CN115201061A - 用于校准辐射测量密度测量设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于校准辐射测量密度测量设备的方法。辐射测量设备用于确定和/或监视位于容器(1)中的介质(6)的密度。方法包括以下方法步骤：基于发送单元(3)的活度来确定放射性辐射在已经穿过空容器(1)之后的计数率N0；当已知密度的校准介质位于容器(1)中时，确定放射性辐射在已经穿过容器(1)之后的测量计数率N，根据公式μ＝‑(ln(N/N0))(ρ1D)确定质量衰减系数(μ)，其中D：放射性辐射的波束路径或容器(1)的内径，ρ1：校准介质的密度；计算校准曲线，其表示介质的密度对在辐射已经穿过容器(1)之后的测量辐射密度的计数率的依赖性。

Description

用于校准辐射测量密度测量设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于校准辐射测量设备的方法，该辐射测量设备用于确定和/或监视位于容器中的介质的密度，发送单元和接收单元被提供，该发送单元发射预定强度的放射性辐射，并且该接收单元接收在所述放射性辐射已经穿过该介质之后由该发送单元发射的放射性辐射，并且控制/评估单元被提供，该控制/评估单元基于由接收单元所确定的测量值来确定位于容器中的介质的密度。
背景技术
每当通常使用的测量方法失败或不再能够使用时，使用辐射测量料位或密度测量。辐射测量密度测量例如用在从铝土矿生产铝的过程中，以及在海洋或河流环境中的疏浚工作的情况下测量通常包含岩石的淤泥的密度。辐射测量密度测量通常与流量测量结合进行。
在辐射测量密度测量中，位于容器(罐、筒仓、管道等)中的介质通常被伽马辐射照射。辐射从伽马源发出并且由接收单元(闪烁体)检测，该接收单元被定位使得它检测由发送单元在所述辐射已经穿过介质之后发射的伽马辐射。取决于应用，例如Cs137或Co60源被用作伽马源。接收单元由塑料或晶体、光电倍增器和接收元件组成。
由发送单元发射的伽马辐射在穿过介质和/或容器时至少被减弱或衰减。伽马辐射的减弱或衰减表现出对容器中存在的介质的密度的函数依赖性。减弱或衰减的伽马辐射撞击在检测器单元的检测器材料上，并且在那里被转换成光脉冲，该光脉冲由检测器(例如光电二极管)检测。为了确定密度，对由伽马辐射在撞击到检测器材料上时生成的光脉冲的数目进行计数。
伽马辐射在穿过介质时的衰减FD可以由以下的比尔朗伯定律描述：
FD＝N/No＝e-μi·D
这里，μi是线性衰减系数，并且D是波束路径。在管道具有弯折的辐射密度测量设备的情况下，波束路径例如对应于管道的内径，增加了容器的壁厚值的两倍。如果管道的内径远大于管道的壁的厚度，则可以忽略由管道的壁的材料引起的伽马辐射的减弱或衰减。或者，由容器的壁引起的伽马辐射的减弱可以利用空容器实验性地确定。由于入射到检测器上的高辐射，该路径在实践中是有问题的。还可以计算当伽马辐射穿过容器的壁的材料时的伽马辐射的减弱。
线性衰减系数是入射伽马辐射的能量、被照射的介质的化学成分以及介质的密度的函数。通过引入质量衰减常数μ，可以实际上完全消除伽马辐射的衰减对介质的特性的依赖性，其中质量衰减常数μ根据线性衰减系数μi推导。在理想条件下，质量衰减系数与介质的密度和性质无关，因此仅取决于入射伽马辐射的能量。这一事实可以解释为密度测量中使用的伽马辐射位于0.5至0.6MeV的能量范围内。在这个能量范围内，康普顿效应，即光子在散射介质的电子处的非弹性散射，是主要效应。因此，当被照射并且与介质相互作用的光子的能量保持恒定时，质量衰减常数μ是常数。因此，μ＝μi/ρ和N＝No e-μ·ρ·D。结果：
-In(N/No)＝(μ·ρ·D)。
由于波束路径D相对于预定容器是可计算的恒定大小并且由于质量衰减常数是恒定的，所以-In(N/No)与ρ成比例。
为了允许位于容器中的介质的密度的可靠地辐射测量确定，进行两点校准。为此，在第一步骤中，容器利用具有已知密度ρ1的第一介质加以填充。介质利用伽马辐射照射，并且相应的计数率N1被确定。在第二步骤中，容器利用具有已知密度ρ2的第二介质加以填充，其中，第二介质的密度优选地尽可能地不同于第一介质的密度。计数率N2被确定。质量衰减常数μ基于确定的测量值(计数率)和已知变量(ρ1，ρ2)来计算。辐射测量密度测量设备的校准曲线使用确定的变量来确定并且被存储在密度测量设备中。
辐射测量密度测量设备可以经由已知方法单独校准。然而，这种两点校准需要很大的努力。容器、罐、筒仓或管线通常具有相当大的体积，这就是为什么必须有相当大量的介质可用于校准。虽然用水作为用于较高密度范围的校准介质进行校准仍然相对没有问题，但是用较低密度的第二介质例如油进行填充通常仅通过大量努力才可能。在这一点上，应当参考例如位于难以接近的沙漠区域中的测量地点。因此，校准曲线通常基于仅利用一种介质的计数率的测量来确定(单点校准)。然后，将7.7mm2/g的标准值假设为第二质量衰减系数，其对于计算校准曲线是必要的。该值基于经验值。尽管这将校准工作减半，但是在个别情况下，这是以辐射测量密度测量设备的测量精度为代价的。
即使已知的两点校准，也就是说，基于当穿过具有已知的不同密度的两种介质时对伽马辐射的衰减的确定来确定质量衰减系数，也不是非常可靠，因为在许多应用中，两种介质的密度对质量衰减系数的影响显著低于容器的几何尺寸以及发送和接收单元的几何布置的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于精确校准辐射测量密度测量设备的简单方法。
该目的通过一种用于校准辐射测量设备的方法来实现，该辐射测量设备用于确定和/或监视位于容器中的介质的密度，发送单元和接收单元被提供，该发送单元发射预定强度的放射性辐射，并且该接收单元接收在所述放射性辐射已经穿过该介质之后由该发送单元发射的放射性辐射，并且控制/评估单元被提供，该控制/评估单元基于由接收单元所确定的测量值来确定位于容器中的介质的密度，所述方法具有以下方法步骤：
基于所述发送单元(3)的活度来确定在所述放射性辐射已经穿过空容器(1)之后的放射性辐射的计数率N0，
当已知密度的校准介质位于所述容器(1)中时，确定在所述放射性辐射已经穿过所述容器(1)之后的放射性辐射的测量计数率N，
根据公式μ＝-(ln(N/N0))/(ρ1D)确定质量衰减系数(μ)，其中D：所述放射性辐射的波束路径或所述容器(1)的内径，ρ1：所述校准介质的密度，
计算表示所述介质的密度对在所述辐射已经穿过所述容器(1)之后的测量辐射密度的计数率的依赖性的校准曲线。
因此，根据本发明的方法提出一种用于校准辐射测量密度测量设备的单点校准，其中仅实验地确定一个测量点：通过发送单元的活度来确定用于确定质量衰减系数所需的第一计数率N0。当设计辐射测量密度测量设备时，通常首先选择接收单元的剂量率，然后计算发送单元的所需活度以便相应地选择发送单元。根据相应的相关文献，本领域技术人员已知发送单元的活度的计算。当容器是空的时，用于计算发送单元的活度的公式可以反过来用于计算检测器的剂量率，由此获得计数率N0。所使用的发送单元的伽马辐射的计数率N通过利用已知密度的介质填充的容器实验地确定。由于这样存在两个计数率N0和N，所以可以直接计算质量衰减系数，并且可以基于两个计数率和质量衰减系数来确定校准曲线。
当容器为空时，通常排除辐射强度的实验性确定，因为在这种情况下会发生检测器的大量过辐射。与通过两点校准获得的实验测量值相比，已经发现根据本发明的方法提供了非常好的结果。
在根据本发明的方法的可能改进中，所述放射性辐射在穿过所述空容器之后的计数率N0根据公式N0＝(P·K·B)/(Fa·Fs)来确定，其中，Fa：所述发送单元和所述接收单元之间的平方距离因子，Fs：衰减因子，其至少取决于所述容器的壁和所述发送单元的同位素，P：所述发送单元的活度，K：同位素依赖性校正因子，B：用于将脉冲率转换为计数率N0的校正因子。如果所述发送单元被布置成与所述接收单元成角度，则所述发送单元和所述接收单元之间的距离因子Fa可以可选地是平均(平方)距离。必须在根本上考虑辐射测量密度测量设备的几何布置。所述发送单元的活度P是同位素依赖性的并且需要通过同位素依赖性校正因子K进行校正。所述衰减因子Fs考虑到当穿过容器的壁和附接到容器的壁的其他层时的放射性辐射的衰减。空容器内空气对放射性辐射的衰减可以忽略不计。校正因子B取决于接收单元的类型，并且是用于将剂量率Fi转换为N0所需的。剂量率Fi源于Fi＝(P·K)/(Fa·Fs)。
水优选地用作所述校准介质。
在又一个改进中，所述发送单元和所述接收单元相对于彼此定位成使得所述容器垂直于所述容器的纵向轴线、倾斜于所述容器的纵向轴线或平行于所述容器的纵向轴线被照射。所述容器通常是管道或罐。由于伽马辐射也透过固体，所以所述发送单元和所述接收单元被扣紧在所述容器的外壁上。实际布置取决于所讨论的应用来选择。
在又一个可能改进中，管道用作所述容器，所述发送单元和所述接收单元被紧固到所述管道的相对的表面区域。
所述接收单元有利地被设计和定位成使得所述接收单元的敏感部件被所述辐射撞击。为了获得最佳测量结果，所述接收单元相对于所述发送单元被设计和定位成使得所述接收单元的敏感部件被穿过所述容器的辐射撞击。
在又一个改进中，所述衰减因子Fs根据公式Fs＝ea·q来计算，其中，a：同位素依赖性衰减系数，q：以钢当量测量的容器的壁的厚度，其中，钢当量被定义为相对于钢的密度的所述容器的壁的密度。在空容器的情况下，所发射的放射性辐射的强度主要被容器的壁减弱。还可能必须考虑用于阻挡伽马辐射的任何绝缘层或施加于在发送单元和接收单元之间的容器的其他层，因为这些同样降低了所发射的放射性辐射的强度。
伽马辐射的强度随着到被照射的介质中的穿透深度的增加而呈指数降低。半值厚度表示伽马辐射在材料/介质中覆盖的距离，在该距离处，伽马辐射的强度由于与材料/介质的相互作用(基本上是康普顿散射)而减半。半值厚度取决于伽马辐射的波长和被照射的材料/介质的原子序数。对于钢，例如，半值厚度是已知的并且大约是14mm的钢的厚度。因此，放射性辐射的相应衰减可以根据容器的钢壁的实际厚度来计算。如果容器的壁具有与钢(ρsteel)不同的密度(ρwall)，则必须相应地进行转换。对于q的计算，可以使用以下公式：q＝(2·L·ρwall)/ρsteel，其中L是容器壁的厚度。还可以将衰减放射性辐射的其他层应用于容器壁。通常，层i可以作为附加总和被引入到公式的计数器中，使得q＝(∑i2·L·ρi)/ρsteel。因子2考虑到放射性辐射穿过容器壁两次并且可以任选地被省略的事实。衰减系数a适于通过钢和所讨论的伽马源的衰减。
附图说明
参考以下附图，图1至图2，更详细地解释本发明。在附图中：
图1：示出了用于辐射测量地确定介质密度的装置的示意图。
图2：示出了可视化计数率对密度的依赖性的图形的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于辐射测量地确定位于容器1(这里具有臂2的管道)中的介质6的密度的装置的示意图。接收单元4和具有伽马源的发送单元3布置在管道1的相对的表面区域上。两个部件3、4经由夹紧机构紧固到管道1的外部，该夹紧机构在图1中未单独示出。
通过围绕的壳体的伽马源的封装被设计成使得伽马辐射仅在出射面A的区域中从发送单元3出射。伽马辐射在所指示的波束路径SP上照射其中具有其密度ρ将被确定的介质6的容器1。接收单元4接收由于与容器壁和/或介质6相互作用而减弱的伽马辐射。评估单元7基于接收单元4的强度或计数率来确定位于容器1中的介质6的密度。申请人提供并且销售对应的辐射测量密度测量装置。如上所述，发送单元3和接收单元4相对于容器1的布置可以不同地被配置。
图2示出了可视化作为介质6的密度ρ的函数的计数率N的依赖性的示意图。介质6对波束路径SP上的伽马辐射的衰减可以由比尔-朗伯定律描述，并且因此遵循e函数。衰减F对应于穿过介质6之后的伽马辐射的计数率与由伽马源通过出射开口A发射的伽马辐射的计数率N0的比率。计数率N由每秒的计数(事件数目)(c/sec)指示。
在图2中，相对于密度绘制计数率。在介质6的最大密度ρmax处，计数率Nmin大约为零；在最小密度ρmin处，计数率Nmax基本上等于由伽马源发射的伽马辐射的计数率N0。应用以下数学关系：
Figure BDA0003575512670000071
根据本发明，基于发送单元3的活度来确定计数率N0，只需要确定具有定义密度ρ1的介质6的进一步的计数率N。然后，可以确定质量衰减系数μ，并且可以计算图2中所示的示例性校准曲线。
为了图示计数率N0的计算，下面将示出计算的示例。例如，使用具有Cs137伽马源的发送单元3，该发送单元具有95.95μSv·m2/(h·GBq)的校正因子K、0.13GBq的活度P、以及0.048的同位素依赖性衰减系数a。接收单元4具有1350h/(s·μSv)的校正因子B。
对于具有9.3mm厚度和7890kg/m3钢密度的钢容器1的壁2，得到衰减因子Fs＝eaq＝2.4。发送单元3和接收单元4之间的距离是0.45m，从而产生距离因子Fa＝(0.45m)2＝0.2m2。这产生25.5μSv/h的剂量率Fi，因此产生344791/s的计数率N0。
参考标记列表
1 容器
2 容器的壁
3 具有伽马源的发送单元
4 接收单元
5 敏感部件
6 介质
7 评估单元
D 容器的内径
A 伽马辐射出射面
SP 波束路径

Claims (7)

1.一种用于校准辐射测量设备的方法，所述辐射测量设备用于确定和/或监视位于容器(1)中的介质(6)的密度，发送单元(3)和接收单元(4)被提供，所述发送单元(3)发射预定强度的放射性辐射，并且所述接收单元(4)接收在所述放射性辐射已经穿过所述介质(6)之后由所述发送单元(3)发射的放射性辐射，并且控制/评估单元(7)被提供，所述控制/评估单元(7)基于由所述接收单元(4)所测量的强度来确定位于所述容器(1)中的介质(6)的密度，所述方法具有以下方法步骤：
·基于所述发送单元(3)的活度来确定所述放射性辐射在已经穿过空容器(1)之后的计数率N0，
·当已知密度的校准介质位于所述容器(1)中时，确定所述放射性辐射在已经穿过所述容器(1)之后的测量计数率N，
·根据公式μ＝-(ln(N/N0))(ρ1D)确定质量衰减系数(μ)，其中D：所述放射性辐射的波束路径或所述容器(1)的内径，ρ1：所述校准介质的密度，
·计算校准曲线，所述校准曲线表示所述介质的密度对在所述辐射已经穿过所述容器(1)之后的测量辐射密度的计数率的依赖性。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述放射性辐射在穿过所述空容器(1)之后的计数率N0根据公式N0＝(P·K·B)/(Fa·Fs)来确定，其中，Fa：所述发送单元(3)和所述接收单元(4)之间的平方距离因子，Fs：衰减因子，其至少取决于所述容器(1)的壁(2)和所述发送单元(3)的同位素，P：所述发送单元(3)的活度，K：同位素依赖性校正因子，B：用于将脉冲率转换为计数率N0的校正因子。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，水被用作所述校准介质。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，
其中，所述发送单元(3)和所述接收单元(4)相对于彼此定位成使得所述容器(1)垂直于所述容器(1)的纵向轴线、倾斜于所述容器(1)的纵向轴线或平行于所述容器(1)的纵向轴线被照射。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，管道被用作所述容器(1)，并且其中，所述发送单元(3)和所述接收单元(4)被紧固到所述管道的相对的表面区域。
6.根据权利要求4或5所述的方法，
其中，所述接收单元(4)被设计和定位成使得所述接收单元(4)的敏感部件(5)被所述辐射撞击。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，所述衰减因子Fs根据公式Fs＝ea·q来计算，其中，a：同位素依赖性衰减系数，q：以钢当量测量的容器(1)的壁(2)的厚度，其中，钢当量被定义为相对于钢的密度的所述容器(1)的壁(2)的密度。
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