专利名称：测定和/或监测容器中物料的密度和/或料位的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，用于测定和/或监测容器中物料的密度和/或者料位，其中，具有发射放射性辐射的发射单元，其中，具有接收单元，它这样设置，使它接收放射性辐射或者通过放射性辐射与物料相互作用而产生的二次辐射，此外，其中具有调整-/计值单元，它借助由接收单元提供的测量数据测定容器中物料的密度和/或者料位。此外，依据本发明的装置还涉及一种没有发射单元的装置，因为物料本身已经发射放射性辐射，它随后由接收单元检测。最后所称的本发明的造型例如可以用于钾-浓度检测，对钢铁-废料中放射性材料的监测和对包裹或载重卡车内放射性材料的监测(例如在国界上)。
在辐射料位测量或在辐射密度测量时，装有物料的容器(油箱或料仓)例如采用电离辐射照射。一般有两种公知的结构或者辐射从容器上边缘上的一点状发射单元出发，并由一棒状接收单元(闪烁计)检波，接收单元在容器的相对面上在整个物料高度上延伸；或者发射单元为棒状，接收单元为点状。在后一种情况中，接收单元优选处于容器的上部区域。
接收单元或者由塑料组成，或者由晶体组成。不管怎样，从容器出来的或者通过容器的γ-辐射至少部分地由接收单元吸收。被吸收的辐射部分地重新以紫外光的形式发出。因为紫外光在塑料中的透射非常小，所以一般是在塑料中附加安装一波长导板。该波长导板将紫外光转换成可见光(一般为蓝光或者绿光)。该转换的光随后可以例如利用光电倍增器转换成电子信号。该电子信号然后在一电路中进行计值。为进行计值，正常情况下计算光脉冲的数量。计值的另一种可行性在于，分析幅谱，也就是按照其振幅分类的脉冲的数量。在两种情况下，始终对经过容器和处于容器中物料的全部辐射进行评价。因此，根据物料的料位或者密度，得到吸收的辐射部分或多或少也都是占多数。
公知的辐射料位测量仪显示出下列缺陷-测量结果受温度依赖性和检波器灵敏度的影响。
-如果将相当长的塑料棒作为接收单元使用，那么，光的大部分被吸收；然后振幅计值意义不大。
-不属于测量结构的外界来源使测量结果失真。
-容器不同的壁厚必须通过复杂的计算补偿。
-因为辐射强度随着发射单元和接收单元之间距离的平方而降低，所以，必须将测量结果线性化。
-另一个缺陷在于，随着棒长度的增加，辐射到容器壁上的入射角变大。由此，容器壁中的路径长度增加并因此吸收增加。因为吸收功能在指数上变化，所以随着壁厚变大，这种效果超比例增长。
由于上述关系，系统的测量精度随着与发射单元距离的增加而下降，这意味着，容器上部区域的测量精度大于下部区域。料位高度与容器直径的比例局限在约1/1。结果是，在测量延伸的料位区域时，要求多个发射单元。粗略来说，由于塑料棒中光的吸收，单个检波器单元的测量范围局限在约2m。
本发明的目的在于，提供一种装置，它可以可靠地测量设置在容器中的物料的料位或者密度。
这一目的由此得以实现，即接收单元由多个单个的检波器单元组成，其中，检波器单元在与容器底部的不同距离上定位，以至于每个检波器单元直接或者间接基本上检波辐射部分，该部分经过容器的确定的部分区域或者该部分在容器的确定的部分区域中产生。依据本发明的方案的主要优点在于，现在可以制成容器的整个或所需要的物料高度的强度分布图。
依据本发明装置的具有优点的进一步构成，在检波器单元中涉及固态检波器和/或者液态检波器。特别是可以将带有附加连接的光电倍增器或者带有附加连接的PIN-二极管的塑料闪烁计或者晶体闪烁计作为检波器单元使用。电离室同样也可以作为检波器单元使用。然而，如果在检波器单元中涉及半导体检波器，例如CdZnTe-检波器，被认为是特别有益的。
现将半导体检波器的诸多优点罗列如下-不出现闪烁，就是说，不用通过光检波迂回进行。更确切地说，在半导体中对释放的电子直接计值。
-利用CdZnTe-检波器可以测量最高1.3MeV的能量(例如Co60)。
-半导体检波器可在最高70℃的温度下使用。
-老化现象至今并未公知，这意味着，半导体检波器比例如光电倍增器稳定。
-作为偏置-电压，每mm深度需要值为100V至300V。电压变化因此仅在很小程度上影响测量结果。
-半导体检波器中的偏置-电压供给与光电倍增器相比需要很小的功率。
-半导体检波器不吸湿，化学上非常稳定。
-半导体检波器具有线性温度系数；温度补偿因此可以在电子上以简单方式进行。
-半导体检波器的特征是很高的能量分辨和紧凑的结构。
-半导体检波器操作不需要真空；此外，当然也不存在玻璃破裂危险-这例如在光电倍增器中是很大的问题。
半导体检波器某些应用方面的缺陷在于，它由于结构小-通常的晶体规格为15×15×3mm-与例如NaJ-晶体相反，具有相当低的灵敏度。然而，这一缺陷可以由此加以消除，即一个检波器单元由多个单个检波器组成，其中，单个检波器这样设置，使它们构成检波器阵列。例如四个单个检波器组成或连接成一个矩形检波器阵列。但不言而喻-根据使用情况-检波器单元也可以由一个单个的检波器构成。
依据本发明装置的具有优点的进一步构成，至少具有一个第一附加检波器单元，它设置在容器中物料预先规定的最大物料高度的上面，其中，第一附加检波器单元基本上只接收由发射单元发射的没有与物料发生相互作用的放射性辐射。该附加检波器单元可以用于在料位-或密度测量时需要考虑的容器的无物料内腔中产生的压力的影响。对压力的认识只是在气体中吸收放射性辐射具有很强的压力依赖性方面才具有重要意义。如果了解压力影响，可以相应校正测量数据。
不言而喻，也可以使用完全标准的压力传感器代替第一附加检波器单元。为此仅需再次注意，压力传感器处于容器中物料的最大物料高度的上面。
依据本发明装置的一优选造型具有一个第二附加检波器单元，它这样设置，使它基本上只检波容器直接周围的放射性背景辐射。由此可以看出不希望的放射性辐射源的影响，以至于可以相应校正料位-或密度测量数据。
正如前面已经提到的那样，依据本发明方案的主要优点在于，每个单个的检波器单元各自仅接收向其方向发出的辐射。由此可以制成整个料位测量范围的强度分布图。此外，可以由此实现更高的位置分辨率，即在例如由两个检波器单元-两个检波器单元例如可以相邻-提供的测量数据之间实施内插法。优选两个连续的检波器单元之间的距离可变化造型，其中，距离根据分别所希望达到的位置分辨率而确定。不言而喻，两个连续的检波器单元之间的距离也可以在整个料位测量范围上保持不变。
依据本发明装置的实施方式被证明为特别有益的是，检波器单元以预先规定的数量设置在夹持元件上。因此，显然便于接收单元在容器壁上或者在容器的直接环境中的安装。依据本发明装置的一优选的进一步构成提出，夹持元件柔性造型。在柔性造型中，接收单元可以毫无问题地与任意容器的造型相配合。
一些检波器单元，例如光电倍增器具有相当强的温度依赖性。如果为每个检波器单元配置一个测定测量地点温度的温度传感器，在这里证明是非常有益的。基于求得的温度测量数据，调整-/计值单元在其后的计值料位-或者密度测量数据时可以考虑测量地点上的主要温度。这种选择又会有助于提高测量精度。
依据本发明装置的优选的进一步构成具有母线，通过它检波器单元可将其测量数据传输给调整-/计值单元。不言而喻，在数据传输时或在数据通信时可以使用公知的传输标准，例如分布图总线PA，现场总线基础等。
依据本发明装置的具有优点的造型，提供输入-/输出单元，通过它操作人员可以选择任意的检波器单元作为满料保险；随后，只要达到预先规定的料位，调整-/计值单元就会通过输入-/输出单元产生相应的信号/警报。
此外，如果调整-/计值单元测定空容器时单个检波器单元的测量数据并制成相应的空分布图的话，证明是特别有益的；然后在带料容器时取得模拟的测量分布图。在后一个步骤中，调整-/计值单元将测量分布图与空分布图比较，并因此提供关于物料上面泡沫形成或者容器壁上附着物形成的信息。
此外，依据本发明装置的具有优点的进一步构成提出，调整-/计值单元制成设置在容器中的物料的密度分布图，随后在考虑到密度分布图的情况下测定容器中物料的料位。
此外，调整-/计值单元应制成设置在容器中的物料的密度分布图，并且调整-/计值单元出于过程分析目的和/或者调整目的将密度分布图提供给操作人员。
此外，该目的依据本发明由此得以实现，即接收单元由两个检波器单元组成，其中，检波器单元在沿着容器的不同位置上定位，每个检波器单元直接或者间接基本上检波辐射部分，该辐射部分经过容器的确定的部分区域或者在容器的确定的部分区域中产生，并且调整-/计值单元借助在两个检波器单元中受到检波的辐射部分的不同消光测定容器中介质的密度。
下面借助附图对本发明作详细说明。其中
图1示出依据本发明装置第一个造型的示意图，图2示出空容器时和带料容器时强度分布图的曲线图，图3示出物料上形成泡沫情况下，空容器时和带料容器时强度分布图的曲线图，图4示出依据本发明装置的第二个造型的示意图，图5示出依据本发明装置的第三个造型的示意图，以及图6示出构成检波器阵列的检波器单元的俯视图，图7示出依据本发明装置造型的方框图，以及图8示出用于测定介质密度的依据本发明装置的实施方式。
图1示出依据本发明装置1的第一个造型的示意图。物料8处于容器6中。容器6中物料8的瞬时物料高度用L标示。
在容器6的上部区域内，设置发射放射性辐射的点状发射单元2。放射性辐射穿透容器壁7和容器6的内腔，并由设置在容器6相对面上的检波器单元4接收。检波器单元4或者为单个检波器，或者为由多个单个检波器组成的检波器阵列5。此外，图6中示出检波器阵列5的一种可能的造型。
小写字母a，b，c，d表示四个不同的路径，在辐射由相应的检波器单元4接收之前，辐射经过它们穿过容器。不言而喻，辐射经过物料8和容器壁7的路径越长，到达检波器单元4的辐射部分就越少。在所示的情况中，对这一点作了具体说明标有a和b的辐射很大程度上并未减弱得到接收，而经过路径c和d的辐射通过与物料8的相互作用，多少受到较强的吸收。
在最大可能物料高度H的上面，具有第一附加检波器单元9，它始终接收没有与物料8产生相互作用的辐射。该检波器单元9作用是识别由于容器6的无物料内腔中压力变化而产生的当时被吸收的辐射部分。
图2示出一曲线图，它描述出容器6空容器时和带料时整个物料高度H上的强度分布图。正如前面已经提到的那样，借助于依据本发明的装置1，可以制成整个料位-或密度测量范围上的强度分布图，因为每个检波器单元4只接收由发射单元2向其方向发出的辐射。此外，图2中示出下列曲线-I(0)空油箱时信号变化(零点曲线)-I(h)油箱部分带料时信号变化(测量曲线)-I(h)/I0(h)用零点曲线去除测量曲线-层次(额定)实际料位L-层次(测量)从测量曲线得出的料位依据本发明如何求得当前料位L的做法，优选如下在第一次使用时进行所谓的零点校准。为此求得容器6空时的零点曲线；将零点曲线的测量数据进行存储。零点曲线反映出空容器6时整个料位测量范围上的强度变化。随后，在容器6带料时，其中当前物料高度用L表示，接收当前测量曲线。为了测定料位，用零点曲线的相应的测量数据去除当前测量曲线的测量数据。除的结果在不存在物料8的测量范围内始终等于1。在存在物料8的所有测量范围中，求得的值小于1。从1向小于1的值过渡，因此相当于容器6中的当前料位L。通过零点校准，此外可以将容器几何形状(例如由于容器6中不同的壁厚，凸缘或者部件引起的)的影响，在测定料位或密度时自动加以考虑。
为了抵消发射单元辐射强度中的变化，或者为了抵消容器6的无物料内腔中压力变化的影响，此外将第一附加检波器单元9的测量值用于标准化。为了让第一附加检波器单元9提供可靠的测量数据，仅需确保将其设置在容器6中物料8的最大可能物料高度H的上面。
图3示出一曲线图，它表明在物料8上形成泡沫情况下空容器和带料容器时的强度分布图。形成泡沫在许多化学过程中都会出现，一般情况下是不希望出现的，因为由此会使料位-或者密度测量数据失真。此外，采用迄今公知的辐射测量仪不能进行泡沫检波。在依据本发明的装置中，可以借助当前测量曲线中的第二个折点识别泡沫。相应的信号可以通过调整-/计值单元13和输入-/输出单元14传送给操作人员。
此外，容器壁7上的附着物形成可以通过测量曲线典型分布的变化加以识别。
图4示出依据本发明装置1的第二个造型的示意图。该造型与图1所示不同之处在于，多个检波器单元4分别设置在一个夹持元件12上，其中，各夹持元件12这样定位，使检波器单元4能够覆盖全部测量范围。此外，单个检波器的级联在所示情况下通过母线16完成。母线16既可以将单个带外壳的检波器单元4也可以将构成检波器阵列5或设置在夹持元件12上的多个检波器单元4相互连接起来。由于这种造型，在原则上无限的测量范围中只要求有调整-/计值单元13。调整-/计值单元13依次应答检波器单元4并随后对传送的测量数据进行计值。
在这种造型中，测量范围的事后扩展随时可以毫无问题地进行。通过母线17，与图4中未特别示出的远距离控制部位进行通信。
图4中还示出第二附加检波器单元11，它接收容器6的直接周围的背景辐射。由第二附加检波器单元11提供的测量数据同样用于校准目的。
图5示出依据本发明装置1的第三个造型的示意图。与图1和图4中所示实施方式的区别首先在于容器6的几何形状上。
除了对容器6中的物料8进行料位测量或料位监测外，依据本发明的装置-正如已经反复提到的那样-最适合于对物料8进行密度测量或密度监测。现在用下面的例子进行说明在涡流层反应器中，物料高度L之上的物料8的密度正常情况下是不恒定的。通过涡动，容器6或反应器的上部区域主要是气体或者尘雾，而下部区域物料8受到致密压缩。若是传统的测量仪器，对这种效果重视不够，只能假设密度变化相当于预先规定的线性化特性曲线。然而，仍然没有考虑物料高度之上的实际密度变化。
通过依据本发明的装置，一方面可以测定实际密度分布；另一方面也是第一次在即使密度分布变化的情况下，也能准确地测定料位。
图7示出依据本发明装置1造型的方框图。由检波器元件18-在该检波器元件18中涉及例如CdZnTe-检波器-检波的辐射部分，在检波器元件18的输出端上可作为电流测量信号使用。电流测量信号在放大器19(电流电压测试用变压器)中放大。随后，放大的测量信号输送到鉴别器20上并同时输送到比较器21上。在鉴别器20将高能干扰信号(例如宇宙辐射)从测量信号中去除期间，比较器21删除低能噪声部分。鉴别器20和比较器21的输出端处于“与”门22的输入端上。在“与”门22的输出端上，等待处理的因此只有处于通过基准值Ref1和Ref2确定的能量范围内的信号。在微处理机23中，例如可能涉及计数器。这些信号通过母线16传输到调整-/计值单元13。
图8示出用于测定介质25密度ρ的依据本发明装置1的一实施方式。在所示情况中，容器24涉及一管，例如液态介质25从中流过。在容器24的一侧上，设置发射单元2。发射单元2发射经过管和介质25的放射性辐射。在容器24的相对侧上，定位有两个检波器单元4。检波器单元4这样设置，在放射性辐射受到两个检波器单元4检波之前，必须经过不同长度的路径通过介质25。众所周知，辐射的强度在经过介质25时在指数上降低。消光公式为I(d)＝Io·e-μ·d其中，I(d)为经过路径d通过密度为ρ的介质25之后的被测量的辐射强度，其中，Io为发射单元2的输出强度，其中μ表示消光系数。
因为辐射部分由于通过介质25的路径长度不同而具有不同强度，所以通过两个检波器单元4的测量值相除测定介质25的消光μ。因为消光μ为介质25密度ρ的函数，所以因此求得介质25的密度ρ。
参考符号表1依据本发明的装置2发射单元3接收单元4检波器单元5检波器阵列6容器7容器壁8物料9第一附加检波器单元10压力传感器11第二附加检波器单元12夹持元件13调整-/计值单元14输入-/输出单元15屏蔽16母线17母线/连接导线18检波器元件19放大器20鉴别器21比较器22“与”门23微处理机24管25介质
权利要求
1.一种用于测定和/或监测容器中物料的密度和/或料位的装置，其中，具有发射放射性辐射的发射单元，其中，具有接收单元，它这样设置，使它接收放射性辐射或者通过放射性辐射与物料相互作用而产生的二次辐射，此外，其中具有调整-/计值单元，它借助由接收单元提供的测量数据测定容器中物料的密度和/或料位，其特征在于，接收单元(3)由多个单个的检波器单元(4)组成，其中，检波器单元(4)在与容器(6)底部的不同距离上定位，从而每个检波器单元(4)直接或者间接基本上检测辐射部分，该辐射部分经过容器(6)的确定的部分区域或者该辐射部分在容器(6)的确定的部分区域中产生。
2.一种用于测定和/或监测容器中放射性物料的密度和/或料位的装置，其中，具有接收单元，它这样设置，使它接收放射性物料的辐射，并接收一调整-/计值单元的辐射，该单元借助由接收单元提供的测量数据测定容器中物料的密度和/或者料位，其特征在于，接收单元(3)由单个的检波器单元(4)组成，其中，检波器单元(4)在与容器(6)底部的不同距离上定位，从而每个检波器单元(4)直接或者间接基本上检测辐射部分，该辐射部分经过容器(6)的确定的部分区域或者该辐射部分在容器(6)的确定的部分区域中产生。
3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在检波器单元(4)中涉及固态检波器和/或者液态检波器。
4.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在检波器单元(4)中涉及塑料闪烁计或者带有附加连接的光电倍增器或者带有附加连接的PIN-二极管的晶体闪烁计。
5.按权利要求1，2或3所述的装置，其特征在于，在检波器单元(4)中涉及半导体检波器，例如CdZnTe-检波器。
6.按权利要求1，2，3，4或5所述的装置，其特征在于，检波器单元(4)由一个单个的检波器组成，或者检波器单元(4)由多个单个检波器组成，它们这样设置，以至于构成检波器阵列(5)。
7.按权利要求1，2，3，4，5或6所述的装置，其特征在于，至少具有一个第一附加检波器单元(9)，它设置在容器(6)中物料(8)的预先规定的最大物料高度(H)的上面，其中，第一个附加的检波器单元(9)基本上只接收由发射单元(2)发射的没有与物料(8)产生相互作用的放射性辐射。
8.按权利要求1，2，3，4，5或6所述的装置，其特征在于，具有压力传感器(10)，它设置在容器(6)中物料(8)的最大物料高度(H)的上面。
9.按权利要求1，2，7或8所述的装置，其特征在于，至少具有一个第二附加检波器单元(11)，它这样设置，使它基本上只检波容器(6)的直接周围中的放射性背景辐射。
10.按权利要求1，2，3，4，5或6所述的装置，其特征在于，两个连续的检波器单元(4)之间的距离可变造型，其中，根据各自要求的位置分辨率确定距离。
11.按权利要求1，2或10所述的装置，其特征在于，检波器单元(4)按预先规定的数量设置在夹持元件(12)上，其中，夹持元件(12)最好柔性造型。
12.按前述权利要求之一或多条所述的装置，其特征在于，对于检波器单元(4)具有温度依赖性这种情况来说，为每个检波器单元配置一个温度传感器，测定测量地点的温度，并且调整-/计值单元(13)在对料位-或者密度-测量值进行计值时，考虑测量地点的主要温度。
13.按前述权利要求之一或多条所述的装置，其特征在于，具有母线(17)，通过它检波器单元(4)或调整-/计值单元(13)可与远距离的控制部位进行通信。
14.按前述权利要求之一或多条所述的装置，其特征在于，具有输入-/输出单元(14)，通过它操作人员可选择任意的检波器单元(4)作为满料保险装置，以及只要达到预先规定的料位(L)，调整-/计值单元(13)就会通过输入-输出单元(14)发出相应的信号。
15.按权利要求1，2或3至14之一或多条所述的装置，其特征在于，调整-/计值单元(13)测定容器(6)空时单个检波器单元(4)的测量数据并制成相应的空分布图，调整-/计值单元(13)测定容器(6)带料时单个检波器单元(4)的测量数据并制成当前测量分布图，以及调整-/计值单元(13)通过将测量分布图与空分布图进行比较，提供物料(8)上面泡沫形成的信息或者容器壁(7)上附着物形成的信息。
16.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，调整-/计值单元(13)制成设置在容器(6)中的物料(8)的密度分布图，以及调整-/计值单元(13)在考虑到密度分布图情况下测定容器(6)中物料(8)的料位(L)。
17.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，调整-/计值单元(13)制成设置在容器(6)中的物料(8)的密度分布图，以及调整-/计值单元(13)出于过程分析目的和/或者调整目的将密度分布图提供给操作人员。
18.一装置，用于测定和/或者监测容器中介质的密度，其中，具有发射放射性辐射的发射单元，其中，具有接收单元，它这样设置，使它接收放射性辐射或者通过放射性辐射与物料相互作用而产生的二次辐射，此外，其中具有调整-/计值单元，它借助由接收单元提供的测量数据测定容器中介质的密度，其特征在于，接收单元(3)由两个检波器单元(4)组成，其中，检波器单元(4)在沿着容器(24)的不同位置上定位，每个检波器单元(4)直接或者间接基本上检波辐射部分，该辐射部分经过容器(24)的确定的部分区域，以及调整-/计值单元(13)借助在两个检波器单元(4)中受到检波的辐射部分的不同消光测定容器(24)中介质(25)的密度。
全文摘要
本发明涉及一种用于测定和/或者监测容器(6)中物料(8)的密度和/或者料位(L)的装置，其中，具有发射放射性辐射的发射单元(2)，其中，具有接收单元(3)，它这样设置，使它接收放射性辐射或者通过放射性辐射与物料(8)相互作用而产生的二次辐射，此外，其中具有调整－/计值单元(13)，它借助由接收单元(3)提供的测量数据测定容器(6)中物料(8)的密度和/或者料位。本发明的目的在于，提供一种装置，它可以可靠地测量设置在容器中的物料的料位和/或者密度。这一目的由此得以实现，即接收单元(3)由多个单个的检波器单元(4)组成，其中，检波器单元(4)在与容器(6)底部的不同距离上定位，以至于每个检波器单元(4)直接或者间接基本上检波辐射部分，该部分经过容器(6)的确定的部分区域或者该部分在容器(6)的确定的部分区域中产生。
文档编号G01F23/288GK1473264SQ01815017
公开日2004年2月4日 申请日期2001年8月23日 优先权日2000年9月1日
发明者哈特穆特·达姆, 约阿希姆·诺伊豪斯, 沃尔夫刚·卡梅尔伊特, 刚 卡梅尔伊特, 哈特穆特 达姆, 姆 诺伊豪斯 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司