động hóa điển hình (đầu ra điện, khối thống nhất).

Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị đồng vị phóng xạ dựa trên hiện tượng tương tác của bức xạ hạt nhân với môi trường được kiểm soát. Sơ đồ của thiết bị thường chứa nguồn bức xạ, bộ thu bức xạ (máy dò), bộ chuyển đổi trung gian của tín hiệu nhận được và thiết bị đầu ra.

Các hệ thống đo phóng xạ bao gồm hai phần: một đồng vị phóng xạ mức độ thấp trong nguồn phát ra năng lượng phóng xạ thông qua thiết bị công nghệ, chẳng hạn như bình chứa, và một máy dò được lắp đặt ở phía bên kia đo bức xạ tới nó. Khi khối lượng giữa nguồn và máy dò thay đổi (chiều cao mức, mật độ bùn hoặc trọng lượng của các hạt rắn trên băng chuyền), cường độ trường bức xạ của máy dò thay đổi.

Tính chất chính và lĩnh vực ứng dụng của một số loại bức xạ:

1) bức xạ anpha - một dòng hạt nhân heli. Nó được hấp thụ mạnh mẽ từ môi trường. Phạm vi của các hạt alpha trong không khí là vài centimet và trong chất lỏng - vài chục micron. Nó được sử dụng để đo áp suất khí và phân tích khí. Các phương pháp đo dựa trên sự ion hóa của môi trường khí;

2) bức xạ beta - một dòng điện tử hoặc positron. Phạm vi của các hạt beta trong không khí đạt tới vài mét, trong chất rắn - vài mm. Sự hấp thụ các hạt beta của môi trường được sử dụng để đo độ dày, mật độ và trọng lượng của vật liệu (vải, giấy, bột thuốc lá, giấy bạc, v.v.) và để kiểm soát thành phần của chất lỏng. Sự phản xạ (tán xạ ngược) của bức xạ beta từ môi trường cho phép bạn đo độ dày của lớp phủ và nồng độ của các thành phần riêng lẻ trong một chất nhất định, bức xạ beta cũng được sử dụng trong phân tích khí ion hóa và ion hóa để loại bỏ điện tích khỏi tĩnh điện ;

3) bức xạ gamma - một dòng lượng tử năng lượng điện từ đi kèm với các biến đổi hạt nhân. Hoạt động trong cơ thể rắn - lên đến hàng chục cm.Bức xạ gamma được sử dụng trong trường hợp cần có khả năng xuyên thấu cao (phát hiện khuyết tật, kiểm soát mật độ, kiểm soát mức độ) hoặc sử dụng các tính năng tương tác của bức xạ gamma với môi trường lỏng và rắn (kiểm soát thành phần);

4) bức xạ n nơtron Đây là dòng chảy của các hạt không tích điện. Các nguồn Po—Be (trong đó các hạt Po alpha bắn phá Be, phát ra neutron thường được sử dụng). Nó được sử dụng để đo độ ẩm và thành phần của môi trường.

Phép đo mật độ phóng xạ. Đối với các quy trình cảm biến đường ống và tàu, kiến ​​thức về mật độ giúp người vận hành đưa ra quyết định sáng suốt.

Các thiết bị thu bức xạ phổ biến nhất trong các thiết bị điều khiển tự động là buồng ion hóa, máy phóng khí và máy đếm nhấp nháy.

Bộ chuyển đổi trung gian của tín hiệu bức xạ nhận được có thể chứa mạch khuếch đại (tạo hình) và máy đo tốc độ đếm xung (bộ tích hợp). Ngoài ra, các sơ đồ đo phổ đặc biệt được sử dụng trong một số trường hợp. Đôi khi các thiết bị điều khiển tự động được tích hợp trực tiếp vào hệ thống điều khiển.

Một tính năng đặc biệt của các thiết bị đồng vị phóng xạ là sự hiện diện, ngoài các lỗi thiết bị thông thường, còn có các lỗi xác suất bổ sung. Chúng là do bản chất thống kê của sự phân rã phóng xạ, và do đó, với giá trị trung bình không đổi của thông lượng bức xạ tại bất kỳ thời điểm nào, các giá trị khác nhau của thông lượng này có thể được ghi lại.

Có thể giảm sai số đo bằng cách tăng cường độ dòng bức xạ hoặc thời gian đo.Tuy nhiên, cái trước bị giới hạn bởi các yêu cầu an toàn và cái sau làm giảm hiệu suất của thiết bị. Do đó, trong mọi trường hợp nên sử dụng máy dò bức xạ với hiệu quả phát hiện cao nhất.

Mặc dù phép đo chính xác cường độ thông lượng bức xạ là bắt buộc đối với hầu hết các thiết bị thuộc loại được xem xét, nhưng đây không phải là mục tiêu cuối cùng, vì trên thực tế, điều quan trọng là phải kiểm soát chính xác không phải cường độ mà là thông số công nghệ.

Máy đo độ dày và mật độ đồng vị phóng xạ

Các thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để đo độ dày hoặc mật độ bằng cách hấp thụ bức xạ. Sơ đồ đơn giản nhất để đo độ dày hoặc mật độ của vật liệu bằng cách hấp thụ bức xạ bao gồm nguồn bức xạ, vật liệu thử nghiệm, bộ thu bức xạ, bộ chuyển đổi trung gian và thiết bị đầu ra.

Các ngành công nghiệp khác nhau sử dụng công nghệ đo phóng xạ để đo mật độ. Các mỏ, nhà máy giấy, nhà máy nhiệt điện than, nhà sản xuất vật liệu xây dựng và các công ty dầu khí đều sử dụng công nghệ đo tỷ trọng này ở đâu đó trong các quy trình của họ.

Các phép đo tỷ trọng cho phép người vận hành hiểu rõ hơn về quy trình của họ, giúp họ tối ưu hóa hiệu suất bùn, xác định tắc nghẽn và thậm chí cải thiện khả năng kiểm soát trong các ứng dụng phức tạp.

Cảm biến mật độ phóng xạ không tiếp xúc, có nghĩa là chúng không can thiệp vào quá trình, không hao mòn và không cần bảo trì, cho phép chúng tồn tại lâu hơn. Gắn bên ngoài đơn giản hóa cài đặt cảm biến.

Công nghệ đo phóng xạ được sử dụng để đo mật độ vì các cảm biến này thực hiện các phép đo mà không tiếp xúc với vật liệu đang được xử lý. Phép đo không tiếp xúc đảm bảo hoạt động không mài mòn và không cần bảo trì. Các sản phẩm mài mòn, ăn mòn hoặc ăn mòn thường dẫn đến việc bảo trì hoặc thay thế các cảm biến khác thường xuyên và tốn kém, nhưng máy dò mật độ phóng xạ có thể tồn tại từ 20 đến 30 năm.

Cảm biến miễn nhiễm với điều kiện bụi bặm trong nhà máy xi măng và tiếp tục đo chính xác tỷ trọng trong đường ống thẳng đứng

Các thiết bị đo phóng xạ được gắn bên ngoài đường ống hoặc bể chứa để hệ thống không bị tích tụ, sốc nhiệt, tăng áp suất hoặc các điều kiện quy trình khắc nghiệt khác. Và nhờ thiết kế chắc chắn, các thiết bị này có thể chịu được rung động từ đường ống hoặc bể chứa mà chúng được lắp đặt.

Các cảm biến đo phóng xạ này dễ cài đặt hơn nhiều so với các công nghệ khác. Các thiết bị thuộc loại này có thể được lắp đặt mà không làm gián đoạn quy trình tốn kém.Các công nghệ khác yêu cầu loại bỏ các đoạn đường ống hoặc các thay đổi quan trọng khác đối với chính quy trình đó.

Chi phí ban đầu của đồng vị phóng xạ cao hơn các giải pháp đo mật độ khác. Tuy nhiên, một giải pháp đo phóng xạ có thể kéo dài 20 hoặc 30 năm mà không cần hoặc ít phải bảo trì.

Không giống như các giải pháp khác, cảm biến mật độ phóng xạ là một khoản đầu tư dài hạn trong toàn bộ quá trình, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả trong nhiều thập kỷ tới. Một cảm biến mật độ phóng xạ duy nhất giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành trong suốt vòng đời của thiết bị.

Phép đo lưu lượng khối bằng phương pháp phóng xạ cung cấp khả năng sạc chính xác trong các nhà máy vôi. Vô số băng tải có chiều dài khác nhau từ vài mét đến một km đảm bảo rằng đá dưới nhiều điều kiện xử lý khác nhau được vận chuyển đến đúng nơi để xử lý tiếp.

Cùng với các thiết bị, độ chính xác được xác định bởi độ chính xác của việc đo cường độ thông lượng bức xạ, là những thiết bị quan trọng trong đó nhiệm vụ đo chính xác cường độ thông lượng bức xạ hoàn toàn không được đặt ra. Đây là những hệ thống hoạt động ở chế độ chuyển tiếp, trong đó chỉ có thực tế là có hay không có dòng bức xạ là quan trọng, cũng như các hệ thống hoạt động theo nguyên tắc pha hoặc tần số.

Trong những trường hợp này, không phải sự hiện diện của bức xạ cũng như cường độ của nó, ví dụ, tần số hoặc pha luân phiên của các trạng thái, được đặc trưng bởi cường độ khác nhau của thông lượng bức xạ hoặc mức độ tương tác khác nhau của thông lượng này với môi trường được kiểm soát, được đăng ký . Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của hệ thống rơle là điều khiển mức vị trí.

áp kế phóng xạ

Hệ thống rơle cũng được sử dụng để đếm sản phẩm trên băng tải, để theo dõi vị trí của các vật chuyển động, đo tốc độ quay không tiếp xúc và trong nhiều trường hợp khác.

phương pháp ion hóa

Nếu một nguồn bức xạ alpha hoặc beta được đặt trong buồng ion hóa, dòng điện trong buồng sẽ phụ thuộc vào áp suất của khí ở thành phần không đổi hoặc thành phần ở áp suất không đổi. Hiện tượng này được sử dụng trong thiết kế áp kế đồng vị phóng xạ và máy phân tích khí cho hỗn hợp nhị phân.

Sử dụng dòng neutron

Khi đi qua một chất bị kiểm soát, tương tác với hạt nhân của nó, neutron sẽ mất một phần năng lượng và chuyển động chậm lại. Theo định luật bảo toàn động lượng, neutron truyền cho hạt nhân càng nhiều năng lượng thì khối lượng của hạt nhân càng gần khối lượng của neutron. Do đó, neutron nhanh trải qua sự điều hòa mạnh nhất khi chúng va chạm với hạt nhân hydro. Điều này được sử dụng, ví dụ, để kiểm soát độ ẩm của các phương tiện khác nhau hoặc mức độ của phương tiện chứa hydro.

Hệ thống đo độ ẩm LB 350 sử dụng công nghệ đo neutron. Phép đo được thực hiện từ bên ngoài, xuyên qua các bức tường của silo hoặc thông qua một ống ngâm mạnh được lắp đặt bên trong silo. Bằng cách này, bản thân thiết bị đo không bị mài mòn.

Đo mức độ hấp thụ neutron của các chất khác nhau được sử dụng để xác định hàm lượng của các nguyên tố có tiết diện hấp thụ neutron lớn. Một phương pháp cũng được sử dụng để kiểm soát thành phần của các chất bằng cách phân tích quang phổ của bức xạ gamma do các chất bắt nơtron. Kỹ thuật này được sử dụng, ví dụ, để bọc giếng dầu.

Một số ngành sử dụng công nghệ đo lường quy trình bằng phép đo phóng xạ cũng sử dụng kiểm tra bằng tia X không phá hủy hoặc kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ để xác minh tính toàn vẹn của các mối hàn và mạch. Các thiết bị này cũng phát ra năng lượng gamma từ nguồn theo cách tương tự như máy đo phóng xạ.

Xem thêm:

Cảm biến và thiết bị đo lường để xác định thành phần và tính chất của các chất

Cách cân tự động được thực hiện trong các nhà máy công nghiệp