專利名稱：：利用伽瑪背散射的密度測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：在此公開的實(shí)施例主要涉及采用伽瑪輻射對容器中的流體密度進(jìn)行的測量。在此公開的實(shí)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(qiáng)度對容器中流體密度的測量。
背景技術(shù)：
：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(jīng)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(xiǎn)的、極熱的情況下，或者在不能進(jìn)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(jìn)行任何改動(dòng)。由源發(fā)出的伽瑪射線會被容器和容器中的材料吸收或衰減。到達(dá)與源相對位置的檢測器的伽瑪輻射的強(qiáng)度可以用于基于源的強(qiáng)度表示容器中的流體的密度或液面。當(dāng)測量流體液面時(shí)，例如，可以將多個(gè)伽瑪射線發(fā)射器和/或檢測器定位在容器的相對側(cè)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(jì)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(guān)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(fā)出的伽瑪射線。高輻射數(shù)表示低的流體密度，而低輻射數(shù)表示高流體密度。在此參照圖l，示出了現(xiàn)有技術(shù)中的穿透式伽瑪射線密度計(jì)的一個(gè)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(cè)上，而伽瑪輻射檢測器15位于另一側(cè)。由源14提供的輻射在伽瑪射線發(fā)射的長時(shí)間里強(qiáng)度恒定(在有限的時(shí)間里強(qiáng)度隨機(jī))。伽瑪射線透射通過包圍孔12的材料和腔體內(nèi)的流體13，到達(dá)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(zhuǎn)換成電脈沖的電子光電倍增管。對于從源14發(fā)出的到達(dá)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(fā)出的伽瑪射線的百分比被流體13吸收或衰減，而沒有到達(dá)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(jì)數(shù)率可以與射線到達(dá)檢測器15所必須通過的流體13的密度和源14的強(qiáng)度相關(guān)。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(dǎo)致更少的伽瑪射線到達(dá)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(dǎo)致更少的伽瑪射線到達(dá)檢測器。因此，以這樣的方式的伽瑪射線密度測量當(dāng)前僅僅對直徑最大到大約l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(dǎo)致更少的伽瑪射線到達(dá)檢測器。容器厚度可以通過規(guī)范(例如美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)或其它容器規(guī)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(yīng)的等)為基礎(chǔ)。進(jìn)而，容器厚度的當(dāng)前的安全裕量增加且會進(jìn)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(gè)缺點(diǎn)是立體角由固定尺寸的檢測器形成，且因此計(jì)數(shù)率同容器尺寸的平方成反比。計(jì)數(shù)率n可以由下面的方程近似表示d"~(e-rf")"2(1)其中n是計(jì)數(shù)率，d是容器直徑，且入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(jì)數(shù)率可以導(dǎo)致更高的錯(cuò)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(jì)數(shù)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(qiáng)度可以被增加，因此導(dǎo)致到達(dá)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(hù)可能每個(gè)都會限制可以采用的源的強(qiáng)度。例如，采用放射性源影響人身安全和相關(guān)環(huán)境，并需要用于保護(hù)人身安全的鉛或鎢屏蔽、特定的預(yù)防措施和裝備，以及處置和補(bǔ)救過程。進(jìn)而，因?yàn)橘が斏渚€從點(diǎn)源而不是方向性源產(chǎn)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(jìn)一步增加了成本。關(guān)于多單元有效性，例如，化工廠可能需要采用多個(gè)容器的伽瑪射線液面和密度計(jì)量器。然而，隨著計(jì)量器的數(shù)量的增加，或伽瑪射線源的強(qiáng)度增加以克服尺寸限制，可能出現(xiàn)在相鄰的容器上的伽瑪射線源和檢測器之間的串?dāng)_，引起有效性的降低和潛在的錯(cuò)誤讀取。關(guān)于防護(hù)，由于關(guān)于放射性核材料的擴(kuò)散、和可能的走私或其他運(yùn)輸?shù)娜澜绲年P(guān)注的增長，州、地方和國家政府基于在單個(gè)地點(diǎn)可能存在的放射性材料的總量調(diào)整設(shè)施安全要求。例如，得克薩斯州需要對總居里量合計(jì)超過27居里的設(shè)施給以附加的防護(hù)措施(例如背景審查、可達(dá)性等)，其中所述總居里量合計(jì)是基于設(shè)施處所有放射源的總和確定的。因此，采用更大的源克服容器的尺寸限制可能導(dǎo)致消耗附加成本的防護(hù)需求的增長。相應(yīng)地，存在對可用于更大的容器上的伽瑪射線密度計(jì)量器的需求。另外，存在需要更低強(qiáng)度的輻射源的非接觸式密度計(jì)量器的需求。
發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)方面，在此所公開的實(shí)施例涉及一種用于測量容器中的流體的密度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)位于容器附近的伽瑪射線源；至少一個(gè)位于容器附近的伽瑪射線檢測器，其中至少一個(gè)伽瑪射線檢測器配置用于檢測由流體背散射的來自至少一個(gè)伽瑪射線源的伽瑪射線；以及用于將所檢測到的伽瑪射線背散射轉(zhuǎn)換為密度值的轉(zhuǎn)換器。在另一個(gè)方面，在此所公開的實(shí)施例涉及一種確定容器中的流體性質(zhì)的方法，所述方法包括將伽瑪射線源定位到容器附近；將伽瑪射線檢測器定位到容器附近；以伽瑪檢測器檢測被流體背散射的來自伽瑪射線源的伽瑪射線；基于由伽瑪射線檢測器接收到的背散射伽瑪射線的強(qiáng)度確定流體的密度。在另一方面，在此所公開的實(shí)施例涉及一種控制容器中的流體密度的方法，其中所述容器在工藝中形成一部分，所述方法包括將伽瑪射線源定位到容器附近；將伽瑪射線檢測器定位到容器附近；以伽瑪檢測器檢測被流體背散射的來自伽瑪射線源的伽瑪射線；基于由伽瑪射線檢測器接收到的背散射伽瑪射線的強(qiáng)度確定流體的密度；以及調(diào)整至少一種工藝參數(shù)(processvariable過程變量)，以操控密度。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢將從下面的描述和所附的權(quán)利要求中顯見。圖l是現(xiàn)有技術(shù)中的穿透式伽瑪射線密度計(jì)的簡化示意圖2是根據(jù)在此公開的實(shí)施例的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的示意圖3是描繪根據(jù)在此公幵的實(shí)施例的背散射的伽瑪射線到達(dá)伽瑪射線檢測器所遵循的一條潛在路徑的示意圖4是描繪根據(jù)在此公開的實(shí)施例的背散射的伽瑪射線到達(dá)伽瑪射線檢測器所遵循的一條潛在路徑的示意圖5是描繪根據(jù)在此公開的實(shí)施例的背散射的伽瑪射線到達(dá)伽瑪射線檢測器所遵循的一條潛在路徑的示意圖6是描繪根據(jù)在此公開的實(shí)施例的背散射的伽瑪射線到達(dá)伽瑪射線檢測器所遵循的一條潛在路徑的示意圖7是根據(jù)在此公開的實(shí)施例的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的示意圖8是根據(jù)在此公開的實(shí)施例的采用沿圓周隔開的兩個(gè)探測器和一個(gè)源的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的示意圖9a-9b是根據(jù)在此公開的實(shí)施例的采用沿軸向隔開的多個(gè)探測器和多個(gè)源的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的示意圖10a-10b是根據(jù)在此公開的實(shí)施例的采用以變化的角度與伽瑪射線源隔開的多個(gè)探測器的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的示意圖ll是示出基于在此公開的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的實(shí)施例的蒙特卡羅(MonteCarlo)模擬的用于各種流體的背散射伽瑪射線檢測的比率的圖表；圖12a-12b是示出基于在此公開的伽瑪射線密度測量系統(tǒng)的實(shí)施例的蒙特卡羅模擬的用于各種流體的背散射伽瑪射線檢測的比率的圖表。具體實(shí)施例方式在一個(gè)方面，在此所公開的實(shí)施例涉及釆用伽瑪射線對容器中的流體密度的測量。在其他方面，在此所公開的實(shí)施例涉及在容器直徑大于l米的情況下采用伽瑪射線對容器中的流體密度的測量。尤其，在此公開的實(shí)施例涉及通過檢測被流體背散射的來自伽瑪射線源的伽瑪射線的強(qiáng)度對容器中的流體密度進(jìn)行的測量。如這里所使用的，"背散射(backscatter)"可以指來自初始方向的伽瑪射線的偏轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，背散射可以是各向同性的，例如其中伽瑪射線被隨機(jī)地散射到各個(gè)方向。背散射由于康普頓散射(Comptonscattering)而出現(xiàn)。如這里所使用的，"流體"指可以容裝在容器內(nèi)的氣體、液體和固體。流體可以包括含水成液、有機(jī)液體、單相系統(tǒng)和多相系統(tǒng)，例如泡沫、乳濁液和流體化顆粒。如這里所使用的，"直徑"指管或容器的有效直徑，而不考慮容器或管的幾何形狀。盡管說明書和附圖表示圓柱形的容器，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此所述的伽瑪射線背散射測量系統(tǒng)可以與其它幾何形狀的容器和管一起使用。在此參照圖2，示出了伽瑪射線密度計(jì)的一個(gè)示例。管狀管或容器100可以具有使流體通過其流動(dòng)的孔102。至少一個(gè)伽瑪輻射源104可以位于管或容器100附近，且伽瑪輻射檢測器105可以定位用于檢測來自至少一個(gè)伽瑪射線源104的背散射的伽瑪射線。由伽瑪射線源104發(fā)出的伽瑪射線的一部分可以被容器100和流體103吸收或衰減，而沒有到達(dá)伽瑪射線檢測器105。例如，伽瑪射線可以遵循路徑106，經(jīng)歷一次或多次散射釋放出原子的電子，最終被吸收或能量耗盡，不能達(dá)到檢測器105。由源104發(fā)出的伽瑪射線的一部分可以被有衰減或無衰減地偏轉(zhuǎn)，因此到達(dá)檢測器105。例如，伽瑪射線可以遵循路徑107，經(jīng)歷一次或多次散射，最終到達(dá)檢測器105。伽瑪射線到達(dá)檢測器105的比率與伽瑪射線到達(dá)檢測器105所必須通過的流體103的密度以及源104的強(qiáng)度相關(guān)。在此參照圖3-6，伽瑪射線通過各種機(jī)制到達(dá)檢測器。伽瑪射線可以沿可變的路徑150移動(dòng)，所述可變的路徑150可以被概括地分類如下在流體的散射(圖3);容器壁中的散射(圖4);容器外部的散射(圖5);來自相對壁的散射(圖6)。如圖6所示的來自相對壁的散射，通常僅在很低的流體密度下才發(fā)生，例如通過空氣。如圖5所示的容器外部的散射，可以是高密度流體(沙子)的伽瑪射線總和的主要部分，且對于中等密度的流體也可能是很可觀的。如圖4所示的壁的散射可能對于低密度流體出現(xiàn)，而對于高密度流體通常不存在。如圖3所示的材料中的散射對于中等密度的流體(0.2-0.8g/cc)很顯著。在一些實(shí)施例中，由檢測器測量的伽瑪射線背散射可能包括每個(gè)上述背散射事件。在其它實(shí)施例中，屏蔽可以用于防止或最小化來自流體的散射之外的一個(gè)或多個(gè)事件的背散射量。例如，源、檢測器或兩者都可以被合適地屏蔽以防止來自容器外部的散射到達(dá)檢測器。在此參照圖7，示出與計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制系統(tǒng)("DCS")相連的伽瑪射線背散射密度測量計(jì)的一個(gè)實(shí)施例。一個(gè)或多個(gè)伽瑪射線源200可以沿著容器或管210的圓周分布或沿著容器或管210的高度軸向地分布。一個(gè)或多個(gè)檢測器220可以相對于源220定位以檢測來自所對應(yīng)的源的背散射的伽瑪射線。如下所述，利用多個(gè)源和/或檢測器可以使得更精確地確定流體密度。一個(gè)或多個(gè)檢測器可以與比率計(jì)量儀(ratemeter)230相連。比率計(jì)量儀230可以將由檢測器220產(chǎn)生的能量脈沖轉(zhuǎn)換成與伽瑪射線檢測比率呈比例的直流信號。伽瑪射線所檢測的比率將是檢測器230和所對應(yīng)的源200附近的流體的密度的函數(shù)。直流信號可以采用計(jì)算機(jī)或DCS240進(jìn)行插值，生成對應(yīng)于所測量的伽瑪射線背散射的檢測比率的計(jì)算得到的密度值的顯示。流體密度會在管或容器200的內(nèi)部徑向地和/或軸向地變化。在此所描述的背散射計(jì)量儀可以測量密度所在的有限的鄰近區(qū)域可能不總是提供大量的流體密度的精確表示，例如流體湍流不能提供良好的混合流體的情況。在多于一個(gè)檢測器230沿著容器210放置的情況下，由DCS240返回的插入的密度值可以是經(jīng)過平均的。當(dāng)多個(gè)檢測器僅僅測量在接近源和檢測器的受限的附近區(qū)域上的流體密度時(shí)，所述平均的密度值可以更精確地表示流體密度。在此參照圖8和圖9a-9b,示出一個(gè)或多個(gè)源與一個(gè)或多個(gè)檢測器結(jié)合用于提供在容器或管內(nèi)的流體密度的多次測量情況下的密度測量系統(tǒng)。如圖8所示，伽瑪射線源300可以沿圓周與兩個(gè)伽瑪射線檢測器310分隔開。屏蔽罩320可以設(shè)置在伽瑪射線源300和伽瑪射線檢測器310之間。以這種方式，對于在容器330的兩個(gè)區(qū)段上的流體可以僅采用一個(gè)伽瑪射線源300獲得密度測量?？蛇x擇地，或與沿圓周分隔開的伽瑪射線檢測器310相結(jié)合地，伽瑪射線檢測器可以沿圓周或沿軸向與伽瑪射線源300分隔開以對容器330中的流體提供密度測量。如圖9a(俯視圖)和圖9b(側(cè)視圖)所示，多個(gè)伽瑪射線源400可以沿容器或管410軸向地和沿圓周地定位。一個(gè)或多個(gè)伽瑪射線檢測器420相應(yīng)地定位用于測量來自伽瑪射線源400的伽瑪射線的背散射。屏蔽罩(未示出)可以設(shè)置用于最小化各種伽瑪射線源和檢測器之間的串?dāng)_。附加地，基于工作中的流體密度和容器直徑，檢測器可以被隔開，以使得最小化或避免從一個(gè)伽瑪射線源到伽瑪射線檢測器的透射和/或背散射。如上所述，伽瑪射線檢測器可以定位用于檢測來自伽瑪射線源的背散射的伽瑪射線。在一些實(shí)施例中，伽瑪射線檢測器可以相對于伽瑪射線源定位，以便檢測來自伽瑪射線源的背散射的伽瑪射線，并定位使得到達(dá)檢測器的穿透伽瑪射線是最小的或不存在的。在所選的實(shí)施例中，伽瑪射線源可以沿圓周與所對應(yīng)的伽瑪射線檢測器分隔開，其中伽瑪射線源和伽瑪射線檢測器之間的角度e(ei或e2)可以是90度或更小，如圖10a所示。在其它的實(shí)施例中，角度P可以是75度或更?。辉谄渌膶?shí)施例中，可以是60度或更小；在其它的實(shí)施例中，可以是45度或更小；在其它的實(shí)施例中，可以是30度或更?。欢谄渌膶?shí)施例中，可以是15度或更小。在一些實(shí)施例中，伽瑪射線檢測器可以沿軸向與所對應(yīng)的伽瑪射線檢測器分隔開，其中所述角度S(A或4)可以是60度或更小，如圖10b所示。所述角度《9，在其它的實(shí)施例中，可以是45度或更??；在其它的實(shí)施例中，可以是30度或更小；而在其它的實(shí)施例中，可以是15度或更小。在多于一個(gè)的伽瑪射線檢測器相對于所對應(yīng)的伽瑪射線源放置的情況下，在源和所對應(yīng)的檢測器之間的角度>9、e可以是相同的或不同的，例如，如圖10a所示的角度ei和P2以及如圖10b所示的角度W和》2。在一些實(shí)施例中，多個(gè)伽瑪射線檢測器被置于伽瑪射線源的同一側(cè)上；在其它的實(shí)施例中，伽瑪射線檢測器可以被置于伽瑪射線源的相對側(cè)上。除去如上所述獲得平均的密度值之外，使用沿著管或容器200的圓周或高度/長度的多個(gè)檢測器可以用于生成在管或容器200中的流體的外形。例如，如圖9a和10a所示，沿圓周分隔開的檢測器可以提供在管或容器200的角度部分(例如四分圓或八分圓)之間的密度變化的表示。作為另一個(gè)示例，如圖9b和圖10b所示，沿軸向分隔開的檢測器可以提供軸向密度梯度的表示。軸向的和/或徑向的密度梯度的測量可以提供可能在容器或管200中出現(xiàn)的沉淀或混合程度的表示。例如，軸向密度梯度可以表示容裝在容器200中的懸濁液中固體的沉淀程度。作為另一個(gè)示例，各個(gè)徑向密度梯度可以表示管200中的靜態(tài)的、層流或湍流。在管或容器200形成在工藝中的部分的情況下，一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以根據(jù)密度分布(曲線)操控，以便例如增加混合比率或減少沉淀比率。伽瑪射線源可以包括銫-137、镅-241、鐳-226、銥-192和鈷-60。在一些實(shí)施例中，源的活性可以在從O.lmCi到10Ci范圍內(nèi)。在其它實(shí)施例中，源的活性可以小于5Ci;在其它實(shí)施例中，可以小于2Ci;而在其它實(shí)施例中，可以小于lCi。由于采用背散射測量，所以與普通的透射傳輸相比，在提供容器中的流體的密度測量的同時(shí)，可以最小化源的活性。在一些實(shí)施例中，相似尺寸的源可能被用于直徑尺寸從1米到10米的范圍內(nèi)的容器。在另外的實(shí)施例中，相似尺寸的源可能被用于壁厚從0.01英寸到6.0英寸或更多的范圍內(nèi)的容器。在所選的實(shí)施例中，可以通過以一個(gè)或多個(gè)伽瑪射線源輻射直徑大于1.5米的容器來由伽瑪射線背散射獲得密度測量，所述伽瑪射線源具有低于2Ci的強(qiáng)度；在其它實(shí)施例中，所述伽瑪射線源具有低于lCi的強(qiáng)度；在其它實(shí)施例中，所述伽瑪射線源具有低于500mCi的強(qiáng)度；在其它實(shí)施例中，所述伽瑪射線源具有低于100mCi的強(qiáng)度；而在其它實(shí)施例中，所述伽瑪射線源具有低于10mCi的強(qiáng)度。在其它實(shí)施例中，可以利用強(qiáng)度小于2Ci的一個(gè)或多個(gè)伽瑪射線源照射直徑大于3米的容器以通過伽瑪射線背散射來獲得密度測量；在其它實(shí)施例中，伽瑪射線源的強(qiáng)度小于lCi;在其它實(shí)施例中，小于500mCi;在其它實(shí)施例中，小于100mCi;在其它實(shí)施例中，小于10mCi。在此公開的實(shí)施例中使用的伽瑪射線檢測器可以包括閃爍體，例如碘化鈉、碘化銫和塑料閃爍體。在一些實(shí)施例中，伽瑪射線檢測器可以包括光電倍增管(electronphotomultipliertube)。在其它實(shí)施例中，伽瑪射線檢測器可以包括塑料閃爍體，例如PVT閃爍體。在其它實(shí)施例中，伽瑪射線檢測器可以包括電離腔、蓋格計(jì)數(shù)器(Geigercounter)、比例計(jì)數(shù)器(proportionalcounter)、適用于伽瑪射線檢測的半導(dǎo)體或其它檢測器。在此處公開的密度測量系統(tǒng)的實(shí)施例包括多于一個(gè)檢測器的情況下，檢測器可以是相同或不同類型的伽瑪射線檢測器。根據(jù)在此公開的實(shí)施例的伽瑪射線背散射密度計(jì)量儀可以測量容器中的流體的密度，其中所述流體的密度可以在從O.05g/cc至7.0g/cc范圍內(nèi)。在其它的實(shí)施例中，有效的密度范圍可以從O.lg/cc到4.0g/cc;而在其它實(shí)施例中，可以從0.2至2.0g/cc。在其它的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)伽瑪射線背散射密度計(jì)量儀可以用于與一個(gè)或多個(gè)伽瑪射線穿透式密度計(jì)量儀相結(jié)合。在其它的各種實(shí)施例中，管或容器中的流體密度可以通過基于所測量到的密度操控一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)來進(jìn)行控制。例如，在管或容器形成工藝中成分的情況下，一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以根據(jù)管或容器中的流體的伽瑪射線背散射密度測量進(jìn)行操控。上述伽瑪射線背散射密度計(jì)量器可以用于測量容器中的流體的密度。在操作或生產(chǎn)過程中使用計(jì)量器之前，伽瑪射線背散射計(jì)量器可以被校準(zhǔn)。多種已知密度的流體可以通過容器，其中容器相同或類似于計(jì)量器將在操作中測量容裝物的密度所針對的容器。通過繪制密度校準(zhǔn)曲線(計(jì)數(shù)分布)可以確定和記錄伽瑪射線對于已知密度的流體的計(jì)數(shù)。然后，當(dāng)在生產(chǎn)或操作過程中使用時(shí)，所測量的伽瑪射線計(jì)數(shù)可以與密度校準(zhǔn)曲線相比，以確定流體密度；流體密度可以基于背散射伽瑪射線的強(qiáng)度進(jìn)行插值。示例伽瑪射線背散射的仿真(模擬)作為流體密度的函數(shù)的計(jì)數(shù)比率(到達(dá)檢測器的伽瑪射線的百分比)可以通過特定的容器材料和幾何形狀，以及流體成分進(jìn)行仿真，其中執(zhí)行伽瑪射線的康普頓散射的蒙特卡羅仿真(MonteCarlosimulation),并返回輸入流體的計(jì)數(shù)比率。在此參照圖ll，所仿真的作為具有2米直徑、2米高度4cm厚鋼壁的圓柱形容器的密度的函數(shù)的計(jì)數(shù)比率針對采用lCi'37Cs源和20x20cm檢測器的仿真實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，沙子、水、重油和輕油以及重泡沫和輕泡沫可以通過伽瑪射線背散射計(jì)數(shù)比率進(jìn)行清晰地區(qū)分。如上所述，多個(gè)背散射事件可以造成伽瑪射線從其后面和側(cè)面進(jìn)入檢測器，例如通過容器外部的散射。再次地，仿真針對lCi"7Cs源和20x20cm檢測器進(jìn)行。如圖12a(線性標(biāo)尺)和圖12b(對數(shù)標(biāo)尺)所示，示出了對于總比率(上面的線)和僅來自計(jì)數(shù)器前面的比率(下面的線)的仿真結(jié)果。不想要的背散射計(jì)數(shù)、或總計(jì)數(shù)比例和從檢測器前面的計(jì)數(shù)之差，可以是總計(jì)數(shù)的很大的部分，尤其對于高密度情況。不想要的散射事件可以通過屏蔽計(jì)數(shù)器的后面和側(cè)面而進(jìn)行阻擋。屏蔽所述源也可以有效地最小化由于不想要的散射所導(dǎo)致的計(jì)數(shù)。對源和檢測器兩者進(jìn)行屏蔽也可以實(shí)現(xiàn)用于最小化由于不想要的散射的計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)室測試仿真和操作原理的正確性作為整體在實(shí)驗(yàn)室中通過變換一桶水和裝滿煤粉或者液壓油的同樣的桶進(jìn)行測試。盡管所測量到的信號比例不像如圖12a-12b所示的那樣大，但是它們與在仿真中所預(yù)期的比例是一致的。在測試中，5mCi^Cs源被用于輻射裝有流體的5加侖桶。PVT塑料閃爍體用于檢測所散射的輻射，并相對于所述源放置以便檢測伽瑪射線背散射。足夠的屏蔽被置于源和檢測器中間，以防止伽瑪射線從源透射到檢測器，所述檢測器計(jì)數(shù)因此僅包括背散射輻射。所用的流體包括水、碳粉(來自SouthernCompanyServices,體積密度O.7g/cc)和液壓油(來自GoldenWest,密度0.9g/cc)。桶裝有所需的流體，并測量所述計(jì)數(shù)比率。在第一次運(yùn)轉(zhuǎn)中，伽瑪射線檢測器被置于桶高度的中間附近且距離所述桶大約l英寸遠(yuǎn)。在第二次運(yùn)行中，計(jì)數(shù)器被置于朝向桶的頂部，并離桶盡可能近。第一和第二次運(yùn)行的結(jié)果表示在下面的表l中。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>仿真結(jié)果與第一和第二次運(yùn)行的結(jié)果的對比表明測得的結(jié)果在仿真結(jié)果的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)。這些結(jié)果會由于容器成分和厚度(桶與2cm鋼相對)的變化以及源和檢測器的相對位置而不同。附加地，仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果可能由于煤和油的仿真化學(xué)成分和實(shí)際化學(xué)成分的不同而不同。正如上述仿真和實(shí)驗(yàn)所示，容器尺寸、材料和源/檢測器位置每個(gè)都可能影響伽瑪射線背散射的計(jì)數(shù)比率。相應(yīng)地，在對每個(gè)源/檢測器/容器組合的操作使用之前生成的校準(zhǔn)曲線可以在操作中提供對流體密度的、有利地，在此公開的實(shí)施例可以通過將伽瑪射線檢測器相對于伽瑪射線源進(jìn)行定位以便檢測伽瑪射線背散射提供非接觸式密度測量。非接觸式測量可能允許在材料是危險(xiǎn)的、極熱的情況下或不能夠直接接觸測量的情況下進(jìn)行密度測量。通過檢測伽瑪射線背散射，伽瑪射線不一定橫穿整個(gè)容器直徑，這可以允許使用較低強(qiáng)度的伽瑪射線源以及在比透射傳輸測量當(dāng)前可能的同期更大的容器中的密度測量。因?yàn)樵诖怂龅馁が斏渚€背散射密度測量可以允許使用較低強(qiáng)度的伽瑪射線源，可以降低在用于生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)的多個(gè)計(jì)量儀之間的串?dāng)_。使用較低強(qiáng)度的源也可以允許對每個(gè)容器使用多于一個(gè)的源和/或檢測器，由于多次測量所以能夠生成對流體密度更精確的反映。附加地，因?yàn)楸成⑸錅y量可以允許使用較低強(qiáng)度的伽瑪射線源，所述生產(chǎn)設(shè)備可以在單個(gè)地點(diǎn)使用附加的測量裝置，而不會觸及由州和聯(lián)邦政府對于具有中等量的放射性材料的地點(diǎn)所要求的更嚴(yán)格的安全協(xié)議。盡管本發(fā)明已經(jīng)相對于所限數(shù)量的實(shí)施例進(jìn)行描述，但是對于從本發(fā)明中受益的本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離在此所公開的本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，可以修改任何實(shí)施例。相應(yīng)地，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)僅由所附的權(quán)利要求限定。權(quán)利要求1.一種用于測量容器中的流體的密度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)位于容器附近的伽瑪射線源；至少一個(gè)位于容器附近的伽瑪射線檢測器，其中至少一個(gè)伽瑪射線檢測器配置用于檢測由流體背散射的來自至少一個(gè)伽瑪射線源的伽瑪射線；以及用于將所檢測到的伽瑪射線背散射轉(zhuǎn)換為密度值的轉(zhuǎn)換器。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)換器包括用于將所檢測到的伽瑪射線轉(zhuǎn)換為直流信號的裝置；以及用于將直流信號轉(zhuǎn)換為密度值的計(jì)算機(jī)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量密度的系統(tǒng)，還包括用于顯示直流信號、密度值或其組合的顯示控制臺。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所述計(jì)算機(jī)接收來自多個(gè)探測器的直流信號，并確定平均密度。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所示源和檢測器分離開60度角或更少。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所述伽瑪射線源從包括銫-137和鈷-60的組中選出。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中至少一個(gè)伽瑪射線檢測器包括碘化鈉閃爍體、碘化銫閃爍體、塑料閃爍體、蓋格計(jì)數(shù)器、比例計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體和電離檢測器中的至少一種。8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括單個(gè)伽瑪射線源和至少兩個(gè)伽瑪射線檢測器。9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括至少兩個(gè)伽瑪射線源和至少兩個(gè)伽瑪射線檢測器。10.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所述容器直徑大于1.5米，而所述伽瑪射線源的強(qiáng)度低于lCi。11.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于測量密度的系統(tǒng)，其中所述容器直徑大于3.0米，而所述伽瑪射線源的強(qiáng)度低于lCi。12.—種確定容器中的流體性質(zhì)的方法，所述方法包括以下步驟將伽瑪射線源定位到容器附近；將伽瑪射線檢測器定位到容器附近；以伽瑪檢測器檢測被流體背散射的來自伽瑪射線源的伽瑪射線；基于由伽瑪射線檢測器接收到的背散射伽瑪射線的強(qiáng)度確定流體的密度。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括生成用于確定流體密度的校14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述確定包括基于校準(zhǔn)曲線對密度進(jìn)行插值。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括將所檢測到的伽瑪射線背散射轉(zhuǎn)換成直流信號。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將所述直流信號轉(zhuǎn)換成密度值。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括在顯示終端上顯示直流信號和密度值之中的至少一個(gè)。18.—種控制容器中的流體密度的方法，其中所述容器在工藝中形成一部分，所述方法包括-將伽瑪射線源定位到容器附近；將伽瑪射線檢測器定位到容器附近；以伽瑪檢測器檢測被流體背散射的來自伽瑪射線源的伽瑪射線；基于由伽瑪射線檢測器接收到的背散射伽瑪射線的強(qiáng)度確定流體的密度；以及調(diào)整至少一種工藝參數(shù)，以操控密度。全文摘要一種用于測量容器中的流體的密度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)位于容器附近的伽瑪射線源；至少一個(gè)位于容器附近的伽瑪射線檢測器，其中至少一個(gè)伽瑪射線檢測器配置用于檢測由流體背散射的來自至少一個(gè)伽瑪射線源的伽瑪射線；以及用于將所檢測到的伽瑪射線背散射轉(zhuǎn)換為密度值的轉(zhuǎn)換器。一種確定容器中的流體性質(zhì)的方法，所述方法包括將伽瑪射線源定位到容器附近；將伽瑪射線檢測器定位到容器附近；以伽瑪檢測器檢測被流體背散射的來自伽瑪射線源的伽瑪射線；基于由伽瑪射線檢測器接收到的背散射伽瑪射線的強(qiáng)度確定流體的密度。文檔編號G01N9/24GK101183065SQ200710168149公開日2008年5月21日申請日期2007年11月13日優(yōu)先權(quán)日2006年11月13日發(fā)明者亞歷克斯·庫利克,亞歷山大·約瑟夫·葉辛,尼古拉·巴圖林,邁克爾·馬斯捷羅夫申請人:思姆菲舍爾科技公司