L'utilisation d'isotopes radioactifs dans les appareils de contrôle automatique, les appareils de mesure radiométrique

Les isotopes radioactifs sont utilisés dans divers dispositifs de contrôle automatique (appareils de mesure radiométrique). Dans les procédés industriels, la technologie radiométrique est utilisée pour des mesures complexes depuis les années 1950.

Les principaux avantages des appareils à radio-isotopes :

• mesure sans contact (sans contact direct des éléments de mesure avec l'environnement contrôlé) ;
• hautes qualités métrologiques apportées par la stabilité des sources de rayonnements ;
• facilité d'utilisation dans les schémas d'automatisation typiques (sortie électrique, blocs unifiés).

Les principes de fonctionnement des dispositifs à radio-isotopes reposent sur les phénomènes d'interaction du rayonnement nucléaire avec un environnement contrôlé. Le schéma de l'appareil, en règle générale, contient une source de rayonnement, un récepteur de rayonnement (détecteur), un convertisseur intermédiaire du signal reçu et un dispositif de sortie.

Les systèmes radiométriques se composent de deux parties : un isotope radioactif de faible niveau dans la source émet de l'énergie radioactive via un équipement technologique, par exemple un navire, et un détecteur installé de l'autre côté mesure le rayonnement qui lui parvient. Lorsque la masse entre la source et le détecteur change (hauteur du niveau, densité de la boue ou poids des particules solides sur un convoyeur), l'intensité du champ de rayonnement du détecteur change.

Principales propriétés et domaines d'application de certains types de rayonnement :

1) rayonnement alpha — un flux de noyaux d'hélium. Il est fortement absorbé par l'environnement. La gamme de particules alpha dans l'air est de plusieurs centimètres et dans les liquides, de plusieurs dizaines de microns. Il est utilisé pour la mesure de la pression du gaz et l'analyse du gaz. Les méthodes de mesure sont basées sur l'ionisation du milieu gazeux ;

2) rayonnement bêta — un flux d'électrons ou de positrons. La gamme des particules bêta dans l'air atteint plusieurs mètres, dans les solides — plusieurs mm. L'absorption des particules bêta par le milieu est utilisée pour mesurer l'épaisseur, la densité et le poids des matériaux (tissu, papier, pulpe de tabac, feuille, etc.) et pour contrôler la composition des liquides. La réflexion (rétrodiffusion) du rayonnement bêta de l'environnement vous permet de mesurer l'épaisseur des revêtements et la concentration de composants individuels dans une substance donnée, le rayonnement bêta est également utilisé dans l'analyse des gaz ionisants et pour l'ionisation afin d'éliminer les charges de l'électricité statique ;

3) rayonnement gamma — un flux de quanta d'énergie électromagnétique accompagnant les transformations nucléaires. Fonctionne dans des corps solides - jusqu'à des dizaines de cm.Le rayonnement gamma est utilisé dans les cas où un pouvoir de pénétration élevé est requis (détection des défauts, contrôle de la densité, contrôle du niveau) ou les caractéristiques de l'interaction du rayonnement gamma avec les milieux liquides et solides (contrôle de la composition) sont utilisées ;

4) rayonnement n-neutronique C'est le flux de particules non chargées. Po — Sources Be (dans lesquelles des particules alpha Po bombardent Be, des neutrons émetteurs sont souvent utilisés). Il est utilisé pour mesurer l'humidité et la composition de l'environnement.

Mesure de densité radiométrique. Pour les processus de détection de pipelines et de navires, la connaissance de la densité aide les opérateurs à prendre des décisions éclairées.

Les récepteurs de rayonnement les plus courants dans les dispositifs de contrôle automatique sont les chambres d'ionisation, les compteurs à décharge gazeuse et à scintillation.

Le convertisseur intermédiaire du signal de rayonnement reçu peut contenir un circuit d'amplification (mise en forme) et un compteur de taux de comptage d'impulsions (intégrateur). De plus, des schémas spectrométriques spéciaux sont utilisés dans certains cas. Parfois, les dispositifs de contrôle automatique sont intégrés directement dans le système de contrôle.

Une caractéristique distinctive des dispositifs à radio-isotopes est la présence, en plus des erreurs instrumentales habituelles, d'erreurs probabilistes supplémentaires. Ils sont dus à la nature statistique de la décroissance radioactive et, par conséquent, avec une valeur moyenne constante du flux de rayonnement à un instant donné, différentes valeurs de ce flux peuvent être enregistrées.

Une réduction des erreurs de mesure peut être obtenue en augmentant l'intensité du flux de rayonnement ou le temps de mesure.Cependant, la première est limitée par les impératifs de sécurité, et la seconde dégrade les performances du dispositif. Par conséquent, il est recommandé dans tous les cas d'utiliser des détecteurs de rayonnement avec l'efficacité de détection la plus élevée.

Bien qu'une mesure précise de l'intensité du flux de rayonnement soit obligatoire pour la plupart des appareils du type considéré, ce n'est pas l'objectif ultime, car en réalité, il est important de contrôler précisément non pas l'intensité, mais le paramètre technologique.

Mesureurs d'épaisseur et de densité de radio-isotopes

Les appareils les plus utilisés pour mesurer l'épaisseur ou la densité par absorption de rayonnement. Le schéma le plus simple pour mesurer l'épaisseur ou la densité d'un matériau en absorbant le rayonnement contient une source de rayonnement, un matériau de test, un récepteur de rayonnement, un transducteur intermédiaire et un dispositif de sortie.

Diverses industries utilisent la technologie radiométrique pour mesurer la densité. Les mines, les papeteries, les centrales électriques au charbon, les fabricants de matériaux de construction et les services publics de pétrole et de gaz utilisent tous cette technologie de mesure de la densité quelque part dans leurs processus.

Les mesures de densité permettent aux opérateurs de mieux comprendre leurs processus, les aidant à optimiser les performances du lisier, à identifier les blocages et même à améliorer le contrôle dans les applications complexes.

Les capteurs de densité radiométriques sont sans contact, ce qui signifie qu'ils n'interfèrent pas avec le processus, ne s'usent pas et ne nécessitent pas d'entretien, ce qui leur permet de durer plus longtemps. Le montage externe simplifie l'installation du capteur.

La technologie radiométrique est utilisée pour mesurer la densité car ces capteurs effectuent des mesures sans entrer en contact avec le matériau en cours de traitement. La mesure sans contact garantit un fonctionnement sans usure et sans entretien. Les produits abrasifs, corrosifs ou corrosifs entraînent souvent une maintenance ou un remplacement fréquent et coûteux des autres capteurs, mais les détecteurs de densité radiométrique peuvent durer 20 à 30 ans.

Le capteur est insensible aux conditions poussiéreuses dans une cimenterie et continue de mesurer avec précision la densité dans un tuyau vertical

Les instruments radiométriques sont montés à l'extérieur d'un tuyau ou d'un réservoir afin que le système soit à l'abri de l'accumulation, des chocs thermiques, des surpressions ou d'autres conditions de processus extrêmes. Et grâce à leur conception robuste, ces appareils sont capables de résister aux vibrations de la canalisation ou du réservoir sur lequel ils sont installés.

Ces capteurs radiométriques sont beaucoup plus faciles à installer que les autres technologies. Les appareils de ce type peuvent être installés sans interrompre un processus coûteux.D'autres technologies nécessitent la suppression de sections de tuyauterie ou d'autres modifications importantes du processus lui-même.

Le coût initial des isotopes radioactifs est plus élevé que les autres solutions de mesure de densité. Cependant, une solution radiométrique peut durer 20 ou 30 ans avec peu ou pas d'entretien.

Contrairement à d'autres solutions, les capteurs de densité radiométriques représentent un investissement à long terme dans l'ensemble du processus, garantissant un fonctionnement sûr et efficace pour les décennies à venir. Un seul capteur de densité radiométrique permet de réaliser d'importantes économies sur les coûts d'exploitation tout au long de la durée de vie de l'instrument.

La mesure radiométrique du débit massique permet une charge précise dans les usines de chaux. De nombreuses bandes transporteuses dont la longueur varie de quelques mètres à un kilomètre garantissent que la roche, dans une grande variété de conditions de traitement, est transportée au bon endroit pour un traitement ultérieur.

Outre les appareils dont la précision est déterminée par la précision de la mesure de l'intensité du flux de rayonnement, il existe des appareils importants dans lesquels la tâche de mesurer avec précision l'intensité du flux de rayonnement n'est pas du tout définie. Il s'agit de systèmes fonctionnant en mode relais, dans lesquels seul le fait même de la présence ou de l'absence de flux de rayonnement importe, ainsi que de systèmes fonctionnant selon le principe de phase ou de fréquence.

Dans ces cas, ni la présence de rayonnement ni son intensité, par exemple, la fréquence ou la phase d'alternance des états, qui se caractérisent par une intensité différente du flux de rayonnement ou un degré différent d'interaction de ce flux avec un environnement contrôlé, ne sont enregistrées . L'une des applications les plus répandues des systèmes de relais est le contrôle du niveau de position.

Manomètre radioactif

Les systèmes de relais sont également utilisés pour compter les produits sur un convoyeur, pour surveiller la position des objets en mouvement, la mesure sans contact de la vitesse de rotation et dans de nombreux autres cas.

Méthodes d'ionisation

Si une source de rayonnement alpha ou bêta est placée dans la chambre d'ionisation, le courant de la chambre dépendra de la pression du gaz à composition constante ou de la composition à pression constante. Ce phénomène est utilisé dans la conception de manomètres à radio-isotopes et d'analyseurs de gaz pour mélanges binaires.

Utilisation des flux de neutrons

En traversant une substance contrôlée, en interagissant avec ses noyaux, les neutrons perdent une partie de leur énergie et ralentissent. En vertu de la loi de conservation de la quantité de mouvement, les neutrons transfèrent au noyau d'autant plus d'énergie que la masse du noyau est proche de la masse du neutron. Par conséquent, les neutrons rapides subissent la plus forte modération lorsqu'ils entrent en collision avec des noyaux d'hydrogène. Ceci est utilisé, par exemple, pour contrôler l'humidité de divers milieux ou le niveau de milieux contenant de l'hydrogène.

Le système de mesure d'humidité LB 350 utilise la technologie de mesure des neutrons. La mesure se fait soit de l'extérieur, à travers les parois du silo, soit à travers un tube à immersion solide qui est installé à l'intérieur du silo. De cette manière, le dispositif de mesure lui-même n'est pas soumis à l'usure.

La mesure de l'étendue de l'absorption des neutrons par diverses substances est utilisée pour déterminer la teneur en éléments ayant une grande section efficace d'absorption des neutrons. Une méthode est également utilisée pour contrôler la composition de substances par analyse spectrale du rayonnement gamma résultant de la capture de neutrons par des substances. Cette technique est utilisée, par exemple, pour le tubage des puits de pétrole.

Certaines industries qui utilisent la technologie de mesure de processus radiométrique utilisent également l'inspection par rayons X non destructive ou l'inspection radiographique pour vérifier l'intégrité des soudures et des récipients. Ces dispositifs émettent également de l'énergie gamma à partir de la source d'une manière similaire aux compteurs radiométriques.

Voir également:

Capteurs et appareils de mesure pour déterminer la composition et les propriétés des substances

Comment se déroule le pesage automatique dans les installations industrielles