DD244632A1

DD244632A1 - DEVICE FOR DETERMINING FLOWS OF FLOWS IN FLUID MEDIA

Info

Publication number: DD244632A1
Application number: DD28475585A
Authority: DD
Inventors: Juergen Leonhardt; Michael Richter; Klaus Zieger; Deliane Traeber
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1985-12-19
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1987-04-08

Abstract

Die Erfindung eignet sich fuer die Untersuchung von Grundwasserstroemungen in Brunnen, an der Oberflaeche von Gewaessern, von Mischungsverhaeltnissen in Mischern und grossen Behaeltern sowie von Luftstroemungen und Bewegungen von Feststoffteilchen. Mit der Vorrichtung koennen die Stroemungsvektoren, d. h. Betrag und Richtung der Stroemungsgeschwindigkeit, an beliebigen Punkten im fluiden Medium ermittelt werden. Sie besteht aus drei, an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordneten ortsaufloesenden Detektoren und der dazugehoerigen Elektronik mit einem Mikrorechnersystem und einer im Schwerpunkt des von den Detektoren gebildeten befestigten Injektionseinrichtung fuer radioaktive Tracer.The invention is suitable for the investigation of groundwater flows in wells, on the surface of waters, of Mischungsverhaeltnissen in mixers and large containers and of air currents and movements of solid particles. With the device, the flow vectors, i. H. The magnitude and direction of the flow velocity can be determined at any point in the fluid medium. It consists of three spatially resolving detectors arranged at the corners of an equilateral triangle and the associated electronics with a microcomputer system and a radioactive tracer injection device fixed at the center of gravity of the detectors.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Strömungsvektoren (Betrag und Richtung der Strömungsgeschwindigkeit) an beliebigen Punkten in fluiden Medien. Sie eignet sich für die Untersuchung von Grundwasserströmungen in Brunnen, von Strömungsverhältnissen an der Oberfläche von Gewässern, von Mischungsverhältnissen in Mischern und großen Behältern (z. B. in Kläranlagen) sowie von Luftströmungen in großen Räumen und von Bewegungen von Feststoffteilchen (z. B. im Wirbelbett).The invention relates to a device for determining flow vectors (amount and direction of flow velocity) at arbitrary points in fluid media. It is suitable for the investigation of groundwater currents in wells, surface water flow conditions, mixing ratios in mixers and large containers (eg in sewage treatment plants), as well as of air flows in large rooms and of motions of solid particles (eg. in a fluidized bed).

Characteristic of the known technical solutions

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Gasen und Flüssigkeiten in Rohrleitungen werden neben den bekannten herkömmlichen verfahren auch radioaktive Tracer eingesetzt. So wird z. B. die Laufzeit des Tracers, der sich zusammen mit dem strömenden Medium bewegt, für eine bekannte Strecke, die von zwei stromab liegenden Meßpunkten begrenzt wird, ermittelt (z.B. W. Hartmann, „Meßverfahren unter Anwendung ionisierender Strahlung", Leipzig 1969, S. 1029-57). Bei der sogenannten Injektionsmethode mit konstanter Geschwindigkeit wird die Durchflußpumpe Q aus der bekannten, als konstant angesehenen Tracergeschwindigkeit q und aus den Impulsraten am Ort der Injektion des Tracers C₁ und einem zweiten, stromab gelegenen Ort C₂ ermittelt: Q = q (CiZc₂). Es ist aber auch möglich, daß die Impulsrate C₂ über die Zeit integriert wird:To determine the velocity of gases and liquids in pipelines, radioactive tracers are used in addition to the known conventional methods. So z. Example, the duration of the tracer, which moves together with the flowing medium, for a known distance, which is bounded by two downstream measuring points, determined (eg W. Hartmann, "Measurement method using ionizing radiation", Leipzig 1969, p. In the so-called constant velocity injection method, the flow rate pump Q is determined from the known tracer speed q considered to be constant and from the pulse rates at the tracer C ₁ injection site and a second downstream location C ₂ : Q = q (CiZc ₂ ), but it is also possible that the pulse rate C _{2 is integrated} over time:

P = A · < C₂ · dt (Brit. Nucl. Energy Soc. 3 [1964] 252). Die Geschwindigkeitsmethode beinhaltet die Durchführung von Verweilzeitmessungen. Sie wird z. B. in Kernkraftwerken eingesetzt, um Lecks im Kühlkreislauf zu bestimmen. Dazu wird die zu untersuchende Strömung radioaktiv markiert und mit entlang der Strömungsrichtung angebrachten Detektoren verfolgt (VDI-BerichteNr.254[1976]).P = A · <C ₂ · dt (Brit Nucl. Energy Soc., 3 [1964] 252). The speed method involves performing residence time measurements. It is z. B. used in nuclear power plants to determine leaks in the cooling circuit. For this purpose, the flow to be examined is radioactively labeled and followed with detectors mounted along the flow direction (VDI-BerichteNr.254 [1976]).

Zur Bestimmung der Grundwassergeschwindigkeit und Grundwasserströmungsrichtung mittels radioaktiverTracer werden die Einbohrloch- und Zweibohrlochmethode eingesetzt (Neue Bergbautechnik 13 [1983] Heft 1.). Beide beruhen ebenfalls auf dem Prinzip der Geschwindigkeitsmethode, d. h. der Durchführung von Verweilzeitmessungen. Beide Methoden erlauben jedoch nur die Registrierung der Strömung in einer Richtung. Um bei der Einbohrlochmethode die Strömungsrichtung feststellen zu können, werden unterhalb und oberhalb der Injektionsstelle im Bohrloch Detektoren angeordnet. Das gestattet aber nur eine teufenorientierte Messung der vertikalen Strömungsrichtung. Seitliche Zu- oder Abflüsse werden nicht erfaßt; sie können nur über Massenbilanzen erkannt werden.For the determination of the groundwater velocity and groundwater flow direction by means of radioactive tracers, the one-hole and two-hole method are used (Neue Bergbautechnik 13 [1983] Heft 1.). Both are also based on the principle of the speed method, d. H. the execution of residence time measurements. However, both methods only allow the registration of the flow in one direction. In order to be able to determine the direction of flow in the borehole method, detectors are arranged below and above the injection site in the borehole. However, this only allows a level-oriented measurement of the vertical flow direction. Lateral inflows or outflows are not detected; they can only be detected via mass balances.

Bekannt ist auch die Bestimmung von Durchflußmengen mit Hilfe einer Rezirkulationsstrecke (Lit.). Die vom Detektor am Ort des Zusammentreffens der Durtfhflußmenge Q und der Rezirkulationsmenge registrierte Impulsrate N_g8S. hängt sowohl von der eingesetzten Aktivität A als auch von der Durchflußmenge Q ab: N_ges = F(A/Q). Der Proportionalitätsfaktor F ist die Detektorempfindlichkeit, deren Ermittlung jedoch oft schwierig ist. Auch dieses Verfahren ermöglicht nur die Bestimmung von Durchflußmengen und Strömungsgeschwindigkeiten, aber nicht von Strömungsrichtungen bzw. das Auftreten von Zu- oder Abflüssen.Also known is the determination of flow rates by means of a recirculation line (Lit.). The pulse rate N _g8S registered by the detector at the place of meeting the flow rate Q and the amount of recirculation. depends both on the activity A used and on the flow rate Q: N _ges = F (A / Q). The proportionality factor F is the detector sensitivity, which is often difficult to detect. This method also allows only the determination of flow rates and flow rates, but not of flow directions or the occurrence of inflows or outflows.

Weiterhin wird die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit von Grundwasser mit Hilfe anderer Detektoren beschrieben (E.Gasparund M.Oncescu, „Radioactive Tracers in Hydrology", Amsterdam, London, New York 1972). Die Detektoren sind auf einer Kreislinie angeordnet, und der Tracer wird im Mittelpunkt des Kreises injiziert.Furthermore, the determination of groundwater flow velocity is described by other detectors (E.Gaspar and M. Oncescu, "Radioactive Tracers in Hydrology", Amsterdam, London, New York 1972) Center of the circle injected.

Schließlich wird noch eine sogenannte direkte Bestimmung der Grundwasserströmung vorgeschlagen (Atompraxis 9 [1963], 1-4): In eine die wäßrige Formation kreuzende Bohrung wird eine definierte Menge eines y-strahlenden Nuklids injiziert und die Kontamination von an den Wänden der Bohrung angebrachten Filtern gemessen.Finally, a so-called direct determination of the groundwater flow is proposed (Atomic Practice 9 [1963], 1-4): In a bore crossing the aqueous formation, a defined amount of a y-emitting nuclide is injected and the contamination of filters attached to the walls of the well measured.

Mit den bekannten Verfahren ist es nicht möglich, die örtliche Verteilung seitlicher Zu- oder Abflüsse und deren Flußraten bei der Ermittlung der Strömungsverhältnisse in Grundwasserbrunnen, Kanälen oder Rohrleitungen zu bestimmen.With the known methods, it is not possible to determine the local distribution of lateral inflows or outflows and their flow rates in determining the flow conditions in groundwater wells, channels or pipelines.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Bestimmung der Strömungsverhältnisse in fluiden Medien.The aim of the invention is the determination of the flow conditions in fluid media.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestattet, die Strömungsvektoren, d. h. Betrag und Richtung der Strömungsgeschwindigkeit, an beliebigen Punkten in fluiden Medien mittels radioaktiver Tracer zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus mindestens drei ortsauflösenden Detektoren, einer Injektionseinrichtung für radioaktive Tracer und der erforderlichen Elektronik einschließlich Mikrorechnersystem, wobei die Detektoren in einer eindeutigen räumlichen Zuordnung zueinander, z. B. in den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks, an einem GestellThe invention has for its object to provide a device which allows the flow vectors, d. H. Determine the amount and direction of the flow velocity at any point in fluid media by means of radioactive tracers. The device according to the invention consists of at least three spatially resolving detectors, an injection device for radioactive tracers and the required electronics including microcomputer system, wherein the detectors in a unique spatial association with each other, for. B. in the vertices of an equilateral triangle, on a frame

befestigt sind und die Injektionseinrichtung im Schwerpunkt des von den Detektoren definierten Raumes, also z. B. im Schwerpunkt des Prismas, angeordnet sind.are fixed and the injection device in the center of gravity of the space defined by the detectors, ie z. B. in the center of gravity of the prism are arranged.

Ist die Vorrichtung am für die Untersuchung ausgewählten Punkt des Strömungsfeldes installiert, wird eine impulsförmige Injektion eines geeigneten radioaktiven Tracers ausgelöst. Durch die Geschwindigkeitsvektoren des fluiden Mediums, die in dem von den Detektoren eingeschlossenen Volumen wirken, wird der Tracer bewegt. Die sich bildende Tracerwolke spiegelt also in seiner Bewegung das Wirken dieser Strömungsvektoren wider. Von jedem ortsauflösenden Detektor werden die ortsaufgelösten Aktivitätskurven des Tracers mittels zeitlicher Taktung in kurzen Zeitabständen registriert und im Mikrorechnersystem gespeichert. Die von den einzelnen Detektoren aufgenommenen, zeitlich und örtlich aufgelösten Aktivitätsverteilungen des Tracers werden der Auswertung zugrundegelegt.If the device is installed at the point of the flow field selected for the examination, a pulsed injection of a suitable radioactive tracer is triggered. The velocity vectors of the fluid acting in the volume trapped by the detectors move the tracer. The forming tracer cloud thus reflects in its movement the action of these flow vectors. From each spatially resolved detector, the spatially resolved activity curves of the tracer are registered by means of temporal timing at short intervals and stored in the microcomputer system. The recorded by the individual detectors, temporally and locally resolved activity distributions of the tracer are the basis of the evaluation.

Dabei wird angenommen, daß die Tracerwolke als punktförmig angesehen werden kann. (Diese Annahme ist immer dann gerechtfertigt, wenn sich das Aktivitätsmaximum bei allen Detektoren an etwa der gleichen Stelle bezüglich der Längenausdehnung der Detektoren befindet.) Es wird für jeden Zeitpunkt die Lage des Schwerpunktes der Tracerwolke bestimmt. Damit sind aber auch die Strömungsvektoren des fluiden Mediums im von den Detektoren begrenzten Volumen ermittelt.It is assumed that the tracer cloud can be regarded as punctiform. (This assumption is always justified if the maximum activity for all detectors is at approximately the same position with respect to the linear expansion of the detectors.) The position of the centroid of the tracer cloud is determined for each time point. However, this also determines the flow vectors of the fluid medium in the volume bounded by the detectors.

Ist die räumliche Ausdehnung der Tracerwolke nicht zu vernachlässigen, ändert sich zwar nichts am Prinzip der Auswertung, aber sie wird etwas kompliziert, da die entsprechenden Volumenintegrale über die einzelnen Volumenelemente der Tracerwolke berechnet werden müssen.If the spatial extent of the tracer cloud is not negligible, nothing changes the principle of the evaluation, but it is somewhat complicated, since the corresponding volume integrals must be calculated over the individual volume elements of the tracer cloud.

Als radioaktive Tracer werden vor allem kurzlebige Radionuklide in reiner Form oder in geeigneten chemischen Verbindungen eingesetzt — Voraussetzung ist vollständige Löslichkeit oder Mischbarkeit mit dem zu untersuchenden Medium.As radioactive tracers especially short-lived radionuclides are used in pure form or in suitable chemical compounds - prerequisite is complete solubility or miscibility with the medium to be examined.

Da es ortsauflösende Detektoren, insbesondere Zählrohre, mit sehr unterschiedlicher Längenausdehnung gibt (z. B. bis zu 2 m), kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihren Dimensionen den konkreten Bedingungen angepaßt werden.Since there are spatially resolving detectors, in particular counter tubes, with very different linear expansion (for example up to 2 m), the device according to the invention can be adapted in its dimensions to the specific conditions.

embodiment

Die Figur zeigt das Aufbauprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Schema zur Auswertung. Es sollen die Strömungsvektoren einer Grundwasserströmung in einem Brunnen ermittelt werden. Dazu wird eine Vorrichtung eingesetzt, die aus drei je 2m langen ortsauflösenden Xe-Proportionalzählrohren 1 vom TypPorac 100, einer Injektionseinrichtung 2 für radioaktive Tracer, der erforderlichen Elektronik und einem Mikrorechnersystem besteht. Die Zählrohre 1 sind an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet, sie schließen also ein Prismavolumen ein, in dessen Schwerpunkt sich die Injektionseinrichtung 2 befindet. Injektionseinrichtung 2 und Zählrohre 1 sind an einem Gestell befestigt. Vorverstärker, Verstärker und AD-Wandler für jeden Zählrohrausgang sowie das Mikrorechnersystem sind räumlich getrennt von den Zählrohren, können also immer außerhalb des Mediums verbleiben.The figure shows the structure principle of a device according to the invention and a scheme for evaluation. The flow vectors of a groundwater flow in a well are to be determined. For this purpose, a device is used, which consists of three per 2m long Xe Proporional proportional counters 1 type Porac 100, a device 2 for radioactive tracers, the required electronics and a microcomputer system. The counter tubes 1 are arranged at the corners of an equilateral triangle, so they include a prism volume, in the center of gravity, the injection device 2 is located. Injection device 2 and counter tubes 1 are attached to a frame. Preamplifiers, amplifiers and AD converters for each counter tube outlet and the microcomputer system are spatially separated from the counter tubes, so they can always remain outside the medium.

In die Injektionseinrichtung 2 wird als radioaktiver Tracer ^99mTc in Form eines löslichen Pertechnetats gebracht. Die Menge wird so gewählt, daß bei einer Injektion etwa 0,1 mCi Aktivität freigegeben werden. Nachdem die Vorrichtung am ersten ausgewählten Punkt im Brunnen fixiert ist, wird der erste Aktivitätsimpuls ausgelöst und die Aktivität von den Detektoren registriert. Durch zeitliche Taktung der Tracerinjektion und der Detektorabfrage — wobei die Befehle für Tracerinjektion, Start, Zählen und Speichern derzeitabhängigen Aktivitätsverteilungen nach einem festgelegten Programm vom Mikrorechnersystem automatisch erfolgen — wird die ortsaufgelöste Aktivitätsverteilung zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen und somit eine zeitliche Aktivitätsverteilung des Tracers entlang jedes Detektors erhalten. Wird, wie im Schema der Figur gezeigt, ein rechtwinkliges Koordinatensystem angelegt, ist zu sehen, daß das Aktivitätsmaximum bei allen drei Zählrohren an dergleichen Stelleder z-Achse registriert. Damit ist die Lage der Tracerwolke in z-Richtung als Funktion der Zeit bekannt. Die x- und y-Koordinaten lassen sich aus den Verhältnissen der dem Zählratenmaximum auf den einzelnen Zählrohren entsprechenden Ortskoordinaten bestimmen (der Abstand der Zählrohre voneinander wird mit a bezeichnet):In the injection device 2 is brought as a radioactive tracer ^99m Tc in the form of a soluble pertechnetate. The amount is chosen so as to release about 0.1 mCi of activity upon injection. After the device is fixed at the first selected point in the well, the first activity pulse is triggered and the activity is registered by the detectors. By timing the tracer injection and the detector interrogation - with the commands for tracer injection, start, counting and storage of presently dependent activity distributions being automatically performed by the microcomputer system according to a predetermined program - the spatially resolved activity distribution is recorded at different times and thus a temporal activity distribution of the tracer along each detector is obtained , If, as shown in the scheme of the figure, a rectangular coordinate system applied, it can be seen that the maximum activity registered in all three counter tubes on the same position of the z-axis. Thus, the location of the tracer cloud in the z-direction is known as a function of time. The x and y coordinates can be determined from the ratios of the location coordinates corresponding to the count rate maximum on the individual counter tubes (the distance of the counter tubes from one another is denoted by a):

r₂ ² Z* r₃ ² Z₁ r ₂ ² Z * r ₃ ² Z ₁

_ = _-=k₂₁ —» — = ksi_ = _- = k ₂₁ - »- = ksi

wobei Ζ, die Zählrate im örtlichen Maximum des jeweiligen Zählrohres zum Zeitpunkt T ist. Aus geometrischen Betrachtungen folgt:where Ζ, the count rate in the local maximum of each counter tube at time T is. From geometric considerations follows:

x² + y² = r,² x² + (y - a)² = r₂ ² = k₂i · T₁ ² x ² + y ² = r, ² x ² + (y - a) ² = r ₂ ² = k ₂ i · T ₁ ²

Durch Eliminieren von r^ lassen sich die gesuchten Koordinaten χ und y ermitteln. Durch Installation der Vorrichtung an verschiedenen Punkten des Brunnens können Aussagen über die existierenden Geschwindigkeitsvektoren im gesamten Strömungsfeld gewonnen werden.By eliminating r ^ , the desired coordinates χ and y can be determined. By installing the device at various points of the well, conclusions about the existing velocity vectors in the entire flow field can be obtained.

Claims

Invention claim:

1. A device for determining flow vectors in separate media, consisting of an injection device for radioactive tracers, detectors and the required electronics including microcomputer system, characterized in that at least three spatially resolving detectors are arranged in a unique spatial relationship to each other and the injection device in Center of gravity of the space defined by the detectors is located.

2. Device according to item 1, characterized in that three spatially resolving detectors are arranged in the vertices of an equilateral triangle.