DE102010031504A1

DE102010031504A1 - Verfahren zur radiometrischen Grenzstandsüberwachung

Info

Publication number: DE102010031504A1
Application number: DE102010031504A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Damm; Mingzheng Jiang; Robert Schäuble; Simon Weidenbruch
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2012-01-19
Also published as: US20130204550A1; WO2012019814A1; US10533889B2

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Grenzstandsüberwachung mit einem radiometrischen Grenzschalter, mit einem Strahler (5), der radioaktive Strahlung entlang eines auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands verlaufenden Strahlungspfades sendet, der sich in einem freien Zustand befindet, wenn der Grenzstand unterschritten ist, und der sich in einem durch ein Medium bedeckten Zustand befindet, wenn der Grenzstand überschritten ist, einem endseitig in den Strahlengang eingesetzten Detektor (7), der darauf eintreffende vom Zustand des Strahlungspfads abhängige diskrete Strahlungsintensitäten (I) misst, deren statistische Verteilung im freien und im bedeckten Zustand durch zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen gegeben ist, bei dem der Grenzschalter den Überwachungsbetrieb selbsttätig, insb. ohne vorherige Ausführung eines Abgleichverfahrens, bei dem mindestens einer der Zustände hergestellt und die zugehörige Strahlungsintensität gemessen werden muss, aufnimmt, indem in einem Intervall (T) sukzessive Strahlungsintensitäten (I(ti)) gemessen werden, eine Verteilung (V(T)) der im Intervall (T) gemessenen Strahlungsintensitäten (I(ti)) aufgezeichnet wird, innerhalb der Verteilung (V(T)) zwei getrennten Poisson-Verteilungen identifiziert werden, anhand der Lagen der identifizierten Poisson-Verteilungen innerhalb der Verteilung (V(T) ein oberer Schwellwert (Smax) für die Strahlungsintensität (I) bestimmt wird, bei dessen Überschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall (T) gemessene Strahlungsintensität (I) ein Zustandswechsel in den freien Zustand festgestellt wird, und/oder ein unterer Schwellwert (Smin) für die Strahlungsintensität (I) bestimmt wird, bei dessen Unterschreitung durch die im Anschluss an das Intervall (T) gemessene Strahlungsintensität (I) ein Zustandswechsel in den bedeckten Zustand festgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Grenzstandsüberwachung mit einem radiometrischen Grenzschalter mit einem Strahler, der radiometrische Strahlung entlang eines auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands verlaufenden Strahlungspfades sendet, der sich in einem freien Zustand befindet, wenn der zu überwachende Grenzstand unterschritten ist, und der sich in einem durch ein Medium bedeckten Zustand befindet, wenn der zu überwachende Grenzstand überschritten ist, und einem endseitig in den Strahlengang eingesetzten Detektor, der darauf eintreffende vom Zustand des Strahlungspfads abhängige diskrete Strahlungsintensitäten misst, bei dem anhand der gemessenen Strahlungsintensitäten ein Über- oder Unterschreiten des zu überwachenden Grenzstands überwacht wird.
Radiometrische Grenzschalter werden üblicherweise immer dann eingesetzt, wenn herkömmliche Grenzschalter aufgrund besonders rauer Bedingungen am Messort nicht einsetzbar sind. Sehr häufig herrschen z. B. am Messort extrem hohe Temperaturen und Drücke oder es sind chemisch und/oder mechanisch sehr aggressive Umgebungseinflüsse vorhanden, die den Einsatz anderer Meßmethoden unmöglich machen.
Radiometrische Grenzschalter werden beispielsweise zur Überwachung eines Über- oder Unterschreitens eines vorbestimmten Füllstands eines Füllguts in einem Behälter eingesetzt. Dort dienen sie beispielsweise als Überfüllsicherung oder als Leerlaufschutz.
Sie weisen hierzu einen außenseitlich am Behälter angeordneten radioaktiven Strahler auf, der im Betrieb radioaktive Strahlung entlang eines auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands verlaufenden Strahlungspfades durch den Behälter sendet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters ist außenseitlich ein endseitig in den Strahlungspfad eingesetzter Detektor angeordnet, der die durch den Behälter hindurch austretende Strahlungsintensität quantitativ erfasst. Die austretende Strahlungsintensität ist abhängig von der geometrischen Anordnung und der Absorption. Letztere ist abhängig vom Füllstand des Füllguts im Behälter und von dessen Dichte.
Entsprechend weist die Strahlungsintensität ein von der Dichte des Füllguts abhängiges Minimum auf, wenn der Füllstand oberhalb des Strahlungspfads liegt. Umgekehrt weist die Strahlungsintensität ein Maximum auf, wenn der Füllstand unterhalb des Strahlungspfads liegt.
Die minimale und die maximale Strahlungsintensität werden heute regelmäßig in einem im Rahmen der Inbetriebnahme des radioaktiven Grenzschalters vom Anwender auszuführenden Abgleichverfahren bestimmt, bei dem die beiden oben genannten Befüllzustände frei und bedeckt im Behälter eingestellt werden, und die zugehörige minimale und die maximale Strahlungsintensitäten vom Grenzschalter gemessen werden.
Anhand der minimalen und der maximalen Strahlungsintensität wird beispielsweise ein üblicherweise als Schaltpunkt bezeichneter Schwellwert für die Strahlungsintensität festgelegt, dessen Überschreitung einem Wechsel in den freien Zustand und dessen Unterschreitung einem Wechsel in den bedeckten Zustand entspricht. Im nachfolgende Betrieb des Grenzschalters wird über einen Vergleich der gemessenen Strahlungsintensität mit dem Schwellwert festgestellt, ob der zu überwachende Grenzstand über- bzw. unterschritten wird. Häufig wird zur Erzielung eines möglichst flatterfreien stabilen Schaltverhaltens eine Schalthysterese vorgesehen. Hierzu wird anhand der minimalen und der maximalen Strahlungsintensitäten ein unterer und ein oberer Schwellwert festgelegt. Im Betrieb wird hier ein Zustandswechsel in den freien Zustand erst dann angezeigt, wenn die gemessene Strahlungsintensität den oberen Schwellwert überschreitet, und ein Zustandswechsel in den bedeckten Zustand erst dann angezeigt, wenn die gemessene Strahlungsintensität den unteren Schwellwert unterschreitet. In dem zwischen den beiden Schwellwerten liegenden Bereich gibt der Grenzschalter unverändert den zuletzt ermittelten Zustand aus. Abgleichverfahren erfordern heute regelmäßig die Mithilfe des Anwenders, der die für den Abgleich erforderlichen Zustände in seiner Anlage herstellen muss, und dem Grenzschalter das Vorliegen des jeweiligen Zustands anzeigen muss, damit dieser die zugehörigen maximalen und minimalen Strahlungsintensitäten messen und unter Zuordnung zu dem jeweiligen Zustand abspeichern kann. Mit der Einstellung der beiden Befüllzustände frei und bedeckt ist in der Regel eine Beeinträchtigung, Unterbrechung und/oder Verzögerung des am Messort ablaufenden Herstellungs- und/oder Verarbeitungsverfahrens oder eines laufenden Prozesses verbunden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur radiometrischen Grenzstandsüberwachung anzugeben, bei dem der Grenzschalter den Überwachungsbetrieb selbsttätig, insb. ohne vorherige Ausführung eines Abgleichverfahrens, bei dem mindestens einer der Zustände hergestellt und die zugehörige Strahlungsintensität gemessen werden muss, aufnimmt.
Hierzu umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Grenzstandsüberwachung mit einem radiometrischen Grenzschalter, mit

– einem Strahler, der radiometrische Strahlung entlang eines auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands verlaufenden Strahlungspfades sendet, der sich in einem freien Zustand befindet, wenn der Grenzstand unterschritten ist, und der sich in einem durch ein Medium bedeckten Zustand befindet, wenn der Grenzstand überschritten ist,
– einem endseitig in den Strahlengang eingesetzten Detektor, der darauf eintreffende vom Zustand des Strahlungspfads abhängige diskrete Strahlungsintensitäten misst, deren statistische Verteilung im freien und im bedeckten Zustand durch zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen gegeben ist, bei dem
– in einem Intervall, in dem die beiden Zustände mindestens einmal eingenommen werden, sukzessive Strahlungsintensitäten gemessen werden,
– eine Verteilung der im Intervall gemessenen Strahlungsintensitäten aufgezeichnet wird,
– innerhalb der Verteilung zwei getrennte Poisson-Verteilungen identifiziert werden, und
– anhand der Lagen der in der Verteilung identifizierten Poisson-Verteilungen innerhalb der Verteilung ein oberer Schwellwert für die Strahlungsintensität bestimmt wird, bei dessen Überschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall gemessene Strahlungsintensität ein Zustandswechsel in den freien Zustand festgestellt wird, und/oder
– ein unterer Schwellwert für die Strahlungsintensität bestimmt wird, bei dessen Unterschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall gemessene Strahlungsintensität ein Zustandswechsel in den bedeckten Zustand festgestellt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Erfindung ein Verfahren, bei dem der Detektor darauf auftreffende Strahlungsquanten in elektrische Impulse umwandelt, und die diskreten Strahlungsintensitäten in Form von Impulsraten gemessen werden, die jeweils der Anzahl der elektrischen Impulse pro Zeiteinheit entsprechen.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens

– werden die Mittelwerte der beiden in der Verteilung identifizierten Poissonverteilungen bestimmt,
– wird anhand des Mittelwerts der in der Verteilung um eine niedrigere mittlere Strahlungsintensität zentrierten Poisson-Verteilung eine im bedeckten Zustand zu erwartenden mittlere Strahlungsintensität bestimmt, und
– wird anhand des Mittelwerts der in der Verteilung um eine höhere mittlere Strahlungsintensität zentrierten Poisson-Verteilung eine im freien Zustand zu erwartenden Strahlungsintensität bestimmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Lagen der in der Verteilung identifizierten Poisson-Verteilungen jeweils anhand des zugehörigen Mittelwerts der jeweiligen identifizierten Poisson-Verteilung bestimmt.
Gemäß einer Weiterbildung werden die Schwellwerte anhand von Lage und Varianz der beiden in der Verteilung identifizierten Poisson-Verteilungen festgelegt.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung

– ist das Intervall ein vor der Aufnahme des Überwachungsbetriebs durch. den Grenzschalter liegender Zeitraum,
– legt der Grenzschalter im Anschluss an das Intervall die Schwellwerte fest, und
– geht anschließend selbsttätig in einen Grenzstandsüberwachungsbetrieb über,
– in dem nachfolgend sukzessive Strahlungsintensitäten gemessen werden, und
– in dem anhand der gemessenen Strahlungsintensitäten und der Schwellwerte der Zustand des Strahlenpfads bestimmt wird.

Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung der ersten Variante, bei der

– das Intervall, in dem sukzessive Strahlungsintensitäten gemessen werden, gestartet wird,
– die Verteilung der gemessenen Strahlungsintensitäten aufgezeichnet wird, in dem die gemessenen Strahlungsintensitäten sukzessive in die Verteilung aufgenommen werden,
– die Verteilung fortwährend oder in vorgegebenen Zeitabständen daraufhin untersucht wird, ob sie zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen enthält, und
– das Intervall beendet wird, nachdem in der bis dahin aufgezeichneten Verteilung zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen identifiziert wurden.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem

– ein zwischen der Poisson-Verteilung, die die statistische Verteilung der im freien Zustand auf den Detektor auftreffenden Strahlungsintensitäten wiedergibt, und Poisson-Verteilung, die die statistische Verteilung der im bedeckten Zustand auf den Detektor auftreffenden Strahlungsintensitäten wiedergibt, liegender vorbekannter Sperrbereich besteht, der ausschließlich Strahlungsintensitäten umfasst, die weder dem freien noch dem bedeckten Zustand zuzuordnen sind,
– der Grenzschalter während des Intervalls anhand der im Intervall gemessenen Strahlungsintensitäten eine Grenzstandsüberwachung ausführt, bei der
– ein Überschreiten des zu überwachenden Grenzstands festgestellt wird, wenn der jeweilige Intensitätsmesswert unterhalb des Sperrbereichs liegt, und
– ein Unterschreiten des zu überwachenden Grenzstands festgestellt wird, wenn der jeweilige Intensitätsmesswert oberhalb des Sperrbereichs liegt.

Vorzugsweise werden bei der zweiten Variante der Erfindung bei der Aufzeichnung der Verteilung ausschließlich diejenigen gemessenen Strahlungsintensitäten in die Verteilung aufgenommen, die außerhalb des Sperrbereichs liegen.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Messanordnung mit einem radiometrischen Grenzschalter;
2 zeigt: den Detektor von 1 und eine daran angeschlossene Messgerätelektronik;
3 zeigt: eine im freien Zustand resultierende Poisson-Verteilung der Impulsraten und eine im bedeckten Zustand resultierende Poisson-Verteilung der gemessenen Impulsraten; und
4 zeigt: die Aufzeichnung einer Verteilung der gemessenen Strahlungsintensitäten in einem Histogramm.
1 zeigt eine Messanordnung mit einem an einem mit einem Füllgut 1 befüllten Behälter 3 angebrachten radiometrischen Grenzschalter zur Überwachung eines Über- oder Unterschreitens eines vorbestimmten Grenzstands. Der Grenzstand ist hier ein vorbestimmter Füllstand L des Füllguts 1 im Behälter 3. Der Behälter 3 ist beispielsweise ein Tank, ein Container, ein Rohr, ein Förderband oder eine beliebige andere Behälterform.
Der radiometrische Grenzschalter umfasst einen radioaktiven Strahler 5, der radioaktive Strahlung entlang eines auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands verlaufenden – hier in Form einer gestrichelten Linie eingezeichneten – Strahlungspfades sendet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strahler 5 hierzu außenseitlich auf der Höhe des vorbestimmten Füllstands L in einem Strahlenschutzbehälter am Behälter 1 angebracht. Der Strahler 5 ist beispielsweise eine Gammastrahlenquelle, wie z. B. ein Co₆₀ oder Cs₁₃₇ Präparat. Die Erfindung ist aber auch in Verbindung mit anderen Arten von Strahlungsquellen, wie z. B. Neutronenstrahlern, einsetzbar.
Der Strahlenschutzbehälter weist eine Ausnehmung auf, durch die die vom Strahler 5 ausgesendete Strahlung entlang des Strahlenpfads auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands durch den Behälter 1 hindurch dringt.
Abhängig vom Füllstand im Behälter 3 liegt nun entweder ein nachfolgend als freier Zustand bezeichneter Zustand vor, bei dem der Füllstand unterhalb des zu überwachenden Grenzstands liegt, oder es liegt ein nachfolgend als bedeckter Zustand bezeichneter Zustand vor, bei dem der Füllstand oberhalb des zu überwachenden Grenzstands liegt. Im freien Zustand ist der Strahlungspfad im Behälter 3 frei. Im bedeckten Zustand ist der Strahlungspfad im Behälter 3 von einem Medium, hier dem Füllgut 1, bedeckt.
Auf der dem Strahler 5 gegenüberliegenden Seite des Behälters 3 ist außenseitlich ein endseitig in den Strahlungspfad eingesetzten Detektor 7 vorgesehen, der sukzessive darauf eintreffende vom Zustand des Strahlungspfads abhängige diskrete Strahlungsintensitäten I(t_i) misst, die jeweils einer Anzahl der darauf pro Zeiteinheit Δt eintreffenden radiometrischen Strahlungsquanten entsprechen.
Als Detektor 7 eignet sich z. B. ein in 2 im Detail dargestellter Szintillationsdetektor mit einem Szintillator 9, z. B. einem Szintillationstab, mit einem daran angeschlossenen Lichtempfänger 11. Der Szintillator 9 besteht aus einem speziellen Kunststoff, wie z. B. Polystyrol (PS) oder Polyvinyltoluol (PVT), der optisch sehr rein ist. Unter dem Einfluss von Gammastrahlung werden durch das Szintillationsmaterial Lichtblitze ausgestrahlt. Diese werden durch den Lichtempfänger 11 erfasst und in elektrische Impulse k umgesetzt. Der Lichtempfänger 11 ist beispielsweise ein Photomultiplier. Alternativ können auch Avalanche Photodioden oder Halbleiterdetektoren, z. B.
Halbleiterdetektoren auf Cadmium-Zink-Telurd Basis, eingesetzt werden. An den Photomultiplier 11 ist über eine Impulsleitung 13 eine Messgerätelektronik 15 angeschlossen, die anhand der eingehenden Impulse k mittels eines Zählers 17 und einer internen Uhr 19 deren Impulsrate N(t_i) bestimmt. Die Impulsrate N(t_i) ist gleich der Anzahl n der Impulse k, die pro Zeiteinheit Δt detektiert werden, und damit ein direktes Maß für die am Detektor 7 eintreffenden Strahlungsintensität I(t_i). Impulsrate N(ti) und Strahlungsintensität I(t_i) sind äquivalente unmittelbar ineinander umrechenbare Messgrößen. Alternativ können auch andere Arten von Detektoren, wie z. B. Geiger-Müller-Zählrohre oder Ionisationskammern, eingesetzt werden, in denen die eintreffende Strahlung ebenfalls in Lichtblitze umgewandelt wird, die über einen Lichtempfänger in ein die eintreffende Strahlungsintensität wiedergebendes elektrisches Signal umgewandelt wird.
Die am Detektor 7 eintreffende Strahlungsintensität I ist abhängig von der Strahlungsleistung des Strahlers 5 und der Absorption entlang des Strahlungspfads auf dem Weg vom Strahler 5 zum Detektor 7. Während die Absorption in den Behälterwänden in der Anwendung konstant ist, hängt die Absorption entlang der im Behälter 3 zurückgelegten Wegstrecke d von der Dichte ρ und dem Abschwächungskoeffizienten μ des im Behälter 3 im Strahlungspfad befindlichen Mediums ab.
Im freien Zustand weist die Strahlungsintensität I ein Maximum I_max auf, dass durch eine die Strahlungsleistung des Strahlers 5 und die Absorption in den Behälterwänden gegebene Ausgangsstrahlungsleitung I₀ und eine exponentielle Abhängigkeit von der Dichte ρ₀ des im Strahlungspfad befindlichen Gases, in der Regel Luft, der Länge der durch das Gas zurückgelegten Wegstrecke d der Strahlung und dem Abschwächungskoeffizienten μ₀ des Gases gegeben ist.
Entsprechend weist die Strahlungsintensität I im bedeckten Zustand ein Minimum I_min auf, dass durch die Ausgangsstrahlungsleitung I₀ und eine exponentielle Abhängigkeit von der Dichte ρ_L des im Strahlungspfad befindlichen Füllguts 1, der Länge der durch das Gas zurückgelegten Wegstrecke d der Strahlung und dem Abschwächungskoeffizienten μ_L des Füllguts 1 gegeben ist.
Aufgrund der Quantennatur der radiometrischen Strahlung sind die gemessenen Strahlungsintensitäten I(t_i) diskrete Messwerte, die in den beiden Zuständen jeweils in einer statistischen Verteilung auftreten, die sich sehr gut anhand der statischen Verteilung der gemessenen Impulsraten N(t_i), d. h. der Anzahl n der pro Zeiteinheit Δt eintreffenden Impulse k, veranschaulichen lässt.
Befindet sich der Strahlungspfad in einem der beiden Zustände 'frei' oder 'bedeckt', so ist die Wahrscheinlichkeit p(N) für das Auftreten einer bestimmten Impulsrate N durch eine Poisson-Verteilung gemäß:
gegeben, wobei N in jedem Zustand gleich dem Mittelwert der in diesem Zustand auftretenden Impulsraten N ist.
3 zeigt die im freien Zustand resultierende Verteilung p_f(N) und die im bedeckten Zustand resultierende Verteilung p_b(N). Die beiden Verteilungen p_f(N) und p_b(N) weisen jeweils ein ausgeprägtes Maximum bei dem Mittelwert N _f, N _b der jeweiligen Verteilung p_f(N) und p_b(N) auf. Der Mittelwert N _f der im freien Zustand resultierenden Verteilung p_f(N) entspricht der im freien Zustand zu erwartenden mittleren Strahlungsintensität I_max. Der Mittelwert N _b der im bedeckten Zustand resultierenden Verteilung p_b(N) entspricht der deutlich geringeren im bedeckten Zustand zu erwartenden mittleren Strahlungsintensität I_min.
Die beiden Verteilungen p_f(N) und p_b(N) sind zwei deutlich voneinander beabstandete Poissson-Verteilungen deren Breite jeweils durch die Varianz σ_f, σ_b der jeweiligen Poisson-Verteilung gegeben ist, die gleich der Wurzel aus dem Mittelwert N _f, N _b der jeweiligen Verteilung p_f(N) und p_b(N) ist. Damit gilt:
und
Der Abstand zwischen den beiden Poisson-Verteilungen ist durch die unterschiedlich starke Absorption in den beiden Zuständen gegeben. Die Grenzstandsüberwachung ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, genau wie bei herkömmlichen Verfahren auch, nur dann ausführbar, wenn der Unterschied in der Absorption in den beiden Zuständen groß genug ist, um deutlich unterscheidbare Intensitätsmesswerte zu bewirken. Das bedeutet zwangsläufig, dass die beiden Poisson-Verteilungen voneinander getrennt und damit unterscheidbar sind. Der Mindestabstand zwischen den beiden Poisson-Verteilungen, der vorliegen muss, damit die beiden als getrennt angesehen werden, kann beispielsweise anhand von ganzzahligen Halbwertsschichten H durch die Bedingung:
vorgegeben werden. Typischer Weise wird ein Mindestabstand von mindestens 5 Halbwertsschichten, d. h. H = 5, gefordert. Die Einhaltung dieser Bedingung kann vom Anwender in der Regel anhand seiner Kenntnis der Anwendung durch eine Abschätzung sicher gestellt werden.
Die oben genannten auf den Poisson-Verteilungen beruhenden statistischen Eigenschaften und Beziehungen gelten aufgrund der Äquivalenz von Strahlungsintensitäten I(t_i) und Impulsraten N(t_i) natürlich in gleicher Weise auch für die Strahlungsintensitäten I(t_i). Erfindungsgemäß werden diese statistischen Eigenschaften und Beziehungen ausgenutzt, um eine selbsttätige Aufnahme des Überwachungsbetriebs durch den Grenzschalter zu ermöglichen, die insb. ohne vorherige Ausführung eines Abgleichverfahrens, bei dem mindestens einer der Zustände hergestellt und die zugehörige Strahlungsintensität gemessen werden muss, auskommt.
Hierzu werden mit dem Detektor 7 im Anschluss an die Installation des Grenzschalters in einem Intervall T = [t₀..., t_m], in dem die beiden Zustände frei und bedeckt mindestens einmal eingenommen werden, sukzessive Strahlungsintensitäten I(t₀), ... I(t_m) gemessen, und eine Verteilung V(T) der im Intervall T gemessenen Strahlungsintensitäten I(t_i) aufgezeichnet. Dabei ist es völlig unerheblich, in welchem der beiden Zustände sich der Strahlungspfad zu Beginn des Intervalls T befindet. Es ist insb. nicht erforderlich, den Strahlungspfad vorab in einen bestimmten Zustand zu versetzen oder den vorliegenden Zustand zu kennen.
Anschließend werden innerhalb der aufgezeichneten Verteilung V(T) zwei getrennte Poisson-Verteilungen identifiziert, und es wird anhand der Lagen der in der Verteilung V(T) identifizierten Poisson-Verteilungen ein oberer Schwellwert S_max für die Strahlungsintensität I bestimmt, bei dessen Überschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall T gemessene Strahlungsintensität I ein Zustandswechsel in den freien Zustand festgestellt wird, und/oder ein unterer Schwellwert S_min für die Strahlungsintensität bestimmt, bei dessen Unterschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall T gemessene Strahlungsintensität l ein Zustandswechsel in den bedeckten Zustand festgestellt wird.
Das Verfahren ist natürlich völlig analog auch anhand der entsprechenden Impulsraten N ausführbar. Impulsraten N und Strahlungsintensitäten I werden hier aufgrund der Äquivalenz synonym verwendet.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist das Intervall T ein vor der Aufnahme des Überwachungsbetriebs des Grenzschalters liegender Zeitraum, in dem die beiden Zustände mindestens einmal auftreten. Bei dieser Variante beginnt der Grenzschalter unmittelbar nach dessen Einschaltung zum Zeitpunkt t₀ selbsttätig damit sukzessive Strahlungsintensitäten I(t_i) zu messen. Die Verteilung V(T) dieser gemessenen Strahlungsintensitäten I(t_i) wird beispielsweise in Form eines Histogramms aufgezeichnet, in dem die Häufigkeiten #, mit denen die einzelnen diskreten Strahlungsintensitätsmesswerte auftreten, erfasst werden. 4 zeigt die Entstehung eines solchen Histogramm, in dem die Häufigkeiten # als Funktion der diskreten gemessenen Strahlungsintensitätsmesswerte I eingetragen sind. Dieser Verfahrensschritt wird mindestens solange ausgeführt, bis in der aufgezeichneten Verteilung V(T) zwei getrennte Poisson-Verteilungen identifiziert werden können. Dies geschieht beispielsweise mittels einer in der Messgerätelektronik 15 integrierten an einen Speicher 21 angeschlossenen elektronischen Einheit 23, z. B. einem Mikroprozessor.
Währenddessen wird die aufgezeichnete Verteilung V fortwährend oder, wie in dem hier dargestellten Beispiel, in vorgegebenen Zeitabständen T1, T2, T3... durch entsprechende Software daraufhin untersucht, ob die bis dahin aufgezeichnete Verteilung V(t) bereits zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen aufweist.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass jeweils die Maxima M der Häufigkeiten # der bis dahin aufgezeichneten Verteilung V(t) ermittelt werden. Dabei wird vorzugsweise eine Mindesthäufigkeit #_min vorgegeben, die die identifizierten Extremwerte der Häufigkeiten # überschreiten müssen, um als Maxima M der Verteilung gewertet zu werden.
In dem in 4 dargestellten Beispiel befand sich der Strahlungspfad zunächst im freien Zustand. Vom Beginn der Aufzeichnung bei t₀ bis zur Zeit T1 ergab die Aufzeichnung die Verteilung V(T1). Sie weist ein einziges die Mindesthäufigkeit #_min überschreitendes Maximum M1 auf.
Solange die aufgezeichnete Verteilung V(t) nur ein Maximum, hier M1, aufweist, können keine zwei getrennten Poisson-Verteilungen identifiziert werden, und der Verfahrensschritt wird weiter fortgesetzt.
Die nächste in 4 dargestellte Momentaufnahme zeigt die bis zur Zeit T2 aufgezeichnete Verteilung V(T2). Diese Verteilung V(T2) weist zwei verschiedene die Mindesthäufigkeit #_min übersteigende Maxima M2 und M3 auf.
Sobald zwei verschiedene die Mindesthäufigkeit #_min übersteigende Maxima, hier M2, M3 vorliegen, wird anhand der zugehörigen Strahlungsintensitätsmesswerte I_max2 und I_max3 geprüft, ob diese einer einzigen oder zwei verschiedenen Poisson-Verteilungen zuzuordnen sind. Dies geschieht beispielsweise, indem angenommen wird, dass die beiden Strahlungsintensitätsmesswerte I_max2 und I_max3 näherungsweise gleich den Mittelwerten der zugehörigen Poisson-Verteilung sind. Entsprechend wird anhand eines der beiden Strahlungsintensitätsmesswerte I_max2 und I_max3, vorzugsweise anhand des größeren von beiden, hier I_max3, ein Messwertintervall Δ(M3) abgeschätzt, innerhalb dessen die dieser Poisson-Verteilung zuzuordnenden Intensitätsmesswerte zu erwarten sind. Da die Varianz einer Poisson-Verteilung gleich der Wurzel aus deren Mittelwert ist, kann das Messwertintervall Δ(M3) beispielsweise durch ein um den größeren Strahlungsintensitätsmesswert I_max3 zentriertes Intervall abgeschätzt werden, dessen Breite zu beiden Seiten des Strahlungsintensitätsmesswerts I_max3 größer gleich dem zweifachen der Wurzel aus diesem Strahlungsintensitätsmesswert I_max3 ist.
Liegt der Intensitätsmesswert I_max2 des anderen Maximums M2 der aufgezeichneten Verteilung – wie in der Verteilung V(T2) dargestellt – innerhalb dieses Messwertintervalls Δ(M3) = [I_max3 – 2(I_max3)^1/2, I_max3 + 2(I_max3)1/2], so ist davon auszugehen, dass er derselben Poisson-Verteilung zuzuordnen ist. Daran erkennt der Grenzschalter selbsttätig, dass der Verfahrensschritt weiter fortgesetzt werden muss, da sich der Strahlungspfad entweder noch immer im Ausgangszustand befindet, oder der andere Zustand noch nicht lange genug vorgelegen hat, um dessen Poisson-Verteilung zu identifizieren.
Die nächste in 4 dargestellte Momentaufnahme zeigt die bis zur Zeit T3 aufgezeichnete Verteilung V(T3). Diese Verteilung V(T3) weist drei verschiedene die Mindesthäufigkeit #_min übersteigende Maxima M4, M5 und M6 auf. Auch hier wird wieder überprüft, ob die Maximal M4, M5, M6 zwei getrennten Poisson-Verteilungen zugeordnet werden können, wobei vorzugsweise mit den größten Intensitätsmesswerten I_max6 und I_max5 begonnen wird. Der Intensitätsmesswert I_max5 liegt innerhalb des Messwertintervalls Δ(M6) = [I_max6 – 2(I_max6)^1/2, I_max6 + 2(I_max6)^1/2] um den größten Intensitätsmesswert I_max6. Entsprechend werden diese beiden Maxima M5, M6 ein und derselben Poisson-Verteilung zugeordnet.
Der Intensitätsmesswert I_max4 liegt außerhalb der Messwertintervalle Δ(M6) = [I_max6 – 2(I_max6)^1/2, I_max6 + 2(I_max6)^1/2] und Δ(M5) = [I_max5 – 2(I_max5)^1/2, I^max5 + 2(I_max5)^1/2] um die beiden größten Intensitätsmesswerte I_max5 und I_max6. Entsprechend identifiziert der Grenzschalter jetzt selbsttätig das Vorliegen von zwei getrennte Poisson-Verteilungen. Hieran erkennt der Grenzschalter, dass beide Zustände des Strahlungspfades mindestens einmal aufgetreten sind. Das Intervall T in dem die Verteilung V(T) der gemessenen Strahlungsintensitäten I(t_i) aufgezeichnet werden, kann folglich beendet werden.
Es wird nun für jede der beiden identifizierten Poisson-Verteilungen jeweils deren Lage bestimmt. Hierzu werden vorzugsweise die Mittelwerte der beiden identifizierten Poisson-Verteilungen, um die die Poisson-Verteilungen jeweils zentriert sind, bestimmt, und die Lage gleich dem jeweiligen Mittelwert gesetzt. Anschließend wird anhand des Mittelwerts der in der Verteilung V(T) um eine niedrigere mittlere Strahlungsintensität zentrierten Poisson-Verteilung eine im bedeckten Zustand zu erwartenden mittlere Strahlungsintensität I_b bestimmt, und anhand des Mittelwerts der in der Verteilung (V(T) um eine höhere mittlere Strahlungsintensität zentrierten Poisson-Verteilung eine im freien Zustand zu erwartenden Strahlungsintensität I_f bestimmt.
Anhand der beiden Mittelwerte und deren Zuordnung zu den beiden Zuständen des Strahlungspfad wird nun ein oberer Schwellwert S_max für die gemessenen Strahlungsintensitäten I bestimmt, bei dessen Überschreitung ein Wechsel in den freien Zustand festgestellt wird, und ein unterer Schwellwert S_min für die gemessenen Strahlungsintensitäten I bestimmt, bei dessen Unterschreitung ein Wechsel in den bedeckten Zustand festgestellt wird.
Die beiden Schwellwerte S_min, S_max werden jeweils auf einen zwischen den beiden mittleren Strahlungsintensitäten I_f, I_b liegenden Wert festgelegt.
Die Festlegung der beiden Schwellwerte S_min, S_max kann dabei auf die gleiche Weise erfolgen, wie bei herkömmlichen Grenzschaltern, bei denen die im freien und im bedeckten Zustand zu erwartenden mittleren Strahlungsintensitäten I_f, I_b in einem vorgeschalteten Abgleichverfahren bestimmt worden sind.
Da durch die Mittelwerte der beiden Poisson-Verteilungen nicht nur deren Lage, sondern über deren Varianzen σ(I_f) und σ(I_b), die jeweils gleich der Wurzel des zugehörigen Mittelwerts sind, auch deren Breite bekannt ist, können die Schwellwerte S_min, S_max nun für die gewünschte Anwendung optimal vorgegeben werden.
Beispielsweise kann zur Erzielung einer möglichst großen Hysterese ein möglichst großer Abstand zwischen den beiden Schwellwerten S_min, S_max angesetzt werden, indem der untere Schwellwert S_min auf einen Wert festgelegt wird, der unmittelbar oberhalb der um die niedrigere mittlere Strahlungsintensität I_b zentrierten Poisson-Verteilung liegt, z. B. S_min = I_b + 2σ(I_b), und der obere Schwellwert S_min auf einen Wert festgelegt wird, der unmittelbar unterhalb der um die höhere mittlere Strahlungsintensität I_f zentrierten Poisson-Verteilung liegt. z. B. S_max = I_f – 2σ(I_f).
Alternativ können der obere und der untere Schwellwert S_min, S_max auch auf den gleichen zwischen den beiden Mittelwerten liegenden einheitlichen Schwellwert S = S_min = S_max festgelegt werden.
Auch hierbei wird die Lage dieses Werts vorzugsweise optimal an die jeweilige Anwendung angepasst. So kann beispielsweise bei einer als Überfüllsicherung eingesetzten Grenzstandsüberwachung ein einheitlicher Schwellwert S festgelegt werden, der unmittelbar unterhalb der um die höhere mittlere Strahlungsintensität I_f zentrierten Poisson-Verteilung liegt. z. B. S = I_f – 2σ(I_f). Auf diese Weise ist der Grenzschalter in der Lage ein Verlassen des hier gewünschten freien Zustands extrem frühzeitig zu erkennen und anzuzeigen.
Entsprechend wird bei einer als Leerlaufschutz eingesetzten Grenzstandsüberwachung – wie sie in 1 dargestellt ist – bevorzugt ein einheitlicher Schwellwert S festgelegt, der unmittelbar oberhalb der um die niedrigere mittlere Strahlungsintensität I_b zentrierten Poisson-Verteilung liegt, z. B. S = I_b – 2σ(I_b). Auf diese Weise ist der Grenzschalter auch hier in der Lage ein Verlassen des in dieser Anwendung gewünschten bedeckten Zustands extrem frühzeitig zu erkennen und anzuzeigen.
Der Grenzschalter geht nun selbsttätig in den Betrieb über. Im Betrieb werden nun sukzessive Strahlungsintensitäten I gemessen, und anhand der im Betrieb gemessenen Strahlungsintensitäten I und der Schwellwerte S_min, S_max der Zustand des Strahlenpfads überwacht.
Die Genauigkeit mit der die im freien und im bedeckten Zustand zu erwartenden mittleren Intensitätsmesswerte I_f, I_b, und darüber auch die Schwellwerte S_min, S_max bzw. S, bestimmt werden können, hängt hierbei maßgeblich von der Anzahl der in den beiden Poisson-Verteilungen in der Verteilung V(T) aufgezeichneten einzelnen Intensitätsmesswerten I(t_i) im Verhältnis zu der Bandbreite der möglichen Intensitätsmesswerte ab, und kann durch die Höhe der Mindesthäufigkeit #_min vorgegeben werden. Dabei ist die erzielbare Genauigkeit umso höher, je größer die Mindesthäufigkeit #_min angesetzt wird.
Eine höhere Mindesthäufigkeit #_min verlängert jedoch die Dauer des Intervalls T. Um trotzdem möglichst schnell den Betrieb aufnehmen zu können, kann daher auch bewusst zunächst eine relativ niedrige Mindesthäufigkeit #_min vorgegeben, über die vergleichsweise schnell vorläufige Schwellwerte ermittelt werden, mit denen der Grenzschalter bereits den Betrieb aufnehmen kann. In dem Fall wird an das Intervall T vorzugsweise parallel zu dem anhand der vorläufigen Schwellwerte aufgenommenen Betrieb ein weiteres Intervall TS angeschlossen, in dem die Aufzeichnung der Verteilung V(TS) der Intensitätsmesswerte I(t_i) solange weitergeführt wird, bis auf der Basis einer deutlich höheren Mindesthäufigkeit #_max die endgültigen Schwellwerte S_min, S_max ermittelt werden können, die dann nachfolgend für den weiteren Betrieb eingesetzt werden.
Bei Anwendungen, bei denen zwischen der Poisson-Verteilung, die die statistische Verteilung der im freien Zustand auf den Detektor 7 auftreffenden Strahlungsintensitäten wiedergibt, und der Poisson-Verteilung, die die statistische Verteilung der im bedeckten Zustand auf den Detektor 7 auftreffenden Strahlungsintensitäten wiedergibt, ein in 3 schraffiert dargestellter vorbekannter Sperrbereich SP besteht, der ausschließlich Strahlungsintensitäten umfasst, die weder dem freien noch im bedeckten Zustand zuzuordnen sind, kann der Grenzschalter auch während des Intervalls T anhand der im Intervall T gemessenen Strahlungsintensitäten I(t_i) eine Grenzstandsüberwachung ausführen. Dabei wird ein Überschreiten des zu überwachenden Grenzstands festgestellt, wenn der jeweilige Intensitätsmesswert I(t_i) unterhalb des Sperrbereichs SP liegt, und ein Unterschreiten des zu überwachenden Grenzstands festgestellt, wenn der jeweilige Intensitätsmesswert I(t_i) oberhalb des Sperrbereichs SP liegt.

Bei dieser Variante werden bei der Aufzeichnung der Verteilung V(T) vorzugsweise ausschließlich diejenigen im Intervall T gemessenen Strahlungsintensitäten I(t_i) in die Verteilung V(T) aufgenommen, die außerhalb des Sperrbereichs SP liegen.

1	Füllgut
3	Behälter
5	radioaktiver Strahler
7	Detektor
9	Szintillator
11	Photomultiplier
13	Impulsleitung
15	Messgerätelektronik
17	Zähler
19	Uhr
21	Speicher
23	elektronische Einheit

Claims

Verfahren zur Grenzstandsüberwachung mit einem radiometrischen Grenzschalter, mit – einem Strahler (5), der radiometrische Strahlung entlang eines auf der Höhe des zu überwachenden Grenzstands verlaufenden Strahlungspfades sendet, der sich in einem freien Zustand befindet, wenn der Grenzstand unterschritten ist, und der sich in einem durch ein Medium bedeckten Zustand befindet, wenn der Grenzstand überschritten ist, – einem endseitig in den Strahlengang eingesetzten Detektor (7), der darauf eintreffende vom Zustand des Strahlungspfads abhängige diskrete Strahlungsintensitäten (I) misst, deren statistische Verteilung im freien und im bedeckten Zustand durch zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen gegeben ist, bei dem – in einem Intervall (T) in dem die beiden Zustände mindestens einmal eingenommen werden sukzessive Strahlungsintensitäten (I(t_i)) gemessen werden, – eine Verteilung (V(T)) der im Intervall (T) gemessenen Strahlungsintensitäten (I(t_i)) aufgezeichnet wird, – innerhalb der Verteilung (V(T)) zwei getrennte Poisson-Verteilungen identifiziert werden, und – anhand der Lagen der in der Verteilung (V(T)) identifizierten Poisson-Verteilungen innerhalb der Verteilung (V(T)) ein oberer Schwellwert (S_max) für die Strahlungsintensität (I) bestimmt wird, bei dessen Überschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall (T) gemessene Strahlungsintensität (I) ein Zustandswechsel in den freien Zustand festgestellt wird, und/oder – ein unterer Schwellwert (S_min) für die Strahlungsintensität (I) bestimmt wird, bei dessen Unterschreitung durch eine im Anschluss an das Intervall (T) gemessene Strahlungsintensität (I) ein Zustandswechsel in den bedeckten Zustand festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Detektor (7) darauf auftreffende Strahlungsquanten in elektrische Impulse (k) umwandelt, und die diskreten Strahlungsintensitäten (I(t_i)) in Form von Impulsraten (N(t_i)) gemessen werden, die jeweils der Anzahl (n) der elektrischen Impulse (k) pro Zeiteinheit (Δt) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Mittelwerte der beiden in der Verteilung identifizierten Poissonverteilungen bestimmt werden, – anhand des Mittelwerts der in der Verteilung (VT)) um eine niedrigere mittlere Strahlungsintensität zentrierten Poisson-Verteilung eine im bedeckten Zustand zu erwartenden mittlere Strahlungsintensität (I_b) bestimmt wird, und – anhand des Mittelwerts der in der Verteilung (V(T) um eine höhere mittlere Strahlungsintensität zentrierten Poisson-Verteilung eine im freien Zustand zu erwartenden Strahlungsintensität (I_f) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lagen der in der Verteilung (V(T)) identifizierten Poisson-Verteilungen jeweils anhand des zugehörigen Mittelwerts der jeweiligen identifizierten Poisson-Verteilung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schwellwerte (S_min, S_max) anhand von Lage und Varianz der beiden in der Verteilung identifizierten Poisson-Verteilungen festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Intervall ein vor der Aufnahme des Überwachungsbetriebs durch den Grenzschalter liegender Zeitraum ist, – der Grenzschalter im Anschluss an das Intervall die Schwellwerte festlegt, und – anschließend selbsttätig in einen Grenzstandsüberwachungsbetrieb übergeht, – in dem sukzessive Strahlungsintensitäten (I) gemessen werden, und – in dem anhand der gemessenen Strahlungsintensitäten (I) und der Schwellwerte (S_min, S_max) der Zustand des Strahlenpfads bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Intervall (T), in dem sukzessive Strahlungsintensitäten (I(t_i)) gemessen werden, gestartet wird, – die Verteilung V(T) der gemessenen Strahlungsintensitäten (I(t_i)) aufgezeichnet wird, in dem die gemessenen Strahlungsintensitäten (I(t_i)) sukzessive in die Verteilung aufgenommen werden, – die Verteilung fortwährend oder in vorgegebenen Zeitabständen daraufhin untersucht wird, ob sie zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen enthält, und – das Intervall (T) beendet wird, nachdem in der bis dahin aufgezeichneten Verteilung (V(T)) zwei voneinander getrennte Poisson-Verteilungen identifiziert wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – ein zwischen der Poisson-Verteilung, die die statistische Verteilung der im freien Zustand auf den Detektor auftreffenden Strahlungsintensitäten wiedergibt, und Poisson-Verteilung, die die statistische Verteilung der im bedeckten Zustand auf den Detektor auftreffenden Strahlungsintensitäten wiedergibt, liegender vorbekannter Sperrbereich besteht, der ausschließlich Strahlungsintensitäten umfasst, die weder dem freien noch dem bedeckten Zustand zuzuordnen sind, – der Grenzschalter während des Intervalls (T) anhand der im Intervall (T) gemessenen Strahlungsintensitäten (I(t_i) eine Grenzstandsüberwachung ausführt, bei der – ein Überschreiten des zu überwachenden Grenzstands festgestellt wird, wenn der jeweilige Intensitätsmesswert (I(t_i)) unterhalb des Sperrbereichs liegt, und – ein Unterschreiten des zu überwachenden Grenzstands festgestellt wird, wenn der jeweilige Intensitätsmesswert (I(t_i)) oberhalb des Sperrbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem bei der Aufzeichnung der Verteilung (V(T)) ausschließlich diejenigen gemessenen Strahlungsintensitäten (I(t_i) in die Verteilung (V(T)) aufgenommen werden, die außerhalb des Sperrbereichs liegen.