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Contenido
Instrumentos nucleares para uso
industrial Los
instrumentos nucleares para uso industrial o sistemas de control
nucleónico (SCN) pueden ser definidos como aquellos equipos utilizados
para el control de procesos industriales por medio de mediciones basadas
en las interacciones de las radiaciones ionizantes con la materia. Los medidores nucleares constituyen el producto de la
tecnología nuclear de uso más intensivo en la industria. En efecto, los
resultados de la utilización de los cientos de miles de instrumentos
instalados en todo el mundo se han reflejado en una mejora de la calidad
del producto y una optimización del proceso de producción acompañadas de
ahorro de energía y de materiales. Además, los SCN han superado la competencia con los
métodos de medición convencionales debido a su superioridad en ciertas
áreas de la industria y a la posibilidad de resolver algunos problemas en
los que otras técnicas no pueden ser aplicadas. Su característica fundamental de efectuar mediciones
sin tomar contacto físico con el medio a medir los ha hecho
imprescindibles en numerosos campos de aplicación, siendo especialmente
indicados para operar sobre líneas de producción de alta velocidad o en
sistemas que trabajen a temperaturas extremas. Entre los campos de aplicación de los medidores
nucleares para uso industrial pueden considerarse dos grandes áreas:
industrias manufactureras y exploración y explotación de recursos
naturales. En la primera se incluyen ingeniería civil, empaque y
embotellamiento, papel, pulpa y plásticos, metalurgia, química,
petroquímica y seguridad. Aquí los sistemas de control nucleónico pueden
emplearse para medición de nivel de productos almacenados en tanques o
llenado de envases, espesor o peso por unidad de área (películas
plásticas, láminas de fibra de vidrio, placas de fibrocemento, goma, capas
adhesivas, recubrimientos plásticos o electrolíticos, materiales abrasivos
y láminas metálicas), densidad, humedad, caudal, concentración y análisis
de compuestos. En cuanto a exploración y explotación de recursos
naturales, los instrumentos nucleares tienen cabida en los siguientes
campos: medición de caudales, análisis de minerales "in-situ", medición de
concentración en líneas de producción, prospección y perfilaje, medición
de nivel, densidad y humedad.
Una fuente sellada de radiación está constituida por
una cierta masa de una sustancia radiactiva almacenada en algún tipo de
"envase" de manera de evitar que el radioisótopo tome contacto con el
medio ambiente o con el proceso bajo estudio, control o medición.
Por lo general, los instrumentos nucleares que utilizan radiación gamma,
están dotados con fuentes selladas formadas por cápsulas de acero
inoxidable, cuyas dimensiones no suelen superar los dos centímetros de
longitud y algunos milímetros de diámetro, que albergan la sustancia
emisora. Por su parte, algunas fuentes emisoras de radiación beta
pueden ser contenidas en tubos de cuarzo. En ciertos casos, dependientes
del tipo y energía de la radiación involucrada, pueden emplearse láminas o
alambres activados debidamente acondicionados. Cualquiera sea la alternativa, la fuente seleccionada
debe alojarse en un portafuentes, por lo común de plomo, que actúa como
blindaje y como colimador enfocando el haz de radiaciones hacia el punto
requerido por el instrumento en cuestión. Los portafuentes deben estar,
además, munidos de un dispositivo obturador accionado por medios
mecánicos, electromecánicos o neumáticos cuya función es evitar la salida
de radiaciones durante el transporte del cabezal de medición o cuando el
equipo se encuentra fuera de operación.
Medición de espesor
Papeles de diverso tipo, películas plásticas, láminas de fibra de vidrio,
placas de fibrocemento, goma, capas adhesivas, recubrimientos plásticos o
electrolíticos, materiales abrasivos y láminas metálicas, son algunos
ejemplos de los materiales que pueden ser medidos por medio de equipos
nucleares.
En general se prefiere la
utilización del método denominado de transmisión en el cual el
material incógnita se interpone entre la fuente y el detector
atenuando la radiación proveniente del emisor. Por otra parte, es común
que los procesos de fabricación requieran mantener el espesor dentro
de ciertos límites de tolerancia y, por esta razón, la medición suele
ser comparativa, indicando el grado de apartamiento entre el
espesor producido y un valor de referencia. La medición es, en todos
los casos dinámica, dado que el material producido se desplaza
longitudinalmente frente al cabezal de medición o a través del mismo
en forma permanente. El cabezal, a su vez, puede desplazarse en forma
lateral en un movimiento alternativo en ambos sentidos para obtener
distintos perfiles longitudinales de espesor. En cuanto a la presentación de la información puede ser
tan sencilla como a través de un registrador gráfico, como tan compleja
que requiera un monitor en el que se muestren gráficos representativos de
la evolución del espesor, en base a distintos perfiles longitudinales,
simultáneamente con información numérica del espesor instantáneo. En estos
instrumentos, una computadora personal controla el desplazamiento lateral
del cabezal, toma la lectura de los detectores, la digitaliza, la almacena
y efectúa cálculos estadísticos. También puede aceptar el ingreso de
constantes de calibración, espesores de referencia y tolerancias y, en
base a toda esa información, accionar actuadores para el control
automático del proceso de fabricación. Los detectores preferidos son las cámaras de ionización mientras que,
como fuentes radiactivas, pueden emplearse tanto emisores beta como
gamma, estas últimas por lo general limitadas a la medición de
espesores de láminas metálicas. Los medidores nucleares de densidad se aplican a todo tipo de líquidos en circulación por cañerías, prefiriéndose casi con exclusividad la utilización del método de transmisión en el cual la configuración básica es la de una fuente y un detector emplazados en forma diametralmente opuesta a través de la cañería por la que circula el líquido a caño lleno. La medición puede ser absoluta o relativa y estática o dinámica. Existen también equipos que permiten obtener perfiles longitudinales de densidad en el interior de un recipiente por medio del desplazamiento de la sonda. En cuanto a la presentación de la información, se aplican consideraciones similares a las expuestas para los medidores de espesor. Como detectores se emplean cámaras de ionización, detectores Geiger-Müller (GM) y, en menor medida, detectores de centelleo. Como fuentes radiactivas se trabaja siempre con emisores gamma, preferentemente 137Cs y 60Co, en ese orden. La medición de densidad de suelos es otra alternativa para los instrumentos nucleares aplicándose principalmente en dos casos: agronomía y estudio de capas asfálticas en calles y rutas. En este ámbito, en la técnica de reparación de baches por medio de hormigón compactado a rodillo, existe una estrecha relación entre la densidad de la capa depositada y el grado de compactación. El segundo se optimiza midiendo la primera. Las ventajas más importantes de las técnicas nucleares son dos : evitan la toma de muestras para la medición en laboratorio y permiten efectuar un gran número de determinaciones en un corto lapso. Ambas conducen a la evaluación de una zona más amplia y, por ende, más representativa del terreno. Las fuentes son comúnmente de 137Cs y los detectores tipo Geiger-Müller. En muchas oportunidades estos aparatos se emplean en forma conjunta con medidores nucleares de humedad de suelos que operan en base a fuentes emisoras de neutrones.
Medición de
nivel
Aplicados a líquidos almacenados en tanques, pueden clasificarse en
detectores de nivel (o medidores si/no) y en sistemas de
medición continua. En el primer caso sólo se pretende saber si el
nivel de líquido se halla por encima o por debajo de un valor de
referencia, mientras que en el segundo se desea conocer el nivel real del
líquido dentro de un cierto entorno de trabajo. La gran ventaja de los
equipos nucleares en este, como en tantos otros problemas industriales, es
la posibilidad de medir sin contacto con el material, el cual puede ser
corrosivo o trabajar a altas presiones o temperaturas dificultando la
utilización de técnicas convencionales de medición. Por lo general, se opera con fuentes gamma de
60Co y 137Cs y con detectores GM en configuración de
transmisión. El método de retrodispersión, en el cual fuente y
detector se alojan en el mismo cabezal de medición, se utiliza con fuentes
emisoras de neutrones de 241Am-Be y detectores de neutrones
térmicos tales como tubos o cámaras de trifluoruro de boro (F3B)
o de helio-3 (3H). Es muy común encontrarse con problemas industriales en
los que se necesite conocer si el líquido almacenado en un tanque está o
no por sobre un nivel de referencia. Según sea el caso, el proceso de
producción puede seguir etapas diferentes. En plantas de coqueo ubicadas
en destilerías de petróleo suele requerirse la detección de más de un
nivel para actuar en consecuencia. En estos casos, la configuración más
simple consiste en un detector de radiaciones y
una fuente instalados en forma diametralmente opuesta en la cara externa
del recipiente que contiene el líquido cuyo nivel se desea detectar.
Cuando el líquido sobrepasa el nivel determinado por el plano horizontal
que contiene el eje fuente-detector, la intensidad de radiación que
alcanza el volumen sensible del detector se ve fuertemente atenuada por la
presencia del fluido, produciendo una marcada variación en la señal de
salida que debería adoptar, teóricamente, la forma de una función escalón
negativo. Esta señal, debidamente amplificada y transformada, puede
accionar una alarma, una electroválvula, o cualquier otro dispositivo, o
bien puede servir como entrada a un complejo sistema de control
automático.
Medición de
concentración
Pueden considerarse dos tipos diferentes de medidores nucleares de
concentración : aquellos en los que el espesor de la muestra es
constante y aquellos en los que es variable. El primer caso se
refiere a instrumentos que deben operar sumergidos en un medio líquido en
el cual se desea evaluar la concentración de alguna impureza o
contaminante. El líquido fluye libremente en el espacio que media entre la
fuente y el detector, siendo entonces el espesor de la muestra igual a la
distancia entre ambos. También puede tratarse de sistemas de laboratorio
en los que la muestra a medir deba reunir ciertos requisitos con respecto
a su espesor. El segundo caso abarca aquellos equipos destinados a medir
muestras sólidas durante el proceso de producción (medición "on-line"). En este contexto, los turbidímetros nucleares son
instrumentos diseñados para medición de concentraciones de sedimentos en
suspensión en cursos de agua. Con respecto a las técnicas gravimétricas
clásicas tienen las mismas ventajas que otros equipos nucleares, es decir
no requerir toma de muestras y brindar una información promedio y no
localizada, siendo, en consecuencia, más representativa del medio. Son un
complemento de los turbidímetros ópticos y ultrasónicos los cuales son
poco sensibles para altas concentraciones. Por lo general emplean fuentes
radiactivas gamma de baja energía tales como 109Cd o
241Am asociadas a detectores de centelleo. Otro ámbito de utilización de las técnicas nucleares
es la determinación de la concentración de cenizas en carbón. Las cenizas
son el residuo oxidado que resta luego de la incineración del carbón,
siendo su conocimiento importante tanto en la propia industria carbonífera
como en la siderúrgica. Estos equipos pueden trabajar como instrumentos de
laboratorio o asociados a una línea de producción. En este último caso
permiten el monitoreo permanente del carbón involucrado en el proceso . Servicios ofrecidos por NOLDOR NOLDOR S.R.L. ofrece los siguientes servicios vinculados con instrumentos nucleares para uso industrial:
Radiotrazadores
Un trazador es una sustancia que se incorpora a
un proceso natural o artificial por medio de alguna técnica de inyección o
marcación y que permite conocer la evolución y dinámica de ese proceso a
través del estudio y seguimiento de su propio comportamiento. Dispersión de contaminantes en medios hídricos,
comportamiento de acuíferos subterráneos, mecanismo de nutrición de
vegetales, dinámica de órganos humanos y procesos de producción industrial
son ámbitos de aplicación de los trazadores. Mediante su empleo se logra
un conocimiento más completo y acabado de estos sistemas de tan diversas
características. Ejemplos de trazadores son: sólidos en suspensión,
colorantes, sales, alcoholes y radioisótopos. La principal ventaja de
estos últimos es la posibilidad de detectarlos y localizarlos por medio de
las radiaciones que emiten sin establecer contacto físico con ellos o con
el medio que los alberga. La elección del trazador es de fundamental importancia
dado que, cualquiera sea su naturaleza, debe cumplir con la condición de
seguir fielmente al medio marcado, identificándose plenamente con el mismo
y sin alterarlo. Por ello, debe trabajarse con la forma química adecuada
para cada problema en particular. En el caso de tratarse de un
radioisótopo, debe llenar, adicionalmente, requisitos relativos al tipo y
energía de la radiación emitida y al período de semidesintegración. La gran ventaja que presentan los radiotrazadores, en todas sus
aplicaciones, es la posibilidad de trabajar con volúmenes pequeños para la
operación de inyección y de poder ser detectados "in situ", sin necesidad
de tomar muestras. En efecto, adosando detectores de radiación a cañerías
y otros puntos del sistema, pueden obtenerse las curvas de pasaje del
trazador en tiempo real.
Tiempos
de residencia Los
trazadores radiactivos constituyen una herramienta de gran efectividad
para determinar distribuiciones de tiempos de residencia. Si se considera
un sistema sencillo, compuesto por un único bloque, como el ejemplificado
en la figura siguiente, una inyección instantánea de un trazador adecuado,
en el punto de ingreso del fluido, permite obtener a la salida una función
de respuesta que es precisamente la distribución de tiempos de residencia
buscada. Esta curva de respuesta se grafica determinando la concentración
del trazador en función del tiempo, ya sea mediante la toma de muestras o
bien instalando un detector para medición continua en el punto de salida. En muchas las aplicaciones no
se necesita conocer la función completa de respuesta sino sólo el tiempo
medio de residencia, que, para un sistema sencillo, puede hallarse en
forma teórica efectuando el cociente entre el volumen involucrado en el
proceso (V) y el caudal de entrada (Q). A partir
de la curva de respuesta obtenida experimentalmente, el tiempo medio de
residencia puede hallarse mediante el cálculo de su baricentro.
La comparación de ambos valores puede dar valiosa información relativa al
comportamiento del sistema bajo análisis.
Los sistemas ideales pueden clasificarse en dos tipos: reactores de
flujo pistón y
reactores de mezclado total. En los primeros, todos los
elementos integrantes del fluido se desplazan a través del sistema
sometidos al mismo régimen, sin mezcla hacia adelante o atrás en todo su
trayecto. Si este sistema es excitado con un pulso de trazador, la
respuesta presentará una distribución de concentraciones similar, pero con
un desfasaje temporal. En los reactores de
mezclado total se asume que dicho pulso se distribuye en todo el volumen
del mismo en forma instantánea y que la concentración de salida es
idéntica a la existente en su interior. En los sistemas reales, la respuesta
al impulso adoptará una forma arbitraria pudiendo calcularse el tiempo
medio de residencia a través del baricentro de la curva utilizando la
expresión presentada más arriba resuelta en forma numérica. Si lo que se
desea es encontrar una función matemática que describa la respuesta, y por
lo tanto el comportamiento del sistema lo más fielmente posible, debe
efectuarse un ajuste de la respuesta por medio del modelo adecuado. Los sistemas reales, además, pueden adoptar complejos
esquemas de interconexión incluyendo elementos en serie y en paralelo y
realimentaciones. En estos casos debe tratarse de descomponer el conjunto
en subsistemas simples y analizarlos en forma individual mediante varias
inyecciones y varios puntos de medición. Mediante estudios con radiotrazadores pueden detectarse volúmenes
muertos, caminos múltiples de transporte de material, recirculaciones
internas y muchos otros problemas que afecten a los procesos industriales. La localización de filtraciones en cañerías soterradas
constituye una de la aplicaciones más inmediatas y efectivas de los
radiotrazadores. La técnica consiste en la incorporación del trazador
adecuado a la línea sospechosa y en su posterior lavado mediante la libre
circulación del fluido normalmente transportado. Donde se encuentra la rotura, el trazador filtrará y
será absorbido por el terreno. Allí podrá ser detectado siguiendo la traza
de la cañería desde la superficie utilizando un sencillo detector de
radiaciones. Está claro que el seguimiento se efectúa en forma
totalmente externa y sin necesidad de dañar el pavimento o mampostería. El
punto de probable filtración es detectado normalmente con buena exactitud. La técnica de análisis por dilución permite determinar
masas o volúmenes de líquidos almacenados en cualquier tipo de recipiente.
Se basa en la inyección de un trazador, de masa y actividad
conocidas y en la forma química apropiada, en el recipiente donde se
encuentra la masa incógnita. Luego de lograda la homogeneización de la mezcla, se
extraen muestras para su medición. La relación entre la actividad medida
en las muestras y la actividad inyectada determina el factor de dilución a
partir del cual, dado que se conoce la masa incorporada, puede hallarse la
masa total. La principal aplicación de esta técnica es la
determinación de mercurio en celdas electrolíticas para producción de
cloro - soda con el objetivo de evaluar el rendimiento operativo de las
celdas. Servicios
ofrecidos por NOLDOR NOLDOR S.R.L. ofrece los siguientes servicios
vinculados con iaplicaciones de radiotrazadores: Determinación de
funciones de distribución de tiempos de residencia. Localización de
filtraciones. Detección de fugas
internas en procesos industriales. Medición de caudales y
velocidades de fluidos. Análisis por dilución. |
