CN103115933A - 利用位置敏感型检测器检测背散射辐射的密度分布测量 - Google Patents

Abstract

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。

Description

利用位置敏感型检测器检测背散射辐射的密度分布测量

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1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～Ωe^-d/λ～(e^-d/λ)/d²    (1)

其中n是计数速率，d是容器直径，而λ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。另外，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。

附图说明

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1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5×10^-7Ωm到2×10^-6Ωm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+ρ(x/L)给出的电流I_L，其中ρ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+ρ(1-x/L)给出的电流I_R。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：

$\frac{V_R}{V_L}=\frac{R+(x/L)\mathrm{\ρ}}{R+(1-x/L)\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

其中V_L是在接触件223处测量的电压而V_R是在接触件225处测量的电压。更具体地，由于伽马射线感应电离的瞬变特性，V_L和V_R可以更正确地解释为通过检测器电子模块207在接触件223和225处测量的输出信号的峰值振幅(即，输出脉冲)。公式(2)可以被换转成给出伽马射线的检测位置：

$x=L\frac{V_R(R/\mathrm{\ρ}+1)-V_{L}R/\mathrm{\ρ}}{V_L+V_R}---\left(3\right)$

因此，如果R和ρ都已知，则x可以通过测量V_R和V_L来确定。根据在此处公开的一个或多个实施例，电阻元件213的电阻ρ可以与负荷电阻217和219的电阻R相等或者对等。例如，在ρ＝R的情况下，公式(3)简化为：

$X=L\frac{{2V}_R-V_L}{V_L+V_R}---\left(4\right)$

因此，电压V_R和V_L的测量允许用于确定伽马射线检测的位置x。受益于本发明的本领域技术人员将认识到电压的其他比较可以用于得到位置敏感信号。因此，公式(4)被理解为可用比较的一个实例。

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。在容器301非常长或高的情况下，多个位置敏感型伽马射线检测器(例如检测器303、305和307)可以沿容器301的长度或者高度放置，并且一个或多个伽马射线源309也沿所述容器放置。多个较短的单独位置敏感型检测器的放置获得改进的热特性和振动特性。例如，系统在与电阻元件的热膨胀/收缩相关联的检测器校准中变化，和/或电离室壳体的热膨胀/收缩可以通过减小电阻元件和电离室壳体的总长度而被减小。伽马射线检测器的长度还可以被选择成使振动频率的有效耦合最小化，该振动频率的有效耦合一般存在于检测器附近的环境中。虽然图3显示位置敏感型检测器的端部为部分重叠，但本领域的技术人员将认识到在不背离本发明的保护范围的情况下可以具有其它结构。例如，根据其它实施例，位置敏感型检测器可以端对端地放置。另外，本领域的技术人员将认识到给定检测器环境的具体要求可以需要具有特定长度或者数量的伽马射线源的任何数量的检测器。因此，图3意味着提供说明性实例而不意味着对本发明的保护范围的限制。

伽玛射线源107(图1)和309(图3)可以包括例如铯-137、镅-241、镭-226、铱-192和钴-60或者其它任何适当的放射源。在一些实施例中，源的活动性可以具有从0.1mCi到10Ci的范围。在其它实施例中，源的活动性可以小于5Ci；在其它实施例中小于2Ci；以及在另外的实施例中小于1Ci。

图4A-B显示根据在此处公开的一个或多个实施例的位置敏感型伽马射线检测器可以如何被安装到容器。位置敏感型伽马射线检测器403可以通过安装适配器405安装到容器401。安装适配器405可以通过本领域所公知的任何方法(例如通过焊接)刚性地连接到容器401。许多工业应用产生可以通过安装适配器传送到位置敏感型伽马射线检测器403中的显著振动。该振动可以通过在检测元件中产生电容变化而引起电噪声，这接着在系统中产生噪声，这另外还已知作为颤噪效应。基于位置敏感型伽马射线检测器403的结构，噪声可以在10kHz或更大的频率范围内。作为支撑系统的一部分的机械阻尼器的使用帮助减小这些影响。阻尼系统包括由弹性体材料形成的衬套407。衬套407可以设置在安装适配器405和位置敏感型伽马射线检测器403之间。适配器的数量和位置可以根据检测器的不同结构而变化。衬套407不仅减少颤动噪声，并且还提供检测器和容器之间的热屏障。

图5显示根据在此处公开的一个或多个实施例的安装到容器的位置敏感型伽马射线检测器。在该实例中，当在用于水平(即平行于地面)安装的圆柱形容器的情况下，容器501的横截面被显示为圆形。此外，根据本发明的一个或多个实施例，可以在不背离本发明的保护范围的情况下使用具有不同横截面形状的多种不同类型的容器。根据一个或多个实施例，位置敏感型检测器503和505可以被安装成使得所述检测器可以测量流体在容器501的横截面方向(例如垂直于对称轴线)上的密度分布。根据一个或多个实施例，伽马射线源507可以安装在容器和位置敏感型检测器上或容器和位置敏感型检测器附近。

虽然圆柱形离子室在图4A-B中示出，但本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的保护范围的情况下使用不同形状的离子室。例如，离子室可以具有盒形状，该盒形状的离子室可以包括一对平行板或者其它任何便利的几何结构。

本领域的技术人员将认识到位置敏感型检测器可以可选地以多种方式构造而成，并且不是必须被限制为如上所述的比例计数器。

图6显示说明根据在此处公开的实施例的背散射伽马射线的计数速率作为过程流体的密度的函数的实验图表的实例。在该说明性的实施例中，作为密度的函数的计数速率被显示用于安装到具有1英寸厚度的容器壁的容器的填充有Xe的比例计数器。如可从图6看出，0.120gcc(克每立方厘米)的密度可以产生与2.20gcc的密度的计数速率相同的计数速率。因此，如下所述，操作范围可以被分成两个区域。

峰值计数速率由ρ_m表示。在此处公开的一个或多个实施例可以在其中密度ρ＜ρ_m(例如位于图6中的曲线最大值的左侧的密度)的区域内操作。类似地，在此处公开的一个或多个实施例可以在由位于图6中的曲线最大值的右侧的密度表示的ρ＞ρ_m高密度区域内操作。具体地，在许多工业应用中，例如在许多提炼厂中，流体大多数为具有0.8gcc或者更高密度的油。作为其它实例，在采矿流体中的工业应用大多数可以为具有1.0gcc或者更高密度的水。

测量背散射伽马射线的能力可以取决于许多因素，这些因素包括但不限于流体的密度、容器壁厚度、源检测器距离、源强度等等。因此，计数速率与流体密度的相关性将随具体操作条件而变化。因此，图6意味着提供说明性实例而不意味着对本发明的保护范围的限制。

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。容器705可以用流体的混合物填充，其中每一种流体具有不同的密度。在图7A所示的实例中，容器705被流体711(例如0.45gcc泡沫)部分填充和被流体713(例如0.0012gcc空气)部分填充。伽马射线源707和位置敏感型伽马射线检测器709都连接或安装在容器705的壁附近。根据在此处公开的一个或多个实施例，位置敏感型伽马射线检测器709可以用于确定流体711和713之间的分界面并确定流体711和713的密度。

图7B显示根据在此处公开的一个或多个实施例的位置敏感型检测器的模拟响应。在该实例中，伽马射线的康普顿散射的蒙特卡罗模拟在用于输入流体的检测器上执行并返回计数速率。具体地，图7B显示位置敏感型检测器709上的背散射伽马射线计数分布的半对数图。如在此处使用的，背散射伽马射线计数分布被定义为在检测器上以时间间隔dt测量时的总计数的空间分布。此外，假定背散射伽马射线计数分布相当于计数速率分布，其中计数速率仅由计数N的数量除以测量时间dt给出。图7B以半对数图显示用于具有恒定密度的流体的背散射伽马射线计数分布通过具有降低的斜率m或者以下公式的线性关系进行较好说明：

$m=\frac{d}{\mathrm{dx}}\log \left(N\right)=-\mathrm{\α\ρ}+\mathrm{\β}---\left(5\right)$

其中α和β是校准因数，而ρ是流体的密度。校准常数可以取决于许多因素，该因素包括但不限于容器壁厚度、源-检测器距离、源强度和离子室设计(例如几何结构和气体类型)。然而，α和β可以通过校准具有例如空气和水的任何两种校准流体的系统来确定，该校准流体具有公知的密度。

图7B还显示0.45gcc泡沫和水之间的分界面可以被证明为在以半对数图标绘时的背散射伽马射线计数分布的斜率中不连续或者扭折。因此，所述分界面可以在不需要校准常数α的现有知识的情况下被定位。此外，图7B中所示的半对数图中的线性背散射伽马射线计数分布表示对于固定密度，在位置敏感型检测器上测量时的计数数量随伽马射线源的高度的增加而成指数地减少。

在与许多工业过程相关联的需要环境中，根据公式(2)精确地确定伽马射线检测事件的位置变得困难。例如，例如耦合到输出信号V_L和V_R的噪声源导致最小位置灵敏性δx的存在。此外，由于随机性，即伽马射线背散射的物理过程的统计特性，测量的计数数量中的部分不确定性作为计数数量的平方根的一个，或者

因此，这可以对于在时间dt内出现的任何给定数据获得事件，使用二进制技术以减小噪声和/或统计不确定性和通过增加获得的计数数量而改进数据获得时间。例如，位置敏感型检测器可以有效地分成为尺寸δx或者更大的多个虚拟子检测器，并且落入任何给出的虚拟子检测器宽度内的所有检测可以被求和以减少计数中的误差。

因此，根据一个或多个实施例，虽然位置敏感型检测器可以是单个单元(例如图4)，但是如果位置敏感型检测器包括多个较小虚拟子检测器，可以处理来自检测器的数据输出，其中每个虚拟子检测器都具有宽度w。虚拟子检测器划分地越小，可使用越多的子检测器，由此增加测量的空间分辨率。虚拟子检测器划分地越大，提供越少的虚拟子检测器，并且因此空间分辨率越低。然而，较大的子检测器划分提供在每一个虚拟子检测器处收集的更多数量的计数，因此，增加了密度测量的精度。

虚拟子检测器划分还可以通过公式(3)的上下文来理解。例如，在位置x_i±w/2处检测的计数可以被一起求和或被二进制。下一个虚拟子检测器包括位于位置(x_i+w)±w/2处的所有计数。因此，第n个虚拟子检测器包括在范围(x_i+nw)±w/2内测量的全部计数。

根据一个或多个实施例，可以沿容器的长度或高度测量位置x处的密度。例如，如果整个系统被校准，则可以根据两个相邻的子检测器之间的计数的不同值推出第i和第i+1的两个相邻的子检测器之间的密度测量值ρ(即，背散射伽马射线计数分布的斜率)：

$\mathrm{\ρ}=\mathrm{\α}\frac{\log N_{i+1}-\log N_i}{x_{i+1}-x_i}---\left(6\right)$

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。容器805可以被流体的混合物填充，其中每一种流体可以具有不同的密度或者每一种流体可以具有不一致的密度分布。在图8A所示的实例中，容器805被流体807、809、811、813部分填充。伽马射线源815和位置敏感型伽马射线检测器817都连接或安装在容器805的壁附近。根据在此处公开的一个或多个实施例，位置敏感型伽马射线检测器817可以用于除了所有流体的密度分布之外根据公式(6)确定不同流体之间的分界面。

图8B-C显示根据在此处公开的一个或多个实施例的位置敏感型检测器的模拟响应，其中执行伽马射线的康普顿散射的蒙特卡罗模拟。假设每一个虚拟子检测器都被校准，每一个虚拟子检测器之间的密度可以根据公式(6)从每一个虚拟子检测器上的测量计数推断出。

实线显示在模拟中使用的流体的输入密度分布图。在该实例中，利用恒定密度模拟流体807，流体809和811利用线性密度分布图来模拟，而流体813被模拟为空白空间(0gcc)。单独的数据点显示模拟的结果。图8B显示其中检测器被再分为虚拟子检测器的模拟的结果，该虚拟子检测器中的每一个都具有10cm的宽度。图8C显示其中检测器被再分成每一个都具有30cm宽度的虚拟子检测器的模拟的结果。虚拟子检测器的两种结构都可被看到，以提供模拟密度分布图的精确再现。

图9显示了根据一个或多个实施例的示出涉及测量过程容器中的流体的密度分布的步骤的方法。虽然流程图中的不同步骤被顺序地表现和说明，但本领域技术人员将认识到一些或者所有步骤可以以不同顺序执行，可以被组合或者被省略，并且一些或者所有步骤可以同时执行。

在步骤901中，伽马射线被发射到流体中。这些伽马射线可以源自于定位在过程容器外部的适当伽马射线源，如上所述，例如图1、图3、图7A和图8A中所示。在步骤903中，背散射伽马射线计数分布(BGCD)由位置敏感型伽马射线检测器检测。由位置敏感型伽马射线检测器检测的BGCD的一个实例在图7B中被示出。根据本发明的一个或多个实施例，位置敏感型伽马射线检测器可以构造成采用电荷分配读数的比例计数器，如上参照图2所述。然而，从本发明获益的本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的保护范围的情况下使用任何适当类型的位置敏感型检测器，例如塑料闪烁器等。在步骤905中，BGCD的斜率在沿着过程容器的一个或多个检测位置处被计算。根据一个或多个实施例，可以根据公式(6)对沿着伽马射线计数分布图的多个位置计算BGCD的斜率。应该注意的是，对于步骤905，在公式(6)中示出的校准因数α不需要为已知的以确定BGCD的斜率。在步骤907中，两种流体之间的分界面的水位(即位置、高度等)可以根据BGCD的斜率中的任何中断的存在而被确定。例如，图7B显示位于流体711和713之间的分界面，该分界面能够在BGCD的斜率中断时被识别出。在步骤909中，流体的密度分布可以使用公式(6)根据BGCD的计算斜率和需要的校准常数的预定值(例如α，β和/或任何其它需要的偏移/校准值等)来确定。

根据在此处公开的实施例的伽玛射线背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具有从0gcc到7.0gcc的范围。在其它实施例中，有效密度范围可以从0.1gcc到4.0gcc；而在另外的实施例中，可以从0.2gcc到2.0gcc。在其它实施例中，一个或多个位置敏感型伽玛射线检测器可以与一个或多个伽玛射线穿透密度计结合使用。

有利地，在此处公开的方法和设备可以用于测量容器中的流体的密度分布，或者定位过程容器中的多种流体之间的一个或多个分界面。测量的密度分布图可以例如提供沉淀或者混合程度的指示，该沉淀或者混合可以出现在容器中。另外，垂直的密度分布图可以指示来自容纳在容器内的悬浮液的固体的沉淀程度。如另一个实例所示，不同的密度分布图可以是容器中的静态、层流或者湍流的指示。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来操纵，以增加混合速率或者减小沉淀速率。在检测流体之间的一个或多个分界面的情况下，一个或多个过程变量可以被操纵以改变过程容器内的过程流体之间的分界面水位(即过程水位)。

在其它不同实施例中，容器中的流体的密度和/或密度分布(即过程密度和/或过程密度分布)可以基于测量的密度和/或密度分布通过操纵一个或多个过程变量而被控制。例如，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容器中的流体的位置敏感伽玛射线背散射密度测量而被操纵。

此外，在此处公开的一个或多个实施例可以以诸如过程控制系统的任何类型的计算机系统来实现。例如，如图10所示，过程控制系统1000包括处理器1002、相关存储器1004、储存装置1006和现今计算机(未示出)典型的多个其它元件和功能。存储器1004可以包括用于使过程控制系统1000根据本发明的一个或多个实施例执行过程控制方法的指令。

过程控制系统1000还可以包括诸如键盘1008和鼠标1010的输入装置和诸如监视器1012的输出装置。过程控制系统1000可以经由网络接口连接(未示出)连接到局域网(LAN)或者宽域网(例如因特网)(未示出)。本领域的技术人员将认识到这些输入和输出装置可以采取现在公知的或者以后开发的其它形式。

此外，本领域的技术人员将认识到过程控制系统1000的一个或多个元件可以位于远距离位置并通过网络连接到其它元件。此外，一个或多个实施例可以在具有多个节点的分布系统上来实施，其中本发明的每一个部分(例如侵入检测系统、响应重写器、服务器、客户端)可以位于分布系统内的不同节点上。在一个或多个实施例中，节点与计算机系统相对应。可选地，节点可以与具有相关物理存储器的处理器相对应。节点可以可选地与具有共享存储器和/或资源的处理器相对应。此外，用于执行本发明的实施例的软件指令可以存储在诸如数字视频盘(DVD)、光盘(CD)、软盘、磁带的有形计算机可读介质上、或者存储在任何其它适当的有形计算机可读储存装置上。

有利地，在此处公开的实施例可以提供用于通过相对于伽玛射线源定位位置敏感型伽玛射线检测器进行非接触式密度分布测量的方法，以便检测伽玛射线背散射。非接触式测量可以允许测量容器中的物质的密度分布，其中所述物质是危险的、极热的，或者其中直接接触测量是不可能的。通过检测伽玛射线背散射，伽马射线不必横贯整个容器直径，这可以允许使用低强度伽玛射线源，并且较大容器中的密度分布的测量利用穿透测量现在变得可能。

虽然已经相对于有限数量的实施例说明本发明，但从本发明的获益的本领域的技术人员将认识到可以在不背离此处公开的本发明的保护范围的情况下想到其它实施例。因此，本发明的保护范围应该仅仅由所附的权利要求所限定。

Claims (20)

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：

$x=L\frac{V_R(R/\mathrm{\ρ}+1)-V_{L}R/\mathrm{\ρ}}{V_L+V_R}.$

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：

$x=L\frac{V_R(R/\mathrm{\ρ}+1)-V_{L}R/\mathrm{\ρ}}{V_L+V_R}.$

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。

15.一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。

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