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Füllstandsmessvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Füllstandsmessvorrichtung
mit einem an dem Behälter für das Büllgut angebrachten Strahler und einer an der
gegenüberliegenden Seite des Behälters angebrachten Sonde mit strahlungsempfindlichen
Elementen, die Ausgangssignale abgeben, die von der Intensität der auS-treffenden
Strahlung abhängen und eine Anzeige- oder Steuervorrichtung betätigen.
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Bei den bekannten Füllstandsmessvorrichtungen dieser Art sind die
strahlungsempfindlichen Elemente Geiger-Müller-Zählrohre, von denen mehrere über
die ganze Messhöhe entlang der Sonde verteilt sind. Die Ausgangssignale der Geiger
Müller-Zählrohre werden addiert und zur Anzeige gebracht. Damit die Anzeige linear
wird, werden die Zählrohre in mehrere Gruppen unterteilt, deren Empfindlichkeit
einzeln mit Drehwiderstanden eingestellt werden kann. Diese bekannten Büllstandsmessvorrichtungen
haben den Nachteil, dass die
Geiger-Müller-Zählrohre eine begrenzte
Lebensdauer haben, die stark streut, und dass sich ihre Empfindlichkeit im Lauf
der Zeit verändert. Ausserdem ist der Aufbau der Sonde verhältnismässig kompliziert,
weil neben jedem Geiger-Müller-Zählrohr eine Transistorschaltung angebracht sein
muss, welche die am Geiger-Müller-Zählrohr entstehenden Ausgangsimpulse in einen
proportionalen Gleichstrom umwandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandsmessvorrichtung
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die bei sehr einfachem Aufbau eine wesentlich
grössere Lebensdauer und eine bessere Langzeitstabilität aufweist.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass Sonde eine einen
Teil eines Szintillationszählers bildente, sich über die ganze Nesshöhe erstreckende
Szintillatoranordnung aufweist.
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Szintillationszähler nutzen bekanntlich die Fähigkeit mancher Stoffe
aus, energiereiche Strahlung unmittelbar in optisch sichtbares Licht zu verwandeln.
Der aus dem Lumineszenzstroff bestehende Szintillator ist tnit einem Sekuffdärelektronenvervielfacher
direkt oder über einen Lichtleiter gekoppelt.Die Ausgangssignale des Sekundärelektronenvervielfachers
werden eier Anzeigeeinrichtung zugeführt; sie können auch zur Auslösung von Schalt-
oder Steuervorgängen dienen.
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Die Verwendung des Szintillators eines solchen Szintillationszählers
in der Sonde der Füllstandsmessvorrichtung ergibt einen sehr einfachen und unempfindlichen
Aufbau der Sonde, eine grossetebensdauer und eine g@te Langzeitstabilität.
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Ferner kann die erforderliche Linearität der Anzeige durch verschiedene
einfache Massnahmen erreicht werden Eine erste Möglichkeit bestaht darin, dass der
Szintillator über seine ganze Länge eine gleichbleibende Eimpfindlichkeit hat und
dass zwischen dem Szintlllator und dem Strahler eine Strahlenabschirmung mit sich
entlang der Sonde ändernder Dicke angebracht ist.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzielung der gewünschten Linearität besteht
darin, dass der Szlntillator eine sich entlang der Sonde ändernde Empfindlichkeit
hat.
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Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Szintillator aus einem
plattenförmigen Stück mit zunehmender Breite geschnitten ist, oder dadurch, dass
der Szintillator aus parallelen Stäben gebicher Breite, aber unterschiedlicher Länge
zusammengesetzt ist, und schliesslich auch dadurch, dass der Szintillator aus mehreren
in Längsrichtung aneinanderstossenden Stücken mit unterschiedlicher Breite zusammengesetzt
ist.
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In allen BäLlen ist der Fotovervielfacher ambreiteren Ende des Szintillators
angebracht.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die
Szintillatoranordnung aus mehreren voneinander getrennten und über Lichtleiter mit
einem gemainsamen Botovervielfacher verbundenen Szintillatoren besteht.
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Schliesslich kann cie erfindungsgemässe Füllstandsmessvorrichtung
auch so ausgeführt sein, dass die Szintillatoranordnung aus mehreren voneinander
getrennten Szintillatoren besteht, von denen jeder über einen Lichtleiter mit einem
eigenen Fotovervielfacher verbunden ist.
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In diesem Fall können die Ausganssignale der Fotovervielfacher getreennt
einstellbar sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigen: Fig.1 eine schematische Seitenansicht eines Behälters für ein Füllgut
mit einer nach der Erfindung ausgeführten Füllstandsmessvorichtung und Fig.2 bis
6 verschiedene Ausführungsformen der Soda der Füllstandsmessvorichtung von Fig.1.
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Fig.1 zeigt einen Behälter 1, der mit einem beliebigen Füllgut 2 bis
zu einer wechselnder. Höhe gefüllt sein kann. An einer Seite des Behälters ist ein
Strahlenschutzbehälter 3 in höhe des maximalen Füllstands oder etwas darüber bussen
an dem Behälter angebracht. =;n der dem Strahler 3 gegenüberliegenden Seite des
Behälters 1 ist, ebenfalls an der Aussenseite, eine Sonde 4 vertikal angeordnet.
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im Inneren des Strahlenschutzbehälters befindet sich ein radioaktives
Präparat. Der Stahlenschutznehälter ist so ausgelegt, dass radioaktive Strahlung
zur durch einen schmalen Spalt in Richtung zur So austreten kann. Die Strahlung
muss den leeren Behälter gut durchdringen können. Aus diesem Grundkommt praktisch
nur ein radioaktives Präparat in Frage, das Gammastrahlen emittiert.
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Damit sich die Strahlungsintensität und demzufolge die Einstellung
des Gerätes nur wenig mit der Zeit verändert.
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ist ein Präparat mit genügend langer Halbwertszeit zu wählen, z.B.
Cäsium 137 mit einer Halbwertszeit von 28 Jahren. Durch einen Keil aus einem gut
strahlenabsorbierenden Material im Austrittsschlitz des Strahlenschutzbehälters
kann
erreicht werden, dass die Strahlungsintensität längs der Sonde an der gegenüberliegenden
Behälterwand etwa konstant ist. Dies bietet zwei Vorteile: a) Wie später gezeigt
wird, wird dadurch dieÄnzeige etwas linearer.
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b) Damit die Anlage einerseits auf Füllstandsänderungen.
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genügend schnell reagiert und andererseits die statischen Schwankungen
nicht zu stark in die Anzeige eingehen, ist man im allgemeinen bestrebt, die Ortsdosisleistung
der radioaktiven Strahlung an der Sonde möglichst hoch zu halten. Gleichzeitig versucht
man jedoch auc ZU verhindern, dass die Ortsdosisleistung ausserhalb des Behälters
den Wert-von 0,75 mR/h überschreitet, denn dann müsste ein Kontrollbereich vorgesehen
werden, der behördlich überwacht werden muss und der nur von einem kontrollierten
Personenkreis unter bestimmten Bedingungen betreten werden darf.
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Durch Verwendung des Keiles kann man nun erreichen, dass das untere
Ende der Sonde einer Ortsdosisleistung von nur wenig unter 0,75 mR/h ausgesetzt
ist und dass trotzdem am oberen Ende der Sonde kein KontrolLbereich benötigt wird.Da
der Abstand des oberen Endes der Sonde vom Strahler'geringer ist als der Abstand
des unteren Endes der Sonde vom Strahler, ist normalerweise die Ortsdosisleistung
am oberen Ende der Sonde wesentlich grösser als am unteren Ende, denn die Ortsdosisleistung
verringert sich mit dem Quadrat des Abstandes vom Strahler.
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Dje Sonde 4 enthält einen stabförmigen Szintillator 5 aus einem auf
die Gammastrahlung des im Strahlenschutzbehälter 3 enthaltenen Präparats ansprechenden
Lumineszstoff.
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Der stabförmige Szintillator erstreckt sich über die
gesamte
Messhöhe. An seinem einen Ende (bei dem in Fig.1 dargestellten Beispiel am oberen
Ende) ist ein Fotovervielfacher 6 in üblicher Weise angekittet. Der Fotovervielfacher
könnte auch über einen zusätzlichen Lichtleiter mit dem Szintillator vebunden sein.
Der Ausgang des Fotovervielfachers ist über eine Leitung 7 mit einem Anzeigegerät
8 verbunden, das direkt in Füllstandshöhen geeicht sein kann.
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Bei leerem Behälter wird der Szintillator stark bestrahlt.
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Durchdrigen Gammaquanten den Szintillator, so entstehen kurze Lichtblitze,
die durch den Szintillator zum Fotovervielfacher gelangen. Im Fotovervielfacher
werden diese Lichtblitze in Stromimuise umgewandelt.
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Die Stromimpulsrate, die der Fotovervielfacher am Ausgang liefert,
ist proportional dem ittei der Ortsdosisleistungen längs der Sonde. Steigt nun der
Füllstand im @ehältor, so werden die unteren Teile der Sonde durch das Füllgut ven
der Strahlung abgeschirmt. Die Impulsrate am Ausgang des Fotovervielfacher sinkt
entsprechend; die Impulsrate ist also abhängig vom Füllstand im Behälter: In einer
geeigneten elektronischen Schaltung, die nur über eine elektrische Leitung mit der
Sonde verbunden sein muss und deshalb beliebig weit von der Messstelle entfernt
sein kann, werden die Impulse in ein Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal verwandelt,
welches dem Füllstand direkt proportional ist und mit einem nominalen Messinstrument,
das zum Beispiel in Prozenten des Füllgutes geeicht ist, angezeigt werden kann.
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Wenn der Szintillator auf die ganze Länge dieselbe Empfindlichkeit
hat, ist die Beziehung Füllstand-Anzenge nicht linear . Das hat drei Gründe:
a)
da ds obere Ende der Sonde wegen des geringeren Abstandes zum Strahler einer wesetlich
grösseren Ortsdosisleistung ausgesetzt ist als das untere Ende, ändert sich die
Impulsrate wesentlich stärker, wenn ein Teilstück der Sonde am oberen Ende vom Füllgut
freigegeben wird, als wenn ein glelchgroeses Teilstück der Sonde am unteren Ende
vom Füllgut freigegeben wird. Die dadu-ch entstehende Unlinearität der Anzeige kann
durch Verwendung des oben beschriebenen Keils ausgeglichen werden.
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b) Bedingt durch die Geometrie der Anordnung von Strahler und Sonde
durchdringen die Strahlen, die zum oberen Ende der Sonde gelangen, die Behälterwandung
senkrecht, während die Strahlen5 die zu den unteren Teilen der Sonde gelangen, die
Behälterwandung schräg durchdringen. Der Weg durch die Behälterwandung ist fü die
Strahlen zu den oberen eilen der Sonde kürzer als zu den unteren Teilen der Sonde.
Die Strahlen nach unten werden deshalb stärker geschwächt. Die Ortsdosisleistung
am unteren Ende der Sonde ist wieder kleiner als die am oberen Ende der Sonde. Das
hat - wie unter(a) beschriebeneine Unlinearität zur Folge.
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c) Sinkt der Füllstand im Behälter, so werden die oberen Teile vom
Füllgut freigegeben und stärker bestrahlt.
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Aber auch die vom Füllgut noch abgeschirmten Teile der Sonde werden
- bedingt durch die Geometrie der Anordnung -schon stärker bestrahlt als vorher,
den. z. z@@schen Stranler und Sonde befindet sich weniger Strahlung atsorbierendes
Füllgut. Dieser Effekt ist unso grosser, je geringer die Dichte des F Füllgutes
und je geringer
damit die Abschirmwirkung des Füllgutes ist. Dieser
Effekt hat zur Folge, dass die Impulsrate beim Freiwerden eines oberen Teilstückes
der Sonde wesentlich stärker ansteigt als beim Freiwerden eines unttren Teilstückes
der Sonde, und das bedeutet wiederen eine Unlinearität in der Anzeige, die in dieselbe
Richtung wirkt wie die unter (a) und (b) aufgeführten Effekte.
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Je grösser das Verhältnis von Behälterhöhe zu Behalterbreite und
je geringer die Dichte des Füllgutes ist, desto unlicarer wird die Anzeige des Geätes
sein, wenn die Strahlingsempfindlichkeit längs der Sonde konstant ist.
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Im allgemeinen ist eine lineare Anseige des Füllstandes erwünscht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.1 ist angenommen, dass der stabförmige
Szintillator über seine ganze Länge eine gleichbleibende Empfindlichkeit hat. Zur
Einstellung der Linearität sind vor dem Szintillator Bleiabschirmplatten 9, 10,
11 von verschiedener wirksamer Dicke angebracht.
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Wegen der besonderen Abmessungen des Szintillators eignen sich besonders
Kunststoffszintillatoren, die in beliebiger Form hergestellt werden können.
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In Fig. 2 ist eine Sonde dargestellt, bei der die Linearität der Anzeige
auf andere Weise erreicht wird.
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Der Szintillator 12 bestant wie bei dem Beispiel von Fig.1 aus einem
langen Stab. Die geforderte Linearität wird jedoch dadurch erhalten, dass sich die
Empfindlichkeit des Szintillators längs der Messtrecke ändert.
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Dies wird bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.2 dadurch
erreicht,
dass die bestrahlte Fläche des Szintillators 2 1ng der Sonde eine von oben nach
unten zunehmende Breite hat.
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Am breiten Ende besitzt der Szintillator eine grössere Empfindlichkeit
als am schmalen. Der Fotovervielfacher 6 muss in diesem Fall am breiten, also am
unteren Ende des Szintillators 12 angebracht sein. Der Szintillator von Fig.2 kann
in der gezeigten Form aus Plattenmaterial herausgesägt werden.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzielung der gleichen Wirkung besteht
gemäss Fig.3 darin, dass der Szintillator aus mehreren parallelen Stäben 13, 14,
15, 16 gleicher Breite, aber unterschiedlicher Länge zusammengesetzt ist. Die Stäbe
sind mit dem am unteren Ende angeordneten gemeinsamen Fotovervielfacher 6 gekoppelt.
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Beim Ausführungsbeispiel von Fig.4 schliesslich wird die gleiche Wirkung
dadurch erreicht, dass mehrere stabförmige Szintillatorabschnitte 17, 18, 19, 20
von unterschiedlicher Breite in der Längsrichtung aneinandergefügt sind.
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in Fig.5 ist eine andere Ausführungsform der Sonde dargestellt, bei
welcher mehrere voneinander getrennte Szintillatoren 21, 22, 23, 24 in einer Reihe
längs der Sonde angeordnet sind. Die Szintillatoren sind über Lichtleiter 25, 26,
27, 28 mit dem gemeinsamen Fotovervielfacher gekoppelt.
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Die Einstellung der Lincarität kann bei der Ausführungsform von Fig.5
entweder durch unterschiedliche Abschirmung, wie im Fall von Fig.1, oder durch die
Verwendung verschieden grosser Szintillatoren erreicht werden.
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In Fig. 6 enthält die Sonde gleichfalls getrehnte Szintillatoren 29,
30, 31, 32, die jodoch in diesen Fall über Lichleiter 33, 34, 35, 36 jeweils mit
einem eigenen motovervielfacher 37, 38, 39, bzw. 40 gekoppelt sind. Diesse Ausführungsform
ermöglicht die Verwendung von gleichen Szintillatoren 29, 30, 31, 32, weil die erforderliche
Linearität durch die Einstellung der Ausgangssiganle der Fotovervielfacher 37, 38,
39, 40 erreicht werden kann.
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Eine lineare Anzeige kann auch dadurch erreicht werden, dass dem Anzeigegerät
ein nichtlinearer Verstärker mit geeigneter Übertragungsfunktion nachgeschaltet
ist, der die Anzeige linearisiert.
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Patentansprüche