DE2526878C2

DE2526878C2 - Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der Position von Flüssigkeiten in einem Behälter

Info

Publication number: DE2526878C2
Application number: DE2526878A
Authority: DE
Inventors: John Stuart Billingham Cleveland Charlton
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1975-06-16
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE2526878A1; NL182982C; NL182982B; CA1081866A; US4038548A; FR2275754B1; FR2275754A1; GB1474395A; NL7507255A; IT1039073B

Description

a) die schnellen Neutronen von einer Quelle \'j emittiert, die sich in der Nähe oder innerhalb des Behälters befindet und

b) die Strahlungsintensität der aus den jeweiligen Flüssigkeiten austretenden, langsamen Neutronen p!« Maß für die Positionsbestimmung der Gren^fiäche auswertet.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Neutronen emittierenden Strahlungsquelle und einem Detektor ;cur Messung der Strahlungsintensität von emittierten Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß mindeiitens eine schnelle Neutronen emittierende Quelle (5) und mindestens ein zugeordneter Detektor (6) für langsame Neutronen innerhalb oder außerhalb des Behälters (1 Uo angeordnet ist, daß die Strahlungsintensität der aus den jeweiligen Flüssigkeiten austretenden, langsan.en Ne .ronen ermittelt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe ν η Detektoren für langsame Neutronen sich mit den Enden berührend längs einer Seite des Behälters und/oder eine Reihe voneinander getrennter Neutronenquellen in Zwischenräumen längs einer Seite des Behälters tingeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronenquelle und der Detektor für langsame Neutronen in einer tragbaren PrUi- bzw. Meßeinheit untergebracht sind, die rückwärts und vorwärts bzw. aufwärts und abwärts entweder feber die äußere Oberfläche des Behälters oder innerhalb eines in den Behälter eingebrachten Tauchrohrs beweglich angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (5) für schnelle Neutronr-n bewegbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (5) für schnelle Neutronen eine ^24lAm-Be-Quelle ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) ein ¹He- Proportionalzähler ist.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zürn Bestimmen der Position von Flüssigkeiten in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, die Position der Grenzfläche zwischen einef Flüssigkeit und der zugehörigen Dampfphase in einem Behälter Unter Anwendung einer ortsfesten, parallele bzw. ausgeblendete Strahlen emittierenden, radioaktiven Quelle, beispielsweise einer y-Strahlenquelle, und eines ortsfesten Detektors für die Strahlung zu bestimmen. Wenn die Grenzfläche den Weg zwischen der Quelle und dem Detektor unterbricht, wird durch den Detektor eine Veränderung der Strahlungsintensität angezeigt bzw. registriert. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die genaue Position der Grenzfläche nicht bestimmt werden kann, wen.1 sich die Grenzfläche nicht in dem Weg oder in der Nähe des Weges zwischen der Quelle und dem Detektor befindet. Als Verfahren zur Bestimmung der Position der Grenzfläche über einen Höhenbereich in dem Behälter ist die Anwendung einur einzigen y-Strahlenquelle, die ein divergentes Strahlenbündel emittiert, sowie eines länglichen Detektors, der einen Höhenbereich in dem BehäJter überdeckt, bekannt. Wenn die Position der Grenzfläche ansteigt, wird ein immer größerer Teil des länglichen Detektors »verdunkelt«, und die von der Quelle emittierte Strahlung wird in zunehmendem Maße absorbiert, so daß der Detektor ein von der Position der Grenzfläche abhängiges Signal anzeigt bzw. registriert.

Bei Behältern, die nicht mischbare Flüssigkeiten oder teilweise mischbare Flüssigkeiten enthalten, ist es manchmal erforderlich, nicht nur die Position der Grenzfläche zwischen der oberen Flüssigkeit und der Dampfphase, sondern auch die Position der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten zu bestimmen. Bei y-Strah-Ien handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung, deren Absorption auf der Streuung durch Elektronen beruht Es wurde festgestellt, daß sich die Position der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten im Fall der Anwendung von y-Strahlen im allgemeinen nicht bestimmen läßt, weil in Behältern mit großem Durchmesser die Weglänge der Strahlung durch den Behälter normalerweise ausreicht, um eine vollständige Absorption des Sirahlenbündels durch jede Flüssigkeit zu bewirken. Auch wenn die Wegiänge der y-Strahlen ausreichend kurz gewählt wird, um eine vollständige Absorption zu vermeiden, tritt beispielsweise das Problem auf. daß eine Bestimmung der Position der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten sehr schwierig oder unmöglich ist, wenn die betreffenden Flüssigkeiten eine ähnliche oder die gleiche Dichte haben.

Aus der DE-AS 10 98 729 und der CH-PS 4 49 992 sind Verfahren zur Flüssigkeitsstandmessung mit Hilfe von y-Strahlen bekannt, wobei beim Gegenstand der CH-PS 4 49 992 die Quellen und die Detektoren der y-Strahlen rückwärts und vorwärts bzw. aufwärts und abwärts bewegbar angeordnet sind. Die aus der CH-PS 4 49 992 bekannte, bewegbare und transportable Meßeinrichtung ermöglicht die Bestimmung der Position der Grenzflächen zwischen drei verschiedenen Flüssigkeiten mit Hilfe von y-Strahlungsquellen. Bei y-Strahlen handelt es sich um eine besonders gefährliche, harte Strahlung, weshalb besondere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden müssen, um die Strahlung abzuschirmen. y-Strahlen haben ein sehr hohes Eindringvermögen in Luft, weshalb eine sehr starke Abschirmung erförderlich ist, Was dazu führen würde, daß eine von Hand gehaltene, transportable Einrichtung zur Bestimmung der Position von Grenzflächen zwischen Flüssige Reiten im Fall der Anwendung von y-Strahlen ein relativ hohes Gewicht haben Und schwer zu handhaben sein würde.

Aus den DE-AS 15 73 106 und 19 60 582 sind Vorrichtungen zur Füllstandsmessung in Flüssigkehsbe-

hältern mit Neutronenstrahlen bekannt, bei denen außerhalb des wasserstoffhaltigen Flüssigkeitsvolumens erzeugte, energiereiche Neutronen aus Neutronenquellen in die Flüssigkeit hinein emittiert werden und die Strahlungsintensität der in der Flüssigkeit auf thermische Energie abgebremsten und aus der Flüssigkeit austretenden Neutronen in der Umgebung des Flüssigkeitsvolumens mit Hilfe von Detektoren gemessen wird. Beim Gegenstand der DE-AS 15 73 106 und 19 60 582 liegt jeweils ein einheitliches Flüssigkeitsvolumen mit entsprechend abgebremsten Neutronen vor, und es wird lediglich die Position der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der zugehörigen Dampfphase bestimmt Nach der DE-AS 15 73106 war es bisher für erforderlich angesehen worden, eine Vielzahl von Neutronenquellen längs dtr Achse von stabförmigen Meßsonden in bestimmter Weise kontinuierlich oder diskontinuierlich zu verteilen. Die Nachteile einer derartigen Anordnung werden in der DE-AS 19 60 582 in Spalte 1, Zeilen 28 bis 46, beschrieben. Nach der DE-AS 19 60 582 ist zur Überwindung dieser Nachteile zwischen jedem Detektor und der Flüssigkeit eine thermische Neutronen absorbierende Schicht angeordnet, bei der es sich vorzugsweise um eine Cr Imiunischicht mit einer bestimmten Dicke handelt Demnach sind in den DE-AS 15 73 106 und 19 60 582 bestimmte Komplikationen vorgesehen, um lediglich die Bestimmung der Position der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einer Dampfphase in einem Behälter zu ermöglichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Position von Grenzflächen zwischen zwei Flüssigkeiten in einem Behälter mit energiereiche Neutronen emittierenden Strahlenquellen und Detektoren zur Messung der Strahlungsintensität der in der Flüssigkeit abgebremsten und aus ihr austretenden Neutronen zur Verfügung zu stellen, das auch bei ähnlicher oder gleicher Dichte der Flüssigkeiten durchgeführt werden kann, wobei die zur Durchführung des Verfahrens dienende Einrichtung keinen komplizierten Aufbau hat und eine Neutronenquelle aufweist, die nicht nur ortsfest, sondern auch, beispielsweise innerhalb des Behälters, bewegbar, d. h. transportierbar und tragbar, sein kann, so daß die Bestimmung der Position der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten innerhalb des Behälters, z. B. bei schwer zugänglichen Behältern, besonders flexibel gestaltbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die an sich schwer bestimmbare Position der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten Ss'hr einfach und besonders genau bestimmt werden, wobei die Flüssigkeiten auch eine ähnliche oder die gleiche Dichte haben können. Die Position der Grenzfläche kann durch das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich überwacht werden.

Unter »schnellen Neutronen« sind energiereiche Neutronen mit einer Energie von mehr als etwa 0,5 MeV zu verstehen, während unter »langsamen Neutronen« thermische Neutronen mit einer Energie von weniger als 10 eV zu verstehen sind. Das Moderieren ist der Vorgang, durch den schnelle Neutronen so weit abgebremst werden bzw, ihre Energie so weit verlieren, daß sie zu langsamen Neutronen werden.

Die Flüssigkeiten sind nicht mischbar oder teilweise mischbar und sollten sich in ihrer Fähigkeit zum Moderieren von schnellen Neutronen und/oder zum Absorbieren von langsamen Neutronen um mindestens 5% unterscheiden, d. h. es sollte ein Unterschied von mindestens 5% in der Anzahl der aus der Flüssigkeit austretenden, langsamen Neutronen vorhanden sein wenn die Flüssigkeiten identischen Quellen für schnelle Neutronen (nachstehend auch als »Neutronenquellen« bezeichnet) ausgesetzt werden. Vorteilhafterweise werden die langsamen Neutronen, die aus der Flüssigkeit oder den Flüssigkeiten austreten, an mindestens zwei Positionenauf bzw. andern Behälter ermittelt

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der im Patentanspruch 2 gekennzeichneten Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im erfindungsgemäßen Verfahren und bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung sind zwei unterschiedliche Flüssigkeiten vorhanden, und die Neutronenstrahlen werden entsprechend in verschiedener Weise abgebremst Im Gegensatz zur y-Strahlung handelt es sich bei Neutronen um Teilchen, deren Abbremsung auf Zusammenstößen mit Atomkernen beruht Die durch das Abbremsen erhaltenen, langsamen Neutronen diffundieren dann dutcu die Flüssigkeiten zu dem Detektor oder den Detektoren.

Der Detektor für langsame Neutronen ist bei seiner Anwendung innerhalb oder außerhalb des Behalte™ so in dessen Nähe angeordnet, daß der Detektor mindestens einige der aus dem Behälter austretenden, langsamen Neutronen auffangen kann.

Der Detektor für langsame Neutronen hat vorteilhafterweise eine längliche Gestalt

Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Detektoren für langsame Neutronen sich mit den Enden berührend längs einer Seite des Behälters und/oder eine Reihe voneinander getrennter Neutronenquellen in Zwischenräumen längs einer Seite des Behälters angeordnet sind.

Die Neutronenquelle und der Detektor für langsame Neutronen sind vorteilhafterweise in einer tragbaren Prüf- bzw. Meßeinheit untergebracht, die rückwärts und vorwärts bzw. aufwärts und abwärts entweder über die äußere Oberfläche des Behälters oder innerhalb eines in den Behälter eingebrachten Tauchrohrs beweglich angeordnet ist Diese Prüf- bzw. Meßeinheit wird bei ihrer Anwendung in den bestimmungsgemäßen Richtungen bewegt, und die Strahlungsintensität der langsamen Neutronen wird an einer tragbaren, elektronischen Einheit angezeigt und/oder registriert. Wenn

So die Neutronenquelle und der Detektor durch die Position der Grenzfläche Flüssigkeit/Flüssigkeit oder der Grenzfläche Flüssigkeit/Dampfphase bewegt werden, erhält man meßbare Veränderungen der ermittelten Strahlungsintensität der langsamen Neutronen, aus denen die Position der Grenzfläche bestimmt werden kann. Die Position der Grenzfläche wird auf diese Weise einmal in jedem Durchgang der Prüf- bzw. Meßeinheit über die Behälterhöhe bestimmt. Die Durchgangszeit der Prüf- bzw. Meßeinheit kann so eingestellt werden, daß die Position der Grenzfläche mit einer geeigneten Frequenz angezeigt wird. Die Prüf- bzw. Meßeinheit kann ggf. automatisch bewegt werden.

Die bevorzugte AüsführungsFörm der effindungsgeinäßen Einrichtung wird bei der praktischen Anwen-

dung Von Hand gehalten, Und diese Einrichtung ist etwas länglich, so daß die Neutronen in einem geringen Abstand von der Bed^;enungspefson emittiert werden. Die Leichtigkeit des Eindringens von Neutronen in Luft

ist im Gegensalz zu dem Fall der Anwendung von y-Strahlen relativ niedrig, so daß in die Einrichtung keine Vorrichtung zur starken Abschirmung von Neutronen eingebaut werden muß, weshalb diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ein geringes Gewicht hat und leicht 2U handhaben ist.

Die Quelle für schnelle Neutronen kann ortsfest oder bewegbar sein.

Eine geeignete Quelle für schnelle Neutronen ist eine ²⁴¹Am-Be-QUeIIe, und eine geeigneter Detektor ist ein ³He-Proportionalzähler.

Das erfiridungsgerriäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglichen eine leichte Bestimmung der Position der Grenzfläche zwischen den zwei Flüssigkeiten oder der Grenzfläche zwischen der oberen Flüssigkeit und der Dampfphase in einem Behälter innerhalb von ± 12,7 mm.

Das erfitidungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung können auch angewendet werden,

F i g. 1 zeigt einen Seitenriß eines Behälters, und
Fig.2 zeigt einen Horizontalschnitt des Behälters vofi Pig. I.

Der in Fig. 1 Und 2 gezeigte Behälter i enthält zwei nicht mischbare Flüssigkeiten, wobei die obere Flüssig* keil 2 Benzol ist, während die untere Flüssigkeit 3 Wasser ist Die Grenzfläche zwischen dem Benzol und der Dampfphase innerhalb des Behälters ist durch die gestricheile Linie 7 angedeutet, und die Grenzfläche ίο zwischen dem Benzol und dem Wasser ist durch die gestricheile Linie 8 angedeutet. Eine längliche Quelle 5 (in F i g. 1 durch gestrichelte Linien dargestellt) für schnelle Neutronen ist von einem geeigneten Schutzgehäuse 4 umgeben, und die Quelle sowie das Schutzgehäuse sind außen an der Seite des Behälters 1 befestigt, und zwar zusammen mit einem länglichen Detektor 6 für langsame Neutronen. Im Betrieb werden schnelle Neutronen aus der Quelle 5 in den Behälter 1 hinein emittiert und gelangen in Wechselwirkung mit dem

die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten oder zwischen der oberen Flüssigkeit und der Dampfphase eine gewünschte Position in einem Behälter erreicht bzw. sich dieser Position nähert. Die Quelle schneller Neutronen kann in der Nähe der gewünschten Position auf bzw. an der Behälterwandung ortsfest angebracht werden. Der Detektor für langsame Neutronen, der zu diesem Zweck kleine vertikale Abmessungen haben kann, ist auf bzw. an der Behälterwand in der gleichen horizontalen Ebene wie die Quelle angeordnet. Der Detektor für langsame Neutronen kann an sich auf der der Quelle entgegengesetzten Seite des Behälters angeordnet sein, jedoch wurde gefunden, daß es vorteilhafter ist, die Quelle und den Detektor nebeneinander anzuordnen. Wenn sich die Grenzfläche der Position der Quelle und des Detektors nähert bzw. diese erreicht, erfolgt eine Veränderung in der Ermittlungsrate der langsamen Neutronen, wodurch die Annäherung bzw. das Erreichen der Grenzfläche angezeigt wird, woraufhin eine geeignete Alarmvorrichtung betätigt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für die kontinuierliche Bestimmung der Position der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten oder zwischen der oberen Flüssigkeit und der Dampfphase über einen ausgedehnten Bereich eines Behälters unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert

werden durch die Wechselwirkung mit dem Material in dem Behälter, das sich in der Nähe der Quelle befindet, moderiert. Ein Teil der erhaltenen, langsamen Neutronen diffundiert zurück aus dem Behälter, und die Strahlungsintensität dieser langsamen Neutronen wird durch den Detektor 6 ermittelt. Die Konzentration bzw. Strahlungsintensität der langsamen Neutronen am Detektor 6 ist infolgedessen eine Funktion der Fähigkeit des sich in der Nähe der Quelle befindlichen Materials zum Moderieren von schnellen Neutronen und zum Absorbieren von langsamen Neutronen.

Die Ermittlungsrate der langsamen Neutronen wird durch die Position der Grenzfläche zwischen dem Benzol und dem Wasser relativ zur Detektorlänge beeinflußt Infolgedessen ergibt die Zählrate, die von dem Detektor angezeigt bzw. registriert wird, eine kontinuierliche Anzeige der Position der Grenzfläche.

Es wurde gefunden, daß für eine Benzol/Wasser-Mischung, die im Behälter 1 enthalten war, die ermittelte Zählrate dann, wenn sich die Grenzfläche in der Nähe des oberen Endes des Detektors 6 befand (und infolgedessen in der Nähe von im wesentlichen der gesamten Detektorlänge Wasser vorlag), ungefähr das Zweifache derjenigen Zähirate betrug, die erhalten wurde, wenn sich die Grenzfläche in der Nähe des unteren Endes des Detektors 6 befand (und infolgedessen in der Nähe der gesamten Detektorlänge Benzol vorlag).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Position von Flüssigkeiten in einem Behälter mit energiereiche Neutronen emittierenden Strahlenquellen und Detektoren zur Messung der Strahlungsintensität der in der Flüssigkeit abgebremsten und aus ihr austretenden Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der Position der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, die sich in ι ο ihrer Fähigkeit zum Moderieren von schnellen Neutronen und/oder zum Absorbieren von langsamen Neutronen unterscheiden,