DE102013218045B4

DE102013218045B4 - Radiometrisches Messgerät und radiometrisches Messsystem

Info

Publication number: DE102013218045B4
Application number: DE102013218045.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Briggmann; Ewald FREIBURGER; Tobias Daibenzeiher
Original assignee: Berthold Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Berthold Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: DE102013218045A1

Abstract

Radiometrisches Messgerät (1), aufweisend: – eine getaktete Spannungsversorgungseinheit (2) zur Erzeugung einer Versorgungsspannung (UHV) für einen optischen Detektor (3) und – einen Differenzverstärker (4) mit einem ersten und einem zweiten Eingang, wobei der Differenzverstärker (4) an seinem ersten Eingang mit der Versorgungsspannung (UHV) oder einer aus der Versorgungsspannung (UHV) abgeleiteten Spannung beaufschlagt ist und an seinem zweiten Eingang mit einer mittels des optischen Detektors (3) erzeugten Messspannung (UM1) beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein radiometrisches Messgerät und ein radiometrisches Messsystem.
In der Prozessmesstechnik werden zur Messung von Prozessgrößen oder Materialeigenschaften, beispielsweise zur Füllstandsmessung, zur Feuchtigkeitsmessung, zur Dichtemessung etc., häufig radiometrische Messsysteme verwendet, die Szintillationszähler bzw. Szintillationsdetektoren zur Strahlungsmessung umfassen.
Szintillationszähler dienen beispielsweise zur Bestimmung des Spektrums von ionisierender Strahlung, d. h. der Bestimmung der Intensität als Funktion der Energie der ionisierenden Strahlung, wobei ein Szintillationszähler einen Szintillator umfasst, der beim Durchgang von Strahlung in Form von energiereichen geladenen Teilchen oder Photonen angeregt wird und die Anregungsenergie in Form von Lichtimpulsen (meist im UV oder sichtbaren Bereich) wieder abgibt, was als Szintillation bezeichnet wird.
Die derart erzeugten Lichtimpulse werden mit einem geeigneten optischen Sensor bzw. Detektor in elektrische Signale umgewandelt und verstärkt. Ein solcher Detektor ist beispielsweise ein Vakuum-Photomultiplier oder eine Photodiode. Seit einigen Jahren sind auch sogenannte Silizium-Photomultiplier oder SiPM (Halbleiterbauelemente mit interner Elektronenverstärkung) als optische Sensoren bzw. Detektoren verfügbar.
Der optische Sensor gibt Impulse aus, wobei eine Anzahl von Impulsen pro Zeiteinheit, d. h. die Zählrate, ein Maß für die Intensität der Strahlung ist und eine Impulshöhe bzw. Impulsamplitude (genauer ein Integral über dem zeitlichen Verlauf des Impulses) ein Maß für die Energie der Strahlung ist.
Die so erzeugten Pulse werden meist mit Hilfe von Schwellwertanalysen ausgewertet, d. h. es werden nur die Impulse gezählt, die oberhalb einer bestimmten Pulshöhe liegen. Die Pulshöhe pro Lichteinheit (Verstärkung) ist meist durch einen Parameter bzw. eine Stellgröße, beispielsweise in Form einer Versorgungsspannung für den optischen Sensor, in bestimmten Grenzen einstellbar.
Der optische Detektor ist üblicherweise mit einer Versorgungsspannung zu versorgen, deren Pegel über dem Pegel einer typischen Speise-Gleichspannung (beispielsweise 3,3 V) liegt, die zur Speisung einer Steuerelektronik usw. dient. Zur Erzeugung dieser Versorgungsspannung werden in der Regel getaktete Spannungsversorgungseinheiten verwendet, die die Versorgungsspannung aus der Speise-Gleichspannung erzeugen.
Aufgrund der Taktung können jedoch Störungen verursacht werden, die beispielsweise in eine Eingangsverstärkerschaltung eingekoppelt werden und somit Messfehler verursachen. Weiter ist es wünschenswert, dass eine Taktfrequenz der Spannungsversorgungseinheit weit außerhalb des Frequenzbands des Messsignals liegt, was die Designfreiheitsgrade reduziert. Schließlich sollte die Versorgungsspannung oberwellenarm erzeugen werden, was möglichst sinusförmige Signalverläufe erfordert, die jedoch zu einem reduzierten Wirkungsgrad der Spannungsversorgungseinheit führen.
Die DE 25 40 511 C3 zeigt ein Photometer mit Operationsverstärkern zur Signalaufbereitung, wobei die Operationsverstärker als Impedanzwandler geschaltet sind.
Die DE 20 2009 001 281 U1 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung einer Hochspannung mit einstellbarem Spannungspegel.
Die DE 20 2007 014 661 U1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ankopplung von bipolaren Impulsen an einen Komparator, der einen Operationsverstärker enthält.
Die Veröffentlichung „R. Richter: Über eine Ballonsonde für Polarlichtmessungen und über den Vergleich von Polarlichtemissionen, Röntgenstrahlen und Ionosphärischen Absorptionen. Springer Verlag 1970; Seite 41” zeigt eine Ballonsonde für Polarlichtmessungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein radiometrisches Messgerät und ein radiometrisches Messsystem zur Verfügung zu stellen, die einen hohen Wirkungsgrad der Spannungsversorgungseinheit bei gleichzeitig geringer Störempfindlichkeit gegenüber Störungen aufweisen, die durch die Spannungsversorgungseinheit verursacht sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein radiometrisches Messgerät nach Anspruch 1 und ein radiometrisches Messsystem nach Anspruch 11.
Das radiometrische Messgerät weist eine getaktete Spannungsversorgungseinheit zur Erzeugung einer Versorgungsspannung für einen optischen Detektor auf.
Weiter ist ein Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang vorgesehen, wobei der Differenzverstärker an seinem ersten Eingang unmittelbar mit der Versorgungsspannung oder einem aus der Versorgungsspannung, beispielsweise durch Spannungsteilung, abgeleiteten Signal bzw. einer aus der Versorgungsspannung, beispielsweise durch Spannungsteilung, abgeleiteten Spannung beaufschlagt ist und an seinem zweiten Eingang mit einem mittels des optischen Detektors erzeugten Messsignal bzw. einer mittels des optischen Detektors erzeugten Messspannung beaufschlagt ist.
Der Differenzverstärker kann derart dimensioniert sein, dass Störspannungsanteile, die sowohl in der Versorgungsspannung als auch in der Messspannung enthalten sind, unterdrückt werden. Dies erhöht die Designfreiheitsgrade der Spannungsversorgungseinheit, da eine vergleichsweise störungsbehaftete Erzeugung der Versorgungsspannung zulässig ist, ohne dass sich dies in einer Zunahme von Messfehlern abbildet. Daher kann die Spannungsversorgungseinheit insbesondere mit hohem Wirkungsgrad entworfen werden.
Der Differenzverstärker kann eine Filtercharakteristik, insbesondere eine Bandpasscharakteristik, aufweisen.
Die Spanungsversorgungseinheit kann einen Stromrichter aufweisen bzw. ein solcher sein.
Die Spanungsversorgungseinheit kann zur Spannungswandlung mittels Takten rechteckförmige Signale erzeugen, so dass im Vergleich zur sinusförmigen Signalerzeugung ein höherer Wirkungsgrad möglich ist, wobei die aufgrund der rechteckförmigen Signale erzeugten Störungen aufgrund des Differenzverstärkers im Wesentlichen unterdrückt werden.
Die Spanungsversorgungseinheit kann eine Taktfrequenz zwischen 50 kHz und 500 kHz aufweisen.
Es können ein zweiter bzw. weiterer Differenzverstärker mit einem ersten und einem zweiten Eingang und eine Messspannungs-Teilerschaltung vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, die Messspannung durch einen vorgebbaren Faktor zu teilen, wobei der weitere Differenzverstärker an seinem ersten Eingang mit der Versorgungsspannung oder einer aus der Versorgungsspannung abgeleiteten Spannung beaufschlagt ist und an seinem zweiten Eingang mit der geteilten Messspannung beaufschlagt ist. Auf diese Weise kann ein hoher Dynamikbereich der Messung realisiert werden, indem beispielsweise der Differenzverstärker als erster Messkanal für Messsignale mit kleinerem Pegel und der weitere Differenzverstärker als zweiter Messkanal für Messsignale mit höherem Pegel verwendet wird, wobei dynamisch zwischen den Messkanälen umgeschaltet werden kann.
Die Messspannungs-Teilerschaltung kann einen ersten und einen zweiten Widerstand aufweisen, wobei der erste und der zweite Widerstand in Reihe geschaltet sind und jeweils von einem mittels des optischen Detektors erzeugten Messstrom durchflossen sind. Der erste und der zweite Widerstand können entsprechend dem Faktor unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. An dem ersten Widerstand kann die Messspannung anstehen und an dem zweiten Widerstand kann die geteilte Messspannung anstehen. Alternativ kann an einem der Widerstände die geteilte Messspannung anstehen und eine Summe aus den an den Widerständen anstehenden Spannungen kann die Messspannung bilden.
Der optische Detektor kann ein Photomultiplier, eine PIN-Photodiode, eine Avalanche-Photodiode oder ein Silizium Photomultiplier sein.
Der Differenzverstärker und/oder der weitere Differenzverstärker kann/können derart dimensioniert sein, dass die Messspannung invertiert wird.
Die Spanungsversorgungseinheit kann ein so genannter Flyback-Wandler sein.
Das radiometrisches Messsystem weist auf: einen optischen Detektor und ein oben genanntes radiometrisches Messgerät, das mit dem optischen Detektor gekoppelt ist.
Der optische Detektor kann optisch mit einem Szintillator, insbesondere mit einem Kunststoff-Szintillator, gekoppelt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
1 ein Blockschaltbild eines radiometrischen Messsystems,
2 eine erste Ausführungsform einer Messspannungs-Teilerschaltung und
3 eine weitere Ausführungsform einer Messspannungs-Teilerschaltung.
1 zeigt ein radiometrisches Messsystem 100 mit einem Szintillator 7, einem optisch mit dem Szintillator 7 gekoppelten optischen Detektor in Form eines Photomultipliers 3 und einem mit dem Photomultiplier 3 gekoppelten radiometrischen Messgerät 1.
Das Messgerät 1 weist eine getaktete Spannungsversorgungseinheit in Form eines Hochsetzstellers 2 zur Erzeugung einer Versorgungsspannung UHV für den Photomultiplier 3 auf. Die Versorgungsspannung UHV kann beispielsweise in einem Spannungsbereich zwischen 300 V und 1300 V erzeugt werden. Die Spanungsversorgungseinheit 2 erzeugt zur Spannungswandlung herkömmlich intern rechteckförmige Signale mit einer Frequenz beispielsweise zwischen 50 kHz und 500 kHz.
Das Messgerät 1 wertet einen mittels des Photomultipliers 3 erzeugten Messstrom IM bzw. eine aus dem Messstrom IM abgeleitete Messspannung UM1 und eine aus dem Messstrom IM1 abgeleitete zweite Messspannung UM2, die durch Teilen der Messspannung UM1 mit einem Faktor gebildet ist, zur Bestimmung einer Messgröße, beispielsweise eines Füllstands, aus.
Hierzu ist am Signaleingang eine Messspannungs-Teilerschaltung 6 als Teil einer Eingangsverstärkerschaltung vorgesehen, die aus dem Messstrom IM die Messspannung UM1 und die geteilte Messspannung UM2 erzeugt (siehe hierzu auch die 2 und 3).
Das Messgerät 1 weist weiter als Teil der Eingangsverstärkerschaltung zwei Differenzverstärker 4 und 5 auf. Der Differenzverstärker 4 ist an seinem ersten Eingang mit der Versorgungsspannung UHV beaufschlagt und an seinem zweiten Eingang mit der Messspannung UM1 beaufschlagt. Der Differenzverstärker 5 ist an seinem ersten Eingang mit der Versorgungsspannung UHV beaufschlagt und an seinem zweiten Eingang mit der geteilten Messspannung UM2 beaufschlagt. Es versteht sich, dass die Versorgungsspannung UHV geeignet pegelgewandelt an die Differenzverstärker 4 und 5 angelegt werden kann und/oder dass die Differenzverstärker 4 und 5 intern eine geeignete Pegelwandlung vornehmen.
Die Differenzverstärker 4 und 5 sind jeweils derart dimensioniert, dass Störspannungsanteile, die sowohl in der Versorgungsspannung UHV als auch in der Messspannung UM1 bzw. geteilten Messspannung UM2 enthalten sind, möglichst optimal unterdrückt werden. Die Störspannungsanteile werden insbesondere aufgrund des Taktens der Spannungsversorgungseinheit 2 verursacht. Da aufgrund der Messanordnung die Störspannungsanteile der Versorgungsspannung UHV prinzipiell auch in der Messspannung UM1 und der geteilten Messspannung UM2 vorhanden sind, sind diese Störspannungsanteile durch Differenzbildung gut unterdrückbar.
Die Differenzverstärker 4 und 5 weisen weiter jeweils eine Bandpasscharakteristik auf, die an das Spektrum der Messspannungen UM1 und UM1 angepasst ist.
Die von den Differenzverstärkern 4 und 5 erzeugten Signale werden herkömmlich mittels einer nachgeschalteten Auswerteschaltung 8 zur Bestimmung der Messgröße ausgewertet. Die Auswerteschaltung 8 kann hierzu Komparatoren, analoge Schaltungsteile, digitale Schaltungsteile, einen Zähler, einen Mikroprozessor usw. aufweisen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Es versteht sich, dass die Eingangsverstärkerschaltung weitere herkömmliche Elemente aufweisen kann, beispielsweise analoge Schaltkreise, digitale Schaltkreise etc.
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Messspannungs-Teilerschaltung 6. Die Messspannungs-Teilerschaltung 6 weist einen ersten Widerstand 9 und einen zweiten Widerstand 10 auf, wobei der erste und der zweite Widerstand 9, 10 in Reihe geschaltet sind. Der erste und der zweite Widerstand 9, 10 weisen unterschiedliche Widerstandswerte derart auf, dass sich die Spannungen UM1 und UM2 um den vorgebbaren Faktor unterscheiden. Die Reihenschaltung der Widerstände 9 und 10 ist auf einer Seite mit der Versorgungsspannung UHV beaufschlagt und auf der anderen Seite mit dem Photomultiplier, insbesondere dessen Anode, elektrisch gekoppelt.
Der sich einstellende Messstrom IM fließt identisch durch beide Widerstände 9 und 10. Die sich an den Widerständen 9 und 10 einstellenden Spannungen werden mittels der Kondensatoren 11 und 12 bzw. 13 und 14 DC-entkoppelt und mittels der Impedanzwandler 15 bzw. 16 als die Messspannung UM1 bzw. die geteilte Messspannung UM2 ausgegeben. Die Messspannung UM1 ist hierbei die Summe der über beide Widerstände 9 und 10 abfallenden Spannung und die geteilte Messspannung UM2 ist die am Widerstand 9 abfallende Spannung. Die Messspannung UM1 wird für kleine zu messende Intensitäten und die geteilte Messspannung UM2 für hohe zu messende Intensitäten verwendet, so dass sich insgesamt ein hoher Dynamikbereich ergibt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Messspannungs-Teilerschaltung 6' mit im Vergleich zu 2 geändertem Spannungsabgriff an den Widerständen 9 und 10. Die Messspannung UM1 ist hierbei die am Widerstand 10 abfallende Spannung und die geteilte Messspannung UM2 ist die am Widerstand 9 abfallende Spannung

Claims

Radiometrisches Messgerät (1), aufweisend: – eine getaktete Spannungsversorgungseinheit (2) zur Erzeugung einer Versorgungsspannung (UHV) für einen optischen Detektor (3) und – einen Differenzverstärker (4) mit einem ersten und einem zweiten Eingang, wobei der Differenzverstärker (4) an seinem ersten Eingang mit der Versorgungsspannung (UHV) oder einer aus der Versorgungsspannung (UHV) abgeleiteten Spannung beaufschlagt ist und an seinem zweiten Eingang mit einer mittels des optischen Detektors (3) erzeugten Messspannung (UM1) beaufschlagt ist.
Radiometrisches Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (4) derart dimensioniert ist, dass Störspannungsanteile, die sowohl in der Versorgungsspannung (UHV) als auch in der Messspannung (UM1) enthalten sind, unterdrückt werden.
Radiometrisches Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (4) eine Filtercharakteristik, insbesondere eine Bandpasscharakteristik, aufweist.
Radiometrisches Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanungsversorgungseinheit (2) einen Stromrichter aufweist.
Radiometrisches Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanungsversorgungseinheit (2) zur Spannungswandlung mittels Takten rechteckförmige Signale erzeugt.
Radiometrisches Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanungsversorgungseinheit (2) eine Taktfrequenz zwischen 50 kHz und 500 kHz aufweist.
Radiometrisches Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – einen weiteren Differenzverstärker (5) mit einem ersten und einem zweiten Eingang und – eine Messspannungs-Teilerschaltung (6), die dazu ausgebildet ist, die Messspannung (UM1) durch einen vorgebbaren Faktor zu teilen, – wobei der weitere Differenzverstärker (5) an seinem ersten Eingang mit der Versorgungsspannung (UHV) oder einer aus der Versorgungsspannung (UHV) abgeleiteten Spannung beaufschlagt ist und an seinem zweiten Eingang mit der geteilten Messspannung (UM2) beaufschlagt ist.
Radiometrisches Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannungs-Teilerschaltung (6) einen ersten und einen zweiten Widerstand (9, 10) umfasst, wobei der erste und der zweite Widerstand (9, 10) in Reihe geschaltet sind und jeweils von einem mittels des optischen Detektors (3) erzeugten Messstrom (IM) durchflossen sind.
Radiometrisches Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Widerstand (9, 10) entsprechend dem Faktor unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, wobei an dem ersten Widerstand (9) die Messspannung (UM1) ansteht und an dem zweiten Widerstand (10) die geteilte Messspannung (UM2) ansteht.
Radiometrisches Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Detektor (3) ein Photomultiplier, eine PIN-Photodiode, eine Avalanche-Photodiode oder ein Silizium Photomultiplier ist.
Radiometrisches Messsystem (100), aufweisend: – einen optischen Detektor (3) und – ein radiometrisches Messgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mit dem optischen Detektor (3) gekoppelt ist.