Pomiar radiometryczny w przemyśle: gdy konwencjonalne metody pomiarowe napotykają na ograniczenia

Radiometria to metoda pomiarowa, która wykorzystuje właściwości fizyczne promieniowania gamma podczas jego przenikania przez materię. W zależności od gęstości i grubości przenikanego materiału promieniowanie ulega w różnym stopniu osłabieniu. Tę utratę mocy można precyzyjnie zmierzyć i przekształcić na miarodajne dane procesowe.
Decydująca zaleta: pomiar odbywa się wyłącznie z zewnątrz. Sondy nie mają styczności z medium i dokonują pomiaru bezkontaktowo, przez ścianki rur lub zbiorników. Dzięki temu technika pomiarów radiometrycznych nadaje się w szczególności do wymagających zastosowań o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

Radiometryczny system pomiarowy składa się w głównej mierze z trzech komponentów:

• źródła promieniowania
  Stosowane są trwałe, radioaktywne izotopy takie jak cez 137 lub kobalt 60. Emitują one wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. Wybór izotopu zależy od zastosowania – podczas gdy cez 137 nadaje się do pomiarów poziomu i gęstości, kobalt 60, ze względu na wyższą energię, jest częściej stosowany w przypadku zbiorników o grubych ściankach lub dużych rurociągów. 

• Pojemnik chroniący przed promieniowaniem
  Pojemnik chroniący przed promieniowaniem VEGASOURCE niezawodnie osłania źródło i pozwala na ujście promieniowania wyłącznie w określonym kierunku.

• Detektor
  Detektor stanowi centralny element pomiaru radiometrycznego, ponieważ promieniowanie gamma emitowane przez źródło promieniowania przechodzi przez medium procesowe i dociera do detektora. Firma VEGA wykorzystuje tu zasadę detekcji scyntylacyjnej, w której tak zwany scyntylator – zazwyczaj organiczny materiał z tworzywa sztucznego (PVT lub PS) lub kryształ, na przykład jodek sodu (NaI) – przekształca cząstki gamma w błyski światła (scyntylacje). Sygnały świetlne są następnie rejestrowane przez fotopowielacz (PMT), wzmacniane i przekształcane na impulsy elektryczne. Impulsy te są liczone, stąd mówi się o zasadzie lampy zliczającej. Im więcej promieniowania pada na detektor, tym więcej impulsów jest generowanych.

Zaś odwrotnie oznacza to, że: im gęstszy lub grubszy jest prześwietlany materiał, tym promieniowanie bardziej ulega osłabieniu i tym mniejsza jest częstotliwość zliczeń mierzona przez detektor. Dzięki tej odwrotnej zależności można precyzyjnie określić takie parametry, jak poziom napełnienia, gęstość, poziom graniczny, rozdział faz czy przepływ masowy. Zintegrowany układ elektroniczny przetworników VEGA przekształca te impulsy zliczeniowe na wartość pomiarową. Detektory scyntylacyjne VEGA, dzięki swojej solidnej konstrukcji i wysokiej czułości, są uznawane za standard w wymagających zastosowaniach. Są dostępne w różnych wersjach konstrukcyjnych i długościach, przeznaczone do stosowania w strefach zagrożonych wybuchem, a także do pomiarów w zbiornikach o skomplikowanej geometrii i do dużych zakresów pomiarowych.

Pomiary radiometryczne zalicza się do najbardziej niezawodnych metod stosowanych w przemysłowej technice pomiarowej. Najważniejsze zalety:

bezkontaktowa metoda, niskie zużycie, nie wymaga konserwacji
Ponieważ żadne elementy elektryczne nie mają kontaktu z medium procesowym, nie dochodzi do zużycia mechanicznego. Całkowicie eliminuje to konieczność stosowania uszczelnień, elementów ruchomych, a także ryzyko zmęczenia materiału w wyniku naprężeń chemiczych lub termicznych. Konserwacja sond jest znacznie uproszczona, ponieważ nie wymagają one ani czyszczenia, ani regularnej ponownej kalibracji podczas pracy.

Detektory radiometryczne zapewniają bezpieczny i bezkontaktowy pomiar przez masywne, grubościenne zbiorniki, niezależnie od wysokich temperatur i ciśnień procesowych.

Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z ekstremalnymi temperaturami, wahaniami ciśnienia, parą, kondensatem czy osadami – czujniki izotopowe zapewniają stabilne i powtarzalne wyniki pomiarów niezależnie od warunków otoczenia, ponieważ w procesie nie dochodzi do odbicia sygnału ani zakłóceń pola pomiarowego.

Wysoka niezawodność procesu nawet w przypadku agresywnych i toksycznych mediów
Zwłaszcza w przypadku mediów wysoce agresywnych, ściernych lub toksycznych bezkontaktowy pomiar, przeprowadzany przez ścianki rur lub zbiorników i niezależny od rodzaju medium, znacznie zwiększa bezpieczeństwo zarówno ludzi, jak i instalacji. Technika pomiarów radiometrycznych zapewnia wiarygodne wyniki nawet w przypadku kwasów, rozpuszczalników lub silnie zasadowych szlamów.

Łatwa instalacja i elastyczna modernizacja
Systemy radiometryczne można zainstalować w istniejących instalacjach bez konieczności przebudowy, a w większości przypadków również bez przerywania procesu. Detektor i pojemnik chroniący przed promieniowaniem są montowane na zewnątrz na rurze lub zbiorniku. Integracja z istniejącymi systemami sterowania odbywa się za pośrednictwem interfejsów analogowych lub cyfrowych. W tym zakresie firma VEGA oferuje szeroki asortyment akcesoriów montażowych do wszystkich średnic rur oraz zbiorników, a także szczegółowe wsparcie w zakresie projektowania i uzyskiwania pozwoleń.

Technika pomiaru radiometrycznego znajduje zastosowanie zawsze wtedy, gdy tradycyjne metody pomiarowe napotykają na ograniczenia fizyczne, chemiczne lub mechaniczne. Poniższe typowe zastosowania pokazują, dlaczego pomiary radiometryczne są niezastąpione w wielu branżach – czy to w celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy, ciągłości procesów, czy też jakości. Podczas gdy radiometria pozwala ominąć ograniczenia konwencjonalnych technik pomiarowych dzięki fizycznie niezależnej zasadzie działania opartej na oddziaływaniu z zewnątrz, czujniki pojemnościowe, hydrostatyczne i optyczne wymagają kontaktu z medium i są wrażliwe na osadzanie się zanieczyszczeń, pienienie lub działanie agresywnych substancji chemicznych. W przypadku tworzenia się pary, wahań ciśnienia lub mediów silnie pochłaniających fale, sondy radarowe, ultradźwiękowe dochodzą do granic swoich możliwości.

Wykrywanie poziomu granicznego
W silosach z silnie pylącymi lub klejącymi materiałami radiometryczne sygnalizatory poziomu granicznego niezawodnie wykrywają osiągnięcie krytycznych poziomów napełnienia, na przykład w celu ochrony przed przepełnieniem lub do generowania automatycznego sygnału start-stop w procesach.

Pomiar poziomu
W dużych zbiornikach ciśnieniowych lub izolowanych termicznie – na przykład w przemyśle petrochemicznym lub energetycznym – radiometryczny pomiar poziomu jest często jedynym praktycznym rozwiązaniem. Sondy dostarczają precyzyjnych danych pomiarowych na całej wysokości zbiornika, bez konieczności przerywania procesu lub otwierania zbiornika.

Pomiar gęstości
Radiometryczny pomiar gęstości pozwala na ciągły nadzór cieczy lub zawiesin bezpośrednio w rurociągach. Typowe zastosowania to określanie stężenia, detekcja rozdziału faz lub zapewnienie jakości. W oparciu o parametry fizyczne pomiar gęstości umożliwia sterowanie procesami w reaktorach lub mieszalnikach.

Pomiar profilu gęstości i detekcja rozdziału faz
Wyznaczenie profilu gęstości jest możliwe poprzez montaż kilku detektorów wzdłuż zbiornika. Daje to dużą korzyść zwłaszcza w przypadku wielofazowych mediów, gdyż dzięki temu można niezawodnie rozpoznać rozdział faz między olejem a wodą lub w osadnikach czy kolumnach separacyjnych.

Pomiar przepływu masowego
Technologia radiometryczna umożliwia bezkontaktowy pomiar przepływu masowego na przenośnikach taśmowych lub ślimakowych i jest idealna do zastosowań ze ściernymi lub gorącymi materiałami, takimi jak ruda, cement, węgiel czy materiały recyklingowe. Podczas gdy klasyczne systemy wagowe na przenośnikach taśmowych są podatne na błędy i wymagają intensywnej konserwacji, rozwiązanie radiometryczne działa niezależnie od prędkości taśmy, profilu załadunku i wpływów otoczenia.

Konwencjonalne zasady pomiarowe są w wielu zastosowaniach efektywne i ekonomiczne. W ekstremalnych warunkach napotykają one jednak na ograniczenia. Radiometria nie stanowi zatem zamiennika, lecz wysoce wyspecjalizowane uzupełnienie w ramach przemysłowej techniki pomiarowej.

Umożliwia pomiary w miejscach „niemożliwych do zmierzenia” i ma decydujący wpływ na stabilność procesu, dostępność instalacji oraz bezpieczeństwo pracy – niezależnie od tego, czy chodzi o poziom napełnienia, gęstość, poziom graniczny, rozdział faz czy przepływ masowy.

Bezkontaktowa praca, odporność na ekstremalne warunki otoczenia oraz wysoka dokładność pomiaru sprawiają, że mierniki izotopowe są nieodzownym elementem nowoczesnej techniki pomiarowej oraz kompleksowych instalacji przemysłowych.

Każdy, kto ma do czynienia z ekstremalnymi temperaturami, agresywnymi mediami lub skomplikowanymi warunkami montażu, znajdzie w radiometrycznej technice pomiarowej solidne, bezpieczne i długoterminowo ekonomiczne rozwiązanie.