CN105960598A - 用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备 - Google Patents

用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备，所述辐射度测量设备在测量位置处仅需要少量空间，并且能够经济地进行生产。所述辐射度测量设备包括能够用在易于爆炸区域中的测量单元(7)。所述测量单元包括闪烁体(13)和半导体检测器(15)，所述闪烁体(13)将入射到闪烁体上的放射性辐射转化为光子，所述半导体检测器被连接到所述闪烁体(13)并且能够借助于本安电源而被操作，以及度量学地捕获在所述闪烁体(13)中产生并且到达所述半导体检测器(15)的光子，而且将所述光子转化为电测量信号。在所述测量单元中提供了专门与本安的点火防护级别相关的防爆措施。所述辐射度测量设备也包括将被设置在所述易于爆炸区域的外面并且被连接到所述测量单元(7)的上级单元(11)。在测量操作期间，所述上级单元用作所述测量单元(7)尤其是所述半导体检测器(15)的本安供电。

Description

用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备
技术领域
本发明涉及一种用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备，具有闪烁体和检测器，闪烁体将入射到闪烁体上的放射性辐射转化为光子，检测器连接到闪烁体，检测器捕获在闪烁体中产生并到达检测器的光子，而且将所述光子转化为电测量信号。
背景技术
在工业计量学领域中存在大量的应用，其中辐射度测量设备不得不在具有爆炸风险的位置操作。这里，可以提到加油站和化工厂作为示例，在那里能够形成爆炸性气体。
可用在易于爆炸区域中的设备不得不遵循非常严格的安全要求。所述要求的目的是预防或避免火花形成，火花能够潜在地触发爆炸，这是由于出现在封闭空间内的火花仍然能够对周边环境产生影响。该目的能够以不同的方式得以实现。相应的防爆措施被细分为在相应工业标准中规定的点火防护级别，例如在国际电气技术会议的系列标准IEC 60079中所规定的那些。
实际上，尤其与测量设备相关的点火防护级别是“本安(Ex-i)”。
对于根据点火防护级别“本安”设计的设备，现有的电能值，尤其是反映在电流、电压和功率的电量上，不得不始终低于设备内的预定极限值。极限值被选择成使得在发生故障例如短路的情况下，释放的最大能量不足以产生点火火花或者危险的过热。通常，借助于功率限制措施，例如通过电流限制和电压限制部件的相应组合，能量被保持在低于预先设定的极限值。除此之外，取决于设备设计，在各个部件或电路之间不得不提供最小的安全距离或绝缘措施。
在能量不能被限制到本安数值的情况下，不得不提供其它点火防护级别的附加点火防护措施，例如，点火防护级别“加压外壳(Ex d)”的点火防护措施，点火防护级别“封装(Ex m)”，或者点火防护级别“粉料灌装(Ex q)”。这需要相当精心制作的机械措施。
设置在辐射度测量设备中用于检测电离辐射的检测器经常需要非常高的操作电压，尤其是千伏范围内的电压。典型的示例是Geiger-Muller计数器和闪烁体检测器，其中，入射到闪烁体上的伽马辐射被转化为光脉冲，光脉冲随后被采用高电压操作的光电倍增管转化为电信号。
为了能够在易于爆炸区域中使用这种测量设备，它们的需要高电压操作的部件现在经常被设置在封装内或者压力密封外壳中。另外，这些部件不得不被充分地电绝缘并且被定位在足够远离测量设备部件的其余部分的位置，以防止高电压潜在闪燃到不安全的区域尤其是本安测量电路上。因此，除了“本安(Ex-i)”的点火防护级别措施之外，始终需要应用其它点火防护级别的措施，尤其是复杂的封装。
将被提供的这些平行措施不仅成本高，而且需要大量空间。因此，这种测量设备仅能够用在测量位置对于测量设备有可利用的充足空间的位置。
发明内容
本发明是基于说明具有用于检测电离辐射的检测器的辐射度测量设备的任务，所述测量设备能够用在易于爆炸区域中，在测量位置仅需要少许空间，能够成本经济地制造，并且尤其是能够采用简单的方法安全地安装。
出于该目的，本发明包括用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备，其具有：
可用在易于爆炸区域中的测量单元，所述测量单元具有
将入射的放射性辐射转化为光子的闪烁体以及
半导体检测器，所述半导体检测器连接到闪烁体，并且能够通过本安电源而操作，以及度量学地捕获在闪烁体中产生并且到达半导体检测器的光子，而且将所述光子转化为电测量信号，
其中提供了专门与本安的点火防护级别相关的测量单元防爆措施，以及
上级单元，所述上级单元将被设置到易于爆炸区域的外面并且被连接到所述测量单元，
在测量操作期间，所述上级单元用作所述测量单元尤其是所述半导体检测器的本安供电。
根据一种优选的实施例，
所述半导体检测器是在所述测量单元中设置的唯一电气部件，在测量操作期间需要被提供能量，并且
在所述测量单元里面仅提供一个本安点火防护级别的防爆措施，所述措施由所述半导体检测器构成，所述半导体检测器是能够通过本安电源供电的半导体检测器芯片。
另一种实施例包括根据本发明的测量设备，其中
所述半导体检测器是具有一个或若干个并联连接的光敏单元的半导体检测器芯片，
所述光敏单元配备有光电二极管，尤其是以盖革模式操作的雪崩光电二极管，并且
所述光电二极管具有小于30V尤其是小于20V的低击穿电压，并且
所述半导体检测器能够以相应的低操作电压尤其是低于30V的操作电压操作。
另一种实施例包括根据本发明的测量设备，其中
在所述半导体检测器和所述上级单元之间设置本安附加电路，
所述附加电路通过所述上级单元以本安方式被供电，并且
所述附加电路用作所述半导体检测器的本安电源。
一种替代的实施例包括根据本发明的测量设备，其中
所述上级单元至所述半导体检测器的连接是无线连接，
所述测量单元配备有连接到所述半导体检测器或集成在其中的RFID应答器，并且
所述上级单元被配置为以本安方式无线地为所述测量单元供电的RFID读取设备。
附图说明
现在将利用附图中的图来详细地解释本发明和另外的优势，附图显示了实施例的三种示例；在附图中，相同的元件用相同的附图标记进行标识。
图1示出了根据本发明的用作限位开关的辐射度测量设备；
图2示出了具有测量单元的辐射度测量设备，其通过附加电路供电；并且
图3示出了一种辐射度测量设备，具有配备有RFID应答器的测量单元。
具体实施方式
图1示出了使用根据本发明的辐射度测量设备的一种应用示例。辐射度限位开关作为实施例的一种示例而被显示，该限位开关监测容器3中的填料1超过或下降到低于预先设定的料位。容器3被定位在图1中用“Ex”描述的易于爆炸区域内。示出的测量装置包括设置在容器3的外面处于将被监测的料位高度处的放射性发射器5，该发射器在预先设定的料位高度处通过容器3发送电离辐射，尤其是伽马辐射。这里，横穿容器3并且在容器3的与发射器5相对的侧面上出现的辐射的强度取决于容器3内的吸收，该吸收依次又取决于容器3内的料位。
测量设备包括测量单元7和上级单元11，测量单元7可以被安装在易于爆炸区域中并且经由本安电源而操作，上级单元11经由连接线9而被连接到测量单元，以用作测量单元7的本安电源。上级单元11例如是测量换能器电源装置。
测量单元7测量从容器3发出的辐射强度。当测量的辐射强度下降到低于预先设定的阈值时，测量单元辨认出预先设定的料位已经被超过；当测量的辐射强度超过预先设定的阈值时，测量单元辨认出实际料位下降到低于预先设定的料位。
可替代地，利用发射器5和测量单元7的相应布置，根据本发明的辐射度测量设备也可以用于确定其它的被测变量，诸如容器内的填料的料位，或者辐射穿过的介质的密度。
测量单元7配备有电气部件，在测量操作期间当被供应能量时，电气部件单独地以及相互组合地专门地遵循本安的点火防护级别的要求。也就是说，设置的所有的将被供应能量的电气部件不需要-单独地以及相互组合地-比经由本安电源所提供的更多的电流、电压和功率。
根据本发明，测量单元7应当配备有专门符合本安的点火防护级别的防爆措施。未提供并且不需要其它点火防护级别的防爆措施。
在这种情况下，测量单元7包括条状的闪烁体13，闪烁体将碰撞的电离辐射转化为光子，光子随后沿着闪烁体13传播。代替使用一个大块的闪烁体本体，例如单独的或者组合为一束的多个闪烁体纤维也可以替代地用作闪烁体13。无电流或电压施加到闪烁体13上。
至少一个半导体检测器15在末端侧连接到闪烁体13，该半导体检测器可以借助于本安电源而被操作，并且度量学地捕获在闪烁体13中产生并到达半导体检测器15的光子，以及将所述光子转化为电测量信号。半导体检测器15优选地是半导体检测器芯片。
作为对环境影响的保护，可以提供用于包裹闪烁体13的盖子，例如保护管，以及用于半导体检测器15的芯片环绕物。
先前提到的半导体检测器芯片尤其适合于本安操作。相关的示例是由菲利浦公司提供的命名为DPC6400-22-44的部件或者命名为DPC3200-22-44的数字硅光电倍增管，由Ketek提供的命名为PM3350的硅光电倍增管，或者由SensL提供的硅光电倍增管。
半导体检测器15包括一个或若干个面对着闪烁体13的端面，所述端面配备有一个或若干个光敏单元。每个光敏单元包括一个或若干个例如设置为阵列的光电二极管。光电二极管优选地是以盖革模式操作并且并联连接的雪崩光电二极管。这种半导体检测器的功能例如被描述在英国专利申请GB 2479053 A中。
与测量单元7，尤其是半导体检测器15的本安操作有关-，半导体检测器芯片被使用，所述芯片配备有光电二极管，具有小于30V优选甚至小于20V的低击穿电压，并且因此能够以相应的低操作电压操作尤其是低于30V的操作电压操作。在这点上，上面提到的制造商的先前提到的半导体检测器芯片尤其是适合的。
在测量操作期间，测量单元7被上级单元11以本安方式供电。半导体检测器15优选被设计为能够以本安方式操作的半导体检测器芯片。它是在测量单元7中设置的需要供应电能的唯一的电气部件。这能够使测量单元7被限制到本安点火防护级别措施，或者甚至完全地放弃与本安的点火防护级别有关的另外措施，诸如例如绝缘和/或被供应电能的部件之间的最小距离。
为了阐述的目的，下面说明了上面提到的半导体检测器15的一个示例，基于用于气体组IIC的点火防护级别Ex ia和温度级别T4的标准IEC60079-11的要求，并且需要28V的操作电压，最大2mA的操作电流以及最大56mW的相应功率要求。该半导体检测器15具有3.5nF的内部电容、200μH的内部电感以及500K/W的热阻。希望在-20℃到+50℃的温度范围内进行操作。
作为上级单元11的一个示例，这里提供了一个测量换能器电源装置，其遵循根据标准IEC60079-11的点火防护级别Ex ia IIC的要求，提供30V的最大输出电压、3mA的最大输出电流和90mV的最大输出功率，并且允许最大60nF的外部集总电容以及最大100mH的外部集总电感。
具有18nF的电容好100μH的电感的同轴传输线被用作连接线9。
上级单元11的输出电压、输出电流和输出功率覆盖了半导体检测器15的供给要求。
除此之外，半导体检测器15和连接线9的电容之和低于上级单元11的允许的可联结电容，并且半导体检测器15和连接线9的电感之和小于上级单元11的可允许的可联结电感。
3.5nF的半导体检测器15的电容显然低于最大极限值66nF，其将根据标准IEC60079-11供应现有的电压值。
类似地，1μH的半导体检测器15的电感显然低于最大极限值1mH，其将根据标准IEC60079-11供应现有的电流值。
在发生事故时，其中根据先前提到的转化因子500K/W，半导体检测器15中的整个最大可用功率90mW将通过其热阻而转化为热，温度将上升45℃。因此，如果半导体检测器15在+50℃的温度下操作，这将对应于最大温度限制，并且由于其整个功率的转化，其温度将从该数值上升45℃，半导体检测器15内的温度仍将下降到低于极限值130℃，这是温度级别4所要求的。
这就表示测量单元7能够用在易于爆炸区域中，除了与本安的点火防护级别相关的措施之外，不需要其它点火防护级别的另外措施。由于这个原因，能够以非常紧凑并且成本有效的方式制造测量单元7。除此之外，其能够非常简单并且安全地进行安装。
通常，两个或多个半导体检测器15也可以经由相应的连接线9相互平行地连接到上级单元11，并且由上级单元11供应能量。由于通过上级单元11的一个单个的本安供电确保了本安，在这种情况下不需要额外的防爆措施。仅必须遵循根据IEC60079-11的用于本安设计的规则。
图2示出了根据本发明的辐射度测量设备的一种替代的示例性实施例。假定大部分对应于图1中描述的示例性实施例，下面将仅解释说明存在的区别。除此之外，参照图1的描述。
不同于图1中示出的示例性实施例，这里，经由设置在半导体检测器15和上级单元11之间的本安附加电路17进行半导体检测器15的供电。结合上面详细描述的示例，根据点火防护级别Ex ia IIC T4设计的附加电路17是特别适合的。附加电路17通过连接线19例如双芯安装电缆连接到上级单元11，通过它以本安方式进行供电。此外，附加电路17通过连接线21例如同轴传输线连接到半导体检测器15，并且影响所述检测器的本安供电。在该实施例中，半导体检测器15的侧面上的最大输入值由附加电路17的最大输出电压、最大输出电流和最大输出功率提供。这些在数量方面等同于用于直接供给上级单元11的先前指定的值。
附加电路17可以在易于爆炸区域中操作，正如半导体检测器15一样。除了对应于本安的点火防护级别的措施之外，这里也不需要其它点火防护级别的另外措施。
图3示出了根据本发明的测量设备的一种另外的实施例。它与在图1和2中示出的示例性实施例的不同之处在于，以无线方式实现测量单元7的供电，并且半导体检测器15需要少得多的操作功率。出于这个原因，测量单元7配备有连接到半导体检测器15或者集成在其中的RFID应答器23。这里，上级单元11’被配置为RFID读取设备，通过该设备，以无线且本安的方式为测量单元7供电并且读取测量单元7的测量结果。由RFID读取设备提供到半导体检测器15的电源在这里同样具有这种低数值，从而维持点火防护级别“本安”。同样，在该实施例中，除了本安的点火防护级别之外，在测量单元7中不需要其它点火防护级别的另外措施。
尽管这里相对于国际电气技术会议的防爆标准描述了本发明，但是根据本发明的测量设备的用途不局限于这些标准的范围。相同的或相似的规则也应用在本安的其它的国家标准和规范中，所以本发明也可以用在相应国家中。
1 填料
3 容器
5 放射性发射器
7 测量单元
9 连接线
11 上级单元
11’ 上级单元
13 闪烁体
15 半导体检测器芯片
17 附加电路
19 连接线
21 连接线
23 RFID应答器

Claims (5)

1.一种用于在易于爆炸区域中执行测量的辐射度测量设备，具有：
测量单元(7)，所述测量单元(7)可用在易于爆炸区域中，具有：
闪烁体(13)，所述闪烁体(13)将入射的放射性辐射转化为光子，以及
半导体检测器(15)，所述半导体检测器(15)连接到所述闪烁体(13)并且能够借助于本安电源而被操作，且度量学地捕获在所述闪烁体(13)中产生并到达所述半导体检测器(15)的光子，以及将所述光子转化为电测量信号，
其中提供了专门与本安的点火防护级别相关的测量单元防爆措施，以及
上级单元(11，11’)，所述上级单元(11，11’)被设置在所述易于爆炸区域的外面并且被连接到所述测量单元(7)，
在测量操作期间，所述上级单元用作所述测量单元(7)尤其是所述半导体检测器(15)的本安供电。
2.根据权利要求1所述的辐射度测量设备，其中
所述半导体检测器(15)是所述测量单元(7)中设置的唯一电气部件，在测量操作期间需要被供电，并且
在所述测量单元(7)内设置了仅一个所述本安点火防护级别的防爆措施，所述措施由所述半导体检测器(15)构成，所述半导体检测器(15)是能够通过本安电源供电的半导体检测器芯片。
3.根据前述权利要求之一所述的辐射度测量设备，其中
所述半导体检测器(15)是具有一个或若干个并联的光敏单元的半导体检测器芯片，
所述光敏单元配备有光电二极管，尤其是以盖革模式操作的雪崩光电二极管，并且
所述光电二极管具有小于30V尤其是小于20V的低击穿电压，并且
所述半导体检测器(15)能够以相应的低操作电压尤其是低于30V的操作电压操作。
4.根据前述权利要求之一所述的辐射度测量设备，其中
在所述半导体检测器(15)和所述上级单元(11)之间设置本安附加电路(17)，
所述附加电路(17)通过所述上级单元(11)以本安方式供电，并且
所述附加电路(17)用作所述半导体检测器(15)的本安电源。
5.根据权利要求1所述的辐射度测量设备，其中
所述上级单元(11’)到所述半导体检测器(15)的连接是无线连接，
所述测量单元(7)配备有连接到所述半导体检测器(15)或者集成在其中的RFID应答器(23)，并且
所述上级单元(11’)被配置为以本安方式无线地为所述测量单元(7)供电的RFID读取设备。
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