DE3145046C2

DE3145046C2 - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen einer Darstellung der räumlichen Verteilung einer Flüssigkeitsströmung innerhalb einer Hohlkörperstruktur

Info

Publication number: DE3145046C2
Application number: DE3145046A
Authority: DE
Inventors: Michael Rowling Dr. Edgbaston Birmingham Hawkesworth; Peter Antony Eabry Redland Bristol Stewart; Roger Christopher Dr. Yate Bristol Witcomb
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-11-15
Filing date: 1981-11-12
Publication date: 1985-08-29
Also published as: DE3145046A1; FR2494446B1; JPH0123080B2; FR2494446A1; US4746795A; JPS57111414A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen einer Darstellung einer Strömungsmittelströmung innerhalb eines Hohlkörpers. Ein mit dem Strömungsmittel verträgliches radioaktives Markierungsisotop wird in das Strömungsmittel injiziert und die von diesem ausgehende Strahlung wird mittels außerhalb des Hohlkörpers angeordneter Detektoren erfaßt, um Intensität und Richtung der Strahlung darstellende Signale zu erzeugen. Die Detektorausgangssignale werden hinsichtlich der beim Durchgang durch die Hohlkörperwand auftretenden Dämpfung aufgrund von Dämpfungssignalen kompensiert, die aus einer zuvor erzeugten Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers und seiner Werkstoffe abgeleitet wird. Aus nicht relevanten Richtungen kommende Signale werden nicht berücksichtigt. Die kompensierten Detektorausgangssignale werden zur Erzeugung einer Anzahl von Schichtebenen-Tomogrammen verwendet, aus welchen ein Bild einer beliebigen gewünschten Schnittebene rekonstruiert werden kann. Das Bild kann unter gleichzeitiger Darstellung eines Schnittbildes des Hohlkörpers in der betreffenden Schnittebene erzeugt werden, das aufgrund der Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers hergestellt wird. Die Injektion des radioaktiven Markierungsisotops und die Auswertung der Detektorausgangssignale können pulsierend erfolgen, um ein stroboskopartiges Bild zu erhalten, das Messungen der Strömungsgeschwindigkeit erlaubt.

Description

Triebwerk eingeleitet werden kann, während ein Ventil 22 die weitere Zufuhr des Trägermediums absperrt.

Zwei Mehrfachdraht-Proportionalzähler 23 sind auf einem Schlitten 24 montiert, der das Triebwerk teilweise umgreift und in Richtung der Triebwerksachse längs des Triebwerks verfahrbar ist. Die Proportionalzähler sind außerdem relativ zum Schlitten um die Triebwerksachse herum bewegbar, so daß sie in der jeweils günstigsten Position zum Empfang der beim radioaktiven Zerfall des eingebrachten Isotops entstehenden Strahlung positioniert werden können.

Die von den Zählern erzeugten Signale können unmittelbar an eine Signalverarbeitungseinrichtung 25 weitergeleitet werden, um eine Realzeitdarstellung der Ölströmung zu erhalten, oder die Signale können, was zu bevorzugen ist, aufgezeichnet und in einem Speicher 26, beispielsweise auf Magnetband oder einer Magnetplatte, für eine spätere Verarbeitung gespeichert werden.

Eine weitere Eingangssignalquelle für die Signalverarbeitungseinrichtung 25 stellt eine Speichereinrichtung 28 dar, in welcher eine Darstellung der räumlichen Struktur des Triebwerks und dessen Werkstoffe, also die räumliche Werkstoffverteilung in dem Triebwerk, gespeichert ist. Wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, ist mit Hilfe dieser gespeicherten Darstellung dei räumlichen Hohlkörperstruktur eine Modifizierung der Detektorausgangssignale unter Berücksichtigung der Dämpfung der Strahlung beim Durchgang durch die Triebwerkswand möglich.

Die verschiedenen Komponenten der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung werden nachstehend mehr im einzelnen beschrieben.

Isotopener/cugung

Da kurzlebige Markierungsisotope erforderlich sind, wäre es unzweckmäßig, eine Herstellung der Isotope an einer entfernten Stelle in einem Kernreaktor und einen anschließenden Transport derselben zum Untersuchungsort in Erwägung zu ziehen. Ebenso wäre es als unzweckmäßige Beschränkung der Einsatzmöglichkeilen der Untersuchungsanordnung anzusehen, wenn die Untersuchung nur am Ort eines Kernreaktors durchgeführt werden könnte.

Zwei Methoden stehen zur Ve; -jgung

Bei der einen Methode findet ein tragbarer Teilchenbeschleuniger, beispielsweise ein Zyklotron, Anwendung, wobei das Isotop unmittelbar in das zu untersuchende Objekt injiziert wird.

Diese Möglichkeit ist in einem älteren Vorschlag im Zusammenhang mit der Untersuchung von Gasströmungen beschrieben.

Bei der zweiten, zu bevorzugenden Methode zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen wird ein verhältnismäßig langlebiges Mutterisotop erzeugt, welches sich leicht in einem Isotopengenerator transportieren läßt und ein leicht abscheidbares ^-Zerfallsprodukt mit kürzerer Halbwertszeit erzeugt, das als Markierungsisotop

Das Mutterisotop wird durch Beschüß eines geeigneten Targetmaterials unter Verwendung von beispielsweise in einem Zyklotron produzierten Nuklearteilchen erzeugt und dann zwecks Aufbewahrung und Transport in einen Isotopengencrator gebracht.

In dem Isotopengenerator, der in F i g. 1 mit 11 bezeichnet ist. wird das Mutlerisotop in geeigneter chemischer Form von einem Absorbermaterial absorbiert, beispielsweise von einem Ionenaustauschharz, das in einem auf geeignete Weise abgeschirmten Behälter untergebracht ist. Das Mutterisotop zerfällt allmählich in sein Tochterisotop, das bei Bedarf mittels des durch den Behälter hindurchgepumpten Trägermediums aus dem Harz ausgespült und aus dem Behälter abgezogen wird. Da der^-Zerfall eine chemische Umwandlung vom Mutterisotop zum Tochterisotop bedingt, kann das Tochterisotop ohne Beeinträchtigung des Mutterisotops abgeschieden werden.

Die nachstehende Tafel zeigt im einzelnen die Erzeugung einer Anzahl von für die vorliegende Anwendung geeigneten Isotopen. Die beiden gegenwärtig meistversprechenden Isotope sind ⁶⁸Ga (ß⁺) und ¹¹⁰Pr (J?⁺).

	I lalbwertszeit	31 45 046	Bildungsreaktionen	10 ■
Isotop	19,3 s	Art und Energie der Emission	"•a(P.n)
'⁰C	20,3 min	ß* 1,9 MeV,/0,82 MeV (99%)	"B[p.n) ¹⁴N (p. a)	15
"C	9,96 min	ß* 1,0 MeV, keine /-Str.	^l2C(d.n)
"N	122 s	ß' 1,2 MeV, keine/-Str.	'⁴N (d, η) '⁶O (³He, λ)	20 ί
"O	1IO min	ß* 1,7 MeV, keine/-Str.	²⁰Ne (d, λ)
IH₁:	3,08 h	ß> 0,6 MeV, keine /-Str.	⁴⁵Sc (ρ, η)	25
"''Ti	68,3 min	ß⁺ 1,0 MeV, geringe/-Str.	⁶⁹Ga(p,2n)⁶⁸Ge
"Kia		ß^¥ 1,9 MeV, geringe /-Str.	_68Ge_280^_68Ga
	6,0 h		^ä8Mo(n./)"Mo 66 h Mo ^ 99ITI^q
wm_Tc	3,4 min	/140keV(90°/o)	^MIPr(p,2n)^H0NdPr
l-IOp,-	ß* 2,3 MeV, geringe/-Str.

³'^{4d 140}Pr

Die Eignung der Isotope als Markierungen hängt von den folgenden Kriterien ab:

1) P^;e Halbwertszeit des Isotops muß verhältnismäßig kurz sein. Ein praktischer unterer Grenzwert der Halbwertszeit liegt bei etwa 10 s, und wenn eine Gasströmung untersucht wird, die in die Außenluft austreten kann, sollte man mit Halbwertszeiten in dieser Größenordnung arbeiten, um eine Kontaminierung der Umgebung zu vermeiden. Wird dagegen die Strömung einer Flüssigkeit untersucht, die aufgefangen und aufbewahrt werden kann, können Isotope mit wesentlich längeren Halbwertszeiten verwendet werden. Der Begriff der relativ kurzen Halbwertszeit ist daher im Sinne eines Halbwertszeitbereiches zwischen 10 s und etwa einer Woche zu verstehen.

2) Der Energiepegel der emittierten Strahlung muß ausreichend hoch sein, damit die Strahlung die Wände des Versuchsobjekts durchdringen kann, aber er muß auch ausreichend niedrig sein, um eine differenzierte Erfassung durch die an der Außenseite des Testobjekts angeordneten Detektoren zu ermöglichen. Der untere Grenzwert der Strahlungsenergie liegt bei etwa 100 keV, während der bevorzugte Energiebereich etwa 200 keV bis 600 keV umfaßt.

3) Die Art der emittierten Strahlung ist wichtig. Viele radioaktive Zerfälle finden unter Emission von Gammastrahlung und/oder von Positronen statt. Wegen des größeren Auflösungsvermögens einer koinzidenzzählenden Positronenkamera gegenüber demjenigen einer Gammakamera eignet sich die Positronenkamera besser zur Strömungsanalyse von Flüssigkeiten. Außerdem beträgt der Wirkungsbereich des Positrons in der Flüssigkeit vor der Paarvernichtung nur einen Bruchteil eines Zentimeters, so daß sich der Ursprung eines Positronen emittierenden Zerfalls in Flüssigkeiten genauer bestimmen läßt als bei der Strömungsanalyse von Gasströmungen. Infolgedessen ist es bei der praktischen Anwendung zur Sirömungsuntersuchung einer Flüssigkeit als wesentliches Erfordernis anzusehen, daß das Markierungsisotop ein Positronen emittierendes Isotop ist.

4) Weder das Markierungsisotop noch das Trägermedium dürfen zu einer nennenswerten schädlichen Reaktion mit den Bestandteilen des zu untersuchenden Strömungsmittels im Versuchsobjekt neigen, und auch hinsichtlich der Dichte müssen das Markierungsisotop und das Trägermedium mit dem untersuchten Strömungsmittel vereinbar sein.

5) Die erforderliche Aktivität des Markierungsisotops, d. h. die Anzahl der Emissionen pro Zeiteinheit, hängt in hohem Maße davon ab, ob flüssige oder gasförmige Strömungsmittel zu untersuchen sind, weiter von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Versuchsobjekts, von der Dauer der Untersuchung, von der Materialdicke, welche von der Strahlung bis zum Erreichen der Detektoren zu durchdringen ist, und von der Halbwertszeit des gewählten isotops. Versuche haben gezeigt daß die erforderliche Gesamtaktivität bei einer typischen Untersuchung zur sichtbaren Darstellung einer Flüssigkeitsströmung mit einer Strömungs- ^M geschwindigkeit von 30 m/s bei einer zu durchdringenden Stahldicke von 50 mm etwa 10 Ci betragen soll. Derart hohe Aktivitätspegel sind erforderlich, um ein verbessertes räumliches Auflösungsvermögen bei maschinenbautechnischen Anwendungen zu ergeben, und sind also sehr viel größer als die in der medizinischen Technik verwendeten Aktivitäten, woraus besondere Probleme resultieren. Die Auswahl eines geeigneten Isotops für eine bestimmte Untersuchung wird stets einen Kompromiß zwischen den oben erläuterten Gesichtspunkten darstellen.

Strahlungserfassung

Bei den Detektoren 23 handelt es sich um Mehrfachdraht-Proportionalzähler. Derartige Detektoren sind an sich bekannt und werden daher nicht näher beschrieben. Jedoch wird bezüglich Konstruktion und Arbeitsweise eines geeigneten solchen Detektors, der als positronenempfindlicher Neutronendetektor bekannt ist, aul die unter der Nummer 20 00 632 A veröffentlichte britische Patentanmeldung verwiesen.

Die von dem Markierungsisotop emittierten Positronen zerstrahlen bei Kollision mit Elektronen in öl unter Paarvernichtur.g in zwei Photonen, die gleichzeitig in entgegengesetzten Richtungen emittiert werden. Die Detektoren siiid auf gegenüberliegenden Seiten des Triebwerks angeordnet, so daß sie derart positioniert sind,

ίο daß sie die entgegengesetzt gerichteten Photonen aufnehmen können. Die Detektoren liefern die Koordinaten ankommender Photonen, und indem die elektrische Schaltung der Detektoren so ausgelegt wird, daß sie nur bei koinzidentem Empfang von Photonen Ausgangssignale erzeugen, sind diese Ausgangssignale charakteristisch für die Richtungen der durch Paarvernichtung entstehenden Photonen. Diese richtungsdarstellenden Ausgangssignale werden weiterverarbeitet und ergeben eine Vielzahl von Tomogrammen, aus denen sich für jede beliebige Schnittebene des Versuchsobjekts ein Bild rekonstruieren läßt.

Eine typische Kamerabelichtung für ein gutes Bild liegt bei 1 mCis pro Volumenelement (1 ml) des Versuchsobjekts. Innerhalb des gesamten interessierenden Photonenenergiebereichc beruht die Dämpfung sowohl in Körpergewebe als auch in Metall hauptsächlich auf dem gleichen Vorgang, nämlich der Compton-Streuung. Folglich ist bei der maschinenbautechnischen Anwendung der Radioisotopenabbildung für die gleiche äquiva-

lente Objektdicke, den gleichen Isotop-Detektor-Abstani und die gleiche Bildauflösung die gleiche Belichtung wie in der medizinischen Technik erforderlich. Folglich muß eine stabile und gleichförmige Strömungslinie mit einem markierten Querschnitt von 1 cm² und einer mittleren spezifischen Aktivität von 1 Ci/ml während einer Meßdauer von 10³ s aufrechterhalten werden.

Die in die Strömung injizierte Gesamtaktivität hängt daher also auch von der Strömungsgeschwindigkeit ab.

Da der Detektorabstand bei einem Gasturbinentriebwerk größer als in der medizinischen Technik ist, ist es bei solchen Anwendungen erforderlich, Detektoren mit viel größerer Detektorfläche oder Isotope viel höherer Aktivität zu verwenden. Gegenwärtig ist es möglich, Mehrfachdraht-Proportionalzähler in der Größe von 50 cm χ 100 cm Aufnahmefläche herzustellen, was die Verwendung nur zweier solcher Zähler ermöglicht. Für eine größere Auflösung kann jedoch eine zylindrische Anordnung hergestellt werden, welche den untersuchten

jo Bereich vollständig umschließt.

Es ist jedoch zu bemerken, daß, da Positronen vorwiegend am Ende ihrer Reichweite zerstrahlen, die in Flüssigkeiten nur einen Bruchteil eines Zentimeters beträgt, die obige Technik im allgemeinen zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen Anwendung findet, während eine Gammakamera hauptsächlich für Untersuchungen von Gasströmungen zweckmäßig ist, für welche gegenwärtige Methoden ungeeignet sind.

Bildrekonstruktion

Die Bildrekonstruktion erfolgt durch die Bildverarbeitungseinrichtung 25, die einen Computer 30 und eine Sichtanzeigeeinheit 31 umfaßt. Eine Benutzerstation 32 dient zur Übermittlung von Instruktionen an den Computer, und eine Aufzeichnungseinheit 33 ist zum Aufzeichnen der Bilder vorgesehen.

Die zur Bildrekonstruktion bei Untersuchungen unter Verwendung einer Positronenemissionstechnik erforderlichen grundsätzlichen Algorithmen sind auf dem Gebiet der Medizin allgemein eingeführt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Ein typischer Algorithmus ist der ART-Algorithmus, der in einem Artikel mit dem Titel »A Tutorial on ART (Algebraic Reconstruction Techniques)« in »Transactions on Nuclear Science of the IEEE« (Institute of Electrical and Electronic Engineers), Band NS-21 vom |uni 1974, Seiten 78 bis 93, beschrieben ist.

Der Computer empfängt die Detektorausgangssignale und erzeugt eine Anzahl von Schichtcbenen-Tomo-

grammen, welche das interessierende Volumen innerhalb des Versuchsobjekts erfassen. Die normale Computerrechenoperation ist derart modifiziert, daß die Metalldicke oder sonstige Materialdicke, die von den Photonen zu durchdringen ist, berücksichtigt werden kann. Dazu wird eine gespeicherte Darstellung der räumlichen Strukturverteilung des Triebwerks und der Werkstoffe des Triebwerks hergestellt.

Diese Darstellung der räumlichen Strukturverteilung ist in der Speichereinrichtung 28 gespeichert, bei welcher es sich um einen besonderen Computer handelt und die als Teil der Bildverarbeitungseinrichtung betrachtet werden kann. Die Darstellung wird im Speicher des Computers unter Verwendung einer Standard-Bitmatrix und dem zugehörigen Programm aufgebaut, oder alternativ dazu kann ein Lichtstift oder eine andere Eingabeeinrichtung Anwendung finden.

Auf diese Weise wird eine Darstellung des gesamten Materials im Triebwerk, weiches den untersuchten Teil des ölsystems umgibt, aufgebaut und jedes Materialelement wird entsprechend seiner Strahlungsdämpfungseigenschaf ten codiert

Die grundsätzlichen Schritte bei der Herstellung dieser Darstellung der räumlichen Materialstruktur des Versuchsobjekts sind folgende:

1. Der Computerspeicher wird in eine Anzahl kleiner Speicherelemente aufgeteilt, denen jeweils ein gedachtes Volumenelement (Voxel) des den zu untersuchenden Teil des ölsystems enthaltenen Triebwerksvolnmens zugeordnet ist Diese Technik ist auf dem Gebiet d τ Computerdarstellungen allgemein bekannt.

2. In jedem Speicherelement, welchem ein entsprechendes Volumenelement zugeordnet ist, ist ein Code gespeichert, beispielsweise eine Null zur Darstellung leeren Raumes.

J. Aus einer Zeichnung des Triebwerks wird der UmriUc'.nes MeUiI 11 ei Is. beispielsweise des deliiliises. niif eino Hitniiiirix gezeichnet und in den, den betreffenden Volumenelenienten zugeordneten Speicherelementen wird cir· Code gespeichert, der die Diimpfungseigenschaften der betreffenden Volumcnelcniente darstellt. Wenn ein Teil des Triebwerks bezüglich der Triebwerksachse symmetrisch ist, wird es zweckmäßigerweise nur in Linienform dargestellt und der Computer angewiesen, diese Darstellung um 360" zu drehen, um ein Rolationskörpcrvolumcn zu erzeugen und die den betreffenden Volumenelementen zugeordneten Speicherelemente mit den entsprechenden Dämpfungseigenschaften dieses Triebwerksteils zu codieren.

4. Die Struktur der übrigen Teile des Triebwerks kann ebenfalls in dieser Weise entsprechend codiert eingespeichert werden, um die Darstellung der Triebwerksraumstruktur zu vervollständigen. Gewünschtenfalls kann bei der Eingabe eine Sichtanzeige der Darstellung hergestellt werden, und Werkstoffe mit unter- to schiedlichen Dämpfungseigenschaften können dabei in der Sichtdarstellung mit unterschiedlichen Farben dargestellt werden.

Die Ausgangssignale der Detektoren 23 stellen jeweils die Emissionsrichtung eines einzigen festgestellten koinzidenten Photonenpaares dar. Jedes Signal gelangt über eine Leitung 34 zum Computer 30 und in den Triebwerksdarstellungscomputer 28.

Der Computer 30 kann als aus drei Funktionseinheiten aufgebaut angesehen werden, nämlich aus einer Dämpfungssignaleinheit 30a, einer Signalmodifikationseinheit 30b und einer Tomogrammerzeugungs- und BiIdj-^j^Q^sjfsjl^*}οπ5£iPheit 30» Für 'edes Richtiin^ssi^nü! dss von den Detektoren 23 ^an ^»^n r^^rnnnipr 3^ πηη Ηρπ Computer 28 aogegeben wird, übermittelt der Computer 28 dem Computer 30 über eine Leitung 35 die Codes, die in denjcn.^en Speicherelementen gespeichert sind, welchen die von der durch das Signal dargestellten Richtung durchdrungenen Volumenelemcnten zugeordnet sind. Die Dämpfungssignaleinheil 30a des Computers 30 summiert die vom Computer 28 empfangenen Codes zwecks Erzeugung eines Dämpfungssignals, welches die mittlere Dämpfung darstellt, die ein Photonenpaar bei Emission in der durch das Detektorausgangssignal dargestellten Richtung erfährt.

Bevor jedoch die Codes an den Computer 30 übermittelt wurden, stellt der Computer 28 fest, ob die durch das Signal dargestellte Richtung überhaupt durch einen öl enthaltenden Raum des Triebwerks hindurchverläuft. Falls ja, werden die Codes in der oben beschriebenen Weise übermittelt, falls jedoch nein, beispielsweise wenn das festgestellte koinzidente »Phctonenpaar« in Wirklichkeit nicht durch die gleiche Positron-Elektron-Paarvernirhtung entstanden ist, werden stattdessen Null-Codes übermittelt.

Die Modifizierungseinheit 30b des Computers 30 modifiziert dann das über die Leitung 30 empfangene Detektorausgangssignal zwecks Kompensation der Dämpfung, indem es das Signal mit einem Dämpfungskompensationsfaktor in Form der Größe des Dämpfungssignals kombiniert, um so ein dämpfungskompensiertes Detektorausgangssignal zu erzeugen.

Die Bildrekonstruktionseinheit 30c des Computers 30 verarbeitet dann die dampfungskompensierten Detektorausgangssignale (unter Addition der Dämpfungskompensationsfaktoren für jede einzelne Richtung zur Ableitung einer Resultierenden der festgestellten dampfungskompensierten Radioaktivität in dieser Richtung) aufgrund eines Tomogramm-Rekonstruktionsalgorithmus, beispielsweise des oben erwähnten ART-Algorithtnus, zur Erzeugung einer Anzahl von Schichtebenen-Tomogrammen. Diese Tomogramnr: können im Aufzeichnungsgerät 33 gespeichert werden.

Aufgrund der Kombination der Maßnahmen der Dämpfungskompensation der Detektorausgangssignale und der Nichtberücksichtigung der unechten Strahlungsrichtungen entsprechenden Detektorausgangssignale erreichen diese Tomogramme eine wesentlich höhere Qualität, als dies sonst möglich wäre.

Aufgrund einer über die Benutzerstation 32 eingegebenen Benutzeranfrage rekonstruiert der Computer 30 n< an sich bekannter Weise aus den Schichtebenen-Tomogrammen ein Bild in jeder beliebigen, vom Benutzer vorgeschriebenen Schnittebene und zeigt dieses Bild auf der Sichtanzeigeeinheit 31 an. Dieses Bild kann ebenfalls in der Aufzeichnungseinheit 33 gespeichert werden.

In manchen Anwendungsfällen kann es ausreichen, nur ein oder mehrere Tomogramme sichtbar anzuzeigen, da diese eine höhere Auflösung haben als dies bisher möglich war, ohne daß notwendigerweise daraus ein Bild rekonstruiert zu werden braucht.

Die Sichtdarstellung der Triebwerksölströmung auf der Sichtanzeigeeinheit 31 kann weiter dadurch verbessert werden, daß in Überlagerung damit ein entsprechendes Triebwerksschnittbild (beispielsweise aus der im Computer 28 gespeicherten Triebwerksdarstellung) in der betreffenden Schnittebene dargestellt wird.

F i g. 2 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung eines Stroboskopeffekts in der mittels der Anordnung nach F i g. 1 erzeugten Darstellung. Das Ventil 22 in der Leitung 16, durch welche das Trägermedium von der Pumpe zugeführt wird, wird mittels eines Elektromagneten oder einer anderen, nicht gezeigten geeigneten Vorrichtung schwingend betätigt, so daß im Injektor 17 eine pulsierende Strömung erzeugt wird. Die Steuerung der Impulsfrequenz erfolgt durch einen Regler 42, der außerdem ein Steuersignal an eine Torsteuereinheit 43 in der Signalleitung zwischen den Detektoren 23 und der Bildverarbeitungseinrichtung 25 übermittelt. Durch Pulsieren des Ventils 22 mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der öffnungs- und Schließfrequenz der Torsteuereinheit 43 ist, kann die Darstellung auf der Sichtanzeigeeinheit 33 stroboskopartig erfolgen, so daß eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit der Ölströmung vorgenommen werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Verfahren zum Erzeugen einer Darstellung der räumlichen Verteilung einer Flüssigkeitsströmung innerhalb einer Hohlkörperstruktur, wobei

a) ein mit der Flüssigkeit verträgliches radioaktives Markierungsisotop in die Flüssigkeit injiziert wird,

b) die von dem Markierungsisotop emittierte Strahlung an mehreren Meßstellen außerhalb der Hohlkörperstruktur mittels einer Detektoreinrichtung erfaßt wird, weiche der festgestellten Strahlung entsprechende Ausgangssignale erzeugt, und

Il io c) aus den Detektorausgangssignalen eine Darstellung der Strömung innerhalb der Hohlkörperstruktur

H rekonstruiert wird,

^ dadurchgekennzeichnet, daß

Ρ 15 d) eine Darstellung der räumlichen Werkstoffverteilur;g und Werkstoffarten der Hohlkörperstruktur er-

U zeugt,

% e) aus dieser Darstellung der Hohlkörperstruktur zu den Ausgangssignalen der Detektoreinrichtung je-

f weils ein der Strahlungsdämpfung durch die Materialstruktur entsprechendes Dämpfungssignal abgelei-

% tet und

;ä 20 f) die Darstellung der Strömung innerhalb des Hohlkörpers aufgrund der zur Kompensation der Strah-

s§ lungsG3!npfur.g beim Durchdringen der Hohlkörperstruktur mittels der Dämpfungssignale modifizier-

■3 ten Detektorausgangssignale erzeugt wird.

v} 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der Strömung aufgrund der

jri 25 modifizierten Detektorausgangssignale in Form einer Mehrzahl von wahlweise auf einem Anzeigebildschirm

i'| wiedergebbaren Tomogrammen erzeugt wird.

Ä| 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von auf einem Anzeigebild-

ψ schirm darstellbaren Bildern der Strömung in beliebigen Schnittebenen die Tomogramme unter Verwendung eines Bildrekonstruktionsalgorithmus rekonstruiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Darstellung der Strömung ai'rfi eine sichtbare Darstellung der Hohlkörperstruktur, die aus der erzeugten Darstellung der räumlichen Hohlkörperstruktur gewonnen wird, auf dem Anzeigebildschirm dargestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung einer Darstellung der räumlichen Honlkörperstruktur das Aufzeichnen dieser Hohlkörperstruktur auf eine Bitmatrix und das Einspeichern der Informationen aus dieser Bitmatrix in einen Computerspeicher umfaßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorausgangssignale vor deren Modifikation und vor der Erzeugung der Darstellung der Strömung in einem Speicher gespeichert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Injizieren des Markierungsisotops in die Flüssigkeit pulsierend erfolgt und daß die Detektorausgangssignale synchron mit der pulsierenden Injektion des Markierungsisotops torgesteuert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß als Markierungsisotop ein Positronen emittierendes Isotop verwendet wird und daß als Detektoreinrichtung Positronenkameras mit Mehrfachdraht-Proportionalzählern zur Erfassung des jeweils koinzidenten Auftretens zweier entgegengesetzt gerichteter Photonen verwendet werden, in welche die Positronen jeweils beim Zusammentreffen mit einem Elektron unter Paarvernichtung zerstrahlen, wobei die Detektorausgangssignale Anzahl und Richtung der Photonen darstellen.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Untersuchung einer Flüssigkeitsströmung in einem Gasturbinentriebwerk.

10. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch

a) eine ein mit dem Strömungsmittel verträgliches radio?ktives Markierungsisotop liefernde Isotopenquel-Ie(Il),

b) Mittel (17) zum Einleiten des radioaktiven Markierungsisotops in das Strömungsmittel,

c) eine außerhalb des Hohlkörpers (10) anzuordnende Detektoreinrichtung (23) zum Erfassender von dem Isotop emittierten Strahlung und zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die Stärke und Richtung der

empfangenen Strahlung darstellen,
d) Mittel (28) zur Erzeugung einer Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers (10) und dessen Werkstoffe,
e) Mittel (30a,) zur Erzeugung von Dämpfungssignalen, welche die Dämpfung der durch die Hohlkörpcrwand hindurchdringenden Strahlung darstellen,

f) Mittel (30i^zur Modifizierung der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung in Abhängigkeit von den Dämpfungssignalen zur Erzeugung dämpfungskompensierter Ausgangssignale, und

g) Mittel (30ς) zur Erzeugung einer Darstellung der Strömung innerhalb des Hohlkörpers aufgrund der dämpfungskompensierten Ausgangssignale.

I1. Einrichtung nach Anspruch 10, daduich gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (23) Positronenkameras mit Mehrfachdraht-ProDortionalzählern aufweist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (28) zur Erzeugung einer Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers und dessen Werkstoffe, die Mittel (30.^ zur Erzeugung der Dämpfungssignale, die Mittel (30b) zur Modifizierung der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung, und die Mittel (30c) zur Erzeugung der Strömungsdarstellung durch einen oder mehrere entsprechend programmierbare Computer gebildet sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Erzeugen einer Darstellung der räumlichen Verteilung einer Flüssigkeitsströmung innerhalb einer Hohlkörperstruktur und eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren der in Rede stehenden Gattung ist aus der britischen Patentanmeldung GB 20 31 142 A bekannt, die eine tomographische Untersuchung der Koronargefäße des menschlichen Herzens betrifft Dieses bekannte Verfahren bezweckt, einerseits die vorhandenen Strömungswege (Arterien) selbst, deren genauer Verlauf ebenso wie die genaue Form des untersuchten Herzens nicht bekannt ist, und andererseits die Strömungsgeschwindigkeiten des Blutes in den einzelnen Strömungswegen zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird ein radioaktives Markierungsisotop in das Blut injiziert, die davon emittierte Strahlung an mehreren Meßstellen außerhalb des Körpers mittels einer Detektoreinrichtung erfaßt, die entsprechende Ausgangssignale erzeugt, und aus den Detektorausgangssignalen eine Darstellung der Blutströmung erzeugt. Diese Darstellung der Strömung wird bei dem bekannten Verfahren in Form einer räumlicher. Darstellung des StrciTiungsyolurner.s erzeugt, wobei die Hohlkörperstruktur selbst, ilso die Struktur des Herzens mit den Koronargefäßen, unberücksichtigt bleibt.

Wollte man nach diesen bekannten Verfahren Flüssigkeitsströmungen innerhalb metallener Hohlkörper, also in Maschinen und dgl. analysieren, stellt sich das Problem, daß die im Inneren der Maschine emittierte Strahlung metallene Wandstärken durchdringen müßte, die sich zu mehreren Zentimetern Dicke summieren können, und je nach Lage des betreffenden Hohlraums innerhalb der Hohlkörperstruktur aus der Sicht der einzelnen Strahlungsdetektoren der Detektoreinrichtung sehr unterschiedlich groß sein können. Die Abschwächung der gemessenen Strahlung erfolgt dabei hauptsächlich durch die Compton-Streuung, die zur Folgt hat, daß die meisten Photonen infolge der Streuung nicht entlang der erwarteten geraden Linien abgestrahlt werden. Dieser Effekt ist bei einer medizinischen Anwendung, wie es bei dem eben erörterten bekannten Verfahren der Fall ist, nur minimal.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der in Rede stehenden Gattung zu schaffen, mittels welchem Flüssigkeitsströmungen in Maschinen und dgl. untersucht werden können. Dabei ist natürlich die Hohlkörperstruktur selbst, also die Struktur der Maschine und e'er Verlauf der vorhandenen Strömungskanäle (z. B. aus Zeichnungen) genau bekannt bzw. feststellbar, und das in Rede stehende Verfahren soll Aufschlüsse über die tatsächliche Strömungsverteilung innerhalb dieser bekannten, vorgegebenen Strömungskanäle geben, wobei Richtung und Geschwindigkeit der einzelnen Strömungen von Interesse sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also vor Beginn Jer Messung eine Darstellung der Hohlkörperstruktur als solcher, nämlich eine Darstellung der Verteilung von Material und Hohlräumen innerhalb der Hohlkörperstruktur und der Dämpfungseigenschaft des jeweiligen Materials hergestellt. Damit ist aber nicht nur die Strahlungsdämpfung entlang irgendeiner beliebigen Strahlungslinie berechenbar, sondern es ist auch definitiv vorgegeben, wo überhaupt die Strömungskanäle vorhanden sind, so daß bei der Auswertung der Messung auch diesbezüglich eine Korrektur vorgenommen werden kann, indem beispielsweise Meßwerte unterdrückt werden können, die eine Strömung an einem Ort innerhalb der Hohlkörperstruktur vortäuschen, an welchem sich gar kein Hohlraum befindet, wie dies bei einer Ablenkung von Photonen um sehr große Winkel möglich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.

Anspruch 9 bezieht sich auf eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung zur Untersuchung von rlüssigkeitsströmungen, beispielsweise von Schmierölkreisläufen, in Gasturbinentriebwerken.

Eine Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfa^h' ens ist Gegenstand der Ansprüche 10 bis 12.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen innerhalb eines Gasturbinentriebwerks, und

F i g. 2 in schematischer Form eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, die eine stroboskopische Untersuchung der Flüssigkeitsströmung ermöglicht.

In F i g. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, bei welchem ein Teil des ölsystems zu untersuchen ist. Die t>0 Untersuchungseinrichtung weist einen Isotopengenerator 11 auf, welchem ein Ventil 12 und eine Pumpe 13, die über eine Bedienungskonsole 14 steuerbar sind, zur Steuerung der Strömung eines geeigneten Trägennediums zugeordnet sind. Das Trägermedium wird von einer Quelle 15 zugeführt und gelangt nach Markierung mit dem Markierungsisotop durch eine Leitung 16 in einen Injektor 17 mit einem Injektionsrohr kleiner Bohrung, der so am Triebwerk motit'ert ist, daß er das Trägermedium an einer genau definierten Stelle in das Ölsystem des Triebwerks einleitet.

Das markierte Triebw_;rksöl gelangt durch eine Ablaufleitung 18 in einen Sammelbehälter 19. Außerdem ist. eine Spüleinrichtung vorgesehen, die eine Ölquelle 20 mit sauberem öl aufweist, das durch ein Ventil 21 in das