DE1155924B - Einrichtung zur schichtdickenunabhaengigen Messung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes von in Schichten vorliegendem Messgut mit Hilfe von Neutronen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur schichtdickenunabhängigcn Messung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes von in Schichten vorliegendem Meßgut mit Hilfe von Neutronen Die genaue Ermittlung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes, sei es von Flüssigkeiten oder festen Stoffen, gleichviel ob sie in kompakter Form oder in mehr oder weniger feiner Körnung vorliegen, ist aus verschiedenen Gründen oftmals notwendig; besonderer Wert wird dabei auf eine fortlaufende Aufzeichnung oder eine sonstige Erkennbarmachung der Meßergebnisse gelegt.
• Bekannte Verfahren zur Feststellung des Wasser-oder Wasserstoff-Gehaltes benutzen die quantitative chemische Analyse von kleinen Proben, die dem zu untersuchenden Medium entnommen werden. Abgesehen von dem dadurch notwendigen großen Zeitaufwand, der zur Analyse jeder Einzeiprobe bedingt ist und weil außerdem eine sehr erhebliche Zeitverzögerung zwischen den Probenentnahmen und dem Bekanntwerden der Meßergebnisse entsteht, ist die genannte Methode weit von einem kontinuierlichen Verfahren entfernt.
• Die gleichen Nachteile haben die häufig zu Anwendung kommenden bekannten Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung von Flüssigkeiten oder Schüttgütern, bei denen die in einer Probe enthaltene Wassermenge durch Austreiben, beispielsweise durch Trocknung bei mehr oder weniger hoher Temperatur, ermittelt wird.
• Neben diesen Verfahren gibt es weitere bekannte Anordnungen, die den Wassergehalt des Meßgutes durch Ermittlung seiner elektrischen Eigenschaften, vorzugsweise der elektrischen Leitfähigkeit, bestimmen und dabei eine weitgehend kontinuierliche Messung gestatten. Jedoch weisen diese Methoden den Nachteil auf, der den nicht berührungsfreien Messungen im allgemeinen eigen ist, nämlich Zustandekommen von Veränderungen der Meßelemente, z. B. durch Verschmutzung der in das Meßgut eintauchenden Elektroden, wodurch die Meßergebnisse nachteilig beeinflußt werden. Zuverlässige Messungen sind mit Hilfe dieser bekannten Verfahren über längere Zeiten hin nicht gewährleistet.
• Zu den bekannten berührungslosen Meßverfahren gehören z. B. die Anordnungen, die zur Feststellung der Meßgröße die von radioaktiven Elementen emittierte Strahlung, vorzugsweise die Beta-Strahlung benutzen, deren Absorbierbarkeit empfindlich von der Konzentration der H-Atome im Meßgut abhängt.
• Solche Verfahren haben aber zu einer genauen Funktion relativ dünne Schichten der Meßsubstanz zur Voraussetzung, die von der radioaktiven Strahlung durchdrungen werden sollen, so daß eine besondere Abzweigleitung von der eigentlichen Leitung für das Meßgut notwendig wird. Da die Durchstrahlungs- strecken bei solchen Messungen nur wenige Millimeter betragen dürfen, ist die Gefahr des Verstopfens des Meßspaltes außerordentlich groß. Eine Messung an mehr oder weniger grob gekörnten Schüttgütern ist ohnehin mit Hilfe dieser bekannten Verfahren nicht möglich.
• Bekannte Meßverfahren zur Wasser- oder Wasserstoffgehaltsbestimmung von strömenden flüssigen oder körnigen Gütern, wie auch an unbewegter kompakter Materie, verwenden die Abbremsung bzw. Rückstreuung von Neutronen. Man unterscheidet dabei ein Transmissions- und ein Rückstreuverfahren. Die Neutronen entstammen vorzugsweise einem Radium-Beryllium-Gemisch, und die Intensität der abgebremsten und zurückgestreuten Neutronen wird beispielsweise von einem bekannten BF3-Detektor nachgewiesen und von einem Zählmittel registriert. Die Intensität erweist sich in weiten Grenzen der Wasser-bzw. Wasserstoffkonzentration proportional.
• Diese bekannten Verfahren werden zur Bestimmung der Feuchtigkeit in festen Stoffen, beispielsweise Beton, oder auch zur Wassergehaltsbestimmung des ein Bohrloch umgebenden Gesteins bevorzugt verwendet. Die zur Durchführung solcher Verfahren bekannten Apparaturen bestehen vielfach aus einer Strahlenquelle, die Neutronen, vorzugsweise aus einem Radium-Beryllium-Gemisch, aussendet, und aus einem Nachweisinstrument für langsame Neutronen, das unmittelbar in der Nähe der Quelle angebracht und vorzugsweise durch ein mit BF3 gefülltes Zählrohr realisiert ist. Die vom Zählrohr gelieferten elektrischen Impulse werden dabei einem Zählmittel zugeführt, das beispielsweise aus einem Verstärker und einem Mittelwertsmesser besteht.
• Eine Ausdehnung dieses bekannten Verfahrens auf die Wasser- oder Wasserstoffgehaltsmessung von bewegten Flüssigkeiten oder mehr oder weniger fein gekörnten Schüttgütern, beispielsweise Sand, war nicht immer ohne weiteres möglich, da die vom Zählmittel angezeigte Stoßzahl je Minute außer von der Wasser-bzw. Wasserstoflkonzentration im Meßgut auch noch sehr stark von der Dicke der Meßgutschicht abhängt, die sich gegenüber der Meßvorrichtung befindet. Erst bei großen Meßgutschichtdicken (und zwar größer als zwei Relaxationslängen) ist die Impulszahl je Minute so wenig abhängig von der Schichtdicke, daß auch bei nicht genau bekannter Dicke des Meßgutes eine einwandfreie Bestimmung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes mit genügender Genauigkeit möglich ist.
• Eine sowohl für das Transmissions- wie auch für das Rückstreumeßverfahren geeignete Einrichtung sieht gemäß der Erfindung die Anordnung eines Neutronenreflektors auf der der Strahlenquelle abgewandten Seite des Meßguts vor. Der Reflektor besteht vorteilhafterweise aus Eisen. Die für das Erreichen einer schichtdickenunabhängigen Bestimmung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes von Meßgut notwendige Schichtdicke wird auf diese Weise auf nicht ganz die Hälfte (etwa eine Relaxationslänge) gegenüber einer reflektorfreien Anordnung erniedrigt.
• Damit wird eine genaue Messung der Wasser- oder Wasserstoffkonzentration direkt an mit Schüttgut üblicher Schichtdicke beschichteten Förderbändern möglich, ohne daß unvermeidbare Unregelmäßigkeiten in der Schichthöhe das Meßergebnis verfälschen könnten. Auch an in Rohrleitungen strömenden oder in Gefäßen befindlichen Flüssigkeiten ist die erfindungsgefäße Ausbildung der Anordnung vorteilhaft zur Messung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes anwendbar, da sich bei Rohren oder Gefäßen relativ kleinen Kalibers schon eine maximale Impulszahl je Minute und damit die beste Genauigkeit der Messung ergibt, wobei sich eine genaue Kenntnis der lichten Weite des Rohres bzw. Gefäßes erübrigt.
• Darüber hinaus bewirkt - vom Meßgut aus gesehen - ein hinter der Neutronenquelle befindlicher Reflektor eine Erhöhung der Anzeige und dadurch eine Verringerung des schädlichen Einflusses der Statistik auf die Meßgenauigkeit.
• Die erfindungsgemäße Anordnung ist an Hand der Zeichnung bei einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt eine beispielsweise Anordnung für die Messung des Wassergehaltes bei einem auf einem kontinuierlich bewegten Förderband 1 aufgebrachten Schüttgut 2, z. B. Sand, im Querschnitt, und zwar mit Hilfe des Reflexionsverfahrens.
• Unter dem Förderband 1 befindet sich eine Neutronenquelle 3, vorzugsweise ein Ra-BeGemisch, das von einem für Neutronen eines vorgegebenen Energiebereiches geeigneten Detektor 4 umgeben ist, der beispielsweise ein oder mehrere BF3-Zählrohre zum Nachweis langsamer Neutronen besitzt. Das Schüttgut 2 und die Quelle 3 mit Detektor 4 sind erfindungsgemäß dicht von einem Neutronenreflektor 5 a, 5b, vorzugsweise aus Eisen genügender Stärke, umgeben.
• An dem Detektor ist ein geeignetes Zählmittel, beispielsweise ein Verstärker mit Mittelwertsmesser und Registriergeräten, angeschlossen. Die Anzeige des Zählmittels ist dann bei ausreichender Höhe des Schüttgutes proportional der Wasserkonzentration in dem Schüttgut auf dem Förderband.
• Fig. 2 zeigt beispielsweise als Ergebnis die Abhängigkeit der Anzeige des Zählmittels (Ordinate) von der Höhe des Schüttgutes auf dem Förderband (Abszisse) bei konstantem Wassergehalt des zu messenden Schüttgutes, und zwar gestrichelt ohne und ausgezogen mit dem Reflektor 5 b. Während ohne ReflektorSb eine einigermaßen schüttgutschichthöhenunabhängige Anzeige des Zählmittels erst bei relativ großen Schicht dicken ( zwei Relaxationslängen) erreicht werden kann (wobei immer noch die Anzeige, mit wachsender Schichthöhe in geringem Maße zunimmt), ist die Anzeige bei Anwesenheit des Reflektors 5b schon oberhalb vergleichsweise geringer Schichthöhen (~ eine Relaxationslänge) vollständig unabhängig von der Höhe des Schüttgutes.
• Die Einrichtung gemäß der Erfindung gestattet oberhalb einer gewissen, gegenüber bekannter Anordnung um etwa den Faktor 2 verminderten Mindestschichtdicke eine kontinuierliche, vollständig schichtdickenunabhängige Messung des Wassergehaltes von Schüttgütern, die beispielsweise auf einem bewegten Förderband abgelegt sind. Die Anzeige des Zählmittels läßt sich dann beispielsweise gleich in Einheiten der Wasserkonzentration eichen.
• Die Anwendung der beschriebenen Einrichtung ist nicht auf Feuchtigkeitsmessungen an Schüttgütern auf Förderbändern beschränkt, sondern kann genauso auf die Messung des Wasser- und Wasserstoff-Gehaltes an unbewegten Schüttgütern oder an bewegten oder unbewegten Flüssigkeiten mit gegenüber reflektorfreien Anordnungen erheblich verbesserter Meßgenauigkeit ausgedehnt werden.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur schichtdickenunabhängigen Messung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes bzw. der Wasser- oder Wasserstoffkonzentration von in Schichten vorliegendem Meßgut mit Hilfe der Abbremsung bzw. Rückstreuung von Neutronen und mit Hilfe eines für Neutronen eines vorgegebenen Energiebereiches empfindlichen De tektors, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Neutronenreflektors auf der der Strahlenquelle abgewandten Seite des Meßgutes.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Reflektors auf der der Strahlenquelle abgewandten Seite des Detektors.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Reflektoren aus Eisen von genügender Schichtstärke bestehen.
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Ra-Be-Quelle als Quelle der Neutronen und eines oder mehrerer BF3-Zählrohre als Detektor.
5. 5. Anwendung der Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zur Bestimmung des Wasser- oder Wasserstoff-Gehaltes von in Behältern oder Rohren befindlichen ste henden oder bewegten Flüssigkeiten.