专利名称：用于伽玛反向散射的最佳检测器位置的制作方法
技术领域：
这里公开的实施例总体涉及一种用于使用伽玛放射线测量容器中的流体的密度的方法。具体地，这里公开的实施例涉及一种用于通过检测由流体反向散射的伽玛射线的强度来优化容器中的流体的密度的测量的方法。
背景技术：
伽玛射线已经用于通过使用被定位成与伽玛射线检测器相对或定位在所述伽玛射线检测器附近的伽玛射线源测量容器中的流体的密度和液位。在测量的材料是危险的、 非差热的情况下，或者在不能以其它方式进行直接接触测量的情况下，伽玛射线密度和液位测量特别有用。另外，所述源和检测器安装在容器外部而不需要对容器进行修改。由一个源发射的伽玛射线可以被容器和容器中的材料吸收或衰减。到达检测器的伽玛辐射的强度可以用于基于所述源的强度指示容器中的流体的密度或液位。当测量流体液位时，例如，伽玛射线发射器和/或检测器可以定位在容器上或定位在容器附近，其中信号(或标称低信号)的有无可以指示伽玛射线源和检测器附近的流体的有无。对于流体密度，伽玛射线源和检测器附近的流体可以吸收或衰减由所述源发射的伽玛射线。例如，高辐射数目可以指示低流体密度，而低数目可以指示高流体密度。穿透式伽玛射线密度计可以包括安装在含有流体的容器上的壳体。伽玛辐射源位于容器的一侧，而伽玛辐射检测器位于容器的相对侧。由伽玛辐射源提供的辐射在伽玛射线发射的长时间段为恒定强度(在有限的时间段为任意强度)。伽玛射线透射通过容器壁、 容器内的流体，再次通过容器壁并到达检测器。检测器可以例如为钠或碘化铯(活化的铊) 的晶体或能够在辐射下闪烁的其它材料，并且可以包括用于将晶体的闪烁的闪光转换成电脉冲的电子光电倍增管。相对于从所述辐射源发射的到达检测器的伽玛射线的量的主要变量是容器内含有的流体。由所述辐射源发射的伽玛射线的一部分被流体吸收或衰减，因此没有到达检测器。因此，来自检测器的光电倍增管的输出信号的计数率可能与流体密度和伽玛辐射源的强度有关，其中射线必须通过所述流体以到达检测器。实际上，使用伽玛射线的穿透式密度测量仅用于受到限制的容器尺寸和/或流体密度。例如，对于类似尺寸的辐射源，在较高流体密度下，流体可以吸收更多的伽玛射线，从而使得更少的伽玛射线到达检测器。类似地，当容器尺寸增加时，伽玛射线必须穿过吸收伽玛射线的更多量的物质(容器和流体)，从而使得更少的伽玛射线到达检测器。因此，穿透式射线密度测量仅用于大约1米直径的容器。容器壁厚还可能限制伽玛射线密度测量的有效性。因为容器壁以类似于流体的方式吸收并衰减伽玛射线，并且较高的壁厚可能导致较少的伽玛射线到达检测器。容器壁厚可以通过诸如美国机械工程师学会(ASME)的指南来确定。例如当所要求的厚度基于操作压力和流体的性质(腐蚀性、侵蚀性、活性等)时，容器壁厚还可以基于其它规格来确定。此外，当前的容器壁厚的安全容限可能增加，并且可能进一步限制穿透式测量的有效性。
当采用伽玛射线用于密度测量时，较低的计数率可能会导致更大的误差率，或者可能需要较大的伽玛辐射源来保持要求的精度。另外，当容器尺寸增加时，检测器尺寸可能必须被增加以保持恒定计数率。然而，伽玛辐射源源的尺寸和/或检测器的尺寸的增加一定会增加成本。为了克服厚度、尺寸和密度的限制，可以增加伽玛射线源的强度，从而使得能够测量到达检测器的伽玛射线的数量。然而，成本、安全、多单元有效性以及安全性可能会限制可以使用的源强度。辐射源的使用产生人身安全和环境问题，并且需要铅或钨屏蔽件以保护人员、专用操纵预防措施和设备，以及处理和补救过程。此外，因为伽玛射线由点源制造而成，而不是由定向源制造而成，因此当所述源的尺寸增加时，必须增加容纳除了进入到容器中的辐射之外的方向上的辐射所需的屏蔽件的量，从而进一步增加成本。对于多单元有效性，化工厂可能期望在多个容器上使用伽玛射线液位和密度计量器。然而，当计量器的数量增加或伽玛射线源的强度增加时，可能会发生相邻容器上的伽玛射线源与检测器之间的串扰，从而导致效率降低和潜在的错误读数。对于安全性，由于增长的全世界对放射性核燃料和可能的走私或其它运输的关心，州、地方和国家政府基于在单一位置处可能出现的放射性物质的总量调节设备安全要求。例如，德克萨斯州在总居里数超过27居里的设备处要求额外的安全措施(例如，背景检查、可接近性等)，其中总居里数基于所述设备处的所有放射源的总和。因此，较大放射源的使用可能会导致对安全性的需要的增加，从而产生额外的成本。因此，需要可以在大型容器上使用的优化的伽玛射线密度测量装置。另外，需要一种需要较低强度辐射源的优化的非接触式密度计。
发明内容
在一个方面中，这里公开的实施例涉及一种用于确定流体密度的方法。该方法包括以下步骤紧邻容器设置伽玛射线源，所述容器内设有流体；确定伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的最佳位置；将伽玛射线检测器设置在最佳位置；以及测量流体的密度。在一个方面中，这里公开的实施例涉及一种用于优化伽玛射线检测器的位置以确定容器中的流体的密度的方法，该方法包括以下步骤紧邻容器设置伽玛射线源，所述容器内设置有流体；确定伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的最佳位置；相对于伽玛射线源将至少一个伽玛射线检测器设置在最佳位置处；以及由伽玛射线检测器测量流体的密度。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是根据这里公开的实施例的伽玛射线密度测量系统的示意图；图2(a)是示出了根据这里公开的实施例的作为密度的函数的反向散射的计数率的曲线图；图2(b)是示出了根据这里公开的实施例的作为密度的函数的伽玛射线检测的密度测量误差的曲线图；图3是根据这里公开的实施例的作为密度的函数的伽玛射线检测的密度测量误差和检测器的相对位置的三维曲线图4是根据这里公开的实施例的图3的二维投影图；图5-7是根据这里公开的实施例的在不同容器壁厚的情况下的二维投影图；图8-9是根据这里公开的实施例的在不同容器壁厚和不同检测器操作电压的情况下的二维投影图；图10是根据这里公开的实施例的作为检测器位置的函数的具有最大计数率的密度的位置的曲线图；图11是根据这里公开的实施例的作为检测器位置的函数的具有最高精度的密度的位置的曲线图；以及图12是根据这里公开的实施例的对于检测器位置来说作为容器的壁厚的函数的最小误差的曲线图。
具体实施例方式一方面，这里公开的实施例涉及一种用于使用伽玛射线测量容器中的流体的密度的方法。在其它方面中，这里公开的实施例涉及一种用于使用伽玛射线优化容器中的流体的密度的测量的方法。具体地，这里公开的实施例涉及一种用于通过检测来自伽玛射线源的由流体反向散射的伽玛射线的强度来优化容器中的流体的密度的测量的方法。如这里所使用，“反向散射”可以表示伽玛射线自初始方向的偏转。在一些实施例中，反向散射可以是各向同性的，例如，伽玛射线在各个方向上随机被散射。由于康普顿散射而发生反向散射。如这里使用的，“流体”表示可以容纳在容器内的气体、液体和固体。流体可以包括含水液体、有机液体、单相系统和诸如泡沫、乳状液和流态化颗粒的多相系统。参照图1，显示了根据一个或多个实施例的伽玛射线源和检测器的示意图。伽玛射线源/检测器系统100具有包含在容器壁104内的流体102。伽玛射线源头部106安装在容器壁104上。伽玛射线源头部106具有用于安全考虑并限制或警告对指定测量不起作用的伽玛辐射的屏蔽件108。伽玛射线检测器110相对于伽玛射线源头部106在位置112处安装在容器壁上。根据这里公开的实施例，位置112被测量为从伽玛射线源头部106的中心到伽玛射线检测器110的中心。然而，本领域的技术人员要认识到伽玛射线源和伽玛射线检测器的相对位置也可以通过其它方法确定。例如，该位置可以通过参照一些外部点来确定。根据这里公开的一个或多个实施例，伽玛射线源头部106发射穿过容器壁104并进入到流体102中的伽玛放射线114。伽玛放射线114然后被从流体102反向散射并通过伽玛射线检测器110被检测。伽玛射线检测器110通过测量与接收到的伽玛放射线量直接相关的计数率来操作。图2(a)是示出了根据这里公开的实施例的作为流体102的密度的函数的来自检测器 110的反向散射的计数率的经验图。在该示例性实施例中，厚壁为1.5英寸。如可以从图 2(a)看到，0.75gcc (克每立方厘米)的密度可以产生与0. Igcc的密度的计数率相同的计数率。因此，操作范围可以被分成为两个区域。例如，这里公开的实施例可以限于如由在图2(a)的曲线中的最大值之前的密度所示的低密度区域。类似地，这里公开的一个或多个实施例可以限于由图2(a)的曲线的最大值之后的密度表示的高密度区域。在图2(a)中，计数率为最大值时的密度被表示为Pm。 具体地，在许多工业应用中，例如炼油厂，流体可能主要为具有0. Sgcc密度或更高密度的油。作为又一个实例，开采流体中的工业应用可以主要为具有1. Ogcc密度或更大密度的水。图2(b)是根据这里公开的实施例的作为密度的函数的伽玛射线检测的密度测量误差。密度测量的精度或密度测量误差可以取决于图2(a)中所示的曲线的斜率。例如，分辨率σ ρ可以表示为
权利要求
1.一种用于确定流体的密度的方法，所述方法包括以下步骤 紧邻容器设置伽玛射线源，所述容器内设有流体；确定伽玛射线检测器相对于所述伽玛射线源的最佳位置； 将伽玛射线检测器设置在所述最佳位置处；以及测量所述流体的密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述最佳位置的步骤包括 确定所述容器的壁厚；估算所述流体的密度；以及根据所述壁厚和所述流体的密度的估算值选择所述伽玛射线检测器的最佳位置，以最大化所述密度测量的精度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述伽玛射线检测器的最佳位置被选择成相对于所述伽玛射线源被定位在32g/cm2+P处，其中P为所述流体的密度的估算值。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤 测量所述流体的密度的测量精度；将所述流体的密度的所述估算值与所述流体的测量密度进行比较； 根据所述容器壁厚和所述伽玛射线检测器的最佳位置确定所述流体的密度的估算的测量精度；将所述流体的密度的所述测量精度与所述流体的密度的所述估算的测量精度进行比较；以及如果需要，调节所述伽玛射线检测器相对于所述伽玛射线源的最佳位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述最佳位置的步骤包括 确定所述容器的壁厚；紧邻所述伽玛射线源设置伽玛射线检测器； 测量初始密度；以及根据所述壁厚和所述流体的所述初始密度选择所述伽玛射线检测器的最佳位置，以最大化所述密度测量的精度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述伽玛射线检测器的最佳位置被选择成相对于所述伽玛射线源被定位在32g/cm2+P处，其中P为所述流体的密度的估算值。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤 测量所述流体的密度的测量精度；根据所述容器壁厚和所述伽玛射线检测器的最佳位置确定所述流体的密度的估算的测量精度；将所述流体的密度的所述测量精度与所述流体的密度的所述估算的测量精度进行比较；以及如果需要，根据所述精度与所述估算精度的比较结果来调节所述伽玛射线检测器相对于所述伽玛射线源的最佳位置。
8.一种用于优化伽玛射线检测器的位置以确定容器中的流体的密度的方法，所述方法包括以下步骤紧邻容器设置伽玛射线源，所述容器内设有所述流体；确定伽玛射线检测器相对于所述伽玛射线源的最佳位置；相对于所述伽玛射线源将至少一个伽玛射线检测器设置在所述最佳位置处；以及由所述伽玛射线检测器测量所述流体的密度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述最佳位置的步骤包括 确定所述容器的壁厚；确定所述流体的密度的估算值；以及根据所述壁厚和所述流体的密度的所述估算值选择所述伽玛射线检测器的最佳位置， 以最大化所述密度测量的精度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述伽玛射线检测器的最佳位置被选择成相对于所述伽玛射线源被定位在32g/cm2+P处，其中P为所述流体的密度的所述估算值。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤将所述流体的密度的所述估算值与所述流体的测量密度进行比较； 测量所述流体的密度的测量精度；根据所述容器壁厚和所述伽玛射线检测器的最佳位置确定所述流体的密度的估算的测量精度；将所述流体的密度的所述测量精度与所述流体的密度的所述估算的测量精度进行比较；以及调节所述伽玛射线检测器相对于所述伽玛射线源的最佳位置。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述最佳位置的步骤包括 确定所述容器的壁厚；紧邻所述伽玛射线源设置伽玛射线检测器； 测量初始密度；以及根据所述壁厚和所述流体的所述初始密度选择所述伽玛射线检测器的最佳位置，以最大化所述密度测量的精度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述伽玛射线检测器的最佳位置被选择成相对于所述伽玛射线源被定位在32g/cm2+P处，其中P为所述流体的密度的所述估算值。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤 测量所述流体的密度的所述测量精度；根据所述容器壁厚和所述伽玛射线检测器的最佳位置确定所述流体的密度的估算的测量精度；将所述流体的密度的所述测量精度与所述流体的密度的所述估算的测量精度进行比较；以及根据所述精度和所述估算精度的比较结果调节所述伽玛射线检测器相对于所述伽玛射线源的最佳位置。
全文摘要
本发明提供了一种用于确定流体的密度的方法，该方法包括以下步骤紧邻容器设置伽玛射线源，所述容器内含有流体。确定伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的最佳位置。伽玛射线检测器被定位在最佳位置处，并且测量流体的密度。
文档编号G01N9/24GK102374959SQ20111022355
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月6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, 王海 申请人:思姆菲舍尔科技公司