СЕГМЕНТИРОВАННЫЙ ЯДЕРНЫЙ УРОВНЕМЕР НА ОСНОВЕ ВОЛОКОН Российский патент 2018 года по МПК G01T1/20 G01F23/288 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Во многих промышленных средах необходимо регистрировать уровень продукта в баке-сборнике или бункере. Датчики уровня обычно прикрепляют к баку-сборнику или бункеру и электрически соединяют с удаленными измерительными приборами в центре управления или другом центральном пункте, где технические сотрудники или системы управления могут контролировать состояние бункеров для обеспечения соответствующего управления процессом.

[0002] Для считывания уровня разработаны различные технологии. Они включают в себя различные технологии контактного считывания, использующие плавающие тела или падающие грузы, а также различные бесконтактные технологии, такие как отражающие электромагнитное излучение или ультразвуковые колебания от поверхности продукта в бункере для определения высоты продукта.

[0003] В некоторых применениях особенно важно переместить датчик от продукта. Например, в литейном производстве, где считываемым уровнем является уровень горячего расплава стали или руды, особенно важно поддерживать датчик уровня на безопасном расстоянии от горячего расплава. В этих применениях используют ядерные уровнемеры.

[0004] В ядерном уровнемере источник ядерного излучения располагают на одной стороне бункера со считываемым уровнем. Детектор ядерного излучения помещают на противоположной стороне бункера. Излучение, выходящее из источника, имеет форму широкого, в целом вертикально рассеянного пучка, направленного внутрь бункера. Продукт в бункере существенно поглощает излучение, которое падает на него. Однако если бункер не заполнен продуктом, некоторая часть пучка излучения из источника проходит через бункер и выходит из бункера на противоположной источнику излучения стороне, и облучает детектор излучения. Поскольку продукт в бункере существенно поглощает излучение, которое падает на него, таким образом уменьшая интенсивность пучка излучения, проходящего через бункер, интенсивность излучения, возбуждающего детектор излучения, оказывается обратно пропорциональной количеству продукта в бункере. Таким образом, интенсивность излучения, регистрируемого детектором излучения, сравнивается с минимальным и максимальным значениями для получения результата измерения количества продукта в бункере.

[0005] На Фиг.1 показан типичный ядерный уровнемер из уровня техники, в котором ядерный детектор основан на сцинтилляционном кристалле. Удлиненный сцинтилляционный кристалл 14 выдает фотоны света, когда подвергается воздействию ядерного излучения от источника S. Число произведенных фотонов связано с интенсивностью излучения, падающего на кристалл. Для регистрации излучения, проходящего через бункер, сцинтилляционный кристалл 14 помещают на стороне бункера напротив источника излучения, с наибольшим размером кристалла, обычно ориентируемым вертикально. Используемый в качестве детектора света фотоэлектронный умножитель 12 связан с концом кристалла и регистрирует фотоны света, исходящие от сцинтилляционного кристалла, и выдает от них сигнал для усиления электронным устройством 10, которое выдает выходной сигнал, характеризующий интенсивность излучения, падающего на кристалл и, таким образом, уровень продукта в бункере. Этот тип датчика обсужден в патентах США с номерами 3884288, 4481595, 4651800, 4735253, 4739819 и 5564487.

[0006] Усовершенствование традиционного ядерного измерительного прибора раскрыто в патенте США 6198103, поданном правопреемником этой заявки. Заявка ‘103 раскрывает ядерный уровнемер, показанный на Фиг.2A и 2B, который использует жгут из одного или более сцинтилляционных волокон в качестве детектора излучения вместо сцинтилляционного кристалла. В варианте по Фиг.2A волокна непосредственно связаны с фотоэлектронным умножителем 12, тогда как в варианте по Фиг.2B волокна связаны с ФЭУ 12 через световод 18, который позволяет расположить ФЭУ и электронный усилитель 10 удаленно от волоконного жгута 16.

[0007] Использование сцинтилляционного волокна приводит к существенному снижению затрат, улучшению рабочих параметров и легкости использования, и улучшению конфигурации по размерам и по чувствительности по сравнению с известными измерительными приборами, использующими сцинтилляционный кристалл. Конкретно, по сравнению со сцинтилляционным кристаллом, сцинтилляционные волокна легкие, могут быть легко смотаны для транспортировки и легкие для обрезания до желательных длин. Сцинтилляционные волокна могут быть легко изогнуты для согласования с кривизной конкретного бункера, тогда как кристаллы жесткие и трудны для изготовления на заказ. Кроме того, сцинтилляционные волокна имеют лучшие характеристики внутреннего отражения, чем кристаллы, означая то, что датчики со сцинтилляционным волокном могут быть выполнены более протяженными с меньшим уровнем потерь, чем сцинтилляционные датчики на кристалле. Наконец, жгут из одного или более волокон может иметь существенно меньшую теплоемкость, чем соответствующий кристалл, означая то, что жгут является легче охлаждаемым.

[0008] К сожалению, и кристаллы, и волокна характеризуются потерями интенсивности света, когда производятся большой протяженности. На Фиг.3 показано спадание интенсивности света как функция расстояния перемещения от сцинтилляционного источника через среду и определение "длины затухания" L(i/e) среды, которая определена как расстояние, которое свет может пройти через среду прежде, чем интенсивность света уменьшится в 1/e от его интенсивности при его происхождении. Волоконный жгут обычно имеет "длину затухания" около 2,5 м. Как можно видеть из кривой интенсивности света в зависимости от расстояния перемещения на Фиг.3, потери света относительно велики на расстояниях, больших длины затухания, и они не линейны. Однако волоконные жгуты и кристаллы коммерчески использовались при больших длинах вплоть до 10 футов для кристаллов и до 12 футов или длиннее для жгутов. Кристаллы фактически ограничивают приблизительно 10-футовыми длинами из-за трудности изготовления полос с длинными размерами. Волокна фактически не ограничены условиями изготовления, но сдерживаются длиной затухания среды из полистирола, используемого для изготовления волокон.

[0009] Инженеры, противодействуя ограниченным длинам сцинтилляционных кристаллов, создали серийные устройства, которые используют множественные кристаллы для считывания уровня. На Фиг.4 показана типичная конфигурация такого рода из уровня техники, в которой множество сцинтилляционных кристаллов 14 помещены последовательным образом рядом с бункером напротив источника S, причем каждый кристалл возбуждает фотоэлектронный умножитель 12, который связан с электронными усилителями 10. Выходные сигналы из различных усилителей затем связывают в суммирующем электронном устройстве 20. Каждый кристалл имеет длину меньше длины затухания кристалла, но последовательно расположенные кристаллы имеют общую длину Lt, которая может быть существенно больше длины затухания.

[0010] На Фиг.5 показана альтернативная серийная конфигурация кристаллов 14, которая использована в установках, где желательно переместить фотоэлектронные умножители 12 удаленно от кристаллов 14; в этом варианте реализации световод 18 связывает свет от каждого кристалла 14 с каждым ФЭУ 12. Как и на Фиг.4, кристаллы в целом вырезаются до длины меньше длины затухания, но имеют при этом общую длину Lt, которая может быть существенно больше.

[0011] К сожалению, решения, показанные на Фиг.4 и 5, страдают от чрезмерной сложности и высоких затрат вследствие повторяющихся ФЭУ 12 и электронных устройств 10 и вследствие требования к суммирующему электронному блоку 20, делая измерительный прибор с такой формой неконкурентным с единственным волоконным жгутом во многих окружающих средах; однако, как отмечено, волоконный жгут страдает от потерь на затухание при больших длинах.

[0012] Соответственно, имеется потребность в улучшенном сцинтилляционном ядерном уровнемере, который учитывает недостатки существующих изделий.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Потребности удовлетворяются в соответствии с изобретением, которое предоставляет новый и улучшенный ядерный измерительный прибор, который не ограничен длиной затухания сцинтиллятора и при этом не страдает от неоправданной сложности или чрезмерной стоимости.

[0014] Ядерный уровнемер в соответствии с принципами настоящего изобретения использует множество сцинтилляторов, расположенных последовательным образом рядом с продуктом в бункере напротив ядерного источника, и использует световоды для передачи света от этих сцинтилляторов на обычный датчик света, так что обычный датчик света регистрирует свет, генерируемый в двух или более сцинтилляторах. Число фотонов, генерируемых в сцинтилляторах, таким образом, измеряется единственным общим датчиком света, производя измерение уровня поглощающего излучение продукта в бункере без затрат и сложности множественных фотоэлектронных умножителей и усиливающей электроники, которые используются в уровне технике с множественными сцинтилляторами.

[0015] В описанных конкретных вариантах реализации сцинтиллятор содержит или жгут из сцинтилляционных волокон (например, 300 волокон в жгуте с диаметром 1 дюйм), или сцинтилляционный кристалл. В любом случае каждый сцинтиллятор может быть ограничен до длины затухания, например, менее чем приблизительно 4 фута в длину. Датчик света может быть фотоэлектронным умножителем или, в применениях с большой интенсивностью излучения, датчиком света может быть матрица фотодиодов.

[0016] Цели и преимущества настоящего изобретения должны стать более очевидными из сопровождающих чертежей и их описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Фиг.1 иллюстрирует ядерный уровнемер из уровня техники, использующий сцинтилляционный кристалл.

[0018] Фиг.2A иллюстрирует ядерный уровнемер из уровня техники, использующий жгут из сцинтилляционных волокон, а Фиг.2B иллюстрирует альтернативную версию такого измерительного прибора с использованием световодов.

[0019] Фиг.3 иллюстрирует потери интенсивности света в среде как функции расстояния от источника света и определение длины затухания L (1/e).

[0020] Фиг.4 иллюстрирует ядерный уровнемер из уровня техники, использующий множество сцинтилляционных кристаллов, размещенных последовательным образом.

[0021] Фиг.5 иллюстрирует ядерный уровнемер из уровня техники, использующий множество сцинтилляционных кристаллов, размещенных последовательным образом, и световоды для передачи фотонов от кристаллов до удаленного ФЭУ и до электронных устройств.

[0022] Фиг.6 иллюстрирует ядерный уровнемер с волоконным жгутом, использующий множество волоконных жгутов, размещенных со световодами, связывающими фотоны с общим фотоэлектронным умножителем и электронным усилителем.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0023] На Фиг.6 показан уровнемер в соответствии с настоящим изобретением. В этом измерительном приборе для регистрации излучения, проходящего через бункер, последовательным образом размещены множественные сцинтилляторы 14/16. Эти сцинтилляторы могут быть кристаллами или волоконными жгутами (например, жгуты из более чем 300 волокон в жгуте диаметром 1 дюйм), или могут быть смесью кристаллов и волоконных жгутов, которые соответствуют конкретному применению. Важно то, что сцинтилляторы могут быть выбраны по размеру так, чтобы ни один не был длиннее, чем длина затухания среды сцинтиллятора.

[0024] В отличие от систем уровня техники, показанных на Фиг.5 и 6, изобретение значительно упрощает регистрацию света от сцинтилляторов посредством передачи света от каждого сцинтиллятора через световод 18 на общий фотоэлектронный умножитель 12. Световод может быть из стекла или акрила/ПММА, например, оптимизированных для длины волны света, генерируемого сцинтилляторами.

[0025] Таким образом, изобретение использует множественные сцинтилляторы, но упрощает электронные устройства посредством передачи света от этих сцинтилляторов на общий фотоэлектронный умножитель. Это упрощает конструкцию, калибровку и по существу снижает стоимость одновременно со сложностью устройства.

[0026] Кроме того, использование множественных сцинтилляторов, которые по отдельности короче, чем их длина затухания, улучшает линейность отклика (отсчет импульсов относительно уровня бункера), поскольку каждый сцинтиллятор работает при низком уровне затухания, так что большинство сцинтилляционных фотонов способны исходить от сцинтиллятора с достаточной интенсивностью, чтобы быть регистрируемыми ФЭУ 12 и электронным устройством 10. При использовании только одного ФЭУ 12 и одного ряда усиливающих электронных устройств 10, по существу снижается стоимость, что может позволить снизить стоимость устройства или может позволить использование даже большего числа сцинтилляторов, обеспечивая более линейный отклик, а также больший световой выход и, как результат, лучшее разрешение при измерении. Улучшенный световой выход может позволить уменьшение размера источника S.

[0027] Описанный подход передачи света через световод от множественных сцинтилляторов на единственный ФЭУ применим ко всем типам сцинтилляционных детекторов, которые используют множественные сцинтилляторы. В каждом случае подход с общим ФЭУ может улучшить рабочие параметры посредством уменьшения размера сцинтиллятора, еще более снизить стоимость посредством исключения пакетов повторяющихся ФЭУ и электронных устройств.

[0028] Следует принимать во внимание, что световоды 18 подают свет на ФЭУ 12 в местоположении, где световод связан с ФЭУ - местоположение, которое связано с местоположением сцинтиллятора в линейном пакете. В некоторых измерительных применениях может представлять интерес то, какие из этих нескольких сцинтилляторов выдают данный световой импульс; для такого применения в качестве ФЭУ 12 может использоваться позиционно-чувствительный ФЭУ. Подходящие ФЭУ доступны от фирмы Hammatsu Photonics и описаны в литературе.

[0029] В применениях с большим уровнем излучения, при данном числе сцинтилляторов и относительно низком затухании в сцинтилляторах, может оказаться возможным регистрировать сцинтилляционный свет фотодиодной матрицей, поскольку в этом случае может оказаться достаточно света, так что фотоэлектронный умножитель не требуется, таким образом дополнительно снижая стоимость и сложность системы для таких применений.

[0030] Настоящее изобретение было описано в связи с несколькими вариантами реализации, и некоторые из этих вариантов реализации были рассмотрены достаточно подробно. Однако объем изобретения не ограничивается этими вариантами реализации, которые представлены как примерные, а не исключительные. Объем заявляемого изобретения изложен последующей формулой изобретения.

Группа изобретений относится к области регистрации уровня продукта в баке-сборнике или бункере. Ядерный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере использует множество сцинтилляторов, размещенных последовательным образом. Источник ядерного излучения располагается рядом с бункером, а сцинтилляторы, которые могут быть жгутами из одного или более сцинтилляционных волокон или сцинтилляционными кристаллами, располагаются последовательным образом рядом с бункером напротив источника ядерного излучения, так что ядерное излучение, проходящее через бункер, падает на жгуты. Световоды переносят испускаемые сцинтилляторами фотоны, которые характеризуют проходящее через бункер излучение, на общий фотоэлектронный умножитель. Фотоумножитель соединен с электронным устройством, которое преобразует счет фотонов от ФЭУ в результат измерения уровня поглощающего излучение продукта в бункере. Технический результат – упрощение конструкции ядерного уровнемера. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ядерный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере, содержащий:

a) источник ядерного излучения, расположенный рядом с продуктом в бункере,

b) множество сцинтилляторов, размещенных последовательным образом рядом с продуктом в бункере напротив источника ядерного излучения так, что ядерное излучение от источника падает на один или более сцинтилляторов и вынуждает один или более сцинтилляторов генерировать сцинтилляционный свет, причем по меньшей мере один упомянутый сцинтиллятор содержит первый и второй компоненты, при этом первый компонент содержит множество сегментов сцинтилляционных оптических волокон, а второй компонент содержит сцинтилляционный кристалл,

c) схему регистрации сцинтилляционного света, содержащую общий датчик света, и

d) множество соответственных световодов, каждый из которых связывает соответственный один из множества сцинтилляторов и датчик света, передавая сцинтилляционный свет, генерируемый в соответственно связанном с ним одном из множества сцинтилляторов, на общий датчик света и образуя путь света для сцинтилляционного света от соответственно связанного с ним сцинтиллятора, независимый от пути света, образуемого другими световодами,

при этом число фотонов, генерируемых в сцинтилляторах, измеряется общим датчиком света и характеризует уровень поглощающего излучение продукта в бункере.

2. Ядерный уровнемер по п.1, причем сцинтиллятор содержит жгут из сцинтилляционных волокон.

3. Ядерный уровнемер по п.1, причем сцинтиллятор содержит сцинтилляционный кристалл.

4. Ядерный уровнемер по п.1, причем схема регистрации фотонов сцинтилляционного света дополнительно содержит усилитель для усиления выходного сигнала общего датчика света.

5. Ядерный уровнемер по п.1, причем длина каждого сцинтиллятора меньше чем приблизительно 4 фута.

6. Ядерный уровнемер по п.1, причем сцинтилляторы содержат жгут из волокон диаметром практически один дюйм.

7. Ядерный уровнемер по п.1, причем сцинтилляторы содержат жгут из по меньшей мере 300 сцинтилляционных волокон.

8. Ядерный уровнемер по п.1, причем датчик света представляет собой фотоэлектронный умножитель.

9. Ядерный уровнемер по п.8, причем фотоэлектронный умножитель является позиционно-чувствительным.

10. Ядерный уровнемер по п.1, причем датчик света представляет собой фотодиодную матрицу.

11. Способ измерения уровня продукта в бункере, содержащий:

a) расположение источника ядерного излучения рядом с продуктом в бункере,

b) расположение множества сцинтилляторов последовательным образом рядом с продуктом в бункере напротив источника ядерного излучения так, что ядерное излучение от источника падает на один или более сцинтилляторов и вынуждает один или более сцинтилляторов генерировать сцинтилляционный свет, причем каждый сцинтиллятор имеет меньшую длину, чем длина затухания у среды прохождения света, используемой этим сцинтиллятором, причем по меньшей мере один упомянутый сцинтиллятор содержит первый и второй компоненты, при этом первый компонент содержит множество сегментов сцинтилляционных оптических волокон, а второй компонент содержит сцинтилляционный кристалл, и

c) вывод сцинтилляционного света от каждого соответственного одного из двух или более сцинтилляторов на общий датчик света по пути света, образованному двумя или более соответственными световодами, при этом путь света от каждого соответственного сцинтиллятора независим от путей света от других сцинтилляторов, при этом датчик света регистрирует сцинтилляционный свет, генерируемый каждым из двух или более сцинтилляторов,

при этом число фотонов, генерируемых в сцинтилляторах, измеряется общим датчиком света и характеризует уровень поглощающего излучение продукта в бункере.

12. Способ по п.11, причем сцинтиллятор содержит жгут из сцинтилляционных волокон.

13. Способ по п.11, причем сцинтиллятор содержит сцинтилляционный кристалл.

14. Способ по п.11, дополнительно содержащий усиление выходного сигнала общего датчика света усилителем.

15. Способ по п.11, причем длина каждого сцинтиллятора меньше чем приблизительно 4 фута.

16. Способ по п.11, причем сцинтилляторы содержат жгут из волокон диаметром практически один дюйм.

17. Способ по п.11, причем сцинтилляторы содержат жгут из по меньшей мере 300 сцинтилляционных волокон.

18. Способ по п.11, причем датчик света представляет собой фотоэлектронный умножитель.

19. Способ по п.18, причем фотоэлектронный умножитель является позиционно-чувствительным.

20. Способ по п.11, причем датчик света представляет собой фотодиодную матрицу.