Во многих производственных процессах бывает необходимо во время самого процесса, в реальном масштабе времени, и достаточно точно определять параметры объекта переработки. И не только определять, например, вес, объем, плотность, состав продуктов переработки и т.п., но и следить за их изменениями на отдельных этапах процесса. Здесь можно говорить как о входном и промежуточном контроле на отдельных этапах производственного процесса, так и о непрерывном контроле для оперативного регулирования процесса. В последние годы в этом деле все большее распространение получают радиоизотопные методы и средства измерений, неконтактные с контролируемой средой.

Рассмотрим применение таких методов на примере производственного процесса обогащения соляных продуктов, где высокая коррозионная способность продуктов переработки непременно требует неконтактных со средой методов контроля. Такое производство развито в нескольких странах мира (Германия, Россия, Канада и Беларусь), которые являются основными поставщиками в мире минеральных удобрений и натриевой (в том числе, пищевой) соли. Там накоплен большой опыт применения радиоизотопных методов и средств измерений для контроля и оперативного определения количества хлористого калия (КСL) в продуктах переработки, для измерения плотности растворов, суспензий и для измерения массы сыпучих продуктов на конвейерной ленте.

В основу метода определения содержания KCL положен радиометрический метод, основанный на измерении интенсивности естественного излучения калия. Природный калий содержит три основных изотопа – К₃₉, К₄₀ и К₄₁, из которых изотоп К₄₀ радиоактивен. Содержание этого изотопа в калийной изотопной смеси практически постоянно и составляет 0,0118 %. Период полураспада этого изотопа очень велик и составляет 1,25 х 10⁹ лет. Это позволяет считать содержание К₄₀постоянным в смеси изотопов и поэтому интенсивность излучения от продукта переработки определяет содержание KCL в этом продукте. К₄₀ испускает оба вида излучений: гамма-излучение и бета-излучение. 
Гамма-кванты обладают высокой проникающей способностью, величина их пробега составляет от 0,5 до 1,2 м в зависимости от плотности измеряемого продукта и позволяют измерять содержание калия в больших массах продукта с высокой представительностью контроля. Гамма-концентратомеры служат для автоматического измерения содержания хлористого калия в сыпучих продуктах (руде, готовом концентрате) и в растворах калийных фабрик.

Длина пробега бета-частиц не превышает 0,006 м и поэтому на основе принципа измерения активности бета-частиц построены лабораторные экспрессные концентратомеры, измерительная кювета которых обычно вмещает около 1 кг пробы. 
В комплект гамма-концентратомера входит первичный преобразователь - детектирующее устройство (зонд) и измерительный преобразователь (электронный блок). В зонде установлен сцинтилляторный кристалл, в котором гамма-кванты фиксируются в виде световых вспышек, и фотоумножитель для преобразования световых вспышек в электрический импульс. В электронном блоке выполняется обработка фиксированных импульсов и выдается результат измерений. 
Как отмечалось, длина пробега гамма-квантов составляет примерно от 0,5 м (для руды и концентрата) и до 1,2 м (для растворов). Из этого вытекает, что объем продукта, в котором выполняется измерение содержания хлористого калия, должен представлять сферу с радиусом от 0,5 до 1,2 м. Сцинтиллятор фиксирует импульсы из такой сферы, кроме того, такая сфера экранирует сцинтиллятор от гамма-квантов космического пространства, долетающих до Земли. Так как порой в реальном технологическом процессе невозможно создать такую сферу измерений, то идут на некоторые искусственные приемы. Например, помещают зонд на наружной стенке аппарата, а для защиты от внешнего космического фона, на зонд надевают свинцовый защитный экран. В практике применения гамма-концентратомеров используются термины: геометрия измерения 4пи (когда зонд устанавливается в центре сферы измерения) и геометрия измерения 2пи (когда зонд устанавливается на наружной стенке технологического аппарата и на него надевается защитный экран). 
В каждом конкретном случае для обеспечения достоверности контроля необходимо выполнить техническую проработку установки зонда. На фабриках Германии, России и Беларуси выполнено много вариантов установок зонда для успешной эксплуатации концентратомеров.

Другим важным элементом для обеспечения достоверности измерений является градуировка прибора. Градуировка базируется на основе измерений содержания хлористого калия в пробах продукта, выполненных каким-либо стандартизированным методом, обладающим более высокой точностью измерений, чем градуируемый прибор. Сложность состоит в том, что для достоверной градуировки прибора необходимо отбирать представительную пробу. Так для зонда, установленного на глубине 1,2 м от уровня раствора в шнековом растворителе на одной из фабрик России, необходимо было отбирать пробы жидкой фазы при температуре около 100^оС. Были изготовлены специальные пробоотборники на длинной штанге с крышкой, открывавшейся на требуемой глубине оператором, проводившим отбор пробы, и разработана методика отбора. 
Прибор по результатам градуировки автоматически рассчитывает необходимую продолжительность счета импульсов, поступаемых от зонда. Эта величина справедлива только для данных условий измерений.

В результате длительной эксплуатации концентратомеров на российском предприятии «Уралкалий» было выявлено снижение термоэлектронной эмиссии фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) блоков детектирования (зондов). В связи с падением тока эмиссии ФЭУ для сохранения достоверности показаний прибора в соответствии с выполненной градуировкой приходится проводить подстройку его показаний до двух раз в год (в зависимости от фирмы- изготовителя ФЭУ). 
С этой целью на предприятии разработаны стандартные образцы продукта (СОП), представляющие собой вместительный ящик, наполненный калийным продуктом известной массовой доли калия (K₂O или KCL). Количество продукта в ящике таково, чтобы вписанная в него сфера была с радиусом, превышающем длину сводного пробега гамма-квантов. Для уменьшения габаритов ящика в качестве наполняемого продукта лучше применять готовый продукт производства, имеющий высокое содержание калия. В центре ящика установлен патрубок, в который вводится проверяемый зонд. Такое устройство позволяет оперативно ( в течение 30- 40 минут) проконтролировать стабильность работы проверяемого зонда и его ФЭУ. 
На фабриках России, Беларуси и Германии автоматические концентратомеры KCL установлены на руде, в шнековых растворителях для измерения в насыщаемом растворе, на осветленном щелоке перед подачей раствора на вакуум-кристаллизационную установку (ВКУ), на отходах технологического процесса. 
На основе этих методов в Германии выпускаются приборы фирмой «Мессэлектроник Дрезден ГМбХ» (Месакон) и фирмой "Бертольд".

Эти же фирмы выпускают радиоизотопные измерители плотности растворов и суспензий. В комплект прибора. кроме сцинтилляторного зонда и измерительного блока, входит источник радиоактивности. Этот источник «просвечивает» аппарат с продуктом, плотность которого измеряется, и по поглощению излучения определяют плотность раствора или суспензии. Плотномер широко используется на калийных обогатительных фабриках. В нем применяются сцинтиллятор и фотоумножитель меньшего размера, чем в концентратомерах, и алгоритм расчета показаний, выдаваемых электронным блоком, проще. Для правильности измерений плотномером также важно обеспечить условия его установки на оборудовании и выполнить представительную градуировку. На одной из калийных фабрик «Уралкалия» установлено 15 комплектов плотномеров. 
В последнее время появились аналогичные приборы других фирм, в частности радиоизотопные плотномеры одной из фирм США. Их отличительная особенность - отсутствие отдельного блока обработки сигналов. Обработка происходит прямо в детекторе-преобразователе. Вывод информации на удаленный терминал ведется по каналу аналогового выхода 4-20 мА или по последовательному интерфейсу RS 232, RS 485. В детекторе этого прибора используется пластиковый сцинтиллятор 
Проводятся испытания радиоизотопных плотномером с более высокой чувствительностью детекторов. Это позволяет применять в источниках ионизирующего излучения излучатели невысокой мощности ( натриевые) и переводить такие источники в класс, не требующий особых мер радиационной безопасности. Применение таких приборов упрощает условия их хранения и сводит правила безопасной их эксплуатации к правилам эксплуатации обычных электрических средств измерений.

Фирма Германии «Бертольд» для калийных фабрик выпускает радиоизотопные конвейерные весы, которые сочетают функции конвейерных весов и концентратомера хлористого калия, и автоматически рассчитывают количество основного компонента - калия (KCL или К₂О), подаваемого на переработку в технологический процесс. Эти показатели используются для оптимального управления технологическим процессом, например, для регулирования процесса растворения.

Израиль относится к крупнейшим мировым производителям соляных продуктов и вопросы применения радиоизотопных приборов для контроля и управления технологическими процессами на обогатительных фабриках Германии, России и Беларуси представляют для израильских специалистов несомненный интерес.

Статья поступила 23 апреля 2008 года.