DE69108678T2

DE69108678T2 - System zur messung von feuchtigkeit und dichte.

Info

Publication number: DE69108678T2
Application number: DE69108678T
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Miyashita; Junichi Ogawa
Original assignee: Earthnix Corp
Current assignee: Earthnix Corp
Priority date: 1990-06-13
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: ATE120856T1; JPH0447253A; WO1991019969A1; EP0486709A1; AU7961591A; EP0486709B1; DE69108678D1; JP2821708B2; US5412217A; AU637710B2; EP0486709A4

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dichte/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung zum gleichzeitigen Messen der Dichte und des Feuchtigkeitsgehaltes unter Verwendung eines Gammastrahls und eines Strahls schneller Neutronen und insbesondere bezieht sie sich auf eine Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung, welche eine einfache Handhabung und Analyse erlaubt
Verschiedene Verfahren zum gleichzeitigen Messen der Feuchtigkeit und der Dichte verschiedener Materialien wurden vorgeschlagen. In einem weit verbreiteten Probeverfahren differieren Datenl wenn Proben von verschiedenen Teilen genommen werden und die Ergebnisse können nicht sofort ermittelt werden. Daher wurde die gleichzeitige Messung der Dichte und der Feuchtigkeit in einer stetigen On-Line Weise, anstatt des oben erwähnten Probeverfahrens vorgeschlagen. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist in Fig. 1 gezeigt.
Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine On-Line Meßvorrichtung zum Messen eines Blockmaterials gezeigt, wobei eine erste Strahlungsquelle 29 (beispielsweise Cf-252) und eine zweite Strahlungsquelle 30 (beispielsweise Cs-137) vorgesehen sind auf dem Weg der Einspeisung des Objektes (beispielsweise Koks) auf einem Förderband. Radioaktive Strahlen, welche von der ersten oder zweiten Strahlungsquelle 29 bzw. 30 abgestrahlt werden und durch das Objekt 20 hindurchgehen, werden durch einen Detektor detektiert. Um gleichzeitig die Dichte und die Feuchtigkeit des Objektes On-Line zu messen, war es notwendig, in dem Detektor einen Dichtemesser 27, welcher beispielsweise durch einen NaI Szintillator gebildet wurde, für die Detektion der Gammastrahlen vorzusehen und einen Feuchtigkeitsmesser 28, der beispielsweise durch einen Glas Szintillator gebildet wurde, für die Detektion der schnellen Neutronenstrahlung vorzusehen. Die Ausgänge von diesen Szintillatoren wurden durch einen Pulshöhen-Diskriminatorschaltkreis (PHD Schaltkreis) getrennt gemäß einem Pulshöhen-Diskriminatorverfahren unter Verwendung von Spektralcharakteristiken, wodurch jeweilige Meßdaten erhalten wurden.
Jedoch erfordert die gleichzeitige Messung an einem Objekt 20 unter Verwendung von zwei verschiedenen Messern 27 und 28 viel Platz zur Anordnung der jeweiligen Messer und die Wartung dieser Messer ist mühselig.
Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung aus dem Stand der Technik ist der Gamma- und Neutronenszintillator, der in US- A-3,786,253 offenbart ist. Darin ist ein Spektrometer offenbart zum Detektieren und Unterscheiden zwischen einem Gammastrahl und Neutronenflüssen. Er umfaßt zwei verschiedene Szintillatoren, einen zur Detektierung eines Gammastrahls und eines Strahls schneller Neutronen und den anderen zum Detektieren des Gammastrahls. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung Detektoreinrichtungen zum Detektieren der Signale, die von den zwei verschiedenen Szintillatoren jeweils detektiert werden. Es ist ebenfalls eine Einrichtung zum Subtrahieren des Energiespektrums nach der Pulshöhenanalyse Kanal für Kanal vorgesehen, um ein Spektrum der einfallenden schnellen Neutronen zu erhalten.
Um diese Probleme zu lösen, wurde die Verwendung von Phosphoreszenzdetektoren einschließlich eines NaI Szintillators und eines Plastikszintillators vorgeschlagen. Ein Beispiel ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2-74890 offenbart.
Gemäß dieser Veröffentlichung werden Ausgänge von zwei verschiedenen Szintillatoren von einem Photoverfielfacher (im folgenden als PM bezeichnet) empfangen und durch einen Pulsverstärker verstärkt. In diesem Fall wird ebenfalls ein PHD Schaltkreis verwendet.
Jedoch kann gemäß diesem Verfahren die Pulshöhenverteilung der Gammastrahlenpulse, die von dem NaI Szintillator detektiert werden, und diejenigen von den Neutronenstrahlpulsen, die von dem Plastikszintillator detektiert werden, nicht gut voneinander getrennt werden in Abhängigkeit von der Höhe der Pulse, was eine stabile Analyse verhindert.
Eine weitere Vorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit und der Dichte ist in Int. J. Appl. Radiat. Isot., Vol. 34, Nr. 1 (1983), S. 429 - 436 von H. Tominaga et al offenbart. Die Vorrichtung verwendet den Übergang von schnellen Neutronen und Gammastrahlen von 252 Cf mit anschließender gleichzeitiger Detektierung dieser Strahlen mit einem organischen Flüssigszintillator, welcher in einer Aluminiumzelle eingeschlossen ist und mit einem Photoverfielfacher gekoppelt ist, der init einem Mikrocomputer und einem Autokalibrationssystem verbunden ist, was zur Bestimmung der Feuchtigkeit und der Dichte führt.
Jedoch bringen Flüssigszintillatoren ernste Schwierigkeiten bei der wirtschaftlichen Anwendung mit, da sie sehr schwer zu handhaben sind und sehr teuer sind.
Ein weiterer Nachteil dieser obigen Vorrichtung ist, daß sie nur in einem Labor anwendbar ist und nicht für industrielle Anwendungen geeignet ist.
Um stabile Analysenergebnisse zu ermöglichen, wurde die Verwendung von Phosphoreszenzdetektoren einschließlich eines NaI Szintillators und eines Flüssigszintillators vorgeschlagen.
Da das Wellenformmuster des Ausgangs, der von dem PM des NaI Szintillators verschieden ist von dem des Flüssigszintillators können jeweilige Daten durch Pulsformdiskriminierung erzielt werden. Ein Beispiel wird im folgenden beschrieben.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau einer Dichte/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß einer Kombination von bekannten Techniken unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors zeigt. Mit Bezug auf Fig. 2 verkörpert der Phosphoreszenzdetektor das bekannte Verfahren mit einer ersten Quelle (Californium Cf-252 in diesem Beispiel), welches ein Objekt 20 durchläuft und Gammastrahlen und schnelle Neutronen abstrahlt, eine zweite Quelle (Cäsium 137 Cs-137 in diesem Beispiel) 2 die Gammastrahlen emittiert, welche eine Photaspitze ergeben, und einen Phosphoreszenzdetektor 3, welcher durch einen NaI Szintillator 4, einen Flüssigszintillator 5 und einen PM 6 gebildet wird. Das Szintillationslicht von dem NaI Szintillator 4 läuft durch den Flüssigszintillator 5 und tritt in den PM 6 ein. Die erste Quelle 1 ist so angeordnet, dar die radioaktive Strahlung von der ersten Quelle 1 durch ein Objekt 20 läuft und sowohl in den Szintillator 4 wie auch in 5 eintritt, wobei die zweite Quelle 2 so angeordnet ist, daß der Gammastrahl von der zweiten Quelle 2 direkt in den NaI Szintillator 4 geht, ohne durch das Objekt 20 zu laufen. Die Ausgänge von dem PM werden durch einen Vorverstärker 7 verstärkt und einem AGC Schaltkreis 8 oder einem Pulsform Diskriminatorschaltkreis 10 (im folgenden als PSD Schaltkreis bezeichnet) zum Diskriminieren der Wellenformen zugeführt. Der AGC Schaltkreis 8 steuert die Ausgangsspannung von einer Hochspannungsquelle 9 so, dar die Pulshöhe der Photospitze eines Gammastrahl-Detektorsignales von der zweiten Quelle 2 einschließlich der Ausgangssignale von dem Vorverstärker 7 konstant gehalten werden.
Der PSD Schaltkreis 10 diskriminiert den Unterschied in der Einstiegszeit der Pulse der Detektorsignale, die von dem Vorverstärker 7 ausgegeben werden und gibt Pulsgruppen entsprechend der Anstiegszeit aus.
Fig. 3 ist eine Kurve, welche die Einstiegszeit der Pulse der Detektorsignale, die in dem PSD Schaltkreis 10 eingegeben werden, und ihre Verteilung zeigt. In der Kurve bezeichnet Bezugszeichen 1 die Anzahl der Pulse (Zählrate) pro Zeiteinheit der Detektion der schnellen Neutronenstrahlen von dem Flüssigszintillator 5. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet die Zählrate der Detektionspulse der Gammastrahlung von der ersten und zweiten Quelle 1, 2, die von dem Flüssigszintillator 5 detektiert werden. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet die Zählrate der Detektorpulse der Gammastrahlung von der ersten und zweiten Quelle 1 und 2, die von dem NaI Szintillator 4 detektiert werden.
Der PSD Schaltkreis 10 trennt 1, 2 und 3 in Fig. 3 voneinander und ein erster, zweiter und dritter Zähler 11, 12 bzw. 13, die in Fig. 2 gezeigt sind, zählen die Anzahl der Pulse der Gruppen 1, 2 und 3. Die resultierenden Zählraten N1, N2 und N3 werden ausgegeben. Die Zählrate N1 nimmt ab entsprechend dem Feuchtigkeitsgehalt des Objektes 20 und der Zählwert N2 nimmt ab entsprechend der Dichte des Objektes 20. Jedoch umfaßt dieser Wert eine vorgegebene Zählrate der zweiten Quelle 2.
Eine CPU 14 führt die folgenden arithmetischen Operationen basierend auf den Zählwerten N1 und N2 aus, um den Feuchtigkeitsgehalt W und die Dichte p zu messen.
N1 = N10 exp(-µnxw)
N2 - NS = (N20 - Ns) exp(-µnxp)
wobei N10 und N20 die Zählraten darstellen, wenn das Objekt 20 entfernt ist (entsprechend dem Feuchtigkeitsgehalt W von 0 und der Dichte p von 0),
NS bezeichnet den Beitrag der zweiten Quelle (2), und µn, µγ sind Konstanten der Vorrichtung.
Obwohl die Zählrate N3 des dritten Zählers 13 verwendet werden kann zur Messung der Dichte, wird die zugehörige Beschreibung weggelassen, da sie nicht zu der vorliegenden Erfindung gehört.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Dichte und die Feuchtigkeit sehr wirksam durch die Meßvorrichtung unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors 3 gemessen werden, welcher die Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung darstellt mit dem Aufbau, wie er in Fig. 2 gezeigt ist. Durch Ausgeben der Signale von dem NaI Szintillator 4 an den AGC Schaltkreis 8 kann der Gain stabilisiert werden.
Die Kombination eines PSD Schaltkreises und eines Phosphoreszenzdetektors einschließlich eines Flüssigszintillators bringt den Vorteil, daß der Strahl schneller Neutronen von dem Gammastrahl diskriminiert werden kann. Jedoch ist ein Flüssigszintillator schwierig zu handhaben, da er mechanisch fragil und entflammbar ist. Zudem ist die praktische Anwendung schwierig, mit Ausnahme von Studien in Labors, da er sehr teuer ist.
Die Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen und ihre Aufgabe ist es, eine Dichte/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung zu schaffen, welche eine einfache Handhabung und eine einfache Analyse erlauben.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung der Dichte und der Feuchtigkeit unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors zu schaffen, welcher eine wirksame und stabile Messung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung zu schaffen, welche allgemein in der Industrie anwendbar ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur industriellen Messung der Dichte und der Feuchtigkeit anzugeben, das eine einfache Analyse erlaubt.
Die Vorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit und der Dichte gemäß der Erfindung umfaßt einen Phosphoreszenzdetektor einschließlich eines Gammastrahlszintillators und eines Plastikszintillators zum Detektieren von Gammastrahlen und Strahlen schneller Neutronen, die optisch mit einem Photoverfielfacher gekoppelt sind. Der Phosphoreszenzdetektor detektiert radioaktive Strahlen, welche durch ein Meßobjekt eintreten. Die Detektorsignale von dem Phosphoreszenzdetektor werden in eine erste Signalkomponente, die von dem Plastikszintillator detektiert wird, und eine zweite Signalkomponente, die von dem Szintillator für Gammastrahlen detektiert wurde, zerlegt. Die erste Signalkomponente umfaßt erste Daten, die durch den Strahl schneller Neutronen geliefert werden, und zweite Daten, die von den Gammastrahlen geliefert werden. Die ersten Daten und die zweiten Daten werden aufgeteilt entsprechend der zweiten Signalkomponente. Die Dichte und die Feuchtigkeit des Meßobjektes werden berechnet auf der Basis der getrennten ersten und zweiten Daten.
Der Gammastrahl und der Strahl schneller Neutronen, die von der Strahlungsquelle emittiert werden, laufen durch das Medobjekt und werden von dem Plastikszintillator detektiert, wobei der Gammastrahl ebenfalls von dem NaI Szintillator detektiert wird. Die Daten, die von dem Plastikszintillator detektiert werden, umfassen Daten, die von dem Gammastrahl wie auch von dem Strahl schneller Neutronen geliefert werden. Der Gammastrahl, der von dem NaI Szintillator detektiert wird, ist proportional dem Gammastrahl, der von dem Plastikszintillator detektiert wird, da beide von dem gleichen Meßobjekt geliefert werden. Basierend auf dieser Beziehung werden die Daten von dem Gammastrahl und von dem Strahl schneller Neutronen, die von dem Plastikszintillator detektiert werden, voneinander getrennt. Der Feuchtigkeitsgehalt des Objektes wird berechnet auf der Basis der Daten, die von dem Strahl schneller Neutronen geliefert werden und die Dichte des Objektes wird berechnet auf der Basis der Daten, die von dem Gammastrahl geliefert werden.
Folglich erlaubt die Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung eine einfache Handhabung und Analyse.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Dichte und des Feuchtigkeitsgehaltes eines Meßobjektes angegeben mit den Schritten des Herstellens von Quellen, die Gammastrahlen und Strahlen schneller Neutronen emittieren, Detektieren des Gammastrahls, welcher durch das Objekt hindurchläuft, mittels eines NaI Szintillators, welcher optisch mit einem Photoverfielfacher gekoppelt ist, Detektieren des Gammastrahls und des Strahls schneller Neutronen, die durch das Objekt gelaufen sind, mittels eines Plastikszintillators, welcher ebenfalls optisch mit dem Photoverfielfacher gekoppelt ist, Pulsformdiskrimination mittels eines PSD Schaltkreises von Detektorsignalen, die von dem NaI Szintillator detektiert wurden gegenüber denjenigen, die von dem Plastikszintillator detektiert wurden, Trennen der Signale, die von dem Plastikszintillator detektiert wurden in zwei Daten basierend auf den Daten des Garnmastrahls, welcher mittels des NaI Szintillators detektiert wurde und Berechnen des Feuchtigkeitsgehaltes und der Dichte des Objektes basierend auf den getrennten Gammastrahldaten und den Daten des schnellen Neutronenstrahls.
Die Gammastrahlendaten und die Daten des Strahls schneller Neutronen, die von dem Plastikszintillator detektiert werden, können nicht durch Pulsformdiskrimination diskriminiert werden, doch können die Gammastrahldaten und die Daten des Strahls schneller Neutronen des Objektes getrennt werden, da eine Proportionalbeziehung zwischen dem Gammastrahl, welcher mittels des NaI Szintillators detektiert wurde und dem Gammastrahl, der mittels des Plastikszintillators detektiert wurde, existiert. Folglich kann ein Verfahren zur industriellen Messung der Dichte und der Feuchtigkeit angegeben werden, das eine einfache Messung erlaubt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer konventionellen Vorrichtung zur Messung der Dichte und der Feuchtigkeit on-Line, Fig. 2 ist ein Blockdiagrainm, das eine konventionelle Dichte- /Feuchtigkeitsmeßvorrichtung unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors zeigt; Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Wellenformdiskrimination in einer konventionellen Dichte- /Feuchtigkeitsmeßvorrichtung unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors; Fig. 4 zeigt eine bestimmte Anordnung einer Vorrichtung zur Messung der Dichte und der Feuchtigkeit On- Line, Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Hauptteil einer Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt; Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das das Aussehen eines Phosphoreszenzdetektors und ein Haupteil einer Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung zeigt; Fig. 7 zeigt Ergebnisse einer Wellenformdiskrimination mittels der Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 8 zeigt das Meßverfahren der Dichte- /Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 9 zeigt die Leistung der Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das einen Hauptteil eines PSD Schaltkreises zeigt; und die Fig. 11A und 11B zeigen Signalwellenformen an verschiedenen Punkten des PSD Schaltkreises, der in Fig. 10 gezeigt ist.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Einzelheiten der Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine bestimmte Anordnung einer Vorrichtung zur On-Line Messung der Dichte und der Feuchtigkeit unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors in Übereinstimmung mit der Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 4 wird ein blockartiges Objekt 20, wie beispielsweise Koks, auf einem Förderband 23 transportiert und die Dichte und die Feuchtigkeit desselben wird während des Transports gemessen. Radioaktive Strahlung, die von einer Strahlungsguelle 26 emittiert wird und durch das Objekt 20 hindurchgelaufen ist, wird von einer Detektoreinrichtung 24 detektiert. Die Detektoreinrichtung 24 umfaßt einen Anzeigeteil 27 und einen Tastaturteil 28.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramrn, das einen Hauptteil der Vorrichtung zum Messen der Dichte und der Feuchtigkeit unter Verwendung eines Phosphoreszenzdetektors gemäß der Erfindung zeigt und Fig. 6 zeigt eine äußere Erscheinung des Phosphoreszenzdetektors 3. Mit Bezug auf Fig. 5 hat die Dichte- /Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung den gleichen Aufbau wie die von Fig. 2, mit Ausnahme eines Plastikszintillators 15, welcher an Stelle eines Flüssigszintillators 5 in einem Phosphoreszenzdetektor 3 verwendet wird, wie er aus einer Kombination von bekannten Verfahren sich ableitet, die in Fig. 2 gezeigt ist. Entsprechend sind die gleichen Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine aus führliche Beschreibung derselben wird nicht wiederholt. Einzelheiten des PSD Schaltkreises und der ersten und zweiten Zähler 17 und 18 werden später beschrieben.
Ein Plastikszintillator kann einfach gehandhabt werden, im Unterschied zu einem Flüssigszintillator, wobei seine Handhabung nicht schwierig ist und er nicht teuer ist. Die allgemein verwendeten Plastikszintillatoren umfassen beispielsweise NE102 von Nuclear Enterprize Corporation.
Die von dem NaI Szintillator 4 und dem Plastikszintillator 15 detektierten Signale laufen durch den PM 6 und dem Vorverstärker 7 und werden in dem PSD Schaltkreis 16 diskriminiert. Fig. 7 zeigt die Ausgangsdaten von dem PSD Schaltkreis 16. In dieser Darstellung bezeichnet Bezugszeichen 4 die Detektorsignale des Strahls schneller Neutronen und des Gammastrahls von der ersten Quelle 1, die von dem Plastikszintillator 15 detektiert werden und Bezugszeichen 5 bezeichnet Detektorsignale des Gammastrahls von der ersten Quelle 1 und des Gammastrahls von der zweiten Quelle, die von dem NaI Szintillator 4 detektiert werden.
Tasächlich detektiert der Plastikszintillator 15 ebenfalls den Gammastrahl von der zweiten Quelle, doch der Ausgang von der zweiten Quelle ist schwach und der Gammastrahl von der zweiten Quelle erreicht den Plastikszintillator 15, nachdem er durch den NaI Szintillator 4 gelaufen ist, so daß der Gammastrahl fast vollständig von dem NaI Szintillator absorbiert wird; folglich ist der detektierte Anteil von dem Gammastrahl der zweiten Quelle, die von dem Plastikszintillator 15 detektiert wird, vernachlässigbar.
Der PSD Schaltkreis 16 diskriminiert die Eingangssignale und liefert 4 und 5, wie in Fig. 5 gezeigt ist, an einen ersten und zweiten Zähler 17 bzw. 18. Die CPU 19 unterteilt die Zählrate Np des ersten Zählers 17 in eine Zählrate Nn eines Strahls schneller Neutronen und eine Zählrate Nγ des Gammastrahls.
Das Verfahren zur Unterteilung der ersten Zählrate Np wird nun beschrieben.
Fig. 8 zeigt schematisch die Beziehungen unter den Neutronenstrahlzählraten Nn und den Gammastrahlzählraten Nγ, die die Zählrate Np des oben beschriebenen ersten Zählers bilden, und einer Zählrate Nc des zweiten Zählers. Der radioaktive Strahl von der ersten Quelle läuft durch ein Objekt 20, das auf einem Förderband 23 transportiert wird und tritt in den NaI Szintillator 4 und den Plastikszintillator 15 ein. Der NaI Szintillator 4 detektiert nur den Gammastrahl, welcher durch das Objekt 20 läuft, wohingegen der Plastikszintillator 15 den Gamrnastrahl wie auch den Strahl schneller Neutronen detektiert. Die zweite Quelle 2 ist nur für den AGC Schaltkreis vorgesehen und zu diesem Zweck werden nur die Signale von dem NaI Szintillator verwendet.
Die Daten des Gammastrahls und des Strahls schneller Neutronen von dem Objekt 20, die durch den PM 6 detektiert werden unter den oben beschriebenen Bedingungen, sind wie folgt. Die Zählrate Nc, die von dem NaI Szintillator 4 detektiert wurde, umfaßt den Gammastrahl γ (NaI) von dem Objekt 20 und den Gammastrahl γs (NaI) von der zweiten Quelle. Die Zählrate Np, die von dem Plastikszintillator 15 detektiert wurde, umfaßt die Zählrate Nγ des Gammastrahls von dem Objekt 20 und die Zählrate Nn des Strahls schneller Neutronen. Die Zählrate Nc, die von dem NaI Szintillator 4 detektiert wurde, entspricht dem Detektorsignal, das durch das Bezugszeichen 5 in Fig. 7 angezeigt ist und die Zählrate Np, die von dem Plastikszintillator 15 detektiert wurde, entspricht dem Detektorsignal, das durch das Bezugszeichen 4 von Fig. 7 bezeichnet ist.
Da der Gammastrahl γs (NaI) von der zweiten Quelle bekannt ist, kann der Wert des Gammastrahls γ (NaI) von dem Objekt 20, der die Zählrate Nc des zweiten Zählers 18 bildet, einfach ermittelt werden. Es gibt eine vorgegebene Proportionalbeziehung zwischen der Zählrate γ (NaI) von dem zweiten Zähler 18 und der Zählrate γ (Plastik) des Gammastrahls von dem Objekt 20, die die Zählrate des ersten Zählers 17 bildet, da beide durch Messung des Gammastrahles geliefert werden, der durch das gleiche Objekt 20 läuft. Folglich unterteilt sich gemäß der Erfindung die Zählrate Np des ersten Zählers 17 in die Neutronenzählrate Nn und die Gammazählrate Nγ unter Verwendung dieser Beziehung.
Einzelheiten dieser Unterteilung werden im folgenden beschrieben.

(1) Unterteilungsverfahren 1

In dem ersten Unterteilungsverfahren wird die Zählrate des Plastikszintillators 15 gemessen, wobei das Objekt 20 entfernt wird, und eine Gammastrahlenquelle, welche nur Gammastrahlen emittiert, wird an der Stelle der ersten Quelle 1 in dem Meßsystem, das in Fig. 8 gezeigt ist, angebracht. Cäsium Cs oder Kobalt Co wird als Gammastrahlenquelle verwendet.
Wenn die Zählrate des Plastikszintillators 15 in diesem Fall durch Npo wiedergegeben wird und die Zählrate des NaI Szintillators 4 durch Nco wiedergegeben wird, dann kann die Zählrate Nn des Strahls schneller Neutronen und die Zählrate Nγ des Gammastrahls berechnet werden in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung.
Nc x (Npo/Nco) = Nγ
Np - Nγ = Nn

(2) Unterteilungsverfahren 2

Das zweite Unterteilungsverfahren gemäß der Erfindung wird nun beschrieben. Das folgende Meßsystem wird vorbereitet. Das Objekt 20 wird entfernt und an Stelle des Plastikszintillators 15 wird ein Flüssigszintillator 5 mit der gleichen Größe in dem System von Fig. 8 vorgesehen. Da die Komponenten des Strahls schneller Neutronen und des Gammastrahls in dem Plastikszintillator durch den Flüssigszintillator pulsformdiskriminiert werden, werden die Zählraten N20 und N30 der Komponenten 2 und 3, die in Fig. 3 gezeigt sind, in diesem Zustand tatsächlich gemessen. Basierend auf dem Ergebnis der Messung werden jeweilige Daten gemäß den folgenden Gleichungen berechnet.
Nc x N20/N30 = Nγ
Np - Nγ = Nn
Dieses Unterteilungsverfahren basiert auf der Idee, daß die Effizienz bei der Detektierung des Strahls schneller Neutronen und des Gammastrahls des Plastikszintillators und des Flüssigszintillators im wesentlichen die gleichen sind vorausgesetzt, daß sie die gleiche Größe haben und die gleichen Mef3bedingungen vorliegen, da der Plastikszintillator und der Flüssigszintillator ähnliche Komponenten aufweisen.

(3) Verfahren zur Berechnung des Feuchtigkeitsgehaltes

Der Feuchtigkeitsgehalt W und die Dichte p können erhalten werden durch die folgenden Rechnungen basierend auf den Zählraten Nn und Nγ, die in der obigen Weise erhalten wurden.
Nn = Nn0exp(-µn x W x S x L) x [Abbremsung der Neutronen durch Dichte]
Nγ = Nγ0exp(-µc x q x S x l)
wobei
W: Feuchtigkeitsgehalt pro Volumeneinheit des Objektes g/cm&sub3; ist
p: Dichte des Objektes, Gewicht pro Volumeneinheit g/cm&sub3;
Nn0: Zählrate Nn, wenn das Objekt entfernt ist
Nγ0: Zählrate Nγ, wennd as Objekt entfernt ist µn, µγ: Apparatekonstante
S: Fläche (cm&sub2;) des Durchgangs des radioaktiven Strahles durch das Objekt
L: Abstand (cm) des Durchganges des gleichen radioaktiven Strahles durch das Objekt.
Hier ist der Faktor (Abbremsung der Neutronen durch Dichte) nicht mit dem Ziel der Erfindung verknüpft und es verkompliziert die Beschreibung der Erfindung, so daß er weggelassen wird.
Jedoch ist der notwendige Betrag nicht der Feuchtigkeitsgehalt pro Volumeneinheit, wie oben beschrieben wurde, sondern der Feuchtigkeitsanteil. Der Feuchtigkeitsanteil ist der Feuchtigkeitsgehalt (Gewicht) einer Gewichtseinheit des Objektes. Wenn das Objekt sich auf einem Förderer bewegt, dann ändern sich die obigen Werte S und L ständig und daher ist es schwierig, die Werte W und p zu berechnen aus den obigen Gleichungen. Jedoch sind die Werte S und L nicht notwendig, um den Feuchtigkeitsanteil, das heißt W/p zu messen. Da der Gammastrahl und der Strahl schneller Neutronen durch den gleichen Teil des Objektes zur gleichen Zeit läuft, ist S x L verschoben, wenn die Berechnung ausgeführt wird, in Realzeit unter Verwendung der zwei Meßwerte Nn und Nγ.
Fig. 9 zeigt die Meßergebnisse von der Vorrichtung zur Messung der Dichte und der Feuchtigkeit gemäß der Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufteilungsverfahren. Fig. 9 ist eine Darstellung, in welcher die X Achse den Feuchtigkeitsanteil einer Probe zeigt, der im voraus bekannt ist, und die Y Achse bezeichnet die Meßergebnisse von der Dichte- /Feuchtigkeitsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung. Mit Bezug auf Fig. 9 ist der Meßwert ungefähr der gleiche wie der tatsächliche Wert an jedem Punkt in dem Bereich des Feuchtigkeitsgehaltes pro Einheitsfläche von 015g/cm&sub2; bis 3,0gcm&sub2;.
Der verwendete PSD Schaltkreis in dieser Erfindung wird nun beschrieben. Fig. 10 ist ein Blockdiagrainrn, das einen Hauptteil des PSD Schaltkreises zeigt und die Fig. 11A und 11B zeigen Pulswellenformen an jeweiligen Punkten, die in Fig. 10 gezeigt sind. Fig. 11A zeigt einen Fall eines schnellen Pulses und Fig. 11B zeigt einen Fall eines langsamen Pulses.
Ein Signal wird in einen PSD Schaltkreis 16 durch einen Eingangsanschluß 31 eingegeben. Um ein Nullüberkreuzungssignal zu erhalten, wird das Signal zweifach abgeleitet unter Verwendung eines Ableitungsschaltkreises 32 der ersten Stufe und eines Ableitungsschaltkreises 33 der zweiten Stufe und integriert durch einen Integrationsschaltkreis 34, wodurch ein Signal b ermittelt wird. Zwei Komparatoren 412 und 42 werden zum Konvertieren von b in eine Pulsbreite verwendet. Die zwei Komparatoren 41 und 42 mit der Bezugsspannung A auf der Seite des + Zeichens und der Bezugsspannung B auf der Seite des -Zeichens werden verwendet, um Wellenformsignale c und d zu erhalten, um Rauschen zu vermeiden, das am Nullpunkt vorhanden ist. Unter Verwendung dieser zwei Wellenformen wird eine Wellenform eines Signals e durch eine PLD (programmierbare logische Einrichtung) 38 in Übereinstimmung mit den folgenden logischen Gleichungen erhalten.
Signal e = Signal c*/Signal d + Signal e*/Signal d
Die Pulsbreite dieser Wellenform ist proportional zur Anstiegszeit des Pulses unabhängig von der Höhe des Pulses.
Die Wellenform des Signals e wird in eine Verzögerungsleitung 39 eingegeben, um eine Wellenform eines Signals f zu erhalten. Die Verzögerungszeit dient als ein Schwellenwert, um Pulse kürzer als diese von längeren Pulsen abzutrennen. Durch Änderung der Verzögerungszeit kann der Schwellenwert für die Abtrennung der Pulszeit geändert werden.
Die Signale i und j werden vorgesehen basierend auf den folgenden logischen Gleichungen in PLD 37 und auf den Signalen e, f und m.
Signal i = Signal e*signal f*/signal m + signal i*/signal m
Signal j = Signal e*signal f*/signal M + signal j*/signal m
Die Signale i und j werden zu Detektorsignalen 5 und 4, welche in den zweiten Zähler 18 und den ersten Zähler 17 von Fig. 5 eingegeben werden.
Ein Signal k wird aus den Signalen i und j abgeleitet. Signal K = Signal i + Signal j
Ein Signal in wird aus dem Signal k, das durch einen Einschußschaltkreis 39 gelaufen ist, abgeleitet. Das Signal in wird auf der Basis eines Signals k unter Verwendung eines Einschußschaltkreises 39 abgeleitet, da eine Rücksetzung ausgeführt wird zur Vorbereitung, wenn ein früherer Puls (Signal i oder Signal j) detektiert wird.
In der obigen Beschreibung bedeutet das Bezugszeichen "*" einen UND Operator, "+" bezeichnet einen OR Operator und "/" bedeutet eine logische Negation.
Es kann eine universale Logik verwendet werden an Stelle des PLD 37.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde Californium Cf-252 als erste Quelle 1 verwendet. Jedoch kann eine Einzelquelle oder eine Anzahl von Quellen verwendet werden vorausgesetzt, daß der Strahl schneller Neutronen und der Gammastrahl von diesen emittiert werden.
Obwohl eine zweite Quelle 2 zum Betrieb des AGC Schaltkreises 8 vorgesehen wurde, um den Gain der Meßvorrichtung zu stabilisieren, ist die Zahl der Quelle 2 und der AGC Schaltkreis 8 nicht notwendig, wenn eine hohe Stabilität nicht erforderlich ist.
Obwohl die Erfindung auf ein Objekt 20 angewendet wurde, das auf einem Förderband 23 befördert wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann der Feuchtigkeitsgehalt eines Objektes, das durch eine Leitung fließt, durch Vorsehen einer Quelle 26 und eines Detektors 24 ober- und unterhalb dieser Leitung ebenfalls gemessen werden.
Obwohl die Beschreibung in dem Vorangegangenen weggelassen wurde, kann die erste und die zweite Quelle durch die inherente Halbzeitlebensdauer gedämpft werden. Beispielsweise hat Cf-252 eine Halbwertslebensdauer von 2,64 Jahren und Cs-137 erreicht eine Halbwertslebensdauer von 30,0 Jahren. Zur Kompensation kann ein Datumsgeber vorzugsweise in der Vorrichtung vorgesehen werden, so daß eine umgekehrte Korrektur der Halbwertslebensdauer von 2,64 Jahren der Pulszählrate der ersten Quelle und eine umgekehrte Korrektur der 30,0 Jahre der zweiten Quelle ausgeführt wird.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Da gemäß der Erfindung ein Pulsformdiskriminatorschaltkreis und ein Phosphoreszenzdetektor, die optisch mit einem NaI Szintillator und einem Plastik Szintillator gekoppelt sind, verwendet werden, kann die Dichte und der Feuchtigkeitsgehalt eines Objektes effizient und stabil gemessen werden und zudem, da ein Plastikszintillator verwendet wird, welcher mechanisch stabil ist, wird eine Dichte-/Feuchtigkeitsmeßvorrichtung geschaffen, die einfach zu handhaben ist und nicht teuer ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Dichte umfassend

- einen Phosphoreszenzdetektor (3) mit einem Plastikszintillator (15), welcher einen Gammastrahl und einen Strahl schneller Neutronen detektiert, und einen Szintillator (4) für einen Gammastrahl, welcher optisch mit einem Photovervielfacher (6) gekoppelt ist,

- einer ersten Quelle (1), die so angeordnet ist, daß der emittierte Gammastrahl und der Strahl schneller Neutronen durch ein Meßobjekt (20) hindurchgehen, um in den Phosphoreszenzdetektor (3) einzutreten,

- erste Trenneinrichtung (16) zum Trennen eines detektierten Signals von dem Phosphoreszenzdetektor in eine erste Signalkomponente, welche von dem Plastikszintillator (15) detektiert wird, und eine zweite Signalkomponente, welche durch den Szintillator für den Gammastrahl (4) detektiert wird, und

- Rechnereinrichtung (19) zum Berechnen der Dichte und des Feuchtigkeitsgehaltes des Meßobjektes (20) basierend auf den Daten der ersten Signalkomponente,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die erste Signalkomponente erste Daten umfaßt, welche von dem Strahl schneller Neutronen geliefert werden, und zweite Daten, welche von dem Gammastrahl geliefert werden, und

- eine zweite Trenneinrichtung, welche zum Trennen der ersten Daten von den zweiten Daten basierend auf der zweiten Signalkomponente vorgesehen ist.

2. Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Dichte gemäß Anspruch 1, worin die Trenneinrichtung eine Pulsform-Diskriminatoreinrichtung umfaßt.

3. Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Dichte nach Anspruch 2, die weiterhin eine Ausgangs-Stabilisierungseinrichtung zum Stabilisieren eines Einganges der ersten Trenneinrichtung umfaßt.

4. Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Dichte gemäß Anspruch 3, worin die Stabilisierungseinrichtung einen AGC-Schaltkreis und eine zweite Quelle umfaßt, welche nahe dem Phosphoreszenzdetektor zum Betrieb des AGC Schaltkreises vorgesehen ist.

5. Verfahren zur Messung von Feuchtigkeit und Dichte, umfassend die Schritte

(a) Herstellen einer ersten Quelle, welche einen Garnmastrahl und einen Strahl schneller Neutronen umfaßt, die durch ein Meßobjekt gehen,

(b) Detektieren des Gammastrahles und des Strahles schneller Neutronen, welche durch das Objekt gegangen sind, unter Verwendung eines Plastikszintillators, der optisch mit einem Photovervielfacher gekoppelt ist,

(c) Detektieren von nur dem Gammastrahl, welcher durch das Objekt gegangen ist, unter Verwendung eines Szintillators für den Gammastrahl, der ebenfalls optisch mit dem Photovervielfacher gekoppelt ist,

(d) Pulsformdiskriminierung des Gammastrahls und des Strahls schneller Neutronen, die von dem Plastikszintillator detektiert wurden, von dem Gammastrahl, welcher von dem Szintillator für den Gammastrahl detektiert wurde,

(e) Ungetrenntes Beibehalten der Daten des Gammastrahls und des Strahls schneller Neutronen, die von dem Plastikszintillator detektiert werden, selbst durch die Pulsformdiskriminierung,

(f) Trennen der integralen Daten des Gammastrahls und des Strahls schneller Neutronen basierend auf den Gammastrahldaten, welche von dem Szintillator für Gammastrahlen detektiert wurden, und

(g) Messen der Dichte und des Feuchtigkeitsgehaltes des Objektes basierend auf den getrennten Daten.

6. Verfahren zum Messen von Feuchtigkeit und Dichte gemäß Anspruch 5, worin der Trennschritt umfaßt die Schritte

- Entfernen des Objektes,

- Ersetzen des Plastikszintillators durch einen Flüssigszintillator mit der gleichen Größe,

- Detektieren des Strahles schneller Neutronen und des Gammastrahles von der ersten Quelle durch den Flüssigszintillator zum Bewirken einer zweiten Pulsformdiskriminierung und

- Bestimmen der Detektionsrate des Neutronenstrahls und des Gammastrahls durch den Plastikszintillator basierend auf den Daten, die von der zweiten Pulsformdiskriminierung geliefert werden.

7. Verfahren zur Messung von Feuchtigkeit und Dichte nach Anspruch 5, weiterhin umfassend den Schritt des Stabilisierens des detektierten Ausgangs des Gammastrahls und des Strahls schneller Neutronen durch den Plastikszintillator und dem Szintillator für den Gammastrahl.