9.7. Измерение уровня с помощью радиоактивных изотопов

Измерение уровня при помощи радиоактивных изотопов целесообразно прежде всего при наличии специфических условий, а именно: высокого давления или разреженности, агрессивности среды, когда нельзя использовать обычные средства измерения. Этот способ используют для измерения уровня заполнения резервуаров, силосных башен и бункеров, где нельзя установить измерительные щупы или необходимо применение дорогостоящей системы измерительных щупов, вызванное конструктивными особенностями. Но и в тех случаях, когда правила техники безопасности запрещают установку уровнемеров в резервуарах или когда установка обычных средств измерения потребует больших затрат, для измерений часто выгодно оказывается использовать радиоактивные изотопы. Особенно целесообразно применять радиоактивные изотопы для измерений уровня агрессивных материалов, веществ с повышенной адгезионной способностью, в резервуарах с очень высокими температурами, в резервуарах (реакторах) со встроенными мешалками, в бункерах с такими крупнокусковыми материалами, как уголь или руда, в шахтных печах.

Рис. 105. Схема радиоактивного сигнализатора уровня: / — излучатель; 2 — приемник

В основе измерения при помощи искусственных радиоактивных изотопов лежит принцип поглощения радиоактивного излучения соответствующим материалом, содержащимся в резервуаре. Пучок -лучей, излучаемый радиоактивным источником, проникает через резервуар по прямой линии (рис. 5.105). На стенке резервуара, лежащей против излучателя, расположен приемник, преобразующий принятые лучи в электрические импульсы. Интенсивность принятого излучения зависит от высоты уровня. Возникающие на выходе приемника импульсы, частота которых пропорциональна интенсивности излучения, подводятся к переключающему устройству, реле которого срабатывает, как только число импульсов в единицу времени достигнет минимальной величины. Ввиду того, что в большинстве случаев измеряют толстые слои материала, используют преимущественно -лучи. Большое влияние на измерение уровня оказывает толщина стенок резервуара. Интенсивность излучения, проникающего через заполненный резервуар, можно рассчитать по формуле

Интенсивность излучения, проникающего через пустой резервуар, равна

Отношение величин интенсивности излучения через заполненный резервуар и пустой резервуар:

где — исходная интенсивность излучения; — толщина стенки резервуара; и — плотности материала стенки и содержимого в резервуаре соответственно; — внутренний диаметр резервуара; — массовый коэффициент поглощения.

9.8. Акустические уровнемеры

Акустический метод определения уровня жидкости основан на формировании акустического импульса на границе раздела жидкость—воздух в вертикальном звукопроводе, выполненном в виде тонкого металлического стержня. Уровень жидкости рассчитывается исходя из времени распространения ультразвукового сигнала от излучателя, расположенного внутри поплавка на поверхности жидкости, до приемника, установленного в верхнем конце стержня.

Для подачи питания и синхронизации формирователя ультразвукового импульса используется непосредственно звукопровод, являющийся одновременно частью витка первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого расположена в поплавке. Формирование акустического импульса осуществляется излучателем, представляющим собой пьезокерамическое кольцо, коаксиально охватывающее стержень.

Рис. 106. Принципиальная схема акустического уровнемера.

На рис. 106 рассмотрена схема акустического уровнемера. Электрический ток подается на металлический стержень-звукопровод / с формирователя импульсов синхронизации 2 и формирователя частоты питания 3 через смеситель 4. В катушке индуктивности L, расположенной в корпусе поплавка 5, возникает соответствующий индукционный ток. Катушка подключена к входу блока формирования импульсов излучателя 6. Электрический импульс, вырабатываемый этим блоком, подается на пьезокерамическое кольцо 7 излучателя. При этом формируется акустический сигнал, который через стенки корпуса поплавка и жидкость достигает звукопровода. В металлическом стержне возбуждается продольная волна. Ультразвуковые импульсы принимаются пьезокерамическим преобразователем 8, закрепленным на верхнем торце стержня. Электрический сигнал с приемника через усилитель 9 поступает на вход счетчика времени 10, определяющего время распространения ультразвукового импульса по стержню. При работе системы по металлическому стержню протекает переменный электрический ток в несколько миллиампер и частотой 10 кГц, которого достаточно для индукционного питания и генерации электрического импульса амплитудой 20...30 В, подаваемого непосредственно на излучатель. Синхронный запуск излучателя осуществляется высокочастотным импульсом тока. Таким образом, схема синхронизации и формирования ультразвуковых импульсов работает автономно без внутреннего источника питания и независимо от положения поплавка. Все элементы излучателя расположены внутри герметичного корпуса поплавка, изготовленного из нержавеющей стали.

Уровнемер представляет собой единый электронный блок, устанавливаемый на крышке стандартного технологического отверстия резервуара, в которое опускается металлический стержень. Сигнал, поступающий с уровнемера на вход ЭВМ, подвергается обработке с помощью программного пакета, позволяющего рассчитывать уровень и расход жидкости в нескольких (до 10) резервуарах.