CN115727908B - 单光量子能量的测量方法、单光量子能量传感器及光量子混相流量计 - Google Patents

Abstract

本申请公开了单光量子能量的测量方法、单光量子能量传感器及基于单光子能量测量技术的光量子混相流量计，单光量子能量传感器包括：能量标尺同位素、闪烁晶体、光电倍增管及能量识别处理器，闪烁晶体将单个光量子转换为低能级荧光，光电倍增管的阴极端靠近闪烁晶体，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流，光电倍增管的倍增电极将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号，能量识别处理器根据已知能量光量子建立能量标尺，比对待测单个光量子所产生的电脉冲幅度大小识别其能量。单光量子能量传感器对光量子准确计量，提高混相流体计量中各相的相分率测量，从而改善了各相流量计量结果的准确性和稳定性。

Description

单光量子能量的测量方法、单光量子能量传感器及光量子混 相流量计

技术领域

本申请涉及计量设备领域，尤其是涉及一种单光量子的能量测量方法、单光量子能量传感器及光量子混相流量计。

背景技术

油气井口流体通常表现为混相流，即气-液、油-气-水、气-液-固、油-气-水-固等由不同相态流体组成的混相流体。对于混相流的计量，有多种实现方式，目前较为先进的技术是基于射线测量相分率的技术，即同位素发射具备特定能量谱的射线穿过混相流，射线可以是光量子，由于不同相态流体对不同能量级光量子的吸收作用不同，在光量子源的对面设置单光量子能量传感器，计量不同能量光量子计数的衰减程度，由此可以得到混相流中不同相态流体的相分率，再结合差压方式计量得到的总流量，即可得到混相流体中各相态流体的流量，实现了混相流的在线实时连续不分离计量。

在光量子计量混相流过程中，针对不同能量的光量子，光量子探测器一般需要足够长时间的测量才能形成特定的能量谱，必须要有足够多的光量子被探测到，根据形成能量谱的图形与理论能量谱的对比，明确各能量集中区间所属的能级，然后根据特定能级计数强度衰减情况判断光量子受混相流体影响而衰减的程度。但是，如果没有足够时间的计量，也即不能确保足够多的光量子被探测器测量，形成明显的能谱，就无法精确判断识别单个光量子的能量，也就无法精确统计各个能量光量子计数，从而无法精确计算被混相流介质吸收而衰减的程度，无法保障混相流体中各相态流体的流量计算结果的准确性和稳定性。

发明内容

为了保障混相流体中各相态流体的流量计算结果的准确性和稳定性，本申请提供了一种单光量子能量的测量方法、单光量子能量传感器及光量子混相流量计。

第一方面，本申请提供一种单光量子能量传感器，包括：

能量标尺同位素、闪烁晶体、光电倍增管及能量识别处理器；

能量标尺同位素，用于产生已知能级的光量子；

闪烁晶体设置在单光量子能量传感器的前端，闪烁晶体的朝向外部侧具有反射层；

闪烁晶体将单个光量子转换为低能级荧光；

光电倍增管的阴极端靠近闪烁晶体，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流；

光电倍增管的倍增电极将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号；

能量识别处理器根据能量标尺同位素的已知能量光量子所产生的电脉冲信号幅度大小的峰位建立能量标尺，比对待测单个光量子所产生的电脉冲幅度大小识别其能量，对待测光量子按照能量分别进行计数统计可以形成光量子能谱，光量子能量大小与所述电脉冲信号幅度大小呈线性关系。

可选的闪烁晶体的材料为锗酸铋BGO、钨酸铅PWO、氟化钡BaF2、氟化铈CeF3、掺铊碘化铯CsI（Tl）、掺铊碘化钠NaI（Tl）、掺铈溴化镧LaBr（Ce）、掺铈硅酸镥LSO（Ce）、掺铈硅酸钇镥LYSO（Ce）、掺铈硅酸钇YSO（Ce）、碲锌镉CdZnTe或铝酸镥LuAP。

可选的，单光量子能量传感器还包括：

封装外壳，封装外壳和反射层之间填充密封保护层。

可选的，能量标尺同位素设置在反射层和所述闪烁晶体之间；

或，

能量标尺同位素设置在闪烁晶体的内部。

可选的，单光子能量传感器还包括：

可选的同位素为Fe55、Ba133、Lu176、Am241或含有Am241和银Ag的混合物。

第二方面，本申请提供一种单光量子能量的测量方法，应用于以上第一方面的单光量子能量传感器，测量方法包括：

当单光量子能量传感器的闪烁晶体接收到单个待测光量子时，将待测光量子转换为待测荧光；

通过光电效应将待测荧光转换为待测电子流；

通过光电倍增管的放大作用对待测电子流进行放大后，输出待测电脉冲信号；

根据待测电脉冲信号的幅度大小及光量子能量标尺，确定待测光量子的能量。

可选的，方法还包括：

能量标尺同位素发射已知能量的光量子；

将已知能级光量子转换为低能级荧光；

将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流；

对初级电子流进行放大，输出电脉冲信号；

根据电脉冲信号幅度大小的峰位形成光量子能量标尺，光量子能量大小与电脉冲信号的幅度大小呈线性关系。

第三方面，本申请提供一种基于单光子能量测量技术的光量子混相流量计，包括：

光量子源、光量子相分仪与流量计算机、光量子混相流量计主体及以上第一方面的单光量子能量传感器；

当混相流体通过混相流量计主体，光量子源发射的待测光量子穿越混相流体；

当单光量子能量传感器的闪烁晶体接收到待测光量子时，将待测光量子转换为待测荧光；

通过光电效应将待测荧光转换为待测电子流；

通过光电倍增管的放大作用对待测电子流进行放大后，输出待测电脉冲信号；

根据待测电脉冲信号的幅度大小及光量子能量标尺，确定待测光量子能量；

根据待测光量子的能谱计数，计算得到混相流体中各相流体介质的线性质量；

根据每相流体介质对于特定能量光量子的线性质量吸收系数，计算得到混相流体的各相流体介质的质量相分率。

综上，本申请包括以下有益技术效果：

单光量子能量传感器包括能量标尺同位素、闪烁晶体、光电倍增管及能量识别处理器，闪烁晶体设置在单光量子能量传感器的前端，闪烁晶体的朝向外部侧具有反射层，能量标尺同位素设置在闪烁晶体与反射层之间，或设置在闪烁晶体的内部（参杂的方式），闪烁晶体将已知能量的光量子转换为低能级荧光，光电倍增管的阴极端靠近闪烁晶体，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流，光电倍增管的倍增电极将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号，能量识别处理器根据电脉冲信号的幅度大小形成能量标尺，已知能量的光量子能量大小与电信号的幅度大小呈线性关系。从而能够实现单光量子能量传感器对单个光子的能量测量，不需要像已有的光量子探测器，需要足够时间才能确保足够多的光量子被探测器测量形成明显的能量谱，加快了光量子能量测量的速度和准确性，从而保障了混相流体中各相态流体的流量计算结果的准确性和稳定性。

附图说明

图1是本申请的单光量子能量传感器的结构示意图。

图2是本申请的单光量子能量传感器测量光量子能量分布示意图；

图3是本申请的单光量子能量的测量方法的流程示意图；

图4是本申请的光量子能量标尺的生产过程示意图；

图5是本申请的基于单光子能量测量技术的光量子混相流量计的结构示意图。

附图说明：

101、闪烁晶体；102、光电倍增管；103、能量识别处理器；104、反射层；105、阴极端；106、倍增电极；107、阳极端；108、射极跟随器；109、能量标尺同位素；110、单个光量子的电脉冲信号；

501、单光量子能量传感器；502、光量子源；503、光量子相分仪与流量计算机；504、光量子混相流量计主体。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清晰明白，以下通过附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请参考图1所示，本申请提供一种单光量子能量传感器，包括：

能量标尺同位素109、闪烁晶体101、光电倍增管102及能量识别处理器103；

能量标尺同位素109产生已知能量的光量子；

闪烁晶体101设置在单光量子能量传感器的前端，闪烁晶体101的朝向外部侧具有反射层104；

闪烁晶体101将已知能级的光量子转换为低能级荧光；

光电倍增管102的阴极端105靠近闪烁晶体101，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流；

光电倍增管102的倍增电极106将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端107收集到放大的电子流，输出单个光量子的电脉冲信号；

能量识别处理器103根据电脉冲信号幅度大小的峰位形成能量标尺，光量子能量大小与电信号的幅度大小呈线性关系。

其中，光电倍增管（PMT）是一种高灵敏度和超快时间响应光探测器。典型的光电倍增管包括光电发射阴极（阴极端）和聚焦电极、电子倍增极（打拿极）、电子收集极（阳极端）装置。光电倍增管是将微弱光信号转换成电脉冲信号的真空电子器件，主要用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200 ～ 1200纳米的极微弱辐射功率。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关，电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。

优选的，在图1所示的实施例中，闪烁晶体101的材料为锗酸铋BGO、钨酸铅PWO、氟化钡BaF2、氟化铈CeF3、掺铊碘化铯CsI（Tl）、掺铊碘化钠NaI（Tl）、掺铈溴化镧LaBr（Ce）、掺铈硅酸镥LSO（Ce）、掺铈硅酸钇镥LYSO（Ce）、掺铈硅酸钇YSO（Ce）、碲锌镉CdZnTe或铝酸镥LuAP。

优选的，单光量子能量传感器还具有封装外壳，封装外壳和闪烁晶体101的反射层104之间填充密封保护层。

优选的，单光子能量传感器还包括：

能量标尺同位素109设置在闪烁晶体101与反射层104之间；

或，

能量标尺同位素109设置在闪烁晶体101的内部（掺杂）。

优选的，能量标尺同位素为Fe55、Ba133、Lu176、Am241或含有Am241和银Ag的混合物，Fe55、Am241为分别放射5.9keV、59.5keV一种能量的光量子同位素；Ba133、Lu176或Am241和银Ag的混合物有多个能级的光量子分布，例如，如图2所示为单光量子能量传感器测量光量子能量分布示意图。

除此之外，在图1所示的实施例中，各倍增电极106的放大作用是通过电路实现的，阴极端105接GND，阳极端107接电压VCC，并通过电阻分压控制各倍增电极106，使得电子流在逐个通过倍增电极106的时候进行放大，阳极端107探测到放大后的电子流之后，通过射极跟随器108的处理输出电脉冲信号到能量识别处理器103。

本申请实施例的实施原理为：单光量子能量传感器包括能量标尺同位素、闪烁晶体、光电倍增管及能量识别处理器，闪烁晶体设置在单光量子能量传感器的前端，闪烁晶体的朝向外部侧具有反射层，在闪烁晶体和反射层之间设置了能量标尺同位素，闪烁晶体将单个光量子转换为低能级荧光，光电倍增管的阴极端靠近闪烁晶体，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流，光电倍增管的倍增电极将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号，能量识别处理器根据电信号幅度大小的峰位形成能量标尺，光量子能量大小与电脉冲信号的幅度大小呈线性关系。从而能够实现单光量子能量传感器对单个光量子的能量测量，不需要像已有的光量子探测器，需要足够时间才能确保足够多的光量子被探测器测量形成明显的能量谱，加快了光量子能量测量的速度和准确性，从而保障了混相流体中各相态流体的流量计算结果的准确性和稳定性。

基于以上图1所示的单光量子能量传感器，下面通过实施例对应用于该单光量子能量传感器的单光量子能量的测量方法进行说明，如图3所示，单光量子能量的测量方法包括：

301，当单光量子能量传感器的闪烁晶体接收到单个待测光量子时，将待测光量子转换为待测荧光；

302，通过光电效应将待测荧光转换为待测电子流；

303，通过光电倍增管的放大作用对待测电子流进行放大后，输出待测电脉冲信号；

304，根据待测电脉冲信号的幅度大小及光量子能量标尺，确定待测光量子的能量。

需要说明的是，在执行图3所示的实施例之前，能量标尺同位素是预先得到的，具体生成能量标尺的过程如下图4所示，包括：

401，能量标尺同位素发射已知能量的光量子；

402，将已知能级的光量子转换为低能级荧光；

403，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流；

404，对初级电子流进行放大，输出能量标尺的电脉冲信号；

405，根据已知能量的光量子所产生的电脉冲信号幅度大小的峰位形成能量标尺，光量子能量大小与电脉冲信号的幅度大小呈线性关系。

本申请实施例的实施原理为：单光量子能量的测量方法是应用在单光量子能量传感器的，单光量子能量传感器生成能量标尺的原理是通过闪烁晶体将已知能级的光量子转换为低能级荧光，光电倍增管的阴极端靠近闪烁晶体，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流，光电倍增管的倍增电极将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号，该电脉冲信号的幅度大小的峰位就形成了能量标尺，光量子能量大小与电脉冲信号幅度大小呈线性关系。从而能够在后续应用时，单光量子能量传感器能够实现对单光子的能量测量，不需要像已有的光量子探测器，需要足够时间才能确保足够多的光量子被探测器测量形成明显的能量谱，加快了光量子能量测量的速度和准确性，从而保障了混相流体中各相态流体的流量计算结果的准确性和稳定性。

基于以上图1所示的单光量子能量传感器，如图5所示，本申请实施例提供一种基于单光子能量测量技术的光量子混相流量计，包括：

以上图1实施例所示的单光量子能量传感器501、光量子源502、光量子相分仪与流量计算机503及光量子混相流量计主体504；

混相流流入至光量子混相流量计主体504，光量子源502发射的待测光量子穿越混相流体；

当单光量子能量传感器501的闪烁晶体接收到光量子源502发射的待测光量子时，将待测光量子转换为待测荧光；

通过光电效应将待测荧光转换为待测电子流；

通过光电倍增管的放大作用对待测电子流进行放大后，输出待测电脉冲信号；

根据待测电脉冲信号的幅度大小及能量标尺，识别确定待测光量子的能量；

光量子相分仪与流量计算机503根据待测光量子的能谱计数，计算得到混相流体中各相流体介质的线性质量；根据每相流体介质对于特定能量光量子的线性质量吸收系数，计算得到混相流体的各相流体介质的质量相分率，最终流量计算机计算得到各相质量流量。

本申请实施例的实施原理为：

光量子计量的混相流量计中包括单光量子能量传感器，单光量子能量传感器生成能量标尺的原理是通过闪烁晶体将已知能级的光量子转换为低能级荧光，光电倍增管的阴极端靠近闪烁晶体，将低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流，光电倍增管的倍增电极将初级电子流进行放大，在光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号，能量识别处理器根据电信号幅度大小的峰位形成能量标尺，光量子能量大小与电信号的幅度大小呈线性关系。从而能够在后续应用时，单光量子能量传感器能够实现对单个光量子的能量测量，不需要像已有的光量子探测器，没有能量标尺，需要足够时间才能确保足够多的光量子被探测器测量形成明显的能量谱，加快了光量子能量测量的速度和准确性，光量子相分仪根据待测光量子能谱计数，计算得到混相流体中各相流体介质的线性质量；根据每相流体介质对于特定能量光量子的线性质量吸收系数，计算得到混相流体的各相流体介质的质量相分率，从而保障了混相流体中各相态流体的流量计算结果的准确性和稳定性。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种单光量子能量传感器，其特征在于，包括：

能量标尺同位素、闪烁晶体、光电倍增管及能量识别处理器；

所述能量标尺同位素，用于产生已知能量的光量子；

所述闪烁晶体设置在所述单光量子能量传感器的前端，所述闪烁晶体的朝向外部侧具有反射层；

所述闪烁晶体将单个光量子转换为低能级荧光；

所述光电倍增管的阴极端靠近所述闪烁晶体，将所述低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流；

所述光电倍增管的倍增电极将所述初级电子流进行放大，在所述光电倍增管的阳极端收集到放大的电子流，输出电脉冲信号；

所述能量识别处理器根据所述能量标尺同位素的已知能量光量子所产生的电脉冲信号幅度大小的峰位建立能量标尺，比对待测单个光量子所产生的电脉冲幅度大小识别其能量，对待测光量子按照能量分别进行计数统计可以形成光量子能谱，光量子能量大小与所述电脉冲信号幅度大小呈线性关系。

2.根据权利要求1所述的单光量子能量传感器，其特征在于，

所述闪烁晶体的材料为锗酸铋BGO、钨酸铅PWO、氟化钡BaF2、氟化铈CeF3、掺铊碘化铯CsI（Tl）、掺铊碘化钠NaI（Tl）、掺铈溴化镧LaBr（Ce）、掺铈硅酸镥LSO（Ce）、掺铈硅酸钇镥LYSO（Ce）、掺铈硅酸钇YSO（Ce）、碲锌镉CdZnTe或铝酸镥LuAP。

3.根据权利要求2所述的单光量子能量传感器，其特征在于，所述单光量子能量传感器还包括：

封装外壳，所述外壳和所述反射层之间填充密封保护层。

4.根据权利要求3所述的单光量子能量传感器，其特征在于，

所述能量标尺同位素设置在所述反射层和所述闪烁晶体之间；

或，

所述能量标尺同位素设置在所述闪烁晶体的内部。

5.根据权利要求4所述的单光量子能量传感器，其特征在于，

所述能量标尺同位素为Fe55、Ba133、Lu176、Am241或含有Am241和银的混合物。

6.一种单光量子能量的测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-5中任一项所述的单光量子能量传感器，所述方法包括：

当所述单光量子能量传感器的闪烁晶体接收到单个待测光量子时，将所述待测光量子转换为待测荧光；

通过光电效应将所述待测荧光转换为待测电子流；

通过光电倍增管的放大作用对所述待测电子流进行放大后，输出待测电脉冲信号；

根据所述待测电脉冲信号的幅度大小及已知能量光量子所建立的能量标尺，识别确定所述待测光量子的能量。

7.根据权利要求6所述的单光量子能量的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

能量标尺同位素发射已知能量的光量子；

将所述已知能量的光量子转换为低能级荧光；

将所述低能级荧光通过光电效应转换为初级电子流；

对所述初级电子流进行放大，输出电脉冲信号；

根据所述电脉冲信号的幅度大小和所述能量标尺同位素形成光量子的能量标尺，所述能量标尺与所述电脉冲信号的幅度大小呈线性关系。

8.一种基于单光子能量测量技术的光量子混相流量计，其特征在于，包括：

光量子源、光量子相分仪与流量计算机、光量子混相流量计主体及以上权利要求1-5任一项所述的单光量子能量传感器；

当混相流体通过所述混相流量计主体，所述光量子源发射的待测光量子穿越所述混相流体；

当所述单光量子能量传感器的闪烁晶体接收到所述待测光量子时，将所述待测光量子转换为待测荧光；

通过光电效应将所述待测荧光转换为待测电子流；

通过光电倍增管的放大作用对所述待测电子流进行放大后，输出待测电脉冲信号；

根据所述待测电脉冲信号的幅度大小及光量子能量标尺，确定所述待测光量子能量；

根据所述待测光量子的能谱计数，计算得到所述混相流体中各相流体介质的线性质量；

根据各个相流体介质对于特定能量光量子的线性质量吸收系数，计算得到所述混相流体的各相流体介质的质量相分率。