DE102011080549A1

DE102011080549A1 - Optimale Detektorposition für einen Gamma-Rückstrahler

Info

Publication number: DE102011080549A1
Application number: DE102011080549A
Authority: DE
Inventors: Alex Kulik; Alexander Joseph Esin; Nikolay Baturin; Hai Wang
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2031-08-06
Also published as: US20120033792A1; CN102374959B; GB201113356D0; CN102374959A; DE102011080549B4; GB2482606B; GB2482606A; US8306187B2

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte eines Fluids, welches das Anordnen einer Gammastrahlenquelle in der Nähe eines Gefäßes umfasst, das das Fluid enthält, wird angegeben. Die optimale Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammstrahlenquelle wird bestimmt. Ein Gammastrahlendetektor wird an der optimalen Position positioniert und die Dichte des Fluids wird gemessen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Hierin offenbarte Ausführungsformen betreffen allgemein ein Verfahren zum Messen der Dichte eines Fluids in einem Gefäß unter Verwendung von Gammastrahlen. Insbesondere betreffen die hier offenbarten Ausführungsformen ein Verfahren zum Optimieren der Messung der Dichte eines Fluids in einem Gefäß durch Detektieren der Intensität der Gammastrahlen aus einer Gammastrahlenquelle, die durch das Fluid zurückgestreut werden.
Hintergrund
Gammastrahlen werden dazu verwendet, die Dichte und das Niveau von Fluiden in einem Gefäß unter Einsatz einer Gammastrahlenquelle, welche gegenüber oder in der Nähe eines Gammastrahlendetektors positioniert ist, zu messen. Messungen der Dichte und des Niveaus durch Gammastrahlen sind nützlich, wenn die vermessenen Materialien gefährlich, extrem heiß sind oder wenn direkte Kontaktmessungen aus anderen Gründen nicht möglich sind. Zusätzlich sind die Quelle und der Detektor außerhalb des Gefäßes montiert und keine Modifikation des Gefäßes ist erforderlich. Von einer Quelle emittierte Gammastrahlen können durch das Gefäß und das Material im Gefäß absorbiert oder gedämpft werden. Die Stärke der Gammastrahlung, welche einen Detektor erreicht, kann dazu verwendet werden, um die Dichte oder das Niveau eines Fluids in einem Gefäß, basierend auf der Intensität der Quelle, anzuzeigen.
Beim Messen des Fluidniveaus können Emitter und/oder Detektoren von Gammastrahlen beispielsweise auf einem Gefäß oder in der Nähe eines Gefäßes positioniert sein, wobei das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Signals (oder eines nominalen niedrigen Signals) das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Fluids in der Nähe der Quelle und des Detektors anzeigen kann. In Bezug auf die Dichte des Fluids kann Fluid in der Nähe der Gammastrahlenquelle und des Detektors die von der Quelle emittierten Gammastrahlen absorbieren oder dämpfen. Beispielsweise kann die Messung einer hohen Strahlenintensität auf eine niedrige Fluiddichte hindeuten, wohingegen eine geringe Strahlungsintensität auf eine hohe Fluiddichte hinweisen kann.
Ein Gammastrahlentransmissions-Dichtemessgerät kann ein Gehäuse aufweisen, das auf einem Gefäß montiert ist, welches ein Fluid enthält. Eine Gammastrahlenquelle befindet sich auf einer Seite des Gefäßes und ein Gammastrahlendetektor befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Gefäßes. Die Strahlung, welche von der Quelle abgegeben wird, weist über eine lange Zeitperiode hinweg eine konstante Intensität (zufällige Intensität über eine finite Zeitperiode) der Gammaemissionen auf. Die Gammastrahlen werden durch die Gefäßwand, das Fluid innerhalb des Gefäßes, wiederum durch das Gefäß und zum Detektor übertragen. Der Detektor kann beispielsweise ein Kristall aus Natrium- oder Cäsiumjodid (durch Thallium aktiviert) oder ein anderes Material sein, welches unter Bestrahlung szintillieren kann, und kann eine Elektronen-Fotovervielfacherröhre umfassen, um Lichtblitze der Szintillation des Kristalls in einen elektrischen Impuls umzuwandeln.
Eine primäre Variable in Bezug auf die Menge an aus der Quelle emittierten Gammastrahlen, welche den Detektor erreichen, ist das Fluid, das innerhalb des Gefäßes enthalten ist. Ein Prozentsatz der Gammastrahlen, welche durch die Quelle emittiert wer den, wird durch das Fluid absorbiert oder gedämpft und erreicht deshalb nicht den Detektor. Somit kann die Zählrate des Ausgangssignals aus einer Fotovervielfacherröhre eines Detektors zur Dichte eines Fluids in Bezug gesetzt werden, durch welches die Strahlen treten müssen, um den Detektor zu erreichen, und zur Intensität der Gammastrahlenquelle.
In der Praxis sind Transmissionsdichtemessungen unter Einsatz von Gammastrahlen nur für begrenzte Gefäßgrößen und/oder Fluiddichten durchführbar. Beispielsweise kann für eine Quelle ähnlicher Größe das Fluid bei höheren Fluiddichten mehr Gammastrahlen absorbieren, was dazu führt, dass weniger Gammastrahlen den Detektor erreichen. Auf ähnliche Weise müssen, wenn die Gefäßgröße erhöht wird, die Gammastrahlen durch eine größere Menge an Material (Gefäß und Fluid), das die Gammastrahlen absorbiert, hindurch treten, was dazu führt, dass eine geringere Menge an Gammastrahlen den Detektor erreicht. Deshalb können Dichtemessungen mit Gammastrahlentransmission nur für Gefäße eines Durchmessers von bis zu einem Meter durchführbar sein.
Die Wanddicke des Gefäßes kann ebenfalls die Effektivität der Gammastrahlen-Dichtemessungen begrenzen. Da Gefäßwände Gammastrahlen auf ähnliche Weise absorbieren und dämpfen wie Fluide, kann eine größere Wanddicke dazu führen, dass weniger Gammastrahlen den Detektor erreichen. Die Dicke der Gefäßwand kann durch Richtlinien bestimmt werden, wie beispielsweise diejenigen der Amerikanischen Gesellschaft der Maschinenbauingenieure (ASME Amcerican Society of Mechanical Engineers). Die Gefäßwanddicke kann auch aus anderen Spezifikationen bestimmt werden, beispielsweise wenn die erforderliche Dicke auf dem Betriebsdruck und der Art des Fluids (korrosiv, erosiv, reaktiv usw.) basiert. Darüber hinaus können sich die gegenwärtigen Sicherheitsspielräume für Gefäßwanddicken erhöhen und die Effektivität der Transmissionsmessungen weiter begrenzen.
Beim Einsatz von Gammastrahlen für Dichtemessungen können niedrigere Zählraten zu einer größeren Fehlerrate führen oder können es erforderlich machen, dass eine größere Gammaquelle eingesetzt wird, um die gewünschte Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Zusätzlich kann die Detektorgröße erhöht werden müssen, wenn sich die Gefäßgröße erhöht, um eine konstante Zählrate aufrechtzuerhalten. Unabhängig davon wird das Vergrößern der Quelle und/oder des Detektors unvermeidlich die Kosten erhöhen.
Um die Begrenzungen bezüglich der Dicke, der Größe und der Dichte zu überwinden, kann die Intensität der Gammastrahlenquelle erhöht werden, was in einer messbaren Menge an Gammastrahlen, die den Detektor erreichen, resultiert. Jedoch können die Kosten, die Sicherheit, die Effektivität mehrerer Einheiten und der Schutz die Intensität der Quelle, die eingesetzt werden kann, begrenzen. Die Verwendung einer radioaktiven Quelle schafft Anliegen bezüglich der Personalsicherheit und der Umwelt und erfordert Abschirmungen aus Blei oder Wolfram, um das Personal zu schützen, spezielle Handhabungsvorkehrungen und Ausrüstung, sowie Entsorgungs- und Sanierungsverfahren. Darüber hinaus muss, da Gammastrahlen durch eine Punktquelle und nicht durch eine gerichtete Quelle erzeugt werden, der Grad an Abschirmung, der erforderlich ist, um die Strahlung in andere Richtungen als in das Gefäß einzubehalten, zunehmen, wenn die Größe der Quelle zunimmt, wodurch zusätzliche Kosten entstehen.
In Bezug auf die Effektivität mehrerer Einheiten kann es gewünscht sein, dass in einer klinischen Anlage bei mehreren Gefäßen Anzeigegeräte für das Gammastrahlenniveau und die Dichte eingesetzt werden. Wenn jedoch die Anzahl an Anzeigeinstrumenten oder die Intensität der Gammastrahlenquellen zunimmt, kann Rückkopplung zwischen den Gammastrahlenquellen und Detektoren an benachbarten Gefäßen auftreten, was zu einer verringerten Effektivität und gegebenenfalls fehlerhaften Auslösungen führt.
In Bezug auf die Sicherheit regulieren aufgrund zunehmender weltweiter Besorgnis bezüglich der Lieferung und möglichen Schmuggelns oder eines anderen Transports von radioaktiven Nuklearmaterialien staatliche, lokale und nationale Regierungen die Sicherheitserfordernisse für Anlagen basierend auf der Gesamtmenge an radioaktivem Material, das an einer einzelnen Stelle vorhanden sein kann. Beispielsweise fordert der Staat Texas zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen (beispielsweise Hintergrundüberprüfungen, Zugänglichkeit usw.) bei Anlagen, in denen die Gesamtcuriezahl 27 Curie übersteigt, wobei die Gesamtcuriezahl auf einer Summe aller radioaktiven Quellen in der Anlage basiert. Somit kann die Verwendung größerer Quellen zu einem erhöhten Bedarf an Sicherheit bei zusätzlichen Kosten führen.
Dementsprechend existiert ein Bedarf an optimierten Gammastrahlen-Dichtemessungen, die bei großen Gefäßen angewendet werden können. Darüber hinaus besteht ein Bedarf an optimierten berührungslosen Dichteanzeigegeräten, welche Strahlungsquellen mit geringerer Intensität erfordern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt beziehen sich hierin offenbarte Ausführungsformen auf ein Verfahren zum Bestimmen der Dichte eines Fluids. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer Gammastrahlenquelle in der Nähe eines Gefäßes, in welchem das Fluid aufgenommen ist, das Bestimmen einer optimalen Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle, das Anordnen eines Gammastrahlendetektors an der optimalen Position und das Messen der Dichte des Fluids.
Gemäß einem Aspekt betreffen hierin offenbarte Ausführungsformen ein Verfahren zum Optimieren der Position eines Gammastrahlendetektors, um die Dichte eines Fluids in einem Gefäß zu bestimmen, wobei das Verfahren das Anordnen einer Gammastrahlenquelle in der Nähe eines Gefäßes, in dem das Fluid aufgenommen ist, das Bestimmen einer optimalen Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle, das Anordnen mindestens einen Gammastrahlendetektors an der optimalen Position in Bezug auf die Gammastrahlenquelle und das Messen der Dichte des Fluids durch den Gammastrahlendetektor umfasst.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Gammastrahlen-Dichtemesssystems gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen.
2(a) ist ein Schaubild, welches die Zählrate einer Rückstreuung als Funktion der Dichte gemäß mit hier offenbarten Ausführungsformen darstellt. 2(b) ist ein Schaubild, welches den Fehler der Dichtemessung der Gammastrahlendetektierung als Funktion der Dichte gemäß hier offenbarten Ausführungsformen darstellt.
3 ist ein dreidimensionales Schaubild des Fehlers der Dichtemessung der Gammastrahlendetektierung als Funktion der Dichte und der relativen Position des Detektors gemäß hier offenbarten Ausführungsformen.
4 ist eine zweidimensionale Projektion von 3 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen.
5 bis 7 sind zweidimensionale Projektionen mit unterschiedlichen Gefäßwanddicken gemäß hier offenbarten Ausführungsformen.
8 bis 9 sind zweidimensionale Projektionen mit unterschiedlichen Gefäßwanddicken und unterschiedlichen Detektor-Betriebsspannungen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen.
10 ist ein Schaubild der Position der Dichte, welches die maximale Zählrate als Funktion der Detektorposition gemäß hier offenbarten Ausführungsformen aufweist.
11 ist ein Schaubild der Position der Dichte, welche die höchste Genauigkeit aufweist, als Funktion der Detektorposition gemäß hier offenbarten Ausführungsformen.
12 ist ein Schaubild des minimalen Fehlers als Funktion der Wanddicke des Gefäßes für Detektorpositionen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt betreffen hier offenbarte Ausführungsformen ein Verfahren zum Messen der Dichte eines Fluids in einem Gefäß unter Einsatz von Gammastrahlen. Gemäß anderen Aspekten betreffen hier offenbarte Ausführungsformen ein Verfahren zum Optimieren der Messung der Dichte eines Fluids in einem Gefäß unter Einsatz von Gammastrahlen. Insbesondere betreffen hier offenbarte Ausführungsformen ein Verfahren zum Optimieren der Messung der Dichte eines Fluids in einem Gefäß durch Detektieren der Intensität der Gammastrahlen, die durch das Fluid zurückgestreut Werden, aus einer Gammastrahlenquelle.
Der Ausdruck ”Rückstreuung”, wie er hierin verwendet wird, kann sich auf die Ablenkung von Gammastrahlen aus einer ursprünglichen Richtung beziehen. In einigen Ausführungsformen kann die Rückstreuung isotrop sein, wie beispielsweise dort, wo Gammastrahlen zufällig in verschiedene Richtungen gestreut werden. Das Rückstreuen tritt aufgrund von Compton-Streuung auf.
Der Ausdruck ”Fluid”, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe, welche in einem Gefäß enthalten sein können. Fluide können wässrige Flüssigkeiten, organische Flüssigkeiten, einphasige Systeme und mehrphasige Systeme wie Schäume, Emulsionen und fluidisierte Partikel umfassen.
Mit Bezug auf 1 ist eine schematische Darstellung der Gammastrahlenquelle und des Detektors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gezeigt. Das Quellen-/Detektorsystem 100 weist ein Fluid 102 auf, das innerhalb der Gefäßwände 104 enthalten ist. Ein Gammastrahlenquellenkopf 106 ist auf der Gefäßwand 104 angebracht. Der Gammastrahlenquellenkopf 106 weist eine Abschirmung 108 aus Schutzgründen und zur Begrenzung oder Aussortierung von Gammastrahlung auf, welche nicht zu den vorgeschriebenen Messungen beiträgt. Ein Gammastrahlendetektor 110 ist auf der Gefäßwand an einer Position 112 in Bezug auf den Gammastrahlenquellenkopf 106 angebracht. Gemäß den hier offenbarten Ausführungsformen wird die Position 112 vom Zentrum des Gammastrahlenquellenkopfes 106 zum Zentrum des Gammastrahlendetektors 110 gemessen. Jedoch erkennt der Fachmann, dass die relativen Positionen der Gammastrahlenquelle und des Gammastrahlendetektors durch andere Verfahren bestimmt werden können. Beispielsweise kann die Position durch Bezugnahme auf irgendeinen externen Punkt bestimmt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, die hier offenbart sind, emittiert der Gammastrahlenquellenkopf 106 Gammastrahlung 114 durch die Gefäßwand 104 und in das Fluid 102. Die Gammastrahlung 114 wird dann vom Fluid 102 zurückgestreut und durch den Gammastrahlendetektor 110 detektiert.
Der Gammastrahlendetektor 110 arbeitet durch Messen der Zählrate, welche direkt mit der empfangenen Menge an Gammastrahlen in Beziehung steht. 2(a) ist ein empirisches Schaubild, welches die Zählrate der Rückstreuung eines Detektors 110 als Funktion der Dichte des Fluids 102 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen darstellt. In dieser veranschaulichenden Ausführungsform betrug die Wanddicke 3,81 cm (1,5 Zoll). Wie aus 2(a) ersichtlich ist, kann eine Dichte von 0,75 gcc (Gramm pro Kubikzentimeter) dieselbe Zählrate erzeugen wie eine Dichte von 0,1 gcc. Deshalb kann der Arbeitsbereich in zwei Bereiche unterteilt werden.
Beispielsweise können hier offenbarte Ausführungsformen auf einen niedrigen Dichtebereich beschränkt werden, wie er durch Dichten dargestellt wird, die vor dem Maximum der Kurve von 2(a) gelegen sind. Auf ähnliche Weise können eine oder mehrere Ausführungsformen, die hier offenbart sind, auf einen hohen Dichtebereich begrenzt werden, welcher durch Dichten dargestellt wird, die nach dem Maximum der Kurve von 2(a) gelegen sind. In 2(a) wird die Dichte, bei der die Zählrate maximal ist, als ρ_m bezeichnet. Insbesondere kann bei vielen industriellen Anwendungen, beispielsweise in Raffinerien, das Fluid hauptsächlich Öl mit einer Dichte von 0,8 gcc oder mehr sein. Als weiteres Beispiel können bei industriellen Anwendungen in Bergwerken die Fluide hauptsächlich Wasser mit einer Dichte von 1,0 gcc oder mehr sein.
2(b) ist der Dichtemessfehler der Gammastrahlendetektierung als Funktion der Dichte gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Die Präzision der Dichtemessung oder der Dichtemessfehler kann von der Neigung der Kurve abhängen, welche in 2(a) gezeigt ist. Beispielsweise kann die Auflösung σ_p wie folgt ausgedrückt werden:
wobei f die Zählrate ist, ρ die Dichte, und τ die Zeitkonstante.
Wie aus 2(b) ersichtlich ist, verliert gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der hier offenbarten Verfahren die Dichtemessung an Präzision, wenn sich die Dichte derjenigen Dichte annähert, bei der die Zählrate ein Maximum ρ_m aufweist. Auch bei dieser speziell veranschaulichenden Ausführungsform kann bei den niedrigeren Zählraten bei Dichten kleiner als 1,5 gcc, wie in 2(a) gezeigt ist, der Fehler der Dichtemessung bei Dichten größer als 1,5 gcc einen signifikanten Verlust bezüglich der Präzision aufweisen.
Jedoch kann in dem zuvor genannten hohen Dichtebereich ein Punkt existieren, an dem der Fehler der Dichtemessung ein Minimum aufweist. In 2(b) ist gemäß den Ausführungsformen der hier offenbarten Verfahren die Dichte der höchsten Präzision ρ_e mit dem minimalen Fehler bei der Dichtemessung σ_min gezeigt.
Wie zuvor erwähnt, sind die veranschaulichenden Kurven, die in den 2(a) und 2(b) gezeigt sind, für eine spezifische Detektorposition und eine spezifische Gefäßwanddicke. Die genaue Form der Kurven von 2 kann durch die Detektorposition und die Gefäßwanddicke bestimmt werden.
Gemäß hier offenbarten Ausführungsformen kann die Fähigkeit, die rückgestreuten Gammastrahlen zu messen, von der Dichte des Fluids, der Gefäßwanddicke und dem Abstand Quelle-Detektor abhängen. Deshalb kann bei einem spezifischen Abstand Quelle-Detektor ein Dichtebereich existieren, bei dem die Dichtemessungen sehr effektiv, weniger effektiv oder nicht effektiv sind. Beispielsweise ist die Messung der Dicke, wie in 2(b) veranschaulicht, in der Umgebung einer Dichte von 0,6 gcc sehr effektiv, für Dichten zwischen 0,3 und 0,4 gcc weniger effektiv und bei Dichten von mehr als 2,25 gcc nicht effektiv.
Analog dazu können bei der Messung eines spezifischen Dichteintervalls von Interesse eine oder mehrere hier offenbarte Ausführungsformen die Bestimmung des optimalen Abstands zwischen der Gammastrahlenquelle und dem Gammastrahlendetektor für die genaueste Dichtemessung möglich machen. Gleichzeitig kann der optimale Abstand zwischen der Gammastrahlenquelle und dem Gammastrahlendetektor gemäß einer oder mehreren hier offenbarten Ausführungsformen bestimmen, welche Dichtebereiche nicht genau bestimmt werden können, wenn es solche gibt.
3 ist ein dreidimensionales Schaubild des Dichtemessfehlers der Gammastrahlendetektierung als Funktion der Dichte und der relativen Position des Detektors gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Die veranschaulichende Ausführungsform von 3 wurde unter Verwendung einer Cäsium-137-Quelle von 100 mCi und der experimentell gemessenen Abhängigkeit von der Dichte für bestimmte Detektorpositionen bestimmt, wobei eine Wanddicke 3,84 cm (1,5 Zoll) und eine Zeitkonstante τ 32 Sekunden betrugen. Dementsprechend kann eine optimale Detektorposition für eine gegebene Dichte bestehen.
3 zeigt, dass bei einer Gefäßwanddicke von 3,84 cm (1,5 Zoll) die unterschiedliche Positionen des Gammastrahlendetektors relativ zur Gammastrahlenquelle die spezifischen Werte der veranschaulichten Kurven bestimmen, die in 2 gezeigt sind. Jedoch bleibt die Gesamtform der Kurven, die in 2 veranschaulicht sind, gleich.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung können Schaubilder ähnlich 3 dazu verwenden, die optimale Detektorposition für eine oder mehrere gegebene Dichten zu bestimmen. Wie aus 3 ersichtlich ist, gibt es eine optimale Detektorposition für jede gegebene Dichte. Allgemein kann eine Position des Gammastrahlendetektors, die in Bezug auf die Gammastrahlenquelle näher liegt, eine bessere Präzision und einen breiteren Betriebsbereich für Dichten ähnlich derjenigen von Wasser bieten. Jedoch bieten weiter entfernte Positionen eine bessere Präzision für Dichten im Bereich von 0,5–0,7 gcc. Bei Dichten von weniger als der Dichte, bei der die Zählrate ein Maximum ρ_m hat, kann die Präzision besser sein als bei Dichten, welche höher sind als die Dichte, beider die Zählrate ihr Maximum ρ_m hat. Jedoch kann in einem solchen Fall die nähere Position einen größeren Betriebsbereich bieten, beispielsweise von 0–0,4 gcc.
4 ist eine zweidimensionale Projektion von 3 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Mit einer Gefäßwanddicke von 3,84 cm (1,5 Zoll) kann die optimale Position des Gammastrahlendetektors bei gegebener Dichte bestimmt werden. 4 veranschaulicht schattierte Bereiche, in denen der Dichtemessfehler weniger als 0,007 gcc beträgt und die Dichtefehlermessung weniger als 0,01 gcc beträgt. Zusätzlich kann ein Betriebsbereich des Systems aus Gammastrahlenquelle/Detektor bestimmt werden. Beispielsweise kann bei einer gegebenen Abschätzung der Dichte und einer bekannten Gefäßwanddicke eine optimale relative Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle ausgewählt werden. Dementsprechend kann ein Bereich der Präzision der Dichtemessung bestimmt werden. Alternativ dazu können die Dichteabschätzung und die bekannte Gefäßdicke dazu verwendet werden, einen optimalen Bereich für die relative Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle zu bestimmen, um die Präzision der Dichtemessung zu maximieren
5 ist eine zweidimensionale Projektion ähnlich wie 4 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. In 5 beträgt die Gefäßwanddicke 1,28 cm (0,5 Zoll). 5 veranschaulicht schattierte Bereiche, in denen der Dichtemessfehler weniger als 0,0006 gcc beträgt und die Dichtefehlermessung weniger als 0,0015 gcc beträgt. Unter Verwendung von 5 kann die optimale Position des Gammastrahlendetektors bestimmt werden, wenn die Dichte in einem Gefäß mit einer Wanddicke von 1,28 cm (0,5 Zoll) gegeben ist. Zusätzlich kann, wie vorstehend beschrieben, ein Betriebsbereich des Systems Gammastrahlenquelle/Detektor bestimmt werden.
6 ist eine zweidimensionale Projektion ähnlich 4 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. In 6 beträgt die Gefäßwanddicke 2,56 cm (1 Zoll). 6 veranschaulicht schattierte Bereiche, in denen der Dichtemessfehler weniger als 0,003 gcc beträgt und die Dichtefehlermessung weniger als 0,0017 gcc beträgt. Unter Verwendung von 6 kann die optimale Position des Gammastrahlendetektors bei gegebener Dichte in einem Gefäß mit einer Wanddicke von 2,56 cm (1 Zoll) bestimmt werden. Zusätzlich kann ein Betriebsbereich des Systems Gammastrahlenquelle/Detektor bestimmt werden.
7 ist eine zweidimensionale Projektion ähnlich 4 gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. In 7 beträgt die Gefäßwanddicke 5,12 cm (2,0 Zoll). 7 veranschaulicht schattierte Bereiche, in denen der Dichtemessfehler weniger als 0,07 gcc beträgt und die Dichtefehlermessung weniger als 0,035 gcc beträgt. Unter Verwendung von 7 kann die optimale Position des Gammastrahlendetektors bei gegebener Dichte in einem Gefäß mit einer Wanddicke von 5,12 cm (2,0 Zoll) bestimmt werden. Zusätzlich kann ein Betriebsbereich des Systems Gammastrahlenquelle/Detektor bestimmt werden.
Wie zuvor angemerkt, sind die 4 bis 7 zweidimensionale Graphen, welche den Fehler in der Messung der Dichte eines Fluids in einem Gefäß als Funktion der Dichte und der Position eines Gammastrahlendetektors mit Bezug auf eine Gammastrahlenquelle für verschiedene Gefäßwanddicken gemäß hier offenbarten Ausführungsformen angeben. Wie zu erwarten ist, kann für dünnere Gefäßwände der Fehler geringer sein oder die Präzision höher sein als für dicke Gefäßwände. Zusätzlich kann der Betriebsbereich des Systems Gammastrahlenquelle/Detektor für dünnere Gefäßwände größer sein als für dickere Gefäßwände.
Andere Verfahren zum Verbessern der Präzision der Messung der Dichte eines Fluids in einem Gefäß gemäß Ausführungsformen sind hier offenbart. Beispielsweise kann das Erhöhen der Betriebsspannung des Gammastrahlendetektors geringfügig die Präzision der Dichtemessung verbessern. Mit nunmehrigem Bezug auf die 8 und 9 werden die in den 4 und 7 dargestellten Ergebnisse unter Einsatz einer erhöhten Betriebsspannung beim Gammastrahlendetektor reproduziert.
8 ist eine Messung des Fehlers der Dichte für eine Gefäßwanddicke von 3,84 cm (1,5 Zoll), die unter Einsatz einer erhöhten Betriebsspannung des Gammastrahlendetektors gemäß hier offenbarten Ausführungsformen bestimmt wurde. Wie durch den Vergleich der Fehlermessung von 4 und der Fehlermessung von 8 gezeigt ist, kann eine Verbesserung der Präzision der Dichtemessung vorhanden sein. 9 ist eine Messung des Fehlers der Dichte für eine Gefäßwanddicke von 5,12 cm (2,0 Zoll), die unter Verwendung einer erhöhten Betriebsspannung des Gammastrahlendetektors gemäß hier offenbarten Ausführungsformen bestimmt wurde. Ähnliche Ergebnisse können aus dem Vergleich der 7 bis 9 ersehen werden.
Wie in Bezug auf 2(a) erörtert wurde, wird die Dichte, bei der die Zählrate maximal ist, als ρ_m bezeichnet. 10 ist ein Schaubild der Position der Dichte, welche die maximale Zählrate ρ_m aufweist, als Funktion der Gammastrahlen-Detektorposition in Bezug auf die Gammastrahlenquelle gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Die Dichte, bei der die Zählrate ein Maximum ρ_m aufweist, ist umgekehrt proportional zur Position des Gammastrahlendetektors. Mit Bezug auf 10 kann die Dichte, bei der die Zählrate ein Maximum ρ_m aufweist, wie folgt ausgedrückt werden: ρ_m = 15 g/cm²/pos (2) wobei pos die Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle darstellt, wie in 1 veranschaulicht ist. Wie bereits erwähnt, kann die Dichte, bei der die Zählrate ein Maximum ρ_m aufweist, helfen, den Dichtebereich zu bestimmen, wenn die Zählrate des Gammastrahlendetektors mit der Dichte des Fluids im Gefäß in Zusammenhang gebracht wird.
Wie in Bezug auf 2(b) erörtert wurde, kann die Dichte, bei der der Fehler am kleinsten ist, ρ_e, wenn die Dichte des Fluids größer ist als die Dichte, bei der die Zählrate ein Maximum ρ_m aufweist, dazu verwendet werden, die optimale Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle darzustellen. 11 ist ein Schaubild der Position der Dichte, welche die höchste Präzision ρ_e aufweist, als Funktion der Detektorposition pos gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Mit Bezug auf 11 kann die Dichte, welche die höchste Präzision aufweist, ρ_e, wie folgt ausgedrückt werden: ρ_e = 32 g/cm²/pos (3)
Dementsprechend kann die Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle durch Umkehr der vorherigen Gleichung bestimmt werden: pos = 32 g/cm²/ρ_e (4)
Deshalb kann bei einer gegebenen anfänglichen Abschätzung der Dichte eines Fluids, wie sie in vielen industriellen Anwendungen bekannt ist, die optimale Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle bestimmt werden.
Zusätzlich kann, wie bereits erwähnt wurde, die Gefäßwanddicke den minimalen Fehler σ_min beeinflusse, welcher der Dichte mit der höchsten Präzision ρ_e entspricht. 12 ist ein Schaubild des minimalen Fehlers σ_min als Funktion der Wanddicke des Gefäßes für Detektorpositionen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen. Die durchgezogenen Kreise stellen eine Detektorposition von 30,72 cm (12 Zoll) dar, während die hohlen Kreise eine Detektorposition von 71,68 cm (28 Zoll) darstellen. Wie ersichtlich ist, kann der minimale Fehler σ_min praktisch unabhängig von der Detektorposition sein. Darüber hinaus kann der Fehler σ_min exponentiell mit der Wanddicke steigen. Der minimale Fehler σ_min kann sich für alle zusätzlichen 7 mm der Dicke der Gefäßwand verdoppeln.
Unter Verwendung der vorstehenden Verhältnisse kann es bei gegebener Dicke der Wand eines Gefäßes und einer Abschätzung der Dichte eines Fluids innerhalb des Gefäßes möglich sein, eine optimale Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf eine Gammastrahlenquelle zu bestimmen, um den Fehler beim Messen der Dichte in einer Rückstreugeometrie zu minimieren.
Vorzugsweise können die hier offenbarten Verfahren dazu verwendet werden, Positionsdichtegradienten auf einem Gefäß zu messen. Bei Verwendung zweier oder mehrerer Detektoren kann die Dichte an verschiedenen Gefäßpositionen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen bestimmt werden. Aus den Dichtemessungen der zwei oder mehr Detektoren kann ein Dichtegradient bestimmt werden. Positionsdichtegradienten können eine Anzeige des Grads der Absetzung oder Mischung liefern, welche im Gefäß auftreten können. Beispielsweise kann ein vertikaler Positionsdichtegradient den Grad der Absetzung eines Feststoffes aus einer Suspension, die im Gefäß enthalten ist, anzeigen. Als ein weiteres Beispiel können verschiedene Dichtegradienten eine statische, laminare oder turbulente Strömung in einem Gefäß anzeigen. Dort, wo Gefäße eine Komponente in einem Prozess bilden, können eine oder mehrere Prozessvariablen als Antwort auf das Dichteprofil beeinflusst werden, beispielsweise um das Mischen zu verbessern oder um Absetzraten zu verringern.
Die Gammastrahlenquelle kann beispielsweise Cäsium-137, Americium-241, Radium-226, Iridium-192 und Kobalt-60 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Aktivität der Quelle zwischen 0,1 mCi und 10 Ci liegen. In anderen Ausführungsformen kann die Aktivität der Quelle weniger als 5 Ci betragen, in anderen Ausführungsformen weniger als 2 Ci und in weiteren Ausführungsformen weniger als 1 Ci.
Gammastrahlendetektoren, die in den hier offenbarten Ausführungsformen nützlich sind, können Szintillatoren wie Natriumjodid, Cäsiumjodid und Kunststoff-Szintillatoren umfassen. In einigen Ausführungsformen können Gammastrahlendetektoren Elektronenfotovervielfacherröhren (PMT) umfassen. Beispielsweise wurden in den hier offenbarten Ausführungsformen beim Gammastrahlendetektor zwei PMTs unter Einsatz einer Betriebsspannung von 887 V bis 956 V eingesetzt. Beiden Messungen mit erhöhter Spannung wurde in den PMTs eine Betriebsspannung von 1.220 V und 1.280 V eingesetzt. Bei anderen Ausführungsformen können Gammastrahlendetektoren Kunststoff-Szintillatoren umfassen, wie beispielsweise einen Polyvinyltoluen-Szintillator (PVT). Bei weiteren Ausführungsformen können Gammastrahlendetektoren Ionisierungskammern, Geigerzähler, Proportionalzähler, Halbleiter und andere Detektoren umfassen, welche für die Detektierung von Gammastrahlen geeignet sind. Dort, wo Ausführungsformen des Dichtemesssystems, das hier offenbart ist, mehr als einen Detektor umfassen, können die Detektoren vom gleichen Typ oder von unterschiedlichen Typen von Gammastrahlendetektoren sein.
Gammastrahlenrückstreuungs-Dichtemessgeräte gemäß Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können die Dichte eines Fluids in einem Gefäß messen, wenn die Dichte des Fluids zwischen 0 gcc und 7,0 gcc liegt. Der effektive Dichtebereich kann zwischen 0,1 gcc und 4,0 gcc in anderen Ausführungsformen liegen und in weiteren Ausführungsformen zwischen 0,2 und 2,0 ggc. Bei anderen Ausführungsformen können ein oder mehrere Gammastrahlenrückstreuungs-Dichtemessgeräte zusammen mit einem oder mehreren Gammastrahlentransmissions-Dichtemessgeräten verwendet werden.
In weiteren Ausführungsformen kann die Dichte eines Fluids in einem Gefäß durch Verändern einer oder mehrerer Prozessvariablen basierend auf der gemessenen Dichte gesteuert werden. Beispielsweise können dann, wenn ein Gefäß in einem Prozess eine Komponente bildet, eine oder mehrere Prozessvariablen als Antwort auf die Gammastrahlenrückstreuungs-Dichtemessung des Fluids im Gefäß verändert werden.
Vorzugsweise können hier offenbarte Ausführungsformen ein Verfahren zum Optimieren kontaktloser Dichtemessungen angeben, indem ein Gammastrahlendetektor relativ zu einer Gammastrahlenquelle angeordnet wird, um die Rückstreuung der Gammastrahlen zu detektieren. Die kontaktlose Messung kann eine Messung der Dichte ermöglichen, wenn das Material schädlich, extrem heiß ist oder wenn direkte Kontaktmessungen nicht möglich sind. Durch Detektieren der Rückstreuung der Gammastrahlen müssen die Gammastrahlen nicht den gesamten Gefäßdurchmesser durchqueren, was den Einsatz von Gammastrahlenquellen geringerer Intensität sowie die Messung der Dichte in größeren Gefäßen ermöglichen kann, als dies gegenwärtig mit Transmissionsmessungen möglich ist. Darüber hinaus kann die Optimierung der Position des Gammastrahlenquellendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle die Präzision der Dichtemessung erhöhen.
Da hier offenbarte Ausführungsformen der Gammastrahlenrückstreuungs-Dichtemessungen die Verwendung von Gammastrahlenquellen niedriger Intensität ermöglichen können, kann Rückkopplung zwischen mehreren Messgeräten, die innerhalb einer Produktionsanlage verwendet werden, verringert werden. Die Verwendung von Quellen geringerer Intensität kann auch die Verwendung von mehr als einer Quelle und/oder eines Detektors pro Gefäß ermöglichen, wodurch gegebenenfalls eine genauere Wiedergabe der Fluiddichte aufgrund von Mehrfachmessungen erzeugt werden kann. Darüber hinaus können, da eine Rückstreumessung die Verwendung von Gammastrahlenquellen niedrigerer Intensität ermöglichen kann, Produktionsanlagen zusätzliche Messvorrichtungen an einer einzelnen Stelle verwenden, ohne dass strengere Sicherheitsprotokolle, die von staatlichen und föderalen Regierungen für Anlagen gefordert werden, welche moderate Mengen an radioaktivem Material aufweisen, greifen.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl an Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann, der diese Offenbarung nutzt, offensichtlich, dass andere Ausführungsformen entwickelt werden können, welche den Schutzbereich der hier offenbarten Erfindung nicht verlassen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Dichte eines Fluids, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Anordnung einer Gammastrahlenquelle in der Nähe eines Gefäßes, in der das Fluid aufgenommen ist; Bestimmen einer optimalen Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle; Anordnen eines Gammastrahlendetektors an der optimalen Position; und Messen der Dichte des Fluids.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Optimalen Position Folgendes umfasst: Bestimmen der Wanddicke des Gefäßes; Abschätzen der Dichte des Fluids; und Auswählen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors basierend auf der Wanddicke und der Abschätzung der Dichte des Fluids, um die Präzision der Dichtemessung zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die optimale Position des Gammastrahlendetektors so ausgewählt wird, dass sie bei 32 g/cm²:ρ in Bezug auf die Quelle liegt, wobei ρ die Abschätzung der Dichte des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter aufweisend: Messen einer Präzision der Messung der Dichte des Fluids; Vergleichen der Abschätzung der Dichte des Fluids mit der gemessenen Dichte des Fluids; Bestimmen einer geschätzten Genauigkeit der Messung der Dichte des Fluids basierend auf der Gefäßwanddicke und einer optimalen Position des Gammastrahlendetektors; Vergleichen der Präzision der Messung der Dichte des Fluids mit der geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids; und Einstellen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle, falls notwendig.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der optimalen Position Folgendes umfasst: Bestimmen einer Wanddicke des Gefäßes; Anordnen eines Gammastrahlendetektors in der Nähe der Gammastrahlenquelle; Messen einer anfänglichen Dichte; und Auswählen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors basierend auf der Wanddicke und der anfänglichen Dichte des Fluids, um eine Präzision der Dichtemessung zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die optimale Position des Gammastrahlendetektors so ausgewählt wird, dass sie bei 32 g/cm²:ρ in Bezug auf die Quelle liegt, wobei ρ die Abschätzung der Dichte des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter aufweisend: Messen der Präzision der Messung der Dichte des Fluids; Bestimmen einer geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids basierend auf der Gefäßwanddicke und der optimalen Position des Gammastrahlendetektors; Vergleichen der Präzision der Messung der Dichte des Fluids mit der geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids; und Einstellen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle basierend auf dem Vergleich der Präzision und der geschätzten Präzision, falls erforderlich.
Verfahren zum Optimieren der Position eines Gammastrahlendetektors, um die Dichte eines Fluids in einem Gefäß zu bestimmen, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Anordnen einer Gammastrahlenquelle in der Nähe eines Gefäßes, in dem das Fluid aufgenommen ist; Bestimmen einer optimalen Position eines Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle; Anordnen mindestens eines Gammastrahlendetektors an der optimalen Position in Bezug auf die Gammastrahlenquelle; und Messen der Dichte des Fluids durch den Gammastrahlendetektor.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der optimalen Position Folgendes umfasst: Bestimmen der Wanddicke des Gefäßes; Bestimmen einer Abschätzung der Dichte des Fluids; und Auswählen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors basierend auf der Wanddicke und der Abschätzung der Dichte des Fluids, um die Präzision der Dichtemessung zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die optimale Position des Gammastrahlendetektors so ausgewählt wird, dass sie bei 32 g/cm²:ρ in Bezug auf die Quelle liegt, wobei ρ die Abschätzung der Dichte des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 9, weiter aufweisend: Vergleichen der Abschätzung der Dichte des Fluids mit der gemessenen Dichte des Fluids; Messen einer Präzision der Messung der Dichte des Fluids; Bestimmen einer geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids basierend auf der Gefäßwanddicke und der optimalen Position des Gammastrahlendetektors; Vergleichen der Präzision der Messung der Dichte des Fluids mit der geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids; und Einstellen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der optimalen Position Folgendes umfasst: Bestimmen einer Wanddicke des Gefäßes; Anordnen eines Gammastrahlendetektors in der Nähe der Gammastrahlenquelle; Messen einer anfänglichen Dichte; und Auswählen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors basierend auf der Wanddicke und der anfänglichen Dichte des Fluids, um eine Präzision der Dichtemessung zu maximieren.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die optimale Position des Gammastrahlendetektors so ausgewählt wird, dass sie bei 32 g/cm²:ρ in Bezug auf die Quelle liegt, wobei ρ die Abschätzung der Dichte des Fluids ist.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter aufweisend: Messen der Präzision der Messung der Dichte des Fluids; Bestimmen einer geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids basierend auf der Gefäßwanddicke und der optimalen Position des Gammastrahlendetektors; Vergleichen der Präzision der Messung der Dichte des Fluids mit der geschätzten Präzision der Messung der Dichte des Fluids; und Einstellen der optimalen Position des Gammastrahlendetektors in Bezug auf die Gammastrahlenquelle basierend auf dem Vergleich der Präzision und der geschätzten Präzision.