用于伽玛反向散射的最佳检测器位置

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。

说明书

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。

附图说明

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；

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0.1gcc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ρ_m。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0.8gcc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1.0gcc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：

${\sigma }_{\rho }=\frac{\sqrt{f/\tau }}{|\mathrm{df}/\mathrm{d\rho }|}---\left(1\right)$

其中f表示计数率，ρ是密度，而τ是时间常数。

如可以在图2(b)中所示，根据这里公开的方法的一个或多个实施例， 当密度接近计数率为最大值ρ_m时的密度时，密度测量的精度降低。此外， 在该具体的示例性实施例中，给出大于图2(a)所示的1.5gcc的密度低计数 率，大于1.5gcc密度的密度测量的误差的精度明显降低。

然而，在上述高密度范围中，可能存在密度测量的误差为最小值的点。 在图2(b)中，示出了根据这里公开的方法的实施例的具有最小密度测量误 差σ_最小的最高精度ρ_e的密度。

如前所述，图2(a)和2(b)中的示例性曲线示出了具体的检测器位置和容 器壁厚。图2中的曲线的精确形状可以由检测器位置和容器壁厚确定。

根据这里公开的实施例，测量反向散射伽玛射线的能力可以取决于流 体的密度、容器壁厚和源-检测器距离。因此，指定具体的源-检测器距离， 可能存在密度测量非常有效、不是很有效或无效的密度区域。例如，如图 2(b)中所示，密度的测量在0.6gcc密度周围非常有效，对于在0.3-0.4gcc之 间的密度不是很有效，而当密度大于2.25gcc时无效。

类似地，指定所关心的具体的密度间隔测量，对于最精确的密度测量， 这里公开的一个或多个实施例可以确定伽玛射线源与伽玛射线检测器之 间的最佳距离。同时，伽玛射线源与伽玛射线检测器之间的最佳距离可以 根据这里公开的一个或多个实施例确定，从而如果有的话，可以不必准确 地确定密度范围。

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。图3的示例性实施例在1.5 英寸的壁厚和32秒的时间常数τ的情况下对不同的检测器位置通过使用 100mCi铯-137源确定并基于密度通过实验测量。因此，对于任意给定密度 可以存在最佳检测器位置。

图3示出了在1.5英寸的容器壁厚的情况下，伽玛射线检测器相对于伽 玛射线源的不同位置确定图2中所示的示例性曲线的具体值。然而，图2中 所示的曲线的整体形状保持相同。

本发明的一个或多个实施例可以使用类似于图3的图表以对一个或多 个给定密度确定最佳检测器位置。如可以从图3看出，每一个给定密度都 具有最佳检测器位置。通常，伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的较靠近 位置可以为与水的密度相似的密度提供更好的精度和更宽的操作范围。然 而，对于0.5-0.7gcc范围内的密度来说，其它位置提供更好的精度。在低 于计数率为最大值ρ_m时的密度的密度下，精度可以大于在高于计数率为最 大值ρm时的密度的密度下的精度。然而，在这种情况下，更近的位置可以 提供例如0-0.4gcc的更大的操作范围。

图4是根据这里公开的实施例的图3的二维投影图。在容器壁厚为1.5 英寸的情况下，给定密度，可以确定伽玛射线检测器的最佳位置。图4显 示了其中密度测量误差小于0.007gcc和密度误差测量值小于0.01gcc的阴 影区。另外，可以确定伽玛射线源/检测器系统的操作范围。例如，给定密 度的估算值和已知的容器壁厚，可以选择伽玛射线检测器相对于伽玛射线 源的最佳相对位置。因此，可以确定密度测量的精度的范围。可选地，密 度估算值和已知容器厚度可以用于确定伽玛射线检测器相对于伽玛射线 源的相对位置的最佳范围，以最大化密度测量的精度。

图5是根据这里公开的实施例的类似于图4的二维投影图。在图5中， 容器壁厚为0.5英寸。图5显示了其中密度测量误差小于0.0006gcc和密度误 差测量小于0.0015gcc的阴影区。使用图5，给定具有0.5英寸壁厚的容器中 的密度，可以确定伽玛射线检测器的最佳位置。另外，如上所示，可以确 定伽玛射线源/检测器系统的操作范围。

图6是根据这里公开的实施例的类似于图4的二维投影图。在图6中， 容器壁厚为1.0英寸。图6显示了其中密度测量误差小于0.003gcc和密度误 差测量值小于0.0017gcc的阴影区。使用图6，给定具有1.0英寸壁厚的容器 中的密度，可以确定伽玛射线检测器的最佳位置。另外，可以确定伽玛射 线源/检测器系统的操作范围。

图7是根据这里公开的实施例的类似于图4的二维投影图。在图7中， 容器壁厚为2.0英寸。图7显示了其中密度测量误差小于0.07gcc和密度误差 测量值小于0.035gcc的阴影区。使用图7，给定具有2.0英寸壁厚的容器中 的密度，可以确定伽玛射线检测器的最佳位置。另外，可以确定伽玛射线 源/检测器系统的操作范围。

如前所述，图4-7为示出了根据这里公开的实施例的对于不同的容器壁 厚，容器中的流体密度的作为密度的函数的测量误差和伽玛射线检测器相 对于伽玛射线源的位置的二维曲线图。如可以预期的是，对于与较厚容器 壁相比的较薄容器壁来说，该误差可以较小，或者精度可以较高。另外， 对于与较厚容器壁相比较薄的容器壁来说，伽玛射线源/检测器系统的操作 范围可以更大。

在此公开了根据实施例的用于提高容器中的流体的密度的测量精度 的其它方法。例如，增加伽玛射线检测器中的操作电压可以附带地提高密 度测量的精度。以下参照图8和图9，在伽玛射线检测器中使用增加的操作 电压再现图4和图7中所示的结果。

图8是根据这里公开的实施例在伽玛射线检测器中使用增加的操作电 压确定的对于1.5英寸容器壁厚的密度误差的测量。如使图4中的误差测量 与图8中的误差测量相比较所示，可以提高密度测量的精度。图9是根据这 里公开的实施例的在伽玛射线检测器中使用增加的操作电压确定的对于 2.0英寸容器壁厚的密度误差的测量。当比较图7与图9时可以看到类似的结 果。

如关于图2(a)所述，计数率为最大值时的密度被表示为ρ_m。图10是根 据这里公开的实施例的具有最大计数率ρ_m的作为相对于伽玛射线源的伽 玛射线检测器位置的函数的密度的位置的曲线图。计数率为最大值ρ_m时的 密度与伽玛射线检测器位置成反比。参照图10，计数率为最大值ρ_m时的密 度可以表示为：

${\rho }_m=\frac{15g/{\mathrm{cm}}^2}{\mathrm{pos}}---\left(2\right)$

其中pos表示图1所示的伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的位置。如 先前所述，计数率为最大值ρ_m时的密度可以有助于确定当使伽玛射线检测 器的计数率与容器内的流体的密度相关联时的密度范围。

如关于图2(b)所述，当流体的密度大于计数率为最大值ρ_m时的密度时， 误差为最小ρ_e时的密度可以用于表示伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的 最佳位置。图11是根据这里公开的实施例的具有最高精度ρ_e的作为检测器 位置pos的函数的密度的位置的曲线图。参照图11，具有最高精度ρ_e的密度 可以表示为：

${\rho }_e=\frac{32g/{\mathrm{cm}}^2}{\mathrm{pos}}---\left(3\right)$

因此，伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的位置可以通过转化上述的 方程被确定：

$\mathrm{pos}=\frac{32g/{\mathrm{cm}}^2}{\rho }---\left(4\right)$

因此，给定流体的密度的初始估计值，如在许多工业应用中可以已知 的，可以确定伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的最佳位置。

另外，如先前所述，容器壁厚可以影响与具有最高精度ρ_e的密度相关 的最小误差σ_最小。图12是根据这里公开的实施例对于检测器位置的作为容 器厚壁的函数的最小误差σ_最小的曲线图。实心圆表示12英寸的检测器位置， 而空心圆表示28英寸的检测器位置。如可以看出，最小误差σ_最小可以实际 上独立于检测器位置。另外，误差σ_最小可以与壁厚以指数的方式成比例。 对于每增加7mm的容器壁的厚度，最小误差σ_最小可能加倍。

使用以上关系，给定容器壁的厚度和容器内的流体的密度的估计值， 可以确定伽玛射线检测器相对于伽玛射线源的最佳位置，以最小化测量反 向散射几何体中的密度的误差。

有利地，这里公开的方法可以用于测量容器上的位置密度梯度。使用 两个或更多个检测器，可以根据这里公开的实施例确定不同容器位置处的 密度。可以由两个或更多个检测器的密度测量确定密度梯度。位置密度梯 度可以提供可能在容器中发生的沉降或混合程度的指示。例如，垂直位置 密度梯度可以指示固体从容器中所含有的悬浮液沉降的程度。作为另一个 实例，各种密度梯度可以指示容器中的静态流、层流或湍流。在容器形成 过程中的部件的情况下，一个或多个过程变量可以响应于密度分布图而被 控制，从而增加混合或减小沉降速率。

伽玛射线源可以包括例如铯-137、镅-241、镭-226、铱-192和钴-60。 在一些实施例中，伽玛射线源的活性可以在0.1mCi到10Ci的范围内。在 其它实施例中，伽玛射线源的活性可以小于5Ci；在其它实施例中，伽玛 射线源的活性可以小于2Ci；以及在其它实施例中，伽玛射线源的活性可 以小于1Ci。

这里公开的实施例中所使用的伽玛射线检测器可以包括诸如碘化钠、 碘化铯和塑料闪烁体的闪烁体。在一些实施例中，伽玛射线检测器可以包 括电子光电倍增管(PMT)。例如，在这里公开的具体实施例中，伽玛射线 检测器采用使用887V到956V操作电压的两个PMT。在增加的电压测量中， PMT使用1220V和1280V的操作电压。在其它实施例中，伽玛射线检测器 可以包括塑料闪烁体，例如，聚乙烯甲苯(PVT)闪烁体。在其它实施例中， 伽玛射线检测器可以包括电离室、盖格计数器、正比计数器、半导体或适 于检测伽玛射线的其它检测器。在这里公开的密度测量系统的实施例包括 多于一个检测器的情况下，检测器可以与伽玛射线检测器的类型相同或不 同。

根据这里公开的实施例的伽玛射线反向散射密度计可以测量容器中 的流体的密度，其中流体的密度可以在从0gcc到7.0gcc的范围内。在其它 实施例中，有效密度范围可以从0.1gcc到4.0gcc；在另一些其它实施例中， 有效密度范围可以从0.2gcc到2.0gcc。在其它实施例中，一个或多个伽玛 射线反向散射密度计可以与一个或多个伽玛射线穿透式密度计结合使用。

在其它各种实施例中，可以基于测量的密度通过控制一个或多个过程 变量来控制容器中的流体的密度。例如，在容器形成过程中的部件的情况 下，可以响应于容器中的流体的伽玛射线反向散射密度测量值控制一个或 多个过程变量。

有利地，这里公开的实施例可以提供一种通过相对于伽玛射线源定位 伽玛射线检测器以检测伽玛射线反向散射来优化非接触式密度测量的方 法。非接触测量可以允许在材料是危险的、非常热的情况下或不能进行直 接接触测量的情况下对密度进行测量。通过检测伽玛射线反向散射，伽玛 射线不必穿过整个容器直径，与当前的穿透式测量相比，这可以允许使用 低强度伽玛射线源以及在较大容器中进行密度测量。另外，伽玛射线源检 测器相对于伽玛射线源的位置的优化可以增加密度测量的精度。

因为这里所述的伽玛射线反向散射密度测量的实施例可以允许使用 低强度伽玛射线源，因此可以减少生产设备内所使用的多个仪表之间的串 扰。低强度源的使用还可以允许每一个容器使用多于一个的伽玛射线源和 /或检测器，从而由于多种测量而可以产生更加准确的流体密度反映。另外， 因为反向散射测量可以允许使用低强度伽玛射线源，因此对于具有中等数 量辐射物质的地点来说，生产设备可以在单个位置处使用额外的测量装 置，而不会违反州和联邦政府所要求的更多严厉的安全协定。

虽然已经关于有限的实施例说明了本发明，但是得益于本公开内容的 本领域的技术人员将认识到可以设计不背离如这里公开的本发明的保护 范围的其它实施例。因此，本发明的保护范围应该仅受限于所附权利要求。