WO2020035451A1 - Messvorrichtung, verwendung einer messvorrichtung, und verfahren zur bestimmung eines füllstands oder einer dichte eines mediums mittels sekundärer kosmischer strahlung - Google Patents

Messvorrichtung, verwendung einer messvorrichtung, und verfahren zur bestimmung eines füllstands oder einer dichte eines mediums mittels sekundärer kosmischer strahlung Download PDF

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    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/008—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal measuring depth of open water

Definitions

  • MEASURING DEVICE USE OF A MEASURING DEVICE, AND METHOD FOR DETERMINING A LEVEL OR DENSITY OF A MEDIUM BY MEANS OF SECONDARY COSMIC RADIATION
  • Patent Application No. 18 189 574.9 filed August 17, 2018, which is incorporated in its entirety by reference in the present document.
  • the invention relates generally to a measuring device for determining a fill level and / or a density of a medium by means of detection of particles of the secondary cosmic radiation, in particular of secondary cosmic rays
  • the invention further relates to the use of such
  • Measuring device as a point level measuring device for determining a point level of the medium and a method for determining the level and / or density of the medium with such a measuring device.
  • Radiometric measuring devices are sometimes used to determine a fill level, a limit level and / or a density of a medium in a container. which determine an intensity of radioactive radiation emitted by a radioactive radiation source (eg 60 Co or 137 Cs) with a detector (eg a scintillation counter) after the radiation has passed through the container. Due to the interaction of the radiation with the medium, in particular scattering and absorption, the level, the reaching of a limit level and / or the density of the medium can be determined via the measured intensity of the radiation.
  • a radioactive radiation source eg 60 Co or 137 Cs
  • a detector eg a scintillation counter
  • Radiometric measuring devices of this type generally take up a large installation space.
  • the installation of such measuring devices at a measuring location is sometimes complex, not least because of the radiation protection regulations that must be observed.
  • a radiation protection container is usually provided to shield the radioactive radiation, which radiation can only escape in the direction of the detector during operation. Adjusting the radioactive source relative to the detector located opposite can also be time-consuming.
  • a measuring device for detecting a fill level and / or a density of a medium the use of such a measuring device as a limit level measuring device and a method for determining the fill level and / or the density of the medium with such a measuring device according to the features of the independent claims are specified below.
  • the following description relates equally to the measuring device, the use of the measuring device as a point level measuring device and the method.
  • Features and / or elements which are described below with reference to the measuring device, the use thereof or the method apply equally to the measuring device, the use thereof and the method.
  • a first aspect of the present disclosure relates to a measuring device, for example a fill level measuring device, which is used to determine a fill level and / or a density of a medium, in particular a liquid and / or one
  • the measuring device has a direction-selective and / or direction-resolving detector, which is set up to detect particles of the secondary cosmic radiation after at least partially passing through the medium (or a container with the medium) and / or partially
  • Measuring device also has an evaluation unit.
  • the evaluation unit can be, for example, an evaluation circuit, a control unit and / or a control device
  • the evaluation unit is set up based on the detector count rate determined by the detector and on the basis of measurement data which have at least one influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device (and / or at the location of the detector)
  • the evaluation unit is also part of this set up to determine the fill level and / or the density of the medium based on the corrected count rate.
  • the invention thus aims to determine the fill level and / or the density of the medium by means of detection of particles of the secondary cosmic radiation which have at least partially passed through the medium and / or a container with the medium.
  • a radioactive radiation source such as is used in conventional radiometric measuring devices, can therefore advantageously be dispensed with.
  • the measuring device according to the invention can therefore be designed to be relatively compact and / or be produced cost-efficiently. An installation effort for the measuring device at the measuring location can also be greatly reduced. Approval of the measuring device by the manufacturer can also be considerably simplified since the measuring device according to the invention has no radioactive radiation source (for example a 60 Co or 137 Cs source). Furthermore, operation of the measuring device can be simplified since regulations on radiation protection are irrelevant to the operation and / or since no further precautions for radiation protection are required.
  • the directionally selective detector can have an acceptance angle within which particles of the secondary cosmic radiation are detected.
  • Acceptance angle can, as it were, designate a solid angle within which the detector detects particles of the secondary cosmic radiation.
  • the detector can be arranged and / or positioned relative to the medium such that it at least also detects particles of the secondary cosmic radiation which have at least partially passed through the medium and / or the container.
  • the detector can be arranged and / or positioned relative to the medium such that the medium and / or the container is at least partially in the
  • the detector can be any detector for detecting any particles, such as muons, electrons, positrons, photons, pions and / or neutrons, of the secondary cosmic radiation.
  • the detector can have at least one scintillation counter, at least one gas meter tube, at least one proportional counter, at least one liquid detector, at least one organic detector, at least one inorganic detector and / or at least any other detector.
  • the detector count rate through the medium, for example through the mass , the volume and / or the density of the medium.
  • the fill level and / or the density of the medium can thus be determined based on the detector count rate.
  • the flow rate of particles of the secondary cosmic radiation can denote approximately a number of particles per unit area and per unit of time which hit the detector.
  • the flow rate can, as it were, designate a flow, an intensity and / or a fluence rate of the particles which strike the detector and / or are detected with it.
  • the detector count rate can denote a measured count rate of the detector.
  • the detector count rate can be given, for example, in units of events or measurement events per unit of time.
  • Software instructions can be stored in the measuring device, for example in a data memory of the measuring device, which, when executed by the measuring device, by a processor of the measuring device and / or by the evaluation unit, cause the measuring device to determine the fill level and / or the density of the medium as described above and below.
  • a processor can be part of the evaluation unit, for example.
  • the invention may in particular be as described below
  • Primary cosmic rays include galactic cosmic rays, which arise primarily in stellar events, such as a supernova, and solar cosmic rays, which are emitted by the sun in the form of the solar wind and / or by eruptions.
  • galactic and solar cosmic radiation primarily consist of protons and a small proportion of other ions or core particles, such as He nuclei or heavier nuclei. If the primary cosmic radiation strikes the earth's atmosphere, a large number of particles of the secondary cosmic radiation, including electrons, positrons, pions, photons, muons, neutrinos and, arise due to interactions with the molecules and atoms of the earth's atmosphere and / or due to decay processes / or neutrons.
  • the secondary cosmic radiation in the earth's atmosphere is mainly generated by the galactic cosmic radiation. Due to competing processes, in particular the production of secondary particles, the absorption and decay of part of these secondary particles, the flow and / or the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation in the upper atmosphere increase to an atmospheric depth of around 100 g / cm 2 (so-called Pfotzer maximum), which corresponds to a height above the ground of around 16 km (in the US standard atmosphere). In lower-lying atmospheric layers and / or at a lower height above the earth, the flow and / or the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation decrease due to the predominance of
  • a flow rate of particles of the secondary cosmic radiation detected on the ground is therefore fundamental due to the mass of the earth's atmosphere between the detector and the point of origin of the particles influenced within the earth's atmosphere.
  • This mass of the earth's atmosphere is also subject to weather influences, such as. B. an average temperature of the earth's atmosphere and / or an air pressure. For this reason, a count rate (or detector count rate) measured with a detector near the ground varies, for example, with the air pressure prevailing at the measuring location or at the location of the measuring device.
  • Earth atmospheric influences such as temperature changes and / or
  • Changes in air pressure can therefore influence the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation and / or the detector count rate. Furthermore, a flow of primary cosmic radiation near the earth is subject to temporal fluctuations or variations. These fluctuations are sometimes due to temporal changes in solar activity, which is a
  • the intensity of the solar wind and thus the solar activity also has an influence on the Earth's magnetosphere, which low-energy particles are primary shields cosmic rays depending on the geographic position from the earth.
  • a state of the magnetosphere such as a spatial expansion of the magnetosphere, also influences the flow rate of secondary cosmic radiation near the ground.
  • the magnetosphere is also subject to other changes, such as a change in the geographic position of the poles of the earth's magnetic field and / or a change in the
  • the flow rate of secondary cosmic radiation near the ground is influenced by weather conditions on Earth, by atmospheric conditions, by space weather and / or by the Earth's magnetosphere.
  • a measurement of the fill level and / or the density of a medium based on a detection of particles of the secondary cosmic is also corresponding
  • the present invention proposes to correct the detector count rate based on measurement data which are related to at least one influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device.
  • this can increase measurement accuracy when determining the fill level and / or density.
  • a reference detector for example, which determines the flow rate of particles of secondary cosmic radiation, which have not passed through the medium, at the location of the measuring device.
  • the measuring device according to the invention can thus be made considerably more space-saving and cost-effective.
  • Is related to the measuring device and which is corrected by the evaluation unit based on the measurement data can thus designate an influence that is not caused by the medium and / or a container.
  • an improved, compact and inexpensive one due to the correction of the detector count rate on the at least one influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device, an improved, compact and inexpensive one
  • Measuring device for determining the level and / or the density are provided. To determine the level and / or density, the
  • Evaluation unit can be set up, for example, to determine the fill level and / or the density based on a relative change in the corrected count rate between two measurement times.
  • the evaluation unit can be set up to determine the fill level and / or the density based on (and / or using) one or more calibration values.
  • Such calibration values can be stored, for example, in a data memory of the measuring device and / or received and / or called up via a communication module of the measuring device.
  • the measuring device has exactly one detector for detecting secondary cosmic radiation.
  • a reference detector at the location of the measuring device can be dispensed with.
  • the measuring device can thus be made compact and inexpensive.
  • the detector is set up to detect muons of the secondary cosmic radiation. Alternatively or additionally, the detector is set up to determine a detector count rate correlating with a flow rate of secondary cosmic muons. Because of their high
  • Penetration depth and / or their high penetration capacity are particularly well suited for determining the fill level and / or the density of the medium in comparison to other particles of secondary cosmic radiation.
  • the invention is in no way limited to the detection of muons, but other particles of the secondary cosmic radiation can also be used Determination of the fill level and / or the density can be detected, for example electrons, positrons, photons and / or neutrons.
  • the measuring device can thus designate a muon measuring device for determining the fill level and / or the density of the medium by means of muons.
  • muons are created in the earth's atmosphere by collision of high-energy primary cosmic rays (mainly protons) with atoms and molecules of the earth's atmosphere as secondary particles. The majority of the cosmic muons arise here as the decay product of pion decay processes. Because of their high mass (approx. 200 times heavier than one
  • Electron and high energy (several GeV to TeV) - as well as related relativistic effects like time dilation - muons have a high
  • muons When passing through matter, in particular the medium to be measured, muons lose energy due to ionization, for example, depending on the density, the mass and / or the volume of the medium. Low-energy muons are completely decelerated and decay.
  • the fill level and / or the density of the medium can therefore be precisely determined based on the detector count rate and / or based on the corrected count rate.
  • the measurement data comprise at least one element selected from the group consisting of: weather data for describing at least one parameter (e.g. air pressure, temperature, height of the 100 hPa isobars,
  • weather data to describe an effective temperature of the earth's atmosphere
  • weather data to describe an altitude and a temperature of a reference layer (eg the 100 hPa isobars) of the earth's atmosphere
  • space weather data to describe at least one parameter of the space weather (e.g. solar activity, number of sunspots, intensity of the solar wind, intensity of primary cosmic radiation in upper layers of the earth's atmosphere)
  • sun data to describe the solar activity
  • sun data to describe an intensity of the solar wind
  • satellite data to describe at least one parameter of the space weather
  • the detector count rate can be influenced by one or more such influences. Based on the measurement data, which describe and / or are related to one or more such influences, the detector count rate can be corrected to one or more of these influences, whereby an overall measurement accuracy can be increased.
  • the measurement data and / or at least part of it can be recorded by the measurement device itself.
  • the measurement data and / or at least some of them can be, for example, via a communication module
  • Measuring device and / or received and / or queried via a remote query.
  • the measurement data include air pressure data of an atmospheric air pressure at the location of the measuring device.
  • the at least one influence comprises shielding the particles of secondary cosmic radiation from the earth's atmosphere, in particular from layers of the earth's atmosphere near the ground. Due to the shielding of the particles by the earth's atmosphere, changes in the air pressure at the location of the
  • the Measuring device affect the detector count rate.
  • the air pressure can be as Measure for the mass of the earth's atmosphere above the detector. Based on the air pressure, the detector count rate can therefore be corrected with high precision on the influence of the earth's atmosphere.
  • the measuring device also has a pressure sensor which is coupled to the evaluation unit and which is set up to determine air pressure data of the atmospheric air pressure at the location of the measuring device, the measurement data comprising the air pressure data determined by the pressure sensor.
  • the evaluation unit can therefore be set up to determine the corrected count rate based on the detector count rate and based on the air pressure data of the pressure sensor.
  • the detector has at least two separate ones
  • Each of the scintillation counters can, for example, a scintillator and a photon multiplier (or
  • the scintillators can therefore be organic scintillators, inorganic scintillators, polystyrene scintillators and / or liquid scintillators.
  • the use of two scintillation counters can advantageously select the direction of the detector based on one
  • the detector primarily detects particles that have at least partially passed through the medium.
  • directional selectivity of the detector can also be provided by other means, such as a suitable shield.
  • the number of particles incident on the detector can be determined, for example, using a scintillation counter. This generates a certain number of light quanta when passing through an electrically charged particle, such as a muon, and / or when absorbing a high-energy photon, which can be converted into an electrical signal by means of a photoelectron multiplier. If one uses the coincidence of events in a detector with structurally and spatially separated
  • Scintillation counters i.e. at least two separate scintillation counters, so the trajectory of the incident particle, such as a muon, can be on the
  • Acceptance angle of the detector can be limited. If such a
  • the detector count rate influenced by the medium to be measured can thus be determined. Due to the decay of low-energy muons in the medium, the detector count rate changes in the corresponding solid angle and / or acceptance angle depending on the fill level and / or the density of the medium. This enables a precise determination of the fill level and / or the density of the medium.
  • the measuring device can thus be used to determine the fill level and / or the density of a medium in a container.
  • the acceptance angle of the detector can overlap at least partially with the container and / or the medium, so that the detector detects particles that have at least partially passed through the medium and / or the container.
  • the measuring device can also be used to determine a fill level and / or a density of a medium, for example water and / or sediment, in a lake, a river and / or a reservoir.
  • the evaluation circuit has a
  • Discriminator unit a coincidence unit, an event counting unit and / or an evaluation component.
  • the discriminator unit is used to discriminate (or separate) those detected by the directionally selective detector
  • Interference signals can result, for example, from the dark current of the photomultiplier or the noise from the silicon photomultiplier.
  • the coincidence unit is for the detection of
  • Coincidence events such as an incidence of muons.
  • an incident muon can only be counted and / or contribute to the detector count rate if two or more scintillators of the directionally selective detector register an event.
  • the event counting unit connected to the coincidence unit is set up to record or count the coincidence events of the muon incidence in order to determine the counting rate of the detected coincidence events and / or the detector counting rate.
  • the event counting unit is set up to count the number of coincident events of the first directionally selective detector within an adjustable time interval and thus to determine a detector counting rate (Ni).
  • the evaluation electronics for evaluating the detector count rate Ni determined by the event counting unit is the detected one
  • Coincidence events are set up and for determining the count rate corrected for the at least one influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device.
  • the evaluation unit is set up to determine the corrected count rate based on an exponential relationship between the detector count rate and the air pressure. A change in the detector count rate dN depending on a change in
  • Air pressure dp can be given, for example, by the following differential equation:
  • N the detector count rate
  • p the air pressure at the location of the measuring device.
  • po is a reference print that can be chosen arbitrarily.
  • the evaluation unit can therefore be set up to determine (and / or derive) one or more air pressure values from the air pressure data and to calculate the corrected count rate based on the above equation.
  • the barometric coefficient can be predetermined and / or determined, for example, by a calibration measurement.
  • factors such as solar activity, the state of the magnetosphere and / or space weather, which influence the particle flow rate of the primary cosmic radiation striking the upper atmosphere are intended to correct the detector count rate for one or more of these influences , especially to minimize the measurement error.
  • a locally measured reference count rate of a reference detector can be used, which is not influenced by the medium to be measured or other influences that are variable over time at the measuring point.
  • the detector count rate influenced by the medium to be measured at the location of the measuring device can also be corrected on the basis of locally measured and / or queried weather data.
  • the relative variation of the flow rate / for example the muon flow rate / measured to determine the fill level and / or the density of the medium, can be determined, for example, according to the Duperier method
  • a is the partial pressure coefficient (approximately in units of% / hPa)
  • Ap is the change in the locally measured air pressure compared to
  • ß the height coefficient (approximately in units of% / km), g the positive temperature coefficient (approximately in units of% / K) and AH and AT are the change in the height and temperature of the reference layer (approximately the 100 hPa isobar).
  • AI is the change in flow rate, such as the muon flow rate, from the annual average.
  • the detector count rate can also obey such a functional relationship. It may be sufficient to correct only brief changes in the flow rate, such as, for example, changes due to the influence of the air pressure locally measured on the measuring device, and slow and / or long-period influences over the course of the year, such as the temperature and height of the reference layer. The last two terms in the above equation can be neglected in this case and are therefore enclosed in square brackets.
  • a change in solar activity and / or a change in the state of the magnetosphere can be corrected, for example, using one or more predetermined parameters in accordance with the current date.
  • the variation in the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation, for example the muon flow rate, and / or the detector count rate can be corrected using the so-called effective atmospheric temperature Ap:
  • the effective atmospheric temperature takes into account the influence of all atmospheric layers (for example with the associated pressure and / or associated temperature) on the flow rate of secondary particles with one or more weighting factors, in particular a T.
  • Measurement data relating to the effective atmospheric temperature and / or measurement data from which this can be derived can be received and / or queried, for example, via a communication module of the measurement device.
  • the measuring device can also at least partially determine such measurement data itself.
  • the evaluation unit can therefore be set up to process the measurement data and / or to determine one or more parameters of one or more of the equations explained above. In this way, the evaluation unit can be based on an application of one or more of the above
  • the measuring device also has a timer, for example a real-time clock with a calendar, for determining calendar data and / or a date, the measurement data being recorded with the timer
  • the evaluation unit is also set up to
  • the calendar data and / or the date can be used to determine a point in time within the solar cycle. This can allow the solar activity to be determined and / or estimated at that time or date.
  • One or more further predetermined parameters can also be used to determine the solar activity. For example, assuming a quasi-periodic and / or sinusoidal course, the solar activity can have a
  • Periodicity of around eleven years can be approximated.
  • the flow rate at the location of the measuring device can therefore also be subjected to a sinusoidal variation with a periodicity of around eleven years.
  • the at least one predetermined parameter can have a periodicity and / or an amplitude of the
  • Sun cycle or the associated variation in the flow rate of secondary particles at the location of the measuring device include.
  • the measuring device also has
  • Communication module which is set up to receive at least some of the measurement data from at least one external transmission station, the evaluation unit being set up to determine the corrected count rate based on the detector count rate and on the basis of the via the communication module
  • the measuring device can therefore call up at least some of the measurement data used for correction from a transmitting station. This allows the measurement effort to be carried out by the measuring device be kept low.
  • the measuring device can call up satellite data, for example the Kp index, which describe the current solar activity and / or the current intensity of the solar wind.
  • the measuring device can also call up measurement data which describe a current number of sun spots and derive the current sun activity therefrom.
  • Measurement data from a reference detector and / or air pressure data can also be queried and / or received via the communication module. At the same time, measurement data for
  • Description of a state of the magnetosphere can be called up via the communication module.
  • the communication module is set up to provide air pressure data of an atmospheric air pressure at the location of the measuring device and / or weather data for describing at least one parameter of the
  • Pressure sensor can be dispensed with and the measuring device can be made compact.
  • the measuring device can also have both a pressure sensor for recording air pressure data and also air pressure data about the
  • the communication module is set up to record space weather data for describing at least one parameter of the
  • the evaluation unit can, for example, be set up to base the corrected count rate on the
  • the evaluation unit can be set up based on a processing of the space weather data at least one correction factor and / or
  • the space weather data can be satellite data, such as the Kp index, and / or a number of sunspots.
  • the evaluation unit can use at least one correction factor and / or from such measurement data or space weather data
  • the communication module is set up to arrange measurement data at least one remote from the measuring device
  • the evaluation unit can be set up to determine the corrected counting rate based on the detector counting rate and based on the measurement data of the detector arranged remotely from the measuring device. By using this measurement data, the measuring device can influence the flow rate at the location of the
  • the measuring device or the
  • Evaluation unit can be set up to remove the measurement data from the
  • Correct measuring device arranged detector, for example with respect to an air pressure, a height above the ground and / or with regard to a geographical position of the remote from the measuring device
  • Another aspect of the present disclosure relates to the use of a measuring device, as described above and below, for
  • the measuring device comprises a directionally selective detector, which can be attached, for example, to the side of a dam wall of a reservoir.
  • the directionally selective detector can be used to determine the detector count rate or the corrected count rate. This can depend both on the height of the water level in the reservoir and on the height of the sedimentation layer. Using the measuring device, the height H of the
  • Sedimentation layer are determined on the basis of the detector count rate determined by the detector and / or the corrected count rate. With knowledge of the dependence of the counting rate on the height of the water level H w , the influence of a varying water level can thus be eliminated in an advantageous manner.
  • Another aspect of the present disclosure relates to the use of the measuring device as described above and below as
  • Point level measuring device for determining a point level of the medium.
  • Another aspect of the present disclosure relates to the use of a measuring device for determining a fill level or a density of a
  • Another aspect of the present disclosure relates to a method for determining a fill level and / or a density of a medium with a measuring device, as described above and below.
  • the process has the following steps:
  • Detector count rate based on measurement data which are related to at least one influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device, while determining a count rate corrected for the at least one influence; and Determining the fill level and / or the density of the medium based on the corrected count rate.
  • a program element is specified which, when it is executed on a processor of a measuring device and / or the evaluation unit, instructs the measuring device to determine a fill level and / or a density of a medium according to the method explained above.
  • the program element z. B. be part of software that is stored on the processor and / or in a data memory of the measuring device.
  • the processor can also be the subject of the invention and / or can be integrated in the evaluation unit, for example.
  • a computer-readable medium is specified, on which a program element is stored which, when it is executed on a processor of a measuring device and / or the evaluation unit, guides the measuring device, a fill level and / or a density of a medium according to the above determined procedures to determine.
  • FIG. 1 shows a measuring device for level and / or density measurement according to an embodiment.
  • FIG. 2 illustrates exemplary count rates of the measuring device from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a flow diagram to illustrate steps of a method for determining a fill level and / or a density according to a
  • Embodiment. 4 shows a measuring device with a directionally selective detector according to an exemplary embodiment.
  • 5 shows a further measuring device according to an exemplary embodiment.
  • 6 shows a schematic illustration of the basic structure of a directionally selective detector for level measurement by means of muons according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of the use of a measuring device for determining the degree of sedimentation of a reservoir according to a
  • FIG. 1 shows a measuring device 10 for level and / or density measurement according to one exemplary embodiment.
  • FIG. 2 illustrates exemplary count rates of the measuring device 10 from FIG. 1, in particular a detector count rate and a corrected count rate as a function of time.
  • FIG. 1 shows a measuring device 10 for determining a
  • the medium 101 can be a liquid and / or a solid, for example.
  • the measuring device 10 shown in FIG. 1 with the container 102 can be a muon measuring device 10 and / or a measuring arrangement 100 according to one
  • the measuring device 10 has a directionally selective and / or
  • the detector 12 has two separate scintillation counters l2a, l2b, for example structurally and / or locally separated. At the same time, the detector 12 has a pair of scintillation counters 12a, 12b.
  • Each of the scintillation counters l2a, l2b can have, for example, a scintillator and / or a photon multiplier (or photoelectron multiplier).
  • avalanche photodiodes (APD) and silicon photomultipliers (SiPM) derived therefrom can also be used.
  • APD avalanche photodiodes
  • SiPM silicon photomultipliers
  • Scintillator material any suitable material can be used.
  • Scintillators can therefore be organic scintillators, inorganic scintillators, polystyrene scintillators and / or liquid scintillators.
  • the use of at least two scintillation counters l2a, l2b or a pair of scintillation counters l2a, l2b can advantageously be one
  • the detector 12 may have a coincidence unit (not shown) and / or be set up to coincide only in the two scintillation counters 12a, 12b
  • Count events and / or trade fair events This can have the consequence that a sensitivity of the detector 12 is restricted to a certain solid angle range 13 and / or a certain acceptance angle 13.
  • the acceptance angle 13 can be influenced accordingly by size, design, and the relative position or distance of the two scintillation counters. It may also be possible for the acceptance angle 13 to be adaptable to the container 102 to be measured.
  • the detector 12 is arranged relative to the container 102 and / or the medium 101 in such a way that the acceptance angle 13 of the detector 12 overlaps at least partially with the medium 101 (or container 102).
  • the detector 12 is arranged such that the medium 101 and / or the container 102 is at least partially in the acceptance angle 13 of the
  • Detector 12 has. In the example in FIG. 1, the detector 12 is therefore arranged at least partially below the container 102 and / or below the medium 101. However, other arrangements are possible.
  • the detector 12 is set up to at least primarily detect particles of the secondary cosmic radiation which have at least partially passed through the medium 101 and / or the container 102.
  • a trajectory 104 of a muon of the secondary cosmic radiation is exemplarily illustrated in FIG.
  • the detector 12 can be a muon detector 12.
  • other particles of the secondary cosmic radiation can also be detected for level and / or density measurement.
  • reference is made purely by way of example to the measurement of muons. Since the muons detected by the detector 12 are the medium 101 and / or the
  • the detector count rate influenced by the medium 101 to be measured can be determined. Due to the decay of low-energy muons in the medium 101 and / or ionization, the detector count rate changes depending on the fill level and / or the density of the Medium 101. A precise determination of the fill level and / or the density of the medium 101 can thus be made possible.
  • Photoelectron multipliers can be converted into electrical signals.
  • avalanche photodiodes APD
  • SiPM silicone photomultipliers
  • Scintillation counters l2a, l2b coincident signals are counted by the detector 12, for example using the coincidence unit, as an event and / or measurement event.
  • the detector 12 determines the number of such events per unit of time and thus determines the detector count rate 200, which correlates with a flow rate of the muons at the location of the measuring device 10, is representative of the flow rate and / or is indicative of this flow rate.
  • the flow rate can be about one flow, one
  • FIG. 2 shows the detector count rate 200 in arbitrary units as a function of time.
  • the time axis of FIG. 2 also has any units.
  • the time intervals shown in FIG. 2 can each be one
  • the detector count rate 200 is subject to considerable variations. These variations are due in part to changes in the level and / or density of the medium 101. On the other hand, these variations are due to one or more other influences on the flow rate of the muons, such as variations in weather conditions, Earth atmospheric variations, in particular variations in the air pressure at the location of the measuring device 10, variations in space weather, variations in solar activity and / or variations in a state of the Earth's magnetosphere. Such variations in the flow rate and / or influences on the flow rate, which are not caused by changes in the fill level and / or the density of the medium 101, can influence the determination of the fill level and / or the density and / or lead to increased measurement inaccuracy.
  • the measuring device 10 In order to correct one or more such influences on the flow rate and thus on the detector count rate 200, the measuring device 10 has an evaluation unit 14 which is set up to determine a count rate 202 corrected for one or more of these influences. The measurement accuracy can thus be increased. This also eliminates the need for a reference detector, which could be arranged approximately above the container 102 at the location of the measuring device 10.
  • the evaluation unit 14 is set up to process measurement data which are related to one or more of these influences. For example, the evaluation unit 14 can derive one or more correction factors and / or correction parameters from the measurement data and / or determine one or more correction factors and / or correction parameters based on the measurement data. Taking into account the one or more correction factors and / or
  • the evaluation unit 14 can determine the corrected count rate 202. Based on the corrected count rate 202, the evaluation unit 14 can then determine the fill level and / or the density of the medium 101 with high precision.
  • the measurement data can be at least one element selected from the group consisting of weather data for describing at least one parameter of the earth's atmosphere, air pressure data of an earth's atmospheric pressure,
  • Weather data to describe an effective temperature of the earth's atmosphere
  • weather data to describe an altitude and a temperature of one
  • Reference layer of the earth's atmosphere space weather data for describing at least one parameter of the space weather, sun data for describing solar activity, sun data for describing an intensity of the space weather
  • One or more elements of the above-mentioned measurement data can either be determined by the measurement device 10 and / or received by a transmitter, for example via a remote query, for example via a communication module 18, as will be explained below.
  • the measuring device 10 can have a pressure sensor 16 which is coupled to the evaluation unit 14 and is set up to
  • the air pressure data of the pressure sensor 16 can then be processed as measurement data by the evaluation unit 14 and based on the
  • the corrected count rate 202 can be determined.
  • the corrected count rate 202 may be based, for example, on an exponential relationship between the detector count rate 200 and the Air pressure are determined, a relationship between the corrected count rate V kor or 202 and the detector count rate / V or 200 can be described, for example, using the following equation:
  • the evaluation unit 14 can therefore be set up to determine one or more air pressure values p from the air pressure data of the pressure sensor 16 and based on
  • the barometric coefficient a can be predetermined and / or determined, for example, by a calibration measurement.
  • the measuring device 10 can have a communication module 18, which can be used to receive and / or query measurement data.
  • air pressure data of the air pressure at the location of the measuring device 10 can be approximately one
  • Weather station can be queried and / or received.
  • the pressure sensor 16 can be dispensed with, but both air pressure data via the pressure sensor 16 and air pressure data via the
  • any measurement data that are related to one or more influences on the flow rate of the muons at the location of the measuring device 10 can be received via the communication module 18.
  • Earth-atmospheric measurement data such as an effective atmospheric temperature, air pressure data, a height of the 100 hPa isobars and / or
  • Evaluation unit 14 one or more correction factors and / or
  • measurement data can be transmitted via the communication module 18 for space weather, such as measurement data for solar activity, satellite data for solar activity, measurement data for a number of sun spots and / or measurement data for an intensity of the solar wind.
  • Magnetosphere such as measurement data relating to a magnetic field strength, measurement data relating to a spatial expansion of the magnetosphere and / or measurement data relating to a position of the poles of the earth's magnetic field, via the
  • the evaluation unit 14 can also derive suitable correction factors and / or correction parameters from such measurement data and use them to determine the corrected count rate 202.
  • Communication module 18 calendar data can also be received.
  • Evaluation unit 14 can be based, for example, on one or more predetermined parameters, which are stored in a data memory
  • Measuring device 10 can be stored and / or via the
  • Communication module 18 can be received, and determine one or more correction factors and / or correction parameters based on the calendar data.
  • Such parameters can be, for example, an amplitude and / or a periodicity, which describe changes in the flow rate due to the solar cycle at the location of the measuring device 10.
  • the measuring device 10 can have a timer 20, for example a real-time clock with a calendar. This allows the
  • Measuring device itself can determine the calendar data via the timer 20.
  • the measuring device 10 can also use the communication module 18 to measure data of at least one detector located away from the measuring device 10, ie one detector on another geographical position, which measures particles of secondary cosmic radiation.
  • This measurement data can also be used by the evaluation unit 14 to determine the corrected count rate 202.
  • the evaluation unit 14 can use raw measurement data of the remote detector or process the raw measurement data, for example convert it to the geographical position of the measuring device 10 and / or carry out an air pressure correction of the raw measurement data.
  • the measuring device 10 of FIGS. 1 and 2 can also be used as a point level measuring device 10 for determining a point level of the medium 101.
  • the measuring device explained above can also be used to determine a fill level and / or a density of a medium which is not arranged in a container. Examples of this are the determination of the fill level and / or the density of a lake, a reservoir, a river and / or sediments.
  • FIG. 3 shows a flowchart to illustrate steps of a method for determining a fill level and / or a density of a medium 101 with a measuring device 10 according to an exemplary embodiment.
  • the measuring device 10 can be the measuring device 10 described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a step S1 the direction-selective detector 12 is used
  • Measuring device 10 a detector count rate 200, which with a flow rate of
  • Particles of the secondary cosmic radiation correlated after at least partial passage through the medium 101, determined.
  • the detector count rate 200 is determined with an evaluation unit 14 of the measuring device 10 based on measurement data, which are provided with at least one Influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device 10 are corrected.
  • the count rate 202 corrected for the at least one influence can thus be determined in step S2.
  • the measurement data can be measured in step S2, for example with the pressure sensor 16 and / or the timer 20.
  • the measurement data can be received in step S2 with the communication module 18.
  • step S2 the evaluation unit 14 can optionally have one or more
  • step S3 the fill level and / or the density of the medium 101 is then determined with the evaluation unit 14 based on the corrected count rate 202.
  • FIGS. 4 and 5 each show a measuring device 10 and / or a
  • the direction-selective detector 12 is arranged in FIG. 4 below the container 102 and has two scintillation counters, which are preferably arranged in parallel.
  • the detector 12 is set up to detect a detector count rate of the muons after at least partial passage through the medium 101 in the container 102.
  • the detector count rate is influenced by the height H and density of the medium 101 to be measured. Because of the arrangement and geometry of the scintillators or scintillation counters used, muons can move, for example, along trajectories 220 and 221 in order to pass through the container, the medium and the detector.
  • the measuring device 12 is arranged on the side of the container 102, which is filled with a medium 101.
  • the detected muons pass through the Container 102 and the medium 101 to be measured in a certain angular range around a central trajectory 520, which has a zenith angle z.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the basic structure of a directionally selective detector 12 of a measuring device 10 for level measurement.
  • the measuring device 10 has the previously described detector 12 and at least one evaluation unit 14.
  • the directionally selective detector 12 has a pair of scintillation counters l2a, l2b. These are each connected to a sensitive light sensor 421, 422, which are each set up to convert the scintillation counters l2a, l2b into an electrical signal, e.g., from the light pulses generated by the incident secondary cosmic radiation (e.g. muons). B. convert an equivalent voltage or current pulse.
  • the light sensors 421, 422 can be, for example, a photo electron multiplier tube (PMT) or a silicon
  • the evaluation unit 14 has a discriminator unit 430, a coincidence unit 440, an event counting unit 450 and at least one evaluation component 460.
  • a muon mi which has already passed through the medium to be measured and passes through the detector 12, generates a coincident light pulse in the first l2a and second scintillation counter l2b by interaction with their matter.
  • the first light sensor 421 and the second light sensor 422 convert them into the
  • Scintillation counters l2a, l2b convert light pulses into a corresponding electrical signal.
  • the discriminator unit 430 separates useful signals from
  • Interference signals for example thermal noise
  • the signals filtered in this way are passed on to the coincidence unit 440, which is set up to detect coincident signals which arise when the muon passes through the pair of scintillation counters l2a, l2b.
  • the event counting unit 450 counts the number of coincident events and thus determines a detector count rate Ni.
  • the evaluation component 460 evaluates the data generated by the
  • Event counting unit 450 ascertained the detector counting rate of the detected coincident events and determining the counting rate corrected for the at least one influence on the flow rate of the particles of secondary cosmic radiation at the location of the measuring device 10.
  • Figure 7 shows a schematic representation of the use of a
  • Measuring device 10 for determining the degree of sedimentation of a reservoir.
  • the detector 12 is arranged on the side of a dam wall opposite a reservoir.
  • the evaluation unit 14 determines the height H of the sedimentation layer 701 of the
  • the measuring device 10 can also be sunk in the reservoir and, for example, have a central trajectory perpendicular to the earth's surface.

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Abstract

Es wird eine Messvorrichtung (10), welche zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums (101) eingerichtet ist, vorgeschlagen, welche einen richtungsselektiven Detektor (12) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium (101) zu detektieren und eine mit einer Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (10) korrelierende Detektorzählrate (200) zu ermitteln. Ferner weist die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit (14) auf, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der von dem Detektor (12) ermittelten Detektorzählrate (200) und basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (10) in Zusammenhang stehen, eine auf den wenigstens einen Einfluss korrigierte Zählrate (202) zu ermitteln, und basierend auf der korrigierten Zählrate (202) den Füllstand und/oder die Dichte des Mediums (101) zu bestimmen.

Description

MESSVORRICHTUNG, VERWENDUNG EINER MESSVORRICHTUNG, UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG EINES FÜLLSTANDS ODER EINER DICHTE EINES MEDIUMS MITTELS SEKUNDÄRER KOSMISCHER STRAHLUNG
Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der europäischen
Patentanmeldung Nr. 18 189 574.9, eingereicht am 17. August 2018, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums mittels Detektion von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung, insbesondere von sekundären kosmischen
Myonen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen
Messvorrichtung als Grenzstandmessgerät zur Ermittlung eines Grenzstandes des Mediums sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums mit einer solchen Messvorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Zur Bestimmung eines Füllstandes, eines Grenzstandes und/oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter, werden mitunter radiometrische Messgeräte verwendet, welche eine Intensität radioaktiver Strahlung, die von einer radioaktiven Strahlenquelle (z.B. 60Co oder 137Cs) emittiert wird, mit einem Detektor (z.B. einem Szintillationszähler) nach Durchtritt der Strahlung durch den Behälter ermitteln. Aufgrund von Wechselwirkungen der Strahlung mit dem Medium, insbesondere Streuung und Absorption, kann über die gemessene Intensität der Strahlung der Füllstand, das Erreichen eines Grenzstandes und/oder die Dichte des Mediums ermittelt werden.
Derartige radiometrische Messgeräte nehmen in der Regel einen großen Bauraum in Anspruch. Auch eine Installation solcher Messgeräte an einem Messort ist mitunter aufwändig, nicht zuletzt aufgrund von einzuhaltenden Strahlenschutzbestimmungen. Beispielsweise ist zur Abschirmung der radioaktiven Strahlung meist ein Strahlenschutzbehälter vorgesehen, der die Strahlung während des Betriebs nur in Richtung des Detektors austreten lässt. Auch kann ein Justieren des radioaktiven Strahlers relativ zu dem gegenüberliegend angeordneten Detektor mitunter zeitaufwändig sein.
Zusammenfassung der Erfindung Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise, eine im Vergleich zur
radiometrischen Messung, vereinfachte, kostengünstigere und/oder platzsparendere Messvorrichtung zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung und/oder Messung einer Dichte eines Mediums. Nachfolgend sind eine Messvorrichtung zur Erfassung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums, die Verwendung einer solchen Messvorrichtung als Grenzstandmessgerät und ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums mit einer solchen Messvorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft gleichermaßen die Messvorrichtung, die Verwendung der Messvorrichtung als Grenzstandmessgerät sowie das Verfahren. Merkmale und/oder Elemente, welche nachfolgend mit Bezug auf die Messvorrichtung, die Verwendung derselben oder das Verfahren beschrieben sind, gelten gleichermaßen für die Messvorrichtung, die Verwendung derselben und das Verfahren.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Messvorrichtung, etwa eine Füllstandmessvorrichtung, welche zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit und/oder eines
Feststoffes, eingerichtet ist. Die Messvorrichtung weist einen richtungsselektiven und/oder richtungsauflösenden Detektor auf, welcher dazu eingerichtet ist, Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium (bzw. eines Behälters mit dem Medium) und/oder teilweisem
Durchqueren des Mediums (bzw. eines Behälters mit dem Medium) zu detektieren und eine mit einer Flussrate der Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung am Ort der Messvorrichtung korrelierende Detektorzählrate zu ermitteln. Die
Messvorrichtung weist ferner eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit kann etwa eine Auswerteschaltung, eine Steuereinheit und/oder ein Steuergerät
bezeichnen. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, basierend auf der von dem Detektor ermittelten Detektorzählrate und basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (und/oder am Ort des Detektors) in
Zusammenhang stehen, den wenigstens einen Einfluss beschreiben und/oder repräsentativ für den wenigstens einen Einfluss sind, eine auf den wenigstens einen Einfluss korrigierte Zählrate zu ermitteln. Ferner ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, basierend auf der korrigierten Zählrate den Füllstand und/oder die Dichte des Mediums zu bestimmen.
Die Erfindung zielt somit darauf ab, den Füllstand und/oder die Dichte des Mediums mittels Detektion von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung, welche das Medium und/oder einen Behälter mit dem Medium zumindest teilweise durchquert haben, zu ermitteln. Auf eine radioaktive Strahlenquelle, wie sie bei konventionellen radiometrischen Messvorrichtungen verwendet wird, kann daher in vorteilhafter Weise verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann daher verhältnismäßig kompakt ausgebildet sein und/oder kosteneffizient produziert werden. Auch kann ein Installationsaufwand für die Messvorrichtung am Messort stark reduziert sein. Auch eine herstellerseitige Zulassung der Messvorrichtung kann erheblich vereinfacht sein, da die erfindungsgemäße Messvorrichtung keine radioaktive Strahlenquelle (z.B. eine 60Co- oder 137Cs-Quelle) aufweist. Ferner kann ein Betrieb der Messvorrichtung vereinfacht sein, da Reglementierungen des Strahlenschutzes für den Betrieb unerheblich sind und/oder da keine weiteren Vorkehrungen zum Strahlenschutz erforderlich sind.
Der richtungsselektive Detektor kann einen Akzeptanzwinkel aufweisen, innerhalb dessen Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung detektiert werden. Der
Akzeptanzwinkel kann gleichsam einen Raumwinkel bezeichnen, innerhalb dessen der Detektor Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung detektiert. Zur
Detektion der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung kann der Detektor derart relativ zu dem Medium angeordnet und/oder positioniert sein, dass er zumindest auch Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung detektiert, welche das Medium und/oder den Behälter zumindest teilweise durchquert haben. Mit anderen Worten kann der Detektor derart relativ zu dem Medium angeordnet und/oder positioniert sein, dass das Medium und/oder der Behälter zumindest teilweise in dem
Akzeptanzwinkel des Detektors angeordnet ist. Generell kann der Detektor einen beliebigen Detektor zur Detektion beliebiger Teilchen, etwa Myonen, Elektronen, Positronen, Photonen, Pionen und/oder Neutronen, der sekundären kosmischen Strahlung sein. Beispielsweise kann der Detektor wenigstens einen Szintillationszähler, wenigstens ein Gaszählrohr, wenigstens einen Proportionalzähler, wenigstens einen Flüssigdetektor, wenigstens einen organischen Detektor, wenigstens einen anorganischen Detektor und/oder wenigstens einen beliebigen anderen Detektor aufweisen.
Aufgrund von Wechselwirkungen der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung mit dem Medium, insbesondere elastischer Streuung, inelastischer Streuung, Ionisation, und/oder Absorption, und/oder aufgrund von Zerfallsprozessen der Teilchen bei Durchtritt durch das Medium kann die Detektorzählrate durch das Medium, etwa durch die Masse, das Volumen und/oder die Dichte des Mediums, beeinflusst sein. Somit kann basierend auf der Detektorzählrate der Füllstand und/oder die Dichte des Mediums bestimmt werden.
Die Flussrate von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung kann etwa eine Anzahl von Teilchen pro Flächeneinheit und pro Zeiteinheit bezeichnen, welche auf den Detektor treffen. Die Flussrate kann gleichsam einen Fluss, eine Intensität und/oder eine Fluenzrate der Teilchen bezeichnen, welche auf den Detektor treffen und/oder mit diesem detektiert werden. Die Detektorzählrate kann eine gemessene Zählrate des Detektors bezeichnen. Die Detektorzählrate kann beispielsweise in Einheiten von Ereignissen bzw. Messereignissen pro Zeiteinheit gegeben sein. In der Messvorrichtung, etwa in einem Datenspeicher der Messvorrichtung, können Softwareinstruktionen gespeichert sein, welche bei deren Ausführung durch die Messvorrichtung, durch einen Prozessor der Messvorrichtung und/oder durch die Auswerteeinheit die Messvorrichtung veranlassen, den Füllstand und/oder die Dichte des Mediums zu bestimmen, so wie voranstehend und nachfolgend beschrieben. Ein solcher Prozessor kann beispielsweise Teil der Auswerteeinheit sein. Die Erfindung kann insbesondere als auf den nachfolgend beschriebenen
Erkenntnissen beruhend angesehen werden. Primäre kosmische Strahlung umfasst galaktische kosmische Strahlung, welche vornehmlich in stellaren Ereignissen, wie etwa einer Supernova, entsteht, sowie solare kosmische Strahlung, welche in Form des Sonnenwindes und/oder durch Eruptionen von der Sonne ausgestoßen wird. Sowohl die galaktische als auch die solare kosmische Strahlung bestehen primär aus Protonen und einem geringen Anteil anderer Ionen oder Kemteilchen, wie etwa He- Kemen oder schwereren Kernen. Trifft die primäre kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre, so entsteht aufgrund von Wechselwirkungen mit den Molekülen und Atomen der Erdatmosphäre und/oder aufgrund von Zerfallsprozessen eine Vielzahl von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung, unter anderem Elektronen, Positronen, Pionen, Photonen, Myonen, Neutrinos und/oder Neutronen. Da Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung im Vergleich zur solaren kosmischen Strahlung in der Regel wesentlich höhere Energien besitzen, wird die sekundäre kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre vornehmlich durch die galaktische kosmische Strahlung erzeugt. Aufgrund konkurrierender Prozesse, insbesondere der Erzeugung sekundärer Teilchen, der Absorption und des Zerfalls eines Teils dieser sekundären Teilchen, nimmt der Fluss und/oder die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung in der oberen Erdatmosphäre bis zu einer atmosphärischen Tiefe von rund l00g/cm2 zu (sogenanntes Pfotzer-Maximum), was einer Höhe über dem Erdboden von rund 16 km entspricht (in der US Standard- Atmosphäre). In tiefer liegenden erdatmosphärischen Schichten und/oder in geringerer Höhe über dem Erdboden nimmt der Fluss und/oder die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung aufgrund des Überwiegens von
Absorption, Streuung und Zerfall der Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung gegenüber deren Erzeugung kontinuierlich bis auf Meeresniveau (rund l000g/cm2 atmosphärischer Tiefe) ab. Eine am Erdboden detektierte Flussrate von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung ist somit fundamental durch die Masse der Erdatmosphäre zwischen dem Detektor und dem Entstehungsort der Teilchen innerhalb der Erdatmosphäre beeinflusst. Diese Masse der Erdatmosphäre unterliegt ferner Wettereinflüssen, wie z. B. einer mittleren Temperatur der Erdatmosphäre und/oder einem Luftdruck. Aus diesem Grund variiert eine mit einem Detektor in Bodennähe gemessene Zählrate (bzw. Detektorzählrate) beispielsweise mit dem am Messort bzw. am Ort der Messvorrichtung vorherrschenden Luftdruck.
Erdatmosphärische Einflüsse, wie Temperaturänderungen und/oder
Luftdruckänderungen, können daher die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung und/oder die Detektorzählrate beeinflussen. Des Weiteren ist ein Fluss primärer kosmischer Strahlung in Erdnähe zeitlichen Schwankungen oder Variationen unterworfen. Diese Schwankungen sind mitunter auf zeitliche Änderungen der Sonnenaktivität zurückzuführen, welche eine
Periodizität von rund elf Jahren aufweist (sogenannter Sonnenzyklus). In Zeiten maximaler Sonnenaktivität ist die Intensität des Sonnenwindes sowie eine räumliche Ausdehnung der Heliosphäre maximal. Aufgrund von Wechselwirkungen der galaktischen kosmischen Strahlung mit der solaren kosmischen Strahlung in der Heliosphäre sowie aufgrund von Einflüssen der solaren kosmischen Strahlung auf das interplanetare Magnetfeld nimmt der Fluss galaktischer kosmischer Strahlung in Erdnähe, und somit auch der auf die Erdatmosphäre treffende Fluss primärer kosmischer Strahlung, mit steigender Sonnenaktivität ab, und umgekehrt. Dies hat zur Folge, dass die Flussraten sekundärer kosmischer Strahlung in der
Erdatmosphäre und am Erdboden einer quasi-periodischen Modulation durch die Sonnenaktivität unterliegen. Allgemein können die Sonnenaktivität, die Intensität des Sonnenwindes sowie die Intensität galaktischer kosmischer Strahlung in Erdnähe als Weltraumwetter bezeichnet werden. Mit anderen Worten unterliegt eine Flussrate von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung auch Einflüssen des
Weltraumwetters, der Intensität des Sonnenwindes und/oder der Sonnenaktivität.
Auch hat die Intensität des Sonnenwindes und somit die Sonnenaktivität Einfluss auf die Magnetosphäre der Erde, welche niederenergetische Teilchen primärer kosmischer Strahlung in Abhängigkeit der geographischen Position von der Erde abschirmt. Auch ein Zustand der Magnetosphäre, etwa eine räumliche Ausdehnung der Magnetosphäre, beeinflusst somit die Flussrate sekundärer kosmischer Strahlung in Bodennähe. Neben Einflüssen des Sonnenwindes ist die Magnetosphäre auch weiteren Änderungen unterworfen, wie etwa einer Änderung der geographischen Position der Pole des Erdmagnetfeldes und/oder einer Änderung der
Magnetfeldstärke des Erdmagnetfeldes. Auch derartige Einflüsse können die
Flussrate sekundärer kosmischer Strahlung und damit die Detektorzählrate beeinflussen.
Zusammenfassend wird die Flussrate sekundärer kosmischer Strahlung in Bodennähe durch Wetterbedingung auf der Erde, durch erdatmosphärische Bedingungen, durch das Weltraumwetter und/oder durch die Magnetosphäre der Erde beeinflusst.
Entsprechend ist auch eine Messung des Füllstandes und/oder der Dichte eines Mediums basierend auf einer Detektion von Teilchen der sekundären kosmischen
Strahlung solchen Einflüssen unterworfen. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die Detektorzählrate basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung in Zusammenhang stehen, zu korrigieren. Zum einen kann dadurch eine Messgenauigkeit bei der Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte gesteigert werden. Zum anderen kann beispielsweise auf einen Referenzdetektor verzichtet werden, welcher etwa die Flussrate von Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung, welche das Medium nicht durchquert haben, am Ort der Messvorrichtung bestimmt. Damit kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung erheblich platzsparender und kostengünstiger ausgestaltet werden.
Der wenigstens eine Einfluss, der mit der Flussrate von Teilchen am Ort der
Messvorrichtung in Zusammenhang steht und der von der Auswerteeinheit basierend auf den Messdaten korrigiert wird, kann somit einen Einfluss bezeichnen, welcher nicht durch das Medium und/oder einen Behälter hervorgerufen ist. Allgemein kann aufgrund der Korrektur der Detektorzählrate auf den wenigstens einen Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung eine verbesserte, kompakte und kostengünstige
Messvorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte bereitgestellt werden. Zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte kann die
Auswerteeinheit etwa dazu eingerichtet sein, den Füllstand und/oder die Dichte basierend auf einer relativen Änderung der korrigierten Zählrate zwischen zwei Messzeitpunkten zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann alternativ oder ergänzend dazu eingerichtet sein, den Füllstand und/oder die Dichte basierend auf (und/oder unter Heranziehung von) einem oder mehreren Kalibrierwerten zu bestimmen. Derartige Kalibrierwerte können etwa in einem Datenspeicher der Messvorrichtung hinterlegt sein und/oder über ein Kommunikationsmodul der Messvorrichtung empfangen und/oder abgerufen werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung genau einen Detektor zur Detektion sekundärer kosmischer Strahlung auf. Wie voranstehend erläutert, kann aufgrund der Korrektur der Detektorzählrate basierend auf den Messdaten auf einen Referenzdetektor am Ort der Messvorrichtung verzichtet werden. Somit kann die Messvorrichtung kompakt und kostengünstig ausgestaltet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Detektor dazu eingerichtet, Myonen der sekundären kosmischen Strahlung zu detektieren. Alternativ oder zusätzlich ist der Detektor dazu eingerichtet, eine mit einer Flussrate von sekundären kosmischen Myonen korrelierende Detektorzählrate zu ermitteln. Aufgrund ihrer hohen
Eindringtiefe und/oder ihres hohen Durchdringungsvermögens eignen sich Myonen im Vergleich zu anderen Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung besonders gut für die Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf die Detektion von Myonen beschränkt, sondern es können auch andere Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte detektiert werden, beispielsweise Elektronen, Positronen, Photonen und/oder Neutronen.
Die Messvorrichtung kann somit eine Myonen-Messvorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums mittels Myonen bezeichnen. Wie voranstehend erläutert, entstehen Myonen in der Erdatmosphäre durch Kollision hochenergetischer primärer kosmischer Strahlung (hauptsächlich Protonen) mit Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre als sekundäre Teilchen. Der Großteil der kosmischen Myonen entsteht hierbei als Zerfallsprodukt von Pionen- Zerfallsprozessen. Aufgrund ihrer hohen Masse (ca. 200-mal schwerer als ein
Elektron) und hohen Energie (mehrere GeV bis TeV) - sowie damit einhergehenden relativistischen Effekten, wie Zeitdilatation - besitzen Myonen ein hohes
Durchdringungsvermögen für Materie und sind somit kaum bis gar nicht
abschirmbar, etwa durch die Erdatmosphäre. Beim Durchgang durch Materie, insbesondere das zu vermessende Medium, verlieren Myonen beispielsweise aufgrund von Ionisierungen in Abhängigkeit der Dichte, der Masse und/oder des Volumens des Mediums Energie. Niederenergetische Myonen werden somit vollständig abgebremst und zerfallen. Basierend auf der Detektorzählrate und/oder basierend auf der korrigierten Zählrate kann daher der Füllstand und/oder die Dichte des Mediums präzise bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Messdaten wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters (z.B. Luftdruck, Temperatur, Höhe der 100 hPa Isobaren,
Temperatur der 100 hPa Isobaren, effektive Temperatur) der Erdatmosphäre, Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks, Temperaturdaten zur
Beschreibung einer Temperatur der Erdatmosphäre, Wetterdaten zur Beschreibung einer effektiven Temperatur der Erdatmosphäre, Wetterdaten zur Beschreibung einer Höhe und einer Temperatur einer Referenzschicht (z.B. der 100 hPa Isobaren) der Erdatmosphäre, Weltraumwetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des Weltraumwetters (z.B. Sonnenaktivität, Anzahl von Sonnenflecken, Intensität des Sonnenwindes, Intensität primärer kosmischer Strahlung in oberen Schichten der Erdatmosphäre), Sonnendaten zur Beschreibung der Sonnenaktivität, Sonnendaten zur Beschreibung einer Intensität des Sonnenwinds, Satellitendaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des Weltraumwetters (z.B. Anzahl der Sonnenflecken, Kp-Index), Kalenderdaten zur Beschreibung eines Zeitpunktes innerhalb eines Sonnenzyklus, geographische Daten zur Beschreibung geographischer Koordinaten des Orts der Messvorrichtung, magnetosphärische Daten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der Magnetosphäre der Erde, und Messdaten wenigstens eines entfernt von der Messvorrichtung angeordneten Detektors zur Detektion von Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung. Wie voranstehend erläutert, kann die Detektorzählrate durch einen oder mehrere solche Einflüsse beeinflusst sein. Basierend auf den Messdaten, welche einen oder mehrere solche Einflüsse beschreiben und/oder mit diesen in Zusammenhang stehen, kann die Detektorzählrate auf einen oder mehrere dieser Einflüsse korrigiert werden, wodurch insgesamt eine Messgenauigkeit gesteigert werden kann.
Die Messdaten und/oder zumindest ein Teil davon kann von der Messvorrichtung selbst erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich können die Messdaten und/oder zumindest ein Teil davon beispielsweise über ein Kommunikationsmodul der
Messvorrichtung und/oder über eine Femabfrage empfangen und/oder abgefragt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Messdaten Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung. Alternativ oder zusätzlich umfasst der wenigstens eine Einfluss eine Abschirmung der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung durch die Erdatmosphäre, insbesondere durch bodennahe Schichten der Erdatmosphäre. Aufgrund der Abschirmung der Teilchen durch die Erdatmosphäre können Änderungen des Luftdrucks am Ort der
Messvorrichtung die Detektorzählrate beeinflussen. Der Luftdruck kann dabei als Maß für die Masse der Erdatmosphäre über dem Detektor dienen. Basierend auf dem Luftdruck kann daher die Detektorzählrate mit hoher Präzision auf den Einfluss der Erdatmosphäre korrigiert werden. Gemäß einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung ferner einen Drucksensor auf, welcher mit der Auswerteeinheit gekoppelt ist und welcher dazu eingerichtet ist, Luftdruckdaten des erdatmosphärischen Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung zu ermitteln, wobei die Messdaten die mit dem Drucksensor ermittelten Luftdruckdaten umfassen. Die Auswerteeinheit kann daher dazu eingerichtet sein, die korrigierte Zählrate basierend auf der Detektorzählrate und basierend auf den Luftdruckdaten des Drucksensors zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Detektor wenigstens zwei separate
Szintillationszähler auf, wobei der Detektor dazu eingerichtet ist, die
Detektorzählrate basierend auf einer Koinzidenz von Messereignissen in den wenigstens zwei Szintillationszählern zu ermitteln. Jeder der Szintillationszähler kann beispielsweise einen Szintillator und einen Photonenvervielfacher (bzw.
Photoelektronenvervielfacher) aufweisen. Als Szintillatormaterial kann jedes geeignete Material verwendet werden. Die Szintillatoren können daher organische Szintillatoren, anorganische Szintillatoren, Polystyol-Szintillatoren und/oder flüssige Szintillatoren sein. Die Verwendung zweier Szintillationszähler kann in vorteilhafter Weise eine Richtungsselektivität des Detektors basierend auf einer
Koinzidenzmessung mit den Szintillationszählern bereitstellen. Dadurch kann erreicht werden, dass der Detektor vornehmlich Teilchen detektiert, welche das Medium zumindest teilweise durchquert haben. Eine Richtungsselektivität des Detektors kann jedoch auch durch andere Mittel bereitgestellt werden, etwa eine geeignete Abschirmung.
Allgemein kann die Anzahl der auf den Detektor einfallenden Teilchen, etwa Myonen, beispielsweise mittels eines Szintillationszählers ermittelt werden. Dieser erzeugt beim Durchgang eines elektrisch geladenen Teilchens, wie beispielsweise einem Myon, und/oder bei Absorption eines hochenergetischen Photons eine gewisse Anzahl an Lichtquanten, welche mittels eines Photoelektronenvervielfachers in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Nutzt man die Koinzidenz von Ereignissen in einem Detektor mit baulich und örtlich getrennten
Szintillationszählern, d.h. wenigstens zwei separaten Szintillationszählern, so kann die Trajektorie des einfallenden Teilchens, etwa eines Myons, auf den
Akzeptanzwinkel des Detektors eingeschränkt werden. Wird ein solcher,
richtungsauflösender Detektor beispielsweise unterhalb eines Behälters befestigt, in welchem sich das Medium befindet, kann somit die durch das zu messende Medium beeinflusste Detektorzählrate bestimmt werden. Aufgrund des Zerfalls von niederenergetischen Myonen im Medium, verändert sich die Detektorzählrate in dem entsprechenden Raumwinkel und/oder Akzeptanzwinkel in Abhängigkeit des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums. Somit kann eine präzise Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann somit zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte eines Mediums in einem Behälter verwendet werden. Der Akzeptanzwinkel des Detektors kann hierbei zumindest teilweise mit dem Behälter und/oder dem Medium überlappen, so dass der Detektor Teilchen detektiert, welche das Medium und/oder den Behälter zumindest teilweise durchquert haben. Die Messvorrichtung kann jedoch auch zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums, etwa von Wasser und/oder von Sediment, in einem See, einem Fluss und/oder einem Stausee verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Auswerteschaltung eine
Diskriminatoreinheit, eine Koinzidenzeinheit, eine Ereigniszähleinheit und/oder eine Auswertekomponente auf. Gemäß einer Ausführungsform ist die Diskriminatoreinheit zur Diskriminierung (bzw. Abtrennung) der von dem richtungsselektiven Detektor detektierten
Nutzsignale von Störsignalen eingerichtet. Störsignale können sich beispielsweise aus dem Dunkelstrom des Photoelektronenvervielfachers oder dem Rauschen des Silizium-Photomultipliers ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Koinzidenzeinheit zur Detektion von
Koinzidenzereignissen, etwa eines Myonen-Einfalls, eingerichtet. Ein einfallendes Myon kann beispielsweise nur dann gezählt werden und/oder einen Beitrag zur Detektorzählrate leisten, wenn zwei oder mehr Szintillatoren des richtungsselektiven Detektors ein Ereignis registrieren.
Die an die Koinzidenzeinheit angeschlossene Ereigniszähleinheit ist zur Erfassung oder Zählung der Koinzidenzereignisse des Myonen-Einfalls eingerichtet, um die Zählrate der detektierten Koinzidenzereignisse und/oder die Detektorzählrate zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Ereigniszähleinheit dazu eingerichtet, innerhalb eines einstellbaren Zeitintervalls, die Anzahl koinzidenter Ereignisse des ersten richtungsselektiven Detektors zu zählen und so eine Detektorzählrate (Ni) zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteelektronik zum Auswerten der durch die Ereigniszähleinheit ermittelten Detektorzählrate Ni der detektierten
Koinzidenzereignisse eingerichtet und zum Ermitteln der auf den wenigstens einen Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung korrigierte Zählrate. Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die korrigierte Zählrate basierend auf einem exponentiellen Zusammenhang zwischen der Detektorzählrate und dem Luftdruck zu ermitteln. Eine Änderung der Detektorzählrate dN in Abhängigkeit einer Änderung des
Luftdrucks dp kann beispielsweise über folgende Differentialgleichung gegeben sein:
dN =—adp,
wobei a der sogenannte barometrische Koeffizient (z.B. in Einheiten von %/mbar), der die Abschirmung durch die Erdatmosphäre beschreibt, N die Detektorzählrate und p der Luftdruck am Ort der Messvorrichtung sind. Der Zusammenhang zwischen korrigierter Zählrate Nk, t und der Detektorzählrate N kann daher über folgende Gleichung beschrieben werden:
Figure imgf000017_0001
wobei po ein Referenzdruck ist, der beliebig gewählt werden kann.
Die Auswerteeinheit kann daher dazu eingerichtet sein, aus den Luftdruckdaten einen oder mehrere Luftdruckwerte zu bestimmen (und/oder abzuleiten) und basierend auf voranstehender Gleichung die korrigierte Zählrate zu berechnen. Der barometrische Koeffizient kann hierbei vorbestimmt sein und/oder beispielsweise durch eine Kalibriermessung bestimmt werden.
Voranstehende Gleichung stellt jedoch nur eine Möglichkeit der Korrektur der Detektorzählrate auf den Luftdruck dar. Nachfolgend werden Aspekte der
Messvorrichtung und/oder der Erfindung zusammengefasst sowie weitere
Möglichkeiten der Ermittlung der korrigierten Zählrate beschrieben.
Da die am Erdboden detektierte Flussrate von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung, insbesondere Myonen, zum einen über den Jahresverlauf beispielsweise aufgrund von Änderungen des (bodennahen) Luftdrucks, Änderungen der Höhe und Temperatur einer Referenzluftschicht, welche etwa dem Ort der maximalen Myonen- Produktionsrate entsprechen kann (der wiederum der 100 hPa Isobaren in der Erdatmosphäre entsprechen kann) schwankt, zum anderen aufgrund weiterer
Faktoren, wie etwa der Sonnenaktivität, dem Zustand der Magnetosphäre und/oder dem Weltraumwetter, welche Einfluss auf die Teilchenflussrate der auf die obere Atmosphäre treffenden primären kosmischen Strahlung haben, beeinflusst wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Detektorzählrate auf einen oder mehrere dieser Einflüsse zu korrigieren, insbesondere um den Messfehler zu minimieren. Zur Korrektur dieser Einflüsse kann beispielsweise eine lokal gemessene Referenz- Zählrate eines Referenzdetektors benutzt werden, welche nicht durch das zu messende Medium oder andere an der Messstelle zeitlich variable Einflüsse beeinflusst wird. Auch kann die am Ort der Messvorrichtung durch das zu messende Medium beeinflusste Detektorzählrate anhand lokal gemessener und/oder abgefragter Wetterdaten korrigiert werden. Die relative Variation der zur Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums gemessenen Flussrate /, etwa der Myonen-Flussrate /, kann beispielsweise gemäß der Methode von Duperier
Figure imgf000018_0001
korrigiert werden, wobei a der partielle Druckkoeffizient (etwa in Einheiten von %/hPa), Ap die Änderung des lokal gemessenen Luftdrucks gegenüber dem
Langzeitmittel, ß der Höhenkoeffizient (etwa in Einheiten von %/km), g der positive Temperaturkoeffizient (etwa in Einheiten von %/K) und AH und AT die Änderung der Höhe und Temperatur der Referenzschicht (etwa der 100 hPa Isobare) sind. AI ist die Änderung der Flussrate, etwa der Myonen-Flussrate, gegenüber dem jährlichen Durchschnitt. Entsprechend kann auch die Detektorzählrate einem solchen funktionalen Zusammenhang gehorchen. Es mag ausreichend sein, nur kurzzeitige Veränderungen der Flussrate, wie beispielsweise Veränderungen aufgrund des Einflusses des an der Messvorrichtung lokal gemessenen bodennahen Luftdrucks, zu korrigieren und langsame und/oder langperiodische Einflüsse über den Jahresverlauf, wie etwa die Temperatur und Höhe der Referenzschicht, zu vernachlässigen. Die beiden letzten Terme in obiger Gleichung können in diesem Fall vernachlässigt werden und sind daher in eckige Klammem gesetzt.
Langsame und/oder langperiodische Einflüsse über den Jahresverlauf, wie die Temperatur und Höhe der Referenzschicht, eine Änderung der Sonnenaktivität und/oder eine Änderung des Zustandes der Magnetosphäre können beispielsweise über einen oder mehrere vorbestimmte Parameter entsprechend dem aktuellen Datum korrigiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Variation der Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung, etwa der Myonenflussrate, und/oder die Detektorzählrate anhand der sogenannten effektiven atmosphärischen Temperatur Ap korrigiert werden:
D/ ATeff
— aT —
l Ärr
Die effektive atmosphärische Temperatur berücksichtigt dabei den Einfluss aller atmosphärischen Schichten (etwa mit zugehörigem Druck und/oder zugehöriger Temperatur) auf die Flussrate sekundärer Teilchen mit einem oder mehreren Gewichtungsfaktoren, insbesondere aT. Messdaten bezüglich der effektiven atmosphärischen Temperatur und/oder Messdaten, aus welchen sich diese ableiten lässt, können beispielsweise über ein Kommunikationsmodul der Messvorrichtung empfangen und/oder abgefragt werden. Auch kann die Messvorrichtung solche Messdaten zumindest teilweise selbst ermitteln. Die Auswerteeinheit kann daher dazu eingerichtet sein, die Messdaten zu verarbeiten und/oder einen oder mehrere Parameter einer oder mehrerer der voranstehend erläuterten Gleichungen zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Auswerteeinheit basierend auf einer Anwendung einer oder mehrerer der voranstehenden
Gleichungen die korrigierte Zählrate ermitteln. Gemäß einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung ferner einen Zeitgeber, etwa eine Echtzeituhr mit Kalendarium, zur Ermittlung von Kalenderdaten und/oder eines Datums auf, wobei die Messdaten die mit dem Zeitgeber erfassten
Kalenderdaten umfassen. Die Auswerteeinheit ist ferner dazu eingerichtet, die
Detektorzählrate basierend auf den Kalenderdaten und/oder basierend auf wenigstens einem Datum hinsichtlich eines Einflusses der Sonnenaktivität auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung zu korrigieren. Über die Kalenderdaten und/oder das Datum kann etwa ein Zeitpunkt innerhalb des Sonnenzyklus ermittelt werden. Dies kann eine Bestimmung und/oder Abschätzung der Sonnenaktivität zu diesem Zeitpunkt bzw. dem Datum erlauben.
Auch ein oder mehrere weitere vorbestimmte Parameter können zur Bestimmung der Sonnenaktivität herangezogen werden. Beispielsweise kann die Sonnenaktivität unter Annahme eines quasi-periodischen und/oder sinus- förmigen Verlaufs mit einer
Periodizität von rund elf Jahren approximiert werden. Auch die Flussrate am Ort der Messvorrichtung kann daher einer sinus-förmigen Variation mit einer Periodizität von rund elf Jahren unterworfen sein. Gleichsam kann der wenigstens eine vorbestimmte Parameter eine Periodizität und/oder eine Amplitude des
Sonnenzyklus bzw. der damit einhergehenden Variation der Flussrate sekundärer Teilchen am Ort der Messvorrichtung umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Messvorrichtung ferner ein
Kommunikationsmodul auf, welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Messdaten von wenigstens einer externen Sendestation zu empfangen, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die korrigierte Zählrate basierend auf der Detektorzählrate und basierend auf den über das Kommunikationsmodul
empfangenen Messdaten zu ermitteln. Die Messvorrichtung kann daher zumindest einen Teil der zur Korrektur herangezogenen Messdaten von einer Sendestation abrufen. Dadurch kann der von der Messvorrichtung durchzuführende Messaufwand geringgehalten werden. Beispielsweise kann die Messvorrichtung Satellitendaten, etwa den Kp-Index, abrufen, welche die aktuelle Sonnenaktivität und/oder die aktuelle Intensität des Sonnenwindes beschreiben. Auch kann die Messvorrichtung Messdaten, welche eine aktuelle Anzahl von Sonnenflecken beschreiben, abrufen und daraus die aktuelle Sonnenaktivität ableiten. Auch können Messdaten eines Referenzdetektors und/oder Luftdruckdaten über das Kommunikationsmodul abgefragt und/oder empfangen werden. Gleichsam können Messdaten zur
Beschreibung eines Zustandes der Magnetosphäre über das Kommunikationsmodul abgerufen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kommunikationsmodul dazu eingerichtet, Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung und/oder Wetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der
Erdatmosphäre, etwa den Luftdruck, der Temperatur, der Höhe der 100 hPa Isobaren, der Temperatur der 100 hPa Isobaren, der effektiven Temperatur der Erdatmosphäre, zu empfangen. Hierdurch kann auf einen in der Messvorrichtung integrierten
Drucksensor verzichtet werden und die Messvorrichtung kann kompakt ausgeführt werden. Die Messvorrichtung kann jedoch auch sowohl einen Drucksensor zur Erfassung von Luftdruckdaten aufweisen als auch Luftdruckdaten über das
Kommunikationsmodul empfangen. Dies kann eine Genauigkeit der korrigierten
Zählrate weiter steigern und/oder eine Plausibilitätskontrolle der Luftdruckdaten des Drucksensors der Messvorrichtung ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kommunikationsmodul dazu eingerichtet, Weltraumwetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des
Weltraumwetters, z.B. der Sonnenaktivität, der Anzahl von Sonnenflecken, der Intensität des Sonnenwindes und/oder der Intensität primärer kosmischer Strahlung in oberen Schichten der Erdatmosphäre, zu empfangen. Die Auswerteeinheit kann etwa dazu eingerichtet sein, die korrigierte Zählrate basierend auf der
Detektorzählrate und basierend auf den Weltraumwetterdaten zu ermitteln. Auch kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, basierend auf einer Verarbeitung der Weltraumwetterdaten wenigstens einen Korrekturfaktor und/oder
Korrekturparameter für die Detektorzählrate zu bestimmen. Beispielsweise können die Weltraumwetterdaten Satellitendaten, etwa der Kp-Index, und/oder eine Anzahl von Sonnenflecken sein. Die Auswerteeinheit kann aus derartigen Messdaten bzw. Weltraumwetterdaten wenigstens einen Korrekturfaktor und/oder
Korrekturparameter ableiten und die Detektorzählrate basierend auf dem wenigstens einen Korrekturfaktor und/oder Korrekturparameter korrigieren, um die korrigierte Zählrate zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kommunikationsmodul dazu eingerichtet, Messdaten wenigstens eines entfernt von der Messvorrichtung angeordneten
Detektors zur Detektion von Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung zu empfangen. Die Auswerteeinheit kann dazu eingerichtet sein, die korrigierte Zählrate basierend auf der Detektorzählrate und basierend auf den Messdaten des entfernt von der Messvorrichtung angeordneten Detektors zu ermitteln. Durch Verwendung dieser Messdaten kann die Messvorrichtung Einflüsse auf die Flussrate am Ort der
Messvorrichtung korrigieren. Optional kann die Messvorrichtung bzw. die
Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, die Messdaten des entfernt von der
Messvorrichtung angeordneten Detektors zu korrigieren, beispielsweise hinsichtlich eines Luftdruckes, einer Höhe über dem Erdboden und/oder hinsichtlich einer geographischen Position des entfernt von der Messvorrichtung angeordneten
Detektors. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung einer Messvorrichtung, so wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, zur
Bestimmung eines Sedimentationsgrades eines Stausees. Die Messvorrichtung umfasst einen richtungsselektiven Detektor, welcher beispielsweise seitlich an einer Staumauer eines Stausees angebracht sein kann. Der richtungsselektive Detektor kann dabei zur Bestimmung der Detektorzählrate bzw. der korrigierten Zählrate verwendet werden. Diese kann sowohl von der Höhe des Wasserpegels in dem Stausee als auch von der Höhe der Sedimentationsschicht abhängig sein. Mittels der Messvorrichtung kann somit die Höhe H der
Sedimentationsschicht anhand der durch den Detektor bestimmten Detektorzählrate und/oder der korrigierten Zählrate ermittelt werden. Mit Kenntnis der Abhängigkeit der Zählrate von der Höhe des Wasserpegels Hw kann somit der Einfluss eines variierenden Wasserpegels in vorteilhafter Weise eliminiert werden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung der Messvorrichtung, so wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, als
Grenzstandmessgerät zur Bestimmung eines Grenzstandes des Mediums.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung einer Messvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines
Mediums in einem Behälter, einer Schütthalde oder einem Fluss.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums mit einer Messvorrichtung, so wie voranstehend und nachfolgend beschrieben. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:
Ermitteln, mit einem richtungsselektiven Detektor der Messvorrichtung, einer Detektorzählrate, welche mit einer Flussrate von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium korreliert;
Korrigieren, mit einer Auswerteeinheit der Messvorrichtung, der
Detektorzählrate basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung in Zusammenhang stehen, unter Ermitteln einer auf den wenigstens einen Einfluss korrigierten Zählrate; und Bestimmen des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums basierend auf der korrigierten Zählrate.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Programmelement angegeben, das, wenn es auf einem Prozessor einer Messvorrichtung und/oder der Auswerteeinheit ausgeführt wird, die Messvorrichtung anleitet, einen Füllstand und/oder eine Dichte eines Mediums gemäß dem voranstehend erläuterten Verfahren zu ermitteln.
Dabei kann das Programmelement z. B. Teil einer Software sein, die auf dem Prozessor und/oder in einem Datenspeicher der Messvorrichtung gespeichert ist. Der Prozessor kann dabei ebenso Gegenstand der Erfindung sein und/oder beispielsweise in der Auswerteeinheit integriert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein computerlesbares Medium angegeben, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf einem Prozessor einer Messvorrichtung und/oder der Auswerteeinheit ausgeführt wird, die Messvorrichtung anleitet, einen Füllstand und/oder eine Dichte eines Mediums gemäß dem voranstehend erläuterten Verfahren zu ermitteln. Im Folgenden werden Ausführungsformen mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche, gleich wirkende, ähnliche oder ähnlich wirkende Elemente. Fig. 1 zeigt eine Messvorrichtung zur Füllstands- und/oder Dichtemessung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 illustriert exemplarische Zählraten der Messvorrichtung aus Figur 1.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Fig. 4 zeigt eine Messvorrichtung mit einem richtungsselektiven Detektor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 zeigt eine weitere Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines richtungsselektiven Detektors zur Füllstandmessung mittels Myonen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung einer Messvorrichtung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen Figur 1 zeigt eine Messvorrichtung 10 zur Füllstands- und/oder Dichtemessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Figur 2 illustriert exemplarische Zählraten der Messvorrichtung 10 aus Figur 1, insbesondere eine Detektorzählrate und eine korrigierte Zählrate als Funktion der Zeit. Im Speziellen zeigt Figur 1 eine Messvorrichtung 10 zur Bestimmung eines
Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums 101 in einem Behälter 102. Das Medium 101 kann etwa eine Flüssigkeit und/oder ein Feststoff sein. Die in Figur 1 gezeigte Messvorrichtung 10 mit dem Behälter 102 kann eine Myonen- Messvorrichtung 10 und/oder eine Messanordnung 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel bezeichnen.
Die Messvorrichtung 10 weist einen richtungsselektiven und/oder
richtungsauflösenden Detektor 12 auf. Beispielhaft weist der Detektor 12 zwei separate, etwa baulich und/oder örtlich getrennte, Szintillationszähler l2a, l2b auf. Gleichsam weist der Detektor 12 ein Paar von Szintillationszählern l2a, l2b auf. Jeder der Szintillationszähler l2a, l2b kann beispielsweise einen Szintillator und/oder einen Photonenvervielfacher (bzw. Photoelektronenvervielfacher) aufweisen. Alternativ können aber auch Avalanche-Photodioden (APD) und daraus abgeleitete Silicon Photomultiplier (SiPM) eingesetzt werden. Als
Szintillatormaterial kann jedes geeignete Material verwendet werden. Die
Szintillatoren können daher organische Szintillatoren, anorganische Szintillatoren, Polystyol-Szintillatoren und/oder flüssige Szintillatoren sein. Die Verwendung wenigstens zweier Szintillationszähler l2a, l2b bzw. eines Paars von Szintillationszählern l2a, l2b kann in vorteilhafter Weise eine
Richtungsselektivität des Detektors 12, etwa basierend auf einer Koinzidenzmessung mit den Szintillationszählern l2a, l2b, bereitstellen. Hierzu kann der Detektor 12 etwa über eine Koinzidenzeinheit (nicht dargestellt) verfügen und/oder dazu eingerichtet sein, nur in den beiden Szintillationszählern l2a, l2b koinzidente
Ereignisse und/oder Messereignisse zu zählen. Dies kann zur Folge haben, dass eine Sensitivität des Detektors 12 auf einen gewissen Raumwinkelbereich 13 und/oder einen gewissen Akzeptanzwinkel 13 eingeschränkt ist. Der Akzeptanzwinkel 13 kann alternativ oder zusätzlich durch Größe, Bauform, sowie relative Lage bzw. Abstand der beiden Szintillationszähler entsprechend beeinflusst werden. Es mag auch möglich sein, dass der Akzeptanzwinkel 13 an den zu messenden Behälter 102 anpassbar ist.
Wie in Figur 1 illustriert, ist der Detektor 12 dabei derart relativ zu dem Behälter 102 und/oder dem Medium 101 angeordnet, dass der Akzeptanzwinkel 13 des Detektors 12 zumindest teilweise mit dem Medium 101 (bzw. Behälter 102) überlappt. Mit anderen Worten ist der Detektor 12 derart angeordnet, dass das Medium 101 und/oder der Behälter 102 zumindest teilweise in dem Akzeptanzwinkel 13 des
Detektors 12 hegt. In dem Beispiel der Figur 1 ist der Detektor 12 daher zumindest teilweise unterhalb des Behälters 102 und/oder unterhalb des Mediums 101 angeordnet. Andere Anordnungen sind jedoch gleichsam möglich. Der Detektor 12 ist dazu eingerichtet, zumindest vornehmlich Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung detektieren, welche das Medium 101 und/oder den Behälter 102 zumindest teilweise durchquert haben. In Figur 1 ist exemplarisch eine Trajektorie 104 eines Myons der sekundären kosmischen Strahlung illustriert.
Entsprechend kann es sich bei dem Detektor 12 um einen Myonen-Detektor 12 handeln. Es können jedoch auch andere Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung zur Füllstands- und/oder Dichtemessung detektiert werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird jedoch rein exemplarisch auf die Messung von Myonen Bezug genommen. Da die von dem Detektor 12 detektierten Myonen das Medium 101 und/oder den
Behälter 102 zumindest teilweise durchquert haben, kann die durch das zu messende Medium 101 beeinflusste Detektorzählrate bestimmt werden. Aufgrund des Zerfalls von niederenergetischen Myonen im Medium 101 und/oder Ionisation, verändert sich die Detektorzählrate in Abhängigkeit des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums 101. Somit kann eine präzise Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums 101 ermöglicht werden.
Auf den Detektor 12 und/oder die Szintillationszähler l2a, l2b treffende Myonen erzeugen aufgrund von Ionisierungen und/oder Zerfallsprozessen in den jeweiligen Szintillatoren Lichtpulse, welche mit den entsprechenden
Photoelektronenvervielfachern in elektrische Signale gewandelt werden. Alternativ können aber auch Avalanche-Photodioden (APD) und/oder (z.B. daraus abgeleitete) Silicon Photomultiplier (SiPM) eingesetzt werden. In den beiden
Szintillationszählern l2a, l2b koinzidente Signale werden von dem Detektor 12, etwa unter Verwendung der Koinzidenzeinheit, als Ereignis und/oder Messereignis gezählt. Der Detektor 12 bestimmt die Anzahl solcher Ereignisse pro Zeiteinheit und ermittelt so die Detektorzählrate 200, welche mit einer Flussrate der Myonen am Ort der Messvorrichtung 10 korreliert, für die Flussrate repräsentativ ist und/oder für diese Flussrate indikativ ist. Die Flussrate kann hierbei etwa einen Fluss, eine
Intensität und/oder eine Fluenzrate (etwa in Einheiten von Teilchen pro Flächen- und Zeiteinheit) unterhalb des Behälters 102, am Ort der Messvorrichtung 10 und/oder am Ort des Detektors 12 bezeichnen. Eine beispielhafte Detektorzählrate 200 des Detektors 12 aus Figur 1 ist in Figur 2 dargestellt. Figur 2 zeigt dabei die Detektorzählrate 200 in beliebigen Einheiten als Funktion der Zeit. Die Zeit- Achse der Figur 2 hat dabei ebenso beliebige Einheiten. Beispielsweise können die in Figur 2 gezeigten Zeitintervalle jeweils einer
Zeitperiode von einem Monat entsprechen.
Wie in Figur 2 deutlich erkennbar ist, ist die Detektorzählrate 200 erheblichen Variationen unterworfen. Diese Variationen sind zum Teil auf Änderungen des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums 101 zurückzuführen. Zum anderen sind diese Variationen jedoch auf einen oder mehrere weitere Einflüsse auf die Flussrate der Myonen zurückzuführen, wie etwa Variationen in Wetterbedingungen, erdatmosphärischen Variationen, insbesondere Variationen des Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung 10, Variationen im Weltraumwetter, Variationen in der Sonnenaktivität und/oder Variationen eines Zustandes der Magnetosphäre der Erde. Derartige Variationen der Flussrate und/oder Einflüsse auf die Flussrate, welche nicht von Änderungen des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums 101 hervorgerufen sind, können die Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte beeinflussen und/oder zu einer erhöhten Messungenauigkeit führen.
Um einen oder mehrere solcher Einflüsse auf die Flussrate und damit auf die Detektorzählrate 200 zu korrigieren, verfügt die Messvorrichtung 10 über eine Auswerteeinheit 14, die dazu eingerichtet ist, eine auf einen oder mehrere dieser Einflüsse korrigierte Zählrate 202 zu bestimmen. Damit kann die Messgenauigkeit gesteigert werden. Auch kann dadurch auf einen Referenzdetektor, welcher etwa oberhalb des Behälters 102 am Ort der Messvorrichtung 10 angeordnet werden könnte, verzichtet werden.
Zur Korrektur eines oder mehrerer der voranstehend erläuterten Einflüsse, welche nicht durch Änderungen des Füllstandes und/oder der Dichte hervorgerufen sind, ist die Auswerteeinheit 14 dazu eingerichtet, Messdaten zu verarbeiten, welche mit einem oder mehreren dieser Einflüsse in Zusammenhang stehen. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit 14 von den Messdaten einen oder mehrere Korrekturfaktoren und/oder Korrekturparameter ableiten und/oder basierend auf den Messdaten einen oder mehrere Korrekturfaktoren und/oder Korrekturparameter ermitteln. Unter Verrechnung des einen oder der mehreren Korrekturfaktoren und/oder
Korrekturparameter mit der Detektorzählrate 200 kann die Auswerteeinheit 14 die korrigiert Zählrate 202 bestimmen. Basierend auf der korrigierten Zählrate 202 kann die Auswerteeinheit 14 sodann den Füllstand und/oder die Dichte des Mediums 101 mit hoher Präzision bestimmen. Allgemein können die Messdaten wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der Erdatmosphäre, Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks,
Temperaturdaten zur Beschreibung einer Temperatur der Erdatmosphäre,
Wetterdaten zur Beschreibung einer effektiven Temperatur der Erdatmosphäre, Wetterdaten zur Beschreibung einer Höhe und einer Temperatur einer
Referenzschicht der Erdatmosphäre, Weltraumwetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des Weltraumwetters, Sonnendaten zur Beschreibung der Sonnenaktivität, Sonnendaten zur Beschreibung einer Intensität des
Sonnenwinds, Satellitendaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des
Weltraumwetters, Kalenderdaten zur Beschreibung eines Zeitpunktes innerhalb eines Sonnenzyklus, geographische Daten zur Beschreibung geographischer Koordinaten des Orts der Messvorrichtung, magnetosphärische Daten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der Magnetosphäre der Erde, und Messdaten
wenigstens eines entfernt von der Messvorrichtung angeordneten Detektors zur Detektion von Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung umfassen.
Eines oder mehrere Elemente der voranstehend genannten Messdaten kann die Messvorrichtung 10 entweder selbst ermitteln und/oder beispielsweise über eine Femabfrage von einem Sender empfangen, etwa über ein Kommunikationsmodul 18, wie nachfolgend erläutert wird.
Beispielsweise kann die Messvorrichtung 10 einen Drucksensor 16 aufweisen, welcher mit der Auswerteeinheit 14 gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist,
Luftdruckdaten des erdatmosphärischen Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung 10 zu ermitteln. Die Luftdruckdaten des Drucksensors 16 können sodann als Messdaten von der Auswerteeinheit 14 verarbeitet werden und basierend auf den
Luftdruckdaten sowie der Detektorzählrate 200 kann die korrigierte Zählrate 202 bestimmt werden. Die korrigierte Zählrate 202 kann beispielsweise basierend auf einem exponentiellen Zusammenhang zwischen der Detektorzählrate 200 und dem Luftdruck ermittelt werden, wobei ein Zusammenhang zwischen korrigierter ZählrateVkor bzw. 202 und der Detektorzählrate /V bzw. 200 beispielsweise über folgende Gleichung beschrieben werden kann:
Figure imgf000031_0001
wobei po ein Referenzdruck und p ein Luftdruckwert ist. Die Auswerteeinheit 14 kann daher dazu eingerichtet sein, aus den Luftdruckdaten des Drucksensors 16 einen oder mehrere Luftdruckwerte p zu bestimmen und basierend auf
voranstehender Gleichung die korrigierte Zählrate 202 zu berechnen. Der
barometrische Koeffizient a kann hierbei vorbestimmt sein und/oder beispielsweise durch eine Kalibriermessung bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Drucksensor 16 kann die Messvorrichtung 10 ein Kommunikationsmodul 18 aufweisen, welches zum Empfang und/oder zur Abfrage von Messdaten dienen kann. Beispielsweise können über das Kommunikationsmodul 18 Luftdruckdaten des Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung 10 etwa von einer
Wetterstation abgefragt und/oder empfangen werden. In diesem Fall kann auf den Drucksensor 16 verzichtet werden, jedoch können auch sowohl Luftdruckdaten über den Drucksensor 16 ermittelt als auch Luftdruckdaten über das
Kommunikationsmodul 18 empfangen werden.
Allgemein können beliebige Messdaten, welche mit einem oder mehreren Einflüssen auf die Flussrate der Myonen am Ort der Messvorrichtung 10 in Zusammenhang stehen (wie voranstehend erläutert), über das Kommunikationsmodul 18 empfangen werden. Insbesondere können über das Kommunikationsmodul 18
erdatmosphärische Messdaten, wie beispielsweise eine effektive atmosphärische Temperatur, Luftdruckdaten, eine Höhe der 100 hPa Isobaren und/oder eine
Temperatur der 100 hPa Isobaren, empfangen werden, aus welchen die
Auswerteeinheit 14 einen oder mehrere Korrekturfaktoren und/oder
Korrekturparameter zur Ermittlung der korrigierten Zählrate 202 ableiten kann. Alternativ oder zusätzlich können über das Kommunikationsmodul 18 Messdaten zum Weltraumwetter, etwa Messdaten zur Sonnenaktivität, Satellitendaten zur Sonnenaktivität, Messdaten bezüglich einer Anzahl von Sonnenflecken und/oder Messdaten bezüglich einer Intensität des Sonnenwindes, empfangen werden.
Alternativ oder zusätzlich können Messdaten bezüglich eines Zustandes der
Magnetosphäre, etwa Messdaten bezüglich einer Magnetfeldstärke, Messdaten bezüglich einer räumlichen Ausdehnung der Magnetosphäre und/oder Messdaten bezüglich einer Position der Pole des Erdmagnetfelds, über das
Kommunikationsmodul 18 empfangen werden. Auch aus solchen Messdaten kann die Auswerteeinheit 14 geeignete Korrekturfaktoren und/oder Korrekturparameter ableiten und zur Ermittlung der korrigierten Zählrate 202 verwenden.
Um beispielsweise langperiodische Schwankungen der Flussrate der Myonen, etwa bedingt durch den Sonnenzyklus, zu korrigieren, können über das
Kommunikationsmodul 18 auch Kalenderdaten empfangen werden. Die
Auswerteeinheit 14 kann beispielsweise basierend auf einem oder mehreren vorbestimmten Parametern, welche etwa in einem Datenspeicher der
Messvorrichtung 10 hinterlegt sein können und/oder über das
Kommunikationsmodul 18 empfangen werden können, und basierend auf den Kalenderdaten einen oder mehrere Korrekturfaktoren und/oder Korrekturparameter bestimmen. Derartige Parameter können beispielsweise eine Amplitude und/oder eine Periodizität sein, welche Änderungen der Flussrate aufgrund des Sonnenzyklus am Ort der Messvorrichtung 10 beschreiben.
Alternativ oder zusätzlich kann die Messvorrichtung 10 über einen Zeitgeber 20, etwa eine Echtzeituhr mit Kalendarium, verfügen. Dies erlaubt, dass die
Messvorrichtung selbst die Kalenderdaten über den Zeitgeber 20 bestimmen kann.
Optional, d.h. alternativ oder in Ergänzung, kann die Messvorrichtung 10 über das Kommunikationsmodul 18 auch Messdaten wenigstens eines entfernt von der Messvorrichtung 10 angeordneten Detektors, d.h. einem Detektor an einer anderen geographischen Position, welcher Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung misst, empfangen. Auch diese Messdaten können von der Auswerteeinheit 14 verwendet werden, um die korrigierte Zählrate 202 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 14 kann hierzu Roh-Messdaten des entfernten Detektors verwenden oder die Roh-Messdaten verarbeiten, beispielsweise auf die geographische Position der Messvorrichtung 10 umrechnen und/oder etwa eine Luftdruckkorrektur vornehmen der Roh-Messdaten vornehmen.
Die Messvorrichtung 10 der Figuren 1 und 2 kann auch als Grenzstandmessgerät 10 zur Ermittlung eines Grenzstandes des Mediums 101 verwendet werden.
Auch kann die voranstehend erläuterte Messvorrichtung zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums verwendet werden, welches nicht in einem Behälter angeordnet. Beispiele hierfür sind die Bestimmung des Füllstandes und/oder der Dichte eines Sees, eines Stausees, eines Flusses und/oder von Sedimenten.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums 101 mit einer Messvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Messvorrichtung 10 kann hierbei die mit Bezug auf Figuren 1 und 2 beschriebene Messvorrichtung 10 sein.
In einem Schritt Sl wird mit einem richtungsselektiven Detektor 12 der
Messvorrichtung 10 eine Detektorzählrate 200, welche mit einer Flussrate von
Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium 101 korreliert, ermittelt.
In einem weiteren Schritt S2 wird mit einer Auswerteeinheit 14 der Messvorrichtung 10 die Detektorzählrate 200 basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung 10 in Zusammenhang stehen, korrigiert. In Schritt S2 kann somit die auf den wenigstens einen Einfluss korrigierte Zählrate 202 ermittelt werden. Optional können in Schritt S2 die Messdaten gemessen werden, etwa mit dem Drucksensor 16 und/oder dem Zeitgeber 20. Alternativ oder zusätzlich können die Messdaten in Schritt S2 mit dem Kommunikationsmodul 18 empfangen werden.
Optional kann die Auswerteeinheit 14 in Schritt S2 einen oder mehrere
Korrekturfaktoren und/oder Korrekturparameter aus den Messdaten ableiten und mit der Detektorzählrate 200 verrechnen, um die korrigierte Zählrate 200 zu bestimmen.
In einem weiteren Schritt S3 wird sodann mit der Auswerteeinheit 14 der Füllstand und/oder die Dichte des Mediums 101 basierend auf der korrigierten Zählrate 202 bestimmt.
Figuren 4 und 5 zeigen jeweils eine Messvorrichtung 10 und/oder eine
Messanordnung 100.
Der richtungsselektive Detektor 12 ist in Figur 4 unterhalb dem Behälter 102 angeordnet und weist zwei Szintillationszähler auf, die vorzugsweise parallel angeordnet sind. Der Detektor 12 ist dazu eingerichtet, eine Detektorzählrate der Myonen nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium 101 im Behälter 102 zu detektieren. Die Detektorzählrate wird durch die Höhe H und Dichte des zu messenden Mediums 101 beeinflusst. Aufgrund der Anordnung und Geometrie der verwendeten Szintillatoren bzw. Szintillationszähler, können sich Myonen beispielsweise entlang der Trajektorien 220 und 221 bewegen, um den Behälter, das Medium und den Detektor durchzulaufen.
In Figur 5 ist die Messvorrichtung 12 seitlich an dem Behälter 102, der mit einem Medium 101 befüllt ist, angeordnet. Die detektierten Myonen durchlaufen den Behälter 102 und das zu messenden Medium 101 in einem gewissen Winkelbereich um eine Zentraltrajektorie 520, welche einen Zenit-Winkel z aufweist.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines richtungsselektiven Detektors 12 einer Messvorrichtung 10 zur Füllstandmessung.
Die Messvorrichtung 10 weist den vorhergehend beschriebenen Detektor 12 und mindestens eine Auswerteeinheit 14 auf. Der richtungsselektive Detektor 12 weist ein Paar von Szintillationszählern l2a, l2b auf. Diese sind jeweils an einen empfindlichen Lichtsensor 421, 422 angeschlossen, welche jeweils dazu eingerichtet sind, die in den Szintillationszählern l2a, l2b durch die von der auftreffenden sekundären kosmischen Strahlung (z.B. Myonen) erzeugten Lichtpulse in ein elektrisches Signal, z. B. einen äquivalenten Spannungs- oder Strompuls, umzuwandeln. Bei den Lichtsensoren 421, 422 kann es sich beispielsweise um eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre (PMT) oder um einen Silizium-
Photoelektronenvervielfacher (SiPM) handeln. Die Auswerteeinheit 14 weist eine Diskriminatoreinheit 430, eine Koinzidenzeinheit 440, eine Ereigniszähleinheit 450 und mindestens eine Auswertekomponente 460 auf. Ein Myon mi, welches das zu messende Medium bereits durchlaufen hat und den Detektor 12 durchläuft, erzeugt einen koinzidenten Lichtpuls in dem ersten l2a und zweiten Szintillationszähler l2b durch Wechselwirkung mit deren Materie. Der erste Lichtsensor 421 und der zweite Lichtsensor 422 wandeln die in den
Szintillationszählern l2a, l2b erzeugten Lichtpulse in ein entsprechendes elektrisches Signal um. Die Diskriminatoreinheit 430 trennt Nutzsignale von
Störsignalen (beispielsweise thermisches Rauschen) entsprechend der detektierten Signalform (Amplitude, Zeitdauer über Schwellwert etc.) ab. Die so gefilterten Signale werden weiter zur Koinzidenzeinheit 440 geleitet, die dazu eingerichtet ist, koinzidente Signale, welche beim Durchgang des Myons durch das Paar von Szintillationszählern l2a, l2b entstehen, zu detektieren. Die Ereigniszähleinheit 450 zählt die Anzahl der koinzidenten Ereignisse und ermittelt so eine Detektorzählrate Ni.
Durch die Auswertekomponente 460 erfolgt das Auswerten der durch die
Ereigniszähleinheit 450 ermittelten Detektorzählrate der detektierten koinzidenten Ereignisse und das Ermitteln der auf den wenigstens einen Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung 10 korrigierte Zählrate. Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung einer
Messvorrichtung 10 zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees. Der Detektor 12 ist seitlich an einer Staumauer gegenüber einem Stausee angeordnet. Die Auswerteeinheit 14 bestimmt die Höhe H der Sedimentationsschicht 701 des
Stausees anhand der durch den Detektor 12 ermittelten korrigierten Zählrate von Myonen, die den Stausee (sprich Staumauer, aufgestautes Wasser) durchlaufen haben. Da die korrigierte Zählrate durch das maximal aufgestaute Wasser Hw, die Sedimentationsschicht und die Staumauer 710 beeinflusst werden, kann basierend auf der korrigierten Zählrate die Höhe H der Sedimentationsschicht 701 ermittelt werden. Alternativ kann die Messvorrichtung 10 auch im Stausee versenkt sein und bspw. eine zur Erdoberfläche senkrechte Zentraltrajektorie aufweisen.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass“umfassend“ und„aufweisen“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsformen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsformen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung (10), eingerichtet zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums (101), die Messvorrichtung (10) aufweisend: einen richtungsselektiven Detektor (12), welcher dazu eingerichtet ist,
Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium (101) zu detektieren und eine mit einer Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (10) korrelierende Detektorzählrate (200) zu ermitteln; und
eine Aus Werteeinheit (14), die dazu eingerichtet ist:
- basierend auf der von dem Detektor (12) ermittelten Detektorzählrate (200) und basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die
Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (10) in Zusammenhang stehen, eine auf den wenigstens einen Einfluss korrigierte Zählrate (202) zu ermitteln; und
- basierend auf der korrigierten Zählrate (202) den Füllstand und/oder die Dichte des Mediums (101) zu bestimmen.
2. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
wobei die Messvorrichtung (10) einen einzigen Detektor (12) zur Detektion der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung aufweist.
3. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei der Detektor (12) dazu eingerichtet ist, Myonen der sekundären kosmischen Strahlung zu detektieren; und/oder
wobei der Detektor (12) dazu eingerichtet ist, eine mit einer Flussrate von sekundären kosmischen Myonen korrelierende Detektorzählrate (200) zu ermitteln.
4. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Messdaten wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der Erdatmosphäre, Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks, Temperaturdaten zur
Beschreibung einer Temperatur der Erdatmosphäre, Wetterdaten zur Beschreibung einer effektiven Temperatur der Erdatmosphäre, Wetterdaten zur Beschreibung einer Höhe und einer Temperatur einer Referenzschicht der Erdatmosphäre,
Weltraumwetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des
Weltraumwetters, Sonnendaten zur Beschreibung der Sonnenaktivität, Sonnendaten zur Beschreibung einer Intensität des Sonnenwinds, Satellitendaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des Weltraumwetters, Kalenderdaten zur Beschreibung eines Zeitpunktes innerhalb eines Sonnenzyklus, geographische Daten zur
Beschreibung geographischer Koordinaten des Orts der Messvorrichtung, magnetosphärische Daten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der Magnetosphäre der Erde, und Messdaten wenigstens eines entfernt von der
Messvorrichtung angeordneten Detektors zur Detektion von Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung umfassen.
5. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Messdaten Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung (10) umfassen; und/oder
wobei der wenigstens eine Einfluss eine Abschirmung der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung durch die Erdatmosphäre, insbesondere durch bodennahe Schichten der Erdatmosphäre, umfasst.
6. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
einen Drucksensor (16), welcher mit der Auswerteeinheit (14) gekoppelt ist und welcher dazu eingerichtet ist, Luftdruckdaten des erdatmosphärischen
Luftdrucks zu ermitteln; und
wobei die Messdaten die mit dem Drucksensor (16) ermittelten
Luftdruckdaten umfassen.
7. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche
wobei der Detektor (12) wenigstens zwei separate Szintillationszähler (l2a, l2b) aufweist; und
wobei der Detektor (12) dazu eingerichtet ist, die Detektorzählrate (200) basierend auf einer Koinzidenz von Messereignissen in den wenigstens zwei
Szintillationszählern (l2a, l2b) zu ermitteln.
8. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Auswerteeinheit (14) mindestens eine Diskriminatoreinheit (430), mindestens eine Koinzidenzeinheit (440), mindestens eine Ereigniszähleinheit (450) und mindestens eine Auswerteelektronik (460) aufweist.
9. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 8 ,
wobei die Diskriminatoreinheit (430) dazu eingerichtet ist, die von der Detektor (12) detektierten Nutzsignale von Störsignalen abzutrennen.
10. Messvorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9,
wobei die Koinzidenzeinheit (440) dazu eingerichtet ist, die koinzidenten Ereignisse eines Myonen-Einfalls auf den ersten und zweiten Szintillationszähler (l2a, l2b) zu detektieren.
11. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
wobei die Ereigniszähleinheit (450) dazu eingerichtet ist, innerhalb eines einstellbaren Zeitintervalls, die Anzahl koinzidenter Ereignisse des richtungsselektiven Detektors (12) zu zählen und so eine Detektorzählrate (200) zu bestimmen.
12. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
wobei die Auswerteelektronik (460) dazu eingerichtet ist, die durch die Ereigniszähleinheit (450) ermittelte Detektorzählrate der detektierten koinzidenten Ereignisse auszuwerten und die auf den wenigstens einen Einfluss auf die Flussrate der Myonen am Ort der Messvorrichtung (10) korrigierte Zählrate (202) zu ermitteln.
13. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
wobei die Auswerteeinheit (14) dazu eingerichtet ist, die korrigierte Zählrate
(202) basierend auf einem exponentiellen Zusammenhang zwischen der
Detektorzählrate (200) und dem Luftdruck zu ermitteln.
14. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
einen Zeitgeber (20) zur Ermittlung von Kalenderdaten,
wobei die Messdaten die mit dem Zeitgeber (20) erfassten Kalenderdaten umfassen; und
wobei die Auswerteeinheit (14) dazu eingerichtet ist, die Detektorzählrate (200) basierend auf den Kalenderdaten hinsichtlich eines Einflusses der
Sonnenaktivität auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (10) zu korrigieren.
15. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
ein Kommunikationsmodul (18), welches dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Messdaten von wenigstens einer externen Sendestation zu empfangen; wobei die Auswerteeinheit (14) dazu eingerichtet ist, die korrigierte Zählrate (202) basierend auf der Detektorzählrate (200) und basierend auf den über das Kommunikationsmodul (18) empfangenen Messdaten zu ermitteln.
16. Messanordnung (10) nach Anspruch 15 ,
wobei das Kommunikationsmodul (18) dazu eingerichtet ist, Luftdruckdaten eines erdatmosphärischen Luftdrucks am Ort der Messvorrichtung (10) und/oder Wetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters der Erdatmosphäre, insbesondere einer effektiven atmosphärischen Temperatur, einer Höhe der 100 hPa Isobaren der Erdatmosphäre und/oder einer Temperatur der 100 hPa Isobaren der Erdatmosphäre, zu empfangen. 17. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
wobei das Kommunikationsmodul (18) dazu eingerichtet ist,
Weltraumwetterdaten zur Beschreibung wenigstens eines Parameters des
Weltraumwetters zu empfangen. 18. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
wobei das Kommunikationsmodul (18) dazu eingerichtet ist, Messdaten wenigstens eines entfernt von der Messvorrichtung (10) angeordneten Detektors zur Detektion von Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung zu empfangen. 19. Verwendung einer Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden
Ansprüche zur Bestimmung eines Sedimentationsgrades eines Stausees,
wobei die Messvorrichtung (10) insbesondere dazu eingerichtet ist, eine Höhe (H) einer Sedimentationsschicht (701) basierend auf der durch den
richtungsselektiven Detektor (12) bestimmten korrigierten Zählrate (202) zu ermitteln.
20. Verwendung einer Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 als Grenzstandmessgerät (10) zur Bestimmung eines Grenzstandes des Mediums (101).
21. Verwendung einer Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Bestimmung eines Füllstands und/oder einer Dichte eines Mediums (101) in einem Behälter (102), einem Stausee, einer Schütthalde oder einem Fluss.
22. Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes und/oder einer Dichte eines Mediums (101) mit einer Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte:
Ermitteln, mit einem richtungsselektiven Detektor (12) der Messvorrichtung (10), einer Detektorzählrate (200), welche mit einer Flussrate von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung nach zumindest teilweisem Durchtritt durch das Medium (101) korreliert;
Korrigieren, mit einer Auswerteeinheit (14) der Messvorrichtung (10), der Detektorzählrate (200) basierend auf Messdaten, welche mit wenigstens einem Einfluss auf die Flussrate der Teilchen sekundärer kosmischer Strahlung am Ort der Messvorrichtung (10) in Zusammenhang stehen, unter Ermitteln einer auf den wenigstens einen Einfluss korrigierten Zählrate (202); und
Bestimmen des Füllstandes und/oder der Dichte des Mediums (101) basierend auf der korrigierten Zählrate (202).
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