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.

ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

В производстве химических волокон, синтетических смол, каучука, красок, смазочных материалов и др. вязкость является важным показателем, характеризующим качество получаемой продукции. В связи с этим во многих случаях важно непрерывное автоматическое измерение вязкости.

Вязкостью называют свойство жидкостей и газов, характеризующее их сопротивляемость деформации сдвига. Сдвиговое течение параллельных слоев элемента жидкости (газа) можно описать формулой Ньютона:

где — динамическая вязкость или просто вязкость; F/S — напряжение сдвига (F — сила сдвига; S — площадь сечения рассматриваемого элемента); dv/dn — градиент скорости движения по толщине слоя или скорость сдвига (v — скорость течения одного слоя относительно другого слоя, п — расстояние между слоями жидкости).

Если вязкость не зависит от интенсивности механической деформации, то жидкость называют ньютоновской; все остальные жидкости относятся к неньютоновским.

За единицу динамической вязкости в Международной системе единиц принимают вязкость жидкости, в которой напряжение сдвига, создаваемое силой 1 Н между двумя слоями площадью 1 м², вызывает градиент скорости 1 м/с при расстоянии между слоями 1 м. Единица динамической вязкости в СИ Па с, в системе СГС — пуаз (П = 10^-1 Па с). На практике часто пользуются кинематической вязкостью, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Единица измерения кинематической вязкости м²/с (в СГС — стокc; Ст = 10^-4 м²/с).

Для измерения вязкости применяют вискозиметры, основанные на следующих методах: истечения, падающего шарика, ротационные и вибрационные. Конструкция автоматического вискозиметра должна обеспечивать интенсивный массообмен в зоне измерения, заданные метрологические показатели при колебаниях давления и загрязненности среды, термостабилизацию или термокомпенсацию показаний в связи с тем, что вязкость жидкостей сильно зависит от температуры.