DE19926388A1 - Gamma ray density profile sensor with passively cooled PIN photodiodes - Google Patents
Gamma ray density profile sensor with passively cooled PIN photodiodesInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Füllstandsanzeigen. Sie geht aus von einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to the field of Level indicators. It starts from a device for Level measurement according to the preamble of claim 1.
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.So-called separa are used for offshore oil production tion tanks used, in which the drilling or Promotion of different phases (sand, water, Oil and gas) due to their density differences and be carried away in separate piping systems. It it is very important to determine the height of the interface between the water and oil to know the drain valves on the tank open and close for both media in a controlled manner to be able to. For this purpose, reliable level measuring devices are used needed. Does such a level meter work not or poorly, e.g. B. Oil in the water outlet guess and cause great environmental pollution and costs stuff.
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.High pressure separation tanks have recently been developed that for the operation on the seabed some 100 m un below the surface of the sea. The funded and already separated oil can then be used with much less Energy expenditure can be pumped to the sea surface. Such separator tanks are very high pressures of 60 bar-180 bar and exposed to high temperatures of 50 ° C-120 ° C. The level measurement system is also a difficult one subject to driving conditions. Nonetheless, it will take years functionality, largely maintenance-free and extreme reliability is guaranteed, because a Be drive failure and early replacement cause high costs would.
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.Level sensors are known in the prior art which on a spatially resolved measurement of gamma ray absorbers tion based. The gamma radiation is made up of one or several sources or of background radiation in several ren, stacked photoelectron multiplier or measured and from the counting rate vertical depending on the photomultiplier position Density profile determined.
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.Photomultipliers are difficult to access for use Chen places, especially in high pressure separator tanks, un suitable. You need a high voltage supply, he require active cooling due to large heat losses, are voluminous and therefore only plat at larger intervals and suffer from drift of the internal charge ver Strengthening. Overall, they are complicated due to their Construction requires maintenance and must be regularly re-installed be burned.
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.The object of the present invention is a gamma radiation density profile sensor for level measurement ben, which is characterized by a simplified, very robust Structure and reduced maintenance requirements. This object is achieved by the features of Claim 1 solved.
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.The solution according to the invention is that a you Teprofil- or level sensor with a linear arrangement voltage of photodiodes instead of photomultipliers is equipped and the photodiodes are passively cooled. We Significant advantages of the photodiodes are: Elimination of the high voltage, reduced signal drift, less waste heat, small dimensions, improved robustness, no interference due to magnetic fields, great resolution regarding gamma radiation energies, low cost and long lifetime. Passive cooling turns on construction, operation and maintenance of the sensor greatly simplified. Furthermore, more photodiodes can be strung together and there improved by the spatial resolution of the level measurement become.
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.One embodiment relates to passive cooling by creating a thermal bridge between the photodiodes and the wall of an underwater separator tank or the like giving medium. This allows the temperature difference between between the tank interior (approx. 60 ° C-70 ° C) and the sea water (4 ° C) can be used to cool the photodiodes.
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.In another embodiment, photodiodes are Signals discriminated according to their pulse height to the De detection of multiply scattered gamma quanta largely too un press. Furthermore, a drift of discrimination threshold to be compensated for by the gain the photodiode signals are automatically adjusted.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfin dung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren.Other designs, advantages and applications of the Erfin dung result from the dependent claims as well as from the following description based on the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Gammastrahlen-Dichteprofilsensor mit einer Linearanordnung von Photomultipliern im Quer schnitt (Stand der Technik); Fig. 1 is a gamma-ray density profile sensor having a linear array of photomultipliers in cross-section (prior art);
Fig. 2 einen erfindungsgemässen Gammastrahlen-Dichte profilsensor mit einer Linearanordnung von PIN- Photodioden im Querschnitt; und Figure 2 shows a novel gamma-ray density profile sensor with a linear array of PIN photodiodes in cross-section. and
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektronischen Regelung zur Konstanthaltung der Photodiodenemp findlichkeit. Fig. 3 is a schematic representation of an electronic control for keeping the photodiode sensitivity sensitive.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs zeichen versehen.In the figures, the same parts have the same reference characters.
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.The invention relates to a prior art, which can be seen from Fig. 1. The gamma-ray density profile sensor 1 comprises an elongated arrangement of photomultipliers 7 for the detection of gamma radiation 5 and measuring electronics (not shown). The Photomulti plier 7 are equipped with a high voltage supply 9 and at least one signal line 9 . Gamma sources 2 (e.g. Cs 137 ) are arranged in pairs opposite the photomulti 7 . The sources 2 and photomultiplier 7 are mounted in tubes with steel walls 4 . The sources 2 can be equipped with transmit collimators 3 for bundling the gamma rays 5 and the photomultipliers 7 can be equipped with shields 8 against gamma radiation. The sensor 1 can also be operated with gamma background radiation instead of gamma sources 2 .
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.The transmission of the gamma rays 5 decreases with increasing density of the irradiated medium 6 a, 6 b, 6 c. A vertical density profile can be calculated from the photomultiplier count rates of the gamma or scintillation flashes as a function of the photomultiplier positions. In this way, a fill level, in particular a height of the boundary layer 6 c between water 6 a and oil 6 b in a container or separator tank, can be determined.
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.The principle of the invention can be seen in FIG. 2. The gamma-ray density sensor 1 is equipped with photodiodes 10 , preferably PIN photodiodes 10 , instead of photomultipliers 7 , and means for passive cooling 12 , 14 are provided for the photodiodes 10 . Some examples of this are given below.
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.The means for cooling should be a thermal bridge 12 from the photodiodes 10 to a medium surrounding the container or separator tank, e.g. B. sea water. In particular, the thermal bridge can lead to a container or separator tank wall 14 , which in turn is in thermal contact with the surrounding medium. As a result, the cold sea water can be used indirectly as cooling water for the photodiodes 10 . For example, the photodiodes 10 are mounted with their printed circuit boards 11 in a heat-conducting manner in a metal tube 12 and the metal tube 12 is connected in a heat-conducting manner with the surrounding medium or the container wall 14 . In particular, the metal tube may gen from the container wall 14 outstand twelfth The linear arrangement or array 13 of (PIN) Pho todioden 10 is then its heat in direction 15 to the other advertising medium leave out.
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.For a simple level determination, it is provided that the linear arrangement 13 of photodiodes 10 is oriented essentially along a filling direction of the container.
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.In principle, any part of the energy spectrum of the gamma radiation 5 can be selected for the evaluation and calibration of the photodiode signals. The measuring electronics 11 , 16-20 preferably comprises means 18 , 19 for pulse height discrimination of photodiode signals. Since a discrimination threshold is chosen so that a predeterminable part of the energy spectrum of the gamma radiation 5 above the discrimination threshold is evaluated.
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. Compared to photomultipliers 7 , photodiodes 10 have a reduced sensitivity to light and a more limited spectral sensitivity. The diodes 10 are with scintillators, not shown, for. B. Crystals made of CsJ or NaJ, which can be glued to the detector surfaces.
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. Fig. 3 shows an embodiment of a Messelektro technology 11 , 16-20 , which includes an electronic circuit for automatic control of the photodiode sensitivity. The circuit includes means 18 , 19 for detecting a drift of the photodiode sensitivity or the discrimination threshold and means 20 , 17 for compensating for the drift of the photodiode sensitivity or the discrimination threshold. According to FIG. 3, 16 with a resistor 17 is provided for each photodiode 10, a transimpedance amplifier for gain control. The outputs of the amplifier 16 are routed to electronics 18 and a processor 19 . There, a target / actual comparison of the strength of the photodiode signals is carried out and a correction signal is sent via line 20 to the gain control 17 .
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. Overall, the invention results in a very simple and robust level sensor 1 , which has great operational reliability, low maintenance and long service life and is particularly suitable for use in places that are difficult to access.
11
Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (Ausschnitt)
Gamma ray density profile sensor (detail)
22nd
Gammaquellen, Cs137 Gamma Sources, Cs 137
-Strahler
Spotlights
33rd
Sendekollimator
Transmit collimator
44th
Stahlwand
Steel wall
55
Gammastrahlen
gamma rays
66
a, a,
66
b, b,
66
c Medium
c medium
66
a Wasser
a water
66
b Öl
b oil
66
c Grenzschicht Öl/Wasser
c Oil / water interface
77
Photomultiplier
Photomultiplier
88th
Gammaabschirmung für Photomultiplier
Gamma shielding for photomultipliers
99
Hochspannungsleitungen, elektrische Signalleitun
gen
High-voltage lines, electrical signal lines
gene
1010th
PIN-Photodiode
PIN photodiode
1111
Steuerelektronik für Photodiode, Printplatte (PCB)
Control electronics for photodiode, printed circuit board (PCB)
1212th
Wärmebrücke, Aluminium- oder Kupferstab
Thermal bridge, aluminum or copper rod
1313
(PIN-)Photodioden-Array
(PIN) photodiode array
1414
Behälterwand, Separatortankwand
Container wall, separator tank wall
1515
Wärmetransport
Heat transfer
1616
Verstärker
amplifier
1717th
Verstärkungsregelung, regelbarer Widerstand
Gain control, adjustable resistance
1818th
Elektronik
electronics
1919th
Prozessor
processor
2020th
Leitung für Verstärkungsregelung
Gain control line
1111
, ,
16-2016-20
Messelektronik
Measuring electronics
Claims (7)
- a) die Detektoren Photodioden (10) sind und
- b) für die Photodioden (10) Mittel zur passiven Küh lung (12, 14) vorhanden sind.
- a) the detectors are photodiodes ( 10 ) and
- b) for the photodiodes ( 10 ) means for passive cooling ( 12 , 14 ) are present.
- 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.
- a) the photodiodes ( 10 ) with their printed circuit boards ( 11 ) are mounted in a heat-conducting manner in a metal tube ( 12 ) and
- b) the metal tube ( 12 ) is thermally connected to the surrounding medium or the container wall ( 14 ).
- 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.
- a) the measuring electronics ( 11 , 16-20 ) comprise means ( 18 , 19 ) for pulse height discrimination of photodiode signals and
- b) a discrimination threshold is selected so that a predeterminable part of the energy spectrum of the gamma radiation ( 5 ) is evaluated.
- a) Mittel (18, 19) zur Detektion einer Drift der Dis kriminationsschwelle und
- b) Mittel (20, 17) zur Kompensation der Drift der Dis kriminationsschwelle.
- a) means ( 18 , 19 ) for detecting a drift of the discrimination threshold and
- b) means ( 20 , 17 ) for compensating for the drift of the discrimination threshold.
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