DE19926388A1

DE19926388A1 - Gammastrahlen-Dichteprofilsensor mit passiv gekühlten PIN-Photodioden

Info

Publication number: DE19926388A1
Application number: DE19926388A
Authority: DE
Inventors: John Anthony Byatt; Thomas Kleiner; Daniel Matter; Philippe Pretre; Walter Rueegg
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2000-12-14
Also published as: AU4389900A; NO20016032L; EP1185856A2; WO2000077502A2; WO2000077502A3; NO20016032D0

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Sensor (1) zur Dichteprofilmessung mit Gammastrahlen (5), der insbesondere zur Füllstandsmessung in Ölseparatortanks geeignet ist. Das bekannte Messprinzip beruht darauf, dass eine dichteabhängige Gammastrahlentransmission eines Mediums (6a, 6b, 6c) von einer vertikalen Linearanordnung (13) von Photomultipliern (7) ortausgelöst gemessen und zur Ortsbestimmung einer Grenzschicht Öl/Wasser (6c) verwendet wird. Erfindungsgemäß ist der Gammastrahlen-Dichtsensor (1) statt mit Photomultipliern (7) mit PIN-Photodioden (10) ausgerüstet und sind für die Photodioden (10) Mittel zur passiven Kühlung (12, 14) vorgesehen. Dadurch werden Aufbau, Betrieb und Wartung des Sensors (1) stark vereinfacht und die Ortsauflösung und Lebensdauer des Sensors (1) verbessert. Eine passive Kühlung ist einfach realisierbar, indem eine Wärmebrücke (12) zwischen den warmen Photodioden (10) und dem kühlen Umgebungsmedium oder der kühlen Wand (14) des Separatortanks geschaffen wird. Insgesamt wird die Einsatzfähigkeit des Sensors (1) unter schwierigen Betriebsbedingungen und an schwer zugänglichen Orten verbessert.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Füllstandsanzeigen. Sie geht aus von einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Bei der Offshore-Erdölförderung werden sogenannte Separa tionstanks eingesetzt, in welchen die bei der Bohrung bzw. Förderung auftretenden verschiedenen Phasen (Sand, Wasser, Öl und Gas) aufgrund ihrer Dichteunterschiede separiert und in getrennten Leitungssystemen abgeführt werden. Es ist dabei sehr wichtig, die Höhe der Trennschicht zwischen dem Wasser und Öl zu kennen, um am Tank die Ablassventile für die beiden Medien kontrolliert öffnen und schliessen zu können. Hierzu werden zuverlässige Füllstandsmessgeräte benötigt. Funktioniert ein solches Füllstandsmessgerät nicht oder mangelhaft, kann z. B. Öl in den Wasserauslass geraten und grosse Umweltbelastungen und Kosten verur sachen.

Neuerdings werden Hochdruck-Separationstanks entwickelt, die für den Betrieb auf dem Meeresboden einige 100 m un terhalb der Meeresoberfläche geeignet sind. Das geförderte und bereits separierte Öl kann dann mit viel geringerem Energieaufwand an die Meeresoberfläche gepumpt werden. Solche Separatortanks sind sehr hohen Drücken von 60 bar-180 bar und hohen Temperaturen von 50°C-120°C ausgesetzt. Auch das Füllstandsmesssystem ist diesen schwierigen Be triebsbedingungen unterworfen. Gleichwohl müssen jahrelan ge Funktionsfähigkeit, weitgehende Wartungsfreiheit und äusserste Zuverlässigkeit garantiert sein, da ein Be triebsausfall und vorzeitiger Ersatz hohe Kosten verursa chen würde.

Im Stand der Technik sind Füllstandssensoren bekannt, die auf einer ortsaufgelösten Messung von Gammastrahlenabsorp tion beruhen. Dabei wird die Gammastrahlung aus einer oder mehreren Quellen oder von Hintergrundstrahlung in mehre ren, übereinander angeordneten Photoelektronenvervielfa chern oder Photomultipliern gemessen und aus der Zählrate in Abhängigkeit der Photomultiplierposition ein vertikales Dichteprofil bestimmt.

Photomultiplier sind für die Anwendung an schwer zugängli chen Orten, insbesondere in Hochdruck-Separatortanks, un geeignet. Sie benötigen eine Hochspannungsversorgung, er fordern eine aktive Kühlung wegen grosser Wärmeverluste, sind voluminös und daher nur in grösseren Abständen plat zierbar und leiden unter Drift der internen Ladungsver stärkung. Insgesamt sind sie aufgrund ihres komplizierten Aufbaus wartungsbedürftig und müssen regelmässig neu kali briert werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gamma strahlen-Dichteprofilsensor zur Füllstandsmessung anzuge ben, der sich durch einen vereinfachten, sehr robusten Aufbau und einen verringerten Wartungsbedarf auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemässe Lösung besteht darin, dass ein Dich teprofil- oder Füllstandssensor mit einer linearen Anord nung von Photodioden anstelle von Photomultipliern ausge rüstet ist und die Photodioden passiv gekühlt sind. We sentliche Vorteile der Photodioden sind: Wegfall der Hoch spannung, verringerte Signaldrift, weniger Abwärme, klei nere Dimensionen, verbesserte Robustheit, keine Störungen durch magnetische Felder, grosses Auflösungsvermögen be züglich der Gammastrahlungsenergien, niedrige Kosten und lange Lebensdauer. Durch die passive Kühlung werden Auf bau, Betrieb und Wartung des Sensors stark vereinfacht. Ferner können mehr Photodioden aneinandergereiht und da durch die Ortsauflösung der Füllstandsmessung verbessert werden.

Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine passive Kühlung durch Schaffung einer Wärmebrücke zwischen den Photodioden und der Wand eines Unterwasser-Separatortanks oder dem um gebenden Medium. Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwi schen dem Tankinneren (ca. 60°C-70°C) und dem Meerwasser (4°C) zur Kühlung der Photodioden ausgenutzt werden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel werden Photodioden- Signale je nach ihrer Pulshöhe diskriminiert, um die De tektion mehrfach gestreuter Gammaquanten weitgehend zu un terdrücken. Ferner kann eine Drift der Diskriminations schwelle dadurch kompensiert werden, dass die Verstärkung der Photodioden-Signale automatisch nachgeregelt wird.

Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfin dung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig. 1 einen Gammastrahlen-Dichteprofilsensor mit einer Linearanordnung von Photomultipliern im Quer schnitt (Stand der Technik);

Fig. 2 einen erfindungsgemässen Gammastrahlen-Dichte profilsensor mit einer Linearanordnung von PIN- Photodioden im Querschnitt; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektronischen Regelung zur Konstanthaltung der Photodiodenemp findlichkeit.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs zeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik Bezug, der aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der Gammastrahlen-Dichtepro filsensor 1 umfasst eine langgestreckte Anordnung von Photomultipliern 7 zur Detektion von Gammastrahlung 5 und eine nicht dargestellte Messelektronik. Die Photomulti plier 7 sind mit einer Hochspannungsversorgung 9 und min destens einer Signalleitung 9 ausgerüstet. Den Photomulti pliern 7 paarweise gegenüberliegend sind Gammaquellen 2 (z. B. Cs¹³⁷) angeordnet. Die Quellen 2 und Photomultiplier 7 sind in Rohren mit Stahlwänden 4 montiert. Die Quellen 2 können mit Sendekollimatoren 3 zur Bündelung der Gamma strahlen 5 und die Photomultiplier 7 mit Abschirmungen 8 gegen Gammastreustrahlung ausgerüstet sein. Der Sensor 1 kann auch statt mit Gammaquellen 2 mit Gamma-Hintergrund strahlung betrieben werden.

Die Transmission der Gammastrahlen 5 nimmt mit zunehmender Dichte des durchstrahlten Mediums 6a, 6b, 6c ab. Aus den Photomultiplier-Zählraten der Gamma- oder Szintillations blitze in Abhängigkeit von den Photomultiplierpositionen ist ein vertikales Dichteprofil berechenbar. Auf diese Weise ist ein Füllstand, insbesondere eine Höhe der Grenz schicht 6c zwischen Wasser 6a und Öl 6b in einem Behälter oder Separatortank, bestimmbar.

Das Prinzip der Erfindung ist aus Fig. 2 ersichtlich. Der Gammastrahlen-Dichtsensor 1 ist statt mit Photomultipliern 7 mit Photodioden 10, vorzugsweise PIN-Photodioden 10, ausgerüstet und für die Photodioden 10 sind Mittel zur passiven Kühlung 12, 14 vorgesehen. Im folgenden werden hierzu einige Ausführungsbeispiele angegeben.

Die Mittel zur Kühlung sollen eine Wärmebrücke 12 von den Photodioden 10 zu einem den Behälter oder Separatortank umgebenden Medium, z. B. Meerwasser, umfassen. Insbesonde re kann die Wärmebrücke zu einer Behälter- oder Sepa ratortankwand 14 führen, die ihrerseits mit dem umgeben den Medium in Wärmekontakt steht. Dadurch wird das kalte Meerwasser indirekt als Kühlwasser für die Photodioden 10 nutzbar. Beispielsweise sind die Photodioden 10 mit ihren Printplatten 11 wärmeleitend in einem Metallrohr 12 mon tiert und das Metallrohr 12 mit dem umgebenden Medium oder der Behälterwand 14 wärmeleitend verbunden. Insbesondere kann das Metallrohr 12 aus der Behälterwand 14 herausra gen. Die Linearanordnung oder der Array 13 der (PIN-)Pho todioden 10 wird dann seine Wärme in Richtung 15 zum Umge bungsmedium hin abgeben.

Für eine einfache Füllstandsbestimmung ist es vorgesehen, dass die lineare Anordnung 13 von Photodioden 10 im we sentlichen entlang einer Füllrichtung des Behälters orien tiert ist.

Grundsätzlich kann für die Auswertung und Kalibrierung der Photodioden-Signale ein beliebiger Teil des Energiespek trums der Gammastrahlung 5 ausgewählt werden. Die Mess elektronik 11, 16-20 umfasst vorzugsweise Mittel 18, 19 zur Pulshöhendiskrimination von Photodioden-Signalen. Da bei ist eine Diskriminationsschwelle so gewählt, dass ein vorgebbarer Teil des Energiespektrums der Gammastrahlung 5 oberhalb der Diskriminationsschwelle ausgewertet wird.

Im Vergleich zu Photomultipliern 7 haben Photodioden 10 eine verringerte Lichtempfindlichkeit und eine einge schränktere spektrale Empfindlichkeit. Die Dioden 10 sind mit nicht dargestellten Szintillatoren, z. B. Kristallen aus CsJ oder NaJ, ausgerüstet, die auf die Detektorflächen aufgeklebt sein können.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zu einer Messelektro nik 11, 16-20, welche eine elektronische Schaltung zur au tomatischen Regelung der Photodiodenempfindlichkeit um fasst. Die Schaltung beinhaltet Mittel 18, 19 zur Detekti on einer Drift der Photodiodenempfindlichkeit oder der Diskriminationsschwelle und Mittel 20, 17 zur Kompensation der Drift der Photodiodenempfindlichkeit oder der Diskri minationsschwelle. Gemäss Fig. 3 sind für jede Photodiode 10 ein Transimpedanzverstärker 16 mit einem Widerstand 17 zur Verstärkungsregelung vorgesehen. Die Ausgänge der Ver stärker 16 sind auf eine Elektronik 18 und einen Prozessor 19 geführt. Dort wird ein Soll/Ist-Vergleich der Stärke der Photodioden-Signale durchgeführt und ein Korrektursi gnal über die Leitung 20 zur Verstärkungsregelung 17 ge sendet.

Insgesamt ergibt sich durch die Erfindung ein sehr einfa cher und robuster Füllstandssensor 1, der eine grosse Be triebssicherheit, geringen Wartungsaufwand und lange Le bensdauer aufweist und besonders zur Verwendung an schwer zugänglichen Orten geeignet ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (Ausschnitt)

2

Gammaquellen, Cs¹³⁷

-Strahler

3

Sendekollimator

4

Stahlwand

5

Gammastrahlen

6

a,

6

b,

6

c Medium

6

a Wasser

6

b Öl

6

c Grenzschicht Öl/Wasser

7

Photomultiplier

8

Gammaabschirmung für Photomultiplier

9

Hochspannungsleitungen, elektrische Signalleitun
gen

10

PIN-Photodiode

11

Steuerelektronik für Photodiode, Printplatte (PCB)

12

Wärmebrücke, Aluminium- oder Kupferstab

13

(PIN-)Photodioden-Array

14

Behälterwand, Separatortankwand

15

Wärmetransport

16

Verstärker

17

Verstärkungsregelung, regelbarer Widerstand

18

Elektronik

19

Prozessor

20

Leitung für Verstärkungsregelung

11

,

16-20

Messelektronik

Claims

1. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1), insbesondere ge eignet zur Füllstandsmessung in einem Behälter oder Separatortank, umfassend eine langgestreckte Anordnung (13) von Detektoren (10) für Gammastrahlung (5) und eine Messelektronik (11, 16-20), dadurch gekennzeich net, dass

a) die Detektoren Photodioden (10) sind und
b) für die Photodioden (10) Mittel zur passiven Küh lung (12, 14) vorhanden sind.

2. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kühlung eine Wärmebrücke (12) von den Photodioden (10) zu ei nem umgebenden Medium oder zu einer Behälterwand (14) umfassen.

3. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Photodioden (10) mit ihren Printplatten (11) wärmeleitend in einem Metallrohr (12) montiert sind und
b) das Metallrohr (12) wärmeleitend mit dem umgebenden Medium oder der Behälterwand (14) verbunden ist.

4. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Photo dioden PIN-Photodioden (10) sind.

5. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photo dioden (10) im wesentlichen entlang einer Füllrichtung des Behälters angeordnet (13) sind.

6. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Messelektronik (11, 16-20) Mittel (18, 19) zur Pulshöhendiskrimination von Photodioden-Signalen umfasst und
b) eine Diskriminationsschwelle so gewählt ist, dass ein vorgebbarer Teil des Energiespektrums der Gammastrahlung (5) ausgewertet wird.

7. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik (11, 16-20) umfasst:

a) Mittel (18, 19) zur Detektion einer Drift der Dis kriminationsschwelle und
b) Mittel (20, 17) zur Kompensation der Drift der Dis kriminationsschwelle.