DE19722837A1

DE19722837A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsmessung mit Gammastrahlern und einer virtuellen linearen Detektoranordnung

Info

Publication number: DE19722837A1
Application number: DE1997122837
Authority: DE
Inventors: John Anthony Byatt; Thomas Kleiner; Daniel Dr Matter; Walter Dr Rueegg
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-03
Also published as: NO982462L; GB2326232B; NO982462D0; NO325829B1; DK73998A; GB9811018D0; JPH1114437A; GB2326232A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Füllstandsanzeigen. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10.

STAND DER TECHNIK

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Füllstandes eines Behälters bekannt, die auf sehr unter schiedlichen physikalischen Meßprinzipien beruhen. Diese umfassen elektri sche (kapazitive oder resistive) und optische Methoden, Radarreflexionsmetho den, Ultraschall-Laufzeitmethoden sowie Gammaabsorptionsmethoden.

Bei der Offshore-Erdölförderung werden sog. Separationstanks eingesetzt, in welchen die bei der Bohrung bzw. Förderung auftretenden verschiedenen Pha sen (Sand, Wasser, Öl und Gas) aufgrund ihrer Dichteunterschiede in getrennte, übereinanderliegende Schichten separiert werden. Es ist dabei sehr wichtig, die Höhe der Trennschicht zwischen dem Wasser und Öl zu kennen, um am Tank die Ablaßventile für die beiden Medien kontrolliert öffnen und schließen zu können. Hierzu werden zuverlässige Füllstandsmeßgeräte benötigt. Funktio niert ein solches Füllstandsmeßgerät nicht oder nicht richtig, kann z. B. Öl in den Wasserauslaß geraten und große Umweltbelastungen und Kosten verur sachen.

Neuerdings werden Separationstanks entwickelt, die für den Betrieb auf dem Meeresboden einige 100 m unterhalb der Meeresoberfläche geeignet sind. Das geförderte Öl kann dann zuerst von den Verunreinigungen Wasser, Sand, usw. getrennt und erst danach mit viel geringerem Energieaufwand an die Meeres oberfläche gepumpt werden. Die Anforderungen an solche Separatortanks sind jedoch sehr hoch. Sie müssen außen dem Wasserdruck am Meeresgrund und innen dem Druck des geförderten Erdöls von typisch 60-180 bar und Tempera turen von 50-120°C standhalten. Auch das Füllstandsmeßsystem ist diesen schwierigen Betriebsbedingungen unterworfen. Gleichwohl müssen jahrelange Funktionsfähigkeit, weitgehende Wartungsfreiheit und äußerste Zuverlässig keit garantiert sein, da ein Betriebsausfall und vorzeitiger Ersatz exorbitante Kosten verursachen würde.

Die Füllstandsmessung muß daher wenigstens mit zwei redundanten Systemen durchgeführt werden. In einer früheren, nicht vorveröffentlichten deutschen Pa tentanmeldungen (Aktenzeichen 197 04 975.3) wird als eine Lösung dieses Pro blems eine kapazitive Meßsonde vorgeschlagen, die sich insbesondere den großen Sprung der Dielektrizitätskonstanten an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser zunutze macht. Der Vorteil gegenüber den auf dem Markt erhältlichen Systemen besteht u. a. darin, daß die Meßsonde in sich geschlossen ist, das Umgebungsmedium berührungsfrei über die Streukapazität mißt und auf diese Weise den Füllstand bestimmt.

Als zusätzliche redundante Meßmethode kommt insbesondere eine Dichtemes sung durch Absorption von Gammastrahlen in Frage. Es gibt kommerziell er hältliche Geräte mit einer Gammaquelle (Caesium, Cobalt, usw.) und einem Szintillator (NaJ mit Thallium-Dotierung (NaJ:Tl), Plastik, usw.) als Gamma detektor. Der Gammastrahler sendet aus seinem Kern energiereiche Photonen bzw. Gammastrahlen, die in Materie absorbiert werden. Die Absorption hängt von der durchstrahlten Länge exponentiell ab, wobei der Absorptionskoeffi zient - zumindest für monoenergetische Gammastrahlen - proportional zur Dichte ist. Im Szintillationsdetektor erzeugt das Gammaquant einen Schauer von Photo nen im sichtbaren oder benachbarten Spektralbereich. Die Photonen werden von einem Lichtdetektor (Photomultiplier, PIN-Photodiode, usw.) in ein elektri sches Signal umgesetzt. Alternativ zum Szintillator kann auch ein Geiger-Müller Zählrohr verwendet werden. Für die Füllstandmessung werden die Quelle und der Szintillationsdetektor an gegenüberliegenden Wänden des Sepa ratortanks synchron nach oben und unten verschoben und das vertikale Dichte profil des Tankinhalts aufgenommen. Aus den Dichteunterschieden werden die Positionen der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Medien ermittelt. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, daß es nur für Niederdruckseparator tanks an der Meeresoberfläche geeignet ist, weil die Mechanik überwacht und gewartet werden muß und die hier gestellten extremen Anforderungen an die Betriebssicherheit nur schwerlich erfüllbar sind.

Gemäß Fig. 1 ist es darüberhinaus Stand der Technik, einen Dichteprofilsensor ohne bewegliche Teile zu realisieren, indem Paare von Gammastrahlern und Detektoren in vertikalen Abständen angeordnet sind und aus ihren Gamma transmissionswerten der Füllstand der unterschiedlich absorbierenden Medien bestimmt wird.

Ferner sind Szintillationsdetektoren mit ein- oder zweidimensionaler Ortsauflö sung bekannt und werden auf dem Markt angeboten. Erhältlich sind Szintillato ren in der Form von Stäben, die z. B. NaJ:Tl enthalten. Die vom Szintillations blitz ausgehenden Lichtwellen werden an beiden Stabenden detektiert und aus dem Verhältnis ihrer mit der optischen Weglänge exponentiell abnehmenden Intensitäten bzw. Pulshöhen der Ort der Gammaphotonenabsorption bestimmt. Auch mit Plastikfasern in flächenhaften parallelen oder gekreuzten Anordnun gen werden ortsauflösende Szintillatoren realisiert. Wie auch aus der WO 85/04 959 bekannt ist, wird die Ortsinformation einfach dadurch gewonnen, daß diejenige Faser oder diejenigen Fasern identifiziert werden, die einen Szintilla tionsblitz zu einem Photodetektor leiten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gammastrahlen-Dichteprofil sensor für ein System und ein Verfahren zur Füllstandsmessung anzugeben, welcher sich durch eine gute vertikale Ortsauflösung und einen vereinfachten, sehr robusten Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 10 gelöst.

Kern der Erfindung ist es nämlich, gegenüber einer Anordnung von mehreren Gammastrahlern einen stabförmigen, lichtleitenden Szintillationsdetektor an zubringen und durch einen Photodetektor an einem oder beiden Enden des Szintillators die Gammastrahlen aus mehreren Quellen gemeinsam zu detektie ren. Ein Dichteprofil wird aus der Zählrate der Szintillationsblitze in Funktion der Laufzeitdifferenz der sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreitenden Lichtanteile bestimmt. Die vertikale Ortsauflösung ist dabei im wesentlichen durch den Abstand zwischen den Gammastrahlern und ihren Abstrahlwinkel bzw. die Kollimationsqualität gegeben.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt einen ersten Dichteprofilsensor mit zwei vertikal ausgerichteten geschlossenen Röhren für die Gammaquellen und den Szintilla torstab, wie er für einen Separatortank bei der Erdölförderung besonders geeig net ist.

Weitere Ausführungsbeispiele stellen Varianten des Szintillatorstabs mit ein- oder beidseitigem Photodetektor an den Enden dar.

Andere Ausführungsbeispiele zeigen erfindungsgemäße Maßnahmen zur Re duktion des Übersprechens zwischen den Gammaquellen.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gammastrahlen-Dichteprofilsensors be steht in seiner reduzierten Komplexität und Störanfälligkeit. Von Vorteil ist vor allem die Einfachheit, mechanische Robustheit und inhärente Zuverlässigkeit des Szintillatorstabs oder der Szintillatorfasern im Vergleich zu herkömmlichen Gammadetektoren.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß eine hinreichende Ortsauflösung der Füllstandsmessung realisierbar ist, weil das Übersprechen zwischen ver schiedenen Gammastrahlern durch verschiedene Maßnahmen zurückgedrängt werden kann.

Speziell vorteilhaft ist es, daß eine zur elektrischen Kapazitätsmessung redun dante, ebenfalls berührungsfreie, und empfindliche Füllstandsmeßmethode an gegeben wird, die auf einem anderen, völlig unabhängigen Meßprinzip beruht und weitgehend wartungsfrei ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Füllstandsmeßsystem mit einer linearen An ordnung von Gammastrahlern und separaten Detektoren (Stand der Technik);

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßsystem mit einer linearen Anordnung von Gammastrahlern und einem einzi gen Szintillatorstab;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Szintillatorstab gemäß Fig. 2 mit einem Pho todetektor am oberen und unteren Ende;

Fig. 4 einen Schnitt durch das untere Ende des Szintillatorstabs mit einem Retroreflektor gemäß einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch den Szintillatorstab mit einem Empfangskolli mator gemäß einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 2;

Fig. 6 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßsystem mit einer linearen Anordnung von Gammastrahlern und zwei Szintil latorstäben;

Fig. 7 die Anordnung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßsystems in einem Separatortank.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Gammastrahlen-Dichteprofilsensors. Die Gammastrahlen 5 aus mehreren radioaktiven Quellen bzw. Gammastrahlern 2 werden durch Sende kollimatoren 3 gebündelt, durchstrahlen das zu messende Medium 6 und lösen in einem Szintillator 10 mit einer gewissen Ansprechwahrscheinlichkeit Szintil lationslichtblitze 11 aus. Durch die besondere Beschaffenheit des Szintillators 10 als langgestreckter Lichtleiter werden Szintillationsblitze in zwei Lichtantei le aufgespalten, die sich zu beiden Enden des Szintillators hin ausbreiten. Wie aus Fig. 3 ersichtlich wird jede Lichtwelle von einem Photodetektor bzw. Pho todetektorarray 14, 15 empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und über Leitungen 9 einer Meßelektronik 16 zugeführt. Von der Meßelektronik 16 werden in einer sogenannten verzögerten Koinzidenzmessung die genauen Zeitdifferenzen der Paare zueinander gehörender Photodetektor-Signale be stimmt. Aus der Zeitverzögerung bzw. Laufzeitdifferenz beider Lichtanteile wird der Entstehungsort des Szintillationsblitzes 11 ermittelt und daraus der auslösende Gammastrahler 2 identifiziert. Für jede Zeitverzögerung bzw. Gammastrahlerposition wird ferner die Häufigkeit der Lichtpulse gezählt, die aufgrund der starken Dichteabhängigkeit der Gammaabsorption die Bestim mung des durchstrahlten Mediums 6 erlaubt. Insbesondere ist der Dichteunter schied zwischen Wasser 6a (1015 kg/m³) und Öl 6b (850 kg/m³) detektierbar. Aber auch Gas und Sand können so nachgewiesen werden. Somit ist die Häu figkeitsverteilung der nach ihrer Zeitverzögerung geordneten Paare aufeinan derfolgender Photodetektor-Signale ein unmittelbares Maß für das Dichte profil des Mediums im Separatortank 17. Durch die dynamische Bestimmung dieser Häufigkeitsverteilung kann ein momentanes Dichteprofil auch für ein relativ schnell durchfließendes Medium gemessen und der Sedimentationspro zeß überwacht werden.

Fig. 4 stellt in einer Detailansicht eine andere Ausführungsform des Szintilla tors 10 dar. Am unteren Ende des Szintillators 10 befindet sich anstelle des Photodetektors 15 ein Retroreflektor 18, der z. B. als kubischer oder auch als ebener Spiegel ausgebildet sein kann. Beide vom Szintillationsblitz 11 ausge henden Lichtstrahlen werden über unterschiedliche Wege zu einem einzigen Photodetektor bzw. Photodetektorarray 14 am oberen Szintillatorende geleitet und wie zuvor von der Meßelektronik 16 verarbeitet. Durch die Reflexion er fährt die ursprünglich nach unten laufende Welle eine stärkere Dämpfung, aber auch eine größere Laufzeitverzögerung. Dadurch kann die Ortsauflösung ver doppelt werden. Darüberhinaus wird der Szintillator 10 durch die Einsparung eines Photodetektors 15 und der zugehörigen elektrischen Signalleitung 9 ver einfacht und ist besonders gut für Einbauorte geeignet, die nur einseitig zu gänglich sind.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich aus Fig. 3, wenn der Szintillator 10 aus zwei Stäben zusammengesetzt ist, die durch eine nicht dargestellte, beid seitig reflektierende Schicht getrennt sind. Ein solcherart zusammengesetzter Szintillator 10 weist somit eine obere und untere Hälfte auf, in denen die Licht ausbreitung völlig unabhängig voneinander vonstatten geht. Vorzugsweise be findet sich die reflektierende Schicht auf halber Höhe im Szintillator 10. Bei ei nem Szintillationsereignis in einer Szintillatorhälfte werden die optischen Pulse wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ausgewertet. Der Vorteil gegenüber Fig. 4 besteht darin, daß bei gleicher Ortsauflösung die Lichtwege halbiert und so mit die optischen Dämpfungen deutlich reduziert sind. Generell ist die Ortsbe stimmung durch Laufzeitmessung anstatt durch Vergleich der optischen Dämp fungen auch deshalb von Vorteil, weil diese Methode sehr unempfindlich auf al terungsbedingte Änderungen der optischen Dämpfung im Szintillator 10 ist.

Die Absorption energiereicher Gammaphotonen beruht auf dem Photoeffekt, der Compton-Streuung und der Paarerzeugung. Beim Photoeffekt wird das Gam maphoton durch die Elektronenhülle eines Atoms vollständig absorbiert und ein vorzugsweise stark gebundenes Elektron abgespalten. Das Elektron verliert durch weitere Stöße seine kinetische Energie, so daß die gesamte Gammae nergie E_γ im Medium deponiert wird. Oberhalb der stärksten Bindungsenergie der Elektronen nimmt die Wahrscheinlichkeit für den Photoeffekt mit zuneh mender eingestrahlter Gammaenergie stark ab.

Im Bereich zwischen E_γ = 100 keV und 1 MeV wird der Comptoneffekt domi nant: Beim Stoß zwischen Gammaphoton und Elektron fliegt das Gammapho ton unter einem Streuwinkel ϑ mit der Restenergie E_γ'(ϑ) weiter. Mit zuneh mendem Ablenkwinkel ϑ nimmt die relative Restenergie des Gammaphotons R(ϑ) = E_γ'(ϑ)/E_γ gemäß der Gleichung

R(ϑ)=[1+ε.(1-cosϑ)]⁻¹ (1)

ab, wobei ε = E_γ/511 keV das Verhältnis der Gammaenergie zur Ruheenergie des Elektrons bezeichnet.

Darüberhinaus kann ab 1 MeV das Gammaphoton bei der Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld eines Atomkerns oder auch eines Elektrons in ein Elek tron-Positronpaar zerfallen. Mit zunehmender Kernladungszahl steigen die Wahrscheinlichkeiten für den Photoeffekt und die Paarbildung stark und für den Comptoneffekt mäßig an. Zudem ist der Absorptionskoeffizient proportio nal zur Atomdichte. Die resultierende stoffspezifische Dichteabhängigkeit der Gammaabsorption wird in Gammastrahlen-Dichtesensoren als Meßprinzip verwendet. Grundsätzlich können alle drei die Gammaenergie verzehrenden Prozesse auch als Nachweiseffekt im Szintillationsdetektor und als Störeffekt, z. B. in Behälterwänden 4, 24, eine Rolle spielen.

Die Anzahl und der Abstand der Gammastrahler 2 wird so gewählt, daß ein Dichteprofil der gewünschten Länge und Ortsauflösung bestimmbar ist. Im all gemeinen werden die Gammastrahler 2 im wesentlichen vertikal übereinander und vorzugsweise äquidistant angeordnet. Sofern die Position der Grenzschicht Öl/Wasser 6c bekannt ist, kann dort ein kleinerer Abstand der Gammastrahler gewählt werden, um die Ortsauflösung lokal zu verbessern.

Bei der Wahl der radioaktiven Elemente für die Gammastrahler 2 spielen ins besondere die Halbwertszeit, Gammaenergie und Aktivität eine Rolle. Gut ge eignet ist z. B. ¹³⁷Cs mit einer Halbwertszeit von 30 Jahren und einer mono energetischen Gammalinie bei 660 keV. Auch ⁶⁰Co mit 5,3 Jahren und Gamma emission bei 1,17 MeV und 1,33 MeV oder andere Strahler sowie Mischungen sind verwendbar. Die Aktivität der Quellen, d. h. die Anzahl emittierter Gam maphotonen pro Sekunde, hängt von der Menge und Zerfallswahrscheinlichkeit der radioaktiven Substanz ab. Die Aktivität wird so groß gewählt, daß einer seits am Szintillationsdetektor 13 genügend Szintillationsereignisse pro Sekun de für eine genaue und schnelle Dichtebestimmung auftreten und andererseits die Paare aufeinanderfolgender Photodetektor-Signale problemlos unterscheid bar bleiben. Dabei sind die Verluste durch Kollimation und Gammaabsorption auf der Wegstrecke bis zum Szintillator 10 und die Ansprechwahrscheinlichkeit des Szintillationsdetektors 13 zu berücksichtigen.

Das Kernstück des Szintillationsdetektors 13 ist der Szintillator 10, der Gam mastrahlen aus mehreren Gammastrahlern 2 nachweisen muß. Erfindungsge mäß hat der Szintillator für diesen Zweck eine langgestreckte Gestalt, ist lichtleitend, ist an seinen Enden mit Photodetektoren 14, 15 optisch verbunden und liefert zeitlich getrennte Lichtpulse bzw. elektrische Photodetektor-Signa le für eine verzögerte Koinzidenzmessung an die Meßelektronik 16. Beim Szintillationsvorgang regt ein Gammaphoton durch die oben beschriebenen Wechselwirkungsvorgänge den Szintillator 10 zur Emission kurzer Szintillati onslichtblitze 11 an, deren Intensität proportional zur deponierten Energie ist. Der Szintillator 10 kann ein anorganisches Material, insbesondere NaJ:Tl in kristalliner oder polykristalliner Form, oder ein organisches Material in kri stalliner, flüssiger oder plastikartiger Form oder ein vorzugsweise dotiertes Glas enthalten. Wichtige Designparameter für eine gewünschte Szintillatorlän ge und Ortsauflösung sind die Erhältlichkeit in Längen bis zu über 2 m und die mechanische Stabilität, die optische Dämpfung und die Abklingzeit der Szintil lation, d. h. die optische Pulsbreite. Besonders geeignet sind runde oder kantige Stäbe aus Plastik, mit NaJ:Tl, ferner optische Fasern oder optische Faserbün del, insbesondere Plastikfasern oder Plastikfaserbündel, oder eine Kombination von Stäben und Fasern. Szintillatorstäbe aus Plastik können in gewünschter Länge auch aus mehreren Teilen, u. U. mit optischen Übergangsstücken, zu sammengeklebt werden. Die Lichtleiter haben typische optische Dämpfungen von ca. 10⁻² cm⁻¹. Zur Verringerung der Lichtverluste können die Stäbe auf ihrer Mantelfläche mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein. Für eine Ortsauflösung von 10 cm müssen Laufzeitdifferenzen von ca. 1 ns detektierbar sein, was Pulsbreiten im ns-Bereich und darunter erforderlich macht. Hierfür kommen insbesondere Plastik-Szintillatoren und entsprechend schnelle Photo detektoren bzw. Photodetektorarrays 14, 15 mit an den Lichtleiterquerschnitt angepaßter Detektorfläche in Frage. Aus Platzgründen werden PIN-Photodi oden bevorzugt.

Schließlich kann für den erfindungsgemäßen Dichteprofilsensor eine maximale und eine minimale optische Pulsrate angegeben werden. Für eine Szintillator länge von 2 m beträgt die maximale Laufzeitdifferenz 20 ns. Ein zeitlicher Min destabstand zwischen den Paaren von Lichtsignalen von ca. 0,1 µs entspricht dann einer maximalen Pulsrate von 10⁷ s⁻¹. Bei 20 cm Szintillatorlänge beträgt der Maximalwert 10⁸ s⁻¹ Andererseits ist für die Messung des Dichteprofils mit einer Genauigkeit von ± 1% die Detektion von 10⁴ Lichtsignalpaaren pro Gammastrahler 2 erforderlich. Dies ergibt bei einer Dichteprofilmessung pro 10 s eine minimale Pulsrate von 10³ s⁻¹ multipliziert mit der Anzahl Gamma strahler 2, die von einem Szintillator 10 detektiert werden. Auch eine Dichte profilmessung pro 100 s kann noch ausreichend sein, was eine untere Grenze für die minimale Pulsrate von 10² s⁻¹ ergibt. Vorzugsweise wird also die Gesamt aktivität der auf einen Szintillator 10 gerichteten Gammastrahler 2 so gewählt, daß eine optische Pulsrate im Bereich 10² s⁻¹ - 10⁸ s⁻¹, insbesondere im Bereich 10³ s⁻¹ - 10⁷ s⁻¹, erzeugt wird.

Die Kalibration des Gammastrahlen-Dichtprofilsensors umfaßt zwei Schritte. Die Synchronizität der Meßelektronik 16, d. h. der beiden Meßkanäle zur Be stimmung der Laufzeitverzögerungen, kann mit Hilfe einer Kalibrationsquelle 12, die gemäß Fig. 2 in der Nähe des Szintillators 10 angebracht ist, auch wäh rend des Betriebes überwacht und gegebenenfalls korrigiert werden. Auf diese Weise ist garantiert, daß die Meßelektronik 16 driftfrei und langzeitstabil ist. Als Kalibrationsquelle 12 sind gepulste Licht- oder Szintillationsquellen mit Lichteinkopplung in beide Richtungen des Szintillators 10 geeignet. Insbesonde re sind schwache Gamma- oder Alphastrahler, z. B. Americium mit einer äquivalenten Gammaenergie von 60 keV, verwendbar.

Die Kalibration der Dichtemessung erfolgt durch Referenzmessungen mit Was ser, Öl usw. Dabei können im Prinzip durch individuelle Kalibrationsfaktoren für jede Gammastrahlerposition unterschiedliche Aktivitäten der Gammastrah ler 2, unterschiedliche Verluste an Gammaphotonen oder Inhomogenitäten des Szintillators 10 berücksichtigt werden. Vorzugsweise umfaßt also die Meßelek tronik 16 Mittel zur individuellen Kalibrierung der von jedem Gammastrahler 2 verursachten optischen Pulsrate.

Desweiteren stellt das Übersprechen zwischen verschiedenen Gammastrahlern 2 ein erhebliches Problem dar. Als hauptsächlicher Störeffekt tritt Compton streuung in den Stahlwänden 4 auf. Die bestrahlten Partien werden dadurch zu sekundären Gammaquellen mit allseitiger Emission. Die abgelenkten Gammaphotonen können - je nach der Distanz Sendekollimator 3 zu Szintillator 10 - be liebige Orte im Szintillator 10 treffen und die Positions- und Dichtemessung verfälschen. Als erfindungsgemäße Gegenmaßnahmen werden Abschirmun gen, Empfangskollimatoren 19, eine Energiediskrimination der optischen Pulse und Anordnungen mit mehreren Szintillationsdetektoren 13 vorgeschlagen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines Empfangskollimators 19 mit einer Öff nung. Die Kollimatoren 3, 19 bestehen typischerweise aus Blei, das Gamma strahlung sehr effizient absorbiert. Die Öffnungen der Empfangskollimatoren 19 liegen gegenüber von den Sendekollimatoren 3. Vorzugsweise sind die Kolli matoren 3 und 19 parallel zueinander, insbesondere horizontal orientiert und auf jeder Höhe in Richtung einer gemeinsamen Verbindungslinie aufeinander ausgerichtet. Die Gestalt der Kollimatoren kann beliebig, z. B. rund, eckig, ab gewinkelt o. ä., sein. Für die Empfangskollimatoren 19 sei b die lichte Breite und t die Tiefe. Das Übersprechen wird bereits bei verschwindender Tiefe t deutlich reduziert, weil der Szintillator 10 nur an den Öffnungen Gammaphoto nen empfängt. Mit zunehmender Kollimatortiefe t kann die Abschirmung gegen gestreute Gammaphotonen weiter verbessert werden. Unter Vernachlässigung von Mehrfachstreuungen wird die Abschirmung ideal, wenn eine Kollimatortiefe t < b.L/a gewählt wird, wobei a den Abstand zwischen zwei nächst benachbar ten, auf den gleichen Szintillator 10 ausgerichteten Gammaquellen 2 und L die Weglänge zwischen Sendekollimator 3 und Szintillator 10 bezeichnen. Eine wei tere Maßnahme zur Reduktion des Übersprechens besteht darin, im Medium 6 zwischen zwei Gammastrahlern 2 horizontale Abschirmungen 20, z. B. Bleiplat ten, zu montieren.

Die Detektion der unter großem Ablenkwinkel ϑ gestreuten Gammaphotonen kann auch durch Energiediskrimination der Szintillationsblitze 11 unterbunden werden. Die Intensitäts- bzw. Energieverteilung der Szintillationsereignisse ergibt sich aus der anregenden Gammaenergie und den Wahrscheinlichkeiten für Photoeffekt, Comptoneffekt und gegebenenfalls Paarbildung im Szintillator 10. Die hellsten Blitze sind durch den Photoeffekt der primären, auf ihrem Weg ungestörten Gammaphotonen bedingt und bilden den sogenannten Photopeak. Schwächere Blitze ergeben sich durch sekundäre Gammaphotonen insbesondere aus den Stahlwänden 4, aber auch durch primäre Gammaphotonen, die im Szintillator Comptonstreuung erleiden und danach entweichen. Durch Ab schneiden des Szintillationsspektrum unterhalb des Photopeaks kann somit auf Kosten der Zählrate die Detektion Compton-gestreuter Gammaphotonen ein geschränkt werden. Wegen der optischen Dämpfung muß die Diskriminations schwelle als eine im wesentlichen exponentiell abfallende Funktion des opti schen Laufwegs gewählt werden. Die Ortsauflösung läßt sich mit zunehmender Diskriminationsschwelle und Gammaenergie erhöhen. Um eine Überlappung der Streukegel unterschiedlicher Gammastrahler 2 zu verhindern, muß nähe rungsweise die Beziehung

|ϑ| < arctan [a/(2.L)] (2)

gelten, wobei wiederum a den Quellenabstand und L die Weglänge bezeichnen. Als Beispiel sei eine Schwelle 5% unterhalb des Photopeaks und E_γ = 660 keV gewählt. Aus Gleichung (1) mit R(ϑ) < 95% erhält man |ϑ| < 16° und aus Glei chung (2) mit einer Weglänge L ≈ 30 cm eine Ortsauflösung a ≈ 17 cm.

Durch Kombination der Energiediskrimination mit Empfangskollimatoren 19 auch geringer Tiefe t kann die Meßgenauigkeit weiter verbessert werden. Für kleine Streuwinkel

|ϑ| < arctan [(a-b/2)/L)] (3)

werden die abgelenkten Gammaphotonen durch die Abschirmungen zwischen den Öffnungen der Empfangskollimatoren 19 abgeblockt. Zusätzlich soll eine Diskriminationsschwelle so gelegt werden, daß die Restenergien der in einen benachbarten Empfangskollimator 19 gestreuten Gammaphotonen unterhalb der Schwelle liegen. Als Beispiel sei eine Schwelle 10% unterhalb des Photo peaks und E_γ = 660 keV gewählt. Aus Gleichung (1) mit R(ϑ) < 90% erhält man |ϑ| < 24° und aus Gleichung (3) mit b = 2 cm und L ≈ 30 cm eine Ortsauflösung a ≈ 14 cm, wobei in (3) die Breite der Sendekollimatoren 3 relativ zu ihrem Ab stand a vernachlässigt wurde. In dieser Konfiguration können also die Breite b der Empfangskollimatoren 19 und die Diskriminationsschwelle so aufeinander abgestimmt werden, daß sie sich in ihrer Abschirmwirkung gegen gestreute Gammaphotonen ergänzen. Die Empfangskollimatoren 19 können also breit und platzsparend kurz gebaut sein. Auf diese Weise ist eine hohe Ortsauflösung bei sehr geringem Übersprechen mit größerer Zählrate realisierbar. In der Praxis ist Übersprechen im Rahmen der Meßgenauigkeit zulässig, so daß die Bedin gungen (2) bzw. (3) nur näherungsweise erfüllt sein müssen.

Fig. 6 offenbart eine weitere Ausführungsform mit einer gegenüber Fig. 2 ver doppelten Ortsauflösung bzw. mit verringertem Übersprechen. Der Dichtepro filsensor 1 besteht hier aus einem Gammastrahlerrohr 21 mit abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen orientierten Sendekollimatoren 3 und zwei Szin tillatorrohren bzw. Sonden 22 mit je einem langgestreckten Szintillator 10. Je der Szintillator 10 ist wie zuvor mit Photodetektoren 14, 15 und einer Meßelek tronik 16 gemäß eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verbunden und kann mit den oben angegebenen Maßnahmen zur Kalibration, Reduktion des Übersprechens oder zur Verbesserung der Ortsauflösung ausgestattet sein. Insbesondere können auch mehrere Sonden 22 rings um ein Gammastrahler rohr 21 mit abwechselnd auf sie ausgerichteten Gammastrahlern 2 verwendet werden. Z. B. können drei Sonden 22 unter 120° angeordnet sein.

Fig. 7 zeigt einen möglichen Einbau eines Gammastrahlen-Dichtprofilsensors 1 in einen Separatortank 17. Typische Dimensionen eines beispielsweise zylin drischen Tanks 17 sind 2-3 m Durchmesser und 10 m Länge. Der Sensor 1 um faßt mindestens ein Gammastrahlerrohr 21 und mindestens eine Sonde 22 ge mäß eines der obigen Ausführungsbeispiele. In Fig. 7 ist nur eines der Rohre 21, 22 sichtbar dargestellt. Die Rohre 21, 22 sind so mit dem Separatortank 17 verbunden, daß Gammaphotonen auf dem Weg von der Quelle 2 zu dem Szintil lator 10 das Medium 6 im Tank 17 mindestens teilweise durchqueren. Die Roh re 21, 22 sollen sich im normalen Betriebszustand so in die Tiefe erstrecken, daß insbesondere die Position der Grenzschicht 6c zwischen Öl und Wasser de tektierbar ist. Vorzugsweise werden die Rohre 21, 22 in Rohrstutzen 24 mon tiert, die in den Innenraum des Separatortanks 17 hineinragen oder den Innen raum vollständig durchqueren (nicht dargestellt); oder die Rohre 21, 22 können an der Wand des Separatortanks 17 befestigt sein oder unmittelbar in das Me dium 6 im Separatortank 17 eingetaucht sein, was in Fig. 7 ebenfalls nicht dar gestellt ist. Ein Vorteil der Rohrstutzen 24 ist es, daß die Sonde 22 oder das Gammastrahlerrohr 21 auch während des Betriebes des Separatortanks 17 aus getauscht werden können.

Insgesamt offenbart die Erfindung ein Füllstandsmeßsystem mit einem robu sten und meßempfindlichen Gammastrahlen-Dichteprofilsensor 1. Durch die Detektion mehrerer Gammastrahlen aus diskreten Quellen 2 mit einem Szintil lator 10 wird die Komplexität und damit die Störanfälligkeit des Sensors 1 ent scheidend vereinfacht und ein kompakter Aufbau realisiert. Durch zusätzliche Maßnahmen zur Abschirmung und Energiediskrimination ist eine sehr hohe Ortsauflösung erzielbar.

Bezugszeichenliste

1

Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (Ausschnitt)

2

Gammastrahler

3

Sendekollimator

4

Stahlwand

5

Gammastrahlen

6

Medium

6

a Wasser

6

b Öl

6

c Grenzschicht Öl/Wasser

7

Gammadetektoren

8

Gammadetektorabschirmung

9

elektrische Signalleitungen

10

Szintillator (Stab, Faser, Faserbündel)

11

Szintillationslichtblitz

12

Kalibrationsquelle

13

Szintillationsdetektor

14

Photodetektor

1

15

Photodetektor

2

16

Meßelektronik

17

Separatortank

18

Retroreflektor

19

Empfangskollimatoren

20

horizontale Abschirmungen

21

Gammastrahlerrohr

22

Szintillatorrohr, Sonde

23

Gestell

24

Rohrstutzen
b Breite eines Empfangskollimators
t Tiefe eines Empfangskollimators
L Weglänge
a Abstand zwischen Gammastrahlern
E_γ

Gammaenergie
ϑ Streuwinkel
R(ϑ) relative Restenergie des Gammaphotons
ε Verhältnis der Gammaenergie zur Ruheenergie des Elektrons

Claims

1. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1), insbesondere geeignet zur Füll standsmessung in einem Separatortank (17), umfassend mehrere Gamma strahler (2), die im wesentlichen vertikal übereinander angeordnet sind, und mindestens einen Gammadetektor (7), dadurch gekennzeichnet, daß

a) der mindestens eine Gammadetektor (7) einen Szintillator (10) auf weist, der langgestreckt und lichtleitend ist,
b) der Szintillator (10) an einem Ende oder an beiden Enden mit einem Photodetektor (14, 15) in optischer Verbindung steht und
c) die Meßelektronik (16) Mittel zur verzögerten Koinzidenzmessung um faßt.

2. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Gammastrahler (2) entlang einer vertikalen Achse in gleichen Ab ständen angeordnet sind,
b) jeder Szintillator (10) einen Stab oder eine optische Faser oder ein op tisches Faserbündel umfaßt und sich entlang einer parallelen vertika len Achse erstreckt und
c) die Gammastrahler (2) Sendekollimatoren (3) aufweisen, die jeweils in Richtung eines Szintillators (10) und vorzugsweise horizontal orien tiert sind.

3. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Retroreflektor (18) mit einem Ende eines Szintillators (10) in opti scher Verbindung steht und
b) genau ein Photodetektor (14, 15) mit dem anderen Ende des genannten Szintillators (10) in optischer Verbindung steht.

4. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Szintillator (10) eine beidseitig reflektierende Schicht, vorzugswei se auf halber Höhe, aufweist und
b) der genannte Szintillator (10) an seinen beiden Ende jeweils mit genau einem Photodetektor (14, 15) in optischer Verbindung steht.

5. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Szintillator (10) eine Kalibrationsquelle (12), insbesondere einen schwachen Gamma- oder Alphastrahler, zur Synchronisierung der Meßelektronik (16) aufweist,
b) die Meßelektronik (16) Mittel zur individuellen Kalibrierung der von jedem Gammastrahler (2) verursachten optischen Pulsrate umfaßt und
c) die Gesamtaktivität der auf einen Szintillator (10) gerichteten Gammastrah ler (2) eine optische Pulsrate im Bereich 10⁸ s⁻¹ - 10⁸ s⁻¹, insbesondere im Bereich 10³ s⁻¹ - 10⁷ s⁻¹, erzeugt.

6. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß

a) jeder Szintillator (10) mehrere Empfangskollimatoren (19) umfaßt und
b) die Empfangskollimatoren (19) in Richtung der Sendekollimatoren (3) ausgerichtet sind.

7. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Meßelektronik (16) Mittel zur Energiediskrimination der optischen Pulse umfaßt und
b) die Diskriminationsschwelle eine im wesentlichen exponentiell abfal lende Funktion des optischen Laufwegs ist.

8. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Ein Rohr (21) die Gammastrahler (2) und mindestens ein anderes Rohr (22) den mindestens einen Szintillator (10) enthält,
b) die Rohre (21, 22) in Rohrstutzen (24) stecken, die sich im Separator tank (17) befinden, oder die Rohre (21, 22) unmittelbar in das Medium (6) im Separatortank (17) eintauchen und
c) insbesondere im Separatortank (17) auf halber Höhe zwischen den Gammastrahlern (2) horizontale Abschirmungen (20) hängen.

9. Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Gammastrahler (2) ¹³⁷Cs und/oder ⁶⁰Co enthalten,
b) der mindestens eine Szintillator (10) ein anorganisches Material, ins besondere NaJ:Tl in kristalliner oder polykristalliner Form, oder ein organisches Material in kristalliner, flüssiger oder plastikartiger Form oder ein vorzugsweise dotiertes Glas enthält,
c) insbesondere der mindestens eine Szintillator (10) ein Plastikstab ist, der aus mehreren zusammengeklebten Teilen besteht und auf seiner Mantelfläche eine reflektierende Beschichtung aufweist und
d) die Photodetektoren (14, 15) PIN-Photodioden sind.

10. Verfahren zur Füllstandsmessung in einem Separatortank (17) mit einem Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Szintillationsblitze im Szintillator (10) in zwei Anteile aufgespalten werden, die über zwei optische Ausbreitungswege zu einen Photodetek tor (14, 15) geführt werden,
b) in der Meßelektronik (16) genaue Zeitmessungen aufeinanderfolgender Photodetektor-Signale ausgeführt werden, aus den Zeitverzögerungen der Photodetektor-Signale die Entstehungsorte der Szintillationsblitze ermittelt werden und daraus die auslösenden Gammastrahler (2) identi fiziert werden und
c) in der Meßelektronik (16) dynamisch die Häufigkeitsverteilung der nach ihrer Zeitverzögerung geordneten Paare aufeinanderfolgender Photodetektor-Signale bestimmt und daraus ein momentanes Dichte profil des Mediums im Separatortank (17) berechnet wird.

11. Verfahren zur Füllstandsmessung in einem Separatortank (17) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in der Meßelektronik (16) die Photodetektor-Signale nach ihrer Puls höhe diskriminiert werden und
b) die Diskriminationsschwelle als exponentiell abnehmende Funktion der Zeitverzögerung so gewählt wird, daß die durch den Photopeak im Szintillator (10) verursachten Szintillationsblitze (11) ausgewertet wer den.