Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и устройство для его реализации

Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке.

Известен способ определения состава многофазной жидкости [патент РФ №2184367, МПК G01N 23/08, G01N 23/12, «Способ и измерительный прибор для определения состава многофазной жидкости»]. Способ определения состава многофазной жидкости путем пропускания через нее пучка фотонов и измерения уровня поглощения излучения жидкостью при как минимум трех уровнях энергии излучения и передачи данных измерения поглощения излучения на блок обработки данных. Блок программируется так, что он осуществляет вычисления в соответствии с алгоритмом вычисления фазовой доли на основании упомянутых данных о поглощении излучения и на основании упомянутых вычислений выдает данные, касающиеся состава жидкости. Причем многофазная жидкость содержит соленую воду, а алгоритм расчета фазовой доли включает в себя этапы определения солености воды. Способ согласно изобретению основан на понимании того факта, что содержание соли, если таковая имеется, в воде, выдаваемой, например, скважиной для добычи сырой нефти, может оказывать существенное воздействие на поглощение жидкостью пучка фотонов.

Недостатком известного технического решения является его непригодность для определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения состава многофазного потока скважинной продукции [патент РФ №2334972, МПК G01N 23/00 (2006.01), «Способ и устройство для определения состава многофазного потока скважинной продукции»]. Способ основан на облучении флюида гамма-квантами. Для облучения используют источник гамма-квантов с двумя энергетическими пиками. Одним детектором регистрируют гамма-кванты, испытавшие одно комптоновское рассеяние на компонентах скважинной продукции, а другим - детектором гамма-кванты, прошедшие через трубу без взаимодействия. Калибровку системы проводят по воде, газу и нефти, вычисляя коэффициент поглощения и коэффициент комптоновского рассеяния во всех энергетических окнах. Составляют систему уравнений, первое из которых отражает тот факт, что сумма объемных долей равна единице, а следующие уравнения отражают зависимость поглощения в энергетических окнах от объемных долей различных фаз и зависимость количества рассеянных гамма-квантов от объемных долей различных фаз. Решая составленную систему уравнений, определяют состав многофазной смеси потока.

Недостатками данного способа являются, во-первых, наличие зависимости точности определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке от толщины слоя исследуемого потока вдоль оси пучка гамма-квантов из-за изменения коэффициентов рассеяния и поглощения гамма-квантов, во-вторых, относительно большие затраты времени на облучение компонент кислородосодержащего потока из-за того, что облучение потока в течение относительно малого времени не позволяет разделить пики в спектре от рассеянных и нерассеянных гамма-квантов.

Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков, а именно в исключении зависимости точности определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке и уменьшении затрат времени на облучение кислородосодержащего потока.

Для исключения указанных недостатков в способе определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке, включающем облучение кислородосодержащего потока и регистрацию гамма-квантов, предлагается:

- облучение проводить быстрыми нейтронами в импульсном режиме;

- регистрировать гамма-кванты, образующиеся в результате снятия возбуждения остаточных ядер от активации быстрыми нейтронами ядер кислорода;

- проводить анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов;

- определять количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема;

- определять время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока;

- массу кислорода рассчитывать по соотношению с учетом числа зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ, постоянной распада для азота-16, времени переноса облученного объема от источника к детектору, эффективности регистрации детектора, плотности потока быстрых нейтронов, частоты следования импульсов, длительности импульса облучения, времени облучения, сечение реакции ¹⁶O(n,p)¹⁶N, числа Авогадро и молярной массы кислорода.

Сущность способа определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке заключается в следующем.

Кислородосодержащий поток облучают быстрыми нейтронами в импульсном режиме и регистрируют гамма-кванты, образующиеся в результате снятия возбуждения остаточных ядер от активации быстрыми нейтронами ядер кислорода, проводят анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов, определяют количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема, определяют время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока, а массу кислорода рассчитывают по соотношению (1)

где m_к - масса атомов кислорода, прошедших через трубу за время τ; N_γ - число зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ; λ - постоянная распада для азота-16, c^-1; t - время переноса облученного объема от источника к детектору, с; ε - эффективность регистрации детектора; ϕ - плотность потока быстрых нейтронов, частиц·с^-1·см^-2, ν - частота следования импульсов, с^-1, Т - длительность импульса облучения, с; τ - время облучения, с; σ - сечение реакции ¹⁶O(n,p)¹⁶N, см²; N_A - число Авогадро, моль^-1; М_К - молярная масса кислорода (г·моль^-1).

Стоит отметить, что гамма-кванты с энергией 6,13±0,62 МэВ характерны именно для снятия остаточного возбуждения при распаде азота-16.

Пример конкретного использования способа

Активация ядер кислорода-16 (99,762% в природной смеси) быстрыми нейтронами в реакции ¹⁶O(n,p)¹⁶N приводит к образованию азота-16, имеющего период полураспада Т_1/2=7,1 секунды. В результате бета-распада ядер азота-16 образуются возбужденные ядра кислорода-16, которые снимают возбуждение, испуская гамма-кванты (вероятность 69%) с энергией 6,13 МэВ.

Гамма-кванты этой энергии (с учетом точности определения энергии гамма-квантов в 10% - 6,13±0,62 МэВ) выделяются из спектра всех зарегистрированных детектором. Количество гамма-квантов Nγ будет прямо пропорционально количеству атомов ¹⁶O* с учетом эффективности регистрации детектора ε и вероятности снятия возбуждения именно через испускание гамма-квантов (69%). Выбранное время проведения замера составляет 40 с. Облучение трубы быстрыми нейтронами производится при постоянном расстоянии источник-детектор, поэтому изменение количества атомов азота-16 обусловлено только радиоактивным распадом за время переноса облученного объема t. Время переноса определяется как разница момента начала регистрации гамма-квантов от облученного объема t₂ и момента начала облучения t₁:t=t₂-t₁.

λ - постоянная распада азота-16, λ=(ln2)/T_1/2=4,9 (с^-1). Длительность облучения τ целесообразно выбрать равной трем периодам полураспада 7,1·3=21,3 с, хотя и не ограничиваясь этим - все зависит от требований по точности определения концентрации кислорода.

Один из вариантов исполнения устройства, на котором реализуется способ, представлен на чертеже, на котором приняты следующие позиционные обозначения: 1 - блок детектирования гамма-квантов, 2 - импульсный источник быстрых нейтронов, 3 - источники питания, 4 - комплекс обработки данных, 5 - труба.

Технический результат - повышение точности и оперативности измерений.

Способ определения массы кислорода в кислородосодержащем потоке, включающий облучение кислородосодержащего потока и регистрацию гамма-квантов, отличающийся тем, что облучение проводят быстрыми нейтронами в импульсном режиме, регистрируют гамма-кванты, образующиеся в результате снятия возбуждения остаточных ядер от активации быстрыми нейтронами ядер кислорода, проводят анализ полученных спектров зарегистрированных гамма-квантов, определяют количество гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ от облученного объема, определяют время переноса облученного объема как разницу моментов начала регистрации гамма-квантов и момента начала облучения кислородосодержащего потока, а массу кислорода рассчитывают по соотношению (1) где m_к - масса атомов кислорода, прошедших через трубу за время τ;N_γ - число зарегистрированных гамма-квантов с энергией 6,13±0,62 МэВ;λ - постоянная распада для азота-16, с^-1;t - время переноса облученного объема от источника к детектору, с;ε - эффективность регистрации детектора;ϕ - плотность потока быстрых нейтронов, частиц·с^-1·см^-2;ν - частота следования импульсов, с^-1;T - длительность импульса облучения, с;τ - время облучения, с;σ - сечение реакции ¹⁶O(n,p)¹⁶N, см²;N_A - число Авогадро, моль^-1;М_К - молярная масса кислорода (г·моль^-1).