Поточный анализатор серы
Полезная модель направлена на расширение арсенала технических средств для определения содержания серы в нефти и нефтепродуктах на поточных линиях трубопроводов, создание безопасного прибора. Указанный технический результат достигается тем, что поточный анализатор серы содержит источник излучения, измерительную кювету, пропорциональный рентгеновский счетчик, связанный с блоком обработки сигналов. В качестве источника излучения использована схема, состоящая из рентгеновской трубки с двумя с мишенями, выполненными из сурьмы и серебра, размещенными последовательно одна за другой между рентгеновской трубкой и измерительной кюветой. Положение мишеней в корпусе анализатора зафиксировано так, что за счет поляризации рассеянного рентгеновского излучения на выходе схемы остается практически лишь линия 22 кэВ, что наиболее благоприятно для анализа серы в углеводородных средах.
Полезная модель относится к устройствам для измерения концентрации элементов в углеводородных жидкостях на основе взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, а именно: к рентгеноабсорбционным анализаторам серы в нефти и нефтепродуктах и может быть использована для измерения концентрации серы непосредственно в технологических трубопроводах на потоке.
Известны устройства: поточные серомеры фирмы «Асома» (http://www.imsholding.ru/equipment/spectro). Так устройство типа 682T-LP состоит из двух корпусов: измерительного и контроллера. В измерительном корпусе расположены источник излучения - рентгеновская трубка, измерительная камера - проточная кювета с фланцами с двух сторон для соединения с технологической линией, детектор излучения - пропорциональный газонаполненный счетчик. Измерительный корпус кабельной линией соединен с контроллером. В этой модели реализован рентгенофлуоресцентный способ определения серы, где информацию о содержании серы несет характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ) серы. ХРИ серы имеет малую энергию 2,3 кэВ и слабую проникающую способность.
Невозможно изготовить прочную измерительную камеру, которая одновременно держала бы высокое давление технологического трубопровода и была бы настолько тонка, что не поглощала бы ХРИ серы. Максимально возможное давление, которое удерживает измерительная камера этой модели - 2 атм. Это значительно сужает круг ее технологических потребителей.
Известен другой поточный тип серомера этой же фирмы 682Т-НР. Это устройство состоит также из двух корпусов: измерительного и контроллера. В измерительном корпусе расположены источник излучения - радиоактивный изотоп Am-241, находящийся в защитном контейнере с окном, электропривод для открытия защитного окна, серебряная мишень, измерительная
камера - проточная кювета и детектор излучения - пропорциональный рентгеновский счетчик. В этом устройстве реализован рентгеноабсорбционный (трансмиссионный) способ измерения содержания серы, при котором излучение просвечивает насквозь измерительную камеру - проточную кювету с находящейся в ней пробой. На ослабление излучения влияет как плотность, так и состав пробы. Для углеводородных жидкостей, в частности нефти, основными элементами являются углерод и водород и (сопоставима с ними по содержанию) сера, остальные элементы присутствуют на уровне микропримесей. Для энергетической линии 22 кэВ сечение поглощения углерода и водорода равны между собой. Следовательно, на изменение интенсивности этой линии при прохождении через пробу влияет плотность нефти и содержание серы. Зная плотность можно определить содержание серы.
В этом устройстве источник излучения Am-241 имеет энергетическую линию 26 кэВ. Для получения энергетической линии 22 кэВ использована серебряная мишень. ХРИ серебра имеет энергию 22 кэВ. Проникающей способности излучения с энергией 22 кэВ хватает, чтобы просветить измерительную камеру (проточную кювету), выполненную из трубы, выдерживающей давление до 50 атм.
Серьезным недостатком этой модели является использование радиоизотопного источника излучения.
Известно устройство - рентгеноабсорбционный анализатор серы в нефти и жидких нефтепродуктах, выбранное нами в качестве прототипа (авторское свидетельство СССР №1689817, МКП5 G 01 N 23/00, опубликовано 07.11.91. Бюлл. №41), состоящее из источника излучения - Cd-109, измерительной кюветы, последовательно соединенных пропорционального рентгеновского счетчика, блока детектирования, амплитудного дискриминатора, блока питания, коммутатора, реверсивного счетчика, блока установки данных, вычислительного устройства, блока индикации, таймера, генератора тактовых импульсов, причем выход амплитудного дискриминатора соединен с первым входом коммутатора, второй вход коммутатора соединен с первым
выходом реверсивного счетчика, первый выход коммутатора соединен со вторым входом реверсивного счетчика, вход блока установки данных соединен со вторым выходом вычислительного устройства, первый выход блока установки данных соединен с третьим входом реверсивного счетчика, второй выход блока установки данных соединен со вторым входом вычислительного устройства, второй выход реверсивного счетчика соединен с первым входом вычислительного устройства, третий вход вычислительного устройства соединен со вторым выходом таймера, четвертый вход вычислительного устройства соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом таймера, первый выход вычислительного устройства соединен с четвертым входом реверсивного счетчика, третий выход вычислительного устройства соединен с блоком индикации.
В этом устройстве, также как и в устройстве типа 682Т-НР, заложен рентгеноабсорбционный (трансмиссионный) способ определения содержания серы. Однако в качестве источника излучения взят радиоизотоп Cd-109, который для данного способа обеспечивает самые оптимальные условия облучения, так как имеет всего одну энергетическую линию, равную 22 кэВ.
Однако, использование радиоизотопного источника излучения является существенным недостатком этого устройства. Использование радиоизотопных источников регламентируется нормами радиационной безопасности (НРБ) и предъявляет жесткие требования к предприятиям, использующим радиоизотопы. Требуется ряд мероприятий для использования радиоизотопов, организация службы радиационной безопасности, разработка системы хранения, транспортировки и использования радиоизотопов. Эти мероприятия являются очень дорогостоящими, значительно возрастает стоимость эксплуатации прибора, что практически выводит из списка потребителей нефтяные компании.
Задачей настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств аналогичного назначения, создание безопасного прибора.
Поставленная задача решена за счет того, что поточный анализатор серы, так же как и в прототипе, включает в себя источник излучения, измерительную кювету, пропорциональный рентгеновскими счетчик, связанный с блоком обработки сигналов. Согласно полезной модели, в качестве источника моноэнергетического излучения с энергией 22 кэВ использована схема, состоящая из рентгеновской трубки и двух мишеней. Эти мишени размещены последовательно одна за другой между рентгеновской трубкой и измерительной кюветой. Их положение зафиксировано так, что прямые линии, направленные из центра первой мишени к центру окна рентгеновской трубки и к центру второй мишени, образуют прямой угол. Причем вторая мишень по ходу от рентгеновской трубки выполнена из серебра, а первая из материала, энергия К-линии ХРИ которого, превышает энергию края К-поглощения в серебре. Между второй мишенью и измерительной кюветой, и между пропорциональным рентгеновским счетчиком и измерительной кюветой размещены коллиматоры так, что отверстия коллиматоров сориентированы по прямой, направленной от центра второй мишени к окну пропорционального рентгеновского счетчика. Эта прямая направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежит центр окна рентгеновской трубки и центры мишеней. Ось измерительной кюветы пересекает перпендикулярно эту прямую. Между окном рентгеновской трубки, с одной стороны, и второй мишенью, измерительной кюветой и пропорциональным рентгеновским счетчиком, с другой стороны, расположен металлический экран.
За счет использования предложенной схемы источника моноэнергетического излучения с энергией 22 кэВ, в которой применена рентгеновская трубка, изменяется категория безопасности прибора - поточного анализатора серы. При его использовании не требуется специальных мер безопасности. Он может применяться во многих областях народного хозяйства.
Предложенная по заявляемому устройству схема облучения позволяет достичь оптимальных условий облучения - создание моноэнергетической линии излучения с энергией 22 кэВ на базе рентгеновской трубки, и реализовать
ренгеноабсорбционный способ определения серы в углеводородных средах.
На фиг.1 представлена схема облучения, предложенная для получения моноэнергетической линии излучения с энергией 22 кэВ в поточном анализаторе серы. Она состоит из рентгеновской трубки 1, двух мишеней 2, 3, двух коллиматоров 4, 5, измерительной кюветы 6, пропорционального рентгеновского счетчика 7, металлического экрана 8.
Положение рентгеновской трубки 1 и мишеней 2, 3 зафиксировано в корпусе устройства так, что прямые, направленные из центра первой мишени 2 к окну рентгеновской трубки 1 и к центру второй мишени 3 образуют прямой угол. Коллиматоры 4, 5 измерительная кювета 6 и пропорциональный рентгеновский счетчик 7 расположены так, что отверстия коллиматоров 4, 5 сориентированы по прямой, направленной от центра второй мишени 3 к окну пропорционального рентгеновского счетчика 7, причем эта прямая направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат центры мишеней 2, 3 и центр окна рентгеновской трубки 1 и она пересекает измерительную кювету 6 перпендикулярно ее оси. Между окном рентгеновской трубки 1, с одной стороны, и второй мишенью 3, измерительной кюветой 6, и пропорциональным рентгеновским счетчиком, с другой стороны, расположен металлический экран 8. Пропорциональный рентгеновский счетчик 7 связанный с блоком обработки сигналов (на фиг.1 не показан).
В качестве мишеней 2, 3 использованы квадратные пластины толщиной 1 мм, со стороной 6 мм. В качестве материала первой мишени использовалась сурьма, возможно использование теллура или других материалов, К-линия ХРИ которых превышает К-край поглощения в серебре. В качестве коллиматоров 4, 5 использовались серебряные цилиндры диаметром 10 мм и высотой 5 мм, диаметр отверстия 2 мм. Была использована рентгеновская трубка с серебряным анодом БХ-10 с рабочим током 1 мА, анодным напряжением - 30 кВ. Экран 8 был изготовлен из свинца. В качестве измерительной кюветы использована дюралевая труба с фланцами на торцах. Пропорциональный
рентгеновский счетчик 7 выбран типа СИ-11Р. Блок обработки сигналов использован такой же, как в прототипе, но возможно использование и других известных блоков обработки сигналов.
С помощью фланцев измерительной кюветы 6 поточный анализатор серы подсоединяется к байпасной линии технологического трубопровода, заполненного нефтью. При включении прибора излучение рентгеновской трубки 1 попадает на первую мишень 2, металлический экран 8, и на стенки корпуса. Экран 8 защищает вторую мишень 3, измерительную кювету 6, и пропорциональный рентгеновский счетчик 7 от прямого попадания излучения рентгеновской трубки 1. На первой мишени 2 излучение рентгеновской трубки 1 рассеивается и возбуждает ХРИ сурьмы - 26 кэВ. От прямого попадания излучения от первой мишени 2, измерительная кювета 6 и пропорциональный рентгеновский счетчик 7 также защищены экраном 8 и коллиматорами 4, 5. Излучение рентгеновской трубки 1, рассеявшись на первой мишени 2, попадает на вторую мишень 3 уже поляризованным, так как рассеяние происходит под прямым углом. Такова геометрия взаимного расположения мишеней 2, 3 и рентгеновской трубки 1. Таким образом, плоскость поляризации проходит через центр окна рентгеновской трубки 1 и центры мишеней 2, 3. Для поляризованного излучения существует запрет на рассеяние в направлении перпендикулярном плоскости поляризации, то есть при рассеянии на второй мишени 3 излучение рентгеновской трубки 1 не может рассеяться вдоль прямой, соединяющей центр второй мишени 3 и окно пропорционального рентгеновского счетчика 7. ХРИ первой мишени 2 попавшее на вторую мишень 3 полностью поглотится второй серебряной мишенью 3, так как сечение фотоэффекта на два порядка больше сечения рассеяния.
Таким образом, измерительная кювета просвечивается только ХРИ второй 3 мишени, с энергией 22 кэВ.
Сигнал от пропорционального рентгеновского счетчика 7 поступает в блок обработки сигналов, где производится вычисление содержания серы CS (в %) по формуле (так же, как в прототипе):
где 
- плотность пробы в г/см3;
K1, К2 - калибровочные коэффициенты, значение которых определяется из градуировочных измерений с использованием стандартных образцов с известным содержанием серы;
Nф - число импульсов фона;
N0, N - число импульсов в отсутствии и присутствии пробы в измерительной кювете.
Поточный анализатор серы, содержащий источник излучения, измерительную кювету, пропорциональный рентгеновский счетчик, связанный с блоком обработки сигналов, отличающийся тем, что в качестве источника моноэнергетического излучения с энергией 22 кэВ, использована схема, состоящая из рентгеновской трубки и двух мишеней, размещенных последовательно одна за другой между рентгеновской трубкой и измерительной кюветой так, что прямые, направленные из центра первой мишени к центру окна рентгеновской трубки и к центру второй мишени, расположены под прямым углом, причем вторая мишень по ходу от рентгеновской трубки выполнена из серебра, а первая из материала, энергия К-линии характеристического рентгеновского излучения которого превышает энергию К-края поглощения в серебре, между второй мишенью и измерительной кюветой, и между пропорциональным рентгеновским счетчиком и измерительной кюветой размещены коллиматоры так, что отверстия коллиматоров сориентированы по прямой, направленной от центра второй мишени к окну пропорционального рентгеновского счетчика, причем эта прямая направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат центры мишеней и центр окна рентгеновской трубки, а ось измерительной кюветы пересекает перпендикулярно эту прямую, при этом между окном рентгеновской трубки, с одной стороны, и второй мишенью, измерительной кюветой и пропорциональным рентгеновским счетчиком, с другой стороны, расположен металлический экран.
