DE3327162C2

DE3327162C2 -

Info

Publication number: DE3327162C2
Application number: DE3327162A
Authority: DE
Inventors: Paul H. Lawrenceville N.J. Us Kydd
Original assignee: HRI Inc
Current assignee: HRI Inc
Priority date: 1983-07-28
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1993-04-01
Also published as: DE3348454C2; DE3327162A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flußmeßvorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Flußgeschwindigkeit einer Flüssigkeit unter Verwendung des Mössbauer-Effekts. Es betrifft insbesondere eine Meßvorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Flußgeschwindigkeit von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten, die durch eine Rohrleitung fließen.

Es besteht ein großer Bedarf nach Instrumenten zum kontinuierlichen Messen der Flußgeschwindigkeit von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten im Kohleverflüssigungsverfahren. Es ist bekannt, daß es radioaktive Isotope von Kobalt, Eisen und anderen Elementen gibt, welche γ-Strahlen einer solchen präzisen Wellenlänge emittieren, daß es möglich ist, Doppler-Verschiebungen bei Geschwindigkeiten im Zentimeter/Sekunde-Bereich zu messen. Eine allgemeine Beschreibung des Mössbauer-Effekts und von Spektroskopiertechniken wird gegeben in "An Introduction to Mossbauer Spectroscopy", L. May, S. 1-44, Plenum Press, 1971. Die Verwendung von Mössbauer- Spektroskopiertechniken zur Analyse von pyritischen Gehalten bei Kohle und mit Kohle verwandten Proben, wie z. B. Ascherückstände, werden in Fuel, 1978, Vol. 57, S. 592-603, diskutiert. Eine weitere Information hinsichtlich der Verwendung der Mössbauer-Spektroskopieanalyse findet sich in "Analytical Methods for Coal and Coal Products", Vol. III, Kapitel 50, Academic Press, 1979, und in "Mossbauer Spectroscopy and Its Chemical Application", J. G. Stevens und G. K. Shenoy, Advances in Chemistry Series 194, Kapitel 7-9, American Chemical Society, 1981.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß derartige Metallisotope zur Messung der Flußgeschwindigkeiten von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten, die durch eine Rohrleitung fließen, herangezogen werden können. Ein Meßsystem, das sich den Mössbauer-Effekt zu Nutze macht, kann eine brauchbare Einrichtung vorsehen zum Fernmessen der Flußgeschwindigkeiten von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Flußmeßvorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit angegeben werden.

Dieses Problem wird mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst.

Während des Betriebes werden, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit der oszillierenden γ-Strahlenquelle im wesentlichen mit der Flußgeschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit mit einem Gehalt an einem γ-Strahlen absorbierenden Metallisotop übereinstimmt, die γ-Strahlen durch die Metallpartikel in der fließenden Flüssigkeit absorbiert, und diese Absorption wird durch einen γ-Strahlenzähler überwacht. Das Signal von dem γ-Strahlendetektorbeschleunigungsmesser wird verwendet zum Einschalten eines Zählmeßgerätes, welches die Vorwärtsgeschwindigkeit der Strahlenquelle überwacht. Somit wird, wenn immer die Geschwindigkeit der oszillierenden Quelle mit der der fließenden Flüssigkeit übereinstimmt, die Geschwindigkeit der oszillierenden Quelle durch das Meßgerät angezeigt, wodurch die Flußgeschwindigkeit der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit gemessen wird. Metalle, die in der fließenden Flüssigkeit enthalten sind und für welche diese Erfindung verwendet werden kann, schließen Isotope von Eisen, Nickel, Zink und Zinn ein, wobei Eisen gewöhnlich bevorzugt ist.

Aus der DE 27 26 977 A1 ist ein Verfahren zum Messen der Lage, der linearen Fließgeschwindigkeit, des Durchsatzes und des mit der Bohrlochachse eingeschlossenen Winkels einer außerhalb der Verrohrung an einem Produktionsbohrloch für Erdöl vorhandenen, unerwünschten Wasserströmung bekannt, bei dem eine Bohrlochsonde von zum Enführen in das Bohrloch geeigneten Abmessungen mit einer Quelle energiereicher Neutronen, von denen wenigstens einige für Kernreaktoren O¹⁶(n,p)N¹⁶ ausreichend hohe Energie aufweisen, und wenigstens zwei in einem gegenseitigen Längsabstand und in einem Abstand von der Neutronenquelle angeordneten γ-Strahlendetektoren auf die Meßtiefe in das Bohrloch eingefahren wird. Dann wird die Umgebung des Bohrlochs mit den von der Neutronenquelle abgegebenen energiereichen Neutronen bestrahlt. Vermittels der γ-Strahlendetektoren wird beim Zerfall des instabilen Isotops N¹⁶ entstehende Gammastrahlung entsprechend einem Anteil der außerhalb, d. h. hinter der Verrohrung vorhandenen, unerwünschten Wasserströmung aufgefangen und es werden entsprechende Zählsignale erzeugt. Die Zählsignale beider Detektoren werden in wenigstens zwei getrennte, von der verursachenden γ-Strahlungsenergie abhängige Energiesignale aufgespalten und es wird ein das Verhältnis der wenigstens zwei getrennten, energieabhängigen Signale beider Detektoren darstellendes Verhältnissignal erzeugt. Die Zählsignale beider Detektoren werden entsprechend einer ersten vorbestimmten Beziehung zur Herleitung einer Angabe über die lineare Fließgeschwindigkeit einer unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung in einer bevorzugten Richtung kombiniert. Aus den Verhältnissignalen wird entsprechend einer zweiten vorbestimmten Beziehung einer Angabe über die Radialabstände zwischen den in einem gegenseitigen Längsabstand angeordnete γ-Strahlendetektoren und der unerwünschten Wasserströmung hinter der Verrohrung hergeleitet. Bei Angabe über die lineare Fließgeschwindigkeit wird mit wenigstens einer Angabe über den Radialabstand entsprechend einer dritten vorbestimmten Beziehung zur Herleitung einer Angabe über den Durchsatz an unerwünschter Wasserströmung hinter der Verrohrung kombiniert, und aus den Angaben über die Radialabstände von den beiden Detektoren wird ein Wert für den mit der Bohrlochachse eingeschlossenen Winkel der Wasserströmung hergeleitet.

Die DE 37 19 348 offenbart ein Mössbauer-Spektrometer.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Flußmeßvorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

Eine Flußmeßvorrichtung, wie allgemein in der Fig. 1 gezeigt, wird zum kontinuierlichen Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit verwendet, wie z. B. einer von Kohle herstammenden Flüssigkeit, die in einer Rohrleitung fließt. Eine radioaktive Metallisotopquelle 10, wie z. B. Kobalt-57 oder Eisen, wird elektrisch durch das Material 11 abgeschirmt, mit Ausnahme der Öffnung 13, welche gegen die Achse des Rohrleitungsteils 14 in einem Winkel α von etwa 15 bis 80° orientiert ist. Die Metallisotopquelle 10 wird durch eine geeignete, sich hin- und herbewegende Antriebseinrichtung 16 oszilliert, wie z. B. eine Geschwindigkeitsmeßwandlereinrichtung, derart, daß die maximale Vorwärtsgeschwindigkeit der Quelle 10 die maximal zu erwartende Flüssigkeitsflußgeschwindigkeitskomponente parallel zu dem γ-Strahl übersteigt. Die Achse der Bewegung der radioaktiven Quellenöffnung 13 sollte mit der Achse der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 14 ausgerichtet und innerhalb eines Abstandes von etwa 3 bis 15 cm angeordnet sein. Die Geschwindigkeit der radioaktiven Quelle 10 wird kontinuierlich durch eine Beschleunigungsmeßeinrichtung 18, die in der Quelle 10 inkorporiert ist, und durch eine integrierende elektrische Schaltung 20 überwacht. Die γ-Strahlen von der radioaktiven Quelle 10 werden auf das Zentrum der Rohrleitung 14 fokussiert, so daß die Flußrichtung der Flüssigkeit im allgemeinen längsgerichtet ist und den Fluß geraderichtende Flügel in der Rohrleitung gewöhnlich nicht erforderlich sind.

Das Geschwindigkeitssignal von der Beschleunigungsmeßeinrichtung 18 für die oszillierende γ-Strahlenquelle 10 wird in die Zählerschaltung 20 zusammen mit einem Signal von dem γ-Strahlenabsorptionsdetektor 22 eingegeben, der auf der gegenüberliegenden Seite des Rohrleitungsteils 14 angeordnet ist und bei 24 radioaktiv von der radioaktiven Quelle 10 abgeschirmt ist. Wenn die lineare Vorwärtsgeschwindigkeit der radioaktiven Quelle 10, die durch eine Antriebsgeschwindigkeitskontrolle 26 überwacht wird, im wesentlichen mit der Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 14 übereinstimmt, werden die γ-Strahlen, die von der Quelle 10 emittiert werden, durch ein Isotop in den Eisenpartikeln 15 in der fließenden Flüssigkeit absorbiert, und eine derartige Absorption wird durch den proportionalen Zähler 28 erfaßt. Ein geeigneter proportionaler Zähler 28 kann ein Gemisch aus Krypton und Kohlendioxidgasen enthalten. Das Signal von dem γ-Strahlendetektor 22 kann zum Einschalten eines Zählers 28, der die Geschwindigkeit der Quelle 10 überwacht, und zum Anzeigen der gemessenen Geschwindigkeit im Augenblick der Absorption auf einem Meßgerät 30 verwendet werden, wodurch die Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung angezeigt wird. Wenn das Material der Rohrleitung 14 eine bekannte Konzentration an Eisen enthält, kann das elektrische Schaltungssystem so ausgelegt werden, daß feste Mengen an Eisen von der Messungsablesung ausgeschlossen wird. Alternativ kann der Teil 14a der Rohrleitung in der γ-Strahlendetektorzone, das ist der Rohrleitungsteil umgeben vom Detektor 22, aus einem Nicht-Eisenmaterial gemacht sein, wie z. B. Aluminium, Berryllium oder Kupfer. Eine Beschreibung der Mössbauer-Komponenten und -Schaltungsanordnung findet sich in "An Introduction to Mossbauer Spectroscopy", L. May, Kapitel 1 und 2, Plenum Press, 1981.

Der Bereich der Flußgeschwindigkeiten, für die die Flußmeßvorrichtung dieser Erfindung einsetzbar ist, ist nur begrenzt durch die Komponenten des Winkels zwischen der Bewegungsachse der radioaktiven Quelle 10 und der Mittellinie der Rohrleitung 14 und die praktische Beschleunigungsgrenze für die γ-Strahlenquelle 10 und überschreitet gewöhnlich nicht etwa 900 cm/sec und ist vorzugsweise 60 bis 750 cm/sec. Die fließende Flüssigkeit, deren Geschwindigkeit gemessen wird, kann auch γ-Strahlen absorbierende Isotope von anderen Elementen enthalten, wie z. B. Nickel, Zink und Zinn, die zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten mit einem Gehalt an diesen Elementen eingesetzt werden, aber Eisen ist gewöhnlich bevorzugt wegen seines bequemen Gebrauchs.

Dieses Meßverfahren bzw. die Meßvorrichtung kann in einem weiten Temperaturbereich von fließenden Flüssigkeiten eingesetzt werden, der nur begrenzt ist durch die γ-Strahlenabsorption der Metallisotopen in der fließenden Flüssigkeit und das Material der Rohrleitung 14. Brauchbare Flüssigkeitstemperaturen liegen innerhalb eines Bereiches von etwa 10 bis 540°C. Der Druck der fließenden Flüssigkeit ist nur begrenzt durch die Dicke der Rohrleitungswandung, die bis zu einer praktischen Grenze einer Dicke von 1,5 cm ansteigen kann und zusammen mit einem Rohrleitungsinnendurchmesser von etwa 5 cm und der zulässigen Beanspruchung des Materials den Arbeitsdruck der Rohrleitung bestimmt.

Claims

1. Flußmeßvorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, gekennzeichnet durch

a) eine Rohrleitung, durch welche die Flüssigkeit fließt, wobei die Flüssigkeit ein γ-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält,
b) eine radioaktive Quelle für γ-Strahlen, die benachbart zu der Rohrleitung angeordnet ist, wobei die Strahlenquelle zu der Rohrleitung hin orientiert ist und in einer Richtung bei einem Winkel von etwa 15 bis etwa 80° oszilliert zu der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit,
c) ein γ-Strahlendetektor, der benachbart zu der Rohrleitung auf einer Seite, die der radioaktiven Quelle zum Aufspühren der Gegenwart eines in der fließenden Flüssigkeit enthaltenen Metallisotops gegenüberliegt, angeordnet ist, und
d) eine elektrische Einrichtung zum Überwachen der Geschwindigkeit der oszillierenden γ-Strahlenquelle und der Metallteilchen in der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit und dadurch Messung der Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der γ-Strahlenquelle durch eine darin eingebaute Beschleunigungseinrichtung überwacht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der γ-Strahlendetektor ein proportionaler Zähler ist, der von der γ-Strahlenquelle radioaktiv abgeschirmt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oszillierende Bewegung der γ-Strahlenquelle auf elektrischem Wege vorgesehen wird durch eine Geschwindigkeitsmeßwandlereinrichtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fließende Flüssigkeit eine von Kohle herstammende Flüssigkeit ist, die Eisenverbindungen enthält, wobei die Quelle Kobalt-57 ist und das absorbierende Metall in der Kohleaufschlämmung Eisen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung, durch welche die γ-Strahlen hindurchgeht, ein Nichteisenmaterial umfaßt.

7. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, die ein Metallisotop enthält, innerhalb einer Rohrleitung unter Verwendung des Mössbauer-Effekts, gekennzeichnet durch:

a) Fließenlassen einer Flüssigkeit, die ein γ-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält, durch eine Rohrleitung,
b) Bewegen einer γ-Strahlenquelle, ausgerichtet mit der Rohrleitung in sich hin- und herbewegender Bewegung in einer zu der Rohrleitung gewinkelten Richtung und bei einer Vorwärtsgeschwindigkeit von wenigstens gleich zu der der fließenden Flüssigkeit und verursachend das Metallisotop in der fließenden Flüssigkeit, die γ-Strahlen teilweise zu absorbieren,
c) Überwachen der Vorwärtsgeschwindigkeit der γ-Strahlenquelle unter Verwendung einer Beschleunigungsmeßeinrichtung,
d) Überwachen der fließenden Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil mit einem γ-Strahlendetektor zum Aufspühren von Metallisotope enthaltenden Partikeln der fließenden Flüssigkeit und
e) Bestimmen, mit Hilfe des Beschleunigungsmessers, die Vorwärtsgeschwindigkeit der Strahlenquelle zu der Zeit, wenn die Metallpartikel in der fließenden Flüssigkeit die γ-Strahlen absorbieren, wobei die Geschwindigkeit der Strahlenquelle im wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit ist, wie die fließende Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale lineare Vorwärtsgeschwindigkeit der Strahlenquelle die Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit übersteigt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit etwa 900 cm/sec nicht übersteigt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen der fließenden Flüssigkeit 10 bis 540°C betragen.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallisotop der fließenden Flüssigkeit Eisenverbindungen sind.

12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die fließende Flüssigkeit eine von Kohle herstammende Flüssigkeit ist.

13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die γ-Strahlenquelle in einer gewinkelten Richtung von 15 bis 80° zur Rohrleitung bewegt wird.