СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ИЛИ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА
MEASURING METHOD OF SUBSTANCE LEVEL OR DENSITY

Изобретение относится к способам бесконтактного контроля технологических параметров различных производственных процессов, а именно измерению уровня или плотности вещества в различных емкостях либо на площадках, основанным на определении изменения интенсивности потока ионизирующего излучения при его прохождении через контролируемое вещество.
Известны и широко используются в промышленности способы бесконтактного контроля технологических параметров различных производственных процессов, в которых источником проходящего через контролируемое вещество излучения служит либо искусственный радионуклидный излучатель, либо естественное природное гамма-излучение.
Известен способ измерения уровня, в котором радионуклидный излучатель и детектор размещаются друг над другом по вертикали, а емкость с контролируемым веществом - между ними [1]. При изменении уровня контролируемого вещества изменяется степень поглощения излучения, что и фиксируется детектором.
14
20
Недостатком этого способа является необходимость применения искусственного радионуклидного излучателя, что усложняет реализацию способа и ухудшает экологию. Кроме того, такой способ неприменим при большом уровне (толщине) контролируемого вещества, так как энергии гамма-квантов, генерируемых радионуклидами земного происхождения (природными), а тем более излучателей, используемых в изотопных приборах, не превышают 3 МэВ, что обуславливает небольшой пробег этого излучения в веществе. Для решения некоторых технологических задач требуемая длина пути прохождения излучения через вещество может достигать значения десятков метров и степень поглощения излучения при этом может быть весьма значительной. Так, при уровне (толщине слоя) воды 10 метров поглощение излучения гамма-квантов с энергиями 3 МэВ составит более 10 раз. В этом случае для того, чтобы значение достигшего детектор излучения заметно превышало естественный природный гамма-фон, потребуется радиоизотопный излучатель с активностью не менее 10 Бк, что практически неосуществимо.
Наиболее близким по назначению и признакам к заявляемому является принятый за прототип способ бесконтактного позиционного контроля уровня, в котором определяют степень поглощения проходящего через вещество излучения и по степени этого поглощения судят о значении определяемого параметра, причем в качестве источника излучения используют поток гамма-излучения, генерируемый природными радионуклидами земного происхождения, естественно распределенными в окружающей среде [2].
14
Недостатком такого способа является еще большее, чем в аналоге, ограничение на толщину контролируемого вещества. Это связано с низкой интенсивностью фонового гамма-излучения от природных радионуклидов и невозможностью ее увеличения. Никакой детектор даже при экранировании его с неинформативных сторон не позволит отличить изменение ослабленного в 10 раз фонового излучения от малейших естественных его флуктуаций.
Предложенное техническое решение дает возможность контролирования большого уровня (больших толщин) вещества в емкости или его плотности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе измерения уровня или плотности вещества, при котором с помощью детектора определяют степень поглощения проходящего через вещество излучения и по степени этого поглощения судят о значении определяемого параметра, в качестве информативного детектируемого излучения используют поток космического излучения, преимущественно мюоны, а энергетический порог регистрации детектора устанавливают выше максимальной энергии гамма-квантов, испускаемых в цепочках распада природных радионуклидов.
Схема реализации способа показана на фиг.1. В емкости 1 находится контролируемое вещество 2. Под емкостью 1 расположен детектор 3, который регистрирует поток космического излучения 4. Интенсивность регистрируемого излучения зависит от физических свойств, от уровня и плотности контролируемого вещества 2 в емкости 1, через которую проходит поток космического излучения 4. Поток регистрируемого детектором 3 космического излучения однозначно связан с уровнем вещества 2 при фиксированной плотности в емкости 1, а при фиксированном уровне вещества 2 - с плотностью вещества. Таким образом, фиксируя при измерении часть параметров, можно измерять уровень или плотность вещества.
Используемый в заявляемом способе поток космического излучения состоит преимущественно из порожденных первичным космическим излучением мюонов высоких энергий. Такой поток мюонов ослабляется 10-метровым слоем воды примерно в 2 раза, а таким же слоем грунта - в 3, 4 раза [3].
Проведенные авторами исследования показали, что при использовании в качестве детектора сцинтиллятора NaJ(Tl) размером (D40×250)мм средняя скорость счета от региструемых мюонов вторичного космического излучения в открытом пространстве на уровне земли составляет 2.5-3 имп/с. Расчеты на основе вышеприведенных данных показывают возможность использования заявляемого способа при длине пути прохождения мюонов через вещество более 30 метров.
3
Как установлено авторами заявляемого способа, при регистрации мюонов вторичного космического излучения сцинтилляционными детекторами с объемом от нескольких см большая часть зарегистрированных взаимодействий лежит в области энергий свыше 3 МэВ. Известно также, что в цепочках распада природных радионуклидов образуются гамма-кванты с максимальной энергией около 2.6 МэВ от изотопа Tl(208) [4]. Поэтому при выборе минимального энергетического порога регистрации выше 2,6 МэВ (максимальной энергии гамма-квантов испускаемых в цепочках распада природных радионуклидов) детектором будут регистрироваться только мюоны вторичного космического излучения.
3
Для проверки предлагаемого способа в ЗАО «НТЦ Экофизприбор» был собран опытный образец измерителя уровня на базе сцинтилляционного детектора NaJ(Tl) размером (D40×250)мм. Испытания опытного образца проводились на бункере сбора угольной пыли на Московской ТЭЦ 22. Высота бункера составляла 10 м, а сечение 6×8 м. Испытания показали, что при насыпной плотности угольной пыли 0,6-0,7 г/см и времени усреднения 20 мин погрешность измерения составляет 0,3-0,5 м, что удовлетворяет технологическим требованиям
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. И.В.Кухаренко и др. Сравнение некоторых радиометрических методов измерения уровня. В сб. «Радиационная техника». Вып.3, М.: Атомиздат, 1969 г., стр.63-68, рис.1в).
2. Патент РФ №2006000, G01F 23/38, опубл. 15.01.1994.
3. Atmospheric Muon Flux at Sea Level, Underground and Underwater. Phys. Rev. D58,05401,1998.
4. Гусев Н.Г. и др. Радиоактивные изотопы как гамма-излучатели., М.: «Атомиздат», 1964 г., стр.165.