CN109782016B - 一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置及检测方法，首先将液体中注入具有活性的正电子核素，再将液体从测探组件的接入管注入，通过漩涡发生体，使得液体流经发生体时产生卡尔曼涡街现象，形成漩涡，进而利用γ光子检测装置对核素的正电子衰变而产生的γ光子进行探测，利用检测到的γ光子事件数的峰值谷值变化可以得到漩涡的脱落频率，从而计算出单位时间内液体通过管道的流速。本发明能够实时地、无损地在线或在位检测较为苛刻环境(如高温、高压、腐蚀、含杂质)条件下产生卡尔曼涡街现象液体的γ光子响应线，从而实现测量管道内液体流速的功能。

Description

一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置及检测 方法

技术领域

本发明涉及管道内液体流速检测技术领域，尤其是一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置及检测方法。

背景技术

正电子成像技术是核医学领域比较先进的临床检查影像技术，广泛应用于临床及基础研究。正电子成像的基本过程一般如下：使用加速器生产正电子核素，也可以使用手持式发生器如IGG100 Gallium-68 Generator生成核素；用正电子发射体对待检测载体进行标记；利用探测器探测γ光子的衰变；处理数据并得到流速的在线结果。当正电子发射核素发生衰变时，原子核通过发射正电子来除去本身多余的正电荷，以达到平衡。发生β⁺衰变过程中，一个质子放出一个正电子变为中子，释放的正电子离开原子核几个毫米内将与周围的某个负电子相结合，发生湮灭，正反物质的质量转化为纯粹的能量，根据爱因斯坦能量方程式，能量平均分配给两个相反方向运动的光子，每个光子的能量为0.511MeV。目前为止，正电子成像主要用于肿瘤、心脏病及神经和精神系统疾病的诊断，通过对成像图片的动力学和统计学分析进行病情分析与治疗；同时在固体物理、材料科学、化学等多个领域，正电子成像技术也得到了一定的应用。但是相关技术在工业领域的应用较少，更未涉及到管道内的流体流速测量。

卡尔曼涡街现象是由匈牙利裔美籍空气动力学家冯·卡尔曼最先从理论上进行阐明的，具体现象表现为在流体中安置漩涡发生体，在特定条件下漩涡发生体下游的两侧，会产生两道非对称地排列的漩涡，其中一侧的漩涡按顺时针方向转动，另一侧漩涡则按逆时针方向旋转，两侧漩涡相互交错排列，各个漩涡和相对两个漩涡的中间点对齐，如街道两侧的街灯排列。卡尔曼涡街现象的发现为工业上带来了很多成功的应用，其中以其为工作原理的涡街流量计，广泛用于工业领域流体(各类气体、液体、蒸汽等)的测量。其量程范围大，测量精度高，无可动机械零件，可靠性高，维护量小。但是，目前已有的液体流速检测方法还存在着不少问题，抗干扰性能差，震动、强电磁场、高温环境等都会影响最终的测量效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置及检测方法，能够利用γ光子检测装置检测液体通过漩涡发生体产生漩涡时的γ光子数，记录其变化的情况，对漩涡分离频率进行刻画，从而计算出液体在管道中的流速。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置，包括：漩涡发生体、探测管道和γ光子检测装置；漩涡发生体设置于检测支路中管道的中轴线方向，且位于接入管道的下游位置；探测管道包括接入管道及检测支路，检测支路包括相连的前段管道、测试管道和后段管道；接入管道的一端接入混合了正电子性核素的液体，另一端分别和检测支路的前段管道相联通，检测时注入核素混合液，γ光子检测装置用于测量涡街产生时正电子衰变的γ光子信号，记录γ光子事件。

优选的，旋涡发生体为对称、非流线型三角柱体。

优选的，前段管道、后段管道为弧形管道，测试管道为直管道。

优选的，γ光子探测器头部均设置有准直器，准直器为金属制成的金属圆环。

优选的，γ光子探测器包含一个正电子探测阵列，其探测单元个数为3*3，或是个数大于3的其他组合，正电子探测阵列位于涡街发生部位的管道外侧并尽量贴紧管道外壁进行布置。

优选的，γ光子检测装置记录正电子衰变后时产生的γ光子，注入核素的液体在流经涡街效应区，会卷入涡流造成液体活度的增加，漩涡脱落后液体的活度减小，因此可以记录过程中获得的γ光子数波动情况，根据γ光子的变化情况得到单位时间内漩涡脱落的频率，计算出液体的流速。

相应的，一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测方法，包括如下步骤：

(1)将放射性核素与待检测的液体充分混合均匀，从而制备得到带有放射性核素的液体；

(2)将带有放射性核素标记的液体由检测管道的接入管口流入，每一个检测周期，核素混合液体的注入时长为2-3秒；

(3)将管道在检测支路合适位段进行开口处理，漩涡发生体的安装位置至少距离管道口15D，其中D为管道直径，以便于在中轴线的位置处安装非流线体的漩涡发生体；

(4)核素混合液体流经漩涡发生体时，由于漩涡发生体具有非流线型、对称的截面，使得液体产生均匀的漩涡，截面的锋利边缘使得漩涡在轴线方向上同步分离，形成卡尔曼涡街现象；

(5)放射性核素在衰变的过程中发射正电子，同时与负电子结合后发生湮灭辐射，正、负电子消失，发射出2个方向相反、且能量相同的γ光子对，通过γ光子探测器进行探测，获得γ光子事件；

(6)记录一个漩涡周期时间内的单位时间内γ光子事件数据涨落的情况，根据其达到峰值谷值的时间计算间隔时间，即为漩涡的脱落频率，据此可以根据相应的计算公式得到管道内液体的流速。

优选的，步骤(5)中，放射性核素为¹⁸F-BTE，活度范围为0.5mCi/L--20mCi/L。

优选的，步骤(5)中，γ光子探测器检测到涡街效应产生的密集光子和涡街效应产生时漩涡脱落瞬间对应的稀疏光子，从而得到涡街现象发生时液体漩涡的频率。

本发明的有益效果为：(1)管道内液体工作环境恶劣时也能检测，本发明所提出的方法，被检测的液体可以处在高温或者低温下，可以是带腐蚀性的液体以及带有放射性的液体，也可以在高压环境中进行工作；(2)可以测量金属材料、复合材料等中液体的流速；放射性核素在衰变过程中发射正电子，正电子与电子碰撞时会发生湮没现象，大多数情况下，正电子—电子对湮没后产生一对互成180°的中性γ光子对；这对γ光子的穿透能力极强，穿透200mm厚的铝材能量才衰减到1％，因此可以检测金属管道内的液体流速情况；(3)使用γ光子检测装置检测管道中液体的流速，该检测过程可以不受温度、压强、电场、磁场等外界因素的干扰，即使在管道的内部也能够完成检测；使用正电子技术进行检测，对于一些不规则的管路液体测量十分有利；(4)使用正电子技术检测液体流速，可以利用涡街现象清晰地检测到漩涡生成时γ光子事件数的变化情况，更有利于监测液体在密封管道内的运动情况。

附图说明

图1为本发明中三角柱体旋涡发生体结构示意图。

图2为本发明中旋涡发生体的安装结构示意图。

图3为本发明放射性核素β+衰变产生正电子原理示意图。

图4为本发明中探测管道安装结构示意图。

图5为本发明工艺管道中涡街现象产生示意图。

图6为本发明的工作流程示意图。

其中，1、注入核素液体；2、原子核；3、γ光子对；4、漩涡发生体；5、工艺管道管壁。

具体实施方式

一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置，包括：漩涡发生体、探测管道和γ光子检测装置；漩涡发生体设置于检测支路中管道的中轴线方向，且位于接入管道的下游位置；探测管道包括接入管道及检测支路，检测支路包括相连的前段管道、测试管道和后段管道；接入管道的一端接入混合了正电子性核素的液体，另一端分别和检测支路的前段管道相联通，检测时注入核素混合液，γ光子检测装置用于测量涡街产生时正电子衰变的γ光子信号，记录γ光子事件。

一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测方法，包括如下步骤：

(1)将放射性核素与待检测的液体充分混合均匀，从而制备得到带有放射性核素的液体；

(2)将带有放射性核素标记的液体由检测管道的接入管口流入，每一个检测周期，核素混合液体的注入时长为2-3秒；

(3)将管道在检测支路合适位段进行开口处理，漩涡发生体的安装位置至少距离管道口15D，其中D为管道直径，以便于在中轴线的位置处安装非流线体的漩涡发生体；

(4)核素混合液体流经漩涡发生体时，由于漩涡发生体具有非流线型、对称的截面，使得液体产生均匀的漩涡，截面的锋利边缘使得漩涡在轴线方向上同步分离，形成卡尔曼涡街现象；

(5)放射性核素在衰变的过程中发射正电子，同时与负电子结合后发生湮灭辐射，正、负电子消失，发射出2个方向相反、且能量相同的γ光子对，通过γ光子探测器进行探测，获得γ光子事件；

(6)记录一个漩涡周期时间内的单位时间内γ光子事件数据涨落的情况，根据其达到峰值谷值的时间计算间隔时间，即为漩涡的脱落频率，据此可以根据相应的计算公式得到管道内液体的流速。

下面以工艺管道中的液体为载体液体，对其进行流速检测来举例说明：

1、液体的标记

以工艺管道中的液体为载体液体，将具有活度的放射性核素¹⁸F与待检测的液体按0.5mCi/L--20mCi/L的活度比例充分混合，制备得到放射性核素标记的液体。其中通过回旋加速器将带电粒子加速后轰击靶原子核，通过核反应获得发射正电子的放射性核素。本发明中对于放射性核素的选择需要注意：发明中对于液体可以进行实时在位测量，在试车台上进行监测或者在化工单位的管道进行在线检测，由于放射性核素的半衰期均较短，所以需要根据实际检测时间选取适合的核素；此外，考虑到实际检测中的应用，制备得到的带有核素标记的液体，需要能够溶于管道中的原始液体且不与原始液体发生化学反应而导致其固有的成分得改变，同时，核素标记的液体也需要不与管道内壁发生化学反应而影响工业安全。

2、漩涡发生体的设置

测试系统内，在核素标记液流经的管道上安装漩涡发生体，如图5所示，本发明中所述的漩涡发生体为三角柱形，该柱体具有非流线型、对称的截面，可以使得待测液体流经发生体时在其中轴线的方向上同步分离，从而产生较为强烈的卡尔曼涡街效应。根据不同的管道的实际情况，需要选择直径大小不同的漩涡发生体，为了形成便于检测的稳定的涡街现象，三角柱体的尺寸必须满足以下比例关系，如图1所示，三角柱发生体的截面直径与管道通径比例关系如下：d/D＝0.2～0.3；c/D＝0.1～0.2；b/d＝1～1.5；θ＝15。安装时要求漩涡发生体与管道的轴线垂直，即在管道的中轴线位置，同时必须保证安装管道的上游处必须具有10D以上的直管，下游处必须有5D以上的直管，如图4所示。

3、探测管道的设置

本发明提出的探测管道，需要在工艺管道上安装核素液体的接入管道以及检测支路。如图2所示，该组件的接入管道需安装在漩涡发生体上游位置，接入管道内径为5—10mm，管道上安装阀门，检测前，首先将带有核素标记的液体注入管道上方储液罐中，标记后的液体活度控制在0.5mCi/L--20mCi/L的范围中，检测时，打开阀门，核素标记液体注入检测管道中，液体注入时间维持2至3秒钟，然后关闭阀门，该过程可反复进行多次，以保证测量结果的准确性。

4、γ光子探测装置

γ光子探测装置用于对工业管道内标记有核素的液体流速进行检测。如图3所示，放射性核素在衰变的过程中发射正电子，并与负电子发生湮没事件，产生一对方向相反、互成180°的中性γ光子对，通过γ光子探测装置探测并记录γ光子事件。

本发明中对于γ光子，采用一个γ光子探测器组件进行探测，如图5所示，探测器的放置于漩涡发生体下游产生漩涡的位置，贴近检测管道进行安装。每个探测元件由闪烁晶体以及位置倍增型光电倍增管(PS-PMT)组成，前者在被光子撞击时发出可见光，再经由光电倍增管将这种闪烁转化为足够大的电信号，进行进一步处理。同时，为了进一步提高效率还可以采用准直器分别将γ光子探测器包裹起来，准直器内径0.07m，厚5mm，其作用是减少噪声的干扰，降低散射的影响，提高探测的准确性。

5、漩涡的γ光子事件获取方式

本发明中γ光子探测元件接受到放射性核素衰变产生的γ光子之后，产生一个定时脉冲，对产生的脉冲进行甄别，挑选瞬时符合线路探测一个时间常数很小的时间窗(一般小于2ns)，同时落入该时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的γ光子对，由于液体流经漩涡发生体，会产生有规律的、形状清楚的漩涡，标记有放射性核素的液体形成漩涡之后，通过对γ光子对进行检测，记录一个漩涡产生周期内γ光子事件的个数。

得到一个周期时间内γ光子事件的个数之后，计算得到γ光子事件个数数值的峰值与谷值的时间间隔，即为一个漩涡的脱落时间，通过记录4-5个周期的时间间隔取平均值，即得到标记有放射性核素的液体流经漩涡发生体产生涡街效应时的漩涡分离频率，进而根据以下公式计算得到工艺管道内的液体流速。

其中，u为漩涡发生体两侧液体平均流速(m/s)；d为漩涡发生体的特征宽度；K为常系数；m为漩涡发生体两侧弓形面积与管道内横截面积之比。本专利中选用的漩涡发生体的截面直径与检测管道的直径之比为0.25，可计算得到m的值，进一步得到：

u＝mdf/K

可以根据得到的漩涡脱落频率，可以计算出液体流经管道时的平均流速。

综上，该方法可以用来检测任意管道内的流体的平均流速，而不受恶劣的工业现场环境的影响。

Claims (7)

1.一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置，其特征在于，包括：漩涡发生体、探测管道和γ光子检测装置；漩涡发生体设置于检测支路中管道的中轴线方向，且位于接入管道的下游位置；探测管道包括接入管道及检测支路，检测支路包括相连的前段管道、测试管道和后段管道；接入管道的一端接入混合了正电子性核素的液体，另一端和检测支路的前段管道相联通，检测时注入核素混合液，γ光子检测装置用于测量涡街产生时正电子衰变的γ光子信号，记录γ光子事件；

γ光子探测器包含一个正电子探测阵列，其每行每列探测单元个数为3*3，或是个数大于3的其他组合，正电子探测阵列位于涡街发生部位的管道外侧并尽量贴紧管道外壁进行布置；

γ光子检测装置记录正电子衰变时产生的γ光子，注入核素的液体在流经涡街效应区，会卷入涡流造成液体活度的增加，漩涡脱落后液体的活度减小，因此可以记录过程中获得的γ光子数波动情况，根据γ光子的变化情况得到单位时间内漩涡脱落的频率，计算出液体的流速。

2.如权利要求1所述的基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置，其特征在于，旋涡发生体为对称、非流线型三角柱体。

3.如权利要求1所述的基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置，其特征在于，前段管道、后段管道为弧形管道，测试管道为直管道。

4.如权利要求1所述的基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测装置，其特征在于，γ光子探测器头部均设置有准直器，准直器为金属制成的金属圆环。

5.一种基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将放射性核素与待检测的液体充分混合均匀，从而制备得到带有放射性核素的液体；

(2)将带有放射性核素标记的液体由检测管道的接入管口流入，每一个检测周期，核素混合液体的注入时长为2-3秒；

(3)将检测管道在检测支路合适位段进行开口处理，漩涡发生体的安装位置至少距离检测管道口15D，其中D为检测管道直径，以便于在中轴线的位置处安装非流线体的漩涡发生体；

(4)核素混合液体流经漩涡发生体时，由于漩涡发生体具有非流线型、对称的截面，使得液体产生均匀的漩涡，截面的锋利边缘使得漩涡在轴线方向上同步分离，形成卡尔曼涡街现象；

(5)放射性核素在衰变的过程中发射正电子，同时与负电子结合后发生湮灭辐射，正、负电子消失，发射出2个方向相反、且能量相同的γ光子对，通过γ光子探测器进行探测，获得γ光子事件；

(6)记录一个漩涡周期时间内的单位时间内γ光子事件数据涨落的情况，根据其达到峰值谷值的时间计算间隔时间，即为漩涡的脱落频率，据此可以根据相应的计算公式得到检测管道内液体的流速。

6.如权利要求5所述的基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测方法，其特征在于，步骤(5)中，放射性核素为¹⁸F-BTE，活度范围为0.5mCi/L--20mCi/L。

7.如权利要求5所述的基于正电子技术及涡街现象的液体流速检测方法，其特征在于，步骤(5)中，γ光子探测器检测到涡街效应产生的密集光子和涡街效应产生时漩涡脱落瞬间对应的稀疏光子，从而得到涡街现象发生时液体漩涡的频率。

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