CN109119176A - 利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置及方法 - Google Patents

利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置及方法 Download PDF

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Abstract

利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置及方法，属于多相流动测试技术领域；该装置分两部分，可视化部分与γ射线密度计部分；可视化部分包括有机玻璃段与高速摄像机；γ射线密度计部分包括γ源，铅罐，计数器系统，环状装置和移动平台。铅罐用于放置γ源并对γ射线束准直；计数器系统由γ射线探测器，数字成型能谱仪主机，和仪器供电电源组成，用于探测γ射线，对射线信息处理与储存，进而得到流体空泡份额。环状装置实现对管道的360度测量，移动平台保证了对管道不同位置快速方便的测量，管道上的有机玻璃管段实现了两相流型的可视化；该发明能够真实反映管道内气液两相流空泡份额，对多项流系统的监测具有重要的实际应用价值。

Description

利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置及方法
技术领域
本发明属于多相流测试技术领域，具体涉及利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置及方法。
背景技术
气液两相流动的空泡份额会直接影响到核动力装置的流动传热特性，是核反应堆热工水力研究重点之一。而且反应堆冷却剂的空泡份额还会影响反应堆的操控，因此，空泡份额的测量对核反应堆的安全运行有着重要的意义。
影响空泡份额的因素很多，其中流型是很重要的一个因素，在不区分流型的情况下很难选择合适的计算空泡份额的模型。空泡份额的测量除较新颖的光学探针测量方法外比较常用的技术为可视化技术或者射线衰减技术，但是可视化方法的缺点是没有精确的分类标准，另外拍摄的图像也常常令人困惑且难以说明。而只使用射线衰减方法对空泡份额进行研究时，对影响最大的因素流型又无法分析。所以，单纯的一种测量方法都缺乏对比。
射线衰减技术利用X或γ射线通过气相和液相时衰减规律的不同来推断流体的空泡份额。这种方法响应速度快，准确度高，是快速可靠测量气液两相流体空泡份额的有效方法。目前利用射线测量气液两相流空泡份额的方法存在各种不足，且无法与可视化结合有效结合起来。
例如，文献(沙宏玮,赵可人,杨晓和,等.用γ射线衰减技术测量两相流中空泡份额精度的试验研究[J].原子能科学技术,1986,(3):362-367)公开了一种用γ射线衰减技术测量两相流中空泡份额的研究。在设置放射源-模拟装置-探头之间位置状态时，应该特别注意，以防止模拟装置中部分流道空间未被射线穿过而造成误差。所以经过准直后的射线束外围最好与流道外壁相切，使测量误差最小。但若使用该文章提出的测量方法，在改变位置时则需重新调整位置状态，使用起来不方便。
又例如，文献(雷祖志,朱丁盛,景良福.用γ射线法测定低压低流速汽-液两相流空泡份额的试验研究[J].核动力工程,1990,(4):35-43)公开了一种利用γ射线测定低压低流速气液两相流空泡份额的方法，γ射线源和探测器固定在能前后上下移动的升降机工作平台上，探测器的准直器，正好对准实验本体流道，该装置实现了对实验本体不同位置的轴向测量，但缺乏无法对轴向同一位置进行周向测量。由于实验本体同一截面气泡分布不均匀与气泡形状不规则，若γ源强度有限，射线射入的方向会对测量结果产生影响，故此种方法存在缺陷。
又例如，文献(E.Nazemi,G.H.Roshani,et al.Optimization of a method foridentifying the flow regime and measuring void fraction in a broad beamgamma-ray attenuation technique[J].international journal of hydrogen energy,2016,41:7438-7444)提出了利用宽束γ射线衰减技术确定两相流体流型和测量空泡份额的方法，其特点是利用了两个探测器对穿过管道的γ射线进行测量。其利用蒙特卡洛模拟实验结果实验了人工神经网络，利用径向函数对流型进行了分类，并预测了空泡份额。但其使用范围较小，数据处理过程较慢且复杂，目前仅在小管径和流体静态流态下适用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置及方法，能够对管道轴向不同位置，同一位置不同周向的空泡份额进行快速方便测量，且管道上的有机玻璃管段可供高速摄像拍摄管道内流型，将空泡份额测量与可视化结合起来，适用范围广，测量速度快。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，包括固定台架2，可旋转的设置在固定台架2上的环状装置4，环状装置4内部穿过待测管道5，环状装置4能够以待测管道5轴线为中心旋转；环状装置4一侧固定有随环状装置4旋转的放射源铅罐1，另一侧固定有随环状装置4旋转的γ射线探测器3，γ射线探测器3属于计数器系统的一部分，计数器系统还包括与γ射线探测器3连接的数字成型能谱仪主机和仪器供电电源；放射源铅罐1中间有一个准直孔，使得γ射线通过准直孔射出，穿过待测管道5抵达γ射线探测器3；所述固定台架2放置在带滑轮7的移动平台6上，能在与待测管道5平行的导轨8上滑行，测量待测管道5轴向不同位置的两相流体的空泡份额；待测管道5测量处前即来流的上游方向有一段有机玻璃管段9，便于对待测管道5的两相流体的构型进行拍摄。
所述固定台架2主要由两个矩形对称板组成，上面有开口以放置环状装置4和供待测管道5穿过；固定台架2开口圆的半径与环状装置4外径相同，环状装置4长度与构成台架2的两个矩形对称板相隔距离相同。
所述环状装置4上端有一开口，供待测管道5穿过。
所述环状装置4上有用于标记旋转角度的圆形标记物。
所述放射源铅罐1和γ射线探测器3利用环形装置4上的焊接短管靠胶带固定在环状装置4上。
所述的利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建好所述装置，在对具体待测管道空泡份额测量之前进行本底测量，即在放射源铅罐1内不放置放射源时，利用γ射线探测器3对环境本底的放射性进行测量，以得到净计数率；
步骤2：将γ放射源放置于放射源铅罐1中，在环状装置4中未穿过待测管道5时，打开计数器系统中的γ射线探测器3和数字成型能谱仪主机，γ射线探测器3对特定的放射源产生的伽马射线进行探测，探测所得信息输入数字成型能谱仪主机中，数字成型能谱仪主机对该γ源的强度及能谱进行校核；
步骤3：标定，标定方法如下：记录待测管道5试验段内单相气和单相液的计数率，同时记录待测管道5处于不同液位刻度对应的计数率，由于此时知道单相气液的空泡份额及处于特定液位刻度时管内的空泡份额，将所述装置测得的空泡份额与已知的实际空泡份额进行对比，画出标定曲线，保证γ射线探测器3的可信度；空泡份额的测量原理及过程如下：γ射线通过放射源铅罐1的准直孔射出，穿过待测管道5抵达γ射线探测器3，γ射线探测器3产生的信号经过计数系统中的数字成型能谱仪主机处理得到能谱整个峰面积的计数率；若γ射线通过单相蒸汽、单相水和两相流的净计数率分别为Ns、Nl和Nα，则计算得到空泡份额α，α＝ln(Nα/Nl)/ln(Ns/Nl)；
步骤4：利用所述装置对待测管道5中的两相流体的空泡份额进行正式测量时，将待测管道5穿过环状装置4，γ射线探测器3测量不同流动情况下的γ粒子计数率，经过数字成型能谱仪主机处理后，计算测得待测管道内两相流体的空泡份额，同上述步骤3α＝ln(Nα/Nl)/ln(Ns/Nl)；
步骤5：在测量完管道轴向一处的空泡份额后，旋转环状装置4一定角度，对同一处截面再进行测量，多次测量求平均值，减少由于测量周向不同带来的误差；在测量轴向一处的空泡份额后，移动移动平台6至下一轴向待测管道处，使用同样方法进行测量；
步骤6：在进行步骤4与步骤5的同时，使用高速摄像机对管道上的有机玻璃管段中的流型进行拍摄，观察一定范围空泡份额下，两相流体的流型。
和现有技术相比，本发明具备如下优点：
1、本发明利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，待测管道上安装有有机玻璃管段，利用高速摄像机对管道内的两相流体的流型进行拍摄，将空泡份额测量与可视化结合起来，得到不同流型的空泡份额，解决了可视化方法没有精确的分类标准，另外拍摄的图像也常常令人困惑且难以说明，和使用射线衰减方法对空泡份额进行研究时，对影响最大的因素流型无法分析的问题。方法简单，实用，运用范围广。
2、本发明利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，固定有放射源铅罐和计数器的环状装置，可以沿待测管道轴线旋转，使得准直后的γ束可以沿周向任意方向穿透试验段并被γ射线探测器采集到，可减少由于待测截面气泡分布不均匀，气泡形状不规则，和可能存在的管道径向厚度不同带来的测量误差。且由于放射源-模拟装置-探头之间位置状态固定，在正确固定这三者的空间位置后，可以防止由于测量位置改变，需要重新安置这三者的位置，导致上述三者相对位置改变而致待测管道中部分流道空间未被射线穿过而造成误差。本发明使得测量两相流体的空泡份额时可以方便改变测量位置，并且测量精度可以得到很好的保证。
3、本发明的γ射线密度计部分的测量装置放置在一个移动平台上，移动平台可沿与待测管道平行的轨道移动，可以很方便地测量待测管道不同轴向位置的空泡份额。
4、本发明使用由γ射线探测器，数字成型能谱仪和仪器供电电源组成计数器系统，对管道内两相流体的空泡份额进行测量，在测量时计数器系统处理数据的速度快，且计数的精度高。
附图说明
图1为本发明装置的三维示意图。
图2为本发明装置的左视图。
图3为本发明装置的俯视图。
图中，1为放射源铅罐，2为固定台架，3为γ射线探测器，4为环状装置，5为待测管道，6为移动平台，7为滑轮，8为导轨，9为有机玻璃管段。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式对本发明作详细的说明：
如图1、图2和图3所示，γ放射源放置在带有准直孔的放射源铅罐1内，放射源铅罐1利用环形装置4上的焊接短管靠胶带固定在环状装置4上，γ射线探测器3使用上述同样方法固定在环状装置4上，环形装置4放置在固定架2上。固定台架整体放置于移动平台6上，可依靠滑轮7在导轨8上移动。待测管道5穿过固定架2开口和环状装置4开口放置于固定架2开口下部圆形处。待测管道5测量处前即来流的上游方向有一段有机玻璃管段9，便于对待测管道5的两相流体的构型进行拍摄。
具体实施步骤如下：
步骤1：按照附图1搭建好本发明装置，在对具体待测管道空泡份额测量之前进行本底测量，即在放射源铅罐1内不放置放射源时，利用γ射线探测器3对环境本底的放射性进行测量，以便得到净计数率。
步骤2：将γ放射源放置于放射源铅罐1中，在环状装置4中未穿过待测管道5时，打开计数器系统中的γ射线探测器3和数字成型能谱仪主机，γ射线探测器3对特定的放射源产生的伽马射线进行探测，探测所得信息输入数字成型能谱仪主机中，数字成型能谱仪主机中的软件对该γ源的强度及能谱进行校核。
步骤3：标定，标定方法如下：记录待测管道5试验段内单相气和单相液的计数率，同时记录待测管道5处于不同液位刻度对应的计数率，由于此时知道单相气液的空泡份额及处于特定液位刻度时管内的空泡份额，将所述装置测得的空泡份额与已知的实际空泡份额进行对比，画出标定曲线，保证γ射线探测器3的可信度。空泡份额的测量原理及过程如下：γ射线通过放射源铅罐1的准直孔射出，穿过待测管道5抵达γ射线探测器3，γ射线探测器3产生的信号经过计数系统中的数字成型能谱仪主机处理得到能谱整个峰面积的计数率，若γ射线通过单相蒸汽、单相水和两相流的净计数率分别为Ns、Nl和Nα，则空泡份额α为α＝ln(Nα/Nl)/ln(Ns/Nl)。
步骤4：利用本发明装置对待测管道5中的两相流体的空泡份额进行正式测量时，将待测管道5穿过环状装置4，γ射线探测器3测量不同流动情况下的γ粒子计数率，经过数字成型能谱仪主机处理后，计算测得待测管道内两相流题的空泡份额，同上述步骤3为α＝ln(Nα/Nl)/ln(Ns/Nl)。
步骤5：在测量完管道轴向一处的空泡份额后，旋转环状装置4一定角度，对同一处截面再进行测量，多次测量求平均值，减少由于测量周向不同带来的误差(包括气泡分布不均匀，气泡形状不规则，管道径向厚度不均匀等引起)。在测量轴向一处的空泡份额后，移动移动平台6至下一处待测管道处，使用同样方法进行下一次测量。
步骤6：在进行步骤4与步骤5的同时，使用高速摄像机对管道上的有机玻璃管段9中的流型进行拍摄，观察一定范围空泡份额下，两相流体的流型。
在测量完空泡份额后，对不同流型的对应的空泡份额范围进行分析，在获得空泡份额的同时获得流型结构。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，其特征在于：包括固定台架(2)，可旋转的设置在固定台架(2)上的环状装置(4)，环状装置(4)内部穿过待测管道(5)，环状装置(4)能够以待测管道(5)轴线为中心旋转；环状装置(4)一侧固定有随环状装置(4)旋转的放射源铅罐(1)，另一侧固定有随环状装置(4)旋转的γ射线探测器(3)，γ射线探测器(3)属于计数器系统的一部分，计数器系统还包括与γ射线探测器(3)连接的数字成型能谱仪主机和仪器供电电源；放射源铅罐(1)中间有一个准直孔，使得γ射线通过准直孔射出，穿过待测管道(5)抵达γ射线探测器(3)；所述固定台架(2)放置在带滑轮(7)的移动平台(6)上，能在与待测管道(5)平行的导轨(8)上滑行，测量待测管道(5)轴向不同位置的两相流体的空泡份额；待测管道(5)测量处前即来流的上游方向有一段有机玻璃管段(9)，便于对待测管道(5)的两相流体的构型进行拍摄。
2.根据权利要求1所述的利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，其特征在于：所述固定台架(2)主要由两个矩形对称板组成，上面有开口以放置环状装置(4)和供待测管道(5)穿过；固定台架(2)开口圆的半径与环状装置(4)外径相同，环状装置(4)长度与构成台架(2)的两个矩形对称板相隔距离相同。
3.根据权利要求1所述的利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，其特征在于：所述环状装置(4)上端有一开口，供待测管道(5)穿过。
4.利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，其特征在于：所述环状装置(4)上有用于标记旋转角度的圆形标记物。
5.利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置，其特征在于：所述放射源铅罐(1)和γ射线探测器(3)利用环形装置(4)上的焊接短管靠胶带固定在环状装置(4)上。
6.权利要求1至5任一项所述的利用γ射线与可视化结合测量流体空泡份额的装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：搭建好所述装置，在对具体待测管道空泡份额测量之前进行本底测量，即在放射源铅罐(1)内不放置放射源时，利用γ射线探测器(3)对环境本底的放射性进行测量，以便得到净计数率；
步骤2：将γ放射源放置于放射源铅罐(1)中，在环状装置(4)中未穿过待测管道(5)时，打开计数器系统中的γ射线探测器(3)和数字成型能谱仪主机，γ射线探测器(3)对特定的放射源产生的伽马射线进行探测，探测所得信息输入数字成型能谱仪主机中，数字成型能谱仪主机对该γ源的强度及能谱进行校核；
步骤3：标定，标定方法如下：记录待测管道(5)试验段内单相气和单相液的计数率，同时记录待测管道(5)处于不同液位刻度对应的计数率，由于此时知道单相气液的空泡份额及处于特定液位刻度时管内的空泡份额，将所述装置测得的空泡份额与已知的实际空泡份额进行对比，画出标定曲线，保证γ射线探测器(3)的可信度；空泡份额的测量原理及过程如下：γ射线通过放射源铅罐(1)的准直孔射出，穿过待测管道(5)抵达γ射线探测器(3)，γ射线探测器(3)产生的信号经过计数系统中的数字成型能谱仪主机处理得到能谱整个峰面积的计数率；若γ射线通过单相蒸汽、单相水和两相流的净计数率分别为Ns、Nl和Nα，则计算得到空泡份额α，α＝ln(Nα/Nl)/ln(Ns/Nl)；
步骤4：利用所述装置对待测管道(5)中的两相流体的空泡份额进行正式测量时，将待测管道(5)穿过环状装置(4)，γ射线探测器(3)测量不同流动情况下的γ粒子计数率，经过数字成型能谱仪主机处理后，计算测得待测管道内两相流体的空泡份额，同步骤3所述为α＝ln(Nα/Nl)/ln(Ns/Nl)；
步骤5：在测量完管道轴向一处的空泡份额后，旋转环状装置(4)一定角度，对同一处截面再进行测量，多次测量求平均值，减少由于测量周向不同带来的误差；在测量轴向一处的空泡份额后，移动移动平台(6)至下一轴向待测管道处，使用同样方法进行测量；
步骤6：在进行步骤4与步骤5的同时，使用高速摄像机对管道上的有机玻璃管段中的流型进行拍摄，观察一定范围空泡份额下，两相流体的流型。
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