DE202011005328U1

DE202011005328U1 - System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE202011005328U1
Application number: DE201120005328
Authority: DE
Original assignee: Berthold Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Berthold Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2011-07-15
Anticipated expiration: 2021-04-07

Abstract

System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße, umfassend: – eine Strahlungsquelle (10) zum Erzeugen einer Messstrahlung, – einen Szintillator (20), – einen Photomultiplier (30), der mit dem Szintillator (20) optisch gekoppelt ist, und – eine Auswerteeinheit (40), die mit dem Photomultiplier (30) elektrisch gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, im Photomultiplier (30) erzeugte Signale zur Messung der Prozessgröße auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass – der Szintillator (20) und der Photomultiplier (30) eine, insbesondere dauerhafte, Temperaturfestigkeit von mehr als 60°C aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße.
Radiometrische Messsysteme werden seit vielen Jahren erfolgreich in der industriellen Prozessmesstechnik eingesetzt. Derartige Systeme bzw. Detektoren weisen üblicherweise eine Strahlungsquelle in Form eines radioaktiven Strahlers und einen Szintillationszähler auf, um berührungslos Prozessgrößen wie beispielsweise Füllstand, Dichte und Grenzstand zu messen.
In vielen Anwendungen müssen die Detektoren erhöhten Temperaturen standhalten. Die Temperatur kann einerseits von Prozessen in einem Behälterinneren über Konvektion oder Strahlungswärme auf den Detektor übertragen werden oder von intensiver Sonnenstrahlung herrühren.
Herkömmliche Messsysteme können typischerweise nur bis maximal 55–60°C Umgebungstemperatur eingesetzt werden. Bei höheren Temperaturen verlieren die verwendeten Photomultiplier sehr schnell ihre Empfindlichkeit und die bei Füllstandsmessungen typischerweise eingesetzten Kunststoff-Szintillatoren werden plastisch und verformen sich irreversibel. Beide Prozesse führen zu einem verfrühten Ausfall des Messsystems.
Um Sonnenstrahlung oder Strahlungswärme vom Detektor abzuhalten, müssen häufig Sonnenschutzvorrichtungen, beispielsweise Sonnenschutzbleche, verwendet werden. Dennoch sind viele Anwendungen nur mit Hilfe von wassergekühlten Detektoren realisierbar. Hierbei wird durch ein doppelwandig ausgeführtes Detektorgehäuse Kühlwasser geleitet und die eingebrachte Wärmemenge abgeführt, um die Temperaturen im Detektorinneren unter 60°C zu halten. Durch eine derartige Wasserkühlung werden jedoch erhebliche Kosten verursacht, die die Anschaffungskosten des Detektors deutlich übertreffen können. So müssen beispielsweise Rohrleitung für Zu- und Ablauf für jeden Detektor vorgesehen werden. Weiter muss Kühlwasser bereitgestellt und über geeignete Maßnahmen gereinigt und gekühlt werden, was in heißen und trockenen Regionen einen maßgeblichen Kostenpunkt darstellt. Andererseits muss sichergestellt sein, dass keine Schäden durch Frost entstehen etc.
Auch bei luftgekühlten Systemen entstehen erhöhte Kosten für den Betreiber. Solche Systeme haben den Nachteil, dass durch die geringere spezifische Wärmemenge keine gute Kühlwirkung erzielbar ist.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße mit einem erweiterten Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen, das insbesondere keine speziell hierfür vorgesehenen Kühlmittel bzw. Kühlvorrichtungen, wie beispielsweise eine Wasserkühlung, erfordert.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein System nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, die hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht werden.
Das System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße umfasst eine herkömmliche Strahlungsquelle zum Erzeugen einer Messstrahlung, beispielsweise eine Cäsium-137-Strahlungsquelle, einen Szintillator, einen Photomultiplier, der mit dem Szintillator optisch gekoppelt ist, und eine Auswerteeinheit, die mit dem Photomultiplier elektrisch gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, im Photomultiplier erzeugte Signale zur Messung der Prozessgröße auszuwerten. Der Szintillator und der Photomultiplier als die besonders temperaturempfindlichen Komponenten weisen eine, insbesondere dauerhafte, Temperaturfestigkeit von mehr als 60°C auf, wodurch auf eine externe Kühlung, beispielsweise auf eine Wasserkühlung, dieser Komponenten verzichtet werden kann.
In einer Weiterbildung weisen der Szintillator und der Photomultiplier eine, insbesondere dauerhafte, Temperaturfestigkeit von mehr als 75°C auf.
In einer Weiterbildung ist dem Szintillator und/oder dem Photomultiplier keine externe oder aktive Kühlung zugeordnet, insbesondere ist das System wasserkühlungsfrei. Mit anderen Worten ist dem Szintillator und/oder dem Photomultiplier keine separate bzw. dedizierte Kühlvorrichtung zugeordnet.
In einer Weiterbildung ist der Szintillator ein Kunststoff-Szintillator mit erhöhter Temperaturfestigkeit. Es sind Kunststoff-Szintillatormaterialien erhältlich, die eine erforderliche Temperaturfestigkeit bzw. Temperaturstabilität aufweisen. Alternativ ist der Szintillator ein NaI(Tl)-Szintillator mit polykristalliner Struktur. NaI(Tl)-Kristalle eignen sich generell zum Einsatz auch bei höheren Temperaturen von 150°C oder höher. Sie büßen dabei zwar bis zu 25% ihrer Lichtausbeute ein, was jedoch beim Nachweis hochenergetischer Gamma-Strahlung in der Prozessmesstechnik keine wesentliche Einschränkung darstellt. Da monokristalline NaI(Tl)-Szintillatoren bei raschen Temperaturänderungen zu Bruch neigen, ist es vorteilhaft, Szintillatoren mit polykristalliner Struktur zu verwenden, da diese besonders robust sind und ansonsten die gleichen Eigenschaften wie monokristalline NaI(Tl)-Szintillatoren aufweisen.
In einer Weiterbildung umfasst der Photomultiplier eine Na₂KSb-Photokathode. Bevorzugt umfasst der Photomultiplier BeCu-Dynoden. Herkömmliche Photomultiplier mit KCsSb-Photokathoden sind auf Temperaturen von maximal ca. 60°C beschränkt. Bei höheren Temperaturen dampft Cs von der Photokathode ab und die Photokathode verliert ihre Quanteneffizienz, wodurch der Detektor nach relativ kurzer Zeit ausfällt. Hochtemperaturfeste Photomultiplier mit Na2KSb-Photokathoden und BeCu-Dynoden weisen eine geringere Quanteneffizienz auf und erfordern und eine größere Spannung am Arbeitspunkt. Beide Effekte sind jedoch für den Einsatz in Szintillationsdetektoren für die industrielle Prozessmesstechnik akzeptabel.
In einer Weiterbildung ist die mindestens eine Prozessgröße eine vom radiometrischen Flächengewicht bzw. eine von der flächenbezogenen Masse eines Messguts abhängige Größe.
In einer Weiterbildung umfasst die mindestens eine Prozessgröße einen Füllstand eines Behälters, eine Dichte eines Behälterfüllguts, einen Behältergrenzstand, eine Konzentration eines Messguts und/oder eine Dicke eines Messguts.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
1 ein System zur radiometrischen Messung einer Prozessgröße in Form eines Füllstands eines Behälters.
1 zeigt ein System zur radiometrischen Messung eines Füllstands einer Flüssigkeit 60 in einem Behälter 50 mit einer herkömmlichen Cäsium-137-Strahlungsquelle 10 zum Erzeugen einer Messstrahlung, einem Szintillator 20, einen Photomultiplier 30, der mit dem Szintillator 20 optisch gekoppelt ist, und einer Auswerteeinheit 40, beispielsweise in Form einer Mikroprozessorsteuerung, die mit dem Photomultiplier 30 elektrisch gekoppelt und dazu ausgebildet ist, im Photomultiplier 30 erzeugte Signale zur Messung des Füllstands auszuwerten. Bis auf den Szintillator 20 und den Photomultiplier 30 sind die Komponenten des Systems solche, wie sie auch in herkömmlichen radiometrischen Messsystemen verwendet werden, sodass auf deren ausführliche Beschreibung verzichtet werden kann.
Der Szintillator 20 und der Photomultiplier 30 weisen eine dauerhafte Temperaturfestigkeit von mindestens 75°C auf, wobei weder der Szintillator 20 noch der Photomultiplier 30 mittels speziell hierfür vorgesehenen Kühlmitteln bzw. Kühlvorrichtungen, beispielsweise einer Wasserkühlung, gekühlt werden.
Der Szintillator 20 ist ein Kunststoff-Szintillator. Alternativ kann auch ein NaI(Tl)-Szintillator mit polykristalliner oder monokristalliner Struktur verwendet werden.
Der Photomultiplier 30 umfasst eine Na₂KSb-Photokhatode und BeCu-Dynoden.
Die verbleibenden mechanischen und elektrischen Komponenten sind ebenfalls geeignet temperaturfest ausgelegt, wodurch das System insgesamt bis mindestens 75°C Betriebstemperatur verwendbar ist, ohne dass hierfür spezielle Kühlmittel vorgesehen werden müssen. Für noch höhere Temperaturen kann zusätzlich eine externe Kühlung vorgesehen sein.
Die gezeigten Ausführungsformen erhöhen die zulässige Betriebstemperatur verglichen mit herkömmlichen Ausführungsformen um mindestens 25°C, wodurch diese für einen Großteil derjenigen Messaufgaben verwendbar sind, die bisher eine Wasserkühlung benötigt haben. Höhere Betriebstemperaturen werden nur in wenigen Einzelfällen gefordert, da in den meisten Fällen die Außentemperatur der Behälter aus Sicherheits- und Energiegründen 60°C nicht überschreiten darf.
Die gezeigten Ausführungsformen stellen folglich ein System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße mit einem erweiterten Temperaturbereich zur Verfügung, das keine externen Kühlmittel, wie beispielsweise eine Wasserkühlung, erfordert.

Claims

System zur radiometrischen Messung mindestens einer Prozessgröße, umfassend: – eine Strahlungsquelle (10) zum Erzeugen einer Messstrahlung, – einen Szintillator (20), – einen Photomultiplier (30), der mit dem Szintillator (20) optisch gekoppelt ist, und – eine Auswerteeinheit (40), die mit dem Photomultiplier (30) elektrisch gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, im Photomultiplier (30) erzeugte Signale zur Messung der Prozessgröße auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass – der Szintillator (20) und der Photomultiplier (30) eine, insbesondere dauerhafte, Temperaturfestigkeit von mehr als 60°C aufweisen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator und der Photomultiplier eine, insbesondere dauerhafte, Temperaturfestigkeit von mehr als 75°C aufweisen.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Szintillator und/oder dem Photomultiplier keine Kühlvorrichtung, insbesondere keine Wasserkühlung, zugeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator ein Kunststoff-Szintillator mit erhöhter Temperaturfestigkeit ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator ein NaI(Tl)-Szintillator mit polykristalliner Struktur ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Photomultiplier eine Na2KSb-Photokhatode umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Photomultiplier BeCu-Dynoden umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Prozessgröße eine vom radiometrischen Flächengewicht eines Messguts abhängige Größe ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Prozessgröße einen Füllstand eines Behälters, eine Dichte eines Behälterfüllguts, einen Behältergrenzstand, eine Konzentration eines Messguts und/oder eine Dicke eines Messguts umfasst.