СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01N23/203 

Изобретение относится к радиационным способам бесконтактного измерения плотности вещества с помощью электромагнитного (рентгеновского или гамма-) излучения и может быть использовано для повышения глубинности этих способов измерения, а также в установках, предназначенных для измерения плотности, анализа и сортировки веществ и материалов, измерения плотности и фазового состава текучих сред, определения пространственного распределения концентрации тяжелых элементов.

Плотность материала может быть определена путем анализа ослабления рентгеновского или гамма-излучения, проходящего через вещество. Искомый результат начального измерения представляет собой не массовую плотность, ρ, которая будет конечным произведением, а индекс электронной плотности, ρ_е, вещества. Индекс электронной плотности соотносится с массовой плотностью согласно формуле (1):

где Z - атомный номер вещества, А - его атомный вес.

Ослабление пучка излучения с энергией Е, интенсивностью I₀(Е), проходящего через материал с толщиной l и плотностью ρ_е, может быть записано в виде (2):

где µ_m(Е) - массовый коэффициент ослабления вещества, I(E) - поток квантов излучения на детектор.

Для определения плотности измеряют I(E) и I₀(Е), находят с помощью выражения (2) ρ_е, затем с помощью выражения (1) находят ρ. Получаемое значение плотности ρ представляет собой средневзвешенное значение плотностей на разных глубинах с весами, распределенными по экспоненте (чем больше глубина, тем меньше значение весового коэффициента).

Массовый коэффициент ослабления µ_m(Е) зависит от вещества. Чтобы измерить плотность вещества рассматриваемым способом часто проводят калибровочные испытания с известными веществами или их комбинациями. Таким образом, плотномеры, основанные на использовании рентгеновского или гамма-излучения, позволяют бесконтактно контролировать плотность. Они применяются, в частности, при измерении плотности:

- агрессивных, сильновязких, горячих и находящихся под большим давлением жидкостей;

- горных пород в скважинах;

- многофазных сред, протекающих по трубопроводам;

- сыпучих материалов и иногда газов.

Во многих случаях плотность материала пространственно изменяется. Это касается, в частности, сыпучих материалов и лесоматериалов. В случае сыпучего материала плотность вблизи его поверхности может отличаться от объемной вследствие, например, другой влажности, весового уплотнения или различного гранулометрического состава. Изменение плотности по глубине в случае лесоматериала связано с кольцевой структурой бревна и наличием различных дефектов. Знание изменения плотности бревна по глубине или величины плотности на определенной глубине позволяет отбраковывать поврежденные бревна или бревна, демонстрирующие слишком много сучков или являющиеся смолистыми, а также позволяет уточнить цену древесины. Плотность нефтепродуктов в трубопроводах также может быть пространственно зависимой вследствие разделения на фракции. Причем степень разделения зависит от режима течения и может изменяться во времени.

Радиационные методы и устройства, применяемые для бесконтактного измерения плотности вещества, характеризуются глубинностью, которая определяется толщиной исследуемого вещества, создающей 90% регистрируемого сигнала.

Известно «Измерение плотности с использованием обратно рассеяния гамма-излучения». Способ включает: размещение детектора гамма-излучения рядом с резервуаром; обнаружение гамма-излучения от источника гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении текучей средой, детектором гамма-излучения; определение плотности текучей среды на основании интенсивности гамма-излучения, рассеянного в обратном направлении и воспринятого детектором гамма-излучения. Патент РФ №2386946, МПК: G01N 9/00, 2010 г. Аналог.

Недостатком аналога является неконтролируемое влияние на результаты измерения плотности находящихся на стенке отложений. Это обусловлено тем, что вклад в сигнал детектора от различных областей измеряемой среды падает по мере удаления от плоскости, в которой находятся источник и детектор гамма-излучения. Поэтому находящиеся на стенке отложения вносят наиболее существенный вклад в величину сигнала детектора.

Известен «Способ бесконтактного измерения плотности пустой породы в составе горной массы на ленточном конвейере». Сущность способа заключается в том, что выполняют облучение исследуемой горной массы потоком гамма-квантов источника излучения, регистрируют потоки гамма-излучения и определяют объемную плотность с учетом интенсивностей потоков гамма-излучения, при этом объемную плотность горной породы, размещенной на движущемся конвейере в составе горной массы, состоящей из полезного ископаемого и горной породы, определяют по разности сигналов постоянного напряжения, пропорциональных интенсивности прямого гамма-излучения, проходящего сквозь горную массу, и интенсивности рассеянного гамма-излучения после взаимодействия с полезным ископаемым, при этом поток гамма-квантов источника излучения направляют вертикально вверх по продольной оси конвейера. Патент РФ №2492454, МПК: G01N 23/00, 2013 г. Аналог.

Недостатками аналога являются:

- зависимость результатов измерений от степени разделения горной породы и полезного ископаемого по поперечному сечению конвейера, а в случае достаточно полного их разделения также от пространственного расположения фокуса рассеянного излучения, т.е. как от количества горной массы, так и от объемного соотношения полезного ископаемого и горной породы в данном сечении;

- необходимость для реализации метода предварительного разделения горной породы и полезного ископаемого на конвейере;

- необходимость расположения источника и детектора излучения по разные стороны от исследуемого объекта.

Известен «Способ и устройство для радиационного измерения плотности твердых тел» путем облучения контролируемого объекта потоком гамма-излучения, регистрации обратно рассеянного излучения и определения плотности по полученным данным, в котором обратно рассеянное излучение регистрируют одновременно в каждом из двух каналов детектора, аппроксимируют функцию плотности распределения радиусов вылета фотонов экспоненциальной зависимостью, по отношению к интенсивности счета в двух каналах детектора получают интегральную характеристику ослабления рассеянного излучения по радиусу, на основе которой по калибровочному графику зависимости интегральной характеристики от плотности при заданной энергии излучения устанавливают плотность объекта контроля. Патент РФ №2345353, МПК: G01N 23/06, G01N 9/24. 2009 г. Прототип.

Недостатками прототипа являются: невозможность регулирования глубинности способа и, как следствие, низкая точность измерения в случае вещества с переменной по глубине плотностью, что обуславливает ограниченность области применения способа веществами, плотность которых постоянна по всему объему.

Низкая точность измерения в случае вещества с переменной по глубине плотностью связана с тем, что плотность излучения, попадающего в детектор, практически экспоненциально зависит от пути, проходимого излучением от источника до детектора в контролируемом веществе. Поэтому основной вклад в сигнал детектора вносят области, прилегающие к поверхности контролируемого вещества между источником и детектором излучения и часто отличающиеся по плотности от остальной части контролируемого вещества.

Техническим результатом изобретения является возможность регулирования глубинности способа и, как следствие, повышение точности измерения в случае веществ с переменной по глубине плотностью и расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения плотности путем облучения контролируемого вещества потоком квантов источника электромагнитного излучения, регистрации обратно рассеянного излучения, использования интенсивности счета детектора излучения и калибровочного графика измеряют интенсивность счета детектора излучения и интенсивность счета мониторного детектора при различной глубине погружения защитного экрана, определяют нормированную интенсивность счета детектора излучения, находят пространственное распределение плотности контролируемого вещества путем сравнения зависимости нормированной интенсивности счета детектора излучения от глубины погружения защитного экрана с калибровочными графиками нормированной интенсивности счета детектора излучения от глубины погружения защитного экрана, полученными для контролируемого вещества при различных распределениях его плотности по глубине.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1-3.

На Фиг. 1 показан пример одного из устройств, обеспечивающих реализацию способа, где: 1 - источник излучения, 2 - детектор излучения, 3 - защитный экран, 4 - контролируемое вещество, 5 - кванты излучения, 6 - мониторный детектор.

На Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены зависимости относительного вклада в поток квантов излучения 5 на детектор 2 слоев контролируемого вещества 4 различной толщины, рассчитанные при условии, что: расстояние L между генератором 1 и детектором 2 составляет 20 см, а плотность контролируемого вещества 4 составляет 2,7 г/см³. Расчеты выполнены для различных источников электромагнитного излучения: генераторов рентгеновского излучения с напряжением на рентгеновской трубке соответственно 250 кВ и 400 кВ, а также изотопного источника ¹³⁷Cs с энергией гамма-квантов 662 кэВ.

Зависимости, представленные на Фиг. 2 и 3, получены соответственно в отсутствие и при наличии защитного экрана 3, выполненного в виде пластины из вольфрама толщиной 1 см и введенного в контролируемое вещество 4 на глубину 2 см.

Устройство содержит: источник 1 излучения с мониторным детектором 6; детектор 2 излучения, расположенный на расстоянии L от генератора; защитный экран 3 и устройство для его погружения внутрь контролируемого вещества 4 (на Фиг. 1 не показано), расположенные между источником 1 и детектором 2. При измерении источник 1 и детектор 2 располагаются вблизи или на поверхности контролируемого вещества.

В качестве детектора 2 и мониторного детектора 6 могут быть использованы сцинтилляционные детекторы, например на основе сцинтиллятора в виде кристалла йодистого натрия (NaI:Tl), оптически сопряженного с фотоумножителем. Мониторный детектор 6 можно не использовать, в частности, в случае достаточно высокой стабильности выхода рентгеновского генератора.

Защитный экран 3 изготавливается из материала, эффективно ослабляющего рентгеновское излучение. Такими материалами, в частности, являются свинец и вольфрам. Размеры защитного экрана 3 должны быть достаточными, чтобы препятствовать попаданию квантов 5 напрямую от источника 1 на детектор 2, минуя контролируемое вещество 4, при любой глубине погружения защитного экрана. Толщина защитного экрана d определяется из соотношения:

L>d>>1/µ,

где: µ - коэффициент линейного ослабления излучения в материале защитного экрана, L - расстояние между источником излучения и детектором рентгеновского излучения.

Кванты 5, выходящие из источника 1 в сторону контролируемого вещества 4, частично входят в него. По мере удаления от источника 1 поток квантов 5 уменьшается из-за фотопоглощения и комптоновского рассеяния на атомах контролируемого вещества 4. Кванты 5, попадающие на защитный экран 3, поглощаются в нем. Доля квантов 5, дошедших до детектора 2, зависит от плотности ρ контролируемого вещества 4, расстояния L, а также от глубины погружения защитного экрана 3 в контролируемое вещество 4. Дошедшие до детектора 2 кванты 5 вызывают образование в нем электрических импульсов, количество которых пропорционально потоку квантов. Изменение глубины погружения защитного экрана 3 в контролируемое вещество 4 приводит к изменению толщины слоя контролируемого вещества 4, из которого кванты 5 могут попасть в детектор 2, и, следовательно, к изменению интенсивности возникающих в детекторе 2 электрических импульсов.

Если определять глубинность способа измерения плотности как слоя контролируемого вещества толщиной, определяющей 90% от всего потока квантов 5 на детектор 2, то, как видно из Фиг. 2 и Фиг. 3, при использовании рентгеновских генераторов с напряжением на рентгеновской трубке 250 кВ и 400 кВ введение защитного экрана 3 внутрь контролируемого вещества 4 на 2 см приводит к увеличению глубинности способа соответственно с ≈7,5 см до ≈9 см и с ≈8,5 см до ≈10 см. В случае изотопного источника ¹³⁷Cs введение защитного экрана 3 не приводит к увеличению глубинности способа, но, как и в случае рентгеновских генераторов, обеспечивает измерение плотности в более удаленных от поверхности областях контролируемого вещества 4. Из Фиг. 3 видно, что слой контролируемого вещества 4 толщиной 2 см (глубина, на которую введен защитный экран 3) не вносит вклад в поток квантов 5 на детектор 2. Таким образом, изменяя глубину погружения защитного экрана 3, можно изменять толщину слоя контролируемого вещества 4, для которой производится измерение плотности.

Способ реализуют следующим образом.

Размещают устройство и защитный экран 3 на поверхности контролируемого вещества 4.

Включают питание электронных устройств: источника 1 (при использовании рентгеновского генератора), детектора 2 и мониторного детектора 6.

Облучают контролируемое вещество 4 потоком электромагнитного излучения. Излучение источника 1 частично входит в контролируемое вещество 4, проходит по нему и выходит на детектор 2. Защитный экран 3 препятствует попаданию квантов 5 напрямую от источника 1 на детектор 2, минуя контролируемое вещество 4.

Измеряют интенсивность счета электрических импульсов, полученных с помощью детектора 2 и мониторного детектора 6.

Находят отношение интенсивности счета детектора 2 к интенсивности счета мониторного детектора 6, получая нормированную интенсивность счета детектора 2.

Повторно находят нормированную интенсивность счета детектора 2 при различной глубине погружения защитного экрана 3 внутрь контролируемого вещества 4.

Строят зависимость нормированной интенсивности счета детектора 2 от глубины погружения защитного экрана 3.

Получают набор калибровочных графиков для данного вещества при различных распределениях его плотности по глубине по результатам численного моделирования (Патент RU №2386946, МПК G01N 9/00, 2010 г.) и/или с помощью измерения тестовых образцов (ГОСТ 23061-90. Грунт. Методы радиоизотопных измерений плотности. ОКСТУ 2009 и патент RU №2249836, МПК: G01V 5/12, 2005 г.).

Сравнивают полученную зависимость нормированной интенсивности счета с калибровочными графиками из набора.

Определяют пространственное распределение плотности контролируемого вещества 4 по калибровочному графику, максимально соответствующему экспериментально полученной зависимости нормированной интенсивности счета детектора 2, с использованием одного из критериев теории вероятностей.

Использование: для определения плотности путем облучения контролируемого вещества потоком квантов источника электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что определяют плотность путем облучения контролируемого вещества потоком квантов источника электромагнитного излучения, регистрации обратно рассеянного излучения, использования интенсивности счета детектора излучения и калибровочного графика, при этом измеряют интенсивность счета детектора излучения и интенсивность счета мониторного детектора при различной глубине погружения защитного экрана, определяют нормированную интенсивность счета детектора излучения, находят пространственное распределение плотности контролируемого вещества путем сравнения зависимости нормированной интенсивности счета детектора излучения от глубины погружения защитного экрана с калибровочными графиками нормированной интенсивности счета детектора излучения от глубины погружения защитного экрана, полученными для контролируемого вещества при различных распределениях его плотности по глубине. Технический результат: повышение точности измерения в случае веществ с переменной по глубине плотностью. 3 ил.

Способ определения плотности путем облучения контролируемого вещества потоком квантов источника электромагнитного излучения, регистрации обратно рассеянного излучения, использования интенсивности счета детектора излучения и калибровочного графика, отличающийся тем, что измеряют интенсивность счета детектора излучения и интенсивность счета мониторного детектора при различной глубине погружения защитного экрана, определяют нормированную интенсивность счета детектора излучения, находят пространственное распределение плотности контролируемого вещества путем сравнения зависимости нормированной интенсивности счета детектора излучения от глубины погружения защитного экрана с калибровочными графиками нормированной интенсивности счета детектора излучения от глубины погружения защитного экрана, полученными для контролируемого вещества при различных распределениях его плотности по глубине.