Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

5. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Для измерения плотности жидких сред используют ослабление проникающей радиации (γ-лучи) при прохождении через анализируемую среду. Изучение процесса поглощения γ -лучей с энергией менее 1 МэВ ограничим рассмотрением фотопоглощения и комптоновского рассеяния.

Для однородного параллельного пучка γ -лучей, проходящего через слой вещества, его ослабление подчиняется уравнению
(8)
где J — интенсивность γ -лучей на выходе из слоя вещества; J₀ — интенсивность входящего потока γ -лучей; μ — линейный коэффициент ослабления γ -лучей; l — толщина слоя вещества.
Если спектр γ -излучения состоит из нескольких линий, то уравнение (8) можно записать в виде

где μ_i — линейный коэффициент ослабления для соответствующих групп γ -лучей.
Коэффициент ослабления можно представить суммой , где — коэффициент фотопоглощения; k — коэффициент комптоновского рассеяния. Эти коэффициенты пропорциональны массе вещества, поэтому удобнее пользоваться не самими этими коэффициентами, а их отношением к плотности среды. При этом коэффициенты называют массовыми и выражение (8) можно переписать в виде

где — плотность вещества; — массовый коэффициент ослабления.
Обычно источник И и приемник П излучения размещают по обе стороны от трубы перпендикулярно ее оси (рис. 8). В этом случае исключается возможность отложения частиц твердой фазы на стенках трубы и корпусе источника.
Рис. 8. Схема расположения источника и приемника излучения в радиоизотопных плотномерах
Радиозотопный метод позволяет также определять содержание твердой фазы в жидкости. В этом случае у-из-лучение ослабляется жидкостью, стенками трубы и твердыми частицами, которые в общем случае могут иметь различный минералогический состав. С учетом этих факторов поглощения выражение (8) можно записать в виде

где — линейный коэффициент ослабления γ-лучей материалом стенок трубы; — толщина стенки трубы; d — внутренний диаметр трубы; — суммарный коэффициент ослабления γ-лучей жидкостью и твердыми частицами.
Коэффициент можно представить в виде

здесь — линейный коэффициент ослабления γ-лучей жидкостью; — коэффициент ослабления γ -лучей твердыми частицами; и — плотность жидкой и твердой фаз суспензии; и — массовая концентрация жидкой и твердой фаз суспензии.
Если пренебречь неоднородностью минералогического состава твердой фазы суспензии, то линейный коэффициент ослабления можно выразить через массовую концентрацию твердых частиц:
у где и — линейный коэффициент ослабления γ -лучей и плотность твердой фазы.
Рис. 9. Схема радиоизотопного плотномера
При выборе радиоактивного источника, обладающего максимальной энергией, учитывают также период его полураспада. Наиболее полно удовлетворяют указанным требованиям источники γ-излучения ⁶⁰Со (период полураспада 5,2 года, энергия в среднем 1,25 МэВ) и ¹³⁷Cs (период полураспада до 33 лет, энергия 0,66 МэВ). В отдельных случаях возможно применение и других изотопов.
На рис. 9 приведена схема наиболее распространенного радиоизотопного измерителя плотности (ПР-1024). Он содержит два радиоизотопных излучателя (¹³⁷Cs): основной 1, сигнал от которого проходит через трубопровод 2 с жидкостью, и контрольный 6, сигнал от которого не проходит через контролируемую жидкость. Сигналы от обоих источников воспринимаются раздельно по времени сцинтилляционным счетчиком 5 с электронным фотоумножителем 7. Потоки прерываются свинцовым полуцилиндром 3, вращающимся вокруг приемника излучения синхронным электродвигателем 4. Полуцилиндр 3 попеременно перекрывает потоки излучения таким образом, что в течение первого полупериода вращения воспринимается излучение основного источника, пропорциональное плотности жидкости, а в течение второго полупериода — постоянное излучение контрольного источника. В электронный блок 8 поступают сигналы также попеременно от основного и контрольного источников. Отношение этих сигналов после усиления подается на вход вторичного прибора 9 (автоматический электронный мост).
Пределы измерения плотномера от 50 до 500 кг/м³, основная погрешность ±2 %. Прибор можно устанавливать на трубопроводе с внутренним диаметром 100—300 мм при толщине стенок трубопровода до 20 мм.