השימוש באיזוטופים רדיואקטיביים במכשירי בקרה אוטומטיים, מכשירי מדידה רדיומטריים
איזוטופים רדיואקטיביים משמשים במכשירי בקרה אוטומטיים שונים (מכשירי מדידה רדיומטריים). בתהליכים תעשייתיים נעשה שימוש בטכנולוגיה רדיומטרית למדידות מורכבות מאז שנות ה-50.
היתרונות העיקריים של התקני רדיואיזוטופים:
- מדידה ללא מגע (ללא מגע ישיר של מרכיבי המדידה עם הסביבה המבוקרת);
- איכויות מטרולוגיות גבוהות הניתנות על ידי יציבות מקורות הקרינה;
- קלות שימוש בסכימות אוטומציה טיפוסיות (פלט חשמלי, בלוקים מאוחדים).
עקרונות הפעולה של התקני רדיואיזוטופים מבוססים על תופעות של אינטראקציה של קרינה גרעינית עם סביבה מבוקרת. ערכת המכשיר, ככלל, מכילה מקור קרינה, מקלט קרינה (גלאי), ממיר ביניים של האות המתקבל והתקן פלט.
מערכות רדיומטריות מורכבות משני חלקים: איזוטופ רדיואקטיבי ברמה נמוכה במקור פולט אנרגיה רדיואקטיבית באמצעות ציוד טכנולוגי, למשל כלי שיט, וגלאי המותקן בצד השני מודד את הקרינה המגיעה אליו. ככל שהמסה בין המקור לגלאי משתנה (גובה מפלס, צפיפות תרחיץ או משקל של חלקיקים מוצקים על מסוע), עוצמת שדה הקרינה של הגלאי משתנה.
מאפיינים עיקריים ואזורי יישום של כמה סוגי קרינה:
1) קרינת אלפא - זרם של גרעיני הליום. זה נספג חזק מהסביבה. טווח חלקיקי האלפא באוויר הוא כמה סנטימטרים, ובנוזלים - כמה עשרות מיקרונים. הוא משמש למדידת לחץ גז וניתוח גז. שיטות המדידה מבוססות על יינון של תווך הגז;
2) קרינת בטא - זרם של אלקטרונים או פוזיטרונים. טווח חלקיקי הבטא באוויר מגיע למספר מטרים, במוצקים - כמה מ"מ. ספיגת חלקיקי בטא על ידי המדיום משמשת למדידת עובי, צפיפות ומשקל של חומרים (בד, נייר, עיסת טבק, נייר כסף וכו') ולשליטה בהרכב הנוזלים. ההשתקפות (הפיזור האחורי) של קרינת בטא מהסביבה מאפשרת למדוד את עובי הציפויים ואת ריכוז הרכיבים הבודדים בחומר נתון, קרינת בטא משמשת גם בניתוח גזים מייננים וליינון להסרת מטענים מחשמל סטטי ;
3) קרינת גמא - זרימת כמויות של אנרגיה אלקטרומגנטית המלווה טרנספורמציות גרעיניות. עובד בגופים מוצקים - עד עשרות ס"מ.קרינת גמא משמשת במקרים בהם נדרש כוח חודר גבוה (זיהוי פגמים, בקרת צפיפות, בקרת רמות) או משתמשים בתכונות האינטראקציה של קרינת גמא עם מדיה נוזלית ומוצקה (בקרת הרכב);
4) קרינת n-נויטרונים זוהי זרימת חלקיקים לא טעונים. Po - מקורות Be (בהם חלקיקי Po אלפא מפציצים את Be, לעתים קרובות משתמשים בניוטרונים פולטים). הוא משמש למדידת הלחות וההרכב של הסביבה.
מדידת צפיפות רדיומטרית. עבור תהליכי חישת צינור וכלי שיט, ידע צפיפות מסייע למפעילים לקבל החלטות מושכלות.
מקלטי הקרינה הנפוצים ביותר במכשירי בקרה אוטומטיים הם תאי יינון, מוני פריקת גז ומנצנץ.
ממיר הביניים של אות הקרינה המתקבל עשוי להכיל מעגל הגברה (עיצוב) ומד קצב ספירת פעימות (אינטגרטור). בנוסף, במקרים מסוימים נעשה שימוש בסכימות ספקטרומטריות מיוחדות. לעיתים משולבים מכשירי בקרה אוטומטיים ישירות במערכת הבקרה.
תכונה ייחודית של התקני רדיואיזוטופים היא הנוכחות, בנוסף לשגיאות האינסטרומנטליות הרגילות, של טעויות הסתברותיות נוספות. הם נובעים מהטבע הסטטיסטי של דעיכה רדיואקטיבית, ולכן, עם ערך ממוצע קבוע של שטף הקרינה בכל רגע נתון, ניתן לרשום ערכים שונים של שטף זה.
ניתן להשיג הפחתה בשגיאות המדידה על ידי הגדלת עוצמת שטף הקרינה או זמן המדידה.עם זאת, הראשון מוגבל על ידי דרישות בטיחות, והאחרון פוגע בביצועי המכשיר. לכן, מומלץ בכל המקרים להשתמש בגלאי קרינה בעלי יעילות הגילוי הגבוהה ביותר.
למרות שמדידה מדויקת של עוצמת שטף הקרינה היא חובה עבור רוב המכשירים מהסוג הנחשב, זו אינה המטרה הסופית, שכן במציאות חשוב לשלוט במדויק לא על העוצמה, אלא על הפרמטר הטכנולוגי.
מדי עובי וצפיפות רדיואיזוטופים
המכשירים הנפוצים ביותר למדידת עובי או צפיפות על ידי בליעת קרינה. השיטה הפשוטה ביותר למדידת עובי או צפיפות של חומר על ידי קליטת קרינה מכילה מקור קרינה, חומר בדיקה, מקלט קרינה, מתמר ביניים והתקן פלט.
תעשיות שונות משתמשות בטכנולוגיה רדיומטרית למדידת צפיפות. מכרות, מפעלי נייר, תחנות כוח פחמיות, יצרני חומרי בניין ושירותי נפט וגז כולם משתמשים בטכנולוגיית מדידת הצפיפות הזו איפשהו בתהליכים שלהם.
מדידות צפיפות מאפשרות למפעילים להבין טוב יותר את התהליכים שלהם, ועוזרות להם לייעל את ביצועי הרחצה, לזהות חסימות ואפילו לשפר את השליטה ביישומים מורכבים.
חיישני צפיפות רדיומטריים הם ללא מגע, מה שאומר שהם אינם מפריעים לתהליך, אינם נשחקים ואינם דורשים תחזוקה, מה שמאפשר להם להחזיק מעמד זמן רב יותר. הרכבה חיצונית מפשטת את התקנת החיישן.
טכנולוגיה רדיומטרית משמשת למדידת צפיפות מכיוון שחיישנים אלו מבצעים מדידות מבלי לבוא במגע עם החומר המעובד. מדידה ללא מגע מבטיחה פעולה נטולת שחיקה וללא תחזוקה. מוצרים שוחקים, קורוזיביים או קורוזיביים מביאים לרוב לתחזוקה תכופה ויקרה או להחלפה של חיישנים אחרים, אך גלאי צפיפות רדיומטריים יכולים להחזיק מעמד 20 עד 30 שנה.
החיישן חסין לתנאי אבק במפעל מלט וממשיך למדוד במדויק צפיפות בצינור אנכי
מכשירים רדיומטריים מותקנים מחוץ לצינור או למיכל כך שהמערכת חסינה מפני הצטברות, הלם תרמי, עליות לחץ או תנאי תהליך קיצוניים אחרים. ובזכות העיצוב החזק שלהם, מכשירים אלה מסוגלים לעמוד בפני רעידות מהצינור או המיכל שעליו הם מותקנים.
חיישנים רדיומטריים אלה קלים הרבה יותר להתקנה מאשר טכנולוגיות אחרות. ניתן להתקין מכשירים מסוג זה מבלי להפריע לתהליך יקר, טכנולוגיות אחרות דורשות הסרה של קטעי צנרת או שינויים משמעותיים אחרים בתהליך עצמו.
העלות הראשונית של איזוטופים רדיואקטיביים גבוהה יותר מפתרונות מדידת צפיפות אחרים. עם זאת, פתרון רדיומטרי יכול להחזיק מעמד 20 או 30 שנה עם מעט או ללא תחזוקה.
בניגוד לפתרונות אחרים, חיישני צפיפות רדיומטריים הם השקעה ארוכת טווח בכל התהליך, המבטיחים פעולה בטוחה ויעילה לעשרות השנים הבאות. חיישן צפיפות רדיומטרי יחיד מספק חיסכון משמעותי בעלויות התפעול לאורך חיי המכשיר.
מדידת זרימת מסה רדיומטרית מספקת טעינה מדויקת במפעלי סיד. מסועים רבים באורך של ממטרים בודדים ועד קילומטר אחד מבטיחים כי הסלע במגוון רחב של תנאי עיבוד מועבר למקום הנכון להמשך עיבוד.
לצד מכשירים, שדיוקם נקבע על פי הדיוק של מדידת עוצמת שטף הקרינה, ישנם מכשירים חשובים בהם משימת המדידה המדויקת של עוצמת שטף הקרינה אינה מוגדרת כלל. מדובר במערכות הפועלות במצב ממסר, שבהן חשובה רק עצם הימצאות או היעדר זרימת קרינה, וכן מערכות הפועלות על פי עקרון הפאזה או התדר.
במקרים אלה, לא נרשמת נוכחות קרינה או עוצמתה, למשל, התדירות או השלב של חילופי מצבים, המאופיינים בעוצמה שונה של שטף הקרינה או בדרגה שונה של אינטראקציה של שטף זה עם סביבה מבוקרת. . אחד היישומים הנפוצים ביותר של מערכות ממסר הוא בקרת רמת המיקום.
מד רדיואקטיבי
מערכות ממסר משמשות גם לספירת מוצרים על מסוע, לניטור מיקום עצמים נעים, מדידה ללא מגע של מהירות סיבוב ובמקרים רבים אחרים.
שיטות יינון
אם ממוקם מקור של קרינת אלפא או בטא בתא היינון, זרם החדר יהיה תלוי בלחץ הגז בהרכב קבוע או בהרכב בלחץ קבוע. תופעה זו משמשת בתכנון של מנומטרים רדיואיזוטופים ומנתחי גז עבור תערובות בינאריות.
שימוש בשטפי נויטרונים
כאשר עוברים דרך חומר מבוקר, תוך אינטראקציה עם הגרעינים שלו, נויטרונים מאבדים חלק מהאנרגיה שלהם ומאטים. מכוח חוק שימור התנע, נויטרונים מעבירים לגרעין ככל שמסת הגרעין קרובה יותר למסת הנייטרון. לכן, נויטרונים מהירים חווים את המתינות החזקה ביותר כאשר הם מתנגשים בגרעיני מימן. זה משמש, למשל, כדי לשלוט על הלחות של מדיות שונות או רמת החומרים המכילים מימן.
מערכת מדידת הלחות LB 350 משתמשת בטכנולוגיית מדידת נויטרונים. המדידה מתבצעת או מבחוץ, דרך קירות הממגורה, או דרך צינור טבילה חזק המותקן בתוך הממגורה. באופן זה, מכשיר המדידה עצמו אינו נתון לבלאי.
מדידת מידת ספיגת נויטרונים על ידי חומרים שונים משמשת לקביעת תכולת היסודות בעלי חתך ספיגת נויטרונים גדול. שיטה משמשת גם לבקרת הרכב החומרים על ידי ניתוח ספקטרלי של קרינת גמא הנובעת מלכידת נויטרונים על ידי חומרים. טכניקה זו משמשת, למשל, לציפוי בארות נפט.
תעשיות מסוימות המשתמשות בטכנולוגיית מדידת תהליכים רדיומטרית משתמשות גם בבדיקת רנטגן לא הרסנית או בדיקה רנטגנית כדי לאמת את תקינות הריתוכים והכלים. מכשירים אלו גם מקרינים אנרגיית גמא מהמקור באופן דומה למדדים רדיומטריים.
ראה גם: