CN104603584A - 用于密度或水平面测量的辐射检测器 - Google Patents

Abstract

一种核密度探查器，包括用于检测电离辐射的检测器探头，该检测器探头包括辐射检测器的阵列以及电路板，所述电路板包括至少两个电路板部分。

Description

用于密度或水平面测量的辐射检测器

技术领域

本发明涉及用于测量材料(特别是流体)的水平面的装置，可选地用于计算混合流体系统的密度分布。

背景技术

在WO2000/022387中已经描述了密度探查器。该设备包括向布置成一个或多个线性阵列的检测器发射辐射的电离辐射源的线性阵列。当源阵列和一个或多个检测器阵列被布置成使得它们穿过容器中两种或更多种流体之间的界面时，能够根据阵列中各个检测器接收到的辐射的差别识别流体的界面。该设备已经成功地被部署用于储罐和油分离器中。探查设备的一个期望特征是其紧凑的直径，从而允许探查设备通过标准接入端口安装到容器中。在一些情况下，希望进一步减小探查设备的截面，从而能够在端口尺寸或端口周围空间使得安装变得特别困难的情况下进行安装。另外，检测器阵列尺寸的减小允许使用更厚的浸渍管或更厚的绝缘材料。因此，本发明的一个目的是提供一种与已知设备相比检测器阵列相对较小的密度探查器。

发明内容

根据本发明，我们提供了一种用于核装置中的检测器探头，包括安装在电路板上的辐射检测器阵列，其特征在于，所述电路板包括至少两个部分，各个部分与所述阵列的纵轴基本平行地对齐，并且各个部分处于不同的面中。

根据本发明，我们提供了一种用于测量容器内的一种或多种材料相的密度或水平面的核装置，包括：

(a)电离辐射源的阵列，

(b)至少一个用于检测电离辐射的检测器探头，包括安装在电路板上的辐射检测器的阵列，

(c)电源，以及电子装置，所述电子装置包括控制单元以及信号和数据处理装置，所述信号和数据处理装置使用由检测器响应于从辐射源接收到的辐射而产生的信号来计算材料相的密度分布；电源和电子装置被容纳在外壳中，所述外壳邻近于所述检测器探头而被支撑和安装，

其特征在于，所述电路板包括至少两个部分，各个部分与所述阵列的纵轴基本平行地对齐，并且各个部分彼此处在不同的面中。

检测器探头中存在至少两个供电电路，以向检测器提供电力，从而使得控制信号从控制单元传递至检测器，以及把数据信号从检测器携带至信号处理器和数据处理器。供电电路位于电路板(优选为印刷电路板)上。电路板包括至少两个部分，它们可以分开或者沿其长度的至少一部分结合在一起。当电路板结合时，它们可以形成一个角度，例如在大约30度和大约150度之间。在优选的形式中，电路板的各个部分没有沿着它们的整个长度结合。优选地，电路板不是沿着它们长度的任何部分而结合的。更优选地，电路板彼此分开，可选地由一个或多个辐射检测器分开。优选地，两个或更多个电路板部分之间安装有一个或多个辐射检测器。

优选地，检测器探头是本质安全的。“本质安全”是电子设备领域的标准术语。本质安全的装置打算用于爆炸性或潜在爆炸性的气氛中。在本质安全的电子设备中，电路本身不能引起周围爆炸性气氛的爆炸。本质安全装置指其中所有电路都是本质安全电路的电子设备。本质安全电路是其中在包括正常操作的条件和指定的错误条件下产生的任何火花或任何热效应都不能点燃给定爆炸性气氛的电路。组件的设计和选择以及应用于这种设备的测试标准都由国家和国际标准管理，例如BS EN 60079-11：2012及其相关章节，包括章节0关于在爆炸性气氛中使用的电子设备的总体要求。

优选地，检测器探头至少遵守该标准的保护水平ib，即被设计为在正常操作以及应用给出最繁重条件的非计数故障的情况下；以及在正常操作以及应用一个计数故障加上应用给出最繁重条件的非计数故障(如BS EN 60079-11：2012第5.3节定义)的情况下在爆炸性气氛中安全使用。计数故障和非计数故障在BS EN 60079011：2012第3.7段定义。最优选地，检测器探头遵守该标准的保护水平ia，即被设计为当电路包含两个计数故障时能够在爆炸性气氛中安全地使用，如BS EN 60079-11：2012第5.2节定义的那样。这种保护是通过使用各种组件和构造方法来实现的，例如该构造方法包括电路部件的间隔为最小间隔距离(如BS EN 60079-11：2012第6.3节“间隔距离”所述)。实现本质安全所需的最小间隔距离影响尺寸，特别是电路板各部分的最小宽度。总的来说，优选电路板尽可能地窄，给出电路设计的限制的目的是检测器探头能够具有尽可能小的截面。但是，总体而言，辐射检测器自身具有特定的直径，提供比辐射检测器的直径更窄的电路板的部分几乎不会得到有益效果。在一个优选的实施例中辐射检测器的直径为15-20mm。优选地，每个电路板的最大宽度不超过40mm，特别地不超过30mm。每个电路板的厚度优选为1mm-3mm。

电路板的每个部分上可以安装有不同的电子组件和连接。不同类型的组件可以被分组，使得电路板的各个部分载有彼此不同的组件的集合。一个这种部分可以被配置为处理进出检测器的控制信号以及测量信号，而其它部分可以被配置为向检测器提供电力。例如，电路板的一个部分可以载有用于向辐射检测器提供电力的一条或多条高压线缆。电路板的另一部分可以载有在检测器和控制单元和/或信号处理单元之间的低压控制信号和/或数据信号。在与载有低压(<50V)电路的部分不同的电路板的一个部分上提供高压(>50V)电路，有利于探头的设计符合本质安全所需的标准，因为可以达到实现本质安全的标准所规定的电路的最小间隔。

电路板的各个部分可以通过使用电绝缘材料而彼此电绝缘、与辐射检测器电绝缘、和/或与检测器探头的其它组件电绝缘。检测器探头还可以包括热绝缘件。当设置有热管、加热器或其它热设备来调节检测器探头的温度时，可以在这种设备和检测器探头的需要被该设备加热或冷却的部件之间设置导热材料。例如，当检测器探头易于受到低于电气和/或检测器的最优工作范围的温度的影响时，可以在检测器探头中设置热源(例如电伴随加热)。材料(例如由Bergquist公司提供的Sil-Pad^TM范围的材料)是导热且电绝缘的，并且可以在检测器探头中使用。

在本发明的一个优选实施例中，检测器探头还包括伸长的支撑结构，该支撑结构沿着检测器阵列的长度的至少一部分延伸，从而向检测器探头提供额外的强度和硬度。在本发明的一种形式中，伸长的支撑结构包括用作支撑件的杆或盘，优选由例如金属或强化树脂的刚性材料形成。伸长的支撑件优选沿着电路板的至少一个部分的大部分长度延伸。更优选地，伸长的支撑件沿着电路板的至少一个部分的基本上整个长度延伸，使得沿着该电路板部分的基本上整个长度支撑该电路板部分。检测器和电路板优选安装在该支撑件上。当在密度探查设备或辐射源的阵列和检测器探头之间的正确对准影响设备的准确性的设备中使用检测器探头时，该支撑件优选地由膨胀系数与支撑源阵列的辐射源的材料相同的材料形成。以这种方式，检测器阵列响应于其温度变化产生的膨胀和收缩与源阵列的膨胀或收缩一致，使得源和检测器即使遇到温度变化也能保持对准。在该实施例的一种可替换形式中，伸长的结构包括功能设备，例如管路或热管。如果设置管路来承载线缆，则该管路可以被用来形成检测器阵列的支撑结构。

热管用于把检测器探头的温度维持在期望范围内。在周围温度会超过辐射检测器或其相关联的电气装置的推荐工作温度的情况下使用检测器探头的环境中，这是期望的。设置热管使得热量能够从检测器阵列的较热的部分传导到更冷的位置。可以操作热管以把热量从检测器周围的空间中移除。在本发明的一个实施例中，检测器被安装成与热管热接触。在该实施例中，检测器可以被物理地支撑在热管上，例如使用粘合剂、带、夹具、线缆带或其它连接器的方式。当检测器与热管直接热接触地安装时，能够有效地从检测器移除热量。在本实施例中，检测器优选通过既导热又电绝缘的材料的方式与热管电隔离。这种材料包括油脂、云母和例如Sil-Pad^TM范围的材料的复合材料。电路板的分开的部分可以在检测器和支撑件的外部径向地安装。按照这种方式，可以布置电路板组件，使得它们被支撑件、绝缘件和检测器最大程度地物理上分开。

检测器探头包括至少一个检测器，用于检测由辐射源发射的电离辐射。所使用的检测器类型可以由熟悉核装置工程的人员选择，考虑到要检测的辐射的性质、要使用检测器的条件，以及要测量的辐射的特性。通常，所使用的检测器是气体电离检测器，例如GeigerMüller管，或包括闪烁晶体和有机闪烁体的闪烁器件。GeigerMüller管是本发明的检测器探头的优选检测器，因为它们的鲁棒性且工作温度的范围宽。检测器探头可以包括一个检测器或超过一个检测器，这取决于检测器探头的用途。当检测器探头被用于水平面测量仪或密度探查装置时，其通常具有至少4个检测器，优选至少10个检测器。在大容器中使用的密度探查装置可以需要包括至少20个检测器(更有选的至少40个检测器，例如大约100个检测器)的检测器探头，它们分开且优选被布置成检测器的线性阵列。当检测器用在水平面测量仪或密度探查装置中时，检测器的尺寸影响水平面检测的精度。因此，在使用多于一个检测器的情况下，根据设计检测器探头的使用需要选择检测器的尺寸和它们的间距。当使用检测器探头来高精度地寻找水平面(包括在密度分布中)时，则优选彼此紧密相邻地设置小检测器。合适的小Geiger Müller管的直径为10mm至25mm，更有选地<20mm。检测器的长度可以为大约25mm到>200mm。通过把分开的检测器探头中的检测器叠加，可以提高水平面测量仪或密度探查装置的精度。

包括检测器、电路板和可选的支撑件的检测器探头优选地被保护层(例如塑料管)包围。包括全部可选地被保护层包围的检测器、电路板和可选的支撑件的检测器探头优选地容纳在保护壳体内，该保护壳体优选由牢固且坚硬的材料形成。壳体由对于要被检测器探头的检测器检测的辐射充分透明的材料制成，以便执行其功能。用于壳体的合适的材料是钛，其能够以一定厚度形成得充分坚固，在该厚度下保持对伽马辐射基本透明。在使用时，检测器探头可以放置在汲取管或浸渍管内。检测器探头还可以包括布置在探头的检测器和电子组件以及检测器探头的外壳之间的热绝缘材料，以便帮助把检测器的温度维持在期望的温度范围内。通常，所提供的绝缘件尽可能的薄，以减小探头的尺寸。因此，优选具有非常低热导率的绝缘材料。适用于密度探查器中的检测器探头的优选形式包括两个部分的电路板、多个辐射检测器，以及伸长的支撑件，所有部件都布置在刚性壳体内，并且在壳体的内壁与检测器之间有热绝缘件。

本领域技术人员应当理解，根据所需的特性选择合适的热绝缘材料。在一个实施例中，我们发现合适的热绝缘体的热导率(κ)<0.05W/m/K，特别地<0.005W/m/K。该绝缘部件可以包括或不包括真空腔。但是，我们发现，用来形成这种面板的材料在高温度下可能不能维持真空。绝缘部件可以包括金属化的部分。

与根据本发明的核装置相关联的电子装置包括控制系统、信号和数据处理设备、电源和可选的设备，例如数据记录装置和发送设备，该电子装置通常容纳在外壳内，以便保护电子装置免受环境干扰。外壳被设计成能够承受部署该核装置的条件，包括那些超级环境温度和压力。期望使外壳内的电子装置的温度维持在该电子装置能根据其设计功能进行运行的温度范围内。优选地，电子装置维持在小于120℃的温度，更优选地小于100℃。可以设置温度传感器以在外壳内的一个或多个位置处监控温度。外壳可以被支撑地安装成邻近于所述检测器探头和源阵列，或可替换地可安装在与检测器探头和源阵列分开的位置处。在后一种的情况下，设置通信装置(可以是无线或有线的)以承载检测器探头和电子装置之间的电信号。检测器探头趋向于向任何相关联的电子控制系统或数据处理装置传导热量或者把热量传导离开任何相关联的电子控制系统或数据处理装置。当检测器探头遭遇非常高的温度时，可以通过布置在检测器探头和相关联的装置之间的热绝缘部件来减小相关联的装置的温度的对应增加。外壳可以包含绝缘材料以使电子装置同检测器探头和/或源阵列产生的热量热绝缘，和/或使电子装置与热或冷的外部温度绝缘。在一个优选实施例中，该装置包括位于作为一方的检测器探头与作为另一方的电源和电子装置之间的热绝缘件。按照这种方式，电子控制组件、信号/数据处理组件以及电源可以受到保护，免遭可能负面影响其运行的高温。

如上所述，本发明的核装置包括电离辐射源和检测器探头，所述源和检测器探头被布置为使得来自源的电离辐射沿直线穿过容器的一部分到达检测器探头。源安装在辐射屏蔽材料内，其包括准直装置，用来产生朝着检测器引导的准直的辐射束。源和/或检测器探头可以被安装在含有待测材料的容器外部或内部。当源安装在容器外部并且辐射要穿过至少一个容器壁时，必须选择源以产生足够能量的辐射来穿透容器壁。还应当选择源，使其具有足够的活性以在检测器中产生足够的计数，使得检测器能够产生可再现的信号，该可再现的信号与在大约一秒钟内检测到的辐射成比例，使得能够合理地快地执行水平面测量。

当核装置是用于检测容器内材料的水平面(level)的位置的水平面测量仪时，可以使用一个或多个源。通常，所使用的源的数目不超过10个，优选是1-4个。每个源可以向多个检测器(通常4-10个检测器)发射辐射束。可以使用2->100个检测器，取决于每个检测器的尺寸/检测区域以及装置所需的分辨率。

当核装置是用于测量容器内两种或更多种材料相的水平面的密度探查器时，辐射源包括辐射源的线性阵列。设置根据本发明的至少一个检测器探头来检测电离辐射。当该核装置为密度探查器时，设置多于一个的检测器探头是特别有益的。设置信号和数据处理装置，以利用检测器响应于从源接收的辐射而产生的信号，来计算材料相的密度分布。源阵列和(一个或多个)检测器探头被布置为使得来自各个源的电离辐射沿着直线穿过容器的一部分到达检测器探头上承载的检测器。源被准直以提供至少一个辐射束，每个辐射束被引导朝向位于检测器探头上的一个检测器。可以使用位于材料相中不同位置处的不同检测器所检测的辐射束的相对衰减，来计算材料相的密度分布。

源阵列包括多个辐射源，这些辐射源优选是伽马辐射源。源辐射的能量典型地不超过大约1400keV并且期望低于此值。优选地，源辐射的能量不大于大约30keV。如上面关于水平面测量仪所述，源可以是放射性同位素。当该装置要通过标准端口安装到容器(例如油分离器)中时，射束长度优选小于50cm，更优选地小于30cm。对于该用途，期望更小能量的源，在本发明中期望小于500keV的能量，特别是小于300keV，最优选的小于100keV。合适的低能量源包括颗粒²⁴¹Am，其是60keV伽马源。对于高能量源(例如¹³⁷Cs)，更大的路径长度是最佳的，通常在20cm和40cm之间，例如大约30cm。如果期望的话，其它放射性同位素源也可以使用。使用低能量源使得设备处理和源屏蔽更安全和/或更容易。源辐射可以是X射线，但优选包括α粒子、β粒子、伽马辐射和/或中子，或者由它们构成，更优选的是伽马辐射。

源屏蔽和准直装置被成型为使得辐射的发射受到限制，尽可能地成为引导穿过流体介质朝向一个或多个检测器的适当宽度的射束。通常，这是通过以下方式来实现的：设置穿过包围源的屏蔽材料的通道或孔隙，使得来自源的辐射发射基本上被限制于穿过通道的辐射束的发射。经常希望对源辐射进行准直，从而成为多于一个射束(例如通过在屏蔽材料中设置多于一个通道)，使得来自单个源的辐射可以被引导至多于一个检测器。在这种情况下，检测器可以处于容器内或容器外的不同位置，并且它们可以形成同一个线阵列的一部分或者他们可以处于不同的检测器探头中。

本发明还通过仅示例的方式，参照以下附图进行描述。

附图说明

图1：在根据本发明的装置中使用的检测器探头的示意图；

图1A：图1的检测器探头的从方向A的侧视图的示意图；

图2：穿过根据本发明的检测器探头的横截面的示意图；

图3：穿过根据本发明的核装置的示意性截面示图；

图4：穿过图3的线A--A的截面。

具体实施方式

图1和图1A示出了检测器探头10包括两个印刷电路板12a和12b。多个检测器14按照线性布置方式安装在电路板上。钢柱18向探头部件提供刚度。带16把安装好的组件可靠地保持住。图2中示出了穿过容纳在浸渍管内的检测器探头的截面。检测器探头被安装在保护性塑料管外壳22内，该保护性塑料管外壳22被容纳在圆柱形浸渍管26内。管22的内侧设置有热绝缘件24。

图3示出了根据本发明的优选实施例的密度探查器装置30的正视图。该装置包括钢外壳(以截面示出)，该钢外壳包括法兰支撑结构48和圆顶盖32。外壳至少包含高压发生器42、数据记录器、计数器、信号处理装置和数据处理器44、用于向电压发生器46和电子设备供电的装置、以及在数据处理器和外部位置之间发送信息的装置。绝缘层50布置在外壳内含有的电子设备和支撑架48之间，浸渍管34、36和38安装在该支撑架48上。另外的绝缘件52被布置在外壳的内壁周围。源阵列被容纳在管34中，两个检测器探头被容纳在管36和38中。各个管出于稳定性而被支持件40支持在一起。容纳有电子和电力设备的圆顶盖32位于管34、36和38的正上方，支撑在法兰48上。电连接(包括电力和数据线缆)经由法兰48中的导管在外壳中的组件和容纳在管36和38中的检测器探头之间穿行。图4示出了沿着线A—A穿过装置的横截面，并且示出了管34、36、38相对于彼此以及外壳支撑法兰48的构造。

Claims (11)

1.一种用于测量容器内一种或多种材料相的密度或水平面的核装置，包括：

(a)电离辐射源的阵列，

(b)用于检测电离辐射的至少一个检测器探头，包括安装在电路板上的辐射检测器的阵列，

(c)电源，以及电子装置，包括：控制单元、信号和数据处理装置，所述信号和数据处理装置使用由检测器响应于从所述辐射源接收的辐射而产生的信号来计算材料相的密度分布；电源和电子装置被容纳在外壳中，所述外壳以邻近于所述检测器探头的方式被支撑地安装，

其特征在于，所述电路板包括至少两个部分，每个部分以基本上平行于所述阵列的纵轴的方式被对齐，并且各个部分彼此处于不同的面上。

2.根据权利要求1所述的核装置，其中所述电路板的各个部分彼此分开。

3.根据权利要求2所述的核装置，其中在所述电路板的各个部分之间安装有一个或多个辐射检测器。

4.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，其中所述一个或多个检测器包括Geiger Müller管。

5.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，包括至少四个检测器。

6.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，其中所述电路板的一个部分载有高压电路。

7.根据权利要求6所述的核装置，其中电路板的另一个部分载有低压电路且不载有高压电路。

8.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，所述核装置按照BS EN 60079-11:2012的定义是本质安全的。

9.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，其中所述检测器探头还包括伸长的支撑件。

10.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，其中所述检测器探头还包括热管。

11.根据上述权利要求中任一项所述的核装置，包括多个检测器探头。