热示踪法（精选4篇）
热示踪法 篇1
油井流量测量是油田生产管理中的重要环节。随着大部分油田进入开发中后期,低产井数量逐渐增多,及时准确地获得油井流量不仅可以掌握油藏状况,而且对生产方案的制定具有重要指导意义[1,2]。油田中现在常用的油井流量测量仪器有皮球集流型仪器、布伞与套管及涡轮流量计等,它们在实际应用中具有一定的适应性,但又各自存在着缺点。皮球集流器密封性较好,测低流量时灵敏度较高,但耐温差、下井成功率较低。布伞与套管内壁密封较好,在全集流时灵敏度高,但每下一次井必须更换伞布,操作复杂[3]。而涡轮流量计精度差,且当待测流体粘度大时敏感元件涡轮容易停转[4,5]。针对以上问题笔者设计了一种基于热示踪方法的井下流量测量系统,该系统通过测量脉冲热流体经过固定距离传感器阵列所用的时间间接测量流体流量。
1 总体方案①
下流量测量系统主要利用热源发生器加热流体产生脉冲热流体,当脉冲热流体运动经过温度传感器阵列时,流体的温度差引起传感器的信号突变,形成标记脉冲。系统通过测量标记脉冲出现的时间即可确定流体的流速,进而获得流体的流量[5,6]。井下流量测量系统的结构如图1所示。
井下流量测量系统的下位机由热源发生器、温度传感器、电容器模组及温度采集模块等构成。电容器模组存储热源发生器所需的功率,当热源发生器加热流体后,流体流进上游温度传感器形成具有检测标记的脉冲热流,当热流经过下游温度传感器时,即获得流体温差脉冲,从而获得流体流速。利用温度采集模块实时采集两路温度传感器的数据,并将采集的数据传输到上位机中。上位机采用Lab VIEW软件编程设计,对数据进行实时跟踪显示,绘制出时间温度曲线,并将数据存储在数据库中的系统软件中,同时可实现下位机工作的控制。
单片机采用C8051F360,主要用来控制电容器模组和数据采集。单片机控制电容模组充电,当电容器模组充电完成后即控制热源发生器加热流体(电容放电),当电容放电完成后,单片机控制温度采集器采集温度,同时将采集的温度上传至上位机。
2 系统的硬件组成
根据上文所述,井下流量测量系统的硬件结构由电容器模组、电源模块、热源发生器、温度采集电路、通信模块和主控模块构成。
由于测井电缆上允许通过的最大电流为0.5A,因此不能直接提高测井电缆上的电流为热源发生器提供所需功率。在此笔者设计了由20个2.5V/4.7F超级电容串联生成的电容器模组,利用电容器模组的瞬时放电功能为热源发生器提供低压直流电源,从而实现对热源发生器电加热。
在整个系统中共有4处需供电:单片机+5V供电、AD芯片和运算放大器OP07±5V供电、MAX485总线通信+5V供电和电容器模组50V供电。其中电源电压为50V,可直接为电容器模组供电,其余均采用DC-DC模块48S05将50V电源电压转换成+5V,一路直接为单片机供电,一路用05S05电源隔离模块将MAX485电源隔离,另一路用05S+-05模块输出±5V电源给AD芯片和运算放大器OP07供电,电源电路设计如图2所示。
热源发生器是流量测量系统的核心部件,主要控制电容器模组的充放电从而实现对井下流体的加热,因此热源发生器的工作性能直接影响液体流量测量的精确度和准确性。热源发生器电路利用脉冲方式控制光耦开关,利用三极管的开关作用控制电容的充放电,根据AD采集的电容和电热丝两端的电压值判断电容器模组的充放电。热源发生器电路设计如图3所示。
温度传感器采用的是铂热电阻Pt1000,它的阻值随着温度的上升呈线性增加。在本系统中采用惠斯顿电桥的分压电路(图4)实现温度的测量。
温度采集电路选用AD620,因其具有增益值大、漂移电位低等特点,可以合理有效地放大惠斯顿电桥输出的微小变化信号。同时采用OP07对前段采集的温度信号进一步放大,并将放大后的温度信号送入片内10位AD转换器,温度采集电路如图5所示。
在实际应用中需将井下采集的数据发送到井上上位机显示,而通信距离较远,因此本系统的数据传输采用MAX485通信,因为485总线具有通信距离长、可以带多个设备同时工作等特点,适合在井下数据的传输中使用。通信模块电路如图6所示。
采用C8051F360作为主控单片机,主要完成系统的控制、数据的采集及传输等功能。
3 系统软件
系统的整体设计思想是基于热示踪方法实现对井下液体流量的测量,通过对井下液体进行加热,并根据流体的温度参数确定流体经过固定距离的时间,进而实现井下流量的测量。首先系统要完成初始化,然后对电容器模组进行充电,当AD采集到高电平时停止对电容器模组充电同时电容器模组开始对井下液体进行加热即电容开始放电,否则继续充电。当电容器模组开始放电时,温度采集器也开始采集温度,将采集的温度上传至上位机,并控制电容器模组再次充电准备下次测量。软件设计流程如图7所示。
4 开发界面设计
系统的上位机界面采用界面友好、框图清晰的Lab VIEW软件设计完成。上位机前面板设计如图8所示。通信串口可选择串口号COM1、COM4或ASRL1等,根据实际通信的串口选择;串口通信波特率选择9 600;当开关键按下时Pt1000 AD采样主要显示温度传感器的采样电压值;温度变化波形图表主要显示时间和温度传感器采样的电压值之间的关系曲线,通过两个电压峰峰值的时间差,即可获得井下液体的流量。
5 结束语
针对井下流量测量存在的问题,设计了一种基于热示踪法的流量测量系统。该系统利用热源发生器加热流体产生脉冲热流体,通过传感器阵列检测热流体形成的流体温差脉冲,测量脉冲热流通过固定距离传感器的时间实现了流体流量的测量,并将数据传输至上位机,实现了对井下流量的实时监控。该系统在现场油井测试中,具有很好的可靠性和准确性,且不受井底泥沙和流速的影响,具有很好的适应性。
摘要：根据热示踪方法的流量测量原理,采用C8051F360单片机、热源发生器及温度传感阵列等器件,设计一种基于热示踪方法的井下流量测量系统。该系统利用热源发生器对井下流体加热,当加热的流体经过传感器阵列时即可根据热示踪方法测出油水两相流的流量,并将数据传输给由LabVIEW设计的井上上位机系统,实现了井上地面计量站对井下数据的实时监控,解决了井下流量测量难、实时监测难、数据量大的问题。
关键词：流量测量,热示踪,热源发生器,LabVIEW
参考文献
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热示踪法测量二次风风量实验研究 篇2
工业燃烧设备中, 二次风是单独送入炉膛的空气, 各个二次风道的空气流量以及流量分配状况, 直接影响到炉膛内的空气动力场和温度场。为了满足着火、火焰稳定、负荷调节、过热汽温调节、防止结焦结渣、控制NOX生成率、燃烧效率优化等运行要求, 必须合理地配置各个二次风通道的流量, 许多学者为此做了大量工作[1,2,3]。
按照测量原理, 常规的工业流量测量装置通常分为3类:容积型、速度型和质量型流量计。容积型流量计由于阻力太大, 不适宜于二次风的流量测量;燃烧设备中, 二次风口的数量很多, 由于质量流量计 (比如哥氏流量计) 价格昂贵, 也无法大规模应用。因此, 常规的测量装置中, 就只有速度型测量元件有可能可以用于二次风的流量测量。
二次风的流量测量的限制性因素是通道结构不能满足常规的速度型测量元件的要求[4]。通常, 速度型流量传感器, 比如毕托管、笛型管、孔板、喷嘴、靶式、涡轮、涡街、热球、热线、超声等传感器, 用于测量通道流量时, 都对通道内的流速分布敏感, 因此要求有足够长的直管段, 以保证通道内达到充分发展后的稳定流速分布。一般要求是, 测点上游有10倍管径的直管段, 测点下游有5倍管径的直管段, 这种要求对于工业燃烧设备中的二次风通道结构是不可能被满足的, 比如对于一个截面当量直径为400 mm的二次风道, 按照上述要求, 测点需要6米长的直管段, 现场的二次风道不可能满足这样的直管段长度要求。
针对这种短通道结构, 本文采用一种非常规的测量方法——热示踪法来完成二次风道的流量测量。
1 热示踪方法及测量原理
示踪法是一种间接测量通道流量的方法, 其原理是在被测通道的上游定量注入示踪剂, 再在下游测量示踪剂的浓度, 通过守恒量的关系式, 就可以得到主流的流量, 从而将主流的流量测量问题转换为上游热示踪剂注入流量与下游热示踪剂浓度的测量问题。只要保证下游取样口位置能够达到热示踪剂浓度均匀分布, 这种测量方式就与通道内的流速分布状态无关。
示踪法作为一种非常规的流量测量方法, 在矿井通风、机舱换气等场合的流量测量已经被广泛使用, 但是应用于燃烧设备的二次风道, 却存在一些特殊问题。首先, 在示踪剂的选择上, 要考虑价格以及耐高温性能;其次, 下游的浓度测量仪表必须是廉价的, 并且具有较高的精度;最后, 必须采取特殊措施, 保证在一个短通道内注入的示踪剂在到达下游取样点时已经与主流气体混合均匀, 使得系统具有合理的测量精度。本文中所用的示踪型二次风量测量装置, 通过注入热空气、配置完善的测试系统, 将示踪法用于燃烧设备二次风道的流量测量。如图1所示的二次风道的流量测量装置的基本构成为:示踪热空气流量计1、布气管2、检测管3和控制箱4。该装置的工作流程为:示踪热空气流量计1精确计量的热空气通过布气管2注入被测二次风道的主流中, 在通道中充分混合后, 由检测管3检测出混合空气的温度, 热空气流量和混合空气温度两个参数被控制箱4采集和处理, 通过守恒方程计算出主流流量并输出。由于这里采用的是热焓守恒, 所以可称作热示踪。
2 二次风模拟实验台
由于工业上风道的设计是用最小的代价和空间将各项设备连接起来, 而且管路系统经常需要调整、分配、改变方向, 完成介质的输送任务, 因此, 变径管、弯管、分流管、汇流管、管道内部支撑杆等大量存在。在模拟实验台中, 做了以下简化:
(1) 实际风道是从二次风箱送风至多个二次风道, 本文将其简化为由矩形主通道送风经直角转至小截面矩形通道出口;
(2) 忽略实际风道中的变径结构, 二次风道均为等截面矩形管道;
(3) 忽略弯管、内部支撑杆等内部结构。
模拟实验台由可调频控制的罗茨风机从进口送风, 通过主风箱直角进入小截面矩形通道, 再从小截面矩形通道的出口出风, 以模拟实际的二次风系统。考虑到结构强度的问题, 实验台的主体用木板搭建, 如图2所示, 二次风道的上表面和内侧面采用透明玻璃来搭建, 以便观察拍摄。小截面矩形通道装有阀门以调节流量, 实验中, 风门调至90度全开, 风道出口处5×2均匀布置了10个温度测点, 温度由标定好的热电偶测得。
示踪用的热空气由空气压缩机压入, 经玻璃转子流量计后进入管式电加热器, 加热后的空气温度由热电偶读取, 然后热空气通过布气管进入二次风道。其中管式电加热器的加热功率可调。
3 实验数据及结果
用玻璃转子流量计测得示踪热空气流量为12.5 m3/h, 设定加热温度为270℃, 室温下热电偶读数为0.90 mV, 空气对应温度为22.5 ℃, 对应h0=297.92 kJ/kg。分别测量了变频控制器频率为13.50、15.00和16.50 Hz下的混合气体的温度, 该混合温度取出口处10个热电偶测得温度的平均值。
根据热力学能量守衡原理, 设进口空气流量为v进, 室温22.5 ℃, 干空气密度为ρ, 比容为c则有:
undefined
最终求得:
频率为1 350 Hz时, 进口空气体积流量为 506.92m3/h
频率为1 500 Hz时, 进口空气体积流量为 733.98m3/h
频率为1 650 Hz时, 进口空气体积流量为 979.74m3/h
由此可见, 通过热示踪法, 在二次风道前端注入给定温度、恒定流量的热空气, 空气在二次风道中经过充分混合, 使出口出空气温度上升;当调节变频器的频率, 改变二次风道进口流量时, 出口混合空气温度随之改变。通过该方法可以测量短通道结构的二次风流量。
4 结束语
二次风系统是一个看似简单实则相当复杂的系统, 它的结构特性表现为:在需要变向时多采用90°直角拐弯;出口为多支管并联风道;风道内部装有阀门来调节风量, 且阀门离出口的距离很短, 所以普通方法不易测量。
本文对二次风系统进行实物模拟, 设计并搭建了相应的二次风道, 并采用热示踪法测量二次风系统进风流量, 结果表明该方法可以很好地测量二次风流量。
参考文献
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热示踪法 篇3
当前高中生物教材中的实验和相关习题中频繁出现同位素示踪法的应用, 以下就相关内容进行归纳阐述, 以期达到较深刻地认识这项技术, 进而达到认识生物某些重要代谢途径的目的。
一、C的同位素
自然界中碳元素有三种同位素, 即稳定同位素12C, 13C和放射性同位素14C。14C能够发射β射线, 因此可以用放射性14C取代化合物中它的稳定同位素12C, 并以Hc作为标记的放射性标记化合物。
例1.植物的光合作用途径
若用14C标记CO2分子, 则放射性物质在C4植物光合作用过程中将会依次出现在 ()
答案:D
二、P的同位素
磷是一个简单的元素, 除了质量数为31的一种稳定性同位素外, 还有几个放射性同位素, 其质量数为29, 30, 32, 33和34;但只有质量数为32和33的同位素存在足够长的时间可以作为示踪物之用, 32和33都可以发射负β射线。
例2.噬菌体侵染细菌的实验
下列那一种方法能为T2噬菌体的DNA作上32P标记 ()
A.用含32P标记的大肠杆菌培养B.用含32P标记的植物细胞培养
C.用含32P标记的动物细胞培养D.用含32P标记的固体培养基培养
答案:A
三、S的同位素
硫的同位素32s, 33s, 34s, 35s和36s中, 除35s外, 其他放射性同位素的半衰期都很短, 因此在放射性同位素示踪法中, 用的是35。
例3.噬菌体侵染细菌的实验
用35S标记的大肠杆菌T2噬菌体去侵染32P标记DNA的细菌, 则新产生的噬菌体中 ()
A.全部含有35S, 32PB.全部含有32P, 不含35S
C.部分含有35S, 不含32PD.部分含有32P, 不含35S
答案:B
四、N的同位素
研究N在动植物体内的转移途径。
例4.给某种蔬菜施含放射性同位素15N的氮肥, 植物吸收后主要用于合成蛋白质。人食用该种蔬菜后, 通过代谢, 15N最终出现在 () 中。
A.氨基酸B.氨C.尿素D.蛋白质
答案:C
热示踪法 篇4
1 实验材料和方法
1.1 实验材料
Idogn,丙烯酰胺,甲叉双丙烯酰胺,PMSF,购自Sigma公司,125I-Na I购自杜邦公司,比活度629 T Bq/g;G25 Sephardex购自Pharmacia公司;NGF,北京昭衍新药研究开发中心提供;其余试剂为国产分析纯试剂;电泳槽、电泳仪为六一厂产品;682型r放免仪,上海核福公司产品,本底计数率70/min,效率80%。昆明白小鼠和Wistar大鼠,购自北京市药品检定所,小鼠体重18~22g、大鼠体重200~250g,动物合格证号(京动字)第037号。
1.2 125I标记NGF
参考文献[5],采用Iodogen法制备125I标记的NGF。鉴定放化纯度为95.8%,测定比活度为830GBq/g。
1.3 125I-NGF血药浓度测定
昆明白小鼠24只,随机分为4组,每组6只。小鼠肌肉注射(im)125I-NGF的3个剂量组的给药剂量分别为10μg/kg(3.7MBq/kg),20μg/kg(7.4MBq/kg),40μg/kg(14.8MBq/kg),对比尾静脉注射(iv)组给药剂量为10μg/kg(3.7MBq/kg),给药体积为0.1m L。每只小鼠给药后不同时间眶静脉取血0.2m L,收集于预先加入抗凝剂Na F(10mg/m L血)的试管内,4℃离心分离血浆。准确吸取25μL血浆加入25μL电泳样品缓冲液混匀,煮沸5min,取40μL电泳样品上样于12%聚丙烯酰胺凝胶上进行电泳;电泳结束,凝胶经考马斯亮兰染色、脱色,存于7%乙酸溶液中;将NGF对应位置的凝胶切下,置于测量管中,测定放射性强度,确定NGF血药浓度。
1.4 125I-NGF在小鼠体内的分布
昆明白小鼠18只,随机分为3组,每组6只。每只小鼠肌肉注射125I-NGF 10μg/kg(3.7MBq/kg)给药体积为0.1m L。给药后0.5h,3h,10h时间点各取一组,断头处死动物,取心、肝、脾、肺、肾、颌下腺、胃、生殖腺、骨、脑、肠、脊髓、肌肉、脂肪等组织,洗净表面血污称重,置于测量管中,测定样品的放射性强度。
1.5 125I-NGF在小鼠体内的粪尿排泄
小鼠6只,肌肉注射给药10μg/kg(3.7MBq/kg),分别置于不绣钢制代谢笼中,自由饮水吃食,不同时间收集粪、尿,105℃烘干,置于测量管中,测定样品的放射性强度,计算累积排泄量。
1.6 125I-NGF在大鼠体内的胆汁排泄
大鼠按30mg/kg异戊巴比妥钠腹腔麻醉,作胆道插管手术,舌下静脉给药10μg/kg(3.7MBq/kg),不同时间分段收集胆汁,计总量,取10μL置于测量管中测定放射性强度,计算累积排泄量。
2 结果
2.1 125I-NGF在小鼠体内的血药浓度时间变化和药物动力学参数的确定
小鼠静脉注射10μg/kg 125I-NGF后血药浓度时间变化(见图1)。肌肉注射10μg/kg,20μg/kg,40μg/kg125I-NGF后血药浓度时间变化(见图2)。应用3P87药物动力学程序对数据进行拟合分析计算,得到相关药物动力学参数(见表1,2)。
2种给药途径和不同给药剂量的血药浓度时间关系表明:静脉注射和肌肉注射125I-NGF在小鼠体内代谢模型均符合二房室开放分布模型。静脉注射125I-NGF 10μg/kg,分布相半衰期(T1/2(α))为0.13h,消除相半衰期(T1/2(β))为3.68h,这表明125I-NGF由中央室向周边室分布速率和消除速率较快。清除率为0.125 L/h/kg。曲线所围面积为16.012μg/h/L;肌肉注射125I-NGF 10μg/kg,20μg/kg,40μg/kg 3个剂量后,达峰时间分别为0.71h,1.66h,3.78h;峰浓度为1.74ng/m L,2.82ng/m L,4.23ng/m L。曲线所围面积分别为8.44μg/h/L,21.6μg/h/L,43.12μg/h/L,基本和剂量成正比,消除相半衰期分别为4.83h,4.49h,4.43h,基本不受剂量影响,这表示在10~40μg/kg剂量范围内该药物体内的处置过程符合线性药物动力学规律,清除率分别为0.123L/h/kg,0.098L/h/kg,0.097L/h/kg。肌肉注射10μg/kg 125I-NGF生物利用度为52.7%。
2.2 125I-NGF在小鼠体内的分布
小鼠肌肉注射125I-NGF 10μg/kg后不同时间的组织分布(见表3,图3)。结果显示小鼠肌肉注射125I-NGF后0.5h,3h,10h在所测的14种组织中均有分布,其中肾、胃、肠中放射性浓度最高,心、肝、肺、肌肉、脾次之,脑和脊髓最少。不同组织代谢情况不尽相同。多数组织放射性浓度随时间延长而减少,有些组织如脂肪、脊髓3h的放射性浓度高于0.5h,胃、肠和颌下腺中的放射性浓度随时间的延长而升高。
2.3 小鼠肌肉注射125I-NGF粪尿及胆汁排泄
表4显示小鼠肌肉注射125I-NGF后48h的粪尿的排泄情况。
小鼠肌肉注射125I-NGF以尿排泄为主,48h尿排出量占给药量的65.5%,前10h排出34%,前24h排出59%。48h粪排出7.9%,48h粪尿共排出73.4%,注射部位残留15.2%。
表5显示大鼠静脉注射125I-NGF后经胆汁排出的结果。静脉注射125I-NGF在大鼠胆汁中有一定排出,24h排出量占给药量的7.66%,其中前8h排出量占24h排出量的53%。
3 讨论
NGF属于多肽蛋白类药物,这类药物具有血药浓度低、降解速度快且体内存有内源物等特点,这给血药浓度检测带来很大困难。因此,检测灵敏度很高的125I标记示踪技术成为研究这类药物的药物动力学最重要的方法之一。由于多肽蛋白类药物在体内易被各种酶降解,而准确测定血液中原形药物浓度是确定药物动力学参数的必要条件,因此分离原形药和代谢产物成为准确测定血药浓度的必要步骤。目前常用的分离多肽及降解产物的方法有HPLC法、SDS-PAGE法和酸沉法等。SDS-PAGE法具有分辨率高、设备简单、成本低廉等特点。同位素示踪法与电泳法相结合不仅具有较高的分辨率、灵敏度和准确性,设备较为简单,而且能够准确识别原型药物。本工作应用这种分析方法研究125I-NGF在小鼠内的药物动力学。
125I-NGF 2种给药途径在小鼠体内代谢模型均符合二房室开放分布模型。肌肉注射10μg/kg,20μg/kg,40μg/kg 3个剂量,曲线所围面积分别为8.44μg/h/L,21.6μg/h/L,43.12μg/h/L,基本和剂量成正比,消除相半衰期分别为4.83h,4.49h,4.43h,基本不受剂量影响,这表示在10~40μg/kg剂量范围内该药物体内的处置过程符合线性药物动力学规律。肌肉注射10μg/kg125I-NGF生物利用度为52.7%,这表明肌肉注射是一条较好的临床给药途径。
125I-NGF在小鼠体内的时间分布变化反映125I-NGF在小鼠体内吸收、代谢的复杂性。在肺、肾、骨、生殖腺等组织放射性浓度随时间延长而明显降低。这表明125I-NGF在这些组织迅速被清除,而在胃、肠、颌下腺等组织放射性强度随时间延长而显著上升,这意味着125I-NGF在这些组织中可能积累。颌下腺是NGF的重要积累器官,NGF的制备方法之一便是从小鼠颌下腺提取。结果显示颌下腺是NGF的积累器官。125I-NGF在小鼠不同组织分布代谢的差异可能与NGF的分解和再利用有关。
肌肉注射125I-NGF在小鼠体内排泄很快,24h排出65.78%,48h排出73.4%。肌肉注射125I-NGF在小鼠体内的排泄以尿排泄为主,48h尿排出量占给药量的65.5%,而粪排出仅为7.9%。大鼠胆汁排泄实验显示:大鼠静脉注射给药后24h胆汁排泄7.66%,与小鼠肌肉注射给药后24h粪排出6.78%十分接近。肌肉注射125I-NGF后药物并未直接进入消化道,粪排出的药物可能来自肝脏分泌的胆汁经胆总管进入消化道,由粪排出。
我们的实验结果显示:肌肉注射NGF的吸收和消除均较快,体内分布广,这些结果与Tria[6]等人报道的结果基本一致。本研究为NGF的临床合理用药提供必要的参考资料。
参考文献
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