EP4639105A1 - Radiometrischer detektor - Google Patents

Radiometrischer detektor

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Publication number
EP4639105A1
EP4639105A1 EP23820864.9A EP23820864A EP4639105A1 EP 4639105 A1 EP4639105 A1 EP 4639105A1 EP 23820864 A EP23820864 A EP 23820864A EP 4639105 A1 EP4639105 A1 EP 4639105A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
scintillator
detector
signal
evaluation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23820864.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd BECHTEL
Viraj Chitale
Narcisse Michel NZITCHIEU GADEU
Simon Weidenbruch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4639105A1 publication Critical patent/EP4639105A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/288—X-rays; Gamma rays or other forms of ionising radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Definitions

  • the invention relates to a safe detector for radiometric density or level measurement.
  • measuring devices or measuring systems are often used to record and/or influence process variables.
  • the process variables determined include the fill level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity.
  • different measuring principles are implemented in the measuring device or measuring system. Actuators such as valves or pumps are used to influence process variables, which can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container.
  • Actuators such as valves or pumps are used to influence process variables, which can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container.
  • a large number of such measuring devices and measuring systems are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Radiometric-based measuring systems are used to measure fill levels, particularly in applications where other measuring principles such as radar fail due to harsh operating conditions.
  • radioactive radiation for example gamma radiation from a cesium or cobalt source
  • a radioactive radiation source of the measuring device is used, which is emitted by a radioactive radiation source of the measuring device and passed through the container with the relevant filling material.
  • the transmitted radiation intensity is recorded by a detector of the measuring device.
  • the detector is arranged on the container approximately opposite the radiation source.
  • the transmitted portion of the radiation emitted by the detector is determined.
  • the fill level of the filling material in the container is determined.
  • the transmitted portion of the radioactive radiation power cannot be directly detected after passing through the container.
  • the radioactive radiation in the detector must first be separated into electromagnetic radiation in the optical spectral range. Only then can the radiation power within the detector be detected by a photoreceiver unit.
  • the photoreceiver unit and the reference photoreceiver unit can comprise, for example, one or more photomultipliers and/or photodiodes, such as an avalanche photodiode or a silicon photomultiplier. Materials that convert radiometric rays into optical radiation are referred to as scintillating materials.
  • safety-relevant measuring systems are required to be able to monitor the various functional units of the device in such a way that any malfunction of each unit can be detected with sufficient certainty.
  • Corresponding safety specifications are defined, for example, as "Safety Integrity Level x (SILx)" in accordance with the IEC61508 series of standards. If the measuring system cannot comply with such safety specifications or can only partially comply with them, it is considered unsafe and may only be operated with correspondingly shorter test cycles, if at all. However, such test cycles are complex in the ongoing production process and therefore undesirable. With regard to the photoreceiver unit, however, it is difficult to verify that it is functioning correctly because failures there may not be clearly identified as defects. The invention is therefore based on the object of providing an improved radiometric measuring system in this regard.
  • a detector for a radiometric measuring system which serves to determine a density and/or a filling level of a filling material in a container, comprising the following components:
  • a photoreceiver unit which is optically connected to the scintillator in such a way that, in response to a light received at the scintillator, radioactive radiation intensity to generate an electrical evaluation signal
  • a reference photoreceiver unit which is in particular not identical in construction to the photoreceiver unit and is optically connected to the scintillator in such a way as to generate an electrical reference signal depending on the radioactive radiation intensity entering the scintillator, and
  • an evaluation unit which is designed o to check whether the evaluation signal and the reference signal match, and o to determine the density and/or the fill level of the filling material at least based on the evaluation signal or the reference signal, o to classify the detector as non-functional if the evaluation signal and the reference signal do not match.
  • the evaluation unit digitizes the evaluation signal and the reference signal, it is of course conceivable that the evaluation unit checks the already digitized signals for consistency.
  • the evaluation unit can generate a "SIL" compliant error signal if the evaluation unit classifies the detector as not functioning or if the evaluation signal and the reference signal do not match. Overall, the detector is therefore more reliable and easier to maintain in terms of test cycles.
  • the evaluation unit is designed to determine the density or the fill level based on both the evaluation signal and the reference signal, the measured value can also be determined with greater accuracy using the detector according to the invention.
  • the photoreceiver unit and the reference photoreceiver unit of the detector is based on one or more photomultipliers, or on photodiodes, such as an array of avalanche photodiodes or an array of silicon photomultipliers.
  • the reference photoreceiver unit of the detector according to the invention can be designed as a GaAs-based avalanche photodiode, for example, while the actual photoreceiver unit is designed as a silicon photomultiplier.
  • the photoreceiver unit and the reference photoreceiver unit it is not absolutely necessary for the photoreceiver unit and the reference photoreceiver unit to optically couple to the same, first end region of the scintillator.
  • the first photoreceiver unit it is also conceivable for the first photoreceiver unit to optically couple to the first end region of the scintillator, while the reference photoreceiver unit to optically couple to a second, opposite end region of the scintillator.
  • the evaluation unit in order to produce signal coherence, it may be necessary for the evaluation unit to include a signal delay component by means of which the evaluation signal and/or the reference signal can be delayed in time. In the case of digitized signals, this can be a shift register, for example.
  • a corresponding radiometric measuring device which is used to measure the density or fill level of filling materials in containers, comprises, in addition to the detector according to the invention, a radioactive radiation source, which can be attached in relation to the container in such a way that radioactive radiation is emitted towards the container within a defined beam cone.
  • the detector is to be attached to the container opposite the radiation source in such a way that the scintillator is at least partially located in the beam cone.
  • unit 1 is understood to mean in principle any electronic circuits that are used for the specific intended purpose, e.g. for measurement signal processing or as an interface.
  • the respective unit can therefore comprise corresponding analog circuits for generating or processing analog signals depending on the intended purpose.
  • the unit can also comprise digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs.
  • the program is designed to carry out the required method steps or to apply the necessary arithmetic operations.
  • different units within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits within a unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.
  • Fig. 1 A radiometric measuring system on a container.
  • Fig. 1 shows a radiometric measuring system for industrial fill level measurement, which is based on a detector 1 according to the invention.
  • Fig. 1 shows a container 3 of an industrial process plant.
  • the container 3 can contain, for example, crude oil as the filling material 2, which undergoes a refraction process there.
  • the fill level L and/or a density profile of the filling material 2 must be determined, whereby the radiometric measuring principle is used due to the harsh process conditions.
  • a radioactive radiation source 5 of the measuring system is arranged and aligned on the container 3 so that radioactive radiation emerges towards the container 3 within a defined beam cone.
  • the radiation source 5 is arranged at an upper end region of the container 3 and inclined downwards by approximately 45°. This ensures that the beam cone a penetrates the measuring area I of the container interior, which is essential for the level or density profile measurement. Depending on the height of the container 3 or the running Depending on the process, this measuring range I can vary, which is why the measuring system must in principle be individually adaptable to this.
  • the detector 1 is arranged opposite the radiation source 5 on the container 3 in the beam cone a of the radiation source 5.
  • the detector 1 comprises all the components required in terms of the functional principle to generate an electrical evaluation signal s a based on incident radioactive radiation, which represents the power or intensity of the incident radiation:
  • a scintillator 11 of the detector 1 serves to convert the radioactive radiation coming from the radiation source 5 into optical or spectrally adjacent radiation.
  • the scintillator 11 can be based on organic scintillator materials such as polystyrene or polyvinyl toluene.
  • crystalline or inorganic materials can be used which have corresponding scintillating properties, such as thallium-doped sodium iodide or gadolinium aluminum gallium gamete.
  • the radiation converted into optical form by the scintillator 11 is then converted by a photoreceiver unit 12 into an evaluation signal s a , which thereby represents the power or the intensity of the radiation incident on the scintillator 11.
  • the photoreceiver unit 12 can be implemented as a photomultiplier or as a photodiode, such as a GaAs-based avalanche photodiode or a so-called silicon photomultiplier. In the embodiment shown, the photoreceiver unit 12 is arranged for this purpose at a lower end region of the scintillator 11.
  • the scintillator 11 Due to the - vertical - alignment of the scintillator 11 towards the beam cone a of the radiation source 5, the scintillator 11 receives the radioactive radiation after passing through the filling material 2 or through the gas phase located above it in the interior of the container.
  • the intensity of the received radiation - in relation to the initial intensity at the radiation source 5 - depends essentially on the filling level L of the filling material 1 and on its density: If, depending on the filling level L, filling material 2 is in the beam path between the radiation source 5 and the scintillator 11, the Intensity of the incident radioactive radiation is correspondingly significant or measurable.
  • the evaluation signal sa of the photoreceiver unit 12 represents the radiation intensity incident on the scintillator 11, provided that the photoreceiver unit 12 is fully functional.
  • An appropriately designed evaluation unit 14 of the detector 1 is used to determine the density or the fill level L based on the evaluation signal s a .
  • the photoreceiver unit 12 and the evaluation unit 14 are electrically connected to one another for this purpose. At the same time, the power supply of the photoreceiver unit 12 by the evaluation unit 14 is ensured via this contact.
  • the radiation source 5 and the detector 1 can either be mounted directly on the container 3, or indirectly on corresponding free-standing stands.
  • the evaluation unit 14 of the measuring system for controlling the process can also be connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via a separate interface unit, such as "4-20 mA”, “PROFIBUS”, "HART 1 , or "Ethernet”.
  • the measured density or fill level value L can be transmitted via this, for example to control heating elements or any supply lines on the container 3.
  • other information about the general operating status of the measuring system can also be communicated.
  • the determination of the density or fill level measurement value L based on the evaluation signal s a can in this case also be taken over by the higher-level unit 4.
  • the detector 1 comprises, in addition to the actual photoreceiver unit 12, a reference photoreceiver unit 13, which in turn optically couples to the scintillator 11.
  • the reference photoreceiver unit 13 is not designed to be identical to the photoreceiver unit 12. This means that the reference photoreceiver unit 13 can be designed as a photomultiplier, for example, while the actual photoreceiver unit 12 is designed, for example, on the basis of GaAs-based avalanche photodiodes.
  • the reference photoreceiver unit 13 is arranged at the same lower end region of the scintillator 11 as the actual photoreceiver unit 12. With such a design, it is advantageously ensured that the signals s a , s r of the photoreceiver units 12, 13 are not offset in terms of propagation time. In contrast to this, it is also possible within the scope of the invention for the reference photoreceiver unit 13 to be arranged at the upper end region of the scintillator, in contrast to the actual photoreceiver unit 12. This design offers the advantage that a higher overall radiation power can be received due to the potentially larger contact area towards the scintillator 11. This in turn increases the measurement resolution in principle.
  • the reference photoreceiver unit 13 generates an electrical reference signal s r analogous to the evaluation signal s a of the photoreceiver unit 12, which also represents the radioactive radiation intensity arriving at the scintillator 11, provided that the reference photoreceiver unit 13 is fully functional. According to the invention, this can be used to check whether the evaluation signal s a and the reference signal s r match within a permitted or previously defined tolerance. This check can be carried out by the evaluation unit 14. Alternatively, this check can also be carried out by the higher-level unit 4, provided that the evaluation unit 14 is only used for Digitization and/or transmission of the signals s a , s r to the higher-level unit 4.
  • the density or fill level measurement value determined on the basis of the evaluation signal Sa or the reference signal s r can be considered valid. In the event that the density or fill level measurement value is determined in the evaluation unit 14, this can generate a corresponding error signal in addition to the measurement value or transmit it to the higher-level unit 4 if the detector 1 has been classified as not functioning or if the evaluation signal s a and the reference signal s r do not match.
  • the detector 1 Due to this redundant design and the comparison of the signals s a , s r , the detector 1 meets the corresponding "S//_" specifications and is therefore correspondingly safer and easier to maintain.
  • the redundant design also has the advantage that the level or density measurement value can be determined with greater accuracy, provided that this is determined using both the evaluation signal s a and the reference signal s r , since in this case the evaluation unit 14 has an overall higher signal strength available for evaluation and the signal-to-noise ratio is significantly increased.
  • the evaluation unit 14 is structurally arranged in a separate housing part. This housing part in turn adjoins the lower end region of a housing 15 in which the scintillator 11 and the photoreceiver unit 12 are arranged. In contrast to the illustration shown, it is also conceivable that the housing part of the evaluation unit 14 adjoins the upper end region of the housing 15. In addition, in contrast to the illustration in Fig. 1, it is conceivable that the evaluation unit 14 is arranged in the same housing 14 in which the scintillator 11 and the photoreceiver unit 12 are also located. In order to ensure trouble-free measurement, it is essential that the housing 15 is protected the photoreceiver units 12, 13 are designed to be opaque to protect them from extraneous light and the resulting distortion of measured values.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen sicheren Detektor (1) für radiometrisches Mess- Systeme, die zur Bestimmung einer Dichte und/oder eines Füllstandes (L) von Füllgütern (2) in Behältern (3) dienen. Dabei umfasst der Detektor (1) folgende Komponenten: Einen Szintillator (11) und eine Fotoempfänger-Einheit (12), welche optisch derart mit dem Szintillator (11) verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator (11) eingehenden, radioaktiven Strahlungs- Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal (sa) zu generieren. Anhand des Auswerte-Signals (sa) kann eine Auswerte-Einheit (4, 14) die Dichte bzw. den Füllstand (L) bestimmen. Erfindungsgemäß zeichnet sich der Detektor (1) durch eine Referenz-Fotoempfänger-Einheit (13) aus, welche ebenfalls optisch mit dem Szintillator (11) verbunden ist, um in Abhängigkeit der am Szintillator (11) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Referenz-Signal (sr) zu generieren. Hierdurch kann die Auswerte- Einheit (4, 14) prüfen, ob das Auswerte-Signal (sa) und das Referenz-Signal (sr) übereinstimmen. Sofern dies nicht der Fall ist, wird der Detektor (1) als nicht funktionstüchtig eingestuft. Durch diese redundante Auslegung kann der erfindungsgemäße Detektor (1) entsprechende „SIL"-Vorgaben erfüllen und wird hierdurch entsprechend sicherer bzw. wartungsfreundlicher.

Description

Radiometrischer Detektor
Die Erfindung betrifft einen sicheren Detektor zur radiometrischen Dichte- oder Füllstandsmessung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierung werden vielfach Messgeräte bzw. Mess-Systeme eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Dabei werden als Prozessvariablen unter anderem der Füllstand, der Durchfluss, der Druck, die Temperaturen, der pH-Wert, das Redoxpotential oder die Leitfähigkeit bestimmt. Dabei sind je nach Prozessvariable jeweils unterschiedliche Messprinzipien im Messgerät bzw. Mess-System implementiert. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Eine Vielzahl solcher Messgeräte und Mess-Systeme wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung werden vor allem bei solchen Anwendungen Radiometrie-basierte Mess-Systeme eingesetzt, bei denen andere Messprinzipien wie Radar aufgrund von harschen Einsatzbedingungen versagen. Gemäß des radiometrischen Messprinzips wird radioaktive Strahlung (beispielsweise Gamma-Strahlung einer Cäsium- oder Kobalt- Quelle) genutzt, die von einer radioaktiven Strahlenquelle des Messgerätes ausgesendet und durch den Behälter mit dem relevanten Füllgut geleitet wird. Nach Durchgang durch den Behälter wird die transmittierte Strahlungsintensität von einem Detektor des Messgerätes erfasst. Hierzu ist der Detektor in Bezug zur Strahlenquelle in etwa gegenüberliegend am Behälter angeordnet. Durch die Bestimmung der Intensität bzw. Leistung des am Detektor eingehenden Signals wird der transmittierte Anteil der vom Detektor ausgesandten Strahlung bestimmt. Auf Basis dessen wird auf den Füllstand des Füllgutes im Behälter geschlossen. Dabei kann der transmittierte Anteil der radioaktiven Strahlungsleistung nach Durchgang durch den Behälter nicht direkt detektiert werden. Hierzu muss die radioaktive Strahlung im Detektor durch ein hierfür geeignetes Material zunächst in elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich umgewandelt werden. Erst im Anschluss kann die Strahlungsleistung innerhalb des Detektors von einer Fotoempfänger-Einheit detektiert werden. Hierzu können die Fotoempfänger-Einheit und die Referenz-Fotoempfänge-Einheit beispielsweise einen oder mehrere Photomultiplier und/oder Photodioden, wie eine Avalanche-Photodioden oder einen Silicon-Photomultiplier umfassen. Materialien, die radiometrische Strahlen in optische Strahlung umwandeln, werden als szintillierende Materialien bezeichnet. Unter anderem Polystyrol, Polyvinyl-Toluene und mit Thallium dotiertes Natrium-Iodid weisen diese szintillierende Eigenschaft jeweils auf. Aus dem Stand der Technik sind radiometrische Füllstands- oder Dichtemess-Systeme bereits bekannt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist beispielsweise in der Patentschrift EP 2 208 031 B1 beschrieben.
Unabhängig vom implementierten Messprinzip wird für sicherheitsrelevante Mess-Systeme gefordert, die verschiedenen funktionalen Einheiten des Gerätes so überwachen zu können, dass eine etwaige Fehlfunktion jeder Einheit mit ausreichender Sicherheit detektiert werden kann. Definiert sind entsprechende Sicherheitsvorgaben beispielswiese als „Safety Integrity Level x (SILx)“ gemäß der Normenreihe IEC61508. Sofern das Mess-System solche Sicherheitsvorgaben nicht oder nur teilweise einhalten kann, gilt es als unsicher und darf, wenn überhaupt, nur mit entsprechend kürzeren Prüfzyklen betrieben werden. Solche Prüfzyklen sind im laufenden Produktionsprozess jedoch aufwändig und dementsprechend unerwünscht. Bezüglich der Fotoempfänger-Einheit ist die Überprüfbarkeit der korrekten Funktion jedoch schwierig, weil Ausfälle dort ggf. nicht eindeutig als Defekt erkannt werden können. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein diesbezüglich verbessertes, radiometrisches Mess-System bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Detektor für ein radiometrisches Mess-System, das zur Bestimmung einer Dichte und/oder eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter dient, folgende Komponenten umfassend:
- einen Szintillator,
- eine Fotoempfänger-Einheit, welche optisch derart mit dem Szintillator verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal zu generieren, und
- eine insbesondere nicht baugleich zur Fotoempfänger-Einheit ausgelegte Referenz-Fotoempfänger-Einheit, welche optisch derart mit dem Szintillator verbunden ist, um in Abhängigkeit der am Szintillator eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Referenz-Signal zu generieren, und
- eine Auswerte-Einheit, welche ausgelegt ist, o zu prüfen, ob das Auswerte-Signal und das Referenz-Signal übereinstimmen, und o zumindest anhand des Auswerte-Signals oder anhand des Referenz-Signals die Dichte und/oder den Füllstand des Füllgutes zu bestimmen, o den Detektor als nicht funktionstüchtig einzustufen, sofern das Auswerte-Signal und das Referenz-Signal nicht übereinstimmen.
Sofern die Auswerte-Einheit das Auswerte-Signal und das Referenz-Signal digitalisiert, ist es natürlich denkbar, dass die Auswerte-Einheit die bereits digitalisierten Signale auf Übereinstimmung prüft.
Durch die erfindungsgemäß redundante Auslegung des Detektors mit einem zusätzlichen Referenz-Fotoempfänger-Einheit kann die Auswerte-Einheit bei entsprechender Auslegung ein „SIL“ -konformes Fehlersignal generieren, sofern die Auswerte-Einheit den Detektor als nicht funktionstüchtig einstuft bzw. sofern das Auswerte-Signal und das Referenz-Signal nicht übereinstimmen. Insgesamt wird der Detektor damit zuverlässiger bzw. hinsichtlich Prüfzyklen wartungsfreundlicher.
Sofern die Auswerte-Einheit ausgelegt ist, die Dichte bzw. den Füllstand sowohl anhand des Auswerte-Signals, als auch anhand des Referenz-Signals zu bestimmen, kann der Messwert mittels des erfindungsgemäßen Detektors zudem mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden.
Die Erfindung kann unabhängig von der Realisierung der Fotoempfängerimplementiert werden. Beispielsweise können die Fotoempfänger-Einheit und die Referenz-Fotoempfänger-Einheit des Detektors auf jeweils einen oder mehreren Photomultipliern, oder auf Photodioden, wie bspw. ein Array an Avalanche-Photodioden oder ein Array an Silicon Photomultipliern, basieren. Aus sicherheitstechnischer Sicht ist es dabei vorteilhaft, die Referenz- Fotoempfänger-Einheit des erfindungsgemäßen Detektors nicht baugleich zu dessen Fotoempfänger-Einheit auszulegen, um das Risiko zu vermindern, dass beide Fotoempfänger-Einheit einem Typ-bedingten Versagensmechanismus unterliegen. Hierzu kann die Referenz- Fotoempfänger-Einheit bspw. als GaAs-basierte Avalanche-Photodiode auszulegen, während die eigentliche Fotoempfänger-Einheit als Silicon Photomultiplier konzipiert wird.
Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Fotoempfänger-Einheit und die Referenz-Fotoempfänger-Einheit optisch an einem gleichen, ersten Endbereich des Szintillators ankoppeln. Prinzipiell ist es auch denkbar, dass die erste Fotoempfänger-Einheit optisch am ersten Endbereich des Szintillator ankoppelt, während die Referenz-Fotoempfänger-Einheit optisch an einem zweiten, gegenüberliegenden Endbereich des Szintillators ankoppelt. In diesem Fall kann es jedoch zur Herstellung von Signal-Kohärenz erforderlich sein, dass die Auswerte-Einheit ein Signalverzögerungsbauteil umfasst, mittels welchem das Auswerte-Signal und/oder das Referenz-Signal zeitlich verzögerbar ist. Im Falle von digitalisierten Signalen kann dies beispielsweise ein Schieberegister sein.
Ein entsprechendes radiometrisches Messgerät, das zur Dichte- bzw. Füllstands-Messung von Füllgütern in Behältern dient, umfasst neben dem erfindungsgemäßen Detektor zudem eine radioaktive Strahlenquelle, welche derart in Bezug zum Behälter anbringbar ist, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels gen Behälter ausgesendet wird. Dabei ist Detektor in Bezug zur Strahlenquelle derart gegenüberliegend am Behälter anzubringen, dass sich der Szintillator zumindest teilweise im der Strahl-Kegel befindet.
Unter dem Begriff „Einheit1 werden im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche elektronischen Schaltungen verstanden, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal-Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene Einheiten im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb einer Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, miteinander verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein radiometrisches Mess-System an einem Behälter.
Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein radiometrisches Mess-System zur industriellen Füllstandsmessung gezeigt, das auf einem erfindungsgemäßen Detektor 1 basiert. Dementsprechend ist in Fig. 1 ein Behälter 3 einer industriellen Prozessanlage gezeigt. Dabei kann der Behälter 3 als Füllgut 2 bspw. Rohöl beinhalten, welches dort einen Refraktionierungs- Prozess unterläuft. Zur Steuerung des Prozesses ist der Füllstand L und/oder ein Dichte-Profil des Füllgutes 2 zu bestimmen, wobei aufgrund der harschen Prozessbedingungen das radiometrische Messprinzip zum Einsatz kommt. Hierzu ist eine radioaktive Strahlenquelle 5 des Mess-Systems so am Behälter 3 angeordnet und ausgerichtet, dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels a gen Behälter 3 austritt. Dabei ist die Strahlenquelle 5 bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante an einem oberen Endbereich des Behälters 3 angeordnet und um ca. 45° nach unten geneigt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Strahl-Kegel a den zur Füllstands- bzw. Dichteprofil-Messung wesentlichen Messbereich I des Behälter-Inneren durchstrahlt. Je nach Höhe des Behälters 3 bzw. je nach ablaufendem Prozess kann dieser Messbereich I unterschiedlich hoch ausfallen, weswegen das Mess-System hierauf prinzipiell individuell anpassbar sein muss.
Der Detektor 1 ist in Bezug zur Strahlenquelle 5 gegenüberliegend am Behälter 3 im Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 5 angeordnet.
Dabei umfasst der Detektor 1 jeweils alle vom Funktionsprinzip her nötigen Komponenten, um anhand einfallender, radioaktiver Strahlung ein elektrisches Auswerte-Signal sa zu erzeugen, welches die Leistung bzw. Intensität der einfallenden Strahlung repräsentiert: Ein Szintillator 11 des Detektors 1 dient dazu, die von der Strahlenquelle 5 eingehende, radioaktive Strahlung in optische bzw. spektral dort angrenzende Strahlung umzuwandeln. Hierzu kann der Szintillator 11 einerseits auf organischen Szintillator-Materialien, wie Polystyrol oder Polyvinyl-Toluene basieren. Anderseits können kristalline bzw. anorganische Materialien eingesetzt werden, die entsprechend szintillierende Eigenschaften aufweisen, wie Thallium-dotiertes Natrium-Iodid oder Gadolinium-Aluminium-Gallium-Gamet.
Die vom Szintillator 11 ins Optische umgewandelte Strahlung wird im Anschluss durch eine Fotoempfänger-Einheit 12 in ein Auswerte-Signal sa umgewandelt, welches hierdurch die Leistung bzw. die Intensität der am Szintillator 11 einfallenden Strahlung repräsentiert. Dabei kann der Fotoempfänger-Einheit 12 als Photomultiplier oder auch als Photodiode, wie beispielsweise einer GaAs-basierten Avalanche-Photodiode oder einem so genannten Silicon-Photomultiplier realisiert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Fotoempfänger-Einheit 12 hierzu an einem unteren Endbereich des Szintillators 11 angeordnet.
Durch die - vertikale - Ausrichtung des Szintillators 11 zum Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 5 hin empfängt der Szintillator 11 die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch das Füllgut 2 bzw. durch die oberhalb davon befindliche Gasphase im Behälter-Inneren. Somit hängt die Intensität der empfangenen Strahlung - in Bezug zur Ausgangs-Intensität an der Strahlenquelle 5 - im Wesentlichen vom Füllstand L des Füllgutes 1 sowie von dessen Dichte ab: Sofern sich, abhängig vom Füllstand L, Füllgut 2 im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 5 dem Szintillator 11 befindet, so verringert sich die Intensität der einfallenden, radioaktiven Strahlung entsprechend signifikant bzw. messbar. Hierdurch repräsentiert das Auswerte-Signal sa,der Fotoempfänger-Einheit 12 die am Szintillator 11 einfallende Strahlenintensität, sofern die Fotoempfänger-Einheit 12 vollfunktionstüchtig ist.
Zur Bestimmung der Dichte bzw. des Füllstandes L anhand des Auswerte- Signals sa dient eine entsprechend ausgelegtes Auswerte-Einheit 14 des Detektors 1. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, sind die Fotoempfänger-Einheit 12 und die Auswerte-Einheit 14 hierzu elektrisch entsprechend miteinander kontaktiert. Gleichzeitig wird über diesen Kontakt die Leistungsversorgung der Fotoempfänger-Einheit 12 durch die Auswerte-Einheit 14 gewährleistet.
Insgesamt können die Strahlenquelle 5 und der Detektor 1 entweder unmittelbar am Behälter 3 montiert sein, oder indirekt an entsprechend freistehenden Stativen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Auswerte-Einheit 14 des Mess-Systems zur Regelung des Prozesses zudem über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART1, oder „Ethernet mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden werden. Hierüber kann der gemessene Dichte- bzw. Füllstands-Messwert L übermittelt werden, beispielsweise um Heiz-Elemente oder etwaige Zuleitungen am Behälter 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Mess-Systems kommuniziert werden. Sofern der Funktionsumfang der Auswerte-Einheit 14 auf die Übertragung des Auswerte-Signals sa an die übergeordnete Einheit und die Leistungs- Versorgung der Foto-Empfänger-Einheit 12 beschränkt ist, kann die Bestimmung des Dichte- bzw. Füllstands-Messwertes L anhand des Auswerte- Signals sa in diesem Fall auch durch die übergeordnete Einheit 4 übernommen werden.
Verschiedene Mechanismen, wie beispielsweise Alterung oder mechanische Vibrationen, können im Verlauf des Betriebs dazu führen, dass von der Auswerte-Einheit 14 bzw. der übergeordneten Einheit 4 ein falscher Füllstands- bzw. Dichte-Messwert ermittelt wird, der zu einer fehlerhaften Regelung des im Behälter 3 stattfindenden Prozesses führen kann. Dabei ist es von außen nicht ersichtlich, dass der ermittelte Messwert fehlerhaft bzw. der Detektor 1 nicht funktionstüchtig ist.
Um dies zu verhindern, umfasst der erfindungsgemäße Detektor 1 neben der eigentlichen Fotoempfänger-Einheit 12 zusätzlich eine Referenz- Fotoempfänger-Einheit 13, welche wiederum optisch an den Szintillator 11 ankoppelt. Dabei ist die Referenz-Fotoempfänger-Einheit 13 in der gezeigten Ausführungsvariante nicht baugleich zur Fotoempfänger-Einheit 12 ausgelegt. Das heißt, die Referenz-Fotoempfänger-Einheit 13 kann beispielsweise als Photomultiplier ausgelegt sein, während die eigentliche Fotoempfänger- Einheit 12 bspw. auf Basis GaAs-basierter Avalanche-Photodioden konzipiert ist.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante ist die Referenz- Fotoempfänger-Einheit 13 am selben, unteren Endbereich des Szintillators 11 angeordnet, wie die eigentliche Fotoempfänger-Einheit 12. Bei solch einer Auslegung ist vorteilhafter Weise sichergestellt, dass dies Signale sa, sr der Fotoempfänger-Einheiten 12, 13 nicht Laufzeitversetzt sind. Im Gegensatz dazu ist es im Rahmen der Erfindung außerdem möglich, dass die Referenz- Fotoempfänger-Einheit 13 im Gegensatz zur Fotoempfänger-Einheit 12 eigentlichen am oberen Endbereich des Szintillators angeordnet wird. Diese Auslegung bietet den Vorteil, dass durch die potenziell größere Kontaktfläche zum Szintillator 11 hin eine insgesamt höhere Strahlungsleistung empfangbar ist. Dies erhöht wiederum prinzipiell die Messauflösung.
Durch die Referenz-Fotoempfänger-Einheit 13 wird analog zum Auswerte- Signal sa der Fotoempfänger-Einheit 12 ein elektrisches Referenz-Signal sr generiert, welches ebenso die am Szintillator 11 eingehende, radioaktive Strahlungs-Intensität repräsentiert, sofern die Referenz-Fotoempfänger- Einheit 13 voll funktionsfähig ist. Erfindungsgemäß kann dies genutzt werden, um zu prüfen, ob das Auswerte-Signal sa und das Referenz-Signal sr im Rahmen einer erlaubten bzw. zuvor definierten Toleranz übereinstimmen. Diese Prüfung kann von der Auswerte-Einheit 14 durchgeführt werden. Alternativ kann diese Prüfung jedoch auch von der übergeordneten Einheit 4 übernommen werden, sofern die Auswerte-Einheit 14 lediglich zur Digitalisierung und/oder zur Übertragung der Signale sa, sr an die übergeordnete Einheit 4 dient.
Sofern die Überprüfung ergibt, dass das Auswerte-Signal sa und das Referenz-Signal sr übereinstimmen, kann der Auf Basis des Auswerte-Signals Sa bzw. des Referenz-Signals sr ermittelte Dichte- bzw. Füllstands-Messwert als valide angesehen werden. Für den Fall, dass der Dichte- bzw. Füllstands- Messwert in der Auswert-Einheit 14 bestimmt wird, kann diese neben dem Messwert ggf. ein entsprechendes Fehlersignal generieren bzw. an die übergeordnete Einheit 4 übermitteln, sofern der Detektor 1 als nicht funktionstüchtig eingestuft wurde, bzw. sofern das Auswerte-Signal sa und das Referenz-Signal sr nicht übereinstimmen.
Durch diese redundante Auslegung und den Abgleich der Signale sa, sr erfüllt der Detektor 1 entsprechende „S//_“-Vorgaben und wird hierdurch entsprechend sicherer bzw. wartungsfreundlicher. Daneben ergibt sich durch die redundante Auslegung zudem der Vorteil, dass der Füllstands- bzw. Dichte-Messwert mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann, sofern dieser sowohl anhand des Auswerte-Signals sa, als auch anhand des Referenz-Signals sr bestimmt wird, da der Auswerte-Einheit 14 in diesem Fall eine insgesamt höhere Signalstärke zur Auswertung zur Verfügung steht und das Signal- zu Rausch-Verhältnis signifikant erhöht wird.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Detektors 1 ist die Auswerte-Einheit 14 konstruktiv in einem eigenständigen Gehäuseteil angeordnet. Dieser Gehäuseteil schließt wiederum an dem unteren Endbereich eines Gehäuses 15 an, in welchem der Szintillator 11 und die Fotoempfänger-Einheit 12 angeordnet sind. Im Gegensatz zu der gezeigten Darstellung ist auch denkbar, dass der Gehäuseteil der Auswerte- Einheit 14 an den oberen Endbereich des Gehäuses 15 anschließt. Außerdem ist es im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 1 denkbar, dass die Auswerte- Einheit 14 im gleichen Gehäuse 14 angeordnet ist, in welchem sich auch der Szintillator 11 und die Fotoempfänger-Einheit 12 befinden. Dabei ist es zu einer störungsfreien Messung essenziell, dass das Gehäuse 15 zum Schutz der Fotoempfänger-Einheiten 12, 13 vor Fremdlicht und entsprechender Messwertverfälschung lichtundurchlässig ausgelegt ist.
Bezugszeichenliste
1 Detektor
2 Füllgut 3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
5 Radioaktive Strahlenquelle
11 Szintillator
12 Fotoempfänger-Einheit 13 Referenz-Fotoempfänger-Einheit
14 Auswerte-Einheit
15 Gehäuse a Strahl-Kegel
L Füllstand Sa Auswerte-Signal sr Referenz-Signal

Claims

Patentansprüche
1 . Detektor (1 ) für ein radiometrisches Mess-System, das zur Bestimmung einer Dichte und/oder eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3) dient, folgende Komponenten umfassend:
- Einen Szintillator (11 ),
- eine Fotoempfänger-Einheit (12), welche optisch derart mit dem Szintillator (11 ) verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator (11 ) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal (sa) zu generieren, und
- eine Referenz-Fotoempfänger-Einheit (13), welche optisch derart mit dem Szintillator (11 ) verbunden ist, um in Abhängigkeit der am Szintillator (11 ) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Referenz-Signal (sr) zu generieren, und
- eine Auswerte-Einheit (4, 14), welche ausgelegt ist, o zumindest anhand des Auswerte-Signals (sa) oder anhand des Referenz-Signals (sr) die Dichte und/oder den Füllstand (L) des Füllgutes (1 ) zu bestimmen, o zu prüfen, ob das Auswerte-Signal (sa) und das Referenz-Signal (sr) übereinstimmen, und o den Detektor (1 ) als nicht funktionstüchtig einzustufen, sofern das Auswerte-Signal (sa) und das Referenz-Signal (sr) nicht übereinstimmen.
2. Detektor nach Anspruch 1 , wobei die Auswerte-Einheit (14) ausgelegt ist, die Dichte bzw. den Füllstand (L) anhand des Auswerte-Signals (sa) und anhand des Referenz-Signals (sr) zu bestimmen.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fotoempfänger-Einheit (12) und die Referenz-Fotoempfänger-Einheit (13) optisch an einem ersten Endbereich des Szintillators (11 ) ankoppeln.
4. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Fotoempfänger-Einheit (12) optisch am ersten Endbereich des Szintillator (11 ) ankoppelt, und wobei die Referenz-Fotoempfänger-Einheit (13) optisch an einem zweiten Endbereich des Szintillators (11 ), welcher dem ersten Endbereich gegenüberliegt, ankoppelt.
5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte- Einheit (14) ausgelegt ist, das Auswerte-Signal (sa) und das Referenz-Signal (sr) zu digitalisieren, und wobei die Auswerte-Einheit (14) die digitalisierten Signale (sa, sr) auf Übereinstimmung prüft.
6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotoempfänger-Einheit (12) und die Referenz-Fotoempfänger-Einheit (13) zumindest einen Photomultiplier und/oder zumindest eine Photodiode, insbesondere eine Avalanche-Photodiode oder einen Silicon Photomultiplier, umfassen.
7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fotoempfänger-Einheit (12) und die Referenz-Fotoempfänger-Einheit (13) nicht baugleich ausgelegt sind.
8. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte- Einheit (14) ausgelegt ist, ein Fehlersignal zu generieren, sofern die Auswerte- Einheit (14) den Detektor (1 ) als nicht funktionstüchtig einstuft bzw. sofern das Auswerte-Signal (sa) und das Referenz-Signal (sr) nicht übereinstimmen.
9. Radiometrisches Mess-System, das zur Bestimmung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (3) befindlichen Füllgutes (2) dient, folgende Komponenten umfassend:
- Eine radioaktive Strahlenquelle (5), welche derart in Bezug zum Behälter (3) anbringbar ist, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels (a) gen Behälter (3) ausgesendet wird, und
- einen Detektor (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher der Strahlenquelle (5) derart gegenüberliegend am Behälter (3) anbringbar ist, dass sich der Szintillator (11 ) zumindest teilweise im Strahl-Kegel (a) der Strahlenquelle (5) befindet.
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