用於伽瑪反向散射的最佳檢測器位置的製作方法
2023-05-12 23:06:31
專利名稱：用於伽瑪反向散射的最佳檢測器位置的製作方法
技術領域：
這裡公開的實施例總體涉及一種用於使用伽瑪放射線測量容器中的流體的密度的方法。具體地，這裡公開的實施例涉及一種用於通過檢測由流體反向散射的伽瑪射線的強度來優化容器中的流體的密度的測量的方法。
背景技術：
伽瑪射線已經用於通過使用被定位成與伽瑪射線檢測器相對或定位在所述伽瑪射線檢測器附近的伽瑪射線源測量容器中的流體的密度和液位。在測量的材料是危險的、 非差熱的情況下，或者在不能以其它方式進行直接接觸測量的情況下，伽瑪射線密度和液位測量特別有用。另外，所述源和檢測器安裝在容器外部而不需要對容器進行修改。由一個源發射的伽瑪射線可以被容器和容器中的材料吸收或衰減。到達檢測器的伽瑪輻射的強度可以用於基於所述源的強度指示容器中的流體的密度或液位。當測量流體液位時，例如，伽瑪射線發射器和/或檢測器可以定位在容器上或定位在容器附近，其中信號(或標稱低信號)的有無可以指示伽瑪射線源和檢測器附近的流體的有無。對於流體密度，伽瑪射線源和檢測器附近的流體可以吸收或衰減由所述源發射的伽瑪射線。例如，高輻射數目可以指示低流體密度，而低數目可以指示高流體密度。穿透式伽瑪射線密度計可以包括安裝在含有流體的容器上的殼體。伽瑪輻射源位於容器的一側，而伽瑪輻射檢測器位於容器的相對側。由伽瑪輻射源提供的輻射在伽瑪射線發射的長時間段為恆定強度(在有限的時間段為任意強度)。伽瑪射線透射通過容器壁、 容器內的流體，再次通過容器壁併到達檢測器。檢測器可以例如為鈉或碘化銫(活化的鉈) 的晶體或能夠在輻射下閃爍的其它材料，並且可以包括用於將晶體的閃爍的閃光轉換成電脈衝的電子光電倍增管。相對於從所述輻射源發射的到達檢測器的伽瑪射線的量的主要變量是容器內含有的流體。由所述輻射源發射的伽瑪射線的一部分被流體吸收或衰減，因此沒有到達檢測器。因此，來自檢測器的光電倍增管的輸出信號的計數率可能與流體密度和伽瑪輻射源的強度有關，其中射線必須通過所述流體以到達檢測器。實際上，使用伽瑪射線的穿透式密度測量僅用於受到限制的容器尺寸和/或流體密度。例如，對於類似尺寸的輻射源，在較高流體密度下，流體可以吸收更多的伽瑪射線，從而使得更少的伽瑪射線到達檢測器。類似地，當容器尺寸增加時，伽瑪射線必須穿過吸收伽瑪射線的更多量的物質(容器和流體)，從而使得更少的伽瑪射線到達檢測器。因此，穿透式射線密度測量僅用於大約1米直徑的容器。容器壁厚還可能限制伽瑪射線密度測量的有效性。因為容器壁以類似於流體的方式吸收並衰減伽瑪射線，並且較高的壁厚可能導致較少的伽瑪射線到達檢測器。容器壁厚可以通過諸如美國機械工程師學會(ASME)的指南來確定。例如當所要求的厚度基於操作壓力和流體的性質(腐蝕性、侵蝕性、活性等)時，容器壁厚還可以基於其它規格來確定。此外，當前的容器壁厚的安全容限可能增加，並且可能進一步限制穿透式測量的有效性。
當採用伽瑪射線用於密度測量時，較低的計數率可能會導致更大的誤差率，或者可能需要較大的伽瑪輻射源來保持要求的精度。另外，當容器尺寸增加時，檢測器尺寸可能必須被增加以保持恆定計數率。然而，伽瑪輻射源源的尺寸和/或檢測器的尺寸的增加一定會增加成本。為了克服厚度、尺寸和密度的限制，可以增加伽瑪射線源的強度，從而使得能夠測量到達檢測器的伽瑪射線的數量。然而，成本、安全、多單元有效性以及安全性可能會限制可以使用的源強度。輻射源的使用產生人身安全和環境問題，並且需要鉛或鎢屏蔽件以保護人員、專用操縱預防措施和設備，以及處理和補救過程。此外，因為伽瑪射線由點源製造而成，而不是由定向源製造而成，因此當所述源的尺寸增加時，必須增加容納除了進入到容器中的輻射之外的方向上的輻射所需的屏蔽件的量，從而進一步增加成本。對於多單元有效性，化工廠可能期望在多個容器上使用伽瑪射線液位和密度計量器。然而，當計量器的數量增加或伽瑪射線源的強度增加時，可能會發生相鄰容器上的伽瑪射線源與檢測器之間的串擾，從而導致效率降低和潛在的錯誤讀數。對於安全性，由於增長的全世界對放射性核燃料和可能的走私或其它運輸的關心，州、地方和國家政府基於在單一位置處可能出現的放射性物質的總量調節設備安全要求。例如，德克薩斯州在總居裡數超過27居裡的設備處要求額外的安全措施(例如，背景檢查、可接近性等)，其中總居裡數基於所述設備處的所有放射源的總和。因此，較大放射源的使用可能會導致對安全性的需要的增加，從而產生額外的成本。因此，需要可以在大型容器上使用的優化的伽瑪射線密度測量裝置。另外，需要一種需要較低強度輻射源的優化的非接觸式密度計。
發明內容
在一個方面中，這裡公開的實施例涉及一種用於確定流體密度的方法。該方法包括以下步驟緊鄰容器設置伽瑪射線源，所述容器內設有流體；確定伽瑪射線檢測器相對於伽瑪射線源的最佳位置；將伽瑪射線檢測器設置在最佳位置；以及測量流體的密度。在一個方面中，這裡公開的實施例涉及一種用於優化伽瑪射線檢測器的位置以確定容器中的流體的密度的方法，該方法包括以下步驟緊鄰容器設置伽瑪射線源，所述容器內設置有流體；確定伽瑪射線檢測器相對於伽瑪射線源的最佳位置；相對於伽瑪射線源將至少一個伽瑪射線檢測器設置在最佳位置處；以及由伽瑪射線檢測器測量流體的密度。本發明的其它方面和優點將從以下說明和所附權利要求變得清楚可見。
圖1是根據這裡公開的實施例的伽瑪射線密度測量系統的示意圖；圖2(a)是示出了根據這裡公開的實施例的作為密度的函數的反向散射的計數率的曲線圖；圖2(b)是示出了根據這裡公開的實施例的作為密度的函數的伽瑪射線檢測的密度測量誤差的曲線圖；圖3是根據這裡公開的實施例的作為密度的函數的伽瑪射線檢測的密度測量誤差和檢測器的相對位置的三維曲線圖4是根據這裡公開的實施例的圖3的二維投影圖；圖5-7是根據這裡公開的實施例的在不同容器壁厚的情況下的二維投影圖；圖8-9是根據這裡公開的實施例的在不同容器壁厚和不同檢測器操作電壓的情況下的二維投影圖；圖10是根據這裡公開的實施例的作為檢測器位置的函數的具有最大計數率的密度的位置的曲線圖；圖11是根據這裡公開的實施例的作為檢測器位置的函數的具有最高精度的密度的位置的曲線圖；以及圖12是根據這裡公開的實施例的對於檢測器位置來說作為容器的壁厚的函數的最小誤差的曲線圖。
具體實施例方式一方面，這裡公開的實施例涉及一種用於使用伽瑪射線測量容器中的流體的密度的方法。在其它方面中，這裡公開的實施例涉及一種用於使用伽瑪射線優化容器中的流體的密度的測量的方法。具體地，這裡公開的實施例涉及一種用於通過檢測來自伽瑪射線源的由流體反向散射的伽瑪射線的強度來優化容器中的流體的密度的測量的方法。如這裡所使用，「反向散射」可以表示伽瑪射線自初始方向的偏轉。在一些實施例中，反向散射可以是各向同性的，例如，伽瑪射線在各個方向上隨機被散射。由於康普頓散射而發生反向散射。如這裡使用的，「流體」表示可以容納在容器內的氣體、液體和固體。流體可以包括含水液體、有機液體、單相系統和諸如泡沫、乳狀液和流態化顆粒的多相系統。參照圖1，顯示了根據一個或多個實施例的伽瑪射線源和檢測器的示意圖。伽瑪射線源/檢測器系統100具有包含在容器壁104內的流體102。伽瑪射線源頭部106安裝在容器壁104上。伽瑪射線源頭部106具有用於安全考慮並限制或警告對指定測量不起作用的伽瑪輻射的屏蔽件108。伽瑪射線檢測器110相對於伽瑪射線源頭部106在位置112處安裝在容器壁上。根據這裡公開的實施例，位置112被測量為從伽瑪射線源頭部106的中心到伽瑪射線檢測器110的中心。然而，本領域的技術人員要認識到伽瑪射線源和伽瑪射線檢測器的相對位置也可以通過其它方法確定。例如，該位置可以通過參照一些外部點來確定。根據這裡公開的一個或多個實施例，伽瑪射線源頭部106發射穿過容器壁104並進入到流體102中的伽瑪放射線114。伽瑪放射線114然後被從流體102反向散射並通過伽瑪射線檢測器110被檢測。伽瑪射線檢測器110通過測量與接收到的伽瑪放射線量直接相關的計數率來操作。圖2(a)是示出了根據這裡公開的實施例的作為流體102的密度的函數的來自檢測器 110的反向散射的計數率的經驗圖。在該示例性實施例中，厚壁為1.5英寸。如可以從圖 2(a)看到，0.75gcc (克每立方釐米)的密度可以產生與0. Igcc的密度的計數率相同的計數率。因此，操作範圍可以被分成為兩個區域。例如，這裡公開的實施例可以限於如由在圖2(a)的曲線中的最大值之前的密度所示的低密度區域。類似地，這裡公開的一個或多個實施例可以限於由圖2(a)的曲線的最大值之後的密度表示的高密度區域。在圖2(a)中，計數率為最大值時的密度被表示為Pm。 具體地，在許多工業應用中，例如煉油廠，流體可能主要為具有0. Sgcc密度或更高密度的油。作為又一個實例，開採流體中的工業應用可以主要為具有1. Ogcc密度或更大密度的水。圖2(b)是根據這裡公開的實施例的作為密度的函數的伽瑪射線檢測的密度測量誤差。密度測量的精度或密度測量誤差可以取決於圖2(a)中所示的曲線的斜率。例如，解析度σ ρ可以表示為
權利要求
1.一種用於確定流體的密度的方法，所述方法包括以下步驟 緊鄰容器設置伽瑪射線源，所述容器內設有流體；確定伽瑪射線檢測器相對於所述伽瑪射線源的最佳位置； 將伽瑪射線檢測器設置在所述最佳位置處；以及測量所述流體的密度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，確定所述最佳位置的步驟包括 確定所述容器的壁厚；估算所述流體的密度；以及根據所述壁厚和所述流體的密度的估算值選擇所述伽瑪射線檢測器的最佳位置，以最大化所述密度測量的精度。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述伽瑪射線檢測器的最佳位置被選擇成相對於所述伽瑪射線源被定位在32g/cm2+P處，其中P為所述流體的密度的估算值。
4.根據權利要求2所述的方法，還包括以下步驟 測量所述流體的密度的測量精度；將所述流體的密度的所述估算值與所述流體的測量密度進行比較； 根據所述容器壁厚和所述伽瑪射線檢測器的最佳位置確定所述流體的密度的估算的測量精度；將所述流體的密度的所述測量精度與所述流體的密度的所述估算的測量精度進行比較；以及如果需要，調節所述伽瑪射線檢測器相對於所述伽瑪射線源的最佳位置。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，確定所述最佳位置的步驟包括 確定所述容器的壁厚；緊鄰所述伽瑪射線源設置伽瑪射線檢測器； 測量初始密度；以及根據所述壁厚和所述流體的所述初始密度選擇所述伽瑪射線檢測器的最佳位置，以最大化所述密度測量的精度。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述伽瑪射線檢測器的最佳位置被選擇成相對於所述伽瑪射線源被定位在32g/cm2+P處，其中P為所述流體的密度的估算值。
7.根據權利要求5所述的方法，還包括以下步驟 測量所述流體的密度的測量精度；根據所述容器壁厚和所述伽瑪射線檢測器的最佳位置確定所述流體的密度的估算的測量精度；將所述流體的密度的所述測量精度與所述流體的密度的所述估算的測量精度進行比較；以及如果需要，根據所述精度與所述估算精度的比較結果來調節所述伽瑪射線檢測器相對於所述伽瑪射線源的最佳位置。
8.一種用於優化伽瑪射線檢測器的位置以確定容器中的流體的密度的方法，所述方法包括以下步驟緊鄰容器設置伽瑪射線源，所述容器內設有所述流體；確定伽瑪射線檢測器相對於所述伽瑪射線源的最佳位置；相對於所述伽瑪射線源將至少一個伽瑪射線檢測器設置在所述最佳位置處；以及由所述伽瑪射線檢測器測量所述流體的密度。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，確定所述最佳位置的步驟包括 確定所述容器的壁厚；確定所述流體的密度的估算值；以及根據所述壁厚和所述流體的密度的所述估算值選擇所述伽瑪射線檢測器的最佳位置， 以最大化所述密度測量的精度。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述伽瑪射線檢測器的最佳位置被選擇成相對於所述伽瑪射線源被定位在32g/cm2+P處，其中P為所述流體的密度的所述估算值。
11.根據權利要求9所述的方法，還包括以下步驟將所述流體的密度的所述估算值與所述流體的測量密度進行比較； 測量所述流體的密度的測量精度；根據所述容器壁厚和所述伽瑪射線檢測器的最佳位置確定所述流體的密度的估算的測量精度；將所述流體的密度的所述測量精度與所述流體的密度的所述估算的測量精度進行比較；以及調節所述伽瑪射線檢測器相對於所述伽瑪射線源的最佳位置。
12.根據權利要求8所述的方法，其中，確定所述最佳位置的步驟包括 確定所述容器的壁厚；緊鄰所述伽瑪射線源設置伽瑪射線檢測器； 測量初始密度；以及根據所述壁厚和所述流體的所述初始密度選擇所述伽瑪射線檢測器的最佳位置，以最大化所述密度測量的精度。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述伽瑪射線檢測器的最佳位置被選擇成相對於所述伽瑪射線源被定位在32g/cm2+P處，其中P為所述流體的密度的所述估算值。
14.根據權利要求12所述的方法，還包括以下步驟 測量所述流體的密度的所述測量精度；根據所述容器壁厚和所述伽瑪射線檢測器的最佳位置確定所述流體的密度的估算的測量精度；將所述流體的密度的所述測量精度與所述流體的密度的所述估算的測量精度進行比較；以及根據所述精度和所述估算精度的比較結果調節所述伽瑪射線檢測器相對於所述伽瑪射線源的最佳位置。
全文摘要
本發明提供了一種用於確定流體的密度的方法，該方法包括以下步驟緊鄰容器設置伽瑪射線源，所述容器內含有流體。確定伽瑪射線檢測器相對於伽瑪射線源的最佳位置。伽瑪射線檢測器被定位在最佳位置處，並且測量流體的密度。
文檔編號G01N9/24GK102374959SQ20111022355
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月5日 優先權日2010年8月6日
發明者亞歷克斯·庫利克, 亞歷山大·約瑟夫·葉辛, 尼古拉·巴圖林, 王海 申請人:思姆菲舍爾科技公司