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Die Erfindung betrifft einen Detektor zur radiometrischen Füllstandsmessung.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierung 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. zum Einsatz kommen. 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. Allgemein werden auch all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Zur Füllstandsmessung werden vor allem bei solchen Anwendungen Radiometrie-basierte Messgeräte eingesetzt, bei denen andere Messprinzipien wie Radar aufgrund von harschen Einsatzbedingungen versagen. Bei der radiometrischen Messmethode wird radioaktive Strahlung (beispielsweise Gamma-Strahlung einer Cäsium- oder Kobalt-Quelle) genutzt, die von einer radioaktiven Strahlenquelle des Messgerätes ausgesendet und durch den Behälter mit dem relevanten Füllgut geleitet wird. Nach Durchgang durch den Behälter wird die transmittierte Strahlungsintensität von einem Detektor des Messgerätes erfasst. Hierzu ist der Detektor in Bezug zur Strahlenquelle in etwa gegenüberliegend am Behälter angeordnet. Durch die Bestimmung der Intensität bzw. Leistung des am Detektor eingehenden Signals wird der transmittierte Anteil der vom Detektor ausgesandten Strahlung bestimmt. Auf Basis dessen wird auf den Füllstand des Füllgutes im Behälter geschlossen. Dabei kann der transmittierte Anteil der radioaktiven Strahlungsleistung nach Durchgang durch den Behälter nicht direkt detektiert werden. Hierzu muss die radioaktive Strahlung im Detektor durch ein hierfür geeignetes Material zunächst in elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich umgewandelt werden, bevor die Strahlungsleistung innerhalb der Detektor-Einheit von einem Photomultiplier und/oder einer Photodiode, wie einer Avalanche-Photodioden oder einem Silicon-Photomultiplier detektiert werden kann. Materialien, die diese Eigenschaft aufweisen, werden als szintillierende Materialien bezeichnet. Unter anderem Polystyrol, Polyvinyl-Toluene und mit Thallium dotiertes Natrium-Iodid weisen diese szintillierende Eigenschaft jeweils auf. Aus dem Stand der Technik sind radiometrische Füllstands- oder Dichtemessgeräte bereits bekannt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist beispielsweise in der Patentschrift
EP 2 208 031 B1 beschrieben.
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Bei radiometrischer Füllstandsmessung führen Druck-Schwankungen der Gasphase oberhalb desjenigen Füllgutes im Behälter, dessen Füllstand zu bestimmen ist, zu Messfehlern. Ursache dafür ist, dass die Gasphase vom Druck abhängt, wodurch die Intensität des am Detektor eingehenden Signals zusätzlich beeinflusst wird.
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Um hieraus resultierende Messfehler bei der Füllstandsmessung zu kompensieren, ist es bekannt, im Behälter oberhalb des Füllgutes eine Dichtemessung durchzuführen. Dabei kann die Gasphasendichte entweder mit separaten Dichtesensoren oder mit einer Kombination aus externer Temperatur- und Druck-Messung bestimmt werden. In diesem Zusammenhang werden bereits radiometrische Füllstandsmessgeräte gewerblich vertrieben, in deren Detektor ein Sensor zur Dichte-Messung der Gasphase integriert ist. Radiometrische Messgeräte, bei denen am oberen Ende des Szintillators zur Dichte-Messung jeweils ein Geiger-Müller-Zähler im Detektor integriertet ist, werden bspw. von dem Unternehmen „Tracerco“ unter dem Produktnamen „Optimus“ und „Profiler“ vertrieben.
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Nachteilhaft am beschriebenen Stand der Technik ist jedoch, dass zwingend zusätzliche Elektronik zur Bestimmung der Dichte erforderlich ist. Dabei ist die entsprechende Sensor-Hardware entweder separat gekapselt, oder die Sensor-Hardware ist zumindest im Gehäuse des Radiometrie-Detektors integriert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein radiometrisches Füllstandsmessgerät bereitzustellen, bei dem die Gasphasen-Dichte mit möglichst geringem Hardware-Zusatzaufwand kompensierbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Detektor für ein radiometrisches Messgerät, das zur Bestimmung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes dient, wobei der Detektor folgende Komponenten umfasst:
- - Einen ersten Szintillator, welcher eine erste Abklingkonstante aufweist,
- - einen zweiten Szintillator, welcher optisch mit dem ersten Szintillator verbunden ist und eine zweite Abklingkonstante aufweist, welche von der ersten Abklingkonstante abweicht,
- - einen Fotoempfänger, welcher optisch derart mit dem zweiten Szintillator verbunden ist, um in Abhängigkeit einer an den Szintillatoren eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal zu generieren,
- - eine an den Fotoempfänger angeschlossene Auswerte-Einheit, welche ausgelegt ist, das Auswerte-Signal derart spektral auszuwerten,
- ◯ um anhand des Auswerte-Signals jeweils einen ersten bzw. zweiten Signalanteil zu bestimmen, welcher dem entsprechenden Szintillator bzw. der entsprechenden Abklingkonstante zuordbar ist,
- ◯ um anhand des ersten Signalanteils die Dichte einer Gasphase oberhalb des Füllgutes zu bestimmen,
- ◯ um anhand des zweiten Signalanteils den Füllstand des Füllgutes zu bestimmen, und
- ◯ um anhand der ermittelten Dichte den Füllstand zu kompensieren.
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Durch die Konzipierung des Detektors mit zwei derart unterschiedlichen und optisch gekoppelten Szintillatoren ist es erfindungsgemäß möglich, Füllstandsmessung und Dichte-Messung bzw. Kompensation auf Basis lediglich einer Auswerte-Einheit durchzuführen. Hierdurch kann auf zusätzliche Hardware zur separaten Bestimmung der Dichte verzichtet werden.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zwei Szintillatoren so ausgewählt sind, dass sich deren Abklingkonstanten möglichst stark voneinander unterscheiden, also vorzugsweise um einen Faktor zehn oder höher. Gegeben ist dies beispielsweise, wenn man einen der Szintillatoren auf anorganischer Basis, wie beispielsweise Thallium-dotierten Natrium-Iodid mit einer Abklingkonstante von ca. 250 ns, auslegt und ein organisches Material wie Polyvinyl-Toluene oder Polystyren mit einer Abklingkonstante im Bereich von 3 ns als weiteren Szintillator vorsieht. Hierdurch lassen sich aus dem Auswerte-Signal technisch umso einfacher die zwei entsprechenden Signalanteile herausfiltern. Hierzu kann die Auswerte-Einheit bspw. einen ersten Bandpass und/oder einen zweiten Bandpass umfassen, welche/welcher durchlässig für eine zur ersten bzw. zweiten Abklingkonstante korrespondierenden Frequenz sind/ist. Zu diesem Zweck kann die Auswerte-Einheit alternativ auch so ausgelegt werden, dass das Auswerte-Signal hinsichtlich der Signalanteile mittels des Verfahrens der Pulsformunterscheidung (besser bekannt im Englischen als „Puls Form Discrimination“) gefiltert wird. Beschrieben ist dieses Verfahren bzw. eine entsprechende Schaltung unter anderem in „Analog Pulse Shape Discrimination Based on Time Duration and Pulse Height“ (R. Harn et. al.; ANIMMA 2021; EPJ Web of Conferences, Volume 253, id. 11008).
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Wenn der Detektor am Behälter montiert ist, dient der obere der beiden Szintillatoren bzw. dessen Signalanteil im Rahmen der Erfindung vorzugsweise zur Bestimmung der Dichte, da hierdurch am besten sichergestellt ist, dass dieser Szintillator auf Höhe der Gasphase angeordnet ist. Dementsprechend ist es vorteilhaft, den Detektor derart auszulegen, dass sich der Szintillator mit der kürzeren Abklingkonstante im montierten Zustand unterhalb des anderen Szintillators befindet. Denn anorganische und somit einfach herzustellende Szintillator-Materialien weisen in der Regel deutlich kürzere Abklingkonstanten als organische Szintillator-Materialien auf. In Bezug zum erfindungsgemäßen Detektor ist dies insofern relevant, als dass der untere Szintillator zur Messung des Füllstandes mit einer Länge auszulegen ist, welche dem maximal zu überwachenden Füllstandsbereich entspricht. Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Detektors resultiert hieraus, dass der untere Szintillator deutlich länger als der obere Szintillator auszulegen ist.
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In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls von Vorteil, den erfindungsgemäßen Detektor so auszulegen, dass der Fotoempfänger optisch an denjenigen Szintillator anschließt, welcher die kürzere Abklingkonstante aufweist. Vorteilhaft hieran ist, dass Polyvinyl-Toluene feuchtetechnisch nicht separat gekapselt werden muss, so dass es optisch beidseitig kontaktierbar ist: Von einer Seite durch den Fotoempfänger und von der gegenüberliegenden anderen Seite durch den weiteren Szintillator.
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Um in Abhängigkeit der an den Szintillatoren eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität das elektrische Auswerte-Signal zu generieren, kann der Fotoempfänger des Detektors beispielsweise einen Photomultiplier oder entsprechende Photodioden, wie bspw. ein Array an Avalanche-Photodioden oder ein Array an Silicon Photomultipliern, umfassen.
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Ein entsprechendes radiometrisches Messgerät, das zur erfindungsgemäßen, dichtekompensierten Füllstands-Messung von Füllgütern in Behältern dient, umfasst neben dem erfindungsgemäßen Detektor zudem eine radioaktive Strahlenquelle, welche derart in Bezug zum Behälter anbringbar ist, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels gen Behälter ausgesendet wird. Dabei ist Detektor in Bezug zur Strahlenquelle derart gegenüberliegend am Behälter anzubringen, dass sich die Szintillatoren jeweils zumindest teilweise im der Strahl-Kegel befinden.
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Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein erfindungsgemäßes, radiometrisches Messgerät an einem Behälter.
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Zum Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Behälter 2 einer industriellen Prozessanlage gezeigt. Dabei kann der Behälter 2 als Füllgut bspw. Rohöl 1 beinhalten, welches dort einen Refraktionierungs-Prozess unterläuft. Hierdurch stellt sich oberhalb des Füllgutes 1 im geschlossenen Behälter 2 eine Gasphase 1' ein, wobei sich die Gasphasen-Zusammensetzung, der dortige Druck und die entsprechende Dichte je nach Prozessfortschritt bzw. Prozesstemperatur deutlich ändern kann. Zur Steuerung des Prozesses ist der Füllstand L des Füllgutes 1 zu bestimmen, wobei aufgrund der harschen Prozessbedingungen radiometrische Füllstandsmessung zum Einsatz kommt. Hierzu ist am Behälter 2 ein erfindungsgemäßes Messgerät angeordnet, das auf dem radiometrischen Messprinzip basiert und dementsprechend über eine radioaktive Strahlenquelle 11 sowie einen Detektor 12 verfügt. Die Strahlenquelle 11 ist so angeordnet und ausgerichtet, dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels a gen Behälter 2 austritt. In Bezug zur Strahlenquelle 11 ist der Detektor 12 derart gegenüberliegend am Behälter 2 angeordnet, so dass sich der Detektor 12 möglichst zentral im Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 11 befindet.
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Allgemein können die Strahlenquelle 11 und der Detektor 12 entweder direkt am Behälter 2 montiert sein, oder indirekt an entsprechend freistehenden Stativen. Wie in 1 dargestellt ist, kann der Detektor 12 des Messgerätes zudem über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 3, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden werden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um Heiz-Elemente oder etwaige Zuleitungen am Behälter 2 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes kommuniziert werden.
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Durch die Anordnung des Detektors 12 im Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 11 empfängt der Detektor 12 die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch das Füllgut 1 bzw. durch die Gasphase 1' im Behälter-Inneren. Dabei hängt die Intensität der empfangenen Strahlung - in Bezug zur Ausgangs-Intensität an der Strahlenquelle 11 - vom Füllstand L des Füllgutes 1 sowie von der Dichte der darüberliegenden Gasphase 1' ab. Innerhalb des Detektors 12 wird die eingehende, radioaktive Strahlung mittels Szintillation in optische Strahlung im sichtbaren bzw. angrenzenden UV-/IR-Bereich umgewandelt. Dabei hängt die Wellenlänge der optischen Strahlung von der Abklingkonstante des verwendeten Szintillator-Materials ab. Die ins Optische umgewandelte Strahlung wird wiederum durch einen Fotoempfänger 121, wie beispielsweise einem Photomultiplier oder durch ein Array an Avalanche-Photodioden in ein elektrisches Auswertungs-Signal sa überführt. Gemäß des radiometrischen Prinzips kann eine entsprechende Auswerte-Einheit 122 als Bestandteil des Detektors 12 nach entsprechender Kalibration anhand der Amplitude bzw. Leistung dieses Auswertungs-Signals sa auf die Intensität der am Detektor 12 eingehenden, radioaktiven Strahlung schließen. Auf Basis der gemessenen Leistung des Auswertungs-Signals sa kann die Auswerte-Einheit 122 wiederum den Füllstand L des Füllgutes 1 im Behälter 2 berechnen, beispielsweise auf Basis einer Look-Up Table. Dabei beruht die Look-Up Table auf zumindest einer Kalibrationsmessung und setzt die Leistung des Auswertungs-Signals sa in Bezug zum Füllstand L.
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Allerdings ist die Auswerte-Einheit 122 auf eine festgelegte Standard-Dichte der Gasphase 1' zu kalibrieren, so dass eine Abweichung der Dichte vom zugrunde gelegten Standart-Wert das Füllstands-Messergebnis entsprechend verfälscht. Um dies zu verhindern, kann die Dichte der Gasphase 1' oberhalb des Füllgutes 1 gemäß des Stand der Technik auch mittels eines separaten Sensors gemessen und der Auswerte-Einheit 122 übermittelt werden, so dass diese den Füllstands-Wert L hinsichtlich der gemessenen Dichte korrigieren kann, bspw. auf Basis einer zusätzlich, hinterlegten Look-Up Table.
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Erfindungsgemäß kann auf einen separaten Sensor bzw. entsprechende Hardware verzichtet werden. Hierzu umfasst der Detektor 12 gemäß 1 nicht lediglich einen ersten Szintillator 120a, sondern zusätzlich einen zweiten Szintillator 120b, der optisch an den ersten Szintillator 120a angekoppelt ist. Dabei unterscheidet sich der zweite Szintillator 120b durch eine deutlich abweichende Abklingkonstante vom ersten Szintillator 120a. Hieraus resultiert, dass aus dem des Auswertungs-Signal sa zwei unterschiedliche Signalanteile extrahierbar sind: Der erste Signalanteil ist dem ersten Szintillator 120a zuordbar, der zweite Signalanteil ist auf den zweiten Szintillator 120b zurückzuführen. Möglich ist dies, da dem jeweiligen Signalanteil eine Frequenz zuordbar ist, die sich aus dem Reziproken der entsprechenden Abklingkonstante des zugehörigen Szintillators 120a, b ergibt. Dementsprechend kann die Auswerte-Einheit 122 die zwei verschiedenen Signalanteile durch Filterung aus dem Auswerte-Signal sa extrahieren, bspw. mittels entsprechender Bandpässe. Hierzu müssen die Bandpässe jeweils durchlässig für diejenige Frequenz sein, die zur entsprechenden Abklingkonstante korrespondiert. Alternativ kann in der Auswerte-Einheit 122 zur Extrahierung der zwei Signalanteile das so genannte Verfahren der Pulsformunterscheidung implementiert werden.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante des Detektors 12 dienen der obere Szintillator 120a bzw. der entsprechende Signalanteil im Auswerte-Signal sa zur Bestimmung der Dichte der Gasphase 1'. Dementsprechend ist die Strahlenquelle 11 gemäß der in 1 gezeigten Darstellung auf Höhe des oberen Szintillators 120a angeordnet und um ca. 45° nach unten verkippt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die am oberen Szintillator 120a eingehende Strahlung im Behälter 2 ausschließlich durch die Gasphase 1' transmittiert wird. Die am unteren Szintillator 120b eingehende Strahlungsleistung richtet sich nach der Dichte und zusätzlich dem Füllstand L des Füllgutes 1 im Behälter 2.
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Dementsprechend dienen der untere Szintillator 120b bzw. dessen Signalanteil erfindungsgemäß sa zur Bestimmung des Füllstandes L. Daher ist dieser untere Szintillator 120b mit einer ausreichenden Länge l konzipiert, um den relevanten Füllstandsbereich im Behälter 2 abdecken zu können. Im Vergleich hierzu braucht der oben anschließende, erste Szintillator 120a keine derart lange Ausdehnung, um auf dieser Behälter-Höhe die Dichte der Gasphase 1' bestimmen zu können. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, den unteren Szintillator 120b aus Polyvinyl-Toluene oder Polystyrol zu fertigen, da Polyvinyl-Toluene deutlich günstiger als Thallium-dotiertes Natrium-Iodid herzustellen ist, aus welchem im Sinne der Erfindung dementsprechend der obere Szintillator 120a gefertigt werden kann. Allgemein ist es im Rahmen der Erfindung jedoch nicht fest vorgeschrieben, welcher der zwei Szintillator-Materialien zur Bestimmung der Dichte bzw. zur Bestimmung des Füllstandes L eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist es zudem nicht relevant, an welchen der beiden Szintillatoren 120a, 120b der Fotoempfänger 121 angeschlossen ist. Da Thallium-dotiertes Natrium-Iodid jedoch eine gewisse Feuchte-Kapselung erfordert, ist die in 1 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Detektors 12 insofern vorteilhaft, als dass der Fotoempfänger 121 an den unteren, aus organischem Material gefertigten Szintillator 120b angeschlossen ist und somit keine Auswirkungen auf eine etwaige Kapselung des oberen, Natrium-Iodid basierten Szintillators 120a hat.
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Die Ermittlung des Füllstandes L und der Gasphasen-Dichte anhand der zwei Signalanteile ermöglicht es der Auswerte-Einheit 122, den momentan gemessenen Füllstand L hinsichtlich der aktuell vorherrschenden Gasphasen-Dichte zu kompensieren, bspw. mittels einer hinterlegten Loo-Up Table. Hierdurch wird die Messgenauigkeit erhöht, ohne dass zusätzliche Sensor-Hardware zur Dichtemessung vorgehalten werden muss. Außerdem ist es nicht notwendig, weiterer Informationen über die aktuelle Gaszusammensetzung, die Temperatur oder den Druck zu kennen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllgut
- 1'
- Gasphase oberhalb des Füllgutes
- 2
- Behälter
- 3
- Übergeordnete Einheit
- 11
- Radioaktive Strahlenquelle
- 12
- Detektor
- 120a
- Erster Szintillator
- 120b
- Zweiter Szintillator
- 121
- Avalanche-Photodiode, Photomultiplier
- 122
- Auswerte-Einheit
- a
- Strahl-Kegel
- L
- Füllstand
- l
- Länge des zweiten Szintillators
- sa
- Auswerte-Signal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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