Рентгенофлуоресцентный анализатор расхода и состава компонентов газожидкостного потока

Рентгенофлуоресцентный анализатор расхода и состава компонентов газожидкостного потока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для контроля дебита нефтяных скважин.

Известны флуоресцентные анализаторы параметров газожидкостного потока, основанные на облучении контролируемого потока пучком гамма-излучения (см. патент RU 2301985, МПК G01N 9/24 и патенты РФ на полезную модель 35892, МПК G01N 9/24 и 37222, МПК G01N 23/00).

Известные анализаторы содержат источник гамма-излучения, например радиоизотопный источник гамма-квантов, первичный коллиматор, предназначенный для формирования пучка гамма-излучения на выходе радиоизотопного источника, сцинтилляционный детектор гамма-излучения и фотоэлектронный преобразователь, предназначенные для преобразования пучка гамма-излучения, прошедшего через контролируемую среду, в электрический сигнал, вторичный коллиматор, предназначенный для формирования пучка гамма-излучения на входе сцинтилляционного детектора, и вычислитель, предназначенный для определения параметров газожидкостного потока по информации о степени поглощения гамма-излучения контролируемой средой.

Недостатками известных устройств являются низкая точность измерения и необходимость непрерывного экологического мониторинга.

Первый из указанных недостатков связан с высокой энергией гамма-квантов и становится особенно существенным при контроле потока смеси нефть-вода-газ, поскольку атомные номера наиболее тяжелых элементов, входящих в состав нефти и воды - углерода (12) и кислорода (16) - мало отличаются между собой по величине, а коэффициент поглощения гамма-излучения отдельными компонентами контролируемой среды зависит, в основном, от атомных номеров элементов, входящих в состав этих компонентов. В связи с этим различия в поглощении высокоэнергетического излучения водой и нефтью незначительно отличаются между собой, что затрудняет точное определение компонентного состава контролируемой среды.

Второй недостаток известных устройств объясняется, во-первых, высокой энергией гамма-излучения и, во-вторых, - невозможностью приостановить излучение радиоизотопного источника в нерабочие периоды жизненного цикла устройства: при хранении, транспортировке и утилизации. Это обстоятельство существенно затрудняет эксплуатацию и утилизацию известных устройств и требует непрерывного экологического мониторинга.

От указанных недостатков свободен известный рентгенофлуоресцентный анализатор состава газожидкостного потока, основанный на облучении контролируемой среды пучком низкоэнергетического рентгеновского излучения (см. патент США 5689540, МПК G01N 23/22, G01N 23/06, G01N 23/087).

Этот анализатор содержит корпус, источник рентгеновского излучения - рентгеновскую трубку, источник питания рентгеновской трубки, первичные коллиматоры, предназначенные для формирования пучков рентгеновского излучения на выходе рентгеновской трубки, сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения, вторичные коллиматоры, предназначенные для формирования пучков рентгеновского излучения на входе сцинтилляционных детекторов, фотоэлектронные преобразователи сигналов сцинтилляционных детекторов, а также вычислитель, предназначенный для определения параметров газожидкостного потока по информации от фотоэлектронных преобразователей и для управления источником питания рентгеновской трубки.

Недостаток известного устройства заключается в невозможности определения скорости и расхода газожидкостного потока.

Этот недостаток вызван тем, что информативные сигналы о состоянии газожидкостного потока, вырабатываемые детекторами рентгеновского излучения, не связаны со скоростными параметрами потока, а зависят только от относительного содержания компонентов потока и состава каждого компонента.

Также известен рентгенофлуоресцентный анализатор компонентного состава газожидкостного потока, основанный на последовательном облучении трехкомпонентной среды, содержащей нефть, воду и газ, двумя уровнями рентгеновского излучения: излучением высокого уровня и излучением низкого уровня (см. патент США №2007/0291898А1, МПК G01N 23/06, G01F 1/66).

Этот анализатор содержит корпус, источник рентгеновского излучения - рентгеновскую трубку, управляемый источник питания рентгеновской трубки, измерительные и контрольные сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения, рентгенопрозрачные вставки, установленные в корпусе, первичные и вторичные коллиматоры, а также вычислитель объемного и массового содержания компонентов контролируемой среды.

Недостатком известного анализатора является невозможность определения покомпонентного расхода газожидкостного потока.

Указанные недостатки отсутствуют у наиболее близкого к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату известного рентгенофлуоресцентного анализатора расхода и состава компонентов газожидкостного потока (см. патент США 6097786, МПК G01N 23/06).

Данный анализатор принят за ближайший аналог (прототип) предлагаемого изобретения.

В известном анализаторе использованы два различных метода измерения.

Для измерения компонентного состава газожидкостного потока использован метод рентгеновского зондирования контролируемой среды с помощью источника низкоэнергетического рентгеновского излучения - рентгеновской трубки. Информация о компонентном объемном составе контролируемой среды формируется в известном анализаторе путем измерения степени ослабления рентгеновского излучения при его прохождении через контролируемую среду, где оно поглощается и рассеивается. Измерение степени ослабления производится сцинтилляционными детекторами, преобразующими рентгеновское излучение в видимый свет. Оптические сигналы с выходов детекторов преобразуются в электрические сигналы с помощью фотоэлектронных преобразователей и поступают в электронный блок, в составе которого предусмотрены модули обработки упомянутых электрических сигналов, вычислитель параметров газожидкостного потока и модуль управления источником питания рентгеновской трубки.

В данном методе выходной сигнал каждого сцинтилляционного детектора зависит от энергии рентгеновского излучения, прошедшего через контролируемую среду, и является функцией объемного компонентного состава этой среды, что позволяет вычислить относительное объемное содержание каждого компонента контролируемого потока.

Для измерения скорости газожидкостного потока использован кросс-корелляционный метод, в котором данные для вычисления скорости формируются в результате рентгеновского облучения контролируемого потока в двух его различных зонах, последовательно расположенных по направлению потока, и контроля рентгеновских излучений, прошедших через контролируемый поток в каждой из упомянутых зон, с помощью вторых и первых сцинтилляционных детекторов рентгеновского излучения, последовательно установленных по направлению газожидкостного потока. Метод позволяет вычислить скорости одного или нескольких компонентов газожидкостного потока на основе информации, вырабатываемой вторыми и первыми сцинтилляционными детекторами, путем обнаружения движущейся со скоростью потока локальной неоднородности его состава и измерения времени перемещения локальной неоднородности от вторых до первых сцинтилляционных детекторов.

В состав известного анализатора входят генератор низкоэнергетического рентгеновского излучения - рентгеновская трубка, источник питания рентгеновской трубки, первичные коллиматоры, предназначенные для формирования пучков рентгеновского излучения на выходе рентгеновской трубки, корпус, представляющий собой отрезок трубопровода, предназначенного для протекания контролируемой среды, рентгенопрозрачные вставки, установленные в стенке корпуса, первые и вторые сцинтилляционные детекторы, предназначенные для приема рентгеновского излучения, прошедшего через рентгенопрозрачные вставки и контролируемую среду, одноканальные фотоэлектронные преобразователи, например ионизационные камеры, каждый из которых предназначен для преобразования оптического сигнала с выхода соответствующего сцинтилляционного детектора в электрический сигнал, вторичные коллиматоры, предназначенные для формирования пучков рентгеновского излучения на входах сцинтилляционных детекторов, и электронный блок, в составе которого предусмотрены вычислитель, модуль управления и модули обработки электрических сигналов, предназначенные для преобразования электрических сигналов с выходов фотоэлектронных преобразователей в измерительную информацию о компонентном объемном составе и скорости контролируемого потока, а также для управления источником питания рентгеновской трубки. Сцинтилляционные детекторы и рентгеновская трубка известного анализатора установлены на противоположных сторонах корпуса, причем первые сцинтилляционные детекторы установлены в плоскости поперечного сечения корпуса, проходящей через ось излучения рентгеновской трубки, а вторые сцинтилляционные детекторы установлены перед первыми детекторами по направлению потока.

Известный анализатор позволяет вычислять относительное объемное содержание компонентов газожидкостного потока на основе измеренных параметров поглощения рентгеновского излучения контролируемой средой; кроме того, известный анализатор позволяет вычислять скоростные параметры газожидкостного потока с использованием кросс-корелляционного метода путем измерения скорости перемещения локальной неоднородности состава контролируемой среды.

К недостаткам известного анализатора относятся:

- существенная погрешность измерения скоростных параметров газожидкостного потока;

- низкая точность измерения массового содержания компонентов контролируемой среды;

- высокая инструментальная погрешность измерения параметров контролируемого потока, вызванная разбросом по величине и дрейфом во времени коэффициентов передачи отдельных одноканальных сцинтилляционных детекторов и отдельных одноканальных фотоэлектронных преобразователей.

Первый недостаток известного анализатора - существенная погрешность измерения скоростных параметров газожидкостного потока - вызван различиями в способе определения местоположения движущейся локальной неоднородности состава контролируемой среды первыми и вторыми сцинтилляционными детекторами. Первые детекторы воспринимают рентгеновское излучение, пересекающее корпус в плоскости, содержащей ось излучения рентгеновской трубки, и определяют местоположение локальной неоднородности потока по отношению именно к этой плоскости, ортогональной продольной оси корпуса. Однако вторые детекторы, расположенные по потоку перед первыми, воспринимают рентгеновское излучение, пересекающее корпус под некоторым углом к плоскости его поперечного сечения, и, в силу этого, определяют местоположение той же локальной неоднородности по отношению не к ортогональной, а к некоторой наклонной плоскости. Это приводит к неоднозначности в определении как конфигурации, так и местоположения локальной неоднородности потока и не дает возможности однозначным образом фиксировать момент времени прохождения неоднородности мимо первых и мимо вторых сцинтилляционных детекторов, что приводит к существенной погрешности вычисления скорости потока кросс-корелляционным методом.

Следует упомянуть, что для снижения указанной погрешности в прототипе предусмотрен вариант исполнения с использованием дополнительной рентгеновской трубки, установленной в плоскости расположения вторых сцинтилляционных детекторов. Однако это решение, несмотря на существенное усложнение конструкции известного устройства, не позволяет существенно снизить упомянутую погрешность из-за неизбежного различия между собой спектров, интенсивностей и

дрейфов излучения двух рентгеновских трубок.

Второй недостаток известного анализатора - низкая точность измерения массового содержания компонентов контролируемой среды - вызван тем, что степень поглощения контролируемой средой рентгеновского излучения неоднозначно связана с плотностью среды и не может достоверно использоваться в качестве информативного параметра для определения массового содержания ее компонентов.

Третий недостаток известного анализатора - высокая инструментальная погрешность измерения параметров контролируемого потока - вызван разбросом коэффициентов передачи отдельных одноканальных сцинтилляционных детекторов и отдельных одноканальных фотоэлектронных преобразователей как по номинальным значениям, так и по величинам и температурных дрейфов. Этот разброс приводит к неконтролируемым различиям между собой амплитуд сигналов на выходе как отдельных одноканальных сцинтилляционных детекторов, так и отдельных одноканальных фотоэлектронных преобразователей известного анализатора и создает неустранимую дополнительную инструментальную погрешность измерения.

Задачей предлагаемого изобретения и его техническим результатом является повышение точности и достоверности измерения параметров газожидкостного потока, в том числе массового содержания компонентов потока и скорости однородных потоков.

Для решения поставленной задачи изменены конструкция и состав элементов рентгенофлуоресцентного анализатора расхода и состава компонентов газожидкостного потока.

В состав анализатора входят корпус, в стенке которого последовательно по направлению потока установлены вторая и первая рентгенопрозрачные вставки, рентгеновская трубка с источником питания, первый и второй первичные коллиматоры с несколькими коллимирующими отверстиями в каждом, первый и второй вторичные коллиматоры с несколькими коллимирующими отверстиями в каждом, первые и вторые детекторы, первые и вторые фотоэлектронные преобразователи и электронный блок. В состав электронного блока входят вычислитель, первый и второй модули обработки и модуль управления, причем каждый из первых детекторов оптически соединен с соответствующим первым фотоэлектронным преобразователем, каждый из вторых детекторов оптически соединен с соответствующим вторым фотоэлектронным преобразователем, а вычислитель соединен со входом модуля управления, подключенного к источнику питания.

В заявленном устройстве новым по отношению к прототипу является то, что согласно изобретению в его состав дополнительно введены первое и второе рентгеновские зеркала, третья рентгенопрозрачная вставка, установленная в стенке корпуса после первой рентгенопрозрачной вставки по направлению потока, третий первичный и третий вторичный коллиматоры с несколькими коллимирующими отверстиями в каждом, третьи детекторы, первые, вторые, третьи и четвертые многоканальные световоды, контрольные детекторы и вторичные излучатели, четвертые детекторы и ортогональные коллиматоры.

Ортогональные коллиматоры установлены под прямым углом к оси излучения рентгеновской трубки, а контрольные детекторы установлены таким образом, чтобы прямая линия, соединяющая центр каждого из них с центром излучения рентгеновской трубки, не пересекала корпус.

Кроме того, в состав анализатора введены датчик давления и измерительный преобразователь, контроллер режимов, а также первый и второй таймеры. При этом первые детекторы объединены в первый многоканальный детектор, а в качестве первых и вторых фотоэлектронных преобразователей применены соответственно первый и второй многоканальные фотоэлектронные преобразователи. Вычислитель дополнительно снабжен двумя многоканальными входами, первый и второй модули обработки снабжены каждый дополнительным выходом, причем первый модуль обработки снабжен также и дополнительным входом, перед каждым из детекторов первого многоканального детектора установлен соответствующий вторичный излучатель, перед каждым четвертым детектором установлен соответствующий ортогональный коллиматор, датчик давления установлен в стенке корпуса. Выход каждого из детекторов первого многоканального детектора и выход каждого из контрольных детекторов соединен с соответствующим каналом первого многоканального световода, выход каждого из вторых и выход каждого из третьих детекторов соединен соответственно с соответствующим каналом второго и соответствующим каналом третьего многоканальных световодов, выход каждого из четвертых детекторов соединен с соответствующим каналом четвертого многоканального световода. Выходы первого и выходы четвертого многоканальных световодов подключены каждый к соответствующим входам первого многоканального фотоэлектронного преобразователя, подсоединенного своими выходами к соответствующим входам первого модуля обработки с помощью многоканальной информационной связи, выходы второго и выходы третьего многоканальных световодов подключены каждый к соответствующим входам второго многоканального фотоэлектронного преобразователя, подключенного своими выходами к соответствующим входам второго модуля обработки с помощью многоканальной информационной связи. При этом контроллер режимов и измерительный преобразователь подключены каждый к соответствующему многоканальному входу вычислителя с помощью соответствующей многоканальной информационной связи. Дополнительный выход первого модуля обработки соединен с входом контроллера режимов, дополнительный вход первого модуля обработки - с выходом первого таймера, а дополнительный вход второго модуля обработки - с выходом второго таймера, датчик давления подключен ко входу измерительного преобразователя. При этом вход первого и вход второго таймеров предназначены для подсоединения к внешним системам, многоканальный вход-выход которых предназначен для обмена информацией с вычислителем по двусторонней информационной связи. Ортогональный коллиматор содержит коллимирующие отверстия, глубина каждого из которых существенно больше диаметра, а оси параллельны между собой и ортогональны оси излучения рентгеновской трубки; вторичный излучатель представляет собой выполненную из тяжелого металла, например гадолиния, трубку, установленную в отверстии первого вторичного коллиматора.

Устройство и работа предложенного анализатора поясняются Фиг.1-6.

На Фиг.1 представлена функциональная схема анализатора, на Фиг.2 - поперечное сечение корпуса в плоскости, содержащей ось излучения рентгеновской трубки, на Фиг.3 - функциональная схема, поясняющая работу анализатора при измерении скорости, на Фиг.4 - графическая зависимость коэффициентов ослабления рентгеновского излучения от энергии излучения, на Фиг.5 - последовательность оптических импульсов, вызванных рентгеновскими фотонами с различной энергией, на Фиг.6 - графическая зависимость плотности потока рентгеновских фотонов от их энергии при нескольких значениях напряжения питания рентгеновской трубки.

На чертежах введены следующие обозначения: 1 - корпус, 2, 3 и 4 - первая, вторая и третья рентгенопрозрачные вставки соответственно, 5 - рентгеновская трубка, 6 и 7 - первое и второе зеркала соответственно, 8, 9 и 10 - первый, второй и третий первичные коллиматоры соответственно, в каждом из которых выполнены коллимирующие отверстия, 11 - первый многоканальный детектор, 12 и 13 - вторые и третьи сцинтилляционные детекторы соответственно, 14, 15 и 16 - первый, второй и третий вторичные коллиматоры соответственно, в каждом из которых выполнены коллимирующие отверстия, 17 - четвертые сцинтилляционные детекторы, 18 - ортогональные коллиматоры, 19, 20, 21 и 22 - первый, второй, третий и четвертый световоды соответственно, 23 - контрольные сцинтилляционные детекторы, 24 - вторичные излучатели, 25 - первый фотоэлектронный преобразователь, 26 - первый модуль обработки, 27 - второй фотоэлектронный преобразователь, 28 - второй модуль обработки, 29 - вычислитель, 30 - модуль управления, 31 - электронный блок, 32 - контроллер режимов, 33 - источник питания, 34 - внешние системы, 35 - датчик давления, 36 - измерительный преобразователь, 37 - первый таймер, 38 - второй таймер.

Предложенный анализатор содержит корпус 1, представляющий собой отрезок трубопровода с фланцами на его концах, предназначенными для подсоединения корпуса 1 к внешней магистрали.

В стенке корпуса 1 установлены рентгенопрозрачные вставки: первая, вторая и третья вставки 2, 3, и 4, например, кольцеобразные, выполненные из бериллия.

Низкоэнергетическая рентгеновская трубка 5 установлена таким образом, что ее ось излучения направлена в сторону первой вставки 2 вдоль ее диаметра. Напротив второй и напротив третьей вставок 3 и 4 расположены соответственно второе и первое зеркала 7 и 6, каждое из которых установлено по отношению к плоскости поперечного сечения корпуса под некоторым углом.

На выходе рентгеновской трубки 5 установлены первый, второй и третий первичные коллиматоры 8, 9 и 10 соответственно с несколькими веером расходящимися коллимирующими отверстиями в каждом. При этом второй первичный коллиматор 9 и третий первичный коллиматор 10 расположены перед первым и перед вторым зеркалами 6 и 7 соответственно. Коллимирующие отверстия в каждом из коллиматоров 9, 10 выполнены таким образом, что оси каждого из них направлены по отношению к плоскости поперечного сечения корпуса под некоторым углом. Угол ориентации зеркал 6 и 7 и угол ориентации коллимирующих отверстий коллиматоров 9 и 10 выбираются таким образом, чтобы отраженные зеркалами пучки рентгеновского излучения пересекали корпус в плоскостях расположения вставок 3 и 4, соответственно.

В состав анализатора также входят первый многоканальный детектор 11 и вторые и третие детекторы 12 и 13, соответственно, на входе каждого из которых установлены соответствующие первые, вторые и третие вторичные коллиматоры 14, 15 и 16 соответственно в каждом из которых содержится несколько коллимирующих отверстий, ось каждого из которых направлена от центра излучения рентгеновской трубки 5 к центру соответствующего детектора, при этом число упомянутых отверстий равно числу соответствующих детекторов. Кроме того, в состав анализатора входят два четвертых детектора 17, два ортогональных коллиматора 18, каждый из которых установлен перед одним из четвертых детекторов 17, а также первый, второй, третий и четвертый световоды 19, 20, 21 и 22, соответственно. В плоскости установки первого многоканального детектора 11 расположены также контрольные детекторы 23, а в каждом, кроме двух крайних, отверстии первого вторичного коллиматора 14 установлен один из вторичных излучателей 24, представляющий собой коллимирующую трубку, выполненную из тяжелого металла, характеристическая линия которого расположена в низкоэнергетической части жесткого рентгеновского диапазона, например, из гадолиния или золота.

Каждый контрольный детектор 23 установлен таким образом, чтобы прямая линия, соединяющая его центр с центром излучения рентгеновской трубки 5, не пересекала первую вставку 2, т.е. проходила снаружи корпуса 1, а каждый из ортогональных коллиматоров 18 расположен в плоскости установки детекторов первого многоканального детектора 11 таким образом, что оси его коллимирующих отверстий расположены под прямым углом к оси излучения рентгеновской трубки 5.

Выход каждого из детекторов первого многоканального детектора 11, выход каждого из контрольных детекторов 23 и выход каждого из четвертых детекторов 17 подсоединен к соответствующему каналу первого световода 19, выход каждого из вторых детекторов 12 подсоединен к соответствующему каналу второго световода 20, а выход каждого из третьих детекторов 13 подсоединен к соответствующему каналу третьего световода 21.

Первый световод 19 и четвертый световод 22 подключены каждый своими выходами к соответствующим входам первого фотоэлектронного преобразователя 25, выход которого соединен многоканальной информационной связью со входом первого модуля обработки 26, а второй и третий световоды 20 и 21, соответственно, подключены каждый своими выходами к соответствующим входам второго фотоэлектронного преобразователя 27, выход которого соединен многоканальной информационной связью со входом второго модуля обработки 28.

Выход первого и выход второго модулей обработки 26 и 28 соответственно подключены каждый к соответствующему входу вычислителя 29, выход которого соединен с модулем управления 30. Вычислитель 29, первый и второй модули обработки 26 и 28 соответственно, и модуль управления 30 входят в состав электронного блока 31.

Предложенный анализатор также содержит контроллер режимов 32, выход которого подключен с помощью многоканальной информационной связи к соответствующему многоканальному входу вычислителя 29, а вход соединен с дополнительным выходом первого модуля обработки 26, и источник питания 33 рентгеновской трубки 5, вход которого подключен к выходу модуля управления 30.

Вычислитель 29 содержит выход, подсоединенный ко входу модуля управления 30, и может быть снабжен двусторонней информационной связью для обмена информацией с внешними системами 34.

В стенке корпуса 1 установлен датчик давления 35, подсоединенный ко входу измерительного преобразователя 36, подключенного к соответствующему многоканальному входу вычислителя 29 с помощью многоканальной информационной связи.

В состав анализатора также входят первый таймер 37, выход которого подключен к дополнительному входу первого модуля обработки 26, и второй таймер 38, выход которого соединен с дополнительным входом второго модуля обработки 28; вход первого таймера 37 и вход второго таймера 38 предназначены каждый для подключения к внешним системам 34.

Предложенный рентгенофлуоресцентный анализатор расхода состава компонентов газожидкостного потока работает следующим образом.

При подаче в вычислитель 29 сигнала запуска, например из внешних систем 34 по двусторонней информационной связи, с выхода вычислителя 29 на вход модуля управления 30 поступает команда включения источника питания 33, который включается и запитывает рентгеновскую трубку 5 напряжением, соответствующим номинальному режиму питания, заданному модулем управления 30. В результате на выходе рентгеновской трубки 5 возбуждается и пересекает контролируемую среду, находящуюся в корпусе 1, низкоэнергетическое рентгеновское излучение, пучки которого формируются в каждом из коллимирующих отверстий первого, второго и третьего первичных коллиматоров 8, 9 и 10 соответственно.

Упомянутые первичные коллиматоры формируют три группы рентгеновских пучков, веерообразно расходящихся от центра излучения рентгеновской трубки 5 по направлениям к соответствующим отверстиям соответствующего вторичного коллиматора.

Первая группа веерообразно расходящихся пучков формируется первым первичным коллиматором 8 и лежит в плоскости поперечного сечения В-В корпуса 1, содержащего первую вставку 2 и ось излучения рентгеновской трубки 5; основная часть пучков этой группы, за исключением двух крайних пучков, пересекает корпус 1 через первую вставку 2, а крайние пучки не пересекают корпус 1 и проходят по воздуху у противоположных сторон корпуса 1 (см. Фиг.2).

Вторая группа веерообразно расходящихся пучков формируется вторым первичным коллиматором 9 и направлена в сторону зеркала 7. Отраженные зеркалом 7 пучки пересекают корпус 1 в сечении А-А, содержащем вторую вставку 3.

Третья группа веерообразно расходящихся пучков формируется третьим первичным коллиматором 10 и направлена в сторону зеркала 6. Отраженные зеркалом 6 пучки пересекают корпус 1 в сечении С-С, содержащем третью вставку 4 (см. Фиг.3).

Каждый из двух крайних рентгеновских пучков первой группы, сформированных в крайних коллимирующих отверстиях первого первичного коллиматора 8 в сечении В-В корпуса 1, попадает, не пересекая корпус 1, в одно из крайних отверстий первого вторичного коллиматора 14 и, после формирования в этом отверстии, падает на соответствующий ему контрольный детектор 23. Каждый из сформированных первым первичным коллиматором 8 рентгеновских пучков, лежащих в сечении В-В корпуса 1, кроме двух крайних пучков, пересекает первую вставку 2 и контролируемую среду, заполняющую корпус 1, достигает соответствующего ему вторичного излучателя 24, установленного в отверстии первого вторичного коллиматора 14 и, после формирования в коллимирующем отверстии этого излучателя, падает на один из детекторов многоканального первого детектора 11.

В каждом из контрольных детекторов 23 и в каждом из детекторов многоканального первого детектора 11 формируется оптический сигнал, соответствующий интенсивности принятого рентгеновского излучения. Каждый из сформированных оптических сигналов подается в соответствующий канал первого световода 19 и с соответствующего выхода последнего поступает на соответствующий вход первого фотоэлектронного преобразователя 25.

Одновременная передача по каналам первого световода 19 нескольких оптических сигналов, выработанных несколькими контрольными детекторами 23 и несколькими детекторами многоканального первого детектора 11, дает возможность использовать для фотоэлектронного преобразования этих сигналов единый многоканальный фотоэлектронный преобразователь - первый фотоэлектронный преобразователь 25.

Такое техническое решение позволяет свести к минимуму разброс коэффициентов преобразования и величин температурных и дрейфов нескольких отдельных детекторов и нескольких отдельных фотоэлектронных преобразователей и тем самым минимизировать соответствующую инструментальную погрешность.

Каждый из рентгеновских пучков, пересекающих контролируемую среду в плоскости расположения первой вставки 2, частично поглощается и рассеивается этой средой, что приводит к уменьшению плотности потока рентгеновских фотонов, падающих на каждый из детекторов первого многоканального детектора 11, и дает возможность оценивать компонентный состав поглощающей среды вдоль линии пересечения по степени уменьшения плотности потока фотонов в сравнении с исходной плотностью этого потока.

Для получения более детальных данных об объемном компонентном составе следует последовательно облучать контролируемую среду пучками низкоэнергетического рентгеновского излучения, различающимися между собой уровнем энергии, при этом каждый уровень энергии рентгеновского излучения задается соответствующим ему напряжением питания рентгеновской трубки 5. Если, например, необходимо получить, как это показано на Фиг.6, три уровня энергии рентгеновского излучения, следует использовать три значения напряжения питания U₁, U₂ и U₃, обеспечивающих уровни энергии E₁(I_max1), E₂(I_max2) и Е₃(I_max3) соответственно, отвечающие максимальным значениям плотностей потоков фотонов Imax₁, Imax₂ и Imax₃ на выходе рентгеновской трубки 5. Для этого рентгеновская трубка 5 последовательно запитывается напряжениями U₁, U₂ и U₃ от источника питания 33 в соответствии с переключающими сигналами, поступающими на вход этого источника из модуля управления 30 при получении им соответствующих команд из вычислителя 29.

При облучении контролируемой среды рентгеновским излучением различной энергии в жестком рентгеновском диапазоне 30-100 кэВ изменяется характер поглощения рентгеновских фотонов каждым из компонентов контролируемой среды.

Это объясняется тем, что степень ослабления рентгеновского излучения компонентом контролируемой среды зависит не только от состава этого компонента, но и от энергии излучения, то есть является функцией энергии рентгеновских фотонов, генерируемых рентгеновской трубкой 5 (см. Фиг.4):

где µ - линейный коэффициент ослабления компонентом контролируемой среды рентгеновского излучения с энергией Е;

Е - энергия рентгеновского излучения.

В случае фиксированного уровня энергии рентгеновского излучения линейный коэффициент ослабления падающего пучка конкретным компонентом контролируемой среды является постоянной величиной. Так, например, если выбрать конкретный компонент и зафиксировать определенный уровень энергии излучения, то значение линейного коэффициента ослабления µ будет постоянным.

Таким образом, зависимость степени ослабления плотности потока фотонов заданной энергии конкретным компонентом определяется эффективным линейным размером этого компонента вдоль направления соответствующего рентгеновского пучка (далее по тексту - эффективной толщиной компонента):

где Y(x) - плотность потока фотонов на входе детектора многоканального первого детектора 11 при заполнении корпуса 1 однокомпонентной контролируемой средой;

I - плотность потока фотонов на входе детектора многоканального первого детектора 11 при отсутствии в корпусе 1 контролируемой среды;

е - основание натуральных логарифмов;

µ - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения контролируемой средой;

х - эффективная толщина контролируемой среды.

Обозначим компоненты контролируемой среды следующим образом: K₁ - нефть, К₂ - вода и К₃ - газ.

При наличии на пути падающего рентгеновского пучка всех трех компонентов: нефти, воды и газа, выражение (2) принимает вид функционального уравнения:

где Y_m1(t) - текущее значение плотности потока фотонов на входе детектора с порядковым номером m первого многоканального детектора 11 при напряжении U₁ питания рентгеновской трубки 5 и при наличии в корпусе 1 трехкомпонентной контролируемой среды;

x₁, x₂ и х₃ - эффективные толщины компонентов К₁ К₂ и К₃, контролируемой среды, соответственно;

µ₁(E_q), µ₂(E_q) и µ₃(Е_q) - линейные коэффициенты ослабления рентгеновских излучений с фиксированной энергией Е_q каждым из компонентов К₁ К₂ и К₃,

I_m1(t) - текущее значение плотности потока фотонов на входе детектора с порядковым номером m, входящего в состав первого многоканального детектора 11, при напряжении U₁ питания рентгеновской трубки 5 и при отсутствии в корпусе 1 контролируемой среды;

t - текущее время.

Последовательно подставляя в уравнение (3) значения линейных коэффициентов ослабления, соответствующие нескольким, например трем, значениям энергии излучения E_q=E₁, E_q=Е₂, E_q=Е₃, а именно значения µ_i(E₁), µ_i(Е₂) µ_i(E₃), где i=1, 2, 3, получим для каждого рентгеновского пучка, лежащего в плоскости расположения первой вставки 2, три системы функциональных уравнений вида (3) с тремя численными неизвестными х₁ х₂, х₃ и тремя функциональными неизвестными µ₁(E_q), µ₂(Е_q), µ₃(Е_q).

В случае когда текущее значение параметра I_m1(t) известно, то есть когда оно непрерывно измеряется, когда конкретное значение энергии излучения E_q=E₁, E_q=Е₂, E_q=Е₃ зафиксировано, а также когда определены и занесены в память первого модуля обработки 26 экспериментальные зависимости линейных коэффициентов ослабления от энергии излучения µ₁(E_q), µ₂(Е_q), µ₃(Е_q), решение систем функциональных уравнений вида (3) в вычислителе 29 позволяет получить значения эффективных толщин x₁, х₂, и x₃ каждого из компонентов К₁ К₂ и К₃ соответственно вдоль линии пересечения контролируемой среды одним из падающих рентгеновских пучков и тем самым определить объемную долю каждого из этих компонентов в поперечном сечении контролируемого потока вдоль направления упомянутого пучка. После определения эффективных толщин x₁, х₂, и х₃ нефти, воды и газа соответственно вдоль каждого из рентгеновских пучков, падающих на один из m детекторов первого многоканального детектора 11, в вычислителе 29 производится контроль достоверности полученн