-
Einrichtung zur schichtdickenunabhängigcn Messung des Wasser- oder
Wasserstoff-Gehaltes von in Schichten vorliegendem Meßgut mit Hilfe von Neutronen
Die genaue Ermittlung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes, sei es von Flüssigkeiten
oder festen Stoffen, gleichviel ob sie in kompakter Form oder in mehr oder weniger
feiner Körnung vorliegen, ist aus verschiedenen Gründen oftmals notwendig; besonderer
Wert wird dabei auf eine fortlaufende Aufzeichnung oder eine sonstige Erkennbarmachung
der Meßergebnisse gelegt.
-
Bekannte Verfahren zur Feststellung des Wasser-oder Wasserstoff-Gehaltes
benutzen die quantitative chemische Analyse von kleinen Proben, die dem zu untersuchenden
Medium entnommen werden. Abgesehen von dem dadurch notwendigen großen Zeitaufwand,
der zur Analyse jeder Einzeiprobe bedingt ist und weil außerdem eine sehr erhebliche
Zeitverzögerung zwischen den Probenentnahmen und dem Bekanntwerden der Meßergebnisse
entsteht, ist die genannte Methode weit von einem kontinuierlichen Verfahren entfernt.
-
Die gleichen Nachteile haben die häufig zu Anwendung kommenden bekannten
Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung von Flüssigkeiten oder Schüttgütern, bei denen
die in einer Probe enthaltene Wassermenge durch Austreiben, beispielsweise durch
Trocknung bei mehr oder weniger hoher Temperatur, ermittelt wird.
-
Neben diesen Verfahren gibt es weitere bekannte Anordnungen, die
den Wassergehalt des Meßgutes durch Ermittlung seiner elektrischen Eigenschaften,
vorzugsweise der elektrischen Leitfähigkeit, bestimmen und dabei eine weitgehend
kontinuierliche Messung gestatten. Jedoch weisen diese Methoden den Nachteil auf,
der den nicht berührungsfreien Messungen im allgemeinen eigen ist, nämlich Zustandekommen
von Veränderungen der Meßelemente, z. B. durch Verschmutzung der in das Meßgut eintauchenden
Elektroden, wodurch die Meßergebnisse nachteilig beeinflußt werden. Zuverlässige
Messungen sind mit Hilfe dieser bekannten Verfahren über längere Zeiten hin nicht
gewährleistet.
-
Zu den bekannten berührungslosen Meßverfahren gehören z. B. die Anordnungen,
die zur Feststellung der Meßgröße die von radioaktiven Elementen emittierte Strahlung,
vorzugsweise die Beta-Strahlung benutzen, deren Absorbierbarkeit empfindlich von
der Konzentration der H-Atome im Meßgut abhängt.
-
Solche Verfahren haben aber zu einer genauen Funktion relativ dünne
Schichten der Meßsubstanz zur Voraussetzung, die von der radioaktiven Strahlung
durchdrungen werden sollen, so daß eine besondere Abzweigleitung von der eigentlichen
Leitung für das Meßgut notwendig wird. Da die Durchstrahlungs-
strecken bei solchen
Messungen nur wenige Millimeter betragen dürfen, ist die Gefahr des Verstopfens
des Meßspaltes außerordentlich groß. Eine Messung an mehr oder weniger grob gekörnten
Schüttgütern ist ohnehin mit Hilfe dieser bekannten Verfahren nicht möglich.
-
Bekannte Meßverfahren zur Wasser- oder Wasserstoffgehaltsbestimmung
von strömenden flüssigen oder körnigen Gütern, wie auch an unbewegter kompakter
Materie, verwenden die Abbremsung bzw. Rückstreuung von Neutronen. Man unterscheidet
dabei ein Transmissions- und ein Rückstreuverfahren. Die Neutronen entstammen vorzugsweise
einem Radium-Beryllium-Gemisch, und die Intensität der abgebremsten und zurückgestreuten
Neutronen wird beispielsweise von einem bekannten BF3-Detektor nachgewiesen und
von einem Zählmittel registriert. Die Intensität erweist sich in weiten Grenzen
der Wasser-bzw. Wasserstoffkonzentration proportional.
-
Diese bekannten Verfahren werden zur Bestimmung der Feuchtigkeit
in festen Stoffen, beispielsweise Beton, oder auch zur Wassergehaltsbestimmung des
ein Bohrloch umgebenden Gesteins bevorzugt verwendet. Die zur Durchführung solcher
Verfahren bekannten Apparaturen bestehen vielfach aus einer Strahlenquelle, die
Neutronen, vorzugsweise aus einem Radium-Beryllium-Gemisch, aussendet, und aus einem
Nachweisinstrument für langsame Neutronen, das unmittelbar in der Nähe der Quelle
angebracht und vorzugsweise durch ein mit BF3 gefülltes Zählrohr realisiert ist.
Die vom Zählrohr gelieferten elektrischen Impulse werden dabei einem Zählmittel
zugeführt, das beispielsweise aus einem Verstärker und einem Mittelwertsmesser besteht.
-
Eine Ausdehnung dieses bekannten Verfahrens auf die Wasser- oder
Wasserstoffgehaltsmessung von bewegten Flüssigkeiten oder mehr oder weniger fein
gekörnten Schüttgütern, beispielsweise Sand, war nicht immer ohne weiteres möglich,
da die vom Zählmittel angezeigte Stoßzahl je Minute außer von der Wasser-bzw. Wasserstoflkonzentration
im Meßgut auch noch sehr stark von der Dicke der Meßgutschicht abhängt, die sich
gegenüber der Meßvorrichtung befindet. Erst bei großen Meßgutschichtdicken (und
zwar größer als zwei Relaxationslängen) ist die Impulszahl je Minute so wenig abhängig
von der Schichtdicke, daß auch bei nicht genau bekannter Dicke des Meßgutes eine
einwandfreie Bestimmung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes mit genügender Genauigkeit
möglich ist.
-
Eine sowohl für das Transmissions- wie auch für das Rückstreumeßverfahren
geeignete Einrichtung sieht gemäß der Erfindung die Anordnung eines Neutronenreflektors
auf der der Strahlenquelle abgewandten Seite des Meßguts vor. Der Reflektor besteht
vorteilhafterweise aus Eisen. Die für das Erreichen einer schichtdickenunabhängigen
Bestimmung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes von Meßgut notwendige Schichtdicke
wird auf diese Weise auf nicht ganz die Hälfte (etwa eine Relaxationslänge) gegenüber
einer reflektorfreien Anordnung erniedrigt.
-
Damit wird eine genaue Messung der Wasser- oder Wasserstoffkonzentration
direkt an mit Schüttgut üblicher Schichtdicke beschichteten Förderbändern möglich,
ohne daß unvermeidbare Unregelmäßigkeiten in der Schichthöhe das Meßergebnis verfälschen
könnten. Auch an in Rohrleitungen strömenden oder in Gefäßen befindlichen Flüssigkeiten
ist die erfindungsgefäße Ausbildung der Anordnung vorteilhaft zur Messung des Wasser-
oder Wasserstoff-Gehaltes anwendbar, da sich bei Rohren oder Gefäßen relativ kleinen
Kalibers schon eine maximale Impulszahl je Minute und damit die beste Genauigkeit
der Messung ergibt, wobei sich eine genaue Kenntnis der lichten Weite des Rohres
bzw. Gefäßes erübrigt.
-
Darüber hinaus bewirkt - vom Meßgut aus gesehen - ein hinter der
Neutronenquelle befindlicher Reflektor eine Erhöhung der Anzeige und dadurch eine
Verringerung des schädlichen Einflusses der Statistik auf die Meßgenauigkeit.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung ist an Hand der Zeichnung bei einer
beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt eine beispielsweise Anordnung für die Messung des Wassergehaltes
bei einem auf einem kontinuierlich bewegten Förderband 1 aufgebrachten Schüttgut
2, z. B. Sand, im Querschnitt, und zwar mit Hilfe des Reflexionsverfahrens.
-
Unter dem Förderband 1 befindet sich eine Neutronenquelle 3, vorzugsweise
ein Ra-BeGemisch, das von einem für Neutronen eines vorgegebenen Energiebereiches
geeigneten Detektor 4 umgeben ist, der beispielsweise ein oder mehrere BF3-Zählrohre
zum Nachweis langsamer Neutronen besitzt. Das Schüttgut 2 und die Quelle 3 mit Detektor
4 sind erfindungsgemäß dicht von einem Neutronenreflektor 5 a, 5b, vorzugsweise
aus Eisen genügender Stärke, umgeben.
-
An dem Detektor ist ein geeignetes Zählmittel, beispielsweise ein
Verstärker mit Mittelwertsmesser und
Registriergeräten, angeschlossen. Die Anzeige
des Zählmittels ist dann bei ausreichender Höhe des Schüttgutes proportional der
Wasserkonzentration in dem Schüttgut auf dem Förderband.
-
Fig. 2 zeigt beispielsweise als Ergebnis die Abhängigkeit der Anzeige
des Zählmittels (Ordinate) von der Höhe des Schüttgutes auf dem Förderband (Abszisse)
bei konstantem Wassergehalt des zu messenden Schüttgutes, und zwar gestrichelt ohne
und ausgezogen mit dem Reflektor 5 b. Während ohne ReflektorSb eine einigermaßen
schüttgutschichthöhenunabhängige Anzeige des Zählmittels erst bei relativ großen
Schicht dicken ( zwei Relaxationslängen) erreicht werden kann (wobei immer noch
die Anzeige, mit wachsender Schichthöhe in geringem Maße zunimmt), ist die Anzeige
bei Anwesenheit des Reflektors 5b schon oberhalb vergleichsweise geringer Schichthöhen
(~ eine Relaxationslänge) vollständig unabhängig von der Höhe des Schüttgutes.
-
Die Einrichtung gemäß der Erfindung gestattet oberhalb einer gewissen,
gegenüber bekannter Anordnung um etwa den Faktor 2 verminderten Mindestschichtdicke
eine kontinuierliche, vollständig schichtdickenunabhängige Messung des Wassergehaltes
von Schüttgütern, die beispielsweise auf einem bewegten Förderband abgelegt sind.
Die Anzeige des Zählmittels läßt sich dann beispielsweise gleich in Einheiten der
Wasserkonzentration eichen.
-
Die Anwendung der beschriebenen Einrichtung ist nicht auf Feuchtigkeitsmessungen
an Schüttgütern auf Förderbändern beschränkt, sondern kann genauso auf die Messung
des Wasser- und Wasserstoff-Gehaltes an unbewegten Schüttgütern oder an bewegten
oder unbewegten Flüssigkeiten mit gegenüber reflektorfreien Anordnungen erheblich
verbesserter Meßgenauigkeit ausgedehnt werden.