DE102022103694B3

DE102022103694B3 - Radiometrische Messanordnung mit verschiebbar gelagerter Druckglasdurchführung

Info

Publication number: DE102022103694B3
Application number: DE102022103694.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ilg; Jürgen Haas; Ralf Körnle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-02-16
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2042-02-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine radiometrische Messanordnung, umfassend ein Gehäuse, mit einem ersten Bereich, in dem eine photosensitive Einrichtung angeordnet ist, und einem durch eine Druckglasdurchführung abgetrennten zweiten Bereich, in dem ein Szintillator angeordnet ist, wobei die photosensitive Einrichtung und der Szintillator durch die Druckglasdurchführung miteinander optisch gekoppelt sind, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckglasdurchführung unter Ausbildung eines zünddurchschlagssicheren Spaltes in dem Gehäuse in Axialrichtung verschiebbargelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine radiometrische Messanordnung mit einer photosensitiven Einrichtung und einem Szintillator, welche über eine verschiebbar gelagerte Druckglasdurchführung gekoppelt sind.
Solche radiometrischen Messanordnungen dienen in der Regel zur Detektion von radioaktiver Strahlung. Stand der Technik dazu ist den Dokumenten US 2010 0 193 693 A1 , DE 10 2007 048 203 A1 und DE 10 2006 048 266 A1 zu entnehmen.
Eine photosensitive Einrichtung umfasst meist einen Photomultiplier oder auch Photoelektronenvervielfacher (kurz Photovervielfacher, engl. photomultiplier tube, PMT). Ein PMT umfasst eine Elektronenröhre und dient zur Aufnahme von schwachen Lichtsignalen oder einzelnen Photonen, welche dann durch Erzeugung und Verstärkung eines elektrischen Signals erfasst werden können. Ein Photomultiplier besteht typischerweise aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher in einer evakuierten Glasröhre.
Ein Szintillator ist ein Kristall, welcher eintreffende radioaktive Strahlung in Lichtimpulse umwandelt und diese häufig im sichtbaren Bereich emittiert. Der Szintillator kann nach dem Prinzip des Sublimationswachstums mittels Impfkristall hergestellt werden, auch bekannt als physischer Gasphasentransport (engl. physical vapor transport, PVT). Daher wird der Szintillator häufig als PVT-Kristall bezeichnet.
Ein Anwendungsgebiet einer solchen radiometrischen Messanordnung mit Szintillator und Photomultiplier ist die Bestimmung der Dichte von Füllgütern, von Füllständen in industriellen Behältnissen. Dazu wir auf der einen Seite eines Mesbereichs eine radioaktive Quelle installiert, deren Strahlung durch das Behältnis geleitet und auf der anderen Seite des Messbereichs durch die radiometrische Messanordnung detektiert wird.
Dazu muss die radioaktive Strahlung durch das Medium im Behältnis hindurch gelangen, wird auf dem Weg durch das Medium entsprechend der Dichte des Mediums abgeschwächt und trifft dann auf der anderen Seite des Behältnisses auf den Szintillator, um dort in ein Lichtsignal umgewandelt zu werden. Dieses Lichtsignal wird wiederum von der photosensitiven Einrichtung aufgenommen und durch den Photomultiplier in ein elektrisches Signal umgewandelt, um das Lichtsignal in eine einfach zu messende Größe umzuwandeln.
Die im Szintillator ankommenden Stärke der radioaktiven Strahlung hängt von der Dichte des durchstrahlten Mediums im Behältnis ab. So kann bestimmt werden, ob ein Medium im Behältnis vorhanden ist, und es kann zwischen verschiedenen Medien im Behältnis unterschieden werden. Je nach Anwendungsfall können im Behältnis voneinander getrennte Schichten mit unterschiedlichen Medien ausgebildet sein, die auf diese Weise unterschieden werden können.
Wird das Messverfahren auf verschiedenen Höhen des Behältnisses durchgeführt, können so die Füllstände der unterschiedlichen Medien im Behältnis bestimmt werden.
Die Elektronik der radiometrischen Messanordnung wird meist zusammen mit der photosensitiven Einrichtung in einem explosionsgeschützten Gehäuse untergebracht, da die radiometrischen Messanordnungen häufig in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden. Für den Szintillator ist das in der Regel nicht nötig, da dieser ohne elektrische Spannung bzw. Elektronik arbeitet.
Zur optischen Kopplung von Szintillator und photosensitiver Einrichtung wird in dem Gehäuse der photosensitiven Einrichtung eine Druckglasdurchführung vorgesehen, welche das Gehäuse der photosensitiven Einrichtung explosionsgeschützt abschließen kann.
Ein Beispiel zur explosionsgeschützten Ausführung des Gehäuses der photosensitiven Einrichtung ist die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung“, auch als Ex „d“ bezeichnet. Die Anforderungen an eine Messanordnung mit dieser Zündschutzart sind in der Norm EN 60079-1 beschrieben. Diese beruht auf der Funktionsweise, dass eine im Gehäuseinneren eventuell auftretenden Explosion eingeschlossen wird. Erreicht wird dies durch eine explosionsdruckfeste Auslegung des Gehäuses zusammen mit zünddurchschlagsicheren Spalten an allen Gehäuseöffnungen. Des Weiteren muss die Oberflächentemperatur auch bei Auftreten eines zu erwartenden Fehlers unter der Zündtemperatur der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre begrenzt werden.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden in radiometrischen Messanordnungen massive Druckglasdurchführungen verwendet, welche fest mit dem Gehäuse verbunden sind.
Im Betrieb erhöht sich jedoch die Temperatur der Bauteile der radiometrischen Messanordnung, so dass sich diese entsprechend ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten ausdehnen. Durch die unterschiedlichen Materialien und die dadurch unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie zum Beispiel der Glasröhre der photosensitiven Einrichtung, dem Kristall des Szintillators und den Gehäuseteilen aus Metall, ergeben sich unterschiedlich große absolute Ausdehnungen der Bauteile, die zu Spannungen in den Bauteilen und vor allem im Szintillator und der Glasröhre führen. Diese gilt es jedoch zu vermeiden, da sowohl Glas als auch der Kristall des Szintillators empfindlich auf mechanische Spannungen reagieren. Dies äußert sich zum einen in mechanischen Schäden der Bauteile und zum anderen verändert der Szintillator seine Reaktion auf eintreffende radioaktive Strahlung, so dass die Genauigkeit der Erfassung der radioaktiven Strahlung beeinträchtigt wird.
Somit ist es die Aufgabe der Erfindung die mechanischen Spannungen im Betrieb der radiometrischen Messanordnung auf den Szintillator und die photosensitive Einrichtung zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch eine radiometrische Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Eine erfindungsgemäße radiometrische Messanordnung umfasst ein Gehäuse, mit einem ersten Bereich, in dem eine photosensitive Einrichtung angeordnet ist, und einem durch eine Druckglasdurchführung abgetrennten zweiten Bereich, in dem ein Szintillator angeordnet ist, wobei die photosensitive Einrichtung und der Szintillator durch die Druckglasdurchführung miteinander optisch gekoppelt sind.
Die erfindungsgemäße radiometrische Messanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckglasdurchführung unter Ausbildung eines zünddurchschlagssicheren Spaltes in dem Gehäuse in Axialrichtung verschiebbar gelagert ist.
In dem ersten Bereich ist die photosensitive Einrichtung untergebracht und häufig auch weitere Elektronik der radiometrischen Messanordnung. Dieser erste Bereich ist durch das Gehäuse umschlossen, wobei das Gehäuse eine Öffnung zur Aufnahme der Druckglasdurchführung aufweist. Das Gehäuse kann auch weitere Bereiche zur Aufnahme weiterer Komponenten wie zum Beispiel dem Szintillator aufweisen.
Die Öffnung im Gehäuse zur Aufnahme der Druckglasdurchführung ist so ausgeführt, dass zwischen Druckglasdurchführung und Gehäuse ein zünddurchschlagssicherer Spalt ausgebildet ist, während die Druckglasdurchführung relativ zum Gehäuse verschiebbar gelagert ist. Der zünddurchschlagssichere Spalt kann dabei vorzugsweise nach der Norm EN60079-01 ausgeführt sein, so dass das Gehäuse den ersten Bereich an der Stelle der Druckglasdurchführung explosionsgeschützt abschließt. Vorzugsweise ist der Spalt als Ex-d Spalt nach EN60079-01 ausgeführt.
Im zweiten Bereich des Gehäuses ist der Szintillator untergebracht. Der Szintillator ist in der Regel ein Kristall, welcher zur Umwandlung von radioaktiver Strahlung in Lichtimpulse keine weitere Peripherie und insbesondere keine Energieversorgung benötigt. Daher ist das Vorhandensein eines Szintillators in explosionsgefährdeten Umgebungen meist unkritisch und der Szintillator muss nicht in einem explosionsgeschützten Gehäuse untergebracht werden. Daher ist der zweite Bereich des Gehäuses mit dem Szintillator nicht zwingend explosionsgeschützt abgeschlossen.
Durch die Koppelung von Szintillator und photosensitiver Einrichtung über die verschiebbar gelagerte Druckglasdurchführung können sich der Szintillator und die photosensitive Einrichtung innerhalb des Gehäuses ausdehnen, zum Beispiel aufgrund von Temperaturveränderungen, ohne dabei durch eine relativ zum Gehäuse feststehende Druckglasdurchführung am Ausdehnen gehindert zu werden. Dadurch wird der Anpressdruck der Bauteile auf die Druckglasdurchführung verringert, und so auch die Spannungen im Material des Szintillators verringert. Auf diese Weise werden zu hohe mechanische Spannungen im Szintillator vermieden, welche einen negativen Einfluss auf die Genauigkeit der radiometrischen Messanordnung haben.
Die Koppelung von Szintillator bzw. photosensitiver Einrichtung an die Druckglasdurchführung geschieht vorzugsweise mittels optischer Pads. Bei einem optischen Pad handelt es sich um ein transparentes Bauteil, zum Beispiel aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise ein Silikon (z.B. Sylgard184). Sofern ein solches Kunststoffmaterial verwendet wird, kann das optische Pad Unebenheiten auf den Kontaktflächen zum Szintillator und der photosensitiven Einrichtung ausgleichen und sorgt für einen gleichmäßigen Kontakt. So können optische Hindernisse vermieden werden.
Das optische Pad kann dabei auch als Zentrierhilfe oder Führung der photosensitiven Einrichtung dienen, damit eine Positionierung einfacher realisiert werden kann. Dazu kann das optische Pad eine Vertiefung zur Aufnahme des Szintillators aufweisen. Auch eine relative Positionierung des Szintillators und der photosensitiven Einrichtung relativ zum Gehäuse kann so realisiert werden.
Die photosensitive Einheit ist durch das Gehäuse nach außen kontaktiert. Dabei kann eine Leiterplatine verwendet werden, auf welche die photosensitive Einrichtung mittels Steckkontakten aufgesteckt werden kann. Von der Leiterplatine führt dann ein Kabel an das Gehäuse und wird nach Außen durchgeführt. Das Kabel kann dann einen Längenausgleich aufgrund von Ausdehnungen der Bauteile realisieren.
Die Lagerung der photosensitiven Einrichtung erfolgt durch ein Halteteil im Gehäuse. Dieses Halteteil nimmt die photosensitive Einrichtung auf und fügt sich in das Innere des Gehäuses. Das Halteteil kann der photosensitiven Einheit dabei eine Relativbewegung zum Gehäuse in bestimmte Richtungen ermöglichen. Denkbar wäre beispielsweise in Axialrichtung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass die Druckglasdurchführung ein Glasfenster und einen Rahmen, vorzugsweise, einen metallischen Rahmen umfasst.
Die Druckglasdurchführung kann mehrteilig ausgeführt werden. Dazu kann Beispielsweise ein optisches Glasfenster zur Weiterleitung der Lichtimpulse des Szintillators zur photosensitiven Einrichtung verwendet werden, welches in einen Rahmen aus beispielsweise Metall eingefasst ist. Der metallische Rahmen ermöglicht dann eine einfachere Einpassung der Druckglasdurchführung in das Gehäuse, da Bauteile aus Metall einfacher präzise gefertigt werden können, als dass bei Bauteilen aus Glas der Fall ist. Auch kann so der Einsatz von optischem Glas reduziert werden.
Die Druckglasdurchführung weist vorzugsweise einen Endanschlag auf, der im Falle einer Druckerhöhung wie zum Beispiel einer Explosion im ersten Bereich des Gehäuses die Druckglasdurchführung daran hindert aus der Öffnung im Gehäuse gedrückt zu werden. Ein solcher Endanschlag kann beispielsweise ein Kragen an der Druckglasdurchführung sein, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser der Öffnung im Gehäuse ist.
Die verschiebbare Lagerung zwischen Druckglasdurchführung und Gehäuse kann vorzugsweise zwischen Rahmen und Gehäuse realisiert werden. So ist der Kontaktbereich zwischen Rahmen und Gehäuse auch ausschlaggebend für die Eigenschaften des zünddurchschlagssicheren Spaltes.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich des Gehäuses druckfest gekapselt ist.
Die Öffnung im Gehäuse für die Druckglasdurchführung ist durch den zünddurchschlagssicheren Spalt bereits druckfest abgeschlossen. Daher ist es von Vorteil, wenn auch der Bereich des Gehäuses druckfest ausgeführt ist, der den restlichen Teil des ersten Bereiches umschließt. Das kann zum Beispiel Kabeldurchführungen durch die Wandung des Gehäuses betreffen, oder verschließbare Öffnungen zur Wartung der radiometrischen Messanordnung. Auch die Wandstärke und Form des Gehäuses muss um den ersten Bereich herum entsprechend gewählt werden, damit die Druckfestigkeit gewährleistet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche ist dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive Einrichtung im Gehäuse verschiebbar gelagert ist.
Damit durch die photosensitive Einrichtung bei einer Ausdehnung aufgrund einer Temperaturveränderung weniger mechanische Spannungen aufgebaut werden, ist es von Vorteil, wenn die photosensitive Einrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert ist. Dazu können zum Beispiel Gleitlagerungen vorgesehen werden. Aber auch einfach gestaltete Bauteile zum Beispiel aus Kunststoff oder Schaumstoff mit entsprechenden Passungen können eine verschiebbare Lagerung ermöglichen und stellen ein Gleitlager im Sinne der Anmeldung dar.
Um die photosensitive Einrichtung im Gehäuse zu Lagern, können aufgeschäumte Bauteile verwendet werden. Diese können auf die photosensitive Einrichtung aufgeklebt werden und dann als Baugruppe in das Gehäuse eingeführt werden. Durch die relativ weiche Struktur der aufgeschäumten Bauteile wird eine gewisse Bewegung der photosensitiven Einrichtung relativ zum Gehäuse ermöglicht, so dass beispielsweise Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden können.
Auch wird durch die verschiebbare Lagerung der photosensitiven Einrichtung verhindert, dass die Ausdehnung des Szintillators durch die photosensitive Einrichtung behindert oder erschwert wird, so dass auch hier zusätzliche mechanische Spannungen verhindert oder zumindest verringert werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung wenigstens eine Feder aufweist, mittels derer die photosensitive Einrichtung und die Druckglasdurchführung gegeneinander vorgespannt werden. Ein Luftspalt zwischen photosensitiver Einrichtung und Druckglasdurchführung aufgrund fehlender Vorspannung ist für die Genauigkeit der Messanordnung von Nachteil, da dieser die Übertragung der Lichtimpulse von Szintillator zur photosensitiven Einrichtung beeinfluss. Daher ist es von Vorteil, wenn die photosensitive Einrichtung gegen die Druckglasdurchführung vorgespannt ist, so dass kein Spalt zwischen Szintillator bzw. photosensitiver Einrichtung und Druckglasdurchführung entsteht.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Lagerung mittels Feder dadurch, dass die Feder eine Ausdehnung der photosensitiven Einrichtung ohne nennenswerten Anstieg des Anpressdrucks zwischen photosensitiver Einrichtung und Druckglasdurchführung ausgleichen kann.
Eine solche Feder kann Beispielsweise zwischen photosensitiver Einrichtung und Gehäuse angeordnet werden, so dass die photosensitive Einrichtung gegen die Druckglasdurchführung vorgespannt wird. Die Kraft der Feder weist dabei in Axialrichtung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator im Gehäuse verschiebbar gelagert ist.
Damit durch den Szintillator bei einer Ausdehnung aufgrund einer Temperaturveränderung weniger mechanische Spannungen aufgebaut werden, ist es von Vorteil, wenn die photosensitive Einrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert ist. Dazu können zum Beispiel Gleitlager zwischen Szintillator und Gehäuse vorgesehen werden. Auch die Lagerungen, welche für die photosensitive Einrichtung in Frage kommen, können für den Szintillator verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Federanordnung aufweist, mittels derer der Szintillator und die Druckglasdurchführung gegeneinander vorgespannt sind.
Neben einer einzelnen Feder kann es bauartbedingt und bedingt durch die Einbaulage der radiometrischen Messanordnung von Vorteil sein, dass mehrere Federn für die Vorspannung von Szintillator bzw. photosensitiver Einrichtung gegen die Druckglasdurchführung eingesetzt werden. Auch Kombinationen aus Zug- und Druckfedern sind denkbar.
Vorzugsweise ist die Federanordnung derart gestaltet, dass der Szintillator mit einer geringeren Kraft als dem Betrag seiner Gewichtskraft gegen die Druckglasdurchführung gedrückt wird.
Es kann je nach Einbaulage und Größe des Szintillators der Fall sein, dass schon das Eigengewicht des Szintillators zu einer zu hohen Anpresskraft an der Druckglasdurchführung führt. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein großer Szintillator in senkrechter Einbaulage über der Druckglasdurchführung positioniert ist. Dann ist es vorteilhaft, wenn die Federanordnung nicht für zusätzliche Vorspannung zwischen Szintillator und Druckglasdurchführung sorgt, sondern den Szintillator zumindest teilweise trägt, also einen Teil des Gewichtes des Szintillators von der Druckglasdurchführung abfängt. Gleichzeitig muss bei einer solchen Einbaulage die Federanordnung die photosensitive Einrichtung von unten gegen die Druckglasdurchführung vorspannen, damit kein Luftspalt zwischen photosensitiver Einrichtung und Druckglasdurchführung entsteht.
Vorzugsweise nimmt die Federanordnung mehr als 50% der Gewichtskraft des Szintillators auf, weiter vorzugsweise mehr als 70% seiner Gewichtskraft.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung nach dem vorangegangenen Anspruch ist diese dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung derart eingerichtet ist, dass der Szintillator in Axialrichtung verschiebbar gelagert ist und durch sein Eigengewicht gegen die Druckglasdurchführung vorgespannt ist. In dieser Ausgestaltung ist eine Federanordnung zur Vorspannung des Szintillators gegen die Druckglasdurchführung nicht nötig, da die Vorspannung mithilfe der Gewichtskraft des Szintillators gewährleistet wird. Dazu ist der Szintillator in Axialrichtung verschiebbar gelagert und oberhalb der Druckglasdurchführung angeordnet.
Szintillatoren sind meist zylinderförmige Bauteile. Die Axialrichtung und damit die Axialachse entspricht dabei im Wesentlichen einer Längsachse des Szintillators und weist in Richtung der Druckglasdurchführung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator im Bereich der Mitte seiner Axialachse am Gehäuse fixiert ist und vorzugsweise, dass die beiden Enden des Szintillators in Axialrichtung verschiebbar gelagert sind. Eine solche Lagerung führt zwar nicht zu einer verschiebbaren Lagerung des gesamten Szintillators, dafür können sich jedoch dessen Enden zumindest in Axialrichtung frei ausdehnen. Auf diese Weise wird der Szintillator nicht in seiner Ausdehnung in Axialrichtung bzw. Längsrichtung beschränkt, so dass auch keine mechanischen Spannungen aufgrund dessen auftreten.
Die Enden des Szintillators können zum Beispiel mithilfe von Gleitlagern verschiebbar gelagert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator quer zu seiner Axialachse beweglich mit der Druckglasdurchführung in Kontakt steht. Da der Szintillator sich auch quer zu seiner Axialachse ausdehnen kann, ist es von Vorteil, wenn die Verbindung zwischen Szintillator und Druckglasdurchführung derart gestaltet ist, dass die Ausdehnung des Szintillators quer zur Axialachse nicht wesentlich behindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine elastische Ausgleichsschicht zwischen Szintillator und Druckglasdurchführung realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der Messanordnung derart eingerichtet ist, dass das Gehäuse in wenigstens zwei Teile demontierbar ist, wobei ein erster Teil wenigstens den ersten Bereich mit der photosensitiven Einrichtung umfasst und ein zweiter Teil wenigstens einen Teil des Szintillators umfasst.
Szintillatoren können je nach Anwendungsfall mehrere Meter lang sein. Daher ist es von Vorteil, wenn das Gehäuse in wenigstens zwei Teile demontierbar ist. Ein erster Teil umfasst dabei wenigstens die photosensitive Einrichtung und ein zweiter Teil wenigstens einen Teil des Szintillators. Der erste Teil kann aber auch schon einen Teil des Szintillators umfassen.
Es ist auch denkbar, dass das Gehäuse in mehr als zwei Teile demontierbar ist, wobei in den weiteren Teilen wiederum Teile des Szintillators untergebracht sind, welche dann beim Zusammensetzen des Gehäuses einen zusammengesetzten Szintillator bilden, indem die einzelnen Teile des Szintillators optisch gekoppelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der radiometrischen Messanordnung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive Einrichtung einen Photomultiplier umfasst.
Ein Photomultiplier ist eine Elektronenröhre zur Aufnahme von schwachen Lichtsignalen oder einzelnen Photonen, welche durch Erzeugung und Verstärkung eines elektrischen Signals detektiert werden können. Ein Photomultiplier besteht typischerweise aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher in einem evakuierten Glaskolben. Zwischen den einzelnen Elektroden herrscht dabei meist Hochspannung. Auf diese Weise werden durch die auftreffenden Lichtimpulse auf der Photokathode Elektronen ausgelöst, welche dann aufgrund der Spannung zwischen den Elektroden zur benachbarten Elektrode beschleunigt werden. Dort wird eine höhere Anzahl Elektronen ausgelöst, welche wiederum zur nächsten Elektrode beschleunigt werden. So werden über die verschiedenen Stufen immer mehr Elektronen ausgelöst, so dass auf der letzten Elektrode genügend viele Elektronen ankommen, die ein messbares elektrisches Signal generieren.
Vorzugsweise umfasst die photosensitive Einrichtung ein Silizium Photomultiplier. Silizium Photomultiplier haben den Vorteil, dass diese keine Hochspannung zum Betrieb benötigen. Diese bieten sich daher insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen an, da von ihnen eine weniger große Gefahr einer Zündquelle ausgeht.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

1 eine radiometrische Messanordnung mit einer verschiebbar gelagerten Druckglasdurchführung,
2 eine vergrößerte Darstellung der Druckglasdurchführung aus 1,
3 eine vergrößerte Darstellung der Lagerung und elektrischen Kontaktierung der photosensitiven Einrichtung aus 1.

In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
1 zeigt eine radiometrische Messanordnung 1, wie sie typischerweise für die Bestimmung von Füllständen verschiedener Medien in einem industriellen Behältnis eingesetzt werden.
Dazu ist eine photosensitive Einrichtung 2 in einem ersten Bereich 3 eines Gehäuses 4 der radiometrischen Messordnung 1 untergebracht. In einem zweiten Bereich 5 des Gehäuses 4 ist ein Szintillator 6 untergebracht, wobei der erste Bereich 3 vom zweiten Bereich 5 durch eine Druckglasdurchführung 7 abgetrennt ist. Im Bereich der Druckglasdurchführung 7 ist das Gehäuse 4 teilbar ausgeführt, so dass der Teil des Gehäuses 4 mit dem erste Bereich 3 von dem Teil des Gehäuses 4 mit zweiten Bereich 5 demontiert werden kann.
Die photosensitive Einrichtung 2 umfasst einen Photomultiplier 8 der über die Druckglasdurchführung 7 mit dem Szintillator 6 gekoppelt ist. Trifft radioaktive Strahlung auf den Szintillator 6 entstehen Lichtimpulse im Szintillator 6 welche dann über die Druckglasdurchführung 7 an den Photomultiplier 8 weitergeleitet werden. Dort wird der Lichtimpuls in ein schwaches elektrisches Signal umgewandelt und zu einem gut messbaren elektrischen Signal verstärkt.
Die auf den Szintillator 6 treffende radioaktive Strahlung wird zuvor durch das industrielle Behältnis geschickt, so dass die Intensität der auf den Szintillator 6 treffenden radioaktiven Strahlung davon abhängt, ob ein Medium auf dem Weg durchdrungen werden musste und wie groß die Dichte dieses Mediums dabei war. So können Rückschlüsse darauf gezogen werden, ob überhaupt ein Medium im Behältnis vorhanden ist und welche Art von Medium es sein kann. Wird dieses Verfahren an mehreren Stellen des Behältnisses bzw. auf mehreren Höhen des Behältnisses durchgeführt, kann bestimmt werden, wie hoch die Füllstände der verschiedenen Medien in dem Behältnis sind.
Beim Betrieb der radiometrischen Messanordnung 1 werden unter anderem der Photomultiplier 8 und der Szintillator 6 warm. Dadurch treten entsprechend der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien verschieden große absolute Ausdehnungen der Bauteile statt. Ein großer Teil der Wärme wird durch die Umgebung eingetragen. Oft werden radiometrische Sensoren im Ausbereich eingesetzt und sind der Witterung ausgesetzt. Beispielsweise in der Wüste tagsüber weit mehr als 40°C und sehr geringen Temperaturen in der Nacht.
Da insbesondere der Szintillator 6 empfindlich auf mechanische Spannungen mit einer veränderten Abgabe von Lichtimpulsen aufgrund von eintreffender radioaktiver Strahlung reagiert, gilt es die mechanischen Spannungen vor allem im Szintillator 6 zu vermeiden.
Auch der Photomultiplier 8 ist in der Regel in einer Glasröhre untergebracht, welche ebenfalls keine großen mechanischen Spannungen ertragen kann.
Daher sind sowohl der Szintillator 6 als auch der Photomultiplier 8 verschiebbar im Gehäuse 4 gelagert. Dazu sind mehrere Gleitlager 9 vorgesehen, über die der Szintillator 6 bzw. der Photomultiplier 8 entlang ihrer Axialachsen 10 verschiebbar gelagert sind.
Da ein Luftspalt zwischen Szintillator 6 und Druckglasdurchführung 7 und zwischen Photomultiplier 8 und Druckglasdurchführung 7 für die Übertragung der Lichtimpulse nachteilig ist, ist der Szintillator 6 mit einer ersten Feder 11 und der Photomultiplier 8 bzw. die photosensitive Einrichtung 2 mit einer zweiten Feder 12 gegen die Druckglasdurchführung 7 vorgespannt. Die erste Feder 11 und die zweite Feder 12 wirken so als Federanordnung zusammen, dass sie die thermischen Ausdehnungen des Szintillators 6 und des Photomultipliers 8 ausgleichen können, ohne dass dabei die mechanischen Spannungen in den Bauteilen und die Vorspannung an der Druckglasdurchführung 7 wesentlich erhöht werden.
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereichs der Druckglasdurchführung 7 der radiometrischen Messanordnung 1 aus 1. Hier ist gut zu erkennen, dass die Druckglasdurchführung 7 ebenfalls im Gehäuse 4 verschiebbar gelagert ist.
Dazu ist die Druckglasdurchführung 7 mehrteilig ausgeführt und umfasst ein Glasfenster 13 welches in einen Rahmen 14 aus Metall eingeglast ist. Die verschiebbare Lagerung der Druckglasdurchführung 7 wird dadurch erreicht, dass ein Spalt 16 zwischen Rahmen 14 und Gehäuse 4 vorgesehen wird, welcher als Gleitlager fungiert.
Der Spalt 16 ist entsprechend den Anforderungen an die Zünddurchschlagssicherheit ausgeführt, so dass er so schmal und so lang ist, dass ein Durchschlagen eines Funkens verhindert werden kann. Zudem entspricht der Spalt 16 den Anforderungen nach EN-60079-01, so dass ein sogenannter ex-d Spalt vorliegt, der den ersten Bereich 3 des Gehäuses 4 an der Stelle der Druckglasdurchführung 7 explosionssicher abschließt. Der restliche Teil des Gehäuses 4, der den ersten Bereich 3 umschließt, ist ebenfalls entsprechend der Norm EN-60079-01 explosionsgeschützt ausgeführt.
Die Koppelung des Szintillators 6 an das Glasfenster 13 bzw. des Photomultipliers 8 an das Glasfenster 13 wird mithilfe von optischen Pads 15 realisiert.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Lagerung und elektrischen Kontaktierung der photosensitiven Einrichtung 2 der radiometrischen Messanordnung 1.
Da die Fertigungstoleranzen von Glasbauteilen im Allgemeinen nicht mit denen von metallischen Bauteilen konkurrieren können, ist die Befestigung der photosensitiven Einrichtung 2 mit ihrem Glaskorpus entsprechend tolerant gegenüber Längenschwankungen ausgelegt.
Zur elektrischen Kontaktierung des Photomultipliers 8 ist eine Leiterplatine 18 vorgesehen, welche elektrische Kontaktstellen aufweist. Die Leiterplatine 18 wird durch die zweite Feder 12 auf den Photomultiplier 8 gedrückt, so dass elektrischer Kontakt besteht. Gleichzeitig kann der Photomultiplier 8 sich ausdehnen, ohne dass dabei die elektrische Kontaktierung unterbrochen wird, da die zweite Feder 12 die Längenausdehnung ausgleichen kann.
In der 3 nicht dargestellt ist die elektrische Kontaktierung der Leiterplatine 18 mittels eines Kabels nach außerhalb des Gehäuses 4.
Bezugszeichenliste

1: Radiometrische Messanordnung
2: Photosensitive Einrichtung
3: Erster Bereich
4: Gehäuse
5: Zweiter Bereich
6: Szintillator
7: Druckglasdurchführung
8: Photomultiplier
9: Gleitlager
10: Axialrichtung
11: Erste Feder
12: Zweite Feder
13: Glasfenster
14: Rahmen
15: Optisches Pad
16: Spalt
18: Leiterplatine

Claims

Radiometrische Messanordnung (1), umfassend ein Gehäuse (4), mit einem ersten Bereich (3), in dem eine photosensitive Einrichtung (2) angeordnet ist, und einem durch eine Druckglasdurchführung (7) abgetrennten zweiten Bereich (5), in dem ein Szintillator (6) angeordnet ist, wobei die photosensitive Einrichtung (2) und der Szintillator (6) durch die Druckglasdurchführung (7) miteinander optisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckglasdurchführung (7) unter Ausbildung eines zünddurchschlagssicheren Spaltes (16) in dem Gehäuse (4) in Axialrichtung (10) verschiebbar gelagert ist.
Radiometrische Messanordnung (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckglasdurchführung (7) ein Glasfenster (13) und einen Rahmen (14), vorzugsweise, einen metallischen Rahmen (14) umfasst.
Radiometrische Messanordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (3) des Gehäuses (4) druckfest gekapselt ist.
Radiometrische Messanordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive Einrichtung (2) im Gehäuse (4) verschiebbar gelagert ist.
Radiometrische Messanordnung (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) wenigstens eine Feder (12) aufweist, mittels derer die photosensitive Einrichtung (2) und die Druckglasdurchführung (7) gegeneinander vorgespannt werden.
Radiometrische Messanordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator (6) im Gehäuse (4) verschiebbar gelagert ist.
Radiometrische Messanordnung (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) eine Federanordnung aufweist, mittels derer der Szintillator (6) und die Druckglasdurchführung (7) gegeneinander vorgespannt sind, vorzugsweise, dass die Federanordnung derart gestaltet ist, dass der Szintillator (6) mit einer geringeren Kraft als dem Betrag seiner Gewichtskraft gegen die Druckglasdurchführung (7) gedrückt wird.
Radiometrische Messanordnung (1) nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1) derart eingerichtet ist, dass der Szintillator (6) in Axialrichtung verschiebbar gelagert ist und durch sein Eigengewicht gegen die Druckglasdurchführung (7) vorgespannt ist.
Radiometrische Messanordnung (1) nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator (6) im Bereich der Mitte seiner Axialachse (10) am Gehäuse (4) fixiert ist und vorzugsweise, dass die beiden Enden des Szintillators (6) in Axialrichtung verschiebbar gelagert sind.
Radiometrische Messanordnung (1) nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator (6) quer zu seiner Axialachse (10) beweglich mit der Druckglasdurchführung (7) in Kontakt steht.
Radiometrische Messanordnung (1) nach einem die vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) der Messanordnung (1) derart eingerichtet ist, dass das Gehäuse (4) in wenigstens zwei Teile demontierbar ist, wobei ein erster Teil wenigstens den ersten Bereich (3) mit der photosensitiven Einrichtung (2) umfasst und ein zweiter Teil wenigstens einen Teil des Szintillators (6) umfasst.
Radiometrische Messanordnung (1) nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive Einrichtung (2) einen Photomultiplier (8) umfasst, vorzugsweise, einen Silizium Photomultiplier (8).