измерение плотности с использованием обратного рассеяния гамма-излучения

Формула изобретения

1. Система для измерения плотности текучей среды в резервуаре, содержащая:

по меньшей мере один источник гамма-излучения, расположенный рядом с резервуаром;

множество детекторов гамма-излучения, расположенных рядом с резервуаром и размещенных по отношению друг к другу по окружности вокруг резервуара,

при этом упомянутое множество детекторов гамма-излучения сконфигурировано таким образом, чтобы обнаруживать гамма-излучение от упомянутого по меньшей мере одного источника гамма-излучения, рассеянное в обратном направлении текучей средой; и

конвертер для преобразования обнаруженного гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, в величину плотности.

2. Система для измерения плотности по п.1, в которой конвертер содержит:

блок для преобразования обнаруженного гамма-излучения в сигнал постоянного тока; и

компьютер для преобразования сигнала постоянного тока в величину плотности.

3. Система для измерения плотности по п.2, дополнительно содержащая графический терминал для отображения сигнала постоянного тока, величины плотности или их комбинации.

4. Система для измерения плотности по п.2, в которой компьютер принимает сигнал постоянного тока от нескольких детекторов и определяет среднюю плотность.

5. Система для измерения плотности по п.1, в которой источник и детектор расположены раздельно под углом 60° или менее.

6. Система для измерения плотности по п.1, в которой источник гамма-излучения выбран из группы, состоящей из цезия-137 и кобальта-60.

7. Система для измерения плотности по п.1, в которой указанный по меньшей мере один детектор гамма-излучения содержит по меньшей мере один детектор из сцинтиллятора на базе иодида натрия, сцинтиллятора на базе иодида цезия, пластикового сцинтиллятора, счетчика Гейгера, пропорционального счетчика, полупроводникового и ионизационного детектора.

8. Система для измерения плотности по п.1, причем упомянутая система содержит один источник гамма-излучения и по меньшей мере два детектора гамма-излучения.

9. Система для измерения плотности по п.1, причем упомянутая система содержит по меньшей мере два источника гамма-излучения и по меньшей мере два детектора гамма-излучения.

10. Система для измерения плотности по п.1, в которой диаметр резервуара составляет более 1,5 м, и интенсивность источника гамма-излучения составляет менее 1 Ки.

11. Система для измерения плотности по п.1, в которой диаметр резервуара составляет более 3,0 м, и интенсивность источника гамма-излучения составляет менее 1 Ки.

12. Система для измерения плотности по п.1, в которой упомянутое множество детекторов гамма-излучения расположено относительно друг друга в осевом направлении вдоль длины резервуара.

13. Способ определения свойств текучей среды в резервуаре, при этом способ содержит этапы, на которых:

размещают источник гамма-излучения рядом с резервуаром;

размещают множество детекторов гамма-излучения рядом с резервуаром таким образом, что упомянутое множество детекторов гамма-излучения расположено относительно друг друга по окружности вокруг резервуара;

обнаруживают гамма-излучение от источника гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении текучей средой, с помощью упомянутого множества детекторов гамма-излучения;

определяют плотность текучей среды на основании интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении и воспринятого упомянутым множеством детекторов гамма-излучения.

14. Способ по п.13, также содержащий получение калибровочной кривой для использования при определении плотности текучей среды.

15. Способ по п.13, в котором указанное определение включает интерполирование плотности с использованием калибровочной кривой.

16. Способ по п.13, также содержащий преобразование обнаруженного гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, в сигнал постоянного тока.

17. Способ по п.16, также содержащий преобразование сигнала постоянного тока в величину плотности.

18. Способ по п.17, также содержащий отображение по меньшей мере одного сигнала постоянного тока и величины плотности на видеотерминале.

19. Способ контроля плотности текучей среды в резервуаре, в котором данный резервуар образует один из компонентов процесса, данный способ содержит:

размещение источника гамма-излучения рядом с резервуаром;

размещение множества детекторов гамма-излучения рядом с резервуаром таким образом, что упомянутое множество детекторов гамма-излучения расположено относительно друг друга по окружности вокруг резервуара;

обнаружение гамма-излучения от источника гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении текучей средой, с помощью упомянутого множества детекторов гамма-излучения;

определение плотности текучей среды на основании интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении и воспринятого упомянутым множеством детекторов гамма-излучения; и

регулирование по меньшей мере одного параметра процесса для изменения плотности.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления, раскрытые здесь, относятся в основном к измерениям плотности текучей среды в резервуаре с использованием гамма-излучения. Более конкретно раскрытые здесь варианты осуществления относятся к измерению плотности текучей среды в резервуаре посредством определения интенсивности гамма-излучения от источника гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении данной текучей средой.

Уровень техники

Гамма-излучение используется для измерения плотности и уровня текучих сред в резервуаре посредством использования источника гамма-излучения, расположенного напротив детектора гамма-излучения. Эти измерения плотности и уровня по прохождению гамма-излучения применимы в тех случаях, когда материалы, подлежащие измерению, являются опасными, экстремально горячими или же когда невозможны измерения при непосредственном контакте со средой. Кроме того, источник и детектор устанавливаются с внешней стороны резервуара, и не требуется модификация резервуара. Гамма-излучение, испускаемое источником, может поглощаться или ослабляться резервуаром и материалом в резервуаре. Интенсивность гамма-излучения, достигающего детектора, расположенного напротив источника, может быть использована для определения плотности или уровня текучей среды в резервуаре с учетом интенсивности источника.

При измерении, например, уровня текучей среды несколько источников и/или детекторов гамма-излучения могут быть расположены на противоположных сторонах резервуара, при этом наличие или отсутствие сигнала (или номинальный низкий сигнал) может указывать на наличие или отсутствие текучей среды в пространстве между источником и детектором. Размер резервуара в случае детектора наличия сигнала/отсутствия сигнала может быть много большим, чем в случае денситометра с использованием гамма-излучения, как описано ниже, поскольку гамма-излучение не так значительно поглощается или ослабляется парами внутри резервуара.

Что касается плотности текучей среды, то, например, текучая среда, проходящая между источником гамма-излучения и детектором, может поглощать или ослаблять гамма-излучение, испускаемое источником. Высокий отсчет радиации указывает на низкую плотность текучей среды, в то время как низкий отсчет указывает на высокую плотность текучей среды.

На Фиг.1 представлен один из примеров денситометра с использованием прохождения гамма-излучения в соответствии с известным уровнем техники. Корпус (не показан) может быть установлен на цилиндрической трубе или резервуаре 10 с каналом 12, содержащим текучую среду 13. Источник 14 гамма-излучения расположен на одной стороне канала 12, а детектор 15 гамма-излучения расположен на противоположной стороне. Излучение, создаваемое источником 14, имеет постоянную интенсивность в течение длительного периода времени (стохастическую интенсивность в течение ограниченного промежутка времени) эмиссии гамма-излучения. Гамма-излучение проходит через материал, окружающий канал 12, и текучую среду 13 внутри канала 12 к детектору 15. Детектор 15 может быть, например, кристаллом иодида натрия или цезия (активированного таллием) или иного материала, способного к сцинтилляции при облучении, и может включать фотоэлектронный умножитель для преобразования световых вспышек при сцинтилляции кристалла в электрический импульс.

Основной переменной по отношению к величине гамма-излучения, эмитированного источником 14, которое достигает детектора 15, является текучая среда 13, находящаяся внутри резервуара 10. Некоторая доля гамма-излучения, эмитированного источником 14, поглощается или ослабляется текучей средой 13 и не достигает детектора 15. Соответственно число счетов в единицу времени выходного сигнала фотоэлектронного умножителя детектора 15 может быть связано с плотностью текучей среды 13, через которую должно проходить излучение, чтобы достигнуть детектора 15, и интенсивностью источника 14.

Однако измерение плотности по прохождению при использовании гамма-излучения практически осуществимо лишь для ограниченных размеров резервуара и/или плотностей текучей среды. Например, для аналогичного источника при более высоких плотностях текучей среды такая текучая среда может поглощать больше гамма-излучения, что приводит к уменьшению гамма-излучения, достигающего детектор. Аналогичным образом при увеличенном размере резервуара гамма-излучение должно проходить через большее количество материала (резервуара и текучей среды), поглощающего гамма-излучение, что приводит к уменьшению гамма-излучения, достигающего детектор. Поэтому измерения плотности с использованием гамма-излучения, проводимые таким образом, применимы на практике лишь для резервуаров диаметром до 1 метра или менее.

Толщина резервуара также может ограничивать эффективность измерений плотности по прохождению гамма-излучения. Поскольку резервуары поглощают и ослабляют гамма-излучение аналогично текучим средам, то увеличенная толщина стенки может приводить к уменьшению гамма-излучения, достигающего детектор. Толщина резервуара может регулироваться нормами, такими как ASME или другие технические условия в отношении резервуаров, в которых требуемая толщина может быть основана на рабочем давлении и природе текучей среды (корродирующая, эрозийная, реакционноспособная и т.п.). Кроме того, величины запаса надежности в отношении резервуаров, принятые в настоящее время, могут увеличиваться и могут дополнительно ограничивать эффективность измерений по прохождению излучения.

Другим недостатком использования в настоящее время гамма-излучения для измерений плотности по его прохождению является то, что телесный угол, замыкаемый детектором фиксированного размера, и соответственно число счетов в единицу времени масштабируется обратно пропорционально размеру резервуара в квадрате. Число счетов в единицу времени n может быть приближенно выражено следующим уравнением6:

где n - число счетов в единицу времени, d - диаметр резервуара и - длина поглощения, которая зависит от плотности. Для одинаковых детекторов более низкое значение числа счетов в единицу времени может привести к более высокой величине ошибки или может потребовать источник большей интенсивности для поддержания требуемой точности. В качестве альтернативы при увеличении размера резервуара может быть увеличен размер детектора, чтобы поддерживать постоянное число счетов в единицу времени. В любом случае увеличение размера источника и/или размера детектора неизбежным образом приведет к увеличению затрат.

Для преодоления ограничений по толщине, размеру и плотности интенсивность источника гамма-излучения может быть увеличена, что соответственно приводит к количеству гамма-излучения, достигающего детектор, которое может быть измерено. Однако каждый из таких факторов, как стоимость, безопасность, комплексная эффективность и надежность, может ограничивать интенсивность источника, который может быть использован. Например, использование радиоактивного источника связано с необходимостью обеспечения безопасности персонала и защиты окружающей среды и требует экранирования свинцом или вольфрамом для защиты персонала, принятия специальных мер предосторожности при обращении и специального оборудования, а также особых процедур при размещении и коррекции. Кроме того, поскольку гамма-излучение испускается из точечного источника, а не из направленного источника, то при увеличении размера источника должна быть увеличена степень экранирования, чтобы сдерживать излучение в других направлениях, кроме направления через резервуар, что приводит к дополнительным расходам.

В отношении комплексной эффективности, например, на химическом заводе может оказаться желательным использование датчиков для измерения уровня и плотности с использованием гамма-излучения на нескольких резервуарах. Однако при увеличении числа датчиков или увеличении интенсивности источников гамма-излучения для преодоления ограничений по размеру могут возникать перекрестные помехи между источниками гамма-излучения и детекторами на соседних резервуарах, что приводит к пониженной эффективности и потенциальной возможности получения ошибочных данных.

Что касается безопасности, то вследствие возрастания во всем мире озабоченности в отношении распространения и возможной контрабанды или иных видов транспортировки радиоактивных материалов и ядерного топлива правительства штатов, местные и национальные правительства регламентируют требования к безопасности оборудования с учетом общего количества радиоактивного материала, которое может иметься на одном месте. Например, в штате Техас требуются дополнительные меры безопасности (например, контроль фона, доступность для осмотра и т.п.) для оборудования, в котором суммарная величина радиоактивности в кюри превышает 27 кюри, при этом суммарная величина радиоактивности определяется с учетом всех источников радиоактивности в данном оборудовании. Соответственно использование источников большей величины для преодоления размеров резервуаров по размеру может привести к увеличенной потребности в безопасности при дополнительных затратах.

Таким образом, имеется потребность в датчиках плотности с использованием гамма-излучения, которые могут быть использованы на больших резервуарах. Кроме того, имеется потребность в бесконтактных датчиках плотности, которые требуют источников излучения с уменьшенной интенсивностью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из аспектов раскрытые здесь варианты осуществления относятся к устройству для измерения плотности текучей среды в резервуаре. Данное устройство включает: по меньшей мере один источник гамма-излучения, расположенный рядом с резервуаром; по меньшей мере один детектор гамма-излучения, расположенный рядом с резервуаром, при этом по меньшей мере один детектор гамма-излучения сконфигурирован таким образом, чтобы обнаруживать гамма-излучение от по меньшей мере одного источника гамма-излучения, рассеянное в обратном направлении текучей средой; и конвертер для преобразования обнаруженного гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, в величину плотности.

В другом аспекте раскрытые здесь варианты осуществления относятся к способу определения свойств текучей среды в резервуаре. Данный способ включает: размещение источника гамма-излучения рядом с резервуаром; размещение детектора гамма-излучения рядом с резервуаром; обнаружение гамма-излучения от источника гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении текучей средой, детектором гамма-излучения; определение плотности текучей среды на основании интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении и воспринятого детектором гамма-излучения.

В еще одном аспекте раскрытые здесь варианты осуществления относятся к способу контроля плотности текучей среды в резервуаре, в котором данный резервуар образует один из компонентов производственного процесса. Данный способ включает: размещение источника гамма-излучения рядом с резервуаром; размещение детектора гамма-излучения рядом с резервуаром; обнаружение гамма-излучения от источника гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении текучей средой, детектором гамма-излучения; определение плотности текучей среды на основании интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении и воспринятого детектором гамма-излучения; и регулирование по меньшей мере одного технологического параметра для изменения плотности.

Другие особенности и преимущества данного изобретения будут ясны из представленного ниже описания и прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой упрощенное схематическое изображение денситометра с использованием прохождения гамма-излучения в соответствии с прототипом.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение с обозначением одного из возможных путей прохождения гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, который может иметь место при достижении им детектора гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.4 представляет собой схематическое изображение с обозначением одного из возможных путей прохождения гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, который может иметь место при достижении им детектора гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.5 представляет собой схематическое изображение с обозначением одного из возможных путей прохождения гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, который может иметь место при достижении им детектора гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.6 представляет собой схематическое изображение с обозначением одного из возможных путей прохождения гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, который может иметь место при достижении им детектора гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.7 представляет собой схематическое изображение устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.8 представляет собой схематическое изображение устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения, которое содержит два детектора и один источник, расположенные вдоль окружности, в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.9a-9b представляют собой схематические изображения устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения, которое содержит несколько детекторов и несколько источников, расположенных вдоль осевого направления, в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.10a-10b представляют собой схематические изображения устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения, которое содержит несколько детекторов, расположенных под разными углами по отношению к источнику гамма-излучения, в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления.

Фиг.11 представляет собой график, изображающий интенсивность обнаруживаемого гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, для различных текучих сред при моделировании методом Монте-Карло изложенных здесь вариантов осуществления устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения.

Фиг.12a-12b представляют собой графики, изображающие интенсивность обнаруживаемого гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении, для различных текучих сред при моделировании методом Монте-Карло изложенных здесь вариантов осуществления устройства для измерения плотности с использованием гамма-излучения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В одном из аспектов раскрытые здесь варианты осуществления относятся к измерению плотности текучей среды в резервуаре при использовании гамма-излучения. В других аспектах раскрытые здесь варианты осуществления относятся к измерению плотности текучей среды в резервуаре с использованием гамма-излучения, при котором диаметр резервуара более 1 метра. В частности, раскрытые здесь варианты осуществления относятся к измерению плотности текучей среды в резервуаре посредством определения интенсивности гамма-излучения от источника гамма-излучения, рассеянного данной текучей средой в обратном направлении.

Как использовано здесь, «обратное рассеяние» может относиться к отклонению гамма-излучения от первоначального направления. В некоторых вариантах осуществления обратное рассеяние может быть изотропным таким, когда гамма-излучение рассеивается неупорядоченным образом в разных направлениях. Обратное рассеяние происходит вследствие комптоновского рассеяния.

Как использовано здесь, «текучая среда» относится к газам, жидкостям и твердым телам, которые могут находиться в резервуаре. Текучие среды могут включать водные жидкости, органические жидкости, однофазные системы и многофазные системы, такие как пены, эмульсии и псевдоожиженные частицы.

Как использовано здесь, «диаметр» относится к эффективному диаметру трубы или резервуара, независимо от геометрии резервуара или трубы. Хотя в описании и на чертежах указаны цилиндрические резервуары, специалисту в данной области техники понятно, что описанные здесь измерительные устройства с использованием обратного рассеяния гамма-излучения могут быть использованы с резервуарами и трубами другой геометрии.

На Фиг.2 представлен один из примеров денситометра с использованием гамма-излучения. Цилиндрическая труба или резервуар 100 может иметь канал 102, через который пропускают текучую среду 103. По меньшей мере один источник гамма-излучения 104 может быть размещен рядом с трубой или резервуаром 100, а детектор гамма-излучения 105 может быть позиционирован, чтобы обнаруживать рассеянное в обратном направлении гамма-излучение от данного по меньшей мере одного источника гамма-излучения 104.

Некоторая доля гамма-излучения, эмитированного источником гамма-излучения 104, может быть поглощена или ослаблена резервуаром 100 и текучей средой 103 и не достигает детектора гамма-излучения 105. Например, гамма-излучение может следовать по пути 106, подвергаясь одному или нескольким рассеяниям от электронов атомов, и в конечном счете поглощается или теряет энергию, не достигая детектора 105.

Часть гамма-излучения, эмитированного источником 104, может быть отклонена, с ослаблением или без него, таким образом, что достигает детектора 105. Например, гамма-излучение может следовать по пути 107, подвергаясь одному или нескольким рассеяниям и в конечном счете достигая детектора 105. Интенсивность гамма-излучения, достигающего детектор 105, может быть связана с плотностью текучей среды 103, через которую должно проходить гамма-излучение, чтобы достигнуть детектора 105, и интенсивностью источника 104.

Как представлено на Фиг.3-6, гамма-излучение может достигнуть детектора посредством различных механизмов. Гамма-излучение может проходить по разным путям 150, которые могут быть в общем виде классифицированы следующим образом: рассеяние в текучей среде (Фиг.3); рассеяние в стенках резервуара (Фиг.4); рассеяние с внешней стороны резервуара (Фиг.5); рассеяние от противоположной стенки (Фиг.6). Рассеяние от противоположной стенки, как представлено на Фиг.6, обычно происходит лишь при очень низких плотностях текучей среды, таких как, например, воздух.

Рассеяние с внешней стороны резервуара, как представлено на Фиг.5, может составлять значительную часть общего воспринятого гамма-излучения для текучих сред с высокой плотностью (песок) и может также быть значительным в случае текучих сред промежуточной плотности. Рассеяние в стенках, как представлено на Фиг.4, может происходить в случае текучих сред низкой плотности, однако оно обычно отсутствует в случае текучих сред высокой плотности. Рассеяние в материале, как представлено на Фиг.3, доминирует в случае текучих сред средней плотности (0,2-0,8 г/см³).

Гамма-излучение, рассеянное в обратном направлении, которое измерено детектором, может в некоторых вариантах осуществления включать каждый из рассмотренных выше случаев обратного рассеяния. В других вариантах осуществления может быть использовано экранирование, чтобы предотвратить или свести к минимуму интенсивность излучения, рассеянного в обратном направлении вследствие одного или нескольких факторов, иных, чем рассеяние текучей средой. Например, источник, детектор или они оба могут быть соответствующим образом экранированы, чтобы предотвратить достижение детектора излучением, рассеянным с внешней стороны резервуара.

На Фиг.7 представлен один из вариантов осуществления измерителя плотности при использовании обратного рассеяния гамма-излучения, связанного с компьютером или цифровой системой контроля («DCS»). Один или несколько источников гамма-излучения 200 могут быть распределены вдоль окружности или же распределены в аксиальном направлении вдоль высоты резервуара или трубы 210. Один или несколько детекторов гамма-излучения 220 могут быть расположены взаимосвязано с источниками 200, чтобы обнаруживать гамма-излучение от соответствующего источника, рассеянное в обратном направлении. Использование нескольких источников и/или детекторов может обеспечить более точное определение плотности текучей среды, как это будет описано ниже.

Один или несколько детекторов могут быть связаны с интенсиметром 230. Интенсиметр 230 может преобразовывать импульсы энергии, созданные детекторами 220, в сигнал постоянного тока, который пропорционален обнаруженной интенсивности гамма-излучения. Интенсивность, при которой гамма-излучение обнаруживается, будет являться функцией плотности текучей среды рядом с детектором 230 и соответствующим источником 200. Сигналы постоянного тока могут быть интерполированы при использовании компьютера или DCS 240 с визуальным представлением вычисленной величины плотности, соответствующей измеренной интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении.

Плотность текучей среды может изменяться в пределах внутреннего пространства трубы или резервуара 200 в радиальном и/или осевом направлении. Ограниченная область, в пределах которой измерительный прибор, как описано здесь, может измерять плотность, не всегда может обеспечивать точное представление об объемной плотности текучей среды, например, такой, в которой турбулентность потока не обеспечивает хорошего перемешивания текучей среды. В случае, когда более одного детектора 230 размещено вдоль резервуара 210, интерполированные величины плотности, выдаваемые DCS 240, могут быть усреднены. Усредненная величина плотности может являться более точным представлением плотности текучей среды, поскольку несколько детекторов измеряют плотность текучей среды лишь в ограниченной области рядом с источником(ами) и детекторами.

На фиг.8 и 9a-9b представлены устройства для измерения плотности, в которых один или несколько источников объединены с одним или несколькими детекторами, чтобы обеспечить несколько измерений плотности текучей среды внутри резервуара или трубы. На фиг.8 источник гамма-излучения 300 может быть расположен на расстоянии от двух детекторов гамма-излучения 310 в окружном направлении. Между источником гамма-излучения 300 и детекторами гамма-излучения 310 может быть предусмотрено экранирование 320. Таким образом, измерения плотности могут быть выполнены для текучей среды в двух областях резервуара 330 при использовании лишь одного источника гамма-излучения 300. В качестве альтернативы размещению детекторов гамма-излучения 310 вдоль окружности или совместно с таким расположением детекторы гамма-излучения могут быть размещены вдоль окружного или вдоль осевого направления по отношению к источнику гамма-излучения 300, чтобы обеспечить измерения плотности текучей среды в резервуаре 330.

Как показано на Фиг.9a (вид сверху) и 9b (вид сбоку), несколько источников гамма-излучения 400 могут быть позиционированы в осевом и в окружном направлении вдоль резервуара или трубы 410. Один или несколько детекторов гамма-излучения 420 размещены соответствующим образом, чтобы измерить рассеянное в обратном направлении гамма-излучение от источника гамма-излучения 400. Экранирование (не показано) может быть предусмотрено, чтобы свести к минимуму перекрестные помехи между разными источниками гамма-излучения и детекторами. Кроме того, с учетом плотности рабочей текучей среды и диаметра резервуара детекторы могут быть расположены на расстоянии друг от друга таким образом, чтобы прохождение и/или обратное рассеивание излучения от одного из источников гамма-излучения к детектору гамма-излучения было сведено к минимуму или устранено.

Как описано выше, детекторы гамма-излучения могут быть позиционированы, чтобы обнаруживать рассеянное в обратном направлении гамма-излучение от источника гамма-излучения. В некоторых вариантах осуществления детекторы гамма-излучения могут быть позиционированы по отношению к источнику гамма-излучения таким образом, чтобы обнаруживать рассеянное в обратном направлении гамма-излучение от источника гамма-излучения, и позиционированы таким образом, чтобы проходящее гамма-излучение, достигающее детектора, было сведено к минимуму или полностью отсутствовало.

В некоторых вариантах осуществления источник гамма-излучения может быть размещен в окружном направлении от соответствующего детектора гамма-излучения, при этом угол ( 1 или 2) между источником гамма-излучения и детектором гамма-излучения может составлять 90 градусов или менее, как представлено на Фиг.10a. Угол может составлять 75 градусов или менее в других вариантах осуществления; 60 градусов или менее в других вариантах осуществления; 45 градусов или менее в других вариантах осуществления; 30 градусов или менее в других вариантах осуществления; и 15 градусов или менее в еще одних вариантах осуществления.

В некоторых вариантах осуществления детектор гамма-излучения может быть размещен вдоль осевого направления от соответствующего детектора гамма-излучения, при этом угол ( 1 или 2) может составлять 60 градусов или менее, как представлено на Фиг.10b. Угол может составлять 45 градусов или менее в других вариантах осуществления; 30 градусов или менее в других вариантах осуществления; и 15 градусов или менее в еще одних вариантах осуществления.

В случае, когда несколько детекторов гамма-излучения размещено взаимосвязано с соответствующим источником гамма-излучения, углы , между данным источником и соответствующими детекторами могут быть одинаковыми или разными, такими как углы 1 и 2, показанные на Фиг.10a, и углы 1 и 2 на Фиг.10b. В некоторых вариантах осуществления несколько детекторов гамма-излучения могут быть расположены с одной и той же стороны источника гамма-излучения, в других вариантах осуществления детекторы гамма-излучения могут быть расположены с противоположных сторон источника гамма-излучения.

Помимо получения величины средней плотности, как описано выше, несколько детекторов вдоль окружности или высоты/длины трубы или резервуара 200 могут быть использованы для генерации профиля текучей среды в трубе или резервуаре 200. Например, как представлено на фиг.9a и 10a, детекторы, расположенные в окружном направлении, могут обеспечивать индикацию изменения плотности между угловыми сечениями трубы или резервуара 200, такими как квадрант или октант. В качестве другого примера, как представлено на фиг.9b и 10b, детекторы, расположенные вдоль осевого направления, могут обеспечивать индикацию градиента плотности в осевом направлении.

Измерение градиентов плотности в осевом и/или радиальном направлении может обеспечивать индикацию степени осаждения или перемешивания, которое может происходить в резервуаре или трубе 200. Например, градиент плотности в осевом направлении может указывать степень осаждения твердотельного материала из суспензии, содержащейся в резервуаре 200. В качестве другого примера, градиенты плотности в разных радиальных направлениях могут указывать на стационарный, ламинарный или турбулентный поток в трубе 200. В случае, когда труба или резервуар 200 образуют некоторый компонент в ходе процесса, возможно регулирование одного или нескольких технологических параметров в соответствии с профилем плотности, чтобы, например, увеличить степень перемешивания или уменьшить степень осаждения.

Источник гамма-излучения может включать цезий-137, америций-241, радий-226, иридий-192 и кобальт-60. В некоторых вариантах осуществления активность источника может находиться в интервале от 0,1 мКи до 10 Ки. В других вариантах осуществления активность источника может составлять менее 5 Ки; менее 2 Ки в других вариантах осуществления; и менее 1 Ки в еще одних вариантах осуществления.

Вследствие выполнения измерений с использованием обратного рассеяния по сравнению с обычным прохождением активность источника может быть сведена до минимума при обеспечении возможности измерения плотности текучей среды в резервуаре. В некоторых вариантах осуществления источник подобного размера может быть использован для резервуаров, диаметр которых находится в интервале от 1 метра до 10 метров. В других вариантах осуществления источник подобного размера может быть использован для резервуаров с толщиной стенки в интервале от 0,01 дюйма до 6,0 дюймов или более.

В избранных вариантах осуществления измерения плотности могут быть выполнены при использовании обратного рассеяния гамма-излучения посредством облучения резервуара диаметром более 1,5 метров одним или несколькими источниками гамма-излучения с интенсивностью менее 2 Ки; менее 1 Ки в других вариантах осуществления; менее 500 мКи в других вариантах осуществления; менее 100 мКи в других вариантах осуществления; и менее 10 мКи в еще одних вариантах осуществления. В других вариантах осуществления измерения плотности могут быть выполнены при использовании обратного рассеяния гамма-излучения посредством облучения резервуара диаметром более 3 метров одним или несколькими источниками гамма-излучения с интенсивностью менее 2 Ки; менее 1 Ки в других вариантах осуществления; менее 500 мКи в других вариантах осуществления; менее 100 мКи в других вариантах осуществления; и менее 10 мКи в еще одних вариантах осуществления.

Детекторы гамма-излучения, применимые в изложенных здесь вариантах осуществления, могут включать сцинтилляторы, такие как иодид натрия, иодид цезия и пластиковые сцинтилляторы. В некоторых вариантах осуществления детекторы гамма-излучения могут включать фотоэлектронные умножители. В других вариантах осуществления детекторы гамма-излучения могут включать пластиковые сцинтилляторы, такие как, например, сцинтиллятор на базе поливинилтолуола (PVT). В еще одних вариантах осуществления детекторы гамма-излучения могут включать ионизационные камеры, счетчики Гейгера, пропорциональные счетчики, полупроводниковые или иные детекторы, пригодные для обнаружения гамма-излучения. В случае, когда варианты осуществления устройства для измерения плотности, раскрытые здесь, содержат несколько детекторов, данные детекторы могут быть одинаковыми детекторами гамма-излучения или же детекторами разного вида.

Измерители плотности с использованием обратного рассеяния гамма-излучения в соответствии с изложенными здесь вариантами осуществления могут измерять плотность текучей среды в резервуаре, при этом плотность текучей среды может находиться в интервале от 0,05 г/см³ до 7,0 г/см³. Эффективная плотность может находиться в интервале от 0,1 г/см³ до 4,0 г/см³ в других вариантах осуществления; и от 0,2 до 2,0 г/см³ в еще одних вариантах осуществления. В других вариантах осуществления один или несколько измерителей плотности с использованием обратного рассеяния гамма-излучения могут быть использованы совместно с одним или несколькими измерителями плотности с использованием проходящего гамма-излучения.

В других вариантах осуществления плотность текучей среды в трубе или резервуаре может контролироваться посредством изменения одного или нескольких технологических параметров на основании измеренной плотности. Например, в случае, когда труба или резервуар образуют некоторый компонент в ходе процесса, возможно регулирование одного или нескольких технологического параметров в соответствии с измерением плотности текучей среды в трубе или резервуаре при использовании обратного рассеяния гамма-излучения.

Датчики плотности с использованием обратного рассеяния гамма-излучения, описанные выше, могут быть использованы для измерения плотности текучей среды в резервуаре. Перед использованием датчика для выполнения работ или в производственном процессе такой датчик плотности с использованием обратного рассеяния гамма-излучения может быть откалиброван. Несколько текучих сред известной плотности могут быть пропущены через резервуар, который является тем же самым резервуаром, в котором данный датчик будет измерять плотность содержимого во время эксплуатации, или же сходным резервуаром. При этом могут быть определены и зарегистрированы величины счета гамма-излучения для текучих сред с известной плотностью, обеспечивая получение калибровочной кривой плотности (профиль счета). Затем при выполнении работ или в ходе производственного процесса измеренное число счетов для гамма-излучения может быть сравнено с данной калибровочной кривой плотности, чтобы определить плотность текучей среды; плотность данной текучей среды может быть интерполирована с учетом интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении.

ПРИМЕРЫ

Моделирование обратного рассеяния гамма-излучения

Число счетов в единицу времени (доля гамма-излучения, достигающего детектор) в зависимости от плотности текучей среды может быть смоделировано для частных случаев материала и геометрии резервуара, а также для состава текучей среды, при этом выполняют моделирование методом Монте-Карло комптоновского рассеяния гамма-излучения, выдавая число счетов в единицу времени для вводимой текучей среды.

На Фиг.11 представлена смоделированная зависимость числа счетов в единицу времени от плотности для цилиндрического резервуара диаметром 2 метра и высотой 2 метра со стальными стенками толщиной 4 см, полученная при моделировании с использованием источника ¹³⁷Cs 1 Ки и детектора 20×20 см. Результаты моделирования показывают, что песок, вода, тяжелые и легкие нефтепродукты и тяжелая и легкая пена могут быть однозначно идентифицированы по числу счетов в единицу времени для гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении.

Как описано выше, воздействие гамма-излучения на детектор с его тыльной и боковых сторон могут вызвать несколько видов рассеяния в обратном направлении, таких как прохождение излучения наружу от резервуара. Кроме того, моделирование выполняли для источника ¹³⁷Cs 1 Ки и детектора 20×20 см. На Фиг.12a (линейный масштаб) и 12b (логарифмический масштаб) представлены смоделированные результаты для общей величины счетов (верхняя линия) и величины счетов для излучения лишь с передней стороны счетчика (нижняя линия). Нежелательное число счетов для обратного рассеяния или разность между общим числом счетов в единицу времени и числом счетов с передней стороны детектора может составлять значительную долю общего числа счетов, особенно при высокой плотности.

Нежелательное рассеяние может быть предотвращено экранированием тыльной и боковых сторон счетчика. Экранирование источника также может оказаться эффективным для сведения к минимуму числа счетов, обусловленных нежелательным рассеянием. Для сведения к минимуму числа счетов, обусловленных нежелательным рассеянием, также может быть выполнено экранирование как источника, так и детектора.

Лабораторные испытания

Достоверность моделирования и принципа функционирования в целом испытывали в лаборатории посредством воздействия на сосуд с водой и аналогичный сосуд, заполненный измельченным углем или маслом для гидравлических систем. Хотя соотношения измеренных сигналов не было таким большим как на Фиг.12a-12b, они согласовались с соотношениями, спрогнозированными в ходе моделирования.

При данных испытаниях использовали источник ¹³⁷Cs 5 мКи для облучения сосуда емкостью 5 галлонов, заполненного текучей средой. Для обнаружения рассеянного излучения использовали пластиковый сцинтиллятор на базе PVT, который размещали по отношению к источнику таким образом, чтобы обнаруживать гамма-излучение, рассеянное в обратном направлении. Достаточное экранирование было размещено между источником и детектором, чтобы предотвратить прохождение гамма-излучения от источника к детектору, число счетов детектора соответственно включало лишь излучение, рассеянное в обратном направлении. Использованные текучие среды включали воду, измельченный уголь (от Southern Company Services, объемная плотность 0,7 г/см³) и масло для гидравлических систем (от Golden West, плотность 0,9 г/см³). Сосуды заполняли желательной текучей средой и измеряли число счетов в единицу времени.

На первом этапе детектор гамма-излучения размещали примерно на середине высоты сосуда на расстоянии примерно 1 дюйм от него. На втором этапе счетчик размещали на верхней стороне резервуара и располагали его как можно ближе к резервуару. Результаты первого и второго этапов представлены в Таблице 1 ниже.

Таблица 1
Материал	Измеренное число счетов в единицу времени (кГц/Ки)
Этап 1
Вода	11,40
Уголь	10,66
Этап 2
Вода	18,64
Масло	19,34
Уголь	17,62

Результаты первого и второго этапов показывают, что обратное рассеяние гамма-излучения может быть эффективно использовано для определения плотности текучей среды в резервуаре. Результаты первого и второго этапов сравнивали с результатами моделирования методом Монте-Карло, как представлено в Таблице 2 ниже.

Таблица 2
Материалы	Измеренное соотношение импульсов счета	Смоделированное соотношение импульсов счета
Уголь/Вода	0,935; 0,945 Средняя величина: 0,940	0,911±0,02
Масло/Вода	1,038	1,054±0,017

Сравнение результатов моделирования с результатами первого и второго этапов показывает, что результаты измерений находились в пределах двух стандартных отклонений результатов моделирования. Эти результаты могут отличаться вследствие изменения структуры резервуара и толщины стенок (по отношению к резервуару из стали 2 см), а также вследствие изменения относительного расположения источника и детектора. Кроме того, смоделированные и фактические результаты могут различаться вследствие изменений в смоделированных и фактических химических составах угля и масла.

Как проиллюстрировано вышеуказанными моделированием и экспериментами, каждый из таких факторов, как размер резервуара, материал и размещение источника/детектора, может влиять на число счетов в единицу времени, обусловленных обратным рассеянием гамма-излучения. В соответствии с этим перед эксплуатацией могут быть предусмотрены калибровочные кривые для каждой комбинации источник/детектор/резервуар, чтобы обеспечить точное измерение плотностей текучей среды во время работы.

Преимущественно изложенные здесь варианты осуществления могут предоставлять возможность бесконтактного измерения плотности посредством позиционирования детектора гамма-излучения по отношению к источнику гамма-излучения таким образом, чтобы обнаруживать обратное рассеяние гамма-излучения. Такое бесконтактное измерение может обеспечить измерение плотности в тех случаях, когда материал является опасным, экстремально горячим или же когда невозможны измерения при непосредственном контакте со средой. При измерениях посредством обнаружения обратного рассеяния гамма-излучения, гамма-излучение не должно проходить через весь диаметр сосуда, что может позволить использование источников гамма-излучения с более низкой интенсивностью, а также проведение измерений плотности в резервуарах большего размера по сравнению с размерами, допустимыми в настоящее время при измерениях с прохождением излучения.

Поскольку описанные здесь варианты осуществления измерений плотности при использовании обратного рассеяния гамма-излучения предоставляют возможность использования источников гамма-излучения с более низкой интенсивностью, то могут быть уменьшены перекрестные помехи между несколькими измерителями, использованными в производственном оборудовании. Использование источников с более низкой интенсивностью может также сделать возможным использование нескольких источников и/или детекторов для одного резервуара, что позволяет более точно отражать плотность текучей среды вследствие выполнения нескольких измерений. Кроме того, поскольку измерения при использовании обратного рассеяния позволяют использовать источники гамма-излучения с более низкой интенсивностью, то в производственном оборудовании могут быть использованы дополнительные измерительные приборы на одном и том же месте без нарушения более жестких норм безопасности, установленных правительством штата и федеральным правительством для мест с размещением умеренных количеств радиоактивного материала.

Хотя данное изобретение описано здесь с представлением ограниченного числа вариантов осуществления, специалисты в той области техники, в которой может быть с выгодой использовано изобретение, примут во внимание, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, которые не отклоняются от объема данного изобретения, как он раскрыт здесь. Соответственно объем данного изобретения должен быть ограничен лишь прилагаемой формулой изобретения.