CN113325014B - 一种管道内混合三物质的质量含量分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道内混合三物质的质量含量分析方法，包括如下步骤，分别测量放射源穿透三物质的单种物质的数据和反散射三物质单种物质的数据，得到一组6个数据N11、N12、N13、N21、N22、N23；分别测量放射源穿透混合三物质的数据和反散射混合三物质的数据，得到一组2个数据N、N反；根据穿透变化的三物质之后的射线强度建立数据模型，分析计算得出混合三种物质的百分比质量含量，可以准确分析出混合的三种物质的质量含量，且操作简单，适用性广泛。

Description

一种管道内混合三物质的质量含量分析方法
技术领域
本发明涉及物质成分、含量的分析方法技术领域，尤其涉及一种管道内混合三物质的质量含量分析方法。
背景技术
现阶段的常采用穿透式测量和反散射测量的技术手段只能精准分析出混合物和水之间或者粉状物料与气体之间等两种物质之间的含量关系，而对于三种物质混合的含量就无能为力。穿透式测量介绍：
γ射线与物质相互作用形式主要有光电效应、康普顿散射和电子对效应三种。射线通过物质时，沿射线入射方向，一部分射线通过光电效应被吸收，一部分通过康普顿效应被散射，穿过物质后的γ射线的强度就降低了，这一现象称为强度衰减。强度衰减的程度与射线的能量有关，也与所通过物质的原子序数有关。一束准直的强度为I0的γ射线水平穿过吸收物质，在入射深度为x处强度变为I，再通过薄层dx后强度减少了dI，设吸收物质的原子密度为N，吸收截面为σ，则有
-dI＝σNIdx
令μ＝σN，变形积分可得：
I＝I0e-μx (1)
射线强度是通过探测器计数检测的，有
反散射测量介绍：由于光子与电子的相互作用的散射截面体现的是相互作用发生的几率，因而可以想见，在一单位体积范围内，如果入射的光子数一定，那么在某一散射角方向出射的散射相对光子数就对应了发生康普顿散射的次数，而这个次数与该单位体积范围内的电子数有关，散射相对光子数与单位体积内的电子数是成正比的，即康普顿散射相对光子数与电子密度成正比关系。
鉴于以上所述，实有必要提供一种新型的管道内混合三物质的质量含量分析方法以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种管道内混合三物质的质量含量分析方法，可以准确分析出混合的三种物质的含量，且操作简单，适用性广泛。
为了实现上述目的，本发明提供一种管道内混合三物质的质量含量分析方法，包括如下步骤，
S1：分别测量放射源穿透三物质的单种物质的数据和反散射三物质单种物质的数据，得到一组6个数据N11、N12、N13、N21、N22、N23；
S2：分别测量放射源穿透混合三物质的数据和反散射混合三物质的数据，得到一组2个数据N、N反；
S3：根据穿透变化的三物质之后的射线强度建立数据模型，穿透变化的三种物质之后的射线强度可以根据下式(5)计算得出：
N＝N0exp[-d(μ1W1+μ2W2+μ3W3)] (5)，
W1+W2+W3＝1 (6)；
其中，exp为指数函数，N为穿透三物质混合物后的强度，N0为射线自身的强度，d为穿透厚度，μ1为第一种物质的衰减系数，μ2为第二种物质的衰减系数，μ3为第三种物质的衰减系数，w1为第一种物质的质量百分比含量，w2为第二种物质的质量百分比含量，w3为第三种物质的质量百分比含量；
第一探测器(1)、第二探测器(2)通过标定来实现测量精度，通过探测器内部的单片机设定混合的三物质各自的衰减系数乘以各自百分比含量的总和来确定混合后的衰减系数，得：
u＝μ1W1+μ2W2+μ3W3(7)，另由公式(1)，则可得混合三物质的数学模型：
N11＝N0e-du1，N12＝N0e-du2，N13＝N0e-du3 (8)，
经过换算可得-du1＝ln(N11/N0)，-du2＝ln(N12/N0)，-du3＝ln(N13/N0) (9)，
N13为测量的穿过气体的数据，定为N0＝N13 (10)，
将公式(9)、(10)代入(5)中换算得：
N＝N13exp[W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13)] (11)，
ln(N/N13)＝W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13) (12)，
再引入反散射的测量数据，根据γ射线反散射原理，其中反散射的大小与物质的电子浓度成正比：
N反＝N21W1+N22W2+N23W3(13)，其中N反是指反散射穿透后强度，
令ln(N11/N13)＝A，ln(N12/N13)＝B，ln(N/N13)＝C (14)，
根据上述公式(6)、(12)、(13)、(14)做方程组，分析计算得出三种物质的质量百分比含量。
优选的，放射源安装在管道一侧，第一探测器安装在管道一侧与放射源相对间隔设置，第二探测器安装在管道一侧并与所述放射源呈90°分布设置；
S11：管道内通水时，第一探测器1测量采集水穿透计数值N11并存储；
S12：管道内通油时，第一探测器1测量采集油穿透计数值N12并存储；
S13：管道内通气体时，第一探测器1测量采集气体穿透计数值N13并存储；
S14：管道内通水时，第二探测器2测量采集水反散射计数值N21并存储；
S15：管道内通油时，第二探测器2测量采集油反散射计数值N22并存储；
S16：管道内通气体时，第二探测器2测量采集气体反散射计数值N23并存储。
优选的，
优选的，S31：通过探测器内部的单片机计算N11/N13的对数，并存储为A，如公式ln(N11/N13)＝A (2)；
S32：通过探测器内部的单片机计算N12/N13的对数，并存储为B，如公式ln(N12/N13)＝B (3)；
S33：通过探测器内部的单片机计算实时穿透N/N13的对数，并存储为C，如公式ln(N/N13)＝C (4)。
优选的，W1＝【C·N22+(B-C)N23-B·N反】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (15)；
W2＝【A·N反-C·N21+(A-C)N23】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (16)；
W3＝【N反-N21+(C/B)(N21-N22)】/【(A/B)N21-N21-(A/B)N22+N23】 (17)。
与现有技术相比，本发明提供的一种管道内混合三物质的质量含量分析方法，有益效果在于：可以准确分析出混合的三种物质的质量含量，且操作简单，适用性广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的管道内混合三物质的质量含量分析方法的测量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
需要说明的是，强度衰减的程度与射线的能量有关，也与所通过物质的原子序数有关。一束准直的强度为I0的γ射线水平穿过吸收物质，在入射深度为x处强度变为I，再通过薄层dx后强度减少了dI，设吸收物质的原子密度为N，吸收截面为σ，则有
-dI＝σNIdx
令μ＝σN，变形积分可得：
I＝I0e-μx，
令探测器处检测的射线强度为N，γ射线本身的强度为N0，再令入射深度(厚度)为d，有
N＝N0e-du (1)。
请参阅图1，本发明提供一种管道内混合三物质(以油、气体、水三种物质混合为例)的质量含量分析方法，包括如下步骤，
S1：S1：分别测量放射源穿透三物质的单种物质的数据和反散射三物质单种物质的数据，得到一组6个数据N11、N12、N13、N21、N22、N23；
具体的，将放射源安装在管道一侧，将第一探测器1安装在管道一侧与放射源相对间隔设置，将第二探测器2安装在管道一侧并与所述放射源呈90°分布设置。
S11：管道内通水时，第一探测器1测量采集水穿透计数值N11并存储；
S12：管道内通油时，第一探测器1测量采集油穿透计数值N12并存储；
S13：管道内通气体时，第一探测器1测量采集气体穿透计数值N13并存储；
S14：管道内通水时，第二探测器2测量采集水反散射计数值N21并存储；
S15：管道内通油时，第二探测器2测量采集油反散射计数值N22并存储；
S16：管道内通气体时，第二探测器2测量采集气体反散射计数值N23并存储；
S2：分别测量放射源穿透混合三物质的数据和反散射混合三物质的数据，得到一组2个数据N、N反；
S3：根据穿透变化的三种物质之后的射线强度(以上数据)建立模型，
S31：通过探测器内部的单片机计算N11/N13的对数，并存储为A，如公式ln(N11/N13)＝A (2)；
S32：通过探测器内部的单片机计算N12/N13的对数，并存储为B，如公式ln(N12/N13)＝B (3)；
S33：通过探测器内部的单片机计算N/N13的对数，并存储为C，如公式ln(N/N13)＝C (4)；
穿透变化的三种物质之后的射线强度可以根据下式(5)计算得出：
N＝N0exp[-d(μ1W1+μ2W2+μ3W3)] (5)，
W1+W2+W3＝1 (6)；
其中，exp为指数函数，N为穿透三物质混合物后的强度，N0为射线自身的强度，d为穿透厚度，μ1为第一种物质(水)的衰减系数，μ2为第二种物质(油)的衰减系数，μ3为第三种物质(气体)的衰减系数，w1为第一种物质(水)的质量百分比含量，w2为第二种物质(油)的质量百分比含量，w3为第三种物质(气体)的质量百分比含量。
第一探测器1、第二探测器2通过标定来实现测量精度，对于混合的三种物质的衰减系数不好确定时，但因混合的三物质的质量百分比总和为100％
(W1+W2+W3＝1)，可以通过探测器内部的单片机设定混合的三物质各自的衰减系数乘以各自百分比含量的总和来确定混合后的衰减系数，得：
u＝μ1W1+μ2W2+μ3W3 (7)，将公式(7)代入公式(1)，则可得混合三物质的数学模型：
N11＝N0e-du1，N12＝N0e-du2，N13＝N0e-du3 (8)，
经过换算可得-du1＝ln(N11/N0)，-du2＝ln(N12/N0)，-du3＝ln(N13/N0) (9)，
N13为测量的穿过气体的数据，根据核物理学原理，气体的放射性衰减系数极小，接近为0，所以测量气体的射线穿透基本不会衰减，在实际测量中可定为
N0＝N13 (10)，
将公式(9)、(10)代入(5)中变形换算可得：
N＝N13exp[W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13)] (11)，
ln(N/N13)＝W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13) (12)，
再引入反散射的测量数据，根据γ射线反散射原理，其中反散射的大小与物质的电子浓度成正比：
N反＝N21W1+N22W2+N23W3(13)，其中N反是指反散射穿透后强度，由于探测器内部的单片机整合的数据公式为：ln(N11/N13)＝A，ln(N12/N13)＝B，
ln(N/N13)＝C (14)，
根据上述公式(6)、(12)、(13)、(14)做方程组得出以下公式(15)、(16)、(17)，
分析计算得出三种物质的质量百分比含量；具体的，
W1＝【C·N22+(B-C)N23-B·N反】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (15)；
W2＝【A·N反-C·N21+(A-C)N23】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (16)；
W3＝【N反-N21+(C/B)(N21-N22)】/【(A/B)N21-N21-(A/B)N22+N23】 (17)。
实施例：
安装：
被测管道内的介质是油气水三物质混合物，放射源安装在管道一侧，第一探测器1安装在管道另一侧，第二探测器2安装在管道一侧并与放射源呈90°分布设置。
测量：
安装完成后，第一探测器1采用穿透测量方式来收集数据，第二探测器2采用反散射测量方式来收集数据。
具体的，管道内通水，第一探测器1可测得一个计数值N11(如10000)，第二探测器2可测得一个计数值N21(如1900)；
管道内通油，第一探测器1可测得一个计数值N12(如12000)，第二探测器2可测得一个计数值N22(如1800)；
管道内通气体，第一探测器1可测得一个计数值N13(如40000)，第二探测器2可测得一个计数值N23(如300)；
管道内通油气水三物质混合物时，第一探测器1可测得一个计数值N(如15000)，第二探测器2可测得一个计数值N反(如1500)。
计算数据：
这时，探测器内部的单片机会自动计算数据：
首先计算，ln(N11/N13)＝A，ln(N12/N13)＝B，Ln(N/N13)＝C，并将A、B、C存储。
具体的，
A＝ln(10000/40000)＝-1.386，
B＝ln(12000/40000)＝-1.204，
C＝ln(15000/40000)＝-0.981；
然后根据穿透变化的三种物质之后的射线强度建立数据模型，穿透变化的三种物质之后的射线强度可以根据下式(5)计算得出：
N＝N0exp[-d(μ1W1+μ2W2+μ3W3)] (5)，
W1+W2+W3＝1 (6)；
第一探测器1、第二探测器2通过标定来实现测量精度，对于混合的三种物质的衰减系数不好确定时，但因混合的三物质的质量百分比总和为100％，可以通过探测器内部的单片机设定混合的三物质各自的衰减系数乘以各自百分比含量的总和来确定混合后的衰减系数，得：
u＝μ1W1+μ2W2+μ3W3 (7)，将公式(7)代入公式(1)，则可得混合三物质的数学模型：
N11＝N0e-du1，N12＝N0e-du2，N13＝N0e-du3 (8)，
经过换算可得-du1＝ln(N11/N0)，-du2＝ln(N12/N0)，-du3＝ln(N13/N0) (9)，
N13为测量的穿过气体的数据，根据核物理学原理，气体的放射性衰减系数极小，接近为0，所以测量气体的射线穿透基本不会衰减，在实际测量中可定为
N0＝N13(10)，
将公式(9)、(10)代入(5)中变形换算可得：
N＝N13exp[W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13)] (11)，
ln(N/N13)＝W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13) (12)；
引入反散射的测量数据，其中反射的大小与物质的电子浓度成正比：
N反＝N21W1+N22W2+N23W3 (13)，其中N反是指反散射穿透后强度，由于探测器内部的单片机整合的数据公式为：ln(N11/N13)＝A，ln(N12/N13)＝B，
ln(N/N13)＝C (14)，
根据上述公式(6)、(12)、(13)、(14)做方程组得出以下公式(15)、(16)、(17)，分析计算得出三种物质的质量百分比含量；具体的，
W1＝【C·N22+(B-C)N23-B·N反】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (15)；
W2＝【A·N反-C·N21+(A-C)N23】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (16)；
W3＝【N反-N21+(C/B)(N21-N22)】/【(A/B)N21-N21-(A/B)N22+N23】 (17)；
分析计算得出三种物质的质量百分比含量，W1＝17.30％，W2＝61.55％，W3＝21.15％。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的示例。

Claims (5)

1.一种管道内混合三物质的质量含量分析方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1：分别测量放射源穿透三物质的单种物质的数据和反散射三物质单种物质的数据，得到一组6个数据N11、N12、N13、N21、N22、N23；
S2：分别测量放射源穿透混合三物质的数据和反散射混合三物质的数据，得到一组2个数据N、N反；
S3：根据穿透变化的三物质之后的射线强度建立数据模型，穿透变化的三种物质之后的射线强度可以根据下式(5)计算得出：
N＝N0exp[-d(μ1W1+μ2W2+μ3W3)] (5)，
W1+W2+W3＝1 (6)；
其中，exp为指数函数，N为穿透三物质混合物后的强度，N0为射线的自身强度，d为穿透厚度，μ1为第一种物质的衰减系数，μ2为第二种物质的衰减系数，μ3为第三种物质的衰减系数，w1为第一种物质的质量百分比含量，w2为第二种物质的质量百分比含量，w3为第三种物质的质量百分比含量；
第一探测器(1)、第二探测器(2)通过标定来实现测量精度，通过探测器内部的单片机设定混合的三物质各自的衰减系数乘以各自百分比含量的总和来确定混合后的衰减系数，得：
u＝μ1W1+μ2W2+μ3W3 (7)，另由公式I＝I0e-μx
(1)，则可得混合三物质的数学模型：
N11＝N0e-du1，N12＝N0 e-du2，N13＝N0 e-du3 (8)，N11为测量采集水穿透计数值，N12为测量采集油穿透计数值，N13为测量采集气体穿透计数值，经过换算可得-du1＝ln(N11/N0)，-du2＝ln(N12/N0)，-du3＝ln(N13/N0) (9)，
N13为测量的穿过气体的数据，定为N0＝N13 (10)，
将公式(9)、(10)代入(5)中换算得：
N＝N13exp[W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13)] (11)，
ln(N/N13)＝W1ln(N11/N13)+W2ln(N12/N13) (12)，
再引入反散射的测量数据，根据γ射线反散射原理，其中反散射的大小与物质的电子浓度成正比：
N反＝N21W1+N22W2+N23W3 (13)，其中N21为测量采集水反散射计数值，
N22为测量采集油反散射计数值，N23为测量采集气体反散射计数值
，其中N反是指反散射穿透后的强度，
令ln(N11/N13)＝A，ln(N12/N13)＝B，ln (N/N13)＝C (14)，
根据上述公式(6)、(12)、(13)、(14)做方程组，分析计算得出三种物质的质量百分比含量。
2.如权利要求1所述的管道内混合三物质的质量含量分析方法，其特征在于，放射源安装在管道一侧，第一探测器(1)安装在管道一侧与放射源相对间隔设置，第二探测器(2)安装在管道一侧并与所述放射源呈90°分布设置；
S11：管道内通水时，第一探测器1测量采集水穿透计数值N11并存储；
S12：管道内通油时，第一探测器1测量采集油穿透计数值N12并存储；
S13：管道内通气体时，第一探测器1测量采集气体穿透计数值N13并存储。
3.如权利要求2所述的管道内混合三物质的质量含量分析方法，其特征在于，
S14：管道内通水时，第二探测器2测量采集水反散射计数值N21并存储；
S15：管道内通油时，第二探测器2测量采集油反散射计数值N22并存储；
S16：管道内通气体时，第二探测器2测量采集气体反散射计数值N23并存储。
4.如权利要求3所述的管道内混合三物质的质量含量分析方法，其特征在于，
S31：通过探测器内部的单片机计算N11/N13的对数，并存储为A，如公式ln(N11/N13)＝A (2)；
S32：通过探测器内部的单片机计算N12/N13的对数，并存储为B，如公式ln(N12/N13)＝B (3)；
S33：通过探测器内部的单片机计算N/N13的对数，并存储为C，如公式ln(N/N13)＝C(4)。
5.如权利要求1所述的管道内混合三物质的质量含量分析方法，其特征在于，W1＝【C·N22+(B-C)N23-B·N反】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (15)；
W2＝【A·N反-C·N21+(A-C)N23】/【A·N22-(A-B)N23-B·N21】 (16)；
W3＝【N反-N21+(C/B)(N21-N22)】/【(A/B)N21-N21-(A/B)N22+N23】 (17)。
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