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Die Erfindung betrifft eine Detektor-Einheit für ein radiometrisches Dichte- oder Füllstandsmessgerät.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Im Rahmen der Erfindung werden unter dem Begriff „Behälter“ auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Allgemein werden all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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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.
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Bei der Messmethode der Radiometrie wird radioaktive Strahlung (vorzugsweise Gamma-Strahlung einer Cäsium- oder Kobalt-Quelle) genutzt, die von einer radioaktiven Strahlungsquelle ausgesendet und durch den Behälter mit dem zu messenden Medium geleitet wird. Nach Durchgang durch den Behälter wird die transmittierte Strahlenintensität von einer Detektor-Einheit erfasst. Durch die Auswertung des Detektorsignals wird der transmittierte Anteil der ausgesandten Strahlenintensität bestimmt. Hierdurch wird auf die Dichte oder den Füllstand des Mediums geschlossen.
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Die transmittierte Strahlenintensität der radioaktiven Strahlung kann nach Durchgang durch den Behälter nicht direkt detektiert werden: Die radioaktive Strahlung muss durch ein dafür geeignetes Material zuerst in elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich umgewandelt werden, bevor die Strahlung von einem Photomultiplier innerhalb der Detektor-Einheit 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 Spektralbereich liegende Strahlung kann vom Photomultiplier (dessen erforderliche Betriebsspannung mehrere hundert Volt bis über einem Kilovolt beträgt) detektiert werden.
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Der Betrieb von Messanordnungen, die hohe Versorgungsspannungen benötigen, ist in explosionsgefährdeten Bereichen jedoch kritisch. Denn mit steigender Versorgungsspannung steigt auch die Gefahr, dass diese Geräte als potentielle Zündquelle in explosionsgefährdeten Bereichen wirken. Um Dichte- oder Füllstandsmessungen in explosionsgefährdeten Bereichen also 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.
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Eine explosionssichere Kapselung für elektronische Komponenten ist für den europäischen Raum in der Normenreihe EN 60079 festgelegt. Zur Kapselung der Detektor-Einheit wird dementsprechend insbesondere eine Druckkapselung zur Kapselung der Detektor-Einheit verwendet. Deren Auslegungs-Anforderungen sind in der Norm EN 60079-1 definiert.
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Detektor-Einheiten für radiometrische Messgeräte, die zum Zwecke des Explosionsschutzes komplett per Druckkapselung gekapselt sind, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. In diesen Fällen sind alle Komponenten der Detektor-Einheit, also der Szintillator, der Photomultiplier und etwaige elektrische Komponenten zur Hochspannungserzeugung oder Signalauswertung, in einem einzigen druckfesten Gehäuse angeordnet. Eine solche Auslegung hat jedoch den Nachteil, dass sie sehr massiv und dementsprechend sperrig ausgelegt werden muss, da vor allem der Szintillator je nach Anwendung sehr große Abmessungen aufweisen muss.
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Eine per Druckkapselung gekapselte Detektor-Einheit, bei welcher der Szintillator nicht Teil der Druckkapselung ist, wird in der Patentschrift
DE 102007048203 A1 beschrieben: In diesem Fall erfolgt die optische Kopplung zwischen dem Photomultiplier und dem im Druckgehäuse befindlichen Szintillator durch ein explosionsschutzfähiges Fenster im Druckgehäuse, das zumindest für die entsprechende optische Wellenlänge des Szintillators transparent ist. Durch diese Auslegung können die Abmessungen der Detektor-Einheit in gewissem Maße reduziert werden, ohne dass der Explosionsschutz verloren geht. Außerdem ist es hiermit möglich, die Detektor-Einheit so auszulegen, dass der Szintillator auswechselbar ist. Allerdings ist es bei einer solchen Auslegung der Detektor-Einheit problematisch, die Photomultiplier-Einheit (Photomultiplier plus Elektronik zur Hochspannungserzeugung bzw. Signalauswertung) auswechselbar zu gestalten, ohne wiederum die Abmessungen der Detektor-Einheit entsprechend groß zu wählen. Der Grund hierfür ist, dass der elektrische Anschluss der Photomultiplier-Einheit insbesondere bei einer Energieversorgung der Detektor-Einheit über Einheitssignale (also bspw. 4-20 mA) räumlich weit entfernt von der Photomultiplier-Einheit angeordnet werden muss, um einen eventuellen Funkenüberschlag entsprechend der Explosionsschutzbestimmungen zu unterbinden. Eine fehlende Möglichkeit der Auswechslung des Photomultipliers ist jedoch nachteilig, da der Photomultiplier in der Praxis eine begrenzte Lebensdauer aufweist und daher zyklisch ausgewechselt werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Detektor-Einheit für ein radiometrisches Dichte- oder Füllstandsmessgerät zur Verfügung zu stellen, dessen Photomultiplier-Einheit auswechselbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Detektor-Einheit für ein radiometrisches Dichte- oder Füllstandsmessgerät. Hierzu umfasst die Detektor-Einheit:
- - Einen Szintillator,
- - eine optisch mit dem Szintillator gekoppelte Photomultiplier-Einheit mit einem Photomultiplier und einem elektrischen Anschluss, wobei die Photomultiplier-Einheit derart mit einem Verguss gekapselt ist, dass der elektrische Anschluss außerhalb des Vergusses angeordnet ist, und
- - ein Gehäuse zur Kapselung von zumindest der Photomultiplier-Einheit, wobei das Gehäuse und/oder der Verguss derart ausgestaltet sind/ist, dass die Photomultiplier-Einheit auswechselbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Kapselung der Detektor-Einheit, bestehend aus dem Gehäuse in Verbindung mit dem zusätzlichem Verguss der Photomultiplier-Einheit, wird somit erreicht, dass etwaige Explosionsschutzbestimmungen bei wesentlich kompakteren Bauformen der Detektor-Einheit erreicht werden können. Gleichzeitig wird es durch den Verguss der Photomultiplier-Einheit vereinfacht, diese auswechselbar auszulegen, beispielsweise indem der Verguss mit hierfür geeigneten Führungen versehen wird.
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Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn das Gehäuse als druckfestes Gehäuse, insbesondere gemäß der Norm IEC60079-1:2009, ausgelegt ist. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht relevant, ob das Gehäuse zusätzlich auch den Szintillator kapselt.
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Zwecks einer einfachen Auswechslung der Photomultiplier-Einheit besteht eine bevorzugte erfindungsgemäße Variante darin, das Gehäuse mit einer Öffnung und einem hierzu korrespondierenden Deckel zu versehen, wobei die Photomultiplier-Einheit in diesem Fall über die Öffnung auswechselbar ist. Dabei kann der Deckel beispielsweise verschraubbar angebracht werden, wobei das Gewinde zum Verschrauben des Deckels hierzu vorzugsweise entsprechend explosionsfest ausgelegt sein muss.
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Bezüglich solch einer Öffnung ist es hinsichtlich etwaiger Explosionsschutzbestimmungen außerdem von Vorteil, wenn der Deckel eine Kabeldurchführung, insbesondere eine Glasdurchführung, zur Kontaktierung des elektrischen Anschlusses umfasst. In diesem Fall kann auch die elektrische Kontaktierung der Photomultiplier-Einheit von außen über den Deckel erfolgen, so dass eine Trennung des elektrischen Anschlusses bei der Auswechslung der Photomultiplier-Einheit gewährleistet werden kann.
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Besonders, wenn die Hochspannungserzeugung zur Versorgung des Photomultipliers innerhalb der Detektor-Einheit stattfindet und nicht extern erfolgt, ist eine kompakte Ausgestaltung der Detektor-Einheit schwer möglich. Daher kann die erfindungsgemäße Kapselung insbesondere dann vorteilhaft zu einer kompakten Auslegung der Detektor-Einheit beitragen, wenn die Photomultiplier-Einheit derart ausgestaltet ist, um am elektrischen Anschluss ein Einheits-Signal, insbesondere ein 4-20 mA Signal zu erzeugen (wie bei diesem Signaltyp üblich, ist der Wert des Einheits-Signals hierbei von der Leistung der am Szintillator empfangenen radioaktiven Strahlung abhängig), da bei diesem Signaltyp die für den Photomultiplier erforderliche Hochspannung erst innerhalb der Photomultiplier-Einheit erzeugt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Photomultiplier-Einheit in einem Vergussbecher vergossen, so dass dieser den Verguss auch im eingebauten Zustand umgibt. Bei dieser Variante trägt der Vergussbecher zusätzlich zum Explosionsschutz bei, wodurch die Detektor-Einheit wiederum kompakter dimensioniert werden kann. Dabei ist der Vergussbecher zur optischen Kopplung des Szintillators mit der Photomultiplier-Einheit vorzugsweise zumindest in dem entsprechenden Teilbereich, der an den Szintillator angrenzt, optisch transparent auszugestalten. Zwecks verbesserter Sensitivität des Photomultipliers ist es außerdem von Vorteil, wenn eine magnetische Schirmung der Photomultiplier-Einheit (beispielsweise an der Innenwand des Gehäuses oder der Außenwand des Vergusses bzw. Vergussbechers) vorgesehen ist.
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Bei jener Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Detektor-Einheit, bei der die Hochspannungsversorgung innerhalb der Detektor-Einheit erfolgt, umfasst die Photomultiplier-Einheit vorzugsweise eine Schaltungsbaugruppe zur Hochspannungsversorgung und/oder zur Auswertung des Photmultipliers. In diesem Fall ist der Verguss der Photomultiplier-Einheit vorzugsweise derart auszulegen, um den Photomultiplier gemäß der Norm IEC60079-11:2009, also eigensicher gegenüber der Schaltungsbaugruppe zu isolieren.
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Um insgesamt eine explosionsschutzkonforme Detektor-Einheit zu erreichen, sind/ist vorzugsweise zumindest der Verguss und/oder das Druckgehäuse (also entweder einzeln oder in Zusammenwirkung) derart ausgestaltet, dass die Detektor-Einheit als solche einen Explosionsschutz in einer explosionsgefährdeten Umgebung, insbesondere gemäß der Normenreihe IEC60079-11:2009, gewährt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:
- 1: eine typische Anordnung eines radiometrischen Dichte- oder Füllstandsmessgeräts, und
- 2: eine erfindungsgemäße Detektor-Einheit.
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In 1 ist eine typische Anordnung eines radiometrischen Dichte- oder Füllstandsmessgeräts 2 an einem Behälter 7 dargestellt, wobei sich der Behälter 7 in der gezeigten Darstellung in einem explosionsgefärdeten Bereich befindet. Es wird veranschaulicht, wie die Hauptkomponenten des Füllstandsmessgerätes 2, eine Strahlungsquelle 8 und eine Detektor-Einheit 1 zueinander angeordnet sind:
- Die Strahlungsquelle 8 ist derart außerhalb des Behälters 7 angeordnet und ausgerichtet, dass sie radioaktive Strahlung in Richtung des Behälters 7 mit einem Füllgut aussendet, dessen Füllstand im Behälter 7, oder dessen Dichte zu bestimmen ist. Hier bietet sich an, dass die Strahlungsquelle 8 direkt am Behälter 7 befestigt wird.
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Im Falle von Füllstandsmessung wird die radioaktive Strahlung in Abhängigkeit des Füllstands verschieden stark absorbiert, so dass sich nach Durchgang durch den Behälter 7 an der Detektor-Einheit 1 eine entsprechende Intensität der radioaktiven Strahlung einstellt. Korrespondierend hierzu ist die Detektor-Einheit 1 in Bezug zur Strahlungsquelle 8 in etwa auf der gegenüberliegenden Seite Behälters 7 angeordnet, so dass sie sich ungefähr im Zentrum des Strahlungskegels der Strahlungsquelle 8 befindet. Im Falle von Dichtemessung ergibt sich die Strahlungsintensität an der Detektor-Einheit 1 anhand der Dichte des jeweiligen Füllgutes (Voraussetzung hierfür ist, dass im Fall von nichtgasförmigem Füllgut der Füllstand die Höhe übersteigt, auf der die Strahlungsquelle 8 bzw. die Detektor-Einheit 1 angeordnet sind).
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Eine erfindungsgemäße Detektor-Einheit 1 wird schematisch in 2 gezeigt. Wie zur prinzipiellen Funktionsfähigkeit notwendig, umfasst die dort gezeigte Detektor-Einheit 1 einen Szintillator 3 zum Empfang der radioaktiven Strahlung und zu deren Umwandlung in Licht im optischen- oder nahen Infrarot-Bereich. Zur Transmission des Lichts ist der Szintillator 3 über ein hierfür transparentes Fenster 52 an einen Photomultiplier 40 gekoppelt. Über eine (in Bezug zum Szintillator 3 rückseitig am Photomultiplier 40 angeordnete) Schaltungsbaugruppe 42 wird zum einen die am Photomultiplier 40 eingehende Lichtleistung ausgewertet. Zum anderen regelt die Schaltungsbaugruppe 42 die zum Betrieb des Photomultipliers 40 erforderliche Hochspannung. Die Photomultiplier-Einheit 4, die den Photomultiplier 40 und die Schaltungsbaugruppe 42 beinhaltet, umfasset zudem einen elektrischen Anschluss 41, beispielsweise eine mehrpolige Steckverbindung, zur elektrischen Kontaktierung der gesamten Detektor-Einheit 1.
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Erfindungsgemäß beinhaltet die Detektor-Einheit 1 ein Gehäuse 6 sowie zusätzlich einen Verguss 5 zur Kapselung der Photomultiplier-Einheit 4. Hierbei kapselt das Gehäuse 6 in der gezeigten Ausführungsvariante die komplette Detektor-Einheit 1 einschließlich des Szintillators 3. Hierdurch ist auch unter Einhaltung der geltenden Explosionsschutzbestimmungen eine sehr kompakte Dimensionierung der Detektor-Einheit 1 möglich.
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Der elektrische Anschluss 41 ist vom Verguss 41 ausgespart, so dass die Photomultiplier-Einheit 40 hierüber elektrisch kontaktierbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verguss 5 zudem nicht entformt und umfasst dementsprechend einen (zusätzlich explosionsschützenden) Vergussbecher 51. In dem Vergussbecher 51 ist stirnseitig am Photomultiplier 40 das Fenster 52 zur optischen Kopplung mit dem Szintillator 3 angeordnet.
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Außerdem ist der Vergussbecher 51 in der gezeigten Darstellung passgenau in das zylinderförmige Gehäuse 6 eingelassen und somit axial (in Bezug zur Achse des zylinderförmigen Gehäuses 6) aus dem Gehäuse 6 entnehmbar. Zur Unterstützung dieser Funktion wäre es darüber hinaus denkbar, entsprechende Führungen in den Vergussbecher 51 bzw. die Innenwand des Gehäuses 6 zu integrieren. Hierdurch gestaltet sich die Photomultiplier-Einheit 4 erfindungsgemäß auswechselbar. Die Auswechselbarkeit der Photomultiplier-Einheit 4 stellt insofern eine wichtige Funktion dar, da der Photomultiplier 40 in der Praxis eine begrenzte Lebensdauer aufweist und daher zyklisch ausgetauscht werden muss.
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Bei der in 2 gezeigten Darstellung der Detektor-Einheit 1 ist das Gehäuse 6 nicht vollständig dargestellt: Derjenige Bereich des Gehäuses 6, der den elektrischen Anschluss 41 umschließt, ist aus Übersichtlichkeitsgründen ausgeblendet. Dieser nicht dargestellte Bereich des Gehäuses 6 könnte im Sinne der Erfindung beispielsweise mit einem endseitig angebrachten Deckel ausgestaltet sein, über den die Photomultiplier-Einheit 4 auswechselbar ist. Denkbar wäre hierbei ein anschraubbarer Deckel, wobei die Schraubverbindung des Deckels zum Gehäuse 6 hin in diesem Fall vorzugsweise konform zu den jeweiligen Explosionsschutzbedingungen ausgelegt ist.
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Zur Kontaktierung der Photomultiplier-Einheit 4 über den elektrischen Anschluss 41 ist eine Kabeldurchführung, beispielsweise eine explosionssichere Glasdurchführung, im Gehäuse 6 notwendig. Im Falle eines (endseiteigen) Deckels könnte diese in den Deckel integriert sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein einfaches Trennen des elektrischen Anschlusses bei der Auswechslung der Photomultiplier-Einheit durch entsprechendes Service-Personal vereinfacht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Detektor-Einheit
- 2
- Dichte- oder Füllstandsmessgerät
- 3
- Szintillator
- 4
- Photomultiplier-Einheit
- 5
- Verguss
- 6
- Gehäuse
- 7
- Behälter
- 8
- Radioaktive Strahlungsquelle
- 40
- Photomultiplier
- 41
- Elektrischer Anschluss
- 42
- Schaltungsbaugruppe
- 51
- Vergussbecher
- 52
- Fenster
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007048203 A1 [0009]
