CN109073446A - 柔性的核液位感测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量产品在箱(32)中的液位的核液位感测仪(30)。所述感测仪包括：位于箱内的产品附近的核辐射源(36)和壳体(34)；第一闪烁体(40)，设置在壳体(34)中、与箱(32)中的产品相邻、并与核辐射源(36)相对。来自源(36)的核辐射穿过箱(32)并撞击到第一闪烁体(40)上，其产生闪烁光。光导(44)将闪烁光从第一闪烁体(40)传送到光感测电路(12)。光导(44)通过气隙耦合到第一闪烁体(40)。光导(44)响应于来自第一闪烁体(40)的闪烁光的吸收而产生闪烁的闪光。光感测电路(12)收集来自光导(44)的闪光，以提供箱中辐射吸收产品的液位的表示。

Description

柔性的核液位感测仪

技术领域

本发明涉及辐射能量，并且更具体地，涉及在液位感测仪中使用辐射能量。

背景技术

在许多工业环境中，有必要检测储罐或箱中的产品的液位。液位传感器通常附接到储罐或箱，并且电连接到控制室或其他中心位置处的远程测量仪，其中技术人员或控制系统可以监控箱的状态以提供适当的过程控制。已经开发了用于液位感测的各种技术。这些技术包括使用浮子或落锤的各种接触感测技术，以及各种非接触技术，例如从箱中的产品表面反射电磁辐射或超声波振动，以确定产品的高度。在某些应用中，将传感器远离产品移动尤为重要。例如，在要对钢或矿石的热熔液的液位进行液位感测的铸造厂中，特别重要的是，保持液位传感器与热熔液的安全距离。在这些应用中，使用核液位感测仪。

在核液位感测仪中，核辐射源位于待进行液位感测的箱的一侧。核辐射检测器放置在箱的相对侧。离开核辐射源的辐射为宽的、通常垂直分散的波束的形状，该波束指向箱的内部。箱中的产品基本上吸收撞击(impinge)在其上的辐射。然而，如果箱没有装满产品，则来自核辐射源的辐射束的一部分穿过箱并且从辐射源辐射到箱的相对侧上的辐射检测器。因为箱中的产品基本上吸收撞击在其上的辐射，从而减少了通过箱的辐射束的量，所以刺激辐射检测器的辐射量与箱中的产品量成反比。到达检测器的辐射在检测器中产生闪烁的闪光。闪光的次数与入射辐射的强度成正比。高灵敏度的光传感器将闪光转换为电脉冲，电脉冲由电子设备进行放大和评估，以生成箱中的产品量的测量值。

传统上，核液位感测仪使用细长的闪烁晶体作为辐射检测器。当暴露于来自辐射源的核辐射时，闪烁晶体产生光子。产生的光子数量与撞击在晶体上的辐射量有关。用作光传感器的光电倍增管(PMT)耦合到晶体的一端。PMT检测从闪烁晶体发出的光子，并产生指示撞击在晶体上的辐射量的信号，并因此产生箱中产品的液位。这种类型的传感器在美国专利No.3,884,288、4,481,595、4,651,800、4,735,253、4,739,819和5,564,487中进行了讨论。

还开发了核液位感测仪，其利用一束一根或更多根闪烁纤维作为辐射检测器来代替闪烁晶体。闪烁纤维束可以直接耦合到PMT，或者经由光导耦合到PMT，这允许PMT和放大电子器件定位成远离纤维束。与使用闪烁晶体的测量仪相比，闪烁纤维的使用在成本、性能和易用性方面以及尺寸和灵敏度方面得到显著改善。具体地说，与闪烁晶体相比，闪烁纤维重量轻，可以容易地盘绕以便运输，并且容易切割成所需的长度。闪烁纤维可以容易地弯曲以匹配特定箱的曲率，而晶体是刚性的并且难以定制制造。此外，闪烁纤维具有比晶体更好的内部反射特性，这意味着纤维闪烁检测器可以制造得更长，损耗比晶体闪烁检测器更少。最后，一束一根或更多根纤维可以具有比相应的晶体明显更小的热容量，这意味着纤维束更容易冷却。

不幸的是，当制造成较长长度时，晶体和纤维两者都表现出光强度损失。图1示出了作为从闪烁源通过介质行进距离的函数的光强度的衰减，以及介质的“衰减长度”L(1/e)的定义，其被定义为在光强度降低到原来其强度的1/e之前，光通过介质可以传输的距离。纤维束通常具有约2.5米的衰减长度。从图1的光强度对(vs.)行进距离的曲线可以看出，光损失在长于衰减长度的距离处相对严重，并且是非线性的。然而，纤维束和晶体已经以长距离在商业上使用，对于晶体长达10英尺，对于纤维束长达12英尺或更长。晶体实际上限于大约10英尺长度，因为难以制造更长尺寸的条。纤维实际上不受制造约束的限制，但受到用于制造纤维的聚苯乙烯介质的衰减长度的约束。

面对有限长度的闪烁晶体的工程师已经创建了使用多晶体进行液位感测的串行装置。图2示出了这种典型的现有技术布置，其中，多个闪烁晶体14以串联方式放置在与辐射源S相对的箱附近，每个晶体刺激光电倍增管12，光电倍增管12耦合到电子放大器10。各种放大器10的输出然后耦合到求和电子器件20。每个晶体14的长度小于晶体介质的衰减长度，但是串联定位的晶体具有可以显著大于衰减长度的总长度Lt。图3示出了晶体14的替选的串行布置，其已经用于想要使光电倍增管12远离晶体14移动的装置中。在这种布置中，光导18将来自每个晶体14的光耦合到每个PMT 12。如图2所示，晶体通常被切割成小于晶体介质的衰减长度的长度，但具有可以显著更长的总长度Lt。虽然图2和图3中所示的布置便于更长长度的应用，但这些测量仪非常复杂且昂贵，这是因为复制PMT 12和电子器件10，以及对求和电子单元20的要求。

为了克服现有核液位感测仪的问题、成本和复杂性，申请人在美国专利申请序列No.13/798,179中公开了使用具有多个闪烁体的核液位感测仪，其以串联方式定位成与箱中的产品相邻。闪烁体位于箱的与核源的相对侧。如其中所述，并且如图4所示，液位感测仪使用多个光导18将来自闪烁体(晶体14或纤维束16)的光耦合到公共的光传感器或PMT 12，以便公共的光传感器检测两个或多个闪烁体中产生的光。因此，在闪烁体中产生的光子的数量由单个光传感器测量，产生箱中辐射吸收产品的测量值，而没有如在先前的测量仪中那样的多个PMT和放大电子器件的高成本和复杂性。

虽然使用单个公共的光传感器大大降低了液位感测仪的成本和复杂性，但是图4中所示的测量仪中的晶体14和光导18的刚度可能限制测量仪相对于具有弯曲或复杂形状的箱或容器的可用位置。迄今为止，测量仪通常被封装在刚性壳体中，例如不锈钢，以提供保护以免受恶劣操作条件的影响，并防止闪烁体、光导和光传感器之间的光学耦合中的移动或变形。另外，在现有的测量仪中，闪烁体和光导之间需要紧密接触。需要这种耦合接触，以便于收集尽可能多的闪烁闪光，同时减少光学界面处的损耗。光导已经粘合或以其他方式牢固地固定到闪烁体上，以光学耦合闪烁体和光导。然而，由于许多核感测仪应用的恶劣操作环境，紧密、耐用的接触耦合可能难以在现场组装。另外，光路中的接触耦合可能由于移动或恶劣环境而随时间恶化，从而不利地影响测量仪的操作。

测量应用还可以规定更柔性的测量仪，以使测量仪符合被测量的箱或容器的曲率。例如，可能希望测量仪沿着容器的外部螺旋下降，以便更精确地测量容器的内容物。虽然已经开发出具有一定程度柔性的测量仪，但由于需要保持闪烁体和光导之间的耦合接触，这种柔性受到限制。现有的测量仪已经尝试将闪烁体和光导通过气隙耦合，但是气隙可能充满水并冻结，导致光的折射和输出的损失。因此，为了容纳各种形状的容器，同时保持高灵敏度轮廓，期望具有柔性提高的核液位感测仪，其可以在三个维度上弯曲，以使测量仪符合产品箱或容器的形状。另外，期望具有这样的核液位感测仪，其不需要闪烁器和光导之间的耦合接触，以便将来自闪烁检测器的光传输到光传感器。

发明内容

本文所述的核液位感测仪通过将闪烁纤维的柔性与低成本的塑料闪烁晶体相结合，改进了现有测量仪，从而提供了一种更长的、柔性的线性液位检测器，其可与单个公共的光传感器和电子设备相接口。在本文所述的测量仪中，柔性的闪烁纤维用作光导，其用于将来自第一(primary)闪烁体的伽马辐射产生的闪烁传输到公共的光传感器，所述第一闪烁体可以是闪烁晶体或闪烁纤维。本文所述的测量仪将所有闪烁组件合并到柔性壳体中，该壳体在恶劣的操作条件下提供保护、将环境光密封在外、并允许测量仪被操纵并保持在弯曲位置。

特别地，在第一方面，提供核液位感测仪，其用于测量产品在箱中的液位。测量仪包括位于箱中产品附近的核辐射源。第一闪烁体位于壳体中，与箱中的产品相邻并且与核辐射源相对。来自源的核辐射穿过箱并撞击在第一闪烁体上，使第一闪烁体产生闪烁光。该测量仪还包括用于检测光和光导的光感测电路。闪烁光通过空气耦合在第一闪烁体和光导之间传输。光导将闪烁光从第一闪烁体传送到光感测电路。光感测电路检测并测量来自光导的光，以提供辐射吸收产品在箱中的液位的表示。

在第二方面，提供一种用于测量产品在箱中的液位的核液位感测仪。所述感测仪包括：核辐射源，位于箱内产品附近。多个闪烁晶体在壳体中以串联方式间隔开，与箱中的产品相邻并与核辐射源相对。每个闪烁晶体具有形成于其中的管道。来自源的核辐射撞击在一个或更多个晶体上，使得晶体产生闪烁光，晶体的量取决于箱中的产品。感测仪还包括用于检测光的公共的光传感器和多个闪烁纤维，其具有纵向长度和连接到光传感器的公共端。晶体沿闪烁纤维的长度间隔开，闪烁纤维响应于吸收来自晶体的闪烁光而发射光。所发射的光通过纤维传送到公共的光传感器。公共的光传感器检测所发射的光，以提供箱中辐射吸收产品的液位的表示。

在第三方面，提供了一种用于测量产品在箱中的液位的方法。该方法包括：将核辐射源定位在箱内的产品附近；将第一闪烁体定位在壳体内部，壳体与箱中的产品相邻并与核辐射源相对，使得来自源的核辐射撞击在第一闪烁体上，导致第一闪烁体产生闪烁光；该方法还包括：提供延伸通过壳体的光导，光导通过气隙耦合到第一闪烁体，用于吸收闪烁光并响应于此而发射光。该方法还包括：收集来自光导的所发射的光以及使用所收集的光来提供箱中辐射吸收产品的液位的表示。

根据附图及其描述，本发明的目的和优点将变得更加明显。

附图说明

从以下附图和具体实施方式中，本发明的上述优点和特征及其实施例将进一步显而易见，其中：

图1示出了作为距光源的距离的函数的光强度通过介质的损失，以及衰减长度L(1/e)的定义；

图2示出了现有技术的核液位感测仪，其使用以串联方式布置的多个闪烁晶体；

图3示出了现有技术的核液位感测仪，其使用以串联方式布置的多个闪烁晶体，以及光导，用于将光子从晶体传送到多个远程光电倍增管和放大电子器件；

图4示出了现有技术的核液位感测仪，其使用多个闪烁体，所述闪烁体布置有光导，所述光导将光子耦合到公共的光电倍增管和放大电子器件；

图5A是用于测量容器中的产品液位的储存容器和核液位感测仪的示意图；

图5B是沿着线5B-5B截取的图5A的储存容器和核液位感测仪的横截面图；

图6是本发明的核液位感测仪的辐射检测方案的示意性横截面图；

图7A是核液位感测仪的第一示例性实施例的侧面剖视图；

图7B是图7A的核液位感测仪的实施例的侧面剖视图，示出了处于弯曲状态的感测仪；

图8是用于图7A中所示实施例的第一闪烁晶体和波导纤维的更详细的侧面剖视图；

图9是沿图8的线9-9截取的、图8的第一闪烁晶体和光导纤维的横截面图；

图10是在拆卸位置中示出的一对第一闪烁晶体和连接器的更详细的侧视图；

图11是在分解的拆卸位置示出的在壳体的近端处的安装凸缘的更详细的侧视图；

图12是第一核液位感测仪实施例的侧面剖视图，描绘了第一闪烁晶体之间的可变间距；

图13是类似于图12的更详细的侧面剖视图，描绘了多个第一闪烁晶体之间的可变间距和晶体之间的管间隔物；

图14A是核液位感测仪的第二示例性实施例的侧面剖视图；

图14B是图14A的核液位感测仪的侧面剖视图，示出了处于弯曲状态的感测仪；

图15是核液位感测仪的第三示例性实施例的侧面剖视图，描绘了第一闪烁纤维束的可变厚度；

图16是替代的包覆光纤的一部分的透视图；以及

图17A是用于液体第一闪烁体的替代液位感测仪实施例的侧面剖视图；以及

图17B是用于自由流动的固体第一闪烁体的替代液位感测仪实施例的侧面剖视图。

具体实施方式

现在参考附图，其中相同的附图标记在整个视图中表示相同的元件。图5A和图5B示出了核液位感测仪30的第一实施例，其示出为附接到容器或箱32，用于测量箱中产品的液位。感测仪30包括壳体34，壳体34包围感测仪的闪烁组件。壳体34是细长管，其可选地由柔性材料形成，柔性材料具有足够的弹性以为闪烁组件提供保护，免受恶劣操作条件的影响。壳体34还防止环境光透入感测仪30。用于壳体34的合适材料的例子包括具有橡胶化外壁的波纹状不锈钢管和用于磨损保护的编织尼龙。壳体34在箱的与辐射源36相对的一侧上附接到箱32的外部。在所示的测量应用中，两个辐射源36用于容纳更长长度的感测仪30。然而，任何数量的辐射源可以与感测仪30一起使用，这取决于容器尺寸、测量范围、灵敏度分布曲线(sensitivity profile)和测量应用的其他要求。

现在参照图6，在下面描述的实施例中，来自第一闪烁体40的光使用光导44耦合到公共的光传感器12，光导44可以由一根或更多根闪烁纤维组成。在典型的应用中，光导44可包括具有大约50根闪烁纤维的束。第一闪烁体40响应于来自辐射源36的入射电离伽马辐射50而产生闪烁光46。在第一实施例中，光导纤维44可由PVT或聚苯乙烯材料构成。在该实施例中，来自第一闪烁体40的闪烁光被光导闪烁纤维44吸收，光导闪烁纤维44又产生闪烁光52的光子，如图6所示。第一闪烁体40响应于吸收来自源36的入射伽马辐射而产生UV光子。光导纤维将来自第一闪烁体40的UV辐射转换成蓝色和/或绿色光谱中的光子。尽管未示出，但是光导纤维44还可以从任何直接入射在光导纤维上的伽马辐射粒子50产生闪烁光。光导闪烁光的一部分将被捕获在光导纤维44内，并使用光导纤维的全内反射(TIR)特性传输(如54所示)到光传感器12以进行收集。

在第二实施例中，光导纤维44可以由一根或更多根光纤58构成，如图16所示。在该实施例中，光纤58可以由包覆的丙烯酸或聚苯乙烯材料构成。光纤58包括中心芯部62和周向围绕芯部的基本上环形的外包覆层66。芯部62由纯净的(clear)(未掺杂的)聚苯乙烯构成，或者替代地，由纯净的(未掺杂的)PMMA(丙烯酸)构成。包覆层66由用荧光染料进行染料掺杂的聚苯乙烯或丙烯酸构成。包覆层66很薄，通常具有约5-10μm的厚度。用于掺杂包覆层的染料可以是蓝色、绿色、红色和黄色中的一种。

取决于具体应用，光纤58可以是任何长度。在液位感测仪中，由第一闪烁体40产生的UV粒子穿过短距离而穿过气隙以撞击在光纤58的外部包覆表面上。撞击的UV粒子被包覆层吸收并且波移到更低的能量、更长波长的光子。较长波长的光子(通常为蓝色)被捕获在芯部62中并通过芯部传输到光传感器12。将入射的UV光子移到纯净聚苯乙烯或丙烯酸纤维58的包覆表面处的蓝色和/或绿色光谱允许光子被传输更远距离到光传感器。光传感器12对光导纤维44内的闪光(光子)的数量进行计数，并将该数量转换成指示闪光次数的电脉冲，并因此将该数量转换为箱中产品的液位。如本文所述，公共的光传感器12可以是任何类型的已知的光感测电路和相关电子器件，包括光电倍增管(PMT)或光电二极管阵列。

在第一示例性实施例中，如图7A和图7B所示，核液位感测仪30包括混合固体晶体/纤维束闪烁体组件(assembly)，其中，多个固体闪烁晶体42形式的第一闪烁体与光导44组合，光导44由一根或更多根闪烁纤维组成。混合固体晶体/纤维束闪烁体组件利用单个公共的光传感器12在感测仪中提供更大的柔性，同时减轻与先前闪烁纤维束感测仪相关的衰减问题。在一个示例性应用中，第一闪烁晶体42是由聚乙烯基甲苯组成的塑料闪烁体，其响应于对来自辐射源36的伽马辐射的吸收而产生UV光(λ＝～380nm)。在该示例性应用中，光导纤维44由聚苯乙烯组成，其响应于吸收来自源36的γ辐射，或者吸收来自第一闪烁体42的闪烁UV光而产生蓝光(λ＝-425nm)。或者，如上所述，光导纤维44可以由PMMA(丙烯酸)芯部和染料掺杂的包覆层组成。在替代实施例中，第一闪烁体42也可以由聚苯乙烯构成，以释放蓝光光子，在由光传感器12检测之前，蓝光光子将被闪烁光导纤维吸收并波移成绿光光子。

如图7A和图7B所示，在该第一实施例中，第一闪烁体由沿壳体34的纵向长度的间隔开关系的多个单独的闪烁晶体42组成。如图8和图9更详细地示出的，每个闪烁晶体42包括开口56，光导纤维44延伸穿过开口56。每个开口56的直径大于光导纤维44的组合直径，从而在晶体的内径和光导纤维之间形成气隙。该气隙允许光导纤维44在开口56内以随机的纤维到纤维间距自由移动，如图9所示。

如图8-图11所示，在该实施例中，感测仪30还包括在第一闪烁晶体42之间延伸并连接第一闪烁晶体42的多个柔性管60。管60位于每个闪烁晶体42之间，以保持晶体之间的间距。管60可以由弹簧加强的PVC管或另一种类似的柔性材料制成，以允许管在壳体34内弯曲。光导纤维44穿过管60和壳体34内的闪烁晶体42。管60具有内径，这与闪烁晶体42中的开口56同轴，以使光导纤维44周围的气隙从晶体延续通过管。第一闪烁晶体42通过气隙耦合到光导纤维44，闪烁的闪光46穿过气隙，以撞击在光导纤维上。如图10所示，使用弹簧夹64将管60的每一端附接到相邻的闪烁晶体42。柔性管60允许闪烁晶体42系列随着壳体34的弯曲而多方向弯曲。如图11所示，管60中的第一个通过弹簧夹64附接到安装凸缘70。安装凸缘70将闪烁体组件的近端连接到感测仪壳体34。光导纤维44延伸穿过安装凸缘70。套圈72将光导纤维44的近端的公共端耦合到光传感器12。如图12所示，在距离安装凸缘70的间隔开的晶体42的相对端处，管60的最远端保持不附接地邻近于壳体34的闭合端部。将闪烁组件的远端保持不附接在壳体34内允许闪烁晶体42系列和管60随着壳体的弯曲而弯曲。

如图12和图13所示，闪烁晶体42之间的间距可以在壳体34内变化，以调节感测仪30的灵敏度分布曲线，从而优化线性性能。晶体42之间的各个管60的长度可以变化，以获得晶体之间所需的间距。特别地，可以通过在远离光传感器12的方向上减小管60的长度，来减小晶体42之间的间距，以便增加存在于距光传感器的距离增加处的闪烁介质的密度。在感测仪30的远端处的晶体42的更近的间距补偿了当光子通过光导纤维44行进更远距离时发生的衰减。可以基于容器几何形状和应用的测量范围来定制闪烁体组件中闪烁晶体的数量的选择以及各个晶体之间的间距的选择。

除了改变晶体之间的间距之外，随着距光传感器12的距离增加，各个晶体42的长度或质量可以增加。通过扩展各个晶体的纵向长度可以改变晶体42的质量，以增加闪烁晶体介质的总密度。晶体尺寸的增加使得更多的闪烁光在距光传感器12更远的距离处被吸收并传输到光导纤维44，从而增加了从光导纤维的远端传输到光传感器的光子的量(volume)。虽然在附图中示出了具有四到六个闪烁晶体的感测仪的示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在本文所述的感测仪的实施例中使用任何数量的闪烁晶体。所使用的闪烁晶体的数量、各个闪烁晶体的长度以及闪烁晶体之间的间距可以变化，具体选择取决于所需的感测仪的灵敏度分布曲线，以及具体箱或容器所需的总体测量范围。

图14A和图14B示出了感测仪30的第二示例性实施例。在该第二实施例中，第一闪烁体由一束闪烁纤维80组成。第一闪烁纤维80可以交织在光导纤维44之间(如图所示)，或以其他方式定位成通过壳体34内的开口或气隙在光导纤维之间延伸。第一闪烁纤维80和光导纤维44安装在壳体34内，以便允许纤维随着壳体的弯曲而在多个方向上弯曲和弯折，如图14B所示。特别地，第一闪烁纤维80具有公共端，该公共端附接到壳体34的远端附近的壳体端塞82，而第一纤维的相对端保持未附接。光导纤维44具有公共端，该公共端在壳体34的、与端塞82相对的端部处附接到安装凸缘70，用于将来自纤维的光耦合到光传感器12中。光导纤维44的相对的远端在壳体34的闭合端部处保持未附接。第一闪烁纤维80和光导纤维44在彼此之间延伸通过壳体34。在该实施例中，第一闪烁纤维80和光导纤维44可以与壳体34的弯曲和移动部分接触，但纤维之间的接触对于将光耦合在纤维之间以及将光传输到光传感器不是必需的。闪烁光46通过围绕纤维的气隙而耦合在第一闪烁纤维80和光导纤维44之间。

图15描绘了感测仪30的第三实施例，其中第一闪烁体是一束闪烁纤维80。在该实施例中，束中的第一闪烁纤维80的长度是变化的，以便改变感测仪30内的不同距离处的闪烁介质的密度。特别是，感测仪30包括具有不同厚度(即特定长度的纤维的数量)的纤维束。第一闪烁纤维束80的厚度在远离光传感器12的方向上增加，以便补偿在感测仪内的更大距离处的光导纤维44内发生的衰减。在远离光传感器12的方向上增加闪烁介质的密度，通过增加针对纤维上相同量的入射辐射50释放的闪烁光子的可能数量，来优化感测仪的线性响应。每入射辐射量释放的光子数量的增加，增加了在光导纤维44中传播的闪烁光的强度，使得能够以足够的强度检测到达光传感器12的光的最小阈值。在距光传感器12的距离增加处产生更多闪烁的闪光，改善了感测仪30的线性性能，因为它用于使从入射的辐射光束50沿着感测仪的长度能够产生的光子的数量相等。在图15所示的示例性实施例中，示出了第一闪烁纤维束80的三种不同厚度。然而，可以在感测仪30内使用更大或更小厚度的纤维束以优化感测仪的性能。

如图15所示，在第一闪烁纤维80和光导纤维44的未附接端部处设置扩展室，针对第一闪烁体纤维80如84处指示的，针对光导纤维44如86处指示的。扩展室84、86允许两组闪烁纤维在壳体内弯曲和弯折。第一闪烁纤维80和光导纤维44以非接触关系保持在壳体34内部，其中，闪烁光46通过围绕纤维的气隙耦合在第一闪烁纤维80和光导纤维44之间。

光导纤维44延伸穿过引导管90，引导管90在第一闪烁纤维80内居中，以将光导纤维保持在相对于第一闪烁纤维的居中位置，并使光导纤维最大限度地暴露于闪烁灯46。套管92可以并入到壳体34中，以围绕第一闪烁纤维束80的外部。引导管90和套管92两者都由柔性材料构成，使得引导管和套管可以在壳体34内随着闪烁体组件自由地弯曲。在上述实施例中，第一闪烁体(晶体和纤维束两者)被改变尺寸以使得没有一个闪烁体比闪烁体介质的衰减长度更长。通过提供多个纵向间隔的闪烁体晶体，或通过增加纤维束在纵向方向上的厚度，可以实现更长长度的感测仪。

本文描述的感测仪的实施例消除了对光路中的第一闪烁体和光导之间的接触耦合的需要，而是使得闪烁光传输通过感测仪壳体内的开放空间。由于产生不同波长的闪烁光，感测仪30能够使得光传输通过非接触耦合件，并且使得光从第一闪烁体通过第一闪烁体和光导纤维之间的波移而传输到光导闪烁纤维。来自第一闪烁体的闪烁光可以容易地穿过气隙并撞击在光导上，光导依次闪烁；利用光导中的闪烁光行进穿过光导纤维到达公共的光传感器。在本文所述的实施例中，各个闪烁体的尺寸和闪烁体之间的间距是可变的，并且可以被定制以优化感测仪的灵敏度和线性度。由于塑料闪烁体的更长的衰减长度(2.5至4米)，本文已经结合塑料闪烁体描述了液位感测仪。然而，无机闪烁体也可用于所述实施例中，条件是所发射的闪烁光适于在光导纤维中激发所需的发射光谱。

另外，液体闪烁体、自由流动的固体闪烁体和/或闪烁粉末可用作第一闪烁体，以代替液位感测仪中的固体塑料闪烁体。在用于感测仪31的液体闪烁体的实施例中，如图17A所示，液体闪烁体94被包含在管96内。在液体的实施例中，管96被气密密封，液体闪烁体94和光导纤维44可随着管内的温度自由膨胀和收缩，而无需波纹管。可选地，密封的管96可选地可以是柔性的，以允许管在用于柔性外壳实施例中时弯曲。光导纤维44在近端处被固定到光传感器12。光导纤维44的相对的远端在端塞82内居中，端塞具有足够的长度，以在所有操作条件下容纳光导纤维。光导纤维44可以在端塞82内自由移动。端塞82包括带倒钩的配件(未示出)，用于添加闪烁材料或从管96去除闪烁材料，以及抽空空气和/或添加惰性气体。液体闪烁材料通常占据管96的大部分体积，并保持管中足够的空隙以适应热尺寸变化。闪烁材料的质量在管96内保持恒定，但尺寸可随温度变化。管96是气密密封的，以防止氧气渗入管以及降低液体闪烁体的功效。管96可以由盘绕的橡胶或类似材料构成，管96一端密封到端塞82，第二端密封到安装凸缘70。外感测仪壳体34包围密封的管96，并且一端附接到光电倍增管壳体，第二端附接到端塞82。

在一个替代实施例中，自由流动的固体闪烁材料98可以用作第一闪烁体，如图17B中的感测仪33所示。在该实施例中，自由流动的固体闪烁材料98由粒子或球粒(pellet)组成，粒子或球粒可以具有不同的尺寸和形状，例如球形或圆柱形，并且可以由聚苯乙烯或类似材料构成。闪烁的颗粒可以保留在容器中，例如图17B中所示的管96。在自由流动的固体实施例中，管96可以是柔性的或刚性的，并且不需要气密密封。相对于管来设定颗粒的尺寸，以使自由流动的颗粒能够倒入管中。在容器内部，闪烁的颗粒围绕光导纤维44，以将闪烁光从颗粒传递到纤维。除了管之外，可以使用替选容纳结构(柔性或非柔性的)来保持自由流动的闪烁颗粒。

另外，在闪烁体粉末实施例中，闪烁体粉末可以包含在诸如管96的结构内。在粉末实施例中，管不需要气密密封，并且可以是或可以不是柔性的，这取决于闪烁体是否将用于柔性感测仪壳体。

已经结合若干实施例描述了本发明，并且已经相当详细地阐述了这些实施例中的一些。然而，本发明的范围不受这些实施例的限制，这些实施例被呈现为示例性的而非排他性的。要求保护的本发明的范围由以下权利要求阐述。

Claims (40)

1.一种核液位感测仪，用于测量产品在箱中的液位，所述感测仪包括：

核辐射源，位于所述箱内的所述产品附近；

壳体；

第一闪烁体，设置在所述壳体中、与所述箱中的所述产品相邻、并与所述核辐射源相对，来自所述源的核辐射穿过所述箱并撞击到所述第一闪烁体上，使所述第一闪烁体产生闪烁光；

光感测电路，用于检测光；以及

光导，用于将所述闪烁光从所述第一闪烁体传送到所述光感测电路，所述闪烁光通过空气耦合在所述第一闪烁体和所述光导之间传输，所述光导响应于吸收来自所述第一闪烁体的所述闪烁光而发射光，所述光感测电路收集来自所述光导的所发射的光，以提供所述箱中辐射吸收产品的液位的表示。

2.根据权利要求1所述的核液位感测仪，其中，所述光导延伸穿过所述第一闪烁体中的气隙。

3.根据权利要求2所述的核液位感测仪，其中，所述光导还包括多个闪烁纤维，所述纤维响应于吸收来自所述第一闪烁体的所述闪烁光而发射光。

4.根据权利要求3所述的核液位感测仪，其中，所述光感测电路是单个光收集传感器。

5.根据权利要求4所述的核液位感测仪，其中，所述单个光收集传感器是光电倍增管。

6.根据权利要求3所述的核液位感测仪，其中，所述光导纤维的第一端连接到所述光感测电路，并且所述光导纤维的第二端在所述壳体内未附接地延伸。

7.根据权利要求6所述的核液位感测仪，其中，所述壳体由柔性材料构成，并且所述壳体、第一闪烁体和光导纤维能够弯曲到并保持三维位置。

8.根据权利要求3所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁体由有机闪烁体组成，所述光导纤维由聚苯乙烯或具有掺杂包覆层的丙烯酸组成。

9.根据权利要求4所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁体包括一束闪烁纤维。

10.根据权利要求4所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁体包括多个闪烁晶体。

11.根据权利要求10所述的核液位感测仪，其中，所述多个晶体沿着所述壳体的纵向长度处于间隔开的关系。

12.根据权利要求11所述的核液位感测仪，其中，所述多个晶体之间的间距是可变的。

13.根据权利要求12所述的核液位感测仪，其中，晶体之间的间距随着距所述光感测电路的距离的增加而减小。

14.根据权利要求13所述的核液位感测仪，其中，所述光导纤维在所述壳体内纵向延伸，穿过形成在所述多个晶体中的每个晶体中的气隙。

15.根据权利要求9所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁纤维束的厚度是可变的，其中，所述束的厚度随着距所述光传感器的距离的增加而增加。

16.根据权利要求15所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁纤维束的一端附接到所述壳体，并且其中，所述光导纤维在所述第一闪烁纤维束内纵向延伸。

17.一种用于测量产品在箱中的液位的核液位感测仪，包括：

核辐射源，位于所述箱内的所述产品附近；

壳体；

多个闪烁晶体，在壳体中以连续方式间隔开，与所述箱中的所述产品相邻并与所述核辐射源相对，每个所述闪烁晶体具有形成于其中的开口，来自所述源的核辐射以一定量撞击到一个或更多个所述晶体上，所述量取决于所述箱中的所述产品，所述晶体响应于撞击的辐射而产生闪烁光；

光传感器，用于检测光；以及

多个闪烁纤维，其纵向长度延伸穿过所述晶体中的开口，所述晶体沿所述纤维的长度间隔开，所述多个纤维具有连接到所述光传感器的公共端，所述纤维响应于吸收来自所述晶体的闪烁光而发射光，所发射的光通过所述纤维传送到公共的光传感器，所述公共的光传感器收集所发射的光，以提供所述箱中辐射吸收产品的液位的表示。

18.根据权利要求17所述的核液位感测仪，其中，所述壳体是柔性的，并且所述多个闪烁晶体和所述多个闪烁纤维弯曲能够与所述壳体一起在三个维度上弯曲。

19.根据权利要求18所述的核液位感测仪，其中，所述多个闪烁纤维延伸穿过所述晶体中的气隙。

20.根据权利要求19所述的核液位感测仪，还包括沿着所述闪烁纤维的长度、在所述多个晶体之间的可变间距。

21.一种用于测量产品在箱中的液位的方法，包括：

将核辐射源定位在所述箱内的所述产品附近；将第一闪烁体定位在壳体内部，所述壳体与所述箱中的所述产品相邻并与所述核辐射源相对，使得来自所述源的核辐射穿过所述箱并撞击到所述第一闪烁体上，导致所述第一闪烁体产生闪烁光；

在所述壳体内设置光导，所述光导通过气隙耦合到所述第一闪烁体，用于吸收所述闪烁光并响应于此而发射光；以及

收集来自所述光导的所发射的光；以及

使用所收集的光来提供所述箱中辐射吸收产品的液位的表示。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述光导包括一束闪烁纤维，所述闪烁纤维在相对于所述第一闪烁体的气隙内延伸。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所发射的光由公共的光传感器收集。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述公共的光传感器是光电倍增管。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述壳体是柔性的，并且所述第一闪烁体和所述光导纤维束能够与所述壳体一起在三个维度上弯曲。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一闪烁体包括多个闪烁晶体。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述第一闪烁体包括一束闪烁纤维。

28.一种柔性的核液位感测仪，用于使用位于箱内的产品附近的核辐射源来测量所述产品在所述箱中的液位；所述感测仪包括：

柔性壳体，附接到所述箱，与所述核辐射源相对；

多个第一闪烁体，设置在所述壳体中，用于响应于吸收来自所述源的核辐射而产生闪烁光；

光传感器，用于检测光并将光转换成指示所述产品在所述箱中的液位的电脉冲；以及

多个光导纤维，在所述壳体内的所述第一闪烁体内延伸，所述多个光导纤维在公共端附接到所述光传感器，所述多个闪烁体和光导纤维能够与所述柔性壳体一起在三个维度上弯曲。

29.根据权利要求28所述的柔性的核液位感测仪，其中，所述多个第一闪烁体包括在所述壳体内处于间隔关系的闪烁晶体。

30.根据权利要求28所述的柔性的核液位感测仪，其中，所述多个第一闪烁体包括在所述壳体中纵向延伸的闪烁纤维，所述纤维包括可变尺寸的束。

31.根据权利要求1所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁体包括闪烁液体。

32.根据权利要求1所述的核液位感测仪，其中，所述第一闪烁体包括自由流动的固体闪烁材料。

33.根据权利要求1所述的核液位感测仪，其中，所述光导包括芯部和包覆层。

34.根据权利要求33所述的核液位感测仪，其中，所述光导还包括包覆有染料掺杂包覆层的丙烯酸芯部。

35.根据权利要求33所述的核液位感测仪，其中，所述包覆层包括这样的材料，所述材料将来自所述第一闪烁体的UV闪烁光波移到蓝色和/或绿色光谱，以传输到所述光感测电路。

36.根据权利要求21所述的方法，其中，所述光导由具有染料掺杂包覆层的丙烯酸芯部构成，并且所述方法还包括以下步骤：

波移来自所述包覆层中的所述第一闪烁体的闪烁光；

捕获所述芯部中的所波移的光；以及

将所收集的光传送到光传感器。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述波移的步骤还包括将来自所述UV光谱的闪烁光移位到所述蓝色和/或绿色光谱中的光。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述波移的光被捕获在所述光导芯部中，并作为蓝光传送到所述光传感器。

39.一种核液位感测仪，用于测量产品在箱中的液位，所述感测仪包括：

核辐射源，位于所述箱内的所述产品附近；

壳体；

自由流动的固体第一闪烁体，设置在所述壳体内、与所述箱内的所述产品相邻、并与所述核辐射源相对，来自所述源的核辐射穿过所述箱并撞击到所述第一闪烁体上，使所述第一闪烁体产生闪烁光；

光感测电路，用于检测光；以及

光导，用于将所述闪烁光从所述第一闪烁体传送到所述光感测电路，所述闪烁光通过空气耦合在所述第一闪烁体和所述光导之间传输，所述光导响应于吸收来自所述第一闪烁体的闪烁光而发射光，所述光感测电路收集来自所述光导的所发射的光，以提供所述箱中辐射吸收产品的液位的表示。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一闪烁体包括掺杂的聚苯乙烯粒子。