阅读说明：本技术 光量子探测系统及其计算方法以及采用该系统的光量子多相双向流量计 (Photon detection system, calculation method thereof and photon multiphase bidirectional flowmeter adopting system ) 是由 陈继革 高继峰 季永强 仝淑月 刘乔平 张舒漫 罗超 徐斌 李敬阳 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光量子探测系统及其计算方法以及采用该系统的光量子多相双向流量计,包括设置于节流元件两侧的发射器和探测模块,所述发射器为光量子源,用于发射光量子；节流元件用于流体通过,发射器和探测模块位于节流元件喉部段的两侧；所述探测模块为探测器阵列,包括多个排布为矩阵形式的探测单元,每个探测单元用于接收穿过节流元件后的光量子；所述的探测单元为CZT探测器。本发明采用光量子源作为发射器,发出一个各能量不同的光量子粒子,每个探测单元对单个光子进行独立测量；采用CZT半导体探测器阵列,体积小,能量分辨率更高,可以免去了物理准直器的使用,在测量截面有较好的空间分辨率,从而提高了测量精度。(The invention relates to a photon detection system and a calculation method thereof and a photon multiphase bidirectional flowmeter adopting the system, comprising emitters and detection modules which are arranged at two sides of a throttling element, wherein the emitters are photon sources and are used for emitting photons; the throttling element is used for fluid to pass through, and the emitter and the detection module are positioned on two sides of the throat part of the throttling element; the detection module is a detector array and comprises a plurality of detection units which are arranged in a matrix form, and each detection unit is used for receiving the light quantum which passes through the throttling element; the detection unit is a CZT detector. The photon source is used as an emitter to emit photon particles with different energies, and each detection unit independently measures a single photon; the CZT semiconductor detector array is adopted, the size is small, the energy resolution ratio is higher, the use of a physical collimator can be omitted, and the better spatial resolution ratio is realized on the measurement section, so that the measurement precision is improved.)

光量子探测系统及其计算方法以及采用该系统的光量子多相 双向流量计

技术领域

本发明涉及多相流体的流量检测领域，更具体地说，它涉及一种光量子探测系统及其计算方法以及采用该系统的光量子多相双向流量计。

背景技术

中国作为石油天然气的消耗使用大国，相关能源如何安全的存储一直是国家能源工作的重中之重，现阶段，液态的石油一般采用地上储油罐进行存储，而对于气态的石油天然气若采用储气罐进行存储则存在较大的安全风险，当下国内一般采用地下储气库进行气态石油天然气的存储，国内存在较多已经开采完毕的废弃油井，可直接利用废弃油井作为储气库使用。

液态的石油天然气从国外采购后先进行气化操作，随后将呈气态的石油天然气注入储气库内，加压封存，当需要使用时，则从储气库内输出，在储气库入口处会设置流量计，以测量流量的实时数据，现阶段的流量计通常只能支持单相单一方向计量使用，即只能测量输入或者输出时的流量情况，无法满足储气库实际工况条件下的计量需要。

公告号为CN 209027597 U的中国专利，公开了一种双向流量测量差压式文丘里管流量计，通过转动套接在两侧轴承外侧壁之间的调节环，并通过螺栓配合均匀开设在环状凹槽左右两侧的螺孔和均匀焊接在调节环左右两侧的连接板，对调节环的角度进行固定，以达到自由调节连接在支撑环与调节环之间的取压管角度的目的，无需转动流量计即可调节与取压管连接的差压变送器的角度，有效提高工作效率。

上述技术方案实现了流量的双向测量，但是类似上述文丘里管的节流元件，只能针对于单相介质进行测量，当气态的石油天然气注入储气库时，在该过程中可以确保介质为单一气相，由于在废弃油井可能还有一定的石油天然气残留，或者水等液态介质的存在，使得在石油天然气输出时，不在是单一的气相介质，如果继续用上述方法测量，流量的准确性较低。

多相流体是工业生产中经常遇到的一种流体形态，它是由两种或两种以上具有明显界面的物相组成的，包括气/液、液/固、气/固、液/液两相流，以及气/液/液、气/液/固、液/液/固、液/固/固、气/固/固多相流等。在工业过程、生命科学、自然界等各个领域存在着大量的两相流及多相流测量问题。

油气工业中，油气井产物同时包含液相原油、气相天然气以及固相砂土的气液固混合流体，业内称之为多相流。其中所述气相包括例如油气田气或任何在常温下不凝的气体，具体地有如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油气井中的水以及溶解在水相中的其它液体添加剂；所述固相包括了油气开采中混入的砂土石等固态物。如何实时准确地测量从油气井中采出的混合流体中气体、液体、固体各自的流量，是油气藏管理和生产优化所必需的基础数据。

现有技术中最常用的同时测量流体中各相体积流量的方法是伽马射线计量法，其原理是利用节流元件测量流体的总体积流量，并用双能伽马射线探测器测量三相各自的相分率，然后用总体积流量乘以各自的相分率，得到三相各自的体积流量。

现有的采用伽马探测器的流量计，其伽马探测器包括伽马射线发射器和伽马射线接收器，发射器发出的伽马射线穿过被测流体后被接收器接收，把光信号转换为电信号，经过运算得出数据。射线穿过流体后会有衰减，其公式可参考：N＝N₀e^-μX，其中N₀为发射器发出的射线数，N为接收器接收到的射线数，X为发射器到接收器的距离，μ为流体的线性吸收系数。

射线穿过被测流体，有时会发生反射，反射后偏离原路径的射线就是衰减掉的。但有时，这部分射线多次反射后，一部分反射的射线又会进入接收器，由于这部分射线衰减的能量强度不标准，就会使接收器的电信号产生误差。

为了减小误差的产生，现有技术中常在接收器前设置准直器，进行遮挡，使得只有原路径发射过来的射线才能被接收，其他路径散射过来的射线会被遮挡。如公告号为CN101762613B的中国专利，公开了一种用于X射线检查的探测器和准直器的组合装置及方法，包括多个探测器；弧形支撑臂架，沿弧线方向设有贯通内外侧的缝隙；和栅格准直器，包括多个栅格。多个探测器沿弧线方向安装在弧形支撑臂架的外侧，栅格准直器沿弧线方向安装在弧形支撑臂架的内侧，相应的探测器与相应的栅格通过弧形支撑臂架的缝隙沿指向弧形支撑臂架的圆心的方向对准。根据本发明的组合装置能够提高栅格准直器的效率及可靠性，另外也能够解决探测器模块不能独立于栅格准直器进行拆装的问题。

但是准直器的设置毕竟不便，需要和探测器组合拆装，维修不便，探测器本身的能量分辨率也并没有提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光量子探测系统及其计算方法以及采用该系统的光量子多相双向流量计，探测器的分辨率高，探测精度更高。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种光量子探测系统，包括设置于节流元件两侧的发射器和探测模块，所述发射器为光量子源，用于发射光量子；节流元件用于流体通过，发射器和探测模块位于节流元件喉部段的两侧；所述探测模块为探测器阵列，包括多个排布为矩阵形式的探测单元，每个探测单元用于接收穿过节流元件后的光量子；所述的探测单元为CZT半导体探测器。

节流元件的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里、孔板或喷嘴之类的节流器件，将其直径最小处称为喉部，当流体流经节流器件时，在其上游与喉部之间就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。

发射器发出的光量子穿过节流元件及其中的流体，被探测模块接收，即可根据测得的数据计算流体的体积流量及流体中各相的相分率。

常用的几种半导体探测器，如sipm等，与闪烁晶体相异，半导体辐射探测材料要求载流子迁移率大以实现快速响应，同时又要求半导体禁带宽度大以减小热电流，实现室温探测。为此，要求半导体材料同时具有较宽的能带和能隙，一般来说，只有在高原子序数的半导体材料中才能实现。同时，由于伽玛射线与原子的作用通常随原子序数的增加而增强，高原子序数的半导体材料也会具有更高的探测效率。

硅材料具有的原子序数较低，因而适合低能射线的探测，用作高能射线探测则探测器材料的厚度必须大于厘米量级才能保证探测效率；高纯锗和砷化擦具有中等大小的原子序数，因而可以用于高能射线的探测，但探测材料的厚度也要达到厘米量级，精度不够；至于碘化钠、碘化汞和碘化铅，则由于原子序数相差较大，载流子的迁移率非常低，因而是闪烁晶体的候选材料，不太适合做半导体光电子探测器。

本发明采用的CZT半导体探测器即碲锌镉(CdZnTe)，具有较高的原子序数，因而探测材料的厚度可以达到毫米量级；碲锌镉通过加入Zn原子，使高原子序数的半导体材料CdTe的物理化学性能实现可控的裁减，比如禁带宽度的增减，载流子迁移率和寿命的提高，极化效应的消除和化学稳定性的提高等，从而使CdZnTe成为性能优异的室温半导体核辐射探测器材料。

CZT半导体探测器由于其可达到毫米量级，因此每个探测单元的体积很小，可以只接收发射器发射路径上的光量子，避免其他散射的光量子进入，提高精度。

同时，CZT半导体探测器的其能量分辨率高，可达～1KeV的精度，很适合用来探测10KeV～500KeV的光子。如一个探测单元预设接收100KeV的光子，那么只有100KeV±1KeV的光量子才能计入该探测单元的有效计数，其他能量的光子都会被筛选掉而不被计入。这样就有效防止了一些散射的光子进入探测单元，因为散射的光子其能量必然要低不少。

采用CZT半导体探测器，也就无需在探测器之前使用准直器来遮挡散射的光子，结构更加简单，光量子计数率高，从而探测精度也更高。

优选的，所述的光量子源发射的是发散的宽束光量子粒子。

现有技术中，由于设置准直器，所以必须是窄束光与之配合。窄束光相当于只测量了穿过介质的一条线，只是取样性测量，数据不够准确，有误差。而宽束光当于多个窄束光的集合，光线可以覆盖介质所在的整个截面，计算后可以取平均值，数据更加准确。

优选的，所述的光量子源采用¹³³Ba。¹³³Ba放射出的光量子具有三个主要能级，分别为31keV、81keV、356keV；由于其天然发出的三种能量的光量子之间的强度比值是固有且恒定的，非人力所能改变，且不受任何外在温度、压力变化的影响，可以给本发明计量公式的求解带来极大的稳定性和精度。

优选的，所述探测单元为2*2mm的CZT半导体探测器。

通过上述技术方案，毫米级的探测单元，可以准确接收光量子源发射路径上的光量子，其他散射过来的光量子进入2*2mm的CZT半导体探测器的几率很小，加上CZT探测器很高的光量子能量分辨率识别(对于100keV光量子，能量分辨率好于1％)，保证探测器的精度。

优选的，所述探测器阵列为由X*Y个探测单元组成的矩阵，所述光量子源发出的光量子穿过所述节流元件喉部段所在的截面后，均能被探测器阵列接收。

通过上述技术方案，在安装时对光量子源和探测器阵列进行布置，使光量子源发射的光量子可以对节流元件喉部段所在的截面进行全面覆盖，使得光量子可以全面穿过流经该截面的多相流体，并被节流元件另一侧的探测器阵列接收到，对流体进行全面的检测，使测得的数据相比于仅部分光量子穿过截面来说更加精确。

探测单元之间如此布置更加紧密，可以接收到每个光量子，不会有遗漏，测量更加精确。例如方形矩阵，每行每列的探测单元数量相同，且相邻探测单元之间没有间隙，探测器矩阵呈方形排列更加容易计算。探测单元的数量X*Y可以根据实际需要设置，比如4*4、6*6、8*8。

本发明还提供了一种光量子探测系统的计算方法，包括以下步骤：

a)通过以下公式来计算流体某一特定方向气、液两相的相分率α_gas、α_liquid：

N_X＝N_oe^-d·p·ν (1)

式(1)中，N₀为光量子源某一特定能量在某一特定方向发出的光量子数，这些光量子没有经过被测介质，即空管计数；N_X为相对应的探测单元接收到的通过被测介质的光量子数，即实时测量值；d为该光量子在介质中路径的长度，为己知量；ρ为被测介质密度；ν为被测介质对光量子的线性质量吸收系数；

其中

ρ·v＝α_gas·ρ_gas·ν_gas+α_liquid·ρ_liquid·v_liquid (2)

式(2)中，α_gas为体积含气率，α_liquid为体积含液率，并且

α_gas+α_liquid＝1 (3)

通过式(1)、(2)、(3)，即可计算得出测量截面某一特定方向气、液两相相分率两个未知量α_gas和α_liquid的值；

再根据相对应的光量子在介质中路径的长度di为权重计算整个测量截面的平均相分率和的值；

上式中，D为介质所在管道的直径，di为每个光量子在穿过管道时的路径长度，α_gasi为每个光量子穿过介质时测得的气相相分率，α_liquidi为每个光量子穿过介质时测得的液相相分率，从而计算出整个测量截面的平均相分率和的值；

最后求得流体的混合密度

b)通过以下公式来计算流体总体积流量

式(4)中，Q_v为总体积流量，K为节流元件测算出的常数，ΔP为节流元件测得的压差，通过上式，即可计算得出节流元件中流体的体积流量。

本发明还提供了一种光量子多相双向流量计，包括一个双向对称结构节流元件、发射器和探测模块，发射器和探测模块分别位于节流元件的喉部段的两侧，所述发射器为光量子源，用于发射光量子；所述喉部段两侧设置有多参量传感器。

通过上述技术方案，多参量传感器可以检测节流元件的流量、差压、温度、压力等数据，把多种传感器集成到一体，安装更加方便。而且同时对喉部段两侧的节流元件上进行压差检测，实现了双向检测流体的流量，便于利用废弃油井作为储气库使用的环境。

优选的，所述的探测模块为CZT半导体探测器。

优选的，所述探测模块为由X*Y个探测单元组成的矩阵，所述光量子源发出的光量子穿过所述节流元件喉部段所在的截面后，均能被探测模块接收。

优选的，所述的光量子源发射的光量子为宽束光，能量为几十～几百千电子伏/keV量级。

综上所述，本发明具有以下有益效果：采用光量子源作为发射器，发出的光子单个粒子明显，每个探测单元对单个光子进行独立测量，探测的数据更加准确；采用CZT半导体探测器阵列，体积小，能量分辨率更高，同时省去了准直器的安装，更加方便。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中探测模块的结构示意图。

图3为实施例1中光量子的路径示意图。

图4为图1的后视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

参见图1-2，一种光量子探测系统，包括设置于节流元件1两侧的发射器2和探测模块3，所述发射器2为光量子源，用于发射光量子；节流元件1用于流体通过，发射器2和探测模块3位于节流元件1喉部段11的两侧；所述探测模块3为探测器阵列，包括多个排布为矩阵形式的探测单元31，每个探测单元31用于接收穿过节流元件1后的光量子；所述的探测单元31为CZT半导体探测器。

节流元件1的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里、孔板或喷嘴之类的节流元件1，将其直径最小处称为喉部段11，当流体流经节流元件1时，在其上游与喉部段11之间就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。

发射器2发出的光量子穿过节流元件1及其中的流体，被探测模块3接收，即可根据测得的数据计算流体的体积流量及流体中各相的相分率。

本实施例采用的CZT半导体探测器即碲锌镉(CdZnTe)，具有较高的原子序数，因而探测材料的厚度可以达到毫米量级；碲锌镉通过加入Zn原子，使高原子序数的半导体材料CdTe的物理化学性能实现可控的裁减，比如禁带宽度的增减，载流子迁移率和寿命的提高，极化效应的消除和化学稳定性的提高等，从而使CdZnTe成为性能优异的室温半导体核辐射探测器材料。

CZT半导体探测器由于其可达到毫米量级，因此每个探测单元的体积很小，可以只接收发射器2发射路径上的光量子，避免其他散射的光量子进入，提高精度。

同时，CZT半导体探测器的其能量分辨率高，可达1KeV-2KeV的精度，很适合用来探测10KeV～500KeV的光子。如一个探测单元预设接收100KeV的光子，那么只有100KeV±2KeV的才能进入探测单元，其他能量的光子都会被筛选掉而无法进入。这样就有效防止了一些散射的光子进入探测单元，因为散射的光子其能量必然要低不少。

采用CZT半导体探测器，也就无需在探测器之前使用准直器来遮挡散射的光子，结构更加简单，探测精度也更高。

本实施例中，每个探测单元为2*2mm的CZT半导体探测单元31，毫米级的探测单元，可以准确接收光量子源发射路径上的光量子，其他散射过来的光量子进入2*2mm的CZT半导体探测器的几率很小，可以忽略不计，保证探测器的精度。

本实施例中，所述的光量子源发射的光量子为宽束光。

现有技术中，由于设置准直器，所以必须是窄束光与之配合。窄束光相当于只测量了穿过介质的一条线，只是取样性测量，数据不够准确，有误差。而宽束光当于多个窄束光的集合，光线可以覆盖介质所在的整个截面，计算后可以取平均值，数据更加准确。

本实施例中，光量子源采用¹³³Ba，¹³³Ba放射出的光量子具有三个主要能级，分别为31keV、81keV、356keV；由于其天然发出的三种能量的光量子之间的强度比值是固有且恒定的，非人力所能改变，且不受任何外在温度、压力变化的影响，可以给本发明计量公式的求解带来极大的便利和简化。

参见图2，本实施例中，所述探测器阵列为由X*Y个探测单元31组成的矩阵，所述光量子源发出的光量子穿过所述节流元件1的喉部段11所在截面后，均能被探测器阵列接收。

在安装时对光量子源和探测器阵列进行布置，使光量子源发射的光量子可以对节流元件1喉部段11所在的截面进行全面覆盖，使得光量子可以全面穿过流经该截面的多相流体，并被节流元件1另一侧的探测器阵列接收到，对流体进行全面的检测，使测得的数据相比于仅部分光量子穿过截面来说更加精确。

探测单元31之间如此布置更加紧密，可以接收到每个光量子，不会有遗漏，测量更加精确。例如方形矩阵，每行每列的探测单元数量相同，且相邻探测单元之间没有间隙，探测器矩阵呈方形排列更加容易计算。探测单元的数量X*Y可以根据实际需要设置，比如4*4、6*6、8*8。

实施例2：

本实施例为光量子探测系统的计算方法，包括以下步骤：

a)通过以下公式来计算流体某一特定方向气、液两相的相分率α_gas、α_liquid：

N_X＝N_oe^-d·ρ·ν (1)

式(1)中，N₀为光量子源某一特定能量在某一特定方向发出的光量子数，这些光量子没有经过被测介质，即空管计数；N_X为相对应的探测单元接收到的通过被测介质的光量子数，即实时测量值；d为该光量子在介质中路径的长度，为己知量；ρ为被测介质密度；ν为被测介质对光量子的线性质量吸收系数；

其中

ρ·v＝α_gas·ρ_gas·ν_gas+α_liquid·ρ_liquid·v_liquid (2)

式(2)中，α_gas为体积含气率，α_liquid为体积含液率，并且

α_gas+α_liquid＝1 (3)

通过式(1)、(2)、(3)，即可计算得出测量截面某一特定方向气、液两相相分率两个未知量α_gas和α_liquid的值；

再根据相对应的光量子在介质中路径的长度di为权重计算整个测量截面的平均相分率和的值；

上式中，D为介质所在管道的直径，即喉部段11的直径，di为每个光量子在穿过管道时的路径长度，α_gasi为每个光量子穿过介质时测得的气相相分率，α_liquidi为每个光量子穿过介质时测得的液相相分率，从而计算出整个测量截面的平均相分率和的值；

最后求得流体的混合密度

b)通过以下公式来计算流体总体积流量

式(4)中，Q_v为总体积流量，K为节流元件1测算出的常数，ΔP为节流元件1测得的压差，通过上式，即可计算得出节流元件1中流体的体积流量。

实施例3：

参见图4，本实施例为一种光量子多相双向流量计，包括一个双向对称结构节流元件1、光量子源2和探测器3，光量子源2和探测器3分别位于节流元件1的喉部段11的两侧，所述喉部段11两侧的设置有多参量传感器4。

多参量传感器4可以检测节流元件11的流量、差压、温度、压力等数据，把多种传感器集成到一体，安装更加方便。而且同时对喉部段11两侧进行压差检测，实现了双向检测流体的流量，便于利用废弃油井作为储气库使用的环境。

本实施例中，所述的探测器3为CZT半导体探测器3，设置与实施例1相同。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。