Gene Henry, senior level business di Endress+Hauser USA, ha più di 40 anni di esperienza nel campo dei sensori di livello. In questo approfondimento, spiega come e perché misurare livello e densità con gli strumenti radiometrici. Buona lettura.
Indice:
- Sensore radiometrico: introduzione allo strumento
- Sensore radiometrico: nozioni di base sulla radioattività
- Sensore radiometrico: gli elementi dei raggi gamma
- Sensore radiometrico: eliminare l’interferenza esterna
Il misuratore radiometrico, o di livello/densità gamma, è spesso utilizzato in applicazioni in cui altre tecniche di misurazione falliscono a causa di temperature o pressioni estreme, fluidi tossici, geometrie complesse dei recipienti, tubi con requisiti di installazione difficili, viscosità elevate, comportamenti mutevoli dei fluidi o in presenza di caratteristiche come abrasività o corrosività.
Poiché un sistema radiometrico è una tecnica di misurazione non invasiva, ovvero l’emettitore e il rilevatore sono montati all’esterno del processo, è possibile osservare con precisione il comportamento di un mezzo all’interno di un serbatoio.
Un’installazione molto semplice è mostrata nella figura seguente:
Siccome all’interno del serbatoio è presente un agitatore, l’installazione di un dispositivo di misura del livello all’interno del serbatoio, come uno strumento radar a ultrasuoni o a onda guidata, potrebbe non essere adatto. A seconda delle condizioni all’interno del serbatoio, il fluido potrebbe vaporizzare o l’agitatore potrebbe causare un vortice sulla superficie del fluido. Queste condizioni possono interferire con altri tipi di misuratori di livello installati all’interno delle pareti. Con la misurazione radiometrica, invece, è possibile rilevare tutte le condizioni del mezzo.
I vantaggi dell'utilizzo della radiometria includono:
• metodo di misurazione senza contatto e non invasivo;
• sicurezza di processo garantita grazie al fatto di essere al di fuori del recipiente di processo;
• misurazione precisa e ripetibile per livello, densità e interfase;
• strumentazione sicura, facile da installare e affidabile.
La radioattività può essere approssimativamente classificata in tre tipi, ciascuna emessa dal decadimento dell’isotopo radioattivo:
Con la misurazione radiometrica per livello e densità viene utilizzata solo la radiazione gamma, poiché le radiazioni alfa e beta non sono abbastanza forti da penetrare le pareti del serbatoio, mentre l’alta energia e la lunghezza d’onda ad alta frequenza dei raggi gamma si irradiano attraverso il materiale solido nel percorso del raggio.
Quando un raggio gamma attraversa la materia, il tasso di assorbimento è proporzionale allo spessore dello strato, alla densità del materiale, alla sezione trasversale di assorbimento del materiale e all'energia dell'onda. Pertanto, l’assorbimento e l’energia sono i principali fattori che influenzano la dimensione della sorgente richiesta e la qualità della misurazione radiometrica.
I tipici isotopi industriali utilizzati nelle applicazioni radiometriche sono il cesio 137 (Cs137) e il cobalto 60 (Co60).
I due isotopi differiscono nei loro attributi fisici, con il cesio che ha un’emivita più lunga ma un’energia di radiazione gamma emessa inferiore. Il cobalto 60 ha un’emivita più breve con maggiore energia.
L’emivita è la lunghezza del tempo che ci vuole perché la sorgente decada fino a raggiungere la metà dell’attività generata dall’isotopo originale.
Per esempio, l’emivita di Cs137 è 30,17 anni e quella del Co60 è 5,2 anni.
Tipicamente, Cs137 è utilizzato nella maggior parte delle applicazioni industriali, perché richiede meno manutenzione (cioè, la sostituzione delle sorgenti) e le sue attività o forze sono sufficienti per la maggior parte delle applicazioni. In casi speciali, il Co60 può essere necessario per l’irradiazione attraverso materiale spesso o fluidi ad alta densità.
Una formula determina la dimensione della sorgente, tenendo conto di qualsiasi cosa nel percorso del raggio (pareti del serbatoio, isolamento, bobine di riscaldamento e ostruzioni), oltre alla distanza dalla sorgente al rivelatore. Il calcolo utilizza la seguente equazione:
P=(Fa•Fs•Fi/K)
P = attività della sorgente richiesta in [mCi]
K = coefficiente isotopico (K = 3,55 per Cs137 e 13,2 per Co60)
Fa = r2, dove r si riferisce alla distanza dalla sorgente al rivelatore
Fs = assorbimento, a seconda della densità del materiale e del suo spessore nel percorso del raggio
Fi = sensibilità del rilevatore
Oggi, tali calcoli vengono eseguiti con un programma software, che elimina tutte le congetture per il dimensionamento. La maggior parte dei produttori ha una sorta di programma di dimensionamento, che può calcolare la dimensione della sorgente, il tasso di esposizione al supporto della sorgente e al rilevatore, e utilizzare questi calcoli per stimare l’accuratezza dell’applicazione. Tutti i dimensionamenti si basano sulle linee guida ALARA (As Low As Reasonably Achievable). Cioè, la dimensione della sorgente è limitata alla dimensione più piccola possibile per effettuare la misurazione richiesta.
Il tipico sistema di livello o densità gamma è costituito da tre parti, oltre alla sorgente radioattiva:
La funzione del supporto della sorgente è semplicemente quella di trattenere la sorgente radioattiva in modo sicuro. Il supporto della sorgente è un contenitore di piombo con una fessura per dirigere l’onda gamma verso il processo. L’angolo di emissione attraverso la fessura sarà normalmente di circa 6 gradi di larghezza e 5,20 o 40 gradi di altezza.
Ciò significa che i livelli di radiazione sono molto bassi nel supporto della sorgente a meno che una persona non si trovi direttamente nel percorso del raggio. Sebbene non sia raccomandato, una persona dovrebbe sedersi su un supporto per 2,5 ore per ricevere la stessa dose di radiazioni a cui è esposta semplicemente volando da New York a Miami.
Il supporto della sorgente radioattiva di Endress+Hauser
Il percorso del raggio deve essere schermato per evitare che qualcuno possa infilarci accidentalmente un dito o una mano. Secondo le linee guida della Nuclear Regulatory Commission, il supporto della sorgente deve avere un meccanismo di otturatore con serratura per bloccare la radiazione, o un meccanismo per ruotare la sorgente lontano dall’apertura. Ciò rende il supporto sicuro, consentendo al personale di manutenzione di eseguire lavori all’interno del serbatoio o di installare o rimuovere il supporto della sorgente senza problemi.
I rilevatori sono cambiati molto negli ultimi anni, diventando più sensibili e reattivi. Lo scopo del rilevatore è appunto rilevare la quantità di radiazione ricevuta. Nei vecchi sistemi gamma, veniva utilizzata una camera ionica nelle applicazioni di densità. I moderni rilevatori utilizzano un sensore a tubo scintillatore. Il tubo scintillatore assorbe il fotone gamma e lo converte in un impulso luminoso: questi impulsi di luce creano un fotoelettrone al fotocatodo, dove vengono moltiplicati e convertiti in un impulso elettrico. Questi impulsi o conteggi determinano quanta radiazione viene ricevuta dal rilevatore.
Con un tubo scintillatore in cristallo NaI o plastica PVT, l’energia richiesta per effettuare una misurazione accurata è minima. Ad esempio, una tubazione da 18 pollici con all’interno un liquido potrebbe aver bisogno di una sorgente Cs137 da 250 mCi per avere un’attività sufficiente per il funzionamento del rilevatore di ioni di vecchia maniera. Con un rivelatore a tubo a scintillazione, una sorgente Cs137 da 30 mCi gestisce la stessa applicazione.
Le radiazioni ridotte garantiscono la sicurezza delle persone che lavorano nell’area e i rilevatori sono molto più stabili anche con grandi sbalzi di temperatura.
I rilevatori a scintillazione flessibile offrono una facile installazione, ma potrebbero non essere sensibili come uno scintillatore rigido.
In un’applicazione di densità, maggiore è la velocità di conteggio, minore è la densità. In un'applicazione di livello vale lo stesso: maggiore è la velocità di conteggio, minore è il livello nel recipiente di processo. Il rilevatore contiene un trasmettitore che converte la velocità di conteggio in un segnale di uscita HART 4-20 mA da inviare al sistema di controllo o monitoraggio. Possono essere disponibili anche uscite Profibus PA o Foundation Fieldbus.
Con i rivelatori a scintillatore più sensibili di oggi, è spesso possibile prolungare la vita di un sistema gamma. I rilevatori vecchio stile richiedono molta più energia e tendono a non funzionare in modo affidabile quando la sorgente si avvicina alla sua emivita. Un rivelatore a scintillatore moderno prolunga la vita della sorgente, eliminando la necessità di acquistare una nuova sorgente e il costo dello smaltimento della vecchia sorgente.
Come accennato in precedenza, le sorgenti radioattive decadono a una velocità specifica. Nei sistemi gamma più vecchi, era necessaria una calibrazione frequente per compensare la ridotta attività della sorgente. I rilevatori odierni hanno una compensazione del decadimento della sorgente incorporata, quindi compensano automaticamente il decadimento, riducendo i requisiti di calibrazione e i costi di manutenzione.
Alcuni rilevatori utilizzano un tubo Geiger-Mueller: queste unità non sono sensibili come i rivelatori a tubo scintillatore, ma funzionano bene per il rilevamento del livello puntuale e costano meno.
Le radiazioni da fonti esterne possono essere un grave problema per i sistemi basati sui raggi gamma. Queste possono provenire da materiale radioattivo nel mezzo di processo, altri dispositivi che emettono raggi gamma o test radiografici. Raffinerie, impianti petrolchimici e alcuni impianti chimici possono eseguire test radiografici di routine su tubazioni e serbatoi per garantirne l’integrità. Ogni volta che i tecnici eseguono una radiografia, si verifica un enorme aumento della radiazione di fondo: molto probabilmente l’uscita da un rivelatore basato su raggi gamma ne sarà influenzata. L’aumento della radiazione di fondo viene captato dal rivelatore gamma, facendo sì che il trasmettitore segnali un livello molto più basso di quello effettivamente presente. Ciò può causare gravi problemi nel processo e può rappresentare un rischio per la sicurezza.
In passato, gli impianti cercavano di schermare i rivelatori gamma o di portare il circuito di controllo in manuale durante i test radiografici, per evitare alterazioni del processo.
Oggi, un modulatore gamma può eliminare qualsiasi problema di radiazioni esterne. Questo elemento viene montato tra il supporto della sorgente e il processo, ed è costituito da due barre di assorbimento che ruotano a velocità fissa direttamente nel percorso del raggio gamma. Quando le barre sono in linea con il raggio gamma, attenuano la sua energia in modo che non raggiunga il rilevatore, che così legge solo la radiazione di fondo. Quando le barre ruotano parallelamente al percorso del raggio gamma, questi passano tra le barre di assorbimento e continuano verso il serbatoio di processo e il rilevatore.
Il rilevatore è configurato per cercare questa energia gamma modulata. Internamente, esso sottrae la lettura della radiazione di fondo quando il modulatore è in posizione aperta. Il valore risultante non è quindi influenzato dalla radiazione di fondo.
In conclusione, i moderni sistemi gamma per la misurazione del livello o della densità sono affidabili, accurati e sicuri e spesso funzionano in applicazioni di livello e densità dove altre soluzioni non lo possono fare.
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