DE102016214482A1 - Radiometric measuring device - Google Patents
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Abstract
Radiometrisches Messgerät (1) zur Erfassung eines Messwerts in Form eines Füllstands, einer Dichte, einer Feuchte, einer Position einer Grenzschicht, und/oder eines Massenstroms, aufweisend: – einen Szintillator (2) zur Erzeugung von Lichtimpulsen, – einen optisch mit dem Szintillator (2) gekoppelten Photosensor (3), wobei der Photosensor (3) dazu ausgebildet ist, die von dem Szintillator (2) erzeugten Lichtimpulse in ein zugehöriges Sensorsignal umzuwandeln, – eine Auswerteeinheit (4), die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Sensorsignal den Messwert zu bilden, und – eine Kapsel (5), wobei der Szintillator (2) und der Photosensor (3) innerhalb der Kapsel (5) angeordnet sind.A radiometric measuring device (1) for detecting a measured value in the form of a level, a density, a humidity, a position of a boundary layer, and / or a mass flow, comprising: - a scintillator (2) for generating light pulses, - an optical with the scintillator (2) coupled photosensor (3), wherein the photosensor (3) is adapted to convert the light pulses generated by the scintillator (2) into an associated sensor signal, - an evaluation unit (4), which is designed based on the sensor signal to form the measurement, and - a capsule (5), wherein the scintillator (2) and the photosensor (3) within the capsule (5) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft ein radiometrisches Messgerät zur Erfassung eines Messwerts beispielsweise in Form eines Füllstands, einer Dichte, einer Feuchte, einer Position einer Grenzschicht, und/oder eines Massenstroms.The invention relates to a radiometric measuring device for detecting a measured value, for example in the form of a fill level, a density, a humidity, a position of an interface, and / or a mass flow.
In der Prozessmesstechnik werden zur Messung einer Messgröße oder Prozessgröße beispielsweise in Form eines Füllstands, einer Dichte, einer Feuchte, einer Position einer Grenzschicht, und/oder eines Massenstroms, etc. radiometrische Messgeräte verwendet, die Szintillationsdetektoren zur Strahlungsmessung umfassen. Die Szintillationsdetektoren dienen beispielsweise zur Bestimmung der Energie und/oder der Intensität von ionisierender Strahlung, wobei die Energie und/oder die Intensität der ionisierenden Strahlung von der Messgröße abhängt/abhängen.In process measurement technology, for measuring a measured quantity or process variable, for example in the form of a fill level, density, humidity, position of a boundary layer, and / or mass flow, etc., radiometric measuring devices are used which comprise scintillation detectors for measuring radiation. The scintillation detectors are used, for example, for determining the energy and / or the intensity of ionizing radiation, the energy and / or the intensity of the ionizing radiation depending on the measured variable.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein radiometrisches Messgerät zur Verfügung zu stellen, welches einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Betriebssicherheit aufweist.The invention has for its object to provide a radiometric instrument available, which is simple and inexpensive to produce and has a high reliability.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines radiometrisches Messgeräts gemäß Anspruch 1.The invention achieves this object by providing a radiometric measuring device according to
Das radiometrische Messgerät ist zur Erfassung eines Messwerts beispielsweise in Form eines Füllstands, einer Dichte, einer Feuchte, einer Position einer Grenzschicht, und/oder eines Massenstroms ausgebildet.The radiometric measuring device is designed to detect a measured value, for example in the form of a fill level, a density, a humidity, a position of an interface, and / or a mass flow.
Das radiometrische Messgerät weist einen Szintillator zur Erzeugung von Lichtimpulsen auf. Das radiometrische Messgerät weist weiter mindestens einen optisch mit dem Szintillator gekoppelten Photosensor (Lichtsensor, Photodetektor) auf. Der mindestens eine Photosensor ist dazu ausgebildet, die von dem Szintillator erzeugten Lichtimpulse in ein zugehöriges Sensorsignal, beispielsweise Spannungspulse, umzuwandeln. Der Photosensor kann beispielsweise ein Halbleiterphotosensor sein bzw. einen oder mehrere Halbleiterphotosensoren umfassen. Beispielsweise kann der Photosensor einen oder mehrere Silicon oder Silizium Photomultiplier (SiPM) oder eine oder mehrere Avalanche-Photodioden umfassen bzw. durch diese gebildet sein. The radiometric measuring device has a scintillator for generating light pulses. The radiometric measuring device further has at least one photo sensor (light sensor, photodetector) optically coupled to the scintillator. The at least one photosensor is designed to convert the light pulses generated by the scintillator into an associated sensor signal, for example voltage pulses. The photosensor may, for example, be a semiconductor photosensor or comprise one or more semiconductor photosensors. By way of example, the photosensor may comprise or be formed by one or more silicon or silicon photomultipliers (SiPM) or one or more avalanche photodiodes.
Das radiometrische Messgerät weist weiter eine Auswerteeinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Sensorsignal den Messwert zu bilden, beispielsweise indem eine Zählrate der Spannungspulse ausgewertet wird. Diese Zählrate kann beispielsweise abhängig von der Messgröße sein. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur zu den Messprinzipien radiometrischer Messgeräte verwiesen. Exemplarisch ist beispielsweise die Offenbarung der
Das radiometrische Messgerät weist weiter eine verschließbare bzw. versiegelbare Kapsel bzw. Kapselung auf, wobei der Szintillator und der Photosensor innerhalb der Kapsel angeordnet sind.The radiometric meter further includes a sealable capsule, wherein the scintillator and the photosensor are disposed within the capsule.
Die Kapsel kann fluiddicht, und/oder gasdicht, und/oder wasserdampfdicht geschlossen, verschlossen bzw. vergossen sein. Die Kapsel kann derart abgedichtet sein, dass die darin enthaltenen Komponenten vor einer die Kapsel umgebenden Atmosphäre geschützt sind. Die Kapsel kann hermetisch abgedichtet sein. Der Szintillator und der Photosensor können in der Kapsel mit geeigneter Vergussmasse, beispielsweise Epoxidharz, vergossen sein, um die notwendige Dichtigkeit zu erzielen.The capsule can be closed in a fluid-tight, and / or gas-tight, and / or water vapor-tight, closed or potted manner. The capsule may be sealed so that the components contained therein are protected from an atmosphere surrounding the capsule. The capsule can be hermetically sealed. The scintillator and the photosensor can be encapsulated in the capsule with a suitable potting compound, for example epoxy resin, in order to achieve the necessary tightness.
Die Kapsel, der Szintillator und/oder der Photosensor kann/können einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Die Kapsel, der Szintillator und/oder der Photosensor kann/können zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, geformt sein.The capsule, the scintillator and / or the photosensor can have a circular or rectangular cross-section. The capsule, the scintillator and / or the photosensor can be cylindrical, in particular circular cylindrical, shaped.
In einer Ausführungsform ist der Photosensor mittels elektrischer Anschlussleitungen, beispielsweise in Form von elektrisch leitfähigen Drähten, elektrisch kontaktiert, wobei die elektrischen Anschlussleitungen aus der Kapsel heraus geführt sind, um beispielsweise eine elektrische Kontaktierung des Photosensors mit der beispielsweise außerhalb der Kapsel angeordneten Auswerteeinheit zu ermöglichen.In one embodiment, the photosensor is electrically contacted by means of electrical connection lines, for example in the form of electrically conductive wires, wherein the electrical connection lines are guided out of the capsule in order, for example, to allow electrical contacting of the photosensor with the evaluation unit arranged, for example, outside the capsule.
In einer Ausführungsform besteht die Kapsel aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, Kunststoff oder Verbundmaterialien, wie beispielsweise Kohlefaserverbundmaterial.In one embodiment, the capsule is made of metal, for example aluminum, plastic or composite materials, such as carbon fiber composite material.
In einer Ausführungsform ist der Photosensor auf einer (Träger-)Leiterplatte angeordnet. Auf der Leiterplatte können noch weitere elektronische Bauelemente angeordnet sein, wobei der Photosensor mittels Leiterbahnen der Leiterplatte elektrisch mit diesen weiteren elektronischen Bauelementen elektrisch verbunden sein kann.In one embodiment, the photosensor is arranged on a (carrier) circuit board. On the circuit board further electronic components can be arranged, wherein the photosensor can be electrically connected by means of conductor tracks of the circuit board electrically connected to these other electronic components.
In einer Ausführungsform ist der Photosensor unmittelbar auf dem Szintillator angeordnet. Mit anderen Worten sind der Photosensor und der Szintillator unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet.In one embodiment, the photosensor is disposed directly on the scintillator. In other words, the photosensor and the scintillator are arranged directly adjacent to each other.
In einer Ausführungsform weist das radiometrische Messgerät einen elektrischen Verstärker auf, der dazu ausgebildet ist, das Sensorsignal zu verstärken, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, basierend auf dem verstärkten Sensorsignal den Messwert zu bilden, wobei der elektrische Verstärker innerhalb der Kapsel angeordnet ist.In one embodiment, the radiometric measuring device has an electrical amplifier, which is designed to amplify the sensor signal, wherein the evaluation unit is designed to determine the signal based on the amplified sensor signal To form measured value, wherein the electrical amplifier is disposed within the capsule.
In einer Ausführungsform weist das radiometrische Messgerät eine Betriebsspannungsversorgungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, eine Betriebsspannung für den Photosensor zu erzeugen, wobei die Betriebsspannungsversorgungseinheit innerhalb der Kapsel angeordnet ist. Die Betriebsspannungsversorgungseinheit kann dazu ausgebildet sein, die Betriebsspannung basierend auf einer von außerhalb der Kapsel zugeführten Spannung zu erzeugen.In one embodiment, the radiometric meter includes an operating voltage supply unit configured to generate an operating voltage for the photosensor, wherein the operating voltage supply unit is disposed within the capsule. The operating voltage supply unit may be configured to generate the operating voltage based on a voltage supplied from outside the capsule.
In einer Ausführungsform weist die Kapsel Befestigungsmittel auf, beispielsweise in Form von Gewindelöchern, die dazu dienen, die Kapsel an einer korrespondierenden Komponente des radiometrischen Messgeräts mechanisch zu fixieren.In one embodiment, the capsule has fastening means, for example in the form of threaded holes, which serve to mechanically fix the capsule to a corresponding component of the radiometric measuring device.
In einer Ausführungsform ist die Kapsel mit einer Datenbusschnittstelle versehen. Die Datenbusschnittstelle ermöglicht es, Sensorwerte über die Datenbusschnittstelle nach außen zu übertragen.In one embodiment, the capsule is provided with a data bus interface. The data bus interface makes it possible to transmit sensor values to the outside via the data bus interface.
In einer Ausführungsform weist das radiometrische Messgerät ein aktives Kühl-/Heizelement auf, beispielsweise in Form eines Peltierelements, wobei das aktive Kühl-/Heizelement mittelbar (d.h. über ein zwischengeschaltetes Wärmeleitelement) oder unmittelbar wärmeleitend mit einem Äußeren der Kapsel gekoppelt ist.In one embodiment, the radiometric measuring device comprises an active cooling / heating element, for example in the form of a Peltier element, wherein the active cooling / heating element is indirectly (i.e., via an intermediate heat conducting element) or directly thermally coupled to an exterior of the capsule.
Hygroskopische Szintillatoren wie zum Beispiel NaI(Tl) müssen von der Umgebung abgekapselt werden, so dass keine Feuchtigkeit den Kristall erreichen kann. Damit das Szintillationslicht detektiert werden kann, muss herkömmlich die Kapselung über eine Glasscheibe erfolgen, die das Szintillationslicht zum optischen Detektor leitet. Wegen optischer Verluste, hauptsächlich aufgrund des nicht angepassten Brechungszahlübergangs, wird nur ein Teil des Szintillationslichtes mittels des optischen Detektors detektiert. Jeder zusätzliche Übergang führt dabei zu zusätzlichen Lichtverlusten.Hygroscopic scintillators, such as NaI (Tl), must be encapsulated in the environment so that moisture can not reach the crystal. Conventionally, in order for the scintillation light to be detected, the encapsulation must take place via a glass pane which guides the scintillation light to the optical detector. Due to optical losses, mainly due to the unmatched refractive index transition, only part of the scintillation light is detected by the optical detector. Each additional transition leads to additional light losses.
Erfindungsgemäß wird der Photosensor direkt bzw. unmittelbar auf dem Szintillator angeordnet, wobei Photosensor und Szintillator in die Kapsel eingeführt und gegebenenfalls noch vergossen werden. Dadurch können Lichtverluste reduziert werden, da nur noch ein optischer Übergang vorhanden ist. Simulationen haben gezeigt, dass ohne Glasscheibe zwischen 20% und 35% mehr Licht detektiert werden kann.According to the invention, the photosensor is arranged directly or directly on the scintillator, with the photosensor and scintillator being introduced into the capsule and possibly also being potted. As a result, light losses can be reduced because there is only one optical transition left. Simulations have shown that between 20% and 35% more light can be detected without glass.
Erfindungsgemäß ergibt sich eine sehr kompakte Detektoreinheit aus Szintillator und Photosensor. Eine Betriebsspannungsversorgungseinheit und/oder ein pulsformender Verstärker können direkt in die Kapsel integriert werden. Dies ermöglicht den modularen Einsatz der Detektoreinheit in verschiedenen radiometrischen Messgeräten.According to the invention results in a very compact detector unit of scintillator and photosensor. An operating voltage supply unit and / or a pulse-shaping amplifier can be integrated directly into the capsule. This allows the modular use of the detector unit in various radiometric measuring devices.
Die Detektoreinheit kann komplett eigensicher bzw. anderweitig explosionsgeschützt ausgelegt sein, was den Einsatz für kritische Bereiche ermöglicht.The detector unit can be designed completely intrinsically safe or otherwise explosion-proof, which allows use for critical areas.
Weiter besteht die Möglichkeit, dass die Detektoreinheit mit einer Datenbusschnittstelle versehen wird, so dass eine flexible Erweiterungsmöglichkeit für verschiedene weitere Sensoren besteht, die als weitere Sensoren in die Kapsel eingesetzt werden. Beispielsweise können Temperatursensoren und/oder Beschleunigungssensoren in die Kapsel integriert werden, wobei alle Sensorwerte über die Datenbusschnittstelle nach außen übertragbar sind.It is also possible that the detector unit is provided with a data bus interface, so that there is a flexible expansion possibility for various other sensors, which are used as additional sensors in the capsule. For example, temperature sensors and / or acceleration sensors can be integrated into the capsule, wherein all sensor values can be transmitted to the outside via the data bus interface.
Die Detektoreinheit kann beispielsweise mittels eines Peltier-Elements temperaturgeregelt werden. The detector unit can be temperature-controlled, for example, by means of a Peltier element.
Weiter ist eine einfache mechanische Integration in neue Sonden möglich, da kein optischer Kontakt mehr geplant werden muss und die Detektoreinheit einfach mechanisch befestigbar ist. Selbst in rauen Umgebungen ist kein Abreißen des optischen Kontakts zu erwarten.Furthermore, a simple mechanical integration into new probes is possible since no optical contact has to be planned any more and the detector unit can be mechanically fastened easily. Even in harsh environments, no tearing of the optical contact is expected.
Falls nicht die komplette Stirnseite des Szintillators mit dem Photosensor ausgelesen wird, kann der hohe Brechzahlübergang von nszint = 1.85 auf nluft = 1 ausgenutzt werden, um im Szintillator Totalreflexion zu erhalten (das Szintillationslicht wird ohne Verluste im Szintillator reflektiert, bis es auf den Photosensor trifft). Mit einer Glasplatte ist der kritische Winkel für eine Totalreflexion deutlich größer, so dass mehr Lichtverluste vorhanden sind.If the complete face of the scintillator is not read out with the photosensor, the high refractive index transition from n szint = 1.85 to n air = 1 can be used to obtain total reflection in the scintillator (the scintillation light is reflected without loss in the scintillator until it is reflected on the scintillator) Photosensor hits). With a glass plate, the critical angle for a total reflection is significantly larger, so that more light losses are present.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. The invention will be described in detail below with reference to the drawing.
Hierbei zeigt:Hereby shows:
Innerhalb einer kreiszylindrischen Kapsel
Der Photosensor
Innerhalb der Kapsel
Innerhalb der Kapsel
Die Kapsel
Das radiometrische Messgerät
Die Kapsel
Die Kapsel
Das radiometrische Messgerät
Mittels des Kühl-/Heizelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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