DE102015101705B4

DE102015101705B4 - Messanordnung zur radiometrischen Dichte- oder Füllstandsmessung eines Mediums in einem explosionsgefährdeten Bereich

Info

Publication number: DE102015101705B4
Application number: DE102015101705.9A
Authority: DE
Inventors: Dieter Benz; Simon Weidenbruch
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2035-02-07
Also published as: WO2016124459A1; DE102015101705A1

Abstract

Messanordnung zur radiometrischen Bestimmung oder Überwachung der Dichte oder des Füllstandes eines Mediums (13) in einem Behälter (2), welche sich in einem explosionsgefärdeten Bereich befindet, umfassend- eine radioaktive Strahlenquelle (3) zum Aussenden radioaktiver Strahlung,- einen Detektor (4) mit-- einer photo-sensitiven Einheit (5), die elektromagnetische Strahlung in ein Messsignal umwandelt,-- einer explosionssicheren Vergusskapselung (6), die zumindest die photo-sensitive Einheit (5) umschließt, und die aus einem szintillierendem Material besteht, wobei der Detektor (4) und die Strahlenquelle (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch den Behälter (2) auf das szintillierende Material auftrifft und elektromagnetische Strahlung erzeugt,wobei die photo-sensitive Einheit (5) die elektromagnetische Strahlung empfängt,wobei eine Regel-/Auswerte-Einheit (8) vorgesehen ist, die die Dichte oder den Füllstand anhand des Messsignals bestimmt, undwobei eine übergeordnete Einheit (9) vorgesehen ist, die außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist und die den Detektor (4) über eine elektrische Verbindungsleitung (10) mit Energie versorgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur radiometrischen Dichte- oder Füllstandsmessung eines Mediums in einem explosionsgefärdeten Bereich.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Im Fall von Dichte- oder Füllstandsmessungen werden oftmals Feldgeräte eingesetzt, deren Messmethode auf Radiometrie basiert. Dieses Messprinzip hat sich im Fall von Dichte-Bestimmung insbesondere für Medien mit hoher Dichte bewährt, die nicht rein flüssiger oder gasförmiger Natur sind, sondern auch hohe Anteile an Feststoffen beinhalten, wie zum Beispiel Schlämme, Öle oder hochviskose Medien im Allgemeinen. Bei Füllstandsmessungen kann es sich bei dem Medium sogar um feste Schüttgüter wie Kies, Sand oder Saatgut handeln. Beim Umgang mit solchen Medien ist jedoch generell zu beachten, dass durch Öl-Dämpfe oder Gasentwicklung durch Treibstoffe, aber auch Staubentwicklung durch Schüttgüter Explosionsgefahr in den Bereichen um die Behälter entstehen kann. Hierdurch ist es für Messanordnungen zur Dichte- oder Füllstandsbestimmung, die in solch explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, notwendig, explosionssicher ausgelegt zu sein.
Die Messmethode der Radiometrie nutzt radioaktive Strahlung, vorzugsweise Gamma-Strahlung, die von einer Strahlenquelle ausgesendet und durch den Behälter mit dem zu messenden Medium geleitet wird. Nach Durchgang durch den Behälter wird die transmittierte Strahlenintensität von einem Detektor erfasst. Durch die Auswertung des Detektorsignals wird der transmittierte Anteil der ausgesandten Strahlenintensität bestimmt, wodurch auf die Dichte oder den Füllstand des Mediums zurückgeschlossen werden kann. Die transmittierte Strahlenintensität der radioaktiven Strahlung kann nach Durchgang durch den Behälter jedoch nicht direkt detektiert werden, es muss durch ein dafür geeignetes Material zuerst in elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich umgewandelt werden, bevor es von einer photo-sensitiven Einheit innerhalb des Detektors detektiert werden kann. Materialien, die diese Eigenschaft aufweisen, werden als szintillierende Materialien bezeichnet. Unter anderem Polystyrol weist diese szintillierende Eigenschaft auf. Erst die im optischen Bereich liegende Strahlung kann von der photo-sensitiven Einheit, wie beispielsweise einer Avalanche Photodiode detektiert werden, wobei für den Betrieb von Avalanche Photodioden nur moderate Spannungen von üblicherweise 30 V notwendig sind, im Gegensatz zu Geiger-Müller-Zählrohren oder Photomultipliern, deren Betriebsspannung mehrere hundert Volt bis über tausend Volt betragen kann.
Der Betrieb von Messanordnungen, die hohe Versorgungsspannungen benötigen, ist in explosionsgefährdeten Bereichen jedoch kritisch, da mit steigender Versorgungsspannung auch die Gefahr steigt, dass diese Geräte als potentielle Zündquelle in explosionsgefährdeten Bereichen wirken. Um Dichte- oder Füllstandsmessungen in explosionsgefährdeten Bereichen, wie es beispielsweise in Prozessanlagen der Öl- oder Gasindustrie anzufinden ist, trotzdem durchführen zu können, müssen insbesondere diejenigen Komponenten der Messanordnung, die hohe Versorgungsspannungen erfordern, zum Zweck des Zündschutzes gekapselt sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass die notwendige Zündenergie, die beispielsweise von der hohen Versorgungsspannung herrührt, nicht in den explosionsgefährdeten Bereich übertragen wird. Eine explosionssichere Kapselung kann auf verschiedene Arten realisiert werden, dies ist für elektronische Komponenten beispielsweise in der Normenreihe EN 60079 festgelegt. Hierunter fällt auch eine Vergusskapselung, deren Zündschutz-Anforderungen in der Norm EN 60079-18 definiert sind.
In der Veröffentlichungsschrift DE 10 2009 002 816 A1 wird ein radiometrisches Messgerät zur Dichte- oder Füllstandsmessung in explosionsgefährdeter Umgebung beschrieben. Das dortige Messgerät umfasst ein explosionsgeschütztes Gehäuse, in welches die Enden von Szintilationsfasern über eine explosionsgeschützte Durchführung eingeführt werden. Dabei umschließen die Szintilationsfasern den Träger der Fotodioden-Arrays teilweise.
Aus dem Patent US 2012/0132817 A1 sind bereits Vergusskapselungen für Avalanche Photodioden bekannt. Allerdings dient hier die Vergusskapselung lediglich dem Schutz der Avalanche Photodiode vor äußeren Umwelteinflüssen und nicht dem Explosionsschutz. Nachteilig bei der Kapselung von Avalanche Photodioden ist hier jedoch auch, dass die Strahlung bei Durchgang durch die Kapselung absorbiert wird. Dies reduziert die Messempfindlichkeit der Avalanche Photodiode und somit auch die Messgenauigkeit der gesamten Messanordnung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung für den Betrieb in einem explosionsgefährdeten Bereich bereitzustellen, bei der die explosionssichere Kapselung der photo-sensitiven Einheit die Empfindlichkeit der photo-sensitiven Einheit erhöht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Messanordnung zur radiometrischen Bestimmung oder Überwachung der Dichte oder des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter, welche sich in einem explosionsgefärdeten Bereich befindet. Die Messanordnung umfasst

- eine radioaktive Strahlenquelle zum Aussenden radioaktiver Strahlung,
- einen Detektor mit
- -- einer photo-sensitiven Einheit, die elektromagnetische Strahlung in ein Messsignal umwandelt,
- -- einer explosionssicheren Vergusskapselung, die zumindest die photo-sensitive Einheit umschließt, und die aus einem szintillierenden Material besteht.

Hierbei sind der Detektor und die Strahlenquelle derart zueinander angeordnet, dass die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch den Behälter auf das szintillierende Material auftrifft und elektromagnetische Strahlung erzeugt, wobei die photo-sensitive Einheit die elektromagnetische Strahlung empfängt. Des Weiteren ist eine Regel-/Auswerte-Einheit vorgesehen, die die Dichte oder den Füllstand anhand des Messsignals bestimmt. Zusätzlich ist eine übergeordnete Einheit vorgesehen, die außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist und die den Detektor über eine elektrische Verbindungsleitung mit Energie versorgt. Durch diese Ausgestaltung der explosionssicheren Vergusskapselung, bei der zumindest in einem Teilbereich eine Umwandlung der eintreffenden radioaktiven Strahlung in elektromagnetische Strahlung erfolgt, kann die elektromagnetische Strahlung direkt in die photo-sensitive Einheit eingekoppelt werden. Hierdurch wird zum einen eine zusätzliche Szintillator-Einheit überflüssig. Zum anderen kann durch die direkte Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung die Mess-Empfindlichkeit der photo-sensitiven Einheit bzw. der gesamten Messanordnung erhöht werden. Als szintillierendes Material kann beispielsweise ein Kunststoff mit szintillierenden Eigenschaften, wie Polystyrol oder Polyvinyltoluen verwendet werden. Ebenso sind aber auch anorganische szintillierende Materialien wie Caesiumiodid, Lanthannchlorid, Bismutgermanat oder vergleichbare Materialien mit szintillierenden Eigenschaften denkbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Messanordnung sieht vor, dass die Regel-/Auswerte-Einheit ebenfalls von der explosionssicheren Vergusskapselung umschlossen ist. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich die Regel-/Auswerte-Einheit in unmittelbarer Nähe zur photo-sensitiven Einheit, beispielsweise auf der gleichen Platine, so dass auch das Auswerten der Daten oder die Steuerung der photo-sensitiven Einheit im explosionsgeschützten Bereich durchgeführt werden kann.
Die Vergusskapselung kann zum Beispiel durch Verwendung von Polystyrol realisiert sein, da Polystyrol zum einen szintillierende Eigenschaften aufweist, zum anderen kann es durch seine thermoplastischen Eigenschaften mit urformenden Verfahren, z.B. in Form eines Vergusses, verarbeitet werden. Bei der geometrischen Auslegung der Vergusskapselung sind Aspekte des Explosionsschutzes, wie zum Beispiel in der Norm EN 60079-18 (oder eine äquivalente Norm) dargelegt, zu beachten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Messanordnung handelt es sich bei der elektrischen Verbindungsleitung um ein eigensicheres Verbindungskabel. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch durch dieses Kabel, welches vornehmlich zur Energieversorgung des Detektors gedacht ist, keine Gefahr der Entzündung des explosionsgefährdeten Bereichs ausgeht. Es versteht sich von selbst, dass über solch ein Kabel nicht ausschließlich die Energieversorgung stattfinden muss. So kann zusätzlich auch Datenaustausch über diese Kabelverbindung erfolgen. Alternativ kann der Datenaustausch aber auch über eine kabellose Verbindung erfolgen. In diesem Fall beinhaltet der Detektor eine zusätzliche Sende-Empfangseinheit zur kabellosen Datenübertragung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Messanordnung weist die explosionssichere Vergusskapselung eine Schutzschicht zum Schutz gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Umgebungslicht, auf. Umgebungslicht kann zu einer verfälschten Messung des Detektors führen, da die photo-sensitive Einheit auch parasitäres Umgebungslicht detektiert und dies nicht vom eigentlichen Messsignal unterscheiden kann. Daher steigert eine Schutzschicht die Zuverlässigkeit der Messanordnung. Eine solche Schutzschicht kann beispielsweise aus einer metallischen Reflektions-Schicht bestehen, die mittels eines Beschichtungsverfahrens, wie z. B. physikalischer Kathodenzerstäubung aufgetragen wird. Es kann sich aber auch um eine Licht-absorbierende Lackschicht handeln.
In einer alternativen Weiterbildung der Messanordnung zur letztgenannten Ausgestaltung weist die explosionssichere Vergusskapselung ein Gehäuse zum Schutz gegen Umwelteinflüsse, wie Umgebungslicht, auf. Sie übernimmt damit eine äquivalente Funktion wie die Schutzschicht. Geeignete Materialien sind hier wiederum beispielsweise Licht-absorbierende oder reflektierende Metalle oder Kunststoffe. Hierdurch kann außerdem ein Schutz gegen weitere Umwelteinflüsse wie Spritzwasser, korrosive Medien oder mechanische Einwirkungen erreicht werden.
In einer vorteilhaften Form der Messanordnung handelt es sich bei der photo-sensitiven Einheit um eine Photodiode oder ein Array aus mehreren Photodioden. Hierbei kann ein etwaiges Array beliebige Formen annehmen, beispielsweise eine rechteckige Fläche aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Photodioden zur Vergrößerung der photo-sensitiven Fläche. Unter Photodioden sind vor allem Avalanche Photodioden zur Detektion elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich sehr geeignet. Erfindungsgemäß kann jedoch prinzipiell jeder Typ Photodioden verwendet werden, der in der Lage ist, die vom szintillierenden Material ausgehende elektromagnetische Strahlung in Messsignale umwandeln.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt:

1: Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung zur radiometrischen Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes im explosionsgefährdeten Bereich.

In 1 ist eine Messanordnung zur radiometrischen Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums 13 in einem Behälter 2, welche sich in einem explosionsgefärdeten Bereich befindet, dargestellt.
Anhand von 1 ist zu erkennen, wie die einzelnen Komponenten der Messanordnung zueinander angeordnet sind:
Eine Strahlenquelle 3 sendet radioaktive Strahlung in Richtung des Behälters 2 mit dem zu messenden Medium 13. Wenn sich der Füllstand des Mediums 13 im Behälter 2 oberhalb der radioaktiven Strahlung befindet, wird die Strahlung durch das Medium 13 geleitet und folglich stärker absorbiert, so dass sich nach Durchgang durch den Behälter 2 eine niedrigere Intensität der radioaktiven Strahlung ergibt. In 1 befindet sich der Füllstand unterhalb des Verlaufs der radioaktiven Strahlung.
Nach Durchgang durch den Behälter 2 trifft die radioaktive Strahlung auf einen aus szintillierendem Material bestehenden Teilbereich 7 einer explosionssicheren Vergusskapselung 6 eines Detektors 4.
Dem Teilbereich 7, in dem die radioaktive Strahlung in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird, schließt sich innerhalb der Vergusskapselung 6 eine photo-sensitive Einheit 5 an. Die photo-sensitive Einheit 5 detektiert die elektromagnetische Strahlung und wandelt sie in ein von der Intensität der elektromagnetischen Strahlung abhängiges Messsignal. Diese kann von einer RegelZ-Auswerteeinheit 8 weiterverarbeitet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich die Regel-/Auswerte-Einheit 8 ebenfalls innerhalb der explosionssicheren Vergusskapselung 6.
Anhand der von der photo-sensitiven Einheit 5 erfassten Intensität der radioaktiven Strahlung kann darauf geschlossen werden, ob der Füllstand oberhalb der radioaktiven Strahlung verläuft. Im simpelsten Fall kann also anhand der Messanordnung erkannt werden, ob der Füllstand einen bestimmten Grenz-Füllstand unter- oder überschreitet. Dabei handelt es sich bei dem Grenz-Füllstand um die Höhe, auf der die radioaktive Strahlung durch den Behälter verläuft.
Für den Zündschutz im explosionsgefährdeten Bereich ist es außerdem wichtig, dass sich alle Komponenten der Messanordnung, die nicht explosionssicher ausgelegt sind, außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs befinden. Daher erfolgt die Energieversorgung des Detektors 4 durch die übergeordnete Einheit 9 in der dargestellten Ausführung von außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs. Dabei wird dem Detektor 4 die Energie über ein eigensicheres Kabel 10 zugeführt, um auch die Energieversorgung in den explosionsgefährdeten Bereich hinein explosionssicher zu gewährleisten.
In 1 wird ersichtlich, dass die photo-sensitive Einheit 5, bei der es sich vorzugsweise um eine Avalanche-Photodiode handelt, explosionssicher geschützt ist und gleichzeitig im entscheidenden Teilbereich 7 der Vergusskapselung 6 szintillierende Eigenschaften aufweist, wodurch eine verbesserte Sensitivität der photo-sensitiven Einheit 5 bewirkt wird.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Behälter
3: Strahlenquelle
4: Detektor
5: Photo-sensitive Einheit
6: Vergusskapselung
7: Teilbereich
8: Regel-/Auswerte-Einheit
9: Übergeordnete Einheit
10: Verbindungsleitung
11: Schutzschicht
12: Gehäuse
13: Medium

Claims

Messanordnung zur radiometrischen Bestimmung oder Überwachung der Dichte oder des Füllstandes eines Mediums (13) in einem Behälter (2), welche sich in einem explosionsgefärdeten Bereich befindet, umfassend - eine radioaktive Strahlenquelle (3) zum Aussenden radioaktiver Strahlung, - einen Detektor (4) mit -- einer photo-sensitiven Einheit (5), die elektromagnetische Strahlung in ein Messsignal umwandelt, -- einer explosionssicheren Vergusskapselung (6), die zumindest die photo-sensitive Einheit (5) umschließt, und die aus einem szintillierendem Material besteht, wobei der Detektor (4) und die Strahlenquelle (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch den Behälter (2) auf das szintillierende Material auftrifft und elektromagnetische Strahlung erzeugt, wobei die photo-sensitive Einheit (5) die elektromagnetische Strahlung empfängt, wobei eine Regel-/Auswerte-Einheit (8) vorgesehen ist, die die Dichte oder den Füllstand anhand des Messsignals bestimmt, und wobei eine übergeordnete Einheit (9) vorgesehen ist, die außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist und die den Detektor (4) über eine elektrische Verbindungsleitung (10) mit Energie versorgt.
Messanordnung nach Anspruch 1, wobei die Regel-/Auswerte-Einheit (8) von der explosionssicheren Vergusskapselung (6) umschlossen ist.
Messanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der elektrischen Verbindungsleitung (10) um ein eigensicheres Verbindungskabel handelt.
Messanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die explosionssichere Vergusskapselung (6) eine Schutzschicht (11) zum Schutz gegen Umwelteinflüsse aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 4, wobei die explosionssichere Vergusskapselung (6) eine Schutzschicht (11) zum Schutz gegen Umgebungslicht aufweist.
Messanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die explosionssichere Vergusskapselung (6) ein Gehäuse (12) zum Schutz gegen Umwelteinflüsse aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 6, wobei die explosionssichere Vergusskapselung (6) ein Gehäuse (12) zum Schutz gegen Umgebungslicht aufweist.
Messanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der photo-sensitiven Einheit (5) um eine Photodiode oder eine Anordnung aus mehreren Photodioden handelt.