Radiometrie Vega zur Messung sowie Grenzstanderfassung

Der Autor Roland Bonath ist Produktmanager Radiometrische Messtechnik bei der Vega Grieshaber KG, Schiltach

Der Einsatz von Radioaktivität zur Bestimmung von Füll- und Grenzstand, Dichte oder zur Massenstrommessung hat viele Vor-, aber auch zwei Nachteile: Radiometrische Geräte sind eher teuer und erfordern besondere Genehmigungen und Sicherheitsvorkehrungen. Dennoch lassen manche Anwendungen bis heute keine Alternative zu. Nur Gammastrahlung lässt sich von hohen Behälterdrücken, aggressiven Medien, extremen Temperaturen oder problematischen Produkteigenschaften nicht irritieren. Solche Umgebungen sind vor allem in der chemischen und petrochemischen Industrie, in der Offshore- und Ölindustrie sowie in Zement- oder Kraftwerken zu finden.

Werden die Schutzbestimmungen eingehalten, ist eine Strahlengefährdung so gut wie ausgeschlossen. So ist die Strahlungsintensität radiometrischer Geräte zur Bestimmung von Füllstand, Grenzstand, Dichte oder zur Massenstrommessung so gering, dass ein herkömmlicher „Geigerzähler“ gar nicht anspricht. Dennoch handelt es sich um Radioaktivität. Deshalb müssen radiometrische Messgeräte vor allem eines sein: Sicher.

Weltweit gilt beim Strahlenschutz das „Alara“-Prinzip. Das bedeutet: Die Strahlenexposition ist so gering wie möglich zu halten. Doch was, wenn eine Störung auftritt, die zunächst gar nicht unmittelbar mit dem radioaktiven Teil des Messgerätes zu tun hat? Dann müssen Sicherheitsfunktionen greifen. Ein Zeichen für deren hohe Qualität ist die SIL-Qualifikation. Nur wenn das gesamte Gerätesystem inklusive Software nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch bei Störfällen höchste Sicherheit bietet, erhält das Gerät die SIL-Qualifikation.

Es gibt zwei Wege zum SIL-Zertifikat: Der eine führt über die „betriebsbewährte Gerätetechnik“: Eine definierte Mindeststückzahl des Gerätes ist bereits über einen definierten Zeitraum im Praxiseinsatz und gilt als sicher. Der zweite Weg ist die SIL-zertifizierte Geräteentwicklung. Hier definiert die IEC/EN 61508 die Herangehensweise bei den einzelnen Entwicklungsschritten. Solche nach SIL entwickelten Geräte arbeiten mit Selbstüberwachung und -diagnose: Das integrierte Asset-Management-System überprüft kontinuierlich, ob alle Vorgänge optimal ablaufen. Bei Abweichungen setzt das Messgerät eine Warnmeldung in Klartext ab. Dabei reagiert es sogar auf Veränderungen, die noch nicht als „Störung“ oder „Fehlfunktion“ zu bezeichnen sind, die aber – hielte dieser Zustand an – dazu führen könnten. So können Korrekturen vorgenommen werden, bevor Reparaturen notwendig werden. Eine grafisch als Ampel dargestellte Statusmeldung zeigt dem Bediener auf einen Blick, ob alles im grünen Bereich ist, ob Funktionen überprüft werden sollten, eine Wartung ansteht oder „Alarmstufe rot“ angesagt ist.

Bisher waren Grenzstandsensoren die einzigen Radiometrie- Messgeräte, die den Anforderungen der SIL-Qualifikation gerecht wurden. Jetzt sind nach SIL entwickelte radiometrische Geräte auch für die kontinuierliche Füllstand-, Trennschicht- und Dichtemessung sowie die Grenzstanderfassung erhältlich. Für das Mehr an Sicherheit sorgt die hohe Ansprechempfindlichkeit, eine verbesserte Messgenauigkeit und die Auswahl des geeigneten radioaktiven Isotops.

Beim radiometrischen Messprinzip werden Gammastrahlen beim Durchdringen von Materie abgeschwächt. Die Geräte bestehen aus Sender, Empfänger und einer Auswertelektronik, die die gemessenen Signale in Daten über Füllstand, Grenzstand, Dichte oder Masse umrechnet. Der Sender sendet Signale in Richtung des zu messenden Mediums ab. Diese Signale werden vom Empfänger, der auf der gegenüberliegenden Seite des Mediums angebracht ist, aufgefangen. Je größer die Menge oder Dichte des Mediums, umso mehr dämpft es die Signale auf ihrem Weg zum Empfangsgerät. Aus der Intensität der ankommenden Strahlung lässt sich unter anderem berechnen, wie voll ein Behälter oder wie groß die Dichte eines Mediums ist.

Ein Strahlenschutzbehälter umschließt die Kapsel, in der das kaum reiskorngroße radioaktive Isotop sitzt. Der Behälter erlaubt der Strahlung nur den Austritt in Richtung Empfänger und schirmt sie in alle anderen Richtungen ab. Moderne Detektoren enthalten einen Szintillator, einen Photomultiplier und die Auswertelektronik. Szintillatoren sind hochempfindliche Materialien, mit denen energiereiche Photonen oder geladene Teilchen nachgewiesen werden können. Sie reagieren bereits auf kleinste Mengen Radioaktivität, so dass schwach-radioaktive Präparate als Strahlenquelle ausreichen. Auftreffende Gammastrahlung erzeugt im Szintillator Lichtblitze. Diese gelangen zum Photomultiplier, der sie in elektrische Impulse umwandelt und verstärkt. Die die Anzahl der Impulse pro Sekunde, ist ein Maß für die Intensität der Strahlung. Je nach Kalibration wird die Impulsrate von der Auswertelektronik in ein Füllstand-, Grenzschalter-, Dichte- oder Konzentrationssignal umgerechnet.

Vega hat das Portfolio jüngst um die radiometrischen Messgeräte „Protrac“ erweitert und im Zuge dessen die bisher bekannten Sicherheitsstandards radiometrischer Messgeräte verbessert. Herausgekommen sind bereits nach SIL-Vorgaben entwickelte Radiometrie-Geräte zur kontinuierlichen Füllstandmessung, Grenzstanderfassung sowie Trennschicht- und Dichtemessung.

Für mehr Sicherheit und Wirtschaftlichkeit erhöhten die Entwickler in einem ersten Schritt die Ansprechempfindlichkeit des Szintillationsdetektors. So reichen in den neuen Geräten Strahlenquellen mit niedriger Strahlungsaktivität aus und die Nutzungsdauer bereits vorhandener Strahler kann um mehrere Jahre verlängert werden. Zum Vergleich: Die in rund 3000 m Höhe vorliegende natürliche radioaktive Strahlung ist intensiver als die, die der neue Detektor für seine Messergebnisse benötigt. Nebenbei: Der direkte Kontakt vom Mensch zum Detektor ist nicht erforderlich – dank Bussystemen und DTM/EDD kann der Detektor direkt aus dem Prozessleitsystem heraus parametriert werden.

Das sicherheitstechnisch wichtigste Element an einem radiometrischen Messgerät ist das radioaktive Präparat selbst. Deshalb hat sich Vega sehr genau mit den als Strahlenquelle in Frage kommenden Radionukliden auseinandergesetzt. Sie kamen zu der Erkenntnis, dass je nach Messfall individuell entschieden werden muss, auf welche Faktoren es ankommt. Bisher musste man in Bezug auf die Zeitkonstanten bei der Messung immer einen Spagat machen. Es gab entweder besonders genaue oder besonders schnelle Ergebnisse. Für beides musste man zu einer stärker radioaktiven Strahlenquelle greifen.

Um beide Wünsche gleichzeitig zu erfüllen, hat Vega einen adaptiven Messfilter entwickelt, der die optimale Zeitkonstante automatisch ermittelt: Ändert sich das zu messende Medium schnell, stellt der Filter auf eine kurze Integrationszeit um. Langsame Messwertänderungen hingegen führen zu einer längeren Zeitkonstante und somit zu einer hohen Messgenauigkeit. So reicht in 80 bis 90 % der Anwendungen das Cäsium-Isotop Cs-137 aus. Stärker strahlende Kobalt-60-Isotope werden fast nur noch dann eingesetzt, wenn Anbackungen oder sehr dicke Behälterwände erwartet werden. Das schwächere Cäsium-137-Präparat hat zwei Vorteile: Erstens lässt es sich im Strahlenschutzbehälter besser abschirmen als Kobalt-60. Zweitens ermöglicht die lange Halbwertszeit eines radioaktiven Cs-137-Strahlers eine lange Einsatzdauer ohne Strahlerwechsel.

In immer mehr Bereichen werden radiometrische Messgeräte eingesetzt. Sie dienen längst nicht mehr nur zur Grenzstanderfassung und kontinuierlichen Füllstandmessung unter schwierigsten Messbedingungen, sondern auch zur Trennschicht-, Dichte- und Konzentrationsmessung bei toxischen oder abrasiven Flüssigkeiten, zur Massendurchflussbestimmung, beispielsweise auf Baggerschiffen, oder als Bandwaage zur Durchsatzmessung, unter anderem in Bergwerken. Dadurch gehen immer mehr Menschen mit diesen Geräten um. Durch die sicherheitstechnischen Verbesserungen ist der Detektor auch empfindlicher, somit liegt die Dosisleistung für das Bedienpersonal am Protrac-Detektor bei deutlich unter 1 µSv/h. Jeder Mensch ist einer natürlichen Strahlendosis ausgesetzt, die weit darüber liegt. Für Deutschland liegt der Mittelwert der terrestrischen Strahlenexposition bei 350 µSv pro Jahr. Der Konsum von 170 l Mineralwasser im Jahr bringt uns sage und schreibe durchschnittlich 100 µSv ein, ebenso viel wie eine Flugreise von Frankfurt nach New York und zurück. Und eine einzige Computertomographie im Bauchraum setzt uns einer Strahlung von 10 000 bis 25 000 µSv aus.