RU154702U1

RU154702U1 - Концентратомер многофазной жидкости

Info

Publication number: RU154702U1
Application number: RU2014148937/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Гоголев; Юрий Михайлович Черепенников; Роман Олегович Резаев
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-09-10

Abstract

Концентратомер потока многофазной жидкости, содержащий источник рентгеновского излучения и детектор, установленные по разные стороны трубы, по которой протекает поток многофазной жидкости, так, чтобы излучение от источника к детектору проходило через врезанные в трубу окна из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, датчик для измерения давления, подключенный к трубе, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча, отличающийся тем, что в качестве источника рентгеновского излучения выбран генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с одной мишенью, в качестве детектора использованы два сцинтилляционных счетчика ионизирующего излучения, в качестве датчика контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча выбран сцинтилляционный блок детектирования рентгеновского излучения, работающий в токовом режиме, при этом источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр размещены в корпусах, которые жестко закреплены по разные стороны трубы, источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр закреплены на одной оси, перпендикулярной оси симметрии трубы, так, чтобы излучение от источника рентгеновского излучения к волнодисперсионному спектрометру проходило через окна, врезанные в трубу, причем в корпусе волнодисперсионного спектрометра расположены два кристаллических монохроматора-анализатора, установленных под разными углами к лучу от источника рентгеновского излучения так, чтобы на каждом из них выполнялось условие Брэгга для одной из линий излучения из спектра источника рентгеновского излучения, �

Description

МПК (2014.01)

G01N23/06

G01N23/207

КОНЦЕНТРАТОМЕР МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к области анализа материалов радиационными методами с помощью рентгеновского излучения и может быть использовано в нефтегазовой и в химической промышленности.

Известен концентратомер потока многофазной жидкости [К.В. Рымаренко, «Гидродинамические исследования и многофазная расходометрия: новые возможности и принципы работы (на примере технологии Vx)», Техника и технологии, декабрь 2010, C. 30-37], содержащий радиоактивный источник на основе изотопа ¹³³Ва и сцинтилляционный детектор жестко закрепленные по разные стороны трубы, по которой протекает поток многофазной жидкости. Детектор и источник закреплены на одной оси, перпендикулярной трубе так, чтобы излучение от источника к детектору проходило через специальные слабопоглащающие вставки в трубе. В случае использования в качестве трубы трубки Вентури, ось расположения источника и детектора проходит через наиболее узкое место трубки.

В этом концентратомере используется радиоактивный источник гамма-излучения, с невысокой интенсивностью потока излучения, что ведет к низкой скорости счета квантов излучения и, как следствие, увеличению времени измерения и/или увеличению статистической ошибки измерения.

Известнен концентратомер потока многофазной жидкости [RU 2466383 С2, МПК G01N 23/12 (2006.01), опубл. 20.06.2012], содержащий подсистему создания одноэнергетических или двухэнергетических рентгеновских лучей, на основе рентгеновских аппаратов с рентгеновскими трубками, детекторную подсистему состоящую из одного или двух наборов детекторов, подсистему управления и обработки данных на основе ЭВМ, и дополнительную систему калибровки долгосрочной стабильности пучка лучей рентгеновского аппарата. При этом один или несколько рентгеновских аппаратов расположены так, что создаваемое ими рентгеновское излучение проходит через поток многофазной жидкости и попадает в набор детекторов, расположенных по другую сторону потока, и в детектор системы калибровки. Рентгеновские аппараты, набор или наборы детекторов и система калибровки связаны с ЭВМ.

В этом концентратомере рентгеновские аппараты создают излучение со сложной спектральной структурой, а не моноэнергетические пучки излучения, что приводит к увеличению систематических и статистических ошибок при обработке результатов и определении компонентного состава.

Известен концентратомер потока многофазной жидкости [US 20120087467 A1, МПК G01N23/223 опубл. 12.04.2012] принятый за прототип, содержащий источник рентгеновского излучения для генерации рентгеновского пучка с линейчатым спектром вторичной флуоресценции, генерирующий излучение в диапазоне от 20 до 100 кэВ, предпочтительно около 60 кэВ, энергодисперсионный детектор, датчики для измерения диэлектрической проницаемости и/или перепада давления, второй детектор для учета рассеянного излучения и монитор интенсивности рентгеновского луча, установленные по разные стороны трубы, по которой протекает поток многофазной жидкости. Детектор и источник закреплены на одной оси, перпендикулярной трубе так, чтобы излучение от источника к детектору проходило через окна из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, например, титана, врезанные в трубу. Второй детектор закреплен на стенке трубы на одном уровне с первым детектором и источником излучения так, чтобы направление детектирования было перпендикулярно оси распространения рентгеновского луча и оси симметрии трубы. Монитор интенсивности рентгеновского луча установлен в непосредственной близости от источника излучения. Датчики для измерения диэлектрической проницаемости и/или перепада давления подключены к трубе отдельно.

Недостатком прототипа является уменьшение интенсивности характеристических линий за счет переизлучения, поскольку интенсивность вторичной флуоресценции на три порядка ниже первичной [Грязнов А.Ю. Разработка аппаратурных и методических способов повышения аналитических характеристик энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализатора // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность: 05.27.02 Санкт-Петербург - 2004]. Уменьшение интенсивности ведет либо к увеличению статистических ошибок при определении компонентного состава, либо к увеличению времени измерения, для того, что бы скомпенсировать ошибки. К недостаткам также относится наличие фонового излучения, которое состоит из рассеянного тормозного излучения со сплошным спектром и характеристического Kβ излучения, полная интенсивность фонового излучения сравнима с интенсивностью полезного характеристического Kα излучения, что приводит к нежелательной загрузке детектора. Кроме того, ограничением используемых в концентратомере энергодисперсионных детекторов является значительная величина мертвого времени спектрометрических каналов, что ограничивает быстродействие.

Задачей полезной модели является повышение точности и скорости измерения концентраций потока многофазной жидкости.

Предложенный концентатомер потока многофазной жидкости также, как в прототипе, содержит источник рентгеновского излучения и детектор, установленные по разные стороны трубы, по которой протекает поток многофазной жидкости, причем так, чтобы излучение от источника к детектору проходило через специальные окна, врезанные в трубу, из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, например, титана, датчик для измерения давления, подключенный к трубе, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча.

Согласно полезной модели в качестве источника рентгеновского излучения выбран генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с одной мишенью, в качестве детектора использованы два сцинтилляционных счетчика ионизирующего излучения, в качестве датчика контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча выбран сцинтилляционный блок детектирования рентгеновского излучения, работающий в токовом режиме. Источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр, размещенные в корпусах, жестко закреплены по разные стороны трубы на одной оси, перпендикулярной оси симметрии трубы так, чтобы излучение от источника рентгеновского излучения к волнодисперсионному спектрометру проходило через окна, врезанные в трубу. В корпусе волнодисперсионного спектрометра расположены два кристаллических монохроматора-анализатора, установленных под разными углами к лучу от источника рентгеновского излучения так, чтобы на каждом из них выполнялось условие Брэгга для одной из линий излучения из спектра источника рентгеновского излучения. За каждым из кристаллических монохроматоров-анализаторов по направлению распространения дифрагированного луча установлен один сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения. Датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения установлен за кристаллическими монохроматорами-анализаторами на одной оси с источником рентгеновского излучения. Датчик температуры многофазной жидкости врезан в трубу. Источник рентгеновского излучения, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения, датчики измерения давления и температуры многофазной жидкости, сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения связаны с ЭВМ.

В предложенном концентратомере использование источника рентгеновского излучения с одной мишенью (без вторичной мишени) исключает этап переизлучения (возбуждения вторичной флуоресценции), что позволяет увеличить интенсивность рентгеновского излучения, используемого для анализа компонентного состава потока многофазной жидкости, так как интенсивность вторичной флуоресценции на три порядка ниже первичной [Грязнов А.Ю. Разработка аппаратурных и методических способов повышения аналитических характеристик энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализатора // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность: 05.27.02 Санкт-Петербург - 2004]. Использование кристаллических монохроматоров-анализаторов позволяет снизить потери интенсивности рентгеновского излучения при получении монохроматического излучения, так как потери интенсивности определяются коэффициентом отражения излучения в направлении дифракции, составляющим величину не менее 50%. Увеличение интенсивности ретгеновского излучения ведет к уменьшению статистической погрешности измерения и, как следствие, увеличению точности измерения и/или уменьшению времени затрачиваемого на исследование, поскольку статистическая погрешность определяется по формуле:

где δ - относительная статистическая ошибка;

- среднее число квантов, зарегистрированных за секунду, которое прямо пропорционально интенсивности;

t - время измерения в секундах.

Кроме того, точность определения компонентного состава потока многофазной жидкости предложенного концентратомера выше за счет того, что он обеспечивает меньшую относительную долю фонового излучения в спектре. Сравнение относительного распределения интенсивностей излучения в спектре для прототипа (фиг. 1 а)) и предложенного концентратомера (фиг 1 б)) показывает, что уровень фонового излучения в предложенном устройстве ниже примерно в 10 раз.

Таким образом, предлагаемый концентратомер потока многофазной жидкости по сравнению с прототипом обладает повышенной точностью и скоростью анализа.

На фиг. 1 приведены спектры излучения от источника рентгеновского излучения: а) - Fluor'X [US 20120087467], б) - на основе трубки БСВ-29 после отражения от кристаллов кремния.

На фиг. 2 представлена схема концентратомера потока многофазной жидкости.

Концентратомер потока многофазной жидкости содержит источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС), размещенные в корпусах, которые жестко закреплены по разные стороны трубы 3, по которой протекает поток многофазной жидкости. Труба 3 может быть обычной цилиндрической трубой (отдельная отводная труба) или в виде трубки Вентури. При использовании трубки Вентури источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС) расположены на оси, проходящей через самое узкое место трубы 3. Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС) закреплены на одной оси, перпендикулярной оси симметрии трубы 3 так, чтобы излучение от источника рентгеновского излучения 1 к волнодисперсионному спектрометру 2 (ВДС) проходило через окна 4 и 5 из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, например, из титана, врезанные в трубу 3.

В корпусе волнодисперсионного спектрометра 2 (ВДС) расположены кристаллические монохроматоры-анализаторы 6 и 7, установленные под разными углами к лучу от источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ) так, чтобы на каждом из них выполнялось условие Брэгга для одной из линий излучения из спектра источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ). За кристаллическим монохроматором-анализатором 6 по направлению распространения дифрагированного луча от него установлен сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 8 (СС1), а сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 9 (СС2) располагается по направлению распространения дифрагированного луча от кристаллического монохроматора-анализатора 7. Датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 (ДКС) установлен за кристаллическими монохроматорами-анализаторами 6 и 7 на одной оси с источником рентгеновского излучения 1 (ИРИ).

Датчики измерения давления 11 (ДД) и температуры 12 (ДТ) многофазной жидкости вмонтированы в трубу 3.

Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ), датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 (ДКС), датчики измерения давления 11 (ДД) и температуры 12 (ДТ) многофазной жидкости, сцинтилляционные счетчики ионизирующего излучения 8 (СС1) и 9 (СС2) соединены через соответствующие драйверы управления с ЭВМ (на фиг. 2 не показана).

В качестве источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ) может быть выбран рентгеновский аппарат на основе известной рентгеновской трубки, например, источником БСВ-29 с анодом из серебра, генерирующий полихроматическое тормозное излучение до 60 кэВ и характеристическое рентгеновское излучение серебра с энергиями 22 и 25 кэВ (линии Kα и Kβ, соответственно).

В качестве кристаллических монохроматоров-анализаторов 6 и 7 могут быть использованы кристаллы кремния.

В качестве сцинтилляционных счетчиков ионизирующего излучения 8 (СС1) и 9 (СС1) могут быть использованы счетчики на основе органического сцинтиллятора BC-408, производства Saint-Gobain Crystals [Франция http://www.crystals.saint-gobain.com/Crystals_Products.aspx], и кремниевого фотоэлектронного умножителя (не показан), поставляемые компанией SENSL [Ирландия,
http://www.sensl.com/downloads/ds/DS-MicroFM.pdf], которые позволяют получать сигнал со временем нарастания фронта импульса около 100 пс и временем восстановления менее 1 нс.

В качестве датчика контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 (ДКС) может быть использован стандартный сцинтилляционный блок детектирования рентгеновского излучения, например производства НПЦ «АСПЕКТ», работающий в токовом режиме.

Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) генерирует рентгеновское излучение со сложным спектральным составом, которое направлено на трубу 3, по которой течет многокомпонентная жидкость. Одна часть рентгеновского излучения проходит через окна 4 и 5 из материала с низким коэффициентом поглощения излучения и поток многофазной жидкости, другая часть - через стенки трубы 3, в которых излучение практически полностью поглощается, тем самым формируется узкий луч излучения. Луч, прошедший через поток многофазной жидкости, становится носителем информации о ее характеристиках, так как в зависимости от состава и параметров многофазной жидкости рентгеновское излучение по-разному поглощается и рассеивается за счет фотоэффекта и комптоновского рассеяния. Прошедшая без взаимодействия с окнами 4 и 5 и потоком многофазной жидкости часть луча рентгеновского излучения, направляется на волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС), где луч попадает на кристаллический монохроматор-анализатор 6. Часть луча рентгеновского излучения, удовлетворяющая условию Брэгга, дифрагирует на кристаллическом монохроматоре-анализаторе 6, а другая часть проходит его без отклонения. После этого, луч попадает на кристаллический монохроматор-анализатор 7, где, аналогично, часть луча, удовлетворяющая условию Брэгга для кристаллического монохроматора-анализатора 7, дифрагирует, а оставшаяся часть проходит его без отклонения.

Дифрагированное на кристаллическом монохроматоре-анализаторе 6 излучение направляется в счетчик ионизирующего излучения 8 (СС1), а дифрагированное на кристаллическом монохроматоре-анализаторе 7 излучение направляется в счетчик ионизирующего излучения 9 (СС2). При этом дифрагированное излучение уже является монохроматическим. Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 8 (СС1) регистрирует монохроматическое излучение с одной энергией, соответствующей условию Брэгга для кристаллического монохроматора-анализатора 6, и регистрирует скорость счета в одном спектральном диапазоне, а сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 9 (СС2) регистрирует монохроматическое излучение с другой энергией, соответствующей условию Брэгга для кристаллического монохроматора-анализатора 7, и регистрирует скорость счета в другом спектральном диапазоне.

Излучение, прошедшее без отклонения, попадает в датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 (ДКС), который регистрирует общий ток, создаваемый излучением в чувствительном объеме, который несет информацию об интегральной интенсивности излучения в конкретный момент времени, и используется для нормировки.

Одновременно, датчики измерения давления 11 (ДД) и температуры 12 (ДТ) многофазной жидкости измеряют температуру и давление потока жидкости, используемые для уточнения значений коэффициентов поглощения компонент потока.

Данные от датчиков контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 (ДКС), измерения давления 11 (ДД) и температуры 12 (ДТ) многофазной жидкости, от сцинтилляционных счетчиков ионизирующего излучения 8 (СС1) и 9 (СС2) поступают на ЭВМ. При этом скорости счета по двум монохроматическим линиям, зарегистрированные счетчиками ионизирующего излучения 8 (СС1) и 9 (СС2) и датчиками измерения давления 11 (ДД) и температуры 12 (ДТ) используются для расчета массовых долей отдельных компонент многофазной жидкости, и с помощью программного обеспечения решается система вида:

I(E₁)=I₀(E₁)exp[-LΣμ_i(E₁,p,T) w_iρ_i(p,T)];

I(E₂)=I₀(E₂)exp[-LΣμi(E₂,p,T)wiρi(p,T)];

...

Σw_i=1,

где I(E_1,2) - интенсивность рентгеновского излучения с энергией E_1,2, падающего на поток многофазной жидкости;

I₀(E_1,2) - интенсивность рентгеновского излучения с энергией E_1,2, прошедшего через поток без взаимодействия;

L - расстояние, пройденное излучением через поток многофазной жидкости;

μ_i(E_1,2,p,T) - массовый коэффициент поглощения излучения с энергией E_1,2 при температуре Т и давлении p для i-той компоненты;

w_i- массовая доля (концентрация) i-той компоненты;

ρ_i(p,T) - плотность i-той компоненты при температуре Т и давлении p;

Значения I₀(E₁), I₀(E₂) и т.д. определяю из измерений в отсутствие потока жидкости в трубе 3 или из предварительного моделирования, а I(E₁), I(E₂) и т.д. из скоростей счета при измерении на трубе 3 с потоком многофазной жидкости.

Таким образом, с помощью предложенного концентратомера при регистрации скоростей счета в двух спектральных диапазонах контролируют концентрации трехкомпонентных потоков, например, потока типа нефть-вода-газ, что востребовано в нефтяной промышленности.

Значения I(E₁), I₀(E₁), I(E₂), I₀(E₂) и т.д. нормируют в соответствии со значением тока, зарегистрированным датчиком контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 (ДКС) в соответствующий момент времени, что позволяет уменьшить статистический разброс данных обусловленный флуктуациями тока и напряжения источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ).

Claims

Концентратомер потока многофазной жидкости, содержащий источник рентгеновского излучения и детектор, установленные по разные стороны трубы, по которой протекает поток многофазной жидкости, так, чтобы излучение от источника к детектору проходило через врезанные в трубу окна из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, датчик для измерения давления, подключенный к трубе, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча, отличающийся тем, что в качестве источника рентгеновского излучения выбран генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с одной мишенью, в качестве детектора использованы два сцинтилляционных счетчика ионизирующего излучения, в качестве датчика контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского луча выбран сцинтилляционный блок детектирования рентгеновского излучения, работающий в токовом режиме, при этом источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр размещены в корпусах, которые жестко закреплены по разные стороны трубы, источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр закреплены на одной оси, перпендикулярной оси симметрии трубы, так, чтобы излучение от источника рентгеновского излучения к волнодисперсионному спектрометру проходило через окна, врезанные в трубу, причем в корпусе волнодисперсионного спектрометра расположены два кристаллических монохроматора-анализатора, установленных под разными углами к лучу от источника рентгеновского излучения так, чтобы на каждом из них выполнялось условие Брэгга для одной из линий излучения из спектра источника рентгеновского излучения, за каждым из кристаллических монохроматоров-анализаторов по направлению распространения дифрагированного луча установлен один сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения, а датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения установлен за кристаллическими монохроматорами-анализаторами на одной оси с источником рентгеновского излучения, при этом датчик температуры многофазной жидкости врезан в трубу, а источник рентгеновского излучения, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения, датчики измерения давления и температуры многофазной жидкости, сцинтилляционные счетчики ионизирующего излучения связаны с ЭВМ.