РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ НАПОЛНЕНИЯ, ИМЕЮЩИЙ ОПОРНЫЙ СЦИНТИЛЛЯТОР
RADIOMETRIC DEVICE FOR MEASURING THE FILLING LEVEL, HAVING A REFERENCE SCINTILLATOR

Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет европейской заявки на патент № 19 176 563.5, поданной 24 мая 2019 г., которая в полном объеме путем ссылки включается в настоящий документ.
Область изобретения
Изобретение касается радиометрического устройства измерения уровня наполнения, для измерения уровня наполнения, для измерения плотности и/или для измерения массового потока. В частности, изобретение касается способа компенсации отклонения измерений сцинтиллятора и/или фотодетектора, который применяется в радиометрическом устройстве измерения уровня наполнения. Также изобретение касается применения, элемента программы и считываемой компьютером среды.
Предпосылки создания
Радиометрическое устройство измерения уровня наполнения может применяться, например, для отображения определенного уровня наполнителя, например, в емкости, т.е. для отображения того, был ли достигнут предопределенный верхний, нижний или другой предел уровня наполнения в емкости. Емкость может представлять собой сосуд или мерный бак любой формы. Емкость может также представлять собой русло, например ложе ручья или реки.
Радиометрическое устройство измерения уровня наполнения может, например, использовать гамма-излучатель для передачи радиометрического сигнала и/или гамма-излучения; он может приниматься детектором в целях измерения. Детектор может содержать сцинтиллятор, который передает световой сигнал, когда на него, например, попадает гамма-луч. По меньшей мере у некоторых сцинтилляторов амплитуда и/или частота светового сигнала может быть зависима, например, от температуры сцинтиллятора и поэтому вызывать отклонения измерений от опорного измерения. Такие отклонения измерений могут влиять на точность измерения.
Краткое изложение изобретения
Задачей изобретения является предоставить радиометрическое устройство  измерения уровня наполнения.
Эта задача решается с помощью объекта независимых пунктов формулы изобретения. Усовершенствованные варианты изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения и последующем описании.
Первый аспект изобретения касается способа компенсации отклонения измерений первого сцинтиллятора и/или фотодетектора радиометрического устройства для измерения уровня наполнения для измерения уровня наполнения, имеющего этапы:
- обнаружение, посредством второго сцинтиллятора, радиоактивного излучения второго сцинтиллятора;
- передача, в качестве реакции на радиоактивное излучение, первого светового сигнала первым сцинтиллятором и второго светового сигнала вторым сцинтиллятором, при этом первый световой сигнал отличается от второго светового сигнала;
- прием, посредством фотодетектора, первого светового сигнала первого сцинтиллятора и второго светового сигнала второго сцинтиллятора и преобразование световых сигналов в электрические сигналы;
- сравнение посредством компаратора электрических сигналов с сохраненными опорными сигналами; и
- согласование усиления фотодетектора в качестве реакции на сравнение электрических сигналов и сохраненных опорных сигналов.
Радиометрическое устройство для измерения уровня наполнения применяется, например, для измерения уровня наполнения и/или дополнительных измерений наполнителя , например, для измерения уровня, плотности и/или потока наполнителя. Радиометрическое устройство измерения уровня наполнения имеет первый сцинтиллятор и фотодетектор. Сцинтиллятор передает световой сигнал, когда на него, например, попадает радиоактивное излучение. Первый сцинтиллятор является первичным сцинтиллятором, результаты измерений которого используются радиометрическим устройством для измерения уровня наполнения. Фотодетектор может представлять собой, например, фотоумножитель, фотоэлектронный умножитель (photomultiplier tube, PMT),  так называемую микроканальную пластину (micro channel plate photomultiplier, MCP-PMT, MCP), кремниевый фотоумножитель (например, так называемый Avalanche Photodiode - лавинный фотодиод), фотодиодную матрицу и/или другой детектор. Первый сцинтиллятор и/или фотодетектор может иметь отклонение измерений, которое, например, обусловливается различиями температуры и/или старением по меньшей мере одного из этих компонентов.
На одном из этапов способа второй сцинтиллятор обнаруживает радиоактивное излучение, которое создается его собственными радиоактивными составными частями.
На одном из этапов способа в качестве ответной реакции первый сцинтиллятор передает первый световой сигнал, а второй сцинтиллятор второй световой сигнал. Первый световой сигнал отличается от второго светового сигнала, например, в отношении амплитуды, цвета и/или других признаков.
На одном из этапов способа фотодетектор принимает первый световой сигнал первого сцинтиллятора и второй световой сигнал второго сцинтиллятора. Фотодетектор преобразует световые сигналы в электрические сигналы или электрические импульсы. Для аналитической обработки созданных фотодетектором электрических импульсов могут применяться, например, усилители, имеющие подключенный дискриминатор, и/или усилитель, имеющий подключенное измерение амплитуды импульса.
На одном из этапов способа компаратор сравнивает электрические сигналы с сохраненными опорными сигналами. Компаратор может быть реализован в виде аппаратного обеспечения и/или в виде программного обеспечения. Компонент аппаратного обеспечения может быть реализован, например, в виде специального аппаратного обеспечения и/или, например, в виде части чипа, который содержит также процессор. Температурные характеристики первого и второго сцинтиллятора и/или разность двух температурных характеристик сохраняются в устройстве измерения уровня наполнения, например, в памяти, в частности в энергонезависимой памяти, внутри устройства и/или в памяти или, соответственно, банке данных, к которым устройство имеет доступ. Температурные характеристики могут иметься и/или быть сохранены, например, в виде результатов измерений и/или в виде отклонений результатов измерений от некоторого «стандартного результата измерения» (например, 20°C) в виде функции температуры. Первый и второй сцинтиллятор могут иметь различные материалы; эти различные материалы могут иметь различные температурные характеристики. Температурные характеристики могут замеряться, например, при изготовлении устройства измерения уровня наполнения. Температурные характеристики могут также, дополнительно или альтернативно, замеряться во время эксплуатации устройства измерения уровня наполнения. Измеренные таким образом температурные характеристики могут использоваться, например, для составления временного ряда, посредством которого, например, может анализироваться старение компонентов устройства измерения уровня наполнения.
На одном из этапов способа согласовывается усиление фотодетектора и/или подсистемы, которая имеет первый сцинтиллятор и фотодетектор, в качестве реакции на сравнение электрических сигналов и сохраненных опорных сигналов. Согласование может происходить, например, посредством изменения напряжения источника высокого напряжения, которое действует на фотодетектор. Согласование может осуществляться, например, посредством изменения усиления подключенного к фотодетектору усилителя. Сравнение и/или согласование может выполняться, например, посредством процессора или контроллера и/или посредством специального аппаратного обеспечения, например, посредством DSP (Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор), аналогового компьютера и/или искусственной нейронной сети (Artificial Neural Network, ANN).
Этим способом предпочтительно по меньшей мере частично контролируются отклонения измерений первого сцинтиллятора и/или фотодетектора. Помимо этого, этот способ, благодаря использованию свойств второго сцинтиллятора в качестве исходной величины, имеет высокую устойчивость к старению.
В некоторых вариантах осуществления способ имеет дополнительный этап нахождения текущей температуры и сохраненного, соответствующего этой температуре опорного сигнала. Это отношение иногда называется «температурной характеристикой». Текущая температура может измеряться, например, непосредственно на измерительных устройствах, она может (измеряться) опосредствованно, например, посредством удаленного термометра и/или опосредствованно, по заключению о текущей температуре измерительных устройств по наружной температуре измерительных устройств. Тем самым может дополнительно улучшаться точность измерений и/или компенсации.
В некоторых вариантах осуществления отклонение измерений является функцией температуры, и сохраненные, соответствующих этой температуре опорные сигналы сохранены в сравнительной таблице. Опорный сигнал может быть сохранен и/или доступен, например, в виде матрицы опорных сигналов, которая ставит в соответствие определенной температуре какой-либо опорный сигнал. Это может способствовать быстрому и/или структурированному доступу к результатам измерений опорных сигналов.
В некоторых вариантах осуществления первый сцинтиллятор расположен рядом со вторым сцинтиллятором. Эта близость может реализовываться, например, путем механической и/или термической связи. Благодаря этой близости может, например, улучшаться прием световых сигналов посредством фотодетектора. Также благодаря этому может достигаться, например, очень близкая температура двух сцинтилляторов.
В одном из вариантов осуществления отклонение измерений первого сцинтиллятора и/или фотодетектора обусловливается старением первого сцинтиллятора и/или фотодетектора. Поэтому способ может учитывать и эти - и/или дополнительные - эффекты, которые могут обусловливать отклонение измерений.
В некоторых вариантах осуществления различие первого светового сигнала первого сцинтиллятора и второго светового сигнала второго сцинтиллятора выполняется на базе различного времени прохождения, различного цвета и/или различной интенсивности световых сигналов. Различие может выполняться посредством устройства различения. Путем выбора признаков различия может, например, упрощаться дискриминатор и/или обеспечиваться улучшенная точность.
В некоторых вариантах осуществления второй сцинтиллятор является одним из следующих сцинтилляторов: лютеций-алюминиевый гранат, LuAG, легированный церием силикат лютеция-иттрия, LYSO, оксиортосиликат лютеция, LSO, иттрий-алюминиевый перовскит (церий), YAP, иттрий-алюминиевый гранат, YAG, и/или аналогичным сцинтиллятором. Эти типы сцинтилляторов не только обнаруживают световые сигналы, но и, благодаря их собственной радиоактивности, одновременно являются излучателями радиоактивного излучения. Кроме того, по меньшей мере некоторые из этих сцинтилляторов имеют небольшое или очень небольшое старение.
В некоторых вариантах осуществления способ имеет дополнительный этап:
- подача сигнала тревоги, когда не передается и/или не принимается ни первый световой сигнал первого сцинтиллятора, ни второй световой сигнал второго сцинтиллятора.
Благодаря применению второго сцинтиллятора в нормальном рабочем состоянии радиометрического устройства для измерения уровня наполнения всегда обнаруживаются световые сигналы или импульсы. Когда эти импульсы больше не обнаруживаются, в цепочке измерений может иметься ошибка, например, дефект усилителя, фотодетектора и/или других компонентов устройства для измерения уровня наполнения. В этом случае подается сигнал тревоги, на основе которого могут выполняться его предопределенные акции; например, может инициироваться техническое обслуживание.
В одном из вариантов осуществления второй сцинтиллятор экранирован от гамма-излучателя и/или дополнительного внешнего источника излучения. Благодаря этому достигается четкое разделение первого и второго сцинтиллятора, так что первый сцинтиллятор принимает только радиоактивное излучение гамма-излучателя и/или какого-либо дополнительного внешнего источника излучения, а второй сцинтиллятор только радиоактивное излучение самого второго сцинтиллятора. Это может способствовать четкому, методичному разделению первого сцинтиллятора (например, для измерения) и второго опорного сцинтиллятора (например, в качестве эталона).
Другой аспект касается радиометрического устройства для измерения уровня наполнения, для измерения уровня наполнения, для измерения плотности и/или для измерения массового потока. Причем это устройство для измерения уровня наполнения имеет:
первый сцинтиллятор, который предназначен для того, чтобы обнаруживать радиоактивное излучение первого гамма-излучателя, и, в качестве реакции на это радиоактивное излучение, передавать первый световой сигнал;
второй сцинтиллятор, который предназначен для того, чтобы обнаруживать радиоактивное излучение второго сцинтиллятора, и, в качестве реакции на это радиоактивное излучение, передавать второй световой сигнал, при этом второй световой сигнал отличается от первого светового сигнала;
фотодетектор, который предназначен для того, чтобы принимать первый световой сигнал и второй световой сигнал и преобразовывать в электрические сигналы; и
компаратор, который предназначен для того, чтобы сравнивать электрические сигналы с сохраненными электрическими опорными сигналами,
при этом усиление фотодетектора согласуется в качестве реакции на сравнение.
В одном из вариантов осуществления радиометрическое устройство для измерения уровня наполнения имеет также устройство различения, которое предназначено для того, чтобы различать первый световой сигнал и второй световой сигнал на базе различного времени прохождения сигнала, различного цвета и/или интенсивности первого светового сигнала и второго светового сигнала. Эти различные времена прохождения сигнала могут, например, различаться таким образом, что один фотодетектор расположен на первом конце (например, «внизу») первого сцинтиллятора, а дополнительный фотодетектор на втором конце (например, «вверху») первого сцинтиллятора и на втором сцинтилляторе. Поэтому сигналы второго сцинтиллятора применительно к этим двум фотодетекторам могут разделяться по различным временам прохождения сигналов.
В одном из вариантов осуществления второй сцинтиллятор является одним из следующих сцинтилляторов: лютеций-алюминиевый гранат, LuAG, легированный церием силикат лютеция-иттрия, LYSO, оксиортосиликат лютеция, LSO, иттрий-алюминиевый перовскит (церий), YAP, иттрий-алюминиевый гранат, YAG, и/или аналогичным сцинтиллятором.
Другой аспект изобретения касается применения устройства для измерения уровня наполнения, которое описано выше и/или ниже, для радиометрического измерения уровня наполнения, для измерения предельного уровня, для измерения расхода, для измерения массового потока и/или для измерения плотности.
Другой аспект изобретения касается элемента программы, который, когда он выполняется в процессоре или процессорном блоке измерительного устройства, заставляет измерительное устройство выполнять описанный выше и/или ниже способ.
Другой аспект изобретения касается считываемой компьютером среды, в которой сохранен названный элемент программы.
Для дальнейшего пояснения изобретение описывается с помощью отображенных на фигурах вариантов осуществления. Эти варианты осуществления должны пониматься только в качестве примера, но не в качестве ограничения. Изображения на последующих фигурах являются схематичными и без соблюдения масштаба.
Краткое описание чертежей
Показано:
фиг.1: схематичный эскиз радиометрического устройства измерения уровня наполнения по одному из вариантов осуществления;
фиг.2a-2e: схематичные эскизы части системы по одному из вариантов осуществления;
фиг.3: способ по одному из вариантов осуществления.
Детальное описание вариантов осуществления
На фиг.1 показан эскиз радиометрического устройства 10 измерения уровня наполнения. Функциональные компоненты устройства 10 измерения уровня наполнения изображены в виде логических блоков. По меньшей мере некоторые из этих логических блоков могут быть реализованы в виде аппаратного обеспечения, в виде программного обеспечения или же частично в виде аппаратного обеспечения и частично в виде программного обеспечения. Логические блоки могут быть физически разделены или быть локализованы на одном и том же компоненте. Например, компаратор 47 может быть реализован в виде самостоятельного аппаратного обеспечения, в виде части чипа и/или в виде программного обеспечения, которое работает в процессорном блоке 48.
Радиометрическое устройство 10 измерения уровня наполнения имеет систему 30 сцинтилляторов, которая предназначена для того, чтобы обнаруживать радиоактивное излучение гамма-излучателя 20. Между гамма-излучателем 20 и системой 30 сцинтилляторов расположена емкость 55, которая содержит наполнитель 50, имеющий уровень 57 наполнения. Система 30 сцинтилляторов может иметь первый сцинтиллятор 31 и второй сцинтиллятор 32. Сцинтилляторы 31 и 32 передают, в качестве реакции на радиоактивное излучение, световые сигналы. Система 30 сцинтилляторов на этом чертеже объединена с фотодетектором 40 в часть систему 39 (штриховая линия), которая далее (на фиг.2a-2e) изображена в разных вариантах осуществления.
Световые сигналы первого и второго сцинтиллятора принимаются фотодетектором 40 и преобразуются в электрические сигналы. Фотодетектор 40 может представлять собой, например, фотоумножитель или фотоэлектронный умножитель (photomultiplier tube, PMT). Такой фотоумножитель имеет источник 42 высокого напряжения, который, например, может активироваться вычислительно-управляющим блоком или процессорным блоком 48. После фотодетектора 40 расположен усилитель 43, который усиливает электрические сигналы фотодетектора 40. Сразу после него расположен дискриминатор или устройство 44 различения, которое разделяет электрические сигналы усилителя 43 на сигналы 45, 46, которые были обусловлены радиоактивным излучением и были обнаружены первым сцинтиллятором 31 или, соответственно, вторым сцинтиллятором 32. Разделение может осуществляться, например, на базе различного времени прохождения сигнала, различного цвета и/или интенсивности первого или, соответственно, второго светового сигнала. Подключенный компаратор 47 предназначен для того, чтобы сравнивать электрические сигналы - например, электрические сигналы, которые создаются вторым световым сигналом - с сохраненными электрическими опорными сигналами. Компаратор 47 может быть реализован в виде аппаратного обеспечения и/или в виде программного обеспечения. Компонент программного обеспечения может быть реализован, например, в виде специального аппаратного обеспечения и/или, например, в виде части чипа, который также содержит процессор или же может быть локализован в процессоре 48. Электрические опорные сигналы могут содержать, например, температурные характеристики. Эти температурные характеристики могут, например, измеряться при изготовлении устройства 10 для измерения уровня наполнения. Температурные характеристики могут измеряться дополнительно или альтернативно также во время эксплуатации устройства 10 для измерения уровня наполнения. В процессорном блоке или вычислительно-управляющем блоке 48 результаты измерений могут подвергаться дальнейшей обработке; может, например, выполняться согласование формата и/или дополнительные расчеты. Результаты измерений доступны на выходе 49. Это может быть реализовано в виде шлейфового тока 4-20мА и/или в виде полевой шины, например, имеющей протокол по HART, шины Profibus, шины Foundation Fieldbus, и/или в виде проприетарного протокола; результаты измерений могут быть доступны в формате, который подходит для связи через WLAN (Wireless LAN) и/или для такого протокола, как LTE, 5G и пр.
На фиг.2a-2e показаны схематичные эскизы части 39 системы по одному из вариантов осуществления. Часть 39системы  имеет систему 30 сцинтилляторов и фотодетектор 40. В частности, изображены разные относительные расположения друг относительно друга системы 30 сцинтилляторов и фотодетектора 40. Например, становится ясно, что во всех показанных вариантах осуществления первый сцинтиллятор 31 и второй сцинтиллятор 32 расположены рядом.
При этом на фиг.2a показан один из примеров осуществления, в котором первый сцинтиллятор 31 и второй сцинтиллятор 32 расположены рядом друг с другом перед фотодетектором 40. На фиг.2b показан один из примеров осуществления, в котором второй сцинтиллятор 32 помещен в первый сцинтиллятор 31 или расположен внутри контура первого сцинтиллятора 31. На фиг.2c второй сцинтиллятор 32 в «разобранном» виде помещен в первый сцинтиллятор и/или распределен внутри контура первого сцинтиллятора 31. На фиг.2d показан один из примеров осуществления, в котором второй сцинтиллятор 32 расположен между первым сцинтиллятором 31 и фотодетектором 40. При этом световые импульсы первого сцинтиллятора 31 по меньшей мере частично проходят через второй сцинтиллятор 32, прежде чем они обнаруживаются фотодетектором 40. На фиг.2e второй сцинтиллятор, подобно фиг.2d, расположен между первым сцинтиллятором 31 и фотодетектором 40. Далее, показан дополнительный фотодетектор 41, который принимает предпочтительно или исключительно сигналы первого сцинтиллятора 31. Этот вариант осуществления может также применяться для обнаружения различных световых сигналов на базе их различных времен прохождения сигналов.
Показанные варианты осуществления и/или другие варианты осуществления могут иметь опциональную перегородку 33, с помощью которой второй сцинтиллятор 32 экранируется от гамма-излучателя 20 и/или дополнительного внешнего источника излучения. Например, как показано на фиг.2a, перегородка 33 может быть U-образно расположена вокруг второго сцинтиллятора 32, так что его световое излучение обнаруживается фотодетектором 40, но второй сцинтиллятор 32, со своей стороны, не принимает и/или не обнаруживает радиоактивное излучение. В примере осуществления фиг.2d перегородка 33 может быть расположена вокруг второго сцинтиллятора 32 по бокам, так что ее световое излучение обнаруживается фотодетектором 40, но второй сцинтиллятор 32, со своей стороны, не принимает и/или не обнаруживает радиоактивное излучение.
На фиг.3 показана блок-схема 60 способа по одному из вариантов осуществления. На этапе 61, посредством второго сцинтиллятора 32 (см. фиг.2a-2e), обнаруживается радиоактивное излучение второго сцинтиллятора 32. На этапе 62, в качестве реакции на радиоактивное излучение, передается первый световой сигнал первым сцинтиллятором 31 и второй световой сигнал вторым сцинтиллятором 32. При этом первый световой сигнал отличается от второго светового сигнала, например, в отношении амплитуды, времени прохождения и/или цвета. На этапе 63 посредством фотодетектора 40 принимается первый световой сигнал первого сцинтиллятора 31 и второй световой сигнал второго сцинтиллятора 32, и эти световые сигналы преобразуются в электрические сигналы. На этапе 64, например, посредством компаратора 47 (см. фиг.1) первый световой сигнал и второй световой сигнал сравниваются. На этапе 65 усиление фотодетектора 40 и/или других компонентов радиометрического устройства 10 для измерения уровня наполнения согласуется в качестве реакции на сравнивание электрических сигналов и сохраненных опорных сигналов.
В дополнение следует указать, что «включающий в себя» и «имеющий» не исключает наличия других элементов или этапов, и неопределенные артикли «какая-либо» или «какой/какое-либо» не исключают множества. Далее, следует указать, что признаки или этапы, которые были описаны со ссылкой на один из вышеприведенных примеров осуществления, могут также применяться в комбинации с другими признаками или этапами других вышеописанных примеров осуществления. Ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не должны считаться ограничениями.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Радиометрическое устройство измерения уровня наполнения
20 Гамма-излучатель
30 система сцинтилляторов
31 Первый сцинтиллятор
32 Второй сцинтиллятор
33 Опциональная перегородка
40 Фотодетектор
41 Дополнительный фотодетектор
42 Источник высокого напряжения
43 Усилитель
44 устройство различения
45, 46 Сигналы
47 Компаратор
48 Процессорный блок
49 Выход
50 Наполняющий материал
55 Емкость
57 Уровень наполнения
60 Блок-схема
61-65 Этапы