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