Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПОТОКА МНОГОФАЗНОЙ ЖИДКОСТИ

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

Известно устройство для определения компонентного состава 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, с. 30-37], содержащее радиоактивный источник на основе изотопа ¹³³ Ва 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 устройстве используется опасный 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.

Известно устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости [RU 2466383 С2, МПК G01N 23/12 (2006.01), опубл. 20.06.2012], содержащее 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 устройстве 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.

Известно устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости [US 20120087467 A1, МПК G01N23/223, опубл. 12.04.2012], принятое за прототип, содержащее 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 г.]. Уменьшение интенсивности ведет либо к увеличению статистических ошибок при определении компонентного состава, либо к увеличению времени измерения для того, чтобы скомпенсировать ошибки. К недостаткам также относится наличие фонового излучения, которое состоит из рассеянного тормозного излучения со сплошным спектром и характеристического K_β излучения, полная интенсивность фонового излучения сравнима с интенсивностью полезного характеристического K_α излучения, что приводит к нежелательной загрузке детектора. Кроме того, ограничением используемых в устройстве энергодисперсионных детекторов является значительная величина мертвого времени спектрометрических каналов, что ограничивает быстродействие.

Задачей изобретения является повышение точности и скорости анализа компонентного состава потока многофазной жидкости.

Предложенное устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости так же, 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 изобретению в качестве источника рентгеновского излучения выбран генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с одной мишенью, в качестве детектора использован сцинтилляционный счетчик 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 расположен кристаллический монохроматор-анализатор, установленный под углом к лучу от источника рентгеновского излучения так, чтобы выполнялось условие Брэгга для линии излучения из спектра источника рентгеновского излучения. За кристаллическим монохроматором-анализатором по направлению распространения дифрагированного луча установлен сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения. Датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения установлен за кристаллическим монохроматором-анализатором 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 устройстве 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 г.]. Использование кристаллического монохроматора-анализатора 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 рентгеновского 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 - относительная статистическая ошибка;

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

- время измерения в секундах.

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

Таким образом, предлагаемое устройство для определения компонентного состава 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 кристалла вольфрама.

На фиг. 2 представлена схема устройства для определения компонентного состава многофазной жидкости.

Устройство для определения компонентного состава 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) расположен кристаллический монохроматор-анализатор 6, установленный под углом к лучу от источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ) так, чтобы выполнялось условие Брэгга для линии излучения из спектра источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ). За кристаллическим монохроматором-анализатором 6 по направлению распространения дифрагированного луча установлен сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 7 (СС). Датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 8 (ДКС) установлен за кристаллическим монохроматором-анализатором 6 на одной оси с источником рентгеновского излучения 1 (ИРИ).

Датчики измерения давления 9 (ДД) и температуры 10 (ДТ) многофазной жидкости вмонтированы в трубу 3.

Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ), датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 8 (ДКС), датчики измерения давления 9 (ДД) и температуры 10 (ДТ) многофазной жидкости, сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 7 (СС) 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 K_α и K_β, соответственно).

В качестве кристаллического монохроматора-анализатора 6 может быть использован кристалл вольфрама или кристалл LiF.

В качестве сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения 7 (СС) может быть использован счетчик 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), поставляемый компанией SENSL [Ирландия, http://www.sensl.com/downloads/ds/DS-MicroFM.pdf], который позволяет 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 8 (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.

Дифрагированное излучение направляется в счетчик ионизирующего излучения 7 (СС), при этом спектр дифрагированного излучения уже представляет собой набор монохроматических линий, с энергиями, удовлетворяющими условию Брэгга. Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 7 (СС) разделяет фотоны рентгеновского излучения с низким и высоким уровнем энергии и измеряет скорости счета в двух спектральных диапазонах, соответствующих энергиям первого и второго (или высшего) порядка дифракции рентгеновского излучения. Одновременной регистрации двух линий добиваются электронным разделением сигналов в сцинтилляционном счетчике ионизирующего излучения 7 (СС).

Излучение, прошедшее без отклонения, попадает в датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 8 (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 9 (ДД) и температуры 10 (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 8 (ДКС), измерения давления 9 (ДД) и температуры 10 (ДТ) многофазной жидкости, от сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения 7 (СС) поступают на ЭВМ. При этом скорости счета по двум монохроматическим линиям, зарегистрированные счетчиком ионизирующего излучения 7 (СС) и датчиками измерения давления 9 (ДД) и температуры 10 (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 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. определяют 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 устройства при регистрации скоростей счета в двух спектральных диапазонах контролируют состав трехкомпонентного потока, 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 стабилизацией интенсивности рентгеновского излучения 8 (ДКС) в соответствующий момент времени, что позволяет уменьшить статистический разброс данных обусловленный флуктуациями тока и напряжения источника рентгеновского излучения 1 (ИРИ).