DE19722837A1 - Method and device for level measurement with gamma emitters and a virtual linear detector arrangement - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

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.The invention relates to the field of level indicators. It goes out of a method and a device for level measurement according to the Preamble of claims 1 and 10.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

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.A large number of methods and devices for Determination of the level of a container known to be very low different physical measurement principles are based. These include electrical cal (capacitive or resistive) and optical methods, radar reflection method , ultrasonic transit time methods and gamma absorption methods.

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.So-called separation tanks are used in offshore oil production which the different Pha (sand, water, oil and gas) due to their density differences in separate, superimposed layers are separated. It is very important that Know the level of the interface between the water and oil to be on the tank The drain valves for the two media open and close in a controlled manner can. Reliable level gauges are required for this. Function niert such a level meter or not properly, z. B. Oil in get out of the water and cause great environmental pollution and costs stuff.

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.Separation tanks have recently been developed for use on the Seabed some 100 m below the surface of the sea are suitable. The Oil can then be extracted from water, sand, etc.  separated and only then with much less energy to the ocean surface to be pumped. The requirements for such separator tanks are however very high. You need the water pressure at the seabed and outside inside the pressure of the extracted crude oil of typically 60-180 bar and tempera withstand temperatures of 50-120 ° C. The level measurement system is also this subjected to difficult operating conditions. Nevertheless, it will take years Functionality, extensive freedom from maintenance and extremely reliable guaranteed, as a breakdown and early replacement are exorbitant Would incur costs.

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.The level measurement must therefore have at least two redundant systems be performed. In an earlier, unpublished German Pa Tent registrations (file number 197 04 975.3) is considered a solution to this pro blems proposed a capacitive measuring probe, which is particularly large Jump in dielectric constant at the interface between oil and Makes use of water. The advantage over those available on the market Systems exist. a. in that the measuring probe is self-contained, that Measures the surrounding medium without contact via the stray capacitance and on it Way determines the level.

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.As an additional redundant measurement method, a density meter is used in particular solution by absorbing gamma rays. There are commercial ones devices with a gamma source (cesium, cobalt, etc.) and one Scintillator (NaJ with thallium doping (NaJ: Tl), plastic, etc.) as a gamma detector. The gamma emitter sends high-energy photons from its core or gamma rays that are absorbed in matter. The absorption depends exponentially from the irradiated length, the absorption coefficient zient - at least for monoenergetic gamma rays - is proportional to the density. The gamma quantum generates a shower of photo in the scintillation detector in the visible or neighboring spectral range. The photons are from a light detector (photomultiplier, PIN photodiode, etc.) in an electri signal implemented. As an alternative to the scintillator, a Geiger-Müller can also be used Counter tube can be used. For the level measurement the Source and scintillation detector on opposite walls of the Sepa  Ratortanks moved synchronously up and down and that vertical density Profile of the tank contents added. The density differences become the Positions of the interfaces between the different media determined. A Disadvantage of this system is that it is only for low pressure separators tanks on the sea surface is suitable because the mechanics are monitored and must be maintained and the extreme demands placed on the Operational safety is difficult to achieve.

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.According to FIG. 1, it is furthermore state of the art to implement a density profile sensor without moving parts, in that pairs of gamma emitters and detectors are arranged at vertical intervals and the fill level of the differently absorbing media is determined from their gamma transmission values.

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.There are also scintillation detectors with one- or two-dimensional spatial resolution solution and are offered on the market. Szintillato are available ren in the form of rods, the z. B. NaJ: Tl included. The scintillations light waves emanating from lightning are detected at both ends of the rod and off the ratio of their decreasing exponentially with the optical path length Intensities or pulse heights of the location of the gamma photon absorption are determined. Also with plastic fibers in flat parallel or crossed arrangement position resolving scintillators are realized. As from the WO 85/04 959 is known, the location information is obtained simply by that fiber or fibers that identify a scintilla are identified tion flash to a photodetector.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

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.The object of the present invention is a gamma ray density profile specify a sensor for a system and a method for level measurement, which is characterized by good vertical spatial resolution and a simplified  very robust construction. This object is achieved by the features of claims 1 and 10 solved.

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.The essence of the invention is namely, compared to an arrangement of several Gamma emitters on a rod-shaped, light-guiding scintillation detector bring and through a photodetector at one or both ends of the Scintillators to detect the gamma rays from several sources together ren. A density profile becomes a function of the counting rate of the scintillation flashes the transit time difference of those spreading in opposite directions Light components determined. The vertical spatial resolution is essentially by the distance between the gamma emitters and their beam angle or the collimation quality.

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.An embodiment shows a first density profile sensor with two vertically aligned closed tubes for the gamma sources and the scintilla Gate bar, as it is particularly suitable for a separator tank for oil production is not.

Weitere Ausführungsbeispiele stellen Varianten des Szintillatorstabs mit ein- oder beidseitigem Photodetektor an den Enden dar.Further embodiments provide variants of the scintillator rod single or double-sided photodetector at the ends.

Andere Ausführungsbeispiele zeigen erfindungsgemäße Maßnahmen zur Re­ duktion des Übersprechens zwischen den Gammaquellen.Other exemplary embodiments show measures for re reduction of crosstalk between the gamma sources.

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.An advantage of the gamma ray density profile sensor according to the invention stands in its reduced complexity and susceptibility to failure. An advantage is before all the simplicity, mechanical robustness and inherent reliability of the scintillator rod or the scintillator fibers compared to conventional ones Gamma detectors.

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. Another advantage is the fact that there is sufficient spatial resolution the level measurement is feasible because the crosstalk between ver various gamma emitters pushed back by various measures can be.  

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.It is particularly advantageous for one to speak for electrical capacitance measurement dante, also non-contact, and sensitive level measurement method is given, which is based on another, completely independent measuring principle and is largely maintenance-free.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:The invention is explained below using exemplary embodiments. Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Füllstandsmeßsystem mit einer linearen An­ ordnung von Gammastrahlern und separaten Detektoren (Stand der Technik); Figure 1 is a section through a level measuring system with a linear arrangement of gamma emitters and separate detectors (prior art).

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßsystem mit einer linearen Anordnung von Gammastrahlern und einem einzi­ gen Szintillatorstab; Figure 2 shows a section through an inventive fill level measuring system with a linear arrangement of gamma emitters and a single scintillator rod.

Fig. 3 einen Schnitt durch den Szintillatorstab gemäß Fig. 2 mit einem Pho­ todetektor am oberen und unteren Ende; . Fig. 3 is a section through the scintillator of Figure 2 with a todetektor Pho at the upper and lower end;

Fig. 4 einen Schnitt durch das untere Ende des Szintillatorstabs mit einem Retroreflektor gemäß einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 3;4 shows a section through the lower end of the Szintillatorstabs with a retroreflector in accordance with an alternative embodiment to FIG. 3.

Fig. 5 einen Schnitt durch den Szintillatorstab mit einem Empfangskolli­ mator gemäß einer alternativen Ausführungsform zu Fig. 2; Figure 5 is a section through the scintillator with a Empfangskolli mator according to an alternative embodiment to FIG. 2.

Fig. 6 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßsystem mit einer linearen Anordnung von Gammastrahlern und zwei Szintil­ latorstäben; Fig. 6 latorstäben a section through an inventive Füllstandsmeßsystem with a linear array of gamma emitters and two Szintil;

Fig. 7 die Anordnung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßsystems in einem Separatortank. Fig. 7 shows the arrangement of a level measuring system according to the invention in a separator tank.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, the same parts are provided with the same reference symbols.  

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

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. 2 shows sections of a first embodiment of a gamma-ray density profile sensor according to the Invention. The gamma rays 5 from several radioactive sources or gamma emitters 2 are bundled by transmitting collimators 3 , shine through the medium 6 to be measured and trigger scintillation light flashes 11 in a scintillator 10 with a certain response probability. Due to the special nature of the scintillator 10 as an elongated light guide, scintillation flashes are split into two light portions that spread to both ends of the scintillator. As can be seen from FIG. 3, each light wave is received by a photodetector or photodetector array 14 , 15 , converted into an electrical signal and supplied to measuring electronics 16 via lines 9 . From the measuring electronics 16 in a so-called delayed coincidence measurement, the exact time differences of the pairs of associated photodetector signals are determined. The point of origin of the scintillation flash 11 is determined from the time delay or transit time difference between the two light components and the triggering gamma emitter 2 is identified therefrom. For each time delay or gamma emitter position, the frequency of the light pulses is also counted, which allows the determination of the irradiated medium 6 due to the strong density dependence of the gamma absorption. In particular, the density difference between water 6 a (1015 kg / m ³ ) and oil 6 b (850 kg / m ³ ) is detectable. But gas and sand can also be detected in this way. Thus, the figkeitsverteilung Frequently is the ordered according to their time delay pairs aufeinan derfolgender photodetector signals a direct measure of the density profile of the medium in the separator tank 17th By dynamically determining this frequency distribution, a current density profile can also be measured for a relatively quickly flowing medium and the sedimentation process can be monitored.

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. Fig. 4 shows a detailed view of another embodiment of the scintillator 10. At the lower end of the scintillator 10 is a retroreflector 18 instead of the photodetector 15 , the z. B. can be designed as a cubic or as a flat mirror. Both from the scintillation flash 11 outgoing light beams are guided in different ways to a single photodetector or photodetector array 14 at the upper end of the scintillator and processed as before by the measuring electronics 16 . Due to the reflection he drives the originally downward wave a stronger damping, but also a greater delay time. This means that the spatial resolution can be doubled. In addition, the scintillator 10 is simplified by the saving of a photodetector 15 and the associated electrical signal line 9 and is particularly well suited for installation locations that are only accessible on one side.

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.A further embodiment results from FIG. 3 if the scintillator 10 is composed of two rods which are separated by a layer, which is not shown and which reflects on both sides. A scintillator 10 assembled in this way thus has an upper and lower half, in which the light propagation takes place completely independently of one another. The reflective layer is preferably located halfway up the scintillator 10 . In the case of a scintillation event in one scintillator half, the optical pulses are evaluated as in the exemplary embodiment according to FIG. 4. The advantage over FIG. 4 is that the light paths are halved with the same spatial resolution and the optical attenuations are thus significantly reduced. In general, determining the location by measuring the transit time instead of comparing the optical attenuations is also advantageous because this method is very insensitive to age-related changes in the optical attenuation in the scintillator 10 .

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. The absorption of high-energy gamma photons is based on the photo effect, the Compton scattering and the pair generation. In the photo effect, the gam maphoton is completely absorbed by the electron shell of an atom and a preferably strongly bound electron is split off. The electron loses its kinetic energy through further collisions, so that the entire gamma energy E _γ is deposited in the medium. Above the strongest binding energy of the electrons, the probability of the photo effect decreases sharply with increasing gamma energy.

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
The Compton effect becomes dominant in the range between E _γ = 100 keV and 1 MeV: When the gamma photon and electron collide, the gamma photon continues to fly at a scattering angle ϑ with the residual energy E _γ '(ϑ). With increasing deflection angle ϑ, the relative residual energy of the gamma photon R (ϑ) = E _γ '(ϑ) / E _γ according to the equation

R(ϑ)=[1+ε.(1-cosϑ)]⁻¹ (1)
R (ϑ) = [1 + ε. (1-cosϑ)] ⁻ ¹ (1)

ab, wobei ε = E_γ/511 keV das Verhältnis der Gammaenergie zur Ruheenergie des Elektrons bezeichnet.ab, where ε = E _γ / 511 keV denotes the ratio of the gamma energy to the rest energy of the electron.

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.In addition, from 1 MeV, the gamma photon can disintegrate into an electron-positron pair when interacting with the electrical field of an atomic nucleus or an electron. As the atomic number increases, the probabilities for the photo effect and pair formation increase sharply and moderately for the Compton effect. In addition, the absorption coefficient is proportional to the atomic density. The resulting substance-specific density dependence of the gamma absorption is used as a measuring principle in gamma-ray density sensors. Basically, all three processes consuming the gamma energy can also be used as a detection effect in the scintillation detector and as an interference effect, e.g. B. in container walls 4 , 24 , play a role.

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.The number and spacing of the gamma emitters 2 is chosen so that a density profile of the desired length and spatial resolution can be determined. In general, the gamma emitters 2 are arranged essentially vertically one above the other and preferably equidistantly. If the position of the oil / water boundary layer 6 c is known, a smaller distance between the gamma emitters can be selected in order to locally improve the spatial resolution.

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.When choosing the radioactive elements for the gamma emitters 2 , the half-life, gamma energy and activity play a particular role. Ge is well suited for. B. ¹³⁷ Cs with a half-life of 30 years and a mono energetic gamma line at 660 keV. ⁶⁰ Co with 5.3 years and gamma emission at 1.17 MeV and 1.33 MeV or other emitters and mixtures can also be used. The activity of the sources, ie the number of gam maphotons emitted per second, depends on the amount and probability of decay of the radioactive substance. The activity is chosen so large that one side of the scintillation detector 13 has enough scintillation events per second for an accurate and rapid density determination and, on the other hand, the pairs of successive photodetector signals remain easily distinguishable. The losses due to collimation and gamma absorption on the way to the scintillator 10 and the response probability of the scintillation detector 13 must be taken into account.

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.The centerpiece of the scintillation detector 13 is the scintillator 10 , which has to detect gamma rays from several gamma emitters 2 . According to the invention, the scintillator has an elongated shape for this purpose, is light-guiding, is optically connected at its ends to photodetectors 14 , 15 and supplies temporally separated light pulses or electrical photodetector signals for a delayed coincidence measurement to the measuring electronics 16 . In the scintillation process, a gamma photon excites the scintillator 10 to emit short scintillating light flashes 11 , the intensity of which is proportional to the deposited energy, through the interaction processes described above. The scintillator 10 can contain an inorganic material, in particular NaI: Tl in crystalline or polycrystalline form, or an organic material in crystalline, liquid or plastic-like form or a preferably doped glass. Important design parameters for a desired scintillator length and spatial resolution are the availability in lengths up to more than 2 m and the mechanical stability, the optical damping and the decay time of the scintillation, ie the optical pulse width. Round or angular rods made of plastic, with NaJ: Tl, furthermore optical fibers or optical fiber bundles, in particular plastic fibers or plastic fiber bundles, or a combination of rods and fibers are particularly suitable. Scintillator rods made of plastic can also be made of several parts in the desired length. U. with optical transition pieces to be glued together. The light guides have typical optical attenuations of approx. 10⁻ ² cm⁻ ¹ . To reduce the loss of light, the rods can be provided with a reflective coating on their outer surface. For a spatial resolution of 10 cm, transit time differences of approximately 1 ns must be detectable, which makes pulse widths in the ns range and below necessary. In particular, plastic scintillators and correspondingly fast photo detectors or photodetector arrays 14 , 15 with a detector surface adapted to the light guide cross section are suitable for this. For reasons of space, PIN photodiodes are preferred.

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.Finally, a maximum and a minimum optical pulse rate can be specified for the density profile sensor according to the invention. For a scintillator length of 2 m, the maximum transit time difference is 20 ns. A minimum time interval between the pairs of light signals of approx. 0.1 µs then corresponds to a maximum pulse rate of 10 ⁷ s⁻ ¹ . With a 20 cm scintillator length, the maximum value is 10 ⁸ s⁻ ^1. On the other hand, for the measurement of the density profile with an accuracy of ± 1%, the detection of 10 ⁴ light signal pairs per gamma emitter 2 is required. This results in a density profile measurement per 10 s, a minimum pulse rate of 10 ³ s⁻ ¹ multiplied by the number of gamma emitters 2 , which are detected by a scintillator 10 . A density profile measurement per 100 s can also be sufficient, which results in a lower limit for the minimum pulse rate of 10 ² s ^-1 . Preferably, therefore, the overall activity is the directed to a scintillator 10 gamma emitters 2 selected such that an optical pulse rate in the range 10 ² S⁻ ¹ - 10 ⁸ S⁻ ^1, in particular in the range 10 ³ S⁻ ¹ - 10 ⁷ S⁻ ^1, is produced.

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. The calibration of the gamma-ray sealing profile sensor comprises two steps. The synchronicity of the measuring electronics 16 , that is, the two measuring channels for determining the transit time delays, can also be monitored and, if necessary, corrected during operation with the aid of a calibration source 12 , which is attached near the scintillator 10 according to FIG. 2. In this way it is guaranteed that the measuring electronics 16 is drift-free and long-term stable. Pulsed light or scintillation sources with light coupling in both directions of the scintillator 10 are suitable as calibration source 12 . In particular re are weak gamma or alpha emitters, e.g. B. Americium with an equivalent gamma energy of 60 keV, can be used.

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.The calibration of the density measurement is carried out by reference measurements with water, oil, etc. In principle, different activities of the gamma emitter 2 , different losses of gamma photons or inhomogeneities of the scintillator 10 can be taken into account by individual calibration factors for each gamma emitter position. Preferably, the measuring electronics 16 comprises means for individual calibration of the optical pulse rate caused by each gamma emitter 2 .

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.Furthermore, the crosstalk between different gamma emitters 2 represents a considerable problem. Compton scattering occurs in the steel walls 4 as the main interference effect. The irradiated areas thus become secondary gamma sources with all-round emission. The deflected gamma photons can - depending on the distance from the transmitting collimator 3 to the scintillator 10 - hit arbitrary places in the scintillator 10 and falsify the position and density measurement. As countermeasures according to the invention, shielding conditions, receiving collimators 19 , energy discrimination of the optical pulses and arrangements with several scintillation detectors 13 are proposed.

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. Fig. 5 shows an embodiment of a receiving collimator 19 with an opening. The collimators 3 , 19 typically consist of lead, which absorbs gamma radiation very efficiently. The openings of the receiving collimators 19 lie opposite the transmitting collimators 3 . The collators 3 and 19 are preferably parallel to one another, in particular horizontally oriented and aligned at each height in the direction of a common connecting line. The shape of the collimators can be arbitrary, e.g. B. round, angular, from angled or the like. For the receiving collimators 19 let b be the clear width and t the depth. The crosstalk is already significantly reduced at a disappearing depth t because the scintillator 10 receives gamma photos only at the openings. As the collimator depth t increases, the shielding against scattered gamma photons can be further improved. Neglecting multiple scattering, the shielding is ideal if a collimator depth t <bL / a is chosen, where a denotes the distance between two neighboring gamma sources 2 and L aligned on the same scintillator 10 and L the path length between transmitting collimator 3 and scintillator 10 . A further measure to reduce crosstalk consists in the medium 6 between two gamma emitters 2 horizontal shields 20 , z. B. Bleiplat th to assemble.

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
The detection of the gamma photons scattered at a large deflection angle ϑ can also be prevented by energy discrimination of the scintillation flashes 11 . The intensity or energy distribution of the scintillation events results from the stimulating gamma energy and the probabilities for the photo effect, Compton effect and possibly pair formation in the scintillator 10 . The brightest flashes are caused by the photo effect of the primary, undisturbed gamma photons and form the so-called photopeak. Weaker flashes result from secondary gamma photons, in particular from the steel walls 4 , but also from primary gamma photons, which suffer Compton scattering in the scintillator and then escape. By cutting off the scintillation spectrum below the photopeak, the detection of Compton-scattered gamma photons can be restricted at the expense of the counting rate. Because of the optical attenuation, the discrimination threshold must be chosen as an essentially exponentially decaying function of the optical path. The spatial resolution can be increased with increasing discrimination threshold and gamma energy. In order to prevent the scattering cones of different gamma emitters 2 from overlapping, the relationship must be approximate

|ϑ| < arctan [a/(2.L)] (2)
| 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.apply, where again a denotes the source distance and L the path length. An example is a threshold 5% below the photopeak and E _γ = 660 keV. From equation (1) with R (ϑ) <95% one obtains | ϑ | <16 ° and from equation (2) with a path length L ≈ 30 cm a spatial resolution a ≈ 17 cm.

Durch Kombination der Energiediskrimination mit Empfangskollimatoren 19 auch geringer Tiefe t kann die Meßgenauigkeit weiter verbessert werden. Für kleine Streuwinkel
The measuring accuracy can be further improved by combining the energy discrimination with reception collimators 19 even of a small depth t. For small spreading angles

|ϑ| < arctan [(a-b/2)/L)] (3)
| ϑ | <arctan [(ab / 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.the deflected gamma photons are blocked by the shields between the openings of the receiving collimators 19 . In addition, a discrimination threshold should be set so that the residual energies of the gamma photons scattered in an adjacent receiving collimator 19 lie below the threshold. An example is a threshold 10% below the photo peak and E _γ = 660 keV. From equation (1) with R (ϑ) <90% one obtains | ϑ | <24 ° and from equation (3) with b = 2 cm and L ≈ 30 cm a spatial resolution a ≈ 14 cm, in (3) the width of the transmission collimators 3 relative to their distance a was neglected. In this configuration, the width b of the receiving collimators 19 and the discrimination threshold can thus be coordinated with one another in such a way that their shielding action against scattered gamma photons is complementary. The receiving collimators 19 can thus be made wide and short to save space. In this way, a high spatial resolution with very low crosstalk can be achieved with a higher count rate. In practice, crosstalk is permitted within the measurement accuracy, so that the conditions (2) and (3) only have to be approximately fulfilled.

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. 6 discloses a further embodiment with a compared to Fig. 2 ver double spatial resolution or with reduced crosstalk. Density profile sensor 1 here consists of a gamma emitter tube 21 with transmission collimators 3 oriented alternately in opposite directions and two scintillator tubes or probes 22 , each with an elongated scintillator 10 . Each of the scintillators 10 is, as before, connected to photodetectors 14 , 15 and a measuring electronics 16 according to one of the preceding exemplary embodiments and can be equipped with the measures specified above for calibrating, reducing crosstalk or for improving the spatial resolution. In particular, a plurality of probes 22 can also be used around a gamma emitter tube 21 with gamma emitters 2 aligned alternately with them. For example, three probes 22 can be arranged at 120 °.

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. Fig. 7 shows a possible installation of a gamma-ray density profile sensor 1 into a separation tank 17th Typical dimensions of a cylindrical tank 17 , for example, are 2-3 m in diameter and 10 m in length. The sensor 1 comprises at least one gamma emitter tube 21 and at least one probe 22 according to one of the above exemplary embodiments. In Fig. 7 only one of the tubes 21 , 22 is shown visible. The tubes 21, 22 are connected to the separator tank 17 that gamma photons on the path from the source 2 to the Szintil lator 10 6 pass through the medium in the tank 17 at least partially. The raw re 21 , 22 should extend in the normal operating state so that in particular the position of the boundary layer 6 c between oil and water is detectable de. Preferably, the tubes 21 , 22 are installed in pipe sockets 24 , which protrude into the interior of the separator tank 17 or completely traverse the interior (not shown); or the tubes 21 , 22 may be attached to the wall of the separator tank 17 or immersed directly in the medium 6 in the separator tank 17 , which is also not shown in FIG. 7. An advantage of the pipe socket 24 is that the probe 22 or the gamma emitter tube 21 can also be exchanged during operation of the separator tank 17 .

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. Overall, the invention discloses a level measurement system with a robust and measurement-sensitive gamma-ray density profile sensor 1 . By detecting multiple gamma rays from discrete sources 2 with a scintillator 10 , the complexity and thus the susceptibility to failure of the sensor 1 is decisively simplified and a compact structure is realized. A very high spatial resolution can be achieved by additional measures for shielding and energy discrimination.

BezugszeichenlisteReference list

11

Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (Ausschnitt)
Gamma ray density profile sensor (detail)

22nd

Gammastrahler
Gamma emitters

33rd

Sendekollimator
Transmit collimator

44th

Stahlwand
Steel wall

55

Gammastrahlen
gamma rays

66

Medium
medium

66

a Wasser
a water

66

b Öl
b oil

66

c Grenzschicht Öl/Wasser
c Oil / water interface

77

Gammadetektoren
Gamma detectors

88th

Gammadetektorabschirmung
Gamma detector shield

99

elektrische Signalleitungen
electrical signal lines

1010th

Szintillator (Stab, Faser, Faserbündel)
Scintillator (rod, fiber, fiber bundle)

1111

Szintillationslichtblitz
Scintillation light flash

1212th

Kalibrationsquelle
Calibration source

1313

Szintillationsdetektor
Scintillation detector

1414

Photodetektor Photodetector

11

1515

Photodetektor Photodetector

22nd

1616

Meßelektronik
Measuring electronics

1717th

Separatortank
Separator tank

1818th

Retroreflektor
Retroreflector

1919th

Empfangskollimatoren
Receiving collimators

2020th

horizontale Abschirmungen
horizontal shields

2121

Gammastrahlerrohr
Gamma tube

2222

Szintillatorrohr, Sonde
Scintillator tube, probe

2323

Gestell
frame

2424th

Rohrstutzen
b Breite eines Empfangskollimators
t Tiefe eines Empfangskollimators
L Weglänge
a Abstand zwischen Gammastrahlern
E_γ Pipe socket
b Width of a receiving collimator
t depth of a receiving collimator
L path length
a Distance between gamma emitters
E _γ

Gammaenergie
ϑ Streuwinkel
R(ϑ) relative Restenergie des Gammaphotons
ε Verhältnis der Gammaenergie zur Ruheenergie des Elektrons
Gamma energy
ϑ scattering angle
R (ϑ) relative residual energy of the gamma photon
ε ratio of the gamma energy to the rest energy of the electron

Claims (11)

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.

1. Gamma-ray density profile sensor ( 1 ), particularly suitable for level measurement in a separator tank ( 17 ), comprising a plurality of gamma emitters ( 2 ) which are arranged substantially vertically one above the other, and at least one gamma detector ( 7 ), characterized in that

• a) the at least one gamma detector ( 7 ) has a scintillator ( 10 ) which is elongated and light-guiding,
• b) the scintillator ( 10 ) is at one end or at both ends with a photodetector ( 14 , 15 ) in optical connection and
• c) the measuring electronics ( 16 ) comprises means for delayed coincidence measurement.

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.

2. Gamma-ray density profile sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that

• a) the gamma emitters ( 2 ) are arranged along the vertical axis in the same positions,
• b) each scintillator ( 10 ) comprises a rod or an optical fiber or an optical fiber bundle and extends along a parallel vertical axis and
• c) the gamma emitters ( 2 ) have transmit collimators ( 3 ), each oriented in the direction of a scintillator ( 10 ) and preferably horizontally.

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.

3. Gamma ray density profile sensor ( 1 ) according to one of claims 1-2, characterized in that

• a) a retroreflector ( 18 ) with one end of a scintillator ( 10 ) in opti cal connection and
• b) exactly one photodetector ( 14 , 15 ) is in optical connection with the other end of said scintillator ( 10 ).

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.

4. Gamma-ray density profile sensor ( 1 ) according to one of claims 1-2, characterized in that

• a) a scintillator ( 10 ) has a bilaterally reflective layer, preferably halfway up, and
• b) said scintillator ( 10 ) is in optical connection at both its ends with exactly one photodetector ( 14 , 15 ).

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.

5. Gamma ray density profile sensor ( 1 ) according to any one of claims 1-4, characterized in that

• a) a scintillator ( 10 ) has a calibration source ( 12 ), in particular a weak gamma or alpha emitter, for synchronizing the measuring electronics ( 16 ),
• b) the measuring electronics ( 16 ) comprise means for individual calibration of the optical pulse rate caused by each gamma emitter ( 2 ) and
• c) the total activity of the gamma emitter ( 2 ) directed onto a scintillator ( 10 ) generates an optical pulse rate in the range 10 ⁸ s⁻ ¹ - 10 ⁸ s⁻ ¹ , in particular in the range 10 ³ s⁻ ¹ - 10 ⁷ s⁻ ¹ .

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.

6. Gamma ray density profile sensor ( 1 ) according to any one of claims 1-5, characterized in that

• a) each scintillator ( 10 ) comprises a plurality of receiving collimators ( 19 ) and
• b) the receiving collimators ( 19 ) are aligned in the direction of the transmitting collimators ( 3 ).

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.

7. Gamma ray density profile sensor ( 1 ) according to any one of claims 1-6, characterized in that

• a) the measuring electronics ( 16 ) includes means for energy discrimination of the optical pulses and
• b) the discrimination threshold is an essentially exponentially declining function of the optical path.

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.

8. Gamma-ray density profile sensor ( 1 ) according to one of claims 1-7, characterized in that

• a) a tube ( 21 ) containing the gamma emitter ( 2 ) and at least one other tube ( 22 ) containing the at least one scintillator ( 10 ),
• b) the pipes (21, stuck in pipe socket (24), 22) located in the separator tank (17) or the pipes (21, 22) dip directly into the medium (6) in the separator tank (17) and
• c) hang horizontal shields ( 20 ) in particular in the separator tank ( 17 ) halfway between the gamma emitters ( 2 ).

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.

9. Gamma ray density profile sensor ( 1 ) according to any one of claims 1-8, characterized in that

• a) the gamma emitters ( 2 ) contain ¹³⁷ Cs and / or ⁶⁰ Co,
• b) the at least one scintillator ( 10 ) contains an inorganic material, in particular NaI: Tl in crystalline or polycrystalline form, or an organic material in crystalline, liquid or plastic-like form or a preferably doped glass,
• c) in particular the at least one scintillator ( 10 ) is a plastic rod, which consists of several parts glued together and has a reflective coating on its outer surface, and
• d) the photodetectors ( 14 , 15 ) are PIN photodiodes.

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.

10. A method for level measurement in a separator tank ( 17 ) with a gamma ray density profile sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that

• a) scintillation flashes in the scintillator ( 10 ) are split into two portions, which are guided to a photodetector ( 14 , 15 ) via two optical propagation paths,
• b) in the measuring electronics ( 16 ) accurate time measurements of successive photodetector signals are carried out, the locations of origin of the scintillation flashes are determined from the time delays of the photodetector signals and the triggering gamma emitters ( 2 ) are identified and identified
• c) in the measuring electronics ( 16 ) dynamically determines the frequency distribution of the pairs of successive photodetector signals arranged according to their time delay and from this a current density profile of the medium in the separator tank ( 17 ) is calculated.

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.

11. A method for level measurement in a separator tank ( 17 ) according to claim 10, characterized in that

• a) in the measuring electronics ( 16 ), the photodetector signals are discriminated according to their pulse height and
• b) the discrimination threshold is chosen as an exponentially decreasing function of the time delay so that the scintillation flashes ( 11 ) caused by the photopeak in the scintillator ( 10 ) are evaluated.