[發明專利]利用伽瑪背散射的密度測量

有效

• 申請號: 200710168149.0
• 申請日: 2007-11-13
• 公開（公告）號: CN101183065A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發明（設計）人: 亞歷克斯·庫利克;尼古拉·巴圖林;亞歷山大·約瑟夫·葉辛;邁克爾·馬斯捷羅夫
• 申請（專利權）人: 思姆菲舍爾科技公司
• 主分類號: G01N9/24
• 分類號: G01N9/24
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 王新華

技術領域

在此公開的實施例主要涉及采用伽瑪輻射對容器中的流體密度進行的測量。在此公開的實施例還特別涉及通過檢測被流體背散射(反向散射或后向散射(backscattering))的來自伽瑪射線源的伽瑪射線的強度對容器中流體密度的測量。

背景技術

通過采用與伽瑪射線檢測器位置相對的伽瑪射線源，伽瑪射線已經用于測量容器中的流體的密度和液位。在所測量的材料是危險的、極熱的情況下，或者在不能進行直接接觸測量的情況下，這種穿透式伽瑪射線的密度和液面測量方法是有用的。另外，所述源和檢測器被安裝到容器的外部，且不需要對容器進行任何改動。由源發出的伽瑪射線會被容器和容器中的材料吸收或衰減。到達與源相對位置的檢測器的伽瑪輻射的強度可以用于基于源的強度表示容器中的流體的密度或液面。

當測量流體液面時，例如，可以將多個伽瑪射線發射器和/或檢測器定位在容器的相對側上，其中信號(或微弱的低信號)的存在或缺失可以表示在所述源和檢測器之間的流體的存在或缺失。如下所述，在有信號/無信號液面檢測器的容器的尺寸會比采用伽瑪射線密度計的容器的尺寸大得多，這是由于伽瑪射線不那么容易被容器中的蒸汽吸收或衰減。

關于流體密度，例如，在伽瑪射線源和檢測器之間通過的流體可以吸收或衰減由源發出的伽瑪射線。高輻射數表示低的流體密度，而低輻射數表示高流體密度。

在此參照圖1，示出了現有技術中的穿透式伽瑪射線密度計的一個示例。外殼(未示出)可以安裝在帶有容裝流體13的孔(bore)12的管狀管或容器10上。伽瑪輻射源14位于孔12的一側上，而伽瑪輻射檢測器15位于另一側。由源14提供的輻射在伽瑪射線發射的長時間里強度恒定(在有限的時間里強度隨機)。伽瑪射線透射通過包圍孔12的材料和腔體內的流體13，到達檢測器15。檢測器15可以是例如，碘化鈉或碘化銫(鉈活化)晶體或其他能夠在輻射下閃爍的材料，且可以包括用于將晶體閃爍(scintillation)的閃光轉換成電脈沖的電子光電倍增管。

對于從源14發出的到達檢測器15的伽瑪射線量的主要變化因素是容器10中容裝的流體13。由源14發出的伽瑪射線的百分比被流體13吸收或衰減，而沒有到達檢測器15。因此，來自檢測器15的光電倍增管的輸出信號的計數率可以與射線到達檢測器15所必須通過的流體13的密度和源14的強度相關。

然而，采用伽瑪射線的穿透式密度測量僅僅對受限的容器尺寸和/或流體密度是可行的。例如，對于相似尺寸的源，在更高的流體密度下，流體可以吸收更多的伽瑪射線，因此導致更少的伽瑪射線到達檢測器。同樣地，隨著容器尺寸的增加，伽瑪射線必須通過更大量的吸收伽瑪射線的材料(容器和液體)，導致更少的伽瑪射線到達檢測器。因此，以這樣的方式的伽瑪射線密度測量當前僅僅對直徑最大到大約1米的容器可行。

容器厚度也可能限制穿透式伽瑪射線密度測量的有效性。由于容器以類似于流體的方式吸收和衰減伽瑪射線，所以更高的壁厚可能導致更少的伽瑪射線到達檢測器。容器厚度可以通過規范(例如美國機械工程師協會(ASME)或其它容器規格)加以控制，其中所需的厚度可以以流體的操作壓力和屬性(腐蝕的、侵蝕的、反應的等)為基礎。進而，容器厚度的當前的安全裕量增加且會進一步限制穿透式測量的有效性。

在用于穿透式密度測量的伽瑪射線的目前的使用中的另一個缺點是立體角由固定尺寸的檢測器形成，且因此計數率同容器尺寸的平方成反比。計數率n可以由下面的方程近似表示：

n～Ωe^-d/λ～(e^-d/λ)/d²(1)

其中n是計數率，d是容器直徑，且λ是依賴于密度的吸收長度。對于相似尺寸的檢測器，更低的計數率可以導致更高的錯誤率或可能需要更大的源以保持所需的精度。替代地，隨著容器尺寸的增加，檢測器尺寸可以被增加以保持恒定的計數率。無論如何，源的尺寸和/或檢測器尺寸的增加將不可避免地增加成本。

為了克服厚度、尺寸和密度的限制，伽瑪射線源的強度可以被增加，因此導致到達檢測器的伽瑪射線量是可測量的。然而，成本、安全、多單元有效性和防護可能每個都會限制可以采用的源的強度。例如，采用放射性源影響人身安全和相關環境，并需要用于保護人身安全的鉛或鎢屏蔽、特定的預防措施和裝備，以及處置和補救過程。進而，因為伽瑪射線從點源而不是方向性源產生，所以隨著源尺寸的增加，在除去通過容器的方向的方向上容納輻射所需的屏蔽量必須增加，因此進一步增加了成本。