JPH09304304A - ボイド率測定装置 - Google Patents

ボイド率測定装置

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JPH09304304A
JPH09304304A JP8148104A JP14810496A JPH09304304A JP H09304304 A JPH09304304 A JP H09304304A JP 8148104 A JP8148104 A JP 8148104A JP 14810496 A JP14810496 A JP 14810496A JP H09304304 A JPH09304304 A JP H09304304A
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隆 菅
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速中性子を利用した含水素流体中のボイド
率を測定するための高精度で取扱いが簡単であり、かつ
安全性の多い測定装置の提供。 【解決手段】 (a)含水素流体が流れる配管、(b)
該配管の外側にあって配管に高速中性子を照射できる放
射線源、(c)該放射線源と対向する位置に設けられて
おり、その周囲が中性子減速材で囲まれた中性子検出器
および(d)前記配管の周囲を覆う中性子遮蔽材、より
なることを特徴とするボイド率測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、粉体や液体を含む
流体中のボイド率を測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】気液二相流のボイド率を測定する装置と
しては、例えば特開昭53−66293号公報に示すよ
うに、光学的検知器を用いて、光の透過率を測定するこ
とにより求める方法がある。この場合被検油の着色の影
響を避けるために、光源にレーザー光線を用いている。
しかし光として、レーザーを選択しても、所詮、光学的
手段においては測定対象となる液体の濁り等が測定に影
響するので、対象とする液体の状態が制限され、さらに
測定容器も測定光を透過するものに限定されるという欠
点がある。
【0003】また、放射線を用いる方法では、例えば特
開昭58−143253号公報に示すようにX線および
γ線を用いて、測定対象物による減衰率の変化より算出
する方法がある。このようにX線およびγ線を用いる方
法では、含水素流体の測定の場合、放射線透過行程での
流体の減衰率に対して配管の減衰率が大きいため、測定
効率が低下し、金属等の配管に対しては有効ではない。
さらに測定に必要な線量強度が、法的規制の対象範囲と
なる場合、使用場所および使用者が制限されるなどとい
う問題点がある。
【0004】中性子を用いる方法は、中性子が水素原子
に対して効果的に減速されるので、含水素液状流体を対
象とする測定に有効であり、また自然界には通常放射線
がほとんど無いので計数の変化を非常に効率よく測定で
きるすぐれた方法である。中性子を用いる方法として
は、特開平4−131744号公報がある。この方法は
線源より放出された高速中性子は、流体により減衰され
エネルギーを失い熱中性子に変化するが、流体中にボイ
ドがあるとその分だけエネルギー損失がないためボイド
の存在により検出される熱中性子数が変化する点を利用
し、BF3計数管により熱中性子変化率を求め、ボイド
率を測定するものである。この方法で方向性の優れた高
速中性子を利用しないで、方向性の低く、低速中性子で
ある熱中性子を利用する理由は、高速中性子の適切な測
定手段が見つからなかったからと考えられる。しかしな
がら、熱中性子のように何度も散乱した中性子は方向性
が極めて低いので、従来の装置においては測定精度に誤
差が生じる。また中性子線源が放射する全中性子数に対
して、従来の装置により検出される中性子数はごく一部
であり、計数値が低く、分解能および測定誤差が大き
い。
【0005】前述のように光や放射線を用いる方法は提
案としては存在するが、エンジン/トランスミッション
油中の泡測定装置として実用化されているものは1つも
なく、現在実用化されている方法は次の2通りである。
【0006】その一:評点法 油路につながる配管にガラス管を接続し、その中のオイ
ルの流れを目視で観察し、状態に応じた評点をつける方
法である。方法としては簡単であるが、定性的な評価に
留まり、また、観察者による結果の差が大きく、また細
かな泡の量変化を識別できないという欠点がある。
【0007】その二:重量測定法 油路に取り外し可能な配管を接続し、運転中にオイルの
流れる配管を取り外して重量を測定する方法である。こ
の方法は、泡の無い状態の重量と泡を含んだ状態の重量
との比較で、ボイド率をかなり正確に測定できるが、運
転中に配管を切り替えるため、油温が高い場合は危険で
あり、作業に慣れが必要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は高速中性子を利用した含水素流体中のボイド率を測定
するための高精度で取扱いが簡単であり、かつ安全性の
多い測定装置を提供する点にある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、(a)含
水素流体が流れる配管、(b)該配管の外側にあって配
管に高速中性子を照射できる放射線源、(c)該放射線
源と対向する位置に設けられており、その周囲が中性子
減速材で囲まれた中性子検出器および(d)前記配管の
周囲を覆う中性子遮蔽材、よりなることを特徴とするボ
イド率測定装置に関する。
【0010】本発明は、含水素流体が流れる配管の外側
に放射線源を配置し、この低放射線源に対向する位置
に、周囲を中性子減速材で囲まれた中性子検出器を配置
するとともに、この配管の周囲に中性子遮蔽材を配置す
ることで、前記低放射線源から放射された高速中性子の
うち、配管内の含水素液体を通過した高速中性子のみを
前記中性子減速材により熱中性子化して効率良く検出す
る構成としたものである。
【0011】前記減速材としては、ポリエチレン、ポリ
プロピレン等を挙げることができる。また、前記中性子
検出器周囲の減速材形状は、対象流体に対して最も効率
良いものとすることが好ましい。
【0012】放射線源としては、核反応を利用したAm
−Be、Ra−Beなどを挙げることができるが、とく
にカリフォルニウム252(252Cf)などの小型化可
能な高速中性子源を用いることが望ましい。また、線源
は3.7MBq(100マイクロキューリー)未満であ
ることが安全性の上から望ましい。
【0013】また、中性子検出器にはBF3ガスあるい
3Heガスなどを用いた中性子検出器で、ポリエチレ
ンやパラフィン等の水素原子を多く含む物質を減速材と
して周囲に巻き付けた減速型中性子検出器が望ましい。
【0014】
【作用】次に作用を説明する。放射線源より放出された
高速中性子は、配管内の含水素液状または粉体状の流体
を通過する際に減速される。中性子は相手原子核の質量
が小さいほど、またその密度が大きいほど失うエネルギ
ーが大きいので、含水素液状又は粉体状の流体による減
衰率は大きく、液状または粉体状の流体中に含まれる気
体および配管材による減衰率は小さい。よって配管中の
含水素液状または粉体状の流体中に含まれる気体の体積
割合(ボイド率)が大きい場合、配管を通過し検出器周
囲に到達する中性子数は多く、ボイド率が小さい場合に
は検出器周囲に到達する中性子数は少ない。含水素液状
または粉体状の流体を通過した中性子は、ほとんどが高
速中性子である。しかし、検出器単体により検出される
中性子は熱中性子化されたもののみなので、到達した中
性子の多くは、そのままでは検出されない。そこで検出
器と配管の間に適当な形状の減速材を配置することによ
り、配管を通過した高速中性子を熱中性子まで減速し、
検出器により検出される中性子数を増加することができ
る。さらに、配管以外を通過した高速中性子が検出器に
到達することを防ぐために配管の周囲を減速材で囲むこ
とにより、検出器が目的物以外の熱中性子を計数するの
を防止し、高速中性子の良方向性を有効に利用できる。
また、計数をコンピュータに取り込むことにより、気泡
変化をオンラインで測定することもできる。
【0015】ボイド測定の対象液体についてはとくに制
限はないが、原子炉プラント・ボイラー、化学工場内の
石油をはじめとする各原料や製品等を挙げることができ
る。
【0016】
【実施の形態】以下、本発明の実施例を添付図面に基づ
いて説明する。図1は、本発明の一具体例を示す装置の
断面図である。図2は、図1に示す装置の配管軸線に沿
った断面図である。含水素液状流体6は配管1を流れ
る。配管1の一方には保持部材7により保持された放射
線源3が配置され、配管1の他方には減速材4を介して
中性子検出器2が配置される。なお線源3は、国内では
放射線障害防止法の規制を受けない低強度の密封線源を
用いるとよい。この装置の場合は、放射線強度3.7M
Bq(100μCi)未満のカリフォルニウム252密
封線源を用いている。中性子検出器2は、BF3比例計
数管を用いている。このBF3比例計数管は中性子検出
器として一般に用いられているのである。減速材4は中
性子検出器2の周囲に均一の厚さになるように配置され
ている。中性子検出器2は円筒状の形状であるため、中
性子の検出効率が最も良い位置である配管1の軸線が直
交する位置に配置されている。中性子検出器2により検
出された中性子は、例えば図8に示す測定システムを利
用し、計数器9により計測される。遮蔽材5は、ポリエ
チレンブロックを使用し、配管1の周囲に均一になるよ
う配置される。なお、放射線源3の保持部材7もポリエ
チレンブロックを使用している。配管1内を流れる含水
素液状流体6は高温となる場合があるために、ポリエチ
レンの耐熱性を考慮して配管1は配管保持部材10によ
り遮蔽材5との間に断熱層11としての空気層を設けて
保持されている。なお、図1の装置においては配管1を
U字型とし、その一方の屈曲部位に放射線源3を、他方
の屈曲部位には減速材で被覆された中性子検出器2を設
けているが、もう1つの態様としては、配管の直径方向
の一方の外側に放射線源3を、その対抗位置に前記中性
子検出器2を設けることもできる。
【0017】次にボイド率の測定方法について説明す
る。配管1を通過する中性子のエネルギーは熱中性子の
範囲から高速中性子の範囲まで分布している。本発明で
は、配管通過後の中性子を検出器に入射する前に減速材
により減速することにより、配管1を通過した高速中性
子を効率良く検出できるので、時間当たりの検出中性子
の変化を測定することができる。線源より放出される中
性子数は時間に比例するので、計測時間が短いと計測中
性子数は少なくなる。一般に中性子の計測誤差は計測数
をnとすると±√nの偏差を持つため、計測数が多いほ
どボイド率測定の精度が向上するので、測定対象により
必要精度を得るための適切な計測時間を設定する必要が
ある。
【0018】線源より放出され、配管1を通過して検出
器9に到達する中性子数は、配管内における減速率が一
定ならば、即ちボイド率が定常な流れであるならば、時
間当たりの計測数は一定である。水素原子は中性子を減
速する効果が大きいため、配管1が含水素液状流体で満
たされている場合、即ちボイド率が0%の場合には、中
性子計測数は少なく、逆に配管内がすべて気体、即ちボ
イド率が100%の場合には中性子計測数は多くなる。
よって、この2点における中性子計測数をあらかじめ測
定することにより、ボイド率と計測数の理論曲線が得ら
れる。よって、気泡を含む含水素流体の計測数より、ボ
イド率を算出できる。
【0019】検量線の求め方は次のとおりである。 放射線源により放射される中性子の数 I0 減衰を受けた長さ x 減衰計数 μ とすると、減速後の中性子数Iは理論的に次の式で表さ
れる。 I=I0exp(−μx) 1) ここで、 測定部がオイル100%の場合の測定中性子数 I2 測定部がオイル100%の場合の減衰を受けた距離 x2 測定部がオイル 0%の場合の測定中性子数 I1 測定部がオイル 0%の場合の減衰を受けた距離 x1 測定部がオイル Y%の場合の測定中性子数 I 測定部がオイル Y%の場合の減衰を受けた距離 x とすると、オイルの体積割合Yは Y=(x−x1)/(x2−x1) よって、ボイド率をZとすると Z=(x2−x)/(x2−x1) 式1)より I/I2=exp〔μ(x2−x)〕 I1/I2=exp〔μ(x2−x1)〕 従って、 Z=In(I/I2)/In(I1/I2) 以上より、測定部にオイルを満たした場合の計測数(I
2)と、空の場合の計測数(I1)を測定することにより
理論的な検量線が得られる。また、気泡の混合したオイ
ルがある場合の計測数(I)を測定することによりボイ
ド率が得られる。
【0020】減速材4の効果について説明する。図3
中、横軸は中性子のエネルギー、縦軸は中性子計測数で
あり、減速材の厚みによる計測効率への影響を示す。減
速材の厚さが小さい場合Aは、低いエネルギー範囲の中
性子、すなわち熱中性子を効率よく測定するが、高速中
性子を計測する場合には、Cのように減速材の厚みを大
きくすることが好ましく、そのため減速材は測定する中
性子のエネルギーに合わせた厚さとすることが好まし
い。なお、BはAとCの中間のケースを示す。図4は、
横軸に信号の波高分布を、縦軸に検出数をとり、減速材
の厚さが、125mm、60mm、30mm、10mm
のそれぞれの場合について測定した結果を示す。本実施
例の場合には、60mm前後の厚みが全計数値としては
最高を示し、最適の厚みであることが分かる。図4に示
すように、特定の放射線源に対して適切な厚みの減速材
を用いることにより、いいかえれば放射線が配管中の液
体を通過する距離とそれに対応した適切な厚みの減速材
の組合せにより、中性子の計測数を増加させることがで
きる。すなわち、図5の(A)のように放射線が配管中
の液体を通過する距離が短い場合には減速材の厚みを大
とすることにより、また図5の(B)のように放射線が
配管中の液体を通過する距離が長い場合には減速材の厚
みを薄くすることにより、中性子の測定数を増加させる
ことができる。方向性の高い高速中性子を効率よく測定
し、気体割合に対する計測数の感度が向上することが明
らかである。
【0021】遮蔽材5の効果について説明する。図6
は、遮蔽材5の存在の影響を示すグラフである。図6
中、実線は遮蔽材を用いた場合、破線は遮蔽材が無い場
合を示し、横軸は液体中の気体割合であり、縦軸は中性
子計測数である。配管1の周囲に遮蔽材を配置すること
により、気体割合(ボイド率)に対する計測数の感度が
向上することが明らかである。
【0022】図7に、実際に含水素液体としてATF
(オートマチックトランスミッションフリュード)中の
ボイド率を測定した結果を示す。図7中、横軸は液体中
のボイド率であり、縦軸は中性子計測数である。図7
中、実線は本発明の中性子計測値より計算した結果得ら
れた理論曲線、プロット(○印)は液体中の気体体積割
合を重量測定により実測した結果である。図7より、中
性子によるボイド率計算結果と重量測定によるボイド率
測定結果とは良く一致しており、本発明装置の有効性は
明らかである。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、放射線源を用いたボイ
ド率測定装置において、配管周囲に遮蔽材を配置すると
共に検出器と配管の間に減速材を配置する構成としたた
め、最適かつ有効な計測法が実現できた。本方法は法規
制の対象とならない弱い強度の線源を用いた場合でも効
率よくボイド率を測定することができる。また、他の放
射線を用いたボイド率測定装置に較べて安全で安価であ
る。さらに、配管の材料(ガラス材、鉄材など)に制限
が少なく、対象となる流体も含水素の気液二相流あるい
は固気二相流など何にでも適用できる。とくに、本発明
の装置は走行中の自動車のエンジンやトランスミッショ
ン中の油中の泡を測定することもできる画期的なもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一具体例を示す装置の断面図である。
【図2】図1に示す装置の配管軸線に沿った断面図であ
る。
【図3】減速材の厚さによる計測効率への影響を示すた
めのグラフであり、Aは減速材の厚さが小さい場合を示
し、Bは減速材の厚みがAとCの中間の場合を示し、C
は減速材の厚さが大きい場合を示し、横軸は中性子のエ
ネルギー、縦軸は中性子計測数である。
【図4】減速材の厚みを125mm、60mm、30m
m、10mmと変化させた場合の、減速材の厚みと検出
数の関係を示す。
【図5】(A)は、放射線が通過する液体層が厚い場合
には減速材の厚みを薄くしている状態を、(B)は、放
射線が通過する液体層が薄い場合には減速材の厚みを厚
くしている状態を示す概略図である。
【図6】遮蔽材の存在の有無がボイド率に対する計測数
測定感度に影響を与えることを示すグラフである。
【図7】含水素液状流体中のボイド率を重量測定により
実測したデータを○印で示し、本発明の中性子計測値よ
り計算した結果から得られたボイド率理論曲線を実線で
示す。
【図8】本発明実施例に用いた測定システムのブロック
図である。
【符号の説明】
1 配管 2 中性子検出器 3 放射線源 4 減速材 5 遮蔽材 6 含水素液状流体 7 保持部材 8 気泡 9 計数器 10 配管保持部材 11 断熱層 12 電源 13 信号増幅装置 14 配管内圧力検出手段 15 配管内温度検出手段 16 ボイド率演算回路 17 表示部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)含水素流体が流れる配管、(b)
    該配管の外側にあって配管に高速中性子を照射できる放
    射線源、(c)該放射線源と対向する位置に設けられて
    おり、その周囲が中性子減速材で囲まれた中性子検出器
    および(d)前記配管の周囲を覆う中性子遮蔽材、より
    なることを特徴とするボイド率測定装置。
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