应用MonteCarlo对放射性测量含汽量系统标定

第26卷　第5期核电子学与探测技术
Vol.26　No.5 2006年　9月
Nuclear Elect ronics &Detection Technology
Sept.　2006
应用Mo nte Carlo 对放射性
测量含汽量系统标定
李东明1,2,胡华四2,郑向阳2,褚　俊2
(1.西安交通大学能动学院,陕西西安710065;2.西安石油大学理学院,陕西西安710065)
摘要:应用核技术测量多相流中各相所占的份额在工业中应用比较方便,但是由于放射性测量是相对测量,在实际中往往需要进行现场标定,给使用带来许多不便。

研究使用蒙特卡罗程序进行模拟两相流系统标定,使用标定结果进行测量,其结果和真实值的误差小于5%。

关键词:两相流;放射性测量;MCN P ;标定
中图分类号:　TL99;TE9　文献标识码:　A 文章编号:　025820934(2006)0520673203
收稿日期:2006204210
作者简介:李东明(1970—
),男,西安石油大学理学院工程师
在实际工程中,经常需要对气液两相流中
气相和液相所占的份额进行测量。

目前,在此测量技术中应用比较广泛的是分离法,即用分离设备将气液两相流体分离成单相流体,然后再用单相流量计进行测量,但这种测量方法有很大缺点,如分离设备体积庞大,系统造价昂贵,自动化程度低等。

应用核辐射测量方法与分离法相比具有体积小,测量时间短等优点。

我们对气液两相流的管道流动进行简单的模拟,利用核辐射测量方法测量气液两相流中各相所占的份额,但由于辐射测量方法是相对测量,因此这种设备的标定在实际中存在许多问题,本文研究使用蒙特卡罗的方法进行标定。

MCN P [1]是美国Lo s Alamos 实验室应用理论物理部(X 部)Mo nte Carlo 小组(X 26小组)研制的用于计算复杂三维几何结构中粒子输运的大型多功能蒙特卡罗程序。

1　测量原理和实验设备
1.1　测量原理
γ射线与物质的相互作用时[2],分别发生光电效应、康普顿散射、电子对效应。

这三种效应对于吸收物质的原子序数和入射光子能量有不同的依赖关系,因而对于不同的吸收物质和能量区域,这三种效应的相对重要性是不同的。

对于低能γ射线,原子序数较高的吸收物质,光电效应占优势;原子序数较低的吸收物质,则需要考虑光电效应和康普顿散射。

对于中能γ射线和原子序数高的吸收物质,康普顿散射占优势。

对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质,电子对效应占优势。

γ射线穿透物质后按如下规律衰减:
I =I 0e
-μm
ρl (1)
其中,I 为通过吸收物质后的γ射线注量
率;I 0为未通过吸收物质时的γ射线注量率;μm 为吸收物质对某一能量的γ射线的质量衰减系数;ρ为吸收物质的密度;l 为吸收物质的几何厚度。

由公式(1)两边取对数整理可得:
ln (I/I 0)=-μm
ρl (2)
由式(2)看出,对于同一物质(即其对一定
能量的γ射线的质量衰减系数μm 不变),若吸收物质的几何厚度l 不变,则ln (I/I 0)与吸收物质的密度ρ成正比,表示在坐标系中成一条
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直线。

可测量γ射线的计数,找出直线上对应的密度,由以下公式可求得两相系统中各自的份额:
ρ=ρ1x +ρ2(1-x )(3) 其中,ρ为两相系统的密度;ρ1、ρ2为系统中两个相的密度;x 为其中一相的体积份额。

1.2　测量装置
测量装置的简图如图1所示。

图1　测量装置的简图
当γ源放射出一定能量的γ射线穿过吸收
物质,它的强度减小了,且衰减的大小与水中的含气量有关,闪烁探测器探测透射的γ射线,输出负向电脉冲,然后经信号放大器进行幅度放大,计算机控制可编程计数器在一定时间间隔内对脉冲进行计数,并读入计算机,然后对计数值进行分析,计算出水中含气量的大小。

本实验采用的放射源241Am ,其γ射线为
单能,能量为59keV ,属于低能γ射线;另外吸收物质主要为水和空气,其中水的平均原子序数为3.3,空气的平均原子序数为7.3,即原子序数较小,γ射线在穿过吸收物质时主要发生光电效应和康普顿散射[324]。

实验选用B H1224F 型环境γ谱仪。

本仪器设计新颖,使用方便,稳定可靠。

整个测量系统不需要N IM 机箱。

模数变换器(ADC )和接口(P HA )作成一块板卡插入计算机ISA 扩展槽内。

板卡的存在不影响计算机的通用性,线性放大器和高压电源装在一个精致的金属盒内,所以整个硬件非常简洁。

用γ谱仪法测量,在放射性比活度大于37Bq/kg 时,总不确定度好于±20%。

能量分辨率Φ9%(137Cs );能量线性Φ1%(0.06～2.0MeV );系统稳定性Φ±1%(8h );最大数据存储道数4096道,每道计数容量223-1;数据存储道数512、1024、2048和4096;铅屏蔽室衰减因子Ε80(0.05～2.0MeV )。

2　蒙特卡罗(MCN P )程序模拟
本实验使用水和空气作为研究对象,水中的含气量不同时具有的密度不同,先假设含气量,由含气量通过式(3)计算出密度(其中水(20℃)的密度为0.9983g/cm 3,空气的密度为1.293×10-3g/cm 3[5]);利用MCN P 程序计算出对应含气量时的计数,其结果见表1。

表1　MCN P 计算结果
含气量/%010203040
5060708090
100
密度/g ・cm -3
0.9983
0.8986
0.7989
0.6992
0.59980.4998
0.4001
0.3004
0.2087
0.10100.00129
ln (I 0/I )
1.61821 1.45657 1.29492 1.133270.972110.809980.648330.486860.338010.163390.00173
表1数据可拟合成直线方程为Y =A X +B ,其中,A =1.62133,B =-3.61347×10-4。

3　实验验证
选择三个不同含气量的样品进行测量(20℃)。

水的密度为0.9983g/cm 3,空气的密度为1.293×10-3g/cm 3,测量结果见表2。

表2　测量结果
样品含气量理论值/%
ln (I 0/I )密度/
g ・cm -3含气量测量值/%
偏差
110 1.43220.883611.5 1.52500.75660.466953.3 3.33
80
0.3431
0.2186
78.2
-1.8
4　误差分析
采用γ射线衰减技术测量空泡份额,测量
误差可大致归结为以下几个方面:
1)测量仪器的误差
在实验中,由于测量仪器存在零点漂移,本身精度不够高,电源电压不稳定引起的光电倍增管增益变化,放大器和模数转换器特性变化而引起的误差都是测量仪器的误差。

2)MCN P 的误差
在本文中使用MCN P 程序计算理论曲线时,对实验模型作了一些简化处理。

在实际过
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程中,气泡的分布不是均匀的,是被w1物体随时间变化的,而我们在计算时假定是均匀分布的,因为气泡在水中的分布情况会影响射线的吸收,所以这种简化必定会对理论直线造成一定的误差,进而影响测量结果;另一方面,MC2 N P程序本身也有一定的误差。

由于这两方面的原因,会造成测量的误差。

3)实验过程中的操作误差
实验过程中,放射源、探头和被测物体的位置没有调整好会造成测量的误差,测到的射线强度不能真实地反映实际情况。

测量时由于仪器不够精确,致使测量结果不精确,而MCN P 输入卡的一些数据是由实验测量确定的,如果测量结果不精确,则利用该测量数据得出的MCN P的计算结果出现误差,从而影响了理论直线的准确性,导致最后的测量结果不够精确。

4)测量方法固有的误差
计数的统计涨落会造成测量误差。

由于放射性衰变的统计性质,假定所有的测量条件如辐射源强度、辐射探测器与测量的几何条件都相同,在这种理想情况下,用探测器记录的某一时间中从放射源射出的粒子数目,并重复多次测量,每次测量的时间都相等,则记录的粒子数目也不会完全相等。

核辐射探测是放射性衰变的测量,是一种随机现象,它遵从统计规律。

这样统计涨落造成的计数误差直接导致空泡份额的测量误差。

5　结论
通过使用蒙特卡罗程序模拟γ射线测量两相流的份额来对实际的测量系统进行标定,经过实验验证可以达到实际标定的目的。

理论值和实际值相差在5%以内[6]。

对于多相流,可以采用多能的放射源进行测量也可以测出各个相各自的体积份额,针对不同的吸收物质,可选择合适的射线(X射线或γ射线)和合适的放射源,以得到较为精确的结果。

目前,在多相系统的测量中,核辐射测量技术还处于发展阶段,没有广泛应用于工业,尚需进一步完善,国内外都在致力于核辐射测量技术的研究,而且取得了很大的成果,在石油开采中,已经应用于测量原油中的含水量[627],特别是在深海油田开采中,应用核辐射技术省去了许多庞大昂贵的设备。

由于核辐射测量技术具有设备简单,操作方便,价格低廉等优点,必将作为测量技术中很重要的一种技术。

参考文献:
[1]MCN P-3B/PC程序使用说明书.西安交通大学,
1998.
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社,1993.
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高等教育出版社,1995.
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子学与探测技术,2000.20(4):269.
[7]陈荣(译).一种新型流量计的应用潜力[J].国外油
田工程,2000,12:33.
Applying Monte C arlo to calibrate the system of radiation
measurement gas fraction rate in flowing substance
L I Dong2ming1,2,HU Hua2si2,ZH EN G Xiang2yang2,C HU J un2
(1.Xi’an Jiaotong University,Xi’an of Shaanxi Prov.710065,China;
2.Xi’an Petroleum University,Xi’an of Shaanxi Prov.710065,China)
Abstract　It is very convenient to apply nuclear technology for multi2phase measurement.But,t he radia2 tion based measurement system is a relative system,so t he system needs to be calibrated in site.The pa2 per st udies calibration of t he two2phase measuring system by monte carlo simulation.The result shows error less t han5%comparing with measurement in fact.
K ey w ords:two2phase;radiation measurement;MCNP;calibrate
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