Меточный радиационный способ определения расхода жидкостных потоков Советский патент 1992 года по МПК G01F1/704 

Изобретение относится к расходометрии, в частности к способу бесконтактного измерения расходов жидких материалов посредством импульсной akтивaции ионизирующим излучением, например при транспортировании жидких материалов по трубопроводам.

В расходометрии для бесконтактного измерения расходов жидких материалов, транспортируемых по трубопроводам, известны способы, использующие метод импульсной нейтронной активации и предусматривающие наличие нпульсного нейтронного генератора для кратковременной локальной активации материала, детектора гамма-излучения для регистрации гамма-излучения активированного материала, расположенного ниже по течению от места активации, и многоканального временного анализатора для по/умения временного спектра числа импульсов, поступающих от детектора гамма-излучения. Также известны аналогичные методы измерения расхода, использующие импульсную фотонную активацию.

Известны способы, использующие метод импульсной нейтронной aкtивaции, при которых с целью более равномерной активации материала по сечению трубопровода, более равномерного распределения чувствительности детектирующего устройства по сечению увеличения достоверности получаемых результатов, используют несколько нейтронных генераторов, располагаемых в месте активации по периметру, частности на противоположных сторонах трубб1провода, а несколько детектров гамма -излучения ра спола логичным образом в области детектирования метки.

этим нельзя достичь полностью равномерной активации материала по сечению, что приводит к трудноучитываемой систематической составляющей погрешности получаемых ре.зультатов. Кроме того, в этом случае Необходимо применение нескольких нейтронных генераторов и нес1 ольких детекторов гамма-излучения, что, в свою очередь, приводит к усложнению и повышению стоимости измерительной аппаратуры, а совместная работа нескольких нейтронных генераторов приводит к ухудшению радиационной обстановки в месте проведения измерений.

Наиболее близким к изобретению является способ бесконтактного измерения расхода посредством импульсной нейтронной активации, заключающийся в кратковременной локальной активации материала с помоцью импульсного нейтронного генератора, получении временного спектра числа импульсов, поступающих от детектора гамма-излучния, расположенного ниже по течению от мес.та активации, и последующей обработке полученного спектра с помощью ЭВМ. При этом для-активации материала используют четыре нейтронных генератора, расположенных в месте активации по периметру трубопровода со смещением в 90 а в области регистрации метки используют четыре детектора гамма-излучения, расположенных аналогичным образом, причем кавдый детектор соединен с входом многоканального временного анализатора..

Однако исследования равномерности активации материала по сечению трубопровода показывают, что и в этом случае не удается достичь полностью равномерной активации материала по сечению, а также создать детектирующую часть аппаратуры с равномерной чувствительностью по всему сечению трубопровода в области регистрации метки. Вследствие этого преимущественой активации подвергается материал в непосредственной близости к стенкам трубопровода, а в области регистрации метки ионизирующее излучение активированного материала, находящегося вблизи стенок трубопровода, детектируется с большей эффективностью чем ионизирующее излучение материала, находящегося вблизи центра сечения трубопровода. Так как материал в пристеночной области движется медленнее Материала, находящегося в центральной области, то на величину систематической составляющей п6гре1иности, а следовательно, и на точность получаемых результатов влияют такие трудноучитываемые факторы, как конкретный характер асимметрии степени активации материала по сечению в месте активации, а также характер асимметрии чувствительности детектирующего устройства по сечению в области регистрации метки. При этом характер асимметрии в обоих случаях зависит как от параметров самой измерительной аппаратуры, так и от .характеристик транспортируемого материала и параметров трубопровола. Таким образом, использование данного способа обуславливает наличие трудноучитываемйй систематической составляющей погрешности и, следовательно, снижение точности получаемых результатов, Цель способа - повышение точности а условиях неравномерной пространственной активации потока. Поставленная цель Достигается тем, что в способе определения расхо да жидкостных потоков, при котором создают импульсным источником ионизи рующего излучения радиоактивную метку в потоке, регистрируют радиоактив Ное излучение метки детектором, рас положенным ниже по потоку, фиксируют изменение во времени средней часто ты следования импульсов с выхода детектора и находят значение величины расхода обработкой полученного временного спектра, предварительно при известной величине расхода фиксируют образцовый временной спектр, после получения рабочего временного спектра в образцовый и рабочий спект ры вводят поправку на время распада радиоактивной метки, а значение величины расхода находят путем сравнения параметров образцового и рабочего временных спектров. На фиг,1 представлена блок-схема экспериментальной установки; на фиг.2 - три типичных временных спект ра , полученные при постоянной ширине временного канала dto и значениях величин расхода QO, Qy и на фиг .3 - то же, спектры, полученные при ширинах временного канала dt, dt( и dt2 соответственно для значений величины расхода Qo Q/ и Q, и скорректированные на время распада активировавшегося изотопа. Блок-схема установки (фиг.1) включает трубопровод 1, транспортиру емую жидкостную среду 2, импульсный генератор 3 ионизирующего излучения, детектирующее устройство i с кристал лом NaJ(TI), электронную вычислитель ную машину 5 с адаптерами для управления нейтррнным генератором и ввода импульсов, поступающих с выхода детектирующего устройства (стрелка на рисунке указывает направление дви жения транспортируемого материала). 1 826 В случае установившегося ламинарного течения вязкой несжимаемой жидкости в трубопроводе постоянного сечения уравнения Навье-Стокса, описывающие движение жидкости, значительно упрощаются и распределение скоростей элементарных объемов определяется двумерным уравнением вида АУ A Const и граничным условием на контуре сечения трубопровода. Следовательно, при изменении величины А, определяемой характером изменения давления в трубопроводе и наличием распределенных объемных сил, эгнора распределения скоростей движения элементарных объемов жидкости по сечению трубопровода изменяется пропрр 1ионально изменению величинь А, так как решение уравнения . может быть из решения уравнения Ь АХ, как vtzrV - (At2/Af). Таким образом, изменение скорости течения потока означает равномерное по всему сечению растяжение или сжатие эпюры распределения скоростей. В свою очередь , растяжение эпюры скоростей в А(2/Ал раз означает увеличение расхода жидкости в трубопроводе в / раз, так как величина расхода определяется из .соотношения Q SV«dsi здесь интегрирование производится по оечению трубопровода. 8 частности, для трубопровода эллиптическогр сечения эгюра распределения скоростей определяется соотношением V (Qti( X ), здесь ху - координатная плоскость в поперечном сечении трубопровода, причем точка (, ) совпадает с осью трубопровода, а координатные оси X и у направлены вдоль осей эллипса, равных,соответственно 2«а и 2Ъ; максимальное значение величины V в сечении, а вектор V параллелен оси трубопровода. Расход материала потока определяется в этом случае по сотношению Q Const 1 . Изменение скорости течения потока означает изменение величины величины V,, до масс т.е. равномерное растяжение или сжатие в. д,дй/У/„а1;сРз эпюры распределения скоростей. В соответствующее число раз изменяется и значение величины расхода согласно соотношению Q5.Q (,) Движение элементарного объема жидкой dV описывается уравнением dr/dt V. Следовательно, основыва1ясь Ma соображениях подобия, используемых в классической механике, полу чим утберждение, согласно которому одновременное изменение величины V в k раз, а шкалы времени в 1/k приво дит к исходному уравнению, что и обуславливает подобие движения элементарного объема во времени. Таким образом, область жидкой среды W, занимавшая в момент -пространственное положение GO и переместившаяся при значении величины расхода Q,( к моменту Ц в положение R, при значе нии величины расхода Q/г. переместится из положения G, занимаемого в момен , в положение G к моменту 1/2, t (Qj,/Q,2.) т.е. примет то же прос ранственное положение по отношению к детектирующему устройству, что и в момент t4 при значении величины расхода Q,, и, следовательно, эффективность регистрации ионизирующего излучения, испускаемого областью W, в момент t при расходе Q и в момент 25 () при расходе Qg, детектирующим устройством будет одинаковой. Однако спады радиоактивности в объеме области W, наведенной в результате кратковременной активации материала в момент , будут различными в моменты t и t и определяются соотношением A(t)A exp(-la.t), где А(, - первоначальная концентрация активированногб изотопа материала, 1а постоянная распада активированного изотопа, t - соответствующий момент времени (tx или . Следовательно независимо от конкретного пространственного распределения степени активации материала и пространственного распределения чувствительности детектирующего устройства кривая этого устройства ), получа емая при прохождении активированной областью зоны чувствительности при величине расхода Qa, получается из кривой отклика FxCt) , получаемой при значении величины расхода Q, растяжением (или сжатием) ее по оси времени в Q /Q-iP умножением на вел чину exp( ) .t), т.-е. определяется соотношением F2.(t)FH( 4t):exp(-1a(1-Qe/Q)t) . Таким обра зом, если измерить отклик детектирую щего устройства F(t) первоначально при известном значении величи.ны расхода QH, а затем при неизвестном расходе Q ,2 после ввести поправку 2 посредством умножения каждого из откликов F(t) и F,(t) на exp(), то полученные скорректированные отклики будут отличаться друг от друга соответствующим растяжением или сжатием по оси времени в Q/2/Q «pa3, т.е. Fq(t).exp(1a.t)FH((Qe/Q) .t) -expCla vCQe/Qrf) t). Отклик детектирующего устройства получают посредством набора в каналы временного анализатора числа импульсов, поступающих с выхода этого устройства при прохождении активированной-областью его зоны чувствительности. Для подтверждения существования эффекта подобия, среди прочего обору дования, была использована стальная труба диаметром 60 мм, толщиной стенки 3 им и длиной 4,5 мм. Один конец трубы через регулирующий вентиль был соединен с водопррводной сетью, дру гой конец через механический счетчик количества ВКОС - с канализационной сетью. Калибровка механического счетчика была проведена следующим образом. 1 О-литровая емкость для приема воды взвешивалась перед каждым измерением. Затем при неизменном положении регулирующего вентиля она заполнялась водой через прозрачный шланг, присоединенный к выходному отверстию механического .счетчика. При этом фиксировалось время заполнения емкости посредством секундомера и производилось взвешивание 1заполненной емкости на напольных весах. По разности весов пустой и заполненной емкости определялся объем воды, поступивший в емкость, в предположении, что плотность воды в водопроводной сети составляет величину 1 г/см. По величине объема воды, нёходящейся в емкости, и измеренному времени поступления в нее этого количества воды определялась величина объемного расхода делением величины объема на время его поступления. Одновременно во время заполнения емкости водой с помощью этого же секундомера (имеющего две показывающие стрелки) измерялось время , в течение которого показания механического счетчика изменялись на велич1 1у, равную 10л. Величину объемного расхода получали делением величины изменения показаний механического счетчика на время, в течение которого это изменение произошло. Затем производилось сравне- i ние величины расхода, полученной весовыи методом и полученной с помощью механического счетчика количества. Для получения статистической оценки точности измерений описанная операци повторялась не менее трех раз. Затем величина объемного расхода изменялась посредством изменения положения регулирующего вентиля, и вся последовательность описанных действий пов торялась снова. Прозрачный шланг, со диняющий выходное отверстие счетчика количества с заполняемой емкостью, был использован для визуального конт роля отсутствия видимых воздушных включений в потоке воды, проходящей через механический счетчик. В качестве импульсного источника ионизирующего излучения был использо ван нейтронный генератор НГИ-23 с выходом нейтронов ЗЮ н/имп. Он был расположен на расстоянии 80 см от входного отверстия стальной трубы что обеспечивало в области активации практически полное затухание возмущений потока, возникающих у входного отверстия. В качестве детектирующего устройства был использован блок детектирования БДС- с переходной насадкой для использования сцинтилляционного кристалла NaJ(TI) размером бЗхбЗ мм. При этом сцинтилляционный кристалл располагался торцовой поверхностью вплотную к трубопроводу с той же стороны, с которой был расположен импульсный нейтронный генератор, и на расстоянии от него 1,1) 3,5 м в различных экспе.риментах вниз по течению. В качестве ЭВМ, осуществляющей управление импульсным нейтронным генератором, сбор и обработку информации, использовался комплекс программно-логический ГСП КМ З, построенный блоков ГСП КТС ЛИУС-2. При этом выход.блока детектирования БДС-1 был соединен через генератор импульсов Г5-5 с элементом ввода КС , входящего в состав блоков ГСП КТС ЛИУС-2 и установленного в комплексе ГСП КМ . Соединение выхода блока детектирования с элементом ввода КС З,0б через генератор импульсов rS-S было осуществлено с целью увеличения длительности импульсов, поступающих с блока детектирования до 50 МКС, что по,зволило обрабатывать последовательность этих импульсов с помощью программы, напи12 санной на языке ассемблера микропроцессора К580, Посредством программы управления и предварительной обработки, написанной на языке ассемблера, осуществлялась выдача через элемент вывода КС 35.Пб, установленного в комплексе ГСП КМ , управляющего сигнала положительной полярности величиной 5В и длительностью 10 мкс на вход управления импульсного нейтронного генератора НГИ-23./ Алгоритм измерения состоял в следующем. Начиная с момента на управляющий вход импульсного нейтронного генератора выдавалась серия управляющих импульсов с периодом еледования 0,Кс После выдачи последнего управляющего импульса осуществлялась временная задержка (пауза) длительностью от одной до нескольких секунд в различных экспериментах. По истечений времени задержки подсчитывалось число импульсов, поступивших на вход элемента ввода КС в течение интервала времени dt, полученное число отсчетов запоминалось в соответствующей ячейке памяти (в качестве запоминающего устройства использовался элемент оперативной памяти КС 5.09, установленный также в ГСП КМ 3) Затем подсчитывалось число отсчетов, поступивших в течение следующего интервала времени dt, что запоминалось в следующей ячейке памяти и т.д. В результате получался временной спектр числа отсчетов, поступивших с выхода детектирующего устройстобластью потока зоны чувствительности детектора. Для активации материала потока была использована реакция (п,р) N, период полураспада радиоактивного изотопа % равен 7,3 с а энергия гзмма-кваитов, испускаемых при распаде (основная пиния) составляет величину (),k МэВ. .Поэтому с целью уменьшения числа фоновых отсчетов, обусловленных низкоэнергетичесКИМ гамма-излучением, было снижено питающее напряжение на ФЭУ БДС-1, до уровня, когда число фоновых отсчетов составляет 1,5 имп./с (что в 100 раз ниже числа фоновых отсчетов при обычном напряжении питания блока детектирования БДС-1, равном +12В), но в то же время эффективно регистрируется гамма-излучение с энергией более. 1 1 МэВ (от источника ). Экспериментальные исследования проводились области величин объемных расходов , 250-720 смз/с. При этом, так как чис ло Рейнольдса имело значение много меньшее критического Re (при максимальной величине расхода) Re р, поток жидкости в трубопроводе являлся ламинарном. Наличие эффекта подобия псюводя следующим образом, Для значения величины расхода Qo выбиралась ширина канала временного спектра (интервал времени), равная dtO. После этого производилась импульсная локальная активация потока и набор временного спектра в память ЭВМ так, как описано выше. Процедура активации и набора временных спектров многократно повторялась, а врег менные спектры по-канально суммировались для полумения статистически хорошо обусловленного суммарного спектра. Теперь, если рассматривавмый эффект подобия имеет место в действительности, то набор аналогичного суммарного временного спектра при величине расхода Q/ и ширине канала (QO/Q, и последующее умножение числа отсчетов в каждом из каналов обоих суммарных спектров на величину exp(t,- Та). dto/dt/, где t; - время, соответствующее i-wy вре менному каналу спектра и отсчитываемое от момента начала импульсной активации потока., 1 а - постояннаяраспада активированного изотопа, приведет к тому, что оба временных спектр бyдyf неразличимы в пределах статис- тической точности эксперимента. Такие эксперименты были проделаны для различных значений QO, dto и Q rft, а также при различных расстояниях между импульсным нейтронным генератором и детектором. Так, в качестве примера на фиг.Я изображены временные спектры, полученные при следующих значениях величины расхода в трубопроводе: Qo 400 смз/с, Qi 7Й.СМЗ/С, (1 286 , и ширине временного канала равной 0,2 с. При этом детектор располагался на расстоянии 2 м от импульсного нейтронного генератора, величина задержки (паузы) составляла 1 с, а число импульсов нейтронного генератора (число управляющих импуль сов, выдаваемых на генератор НГИ-23 с целью локальной активации потока) было равно 5. При каждой величине расхода было просуммировано 50 спект-. ров. На фиг.З изображены временной спектр, измеренный при величине расхода О с шириной канала 0,2 с и умноженный по-канально на величину exp(ti 1а) (t; - время, соответствующее i-му временному каналу спектра и отсчитываемое от момента начала импульсной активации потока, 1а - постоянная распада активированного изотопа), временной спектр, измеренный при величине расхода Q 71 ширине канала dtx 0,12 с и умноженный по-канально на величину exp(ti 1a).dto/dt/j временной спектр, измеренный при величине расхода , ширине канала dte. 0,27с и умноженный по-канально на величину exp(t; 1а)dto/dt/2.« Расположение детектора задержка (пауза), число управляющих импульсов и число просуммированных Спектров при каждой величине расхода были такими же, как и в предыдущем случае (для фиг.2). Совпадение в пределах точности эксперимента всех tpex временных спектров, показанных на фиг.З служит экспериментальным подтверждением наличия эффекта подобия. В соответствии с приведенным теоретическим обоснованием такой эффект должен наблюдаться для трубопроводов любого диаметра и независимо от степени равномерности активации материала потока по сечению трубопровода. Таким образом, предлагаемый способ определения величины расхода может быть использован при любых диаметрах трубопровода. При этом неравномерность активации материала потока по сенению трубопровода не оказывает влияния на достоверность получаемых результатов, а это приводит к улучшению точности определения величины расхода. Формула изобретения Меточный радиационный способ определения расхода жидкостных потоков, при котором создают импульсным источником ионизирующего излучения радиоактивную метку в потоке, регистрируют радиоактивное излучение метки детектором, расположенным ниже по потоку, фиксируют изменение во времени

средней частоты следования импульсов с выхода детектора и находят значение величины расхода обработкой полученного рабочего временного спектра, отличающийся тем, что с целью повышения точности в условиях неравномерной пространственной активации потока, предварительно при известной величине расхода фиксируют

,,/кана/1

20

N , им г(. .- К ан ал

51эе

400

.300 2 0 0

1 0 8

020 40 60 в0

-,

образцовый временной спектр, после получения рабочего временного спектра в образцовый и рабочий спектры вводят поправку на время распада радиоактивной метки, а значение величины расхода находят путем сравнения параметров образцового и рабочего временных спектров.

(ОТО)

QO

Q2

..

flканала

ur.Z

У ..т

tXT. )

Q2 DT2

HO канала

.1^3обретение относится к измерению расходов ламинарных потоков жид-X/*Мгт^i'.; •(—'^Л-со00toк^ocти методом радиоакт'ивной метки. Цель изобретения - повышение Точности измерения. Проходящий по трубопроводу 1 поток с известным расходом Q* • жидкости а'ктйвируется радиоактивными метками с помощью нейтронного ' импульсного генератора 2. С интервалом времени dtp регистрируются импульсы детектора 3 в ячейках памяти ЭВМ *», что позволяет построить образцовый спектр расхода Q^. Аналогично .строятся спектры Q| расходов,.неизвестной величины (рабочие спектры). Расход Qi определяют умножением числа импульсов для каждого интервала времени dtj , на корректирующий множительexp(t-, tft) dtVdt,', где t; - время, соответствующее i-му интервалу времени, отсчитываемому от начала активации лотока; tg - постоянная распада активированного изотопа;^dt^ - интервал времени образцового спектра, и сравнением параметров рабочего и образцового спектров. 3 ил.