DE10132267A1

DE10132267A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte / des Dichteprofils und/oder Füllstands

Info

Publication number: DE10132267A1
Application number: DE10132267A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Damm
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gammadetektor (1) für die Füllstands- oder Dichtemessung. DOLLAR A Der Gammadetektor (1) weist eine Sendeeinheit (4) und eine stabförmige Empfangseinheit (5) für radioaktive Strahlung auf. In jedem Endbereich (6, 7) der Empfangseinheit (5) ist jeweils eine Detektoreinheit (8, 9) vorgesehen. Eine Regel-/Auswerteeinheit (14) bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen eines Meßimpulses, der von einem Gammaphoton in der Empfangseinheit (5) erzeugt wird, in jeder der beiden Detektoreinheiten (8, 9) und ermittelt die Amplitude und/oder die Pulsbreite eines jeden Meßimpulses. Anschließend korrigiert sie die gemessene Zeitdifferenz anhand der ermittelten Werte. Aus einer Vielzahl von korrigierten Meßimpulsen wird anschließend ein Intensitätsprofil entlang der Empfangseinheit erstellt und anhand des Intensitätsprofils wird der Füllstand (F) bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine auf radiometrischer Basis arbeitende Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte/des Dichteprofils und/oder des Füllstands zumindest eines Mediums in einem Behälter oder in einer Rohrleitung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ebenfalls geeignet zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massendurchsatzes eines Mediums auf einem Förderband oder in einer Rohrleitung. Die Erfindung kann auch für die Messung/Überwachung eines Übergangs zwischen zwei Medien, z. B. Wasser und Öl verwendet werden.

In der industriellen radiometrischen Meßtechnik wird z. B. zur Bestimmung des Füllstands in einem Behälter oder der Dichte in einer Rohrleitung die Intensität der Strahlung einer radioaktiven Strahlenquelle gemessen, nachdem diese den Behälter oder das Rohr durchdrungen hat. Die Strahlung wird in einer Empfangseinheit, insbesondere einem Szintillator, detektiert. Sie erzeugt dort pro Zeiteinheit eine gewisse Anzahl von Lichtblitzen bzw. Impulsen, wobei die Anzahl um so größer ist, je geringer die Wechselwirkung der Strahlung mit dem im Behälter bzw. im Rohr befindlichen Medium ist. Daher liefert die Anzahl der in der Empfangseinheit detektierten Impulse ein Maß für den Füllstand oder die Dichte des durchstrahlten Mediums.

Ein großes Problem bei dem radiometrischen Meßverfahren ist darin zu sehen, daß eine veränderliche Hintergrundstrahlung die Meßwerte stark beeinflußt. Eine derart veränderliche Hintergrundstrahlung entsteht sehr häufig im Rahmen der zerstörungsfreien Materialprüfung. Diese Prüfung erfolgt durch Röntgen des zu untersuchenden Materials und ist z. B. für die Überprüfung von Schweißnähten an Druckleitungen zwingend vorgeschrieben. Da diese Leitungen für die Prüfung nicht demontiert werden können - um sie nachfolgend in einen abgeschirmten Bereich untersuchen zu können - stören diese Untersuchungen zwangsläufig die radiometrischen Meßsysteme, die sich in der nähreren und ferneren Umgebung befinden.

Zwar sind die meisten Systeme in der Lage, das Einschalten einer derartigen Störquelle durch den sprunghaften Anstieg der Impulsrate oder durch das Ansteigen der Impulsrate auf Werte oberhalb des eingestellten Meßbereichs zu erkennen; sie können aber nicht zuverlässig das Abschalten der Störquelle erkennen, da sich infolge einer tatsächlichen Änderung der zu messenden Prozeßgröße mittlerweile ja auch durchaus die eigentliche Impulsrate geändert haben kann. Hier behilft man sich bislang damit, daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit die Messung automatisch wieder aktiviert wirrd; in der Zwischenzeit wird der letzte gültige Meßwert kontinuierlich ausgegeben.

Aus der DE 197 22 837 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Dichteprofils in einem Wasser/Öl-Separator bekannt geworden. Bei dieser Ausgestaltung werden mehrere Strahlungsquellen übereinander angeordnet, wobei die Strahlung der Strahlungsquellen den Behälter und das sich darin befindliche Medium durchdringt. Die Strahlung wird mittels eines langen Szintillators detektiert. Die in dem Szintillator entstehenden Lichtblitze breiten sich in beide Richtungen des Szintillators aus und werden in den Endbereichen von Photodetektoren in elektrische Signale umgewandelt. Mit einer Zeitmessung wird die Zeit zwischen den beiden Impulsen gemessen. Da die Lichtintensität exponentiell mit dem Abstand zwischen dem Ort der Entstehung eines Lichtblitzes und dem Photodetektor abnimmt, werden über eine zeitlich exponentiell abnehmende Diskriminatorschwelle nur die stärksten Lichtblitze ausgewertet, welche aufgrund des Photoeffekts der Gammaphotonen entstanden sind.

Der Nachteil der bekannten Lösung liegt einerseits in der hohen Anzahl der eingesetzten Strahlungsquellen und andererseits in der relativ schlechten Ortsauflösung, die nur durch den Einsatz einer Vielzahl von Strahlungsquellen und Szintillatoren gesteigert werden kann. Desweiteren müssen die Strahlungsquellen durch Kollimatoren voneinander abgeschirmt werden, damit die Ortsauflösung nicht infolge von Streustrahlung verschlechtert wird. Daher kann mit der bekannten Lösung nur eine relativ grobe Auflösung des Dichteprofils erreicht werden.

In der DE 198 47 555 A1 wird eine ähnliche Anordnung beschrieben, die die natürliche Hintergrundstrahlung auswertet. Die Homogenität der Hintergrundstrahlung führt zu einem kontinuierlichen Verlauf des Dichteprofils. Da die natürliche Hintergrundstrahlung in der Regel sehr gering ist, dauert es aber relativ lange, bis das Dichteprofil ermittelt werden kann. Auch bei dieser Anordnung wird zur Unterdrückung von Impulsen mit geringer Energie und zur Kompensation der exponentiell abnehmenden Amplitude eines Lichtimpulses mit der Entfernung zwischen der Entstehung des Lichtblitzes und dem Photodetektor eine zeitlich exponentiell abnehmende Diskriminatorschwelle verwendet. Dadurch wird die Anzahl der Ereignisse nochmals reduziert und die Meßzeit erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung vorzuschlagen, die zuverlässige Meßergebnisse liefert.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit folgenden Komponenten gelöst: eine Sendeeinheit sendet radioaktive Strahlung aus; eine stabförmige Empfangseinheit mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich ist derart angeordnet, daß sie die radioaktive Strahlung oder die durch Wechselwirkung der radioaktiven Strahlung mit dem Medium erzeugte Sekundärstrahlung empfängt. Im ersten Endbereich der Empfangseinheit ist eine erste Detektoreinheit und im zweiten Endbereich der Empfangseinheit ist eine zweite Detektoreinheit vorgesehen. Beide Detektoreinheiten empfangen die von der radioaktiven Strahlung oder der Sekundärstrahlung in der Empfangseinheit erzeugten Meßimpulse. Eine Regel-/Auswerteeinheit bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen eines Meßimpulses in der ersten Detektoreinheit und in der zweiten Detektoreinheit. Anschließend ermittelt sie die Amplitude und/oder die Pulsbreite des Meßimpulses und korrigiert die gemessene Zeitdifferenz anhand der ermittelten Werte. Aus einer Vielzahl von korrigierten Meßimpulsen erstellt die Regel-/Auswerteeinheit ein Intensitätsprofil entlang der Empfangseinheit und bestimmt anhand dieses Intensitätsprofils die Dichte bzw. das Dichteprofil und/oder den Füllstand oder den Massendurchsatz des Mediums.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung berechnet die Regel-/Auswerteeinheit anhand des Intensitätsprofils den Anteil der Hintergrundstrahlung und korrigiert gegebenenfalls die Meßwerte, die den Füllstand, die Dichte/das Dichteprofil oder den Massendurchsatz kennzeichnen.

Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung wird ein Problem gelöst, das allen bislang bekannten Meßverfahren und Meßsystemen anhaftet: Nämlich das Problem der Erkennung einer veränderlichen Hintergrundstrahlung, die die Meßergebnisse in hohem Maße beeinflussen und verfälschen kann. Diese veränderliche Hintergrundstrahlung entsteht - wie bereits zuvor erwähnt - bei der zerstörungsfreien Materialprüfung. Bevorzugt wird zur Erkennung von Hintergrundstrahlung und deren Berücksichtigung bei der Bestimmung der zu messenden Prozeßgröße folgendermaßen vorgegangen: Die Regel- /Auswerteeinheit schaltet die Sendeeinheit in regelmäßigen Abständen ein und aus - die Sendeeinheit wird also moduliert. Zur Ermittlung eines von der Hintergrundstrahlung befreiten Intensitätsprofils subtrahiert die Regel- /Auswerteeinheit das Intensitätsprofil bei ausgeschalteter Sendeeinheit von dem Intensitätsprofil bei eingeschalteter Sendeeinheit.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Regel-/Auswerteeinehit zur Messung der Amplitudenwerte zumindest zwei Komparatoren mit unterschiedlichen Schaltschwellen auf. Insbesondere ist der Abstand zweier aufeinanderfolgender Schaltschwellen der Komparatoren so gewählt, daß der Korrekturwert für die ermittelte Zeitdifferenz zwischen zwei Meßimpulsen, die in der ersten Detektoreinheit und in der zweiten Detektoreinheit empfangen werden, jeweils zumindest näherungsweise gleich ist.

Prinzipiell ist bei der Messung der Zeit zwischen zwei Impulsen, die auf dasselbe Ereignis zurückzuführen sind, Folgendes zu beachten. Da die Impulse keine unbegrenzt schnelle Anstiegsflanke besitzen, zeigen sich bei voneinander verschiedenen Amplituden unterschiedlichen Meßfehler: Trägt man die Impulse mit unterschiedlichen Amplituden so übereinander auf, daß ihre Maxima übereinander liegen - was sich bei gleichem Ort der Entstehung des Lichtblitzes ergibt -, so zeigt sich, daß bei einer konstanten Triggerschwelle für die Zeitmessung große Amplituden zu kürzeren Zeiten führen als kleine Amplituden.

Bei Kunststoffszintillatoren entstehen in der Regel Lichtblitze mit Anstiegszeiten in der Größenordnung von einer Nanosekunde. Daher lassen sich auch noch Zeitdifferenzen feststellen, die durch unterschiedliche Amplituden der Impulse verursacht werden. Da die Lichtgeschwindigkeit im Szintillator um den Faktor 1/Brechzahl des Szintillatormaterials geringer ist als im Vakuum, beträgt die Lichtgeschwindigkeit im Szintillator etwa c/1,5 = 2 × 10 e8 m/s. Daraus ergibt sich bei einer Nanosekunde Anstiegszeit ein Fehler für die Ortsbestimmung von

Um diesen systematische Fehler zu eliminieren, muß die Amplitude von jedem Impuls gemessen werden. Hierzu werden - wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt - zumindest zwei Komparatoren mit unterschiedlichen Schaltschwellen aufgebaut. Der Abstand der Schaltschwellen wird so gewählt, daß die Korrekturwerte dt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Komparatoren gleich sind. Idealerweise entspricht der Korrekturwert dt dem Wert der minimal möglichen Auflösung der Zeitmeßschaltung.

Alternativ zu den Komparatoren kann die Amplitude auch mit einem A/D- Wandler gemessen werden. Dazu muß jedoch der relativ kurze Impuls mittels eines pulsformenden Verstärkers in einen amplituden-proportionalen Impuls mit größerer Impulsbreite umgewandelt werden. Der amplituden-proportionale Impuls wird dann von dem A/D-Wandler in seiner Amplitude vermessen.

Eine weitere Alternative besteht darin, statt der Amplitude die Pulsbreite zu messen. Dazu ist es erforderlich, eine Zeitmeßschaltung zu verwenden, die gleichzeitig beide Pulsbreiten und die Zeit zwischen den beiden Impulsen messen kann. Insbesondere ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit die Zeitdifferenz zwischen den in den beiden Detektoreinheiten detektierten Meßimpulsen und deren Pulsbreiten. Anhand der Pulsbreiten werden nachfolgend die Amplitudenfehler der Meßimpulse bestimmt und die gemessene Zeitdifferenz wird aufgrund der ermittelten Amplitudenfehlern korrigiert.

In diesem Zusammenhang schlägt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß die Regel-/Auswerteeinheit zur Ermittlung der Zeitdifferenz eine ein-/ausschaltbare Stromquelle und eine Speichereinheit aufweist und daß der Strom der Stromquelle in der Speichereinheit gespeichert wird, so daß nach dem Ausschalten der Stromquelle an der Speichereinheit eine zur Zeit proportionale Spannung meßbar ist.

Vorteilhafterweise berechnet die Regel-/Auswerteeinheit die Intensität der Hintergrundstrahlung und den Wert des Absorptionskoeffizienten mittels der Methode der kleinsten Fehler im Quadrat nach Gauß.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet die Regel-/Auswerteeinheit den in der ersten Detektoreinheit detektierten Meßimpuls als Startsignal für die Zeitmessung, während sie den in der zweiten Detektoreinheit detektierten Meßimpuls als Stopsignal der Zeitmessung verwendet. Bevorzugt wird das zweite Signal über eine zusätzliche Zeitverzögerung geleitet, bevor es die Zeitmessung stoppt. Hierdurch wird die zu messende Zeit künstlich verlängert, und es ist gewährleistet, daß das Stopsignal immer nach dem Startsignal die Zeitmeßschaltung erreicht.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß es sich bei der Empfangseinheit um einen Szintillator handelt und daß es sich bei den beiden Detektoreinheiten bevorzugt um Photodetektoren (z. B. Photomultiplier) handelt. Die Photodetektoren sind an den beiden Enden des Szintillators angeordnet. Durchdringt ein Gammaphoton den Szintillator, so entsteht in dem Szintillator ein Lichtblitz, dessen Licht sich in beide Richtungen entlang des Szintillators ausbreitet. Dieses Licht wird vom jeweiligen Photodetektor empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Bevorzugt ist der Szintillator übrigens symmetrisch zur Sendeeinheit angeordnet.

In diesem Zusammenhang hat es sich als sehr günstig herausgestellt, wenn der Szintillator aus einer Vielzahl von Fasern besteht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht in jedem der beiden Endbereiche der Empfangseinheit bzw. des Szintillators zumindest eine Referenz-Lichtquelle vor, die in zumindest näherungsweise regelmäßigen Abständen Lichtimpulse aussendet. Die Regel-/Auswerteeinheit korrigiert die gemessene Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der Meßimpulse in den beiden Detektoreinheiten so, daß Temperatureinflüsse kompensiert werden.

Darüber hinaus ist vorgesehen, daß die Regel-/Auswerteeinheit anhand der gemessenen Lichtimpulse der Referenz-Lichtquellen die Verstärkung der beiden Detektoreinheiten auf einen näherungsweise konstanten Wert regelt. Weiterhin schlägt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine zusätzliche Detektoreinheit in jedem Endbereich der Empfangseinheit vor, die so angeordnet sind, daß sie die Lichtimpulse der korrespondierenden Referenz-Lichtquelle empfangen.

Diese Ausgestaltungen tragen zur weiteren Steigerung der Meßgenauigkeit bei. Bevorzugt bestehen die zumindest zwei Referenz-Lichtquellen aus Leuchtdioden. Durch abwechselndes Pulsen dieser LEDs kann jeweils die kürzeste und die längste Lichtlaufzeit in der Empfangseinheit bzw. dem Szintillator gemessen werden.

Diese bevorzugte Ausführungsform erlaubt es, eine Änderung des Brechungsindex' über der Temperatur zu bestimmen und damit die Änderung der Lichtgeschwindigkeit im Szintillator zu kompensieren. Desweiteren können Photodioden vorgesehen sein, die sich jeweils den LEDs gegenüberliegend angeordnet sind. Mit diesen Photodioden wird die Lichtmenge pro LED-Impuls gemessen. Mit dieser weitgehend von der Temperatur unabhängigen Messung der Amplitude kann z. B. durch Regelung der Hochspannung die Verstärkung der Photodetektoren an den Enden des Szintillators konstant gehalten werden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Photomultiplier als Detektoren verwendet werden. Zum einen wird durch diese Maßnahme die Empfindlichkeit des Systems konstant gehalten; zum anderen bleibt hierdurch auch die Anstiegszeit des elektrischen Signals konstant, was wiederum für die Genauigkeit der Zeitmessung wichtig ist. Durch unterschiedlich starke Impulse der LEDs ist es möglich, die Amplitudenkorrektur auf die korrekte Funktion hin zu überprüfen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Histogramm, das die Anzahl der Ereignisse je Zeiteinheit zeigt,

Fig. 3 eine Skizze, die die Ausbreitung von Lichtblitzen in der Empfangseinheit darstellt,

Fig. 3a eine skizzierte Darstellung des Start- und Stopimpulses der ersten Referenzlichtquelle,

Fig. 3b eine skizzierte Darstellung des Start- und Stopimpulses der zweiten Referenzlichtquelle,

Fig. 3c eine skizzierte Darstellung des Start- und Stopimpulses für ein Gammaphoton,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Anstiegsverhaltens von Impulsen mit unterschiedlichen Amplituden,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Regel- /Auswerteeinheit.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Das Füllgut 2 ist in dem Behälter 3 gelagert. Die momentane Füllhöhe des Füllguts 2 in dem Behälter 3 ist mit F gekennzeichnet. Im oberen Bereich des Behälters 3 ist eine punktförmige Sendeeinheit 4 angeordnet, die radioaktive Strahlung aussendet. Die Abschirmung 24 trägt dafür Sorge, daß die radioaktive Strahlung ausschließlich in Richtung auf den Behälter 3 hin abgestrahlt wird.

Die radioaktive Strahlung durchdringt die Behälterwand und den Innenraum des Behälters 3 und wird von der Empfangseinheit 5, die auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters 3 angeordnet ist, empfangen. Bei der Empfangseinheit 5, die in Fig. 3 noch einmal gesondert dargestellt ist, handelt es sich um einen Szintillator der Länge L, der sich zumindest über einen Teilbereich der Höhe des Behälters 3 erstreckt.

Durch die Kollisionen der Gammaphotonen mit den Elektronen der Atome des Szintillatormaterials entstehen Lichtblitze, welche wiederum aus mehreren Zehntausend Lichtphotonen bestehen. Diese breiten sich in dem Szintillator 5 in alle Richtungen aus - was ebenfalls in der Fig. 3 zu sehen ist. Das Licht erreicht letztlich die beiden Detektoreinheiten 8, 9, die in den beiden Endbereichen 6, 7 der Empfangseinheit 5 angeordnet sind. Bei den Detekoreinheiten 8, 9 handelt es sich bevorzugt um Photomultiplier, welche das Licht in zur Lichtintensität proportionale elektrische Impulse umwandeln. Je nach dem Entstehungsort des Lichtblitzes in dem Szintillator 5 bzw. der Detektoreinheit 5, erreicht das Licht aufgrund der endlichen Laufzeit die Detektoreinheiten 8, 9 zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Damit die Messungen stets unter definierten Bedingungen stattfinden, werden die Referenz-Lichtquellen 10, 11 und die Photodioden 12, 13 benutzt, die gleichfalls in den beiden Endbereichen 6, 7 der Detektoreinheit 5 zu finden sind.

Um sicherzustellen, daß das Stopsignal immer nach dem Startsignal erscheint, wird das Signal der zweiten Detektoreinheit 9 über eine Verzögerungsleitung 15 geführt. Diese Verzögerungsleitung 15 wird einfach dadurch realisiert, daß die elektrischen Signale aus dem Endbereich 7 über eine längere Verbindungsleitung zur Regel-/Auswerteeinheit 14 geführt werden als die im Endbereich 6 empfangenen Signale.

Im Prinzip kann die Zeitdifferenz Tx zwischen der Ankunft eines Lichtblitzes in den beiden Detektoreinheiten 8, 9 so bestimmt werden, wie es in der DE 197 22 837 A1 bereits beschrieben wurde. Zeichnerisch ist die Vorgehensweise zur Bestimmung des exakten Ankunftsorts des Gammaphotons in dem Szintillator 5 über die Bestimmung der Zeitdifferenz Tx, die sich aufgrund der unterschiedlichen Laufstrecken des Lichts innerhalb des Szintillators ergibt, in den Figuren Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 3c dargestellt.

Zur Steigerung der Meßgenauigkeit ist - wie bereits zuvor erwähnt - in jedem Endbereich 6, 7 der Empfangseinheit 5 eine Referenz-Lichtquelle 10, 11 vorgesehen. Bei diesen Referenz-Lichtquellen 10, 11 handelt es sich bevorzugt um Leuchtdioden. Durch abwechselndes Pulsen dieser LEDs 10, 11 kann jeweils die kürzeste und die längste Lichtlaufzeit der Lichtpulse im Szintillator 5 gemessen werden. Diese Laufzeiten sind in den Figuren mit T1 und T2 gekennzeichnet. Durch diese Maßnahme läßt sich die Änderung des Brechungsindex' über der Temperatur und damit die Änderung der Lichtgeschwindigkeit im Szintillator 5 kompensieren.

Desweiteren sind gegenüberliegend zu den LEDs 10, 11 Photodioden 12, 13 vorgesehen, mit denen die Lichtmenge pro LED-Impuls gemessen wird. Mittels dieser weitgehend von der Temperatur unabhängigen Messung der Amplitude kann z. B. durch Regelung der Hochspannung die Verstärkung der Photodetektoren 8, 9, die in den Endbereichen 6, 7 des Szintillators 5 angeordnet sind, konstant gehalten werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Photomultipliern als Detektoreinheiten 8, 9 wichtig: Zum einen wird dadurch die Empfindlichkeit des Systems konstant gehalten, und zum anderen bleibt so die Anstiegszeit des elektrischen Signals konstant, was wiederum für die Genauigkeit der Zeitmessung von großer Bedeutung ist. Durch unterschiedlich starke Impulse der LEDs 10, 11 kann übrigens die Amplitudenkorrektur auf ihre korrekte Funktion hin überprüft werden.

Wie bereits an vorhergehender Stelle erläutert, kann eine weitere Steigerung der Unempfindlichkeit auf Hintergrundstrahlung durch eine Modulation der Strahlungsquelle 4 erreicht werden. Durch regelmäßiges Ein- und Ausschalten der Strahlungsquelle 4 kann das Profil der Hintergrundstrahlung bestimmt werden, und vom gemessenen Profil bei eingeschalteter Quelle 4 subtrahiert werden. Dies ist insbesondere bei inhomogener Bestrahlung der Empfangseinheit 5 durch die Störstrahlung von Vorteil. Diese Inhomogenitäten entstehen durch teilweise Abschirmung der Detektoreinheit 5 durch Rohrleitungen, Träger und andere Anlagenteile.

In der Regel-/Auswerteeinheit 14 werden die Ereignisse nach der Zeitdifferenz Tx sortiert. Ein entsprechendes Histogramm gibt das Intensitätsprofil der Gammastrahlung in Abhängigkeit von z. B. der Höhe des Behälters wieder. Dieses Histogramm ist übrigens in Fig. 2 skizziert.

Mit Bezug auf die Füllstandsmessung ergibt sich im Detail die folgende Vorgehensweise: Da die Gammastrahlung vom zu messenden Medium/Füllgut 2 im Behälter 3 nahezu vollständig absorbiert wird, entsteht an der Grenzfläche "Medium 2 - Luft" im Intensitätsprofil ein deutlicher Übergang von einer hohen zu einer niedrigen Intensität. Dieser Übergangsbereich - in der Fig. 2 mit K gekennzeichnet - kann für die Füllstandsmessung ausgewertet werden.

Bei der Dichtemessung in einer Rohrleitung wird ähnlich verfahren. Da hier jedoch nicht der Übergang zwischen dem Medium 2 und der Luft detektiert werden soll, muß die Auswertung des Histogramms anders erfolgen.

Um die Dichte des Mediums 2 im Rohr zu messen, wird das Rohr mit einer punktförmigen Strahlenquelle durchleuchtet. Mit dem Szintillator 5 und den beiden Photodetektoren 8, 9 wird das Intensitätsprofil entlang des Rohres gemessen.

Ist die genaue Geometrie der Anordnung bekannt, so kann daraus die Zuordnung der Position im Detektor zum Einfallswinkel der Strahlung berechnet werden. Diese Winkelzuordnung ist für die Berechnung der durchstrahlten Länge erforderlich.

Da sich der Verlauf der Intensität über dem Winkel durch eine exakte Funktion beschreiben läßt, kann durch Vergleich der theoretischen Kurve mit dem gemessenen Histogramm und durch Minimierung der Abweichungen der beiden Kurven voneinander die Dichte und die eventuell vorhandene Hintergrundstrahlung berechnet werden.

Die Berechnung der Dichte wird wie folgt durchgeführt:
Das Intensitätsprofil über dem Winkel folgt der Funktion:

I_(α) = I_0(α).e^-µ.d_(α) + I_γ

dabei ist:

- I_(α) = berechnete Intensität über dem Winkel α
- I₀₍ _α ₎ = eingelernte Intensität über dem Winkel α ohne Medium im Rohr
- µ = Absorptionskoeffizient (Produkt aus Massenabsorptionskoeffizient und Dichte)
- d₍ _α ₎ = durchstrahlte Länge über dem Winkel
- I_γ = Hintergrundstrahlung
- I_M( _α ₎ = gemessene Intensität über dem Winkel α

Die Minimierung der Fehler² nach Gauß besagt:

S = Σ(I₍ _α ₎ - I_M( _α ₎)² → 0

Um diese Bedingung zu erfüllen, wird die Funktion partiell nach µ und nach I_γ abgeleitet.

durch Änderung der Summenschreibweise und Auflösung nach I_γ ergibt sich:

Die Klammer [ ] ersetzt das Summensymbol. n entspricht der Anzahl der Winkelsegmente.

Mit dieser Funktion läßt sich für jeden gewählten Wert für µ die zugehörige Hintergrundstrahlung berechnen.

Setzt man nun diese Funktion in die Ableitung nach µ ein, so erhält man die Funktion zur Berechnung von µ.

Da sich diese Funktion nicht nach µ auflösen läßt, muß µ numerisch ermittelt werden. Dazu wird für ein bestimmtes µ das I_γ berechnet. Anschließend wird mit der ursprünglichen Funktion die Abweichung zwischen dem theoretischen Wert und dem Meßwert für jedes Winkelsegment berechnet. Dieses Delta wird quadriert und aufsummiert. Mit einem einfachen Minimierungsalgoritmus kann dann das richtige µ für diese Meßreihe gefunden werden. Zur Vereinfachung der Programmierung kann auch auf das Quadrieren verzichtet werden, wenn die Absolutwerte der Deltas aufsummiert werden.

Über die Beziehung: µ = µ*.ρ
mit: µ* = Massenabsorptionskoeffizient und ρ = Dichte
läßt sich dann aus dem µ die Dichte berechnen. µ* ist eine stoffabhängige Größe.

Um den Massedurchfluß zu bestimmen, multipliziert man nun die Dichte mit der auf eine beliebige andere Art gemessenen Durchflußgeschwindigkeit.

Bei der Durchsatzmessung an Förderbändern wird ein punktförmiger Strahler über oder unter dem Förderband angebracht. Der Detektor sitzt dann entsprechend unter oder über dem Förderband. Ist die Dichte des beförderten Mediums bekannt, so kann aus dem Intensitätsprofil die Dicke des Mediums auf dem Förderband berechnet werden. Durch Multiplikation mit der Bandgeschwindigkeit erhält man den Massendurchsatz.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von Impulsen mit unterschiedlichen Amplituden, die so aufgetragen sind, daß ihre Maxima übereinander zu liegen kommen. Anhand dieser Darstellung wird sehr schön ersichtlich, daß die Impulse keine unbegrenzt schnelle Anstiegsflanke aufweisen, was dazu führt, daß vorgegebene Schwellenwerte, insbesondere die Triggerschwelle K(0) um so schneller erreicht werden, je größer die Amplitude der Impulse ist. Durch diese Abhängigkeit werden relativ große Meßfehler bei der Bestimmung des Entstehungsortes der Lichtblitze gemacht - führen doch große Amplituden zu kürzeren Zeiten als kleine Amplituden. Erfindungsgemäß werden diese systematischen Fehler korrigiert, so daß letztlich der tatsächliche Entstehungsort der Lichtblitze mit sehr hoher und bislang unerreichter Genauigkeit bestimmt werden kann.

Hierzu wird die Amplitude eines jeden Impulses gemessen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Regel-/Auswerteeinheit 14, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Einsatz kommt, werden für die Bestimmung der Amplituden Komparatoren 16 eingesetzt. Wie in Fig. 5 dargestellt, liegen die von einer der beiden Detektoreinheiten 8 - hier einem Photomultiplier - gelieferten elektrischen Signale über den Verstärker 17 an dem ersten Eingang der Komparatoren 16 an. Eine entsprechende Schaltung wertet natürlich auch die Signale der zweiten Detektoreinheit 9 aus. Die Komparatoren 16 haben unterschiedliche Schaltschwellen K0, K1, . . ., KN, die von dem Mikroprozessor 19 vorgegeben werden. Diese Schaltschwellen K0, K1, . . . KN werden über den D/A-Wandler 19 in analoge Signale umgewandelt und stehen jeweils am zweiten Eingang der Komparatoren 16 an. Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltschwellen K0, K1; K1, K2; . . . so gewählt, daß die Korrekturwerte dt zwischen jeweils zwei Komparatoren 16 gleich sind. Idealerweise entspricht der Korrekturwert dt darüber hinaus dem Wert der minimal möglichen Auflösung der Zeitmessung, die die Regel-/Auswerteeinheit 14 liefern kann.

Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, berücksichtigt die Regel- /Auswerteeinheit 14 auch Änderungen des Intensitätsprofils, die sich aufgrund von Störgrößen, wie z. B. der Temperatur oder der Alterung der Photomultiplier 8, 9 ergeben. Über die Regelschleife, gebildet aus Mikroprozessor 19, D/A-Wandler 20 und Verstärker 21 wird darüber hinaus die Hochspannungsquelle 22 nachgeregelt, so daß der Photomultiplier zeitlich nicht wegdriftende Werte liefert.

Der Mikroprozessor 19 erstellt anhand der Amplitudenwerte der Meßsignale ein korrigiertes Intensitätsprofil und bestimmt anhand des Profils in der bereits zuvor beschriebenen Art und Weise die zu messende oder zu überwachende Prozeßgröße.

Angedeutet ist in Fig. 5 weiterhin, daß der Mikroprozessor 19 beispielsweise digital mit einer entfernten Leitstelle kommuniziert. Zum Datenaustausch kann auf die bekannten Kommunikationsprotokolle zurückgegriffen werden. Bezugszeichenliste 1 erfindungsgemäße Vorrichtung
2 Medium
3 Behälter
4 Sendeeinheit/Strahlungsquelle
5 Empfangseinheit/Szintillator
6 Erster Endbereich
7 Zweiter Endbereich
8 Erste Detektoreinheit/Photodetektor
9 Zweite Detektoreinheit/Photodetektor
10 Erste Referenz-Lichtquelle/LED
11 Zweite Referenz-Lichtquelle/LED
12 Erstes Photodiode
13 Zweites Photodiode
14 Regel-/Auswerteeinheit
15 Verzögerungsschaltung
16 Komparator
17 Verstärker
18 D/A-Wandler
19 Mikroprozessor
20 D/A-Wandler
21 Verstärker
22 Hochspannungsquelle
23 Kondensator für Gleichspannungsunterdrückung
24 Abschirmung

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte/des Dichteprofils und/oder des Füllstands (F) zumindest eines Mediums (2) in einem Behälter (3) oder in einer Rohrleitung oder zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massendurchsatzes eines Mediums auf einem Förderband, wobei eine Sendeeinheit (4) vorgesehen ist, die radioaktive Strahlung aussendet, wobei eine stabförmige Empfangseinheit (5) mit einem ersten Endbereich (6) und einem zweiten Endbereich (7) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, daß sie die radioaktive Strahlung oder die durch Wechselwirkung der radioaktiven Strahlung mit dem Medium (2) erzeugte Sekundärstrahlung empfängt,
wobei im ersten Endbereich (6) der Empfangseinheit (5) eine erste Detektoreinheit (8) und wobei im zweiten Endbereich (7) der Empfangseinheit (5) eine zweite Detektoreinheit (9) vorgesehen ist, welche die von der radioaktiven Strahlung oder der Sekundärstrahlung in der Empfangseinheit (5) erzeugten Meßimpulse empfangen,
wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (14) vorgesehen ist, die die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen eines Meßimpulses in der ersten Detektoreinheit (8) und in der zweiten Detektoreinheit (9) bestimmt,
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die Amplitude und/oder die Pulsbreite des Meßimpulses ermittelt und die gemessene Zeitdifferenz anhand der ermittelten Werte korrigiert, und
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) aus einer Vielzahl von korrigierten Meßimpulsen ein Intensitätsprofil entlang der Empfangseinheit erstellt und anhand des Intensitätsprofils die Dichte bzw. das Dichteprofil und/oder den Füllstand (F) oder den Massendurchsatz des Mediums (2) bestimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) anhand des Intensitätsprofils den Anteil der Hintergrundstrahlung berechnet und gegebenenfalls den Füllstand (F), die Dichte/das Dichteprofil oder den Massendurchsatz korrigiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die Sendeeinheit (3) in regelmäßigen Abständen ein- und ausgeschaltet und zur Ermittlung eines von der Hintergrundstrahlung befreiten Intensitätsprofils das Intensitätsprofil bei ausgeschalteter Sendeeinheit (4) von dem Intensitätsprofil bei eingeschalteter Sendeeinheit (4) subtrahiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) zur Messung der Amplitudenwerte zumindest zwei Komparatoren (16) mit unterschiedlichen Schaltschwellen (Km mit m = 0, 1, 2, 3. . . N) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei der Abstand zweier aufeinanderfolgender Schaltschwellen (K0, K1; K1, K2, . .) der Komparatoren 16 bevorzugt so gewählt ist, daß der Korrekturwert (dt) für die ermittelte Zeitdifferenz zwischen zwei Meßimpulsen, die in der ersten Detektoreinheit (8) und in der zweiten Detektoreinhiet (9) empfangen werden, jeweils zumindest näherungsweise gleich ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei ein A/D-Wandler zur Bestimmung der Amplituden der Meßimpulse vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die Zeitdifferenz (Tx) zwischen den in den beiden Detektoreinheiten (8, 9) detektierten Meßimpulsen und deren Pulsbreiten ermittelt,
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) anhand Pulsbreiten die Amplitudenfehler der Meßimpulse bestimmt und
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die gemessene Zeitdifferenz aufgrund der ermittelten Amplitudenfehlern korrigiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) zur Ermittlung der Zeitdifferenz eine ein-/ausschaltbare Stromquelle und eine Speichereinheit aufweist, und
wobei der Strom der Stromquelle in der Speichereinheit gespeichert wird, so daß nach dem Ausschalten der Stromquelle an der Speichereinheit eine zur Zeit proportionale Spannung meßbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die Intensität der Hintergrundstrahlung und den Wert des Absorptionskoeffizienten mittels der Methode der kleinsten Fehler im Quadrat nach Gauß berechnet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) den in der ersten Detektoreinheit (8) detektierten Meßimpuls als Startsignal für die Zeitmessung verwendet, während sie den in der zweiten Detektoreinheit (9) detektierten Meßimpuls als Stopsignal der Zeitmessung verwendet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) das in der zweiten Detektoreinheit (8) ermittelte Meßsignal zeitlich verzögert, so daß das Stopsignal zeitlich nach dem Startsignal auftritt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei es sich bei der Empfangseinheit (5) um einen Szintillator handelt und
wobei es sich bei den beiden Detektoreinheiten (8, 9) bevorzugt um Photodetektoren handelt, die die in dem Szintillator erzeugten Lichtblitze in elektrische Meßimpulse umwandeln.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 12, wobei der Szintillator symmetrisch zur Sendeeinheit (4) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 13, wobei der Szintillator aus einer Vielzahl von Fasern besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, 12, 13 oder 14, daß in jedem der beiden Endbereiche (6, 7) der Empfangseinheit (5) bzw. des Szintillators zumindest eine Referenz-Lichtquelle (10, 11) vorgesehen ist, die in zumindest näherungsweise regelmäßigen Abständen Lichtimpulse aussendet, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) die gemessene Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der Meßimpulse in den beiden Detektoreinheiten (8, 9) so korrigiert, daß Temperatureinflüsse kompensiert werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, 12, 13, 14 oder 15, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (14) anhand der gemessenen Lichtimpulse der Referenz-Lichtquellen (10, 11) die Verstärkung der beiden Detektoreinheiten (8, 9) auf einen näherungsweise konstanten Wert regelt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei jeweils eine zusätzliche Detektoreinheit (12, 13) in jedem Endbereich (6, 7) der Empfangseinheit (5) vorgesehen ist, die so angeordnet ist, daß sie die Lichtimpulse der korrespondierenden Referenz-Lichtquelle (10, 11) empfangen.