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DE102022133800A1 - Radiometric detector - Google Patents

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DE102022133800A1
DE102022133800A1 DE102022133800.2A DE102022133800A DE102022133800A1 DE 102022133800 A1 DE102022133800 A1 DE 102022133800A1 DE 102022133800 A DE102022133800 A DE 102022133800A DE 102022133800 A1 DE102022133800 A1 DE 102022133800A1
Authority
DE
Germany
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detector
photodiode
scintillator
encapsulation
container
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Pending
Application number
DE102022133800.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Gerd Bechtel
Viraj Chitale
Markus Franzke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
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Priority to CN202380084084.9A priority patent/CN120265952A/en
Priority to EP23820865.6A priority patent/EP4639106A1/en
Priority to PCT/EP2023/084668 priority patent/WO2024132550A1/en
Publication of DE102022133800A1 publication Critical patent/DE102022133800A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Detektor (1) für radiometrische Mess-Systeme, dessen Szintillator (11) und Photodiode (12) derart kompakt dimensioniert und optisch gekoppelt sind, so dass sie mittels mikroelektronischer Aufbau- und Verbindungstechniken optisch schirmend kapselbar sind. Eine entsprechende, gemeinsame Kapselung (13) für den Szintillator (11) und dasjenige Halbleiterbauteil, welches die zumindest eine Photodiode (12) umfasst, kann somit gemäß eines beliebigen IC-Package-Typs ausgelegt werden, wie zum Beispiel „Through Hole“ oder „Surface Mount“. Dementsprechend kann das Auswerte-Signal (sa), welches die Photodiode (12) in Abhängigkeit der am Szintillator (11) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität erzeugt, bspw. über einen Ausgangs-Pin (131) der Kapselung (13) abgegriffen werden. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Detektor (1) ist hierdurch dessen Handhabbarkeit als konventionell bestückbares Elektronik-Bauteil. Dies ermöglicht es, radioaktive Mess-Systeme modular auszulegen bzw. mit geringem konstruktiven Aufwand individuell auf das jeweilige Anwendungsgebiet anzupassen. The invention relates to a detector (1) for radiometric measuring systems, the scintillator (11) and photodiode (12) of which are so compactly dimensioned and optically coupled that they can be encapsulated in an optically shielding manner using microelectronic assembly and connection techniques. A corresponding, common encapsulation (13) for the scintillator (11) and the semiconductor component which comprises the at least one photodiode (12) can thus be designed according to any IC package type, such as "through hole" or "surface mount". Accordingly, the evaluation signal (s a ) which the photodiode (12) generates as a function of the radioactive radiation intensity entering the scintillator (11) can be tapped, for example, via an output pin (131) of the encapsulation (13). An advantage of the detector (1) according to the invention is that it can be handled as an electronic component which can be fitted in a conventional manner. This makes it possible to design radioactive measuring systems in a modular manner or to adapt them individually to the respective application area with little construction effort.

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektor für radiometrische Mess-Systeme.The invention relates to a detector for radiometric measuring systems.

In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierung werden vielfach Messgeräte bzw. Mess-Systeme eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Dabei werden als Prozessvariablen unter anderem der Füllstand, der Durchfluss, der Druck, die Temperaturen, der pH-Wert, das Redoxpotential oder die Leitfähigkeit bestimmt. Dabei sind je nach Prozessvariable jeweils unterschiedliche Messprinzipien im Messgerät bzw. Mess-System implementiert. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Eine Vielzahl solcher Messgeräte und Mess-Systeme wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In automation technology, particularly in process automation, measuring devices or measuring systems are often used to record and/or influence process variables. The process variables determined include the fill level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity. Depending on the process variable, different measuring principles are implemented in the measuring device or measuring system. Actuators such as valves or pumps are used to influence process variables, which can be used to change the flow of a liquid in a pipe section or the fill level in a container. A large number of such measuring devices and measuring systems are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.

Zur Füllstandsmessung werden vor allem bei solchen Anwendungen Radiometrie-basierte Mess-Systeme eingesetzt, bei denen andere Messprinzipien wie bspw. Radar aufgrund von harschen Einsatzbedingungen versagen. Gemäß des radiometrischen Messprinzips wird radioaktive Strahlung (beispielsweise Gamma-Strahlung einer Cäsium- oder Kobalt-Quelle) genutzt, die von einer radioaktiven Strahlenquelle des Mess-Systems ausgesendet und durch den Behälter mit dem relevanten Füllgut geleitet wird. Nach Durchgang durch den Behälter wird die transmittierte Strahlungsintensität von einem entsprechenden Detektor des Mess-Systems erfasst. Hierzu ist der Detektor in Bezug zur Strahlenquelle in etwa gegenüberliegend am Behälter angeordnet. Durch die Bestimmung der Intensität bzw. Leistung des am Detektor eingehenden Signals wird der transmittierte Anteil der von der Strahlenquelle ausgesandten Strahlung bestimmt. Auf Basis des transmittierten Anteils wird wiederum auf den Füllstand des Füllgutes im Behälter geschlossen. Dabei kann der transmittierte Anteil der radioaktiven Strahlungsleistung nach Durchgang durch den Behälter nicht direkt detektiert werden. Hierzu muss die radioaktive Strahlung im Detektor durch ein hierfür geeignetes Material zunächst in elektromagnetische Strahlung im optischen Spektralbereich umgewandelt werden. Erst im Anschluss kann die Strahlungsleistung innerhalb des Detektors von einem Fotoempfänger, wie einem Photomultiplier oder einer Photodiode, insbesondere einer Avalanche-Photodiode oder einem Silicon-Photomultiplier detektiert werden.Radiometric-based measuring systems are used to measure fill levels, especially in applications where other measuring principles such as radar fail due to harsh operating conditions. According to the radiometric measuring principle, radioactive radiation (for example gamma radiation from a cesium or cobalt source) is used, which is emitted by a radioactive radiation source in the measuring system and passed through the container with the relevant filling material. After passing through the container, the transmitted radiation intensity is recorded by a corresponding detector in the measuring system. For this purpose, the detector is arranged on the container approximately opposite the radiation source. By determining the intensity or power of the signal received by the detector, the transmitted portion of the radiation emitted by the radiation source is determined. The fill level of the filling material in the container is in turn determined on the basis of the transmitted portion. The transmitted portion of the radioactive radiation power cannot be directly detected after passing through the container. For this purpose, the radioactive radiation in the detector must first be converted into electromagnetic radiation in the optical spectral range by a suitable material. Only then can the radiation power within the detector be detected by a photoreceiver, such as a photomultiplier or a photodiode, in particular an avalanche photodiode or a silicon photomultiplier.

Materialien, die solch szintillierende Eigenschaft aufweisen, werden als szintillierende Materialien bezeichnet. Unter anderem organische Szintillator-Materialien, wie Polystyrol, Polyvinyl-Toluene, oder anorganische bzw. kristalline Formen wie mit Thallium dotiertes Natrium-Iodid und Gadolinium-Aluminium-Gallium-Garnet (Gd3Al2Ga3O12) weisen diese szintillierende Eigenschaft jeweils auf. Neben dem Füllstand können Mess-Systeme, die auf diesem radiometrischen Messprinzip basieren, nach entsprechender Kalibration alternativ zum Füllstand auch die Dichte des Füllgutes bestimmen. Aus dem Stand der Technik sind radiometrische Füllstands- oder Dichtemess-Systeme bereits bekannt. Das grundlegende Funktionsprinzip ist beispielsweise in der Patentschrift EP 2 208 031 B1 beschrieben.Materials that have such scintillating properties are referred to as scintillating materials. Organic scintillator materials such as polystyrene, polyvinyl toluene, or inorganic or crystalline forms such as thallium-doped sodium iodide and gadolinium aluminum gallium garnet (Gd 3 Al 2 Ga 3 O 12 ) all have this scintillating property. In addition to the fill level, measuring systems based on this radiometric measuring principle can also determine the density of the filling material as an alternative to the fill level after appropriate calibration. Radiometric fill level or density measuring systems are already known from the state of the art. The basic functional principle is described, for example, in the patent specification EP 2 208 031 B1 described.

Jedes radiometrische Mess-System muss individuell an den jeweils zu beobachtenden Prozess bzw. den jeweiligen Behälter angepasst werden. Dies betrifft vor allem den Detektor, da der vertikal zu beobachtende Bereich am Behälter, sei es zur Füllstands - oder Dichtemessung, vom Szintillator des Detektors komplett abgedeckt werden muss. Je nach Prozess und Behälter-Größe kann der abzudeckende Bereich jedoch stark variieren. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesbezüglich ein individuell anpassbares Mess-System zu Verfügung zu stellen.Each radiometric measuring system must be individually adapted to the process or container to be observed. This applies in particular to the detector, since the vertical area of the container to be observed, whether for level or density measurement, must be completely covered by the detector's scintillator. However, depending on the process and container size, the area to be covered can vary greatly. The invention is therefore based on the object of providing an individually adaptable measuring system in this regard.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen radiometrischen Detektor für radiometrische Mess-Systeme, welcher folgende Komponenten umfasst:

  • - Einen Szintillator, und
  • - eine oder eine Mehrzahl an Photodioden, welche optisch mit dem Szintillator verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal zu generieren. Im Falle mehrerer Photodioden können diese beispielsweise als Array, insbesondere auf einem gemeinsamen Halbleiterbauteil angeordnet sein. Dabei können/kann die Photodiode(n) zum Beispiel als GaAs-basierte Avalanche-Photodiode oder als Silicon Photomultiplier („SiPM“) ausgelegt werden. Im Rahmen der Erfindung werden unter dem Begriff „Photodiode“ also auch explizit Silicon Photomultiplier verstanden.
The invention solves this problem by a radiometric detector for radiometric measuring systems, which comprises the following components:
  • - A scintillator, and
  • - one or a plurality of photodiodes which are optically connected to the scintillator in order to generate an electrical evaluation signal depending on the intensity of radioactive radiation entering the scintillator. In the case of several photodiodes, these can be arranged, for example, as an array, in particular on a common semiconductor component. The photodiode(s) can be designed, for example, as a GaAs-based avalanche photodiode or as a silicon photomultiplier (“SiPM”). In the context of the invention, the term “photodiode” is therefore also explicitly understood to mean silicon photomultipliers.

Erfindungsgemäß sind die zumindest eine Photodiode und der Szintillator derart kompakt dimensioniert und miteinander gekoppelt, so dass sie mittels mikroelektronischer Aufbau- und Verbindungstechniken kapselbar sind. Eine entsprechende gemeinsame Kapselung des Detektors kann den Szintillator und die Photodiode bei entsprechender Auslegung hierdurch zudem vor optischer Störstrahlung. Über einen elektrischen Ausgang der Kapselung, kann das Auswerte-Signal des Detektors abgegriffen werden. Dabei kann die Kapselung bzw. der Ausgang gemäß jeglichen Typs an IC-Package ausgelegt werden, wie beispielsweise

  • - „Through-Hole“
  • - „Surface-Mounted“
  • - „Chip Carrier“
  • - „Pin Grid Array“
  • - „Flat Package“
  • - „Small Outline Integrated Circuit“
  • - „Chip-Scale Package“
  • - „Ball Grid Array“
  • - „Multi-Chip Package“ mit vergossener Leiterplatte.
According to the invention, the at least one photodiode and the scintillator are so compactly dimensioned and coupled to one another that they can be encapsulated using microelectronic construction and connection techniques. A corresponding joint encapsulation of the detector can also protect the scintillator and the photodiode from optical interference radiation if designed accordingly. The evaluation signal of the detector can be tapped via an electrical output of the encapsulation. The encapsulation or the Output can be designed according to any type of IC package, such as
  • - “Through hole”
  • - “Surface Mounted”
  • - “Chip Carriers”
  • - “Pin Grid Array”
  • - “Flat Package”
  • - “Small Outline Integrated Circuit”
  • - “Chip-Scale Package”
  • - “Ball Grid Array”
  • - “Multi-chip package” with encapsulated circuit board.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Detektor ist dessen Handhabbarkeit als konventionell bestückbares Elektronik-Bauteil. Dies ermöglicht es, radioaktive Mess-Systeme modular auszulegen bzw. mit geringem konstruktiven Aufwand individuell auf das jeweilige Anwendungsgebiet anzupassen.The advantage of the detector according to the invention is that it can be handled as a conventionally assembled electronic component. This makes it possible to design radioactive measuring systems in a modular manner or to adapt them individually to the respective application area with little construction effort.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Detektors kann weiter vereinfacht werden, wenn die Kapselung durch den Szintillator ausgebildet wird bzw. umgekehrt. Realisierbar ist dies etwa bei organischen Szintillator-Materialien, die beispielsweise mittels Spritzguss als Kapselung vergossen werden. Um die zumindest eine Photodiode vor Lichteinflüssen zu schützen, welche die radiometrische Messung verfälschen, ist die Szintillator-basierte Kapselung bei dieser Auslegungsvariante optisch intransparent zu beschichten.The structure of the detector according to the invention can be further simplified if the encapsulation is formed by the scintillator or vice versa. This can be achieved, for example, with organic scintillator materials that are cast as encapsulation by means of injection molding, for example. In order to protect the at least one photodiode from light influences that distort the radiometric measurement, the scintillator-based encapsulation in this design variant must be coated in an optically non-transparent manner.

Der erfindungsgemäße Detektor kann außerdem in der Form erweitert werden, dass der zumindest einen Photodiode innerhalb der Kapselung eine Signalverarbeitungs-Einheit nachgeschaltet ist, die das Auswerte-Signal verstärken, filtern und/oder digitalisieren kann. Da je nach Photodioden-Typ eine DC-Spannungsversorgung zwischen 20 V und 95 V erforderlich ist, kann innerhalb der Kapselung weiterhin ein Hochspannungskonverter zur Spannungsversorgung der Photodiode integriert werden. In diesem Fall macht es Sinn, auch einen Temperatursensor innerhalb der Kapselung zu integrieren, so dass die Hochspannungsquelle entsprechend in Abhängigkeit der Temperatur gesteuert werden kann. Hierdurch ist es möglich, regelungstechnisch die Temperatur-Abhängigkeit der Photodiode zu kompensieren.The detector according to the invention can also be expanded in such a way that a signal processing unit is connected downstream of the at least one photodiode within the encapsulation, which can amplify, filter and/or digitize the evaluation signal. Since, depending on the type of photodiode, a DC voltage supply of between 20 V and 95 V is required, a high-voltage converter can also be integrated within the encapsulation to supply voltage to the photodiode. In this case, it makes sense to also integrate a temperature sensor within the encapsulation so that the high-voltage source can be controlled accordingly depending on the temperature. This makes it possible to compensate for the temperature dependence of the photodiode using control technology.

Dabei kann der erfindungsgemäße Detektor besonders kompakt gekapselt werden - bspw. auf Basis eines „Chip-Scale-Package“ - sofern die Signalverarbeitungs-Einheit, die Hochspannungsquelle, bzw. der Temperatursensor als integraler Bestandteil desjenigen Halbleiterbauteils ausgelegt werden/wird, welches auch die Photodiode(n) umfasst.The detector according to the invention can be encapsulated in a particularly compact manner - for example on the basis of a "chip-scale package" - provided that the signal processing unit, the high-voltage source or the temperature sensor are designed as an integral part of the semiconductor component which also comprises the photodiode(s).

Eingesetzt werden kann der erfindungsgemäße Detektor beispielsweise in Computer-Tomographen oder in radiometrischen Mess-System der industriellen Prozessmesstechnik, um beispielsweise eine Dichte, ein Dichteprofil und/oder eine Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter zu bestimmen. Derart einsetzbare Mess-Systeme sind folgendermaßen aufgebaut:

  • - Eine radioaktive Strahlenquelle ist derart in Bezug zum Behälter angebracht, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels gen Behälter ausgesendet wird,
  • - zumindest ein erfindungsgemäßer Detektor gemäß einem der vorhergehend beschriebenen Ausführungsvarianten ist der Strahlenquelle derart gegenüberliegend am Behälter angeracht, dass sich der Szintillator des jeweiligen Detektors zumindest teilweise im Strahl-Kegel befindet.
  • - Eine an den zumindest einen Detektor angeschlossene Auswerte-Einheit bestimmt anhand des Auswerte-Signals bzw. der Auswerte-Signale je nach Auslegung des Mess-Systems die Dichte, das Dichte-Profil oder den Füllstand des Füllgutes im Behälter.
The detector according to the invention can be used, for example, in computer tomographs or in radiometric measuring systems in industrial process measurement technology, for example to determine a density, a density profile and/or a fill level of a filling material in a container. Measuring systems that can be used in this way are constructed as follows:
  • - A radioactive radiation source is mounted in relation to the container in such a way that radioactive radiation is emitted towards the container within a defined beam cone,
  • - at least one detector according to the invention according to one of the previously described embodiments is attached to the container opposite the radiation source in such a way that the scintillator of the respective detector is at least partially located in the beam cone.
  • - An evaluation unit connected to at least one detector determines the density, density profile or fill level of the filling material in the container based on the evaluation signal or signals, depending on the design of the measuring system.

Allgemein verstehen sich unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche elektronische Schaltungen, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal-Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Andererseits ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb einer Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, miteinander verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.In general, the term "unit" in the context of the invention refers in principle to any electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface. Depending on the purpose, the respective unit can therefore comprise corresponding analog circuits for generating or processing analog signals. However, the unit can also comprise digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs. The program is designed to carry out the necessary process steps or to apply the necessary computing operations. In this context, different units within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. On the other hand, it is not relevant whether different electronic circuits within a unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.

Vor allem zur Füllstands- und zur Dichteprofil-Messung ist es vorteilhaft, wenn das Mess-System mehrere kaskadierte Detektoren umfasst, die insbesondere vertikal aneinander gereiht am Behälter angeordnet sind. Dabei können die Detektoren entweder auf einer gemeinsamen Leiterplatte bestückt werden. Oder die Detektoren jeweils auf einer separaten Leiterplatte angeordnet und in einem separaten Gehäuse untergebracht, so dass sie als eigenständiges Modul das Mess-System individuell ergänzen können. Im Falle eines Computer-Tomographen sind die erfindungsgemäßen Detektoren gemäß des Funktionsprinzips der Tomographie als Array anzuordnen.It is particularly advantageous for level and density profile measurement if the measuring system comprises several cascaded detectors, which are arranged vertically next to one another on the container. The detectors can either be mounted on a common circuit board Or the detectors can be arranged on a separate circuit board and housed in a separate housing so that they can be used as an independent module to supplement the measuring system individually. In the case of a computer tomograph, the detectors according to the invention are to be arranged as an array in accordance with the functional principle of tomography.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Gezeigt ist:

  • 1: Eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Detektors
  • 2: eine Querschnittansicht des Detektors in einer bevorzugten Ausführungsvariante,
  • 3: ein Blockschaltbild einer Ausführungsvariante des Detektors, und
  • 4: ein radiometrisches Mess-System, das auf erfindungsgemäßen Detektoren basiert, an einem Behälter.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. Shown is:
  • 1 : A cross-sectional view of a detector according to the invention
  • 2 : a cross-sectional view of the detector in a preferred embodiment,
  • 3 : a block diagram of a variant of the detector, and
  • 4 : a radiometric measuring system based on detectors according to the invention on a container.

1 zeigt einen zeigt den strukturellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Detektors 1 für radiometrische Mess-Systeme, die beispielsweise zur Füllstandsmessung oder in der Computer-Tomographie zum Einsatz kommen können. Vom Funktionsprinzip her umfasst der Detektor 1 alle nötigen Komponenten, um anhand einfallender, radioaktiver Strahlung ein elektrisches Auswerte-Signal sa zu erzeugen, welches die Leistung bzw. Intensität der einfallenden Strahlung repräsentiert. Hierdurch lässt sich auf weitere physikalische Größen schließen, die im Rahmen von verschiedenen Messprinzipien, wie unter anderem Computer-Tomographie entsprechend aussagekräftig sind. Ein Szintillator 11 des Detektors 1 dient dementsprechend dazu, einfallende, radioaktive Strahlung in optische bzw. dort spektral angrenzende Strahlung umzuwandeln. Hierzu kann der Szintillator 11 einerseits auf organischen Szintillator-Materialien, wie Polystyrol oder Polyvinyl-Toluene basieren. Anderseits können anorganische Szintillator-Materialien eingesetzt werden, die entsprechend szintillierende Eigenschaften aufweisen, wie Thallium-dotiertes Natrium-Iodid oder Gadolinium-Aluminium-Gallium-Garnet. Die vom Szintillator 11 in Optische umgewandelte Strahlung wird durch eine einzelne Photodiode 12 oder ein Array an Photodioden 12 im Anschluss in einen elektrischen Strom umgewandelt, welcher das elektrische Auswerte-Signal sa zumindest in Rohform darstellt. Dabei ist die Photodiode 12 so auszulegen, dass deren Bandlücke zum Szintillatormaterial bzw. zur Wellenlänge der ins Optische umgewandelten Strahlung korrespondiert. 1 shows the structural design of a detector 1 according to the invention for radiometric measuring systems which can be used, for example, for level measurement or in computer tomography. In terms of the functional principle, the detector 1 comprises all the components required to generate an electrical evaluation signal s a based on incident radioactive radiation, which represents the power or intensity of the incident radiation. This allows conclusions to be drawn about other physical quantities which are correspondingly meaningful in the context of various measuring principles, such as computer tomography, among others. A scintillator 11 of the detector 1 accordingly serves to convert incident radioactive radiation into optical radiation or radiation which is spectrally adjacent thereto. For this purpose, the scintillator 11 can be based on organic scintillator materials such as polystyrene or polyvinyl toluene. On the other hand, inorganic scintillator materials can be used that have corresponding scintillating properties, such as thallium-doped sodium iodide or gadolinium aluminum gallium garnet. The radiation converted into optical radiation by the scintillator 11 is subsequently converted into an electrical current by a single photodiode 12 or an array of photodiodes 12, which represents the electrical evaluation signal s a at least in raw form. The photodiode 12 is to be designed so that its band gap corresponds to the scintillator material or to the wavelength of the radiation converted into optical radiation.

Der erfindungsgemäße Detektor 1 zeichnet sich dadurch aus, dass dieser mittels solchen Aufbau- und Verbindungstechniken, die aus der Halbleitertechnik bekannt sind, gekapselt ist. Hierdurch ist der Detektor 1 auf Leiterplatten bestückbar bzw. als separates Modul auslagebar, so dass entsprechende, radiometrische Mess-Systeme kompakt und modular ausgelegt werden können. Dabei ist prinzipiell jeglicher IC-Kapselungstyp geeignet, wie THP („Through Hole Package“ oder SMD („Surface Mount Device“).The detector 1 according to the invention is characterized in that it is encapsulated using construction and connection techniques known from semiconductor technology. This means that the detector 1 can be fitted onto circuit boards or laid out as a separate module, so that corresponding radiometric measuring systems can be designed to be compact and modular. In principle, any type of IC encapsulation is suitable, such as THP ("Through Hole Package" or SMD ("Surface Mount Device").

Wie bei der Ausführungsvariante in 1 gezeigt ist, sind zur IC-konformen Kapselung einerseits die Abmessungen des Szintillators 11 in der Größenordnung desjenigen Halbleiterbauteils gewählt, welche die Photodiode 12 bzw. das Array an Photodioden 12 umfasst. Das heißt, an einer definierten Kontaktfläche zum Halbleiterbauteil entsprechen die betreffenden Kantenlängen des in etwa quaderförmigen Szintillators 11 maximal der Kantenlänge des Halbleiterbauteils, wie in 1 schematisch dargestellt ist. Essenziell ist bei dieser Ausführungsvariante, dass der Szintillator 12 denjenigen Bereich auf der Halbleiteroberfläche abdeckt, welcher durch die Photodiode/Photodioden 12 ausgebildet wird. Dabei kann der Szintillator 11 sowohl im Falle organischer, als auch anorganischer Materialien bspw. mittels optisch transparentem Klebstoff an der bzw. den Photodioden 12 befestigt werden, so dass diese optisch miteinander gekoppelt sind.As with the version in 1 As shown, for IC-compliant encapsulation, the dimensions of the scintillator 11 are selected in the order of magnitude of the semiconductor component which comprises the photodiode 12 or the array of photodiodes 12. This means that at a defined contact surface to the semiconductor component, the relevant edge lengths of the approximately cuboid-shaped scintillator 11 correspond at most to the edge length of the semiconductor component, as shown in 1 is shown schematically. It is essential in this embodiment that the scintillator 12 covers the area on the semiconductor surface which is formed by the photodiode/photodiodes 12. In the case of both organic and inorganic materials, the scintillator 11 can be attached to the photodiode(s) 12, for example by means of optically transparent adhesive, so that they are optically coupled to one another.

Andererseits ist die von der Photodiode 12 abstehende Höhe des Szintillators 11 bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante so dimensioniert, dass sie nicht größer als die längste Kantenlänge des Halbleiterchips ist. Hierdurch kann der Detektor 1 mittels herkömmlicher Aufbau- und Verbindungstechniken gekapselt werden. Dementsprechend kann die Kapselung 14 des erfindungsgemäßen Detektors 1 als jeglicher Typ an IC-Package ausgelegt werden. Wesentlich ist hierbei lediglich, dass das Kapselungs-Material optisch schirmend wirkt und den Szintillator 11 sowie das Halbleiterbauteil komplett umschließt, damit die Fotodiode 12 vor Fremdlicht geschützt ist. Prinzipiell kann hierzu beispielsweise jeglicher nach dem Stand der Technik bekannter Mold-Verguss eingesetzt werden, wobei zum Schutz vor Fremdlicht insbesondere schwarz gefärbte Kunststoffe vorteilhaft sind. Denkbar ist jedoch auch, die Kapselung 13 auf keramischer Basis oder als Metallgehäuse („Metal Can Package“) auszulegen.On the other hand, the height of the scintillator 11 protruding from the photodiode 12 is 1 shown embodiment is dimensioned such that it is not larger than the longest edge length of the semiconductor chip. This allows the detector 1 to be encapsulated using conventional assembly and connection techniques. Accordingly, the encapsulation 14 of the detector 1 according to the invention can be designed as any type of IC package. The only important thing here is that the encapsulation material has an optical shielding effect and completely encloses the scintillator 11 and the semiconductor component so that the photodiode 12 is protected from external light. In principle, for example, any mold encapsulation known from the prior art can be used for this purpose, with black-colored plastics being particularly advantageous for protection against external light. However, it is also conceivable to design the encapsulation 13 on a ceramic basis or as a metal housing (“metal can package”).

Bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsvarianten ist der Detektor 1 gemäß des THP-Typs („Through Hole Package“) gekapselt. Dementsprechend ist das Halbleiterbauteil, welches die Photodioden 12 umfasst, auf einem Leadframe 133 angeordnet und per Bonddrähten entsprechend verschaltet. Dabei fungiert einer der Pins 131 der THP-Kapselung als elektrischer Ausgang für das Auswerte-Signal sa.In the 1 and 2 In the embodiments shown, the detector 1 is encapsulated according to the THP type (“Through Hole Package”). Accordingly, the semiconductor component, which includes the photodiodes 12, is arranged on a lead frame 133 and connected accordingly using bonding wires. One of the pins 131 of the THP encapsulation functions as an electrical output for the evaluation signal s a .

In 2 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Detektors 1 gezeigt, welcher mit Ausnahme der Kapselung 13 und dem Szintillator 11 der in 1 gezeigten Ausführungsvariante entspricht. Allerdings wird die Kapselung 13 dort durch den Szintillator 11 ausgebildet, bzw. umgekehrt. Hierzu ist/sind die Photodiode/Photodioden 12 mit Szintillatormaterial vergossen, beispielsweise mittels Spritzgießen oder einem vergleichbaren Fertigungs-Verfahren. In diesem Fall ist als Szintillatormaterial ein entsprechender Kunststoff, wie bspw. Polystyrol oder Polyvinyl-Toluene einzusetzen. Vorteilhaft hieran ist einerseits, dass fertigungstechnisch das dezidierte Bestücken des Szintillators 12 entfällt. Andererseits ergibt sich durch Vergießen des Szintillator-Materials um das Halbleiterbauteil herum automatisch eine optische Kopplung zwischen der szintillierenden Kapselung 11, 13 und dem Halbleiterbauteil, auf dem die Photodiode/Photodioden 12 angeordnet ist/sind. Zum Schutz der Photodiode 12 vor Licht muss die der Szintillator 11 bzw. die Kapselung 13 bei dieser Ausführungsvariante allerdings eine optisch intransparente Beschichtung 132 umfassen, bspw. in Form einer entsprechenden Lackierung.In 2 a further embodiment of the detector 1 according to the invention is shown, which, with the exception of the encapsulation 13 and the scintillator 11 of the 1 shown embodiment variant. However, the encapsulation 13 is formed there by the scintillator 11, or vice versa. For this purpose, the photodiode/photodiodes 12 is/are cast with scintillator material, for example by means of injection molding or a comparable manufacturing process. In this case, a suitable plastic, such as polystyrene or polyvinyl toluene, is to be used as the scintillator material. The advantage of this is, on the one hand, that in terms of manufacturing technology, the dedicated assembly of the scintillator 12 is no longer necessary. On the other hand, by casting the scintillator material around the semiconductor component, an optical coupling automatically results between the scintillating encapsulation 11, 13 and the semiconductor component on which the photodiode/photodiodes 12 is/are arranged. In order to protect the photodiode 12 from light, the scintillator 11 or the encapsulation 13 in this embodiment must comprise an optically non-transparent coating 132, for example in the form of a corresponding coating.

In 3 ist ein mögliches Blockschaltbild desjenigen Halbleiterbauteils dargestellt, welches die Photodiode/Photodioden 12 monolithisch umfasst. Einerseits ist der bzw. den Photodioden 12 innerhalb des Halbleiterbauteils ein analoger Tiefpass-Filter 121 nachgeschaltet, um hochfrequente Störanteile aus dem Auswerte-Signal sa zu filtern, bevor es auf den Signal-Ausgang 131 geleitet wird. In diesem Zusammenhang ist es außerdem denkbar, das Auswerte-Signal sa innerhalb des Halbleiterbauteils außerdem direkt zu verstärken oder zu digitalisieren. Andererseits ist in dem Halbleiterbauteil, dessen Blockschaltbild in 4 dargestellt ist, monolithisch außerdem eine Hochspannungs-Quelle 123 integriert, um die Photodioden 12 mit der erforderlichen Gleichspannung von 20-95 V zu versorgen. Hierzu kann die Hochspannungs-Quelle 123 beispielsweise auf dem „Switched-Capacitor“ Prinzip basieren.In 3 a possible block diagram of the semiconductor component is shown which monolithically comprises the photodiode/photodiodes 12. On the one hand, an analog low-pass filter 121 is connected downstream of the photodiode(s) 12 within the semiconductor component in order to filter high-frequency interference components from the evaluation signal s a before it is passed to the signal output 131. In this context, it is also conceivable to directly amplify or digitize the evaluation signal s a within the semiconductor component. On the other hand, in the semiconductor component, the block diagram of which is shown in 4 As shown, a high-voltage source 123 is also monolithically integrated in order to supply the photodiodes 12 with the required direct voltage of 20-95 V. For this purpose, the high-voltage source 123 can be based on the "switched capacitor" principle, for example.

Bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante des Halbleiterbauteils umfasst dieses zudem einen chipintegrierten Temperatur-Sensor 122. Dabei kann der vom Temperatur-Sensor 122 gemessene Temperaturwert über einen separaten elektrischen Ausgang 136 am Halbleiterchip bzw. an einem entsprechenden Anschluss des Detektors 1 abgegriffen werden, um den Temperaturwert beispielsweise der Auswerte-Einheit 6 zuzuführen. Hierdurch kann die Auswerte-Einheit 6 bei entsprechender Auslegung die Hochspannungs-Quelle 123 derart regeln, so dass die Temperatur-Abhängigkeit des Ausgangs-Signals sa der Photodiode 12 kompensiert wird. Hierzu umfasst der Detektor 1 zum Beispiel an einem entsprechenden Pin einen elektrischen Eingang 135 zur Steuerung der Hochspannungs-Quelle 123, welcher bspw. wiederum durch die Auswerte-Einheit 6 angesteuert wird.At the 3 In the embodiment variant of the semiconductor component shown, it also comprises a chip-integrated temperature sensor 122. The temperature value measured by the temperature sensor 122 can be tapped via a separate electrical output 136 on the semiconductor chip or at a corresponding connection of the detector 1 in order to supply the temperature value, for example, to the evaluation unit 6. As a result, the evaluation unit 6 can, with appropriate design, regulate the high-voltage source 123 in such a way that the temperature dependence of the output signal s a of the photodiode 12 is compensated. For this purpose, the detector 1 comprises, for example, on a corresponding pin, an electrical input 135 for controlling the high-voltage source 123, which in turn is controlled, for example, by the evaluation unit 6.

Die Spannungsversorgung der Hochspannungs-Quelle 123, des Temperatur-Sensors 122 und des Tiefpass-Filters 121 erfolgt chipintern über einen gemeinsamen Spannungsversorgungs-Anschluss am Halbleiterchip bzw. am Detektor 1. Alternativ zu einer monolithischen Integration der Hochspannungs-Quelle 123, des Temperatur-Sensors 121, des Tiefpass-Filters 121 und der Photodioden 12 als gemeinsames Halbleiterbauteil kann das in 4 gezeigte Blockschaltbild auch mittels hybrider Bauteile auf einer gemeinsamen Leiterplatte realisiert werden. In diesem Fall ist zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee die gesamte Leiterplatte gemäß des „System In Package“-Prinzips zu kapseln, wonach die Leiterplatte mitsamt den darauf befindlichen Bauteilen 12, 121, 122, 133 vergossen wird.The power supply of the high-voltage source 123, the temperature sensor 122 and the low-pass filter 121 takes place chip-internally via a common power supply connection on the semiconductor chip or on the detector 1. As an alternative to a monolithic integration of the high-voltage source 123, the temperature sensor 121, the low-pass filter 121 and the photodiodes 12 as a common semiconductor component, the 4 The block diagram shown can also be implemented using hybrid components on a common circuit board. In this case, in order to implement the inventive idea, the entire circuit board must be encapsulated according to the "System In Package" principle, after which the circuit board is encapsulated together with the components 12, 121, 122, 133 located on it.

4 veranschaulicht als mögliche Applikation des erfindungsgemäßen Detektors 1 ein radiometrisches Mess-System zur industriellen Füllstandsmessung. Dementsprechend ist in 4 ein Behälter 3 einer industriellen Prozessanlage gezeigt. Dabei kann der Behälter 3 als Füllgut 2 bspw. Rohöl beinhalten, welches dort einen Refraktionierungs-Prozess unterläuft. Zur Steuerung des Prozesses ist der Füllstand L des Füllgutes 2 zu bestimmen, wobei aufgrund der harschen Prozessbedingungen radiometrische Füllstandsmessung zum Einsatz kommt. Hierzu ist eine Strahlenquelle 5 des Mess-Systems so angeordnet und ausgerichtet, dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels a gen Behälter 3 austritt. Dabei ist die Strahlenquelle 5 bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante an einem oberen Endbereich des Behälters 3 angeordnet und um ca. 45° nach unten geneigt. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Strahl-Kegel a den zur Füllstands- bzw. Dichteprofil-Messung wesentlichen Höhenbereich des Behälter-Inneren durchstrahlt. Je nach Höhe des Behälters 3 bzw. je nach ablaufendem Prozess kann dieser Höhenbereich unterschiedlich hoch ausfallen, weswegen das Mess-System hierauf prinzipiell individuell anpassbar sein muss. 4 illustrates a possible application of the detector 1 according to the invention in a radiometric measuring system for industrial level measurement. Accordingly, 4 a container 3 of an industrial process plant is shown. The container 3 can contain, for example, crude oil as the filling material 2, which undergoes a refraction process there. To control the process, the filling level L of the filling material 2 is to be determined, whereby radiometric filling level measurement is used due to the harsh process conditions. For this purpose, a radiation source 5 of the measuring system is arranged and aligned in such a way that radioactive radiation emerges from the container 3 within a defined beam cone. The radiation source 5 is in the 4 In the embodiment shown, the beam cone a is arranged at an upper end area of the container 3 and is inclined downwards by approximately 45°. This ensures that the beam cone a radiates through the height range of the container interior that is essential for the fill level or density profile measurement. Depending on the height of the container 3 or the process being carried out, this height range can vary, which is why the measuring system must in principle be individually adaptable to this.

In Bezug zur Strahlenquelle 5 sind gegenüberliegend am Behälter 3 elf Detektoren 11 derart angeordnet und mit ihrem Szintillator 11 jeweils gen Behälter 3 ausgerichtet, so dass sich die Detektoren 1 vertikal in gleichem Abstand verteilt im Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 5 bzw. im relevanten Höhenbereich zur Füllstandsmessung befinden. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante sind die Detektoren 1 durch ein gemeinsames Gehäuse 14 umgeben, welches vor Umwelteinflüssen, wie optischer Strahlung schützt. In diesem Fall können die Detektoren 1 innerhalb des Gehäuses 14 beispielsweise auf gemeinsamen einer Leiterkarte angeordnet bzw. elektrisch kontaktiert werden.In relation to the radiation source 5, eleven detectors 11 are arranged opposite each other on the container 3 and are each aligned with their scintillator 11 towards the container 3, so that the detectors 1 are distributed vertically at the same distance in the beam cone a of the radiation source 5 or in the relevant height range for level measurement. 4 In the embodiment shown, the detectors 1 are surrounded by a common housing 14, which is protected from environmental influences, such as opti radiation. In this case, the detectors 1 can be arranged or electrically contacted within the housing 14, for example on a common circuit board.

In Bezug zum Mess-System ermöglichen die erfindungsgemäß ausgelegten Detektoren 1 eine konstruktiv einfache Anpassung des Mess-Systems auf verschiedene Behältergrößen, da die Anzahl an Detektoren 1 modular erweitert werden kann. Als weiterer Freiheitsgrad ergibt sich der vertikale Abstand der Detektoren 1 zueinander am Behälter 3. Durch die vertikale Aufreihung der Detektoren 1 im Strahl-Kegel a der Strahlenquelle 5 empfängt jeder Detektor 1 die radioaktive Strahlung nach Durchgang durch das Füllgut 2 bzw. durch die oberhalb davon befindliche Gasphase im Behälter-Inneren. Hierdurch hängt die jeweilige Intensität der empfangenen Strahlung - in Bezug zur Ausgangs-Intensität an der Strahlenquelle 5 - im Wesentlichen vom Füllstand L des Füllgutes 1 sowie von dessen Dichte ab: Sofern sich, abhängig vom Füllstand L, Füllgut 2 im Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 5 dem jeweiligen Detektor 1 befindet, so verringert sich die Intensität der einfallenden Strahlung entsprechend signifikant. Dabei wird die Strahlenintensität durch das Auswerte-Signal sa des zugehörigen Detektors 1 repräsentiert. Ursächlich hierfür ist, dass die eingehende, radioaktive Strahlung innerhalb der Detektoren 1 mittels der Szintillatoren 11 jeweils in optische Strahlung im sichtbaren bzw. angrenzenden UV-/IR-Bereich umgewandelt wird, und dass die vom jeweiligen Szintillator 11 ins Optische umgewandelte Strahlung durch die Photodiode 12 in das elektrische Auswerte-Signal sa überführt wird.In relation to the measuring system, the detectors 1 designed according to the invention enable a structurally simple adaptation of the measuring system to different container sizes, since the number of detectors 1 can be expanded modularly. Another degree of freedom is the vertical distance between the detectors 1 on the container 3. Due to the vertical arrangement of the detectors 1 in the beam cone a of the radiation source 5, each detector 1 receives the radioactive radiation after it has passed through the filling material 2 or through the gas phase located above it in the interior of the container. As a result, the respective intensity of the radiation received - in relation to the initial intensity at the radiation source 5 - depends essentially on the fill level L of the filling material 1 and on its density: If, depending on the fill level L, filling material 2 is in the beam path between the radiation source 5 and the respective detector 1, the intensity of the incident radiation is reduced significantly accordingly. The radiation intensity is represented by the evaluation signal s a of the associated detector 1. The reason for this is that the incoming radioactive radiation within the detectors 1 is converted by means of the scintillators 11 into optical radiation in the visible or adjacent UV/IR range, and that the radiation converted into optical radiation by the respective scintillator 11 is converted by the photodiode 12 into the electrical evaluation signal s a .

Hierdurch kann anhand der Auswerte-Signale sa der Detektoren 1 bspw. quasi digital (jeder Detektor 1c entspricht hierbei einem Digit) ermittelt werden, ab welchem Detektor 1 sich die eingehende Strahlenintensität in Bezug zur Behälter-Höhe signifikant erhöht, um hieraus den Füllstand L zu bestimmen. Alternativ kann der Füllstand L bspw. auch in Form eines analogen bzw. relativen Wertes berechnet werden, indem die Auswerte-Signale sa signaltechnisch addiert werden, wobei der addierte Wert einem absoluten oder relativen Füllstandswert L zuordbar ist, bspw. auf Basis einer Kalibration.This makes it possible to determine, based on the evaluation signals s a of the detectors 1, for example in a quasi-digital manner (each detector 1c corresponds to one digit), from which detector 1 the incoming radiation intensity increases significantly in relation to the container height in order to determine the fill level L from this. Alternatively, the fill level L can also be calculated, for example, in the form of an analogue or relative value by adding the evaluation signals s a together, whereby the added value can be assigned to an absolute or relative fill level value L, for example on the basis of a calibration.

Anhand der Auswerte-Signale sa ist es bei der in 4 gezeigten Anordnung der Detektoren 1 darüber hinaus auch möglich, ein höhenabhängiges Dichteprofil des Füllgutes 2 zu bestimmen. In diesem Fall repräsentiert jedes Auswerte-Signal sa (bspw. auf Basis einer Kalibration) einen Dichte-Wert des Füllgutes 2. Dabei kann dem Auswerte-Signal sa jedes Detektors 1 eine entsprechende Höhe am Behälter 3 (bzw. zumindest eine Nummer einer höhenabhängigen Reihenfolge 1 - 11) zugeordnet werden, woraus das höhenabhängige Dichteprofil resultiert. Sofern lediglich ein einzelner Dichte-Wert zu bestimmen ist, muss das Mess-System im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Ausführungsvariante lediglich einen einzigen Detektor 1 umfassen.Based on the evaluation signals s a it is possible to 4 In addition, the arrangement of the detectors 1 shown also makes it possible to determine a height-dependent density profile of the filling material 2. In this case, each evaluation signal s a (e.g. based on a calibration) represents a density value of the filling material 2. The evaluation signal s a of each detector 1 can be assigned a corresponding height on the container 3 (or at least a number of a height-dependent sequence 1 - 11), from which the height-dependent density profile results. If only a single density value is to be determined, the measuring system must, in contrast to the arrangement shown in 4 The embodiment shown may comprise only a single detector 1.

Zur Bestimmung der Dichte, des Dichteprofils bzw. des Füllstandes L anhand der Auswert-Signale sa umfasst das in 4 gezeigte Mess-System eine entsprechend ausgelegte Auswerte-Einheit 6, die sich mechanisch in einem eigenständigen Gehäuseteil an den untersten Detektor 1 bzw. an den entsprechenden Endbereich des Gehäuses 14 anschließt. Dabei können die Detektoren 1 beispielsweise seriell oder über ein Bus-System an die Auswerte-Einheit 6 gekoppelt werden, um jeweils das Auswerte-Signal sa zu übertragen, bzw. um die Detektoren 1 jeweils mit Leistung zu versorgen. In diesem Zusammenhang kann die Auswerte-Einheit 6 funktionstechnisch derart ausgelegt werden, um einerseits die Anzahl an momentan angeschlossenen Detektoren 1 bzw. deren Reihenfolge (am Behälter 3) zu erfassen. Andererseits ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn die Auswerte-Einheit 6 den Höhenbereich, über den das Dichteprofil erstellt bzw. der Füllstand L gemessen wird, automatisch in Abhängigkeit der Anzahl an momentan angeschlossenen Detektoren 1 einstellt bzw. anpasst.To determine the density, the density profile or the filling level L based on the evaluation signals s a , the 4 The measuring system shown has a correspondingly designed evaluation unit 6, which is mechanically connected to the lowest detector 1 or to the corresponding end area of the housing 14 in an independent housing part. The detectors 1 can be coupled to the evaluation unit 6, for example, serially or via a bus system, in order to transmit the evaluation signal s a or to supply the detectors 1 with power. In this context, the evaluation unit 6 can be functionally designed in such a way that, on the one hand, it can record the number of detectors 1 currently connected or their order (on the container 3). On the other hand, it is advantageous in this case if the evaluation unit 6 automatically sets or adapts the height range over which the density profile is created or the fill level L is measured, depending on the number of detectors 1 currently connected.

Insgesamt können die Strahlenquelle 5 und die Detektoren 1 bzw. das Gehäuse 14 entweder direkt am Behälter 3 montiert sein, oder indirekt an entsprechend freistehenden Stativen. Wie in 1 dargestellt ist, kann die Auswerte-Einheit 6 des Mess-Systems zur Regelung des Prozesses über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden werden. Hierüber kann der gemessene Dichte- bzw. Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um Heiz-Elemente oder etwaige Zuleitungen am Behälter 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Mess-Systems kommuniziert werden.Overall, the radiation source 5 and the detectors 1 or the housing 14 can be mounted either directly on the container 3 or indirectly on corresponding free-standing stands. As in 1 As shown, the evaluation unit 6 of the measuring system for controlling the process can be connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via a separate interface unit, such as "4-20 mA", "PROFIBUS", "HART", or "Ethernet". The measured density or fill level value L can be transmitted via this, for example to control heating elements or any supply lines on the container 3. However, other information about the general operating status of the measuring system can also be communicated.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Detektordetector
22
FüllgutFilling material
33
Behältercontainer
44
Übergeordnete EinheitSuperior unit
55
Radioaktive StrahlenquelleRadioactive radiation source
66
Auswerte-EinheitEvaluation unit
1111
SzintillatorScintillator
1212
PhotodiodePhotodiode
1313
KapselungEncapsulation
1414
GehäuseHousing
121121
Analoger TiefpassfilterAnalog low-pass filter
122122
Temperatur-SensorTemperature sensor
123123
Hochspannungs-QuelleHigh voltage source
131131
Elektrischer Ausgang für das Auswerte-SignalElectrical output for the evaluation signal
132132
Optisch intransparente BeschichtungOptically non-transparent coating
133133
LeadframeLead frame
134134
Spannungsversorgungs-AnschlussPower supply connection
135135
Elektrischer Eingang zur Steuerung der Hochspannungs-QuelleElectrical input for controlling the high voltage source
136136
Elektrischer Ausgang für den Wert des Temperatur-SensorsElectrical output for the value of the temperature sensor
aa
Strahl-KegelBeam cone
LL
FüllstandFill level
sasa
Auswerte-SignalEvaluation signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2208031 B1 [0004]EP 2208031 B1 [0004]

Claims (12)

Radiometrischer Detektor (1) für ein radiometrisches Mess-System, folgende Komponenten umfassend: - Einen Szintillator (11), - Zumindest eine Photodiode (12), welche optisch derart mit dem Szintillator (11) verbunden ist, um in Abhängigkeit einer am Szintillator (11) eingehenden, radioaktiven Strahlungs-Intensität ein elektrisches Auswerte-Signal (sa) zu generieren, und - eine optisch schirmende Kapselung (13), welches den Szintillator (11) und die Photodiode (12) schirmt, mit ◯ zumindest einem elektrischen Ausgang (131) für das Auswerte-Signal (sa).Radiometric detector (1) for a radiometric measuring system, comprising the following components: - a scintillator (11), - at least one photodiode (12) which is optically connected to the scintillator (11) in such a way as to generate an electrical evaluation signal (s a ) depending on a radioactive radiation intensity arriving at the scintillator (11), and - an optically shielding encapsulation (13) which shields the scintillator (11) and the photodiode (12), with ◯ at least one electrical output (131) for the evaluation signal (s a ). Detektor nach Anspruch 1, wobei die Kapselung (14) bzw. der Ausgang (131) als IC-Package ausgelegt ist.Detector after Claim 1 , wherein the encapsulation (14) or the output (131) is designed as an IC package. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: - Eine Mehrzahl an Photodioden (12), die insbesondere als Array angeordnet sind.Detector after Claim 1 or 2 , comprising: - a plurality of photodiodes (12), which are arranged in particular as an array. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapselung (13) durch den Szintillator (11) ausgebildet wird, und wobei die Kapselung (13) eine optisch intransparente Beschichtung (132) aufweist.Detector according to one of the preceding claims, wherein the encapsulation (13) is formed by the scintillator (11), and wherein the encapsulation (13) has an optically non-transparent coating (132). Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Photodiode (12) als Avalanche-Photodiode oder als Silicon Photomultiplier ausgelegt ist.Detector according to one of the preceding claims, wherein the photodiode (12) is designed as an avalanche photodiode or as a silicon photomultiplier. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest einen Photodiode (12) innerhalb der Kapselung (13) eine Signalverarbeitungs-Einheit (121) nachgeschaltet ist, welche ausgelegt ist, das Auswerte-Signal (sa) zu verstärken, zu filtern und/oder zu digitalisieren.Detector according to one of the preceding claims, wherein the at least one photodiode (12) within the encapsulation (13) is followed by a signal processing unit (121) which is designed to amplify, filter and/or digitize the evaluation signal (s a ). Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Kapselung (13) ein Hochspannungskonverter (123) zur Spannungsversorgung der Photodiode (12) angeordnet ist.Detector according to one of the preceding claims, wherein a high-voltage converter (123) for supplying voltage to the photodiode (12) is arranged within the encapsulation (13). Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Kapselung (13) ein Temperatursensor (122), insbesondere zur Regelung der Hochspannungsquelle (123), angeordnet ist.Detector according to one of the preceding claims, wherein a temperature sensor (122), in particular for controlling the high-voltage source (123), is arranged within the encapsulation (13). Detektor nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei - die Signalverarbeitungs-Einheit (121), - die Hochspannungsquelle (123), und/oder - der Temperatursensor (122) als integraler Bestandteil des Photodioden-Halbleiterchips (12) sind/ist.Detector after Claim 6 , 7 or 8th , wherein - the signal processing unit (121), - the high voltage source (123), and/or - the temperature sensor (122) are/is an integral part of the photodiode semiconductor chip (12). Radiometrisches Mess-System, das zur Bestimmung einer Dichte und/oder eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3) dient, folgende Komponenten umfassend: - Eine radioaktive Strahlenquelle (5), welche derart in Bezug zum Behälter (3) anbringbar ist, so dass radioaktive Strahlung innerhalb eines definierten Strahl-Kegels (a) gen Behälter (3) ausgesendet wird, - zumindest einen Detektor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher der Strahlenquelle (5) derart gegenüberliegend am Behälter (3) anbringbar ist, dass sich der Szintillator (11) zumindest teilweise im Strahl-Kegel (a) befindet, und - eine an den zumindest einen Detektor (1) angeschlossene Auswerte-Einheit (6), welche ausgelegt ist, anhand des Auswerte-Signals (sa) eine Dichte, ein Dichte-Profil oder einen Füllstand (L) des Füllgutes (2) zu bestimmen.Radiometric measuring system which is used to determine a density and/or a fill level (L) of a filling material (2) in a container (3), comprising the following components: - a radioactive radiation source (5) which can be attached in relation to the container (3) such that radioactive radiation is emitted towards the container (3) within a defined beam cone (a), - at least one detector (1) according to one of the preceding claims, which can be attached to the container (3) opposite the radiation source (5) such that the scintillator (11) is at least partially located in the beam cone (a), and - an evaluation unit (6) connected to the at least one detector (1), which is designed to determine a density, a density profile or a fill level (L) of the filling material (2) based on the evaluation signal (s a ). Mess-System nach Anspruch 10, umfassend: - Eine Mehrzahl an Detektoren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die insbesondere vertikal aneinander gereiht am Behälter (3) angeordnet sind.Measuring system according to Claim 10 , comprising: - A plurality of detectors (1) according to one of the Claims 1 until 8th which are arranged in particular vertically next to one another on the container (3). Computer-Tomograph, umfassend: - Ein Array an Detektoren (1) gemäß einem der Ansprüche 1-9.Computer tomograph, comprising: - an array of detectors (1) according to one of the Claims 1 - 9 .
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