Der Einsatz von Radioaktivität zur Bestimmung von Füllstand, Grenzstand, Dichte oder zur Massenstrombestimmung hat im Vergleich zu anderen Messmethoden viele Vor-, aber auch zwei Nachteile: Radiometrische Geräte sind eher teuer, und ihr Betrieb erfordert besondere Genehmigungen und Sicherheitsvorkehrungen. Deshalb wird Radiometrie in der Messtechnik immer nur dann eingesetzt, wenn Messsonden, die in den Behälter ragen, nicht in der Lage sind, die Messaufgabe zu meistern. Tatsächlich lassen manche Anwendungsbereiche bis heute keine Alternative zu. Denn nur die Messtechnik mit Gammastrahlung liefert auch bei hohen Behälterdrücken, aggressiven Medien, extremen Mediumstemperaturen oder problematischen physikalischen Produkteigenschaften durchgehend genaue und zuverlässige Messergebnisse. Die Radiometrie macht sich die gleichmäßigen Strahlungseigenschaften von Gammastrahlen zur Füllstands-, Dichte- und Dickenmessung zunutze. Dabei begnügt sich die radiometrische Messtechnik – gegenüber einigen anderen Anwendungsgebieten mit radioaktiven Nukliden – mit relativ geringen Präparatstärken. Werden die Schutzbestimmungen eingehalten, dann ist eine Strahlengefährdung so gut wie ausgeschlossen. So ist die Strahlungsintensität von radiometrischen Geräten zur Bestimmung von Füllstand, Grenzstand, Dichte oder zur Massenstrombestimmung heute so gering, dass ein herkömmlicher Geigerzähler nicht darauf anspricht. Dennoch müssen radiometrische Messgeräte vor allem eines sein: sicher. Weltweit gilt beim Strahlenschutz das Alara-Prinzip: „As low as reasonably achievable.“ Das bedeutet: Die Strahlenexposition ist so gering wie möglich zu halten. Doch was ist, wenn eine Störung auftritt, die gar nicht unmittelbar mit dem radioaktiven Teil des Messgerätes zu tun hat? Dann müssen Sicherheitsfunktionen greifen. Ein Zeichen für die hohe Qualität der Sicherheitsfunktionen eines Gerätes ist die SIL-Klassifizierung. Der Sicherheits-Integritätslevel dient der Beurteilung elektronischer Systeme bezüglich der Zuverlässigkeit ihrer Sicherheitsfunktionen. Nur wenn das gesamte Gerätesystem – inklusive der Software – nicht nur im Normalbetrieb, sondern auch bei Störfällen ein Höchstmaß an Sicherheit bietet, ist das Gerät SIL-qualifiziert.
Sicher gemäß SIL-Vorgaben
Es gibt zwei Wege zur SIL-Qualifizierung: Der eine führt über die „betriebsbewährte Gerätetechnik“, das heißt, eine definierte Mindeststückzahl des Gerätes ist bereits über einen definierten Zeitraum im Praxiseinsatz und gilt als sicher in seiner Funktion. Der zweite Weg ist die SIL-Geräteentwicklung. Hier definiert die internationale Norm IEC 61508 die Herangehensweise bei der Hard- und Softwareentwicklung. Solche nach SIL entwickelten Geräte arbeiten mit Selbstüberwachung und -diagnose. Werden Fehlfunktionen erkannt, geht das Gerät in einen sicheren Betriebszustand. Bisher waren Grenzstandsensoren die einzigen radiometrischen Messgeräte, die den hohen Anforderungen der SIL-Zertifizierung gerecht wurden. Neuerdings sind nach SIL-Vorgaben entwickelte radiometrische Geräte auch für die kontinuierliche Füllstandsmessung, Trennschicht- und für die Dichtemessung am Markt erhältlich. Für das Mehr an Sicherheit bei diesen radiometrischen Sensoren sorgt die hohe Empfindlichkeit sowie eine Verbesserung der Messgenauigkeit. Ein Vorteil ist die Reduzierung der Strahleraktivität. Das radiometrische Messprinzip beruht darauf, dass Gammastrahlen beim Durchdringen von Materie abgeschwächt werden – analog zu Messgeräten, die mit Radar, Ultraschall oder Mikrowelle arbeiten: Es basiert auf einem Sender, einem Empfänger und einer Auswertelektronik, die die gemessenen Signale in korrekte 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 kann die Software berechnen, wie voll ein Behälter oder wie groß die Dichte eines Mediums ist und vieles mehr. Der Unterschied von radiometrischen zu anderen Messgeräten: Als erstes fällt der Strahlenschutzbehälter auf, in dem die Kapsel mit dem kaum reiskorngroßen radioaktiven Isotop sitzt. Dieser Strahlenschutzbehälter erlaubt der Strahlung nur den Austritt in Richtung Empfänger (Detektor) und schirmt die Strahlung in alle anderen Richtungen ab. Moderne Detektoren enthalten einen Szintillator, einen Photomultiplier und die Auswertelektronik. Szintillatoren gehören zu den empfindlichsten kernphysikalischen Materialien: Sie reagieren bereits auf kleinste Mengen radioaktiver Strahlung, sodass vergleichsweise schwach-radioaktive Präparate als Strahlenquelle ausreichen. Auftreffende Gammastrahlung erzeugt im Kristall- oder Kunststoff-Szintillator Lichtblitze. Diese gelangen zu einem Photomultiplier, der die Lichtblitze in elektrische Impulse umwandelt und verstärkt. Die Impulsrate, also 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 Grieshaber hat sein Programm jüngst um die Protrac-Serie radiometrischer Messgeräte erweitert. Im Zuge dessen hat das Unternehmen die bisher bekannten Sicherheitsstandards radiometrischer Messgeräte verbessert. Herausgekommen sind die ersten bereits nach SIL-Vorgaben entwickelten Radiometrie-Geräte zur kontinuierlichen Füllstandmessung, Grenzstanderfassung sowie Trennschicht- und Dichtemessung. Dazu setzten die Entwickler an den bereits erwähnten Punkten an: Sie erhöhten in einem ersten Schritt die Ansprechempfindlichkeit des Szintillationsdetektors. Auf diese Weise reichen in den neuen Geräten Strahlenquellen mit niedriger Strahlungsaktivität aus. Zum Vergleich: Die in rund 3.000Metern Höhe vorliegende natürliche Strahlenexposition ist intensiver als die Strahlung, die der neue Detektor für die Messergebnisse benötigt. Einen weiteren Ansatzpunkt lieferte der Strahlenschutzbehälter, der die Umgebung gegen die Strahlen abschirmt und die Kapsel mit dem radioaktiven Material vor mechanischer oder chemischer Beschädigung schützt. In der neuen Strahlenschutzbehälter-Generation SHLD, die schon heute die Strahlenschutz-Anforderungen von morgen erfüllt, ist die Kapsel in jeder Hinsicht sicher „eingepackt“: Das radioaktive Präparat ist von mehreren, dicht verschweißten Edelstahlkapseln komplett umschlossen und erfüllt mit C66646 nach ISO 2919 die höchste Klassifikation und strengsten Sicherheitskriterien. Dann erst kommt die Kapsel in das Gussgehäuse, wo sie schließlich mit abschirmendem Blei umgossen wird. Durch die Bauform bietet der Strahlenschutzbehälter eine maximale Abschirmung bei minimalem Gewicht. Nur ein schmaler Schlitz bleibt offen, durch den die Strahlung fokussiert in Richtung Detektor austreten kann. Die Strahlenaustrittsöffnung ist der jeweiligen Anwendung angepasst und kann bei Bedarf auch komplett abgeriegelt werden: Der SHLD-Strahlenschutzbehälter lässt sich pneumatisch oder elektrisch schließen, beispielsweise dann, wenn an dem Behälter, an dem das radiometrische Messgerät im Einsatz ist, Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Der direkte Kontakt von Menschen zum Detektor ist gar nicht mehr erforderlich: Dank Bussystemen und DTM/EDD kann der Detektor nun direkt aus dem Prozessleitsystem heraus parametriert werden. Das sicherheitstechnisch wichtigste Element an einem radiometrischen Messgerät aber ist das radioaktive Präparat selbst. Es kommen verschiedene Radionuklide als Strahlenquelle in Frage, je nach Messfall. „Bisher mussten wir in Bezug auf die Zeitkonstanten bei der Messung immer einen Spagat machen“, sagt Winfried Rauer, Projektleiter der Radiometrischen Sensoren bei Vega. „Es gab entweder besonders genaue oder besonders schnelle Ergebnisse. Wer beides haben wollte, musste zu einer stärker radioaktiven Strahlenquelle greifen.“ Beide Wünsche können nun bei niedriger Strahlungsintensität gleichzeitig erfüllt werden – dank eines speziellen adaptiven Messfilters. Er ermittelt automatisch die optimale Zeitkonstante: Ändert sich das zu messende Medium schnell, stellt der Filter auf eine kurze Integrationszeit um.Langsame Messwertänderungen hingegen führen im Detektor zu einer längeren Zeitkonstante und somit zu einer hohen Messgenauigkeit. Auf diese Weise reicht in 80 bis 90Prozent der Anwendungsfälle das Cäsium-Isotop Cs-137 aus. Die stärker strahlenden Kobalt-60-Isotope werden in der Regel nur dann eingesetzt, wenn Anbackungen zu erwarten sind oder wenn sehr dicke Behälterwände durchstrahlt werden müssen. Das schwächere Caesium-137-Präparat lässt sich im Strahlenschutzbehälter viel besser abschirmen als Kobalt-60. Seine lange Halbwertszeit ermöglicht zudem eine lange Einsatzdauer ohne Strahlerwechsel. Bei Co-60-Strahlern ist nach etwa sieben Jahren ein Strahlertausch, verbunden mit einer zusätzlichen Strahlenexposition, notwendig. Durch die sicherheitstechnischen Verbesserungen ist der Detektor auch empfindlicher, somit liegt die Dosisleistung für das Bedienpersonal am Protrac-Detektor bei deutlich unter 1 Mikrosievert pro Stunde (µSv/h). Zum Vergleich: Für Deutschland liegt der Mittelwert der terrestrischen Strahlenexposition bei 350µSv pro Jahr. Und eine einzige Computertomographie im Bauchraum setzt uns einer Strahlung von 10.000 bis 25.000Mikrosievert aus.
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