DE3327162A1

DE3327162A1 - Fluessigkeitsfluss- und aschekonzentrationsmessvorrichtung unter verwendung des mossbauer-effekts

Info

Publication number: DE3327162A1
Application number: DE19833327162
Authority: DE
Inventors: Paul H. Lawrenceville N.J. Kydd
Original assignee: Hri Inc Gibbsboro NJ; HRI Inc; Hydrocarbon Research Inc
Current assignee: HRI Inc
Priority date: 1983-07-28
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1985-02-07
Also published as: DE3348454C2; DE3327162C2

Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßsystem zum Bestimmen der Flußgeschwindigkeit und Metallkonzentration bei Flüssigkeiten, die ein Metallisotop enthalten, unter Verwendung des Mossbauer-Effekts. Es betrifft insbesondere ein Meßsystem und ein Verfahren zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit und Aschekonzentration von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten, die durch eine Rohrleitung fließen.
Es besteht ein großer Bedarf nach Instrumenten zum kontinuierlichen Messen der Flußgeschwindigkeit und des Aschegehalts von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten im Kohleverflüssigungsverfahren. Es ist bekannt, daß es radioaktive Isotope von Kobalt, Eisen und anderen Elementen gibt, welche 9t-Strahlen einer solchen präzisen Wellenlänge emittieren, daß es möglich ist, Doppler-Verschiebungen bei Geschwindigkeiten im Zentimeter/Sekunde-Bereich zu messen. Eine allgemeine Beschreibung des Mossbauer-Effekts und von Spektroskopiertechniken wird gegeben in "An Indtroduction to Mossbauer Spectroscopy", L. May, S. 1-44, Plenum Press, 1971. Die Verwendung von Mossbauer-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 Mossbauer-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 Applications", 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 und auch zur Messung des Aschegehalts von von Kohle herstammenden Flüssigkeiten, die durch eine Rohrleitung fließen, herangezogen werden können. Ein Meßsystem, das sich den Mossbauer-Effekt zu Nutze macht, kann eine brauchbare Einrichtung vorsehen zum Fernmessen beides der Flußraten und Aschekonzentrationen gleichzeitig bei solchen von Kohle herstammenden Flüssigkeiten, und das System weist auch eine allgemeine Brauchbarkeit in der Kohlenwasserstoffverfahrensindustrie auf.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Meßsystem zum Bestimmen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, die ein t-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält in einer Rohrleitung,bereit und ein Verfahren zur Verwendung des Meßsystems. Das Meßsystem umfaßt eine radioaktive Quelle für t -Strahlen, die benachbart und in Ausrichtung mit einem Rohrleitungsteil angeordnet ist, durch welchen eine Flüssigkeit fließt, die ein t-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält. Die -Strahlenquelle ist abgeschirmt und zu dem Rohrleitungsteil hin orientiert und wird oszilliert mit einer maximalen linearen Vorwärtsgeschwindigkeit, die die der fließenden Flüssigkeit übersteigt. Die Pr-Strahlenquelle hat eine Beschleunigungsmeßeinrichtung, die darin inkorporiert ist, zum Messen der linearen Geschwindigkeit der oszillierenden Quelle zu jedem Augenblick. Ein g -Strahlenzähler oder -detektor zum Bestimmen der ?-Strahlenabsorption durch Partikel in der fließenden Flüssigkeit ist auf einer Seite des Rohrleitungsteils angeordnet, der der pF -Strahlenquelle gegenüberliegt und ist wirksam abgeschirmt von der g-Strahlen emittierenden radioaktiven Quelle durch geeignete Abschirmeinrichtungen. Eine elektrische Schaltung verbindet die Z -Strahlenbeschleunigungsmeßeinrichtung mit dem t-Strahlenabsorptionsdetektor zum Überwachen der Geschwindigkeit der oszillierenden t-Strahlenquelle und der Absorption der P-Strahlen durch fließende Metallteilchen in der Rohrleitung und dadurch Messen der Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil. Die Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit wird in üblicher Weise über ein Sichtanzeigegerät angezeigt.
Während des Betriebes werden, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit der oszillierenden P -Strahlenquelle im wesentlichen zu der der strömenden Flüssigkeit mit einem Gehalt an einem it-Strahlen absorbierenden Metallisotop paßt, die t -Strahlen durch die Metallpartikel in der fließenden Flüssigkeit absorbiert, und diese Absorption wird durch einen pt-Strahlenzähler überwacht. Das Signal von dem t-Strahlendetektorbeschleunigungsmesser wird verwendet zum Einschalten eines Zählmeßgerätes, welches die Vorwärtsgeschwindigkeit der Strahlenquelle überwacht. Somit wird, wenn immer die Geschwindigkeit der oszillierenden Quelle zu der der fließenden Flüssigkeit paßt, die Geschwindigkeit der oszillierenden Quelle angezeigt durch das Meßgerät, wodurch die Geschwindigkeit 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.
Das Meßsystem kann auch so angeordnet werden, daß die Anzahl der Metallpartikel pro Zeiteinheit in der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit gezählt werden. Wenn die Flüssigkeit eine von Kohle herstammende Flüssigkeit mit einem Gehalt an Asche, die einen bekannten Metallgehalt hat, ist, kann das Meßsystem auch dazu verwendet werden, um die Aschekonzentration in der fließenden Flüssigkeit zu bestimmen, für welche eine Korrelation zwischen den Metallpartikeln und der Aschekonzentration der von Kohle herstammenden Flüssigkeit bekannt ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Flüssigkeitsfluß- und Aschekonzentrationsmeßvorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Eine Flußmeßvorrichtung,wie allgemein gezeigt in der Fig. 1, wird verwendet zum kontinuierlichen Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, 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 abgeschirmt durch das Material 11 mit Ausnahme der öffnung 12, welche gegen die Achse des Rohrleitungsteils 14 in einem Winkel iD von etwa 15 bis 800 orientiert ist. Die Quelle 10 wird oszilliert durch eine geeignete, sich hin- und herbewegende Antriebseinrichtung 16, wie z.B. eine Geschwindigkeitsmeßwandlereinrichtung, in einer Weise, daß die maximale Vortwärtsgeschwindigkeit der Quelle 10 übersteigt die maximale Flüssigkeitsflußgeschwindigkeitskomponente parallel zu dem 8-Strahl, erwartet in der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 14. Die Achse der Bewegung der radioaktiven Quellenöffnung 12 sollte ausgerichtet sein mit der der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 14 und angeordnet sein innerhalb eines Abstandes von etwa 3 bis 15 cm (0,1-0,5 feet). Die Geschwindigkeit der radioaktiven Quelle 10 wird kontinuierlich überwacht durch eine Beschleunigungsmeßeinrichtung 18, die in der Quelle 10 inkorporiert ist, und durch eine integrieSmde elektrische Schaltung 20, Die Ç*-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 gt-Strahlenquelle 10 wird in die Zählerschaltungen eingegeben zusammen mit einem Signal von dem t -Strahlenabsorptionsdetektor 22, der auf der gegenüberliegenden Seite des Rohrleitungsteils 14 angeordnet ist und bei 24 radioaktiv abgeschirmt ist von der radioaktiven Quelle 10.
Wenn die lineare Vorwärtsgeschwindigkeit der Quelle 10 im wesentlichen zur Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 14 paßt, werden die t -Strahlen, die von der Quelle 10 emittiert werden, absorbiert durch ein Isotop in den Eisenpartikeln 15 in der fließenden Flüssigkeit, und eine derartige Absorption wird durch den proportionalen Zähler 22 erfaßt. Ein geeigneter proportionaler Zähler 22 kann ein Gemisch aus Krypton und Kohlendioxidgasen enthalten. Das Signal von dem gt-Strahlendetektor 22 kann verwendet werden 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, 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 zu -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 Mossbauer-Komponenten und -Schaltungsanordnung findet sich in "An Ihtroduction to Mossbauer Spectroscopy", L. May, Kapitel 1 und 2, Plenum Press, 1981, was hiermit durch Nennung der Fundstelle zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird.
Der Bereich der Flußgeschwindigkeiten, für die der Flußmesser dieser Erfindung einsetzbar ist, ist nur begrenzt durch die Komponenten des Winkels zwischen der Bewegungsachse der radioaktiven Quelle und der Mittellinie der Rohr leitung und die praktische Beschleunigungsgrenze für die t-Strahlenquelle 10 und überschreitet gewöhnlich nicht etwa 900 cm/sec (30 ft/sec) und ist vorzugsweise 60 bos 750 cm/sec (2-25 ft/sec). Die fließende Flüssigkeit, deren Geschwindigkeit gemessen wird, kann auch g -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.
Der Absorptionsdetektor 22 kann auch dazu verwendet werden, die Anzahl an / -Strahlen absorbierenden Partikeln in der Rohrleitung 14 pro Zeiteinheit zu messen. Der Zähler 28 kann auf dem Meßgerät 32 die Anzahl der Partikelzählungen anzeigen von welchem der Detektor 22, der in Bezug gesetzt ist zum Metall (Eisen)-Gehalt der fließenden Flüssigkeit. Bei von Kohle herstammenden Flüssigkeiten, die Asche von einer bekannten Eisenzusammensetzung enthalten, zeigt diese Meßgerät 32 den Aschegehalt der fließenden Flüssigkeit an. Oszillierende radioaktive Quellen, die verschiedene radioaktive Elemente enthalten, können auch eingesetzt werden, um die Konzentration der verschiedenen Elemente in der fließenden Kohleflüssigkeit zu überwachen, wie z.B. Nickel, Zink und Zinn.
Dieses Meßsystem bzw. Meßvorrichtung kann in einem weiten Temperaturbereich von fließenden Flüssigkeiten eingesetzt werden, der nur begrenzt ist durch die ?-Strahlenabsorption der Metallisotopen in der fließenden Flüssigkeit und das Material der Rohrleitung 14. Brauchbare Flüssigkeitstemperaturen liegen innerhalb eines Bereiches von etwa 10 bis 5400C (50-10000F). 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 (0,6 inch) ansteigen kann und zusammen mit einem Rohrleitungsinnendurchmesser von etwa 5 cm (2 inch) und der zulässigen Beanspruchung des Materials den Arbeitsdruck der Rohrleitung bestimmt.
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Claims

Flüssigkeitsfluß- und Aschekonzentrationsmeßvorrichtung unter Verwendung des Mossbauer-Effekts Patentansprüche Flußmeßvorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, g e k e n n z e i c h -n e t durch a) eine Rohrleitung, durch welche die Flüssigkeit fließt, wobei die Flüssigkeit ein br-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält, b) eine radioaktive Quelle für g-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 800 oszilliert zu der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit, c) ein r-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 9-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 g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Geschwindigkeit der t-Strahlenquelle durch eine darin eingebaute Beschleunigungseinrichtung überwacht wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der -Strahlendetektor ein proportionaler Zähler ist, der von der g -Strahlenquelle radioaktiv abgeschirmt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die oszillierende Bewegung der t -Strahlenquelle auf elektrischem Wege vorgesehen wird durch eine Geschwindigkeitsmeßwandlereinrichtung.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , 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 g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Rohrleitung, durch welche die -Strahlen hindurchgeht, ein Nichteisenmaterial umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine Zählereinrichtung vorgesehen ist zum Aufspühren und Messen der Konzentration des absorbierenden Metalls in der fließenden Flüssigkeit, um auf diese Weise die Aschekonzentration in der fließenden Flüssigkeit zu bestimmen.
8. Flußmeßvorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, gek e n n z e i c h ne t durch: a) eine Rohrleitung, durch welche die Flüssigkeit fließt, wobei die Flüssigkeit ein t -Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält, b) eine radioaktive Quelle für g-Strahlen, die benachbart zu der Rohrleitung angeordnet ist, wobei die Strahlenquelle zur Rohrleitung hin orientiert ist und elektromagnetisch oszilliert in einer Richtung bei einem Winkel von etwa 150 bis etwa 800 zu der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit, c) einen t-Strahlendetektor, der benachbart zu der Rohrleitung auf einer Seite angeordnet ist, die der radioaktiven Quelle zum Anzeigen der Gegenwart des in der fließenden Flüssigkeit enthaltenen Metallisotops gegenüberliegt, und d) eine elektrische Schaltungseinrichtung zum Uberwachen der Geschwindigkeit der oszillierenden t-Strahlenquelle und der Metallpartikel in der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit und dadurch Messen der Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung und Sichtanzeigen der Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit in der Rohrleitung und Anzeigen der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit.
9. Meßvorrichtung zum Messen der Konzentration der Metallpartikel in einer fließenden Flüssigkeit innerhalb einer Rohrleitung, g e k e n n z e i c h n e t durch: a) eine Rohrleitung, durch welche die Flüssigkeit fließt, wobei die Flüssigkeit ein g-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält, b) eine radioaktive Quelle für g~-Strahlen, die benachbart zu der Rohrleitung angeordnet ist, wobei die Strahlenquelle zur Rohrleitungsteilachse hin orientiert ist und oszilliert in einer Richtung bei einem Winkel von etwa 15 bis 800 zu der in der Rohrleitung fließenden Flüssigkeit hin, c) einen t-Strahlendetektor, der benachbart zu dem Rohrleitungsteil auf einer Seite angeordnet ist, die gegenüber liegt der radioaktiven Quelle zum Anzeigen der Gegenwart von Metallverbindungen enthalten in der fließenden Flüssigkeit verursacht durch g -Strahlen der Quelle, und d) eine elektrische Schaltungseinrichtung zum Uberwachen und Zählen der Konzentration der Metallpartikel in der fließenden Flüssigkeit in einer Weise, um die Metallkonzentration in der Flüssigkeit zu messen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der t -Strahlendetektor ein proportionales Zählgerät ist, das von der -Strahlenquelle radioaktiv abgeschirmt ist.
11. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, die ein Metallisotop enthält, innerhalb einer Rohrleitung, g e k e n n z e i c h n e t durch: a) Fließenlassen einer Flüssigkeit, die ein t-Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält, durch eine Rohrleitung, b) Bewegen einer g -Strahlenquelle, ausgerichtet mit der Rohrleitung in sich hin- und herbewegender Bewegung in einer zu der Rohr leitung gewinkelten Richtung und bei einer Vorwärtsgeschwindigkeit von wenigstens gleich zu der der fließenden Flüssigkeit und verursachend das Metallisotop in der fließenden Flüssigkeit, die g 6r-Strahlen teilweise zu absorbieren, c) Überwachen der Vorwärtsgeschwindigkeit der -Strahlenquelle unter Verwendung einer Beschleunigungsmeßeinrichtung, d) Überwachen der fließenden Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil mit einem # -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 tt-Strahlen absorbieren, wobei die Geschwindigkeit der Strahlenquelle im wesentlichen dieselbe Geschwindig keit ist, wie die fließende Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die maximale lineare Vorwärtsgeschwindigkeit der Strahlenquelle die Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit übersteigt.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Geschwindigkeit der fließenden Flüssigkeit etwa 900 cm/sec (30 ft/sec) nicht übersteigt.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Temperaturen der fließenden Flüssigkeit 10 bis 5400C (50-10000F) betragen.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Metallisotop der fließenden Flüssigkeit Eisenverbindungen sind.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die fließende Flüssigkeit eine von Kohle herstammende Flüssigkeit ist.
17. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer fließenden Flüssigkeit, die ein Metallisotop enthält, innerhalb einer Rohrleitung, g e k e n n z e i c h n e t durch: a) Fließenlassen einer Flüssigkeit, die ein g -Strahlen absorbierendes Metallisotop enthält, bei einer Temperatur von 10 bis 5400C (50-10000F) durch eine Rohrleitung, b) Bewegen einer Z -Strahlenquelle, ausgerichtet mit dem Rohrleitungsteil in sich hin- und herbewegender Bewegung in einer gewinkelten Richtung von 15 bis 900 zu der Rohrleitung und bei einer Vorwärtsgeschwindigkeit von wenigstens gleich der der fließenden Flüssigkeit und nicht überschreitend etwa 900 cm/sec (30 ft/sec) und verursachend den Metallisotop in der fließenden Flüssigkeit, die r-Strahlen teilweise zu absorbieren, c) Überwachen der Vorwärtsgeschwindigkeit der t -Strahlenquelle unter Verwendung einer Beschleunigungsmeßeinrichtung, d) Überwachen der fließenden Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil mit einem Z -Strahlendetektor zum Aufspühren der Gegenwart von Metallisotope enthaltenden Partikeln in der fließenden Flüssigkeit, und e) Bestimmen, unter Verwendung der Beschleunigungsmeßeinrichtung, die Vorwärtsgeschwindigkeit der Strahlenquelle zu der Zeit, wenn die Metallpartikel in der fließenden Flüssigkeit die r-Strahlen absorbieren, wobei die Geschwindigkeit der Strahlenquelle im wesentlichen dieselbe Geschwindigkeit ist, wie die der fließenden Flüssigkeit in dem Rohrleitungsteil.