Qu'est-ce qu'un mesureur de niveau de rayons gamma ?

Un indicateur de niveau de rayons gamma est un instrument spécialisé qui utilise les caractéristiques d'atténuation des rayons gamma pour mesurer le niveau d'un milieu dans un récipient. Il est principalement utilisé dans des industries telles que le pétrole, la chimie, la pharmacie, l’énergie et la métallurgie.  Il calcule le niveau de liquide en détectant le changement d'intensité des rayons gamma après leur pénétration dans le récipient. Utilisant une méthode de détection sans contact, il convient aux environnements difficiles tels que les températures élevées, les pressions élevées et la forte corrosion.

Cet appareil repose sur la loi d'atténuation exponentielle des rayons gamma dans la matière. En fixant l'absorption de la paroi du récipient, la variation d'intensité du rayonnement dépend uniquement de l'épaisseur du milieu. Pour la mesure de la densité, celle-ci est calculée à épaisseur de milieu constante. Le système comprend trois parties : une source de rayonnement, un détecteur et un émetteur. La source de rayonnement utilise les isotopes Cs-137 ou Co-60 ; le détecteur existe en deux versions : à gaz et à solide ; certains modèles récents intègrent un mécanisme de levage pour améliorer la précision de la détection et la radioprotection.

Depuis 1970, les indicateurs de niveau à l'isotope radioactif cobalt-60 sont utilisés dans l'industrie du chlore-alcali, remplaçant les méthodes traditionnelles de pesage de l'huile par pression. Les développements ultérieurs ont introduit des systèmes de contrôle intelligents, une technologie à faible rayonnement et des fonctionnalités liées à l'Internet des objets (IoT), et sont conformes à la norme nationale GB/T 25845-2010.

Principe

Lorsque les rayons gamma traversent un objet, ils sont atténués, suivant strictement une décroissance exponentielle, c'est-à-dire :

X : Intensité du rayonnement émis par la source ;

μ : Coefficient d'absorption (une constante liée au nucléide) ;

ρ : Densité du milieu ;

d : Épaisseur du milieu ;

Y : Intensité du rayonnement après passage à travers un objet de densité ρ et d'épaisseur d.

Selon le principe exposé ci-dessus, le détecteur de niveau à rayons gamma est conçu de manière à ce que l'absorption du récipient reste constante après le passage des rayons gamma, et que sa variation dépende uniquement du niveau (c'est-à-dire de l'épaisseur) du milieu contenu dans le récipient. Le principe de mesure d'un densimètre est similaire à celui d'un détecteur de niveau, à la différence que le point de mesure se situe généralement sur la canalisation, et que le milieu y est toujours plein. Dans ce cas, l'épaisseur du milieu traversé par le rayonnement demeure constante, et l'absorption dépend uniquement de la densité.

Composition

Une jauge de niveau de rayonnement se compose généralement de trois parties : une source de rayonnement, un détecteur et un émetteur. La source de rayonnement utilise généralement l'un des deux isotopes radioactifs suivants : Cs-137 ou Co-60.  Il se présente sous deux formes : source ponctuelle et source linéaire, et peut être divisé en sources intégrées et externes en fonction de l'emplacement d'installation. Sa fonction est d'émettre des rayons gamma.

La fonction d'un détecteur est de détecter les rayons gamma. Il existe de nombreux types de détecteurs, classés selon leur forme (ponctuels ou linéaires) et selon leur matériau sensible (gazeux ou solides). Les détecteurs à gaz comprennent deux grandes catégories : les tubes compteurs Geiger-Müller (GM) et les chambres d'ionisation. Leur rendement est faible et ils sont très sensibles à la température, mais peu coûteux. Les détecteurs solides sont classés selon leur matériau cristallin : iodure de sodium, iodure de césium, BGO (germanate de bismuth), plastique, faisceaux de fibres optiques ou cristaux artificiels. Les cristaux d'iodure de sodium, d'iodure de césium et de BGO à haut rendement étant difficiles à fabriquer en grandes dimensions, ils ne peuvent être utilisés que pour la fabrication de détecteurs ponctuels.

Les détecteurs en forme de tige se divisent en deux catégories : les détecteurs rigides et les détecteurs flexibles. Les cristaux artificiels rigides ont un diamètre d’environ 50 mm et une longueur pouvant atteindre 2 m, et offrent une grande efficacité de détection. Les faisceaux de fibres optiques flexibles, quant à eux, ont un diamètre d’environ 25 mm et une longueur pouvant atteindre 6 à 7 m, mais leur efficacité de détection est faible et ils sont fortement sensibles aux variations de température. Le détecteur est un composant essentiel du capteur de niveau de rayonnement, et sa sensibilité et sa stabilité sont cruciales pour la technologie de mesure des rayonnements.

La fonction de l'émetteur est de convertir l'intensité du rayonnement gamma détecté en un signal standard via des circuits électroniques et de le transmettre au système de surveillance. De nombreuses fonctions de l'instrument de mesure des rayonnements sont intégrées à l'émetteur, telles que la compensation automatique de l'atténuation, le réglage automatique de la haute tension du détecteur, l'adaptation de la constante de temps aux variations brusques de concentration, la mesure et l'alarme de la température du détecteur, l'autocontrôle des performances du détecteur et l'auto-identification des interférences. Les émetteurs se divisent généralement en deux catégories : de terrain et de salle de contrôle. Les signaux de sortie offrent diverses options, notamment les interfaces 0/4-20 mA, FSK, HART, FF, RS232 et RS484.

Grâce à son principe de mesure unique, le capteur de niveau à rayonnement ne nécessite aucun contact direct avec le fluide et est insensible à sa température, sa viscosité, sa cristallisation, sa corrosion, sa toxicité et son état. Il n'est pas non plus limité par la pression, le matériau, l'épaisseur de paroi ou la forme du récipient, ce qui en fait une solution quasi universelle pour la mesure de niveau. De ce fait, il a permis de résoudre de nombreux problèmes de mesure dans des secteurs tels que le pétrole, la chimie et la fabrication de fibres synthétiques.

Installation et entretien

L'installation et le retrait de la source radioactive doivent être effectués par du personnel qualifié ayant reçu une formation spécialisée et titulaire d'une autorisation d'exploitation de sources radioactives. L'installation de la source radioactive a généralement lieu avant la mise en service de la centrale. Un plan d'exécution détaillé doit être élaboré avant toute opération d'installation ou de retrait, et une signalisation adéquate doit être mise en place dans la zone dangereuse afin d'en interdire l'accès au personnel non autorisé. Lors des arrêts de la centrale pour maintenance, la source radioactive doit être mise sous scellés ou retirée et stockée en toute sécurité.

Une fois le capteur de niveau de rayonnement entièrement installé, le fabricant doit fournir une courbe d'étalonnage. Si ce dernier manque d'expérience ou de fiabilité, un étalonnage à l'eau est nécessaire pour vérifier la précision de ses calculs théoriques à l'aide de données réelles. Un réglage du zéro à chaud doit être effectué avant l'introduction des matériaux, une fois la température et la pression de fonctionnement normales atteintes. Le réglage de la constante de temps doit être ajusté en fonction de la vitesse de variation du niveau de liquide ; généralement de 60 secondes, il peut être réduit en cas de variation rapide.