DE102007051936A1

DE102007051936A1 - Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter

Info

Publication number: DE102007051936A1
Application number: DE102007051936A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Damm; Matthias Altendorf
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: DE102007051936B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (5) in einem Behälter (4), wobei eine Sendeeinheit (2) vorgesehen ist, die radioaktive Strahlung (15) aussendet, wobei eine Empfangseinheit (3) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass sie einen Strahlungsanteil empfängt, der der radioaktiven Strahlung oder der durch Wechselwirkung der radioaktiven Strahlung mit dem Medium (5) erzeugten Sekundärstrahlung aus einem definierten Volumenbereich des Behälters (4) entspricht, wobei die Empfangseinheit (3) als bildgebender Detektor (7; 8) ausgestaltet ist, der den Strahlungsanteil in Form eines Intensitätsbildes detektiert und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (6) vorgesehen ist, die anhand des von der Empfangseinheit (3) gelieferten Intensitätsbildes über eine Bildauswertung Information über die Prozessgröße generiert und bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, wobei eine Sendeeinheit vorgesehen ist, die radioaktive Strahlung aussendet, wobei eine Empfangseinheit vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass sie einen Strahlungsanteil empfängt, der der radioaktiven Strahlung oder der durch Wechselwirkung der radioaktiven Strahlung mit dem Füllgut erzeugten Sekundärstrahlung aus einem definierten Volumenbereich des Behälters entspricht.
Bei radiometrischen Messungen, die Aufschluss über den Inhalt eines Behälters geben sollen, wird der Behälter mit einer ionisierenden Strahlung durchleuchtet. Generell gibt es zwei bekannte Aufbauten: Entweder geht die Strahlung von einer punktförmigen Sendeeinheit und wird von einer stabförmigen Empfangseinheit, üblicherweise einem Szintillator detektiert, der sich auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters über die Länge des Behälters erstreckt, oder die Sendeeinheit ist stabförmig und die Empfangseinheit ist punktförmig ausgebildet.
Aus der DE 101 32 267 A1 ist ein Detektor mit einem Szintillator und mit zwei in den Endbereichen des Szintillators angeordneten Lichtdetektoren bekannt geworden. Durch Messen der Lichtlaufzeit zwischen den Signalen der beiden Lichtsensoren lässt sich auf den Ort des Eintreffens eines Gamma-Photons im Szintillator schließen. Wird anschließend die Anzahl der Ereignisse über der Länge des Szintillators bestimmt, so lässt sich ein Intensitätsprofil der Strahlung entlang des Szintillators ermitteln.
Aus der US-PS 6,879,425 B ist eine Ausgestaltung eines radiometrischen Füllstands- oder Dichtemessgeräts bekannt geworden, bei dem die Empfangseinheit aus einzelnen Detektoreinheiten besteht, wobei die Detektoreinheiten in unterschiedlichen Abständen vom Boden des Behälters positioniert sind, so dass jede Detektoreinheit direkt oder indirekt im wesentlichen den Strahlungsanteil detektiert, der durch einen definierten Teilbereich des Behälters hindurchgeht oder der in einem definierten Teilbereich des Behälters erzeugt wird. Bei einer Detektoreinheit handelt es sich um einen Festkörperdetektor und/oder um einen Flüssigkeitsdetektor. Insbesondere ist es möglich, als Detektoreinheit einen Kunststoffszintillator oder einen Kristallszintillator mit einem nachgeschalteten Photomulitiplier oder mit einer nachgeschalteten PIN-Diode zu verwenden. Ebenso gut kann als Detektoreinheit auch eine Ionisationskammer verwendet werden. Als besonders günstig wird es jedoch angesehen, wenn es sich bei einer Detektoreinheit um einen Halbleiterdetektor, z. B. um einen CdZnTe-Detektor handelt, bei dem die einzelnen Pixel aufgereiht nebeneinander angeordnet sind.
Der Hauptvorteil dieser Lösung gegenüber dem zuvor genannten Stand der Technik ist darin zu sehen, daß es mit dieser Lösung möglich ist, ein Intensitätsprofil über die gesamte bzw. die interessierende Länge und/oder Fläche des Behälters zu erstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die Information über unterschiedliche Prozessgrößen eines Mediums liefert, das sich in einem Behälter, einem Gerinne, einer Transporteinheit oder einer Rohrleitung befindet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Empfangseinheit als bildgebender Detektor ausgestaltet ist, der den Strahlungsanteil in Form eines Intensitätsbildes detektiert und dass eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die anhand des von der Empfangseinheit gelieferten Intensitätsbildes über eine Bildauswertung Information über die Prozessgröße generiert und bereitstellt. Bevorzugt besteht der bildgebende Detektor aus einer Vielzahl von pixelförmigen Detektoreinheiten, die in Form eines Arrays angeordnet sind.
Durch koordiniertes und angeordnetes Auslesen der einzelnen Pixel des bildgebenden Detektors wird in der Auswerteelektronik z. B. ein Videosignal erzeugt. Dieses Videosignal wird beispielsweise über einen Feldbus zu einer übergeordneten Warte geleitet und dort zur visuellen Begutachtung auf einem Bildschirm angezeigt, oder aber es wird einer Bildauswertung zugeführt. Mittels Bildauswertung können qualitative und quantitative Prozessgrößen bestimmt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich um einen bildgebenden Detektor für die Prozessindustrie. Im Allgemeinen wird heute mittels eines Messgeräts der Prozessmesstechnik eine Prozessgröße, z. B. der Füllstand, der Druck, die Temperatur, der Durchfluss, der PH-Wert, usw. pro Gerät ermittelt. In wenigen Fällen werden zwei oder drei Prozessgrößen gleichzeitig in einem Gerät, einem sog. Multisensor, gemessen. Mit einem bildgebenden Detektor auf der Basis der radioaktiven Messtechnik ist es möglich, Information über die unterschiedlichsten Prozessgrößen, wie z. B. den Füllstand, die Dichte oder die Verteilung des Mediums in einem geschlossenen Behälter, über einen großen Bereich, im Idealfall über die gesamte Länge des Behälters, zu erhalten. Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe der Bildauswertung weitere qualitative Prozessgrößen abschätzen.
Insbesondere in den sogenannten Drehöfen ist es schwierig, den Füllstand zu bestimmen, da sich kein kontinuierlich den Füllstand messendes Messgerät an der drehenden Trommel befestigen lässt. Mit der radioaktiven Messtechnik lässt sich der Drehofen durchstrahlen, und der Füllstand oder Durchsatz wird erfindungsgemäß bestimmt.
Bevorzugt handelt es sich bei den flächen- oder raumförmig angeordneten pixelförmigen Detektoreinheiten um Festkörperdetektoren oder um Flüssigkeitsdetektoren. Alternativ sind Halbleiterdetektoren, insbesondere CdZnTe-Detektoren vorgesehen. Gemäß einer weiteren Variante ist vorgesehen, das es sich bei den Detektoreinheiten um Geiger Müller Zählrohre handelt.
Weiterhin wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung vorgeschlagen, dass der bildgebende Detektor aus einem als Flächensensor ausgestalteten Szintillator besteht. Insbesondere handelt es sich um einen Kunststoffszintillator oder um einen Kristallszintillator.
Darüber hinaus ist in Verbindung mit der zuvor genannten Lösung vorgesehen, dass der Flächensensor eckig ausgestaltet ist, und dass in den Eckbereichen des Flächensensors Lichtsensoren vorgesehen sind, die so ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie ein Intensitätsbild der radioaktiven Strahlung oder der Sekundärstrahlung aufnehmen. Bei den Lichtsensoren handelt es sich bevorzugt um Photomultiplier handelt. Die Lichtsensoren sind so ausgestaltet, dass sie den jeweiligen Auftreffort eines Gamma-Photons der radioaktiven Strahlung auf dem Flächensensor über die unterschiedlichen Laufzeiten des im Szintillator erzeugten Lichts zu den Lichtsensoren ermitteln.
Zur Kalibrierung der von den einzelnen Lichtsensoren durchgeführten Laufzeitmessungen und zur Bestimmung der Verzögerungszeiten in den Stopsignalkreisen ist eine der Anzahl der Lichtsensoren entsprechende Anzahl von Referenzlichtquellen in den Seitenbereichen des Flächensensors angeordnet. Bei den Referenzlichtquellen handelt es sich um Leuchtdioden oder um schwach radioaktive Strahler.
Bei dem erfindungsgemäßen bildgebenden Gamma-Detektor mit mindestens einer Strahlungsquelle und mindestens einem Flächensensor wird der Ort des Einfalls eines Gamma-Photons über die unterschiedlichen Lichtlaufzeiten zwischen dem Einfallsort und den mindestens vier Lichtdetektoren, z. B. PMTs, an den Ecken der Szintillatorplatte bestimmt. Aus einem entsprechenden 2-D Histogramm, das die Anzahl der Ereignisse als Funktion des Ereignisorts repräsentiert, wird ein Intensitätsbild der Strahlung nach dem Durchstrahlen des Behälters ermittelt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Datenbus bzw. ein Feldbus vorgesehen, über den die Vorrichtung mit einer übergeordneten Leitwarte kommuniziert. Bevorzugt ist in der Leitwarte eine Anzeigeeinheit vorgesehen, auf der das von dem Flächensensor ermittelte Intensitätsbild visuell darstellbar ist.
Wie bereits erwähnt, ist die die Regel-/Auswerteeinheit als eine Bildauswerte-Einheit ausgestaltet ist, wobei die Bildauswertung zur quantitativen oder qualitativen Bestimmung der zumindest einen Prozessgröße herangezogen wird; allgemein gesprochen, wird das Intensitätsbildes in der Leitwarte zur visuellen Begutachtung des im Behälter ablaufenden Prozesses genutzt.
Bei den qualitativen Prozessgrößen handelt es sich z. B. um das Rieselverhalten oder die Klebrigkeit des in dem Behälter befindlichen Mediums. Als quantitative Prozessgrößen sind z. B. der Füllstand, die Dichte, die Dichteverteilung oder auch die Schichtdicke zu nennen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messgeräts in einer bevorzugten Applikation,
2: einen erfindungsgemäßen Flächendetektor, der aus einzelnen pixelförmigen Detektoreinheiten besteht,
3: einen erfindungsgemäßen Flächendetektor mit Laufzeitmessung und
4: eine graphische Darstellung, die die Laufzeitmessung verdeutlicht.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen radiometrischen Messgeräts 1 in einer bevorzugten Applikation. Hier ist das radiometrische Messgerät 1, bestehend aus zumindest einer Strahlungsquelle 2 und zumindest einem Flächensensor 3 in der Nähe des Behälters 4 angeordnet. Bei dem Behälter 4 handelt es sich um einen sogenannten beheizbaren Drehofen, in dem das Medium 5, hier ein Schüttgut, durch die Drehbewegung um die Drehachse 18 durchmischt wird.
Die Strahlenquelle 2 ist oberhalb des Drehofens 4 angebracht, während der Flächendetektor 3 unterhalb des Drehofens 4 angebracht ist. Auf dem Flächendetektor 3 bildet sich das "Röntgenbild" des in dem Drehofen 4 angeordneten Mediums 5 ab.
Im Falle der Rechtsdrehung des Drehofens 4 kann anhand der Drehzahl des Drehofens 4 und anhand der Höhe des Mediums 5, hier eines Schüttguts, auf der linken Seite im Drehofen 4 qualitativ die Rieselfähigkeit des Schüttguts 5 bewertet werden. Eine andere Applikation besteht darin, über eine Drehzahlregelung des Drehofens 4 die Höhe des Schüttguts 5 konstant zu halten. Durch Auswertung des zeitlichen Verhaltens der Füllhöhe des Schüttguts 5 lässt sich die Anhaftung des Schüttguts 5 an der Ofeninnnenwand qualitativ bewerten.
2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flächendetektors 3, der aus einzelnen pixelförmigen Detektoreinheiten 7.1, 7.2, 7.3, ... 7.n besteht. Die Einzelpixel 7.1, 7.2, 7.3, ... 7.n werden z. B. in einer rechteckigen Anordnung gleichmäßig verteilt angeordnet. Über die Steuerleitungen X1 ... Xn und Y1 ... Yn kann jeder Einzeldetektor 7.1, 7.2, 7.3, ... 7.n angesprochen und ausgelesen werden. Damit kann das "Röntgenbild" zeilen- oder spaltenweise oder auch nur in Teilbereichen ausgelesen werden. Zur Synchronisation des zeitlichen Messfensters werden alle Detektoren 7.1, 7.2, 7.3, ... 7.n über eine gemeinsame Leitung, die in 2 nicht gesondert dargestellt ist, getaktet.
In 3 ist eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flächendetektors 3 zu sehen. Bei einem Flächendetektor 8 mit Laufzeitmessung sind vier als Lichtsensoren 9, 9.1, 9.2, 9.3 ausgebildete Detekoreinheiten, bei denen es sich bevorzugt um Photomulitplier handelt, in den vier Eckbereichen der Szintillatorplatte 8 angeordnet. Spricht der Lichtdetektor 9 an, der keine Verzögerungsleitung 17 aufweist, so wird dieser Zeitpunkt als Startsignal START für die nachfolgende Laufzeitmessung verwendet. Die Signale der verbleibenden drei Lichtsensoren 9.1, 9.2, 9.3 werden über mehrere Meter lange Leitungen 17.1, 17.2, 17.n verzögert. Sobald diese Lichtsensoren 9.1, 9.2, 9.3 ansprechen, werden entsprechende Stoppsignale STOP1, STOP2, STOP3 für die Laufzeitmessung gesetzt. Über die Verzögerungsleitungen 17.1, 17.2, 17.3 ist gewährleistet, dass die Stoppsignale STOP1, STOP2, STOP3 stets nach dem Startsignal START die nicht gesonderte dargestellte Zeitmesseinheit erreichen. Um die Verzögerungszeiten messen zu können, werden über die Referenzlichtquellen 10, 10.1, 10.2, 10.3, bei denen es sich beispielsweise um Leuchtdioden handelt, Lichtimpulse in die Szintillatorplattte 8 eingespeist. Da die Positionen der Referenzlichtquellen 10, 10.1, 10.2, 10.3 exakt bekannt sind, lassen sich über die gemessenen Zeiten T1, T2, T3 die Verzögerungszeiten ermitteln. Diese Verzögerungszeiten werden anschließend bei jeder erneuten Messung von den gemessenen Zeiten T1, T2, T3 subtrahiert.
4 zeigt eine graphische Darstellung, die die Laufzeitmessung verdeutlicht. Aus den gemessenen Zeiten T1 ... T3 abzüglich der Verzögerungszeiten können mit der Lichtgeschwindigkeit und dem Brechungsindex der Szintillatorplatte 8 die Abstände R1, R2, R3 zwischen den Ecken der Szintillatorplatte 8 und dem Ort des Entstehens des Lichtimpulses 16 berechnet werden. Der Schnittpunkt S der drei Radien R1, R2, R3 bestimmt den Ort der Lichtentstehung aufgrund des Einfalls eines Gamma-Photons.
Generell lässt sich sagen, dass mittels der Referenzlichtquellen 10, 10.1, 10.2, 10.3 die Verzögerungszeiten t1, t2, t3 der Verzögerungsleitungen 17.1, 17.2, 17.3 bestimmt werden und der Szintillator 8 kalibriert wird. Sind die Verzögerungszeiten t1, t2, t3 bekannt, so können bei jedem Lichtimpuls 16, der durch ein auftreffendes Gamma-Photon erzeugt wird, die Zeiten T1, T2, T3 gemessen werden, die mit den Verzögerungszeiten t1, t2, t3 entsprechend korrigiert werden. Anschließend lässt sich der Ort des Einfalls eines Gamma-Photons berechnen. Mit diesen Daten lässt sich nachfolgend ein zweidimensionales Histogramm erstellen, in dem die Anzahl der Ereignissee als Funktion des Ortes aufgetragen ist. Dieses Histogramm kann als Intensitätsbild oder als Videosignal interpretiert werden und visuell oder unter Zuhilfenahme einer Bildauswertung beurteilt werden.

1: radiometrisches Messgerät
2: Sendeeinheit/Strahlungsquelle
3: Flächensensor/bildgebender Detektor
4: Behälter
5: Medium/Füllgut
6: Regel-/Auswerteeinheit/Bildauswerteeinheit
7: pixelförmige Detektoreinheit
8: flächenförmiger Szintillator
9: Lichtsensor
10: Referenzlichtquelle
11: Datenbus
12: Leitwarte
13: Anzeigeeinheit
14: Drehachse
15: Gammastrahlung
16: Lichtimpuls
17: Verzögerungsleitung
18: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10132267 A1 [0003]
- US 6879425 B [0004]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (5) in einem Behälter (4), wobei eine Sendeeinheit (2) vorgesehen ist, die radioaktive Strahlung (15) aussendet, wobei eine Empfangseinheit (3) vorgesehen ist, die derart angeordnet ist, dass sie einen Strahlungsanteil empfängt, der der radioaktiven Strahlung oder der durch Wechselwirkung der radioaktiven Strahlung mit dem Medium (5) erzeugten Sekundärstrahlung aus einem definierten Volumenbereich des Behälters (4) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (3) als bildgebender Detektor (7; 8) ausgestaltet ist, der den Strahlungsanteil in Form eines Intensitätsbildes detektiert und dass eine Regel-/Auswerteeinheit (6) vorgesehen ist, die anhand des von der Empfangseinheit (3) gelieferten Intensitätsbildes über eine Bildauswertung Information über die Prozessgröße generiert und bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bildgebende Detektor (7) aus einer Vielzahl von pixelförmigen Detektoreinheiten (7.1, 7.2, ... 7.n) besteht, wobei die Detektoreinheiten (7.1, 7.2, ... 7.n) in Form eines Arrays angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Detektoreinheiten (7.1, 7.2, ... 7.n) um Festkörperdetektoren oder um Flüssigkeitsdetektoren handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Detektoreinheiten (7.1, 7.2, ... 7.n) um Halbleiterdetektoren, insbesondere um CdZnTe-Detektoren handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Detektoreinheiten (7.1, 7.2, ... 7.n) um Geiger Müller Zählrohre handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bildgebende Detektor (3) aus einem als Flächensensor ausgestalteten Szintillator (8) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Szintillator (8) um einen Kunststoffszintillator oder um einen Kristallszintillator handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächensensor (8) eckig ausgestaltet ist und dass in den Eckbereichen des Flächensensors (8) Lichtsensoren 9, 9.1, 9.2, 9.3) vorgesehen sind, die so ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie ein Intensitätsbild der radioaktiven Strahlung oder der Sekundärstrahlung aufnehmen.
Vorrichtung nach 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Lichtsensoren (9, 9.1, 9.2, 9.3) um Photomultiplier handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensoren (9, 9.1, 9.2, 9.3) so ausgestaltet sind, dass sie den jeweiligen Auftreffort eines Gamma-Photons der radioaktiven Strahlung (15) auf dem Flächensensor (8) über die unterschiedlichen Laufzeiten (T1, T2, T3) des im Szintillator (8) erzeugten Lichtimpulses (16) zu den Lichtsensoren (9, 9.1, 9.2, 9.3) ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Anzahl der Lichtsensoren (9, 9.1, 9.2, 9.3) entsprechende Anzahl von Referenzlichtquellen (10, 10.1, 10.2, 10.3) in den Seitenbereichen des Flächensensors (8) angeordnet ist, wobei die Referenzlichtquellen (10, 10.1, 10.2, 10.3) zur Kalibrierung der von den einzelnen Lichtsensoren (9, 9.1, 9.2, 9.3) durchgeführten Laufzeitmessungen dienen.
Vorrichtung nach 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Referenzlichtquellen (10, 10.1, 10.2, 10.3) um Leuchtdioden handelt.
Vorrichtung nach 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Referenzlichtquellen (10, 10.1, 10.2, 10.3) um schwach radioaktive Strahler handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Datenbus (11) vorgesehen ist, über den die Vorrichtung (1) mit einer übergeordneten Leitwarte (12) kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinheit (13) vorgesehen ist, auf der das von dem Flächensensor (3; 7, 8) ermittelte Intensitätsbild visuell darstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (6) als eine Bildauswerte-Einheit ausgestaltet ist, wobei die Bildauswertung zur quantitativen oder qualitativen Bestimmung der zumindest einen Prozessgröße herangezogen wird.