专利名称：利用位置敏感型检测器检测背散射辐射的密度分布测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用位置敏感型检测器检测背散射辐射的密度分布测量。
背景技术：
伽马射线用于通过使用与伽玛射线检测器相对定位的伽玛射线源测量容器中的流体的密度和水位。这些穿透伽玛射线密度和水位测量在测量的物质危险、极热的情况下或者直接接触测量不可能的情况下是有用的。另外，源和检测器安装在容器外部，并且不需要对容器进行修改。通过源发射的伽马射线可以通过容器和容器中的物质吸收或者被衰减。到达与源相对的检测器的伽马辐射的强度可以用于基于源的强度指示容器中的流体的密度或者水位。当测量流体水位时，例如，多个伽玛射线发射器和/或检测器可以定位在容器的相对侧，其中有或者没有信号(或者标称低信号)可以指示源和检测器之间的适当位置处有或者没有流体。信号电平/无信号电平检测器中的容器尺寸会比用于伽玛射线密度计的尺寸大很多，如下所述，这是因为伽马射线不容易被容器中的蒸气吸收或者通过容器中的蒸气衰减。对于流体密度，例如，通过伽玛射线源和检测器之间的流体可以吸收或者衰减由所述源发射的伽马射线。高辐射计数表示低流体密度，而低计数表示高流体密度。然而，使用伽马射线的穿透密度测量仅能够用于限定的容器尺寸和/或流体密度。例如，对于相似尺寸的源，更高流体密度的流体可以吸收更多伽马射线，因此导致更少伽马射线到达检测器。类似地，由于容器尺寸被增加，伽马射线必须通过吸收伽马射线的更大量的物质(容器和流体)，从而导致更少伽马射线到达检测器。因此，依此方式的伽玛射线密度测量当前仅能够用于直径达到大约I米的容器。用于穿透密度测量的伽马射线当前使用的另一个缺点是固定尺寸检测器所对着的立体角以及因此还有计数速率与容器的尺寸的平方成反比。计数速率n可以由以下公式近似表示:n Qed/A (e d/A) /d2 (I)其中n是计数速率，d是容器直径，而\是取决于密度的吸收长度。对于固定尺寸检测器，容器直径d的增加导致计数速率的降低和更大的误差率。因此，对于噪声环境中的大型容器，这变得不能区分来自杂散背景信号的伽马射线信号，因此，不能获得有用信息。为克服厚度、尺寸和密度限制，可以增加伽玛射线源的强度，因此使可测量量的伽马射线到达检测器。然而，成本、安全、多单元效率和可靠性中的每一个都可以限制可使用的源强度。例如，放射源的使用产生人员安全和环境的问题，并需要保护人员的铅屏蔽或者钨屏蔽、特殊的操作预防措施和设备以及处置和补救措施。此外，因为伽马射线由点源而并不是定向源产生，所以当源的尺寸增加时，需要容纳不同于通过容器的方向上的辐射的屏蔽的量必须增加，因此,进一步增加了成本。对于多单元效率，化工厂可能希望在多个容器上使用伽玛射线液位计和密度计。然而，由于计量仪器的数量增加或者伽玛射线源的强度增加以克服尺寸限制，可能出现相邻容器上的伽玛射线源和检测器之间的串扰，导致效率降低和可能的错误读数。 对于测量密度分布的问题，即，密度作为容器中的高度的函数，会发生类似问题。例如，当尝试在单个容器上使用多个单元以便估算容纳在容器中的流体的密度分布，尺寸限制和伽玛射线源之间的串扰使现有技术不能产生准确且可靠的密度分布测量。对于安全性，由于关于放射性材料的迅速扩散和可能走私或者其它输送的世界性的问题的增加，州、地区和国家政府基于可以存在于单个场所的放射性材料的总量来调节设备安全性要求。例如，得克萨斯州对于其中总居里数超过27居里的设备需要额外的安全措施(例如，本底检查、可接近性等等)，其中总居里数基于设备的全部放射源的总和。因此，使用较大源以克服容器尺寸限制可能会导致需要用于安全性的额外费用的增加。因此，需要具有伽玛射线密度计，该伽玛射线密度计可以使用在较大容器上。另夕卜，需要具有一种非接触式密度计，该非接触式密度计需要较低强度的辐射源。另外，需要具有一种非接触式密度计，该非接触密度计可以测量除容器中单个位置处的密度之外的流体的密度分布。
发明内容
通常，一方面，在此处公开的实施例涉及密度分布测量设备，该密度分布测量设备包括至少一个位置敏感型伽马射线检测器，所述至少一个位置敏感型伽马射线检测器被构造成紧邻容器定位，其中所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成获得背散射伽马射线计数分布。所述位置敏感型伽马射线检测器还被构造成根据背散射伽马射线计数分布确定过程容器中容纳的流体的密度分布。通常，一方面，在此处公开的实施例涉及用于测量过程容器中的流体的密度分布的方法。所述方法包括以下步骤:将伽马射线发射到流体中；和使用紧邻所述容器设置的至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得背散射伽马射线计数分布。所述方法还包括根据背散射伽马射线计数分布确定过程容器中容纳的流体的密度分布，其中所述位置敏感型伽马射线检测器包括电离检测器。通常，一方面，在此处公开的实施例涉及密度分布测量设备，所述密度分布测量设备包括被构造成紧邻容器定位的至少一个位置敏感型伽马射线检测器。所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成获得背散射伽马射线计数分布和根据所述背散射伽马射线计数分布确定过程容器中容纳的流体的密度分布。位置敏感型伽马射线检测器还包括电离检测器，所述电离检测器包括电阻元件、连接到所述电阻元件的第一端的第一输出接触件和连接到所述电阻元件第二端的第二输出接触件，其中所述输出接触件被构造成分别输出第一输出信号和第二输出信号。通常，一方面，在此处公开的实施例涉及用于控制至少一个过程变量的过程控制系统，所述系统包括存储器、可操作地连接到所述存储器的处理器和存储在所述存储器中用于使所述处理器计算过程容器中容纳的流体的密度分布的计算机可读指令。根据背散射伽马射线计数分布计算过程容器中容纳的流体的密度分布。所述背散射伽马射线计数分布由紧邻所述容器设置的至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得。通常，一方面，在此处公开的实施例涉及非瞬变计算机可读介质，该非瞬变计算机可读介质包括计算机可读指令，所述计算机可读指令用于使处理器根据由至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得的背散射伽马射线计数分布计算过程容器中容纳的流体的密度分布。本发明的其它方面和优点将从以下说明和所附权利要求变得清楚可见。
图1显示根据一个或多个实施例的密度分布测量设备的示意图；图2显示根据一个或多个实施例的位置敏感型伽马射线检测器的示意图的实例；图3显示根据一个或多个实施例的密度分布测量设备的示意图；图4A-B显示根据一个或多个实施例的位置敏感型伽马射线检测器如何可以被安装到容器；图5显示根据一个或多个实施例的位置敏感型伽马射线检测器如何可以被安装到容器；图6显示根据一个或多个实施例的用于背散射伽马射线检测器的校准曲线；图7A显示根据一个或多个实施例的密度分布测量设备的示意图；图7B显示根据一个或多个实施例的位置敏感型检测器的模拟响应；图8A显示根据一个或多个实施例的密度分布测量设备的示意图；图8B-C显示根据一个或多个实施例的位置敏感型检测器的模拟响应；图9显示根据一个或多个实施例的流程图；以及图10显示根据一个或多个实施例的系统。
具体实施例方式一方面，在此处公开的实施例涉及一种使用伽马射线测量容器中的流体的密度分布图的方法。在其他方面，在此处公开的实施例涉及一种用于使用伽马射线测量容器中的流体的密度分布图的设备。如在此使用的，“背散射”可以指伽马射线从原始方向的偏转。在一些实施例中，背散射可以是各向同性的，例如伽马射线可以沿不同方向被任意散射。由于康普顿散射而可能发生背散射。如在此处使用的，“流体”是指可以容纳在容器内的气体、液体和固体或者它们的混合物。流体可以包括水成液、有机液体、单相系统以及诸如泡沫、乳状液和流态化颗粒的多相系统。如在此处使用，“密度分布图”是指在多个位置处的流体的密度(即，作为位置的函数)。例如，容器内的流体的密度分布图可以包括在容器内的多个不同位置处的流体的密度。因此，如在此处使用的，位置敏感型检测器是除了被构造成测量单个点处的密度或者计数之外还被构造成测量流体的密度分布的检测器。此外，如在此处使用的，位置敏感型检测器是被构造成测量例如背散射伽马射线的多个检测事件，该多个检测事件更通常地是指计数，同时位置敏感型检测器还被构造成输出表示进行伽马射线检测的位置(绝对或者相对位置)的信号。此外，位置敏感型检测器被构造成测量相对于固定检测器的位置在一定范围内的多个位置处的许多伽马射线检测事件的位置。换句话说，位置敏感型检测器是被构造成确定多个检测事件的位置的检测器。图1显示根据一个或多个实施例的密度分布测量设备的示意图。所述密度分布测量设备101可以被构造成测量容纳在容器(不单独显示)内的过程流体103的密度分布，该容器具有容器壁105。密度分布测量设备101包括伽马射线源107和位置敏感型伽马射线检测器109。伽马射线源107和位置敏感型伽马射线检测器109可以靠近所述容器的壁105连接或者安装。根据在此处公开的一个或多个实施例，伽玛射线源107可以使伽马射线111穿过容器壁105发射到过程流体103中并发射到位于过程流体103上方的流体115中。流体115可以例如是空气或者来自过程流体103的蒸汽，或者与过程相关的任何其它气体、液体和固体或者它们的混合物。发射的伽马射线111可以从过程流体103和115背散射，而背散射的伽马射线113可以随后在例如位置敏感型伽马射线检测器109上的X和X'位置处被检测。本领域技术人员将认识到容器的内容物可以比I中所示的简单实例更复杂。例如，过程流体103可以包括不同密度的多种流体并且所述流体可以是单独的和/或被混合的。图2显示根据一个或多个实施例的位置敏感型伽马射线检测器的示意图的实例。更具体地，图2显示被构造成作为比例计数器的电离检测器201的实例，该比例计数器采用电阻元件(resistive element)(例如，阳极配线)，该电阻元件被构造成用于电荷分配读出。电离检测器201可以包括电压电源203、电离室205和检测器电子模块207。电离室205还包括电阻元件213、电极209、负荷电阻217，219和DC阻断装置220，221。电压电源203可以被构造成将高压(例如千伏范围内)提供到电阻元件213。电极209可以被保持在低压，优选地接地(即，0V)。电离室205可以被构造成通过使用两个输出信号的峰值电压(即输出脉冲)沿电阻元件213确定伽马射线的检测位置X，该两个输出信号的峰值电压通过位于电阻元件端部的接触件223和225处的检测器电子模块207测量，如下所述。根据一个或多个实施例，电离室205可以具有圆柱体形状，并且电极209具有基本上为圆柱形的形状，电阻元件213沿圆柱体的中心轴线放置。电压电源203将电压(千伏范围内)提供到电阻元件213，同时电极209优选地接地(例如0V)。因此，电场从电阻元件213基本上径向向外引导至电极209的内表面。此外，通过电极209的内表面限定的圆柱形体积可以用例如氙(Xe)气或类似物质的电绝缘材料填充。根据一个或多个实施例，电阻元件213可以由诸如镍铬合金、锰铜合金、康铜、不锈钢或类似材料的电阻材料制成。根据一个或多个实施例，所述电阻材料的电阻率可以具有从5 X 10_7 Q m到2 X 10_6 Q m的范围。然而，本领域的技术人员将认识到被选择用于电阻元件的精确材料和电阻率可以基于具体应用和例如灵敏度、稳定性、成本等的设计考虑而变化。此外，负荷电阻217和219可以分别连接在电压电源203和两个接触件223和225之间。根据一个或多个实施例，电离室的长度可以在6英寸到6英尺的范围内。然而，特定应用可以要求该范围之外的不同长度。此外，根据一个或多个实施例，电离室的直径可以在2英寸到0.5英寸的范围内。然而，特定应用可以要求该范围之外的不同直径。以下参照图2说明根据一个或多个实施例的电离检测器201的操作。当入射的伽马射线与氙气相互作用时，该气体中产生一个或多个离子。产生的离子数量取决于入射的伽马射线的能量，其中产生的离子的数量随伽马射线能量的增加而增加。在发生电离之后不久，离子响应于位于电离室内的电场移动，其中正离子和负离子被沿相反的方向朝向带相反电荷的电极拉动。离子最终在电极209和电阻元件213处被中和，从而产生与转移到所述电极的离子的数量成正比的离子电流。因此，氙气中的电离由于来自氙原子的伽马射线的散射而建立临时导电通路227，该临时导电通路在伽马射线的电离位置处连接电极209和电阻元件213。因此，具有用于离子电流(即输出信号)的两个通路以流到地面。因为这两个通路并联连接，所以在每一个通路中的离子电流的大小与相应通路的总电阻成反比。第一输出信号通路传送与第一通路的总电阻成反比的由R+P (x/L)给出的电流Iy其中P是电阻元件213的总电阻，L是电阻元件213的总长度，X是当测量电阻元件213的一端时伽马射线感应电离的位置，并且R是负荷电阻217和219的电阻。第二输出信号通路传送与第二通路的总电阻成反比的由R+P (1-x/L)给出的电流IK。因此，伽马射线检测的位置X可以根据存在于两个接触件223和225处的两个电压的比较来确定。例如，存在于两个接触件223和225处的两个电压之间的比由以下公式给出:
权利要求
1.一种密度分布测量设备，包括: 至少一个位置敏感型伽马射线检测器，所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成紧邻过程容器定位， 其中，所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成获得背散射伽马射线计数分布，并根据所述背散射伽马射线计数分布确定所述过程容器中容纳的流体的密度分布。
2.根据权利要求1所述的密度分布测量设备，还包括: 至少一个伽马射线源，所述至少一个伽马射线源被构造成将伽马射线发射到所述流体中。
3.根据权利要求1所述的密度分布测量设备，其中，所述位置敏感型伽马射线检测器还包括电离检测器。
4.根据权利要求3所述的密度分布测量设备，其中，所述电离检测器填充有电绝缘材料。
5.根据权利要求3所述的密度分布测量设备，其中，所述电离检测器被构造成作为位置敏感型比例计数器操作。
6.根据权利要求3所述的密度分布测量设备，其中，所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成采用电荷分配读数。
7.根据权利要求3所述的密度分布测量设备，其中，所述电离检测器还包括: 电阻元件； 第一输出接触件，所述第一输出接触件连接到所述电阻元件的第一端；和 第二输出接触件，所述第二输出接触件连接到所述电阻元件的第二端， 其中，所述第一输出接触件和所述第二输出接触件被构造成分别输出第一输出信号和第二输出信号。
8.根据权利要求7所述的密度分布设备，还包括: 检测器电子模块，所述检测器电子模块被构造成根据第一输出信号和第二输出信号的比较确定背散射伽马射线的检测位置， 其中，所述第一输出信号从所述第一接触件输出，而所述第二输出信号从所述第二接触件输出。
9.根据权利要求8所述的密度分布设备，其中，所述电子模块还被构造成根据下述公式确定所述检测位置: Vr{r +1)-厂!尺 X = L卜」 P。
vl+vr
10.根据权利要求8所述的密度分布设备，其中，所述检测器电子模块还被构造成通过计算所述检测位置处的背散射伽马射线计数分布的斜率来测量所述容器中的一位置处的流体密度。
11.一种用于测量过程容器中的流体的密度分布的方法，所述方法包括以下步骤: 将伽马射线发射到所述流体中； 使用紧邻所述容器设置的至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得背散射伽马射线计数分布；和根据所述背散射伽马射线计数分布确定所述过程容器中容纳的流体的密度分布， 其中，所述位置敏感型伽马射线检测器包括电离检测器，所述电离检测器包括: 电阻元件； 连接到所述电阻元件的第一端的第一输出接触件；和 连接到所述电阻元件的第二端的第二输出接触件， 其中，所述输出接触件被构造成分别输出第一输出信号和第二输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述获得背散射伽马射线计数分布的步骤还包括: 根据第一输出信号和第二输出信号的比较确定背散射伽马射线的检测位置， 其中，所述第一输出信号从所述第一输出接触件输出，而所述第二输出信号从所述第二输出接触件输出。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用所述第一输出信号和所述第二输出信号确定背散射伽马射线的检测位置根据以下公式进行:
14.根据权利要求12所 述的方法，其中，所述确定所述密度分布的步骤还包括: 计算在所述检测位置处测量的背散射伽马射线计数分布的斜率。
15.—种密度分布测量设备,包括: 至少一个位置敏感型伽马射线检测器，所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成紧邻容器定位， 其中，所述位置敏感型伽马射线检测器被构造成获得背散射伽马射线计数分布，并根据所述背散射伽马射线计数分布确定过程容器中容纳的流体的密度分布， 其中，所述位置敏感型伽马射线检测器还包括: 电离检测器，所述电离检测器包括: 电阻元件； 连接到所述电阻元件的第一端的第一输出接触件和连接到所述电阻元件的第二端的第二输出接触件， 其中，所述输出接触件被构造成分别输出第一输出信号和第二输出信号。
16.根据权利要求15所述的密度分布测量设备，还包括: 检测器电子模块，所述检测器电子模块被构造成利用所述第一输出信号和所述第二输出信号之间的关系确定背散射伽马射线的检测位置。
17.一种用于控制至少一个过程变量的过程控制系统，所述系统包括: 存储器； 处理器，所述处理器能够操作地连接到所述存储器；和 计算机可读指令，所述计算机可读指令存储在所述存储器中，用于使所述处理器根据背散射伽马射线计数分布计算过程容器中容纳的流体的密度分布，所述背散射伽马射线计数分布通过紧邻所述容器设置的至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得。
18.根据权利要求17所述的过程控制系统，还包括:存储在所述存储器中的计算机可读指令，所述计算机可读指令用于使所述处理器根据计算的密度分布改变所述至少一个过程变量。
19.根据权利要求18所述的过程控制系统，其中，所述过程变量是过程密度、过程水位和过程密度分布中的至少一个。
20.一种非瞬变计算机可读介质，所述非瞬变计算机可读介质包括计算机可读指令，所述计算机可读指令用于使处理器根据背散射伽马射线计数分布计算过程容器中容纳的流体的密度分布，所述背散射伽马射 线计数分布通过至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得。
全文摘要
本发明公开了一种用于测量过程容器中的流体的密度分布的方法。所述方法包括以下步骤将伽马射线发射到所述流体中；和利用紧邻所述容器设置的至少一个位置敏感型伽马射线检测器获得背散射伽马射线计数分布。所述方法还包括根据背散射伽马射线计数分布确定过程容器中容纳的流体的密度分布。
文档编号G01N23/203GK103115933SQ20121046500
公开日2013年5月22日 申请日期2012年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者亚历克斯·库利克, 亚历山大·约瑟夫·叶辛, 尼古拉·巴图林, 苏沃·森, 迈克尔·乔治·布罗索 申请人:思姆菲舍尔科技公司