Устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости

Полезная модель относится к области анализа материалов радиационными методами с помощью рентгеновского излучения и может быть использована в нефтегазовой и в химической промышленности.
Известно устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости [RU 2559119 C1, МПК G01N23/06, G01N23/207, опубл. 10.08.2015] принятое за прототип, содержащее 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. 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.
Недостатком прототипа является использование расходящегося луча рентгеновского излучения без оптических элементов формирования луча, вследствие чего при прохождении луча от источника до счетчика излучения интенсивность излучения значительно падает за счет угловой расходимости луча. Уменьшение интенсивности приводит к росту статистических ошибок при определении компонентного состава, либо к увеличению времени измерения для компенсации статистических ошибок.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности при одновременном сокращении времени измерения компонентного состава потока многофазной жидкости путем повышения интенсивности рентгеновского луча попадающего в счетчик излучения.
Поставленная задача решена тем, что в состав устройства для определения компонентного состава потока многофазной жидкости,  содержащего генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с одной мишенью и  волнодисперсионный спектрометр, состоящий из кристаллического монохроматора-анализатора, детектора на основе сцинтилляционного счетчика ионизирующего излучения и датчика контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения,  расположенных  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, дополнительно в генератор рентгеновского излучения включена  поликапиллярная рентгеновская полулинза, установленная сразу после  источника рентгеновского излучения, а  источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр, расположенные по разные стороны трубы, размещены в едином корпусе.
В заявляемом устройстве использование поликапиллярной рентгеновской полулинзы позволяет преобразовать расходящийся пучок рентгеновского излучения, генерируемый источником излучения, в квазипараллельный и, таким образом, увеличить интенсивность излучения, попадающего на сцинтилляционный счетчик, за счет уменьшения потерь первоначального пучка.
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 δ – относительная статистическая ошибка;
– среднее число квантов, зарегистрированных за секунду, которое прямо пропорционально интенсивности;
t – время измерения в секундах.
Таким образом, заявляемое устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости по сравнению с прототипом обладает повышенной точностью и скоростью анализа.
Полезная модель поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 приведены спектры излучения от источника рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки Oxford X-ray tube (Apogee 5500 Series) с применением и без применения поликапиллярной полулинзы [Cherepennikov Yu., Miloichikova I., Gogolev A., Stuchebrova S., Hampai D., Dabagov S., Liedl A.. The polycapillary optics application for couple diffraction line intensity increase // NIM B. 2017. Vol. 402. P. 278–291]. 1- спектр с линзой, 2 – спектр без линзы.
На фиг. 2 представлена схема устройства для определения компонентного состава многофазной жидкости на базе рентгеновской трубки с применением поликапиллярной полулинзы.
Согласно проведенным исследованиям (фиг.1) применение поликапиллярной полулинзы приводит к увеличению интенсивности линий излучения выделенных кристаллическими монохроматорами более чем в 15 раз.
Устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости (фиг.2.) содержит источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС), размещенные в едином корпусе 3, охватывающем с двух противоположных сторон трубу, по которой протекает поток многофазной жидкости. Труба  может быть обычной цилиндрической трубой (отдельная отводная труба) или выполнена в виде трубки Вентури. При использовании трубки Вентури самое узкое место трубки располагается на оси соединяющей источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС). На этой же оси рядом с  источником рентгеновского излучения расположена поликапиллярная рентгеновская линза 4 (ППЛ). Устройство располагают вокруг трубы таким образом, чтобы врезанные в трубу окна  5 и 6 из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, например, из титана, находились на оси, проходящей через  источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ), поликапиллярную рентгеновскую линзу 4 (ППЛ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС).  Благодаря такой конструкции устройства излучение от источника рентгеновского излучения 1 проходит через поликапиллярную рентгеновскую линзу 4 (ППЛ), через  окно трубы  5, многофазную жидкость  и окно трубы 6 и попадает на волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС). Датчики измерения давления 7 (ДД) и температуры 8 (ДТ) перед измерением закрепляются на корпусе  трубы с многофазной жидкостью.
Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ), волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС), датчики измерения давления 7 (ДД) и температуры 8 (ДТ) многофазной жидкости, подсоединены к ЭВМ (на фигуре не показана), обеспечивающей управление узлами устройства и запись информации.
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 Kα и Kβ, соответственно).
Волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС) содержит 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 которым по направлению распространения дифрагированного луча установлены сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения и датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения (на рисунке не показаны).
В качестве поликапиллярной рентгеновской линзы 4 (ППЛ) могут быть использованы полулинзы производства Unisantis.
Устройство работает следующим образом. Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) генерирует расходящийся пучок рентгеновского излучения со сложным спектральным составом, которое по оси, проходящей через окна 5, 6 трубы с многокомпонентной жидкостью направлено на волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС). Узкий квазипараллельный поток излучения повышенной интенсивности формируется из расходящегося пучка рентгеновского излучения за счет того, что часть потока падает на поликапиллярную рентгеновскую полулинзу 4 (ППЛ) и преобразуется в квазипараллельный пучок рентгеновского излучения. Остальная  часть потока практически полностью поглощается стенками трубы. Квазипараллельный пучок рентгеновского излучения повышенной интенсивности, 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 5 и 6 и потоком многофазной жидкости часть луча рентгеновского излучения, направляется на волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС), осуществляющий выделение набора монохроматических линий излучения и измерение интенсивности по каждой из этих линий в отдельности.
Одновременно с прохождением потока излучения, датчики измерения давления 7 (ДД) и температуры 8 (ДТ) многофазной жидкости, размещенные на трубе, измеряют температуру и давление потока жидкости, используемые для уточнения значений коэффициентов поглощения компонент потока.
Вследствие высокой интенсивности потока ретгеновского излучения происходит уменьшение статистической погрешности измерения.
Данные от волнодисперсионного спектрометра 2 (ВДС), датчиков измерения давления 7 (ДД) и температуры 8 (ДТ) многофазной жидкости поступают на ЭВМ. При этом скорости счета по каждой из монохроматических линий, зарегистрированные волнодисперсионным спектрометром 2 (ВДС) и датчиками измерения давления 7 (ДД) и температуры 8 (ДТ) используются для расчета массовых долей отдельных компонент многофазной жидкости.
В результате экспериментов с поликапиллярной рентгеновской полулинзой при увеличении интенсивности линии излучения, и, соответственно, числа N зарегистрированных квантов излучения в 15 раз время измерения для достижения той же точности, определяемой статистической ошибкой, уменьшилось в 15 раз, а при фиксированном времени измерения уменьшилась статистическая ошибка в 3,8 раз, что примерно равно .
Таким образом, с помощью предложенного устройства при регистрации интенсивности квазипараллельного потока излучения повышенной интенсивности излучения по каждой из выделенных монохроматических линий контролируют состав многокомпонентного потока с повышенной точностью и одновременном сокращении времени измерения, например, потока типа нефть-вода-газ, что востребовано в нефтяной промышленности, а при регистрации большего числа линий – состав жидкостей, состоящих из большего количества компонент.