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Zugehörige Anmeldung
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Diese
Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der provisorischen
U.S. Patentanmeldung Serien Nr. 60/458,694, hinterlegt am 28. März 2003.
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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sieh auf einen Strahlungsdetektor, der einen flexiblen
Szintillator aufweist, zur Verwendung mit einem nuklearen (strahlungsartigen)
Niveau- bzw. Pegeldetektor. Spezifischer bezieht sich die Erfindung
auf die Implementierung eines flexiblen Szintillators, der aus einem flüssigen Szintillationsmaterial
hergestellt bzw gefertigt ist, in einem flexiblen Rohr, welches
betätigbar
mit einem Ende eines Photodetektors verbunden werden kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist gut bekannt, die Kombination einer Strahlungsquelle wie Caesium137 und einen länglichen Strahlungsdetektor
als eine Vorrichtung zum Messen des Materialpegels bzw. -niveaus,
wie in einem Tank bzw. Behälter,
zu verwenden, welcher zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor
angeordnet ist. Derartige Vorrichtungen sind insbesondere nützlich bzw.
verwendbar, wenn das Material, das ge- bzw. vermessen wird, oder
die Umgebung, in welcher es angeordnet ist, insbesondere kaustisch,
gefährlich
oder andererseits nicht für
traditionelle Pegelmeßvorrichtungen
zugänglich
ist.
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Frühe kontinuierliche
Pegeldetektionsvorrichtungen verwendeten einen Ionenkammerdetektor.
Beispielsweise könnte
die Ionenkammer ein Rohr mit drei bis sechs Zoll (7,5–15 cm)
Durchmesser bis zu 20 Fuß (6
Meter) lang sein, das mit Inertgas unter mehreren Atmosphären Druck
gefüllt
ist. Eine kleine Vorspannspannung wird an eine große Elektrode
angelegt, die im Zentrum der Ionenkammer nach unten eingesetzt ist.
Wenn Gammaenergie die Kammer trifft, wird ein sehr kleines Signal
(gemessen in Picoampere) detektiert, da bzw. wenn das Inertgas ionisiert
wird. Dieser Strom, welcher proportional zu der Menge bzw. Größe der Gammastrahlung
ist, die durch den Detektor empfangen worden ist, wird verstärkt und
als das Pegelmeßsignal übertragen.
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Alternativ
wurden längliche
Szintillationsdetektor-"Kristalle" verwendet.
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Derartige
Vorrichtungen sind viele Male empfindlicher als Ionenkammern und
sind auch beträchtlich
teurer. Diese zusätzlichen
Kosten sind häufig
akzeptabel, da es die Verwendung von entweder einer kleineren Strahlungsquellengröße ermöglicht oder
den Erhalt eines empfindlicheren Meßgeräts. Wenn Gammaenergie auf das
Szintillatormaterial trifft, wird sie in unsichtbare oder UV-Blitze
umgewandelt, welche aus Lichtphotonen (Lichtteilchen) bestehen.
Diese Photonen erhöhen
sich in der Zahl, wenn die Intensität der Gammastrahlung ansteigt.
Die Photonen wandern durch das Szintillatormedium zu einem Photomuliplier-
bzw. Photovervielfacher-Rohr, welches
die Lichtphotonen in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Ausgabe
ist direkt proportional der Gammaenergie, welche den Szintillator
trifft.
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Sowohl
Ionenkammerdetektoren als auch Szintillationszählerdetektoren haben den Nachteil, daß sie ziemlich
starr in der Struktur sind. In einigen Anwendungen wie beim Erstrecken
bzw. Führen
des Detektors vertikal um einen horizontal ausgerichteten Tank oder
entlang der Länge
eines Tanks bzw. Behälters,
wo die Form des Tanks oder Hindernisse, welche an dem Tank oder
Teile desselben sind, die Verwendung von solchen starren Detektoren
begrenzen oder verhindern. Hier gibt es ein Erfordernis für einen Szintillationszählerdetektor,
welcher flexibel ist, so daß er
vor Ort adaptiert werden kann, um sich um derartige Hindernisse
zu biegen.
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Faseroptische
Kabeln, die aus zahlreichen individuell plattierten Strängen von
Szintillatormaterial gefertigt sind, wurden als eine Lösung für dieses Problem
präsentiert.
Ein Beispiel davon ist im U.S. Patent Nr. 6,198,103 gezeigt. Das
erforderliche individuelle Plattieren dieser Fasern macht jedoch
eine derartige Lösung unerwünscht teuer.
Ein weiteres Beispiel eines flexiblen Szintiliationskristalldetektors ist
in unserem U.S. Patent Nr. 6,563,120, erteilt am 13. Mai 2003, gezeigt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen flexiblen strahlungsartigen bzw.
Strahlungstyp-Pegeldetektor zur Verfügung, in welchem ein längliches
flexibles Rohr mit einem flüssigen
Szintillationsmaterial befüllt
ist. Das Rohr hat ein erstes und ein zweites Ende, von welchem wenigstens
eines für
eine betätigbare
Verbindung mit einem Photodetektor ausgerichtet ist. Ein derartiger
Szintillator ist flexibel in drei Dimensionen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Gleiche
Bezugszeichen werden verwendet, um gleiche Teile durch die verschiedenen
Figuren der Zeichnung zu bezeichnen, wobei:
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1 eine
segmentierte bzw. unterteilte Längsschnittansicht
eines strahlungsartigen Niveau- bzw. Pegeldetektors ist, welcher
einen flexiblen Flüssigkeitsszintillator
gemäß einer
bevorzugten Ausbildung der Erfindung umfaßt bzw. enthält;
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2 eine
Detaillängsschnittansicht
ist, die das Detektorkopfgehäuse
zeigt;
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3 eine
Detaillängsschnittansicht
der Grenzfläche
zwischen dem flüssigen
flexiblen Szintillator und dem Photovervielfacher-Rohr/Kopf gemäß einer
bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist;
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4 eine
detaillierte bzw. Detaillängsschnittansicht
ist, die eine Endexpansionskammer mit variablem Volumen gemäß einer
bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5a eine
Detaillängsschnittansicht
ist, die eine andere bevorzugte Ausbildung zeigt, die eine Verbindung
zwischen dem flexiblen flüssigen
bzw. Flüssigkeitsszintillator
und der Kopfanordnung zeigt;
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5b eine
Detaillängsschnittansicht
ist, die eine Endexpansionskammer variablen Volumens gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung zeigt;
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6a eine
Detaillängsschnittansicht
ist, die eine andere bevorzugte Ausbildung zeigt, die eine Verbindung
zwischen dem flexiblen Flüssigkeitsszintillator
und der Kopfanordnung zeigt;
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6b eine
Detaillängsschnittansicht
ist, die eine Endexpansionskammer variablen Volumens gemäß einer
anderen bevorzugten Ausbildung der Erfindung zeigt; und
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7 eine
Schnittansicht ist, die ein abgewandeltes Expansionskammerdesign
zeigt.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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Indem
nun auf die verschiedenen Figuren der Zeichnung, und zuerst auf 1 Bezug
genommen wird, ist darin mit 10 ein flexibler strahlungsartiger
bzw. Strahlungstyp-Pegeldetektor gemäß einer bevorzugten Ausbildung
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfaßt bzw.
beinhaltet ein flexibles Rohr 12, das betätigbar an
einem Ende mit einem Photovervielfacher-Rohr 14 verbunden
ist, welches als ein Photodetektor wirkt. Das flexible Rohr 12 beinhaltet
ein flüssiges
Szintillationsmaterial 16, welches, wenn es durch Gammaenergie
getroffen wird, Blitze, bestehend aus Lichtphotonen (Lichtteilchen),
typischerweise in dem UV-Spektrum
erzeugt. Das Rohr 12, welches im wesentlichen mit einem
flüssigen
Szintillationsmaterial 16 gefüllt ist, umfaßt insgesamt
den Szintillator 18. Der Szintillator 18 ist betätigbar mit
einem Photovervielfacher-Rohr 14 gut bekannter Konstruktion
verbunden. Der Pegel bzw. das Niveau von Lichtphotonen, die durch
den Szintillator 18 produziert werden, ist direkt proportional
zu der Gammaenergie, welche das flüssige Szintillationsmaterial 16 trifft.
In gleicher Weise ist die Ausgabe des Photovervielfacher-Rohrs 14 direkt
proportional der Anzahl von Photonen, die es von dem Szintillator 18 detektiert.
Die Vorrichtung 10 kann weiters einen elektronischen Verstärker 20 ebenfalls
gut bekannter Konstruktion beinhalten, welcher eine Signalausgabe
in 10 Volt-Pulsen produziert.
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In
bevorzugter Form kann das flexible Rohr 12 aus jedem aus
einer Vielzahl von Materialien gefertigt sein, die eine ausreichende
Flexibilität,
Festigkeit und chemische Beständigkeit
gegenüber
dem flüssigen
Szintillationsmaterial 16 besitzen, das verwendet ist.
Ein Innendurchmesser von einem Zoll (2,54 cm) ist bevorzugt, jedoch
können
Röhren
bzw. Rohre mit einem Innendurchmesser von einem Viertelzoll (0,635
cm) bis vier Zoll (10 cm) für
verschiedene Anwendungen eingesetzt bzw. angewandt werden. Ein bevorzugtes
Verrohrungs- bzw. Rohrmaterial ist ein Fluorpolymer-Kunststoff,
welcher von Norton Performance Plastics Corporation, Wayne, New Jersey
unter dem Handelsnamen CHEMFLUOR verkauft wird. Es wurde gefunden,
daß CHEMFLUOR Formulierung 367 mit
einem Zoll (2,54 cm) Innendurchmesser den gewünschten Brechungsindex und intern
glatte Wände
besitzt, um eine Innenreflexion zu erhöhen. Ein akzeptables Fluorpolymerrohr
wird auch von derselben Firma unter dem Handelsnamen TYGON verkauft.
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Eine
große
Vielzahl von flüssigem
Szintillationsmaterial ist entweder von Bicron Business Unit (d.b.a.
Bicron) von Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. in Newbury, Ohio,
oder Eljen Technology in Sweetwater, Texas erhältlich. Akzeptable Materialien,
die durch Bicron hergestellt sind, werden unter der Katalogbezeichnung
BC-599-16, BC-517H, oder BC-517-L verkauft. Akzeptable Materialien,
die durch Elgin Technology hergestellt sind, sind mit EJ-321H oder
einem aus der EJ-399 Serie (04, 06, 08, 09) bezeichnet. Beim Auswählen eines
flüssigen
Szintillationsmaterials sollte man das gewünschte Gleichgewicht zwischen
einer Lichtausgabe und Blitzpunkt wählen. D.h., einige Materialien,
welche einen niedrigeren Flash- bzw. Blitzpunkt (74 °C – 81 °C) besitzen, haben
eine höhere
Lichtausgabe (jeweils 66 % – 52 %).
Materialien, die einen höheren
Blitzpunkt (>150 °C) besitzen,
stellen eine niedrigere Lichtausgabe (50 %) zur Verfügung. Wenn
ein höherer
Blitzpunkt aufgrund der Umgebung erforderlich ist, in welcher die
Vorrichtung 10 verwendet werden wird, sind die Auswahlen
betreffend das flüssige
Szintillationsmaterial beschränkter.
Aus diesem Grund ist eine Verwendung des Bicron BC-599-16-Produkts,
das einen Flashpunkt bzw. Blitzpunkt von 167,1 °C besitzt, bevorzugt.
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Alle
Beispiele von flüssigem
Szintillationsmaterial, die oben beschrieben sind, besitzen einen Brechungsindex
größer als
den Brechungsindex des Rohrs 12. Diese flüssigen Szintillationsmaterialien emittieren
typischerweise Licht in dem Bereich von 425 nm. Dieser Bereich ist
leicht kompatibel mit kommerziell verfügbaren Photovervielfacher-Rohren.
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In
einer bevorzugten Form wird der gesamte Szintillator 18 in
einem weiteren flexiblen rohrförmigen
Gehäuse
oder einer Ummantelung 22 eingehüllt bzw. umschlossen. Ein Produkt,
das für
diesen Zweck geeignet erachtet wird, wird durch Electri-Flex Company
in Roselle, Illinois unter der Marke LIQUATITE® verkauft.
Dieses Material ist eine spiralförmig gewickelte
metallische Leitung, welche mit einer wasserdichten/lichtdichten
Kunststoffummantelung abgedeckt ist. Andere Arten von wasserdichten/lichtdichten
flexiblen Röhren
können
ebenfalls geeignet sein. Ein flexibles Gehäuse 22 mit zwei Zoll
(5 cm) Innendurchmesser ist für
ein Abdecken eines Szintillatorrohrs 12 mit ein Zoll (2,54
cm) Innendurchmesser geeignet und kann einen Biegeradius von so
wenig wie 24. Zoll (60 cm) oder weniger zur Verfügung stellen. Mit einem Gewinde
versehene bzw. Gewindekopplungen 24, 26, die spezifisch
zur Verwendung mit dem Material des äußeren Gehäuses 22 entworfen
sind, sollten an jedem Ende in wasserdichter/lichtdichter Weise
festgelegt sein. Das freie Ende 27 kann dann mit einer
typischen Gewindekappe 28 verschlossen sein.
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Zwischen
dem Szintillatorrohr 12 und dem äußeren bzw. Außengehäuse 22 ist
das flexible Rohr 12 mit wenigstens einer Schicht eines
geeigneten, lichtreflektierenden Materials 30 eingewickelt.
Es wurde gefunden, daß eine
Folie oder ein spiegelendbearbeitetes Material nicht erforderlich
ist. Statt dessen ist eine einfache Verwendung eines weißen Materials,
welches eine Abriebbeständigkeit
für einen Kontakt
zwischen Innen- und Außenrohr 12, 22 zur Verfügung stellt,
welches spiralig bzw. spiralartig in seinem Ort gewickelt ist, ausreichend.
Ein geeignetes Material wurde in spunbouded Olefinblatt-Produkten
wie TYVEK®,
hergestellt von DUPONT®, Type 14 gefunden.
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Indem
nunmehr auf 2 – 4 und insbesondere
auf 3 bezug genommen werden wird, kann gesehen werden,
daß das
Detektorende 32 des Szintillators 18 sicher durch
ein optisch transparentes Stecker- bzw. Stopfenglied 36 verschlossen
ist. Dieses Stopfenglied 36 ist vorzugsweise aus einem acrylischen
oder ähnlichen
geeigneten Material, wie Glas, LEXANTM oder
PLEXIGLASSTM hergestellt. Das gewählte Material
sollte chemisch inert gegenüber dem
flüssigen
Szintillationsmaterial 16 sein und einen Brechungsindex ähnlich jenem
des flüssigen Szintillationsmaterials 16 besitzen.
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Ein
Endpfropfen- bzw. -stopfenmontageglied 38 ist fix mit dem
flexiblen Rohr 12 verbunden. Dieses Glied 38 ist
vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gedreht und beinhaltet einen Endabschnitt 40,
welcher dimensioniert bzw. bemessen ist, um durch Reibung die Innenoberfläche des
flexiblen Rohrs 12 zu ergreifen. Ein Festlegungsring oder
-kragen 42, der aus einem weicheren Metall, wie Kupfer
hergestellt ist, wird dann an Ort und Stelle über das flexible Rohr 12 gecrimpt
oder geschmiedet, um eine sichere Verbindung zu erzeugen bzw. auszubilden.
Das Montageglied 38 beinhaltet einen Innengewindeabschnitt 44,
welcher einen Außengewindeabschnitt 46 des transparenten
Endpfropfens 36 ergreift. Elastomere O-Ringe 48, 50 stellen
eine Dichtung an beiden Seiten des Gewindeeingriffs zur Verfügung.
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Ein
innerer Endabschnitt 50 des transparenten Verschlußstopfens
bzw. – pfropfens 36 hat
einen Abschnitt reduzierten Durchmessers, welcher sich axial in
einer Länge äquivalent
zu wenigstens dem Innenseitendurchmesser des flexiblen Rohrs 12 erstrecken
kann. Dies stellt eine ringförmige
innere Kammer 52 zur Verfügung, in welcher sich jegliche
kleine Blasen sammeln können,
ohne signifikant das Durchtreten von Licht von dem flüssigen Szintillationsmaterial 16 durch
den Endpfropfen 36 zu verschlechtern. Es wird erwartet,
daß das
Detektorende 32 des Szintillators 18 an dem höchsten Punkt
der Detektorinstallation 10 montiert sein wird. Eine derartige
Montage ist nicht erforderlich und die ringförmige Innenkammer 52 kann
bzw. muß nicht
notwendig sein, wenn der Detektor 10 derart festgelegt
ist, daß der Photodetektionskopf
immer an dem niedrigsten Punkt des Szintillators 18 angeordnet
ist.
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Das
Detektorende 32 des Szintillators 18 kann starr
in einem Kopfblock 54, welcher entweder aus Metall oder
einem geeigneten Polymermaterial hergestellt ist, durch einen wechselweisen
bzw. gegenseitigen Gewindeeingriff 56 gesichert sein. Der Kopfblock 54 stellt
eine starre Montage des Detektorendes 32 des Szintillators 18 zur
Verfügung,
welche von ausreichender Länge
ist, um die Dichtung zwischen dem transparenten Pfropfen 36 und
dem flexiblen Rohr 12 vor einer Beschädigung aufgrund eines Überbiegens
zu sichern. Die Gewindekopplung 24 des äußeren Schutzgehäuses 22 kann
sicher durch einen Gewindeeingriff 58 mit dem Kopfblock 54 gesichert
sein.
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Der
Kopfblock 54 stellt auch eine starre und wasserdichte Verbindung
zwischen dem Szintillator 18 und Gehäusegliedern 60, 62 zur
Verfügung,
welche das Photovervielfacher-Rohr 14 und den elektronischen
Verstärker 20 umschließen. Eine
wasserdichte Verbindung zwischen dem Kopfblock 54 und dem
Photovervielfacher-Rohrgehäuse 60 ist
durch einen elastomeren O-Ring 64 oder eine andere Dichtung
zur Verfügung
gestellt. Ein Innenring 66 verbindet die Gehäuseabschnitte 60, 62 und
stellt einen internen bzw. Innendurchtritt 68 für eine Verdrahtung zwischen
dem Photovervielfacher-Rohr 14 und dem Verstärker 20 zur
Verfügung.
Ein wasserdichter Endstopfen 70 schließt die Endöffnung des Gehäuses 62 und
stellt die Montage für
einen wasserdichten elektrischen Verbinder 72 gemäß Industriestandard
zur Verfügung.
Falls gewünscht,
können
Montageflansche 73, 75 für eine Feldinstallation des
Detektorgehäuses 60, 62 verwendet
werden.
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Eine
Schnittstelle zwischen dem Photovervielfacher-Rohr 14 und
dem optisch klaren bzw. durchsichtigen Endstopfen 36 kann
mit einer transparenten Elastomerscheibe oder einem Kissen 74 erleichtert
werden. Ein bevorzugtes Silikonelastomermaterial ist SYLGARD® 184,
hergestellt durch Dow Corning. In der bevorzugten Form ist das Photovervielfacher-Rohr 14 federvorbelastet,
um gegen das Kissen 74 und den Endpfropfen 36 aufzuruhen
bzw. anzuliegen, so daß ein
enger Kontakt konstant aufrecht erhalten ist. Es ist auch bevorzugt,
daß das Photovervielfacher-Rohr 14 in
der axialen Richtung in engen Kontakt mit dem Elastomerkissen 74 federbelastet 76 ist.
Die Feder 76 hält
einen engen betätigbaren
Kontakt ohne Rücksicht
auf eine physikalische Ausrichtung der Vorrichtung 10,
Temperaturänderungen
bzw. -fluktuationen oder einen Schlag von externen Kräften aufrecht.
Ein oder mehrere Zentrierring(e) 78, 80 kann bzw.
können
verwendet werden, um eine laterale Ausrichtung des Photovervielfacher-Rohrs 14 innerhalb
des Gehäuses 60 beizubehalten.
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Die
flüssigen
Szintillationsmaterialien 16, die gegenwärtig verfügbar sind,
haben einen relativ hohen thermischen Ausdehnungs- bzw. Expansionskoeffizienten.
Aus diesem Grund muß eine
volumetrische Expansion des flüssigen
Szintillationsmaterials 16 aufgenommen werden. Zusätzlich wird
sich, selbst bei konstanten bzw. gleichbleibenden Temperaturen das
Gesamtvolumen des flexiblen Rohrs 12 in einem geringeren
Ausmaß verändern, wenn
der Szintillator 18 für
eine Auslieferung aufgewickelt oder während einer Installation gebogen
wird. Wenn eine volumetrische Expansion nicht anderwärtig aufgenommen
wird, kann die Integrität
des Fluorpolymermaterials des Rohrs 12 beeinträchtigt werden
und Ermüdungsblasen
oder andere Deformationen bzw. Verformungen können in die Wand des Rohrs 12 eingebracht
werden, welches ansonsten seinen gewünschten Brechungsindex oder
die innere Glätte der
Wände beeinträchtigen,
welches eine innere Reflexion erhöht.
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Dementsprechend
ist, indem nun insbesondere auf 4 bezug
genommen wird, dort allgemein bei 82 ein Ausdehnungs- bzw.
Expansionsmittel mit variablem Volumen im wesentlichen an dem freien
Ende 27 des Szintillators 18 gezeigt. Dieses kann ein
Kolbenglied 84 umfassen, das bemessen bzw. dimensioniert
ist, um gleitbar in das flexible Rohr 12 zu passen, und
mit einem oder mehreren elastomeren O-Ringen 86 oder federbelasteten
TEFLON-Dichtungen abgedichtet ist. Das Kolbenglied 84 kann
federvorgespannt 88 gegen das flüssige Szintillationsmaterial 16 sein.
Das Kolbenglied 84 ist vorzugsweise aus einem acrylischen
oder anderem transparenten Material ähnlich zu jenem des Endpfropfenglieds 36 hergestellt
und beinhaltet eine Folienschicht oder ein anderes lichtreflektierendes
Material an seiner Oberfläche 90 entgegengesetzt
zu jener, die dem flüssigen
Szintillationsmaterial 16 ausgesetzt ist.
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Um
eine freie Bewegung des Kolbenglieds 84 zur Verfügung zu
stellen, ist ein längliches
zylindrisches Versteifungsrohr 92, welches vorzugsweise aus
rostfreiem Stahl oder Aluminium hergestellt bzw. gefertigt ist, über einem
Abschnitt des flexiblen Rohrs 12 außerhalb der Reflexionsschicht 30 angeordnet, um
eine relativ axiale gerade Führung
für den
Kolben 84 entlang eines vorbestimmten Längenabschnitts des Szintillators 18 zur
Verfügung
zu stellen.
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Das
freie Ende 27 des Szintillators 18 ist unter Verwendung
einer Kopplung 94 umschlossen, die an ihren Platz durch
einen Kragen 96 in einer Weise ähnlich zu jener reibungsgeschmiedet
ist, die in 3 für das Detektorende des Szintillators 18 gezeigt
ist. In bevorzugter Form ist die Kopplung aus einem rostfreien Stahlmaterial
gedreht und hat ein Innengewinde 98, um ein Endpfropfenglied 100 mit
einer oder mehreren inneren elastomeren O-Ringdichtungen) 102, 104 aufzunehmen.
Der Endpfropfen 100 stellt einen festen Kopf zur Verfügung, gegen welchen
die Feder 88 ihre axialen Kräfte aufruhen bzw. anlegen kann,
die gegen das Kolbenglied 84 vorgespannt sind. Falls gewünscht, kann
der Pfropfen 100 einen zentralen Durchtritt 106 und
ein Ventil 108 beinhalten, durch welches ein Inertgas,
wie Stickstoff oder Argon, in die Gaskammer 110 hinter dem
Kolben 84 eingebracht werden kann. Auf diese Weise kann
die Kraft der Feder 88 gegen den Kolben 84 entweder
verstärkt
oder durch ein Einstellen des Drucks innerhalb dieser Kammer 110 reduziert
werden.
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Das
volumetrische Expansionskammersystem, das in 1 und 4 gezeigt
ist, wurde nur für eine
Verwendung in Installationen als geeignet gefunden, wo signifikante
Umgebungstemperaturfluktuationen nicht vorliegen und wo der Abschnitt
des flexiblen Rohrs 12, das durch das Versteifungselement 92 versteift
ist, frei von seitlichen Kräften
gehalten werden kann. Aus diesem Grund sind alternative Designs
für volumetrische
Expansionskammern, die spezifisch in 5b, 6b und 7 gezeigt
sind, geoffenbart und werden unten im Detail beschrieben.
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Indem
nun auf 5a und 5b Bezug
genommen wird, ist eine andere bevorzugte Ausbildung der vorliegenden
Erfindung gezeigt. In dieser Ausbildung ist die Konstruktion des
Abschnitts des Szintillators 18 der Vorrichtung im wesentlichen
dieselbe wie die, die oben gezeigt und beschrieben ist. Gleiche
Bezugszeichen werden verwendet, um sich auf äquivalente Teile in diesen
Figuren der Einfachheit halber zu beziehen.
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5a zeigt
eine bevorzugte Version des Detektorkopfs, welcher einen Kopfblock 54' umfaßt, welcher
mit einem externen Gehäuse 112 zusammenpaßt, welches
entsprechend Industriestandards ausgebildet ist, um eine im wesentlichen "explosionssichere" Umhüllung zur
Verfügung
zu stellen. Der Kopfblock 54' nimmt
den transparenten Endpfropfen 36 auf und koppelt mit dem äußeren Gehäuse oder der
Hülle bzw.
Ummantelung 22 im wesentlichen in derselben Weise wie die
erste, oben beschriebene Ausbildung. Der Kopfblock 54 kann
einen im wesentlichen ringförmigen
Flansch 114 beinhalten; welcher über Bolzen 116 an
einen Flansch 118 koppelt, welcher Teil des explosionssicheren
Außengehäuses 112 ist.
Eine elastomere O-Ring-Dichtung 120 kann zur Verfügung gestellt
sein, um eine wasserdichte Kopplung zu beinhalten. Innerhalb des
Außengehäuses 112 befindet
sich ein Innengehäuse 60', welches das
Photovervielfacher-Rohr 14 und den Verstärker (in
dieser Figur nicht gezeigt) im wesentlichen in derselben Weise umschließt, wie
die Gehäuseteile 60, 62 in
der oben beschriebenen Ausbildung funktionieren.
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In
dieser Ausbildung sind die rostfreie Stahlkopplung 38 und
der transparente Endpfropfen 36 an dem Kopfblock 54' mit einem ersten
ringförmigen Montagering 122 festgelegt,
welcher entfernbar an seinem Platz verbolzt bzw. verschraubt sein
kann 124. Die transparente elastomere Scheibe 74 ist
an dem ersten ringförmigen
Ring durch einen zweiten ringförmigen
Montagering 126 festgelegt. In einer bevorzugten Form beinhaltet
dieser Ring 126 eine im wesentlichen trichterförmige Öffnung 128,
um das Photovervielfacher-Rohr 14 an seinen Platz, wenn
es axial eingesetzt wird, entlang des Innengehäuses 60' zu führen, wenn der Detektorkopf
zusammengebaut wird.
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6a zeigt
ein Design ähnlich
zu jenem, das in 5a gezeigt ist, mit einer gewissen
Variation in der Art einer Festlegung zwischen der Kopplung 38 und
dem transparenten Endpfropfen 36 an dem Kopfblock 54''. In dieser Ausbildung sichert
ein erster Montagering 122' die
Kopplung 38 an dem Kopfblock 54". Eine Festlegung des Außengehäuses 112 an dem
Kopfblock 54'' sichert weiters
diese Montage aufgrund der überlappenden
Position eines Innenflansches 130. Der zweite ringförmige Montagering 126' beinhaltet
einen axial länglichen
Führungstrichter 128', um das axial
eingesetzte Photovervielfacher-Rohr 14 aufzunehmen und
die transparente Elastomerdichtung 74 an ihrem Platz gegen
den transparenten Endpfropfen 36 zu halten. Ein Endglied 132 für das Innengehäuse 60'' beinhaltet externe Flanschabschnitte
zum korrekten Positionieren desselben innerhalb des Außengehäuses 112 und eine
innere Abschrägung 134,
um zu helfen, es korrekt an seinen Platz um den zweiten ringförmigen Ring 126' während eines
Zusammenbaus zu führen.
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5b und 6b zeigen
alternative volumetrische Expansionssysteme. In jeder dieser bevorzugten
Ausbildungen ist bzw. wird eine Expansionskammer zur Verfügung gestellt,
welche außerhalb des
flexiblen Rohrs 12 ist und daher weniger anfällig für Fehlfunktionen
ist.
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Bezugnehmend
auf 5b ist das freie Ende des flexiblen Rohrs 12 an
eine Kopplung 136 gesichert, die aus rostfreiem Stahl oder
einem ähnlichen
Material gefertigt und dimensioniert ist, um reibungsmäßig mit
dem Innenumfang des flexiblen Rohrs 12 zusammenzupassen.
Die Kopplung wird dann durch einen Außenkragen 138 gesichert,
der aus Kupfer oder einem ähnlichen,
relativ weicheren Material hergestellt bzw. gefertigt ist, welches
an seinem Platz gecrimpt oder geschmiedet ist. Die Kopplung 136 beinhaltet
einen Pfropfen 140 aus acrylischem oder ähnlichem
Material, das an Ort und Stelle über
einen reflektierenden Film oder eine Scheibe 142 gegen
eine Endwand 144 gebondet bzw. verbunden ist. Ein Endabschnitt 146 der
Kopplung 136 ist im Durchmesser reduziert, um einen ringförmigen Bypaß bzw. eine
Zweigleitung des flüssigen
Szintillationsmaterials 16 um ihm zu ermöglichen
und um in Fluidwechselwirkung bzw. -verbindung mit einer Serie von
radialen Öffnungen 148 in
der Kopplung 136 zu sein. Diese radialen Öffnungen 148 erlauben
eine Fluidkommunikation bzw. -verbindung zwischen dem Inneren des
flexiblen Rohrs 12 und einem inneren Durchtritt 150 der
Kopplung 136. Dieser Durchtritt führt wiederum zu einer Expansionskammer 152 mit variablem
Volumen.
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Die
Expansionskammer 152 ist durch ein Zylindergehäuse 154,
einen Verschlußkopf 156 und
ein axial bewegbares Kolbenglied 158 definiert. Sowohl das
Kopplungsglied 136 für
das flexible Rohr 12 als auch die Kopplung 26 für das Außengehäuse 22 sind jeweils
an dem Kopfglied 156 festgelegt. Das zylindrische Gehäuse 154 kann
mit einem Auslaßloch 160 zu
der Expansionskammer 154 versehen sein. Der Kolben 158 ist
gegen das flüssige
Szintillationsmaterial 16 in der Expansionskammer 52 durch
eine Feder 162 vorgespannt. Die Feder 162 wird
durch ringförmige
Führungen
an Ort und Stelle gehalten, die in dem Kolben 158 und dem
Verschlußkopf 164 ausgebildet sind.
Eine Führungsstange 166 kann
ebenfalls zur Verfügung
gestellt sein, welche es dem Kolben 158 erlaubt, in einer
axialen Position verriegelt zu werden, während der Szintillator 18 gefüllt ist
bzw. wird. Nachdem die gesamte Innenkammer des flexiblen Rohrs 12 und
der Expansionskammer 152 gefüllt wurden, werden jegliche
verbleibende Gasblasen abgezogen bzw. abgelassen und die Führungsstange 166 wird freigegeben,
um es dem Kolben 158 zu erlauben, frei zu schwimmen bzw.
zu treiben, wenn sich das flüssige
Szintillationsmaterial 16 expandiert oder zusammenzieht.
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Indem
nun auf 6b Bezug genommen wird, ist
ein alternatives Kolbendesign 168 gezeigt. Zusätzlich ist
er mit einer Führungsstange 170 versehen,
welche an ihrem Platz in dem zweiten Kopfverschlußglied 164 vor
einem Füllen
der Szintillationskammer verschraubt 172 sein kann. Danach
wird die Führungsstange 170 vollständig entfernt
und kann durch einen einfachen Gewindestopfen (nicht gezeigt) ersetzt
sein bzw. werden. In dieser Weise ist ein Potential bzw. eine Möglichkeit
für eine
unerwünschte
Reibung oder ein Steckenbleiben bzw. Festfressen, das durch die
Führungsstange 170 bewirkt
wird, eliminiert. Zusätzlich
wird es unnotwendig, das ansonsten freigelegte Ende einer dynamischen Führungsstange
abzudecken und zu schützen,
wie dies bei der Führungsstange 166 der
Fall sein kann, die in 5b gezeigt ist.
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Indem
nun auf 7 Bezug genommen wird, ist ein
alternatives Design für
eine volumetrische Expansionskammer gezeigt, die benachbart oder
einstückig
mit dem Detektorkopfabschnitt der Vorrichtung 10 angeordnet
ist. In dieser Ausbildung ist die ringförmige Kammer 52 um
den Abschnitt 50 reduzierten Durchmessers des transparenten
Endstopfens 36 in Fluidwechselwirkung bzw. -verbindung durch
mehrere radiale Durchtritte 174 mit einer ersten ringförmigen Expansionskammer 176 angeordnet.
Dieses Design kann insbesondere für eine Installation verwendbar
bzw. nützlich
sein, wo der Zutritt zu dem freien Ende 27 des Szintillators 18 begrenzt oder
der Raum beschränkt
ist.
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Es
wurde gefunden, daß extreme
Umgebungstemperaturfluktuationen zusätzlich zu einer Veranlassung
von thermischer Expansion und Kontraktion des flüssigen Szintillatormaterials 16 Leistungsfluktuationen
bzw. -schwankungen bewirken können,
die entsprechende Maßnahmen
zur Kompensation erfordern. Zuerst kann, wenn für die Vorrichtung erwartet
wird, daß sie
relativ niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, eine Verwendung
einer Heizdecke nützlich
sein, um die Leistungsstabilität der
elektronischen Komponenten (Photovielfacher-Rohr und Verstärker) beizubehalten.
In bevorzugter Form kann eine elektrische Heizdecke (nicht gezeigt)
in dem ringförmigen
Raum 178 zwischen dem Innengehäuse 60, 60', 60'' und dem äußeren explosionsgeschützten Gehäuse 112 (siehe 5a, 6a,
und 7) angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Heizdecke
eingestellt, um eine konstante Temperatur von etwa 50 °C aufrecht
zu erhalten.
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Demgegenüber kann,
wenn die Vorrichtung 10 in einer Installation zu verwenden
ist, wo sie weit variierenden Umgebungstemperaturen ausgesetzt wird,
die Leistung beeinträchtigt
sein, wenn sich die Temperaturen zu einem höheren Bereich verschieben.
Beispielsweise kann die Länge
des Szintillators 18 eine signifikante Menge an Wärme einfangen
bzw. sammeln, wenn er längere
Zeit direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Diese Wärme wird
schnell durch das flüssige
Szintillationsmaterial 16 und den Verschlußpfropfen 36 zu
dem Photovervielfacher-Rohr 14 übertragen.
Da derartige Niveaus von Wärme
nicht die elektronischen Komponenten der Vorrichtung 10 beeinträchtigen,
sondern statt dessen lediglich eine Ausgabe beeinflussen, ist es
wesentlich einfacher, diese Verschiebung elektronisch zu kompensieren, statt
zu versuchen, physikalisch die elektronischen Komponenten zu kühlen. Andererseits
ist ein Verwenden von verfügbarer
elektrischer Energie zum Erhitzen bzw. Erwärmen der Komponenten, wenn dies
notwendig ist, relativ einfach. Indem ein interner Temperatursensor
verwendet wird, welcher üblicherweise
in der Detektorkopfschaltung gefunden wird, wird eine einfache Änderung
der Software und/oder Hardware, um eine Hochtemperatur-Ausgabeverschiebung
zu kompensieren, eine geeignete lineare Leistung der Vorrichtung
sicherstellen, wenn Tankniveaus bzw. -pegel oder dgl. vermessen
werden. Die exakte Konfiguration eines Kompensationsprogramms liegt
innerhalb des Wissens eines Fachmanns.
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Die
gezeigte Ausbildung ist jene, welche gegenwärtig durch die Erfinder bevorzugt
ist. Zahlreiche Variationen bzw. Abwandlungen in der Konstruktion
und Implementierung dieser Erfindung können gemacht werden, ohne im
wesentlichen von dem Rahmen der Erfindung abzugehen. Aus diesem Grund
sind die Ausbildungen, die oben beschrieben und illustriert sind,
nicht als beschränkend,
sondern lediglich erläuternd
zu betrachten.
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Zusammenfassung
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Flexibler
szintillationsartiger Niveaudetektor (10), in welchem der
Szintillator (18) aus einem flexiblen Rohr (12)
gefertigt ist, welches im wesentlichen mit einem flüssigen Szintillationsmaterial
(16) gefüllt
ist, um eine Flexibilität
in wenigstens zwei und vorzugsweise drei Dimensionen zur Verfügung zu stellen.
Wenigstens ein Ende (32) ist zur betätigbaren Verbindung mit einem
Photodetektor (14, 20) ausgerichtet. Äußere Oberflächen des
flexiblen Rohrs (12) können
mit einem nach innen schauenden Licht reflektierenden Material (30)
und/oder Licht ausschließenden
Material oder einem flexiblen armierten Gehäuse (22) umgeben bzw.
abgedeckt sein. Der Szintillator (18) kann eine Expansionskammer
(110, 152, 176) variablen Volumens beinhalten,
um eine thermische Expansion und Kontraktion des flüssigen Szintillationsmaterials
(16) zu kompensieren.