用于確定容器內(nèi)的流體水平的裝置和方法與流程
本發(fā)明涉及用于確定容器內(nèi)的流體水平的裝置和方法，具體的但并非排它性地涉及通過檢測穿過可能存在流體的容器的一部分的輻射來確定容器內(nèi)的流體水平的裝置和方法。
背景技術(shù)：
已知使用輻射來測量容器內(nèi)的流體水平。例如，wo2013/005011公開了一種語言確定容器內(nèi)的相邊界(例如填充水平)的位置的方法和裝置。
但是，現(xiàn)有裝置和方法的性能通常由于變化的背景輻射的存在而受到影響，例如由于附近的x射線照相或其它非破壞性測試(ndt)，或者容器壁上累積沉積物的變化，特別是放射性物質(zhì)的累積。在這種情況下，一些現(xiàn)有的裝置被迫關(guān)閉并停止檢驗水平信息。另外，現(xiàn)有方法和裝置通常要求通過使水箱中的液位循環(huán)而進行現(xiàn)場校準。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的實施例試圖克服與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的一個或多個問題。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于確定容器內(nèi)的流體水平的裝置，該裝置包括：
源單元，用于將輻射的射束發(fā)射進入容器的內(nèi)部，該源單元包括輻射源和準直器，所述準直器用于對所述源發(fā)射的輻射進行準直以提供所述射束，其中所述源單元能夠被調(diào)節(jié)以改變所述射束相對于水平位置的角度；
至少一個檢測器，用于檢測由所述源發(fā)射的、并且已經(jīng)通過所述容器的內(nèi)部的至少一部分的輻射；以及
處理設(shè)備，用于：
將與在所述至少一個檢測器處檢測到的輻射量對應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄為所述射束的角度的函數(shù)；以及
基于所述數(shù)據(jù)隨所述射束的角度的變化，確定所述流體的水平。
通過改變所述射束相對于水平位置的角度，以及基于與在檢測器處檢測到的輻射量對應(yīng)的數(shù)據(jù)作為射束的角度的函數(shù)的變化來確定流體的水平，本申請允許連續(xù)地測量容器內(nèi)的流體水平，即使當(dāng)背景輻射水平較高和/或正在變化時。這使得能夠連續(xù)測量水箱中的液體的液位，即使當(dāng)操作接近放射照相或其它形式的非破壞性測試。另外，本申請使得即使當(dāng)在容器的內(nèi)壁上具有累計物時也能夠連續(xù)測量流體水平。不必通過使水箱中的流體水平循環(huán)來校準該裝置，使得能夠在不中斷容器的運行的情況下安裝該裝置。
所述輻射量可以是在檢測器處在指定時間段中檢測到的輻射量(例如計數(shù)的數(shù)字)，或在檢測器處的輻射的檢測率。
流體的水平可以對應(yīng)于兩個流體相之間(例如兩種不同液體、兩種不同氣體、或者氣體與液體之間)的邊界。
可以通過旋轉(zhuǎn)所述準直器以改變所述射束的角度使得所述源單元能夠被調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，所述準直器圍繞所述源旋轉(zhuǎn)。
該裝置可以包括用于驅(qū)動所述準直器旋轉(zhuǎn)的馬達。
該馬達可以包括用于指示所述射束的角度的編碼器。
所述準直器可以包括多個用于對源發(fā)射的輻射進行準直的槽。
這些槽可以被布置成使得每次只有一個輻射射束被朝著檢測器發(fā)射。通過設(shè)置多個準直器槽，在準直器的單個完整旋轉(zhuǎn)期間，多個輻射射束可以相繼掃過容器的內(nèi)部的至少一部分，從而增大了裝置的操作效率。
所述準直器的旋轉(zhuǎn)軸的中心可以基本上位于所述源上。
這簡化了源單元的設(shè)計。
所述檢測器可以包括塑料閃爍體。檢測器優(yōu)選地被固定安裝在容器上、容器內(nèi)或容器附近。優(yōu)選地，檢測器是延長的檢測器，并且源單元能夠被調(diào)節(jié)以改變射束的角度，使得射束沿著檢測器掃描。檢測器優(yōu)選地能夠記錄高計數(shù)率，例如至少1,000cps的計數(shù)率，更優(yōu)選地至少10,000cps的計數(shù)率，更優(yōu)選地至少100,000cps的計數(shù)率，更優(yōu)選地至少1,000,000的計數(shù)率。高計數(shù)率的檢測器可以允許檢測器在即使背景輻射水平較高時也能工作。
可以基于所述射束相對于水平位置的角度確定所述流體的水平，所述流體的水平與所述數(shù)據(jù)隨所述射束的角度的最大變化率對應(yīng)。
所述數(shù)據(jù)的最大變化率可以是當(dāng)所述射束進入或離開所述流體時(即當(dāng)射束跨過容器內(nèi)的流體的水平時)的最大變化率。
所述流體的水平可以被確定為位于所述射束在其水平布置中的位置下方等于atanθmax的距離處，其中a是所述準直器的旋轉(zhuǎn)軸和所述檢測器之間的間隔，θmax是所述射束相對于水平位置的、與所述數(shù)據(jù)隨所述射束的角度的所述最大變化率對應(yīng)的角度。
所述處理設(shè)備可以被配置為：
(i)在確定所述流體的水平之前對重復(fù)測量的數(shù)據(jù)進行平均；
(ii)在確定所述流體的水平之前對所述數(shù)據(jù)應(yīng)用高斯濾波；
(iii)在確定所述流體的水平之前對所述數(shù)據(jù)應(yīng)用傅里葉濾波。
對數(shù)據(jù)進行平均或濾波可以提高信噪比并且提高裝置對背景輻射的適應(yīng)性，特別是波動的背景，而不會增加源尺寸或數(shù)據(jù)采集時間。
所述處理設(shè)備可以被配置為在基于所述射束相對于水平位置的角度確定所述流體的水平之前，對所述數(shù)據(jù)進行平滑函數(shù)的擬合，所述流體的水平與擬合的函數(shù)隨所述射束的角度的最大變化率對應(yīng)。
對數(shù)據(jù)進行平滑曲線的擬合可以提高該裝置對數(shù)據(jù)上的噪聲的適應(yīng)性，特別是由于背景輻射導(dǎo)致的噪聲，而不會增加源尺寸或數(shù)據(jù)采集時間。
在一個實施例中，射束的角度以階梯方式通過多個值。
在另一個實施例中，射束的角度是連續(xù)變化的。
輻射源可以包括伽馬輻射源。
根據(jù)本申請的另一個方面，提供了一種用于確定容器內(nèi)的流體的水平的方法，該方法包括以下步驟：
提供源單元，所述源單元用于將輻射的射束發(fā)射進入容器的內(nèi)部，所述源單元包括輻射源和準直器，所述準直器用于對所述源發(fā)射的輻射進行準直以提供所述射束，
提供檢測器，所述檢測器用于檢測由所述源發(fā)射的、并且已經(jīng)通過所述容器的內(nèi)部的至少一部分的輻射；
調(diào)節(jié)所述源單元以改變所述射束相對于水平位置的角度；
將與在所述檢測器處檢測到的輻射量對應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄為所述射束的角度的函數(shù)；以及
基于所述數(shù)據(jù)隨所述射束的角度的變化，確定所述流體的水平。
優(yōu)選地，檢測器是延長的、固定檢測器，并且調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)源單元沿著檢測器掃描所述射束。
附圖說明
下面將參照附圖僅通過示例而非限制的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中：
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝置，用于測量容器中的流體的水平；
圖2示出了用于圖1的裝置的源單元；
圖3例示了對應(yīng)于在檢測器處檢測到的輻射量的數(shù)據(jù)的變化作為輻射束的角度的函數(shù)；
圖4示出了根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝置的計算機模型的對應(yīng)于在檢測器處檢測到的輻射量的變化作為輻射束的角度的函數(shù)；
圖5示出了使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝置測量的對應(yīng)于在檢測器處檢測的輻射量的數(shù)據(jù)作為輻射束的角度的函數(shù)；
圖6示出了使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝置測量的對應(yīng)于在檢測器處檢測的輻射量的數(shù)據(jù)作為輻射束的角度的函數(shù)，該裝置被修改以模擬容器壁上的沉積物的累積；以及
圖7示出了用于圖1的裝置的另一種源單元。
具體實施方式
參照圖1，現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝置。裝置10包括源單元12，該源單元12包括源14和準直器16，源14是伽馬輻射源的形式，例如cs-137，準直器16用于對源14發(fā)射的輻射進行準直。源單元12被布置成吧輻射束18發(fā)射進入到容器20的內(nèi)部。容器22可以含有可變體積的流體22，該流體22的水平24有待確定。裝置10還包括塑料閃爍體26形式的檢測器，用于檢測由源14發(fā)射的輻射。
源單元12和檢測器26位于容器10的相對側(cè)。由源14發(fā)射的伽馬輻射足以穿透容器20的壁。
圖2示出了源單元12的示意性表示。準直器16圍繞源14并且包括用于把由源14發(fā)射的輻射準直成窄射束18的槽28。準直器16被布置成旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸的中心位于源14上。準直器的旋轉(zhuǎn)使得輻射射束18的角度θ相對于水平位置變化。伺服馬達、變速箱和編碼器系統(tǒng)(未示出)允許控制和報告射束18正指向的角度θ。進一步地，源14周圍的屏蔽件30防止輻射在除了經(jīng)由屏蔽件30的槽32進入容器20的內(nèi)部以外的方向上發(fā)射。
改變射束18的角度θ使得射束18掃描跨過檢測器26的不同部分。取決于容器20內(nèi)流體22的水平24，射束18有時傳播到檢測器26而沒有穿過流體22，而有時射束18將在到達檢測器26之前穿過流體22。這改變了射束的衰減量。通過記錄與檢測器26處接收的輻射量對應(yīng)的數(shù)據(jù)作為射束18的角度θ的函數(shù)，能夠確定容器20內(nèi)流體22的流體水平24，如下面將描述的那樣。
射束角度θ可以連續(xù)變化或者以階梯方式變化。在檢測器26處檢測到的輻射量可以記錄為在指定時間段中接收到的輻射量(例如，計數(shù)的數(shù)字)，或者記錄為在檢測器26處的輻射的檢測率(例如，計數(shù)率)。
圖3根據(jù)裝置10的計算模型對于流體的兩個不同水平24例示了在檢測器處檢測到的輻射量(作為計數(shù)的數(shù)字)隨射束的角度的變化。射束角度在60°測量范圍中以度數(shù)表示，其中射束18從指向稍低于檢測器26的位置的角度(圖3的左手側(cè))掃描到指向稍高于檢測器26的位置(圖3的右手側(cè))。注意，在圖3中，射束角度不是相對于水平位置34指示的。在這個例子中，當(dāng)射束18穿過流體22時，其在到達檢測器26前幾乎完全衰減，因此當(dāng)射束18被檢測器26的最下面的浸沒部分檢測到時，檢測器26記錄到低計數(shù)率。當(dāng)射束18向上朝著水平位置34掃描時，在檢測器26處記錄的計數(shù)的數(shù)字隨著射束18穿過流體22的路徑長度(因此射束18的衰減)的減小而增加。隨著射束從流體中浮現(xiàn)，計數(shù)率繼續(xù)增大。最終，射束18不再穿過流體22并且入射到檢測器26的沒有浸沒在流體22中的部分上。隨著射束18掃描得更高(朝向水平位置34及以上)，由于射束18離開了檢測器26的檢測范圍和/或被容器20的上壁阻擋，所記錄的計數(shù)的數(shù)字減小。
在圖3中示出了兩條曲線中，右手的曲線對應(yīng)于更高的流體水平24。對于較高的流體水平24，射束18更晚地掃描離開流體22，因此曲線的上升沿出現(xiàn)的較晚。但是，曲線的下降沿在相同點出現(xiàn)，因為它是由容器20的幾何形狀和檢測器26固定的。在圖3的右手曲線中，垂直條表示對應(yīng)于曲線的最大斜率的角度θmax，即當(dāng)射束18穿過容器20中的流體22的水平24時，輻射隨著射束18的角度的最大變化率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該最大變化率出現(xiàn)在射束18的中心剛剛從流體22浮現(xiàn)的角度θmax，如圖1所示。通過確定出現(xiàn)最大變化率的角度θmax，從而能夠計算流體水平24的位置。參照圖1，在射束18下的流體水平24在其水平位置34中的距離s由s＝atanθmax給出，其中a是準直器的旋轉(zhuǎn)軸(在該實施例中與源14重合)和檢測器26之間的間隔，θmax是射束18相對于水平位置34的角度，對應(yīng)于檢測到的輻射量隨著射束18的角度的最大變化率。因此，容器20中的流體22的深度h由h＝h-s＝h-atanθmax給出，其中h是源14在容器20的底部上方的高度。
因為流體水平24的位置由計數(shù)的相對增加確定，而不是依賴于絕對計數(shù)值，因此該測量對于背景輻射的變化和容器20的內(nèi)壁上的累積沉積物的變化是有適應(yīng)性的。另外，該裝置還不受容器20內(nèi)的壓力變化的影響。重要的是，該裝置不需要水箱循環(huán)校準。流體水平24的確定僅需要知道容器20的尺寸以及源單元12和檢測器26的位置。
圖4示出了2米高且1米寬的鋼水箱形式的容器20中的流體水平24的測量的模擬結(jié)果。在模擬中，射束18在檢測器26處的寬度為大約20°，流體深度范圍從1米(最寬的曲線)到2米(最窄的曲線)。該模擬確認了流體水平24的位置對應(yīng)于射束角度θmax，對于該射束角度，在射束進入或離開流體22時計數(shù)的數(shù)字的變化最大。
圖5示出了對于鋼水箱(大約2米深且1米寬)中的不同水位作為計數(shù)記錄的實際數(shù)據(jù)與射束角度，其中使用1.11gbqcs-137源，并且允許輻射計數(shù)在每個射束角度θ累積2秒。流體深度范圍從大約1米(最寬的曲線)到大約2米(最窄的曲線)。能夠清楚地看到曲線的上升沿的位置隨著流體深度而變化。源單元12位于水箱20底部上方1.95米處，因此該高度之上的流體水平不能被準確確定。對于大約2.2米的流體水平，測量得到平的曲線，因為這對應(yīng)于水箱盛滿水，并且檢測器26被完全浸沒。峰值計數(shù)率隨著流體深度增大而下降是因為在檢測器26處的輻射射束18的寬度寬于水位24和檢測器的頂部之間的間隙。
背景輻射水平作為曲線朝著圖5右手側(cè)的平坦部分而清晰可見。該背景水平隨著水的深度增加而減小，因為水箱包括含有小檢查源的浸漬管。在低水位處，更多的這種檢查源在沒有被水衰減的情況下被暴露給檢測器，導(dǎo)致更高的背景水平。雖然來自檢查源的輻射量的變化證明了該裝置對于波動的背景是適應(yīng)力強的。
圖6示出了與圖5呈現(xiàn)的測量對應(yīng)的一組測量，但是區(qū)別在于容器20被修改，以通過在水箱20上1.44米高度處在檢測器26前方放置3mm厚、13cm高的鉛板，來模擬沉積物在水箱20的壁上的累積的濃度。圖7的一部分繪制有陰影，以表示輻射射束18入射到鉛板上的射束角度。在每個射束角度處記錄的輻射計數(shù)被允許累積1秒。如圖6所示，在射束穿過累積物處觀察到計數(shù)的下降。但是，這并不影響裝置根據(jù)曲線的上升沿準確確定流體水平24的能力。該裝置甚至能夠被配置為基于在累計物上掃描時記錄的計數(shù)的相對減小來計算累計物的位置和厚度。
實際上，背景計數(shù)率可以超過1,000,000計數(shù)每秒。雖然可以準確測量背景水平(圖5中可見)并且減去，但是還必須考慮到與大的背景計數(shù)率n相關(guān)聯(lián)的
通過對數(shù)據(jù)進行平滑函數(shù)的擬合并且在整個測量范圍上評估該函數(shù)，能夠找到與檢測的輻射對于射束18的角度的最大變化率對應(yīng)的射束18的角度θmax。然后使用與擬合曲線的最大梯度對應(yīng)的角度θmax來確定如上所述的流體水平24。該方法還減小了噪聲對確定的流體水平的影響。可以使用能夠調(diào)整到數(shù)據(jù)的形狀的任何平滑函數(shù)，例如威布爾(weibull)函數(shù)或多項式函數(shù)?？梢允褂脴?biāo)準技術(shù)擬合該函數(shù)，例如最小二乘回歸。
需要在更新間隔(計數(shù)時間)、源尺寸和背景適應(yīng)能力之間進行折中。通過增加在每個角度的數(shù)據(jù)采集時間和/或通過增加源尺寸(以增加在檢測器26處的信號計數(shù)率)，該裝置能夠在更高的背景計數(shù)率下良好地運行。但是，期望使數(shù)據(jù)采集時間最小化，以便提供更多的頻率測量更新，從而在可能的情況下使用更小的輻射源。
例如，當(dāng)在1米寬的水箱上使用370mbq源時(在檢測器處給出大約5μsv的劑量)，必須采集數(shù)據(jù)達18秒，以便在當(dāng)前大約50μsv的背景輻射水平下提供具有±2cm或更好的準確性的新測量結(jié)果。通過存儲18秒的數(shù)據(jù)值，并且每次添加下一秒的數(shù)據(jù)值時拋棄最舊的秒的數(shù)據(jù)值，該裝置仍然每秒更新流體水平測量結(jié)果。當(dāng)然，當(dāng)該裝置在背景輻射水平低得多的環(huán)境中運行時，更新間隔可以減小，因為信噪比低得多?？梢詣討B(tài)地改變更新間隔，因為背景輻射水平是每當(dāng)輻射射束18沒有入射到檢測器26上時測量的，如上參考圖1所述。在低背景輻射的情況下，可以每秒鐘以期望的準確性更新流體水平測量結(jié)果。
為了增加數(shù)據(jù)采集速率，準直器可以設(shè)置有多個槽，而不是如上參照圖1和圖2描述的實施例中的單個槽28。圖7示出了源單元12'的一個實施例，其中準直器16'包括三個槽28'，相對于旋轉(zhuǎn)軸間隔大約120°，用于提供輻射的三個窄準直射束，使得準直器16'的每個完整的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生輻射射束跨過檢測器26的三個掃描。在另一個實施例中，準直器可以包括用于產(chǎn)生6個射束的6個槽。
另外，準直器16、16'的槽28或槽28'的寬度可以被選擇，以為準直的射束18或多個射束提供期望的寬度。增加槽28、28'的寬度增加了在每個射束角度θ照射的檢測器26的區(qū)域，從而增加了信噪比。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以使用不同于上述塑料閃爍體的檢測器。根據(jù)待檢測的輻射的劑量率，可以使用不同類型的檢測器。在一些實施例中，檢測器可以是分開的或者由多個單獨的檢測器形成。這可以提供有關(guān)射束18在檢測器26上的位置的附加信息。可以使用光電倍增管來記錄在檢測器26處的檢測事件。雖然采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)被描述為計數(shù)率，但是可替代地可以把由檢測器檢測到的輻射量記錄為電壓或電流。
該裝置優(yōu)選符合sil2(安全完整性等級2)，也就是說，該裝置檢測并且回報任何故障。該裝置能夠自我診斷并且在其故障時進行報告。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，僅通過示例方式描述了上述實施例，而并非限制性的，在不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以有各種替換和修改。
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