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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft radiometrische Messgeräte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein radiometrisches Messgerät mit zwei Szintillatoren.
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Hintergrund
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Radiometrische Messgeräte werden üblicherweise immer dann eingesetzt, wenn herkömmliche Messgeräte aufgrund besonders rauer Bedingungen am Messort nicht einsetzbar sind. Sehr häufig herrschen am Messort extrem hohe Temperaturen und Drücke oder es liegen chemisch oder mechanisch sehr aggressive Umgebungseinflüsse vor, die den Einsatz anderer Messmethoden unmöglich machen.
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In der radiometrischen Messtechnik wird ein radioaktiver Strahler, z. B. ein Co 60 oder Cs 137 Präparat, an der einen Seite des das Füllgut enthaltenden Behälters oder Rohres angebracht. Diese Nutzstrahlungsquelle sendet radioaktive, ionisierende Strahlung aus, die durch das radiometrische Messgerät, das auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters angebracht ist, detektiert wird. Hierfür weist das Messgerät einen Szintillator auf, der die radioaktive Strahlung in Licht umwandelt. Dieses Licht wird von dem Szintillator an eine Lichtdetektoranordnung, im Folgenden auch als Photodetektoranordnung oder Photodetektor bezeichnet, weitergeleitet, die daraus ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Das elektrische Signal kann dann von einer Elektronikschaltung des Messgeräts ausgewertet werden.
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Insbesondere kann das Messgerät eingerichtet sein, den Füllstand, den Grenzstand, die Dichte oder den Durchfluss eines Mediums zu bestimmen.
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Die Größe des messbaren Raumbereichs ist durch die Länge des verwendeten Szintillators vorgegeben. Je höher der Behälter bzw. je länger der zu vermessende Raumbereich ist, desto länger ist der Szintillator. Die verwendeten Szintillatoren weisen jedoch gewisse Dämpfungseigenschaften auf, sodass im Regelfall nicht das gesamte vom Szintillator erzeugte Licht von der Lichtdetektoranordnung erfasst wird.
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Die
US 5,331,163 A1 beschreibt einen Dichtedetektor, der zwei nicht geradlinig verlaufende Szintillationsfaserbündel verwendet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Lichtausbeute eines radiometrischen Messgeräts mit Szintillator zu erhöhen, um somit die Messlänge zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein radiometrisches Messgerät, insbesondere zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands, einer Dichte und/oder eines Durchflusses, welches einen ersten Szintillator und einen zweiten Szintillator aufweist. Beide Szintillatoren dienen dem Erzeugen von Licht aus ionisierender Strahlung einer Nutzstrahlungsquelle. Es ist eine Lichtdetektoranordnung vorgesehen, die der Erfassung des von dem ersten und dem zweiten Szintillator erzeugten Lichts und zum Umwandeln des Lichts in ein elektrisches Messsignal dient. Beide Szintillatoren weisen unterschiedliche Haupterstreckungsrichtungen auf, sodass sie unterschiedliche Bereiche des Behälters vermessen können.
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Durch die Verwendung von zwei Szintillatoren kann jeder einzelne Szintillator kürzer ausgelegt werden, als dies bei einem Messgerät mit nur einem Szintillator der Fall wäre, sodass die Lichtausbeute bei gleich großem Messbereich erhöht wird. Insbesondere kann der maximal mögliche Messbereich verdoppelt werden, indem die Haupterstreckungsrichtungen des ersten Szintillators und des zweiten Szintillators entgegengesetzt verlaufen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Haupterstreckungsrichtungen bzw. Längsachsen der beiden Szintillatoren auf derselben Achse. Sie sind also nicht nur parallel zueinander angeordnet, sondern sogar seriell. Zwischen den beiden Szintillatoren, ggf. seitlich versetzt zu deren Längsachse, ist die Lichtdetektoranordnung mit der Auswerteelektronik (im Folgenden auch Elektronikschaltung genannt) angeordnet.
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Es kann eine gemeinsame Elektronikschaltung vorgesehen sein, zur Auswertung des oder der elektrischen Messsignale der Lichtdetektoranordnung. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronikschaltung zusammen mit der Lichtdetektoranordnung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, an welches die beiden Szintillatoren angeschlossen sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Lichtdetektoranordnung genau einen Lichtdetektor auf, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Photodioden, in Form eines Photodiodenarrays oder eines Photomultipliers, beispielsweise eines Silizium-Photomultipliers.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das radiometrische Messgerät zum Anschluss und Betrieb an einer Zweileiterschleife (4-20mA, Feldbusse (HART, PA, FF)) ausgeführt, welche sowohl für die Energieversorgung des Messgeräts als auch zur Übertragung der von ihm gewonnenen Messergebnisse an einen externen Empfänger ausgeführt ist. Alternativ kann das Messgerät zum Anschluss an eine Vierleiterschleife ausgeführt sein, bei welcher die Stromversorgung und der Datenaustausch auf getrennten Leitungen erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das radiometrische Messgerät eine optische Lichtumlenkeinrichtung zum Umlenken des Lichts des ersten Szintillators und/oder des zweiten Szintillators in Richtung der Lichtdetektoranordnung auf. Bei der optischen Umlenkeinrichtung handelt es sich beispielsweise um einen oder mehrere Spiegel, einen oder mehrere gebogene Lichtleiter und/oder ein Prisma.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das radiometrische Messgerät eine Schnittstelle auf, welche zum bedarfsweisen Anschluss eines eigenen Lichtdetektors des zweiten Szintillators an die Elektronikschaltung eingerichtet ist. In diesem Fall sind also zwei Lichtdetektoren vorgesehen, einer für jeden Szintillator. Unter „bedarfsweisem Anschluss“ ist zu verstehen, dass ein Benutzer den Lichtdetektor des zweiten Szintillators zusammen mit dem zweiten Szintillator auf einfache Art und Weise an das radiometrische Messgerät, genauer seine Elektronikschaltung, anschließen und auch wieder davon trennen kann.
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Somit kann das radiometrische Messgerät bedarfsweise mit dem zweiten Szintillator nachgerüstet werden, beispielsweise, wenn sich der zu vermessende Messbereich vergrößert hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Szintillator eine erste Schutzummantelung und der zweite Szintillator eine zweite, von der ersten Schutzummantelung getrennte Schutzummantelung auf. Die beiden Schutzummantelungen erstrecken sich gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nicht über die gesamte Szintilatorlänge sondern nur bis zu der Stelle, an der der entsprechende Szintillator in das Gehäuse des Messgeräts eingeschoben ist.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Nachrüstmodul für das oben und im Folgenden beschriebene radiometrische Messgerät. In diesem Fall weist das Messgerät in seiner Grundausführung nicht den zweiten Szintillator auf. Dieser ist in dem Nachrüstmodul integriert. Das Nachrüstmodul weist darüber hinaus eine mechanische und elektrische oder optische Schnittstelle zum mechanischen Anbringen des Nachrüstmoduls an das Gehäuse des radiometrischen Messgeräts und zum elektrischen Anschluss des Lichtdetektors an die Elektronik des Messgeräts bzw. zur optischen Anbindung des Szintillators an die Lichtdetektoranordnung des Messgeräts in seiner Grundausführung auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das Nachrüstmodul einen eigenen Lichtdetektor auf, sodass das nachgerüstete Messgerät in jedem Falle zwei Szintillatoren aufweist, eine gemeinsame Elektronikschaltung und eine Lichtdetektoranordnung, welche im vorliegenden Fall zwei Lichtdetektoren umfasst, einen für jeden Szintillator.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Verweis auf die Figuren beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 zeigt ein radiometrisches Messsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 2 zeigt ein radiometrisches Messgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 3 zeigt ein radiometrisches Messgerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 4 zeigt ein radiometrisches Messgerät gemäß eine weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 5 zeigt ein radiometrisches Messgerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 6 zeigt ein Nachrüstmodul für ein radiometrisches Messgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 7 zeigt einen Ausschnitt eines nachgerüsteten radiometrischen Messgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein radiometrisches Messsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Es ist ein Behälter 101 vorgesehen, in dem sich ein Füllmedium befindet. Auf der einen Seite des Behälters ist eine Nutzstrahlungsquelle 14 angeordnet und auf der gegenüberliegenden Seite ein radiometrisches Messgerät 100. Das Messgerät 100 weist ein zentrales Gehäuse 8 auf, in dem die Messgeräteelektronik (Elektronikschaltung) und eine Lichtdetektoranordnung angeordnet sind. Von dem Gehäuse 8 aus erstrecken sich in entgegengesetzte Richtungen ein erster Szintillator 1 und ein zweiter Szintillator 2. Beide liegen an dem Behälter 101 an und sind ausgeführt, die von der Nutzstrahlungsquelle 14 ausgesendete Strahlung in Licht umzuwandeln, vorzugsweise über die gesamte Länge L des radiometrischen Messgeräts.
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An die bestehende Elektronikschaltung sind somit zwei Szintillatoren 1, 2 angeschlossen, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.
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Die zwei langgestreckten Szintillatoren 1, 2, bei denen es sich beispielsweise um Faserbündel oder Kunststoffstäbe handelt, werden entgegengesetzt montiert, sodass sie verschiedene Messbereiche abdecken. Die Elektronikschaltung befindet sich in der Mitte der Anordnung, zwischen den beiden Szintillatoren, und erhält die Lichtsignale beider Szintillatoren.
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Typischerweise werden die Szintillatoren 1, 2 senkrecht montiert. Das Messgerätegehäuse, das die Elektronikschaltung und die Lichtdetektoranordnung trägt, kann beispielsweise waagrecht angeordnet sein.
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Das Licht, das in den Szintillatoren erzeugt wird, kann durch eine Lichtumlenkeinrichtung 9, bei der es sich beispielsweise um eine Spiegelanordnung, ein Prisma oder eine Lichtleiteranordnung handelt, zur Lichtdetektoranordnung geleitet werden. Dies ist in 2 dargestellt.
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In dieser Figur ist auch gut zu erkennen, dass die beiden Szintillatoren 1, 2 entlang einer gemeinsamen Längsachse 6 in entgegengesetzte Richtungen 5, 4 angeordnet sind und sich die Lichtumlenkeinrichtung 9 dazwischen befindet. Die Lichtumlenkeinrichtung 9 leitet das Licht der beiden Szintillatoren um 90 Grad um, sodass es direkt auf den Photodetektor 3 auftrifft.
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Besteht zumindest einer der beiden Szintillatoren aus einem biegsamen Material, wie z. B. Fasern, dann können diese Fasern auch in Richtung des Photodetektors 3 gebogen werden. Dies ist in 3 dargestellt. In diesem Falle bestehen beide Szintillatoren 1, 2 aus biegsamem Material und beide sind an ihren Enden um etwa 90 Grad gebogen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Licht der beiden Szintillatoren von einem gemeinsamen Photodetektor detektiert wird. Alternativ können zwei Photodetektoren verwendet werden, die an eine gemeinsame Auswerteelektronik 7 angeschlossen sind. Die Anordnung der Spiegel oder der Szintillatoren kann so erfolgen, dass sich kein Totbereich im Bereich der Auswerteelektronik ergibt, so wie beispielsweise in der Ausführungsform gemäß 3.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines radiometrischen Messgeräts, bei der ein Lichtwellenleiter 40 vorgesehen ist, an dem die beiden geradlinig verlaufenden Szintillatoren 1, 2 angeschlossen sind. Vorzugsweise weist der Lichtwellenleiter 40 dieselbe Breite auf, wie der Szintillatorstab bzw. das Faserbündel. Um das Szintillatormaterial kann sich im Übrigen ein Schutzrohr oder Schlauch befinden, wie dies in den 2 und 4 dargestellt ist.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines radiometrischen Messgeräts 100, bei welchem der erste Szintillator 1 gerade senkrecht nach unten verläuft und der zweite Szintillator 2 an seinem unteren Ende um 90 Grad abgewinkelt ist, oder, alternativ, an einen abgewinkelten Wellenleiter angeschlossen ist, sodass das Licht, das er erzeugt, senkrecht zu dem Licht des ersten Szintillators in das Messgerätegehäuse eingeleitet wird. Im Messgerätegehäuse ist ein halbdurchlässiger, um 45 Grad verkippter Spiegel 9 vorgesehen, der das Licht des ersten Szintillators 1 durchlässt und das Licht des zweiten Szintillators 2 umlenkt, sodass das Licht beider Szintillatoren von dem Photodetektor 3 detektiert werden kann.
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6 zeigt ein Nachrüstmodul 10, welches einen (zweiten) Szintillator 2 aufweist, sowie den halbdurchlässigen Spiegel 9, der in einem entsprechenden Gehäuse 41 angeordnet ist. Das Gehäuse 41 kann beispielsweise in eine entsprechende Aufnahme im eigentlichen Messgerätegehäuse eingeschoben werden.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines radiometrischen Messgeräts 100, bei welcher die beiden Szintillatoren 1, 2 an einander entgegengesetzten Seiten des Messgerätegehäuses angeordnet sind. Auch im Falle der 7 ist der zweite Szintillator 2 Teil eines Nachrüstmoduls 10, welches an einer entsprechenden Aufnahme des Messgerätegehäuses 8 angebracht werden kann. Das Nachrüstmodul 10 weist einen eigenen Photodetektor 12 mit einer elektronischen Schnittstelle 13 auf, die an eine entsprechende elektronische Schnittstelle 11 der Elektronikschaltung 7 des Messgeräts angeschlossen werden kann. Das Nachrüstteil 10 ist abnehmbar gestaltet, sodass der Messbereich L (siehe 1) des Messgeräts 100 bedarfsweise verlängert oder verkürzt werden kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der untere Szintillator 1 mit der Lichtdetektoranordnung 3 im Sinne eines zweiten Nachrüstmoduls ausgestaltet ist, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. In diesem Fall handelt es sich um ein baukastenartiges System, bei dem geeignete Szintillatoren 1, 2 bedarfsgerecht an das Messgerätegehäuse mit der Elektronikschaltung 7 angeschlossen werden können. Dies ermöglicht es beispielsweise, dass für verschiedene Anwendungen, beispielsweise für verschiedene Behältergrößen, immer dasselbe Grundelement mit der Elektronikschaltung 7 verwendet werden kann und, je nach Anwendungsfall, vom Benutzer geeignete Szintillatoren zugekauft und angeschlossen werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
