BRPI0919235B1 - Instrumento adaptado para a determinação de níveis de fluido, matriz de montagem de detector e método para montar uma matriz de detector - Google Patents

Abstract

instrumento adaptado para a determinação de níveis de fluido, matriz de montagem de detector e método para montar uma matriz de detector trata-se de um instrumento adaptado para a determinação de níveis de fluido no interior de um recipiente através da comparação da densidade do fluido ao longo do comprimento do instrumento, sendo que o dito instrumento compreende: (i) pelo menos uma matriz de fonte de geralmente linear que compreende uma pluralidade de fontes de radiação penetrante, meio de blindagem e colimação e uma estrutura de suporte de fonte para suportar as fontes e o meio de blindagem e colimação em uma matriz linear (ii) pelo menos uma matriz de detector geralmente linear que compreende uma pluralidade de detectores de radiação, suportados em uma estrutura de suporte de detector, capazes de detectar a radiação emitida pelas fontes, e (iii) meio para posicionar a fonte e uma respectiva matriz de detector de tal modo que (a) a radiação emitida de cada uma das fontes seja capaz de seguir uma trajetória linear da fonte, através do recipiente e do material para pelo menos um respectivo dos detectores que forma uma parte da respectiva matriz de detector, e (b) o eixo linear da matriz de fonte e o eixo linear de sua respectiva matriz de detector são substancialmente paralelos entre si (iv) meio para analisar os sinais de saída do detector para determinar a densidade do meio atravessado pelos feixes de radiação na passagem de uma fonte para um detector caracterizado pelo fato de que a estrutura de suporte de detector e/ou seus conectores e circuitos elétricos associados são formados a partir de uma pluralidade de porções modulares, sendo que cada porção modular é adaptada para ser unida a uma porção adjacente para fornecer uma matriz de detector do comprimento requerido.

Description

INSTRUMENTO ADAPTADO PARA A DETERMINAÇÃO DE NÍVEIS DE FLUIDO, MATRIZ DE MONTAGEM DE DETECTOR E MÉTODO PARA MONTAR UMA MATRIZ DE DETECTOR A presente invenção refere-se a um sistema e aparelho de medição de nível e um método para medir o nível de um material em um recipiente. Mais particularmente, a invenção se refere à detecção do local de uma interface entre diferentes materiais contidos em um recipiente.

Os sistemas de medição de nível, isto é, para uso na medição do nível de um material no interior de um recipiente, são bem conhecidos. Também é conhecido localizar os limites entre diferentes materiais em um recipiente através da medição da densidade dos conteúdos do recipiente em diferentes locais para formar um perfil de densidade do recipiente e dos conteúdos a fim de identificar as alterações em densidade que são indicativas de regiões limítrofes. Por exemplo, é proposto no documento WO-A-00/22387 medir o perfil de densidade de um meio através do fornecimento de uma matriz axialmente distribuída de fontes de radiação ionizante, por exemplo, 241Am que é uma fonte de radiação gama de baixa energia, para gerar feixes colimados da dita radiação e uma matriz axialmente distribuída de detectores disposta de modo que o meio sob estudo se estenda entre as fontes e os detectores.

Através do monitoramento da radiação recebida pelos detectores, o volume de radiação absorvida pelo meio de cada feixe pode ser determinado e, então, variações na densidade do meio podem ser detectadas. O sistema do documento WO-A-00/22387 emprega matrizes lineares de fontes e detectores que podem se estender por diversos metros em comprimento quando o sistema se destina ao uso em recipientes grandes tais como recipientes de armazenamento e separadores de óleo. Em certos casos, tais como aplicações de alta pressão ou ambientes hostis, o sistema de medição de nível precisa estar contido em um invólucro de uma espessura mínima e/ou de um material particular. Isto pode impor restrições sobre o tipo de radiação que pode ser usada que, por sua vez, determina o tipo e o volume de blindagem e colimação requeridos. Um problema com a formação de tais matrizes longas de fonte e detector é que os materiais densos podem ser necessários para fornecer blindagem e colimação das fontes e isto resulta em um instrumento pesado que é dispendioso e difícil para fabricar e manipular. Ademais, tais instrumentos longos podem ser propensos ao rompimento durante a fabricação e instalação. Um objetivo da invenção consiste em fornecer um sistema de medição de nível que supere alguns ou pelo menos um dos problemas com os sistemas da técnica anterior.

De acordo com a invenção, é fornecido um instrumento adaptado para a determinação de níveis de fluido no interior de um recipiente através da comparação da densidade do fluido ao longo do comprimento do instrumento, sendo que o dito instrumento compreende: (i) pelo menos uma matriz de fonte de geralmente linear que compreende uma pluralidade de fontes de meio de radiação penetrante, blindagem e colimação e uma estrutura de suporte de fonte para suportar as fontes e o meio de blindagem e colimação em uma matriz linear. (ii) pelo menos uma matriz de detector geralmente linear que compreende uma pluralidade de detectores de radiação, suportados em uma estrutura de suporte de detector, capaz de detectar a radiação emitida pelas fontes. (iii) meio para posicionar a fonte e uma respectiva matriz de detector de tal modo que: (a) a radiação emitida de cada uma das fontes seja capaz de seguir uma trajetória linear a partir da fonte, através do recipiente e do material para pelo menos um dos respectivos detectores que formam uma parte da respectiva matriz de detector, e (b) o eixo linear da matriz de fonte e o eixo linear de sua respectiva matriz de detector sejam substancialmente paralelos entre si. (iv) meio para analisar os sinais de saída do detector para determinar a densidade do meio atravessado pelos feixes de radiação na passagem de uma fonte para um detector caracterizado pelo fato de que a estrutura de suporte de detector e/ou seus conectores e circuitos elétricos associados é formada a partir de uma pluralidade de porções modulares, sendo que cada porção modular é adaptada para ser unida a uma porção adjacente para fornecer uma matriz de detector de comprimento requerido. A matriz de fonte inclui uma pluralidade de fontes de radiação que são, de preferência, fontes de radiação gama. A energia da radiação da fonte é tipicamente não superior a cerca de 1000 keV e é desejavelmente inferior a isto. De preferência, a energia da radiação da fonte não é menor que cerca de 300 keV. A fonte pode ser um isótopo radioativo como o usado aferidores de densidade convencionais (única fonte/detector) onde a fonte de radiação é comumente a radiação gama 661 keV de 137Cs. As fontes adequadas incluem 37Cs, 133Ba, 60Co, especialmente quando o detector de nível se destina à instalação de tal modo que pelo menos uma das paredes do nível do recipiente está entre a ou cada fonte e seu respectivo detector. Quando o instrumento é destinado a ser encaixado em um recipiente tal como um separador de óleo através de uma porta padrão, o comprimento do feixe é, de preferência, menor que 50 cm, com mais preferência, menor que 30 cm e para este uso uma fonte menos energética é, dessa forma, desejável e energias menores que 500 keV, particularmente, menores que 300 keV e idealmente menores que 100 keV, são desejáveis nesta invenção. As fontes de baixa energia adequadas incluem 133Ba que é uma fonte gama de 356 e 80 keV e, particularmente desejavelmente, 241Am que é uma fonte gama de 60 keV. O use de uma fonte de 241Am permite o uso de um comprimento de trajetória de 5 a 10 cm de modo que um instrumento de medição de nível pode ser instalado através de uma única porta de 15 cm. Para fontes de energia mais alta tal como 137Cs, um maior comprimento de trajetória é ideal, tipicamente, entre 20 cm e 40 cm, por exemplo, cerca de 30 cm. Outras fontes de radioisótopo podem ser usadas caso seja desejado, especialmente, aquelas que têm propriedades conforme descrito acima, mas outras fontes não são em geral prontamente disponíveis a partir de fontes comerciais. O uso de fontes de baixa energia torna o manuseio do equipamento e a blindagem da fonte mais seguras e/ou mais fáceis. A radiação da fonte também poderia ser raios X e, embora fontes compactas robustas não sejam fáceis de projetar, para tais fontes, a meia-vida da fonte intrínseca não é um problema. A fonte de radiação será usualmente escolhida para ter uma meia-vida relativamente longa, tanto para proporcionar ao equipamento uma vida útil satisfatória quanto para reduzir a necessidade de recalibrar para considerar a redução na intensidade da fonte em envelhecer. Usualmente, a meia-vida do radioisótopo usado será pelo menos 2 e, desejavelmente, pelo menos 10 anos. As meias-vidas dos radioisótopos mencionados acima são: gama 137Cs ca. 30 anos, 133Ba ca. 10 anos e 241Am ca. 430 anos.

Desejavelmente, a intensidade da fonte será pelo menos cerca de 4x107, mais usualmente, de 4x108 a 4x109, Becquerel (Bq). O uso de fontes com intensidade inferior pode requerer tempos de integração desnecessariamente longos para obter resultados adequadamente precisos (razão de sinal para ruído) e fontes mais intensas são relativamente dispendiosas e/ou podem levar a inundação dos detectores. As fontes 241Am e 137Cs que têm uma intensidade de cerca de 1,7x109 Bq são pronta e comercialmente disponíveis e são adequadas para uso nesta invenção. O meio de blindagem e colimação é, de preferência, formado a partir de um material diferente daquele da estrutura de suporte. O meio de blindagem e colimação é formado de um material que é altamente atenuante para a radiação penetrante. Normalmente, este é um material denso tal como chumbo ou uma liga pesada tal como tungstênio-cobre. Tais ligas podem ser quebradiças e, então, um benefício de formação da blindagem e da colimação de um material diferente daquele usado para formar a estrutura de suporte é que a matriz como um todo pode ser menos quebradiça e, portanto, menos propensa à falha mecânica durante a fabricação, instalação e uso. O meio de blindagem e colimação é conformado de modo que a emissão de radiação seja confinada, o quanto for possível, em um feixe de largura adequada direcionado através do meio fluido em direção a um ou mais detectores. Normalmente, isto é alcançado através do fornecimento de um canal ou abertura através do material de blindagem que circunda a fonte de tal modo que a emissão de radiação da fonte seja substancialmente confinada na emissão de um feixe de radiação através do canal. É frequentemente desejável colimar a radiação da fonte em mais de um feixe, por exemplo, através do fornecimento de mais de um canal no material de blindagem, de modo que a radiação de uma única fonte possa ser direcionada em mais de um detector. Nesse caso, os detectores podem estar em posições diferentes no interior ou no exterior do recipiente e podem formar parte da mesma matriz linear ou podem estar localizados em diferentes matrizes de detector. O meio de blindagem e colimação para cada fonte pode ser formado em uma única unidade que é adaptada para ser suportada pela estrutura de suporte. A unidade pode ser conformada para se encaixar na estrutura, por exemplo, como um "plugue" em uma abertura formada na estrutura para receber a unidade. A unidade pode ser mentida no local em ou sobre a estrutura de suporte por grampos, cavilhas ou outros meios de preensão. A estrutura de suporte é, de preferência, formada de um material que é suficientemente rígida para suportar as fontes e o meio de blindagem/colimação. O material a partir do qual a estrutura de suporte é formada é normalmente menos denso e menos atenuante para a radiação que o material de blindagem. Também é normalmente mais forte (razão de peso/resistência maior) e/ou mais rígido que o material de blindagem. O material também precisa ser capaz de suportar o ambiente no qual o sistema de medição de nível se destina a operar. Um material preferencial é o aço, de preferência, aço inoxidável. A estrutura de suporte pode ser formada em um bastão que pode ser sólido ou na forma de uma armação ou treliça a fim de economizar peso e/ou material. Entretanto, a estrutura de suporte inclui meio para receber o meio de blindagem e colimação; tal meio, de preferência, inclui soquetes que se estendem para o interior e, opcionalmente, através da estrutura de suporte. Em uma forma da invenção, a estrutura de suporte pode ser fornecida em porções modulares que podem ser unidas, cada porção a uma porção adjacente, para fornecer um suporte de matriz de fonte do comprimento requerido. Quando a estrutura de suporte é fornecida em porções modulares, cada porção inclui meio para conectar isto em uma outra porção da estrutura, sendo que o meio é robusto e suficientemente forte para fornecer uma estrutura de suporte completa de resistência e rigidez suficientes. Tal meio por incluir cavilhas, flanges e pode incluir adicionalmente porções de localização tal como estacas e soquetes fornecidos em cada porção, que são adaptados para se engatar uns aos outros quando as porções são corretamente alinhadas. Cada porção modular da estrutura de suporte de fonte pode ser fornecida com meio para suportar uma ou mais unidades de blindagem e colimação. Embora as unidades de blindagem e colimação de fonte frequentemente sejam uniformemente separadas ao longo da estrutura de suporte, pode ser preferencial em certas situações, para fornecer fontes separadas irregularmente, ou para fornecer uma parte significativa do comprimento da estrutura de suporte na qual nenhuma fonte está presente. O aparelho da invenção, no qual a blindagem e a colimação são formadas de um material diferentes como uma unidade que pode ser suportada sobre o suporte tem benefício particular em tal situação, devido ao fato de que a parte do comprimento da matriz de fonte que não é destinada a alojar uma fonte não precisa conter qualquer material de blindagem pesado, economizando assim peso e custo. A matriz de fonte, de preferência, inclui adicionalmente meio para blindar a radiação dos detectores de tal modo que as fontes possam ser blindadas durante as operações de instalação, substituição ou reparo. Por exemplo, isto pode ser alcançado através da colocação de alguma ou todas as fontes na matriz sobre ou em um membro de suporte separado ou "bastão de suporte de fonte", que pode ser movido em relação a um ou mais canais de colimação no material de blindagem circundante de tal modo que em uma primeira posição, sendo que pelo menos um canal de colimação é alinhado com pelo menos uma das fontes de tal modo que um feixe de radiação colimada seja emitido alongo do canal de colimação; e em uma segunda posição pelo menos uma das fontes está fora de alinhamento com um canal de colimação de tal modo que a emissão de radiação da fonte seja bloqueada pelo material de blindagem. Tal disposição é descrita no documento WO-A-00/22387. O bastão de suporte, que contém as fontes, pode ser adaptado para ser movido axialmente em relação à matriz de fonte ou girado em relação ao meio de blindagem e colimação. A blindagem das fontes também pode ser alcançada por meios alternativos tais como obturadores que são operáveis para cobrir os canais de colimação a fim de bloquear o feixe de radiação. O bastão de suporte de fonte pode ser formado em seções ou módulos. O tipo de detectores usado no aparelho e no método não é crítico, embora na prática os dispositivos compactos serão usualmente escolhidos. Os detectores podem ser eletricamente alimentados, por exemplo, por tubos Geiger-Muller (GM) ou detectores de cintilação ligados a fotomultiplicadores ou não alimentados como em dispositivos de cintilação simples. Dentre os detectores eletricamente alimentados, os tubos GM são particularmente convenientes, pois eles são elétrica e termicamente robustos e são disponíveis em formas mecanicamente robustas. Dentre os detectores não alimentados, os detectores de cintilação ligados em balcões por ligações de fibra óptica (opcionalmente com fotomultiplicadores fora da embalagem para o meio sob teste) são particularmente úteis. Quando os detectores eletricamente alimentados são usados e especialmente quando o aparelho de medição de nível é usado em um ambiente com risco de explosão ou combustão, é desejável que a potência e a energia elétrica totais associadas aos detectores sejam suficientemente baixas para não ser uma fonte significativa de ignição no caso de falha do sistema (particularmente, resultando em conato direto entre materiais combustíveis ou explosivos e quaisquer componentes eletricamente vivos). Os fotomultiplicadores requerem geralmente volumes relativamente grandes de potência elétrica (em comparação aos tubos GM). Os tubos GM são prontamente disponíveis com dimensões físicas de cilindros com cerca de 40 mm de comprimento e cerca de 12,5 mm em diâmetro. A resolução pode ser aprimorada através do uso de dispositivos menores (tubos GM curtos como cerca de 5 mm estão disponíveis) ou através do espaçamento dos tubos GM mais proximamente, por exemplo, com seus eixos dispostos perpendicularmente ao eixo linear da matriz ou através do deslocamento de seus eixos e da sobreposição dos cilindros na direção do eixo linear da matriz, embora o espaçamento mais próximo possa aumentar a extensão de cruzamento.

Através do uso de tubos GM de 40 mm comercialmente disponíveis, é prático fabricar matrizes que contêm até cerca de 100 detectores, enquanto se restringe a potência total na matriz de detector de modo que satisfaça a classificação de "intrinsecamente segura" para uso em ambientes explosivos ou combustíveis conforme encontrado em extração de óleo/gás. Através do uso de detectores não alimentados de cintilação com ligações de fibra óptica é ainda mais seguro que não haja componentes elétricos necessários na matriz de detector.

Mais de uma matriz de detectores pode ser fornecida e em uma modalidade preferencial do instrumento, duas matrizes lineares ou colunas de detectores são fornecidas, as quais são radial e angularmente deslocadas uma da outra. Desejavelmente, os comprimentos do feixe da radiação entre as fontes e os detectores correspondentes nas diferentes matrizes são substancialmente iguais. Isto pode ser prontamente alcançado através da localização das colunas de detectores radial e substancialmente equidistante da matriz de fonte. Quando mais de uma matriz de detector é usada, o número de detectores sobre o comprimento do instrumento pode ser aumentado em comparação com o uso de uma única matriz de detector, levando a um aprimoramento em resolução. Um benefício adicional do uso de múltiplas matrizes de detector é que onde os detectores eletricamente alimentados são usados, a redução no número de detectores em cada matriz reduz a potência suprida para cada matriz, tornando mais fácil estar em conformidade com os requisitos de segurança quando se trata com sistemas de olé/gás altamente combustíveis. Foram construídos com sucesso perfis que satisfazem o requisito de "segurança intrínseca" em operação de campo de petróleo.

Os detectores são dispostos em pelo menos uma matriz linear, suportada em uma estrutura de suporte de detector, que é suficientemente rígida e forte para suportar os detectores em alinhamento linear em uso. A estrutura pode adotara a forma de um bastão, armação, etc. Alternativamente, a estrutura de suporte pode compreender uma placa de circuito. Os detectores são fisicamente suportados sobre a placa de circuito e eletricamente conectados aos componentes da placa de circuito que usa meio de conexão padrão. A estrutura de suporte, de preferência, suporta conectores ópticos ou elétricos, fios jumper e circuitos, de preferência, na forma de uma placa de circuito impresso, à qual os detectores são conectados. O suporte de detector e/ou seus conectores e circuitos elétricos associados podem ser fornecidos em porções modulares que podem ser unidas para fornecer uma matriz de detector do comprimento requerido. Esta modalidade permite que matrizes de detector muito longas, por exemplo, mais longas que 10 m, sejam fabricadas. A maioria das porções modulares é, de preferência, funcionalmente idêntica, embora seja provável que alguma, especialmente aquelas que formam as extremidades do suporte ou da placa de circuito, possa diferir em certas questões. Cada porção modular pode compreender uma placa de circuito, que quando unida a uma ou mais porções modulares adicionais, forma uma placa de circuito alongada. Quando a estrutura de suporte de detector é fornecida em porções modulares, cada porção inclui meio para conectar isto a uma outra porção da estrutura, sendo que o meio é robusto e suficientemente forte para fornecer uma estrutura de suporte de detector completa de resistência e rigidez suficientes. Tal meio pode incluir cavilhas, flanges e pode adicional incluir porções de localização tal como estacas e soquetes fornecidos em cada porção, os quais são adaptados para se engatarem quando as porções são corretamente alinhadas. Alternativamente, a placa de circuitos pode ser unida através de soldagem ou um método similar. As porções modulares podem ser unidas através da montagem de porções adjacentes em um único suporte. A matriz de detector pode compreender uma estrutura de suporte, uma pluralidade de detectores de radiação e uma pluralidade de porções modulares de placa de circuito, sendo que as dita porções de placa de circuito compreendem meios para montar pelo menos um detector de radiação sobre as mesmas, e meios para unir a estrutura de suporte a mais de uma dentre as porções modulares de placa de circuito, formando assim uma matriz de detector de tamanho requerido. As porções modulares podem ser montadas em uma estrutura de suporte de aço ou outro metal, opcionalmente, separada uma da outra. Deste modo, é possível fornecer uma matriz de detector que tem características de expansão térmica similares à matriz de fonte.

Quando as placas de circuitos elétricos são fornecidas em porções modulares, então, elas podem ser fornecidas com meios de conexão para conectar uma porção a uma porção adjacente. Alternativa ou adicionalmente, cada porção pode incluir conexão(s) elétrica(s) através da qual a potência e/ou sinais do(s) detector(s) montado na porção de circuito podem ser conectados, independentemente de outros circuitos, a um dispositivo de controle tal como um gerador de sinal, uma unidade de processamento de sinal ou a uma fonte de potência. Em uma modalidade preferencial, onde a estrutura de suporte de detector for fornecida na forma de unidades modulares, cada unidade modular porta um módulo de circuito elétrico.

Em uma forma preferencial do aparelho, são fornecidos mais de um conduto elétrico, isto é, cabo ou trilha de placa de circuito, para portar as altas tensões, necessárias para alimentar os detectores, a partir de um gerador de tensão para os detectores. Esta disposição tem inúmeras vantagens. Estas incluem a provisão de redundância na matriz de detector de modo que, um dos condutos elétricos, quando os geradores de tensão ou fontes de potência falham, somente aqueles detectores que sugam potência do componente falho sejam afetados. Por esta razão em uma disposição preferencial adicional, os detectores que são conectados à mesma fonte de potência, gerador de tensão ou conduto elétrico são separados e intercalados com os detectores conectados a uma fonte de potência ou gerador de tensão diferente por um conduto elétrico diferente. Com mais preferência, os detectores são dispostos em um padrão de tal modo que detectores adjacentes são conectados a diferentes fontes de potência por diferentes condutos elétricos. De preferência, os detectores são conectados de modo que quando o número de condutos elétricos é n, cada enésimo detector na matriz é conectado ao mesmo conduto elétrico. Deste modo, quando três condutos elétricos A, B e C são fornecidos, os detectores são dispostos de modo que para uma matriz linear de detectores Dx, onde x é o número de um detector individual e os detectores são dispostos em sequência numérica, D1 é conectado a A, D2 a B, D3 a C, D4 a A, D5 a B e assim por diante. De preferência, pelo menos três condutos elétricos são fornecidos. Uma vantagem adicional do fornecimento de mais de um conduto para portar a alta tensão necessária para alimentar os detectores é que quando mais condutos são usados, a corrente carregada por cada conduto é menor e isto reduz o risco de centelha de modo que o instrumento possa estar intrinsecamente seguro de acordo com os padrões aceitos. Cada conduto ou trilha elétrica pode ser conectado a uma fonte de potência ou gerador de tensão separado.

As unidades modulares podem ser de qualquer tamanho adequado, mas concluiu-se que um comprimento até cerca de 1 metro é prático, por exemplo, de 0,2 a 1,5 metros. Cada módulo pode ser fornecido com meios para conectar diversos detectores, por exemplo, de 2 a cerca de 20 detectores, dependendo do tamanho do módulo e do tamanho dos detectores. Cada detector pode ser conectado ao módulo de circuito por conexões padrões, tal como conectores de encaixe ou simplesmente através de soldagem. O detector é, de preferência, também fixado ao suporte e/ou ao circuito por meio de um adesivo ou composto moldagem eletricamente isolante padrão do tipo convencionalmente usado para a fabricação de dispositivos eletrônicos.

Em uma modalidade alternativa adicional, onde a fonte e/ou estrutura de suporte de detector e circuitos elétricos são fornecidos na forma de porções modulares, as porções adjacentes podem ser adaptadas para serem relativamente móveis, (por exemplo, unidas ou articuladas) uma em relação à outra, por exemplo, através do fornecimento de dispositivos de conexão adequados tal como articulações ou cabos, que podem ser cabos de alimentação ou de dados usados para portar potência ou dados entre os detectores uma fonte de alimentação ou processador de dados. O movimento relativo das porções pode facilitar a instalação ou montagem de uma matriz de fonte ou detector relativamente longa em circunstâncias em que o espaço disponível em torno da instalação é limitado. As porções podem ser mais rigidamente presas umas às outras durante o procedimento de instalação ou montagem. Isto poderia ser alcançado com o uso de um dispositivo tal um bastão ou pino de travamento ou enrijecimento. Alternativamente, as porções relativamente móveis podem ser subsequentemente unidas através do uso de meios não moveis tais como cavilhas ou um bastão ou placa de enrijecimento. A matriz de fonte e a matriz de detector são, de preferência, localizadas no interior de um tubo ou alojamento externo. O alojamento externo é formado de um material, pelo menos nas proximidades do feixe colimado de radiação emitida pela fonte, que é suficientemente transparente à radiação, para a operação do sistema de medição de nível não seja prejudicada por meio disso. O alojamento externo deve ser um material forte que é tolerante ao ambiente no qual a matriz de fonte será colocada em uso, que pode ser submetido a altas pressões. Os materiais preferenciais para o alojamento externo incluem titânio e ligas de titânio para sistemas de medição de nível que usam radiação de baixa energia (por exemplo, 241Am). Estes são leves e relativamente transparentes à radiação gama. Para radiação de alta energia (por exemplo, 137Cs) o aço inoxidável pode ser usado.

As matrizes de fonte e detector podem ser fornecidas na forma de um instrumento formador de perfil de densidade integral, no qual as matrizes de detector e de fonte são montadas em ou para um alojamento de suporte que suporta as matrizes em uma relação fixa, de preferência, alinhadas em paralelo, uma distância fixa separada, com cada feixe de radiação direcionado para um detector separado. Este é o tipo de disposição descrita no documento WO-A-00/22387 e é útil para o fornecimento de um instrumento formador de perfil de densidade compacto que tem um comprimento do feixe relativamente curto (isto é, a distância entre a fonte e o detector), geralmente menor que 50 cm, usualmente cerca de 15 a 30 cm. Alternativamente, a matriz de fontes e a matriz de detector podem ser instaladas separadamente no interior de um recipiente, fora de um recipiente, normalmente adjacente à parede do recipiente, ou em soquetes ou tubos de imersão formados em uma parede de um recipiente. Para fontes de radiação de alta energia tal como 137Cs, é geralmente preferencial instalar a matriz de fontes e a matriz de detector separadamente, devido ao comprimento de trajetória ideal entre as mesmas ser geralmente grande (tipicamente cerca de 30 cm) . Pode ser necessário montar partes do sistema de medição de nível externamente ao recipiente se houver estrutura interna significativa no recipiente. O sistema de medição de nível inclui meios para analisar os sinais de saída do detector para determinar a densidade do meio atravessado pelos feixes de radiação na passagem de uma fonte para um detector. Tais meios normalmente compreendem um dispositivo de contagem ou outro dispositivo capaz de passar um sinal para um meio de processamento de dados que porta informações como o volume de radiação detectado. Os sinais de saída do detector são normalmente carregados para o meio de processamento de dados com o uso de um cabo, usualmente um cabo porta o sinal de um detector. Os dispositivos de contagem para qualquer um destes detectores será usualmente eletrônico e cada detector estará associado a um contador que será usualmente ligado a um dispositivo que transforma a taxa de detecção (contagem) para uma medição correspondente à densidade para cada detector. Um contador pode ser fornecido para cada detector, mas a multiplexação por divisão de tempo de contadores pode ser usada, embora com um aumento resultante no tempo necessário para medição de um perfil de densidade. Contadores com múltiplos canais fornecem um meio conveniente de contagem dos sinais recebidos a partir de mais de um detector. O dispositivo de contagem ou meio de processamento de dados normalmente inclui uma função de processamento de sinal capaz de aplicar um algoritmo atenuante ao sinal bruto a fim de eliminar o ruído de sinal e ajudar a identificar alterações significativas no sinal que podem indicar uma alteração na densidade do meio através do qual a radiação passou. Tal análise geralmente inclui uma função de média e rotinas de análise estatística. O volume de radiação recebido por um detector é menor que a radiação emitida pela fonte, pois a radiação é atenuada, por exemplo, por difusão e reflexão, pelos materiais através dos quais isto passa antes de colidir com o detector. É bem conhecido que diferentes materiais atenuam a radiação até um ponto diferente, dependendo amplamente da densidade do material. Portanto, considerando que a radiação da fonte e a distância entre a fonte e cada detector é idêntica, uma diferença substancialmente significativa na radiação contabilizada por dois detectores diferente em diferentes locais na matriz indica que o material entre a fonte e cada detector tem diferentes características de atenuação e densidade. Através da comparação da radiação monitorada por diversos detectores na matriz de detector e após compensar qualquer diferença no comprimento de trajetória entre fonte e detector, um perfil de densidade do material entre a matriz de fonte e a matriz de detector pode ser obtido. A partir de tal perfil, alterações em densidade de material podem ser identificadas e correlacionadas a um local no interior do recipiente de modo que a profundidade e o local de qualquer uma das fases de fluido presentes possam ser calculados.

Quando o instrumento é instalado em locais hostis ou remotos, é vantajoso fornecer tais recursos técnicos de acordo com a disponibilidade para permitir que o instrumento continue em operação quando um ou mais componentes falharam. É, portanto, preferencial fornecer um método de compensação para detectores falhos de modo que, quando um detector não está funcionando, a radiação detectada por detectores adjacentes possa ser usada para estimar a densidade (ou a densidade relativa) em locais entre os detectores em funcionamento. Portanto, nessa modalidade, é fornecido um meio para calcular uma densidade em um local entre detectores não adjacentes com o uso da radiação detectada pelos ditos detectores não adjacentes e informações armazenadas concernentes a uma contagem de radiação anteriormente registrada. O cálculo pode usar informações armazenadas sobre a última densidade (ou radiação medida) medida pelo detector falho e/ou pelos detectores em funcionamento e informações sobre alterações em radiação ou densidade medida pelos detectores em funcionamento adjacentes e pode incluir a interpolação da leitura do detector adjacente ou métodos alternativos para calcular uma densidade em locais intermediários aos detectores em funcionamento. A falha de um ou mais detectores, portanto, resulta em uma perda de precisão da medição de densidade local, mas permite que o instrumento forneça informações até que um detector falho possa ser substituído. Do mesmo modo, se mais de uma matriz de detector for fornecida, então, uma perda de informações ocasionada por falha de um ou mais detectores (ou ainda toda uma matriz) pode ser compensada pelo uso de valores de densidade estimados calculados a partir das informações disponíveis de detectores em funcionamento, incluindo informações armazenadas. O meio de alarme pode ser fornecido para alertar um usuário sobre um componente falho. A saída do meio de análise pode estar na forma de dados brutos concernentes à radiação recebida por detectores dispostos em diferentes locais ao longo da matriz. Tais dados podem ser usados por um sistema de controle para controlar os conteúdos ou o fluxo de material no recipiente ou para gerar um evento de alarme em resposta aos dados. Alternativamente, a saída é uma forma gráfica para representar a densidade calculada do material no recipiente entre a matriz de fonte e a matriz de detector em diferentes posições. Uma vez que o usuário geralmente requer informações concernentes a alterações no material para indicar limites entre diferentes materiais ou fases no recipiente, pode não ser necessário calcular uma densidade absoluta para o material. Se requerido, a densidade pode ser calculada através do uso de uma calibração para os materiais propensos a estarem presentes no recipiente. O meio de contagem e/ou o meio de processamento de sinal e/ou o processador de dados e controladores são tipicamente alojados em um único alojamento localizado em uma extremidade do instrumento formador de perfil de densidade. O alojamento também contém uma fonte ou conversor de potência tal como o gerador de alta tensão. A potência elétrica pode ser fornecida por uma fonte de alimentação localizada no interior do alojamento ou por cabos de potência de uma fonte de alimentação localizada externamente. Os meios são fornecidos para transmitir dados do processador de dados para um local externo. A invenção será adicionalmente descrita, somente por meio de exemplo, em referência aos desenhos em anexo, nos quais: A Figura 1 é uma vista esquemática de uma porção de um instrumento de medição de nível de acordo com a invenção; A Figura 2 é uma vista em seção de uma porção de uma unidade blindagem; A Figura 3A e B é uma vista em seção de uma modalidade preferencial da invenção; A Figura 4 é uma seção transversal esquemática através de uma porção de um detector; A Figura 5 é uma vista lateral esquemática através de uma porção de um detector; A Figura 6 é uma vista esquemática de uma modalidade alternativa, e A Figura 7 é uma vista esquemática de um instrumento formador de perfil de densidade de acordo com uma modalidade da invenção.

Na Figura 1, uma porção de um instrumento de medição de nível de acordo com a invenção é mostrada esquematicamente. Uma estrutura de suporte 10 feita de aço inoxidável suporta alojamentos de colimação e blindagem 12, feitos de chumbo e que contêm uma fonte 14 de radiação gama. O alojamento é conformado internamente de tal modo a colimar a radiação emitida pela fonte em dois feixes 20a e 20, cada um direcionado aos detectores 16a e 16b respectivamente. Os detectores 16 são suportados em estruturas 18a, 18b em alinhamento linear. As estruturas de suporte 10 e 18 são mostradas em linhas tracejadas a fim de mostrar mais claramente os blocos de fonte e detector no interior dos suportes. O uso de unidades separadas 12 inseridas em uma estrutura de suporte 10 permite que o aparelho seja mais leve que se a colimação e a blindagem forem usinadas em uma única peça de chumbo. Uma unidade blindagem é mostrada em mais detalhes na Figura 2. A unidade de alojamento 12, feita de chumbo inclui um canal 22a/b para reter uma fonte 14 e para colimar dois feixes de radiação. Cada fonte 14 é, de preferência, localizada em um retentor individual para facilitar o manuseio, a inserção e a remoção do aparelho. A Figura 3 mostra uma modalidade da invenção na qual as fontes 14 são suportadas no interior de um bastão retentor de fonte 24 que é capaz de ser movido em relação às unidades 12. Na Figura 3A, o bastão 24 é posicionado de modo que as fontes estejam em linha com os canais 22 de modo que os feixes de radiação sejam colimados e surjam do alojamento. Quando o bastão 24 é movido na direção da seta para a posição mostrada na Figura 3B, as fontes não estão mais em linha com os canais de modo que a radiação é bloqueada pelo material de blindagem do alojamento 12. A Figura 4 mostra uma vista em seção transversal através de uma porção da montagem de matriz de detector. Uma placa de circuito 40 que porta os tubos Geiger-Müller (GM) 42 e os conectores 44 é montada em uma placa de suporte 46, que tem uma porção perpendicular 48. As porções 46 e 48 da placa de suporte formam uma seção transversal em formato de T. A placa de suporte é fixada a um bastão de aço angulado 50 por rebites 58 (mostrados na Figura 5) . O bastão de aço assegura que a expansão e a contração térmica da montagem do detector possam ser correspondidas à expansão térmica da montagem de fonte. Cabos de alimentação 54, que portam um suprimento de alta tensão para os tubos GM, e cabos de dados 52 para portar sinais dos tubos GM para os módulos de contagem em um alojamento de controle, são operados ao longo do ângulo da placa de suporte em formato de T. A Figura 5 mostra uma vista lateral simplificada de uma porção da montagem de detector, que mostra duas porções modulares que compreendem placas de circuito 40a e 40b, que portam quatro tubos GM cada uma. A montagem completa compreende pelo menos cinco módulos. O

cabeamento e os conectores foram omitidos do desenho. A

Figura 5 mostra como as duas placas de circuito 40a e 40b são fixadas ao suporte 46, sendo que cada placa de circuito forma um módulo da matriz de montagem de detector modular. Quando a placa de suporte é seccional, conforme representado pelas seções 48a e 48b, a junta entre as seções adjacentes da placa de suporte não deve estar alinhada com os espaços entre as placas de circuito 40a e 40b. A Figura 6 mostra uma forma alternativa de módulos de detector 60a e 60b na qual são placas de circuito de camada dupla que podem ser unidas através da sobreposição das porções de camada única e da soldagem ou, outro modo, conexão das mesmas para formar uma montagem de placa de circuito com camada dupla contínua. As seções modulares da placa de circuito podem, então, ser unidas a um ou mais placas de suporte 46,48. A Figura 7 mostra uma vista esquemática de um instrumento formador de perfil de densidade 62 de acordo com uma modalidade preferencial da invenção. O instrumento compreende um alojamento 64 que contém pelo menos um gerador de alta tensão, registradores e contadores de dados, processadores de dados de meios de processamento de sinal, meios para suprir potência para o gerador de tensão e equipamentos elétricos e meios para transmitir informações entre os processadores de dados e um local externo. O alojamento também suporta uma matriz de fonte alojada no tubo 66 e duas matrizes de detector, alojadas em tubos 68 e 70. Os tubos são presos para estabilidade por abraçadeiras 72. A Figura 7A mostra uma seção transversal através do instrumento ao longo das linhas A - A e mostra a configuração dos tubos 66,68 e 70 em relação mútua e o alojamento.

REIVINDICAÇÕES

Claims (17)

1. Instrumento adaptado para a determinação de níveis de fluido no interior de um recipiente através da comparação da densidade do fluido ao longo do comprimento do instrumento caracterizado pelo fato de que o dito instrumento compreende: (i) pelo menos uma matriz de fonte geralmente linear que compreende uma pluralidade de fontes de radiação penetrante, meios de blindagem e colimação e uma estrutura de suporte de fonte para suportar as fontes e meios de blindagem e colimação em uma matriz linear; (ii) pelo menos uma matriz de detector geralmente linear que compreende uma pluralidade de detectores de radiação, suportada em uma estrutura de suporte de detector, capaz de detectar a radiação emitida pelas fontes; e (iii) meios para posicionar a fonte e uma respectiva matriz de detector de tal modo que: (a) a radiação emitida de cada uma das fontes seja capaz de seguir uma trajetória linear da fonte, através do recipiente e do material para pelo menos um dos respectivos detectores que formam uma parte da respectiva matriz de detector; e (b) o eixo linear da matriz de fonte e o eixo linear de sua respectiva matriz de detector são paralelos entre si; (iv) analisador configurado para determinar a partir dos sinais de saída do detector a densidade do meio atravessado pelos feixes de radiação na passagem de uma fonte para um detector , em que a estrutura de suporte de detector e/ou seus conectores e circuitos elétricos associados são formados a partir de uma pluralidade de porções modulares, sendo que cada porção modular é adaptada para ser unida a uma porção adjacente para fornecer uma matriz de detector do comprimento requerido.

2. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de blindagem e colimação é formado de um material diferente da estrutura de suporte.

3. Instrumento, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o meio de blindagem e colimação é formado de um material que é altamente atenuante para a radiação penetrante.

4. Instrumento, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o meio de blindagem e colimação é conformado de modo que a emissão de radiação seja confinada, o quanto for possível, em dois ou mais feixes, cada um direcionado a um detector diferente.

5. Instrumento, de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de suporte de fonte é formada de aço.

6. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de suporte de fonte é formada de uma pluralidade de porções modulares, sendo que cada porção é adaptada para ser unida a uma porção adjacente.

7. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma ou mais das fontes na matriz são alojadas em um membro de suporte separado, que pode ser movido em relação a um ou mais canais de colimação no material de blindagem circundante de tal modo que em uma primeira posição, pelo menos um canal de colimação é alinhado com pelo menos uma das fontes de tal modo que um feixe de radiação colimado seja emitido ao longo do canal de colimação; e em uma segunda posição pelo menos uma das fontes está fora do alinhamento com um canal de colimação de tal modo que a emissão de radiação da fonte seja bloqueada pelo material de blindagem.

8. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que mais de um conduto elétrico é fornecido para portar as altas tensões de um gerador de tensão para os detectores.

9. Instrumento, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os detectores que são conectados à mesma fonte de potência, gerador de tensão ou conduto elétrico são separados e intercalados com os detectores conectados a uma diferente fonte de potência ou gerador de tensão por um diferente conduto elétrico.

10. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um meio para calcular uma densidade em um local entre detectores não adjacentes que usam a radiação detectada por ditos detectores não adjacentes e informações armazenadas concernentes a uma contagem de radiação anteriormente gravada.

11. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma matriz de fonte e duas matrizes de detector, sendo que cada matriz de fonte e de detector é localizada no interior de um alojamento externo, e as matrizes de fonte e de detector são radial e angularmente deslocadas entre si.

12. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os conectores e circuitos elétricos associados com a estrutura de suporte de detector são formados a partir de uma pluralidade de porções modulares, sendo que cada porção modular é adaptada para ser unida a uma porção adjacente para fornecer uma matriz de detector do comprimento requerido.

13. Instrumento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os detectores de radiação compreendem pelo menos um de tubos Geiger-Muller ou detectores de cintilação.

14. Matriz de montagem de detector para um instrumento de medição de nível caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de detectores capazes de detectar a radiação montados em uma estrutura de suporte formada de uma pluralidade de porções modulares, sendo que cada porção é adaptada para ser unida a uma porção adjacente para fornecer uma matriz de detector do comprimento requerido.

15. Matriz de montagem de detector, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os detectores de radiação compreendem pelo menos um de tubos Geiger-Muller ou detectores de cintilação.

16. Método para montar uma matriz de detector para uso em um instrumento formador de perfil de densidade caracterizado pelo fato de que compreende formar uma placa de circuito alongada de uma pluralidade de porções modulares de placa de circuito, em que a matriz de detector compreende uma estrutura de suporte, uma pluralidade de detectores de radiação e uma pluralidade de porções modulares de placa de circuito, sendo que as ditas porções de placa de circuito compreendem meios para montar pelo menos um detector de radiação sobre as mesmas, e meios para unir a estrutura de suporte a mais de uma das porções modulares de placa de circuito, formando assim uma matriz de detector de tamanho requerido.

17. Método para montar uma matriz de detector, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os detectores de radiação compreendem pelo menos um de tubos Geiger-Muller ou detectores de cintilação.