ГИБКИЙ РАДИОИЗОТОПНЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2020 года по МПК G01F23/288 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение относится к лучистой энергии и, в частности, к использованию лучистой энергии в уровнемере.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Во многих промышленных окружающих средах необходимо обнаруживать уровень продукта в баке хранения или бункере. Датчики уровня обычно присоединены к баку хранения или бункеру и электрически подключены к удаленным уровнемерам в диспетчерской или другом центральном местоположении, где техники или системы управления могут отслеживать состояние бункеров для обеспечения надлежащего управления процессом. Разработаны различные технологии для измерения уровня. Они включают в себя различные контактные технологии измерения с использованием поплавков или встроенных гирь, а также различные бесконтактные технологии, например, отражения электромагнитного излучения или ультразвуковых волн от поверхности продукта в бункере для определения высоты продукта. В некоторых вариантах применения особенно важно переместить датчик от продукта. Например, в литейной, где нужно измерять уровень расплава стали или руды, особенно важно, чтобы датчик уровня оставался на безопасном расстоянии от расплава. В этих вариантах применения используются радиоизотопные уровнемеры.

[0003] В радиоизотопном уровнемере источник радиоизотопного излучения располагается на одной стороне бункера, где нужно измерять уровень. Детектор радиоактивного излучения располагается на противоположной стороне бункера. Излучение, исходящее из источника имеет форму широкого, в целом вертикально расходящегося пучка, направленного внутрь бункера. Продукт в бункере практически поглощает излучение, которое падает на него. Однако если бункер не заполнен продуктом, некоторая часть пучка излучения от источника проходит через бункер и облучает детектор излучения на противоположной стороне бункера от источника излучения. Поскольку продукт в бункере практически поглощает излучение, которое падает на него, таким образом, снижая интенсивность излучения, проходящего через бункер, количество излучения, стимулирующего детектор излучения, обратно пропорционально количеству продукта в бункере. Излучение, достигающее детектора, создает вспышки света сцинтилляции в детекторе. Число вспышек света пропорционально интенсивности падающего излучения. Высокочувствительный оптический датчик преобразует вспышки света в электрические импульсы, которые усиливаются и оцениваются электроникой для производства измерения количества продукта в бункере.

[0004] Традиционно, в радиоизотопных уровнемерах в качестве детектора излучения используется удлиненный сцинтиллирующий кристалл. Под действием радиоактивного излучения от источника излучения сцинтиллирующий кристалл порождает фотоны света. Число порождаемых фотонов связано с количеством излучения, падающего на кристалл. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), используемый в качестве оптического датчика, подключен к концу кристалла. ФЭУ обнаруживает фотоны света, исходящие от сцинтиллирующего кристалла, и создает сигнал, указывающий на количество излучения, падающего на кристалл и, таким образом, уровень продукта в бункере. Этот тип датчика рассматривается в патентах США №№ 3,884,288, 4,481,595, 4,651,800, 4,735,253, 4,739,819 и 5,564,487.

[0005] Также разработаны радиоизотопные уровнемеры, которые используют жгут из одного или более сцинтиллирующих волокон в качестве детектора излучения вместо сцинтиллирующего кристалла. Жгут сцинтиллирующих волокон может быть непосредственно подключен к ФЭУ или подключен к ФЭУ через световод, что позволяет располагать ФЭУ и усилительную электронику на удалении от жгута волокон. Использование сцинтиллирующих волокон дает существенные усовершенствования в стоимости, производительности и простоте использования; а также размере и чувствительности, по сравнению с уровнемерами, где используется сцинтиллирующий кристалл. В частности, по сравнению со сцинтиллирующим кристаллом, сцинтиллирующие волокна легки, их легко скручивать для транспортировки и легко резать до требуемых длин. Сцинтиллирующие волокна легко искривлять в соответствии с кривизной конкретного бункера, тогда как кристаллы жестки и трудны в заказном изготовлении. Кроме того, сцинтиллирующие волокна имеют лучшие характеристики внутреннего отражения, чем кристаллы, что позволяет удлинять волоконные сцинтиллирующие детекторы с меньшими потерями, чем кристаллические сцинтиллирующие детекторы. Наконец, жгут из одного или более волокон может иметь существенно меньшую теплоемкость, чем соответствующий кристалл, что облегчает охлаждение жгута.

[0006] К сожалению, и кристаллы, и волокна демонстрируют потери интенсивности света при изготовлении с большими длинами. Фиг. 1 демонстрирует спад интенсивности света в зависимости от расстояния распространения от источника сцинтилляции через среду, и определение ʺдлины ослабленияʺ L (1/e) среды, которая определяется как расстояние, которое свет может проходить через среду, прежде чем интенсивность света снизится до 1/e своей интенсивности на своем источнике. Жгут волокон обычно имеет длину ослабления около 2,5 метров. Как можно видеть из фиг. 1, кривая зависимости интенсивности света от расстояния распространения, потери света относительно велики на расстояниях, превышающих длину ослабления, и нелинейны. Однако коммерчески использовались жгуты волокон и кристаллы с большими длинами до 10 футов для кристаллов и 12 футов или более для жгутов волокон. Кристаллы практически ограничены приблизительно 10 футами ввиду трудности изготовления более длинных брусков. Волокна практически не имеют производственных ограничений, но ограничиваются длиной ослабления полистироловой среды, используемой для изготовления волокон.

[0007] Инженеры, пытающиеся решить проблему ограниченных длин сцинтиллирующих кристаллов, создали сериализованные устройства, которые используют множественные кристаллы для измерения уровня. На фиг. 2 показана типичная традиционная схема расположения такого рода, в которой множество сцинтиллирующих кристаллов 14 располагается последовательно рядом с бункером напротив источника S излучения, причем каждый кристалл стимулирует фотоэлектронный умножитель 12, подключенный к электронным усилителям 10. Выходной сигнал различных усилителей 10 поступает на суммирующую электронику 20. Длина каждого кристалла 14 меньше длины ослабления кристаллической среды, но последовательно расположенные кристаллы имеют суммарную длину Lt, которая может быть существенно больше длины ослабления. На фиг. 3 показана альтернативная сериализованная схема расположения кристаллов 14, которые использовались в установках, когда желательно переместить фотоэлектронные умножители 12, удаленные от кристаллов 14. В этой компоновке, световод 18 выводит свет от каждого кристалла 14 на каждый ФЭУ 12. Согласно фиг. 2, кристаллы, в целом, обрезаются до длины, меньшей длины ослабления кристаллической среды, но имеют суммарную длину Lt, которая может быть существенно большей. Хотя схемы расположения, представленные на фиг. 2 и 3, облегчают варианты применения большей длины, эти уровнемеры весьма сложны и дороги, вследствие дублирования ФЭУ 12 и электроники 10 и необходимости в суммирующем электронном блоке 20.

[0008] Для решения проблем стоимости и сложности предыдущих радиоизотопных уровнемеров заявители в патентной заявке США № 13/798,179, раскрывают использование радиоизотопного уровнемера, имеющего множество сцинтилляторов, расположенных последовательно, рядом с продуктом в бункере. Сцинтилляторы располагаются на стороне бункера, противоположной радиоактивному источнику. Как описано здесь и показано на фиг. 4, уровнемер использует множество световодов 18 для вывода света от сцинтилляторов (кристаллов 14 или жгутов 16 волокон) на общий оптический датчик или ФЭУ 12, благодаря чему, общий оптический датчик обнаруживает свет, сгенерированный в двух или более сцинтилляторах. Соответственно, число фотонов, сгенерированных в сцинтилляторах, меряется одним оптический датчиком, позволяющим измерять поглощающий излучение продукт в бункере, без стоимости и сложности множественных ФЭУ и усилительной электроники, как в предыдущих уровнемерах.

[0009] Хотя использование одного общего оптического датчика значительно снижает стоимость и сложность уровнемера, жесткость кристаллов 14 и световодов 18 в уровнемере, показанном на фиг. 4, может ограничивать доступное расположение уровнемера относительно бункеров или контейнеров, имеющих искривленные или сложные формы. Прежде уровнемеры обычно были заключены в жесткий корпус, например, из нержавеющей стали, для обеспечения защиты от неблагоприятных условий эксплуатации и предотвращения перемещения или искажения в оптических соединениях между сцинтиллятором, световодом и оптическим датчиком. Дополнительно, в предыдущих уровнемерах требовался непосредственный контакт между сцинтиллятором и световодом. Этот соединительный контакт требовался для облегчения сбора как можно большего числа вспышек света сцинтилляции, а также для снижения потерь на оптических интерфейсах. Световоды цементировались или иным образом надежно присоединялись к сцинтилляторам для оптического соединения сцинтилляторов и световодов. Однако плотные, долговечные контактные соединения может быть трудно собирать в условиях эксплуатации, вследствие неблагоприятных условий эксплуатации многих вариантов применения радиоизотопного уровнемера. Дополнительно, контактные соединения на пути света могут ухудшаться с течением времени вследствие перемещения или неблагоприятных условий эксплуатации, негативно влияющих на работу уровнемера.

[0010] Измерительные приложения также могут требовать более гибкого уровнемера, чтобы уровнемер соответствовал кривизне бункера или контейнера, где производится измерение. Например, может быть желательным, чтобы уровнемер обвивался вокруг контейнера для более точного измерения содержимого контейнера. Хотя уровнемеры разработаны с некоторой степенью гибкости, эта гибкость ограничивалась вследствие необходимости поддерживать соединительный контакт между сцинтиллятором и световодом. Предыдущие уровнемеры пытались соединять сцинтиллятор и световод через воздушный зазор, но воздушный зазор может заполняться водой и замораживаться, приводя к преломлению света и потерям выходного сигнала. Соответственно, для работы с контейнерами различных форм при поддержании высокого профиля чувствительности, желательно иметь радиоизотопный уровнемер с увеличенной гибкостью, который может изгибаться в трех измерениях для согласования уровнемера с формой бункера или контейнера для продукта. Дополнительно, желательно иметь радиоизотопный уровнемер, который не требует соединительного контакта между сцинтиллятором и световодом для переноса света от сцинтиллирующих детекторов на оптический датчик.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Описанные здесь радиоизотопные уровнемеры имеют преимущество над предыдущими уровнемерами за счет объединения гибкости сцинтиллирующих волокон с недорогими, пластичными сцинтиллирующими кристаллами для обеспечения более длинного, гибкого, линейного детектора уровня, который сопрягается с одним общим оптическим датчиком и электроникой. В описанных здесь уровнемерах гибкие сцинтиллирующие волокна используются в качестве световодов для переноса сцинтилляционных вспышек, порожденных гамма-излучением, от первичных сцинтилляторов, которыми могут быть сцинтиллирующие кристаллы или волокна, на общий оптический датчик. В описанных здесь уровнемерах все сцинтиллирующие компоненты заключены в гибкий корпус, который обеспечивает защиту в неблагоприятных условиях эксплуатации, экранирует внешний свет и позволяет манипулировать уровнемером и поддерживать его в изогнутом положении.

[0012] В частности, в первом аспекте предусмотрен радиоизотопный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере. Уровнемер включает в себя источник радиоактивного излучения, расположенный рядом с продуктом в бункере. Первичный сцинтиллятор располагается в корпусе рядом с продуктом в бункере и напротив источника радиоактивного излучения. Радиоактивное излучение от источника проходит через бункер и падает на первичный сцинтиллятор, заставляя первичный сцинтиллятор генерировать свет сцинтилляции. Уровнемер дополнительно включает в себя светочувствительную схему для обнаружения света и световод. Свет сцинтилляции передается между первичным сцинтиллятором и световодом через воздушное соединение. Световод переносит свет сцинтилляции от первичного сцинтиллятора на светочувствительную схему. Светочувствительная схема обнаруживает и измеряет свет из световода, чтобы обеспечить представление уровня поглощающего излучение продукта в бункере.

[0013] Во втором аспекте предусмотрен радиоизотопный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере. Уровнемер включает в себя источник радиоактивного излучения, расположенный рядом с продуктом в бункере. Множество сцинтиллирующих кристаллов последовательно разнесены в корпусе рядом с продуктом в бункере и напротив источника радиоактивного излучения. Каждый из сцинтиллирующих кристаллов имеет сформированный в нем канал. Радиоактивное излучение от источника падает на один или более из кристаллов в количестве, зависящем от продукта в бункере, заставляя кристаллы генерировать свет сцинтилляции. Уровнемер дополнительно включает в себя общий оптический датчик для обнаружения света и множество сцинтиллирующих волокон, имеющих продольную длину и общий конец, подключенный к оптическому датчику. Кристаллы разнесены по длине сцинтиллирующих волокон, которые излучают свет в ответ на поглощение света сцинтилляции от кристаллов. Излученный свет переносится через волокна на общий оптический датчик. Общий оптический датчик обнаруживает излученный свет для обеспечения представления уровня поглощающего излучение продукта в бункере.

[0014] В третьем аспекте, предусмотрен способ для измерения уровня продукта в бункере. Способ включает в себя расположение источника радиоактивного излучения рядом с продуктом в бункере и расположение первичного сцинтиллятора внутри корпуса. Причем корпус расположен рядом с продуктом в бункере и напротив источника радиоактивного излучения, так что радиоизотопное излучение от источника падает на первичный сцинтиллятор, заставляя первичный сцинтиллятор генерировать свет сцинтилляции. Способ дополнительно включает в себя обеспечение световода, простирающегося через корпус, причем световод подключен к первичному сцинтиллятору через воздушный зазор для поглощения света сцинтилляции и излучения света в ответ на это. Способ дополнительно включает в себя сбор излученного света из световода и использование собранного света, чтобы обеспечить представление уровня поглощающего излучение продукта в бункере.

[0015] Задачи и преимущества настоящего изобретения станут понятны из прилагаемых чертежей и его описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] Вышеупомянутые преимущества и признаки изобретения и его вариантов осуществления будут более понятны из нижеследующих чертежей и подробного описания, в которых:

[0017] фиг. 1 демонстрирует потери интенсивности света через среду в зависимости от расстояния от источника света и определение длины ослабления L(1/e);

[0018] фиг. 2 демонстрирует радиоизотопный уровнемер уровня техники, использующий множество сцинтиллирующих кристаллов, расположенных в виде последовательности;

[0019] фиг. 3 демонстрирует радиоизотопный уровнемер уровня техники, использующий множество сцинтиллирующих кристаллов, расположенных в виде последовательности, и световоды для переноса фотонов от кристаллов на множество удаленных фотоэлектронных умножителей и усилительную электронику;

[0020] фиг. 4 демонстрирует радиоизотопный уровнемер уровня техники, использующий множество сцинтилляторов, расположенных со световодами, выводящими фотоны на общий фотоэлектронный умножитель и усилительную электронику;

[0021] фиг. 5A - схематический вид контейнера для хранения и радиоизотопного уровнемера для измерения уровней продукта в контейнере;

[0022] фиг. 5B - вид в разрезе контейнера для хранения и радиоизотопного уровнемера с фиг. 5A, взятый по линии 5B-5B;

[0023] фиг. 6 - схематический вид в разрезе схемы обнаружения излучения радиоизотопных уровнемеров по изобретению;

[0024] фиг. 7A - вид сбоку в разрезе первого иллюстративного варианта осуществления радиоизотопного уровнемера;

[0025] фиг. 7B - вид сбоку в разрезе варианта осуществления радиоизотопного уровнемера с фиг. 7A, демонстрирующий уровнемер в изогнутом состоянии;

[0026] фиг. 8 - более детализированный вид сбоку в разрезе первичного сцинтиллирующего кристалла и волноводных волокон для варианта осуществления с фиг. 7A;

[0027] фиг. 9 - вид в разрезе первичного сцинтиллирующего кристалла и световодных волокон с фиг. 8, взятый по линии 9-9 на фиг. 8;

[0028] фиг. 10 - более детализированный вид сбоку пары первичных сцинтиллирующих кристаллов и соединителей, показанных в разобранном состоянии;

[0029] фиг. 11 - более детализированный вид сбоку монтажного фланца на ближнем конце корпуса, показанного в разобранном состоянии;

[0030] фиг. 12 – боковое поперечное сечение первого варианта осуществления радиоизотопного уровнемера, изображающее переменное разнесение между первичными сцинтиллирующими кристаллами;

[0031] фиг. 13 - более детализированное боковое поперечное сечение, аналогично фиг. 12, изображающее переменное разнесение между множеством первичных сцинтиллирующих кристаллов и трубчатых прокладок между кристаллами;

[0032] фиг. 14A - боковое поперечное сечение второго иллюстративного варианта осуществления радиоизотопного уровнемера;

[0033] фиг. 14B - боковое поперечное сечение радиоизотопного уровнемера с фиг. 14A, демонстрирующее уровнемер в изогнутом состоянии;

[0034] фиг. 15 - боковое поперечное сечение третьего иллюстративного варианта осуществления радиоизотопного уровнемера, изображающее жгут первичных сцинтиллирующих волокон переменной толщины;

[0035] фиг. 16 - вид в перспективе участка альтернативного, плакированного оптического волокна; и

[0036] фиг. 17A - боковое поперечное сечение альтернативного варианта осуществления уровнемера для жидкого первичного сцинтиллятора; и

[0037] фиг. 17B - боковое поперечное сечение альтернативного варианта осуществления уровнемера для сыпучего твердого первичного сцинтиллятора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0038] Теперь обратимся к фигурам чертежей, на которых аналогичные номера указывают аналогичные элементы на разных видах, фиг. 5A и 5B демонстрируют первый вариант осуществления радиоизотопного уровнемера 30, показанного присоединенным к контейнеру или бункеру 32 для измерения уровня продукта в бункере. Уровнемер 30 включает в себя корпус 34, охватывающий сцинтиллирующие компоненты уровнемера. Корпус 34 представляет собой удлиненную трубку, которая необязательно может быть выполнена из гибкого материала, достаточно эластичного для обеспечения защиты сцинтиллирующих компонентов от неблагоприятных условий эксплуатации. Корпус 34 также препятствует проникновению внешнего света в уровнемер 30. Примеры подходящих материалов для корпуса 34 включают в себя гофрированную трубку из нержавеющей стали с обрезиненной внешней стенкой и нейлоновой оплеткой для защиты от истирания. Корпус 34 присоединен к внешней поверхности бункера 32 на противоположной стороне бункера от источника 36 излучения. В показанном применении измерения, два источника 36 излучения используются для использования более длинного уровнемера 30. Однако с уровнемером 30 можно использовать любое число источников излучения в зависимости от размера контейнера, диапазона измерения, профиля чувствительности и других требований применения измерения.

[0039] Теперь, согласно фиг. 6 в описанных ниже вариантах осуществления свет от первичного сцинтиллятора 40 выводится к общему оптическому датчику 12 с использованием световода 44, который может состоять из одного или более сцинтиллирующих волокон. В типичном применении, световод 44 может содержать жгут, имеющий приблизительно 50 сцинтиллирующих волокон. Первичный сцинтиллятор 40 генерирует свет 46 сцинтилляции в ответ на падающее ионизирующее гамма-излучение 50 от источника 36 излучения. В первом варианте осуществления световодные волокна 44 могут состоять из PVT или полистиролового материала. В этом варианте осуществления свет сцинтилляции от первичного сцинтиллятора 40 поглощается световодными сцинтиллирующими волокнами 44, которые, в свою очередь, порождают фотоны света 52 сцинтилляции, как изображено на фиг. 6. Первичный сцинтиллятор 40 порождает УФ фотоны в ответ на поглощение падающего гамма-излучения от источника 36. Световодные волокна преобразуют УФ излучение от первичного сцинтиллятора 40 в фотоны в синей и/или зеленой области спектра. Хотя это не показано, световодные волокна 44 также могут создавать свет сцинтилляции из любых частиц 50 гамма-излучения, которые падают непосредственно на световодные волокна. Часть световодного света сцинтилляции будет захватываться в световодных волокнах 44 и передаваться, как указано позицией 54, на оптический датчик 12 для сбора с использованием характеристик полного внутреннего отражения (TIR) световодных волокон.

[0040] Во втором варианте осуществления световодные волокна 44 могут состоять из одного или более оптических волокон 58, как изображено на фиг. 16. В этом варианте осуществления световодные волокна 58 могут состоять из плакированного акрилового или полистиролового материала. Оптические волокна 58 включают в себя центральную сердцевину 62 и практически кольцевой внешний слой 66 оболочки, окружающий по окружности сердцевину. Сердцевина 62 состоит из чистого (нелегированного) полистирола или, альтернативно, чистого (нелегированного) PMMA (акрила). Оболочка 66 состоит из полистирола или акрила, который легирован флуоресцирующим красителем. Оболочка 66 является тонкой, обычно имеющей толщину около 5-10 мкм. Краситель, используемый для легирования оболочки, может быть одним из синего, зеленого, красного и желтого.

[0041] Оптические волокна 58 могут быть любой длины в зависимости от конкретного применения. В уровнемере УФ частицы, сгенерированные первичным сцинтиллятором 40, пересекают небольшое расстояние через воздушный зазор для падения на внешнюю, плакированную поверхность волокон 58. Падающие УФ частицы поглощаются оболочкой и сдвигаются по длине волны к фотонам более низкой энергии, более длинной волны. Фотоны более длинной волны (обычно синего света) захватываются в сердцевине 62 и передаются через сердцевину на оптический датчик 12. Сдвиг падающих УФ фотонов к синей и/или зеленой области спектра на плакированной поверхности чисто полистиролового или акрилового волокна 58 позволяет передавать фотоны на большие расстояния до оптического датчика. Оптический датчик 12 отсчитывает число вспышек света (фотонов) в световодных волокнах 44 и преобразует это число в электрический импульс, указывающий на число вспышек света и, таким образом, уровень продукта в бункере. Как описано здесь, общий оптический датчик 12 может быть любым типом известной светочувствительной схемы и связанной электроники, в том числе фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) или фотодиодной матрицей.

[0042] В первом иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 7A и 7B, радиоизотопный уровнемера 30 включает в себя гибридный сцинтилляционный узел из твердого кристалла/жгута волокон, в которой первичный сцинтиллятор в форме множества твердых сцинтиллирующих кристаллов 42 объединен со световодом 44, состоящим из одного или более сцинтиллирующих волокон. Гибридный сцинтилляционный узел из твердого кристалла/жгута волокон обеспечивает большую гибкость в уровнемере с одним общим оптическим датчиком 12, устраняя при этом проблемы ослабления, связанные с предыдущими уровнемерами на основе жгута сцинтиллирующих волокон. В одном иллюстративном применении первичными сцинтиллирующими кристаллами 42 являются пластичные сцинтилляторы, состоящие из поливинилтолуола, который создает УФ свет (λ=~380 нм) в ответ на поглощение гамма-излучения от источника 36 излучения. В этом иллюстративном применении световодные волокна 44 состоят из полистирола, который создает синий свет (λ=~425 нм) в ответ на поглощение либо гамма-излучения от источника 36, либо УФ свет сцинтилляции от первичных сцинтилляторов 42. Альтернативно, как описано выше, световодные волокна 44 могут состоять из PMMA (акриловой) сердцевины с легированной красителем оболочкой. В альтернативных вариантах осуществления первичные сцинтилляторы 42 также могут состоять из полистирола для испускания синих фотонов, которые будут поглощаться и сдвигаться по длине волны к зеленым фотонам световодными сцинтиллирующими волокнами до обнаружения оптическим датчиком 12.

[0043] Как показано на фиг. 7A и 7B, в этом первом варианте осуществления первичный сцинтиллятор состоит из множества отдельных сцинтиллирующих кристаллов 42 в разнесенном взаимном расположении в продольном направлении корпуса 34. Как показано более подробно на фиг. 8 и 9, каждый из сцинтиллирующих кристаллов 42 включает в себя отверстие 56, через которое простираются световодные волокна 44. Каждое отверстие 56 имеет диаметр, который больше объединенных диаметров световодных волокон 44, с образованием воздушного зазора между внутренним диаметром кристалла и световодными волокнами. Этот воздушный зазор позволяет световодным волокнам 44 свободно перемещаться в отверстии 56 со случайным разнесением между волокнами, как показано на фиг. 9.

[0044] Как показано на фиг. 8-11, в этом варианте осуществления уровнемер 30 также включает в себя множество гибких трубок 60, простирающихся между первичными сцинтиллирующими кристаллами 42 и соединяющих их. Трубки 60 располагаются между соседними сцинтиллирующими кристаллами 42 для поддержания разнесения между кристаллами. Трубки 60 могут быть выполнены из трубки PVC, армированной пружиной, или другого аналогичного гибкого материала, чтобы трубки могли изгибаться в корпусе 34. Световодные волокна 44 простираются через трубки 60 и сцинтиллирующие кристаллы 42 в корпусе 34. Трубки 60 имеют внутренний диаметр, коаксиальный с отверстиями 56 в сцинтиллирующих кристаллах 42 для продолжения воздушного зазора, окружающего световодные волокна 44 от кристаллов через трубки. Первичные сцинтиллирующие кристаллы 42 соединены со световодными волокнами 44 через воздушный зазор, причем вспышки света 46 сцинтилляции проходят через воздушный зазор, падая на световодные волокна. Как показано на фиг. 10, трубки 60 присоединены на каждом конце к соседним сцинтиллирующим кристаллам 42 с использованием пружинных зажимов 64. Гибкие трубки 60 позволяют последовательности сцинтиллирующих кристаллов 42 изгибаться в любом направлении при изгибании корпуса 34. Как показано на фиг. 11, сначала одна из трубок 60 присоединяется к монтажному фланцу 70 пружинным зажимом 64. Монтажный фланец 70 соединяет ближний конец сцинтилляционного узла с корпусом 34 уровнемера. Световодные волокна 44 простираются через монтажный фланец 70. Втулка 72 соединяет ближние, общие концы световодных волокон 44 с оптическим датчиком 12. Как показано на фиг. 12, самая удаленная трубка 60, на противоположном конце разнесенных кристаллов 42 от монтажного фланца 70, остается неприсоединенной рядом с закрытым концом корпуса 34. Удержание дальнего конца сцинтилляционного узла не присоединенным в корпусе 34 позволяет последовательности сцинтиллирующих кристаллов 42 и трубок 60 изгибаться при изгибании корпуса.

[0045] Как показано на фиг. 12 и 13, разнесение между сцинтиллирующими кристаллами 42 может изменяться в корпусе 34 для регулировки профиля чувствительности уровнемера 30 и, таким образом, оптимизации линейной производительности. Отдельные длины трубок 60 между кристаллами 42 могут изменяться для получения требуемого разнесения между кристаллами. В частности, разнесение между кристаллами 42 может уменьшаться путем уменьшения длин трубок 60 в направлении от оптического датчика 12 для увеличения плотности сцинтиллирующей среды, присутствующей на увеличенном расстоянии от оптического датчика. Уменьшение разнесения кристаллов 42 на дальнем конце уровнемера 30 компенсирует ослабление, которое происходит, когда фотоны распространяются на большие расстояния через световодные волокна 44. Выбор количества сцинтиллирующих кристаллов в сцинтилляционном узле и разнесение между отдельными кристаллами можно индивидуально настраивать на основании геометрии контейнера и диапазон измерения применения.

[0046] Помимо изменения разнесения между кристаллами длина или масса отдельных кристаллов 42 может увеличиваться с увеличением расстояния от оптического датчика 12. Масса кристаллов 42 может изменяться за счет увеличения продольной длины отдельных кристаллов для увеличения общей плотности сцинтиллирующей кристаллической среды. Увеличенный размер кристаллов позволяет поглощать и передавать больше света сцинтилляции на световодные волокна 44 на больших расстояниях от оптического датчика 12, таким образом, увеличивая объем фотонов которые передаются от дальних концов световодных волокон на оптический датчик. Хотя иллюстративные варианты осуществления уровнемера проиллюстрированы в фигурах чертежей с количеством сцинтиллирующих кристаллов от четырех до шести, следует понимать, что любое количество сцинтиллирующих кристаллов можно использовать в описанных здесь вариантах осуществления уровнемера без отклонения от объема изобретения. Количество используемых сцинтиллирующих кристаллов, длина отдельных сцинтиллирующих кристаллов и разнесение между сцинтиллирующими кристаллами могут изменяться, причем конкретные варианты выбора зависят от требуемого профиля чувствительности уровнемера и общего диапазона измерения, требуемого для конкретного бункера или контейнера.

[0047] Фиг. 14A и 14B демонстрируют второй иллюстративный вариант осуществления уровнемера 30. В этом втором варианте осуществления первичный сцинтиллятор состоит из жгута сцинтиллирующих волокон 80. Первичные сцинтиллирующие волокна 80 могут располагаться между световодными волокнами 44, как показано, или иначе располагаться, простираясь между световодными волокнами через отверстие или воздушный зазор в корпусе 34. Первичные сцинтиллирующие волокна 80 и световодные волокна 44 монтируются в корпусе 34 так, чтобы волокна могли изгибаться во множественных направлениях с изгибанием корпуса, как показано на фиг. 14B. В частности, первичные сцинтиллирующие волокна 80 имеют общий конец, который присоединен к концевой заглушке 82 корпуса вблизи дальнего конца корпуса 34, тогда как противоположный конец первичных волокон остается не присоединённым. Световодные волокна 44 имеют общий конец, который присоединен к монтажному фланцу 70 на противоположном конце корпуса 34 от заглушки 82, для подачи света из волокон в оптический датчик 12. Противоположные, дальние концы световодных волокон 44 остаются не присоединёнными на закрытом конце корпуса 34. Первичные сцинтиллирующие волокна 80 и световодные волокна 44 простираются между друг другом через корпус 34. В этом варианте осуществления первичные сцинтиллирующие волокна 80 и световодные волокна 44 могут входить в контакт с изгибанием и перемещением корпуса 34, но контакт между волокнами не требуется для передачи света между волокнами и передачи света на оптический датчик. Свет 46 сцинтилляции передается между первичными сцинтиллирующими волокнами 80 и световодными волокнами 44 через воздушный промежуток, окружающий волокна.

[0048] Фиг. 15 изображает третий вариант осуществления уровнемера 30, в котором первичный сцинтиллятор представляет собой жгут сцинтиллирующих волокон 80. В этом варианте осуществления длины первичных сцинтиллирующих волокон 80 в жгуте изменяются для изменения плотности сцинтиллирующей среды на разных расстояниях в уровнемере 30. В частности, уровнемер 30 включает в себя жгуты волокон, имеющие изменяющиеся значения толщины, т.е. количество волокон конкретной длины. Толщина жгута первичных сцинтиллирующих волокон 80 увеличивается в направлении от оптического датчика 12 для компенсации ослабления, которое происходит в световодных волокнах 44 на больших расстояниях в уровнемере. Увеличение плотности сцинтиллирующей среды в направлении от оптического датчика 12 оптимизирует линейный отклик уровнемера путем увеличения потенциального количества испускаемых фотонов сцинтилляции, для одного и того же количества излучения 50, падающего на волокна. Увеличенное число испускаемых фотонов на количество падающего излучения увеличивает интенсивность света сцинтилляции, распространяющегося в световодных волокнах 44, что позволяет минимальному порогу света достигать оптического датчика 12 с достаточной интенсивностью для обнаружения. Создание большего числа вспышек света сцинтилляции на увеличенных расстояниях от оптического датчика 12 повышает линейную производительность уровнемера 30, поскольку оно служит для выравнивания количества порождаемых фотонов по длине уровнемера из падающего пучка излучения 50. В иллюстративном варианте осуществления, показанном на фиг. 15, три разные значения толщины показаны для жгута первичных сцинтиллирующих волокон 80. Однако большие или меньшие значения толщины жгутов волокон можно использовать в уровнемере 30 для оптимизации производительности уровнемера.

[0049] Как показано на фиг. 15, место для расширения предусмотрено на не присоединённых концах как первичных сцинтиллирующих волокон 80, так и световодных волокон 44, как указано позицией 84 для первичных сцинтиллирующих волокон 80 и позицией 86 для световодных волокон 44. Место 84, 86 для расширения позволяет обоим наборам сцинтиллирующих волокон изгибаться в корпусе. Первичные сцинтиллирующие волокна 80 и световодные волокна 44 поддерживаются в бесконтакном отношении внутри корпуса 34, причем свет 46 сцинтилляции переходит между первичными сцинтиллирующими волокнами 80 и световодными волокнами 44 через воздушный промежуток, окружающий волокна.

[0050] Световодные волокна 44 простираются через направляющую трубку 90, которая находится по центру среди первичных сцинтиллирующих волокон 80 для поддержания световодных волокон в центральном положении относительно первичных сцинтиллирующих волокон и максимизации экспозиции световодных волокон свету 46 сцинтилляции. Рукав 92 может быть внедрен в корпус 34 для охвата внешней поверхности жгута первичных сцинтиллирующих волокон 80. Направляющая трубка 90 и рукав 92 состоят из гибкого материала, благодаря чему, трубка и рукав могут свободно изгибаться со сцинтилляционным узлом в корпусе 34. В вышеописанных вариантах осуществления первичным сцинтилляторам, как кристаллам, так и жгутам волокон, придаются такие размеры, чтобы длина каждого сцинтиллятора не превышала длину ослабления сцинтиллирующей среды. Более длинные уровнемеры формируются путем обеспечения множественных продольно разнесенных сцинтиллирующих кристаллов или путем увеличения толщины жгута волокон в продольном направлении.

[0051] Описанный здесь варианты осуществления уровнемера избавляет от необходимости в контактном соединении между первичным сцинтиллятором и световодом на пути света, вместо передачи света сцинтилляции через открытый промежуток в корпусе уровнемера. Уровнемер 30 способен передавать свет через бесконтактное соединение вследствие создания света сцинтилляции разных длин волны и переноса света от первичного сцинтиллятора на световодные сцинтиллирующие волокна посредством сдвига по длине волны между первичным сцинтиллятором и световодными волокнами. Свет сцинтилляции от первичного сцинтиллятора может легко проходить через воздушный зазор и падать на световод, который, в свою очередь, сцинтиллирует; причем свет сцинтилляции в световоде распространяется через световодные волокна на общий оптический датчик. В описанных здесь вариантах осуществления размеры отдельных сцинтилляторов и разнесение между сцинтилляторами являются переменными, и их можно индивидуально настраивать для оптимизации чувствительности и линейности уровнемера. Уровнемер описан здесь совместно с пластичными сцинтилляторами, вследствие увеличенных длин ослабления пластичных сцинтилляторов (от 2,5 до 4 м). Однако неорганические сцинтилляторы также могут использоваться в описанных вариантах осуществления, при условии, что излученный свет сцинтилляции пригоден для возбуждения требуемых спектров излучения в световодных волокнах.

[0052] Дополнительно, жидкие сцинтилляторы, сыпучие твердые сцинтилляторы и/или сцинтилляционные порошки можно использовать в качестве первичных сцинтилляторов вместо твердых пластичных сцинтилляторов в уровнемере. В варианте осуществления жидкого сцинтиллятора для уровнемера 31, как показано на фиг. 17A, жидкий сцинтиллятор 94 содержится в трубке 96. В жидкостном варианте осуществления трубка 96 герметично уплотнена, и жидкий сцинтиллятор 94 и световодные волокна 44 могут свободно удлиняться и сокращаться с температурой внутри трубки без необходимости в сильфоне. Уплотненная трубка 96 может, необязательно, быть гибкой, чтобы трубка могла изгибаться при использовании в варианте осуществления гибкого внешнего корпуса. Световодные волокна 44 крепятся на ближнем конце к оптическому датчику 12. Противоположные, дальние концы световодных волокон 44 центрируются в концевой заглушке 82, причем концевая заглушка имеет достаточную длину, чтобы вмещать в себя световодные волокна во всех условиях эксплуатации. Световодные волокна 44 могут свободно перемещаться в концевой заглушке 82. Концевая заглушка 82 включает в себя зазубренные фиттинги (не показаны) для добавления или удаления сцинтиллирующего материала из трубки 96, а также откачки воздуха и/или добавления инертного газа. Жидкий сцинтиллирующий материал обычно будет занимать почти весь объем трубки 96, причем в трубке поддерживается достаточно свободного места для тепловых изменений размера. Масса сцинтиллирующего материала остается постоянной в трубке 96, но размеры могут изменяться с температурой. Трубка 96 герметично уплотнена для предотвращения просачивания кислорода в трубку и снижения эффектности жидкого сцинтиллятора. Трубка 96, которая может состоять из скрученной резины или аналогичного материала, прикреплена на одном конце к концевой заглушке 82 и на втором конце к монтажному фланцу 70. Внешний корпус 34 уровнемера охватывает уплотненную трубку 96 и присоединен на одном конце к корпусу фотоэлектронного умножителя и на втором конце к концевой заглушке 82.

[0053] В альтернативном варианте осуществления сыпучий твердый сцинтиллирующий материал 98 можно использовать в качестве первичного сцинтиллятора, как указано в уровнемере 33 на фиг. 17B. В этом варианте осуществления сыпучий твердый сцинтиллирующий материал 98 состоит из частиц или шариков, которые могут иметь изменяющиеся размеры и формы, например, сферические или цилиндрические, и которые могут состоять из полистирола или аналогичного материала. Сцинтиллирующие шарики могут удерживаться в контейнере, например, трубкой 96, показанной на фиг. 17B. В варианте осуществления сыпучего твердого вещества трубка 96 может быть гибкой или жесткой, и не требует герметичного уплотнения. Шарики имеют такие размеры относительно трубки, чтобы сыпучие шарики можно было засыпать в трубку. Внутри контейнера сцинтиллирующие шарики окружают световодные волокна 44 для пропускания света сцинтилляции от шариков к волокнам. Помимо трубок, альтернативные удерживающие конструкции, гибкие или жесткие, можно использовать для удержания сыпучих сцинтиллирующих шариков.

[0054] Дополнительно, в варианте осуществления сцинтиллирующего порошка сцинтиллирующий порошок может содержаться в такой конструкции, как трубка 96. В варианте осуществления порошка трубка не требует воздухонепроницаемого уплотнения, и может быть или не быть гибкой в зависимости от того, будет ли сцинтиллятор использоваться в гибком корпусе уровнемера.

[0055] Настоящее изобретение описано в связи с некоторыми вариантами осуществления, и некоторые из этих вариантов осуществления предусматривают существенную детализацию. Однако объем изобретения не подлежит ограничению этими вариантами осуществления, которые представлены как иллюстративные и не исключительными. Объем изобретения определяется нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к области регистрации уровня продукта в бункере. Радиоизотопный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере содержит источник радиоактивного излучения, множество сцинтилляторов, расположенных рядом с продуктом в бункере и разнесенных друг от друга напротив источника радиоактивного излучения, светочувствительную схему для обнаружения света, оптическое волокно для переноса света сцинтилляции от всех сцинтилляторов на светочувствительную схему, причем оптическое волокно внутренне отражает свет, переносимый от первого конца волокна ко второму концу волокна, свет сцинтилляции передается от каждого из сцинтилляторов в оптическое волокно через воздушное соединение, оптическое волокно испускает свет в ответ на поглощение света сцинтилляции от сцинтилляторов, а светочувствительная схема собирает испущенный из оптического волокна свет, чтобы обеспечить представление уровня поглощающего излучение продукта в бункере. Технический результат - повышение гибкости уровнемера для обеспечения работы с контейнерами различных форм. 8 з.п. ф-лы, 21 ил.

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

источник радиоактивного излучения, расположенный рядом с продуктом в бункере;

множество сцинтилляторов, расположенных рядом с продуктом в бункере и разнесенных друг от друга напротив источника радиоактивного излучения, причем радиоактивное излучение от источника проходит через бункер и падает на сцинтилляторы, заставляя сцинтилляторы генерировать свет сцинтилляции;

светочувствительную схему для обнаружения света; и

оптическое волокно для переноса света сцинтилляции от всех сцинтилляторов на светочувствительную схему, причем оптическое волокно внутренне отражает свет, переносимый от первого конца волокна ко второму концу волокна, свет сцинтилляции передается от каждого из сцинтилляторов в оптическое волокно через воздушное соединение, оптическое волокно испускает свет в ответ на поглощение света сцинтилляции от сцинтилляторов, а светочувствительная схема собирает испущенный из оптического волокна свет, чтобы обеспечить представление уровня поглощающего излучение продукта в бункере.

2. Радиоизотопный уровнемер по п. 1, причем оптическое волокно простирается через воздушный зазор в по меньшей мере одном сцинтилляторе.

3. Радиоизотопный уровнемер по п. 2, причем оптическое волокно дополнительно содержит множество сцинтиллирующих волокон, излучающих свет в ответ на поглощение света сцинтилляции от сцинтилляторов.

4. Радиоизотопный уровнемер по п. 3, причем светочувствительная схема является одним фотоэлектронным умножителем.

5. Радиоизотопный уровнемер по п. 1, дополнительно содержащий корпус, состоящий из гибкого материала, и при этом корпус, сцинтилляторы и волокна способны изгибаться в трехмерное положение и сохранять его.

6. Радиоизотопный уровнемер по п. 1, причем по меньшей мере один сцинтиллятор состоит из поливинилтолуола, а волокна состоят из полистирола.

7. Радиоизотопный уровнемер по п. 1, причем по меньшей мере один сцинтиллятор содержит жгут сцинтиллирующих волокон.

8. Радиоизотопный уровнемер по п. 1, причем разнесение между упомянутым множеством сцинтилляторов изменяется с расстоянием сцинтилляторов от датчика света.

9. Радиоизотопный уровнемер по п. 7, причем толщина жгутов сцинтиллирующих волокон изменяется, причем жгут увеличивается по толщине с увеличением расстояния от датчика света.