CN108267186A - 一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法 - Google Patents

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潘志鹏
赵敏
姚敏
吴蓉
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    • G01F1/704Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/7042Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter using radioactive tracers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01P5/006Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by using a jet directed into the fluid the jet used is composed of ionised or radioactive particles

Abstract

本发明涉及一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,属于流场测量技术领域。本方法是将正电子放射性标记物注入管道中,利用放射性核素衰变放射的正电子发生湮灭作用,通过探测器阵列及相关处理电路得到管道截面正电子核素分布的断层图像,进而通过图像处理得到被测管道内流体的截面流速分布及流量信息。本发明中的正电子放射性标记物能与流体在管道中一起流动;该方法可以用于化工厂高温高压强腐蚀环境下管道流量测量领域,实现流量的在线标定。

Description

一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法
技术领域
本发明涉及一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,属于流场测量技术领域。
背景技术
在工业生产中,往往要对流量进行计量,或者想确定流体的流速,目前常用的是各种流量仪表,针对不同流体不同环境各有其优缺点。如超声波流量计是一种非接触式测量仪表,可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态,不会产生压力损失,且便于安装。可以测量强腐蚀性流体和非导电流体的流量。超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。但超声波流量计的温度测量范围不高,一般只能测量温度低于200℃的流体。抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。测量管道因结垢,会严重影响测量准确度,带来显著的测量误差,甚至在严重时仪表无流量显示。可靠性、精度等级不高(一般为1.5~2.5级左右),重复性差,使用寿命短,价格较高。
正电子是电子的反粒子,是人类发现的第一个反物质。 放射性核素发生衰变会放射出正电子,正电子进入物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电子相遇而湮没,全部质量(对应的能量为2mec2)转变成电磁辐射──湮没γ光子。50年代以来对低能正电子同物质相互作用的研究,表明正电子湮没特性同媒质中正电子—电子系统的状态、媒质的电子密度和电子动量有密切关系。随着亚纳秒核电子学技术、高分辨率角关联测量技术以及高能量分辨率半导体探测器的发展,可以对正电子的湮没特性进行精细的测量,从而使正电子湮没方法的研究和应用得到迅速发展。现在,正电子湮没技术已成为一种研究物质微观结构的新手段,而在流量测量领域尚属空白。
流体速度场及流量作为描述流体的基本物理量,它的精确测量具有尤为重要的意义。在工业管道中的流体,其同一个截面不同位置的速度往往是不同的,具有分布不均匀性,这主要是由于流动液体粘性的作用,因而管道截面的二维流场分布的获取十分重要,通过正电子湮灭技术能够重建出流体二维流速分布,进而获取流量信息。
发明内容
本发明针对现有管道流量常用测量方法,提出了一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,该方法可以实现高温高压强腐蚀环境下流量的在线标定。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,包括以下步骤:
步骤1,在管道某处两侧放置一对平行的γ射线探测器阵列;
步骤2,在步骤1处下游距离L处的管道两侧放置一对同样的γ射线探测器阵列;
步骤3,将正电子放射性标记物注入管道中;
步骤4,利用正电子湮灭方法及图像处理方法得到管道截面的流速分布及流量信息。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤1中γ射线探测器阵列采用的是平板形式,由多个探测器组成且与管道轴向垂直。
作为本发明的一种优选技术方案:所述探测器包括闪烁晶体和光电倍增管。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤3中放射性标记物根据不同管道设备及流体进行选择。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤4的具体过程如下:探测器阵列采集到正电子湮灭的符合数据,进行数据重组与图像重建,得到多个断层图像,即管道截面的正电子核素分布,进而得到流体截面的速度场,对速度场进行积分运算即管道流量值。
本发明的有益效果如下:
本发明的一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,其中放射性核素标记物可以是流体或添加剂等,并且标记物的量较少,对流场不产生扰动和破坏,测量精度高且可以工作于高温高压强腐蚀的环境下,实现流量的在线标定。
附图说明
图1为采用正电子湮灭技术测量管道流量的装置示意图,其中:1-管道;2-γ射线探测器阵列; 3-用于采集图像并对图像进行处理的计算机;4-注入标记物的流体流动方向。
图2为管道流体流速分布图,其中:1-管道;5-流线。
图3为流体横截面示意图,其中:6-等速线。
具体实施方式。
一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,是通过放射性核素标记相关物质作为正电子标记物,利用正电子湮灭作用得到管道截面的正电子分布,进而得到截面流速分布及流量信息。以下详细描述本发明的原理步骤,旨在作为本发明的实施例描述。下面结合说明书附图详细说明本发明的实施例。
图1描述了采用正电子湮灭技术测量管道流量的示意图,包括被测管道1,γ射线探测器阵列2,用于采集图像并对图像进行处理的计算机3。γ射线探测器阵列采用的是平板形式,由多个探测器组成,每个探测器包括闪烁晶体和光电倍增管组成,探测器采用块状探测结构,许多块结构组成一个探测器阵列。放射性核素在管道中发生衰变释放正电子,正电子与负电子子结合发生湮灭辐射,产生两个具有511kev,飞行方向相反的γ光子,这两个光子的产生具有同时性以及几乎以相反的方向飞出,这使得可以通过两个相对放置的探测器,利用符合一致技术对它们进行探测,即通过2个相对的探测器阵列进行符合测量。晶体将高能光子转换为可见光,晶体后的光电倍增管将光信号转换成电信号,电信号再被转换成时间脉冲信号,符合线路对每个晶体脉冲信号的时间耦合性进行检验判定,排除其它来源射线的干扰,经运算给出正电子的位置。γ射线探测器阵列的每块晶体与对面的一块晶体都有符合关系,形成一组符合线,所有符合线的交集部分决定了PET(正电子发射计算机断层成像)的径向视野 (FOV),凡在此视野内发生的湮灭辐射所产生的两个光子不能“同时”(在同一时间窗内)射到同一晶体条上,这种不要屏蔽型准直器而是依靠两个光子的特殊方向和符合电路来实现准直的方法,被称为“电子准直”。如果在规定的时间窗内,探测器探测到两个互成 180 度的光子时,即为一个符合事件,湮没点就在发生闪光的两个晶体块之间的连线上,形成符合响应线,符合响应线记录在存储器中。由于两个光子在体内的路径不同,到达各自探测器的时间也有一定差别,由此可计算出湮没点在符合响应线上的位置。符合电路系统进行符合测量产生原始数据,通过计算机系统完成数据采集,数据重组与图像重建。
图2描述了管道中流体的速度分布,在工业管道中的流体,其同一个截面不同位置的速度往往是不同的,具有分布不均匀性,这主要是由于流体粘性的作用,中间速度快,两边速度小,其在管道中流动时具有抛物线型的速率分布。
图3描述了流体的横截面示意图,其等速线是一些同心圆,即管道截面的速度场分布呈同心圆,每个圆上流体流速相等且垂直于圆面方向,因而在管道内流动的流体被剥成了数个同心圆筒,一层套着一层,各层以不同速度向前运动。
如图1所示,放射性核素标记物注入管道中后,随着流体一起流动,放射性核素发生衰变并释放出正电子,正电子发生湮灭释放出γ光子,经过第一对γ射线探测器阵列时,通过相应的符合数据采集、重组与图像重建,得到管道截面的一组瞬时断层图像,即正电子核素的截面分布,经过第二组γ射线探测器阵列时,同样可得到一组断层图像。对这2组图像进行相关性处理,可以得到管道截面不同位置的速度,即管道截面的速度场。而管道流量是对速度场的积分。经过上述图像处理与积分计算单元后实时显示流量信息,从而实现了管道流量的在线标定。

Claims (5)

1.一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1,在管道某处两侧放置一对平行的γ射线探测器阵列;
步骤2,在步骤1处下游距离L处的管道两侧放置一对同样的γ射线探测器阵列;
步骤3,将正电子放射性标记物注入管道中;
步骤4,利用正电子湮灭方法及图像处理方法得到管道截面的流速分布及流量信息。
2.根据权利要求1所述的一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,其特征在于:步骤1中γ射线探测器阵列采用的是平板形式,由多个探测器组成且与管道轴向垂直。
3.根据权利要求2所述的一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,其特征在于:所述探测器包括闪烁晶体和光电倍增管。
4.根据权利要求1所述的一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,其特征在于:步骤3中放射性标记物根据不同管道设备及流体进行选择。
5.根据权利要求1所述的一种采用正电子湮灭技术测量管道流量的方法,其特征在于:步骤4的具体过程如下:探测器阵列采集到正电子湮灭的符合数据,进行数据重组与图像重建,得到多个断层图像,即管道截面的正电子核素分布,进而得到流体截面的速度场,对速度场进行积分运算即管道流量值。
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