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Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer radiometrischen Messordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene radiometrische Messanordnungen zur Füllstand-, Dichte- und Grenzstandmessung bekannt, wobei zur Messung eine radioaktive Strahlenquelle und eine Erfassungseinheit an gegenüberliegenden Seiten eines zu überwachenden Behälters angeordnet werden. Von der radioaktiven Strahlenquelle wird Gammastrahlung durch den Behälter in Richtung der Erfassungseinheit ausgesendet und auf ihrem Weg durch das Füllgut je nach Füllstand und Dichte des Füllgutes mehr oder weniger absorbiert. Auf Basis der von der Erfassungseinheit detektierten Strahlungsstärke kann dann ein Rückschluss auf den Füllstand oder die Dichte eines zwischen der Strahlenquelle und der Erfassungseinheit befindlichen Füllgutes gezogen werden. Ebenso ist eine Grenzstanderfassung möglich.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten radiometrischen Messanordnungen ist es bekannt, dass die Erfassungseinheit als Szintillator mit einem nachgeschalteten Photomultiplier ausgestaltet ist. Die auf das Szintillatormaterial treffende Gammastrahlung regt dieses durch Stoßprozesse an, wobei das Szintillatormaterial unter Abgabe von Licht in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Eine Detektion der Strahlungsstärke erfolgt dabei üblicherweise mittels eines nachgeschalteten Photomultipliers zur Generierung elektrischer Impulse aus den im Szintillatormaterial generierten Lichtpulsen. Die elektrischen Impulse werden in einer nachgeschalteten Messelektronik weiterverarbeitet, bspw. verstärkt und gezählt. Die Zahl der ermittelten Pulse ist repräsentativ für die Strahlungsstärke und damit auch für die Dichte des Füllgutes bzw. die Füllhöhe des Füllgutes.
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Ein besonderer Vorteil der radiometrischen Füllstandmessung ist, dass die für die Messung notwendigen Komponenten, nämlich die Strahlenquelle und die Erfassungseinheit, außerhalb eines Behälters anordenbar sind und damit weder die Prozessbedingungen innerhalb des Behälters noch die Eigenschaften des Füllgutes Auswirkungen auf die Einsetzbarkeit dieser Messmethode haben.
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Für den Einsatz bei hohen Temperaturen, kann es notwendig sein, das Szintillatormaterial zu kühlen. Hierbei ist es bekannt, eine bestehende Erfassungseinheit mit einem zusätzlichen Gehäuse zu umgeben, welches dann mit Wasser- und/oder Luft zur Kühlung durchströmt wird.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erfassungseinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer radiometrischen Messanordnung zur Verfügung zu stellen, welche einen Einsatz der Erfassungseinheit bei hohen Temperaturen ermöglichen, wobei der Aufbau der Erfassungseinheit möglichst einfach ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Erfassungseinheit für eine radiometrische Messanordnung dient zur Detektion ausgesandter radioaktiver Strahlung. Die Erfassungseinheit umfasst einen Feststoff-Szintillator. Als Material für einen Feststoff-Szintillator kommt z.B. Polystyrol (PS) oder Polyvinyltoluol (PVZ) in Frage. Bei dem Feststoff-Szintillator handelt es sich insbesondere um einen länglichen Stab, welcher sich bei einer Montage der Erfassungseinheit an einem Behälter über zumindest einen Teil der Höhe bzw. Länge des Behälters erstreckt.
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Erfindungsgemäß steht der Feststoff-Szintillator unmittelbar mit einem zirkulierendem Kühlmittel in Kontakt. Das Kühlmittel umströmt den Feststoff-Szintillator zumindest abschnittsweise. Das Kühlmittel ist insbesondere in ein Szintillatorgehäuse eingefüllt, welches auch den Feststoff-Szintillator umgibt. Das Kühlmittel umgibt den Feststoff-Szintillator insbesondere vollumfänglich. Insbesondere befindet sich lediglich an einer Stirnfläche, mit welcher der Feststoff-Szintillator unmittelbar an einem Photomultiplier anliegt, kein Kühlmittel.
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Durch den direkten Kontakt von Kühlmittel und Feststoff-Szintillator kann der Feststoff-Szintillator besonders effizient gekühlt werden. Entsprechend kann die Erfassungseinheit auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Eine zusätzliche Umhüllung bzw. ein separates Rohr oder weitere Anbauten an das Szintillatorgehäuse sind nicht erforderlich, wodurch der Aufbau besonders einfach gehalten werden kann.
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Ferner weist die Erfassungseinheit insbesondere noch einen Photomultiplier zur Umwandlung von in dem Szintillator erzeugten Lichtblitzen in elektrische Signale und eine Messelektronik zur Verarbeitung der elektrischen Signale auf. Damit kein Kühlmittel in den Bereich des Photomultipliers oder der Messelektronik gelangt, ist diese insbesondere durch ein Schauglas oder geeignete Abdichtung von dem Feststoff-Szintillator und umgebenden Kühlmittel dichtend getrennt angeordnet.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Kühlmittel um einen Flüssig-Szintillator. Der Flüssig-Szintillator besteht aus einem in Lösungsmittel gelösten Szintillator. Hierbei kann es sich bei dem Szintillatormaterial insbesondere um PBD, PPO, BBOT oder POPOP handeln, welches in einem Lösungsmittel wie Toluol, Xylol oder Cumol gelöst ist. Durch die Verwendung des Flüssig-Szintillators zusätzlich zum Feststoff-Szintillator steht mehr Szintillationsmaterial zur Verfügung, um die ausgesandte Strahlung zu detektieren und um Lichtpulse zu erzeugen. Die Messgenauigkeit wird dadurch erhöht.
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In einer praktischen Ausführungsform steht das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher in Fluidverbindung. Insbesondere strömt das erwärmte Kühlmittel über eine Zuleitung zu dem Wärmetauscher. Die Zuleitung erstreckt sich insbesondere von dem Szintillatorgehäuse, außerhalb des Szintillatorgehäuses, zu dem Wärmetauscher. Im Wärmetauscher wird das Kühlmittel abgekühlt und strömt anschließend über eine Ableitung wieder von dem Wärmetauscher in das Szintillatorgehäuse. Alternativ kann der Wärmetauscher in das Szintillatorgehäuse integriert sein. Bei dem Wärmetauscher kann es sich um einen flüssig-flüssig Wärmetauscher oder auch um einen flüssig-gasförmig Wärmetauscher handeln.
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Um eine thermisch bedingte Volumenänderungen des Kühlmittels und/oder des Feststoff-Szintillators zu kompensieren, steht das Kühlmittel insbesondere mit einem Druckausgleichselement in Verbindung. Bei dem Druckausgleichselement handelt es sich insbesondere um ein Ausgleichsbehälter, in welchem ein, mit einer Spannkraft bzw. Federkraft beaufschlagtes Element verlagerbar ist. Der Ausgleichsbehälter steht insbesondere in Fluidverbindung mit dem Kühlkreislauf und bei einer Volumenausdehnung des Kühlmittels und/oder des Feststoff-Szintillators weicht Kühlmittel in den Ausgleichsbehälter aus. Das Volumen in dem Ausgleichsbehälter ist durch das Druckausgleichselement veränderbar.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu steht der Feststoff-Szintillator mit einem Druckausgleichelement in Verbindung. Auch hier dient das Druckausgleichselement dazu, Volumen bzw. Druckschwankungen aufgrund thermischer Ausdehnung des Feststoff-Szintillators und/oder des Kühlmittels (Flüssig-Szintillator) zu kompensieren. Das Druckausgleichselement soll sicherstellen, dass der benachbart zum Photomultiplier angeordnete Feststoff-Szintillator möglichst unmittelbar an diesen angepresst wird. Als Druckausgleichselement dient insbesondere ein Spannelement, insbesondere eine Feder. Die Feder kann zum Beispiel auf einem dem Photomultiplier abgewandten Ende auf einen Feststoff-Szintillator wirken und den Feststoff-Szintillator in Richtung des Photomultipliers drücken.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform weist ein außerhalb des Szintillationsgehäuses angeordneter Kühlmittelkreislauf zumindest teilweise Strahlung-absorbierendes Material auf. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei dem Kühlmittel um einen Flüssig-Szintillator handelt. Durch die von der Strahlenquelle ausgesandte Strahlung wird zusätzlich zu dem in der Erfassungseinheit in dem Szintillatorgehäuse angeordneten Szintillatormaterial auch der Flüssigkeits-Szintillator in dem Kühlkreislauf außerhalb des Szintillatorgehäuses bestrahlt. Dieser Flüssig-Szintillator emittiert dann ebenfalls Licht, welches den eigentlichen Messwert verfälschen kann. Die Verbindungsleitungen des Kühlkreislaufes sind insbesondere von innen mit einem absorbierenden Material beschichtet. Weiterhin können der außerhalb des Szintillatorgehäuses angeordnete Kühlkreislauf oder nur der Wärmetauscher außerhalb des bestrahlten Bereiches angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer radiometrischen Messanordnung. Die Messanordnung weist dabei eine Strahlenquelle und eine Erfassungseinheit mit einem Feststoff-Szintillator auf. Bei der Erfassungseinheit handelt es sich insbesondere um eine wie vorstehend beschriebene Erfassungseinheit Der Feststoff-Szintillator wird mit einem Flüssig-Szintillator als Kühlmittel gekühlt.
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In Bezug auf die Vorteile des Verfahrens wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Zur Bildung eines Messwertes werden dann insbesondere die von dem Feststoff-Szintillator und dem Flüssig-Szintillator generierten Lichtpulse erfasst. Durch das zusätzliche durch den Flüssig-Szintillator bereitgestellte Szintillationsmaterial wird der Messwert noch genauer.
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Insbesondere werden für den Messwert nur vom Flüssig-Szintillator innerhalb des Szintillatorgehäuses generierte Lichtpulse berücksichtigt. Ein aufgrund des Flüssig-Szintillators außerhalb des Szintillatorgehäuses im Kühlkreislauf generierter Strahlungsanteil wird insbesondere herausgerechnet.
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Für ein möglichst genaues Messergebnis wird zusätzlich bei der Auswertung die temperaturabhängige Volumenänderung an Flüssig-Szintillator in dem Szintillatorgehäuse berücksichtigt. Je nach Temperatur verändert sich das Volumen an Flüssig-Szintillator in dem Szintillatorgehäuse, insbesondere strömt diese bei einer Volumenausdehnung in den Ausgleichsbehälter. Somit befindet sich bei hohen Temperaturen weniger szintillierende Materie in dem Szintillationsgehäuse und dem Kühlkreislauf. Durch eine geeignete Kalibrierung zwischen Temperatur und Volumen kann die Verringerung der Lichtimpulse bei hohen Temperaturen in der Messwertauswertung berücksichtigt werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind im Folgenden in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Erfassungseinheit mit einem Feststoff-Szintillator und Kühlmittel in einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht im Querschnitt und
- 2 eine Erfassungseinheit mit einem Feststoff-Szintillator und Kühlmittel in einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Ansicht im Querschnitt.
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In 1 ist eine Erfassungseinheit 10 in einer ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Erfassungseinheit 10 umfasst ein Szintillatorgehäuse 12 mit einem darin angeordneten Feststoff-Szintillator 14. An das Szintillatorgehäuse 12 schließt sich unmittelbar anliegend an den Feststoff-Szintillator 14 ein Gehäuse mit einem Photomultiplier 16 und mit einer Messelektronik 18 an. Der Feststoff-Szintillator 14 ist vorliegend als länglicher Stab ausgebildet.
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In dem Szintillatorgehäuse 12 ist zusätzlich ein Kühlmittel 20 angeordnet, hier ein Flüssig-Szintillator. Das Kühlmittel 20 steht unmittelbar mit dem Feststoff-Szintillator 14 in Kontakt und umspült den Feststoff-Szintillator 14 vollumfänglich bis auf die in direktem Kontakt zum Photomultiplier 16 stehende Stirnfläche des Feststoff-Szintillators 14.
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Der Übergang zwischen Szintillatorgehäuse 12 mit Kühlmittel 20 und dem Gehäuse mit Photomultiplier 16 ist dabei so abgedichtet, dass kein Kühlmittel 20 in Kontakt mit dem Photomultiplier 16 oder der Messelektronik 18 kommt (z.B. durch einen Abschluss des Szintillatorgehäuse 12 durch ein Schauglas oder Abdichtungen an der Stirnfläche)
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Zur Abkühlung des Kühlmittels 20 weist die Erfassungseinheit 10 einen Kühlmittelkreislauf 22 auf. Der Kühlmittelkreislauf 22 umfasst einen Wärmetauscher 24 und eine Zuleitung 26, welche sich von dem Szintillatorgehäuse 12 zum Wärmetauscher 24 erstreckt und eine Ableitung 28 vom Wärmetauscher 24 zum Szintillatorgehäuse 12. Der Wärmetauscher 24 ist hier außerhalb des Szintillatorgehäuses 12 angeordnet.
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Zum Druckausgleich aufgrund thermischer Ausdehnung des Feststoff-Szintillators 14 (und auch des Flüssig-Szintillators) steht gemäß ersten Ausführungsform der Feststoff-Szintillator 14 mit einem Druckausgleichselement 30 in Verbindung. Bei dem Druckausgleichselement 30 handelt es sich hier um eine Feder, welche sich von der Innenseite des Szintillatorgehäuses 12 zum Feststoff-Szintillator 14 erstreckt und den Feststoff-Szintillator 14 gegenüber dem Photomultiplier 16 fixiert.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Erfassungseinheit 14 dargestellt. Im Folgenden werden zur Beschreibung der weiteren Ausführungsform für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.
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Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Druckausgleichselement 32 für den Flüssig-Szintillator im Kühlkreislauf 22 angeordnet ist. Als Druckausgleichelement 32 ist in einem Ausgleichsbehälter 34 in Fluidverbindung mit der Zuleitung 26 ein vorgespanntes Wandelement 36 angeordnet, was vorliegend über eine Feder 38 abgestützt ist.
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Die Erfassung der von der Strahlenquelle (nicht dargestellt) ausgesandten radioaktiven Strahlung erfolgt hier mit dem in dem Szintillatorgehäuse 12 angeordnetem Feststoff-Szintillator 14 und zusätzlich mit dem Flüssig-Szintillator 20. Für eine genaue Messung ist es wichtig zu wissen, welches Volumen an Flüssig-Szintillator 20 zur Messung beiträgt, ob z.B. auch der im Kühlkreislauf 22 befindliche Flüssig-Szintillator 20 Lichtpulse generiert. Ist dies der Fall, so kann dieses bei der Berechnung der Strahlenintensität berücksichtig werden.
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Ferner wird bei der Messung die thermische Ausdehnung und dadurch bedingte Veränderung des Volumens des Flüssig-Szintillators 20 während der Messung von der Messelektronik 18 berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Erfassungseinheit
- 12
- Szintillatorgehäuse
- 14
- Feststoff-Szintillator
- 16
- Photomultiplier
- 18
- Messelektronik
- 20
- Kühlmittel, Flüssig-Szintillator
- 22
- Kühlkreislauf
- 24
- Wärmetauscher
- 26
- Zuleitung
- 28
- Ableitung
- 30
- Druckausgleichselement
- 32
- Druckausgleichselement
- 34
- Ausgleichsbehälter
- 36
- Wandelement
- 38
- Feder