РАДИОИЗОТОПНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
RADIOISOTROPIC DEVICE FOR PROCESS PARAMETRES CONTROL

Изобретение относится к радиоизотопным устройствам для бесконтактного контроля технологических параметров различных производственных процессов, например для измерения уровня или плотности веществ в различных емкостях на основании определения изменения интенсивности потока ионизирующего излучения при прохождении его через контролируемое вещество.
9
Известны и широко используются в промышленности радиоизотопные устройства, предназначенные для сигнализации превышения установленного уровня вещества в емкости [1]. При использовании таких приборов на контролируемом уровне с одной стороны емкости устанавливается источник гамма-излучения, а с противоположной - воспринимающий это излучение детектор. При превышении веществом в емкости контролируемого уровня увеличивается степень поглощения и уменьшается интенсивность достигающего детектора гамма-излучения, что, в свою очередь, уменьшает среднюю частоту следования соответствующих зарегистрированным гамма-квантам электрических импульсов с датчика. Уменьшение средней частоты импульсов далее фиксируется электронной схемой, которая и вырабатывает используемый в технологическом процессе сигнал превышения уровня. Недостатком таких приборов является необходимость использования достаточно мощных источников гамма-излучения с активностью 10 Бк и более, что не только усложняет эксплуатацию из-за необходимости проведения целого ряда специальных мероприятий, но и может заметно ухудшить экологическую обстановку.
При измерении уровня радиоактивных материалов для получения стабильных и достоверных результатов необходимо или увеличивать активность гамма-источника до значения, существенно превышающего активность вещества, уровень которого измеряется, или вводить сложные системы преобразования получаемой информации с помощью ЭВМ и определять уровень вещества по его излучению.
Известен уровнемер для радиоактивных жидкостей [2], который содержит рабочий и компенсационный детекторы излучения и маломощный источник гамма-излучения. Устройство включает в себя механизм калиброванного перемещения источника, измерительный и регистрирующие блоки.
Области применения подобных уровнемеров ограничены, они предназначаются только для определенной, конкретной ситуации.
Известен бесконтактный позиционный уровнемер БПУ-1К [3], в котором в качестве источника используется естественный природный гамма-фон или маломощный радионуклидный гамма-источник с активностью меньше минимально значимой активности. Широкие функциональные возможности этого практически универсального уровнемера достигнуты за счет увеличения чувствительности датчика и стабильности этой чувствительности, а также его экранирования от неинформативного гамма-излучения со всех, кроме обращенной к контролируемой емкости, сторон.
Однако такой позиционный уровнемер в силу своей высокой чувствительности не может обеспечить надежной работы в условиях, когда контролируемое вещество само является источником гамма-излучения, например, из-за загрязненности радионуклидами. Источником нестабильной работы могут явиться также находящиеся поблизости и используемые для контроля других технологических процессов мощные гамма-источники, особенно при их перемещении или временном экранировании перемещаемыми массами вещества.
Известно устройство [4], в котором используются последовательно расположенные на одной оси первый детектор, аннигиляционный источник гамма-излучения и второй детектор, а емкость, в которой измеряется уровень вещества в течение контролируемого технологического процесса, размещается между одним из датчиков и источником гамма-излучения. Выходные сигналы с каждого датчика представляют собой случайно распределенную последовательность электрических импульсов, соответствующих зарегистрированным датчиком гамма-квантов. Эти импульсы через соответствующие формирователи длительности поступают на схему совпадений.
22
Особенностью аннигиляционного источника (например, с изотопом Na) является то, что при каждом акте распада одновременно испускается два гамма-кванта во взаимно противоположных направлениях. Часть из этих пар гамма-квантов, траектории которых проходят через зоны чувствительности обоих детекторов, будут зафиксированы одновременно, и поступившие на входы схемы совпадений импульсы вызовут импульс на ее выходе. В связи с тем, что один из гамма-квантов пары с подходящей траекторией приходит в один из датчиков непосредственно, а другой может попасть во второй датчик только пройдя через емкость с веществом, средняя частота следования импульсов на выходе схемы совпадений будет зависеть от степени поглощения и рассеяния второго гамма-кванта в веществе вблизи оси, на которой расположены элементы прибора. В таком устройстве в значительной степени устранено влияние посторонних источников гамма-излучения или гамма-фона контролируемого вещества на работу прибора. Это объясняется тем, что моменты поступления квантов от посторонних источников в датчики случайны и, как правило, не совпадают по времени. Поэтому соответствующие им импульсы не проходят через схему совпадений.
Однако влияние посторонних источников гамма-излучения в устройстве-прототипе не устраняется полностью из-за возможности случайных совпадений во времени регистрации гамма-квантов от этих источников.
сл
Известно [5], что среднюю частоту импульсов случайных совпадений F можно определить как
1
где F - средняя частота импульсов с первого детектора;
2
F - средняя частота импульсов со второго детектора;
1
t - длительность импульса, сформированная первым формирователем;
2
t - длительность импульса, сформированная вторым формирователем.
вых
При этом средняя частота на выходе схемы совпадений F будет равна
раб
где F - средняя частота регистрации датчиками аннигиляционных пар гамма-квантов.
сл
1
2
сл
Если расположение и интенсивность гамма-излучения посторонних источников постоянны, то и F не изменяется и может быть учтено как константа при градуировке прибора. Однако при перемещении посторонних источников, изменении степени их экранирования, например, участвующими в других технологических процессах веществами, изменении уровня собственного гамма-фона контролируемого вещества и т.п. частоты F и F могут существенно изменяться, что вызовет изменение частоты F. Причем это изменение не может быть заранее учтено и будет непредсказуемым образом влиять на среднюю частоту выходного сигнала. Это может привести к нестабильной работе устройства вплоть до полной неработоспособности.
Наиболее близким по назначению и существенным признакам к заявляемому является принятое за прототип устройство, в котором дополнительно введены схема задержки, вторая схема совпадений и устройство вычитания [5].
сл
раб
сл
При этом на выходе второй схемы совпадений образуется поток импульсов, средняя частота следования которых равна F. Сигналы с выходов первой и второй схем совпадений подаются на устройство вычитания и на выходе последней будут присутствовать импульсы со средней частотой следования, равной частоте истинных совпадений F. Таким образом исключается влияние непостоянной частоты случайных совпадений F.
вых
сл
изм
вых
сл
вых
вых
изм
раб
раб
изм
раб
вых
сл
изм
Fраб
Однако в связи со случайным характером распределения моментов возникновения импульсов с частотами F и F значения этих частот, определяемых путем подсчета числа пришедших за время Т импульсов Nи N соответственно, и вычисления F=N/Ти F=N/Tбудут определены с погрешностью. При этом погрешность определения каждой из частот будет равна , а погрешность определения Fсоставит  Очевидно, что при фиксированных значениях F и F, зависящих от геометрических и физических факторов, быстродействие устройства будет равно такому Т, при котором достигается определяемое конкретными параметрами технологического процесса заданное значение δ.
раб
Заявляемое техническое решение позволяет повысить достоверность измерения уровня или быстродействие устройства за счет сокращения времени измерения, при котором достигается заданная погрешность определения F.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в радиоизотопное устройство для бесконтактного контроля технологических параметров, содержащее расположенные на одной оси аннигиляционный источник гамма-излучения и подключенные выходами соответственно к первому и второму формирователям длительности первый и второй детектор, причем выход первого формирователя длительности соединен со схемой задержки и первым входом первой схемы совпадений, а выход второго формирователя длительности - со вторым входом первой схемы совпадений и первым входом второй схемы совпадений, а выход первой схемы совпадений подсоединен к основному входу блока вычитания, дополнительно введены подключенный к выходу схемы задержки и второму входу второй схемы совпадений третий формирователь длительности, а также делитель частоты, вход которого соединен со второй схемой совпадений, а выход - с дополнительным входом блока вычитания.
На чертеже представлена функциональная схема заявляемого устройства. Оно содержит расположенные на одной оси первый детектор 1, аннигиляционный источник гамма-излучения 2 и второй детектор 3. Выходы первого 1 и второго 3 детекторов соответственно через первый формирователь длительности 4 и второй формирователь длительности 5 подключены к входам первой схемы совпадений 6. Кроме этого устройство включает в себя вторую схему совпадений 7, один из входов которой подсоединен непосредственно с выходом второго формирователя длительности 5, а другой - через включенные последовательно устройство задержки 8 и третий формирователь длительности 9. Основной вход блока вычитания импульсов 10 соединен с выходом первой схемы совпадений 6, а его управляющий вход через делитель частоты 11 - с выходом второй схемы совпадений 7. При этом выход блока вычитания импульсов 10 является выходом устройства. Между вторым детектором 3 и источником гамма-излучения 2 в процессе измерения находится объект контроля 12.
Устройство работает следующим образом. Аннигиляционный источник гамма-излучения 2 испускает во взаимно противоположных направлениях пары гамма-квантов. Часть траекторий этих пар пересекает одновременно первый 1 и второй 3 детекторы и регистрируется в виде совпадающих по времени электрических импульсов на выходах детекторов 1 и 3. Эти импульсы затем нормируются по длительности в первом 4 и втором 5 формирователях длительности и поступают на входы первой схемы совпадений 6, и из-за одновременности их поступления вызывают возникновение импульса на выходе последней. В связи с тем что один из гамма-квантов пары с подходящей траекторией перед поступлением в соответствующий детектор проходит через объект контроля 12, вероятность его регистрации зависит от поглощающих свойств вещества в объекте контроля 12 и, следовательно, средняя частота следования импульсов на выходе первой схемы совпадений 6 также зависит от этих свойств.
д
сл
Однако гамма-кванты естественного природного фона и других посторонних источников гамма-излучения также регистрируются детекторами 1 и 3. При этом они могут случайно совпасть по времени и вызвать появление импульсов на выходе первой схемы совпадений 6. Средняя частота следования импульсов случайных совпадений определяется формулой (1). Таким образом, средняя частота следования импульсов на выходе первой схемы совпадений 6 будет представлять сумму частот от действительно совпавших во времени импульсов от пар гамма-квантов F и от случайно зарегистрированных одновременно гамма-квантов от посторонних источников F.
1
2
3
1
2
Импульсы с выхода второго формирователя длительности 5 поступают на один из входов второй схемы совпадений 7, а на второй ее вход поступают задержанные устройством задержки 8 и сформированные по длительности третьим формирователем 9 импульсы с выхода первого формирователя длительности 4. Устройство задержки 8 задерживает поступающие на вход второй схемы совпадений 7 импульсы на время, превышающее длительности импульсов с выходов формирователей 4 и 5 (равные t и t соответственно), исключая тем самым возможность прохождения через нее импульсов рабочих совпадений. Длительность импульсов с выхода третьего формирователя 9 (равная t) выбирается существенно больше суммарного времени (t+t). При этом из формулы (1) следует, что на выходе второй схемы совпадений 7 будут присутствовать импульсы с частотой
3
1
2
Если выбрать значение t=n·t+(n-1)·t (где n - целое число >1), то легко видеть, что
cc2
1
2
1
2
сл
1
2
0
3
0
F=n·(F·F·(t+t))=n·F. (Если из практических соображений выбирают t=t=t, тогда необходимо установить t=(2n-1)·t.)
cc2
сл
сл
раб
Далее импульсы с частотой F=(n·F) с выхода второй схемы совпадений 7 поступают на делитель частоты 11 с коэффициентом деления n. На выходе последнего возникают импульсы с частотой F, которые затем поступают на дополнительный вход блока вычитания 10. Блок вычитания импульсов 10 осуществляет непрерывное вычитание из числа импульсов, поступающих на его основной вход, число импульсов, поступающих на его управляющий вход. Такой блок может быть легко реализован, например, на основе реверсивного счетчика. Очевидно, что средняя частота следования импульсов на выходе блока вычитания импульсов 10 равна F и зависит только от числа одновременно зарегистрированных детекторами 1 и 3 числа пар гамма-квантов.
сл
раб
раб
По сравнению с прототипом преимуществом заявляемого устройства, работа которого описана выше, является то, что за одинаковое время измерения им будет зафиксировано в n раз большее число случайных совпадений и после деления результата на n погрешность определения F будет в  раз меньше. Это в свою очередь позволяет уменьшить погрешность определения F или сократить требуемое время измерения, при котором достигается заданная погрешность определения F.
1
2
3
раб
сл
раб
раб
Для экспериментальной проверки работоспособности предложенного устройства был изготовлен опытный образец с использованием сцинтилляционных детекторов на базе кристаллов NaJ(T1) и ФЭУ-85. Длительности импульсов t и t на выходах формирователей 4 и 5 были выбраны равными 0.5 мкс, t на выходе третьего формирователя 9 - равной 3.5 мкс, а коэффициент деления делителя частоты 11 - равным 4. Испытания опытного образца показали, что, например, при F=F=1 Гц и времени измерения 400 с погрешность определения F снижается с 10% до 7.5% или при требуемой погрешности определения F в 10% можно уменьшить время измерения с 400 до 220 с.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата.
Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное техническое решение является новым и для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области, то есть соответствует критериям изобретения.
Литература
1. Шумиловский Н.Н. и др. Основы теории устройств автоматического контроля с использованием радиоактивных изотопов. Изд. АН СССР, 1959 г., стр.90.
2. Уровнемер для радиоактивных жидкостей. Патент РФ №2227275, G01F 23/288, 24.04.2002 г.
3. Бутиков И.Ю. и др. Радиационно-безопасный сигнализатор уровня. Химическое и нефтегазовое машиностроение, №11, 1999 г.
4. Уровнемер. Патент США №4463263, НКИ 250/363R, МКИ G01T 1/20, 31.07.1984 г.
5. Цитович А.П. Ядерная радиоэлектроника, М., Наука, 1967 г., стр.278-280, рис.230.