基于射线符合测量的多相流量质量计量装置的制作方法

本实用新型涉及多相流体领域，更具体地说，它涉及一种基于射线符合测量的多相流量质量计量装置。

背景技术：

相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。多相流体是工业生产中经常遇到的一种流体形态，它是由两种或两种以上具有明显界面的物相组成的，包括气/液、液/固、气/固、液/液两相流，以及气/液/液、气/液/固多相流等。在工业过程、生命科学、自然界等各个领域存在着大量的两相流及多相流测量问题。例如火力发电设备煤粉传输过程和粮食加工气力输送装置中的气固两相流，工业锅炉系统和油井生产过程中的气液两相流，海洋石油工业中泥沙抽取和造纸工业中纸浆流动过程中的液固两相流，另外还有石油生产中输油管道内的水与石油的液液两相流，以及冶金或化工工程中两种物质输送过程中的各种两相流体等。

这些两相流看似简单，其运动规律非常复杂，如何准确及时的了解两相流体的各种运动参数，对工业设备的设计、原材料的准确计量、生产安全性和高效性的控制等具有十分重要的现实意义。如火力发电厂中喷燃器将煤粉和空气同时喷入炉膛内进行燃烧，煤粉和空气的比例直接决定煤的发电效率；油田采油装置将原油与天然气一起被抽取到输油管道中，对含油量和含气量的测量对指导石油生产和油气藏管理具有重要的意义；化工和冶金工业中对原料的输送和配比也需要准确的测量，对节约生产和安全生产都非常重要。

由于两相流动或多相流动与单相流动相比不仅流动特性复杂，其相间存在着界面效应和相对速度，且多在相流体中存在许多需要检测的分布参数，因此增加了参数检测的难度。传统的多相流参数检测主要采用相分离法和人工化验法。相分离法需要用到大型分离设备，通过一段时间静置后，主要依靠重力作用将多相流体分离成单相流体，然后再用单相流流量计进行测量。相分离法简单可靠、测量结果不受流型变化等因素影响，但所需的分离设备体积庞大、系统造价较高，不能进行实时在线检测。人工化验法则由于取样是对局部点进行采样，以局部点的信息来替代整个流体流动的形态，具有很大的随机性，不能准确反映流体的分相流量。

将射线技术应用于工业两相流检测的主要目的是测量两相流的分相含率，并进行流型识别。利用射线衰减原理对多相管流相含率和流型进行检测，不需要破坏管道结构，属于非侵入式无损测量技术。其基本原理是通过探测器阵列接收透射两相管流的射线，得到一系列的衰减数据（投影），对这些数据进行去噪、校正后进行图像重建，即可得到两相管流射线透射截面的二维断层图像。因此，该方案具有测量准确性高，成像分辨率好，结构简单，适用性广等优点。但是传统利用射线技术进行工业成像过程中，都必须需要一个能够产生一定放射量的放射装置，如X射线管、Cs-137放射源等。由于该放射装置的存在，必须对相关的检测设备进行一定的防护和监管，以避免意外事故的发生。因此，基于射线技术的成像设备在推广和应用过程中都存在很多不便之处。

如公告号为CN102565844B的中国专利，公开了一种多相流的正电子断层成像装置及方法，该装置利用正负电子湮灭产生一对可符合的511keV 能量的伽马射线为断层成像手段、为油田输油管线中的多相流计量提供在线的断层成像功能。该装置包括有特定空间结构排列的多组平行的高精度的伽马射线探测器阵列、正电子放射源及屏蔽器，并且结合图像处理的功能可以只在单一放射源的条件下获取气、液、固等多相流混合物的相分率。多组高精度的探测器阵列设计也大大提高了多相流计量的精度及其在多相流不同流型流态下的适用性。它所产生的流体的影像信息将极大丰富石油天然气工业对于石油天然气的计量信息并为更有效的油藏管理和生产优化提供基础数据。

上述专利中，对正电子放射源的设计比较复杂，而且需要进行一定的防护和监管，设备体积较大，成本较高；而且正电子放射源的衰减期较短，容易老化，需要频繁更换，以保证性能稳定。

另外，γ射线接收器一般采用光电倍增管计数器作为检测γ射线透射强度的计数器，但这些计数器都存在不同程度的温度漂移现象，即测量到的γ射线透射强度信号，会随着计数器本身的温度变化而发生漂移，致使透射强度信号测量出现误差。目前在技术上，为了消除此温度漂移现象，采用γ射线探测技术的湿气量计都需要设置用于γ射线接收器保持恒温的恒温装置。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于射线符合测量的多相流量质量计量装置，通过闪烁晶体本征辐射的射线探测技术，能够取消现有技术射线测量装置中的放射源，降低系统的成本，极大的提高系统的安全性和可靠性。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种基于射线符合测量的多相流量质量计量装置，包括支撑架，所述支撑架中心设有供流体管道通过的管道通孔，所述管道通孔的外壁上设有若干射线探测组件，射线探测组件沿垂直于管道通孔的周向分布；所述射线探测组件包括闪烁晶体和探测器，闪烁晶体位于管道通孔的外壁与探测器之间。

闪烁晶体作为射线探测技术中经常使用的一种材料，其能够将高能的γ射线转换为低能的荧光，然后在被光电转换器件探测从而转换为电信号。目前，常用的闪烁晶体包含了碘化钠NaI、硅酸镥LSO等。因此，可以利用该原理，结合高精度的时间测量技术和符合探测技术，得到γ射线的飞行路径，即响应线。通过大量的响应线，就可以利用相应的测量技术和计算方法如滤波反投影技术、有序子集最大期望值方法等，实现对被检测物体的全截面测量。利用闪烁晶体的本征射线进行全截面测量，能够取消射线测量装置中的放射源，降低系统的成本，体积小，极大的提高系统的安全性和可靠性。

优选的，所述的闪烁晶体为含有镥-176元素的闪烁晶体。

镥元素闪烁晶体中含有Lu-176放射性同位素，其衰变过程中会放射出β射线，β射线迅速衰变产生γ射线。由于Lu-176的能谱已知，衰变过程中会产生β射线，该β射线衰变则会产生三个能级的γ射线，分别为307keV、202 keV、88 keV。由于β射线穿透能力极弱，能够在其发生地就被探测到，而γ射线具有比较强的穿透能力，能够穿透被测流体后被探测。因此，可以利用该原理，将β射线探测的位置作为γ射线的出发点，对应γ射线穿过被测流体管道后，被位于管道对应位置的探测器探测到，作为射线的达到点，从而得到γ射线的飞行路径。同时，由于Lu-176的半衰期为2.1×10¹⁰年，设备不会由于放射装置老化而产生性能下降，极大的提高了系统的稳定性和使用寿命。

优选的，所述的闪烁晶体为薄片状闪烁晶体或塑料闪烁晶体。

薄片状闪烁晶体LSO，体积小，成本低，性能稳定。但是薄片状闪烁晶体LSO中Lu-176含量较少，使得系统的发射射线数量偏低，可能会影响探测效率。

塑料闪烁晶体LYSO的光放大性能更好，出光时间短，放大更快，更容易被检测到，探测效率更高；同时塑料闪烁晶体LYSO不易潮解，使用寿命更长。

优选的，所述的探测器为光电倍增管或半导体硅探测器。

光电倍增管（PMT）是作为传统的光电转换装置，具有极高灵敏度和超快时间响应，能快速有效的将射线的光信号转换为电信号；配合模块电路，对信号进行放大、降噪，并将信号脉冲输出，由示波器对信号进行观察，最后由上位机对采集的波形数据进行储存和分析。

半导体硅探测器（SiPM）是新型的探测器，光子被吸收后在SiPM中产生电流并进行倍增，可以输出较大的电流信号，被模块电路接收。对γ射线的探测效率更高，且体积更小。

优选的，所述的闪烁晶体与探测器之间通过耦合剂固定。

闪烁晶体是高密度晶体，探测器的表面有一层环氧树脂，当光从闪烁晶体射向探测器时，是由光由光密介质射向光疏介质，若两者之间有空气，容易发生全反射，造成光损失。光学耦合剂是一些折射系数较大的透明介质，特别是光耦，把耦合剂置于闪烁晶体与探测器之间，就能有效的排除空气，显著减少由全反射造成的光损失。耦合剂可以采用硅胶，将闪烁晶体与探测器粘合，有效减少光从闪烁晶体到探测器的损耗，提高光电转换效率。

优选的，所述的每组射线探测组件之间通过金属件隔绝。

通过上述技术方案，金属件可以防止射线探测组件放射的射线在穿过流体管道之前被其他射线探测组件探测到，减小互相干扰。

优选的，所述金属件的材料为钨基合金。

钨基合金为高密度金属，防护效果更好，同时对γ射线的阻挡效果更佳，防止探测器互相干扰。

优选的，所述的射线探测组件沿管道通孔方向分布有多层。

每层射线探测组件对管道中的流体进行全截面测量，检测效果更加准确。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1．利用闪烁晶体的本征射线进行全截面测量，不但能够取消现有技术射线测量装置中的放射源，降低系统的成本，减小设备的体积，极大的提高系统的安全性和可靠性。同时，由于Lu-176的半衰期为2.1×10¹⁰年，设备不会由于放射装置老化而产生性能下降，极大的提高了系统的稳定性和使用寿命。

2．采用能天然发出三种能量γ射线的镥元素闪烁晶体，由于其天然发出的三种能量的γ射线之间的强度比值是固有且恒定的，非人力所能改变，且不受任何外在温度、压力变化的影响，这给本实用新型流量公式的求解带来极大的便利和简化；而且可以去除用于使γ射线接收器保持恒定温度的恒温装置，大大简化了测量装置的结构，也使得本实用新型的测量装置能够方便可靠地长期在水下环境工作，无需担心更换恒温装置电源和维护恒温装置的困扰；从根本上消除了γ射线测量系统中温度漂移的影响，因此测量结果更加准确且精度更高。

附图说明

图1为实施例1的立体结构示意图。

图2为实施例1横截面的结构示意图。

图3为实施例1的原理图。

图4为实施例4纵截面的结构示意图。

图5为实施例5的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例 1：

参见图1-2，本实施例包括支撑架1，所述支撑架1中心设有供流体管道通过的管道通孔2，所述管道通孔2的外壁上设有若干射线探测组件，射线探测组件3沿垂直于管道通孔2的周向分布；所述射线探测组件3包括闪烁晶体31和探测器32，闪烁晶体31位于管道通孔2的外壁与探测器32之间，闪烁晶体31的一侧抵接于管道通孔2的外壁，另一侧紧贴与探测器32。

闪烁晶体31作为射线探测技术中经常使用的一种材料，其能够将高能的γ射线转换为低能的荧光，然后在被光电转换器件探测从而转换为电信号。目前，常用的闪烁晶体31包含了碘化钠NaI、硅酸镥LSO等。因此，可以利用该原理，结合高精度的时间测量技术和符合探测技术，得到γ射线的飞行路径，即响应线。通过大量的响应线，就可以利用相应的测量技术和计算方法如滤波反投影技术、有序子集最大期望值方法等，实现对被检测物体的全截面测量。利用闪烁晶体31的本征射线进行全截面测量，能够取消射线测量装置中的放射源，降低系统的成本，体积小，极大的提高系统的安全性和可靠性。

使用时，将本实施例安装在工业流体管道的外表面，管道穿过管道通孔2，射线探测组件3对管道中的流体进行全截面测量和检测。

本实施例中，闪烁晶体31为含有镥-176元素的闪烁晶体。

镥元素闪烁晶体中含有Lu-176放射性同位素，其衰变过程中会放射出β射线，β射线迅速衰变产生γ射线。由于Lu-176的能谱已知，衰变过程中会产生β射线，该β射线衰变则会产生三个能级的γ射线，分别为307keV、202 keV、88 keV。由于β射线穿透能力极弱（ 1微米 ），能够在其发生地就被探测到，而γ射线具有比较强的穿透能力，能够穿透被测流体后探测到。因此，可以利用该原理，将β射线探测的位置作为γ射线的出发点，对应γ射线穿过被测流体管道后，被位于管道对应位置的探测器32探测到，作为射线的达到点，从而得到γ射线的飞行路径。同时，由于Lu-176的半衰期为2.1×10¹⁰年，设备不会由于放射装置老化而产生性能下降，极大的提高了系统的稳定性和使用寿命。

本实施例中，闪烁晶体31为薄片状闪烁晶体。薄片状闪烁晶体LSO，体积小，成本低，性能稳定。

本实施例中，所述的探测器32为光电倍增管。

光电倍增管（PMT）是作为传统的光电转换装置，具有极高灵敏度和超快时间响应，能快速有效的将射线的光信号转换为电信号；配合模块电路，对信号进行放大、降噪，并将信号脉冲输出，由示波器对信号进行观察，最后由上位机对采集的波形数据进行储存和分析。

如图3所示，模块电路包括电源电路、信号电路，电源电路是为光电倍增管以及信号电路提供电源，一般只需合理范围的直流电即可，可以采用AC-DC 的电源适配器供电，也可直接采用电池供电。信号电路主要是处理由光电倍增管输出的脉冲信号，由于从光电倍增管输出的信号幅度非常小，所以一般需要对信号进行放大、降噪等处理。

由于电源电路、信号电路都是一些常规的设计电路，本领域技术人员可以根据实际需求采用，本实施例不再公开具体电路图。

闪烁晶体31一般是高密度晶体，探测器32的表面有一层环氧树脂，当光从闪烁晶体31射向探测器32时，是由光由光密介质射向光疏介质，若两者之间有空气，容易发生全反射，造成光损失。光学耦合剂是一些折射系数较大的透明介质，特别是光耦，把耦合剂置于闪烁晶体31与探测器32之间，就能有效的排除空气，显著减少由全反射造成的光损失。

因此，本实施例中，闪烁晶体31与探测器32之间通过耦合剂固定。耦合剂可以采用硅胶，将闪烁晶体31与探测器32粘合，有效减少光从闪烁晶体31到探测器32的损耗，提高光电转换效率。

本实施例中，每组射线探测组件3之间通过金属件4隔绝。

金属件4可以防止射线探测组件3放射的射线在穿过流体管道之前被其他射线探测组件3探测到，减小互相干扰。金属件4的材料为钨基合金，钨基合金为高密度金属，防护效果更好，同时对γ射线的阻挡效果更佳，防止探测器32互相干扰。

金属件4的材料也可以用铅，作为传统的隔绝金属，价格便宜。

本实施例中，配合管道的形状，支撑架1设计成圆柱体，圆柱形的管道通孔2也恰好配合圆柱形的管道，使闪烁晶体31紧贴管道，放射及探测效果更好。支撑架1的顶部设有走线槽5，可以引出探测器32的电源线。

本实施例的工作原理：将本实施例安装在流体管道外表面，闪烁晶体31对准流体管道进行探测。闪烁晶体31衰变产生β射线，被紧邻闪烁晶体31的探测器32探测到；同时，β射线衰变产生的γ射线穿过流体管道并被管道另一侧的探测装置探测到。

闪烁晶体31将射线转化为光子，光电倍增管21将光信号转换为电信号，模块电路对电信号进行放大、降噪等处理后输出，有示波器对信号进行观察或转换，最后由上位机对采集的波形进行储存和分析，对流体的相分率进行计算。

本实施例利用闪烁晶体31的本征射线进行全截面测量，不但能够取消现有技术中射线测量装置中的放射源，降低系统的成本，极大的提高系统的安全性和可靠性；同时，由于Lu-176的半衰期为2.1×10¹⁰年，设备不会由于放射装置老化而产生性能下降，极大的提高了系统的稳定性和使用寿命。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于，将薄片状闪烁晶体替换为塑料闪烁晶体。

由于薄片状闪烁晶体LSO中Lu-176含量较少，使得系统的发射射线数量偏低，影响探测效率。而塑料闪烁晶体LYSO的光放大性能更好，出光时间短，放大更快，更容易被检测到，探测效率更高；同时塑料闪烁晶体LYSO不易潮解，使用寿命更长。

实施例3：

本实施例与实施例1的不同之处在于，将光电倍增管替换为半导体硅探测器32。

半导体硅探测器（SiPM）是新型的探测器，光子被吸收后在SiPM中产生电流并进行倍增，可以输出较大的电流信号，被模块电路接收。对γ射线的探测效率更高，且体积更小。

实施例4：

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，射线探测组件3沿管道通孔2方向分布有四层。每层射线探测组件3对管道中的流体进行全截面测量，检测效果更加准确。

实施例5：

本实施例为上述实施例所述多相流量质量计量装置的测量方法，如图5所示，所述计量装置配合差压型流量计6安装，差压型流量计6具有喉部段61，计量装置安装于喉部段61外侧。

差压型流量计6的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里、孔板或喷嘴之类的节流器件，将其直径最小处称为喉部，当流体流经节流器件时，在其上游与喉部之间就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。

计量装置的安装使得闪烁晶体31放射的γ射线沿直径方向穿过所述喉部段61并被另一侧的探测器32接收。由于Lu-176的能谱已知，衰变过程中会产生β射线，该β射线衰变则会产生三个能级的γ射线，分别为307keV、202 keV、88 keV。因此本实施例不必使用恒温装置。

差压型流量计6上还包括用于测量流体温度和压力的温压传感器7和用于测量差压型流量计6入口处62与喉部段61之间的压差的差压传感器8。

本实施例中，差压型流量计6采用文丘里流量计。

本实施例对工业流体流量的测量步骤如下：

1）通过温压传感器7测量流体温度T，通过差压传感器8测量差压型流量计6入口处62与喉部段61之间的压差ΔP；通过计量装置测量三个γ射线的透射强度Nx1、Nx2和Nx3；

2）通过以下公式来计算流体总质量流量和气、液两相各自的质量流量：

总质量流量：；

其中，C为节流型流量计流出系数；ε为流体压缩修正因子；β为节流型流量计直径比；D为伽马射线测量的厚度，即为管道直径；ΔP为差压，为测量值。

ρmix为流体在测量横截面上的平均面密度，本实施例中，

液质量流量：

气质量流量：

η液 = ∑ ( Xi/D*ηi ) / ∑ ( Xi/D )

η液为该两相流体的相分率，D为相隔最远的两个闪烁晶体31之间的距离（如果管道为圆柱形，则D为直径），ηi为每个闪烁晶体31测得的两相流体中液体的百分比含量， Xi为发射γ射线的闪烁晶体31到接收γ射线的闪烁晶体31之间的距离。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。