Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации (стр. 5 )

6. Экспериментальные исследования чувствительности предложенной технологии

Экспериментальные исследования чувствительности предложенной технологии проводились на лабораторной базе кафедры Прикладной физики, Физико-технического института, Национального исследовательского Томского политехнического университета. Схема и внешний вид экспериментальной установки приведены на рисунке 16.

В качестве источника рентгеновского излучения использовалась рентгеновская трубка РАП 60-25. Измерения проводились при напряжении 60 кВ и токе 10 мА. Рентгеновский аппарат был помещен в свинцовый домик с толщиной стенки 5 см.

Рисунок 16 – Экспериментальная установка: а) – схема, б) – внешний вид.

Излучение формировалось коллиматором диаметром 3 мм, расположенным на расстоянии 90 мм от выходного окна рентгеновской трубки. Сформированный пучок излучения падал на составной кристаллический кремниевый монохроматор-анализатор, установленный в дистанционно-управляемом гониометре, на расстоянии 150 мм от коллиматора. Монохроматор ориентировался под углом 5.1° к оси распространения пучка РИ. Дифрагированное излучение, представляющее собой две монохроматические линии с энергиями 22.1 кэВ и 46 кэВ, проходило через емкость, заполненную заранее подготовленной эталонной жидкой смесью. Эталонные жидкости представляли собой дистиллированную воду и водные растворы NaCl различных концентраций. Ослабленное в жидкой смеси излучение регистрировалось кремниевым полупроводниковым детектором с криогенным охлаждением. Детектор предназначен для регистрации РИ в диапазоне 3-60 кэВ. Время одиночного измерения составляло 1 секунду. На рисунке 17 в качестве примера приведен спектр РИ, зарегистрированный после прохождения емкости с дистиллированной водой.

Рисунок 17 – Спектр РИ после прохождения емкости, заполненной дистиллированной водой в логарифмическом масштабе.

Как видно из рисунка, интенсивность второй монохроматической линии находится на уровне приблизительно 10 процентов, а интенсивность фона, за исключением мягкой части, на уровне 0,1%, что, в общем, согласуется с результатами моделирования. На рисунке 18 приведены спектры излучения, зарегистрированные после прохождения емкостей с эталонными жидкостями при различных концентрациях NaCl.

Рисунок 18 – Спектры РИ после прохождения емкостей, заполненных эталонными жидкостями в линейном масштабе

Как видно из рисунка, присутствие примеси на уровне даже 0,1 % по массе хорошо различимо в проведенном эксперименте (интенсивность монохроматической линии заметно ниже в присутствии примеси). Таким образом, экспериментально была подтверждена чувствительность предложенного способа на уровне не хуже 0.1% при времени одиночного измерения равном одной секунде.

7. Описание конечного устройства

В данном разделе приводится описание устройства в целом. Описание приводится в соответствии с заявкой на патент № 000 [6], поданной по результатам проведенных работ. Устройство 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 [7], содержащее 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 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 [8], 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 [9] 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 [10]. 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 Kβ излучения, полная интенсивность фонового излучения сравнима с интенсивностью полезного характеристического Kα 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 является повышение точности и скорости измерения концентраций потока многофазной жидкости.

Предложенное устройство 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 предложению, 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 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 [10]. 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: