Gammasugárzás abszorpciója, folyadékszint- és sűrűségmérés
Tartalomjegyzék |
Szerkesztés alatt!
Elméleti összefoglaló
Izotópos mérésekről általában
Izotópos mérések összehasonlítása
A TSM-11 univerzális ipari sugárzásmérő
A berendezés felépítése
A TSM-11 univerzális sugárzásmérő alkalmazása
Az izotópos szintjelzés elve
Ratemeter
A mérőberendezés leírása
A mérőberendezés egy hengeres acéledényből, egy, az acélhengeren kívül elhelyezkedő pontforrásokból kialakított "vonalforrásból", és ezzel szemben az acélcső másik oldalán elhelyezkedő lineáris detektorból (G.M.- cső) áll. A detektor egy TSM-11-T típusú ratemeterhez csatlakozik. Az acéledényekhez egy átlátszó közlekedő edény csatlakozik hitelesítési célra (8. ábra).
A 9. és 10. ábrákon az Izotóp Intézet által megvalósított és forgalmazott TSM-11-T elnevezésű átlagbeütésszámmérő kezelő szervei és blokkfelépítése látható. A készülék legfőbb elemét az integrátort a jelformáló egy digitális osztón keresztül hajtja meg. Az integrátor időállandója a K2 fokozatkapcsolóval változtatható. Ez a kezelőszerv a műszeren kívül is hozzáférhető, ahogyan a 9. ábrán látható. Az integrátort a kijelzést szolgáló egységek követik, a "0" pont eltolást és a hitelesítést vagy skálanyújtást biztosító szervek. Ezeket egy-egy helipot segítségével (P1 és P2) lehet beállítani, amelyek szintén kívülről kezelhetők, a 9. ábrán látható P3 és P4 potméterek előre megadott határértékek beállítására szolgálnak. A beállított értékek elérésekor az alsó, illetve L2 felső határértéket jelző lámpák jeleznek a műszer (M) állásának megfelelően. A lámpák jelzéseivel egy időben a készülékben lévő relék egy-egy kapcsoló állapotát megváltoztatják, amelyek valamely más készülék vezérlésére, indítására használhatunk. Az egyéb kezelőszervek a készülék áramellátását, illetve az áramellátás jelzését szolgálják. Az egyéb kezelőszervek megnevezése a 9. ábráról leolvasható.
A ratemeter házában két rekesz csak speciális kivitelnél van kihasználva, ezért a mi méréseinkben ez lehetőséget adott arra, hogy az adott méréshez szükséges elektronika ezekbe a szabadon hagyott rekeszekbe kerüljön. Ezek kezelése az adott mérési feladatoknál megtalálható.
Mérési feladatok
- Kapcsolja be a TSM-11-T, TSM-11-R és a Valve Controller műszereket! Bemelegedési idő 2 perc. Győződjön meg a vízvezetékek helyes bekötéséről!
- Hitelesítse a ratemetert a közlekedő edény melletti magasságskála segítségével! Állítsa a P1 és a P2 helipotot 0 állásba! Az időállandót a legrövidebb értékre állítsa! A vízszintet állítsa be 0 értékre! Ezután a P1 helipottal állítsa be a ratametert (M mutatós műszer segítségével) 0-ra! Mindkét határérték-kapcsolót végkitérés állásba állítva és a kifolyót elzárva töltse fel az edényt a skála 50 cm-es értékéig! Most a P2 helipottal állítsa a ratemetert végkitérésbe, a 100 értékre (az M mutatós műszer segítségével)! A beömlést elzárva és a kifolyást megindítva kalibrálja a ratemetert a közlekedő edényben! Rajzolja meg a kalibrációs görbét!
- Szintentartás a feladat. Engedje le a vizet 40, ill. 20 cm-ig és a felső határérték kapcsolót állítsa olyan állásba, hogy a beállított értéknél nyissa-zárja a vezérelt csapot (x=min)! A vízcsap és a kifolyó együttes megnyitása után a magára hagyott rendszer a beállított érték körül ingadozik. Vizsgálja meg az ingadozás mértékét az alsó határérték-kapcsoló, valamint az időállandó beállításának függvényében! Írja le megfigyeléseit! Állítsa be a lehető legkisebb hiszterézist! Ügyeljen arra, hogy a víz befolyási sebessége körülbelül egyezzen meg a kifolyási sebességgel! (A vízbevezető csapot csak kicsit szabad megnyitni!)
- Kapcsolási hiszterézis vizsgálata. A feladat a víz 27 cm-en való tartása. Állítsa be a vízszintet 25 cm-re! A helipottal állítsa a ratemetert 0-ra! Állítsa be a P2 helipottal a maximális értéket a ratemeteren (maximális erősítés!). A be- és kifolyás fenntartása mellett a felső határérték-kapcsolóval álljon be 27 cm-re! Vizsgálja meg a hiszterézist az időállandó függvényében és hasonlítsa össze a 3. feladatban tapasztalattal! Keresse meg az optimális alsó határérték állást, ahol a rendszer már nem esik ki a vezérlésből! Írja le tapasztalatait!
A mérés befejezésekor zárja el a vízcsapot és a kifolyót!
Ellenőrző kérdések
- Mi a pontszerű és mi a lineáris sugárforrás?
- Állandó folyadék-szint mellett, hogyan változik az átlag beütésszám? Mi a szerepe az időállandónak?
- Hogyan változik a kifolyás sebessége a vízmagasság függvényében?
- Hogyan működik a határérték-kapcsolós szelepszabályozás?
- Hogyan lehet a két-pont szabályozás hiszterézisét csökkenteni? Erősítés? Időállandó?
- Hogy működik a ratemeter?
- Miért használunk γ-sugárforrást?
- Miből áll a mérőberendezés?
Gamma-sugárzás abszorpciós sűrűségmérés és alkalmazása
A folyamatellenőrzés és irányítás gyakran igényli az anyagsűrűség folyamatos mérését. A sűrűség
![\[\rho= \frac{m}{V}\]](/images/math/c/3/2/c32dcda9da0e5df563f4d1f973274996.png)
ahol m az anyag tömege és V az általa kitöltött térfogat.
Az iparban a sűrűségmérést számos területen alkalmazzák, ilyen pl. a bányászat, vegyipar, kőolajipar, textilipar, stb., elsősorban különböző transzport vagy egyéb technológiai folyamatok ellenőrzésére, szabályozására. A leggyakoribb probléma különböző folyadékok, oldatok, emulziók és szuszpenziók (zagyok) sűrűségének mérése. Az ipari alkalmazások szempontjából érdekes sűrűségtartomány a 500-2500 kg/m3. A radioaktív izotópos méréstechnikán alapuló sűrűségmérés elsősorban érintkezésmentes jellege miatt a legtöbb esetben jelentős előnyt kínál a többi sűrűségmérő módszerrel szemben (úszós, hidrosztatikus, mérleges, pneumatikus), sőt nemegyszer ez az egyetlen üzembiztos megoldás.
A Gamma-sugár abszorpciós sűrűségmérés elve
Ha az I vastagságú vizsgált mintát párhuzamos A0 intenzitású sugárnyalábbal sugározzuk be, akkor annak intenzitása az anyagon áthaladva a
![\[A= A_0\cdot e^{-\mu \cdot I} = A_0\cdot e^{-\mu'\cdot \rho\cdot I}\]](/images/math/d/a/4/da4011de16d99fbe8c610ea098cc559e.png)
törvény szerint változik, ahol μ az ún. lineáris, abszorpciós együttható, a tömegabszorpciós együttható. Mivel μ a sűrűséggel közelítőleg lineáris kapcsolatban van, a tömegabszorpciós együttható sűrűségfüggését első közelítésben elhanyagolhatjuk, csak a mért anyag minőségétől, a használt sugárzás energiájától függ. Ez utóbbiakat, valamint a mért anyagvastagságot, I-t állandónak tartva a dózisintenzitás ΔA megváltozása a Δρ sűrűségváltozástól függ. (6.)-t differenciálva
![\[\Delta A= \frac {\partial A}{\partial \rho} \cdot \Delta \rho= \frac{\partial}{\partial \rho} \left(A_0 \cdot e^{-\mu' \cdot\rho \cdot I}\right)\cdot \Delta\rho =\mu'\cdot I\cdot A \cdot \Delta \rho\]](/images/math/7/5/4/7540b2db2b0a6c3335d666b9858b4bbf.png)
A (7.) egyenletből látható, hogy a mérés érzékenysége nagy, ha jól abszorbeálódó sugárzást emittáló sugárforrást használunk (μ’ nagy), illetve ha a mérési úthossz (I) és a forrás aktivitása (A0) megfelelően nagy. A sűrűségmérő elvi elrendezése a 11. ábrán látható.
Szemcseméret-eloszlás mérése sugárabszorpciós módszerrel
A gyakorlatban számos esetben előfordul, hogy szuszpenziókban, azaz folyadékokban lebegő - ülepedő szilárd szemcsézettel rendelkező anyagokban az átlagos szemcseméretet, a szemcseméret eloszlását kell meghatározni. Gyors és pontos módszer erre az ülepedés mérése sugárabszorpciós módszerrel. A mérés elvi elrendezése a 12. ábrán látható.
Az ülepítő közegben egyenletesen elkevert szemcsés anyag az I átmérőjű edényben van. A felszíntől x távolságra levő SF sugárforrásból kilépő, a folyadékfelszínnel közel párhuzamos sugárnyaláb intenzitását a D detektor méri.
Az abszorpció a tiszta ülepítő közegben
![\[A_v = A_0\cdot e^{-\mu'_v \cdot \rho_v \cdot I}\]](/images/math/a/4/8/a487541a57508d56fe6860d0d55fcc73.png)
míg valamely cs szuszpenziósűrűség jelenlétekor
![\[A_v = A_0\cdot e^{-\left(\mu'_v \cdot \rho_v + \mu'_s \cdot c_s \right) \cdot I}\]](/images/math/6/7/1/6715dd77a0b9343e0c6399a4537b0fc4.png)
ahol a v index az ülepítő közegre (pl. víz) az s a szuszpenzióra vonatkozik, A0 a belépő intenzitás Av illetve As pedig a detektort érő intenzitások, cs pedig a szilárd anyag átlagos sűrűsége.
![\[c_s = \frac{m_s}{V_v}\]](/images/math/4/7/a/47a543baca04c14f00484d59a7b05532.png)
ahol ms a Vv térfogatú ülepítő közegben lebegő szilárd részecskék tömege. cs a (8.) és (9.) egyenletekből megkapható, ugyanis , tehát
![\[c_s = \frac{1}{\mu'\cdot I} ln\frac{A_v}{A_s}\]](/images/math/1/5/3/153b8a78e0b9c7601513e569232513bc.png)
Ha a t=0 időpontban egyenletesen felkevert szuszpenziót magára hagyjuk, a szilárd szemcsék ülepedése miatt x mérési magasságban cs időben változik, csökken, következésképpen As nő. (Itt jegyezzük meg, hogy a TSM-11 berendezésben elektromos kapcsolás megoldás révén a kimenőjel nem az As értéket, hanem egy olyan V feszültséget szolgáltat a mérés során amelyre igaz, hogy , ahol a K potméterrel beállítható érték, részletesen ld. később.)
Az
![\[f(t) = \frac{c_s(t)}{c_s(0)}\]](/images/math/1/8/1/181ece2e09832281cf5898f4e9a0f855.png)
függvény azon szemcsék súlyszázalék arányát adja meg, melyek ülepedési sebessége kisebb, mint .
A d átmérőjű ρs sűrűségű v sebességgel mozgó szemcsére ható erők:
a nehézségi erő
![\[F_g = \frac{4\pi}{3} \cdot \frac{d^3}{8} \cdot \rho_s \cdot g\]](/images/math/b/2/8/b28a9b6c3abfca666a2c5612cbaac3b1.png)
a felhajtó erő
![\[F_f = \frac{4\pi}{3} \cdot \frac{d^3}{8} \cdot \rho_v \cdot g\]](/images/math/2/0/e/20ed0912a8402fb4fbe2925fcbd35dea.png)
a súrlódási erő
![\[F_s = 6 \pi \eta \cdot \frac{d}{2} \cdot v\]](/images/math/a/f/8/af89cb65fd82479c0952ff55fcc45486.png)
ahol η az ülepítőközeg viszkozitása, g a nehézségi gyorsulás.
Az ülepedő részecske az anyag viszkozitása miatt egyenletes sebességgel süllyed. Ilyenkor a súrlódási erő megegyezik a nehézségi erő és a felhajtóerő különbségével.
![\[F_s = F_g - F_f\]](/images/math/2/9/d/29d9bb73db3e391ffd1ade51fd72ea21.png)
behelyettesítésével a t időpillanatban a folyadékfelszíntől x mélységben található szemcsék maximális átmérője
![\[{{d(t) = \left( \frac{18\cdot \eta \cdot x}{g(\rho_s - \rho_v)\cdot t}\right)^{1/2} }}\]](/images/math/0/8/7/087a86d2fd0919f02b21949f2358ff5e.png)
mely a paraméterek behelyettesítésével számolható. Az azonos t időponthoz tartozó d és f értékek adják a szemcseméret integrális eloszlását.
A sűrűségmérő berendezés
A mérésben használt sűrűségmérő berendezés az . ábrán látható. A sugárforrás 137Cs. Az alkalmazhatósági sűrűségtartomány 0,6-2,7 g/cm3. A detektor GM-cső. A jelfeldolgozó elektronika egy TMS-11 típúsú átlagbeütésszámmérő (raiemeter), melynek kimenetét vonalíró regisztrálja. A ratemeter kimenetén közvetlenül a sűrűséggel arányos jelet regisztráljuk.
A mérendő folyadékba motorral meghajtott keverőlapát merül, melynek fordulatszámát a Motor Revolution Controller egységgel folyamatosan lehet változtatni a Revolution Counter egységgel pedig fordulat/perc egységben mérni.
A folyadéktartályban 10 l víz és 2,3 kg adott sűrűségű () sűrűségű bauxitpor van leülepedett állapotban. A P1 és P2 helipotok megfelelő beállításával elérhető, hogy a vizsgált sűrűségtartomány a víz sűrűségének és a szilárd szemcsék + víz keverék átlagsűrűségének tartománya legyen, ami az adatokból 1-1,15 g/cm3.
Mérési feladatok
- Kapcsolja be a TMS-11-T, TMS-11-R, a Revolution Counter, a Motor Revolution Controller műszereket! A folyadékot ne keverje fel! Bemelegedési idő 10 perc. A K2 időállandó kapcsolót középső helyzetébe állítsa (
). A bemelegedési idő után a skálanyújtást állító P2 helipot 900 helyzetében a „0” pont eltolást végrehajtó P1 helipottal állítsa be a víz sűrűségéhez a minimális sűrűséget úgy, hogy a mutató (ill. a regisztráló tolla) a skála kb. 10%-nál legyen. Kapcsolja be a vonalíró hálózati (NETZ) és működtető (ANTRIEB) kapcsolóit. 1 cm/min-os papírsebességet beállítva regisztráljon ebben az állapotban 5 percig.
- A Motor Revolution Controller műszer szabályozható gombjának elforgatásával indítsa el a keverőtárcsát! A motor percenkénti fordulatszáma a Revolution Counter kijelzőjéről leolvasható. Állítsa be azt a fordulatszámot, amelynél a ratemeter maximális értékre áll be (vegye figyelembe, hogy a beállási idő lassú!) 5-10 perc keverés után P2 helipottal állítsa be a mutatós műszert (s a regisztrálót) közel a maximális értékre (~ 90-es osztásra), az időállandót állítsa be a legnagyobb (
) értékre, és állítsa le a keverő motort. Figyelje meg a sűrűségváltozást a teljes ülepedésig!
- A regisztrátum alapján az f(t) függvény a kívánt időközönként százalékban leolvasható. Az ülepedést a folyadékfelszíntől kb. 12 cm-re vizsgáljuk (x = 0,12 m).
,
,
,
. Ezek alapján 3-ból a t időpillanathoz tartozó maximális méret meghatározható.
- Ábrázolja a d(t) függvényben az integrális eloszlási függvényt. f(t)! Ez az f (d) görbe a d szemcseátmérő függvényében a d-nél kisebb átmérőjű szemcsék hányadát adja meg. Ebből a görbéből a szemcseátmérő szerinti eloszlás (súlyszázalékban) differenciálással kapható meg. Ez - a d átmérővel rendelkező szemcsék arányát - súlyszázalékban adja meg.Végezze el az f(d) görbe grafikus differenciálását 10 pontban és ábrázolja az f'(d) függvényt! Határozza meg a leggyakoribb szemcseátmérőt!
-
A 4. pontban vázolt feladat\neggyorsítására számítógépes program áll rendelkezésre. A TSM-11 berendezés által szolgáltatott analóg jeleket a METRONEX műszer RS-232 soros vonalon keresztül közvetíti az IBM géphez. A program 7 - 20 μ közötti tartományban 0,2 μ-os lépésekben, az aktuális d-nek megfelelő t időpontokban méri a detektor által szolgáltatott feszültségértékeket és egy file-ban (Id. alább) elraktározza azokat. A mérés befejeztével ebben a file-ban tárolt adatokon a 4. pont alatti feladatok softwer-uton kiértékelhetőek. - A kiértékelő program kezelése:
- I. Program indítása:
- Kapcsolja be a számítógépet.
- Gépelje be a "mérés5"-öt, majd nyomjon "Enter"-t.
- II. Műszer előkészítése:
- Illessze össze a számítógépből kijövő 5-tűs kábelt a mérőműszerrel a jelzett irányban.
- Csatlakoztassa a pozitív mérő vezetéket a „V/Ω” bemenethez.
- Csatlakoztassa a negatív mérővezetéket a „COM” bemenethez.
- Válassza ki a "20 DCV" mérés tartományt.
- Kapcsolja be a METRONEX műszert!
- III. Mérés indítása:
- A program indítása után gépeljen „m”-et, majd nyomjon „Enter”-t.
- Gépeljen „1”-et, majd nyomjon „Enter”-t.
- Gépelje be az adatok elmentésére kerülő file nevét "xxxxxxxx.xxx" formátumban. A file-név megadása a következő: a mérést végző hallgató(k) neve(i) max. 8 karakterrel a nyolc karakter után adjunk be egy (pont) karaktert három helyen az évfolyam és tankör megjelölését számmal.
- IV. Mérés
- Mérés közben az adatok 4 koordinátában jelennek meg.
Ellenőrző kérdések
Mérési feladatok
PDF formátum