УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО 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 рентгеновской трубки с серебряным анодом-мишенью. Поскольку энергия линии характеристического излучения серебра составляет 22,1 кэВ, при использовании данного устройства в реальном анализе многокомпонентной жидкости при настройке кристалла-анализатора для выделения линии характеристического рентгеновского излучения в качестве первой монохроматической линии, вторая линия излучения будет выделяться из тормозной части спектра и ее энергия составит 44,2 кэВ. Соотношение интенсивностей этих линий составит 10:1 [RU 2559119 C1, МПК G01N23/06, G01N23/207, опубл. 10.08.2015]. При этом общая точность и время измерения будут определяться линией меньшей интенсивности, а интенсивность другой линии в таком случае является избыточной. Таким образом, получение двух линий близкой интенсивности является желательным.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, предназначенных для определения трехкомпонентного состава потока многофазной жидкости.
Поставленная задача решена тем, что в составе устройства для определения трехкомпонентного состава потока многофазной жидкости,  содержащего генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки 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, входит рентгеновская трубка с вольфрамовым анодом-мишенью,  при этом кристаллический монохроматор выполнен из кристалла германия (с ориентацией плоскостей 220) и расположен так, чтобы отражать линию с энергией характеристического излучения вольфрама (59,4 кэВ) во втором порядке дифракции (440), а в первом порядке (220) отражать линию с энергией 29,7 кэВ, а  источник рентгеновского излучения и волнодисперсионный спектрометр, расположенные по разные стороны трубы, размещены в едином корпусе. Кристалл германия выбран, так как первый и второй порядок дифракции являются для него разрешенными.
В заявляемом устройстве использованы генератор рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом-мишенью и кристаллический монохроматор из кристалла германия (с ориентацией плоскостей 220), расположенного так, чтобы отражать линию с энергией характеристического излучения вольфрама (59,4 кэВ) во втором порядке дифракции (440), а в первом порядке (220) отражать линию с энергией 29,7 кэВ, с целью скомпенсировать разницу в уровнях интенсивности отраженной линии характеристического излучения вольфрама и линии из тормозной части спектра, поскольку коэффициент отражения для второго порядка дифракции ниже, чем для первого порядка дифракции.
Таким образом, заявляемое устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости по сравнению с прототипом позволяет получить спектр излучения с более равномерным распределением интенсивности между двумя монохроматическими линиями.
Полезная модель поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 приведены спектры излучения от источника рентгеновского излучения прототипа (БСВ-29 с серебряным анодом-мишенью), отраженного от кристалла вольфрама [RU 2559119 C1, МПК G01N23/06, G01N23/207, опубл. 10.08.2015].
На фиг. 2 приведены спектры излучения от источника рентгеновского излучения трубки XRB160 с вольфрамовым анодом-мишенью, при напряжении 75 кВ, после отражения от кристалла германия, измеренные экспериментально.
На фиг. 3 представлена схема устройства для определения компонентного состава многофазной жидкости на базе рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом-мишенью, и кристаллическим монохроматором, выполненным из кристалла германия.
Согласно приводимым спектрам (фиг.2) разница в уровнях излучения при использовании генератора рентгеновского излучения на основе рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом-мишенью и кристаллического монохроматора, расположенного так, чтобы отражать линию с энергией характеристического излучения вольфрама (59,4 кэВ) во втором порядке дифракции, а в первом порядке отражать линию с энергией 29,7 кэВ, позволяет получить набор из двух монохроматических линий с близкой интегральной интенсивностью. Из рисунка видно, что в предлагаемом устройстве уровень интенсивности линий отличается в 2,5 раза, однако за счет большей ширины второй линии, интегральное число фотонов рентгеновского излучения практически равно. При использовании трубки с серебряным анодом (фиг. 1) уровень интенсивности отличается в 10 раз, при близкой ширине линии, и, таким образом, интегральная интенсивность будет также отличаться примерно в 10 раз.
Устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости (фиг.3) содержит источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) на основе рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом-мишенью 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). Устройство располагают вокруг трубы таким образом, чтобы врезанные в трубу окна 4 и 5 из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, например, из титана, находились на оси, проходящей через источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) и волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС).  При такой конструкции устройства излучение от источника рентгеновского излучения 1 проходит через окно трубы 4, многофазную жидкость и окно трубы 5 и попадает на волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС). Датчики измерения давления 6 (ДД) и температуры 7 (ДТ) перед измерением закрепляются на корпусе трубы с многофазной жидкостью.
Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ), волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС), датчики измерения давления 6 (ДД) и температуры 7 (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 XRB160 с анодом из вольфрама, генерирующий полихроматическое тормозное излучение до 160 кэВ и характеристическое рентгеновское излучение вольфрама с энергией 59,4 кэВ (линия Kα).
Волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС) содержит кристаллический монохроматор-анализатор, выполненный из кристалла германия (с ориентацией плоскостей 220) и, установленный под углом к лучу от источника рентгеновского излучения так, чтобы выполнялось условие Брэгга для линии характеристического излучения вольфрама во втором порядке дифракции, за которым по направлению распространения дифрагированного луча установлены сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения и датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения (на рисунке не показаны).
Устройство работает следующим образом. Источник рентгеновского излучения 1 (ИРИ) генерирует рентгеновское излучение со сложным спектральным составом, которое по оси, проходящей через окна 4, 5 трубы с многокомпонентной жидкостью направлено на волнодисперсионный спектрометр 2 (ВДС). Узкий поток излучения частично проходит через окна 4, 5 врезанные в трубу. Остальная часть потока практически полностью поглощается стенками трубы. Рентгеновское излучение, прошедшее 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), осуществляющий выделение набора монохроматических линий излучения и измерение интенсивности по каждой из этих линий в отдельности. При этом в наборе монохроматических линий содержится линия с энергией равной энергии ХРИ вольфрама (59,4 кэВ) и линия с энергией 29,7 кэВ.
Одновременно с прохождением потока излучения, датчики измерения давления 6 (ДД) и температуры 7 (ДТ) многофазной жидкости, размещенные на трубе, измеряют температуру и давление потока жидкости, используемые для уточнения значений коэффициентов поглощения компонент потока.
Данные от волнодисперсионного спектрометра 2 (ВДС), датчиков измерения давления 6 (ДД) и температуры 7 (ДТ) многофазной жидкости поступают на ЭВМ. При этом скорости счета по каждой из монохроматических линий, зарегистрированные волнодисперсионным спектрометром 2 (ВДС) и датчиками измерения давления 6 (ДД) и температуры 7 (ДТ) используются для расчета массовых долей отдельных компонент многофазной жидкости в трехкомпонентном приближении, для чего решается система уравнений:
1
0
1
1
1
1
1
2
1
2
2
3
1
3
3
I(E)=I(E)exp[-Lμ(E,p,T) wρ(p,T)+ -Lμ(E,p,T) wρ(p,T)+ -Lμ(E,p,T) wρ(p,T)];
2
0
2
1
2
1
1
2
2
2
2
3
2
3
3
I(E)=I(E)exp[-Lμ(E,p,T) wρ(p,T)+ -Lμ(E,p,T) wρ(p,T)+ -Lμ(E,p,T) wρ(p,T)];
1
2
3
w+ w +w=1,
1,2
1,2
где I(E) - интенсивность рентгеновского излучения с энергией E, падающего на поток многофазной жидкости;
0
1,2
1,2
I(E) - интенсивность рентгеновского излучения с энергией E, прошедшего через поток без взаимодействия;
L - расстояние, пройденное излучением через поток многофазной жидкости;
1
2,
3
1,2
1,2
μ, μ μ (E,p,T) - массовые коэффициенты поглощения излучения с энергией E при температуре Т и давлении p для компонент смеси;
1
2
3
w, w, w,- массовые доли компонент смеси;
1
2
3
ρ(p,T), ρ(p,T), ρ(p,T) - плотности компонент при температуре Т и давлении p.
0
1
0
2
1
2
Значения I(E), I(E) и т.д. определяют из измерений в отсутствие потока жидкости в трубе или из предварительного моделирования, а I(E), I(E) и т.д. - из скоростей счета при измерении на трубе с потоком многофазной жидкости.
Таким образом, с помощью предложенного устройства при регистрации интенсивности потока излучения по каждой из выделенных монохроматических линий контролируют состав трехкомпонентного потока, например, потока типа нефть-вода-газ, что востребовано в нефтяной промышленности.