DE1548930A1

DE1548930A1 - Ultraschallvorrichtung zur Messung der Niveauhoehe einer Fluessigkeit

Info

Publication number: DE1548930A1
Application number: DE19661548930
Authority: DE
Inventors: Hendrik Buis
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1965-12-15
Filing date: 1966-12-15
Publication date: 1969-07-17
Also published as: BE690448A; FR1477470A; CH467998A; LU52572A1; GB1123939A; DE1548930B2; ES334544A1

Description

Ultraschallvorrichtung zur Messung der Niveauhöhe einer FlUssigkait Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit Ultraschallsender für die Bestimmung der Lage des Flüssigkeitsspiegels oder auch der Füllstandshöhe innerhalb eines schwer zugänglichen Behältersj diese Flüssigkeit kann ein geschmolzenes Metall bei hoher Temperatur, ein schlechter WErmne-oder ElektrizitEtsleiter, eine entzUndbare FlUssigkeit usw. sein, bei der bekannte Meßanordnungen mit elektrischen Kontakten, photoelektrischen Detektoren, Kontaktsonden u. dgl. nicht benutzt werden kUnnen Die Erfindung ist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, anwendbar fUr die Messung der Niveauhbhe von flüssigem Natrium oder einereutektischen Natrium-Kalium-Mischung innerhalb des Behälters eines sogene"schnellen Reaktors", in dem derartige Flüssigkeiten insbesondere als Kühlmittel verwendet werden.
Es sind bereits Nachweisgeräte bekannt, bei denen der Abstand zwischen einem Gegenstand und einem Ultraschallemitter im Innern einer Flüssigkeit durch Messung der Fortpflanzungszeit eines zum Gegenstand hin gerichteten Wellenzuges bestimmt werden kann, der dort reflektiert wird und zu einem Empfangsgerät zurückkehrt, das im übrigen mit dem Emitter gekoppelt sein kann.
Wie man weiß, wird jedoch eine solche Vorrichtung sehr stark durch Temperaturgradienten und finderungen der Zusammensetzung des Flüssigkeitsmilieus beeinfluBt. Dauber hinaus müssen fUr den speziell betrachteten Fall, bei dem die Niveauhöhe eines flüssigen Metalls in einen KernreaktorbehElter gemessen werden soll, gewisse besondere Bedingungen berUcksichtigt werden, die insbesondere von der Lage des Ultraschallemitters gegenüber diesem Behälter abhängen: Ist der Emitter im Innern desselben angeordnet, so wird seine Wartung unmöglich, wdhrend seine Lebensdauer gleichzeitig inf'olge der starken Strahlungseinwirkung sehr merklich begrenzt ist ; wenn sich der Emitter aber außerhalb des Behälters, insbesondere am Boden bzw. der Stirnseite des Behälters befindet, ist der charakteristische akustische Widerstand der Anordnung Emitter-BehElter derart, daB es im allgemeinen nicht möglich ist, die Ultraschallwellen in das Flüssigkeitsmilieu eindringen zu lassen und das FlUssigkeitsniveau genau zu messen.
Ziel der Erfindung ist daher eine Vorrichtung, bei der die vorstehend genannten Schwierigkeiten entfallen, welche die Transmission eines Ultraschallwellenzuges mit einem außerhalb des Behklters angeordneten Emitter durch die Wandung des Behälters gestattet, so da# in an sich bekannter Weise die Zeit gemessen werden kann, die zwischen zwei Durchgängen dieses Wellenzuges an einem gegebenen Ort vor und nach seiner Reflexion an der Grenzfläche der FlUssigkeit verstreicht, die dem Flüssigkeitsniveau in dem Behälter entspricht.
Diese Vorrichtung mit einem Ultraschallwellentranscmitter bzw.-sender (transmetteur) gegebener Frequenz und einem Empfänger f@ diese Wellen ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen rohrformigen Wellenleiter, der. dem Sender gegenüberstehend angeordnet und mit einer HilfsflUssigkeit gefüllt ist, welche analoge akustische Eigenschaften hat, wie die Flüssigkeit, deren Niveauhöhe zu messen ist, wobei der Wellenleiter durch zumindest eine abdichtende Scheibe abgeschlossen ist, deren Dicke bzw.
Stärke gleich einer halben Wellenlänge ist ; und durch einen offenen zylindrischen Mantel, welcher dem Wellenleiter zugeordnet und normal zur Oberfläche der zu messenden Niveauhöhe angeordnet ist und die Bewegungen der Fldssigkeit beschränkt.
Dank dieser Anordnung kann sich der Sender einfach außerhalb des metallischen oder nichtmetallischen Behälters befinden, der die Flüssigkeit enthält, und der Wellenleiter, der unter Zwischenschaltung eines geeigneten Dichtungssystems durch die Wand dieses Behälters iiindurchgefuhrt ist, bestimmt dann das Eindringen des Ultraschallwellenzuges in die Flüssigkeit.
Vorzugsweise ist der Sender innerhalb eines dichten GehOuses angeordnet, das mit dem Ende des Wellenleiters verbunden und außerhalb des (Reaktor) BehElters angeordnet ist. Wenn die im Wellenleiter enthaltene FlUssigkeit mit der Atmosphgre reagiert oder mit den Materialien, aus denen der Sender besteht, oder wenn der Sender gekUhlt werden soll, kann das Gehäuse außerdem mit einer FlUssigkeit gefüllt sein, die im Falle von Undichtigkeiten nicht mit der im Wellenleiter enthaltenden Flüssigkeit reagiert.
Bei einem solchen Aufbau wird der Wellenleiter an seinen (beiden) Enden durch abdichtende Scheiben abgeschlossen, die fUr den Wellenzug transparent sind und deren Dicke gleich einer halben Wellenlknge ist. Der Wellenleiter kann auf das Gehäuse des Senders aufgeschweißt-und gerade oder leicht gekrümmt sein, je nach der Geometrie der Wandung des Behäters und der gewShlten Art und Weise, in welcher der Wellenleiter durch diese Wand hindurohgeführt ist.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsart wird der Wellenleiter durch ein gerades zylindrisches Rohr gebildet, das vertikal in den Behälter eintritt, welcher die Flüssigkeit enthält und er wird einem dem Rohr gegenUberstehenden Reflektor von konischer Form zugeordnet, der den Wellenzug in Richtung der zu messenden Niveauhohe zurückwirft, und zwar in den Zwischenraum zwischen dem Wellenleiter und dem zylindrischen Mantel.
Im übrigen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem weiteren besonderen Merkmal mit Mitteln versehen, welche die Ausführung einer permanenten Eichung der Messung gestatten, indem Reflexionen erzeugt werden, auf Niveauhöhen, deren Lagen longs des Wellenleiters und gegenüber dem Sender vollständig bekannt sind. Zu diesem Zweek trXgt der zylindrische Mantel im Innern Reflektoren, die auf bekannten Niveauhöhen montiert sind ; diese Reflektoren haben jeweils eine ebene, die Ultraschallwellen reflektierende Oberfläche und sind senkrecht zur Achse des Wellenleiters angeordnet.
Die verschiedenen angegebenen Merkmale, die in Kombination oder gegebenenfalls unabhängig voneinander vorgesehen werden können, werden anhand der nachfolgenden Beschreibung mehrerer AusfUhrungsbeispiele, die zur Erläuterung und nicht einsehräkend angegeben sind, klarer verständlich werden. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die angefügten Zeichnungen ; es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemä#e Vorrichtung zur Ultraschallmessung ; Fig. 2 einen Querschnitt dieser Vorrichtung in Richtung g von II-II der Fig. 1 in vergrö#ertem Maßstab ; und Fig. 3, 4 und 5 drei Variante fUr den Einbau der Vorrichtung in bezug auf die Wandung eines Behälters, in dessen Innenraum der FlUssigkeitsspiegel gemessen werden soll.
Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt die betrachtete Vorrichtung im m wesentlichen ein vertikales Rohr 1 mit einem über seine gesamte Longe konstantbleibenden kreisförmigen Querschnitt. Dieses Rohr ist mit einer passenden Menge einer HilfsSlUssigkeit 2 gefUllt und an seinen beiden Enden durch zwei gleichgestaltete Platten oder Scheiben 3 und 4 verschlossen, welche für die Abdichtung des Rohres 1 gegenüber der Umgebung sorgen.
Das Rohr 1 sitzt fest in einem GehOuse 5, in dem eine Ultraschall-Emitter-Empfänger-oder-Seridervorrichtung 6 montiert ist, die einen Wellenzug von longitudinalen Wellen der Frequenz f in Richtung des Rohres 1 aussendet, das die Funktion eines Wellenleiters hat, wie weiter unten näher gezeigt wird. Damit der Wellenzug durch die Platten 3 und 4 in das Rohr eindringen bzw. dieses wieder verlassen kann, haben diese eine Dicke, die gleich nA/2 ist, wobei n = 1, 2, 3... und X die Wellenlänge ist, d. h. der Quotient aus der Schallgeschwindigkeit im Plattenmaterial und der Frequenz. Der Sender 6 besitzt einen Halterungsflansch oder-ring 7, der innerhalb des Gehäuses 5 mittels dreier Sahrauben 8 festgelegt und zentriert ist, die in Verbindung mit einer axial wirkenden und sich gegen die Stirn-oder AbschluB-wand 10 des Gehäuses abstUtzenden Feder 9 die Einstellung der Lage des Senders gestatten.
Wenn die im Rohr 1 enthaltene Flüssigkeit mit der AtmosphRre reagiert oder mit den Materialien des Senders oder wenn der Sender gekUhlt werden soll, wird das Gehäuse 5 mit einer weiteren Flüssigkeit gefüllt, die im Falle von Undichtigkeiten nicht mit der im Rohr 1 enthaltenen reagiert. Eine Leitung 11 geht durch das Gehäuse hinduroh und ist über einen Stutzen 12 an das Rohr 1 angeschlossen ; diese Leitung ermöglicht die FUllung des Rohres 1 mit der FlUssigkeit 2 und wird normalerweise durch einen Stopfen 13 verschlossen. Das GehAuse 5 hat schließlich an seiner äußeren Oberfläche KUhlrippen 14 und endet in einem Anschlußflansch 15, welcher die Befestigung dieses GehOuses und des Rohres 1, das mit ihm axial verbunden ist, mit einem Anschlußflansch 16 ermöglicht, der an der Wandung eines Behälters 50 angeschweißt ist, welcher die FlUssigkeit 51 enthält, deren Niveauhdhe 17 gemessen werden soll.
In der nachfolgenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß der Behälter 50 ein Kernreaktorbehälter ist, der flüssiges Natrium 51 enthält, dessen Niveauhöhe im Innern dieses Behälters schwanken kann. Die das Rohr 1 füllende Hilfsflüssigkeit 2 wird vorzugsweise durch eine eutektische Natrium-Kalium-Mishcung gebildet, deren Eigenschaften in akustischer Hinsicht praktisch analog zu denen des flüssigen Natriums sind und die bei Umgebungstemperatur nicht erst@arrt. Au#erdem reagiert diese eutektische Mischung nicht mit dem Natrium, wenn Leckverluste zur Außenseite des Rohres 1 hin auftreten. Schließlich wird die dritte FlUssigkeit, die den Sender 6 in} GehAuse 5 kühlt, durch Kerosin gebildet.
Die Verbindung zwischen den Anschlußflanschen oder Bundringen 16 und 15 wird in dichter Weise mit Hilfe eines Metallfaltenbalges 18 ausgeführt, welcher insbesondere die gegebenenfalls auftretenden Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Behälter und dem Rohr 1 auffangen kann. Die Befestigung der Vorrichtung gegenUber dem Behälter 50 wird mit Hilfe von drei Schrauben 19 ausgeRUhrt, die durch Muttern 20 festgelegt sind.
Das Rohr 1 tritt vertikal in den Behälter durch eine Offnung 21 ein und verlängert sich in Richtung des Behälterbodens, wobei es in das flüssige Natrium eintaucht. In der NShe des durch die Scheibe 4 verschlossenen Endes des Rohres 1 ist ein Reflektor 22 angeordnet, der dazu dient, die durch den Emitter 6 durch das Rohr 1 gesandten Ultraschallwellen zurüchkzusenden bzw. zu reflektieren. Dieser Reflektor umfaßt symmetrisch zur Achse des Rohres 1 zwei konische Teile 23 und 24, die jeweils in einer Uffnung 23a bzw. 24a enden, welche den kontinuierlichen Durchtritt des im Behälter enthaltenen Natriums auf die entsprechenden konischen Teile 23 und 24 ermöglichen. Der Reflektor 22 ist mit Hilfe von Schrauben, wie 25, in einer Halterung 26 befestigt, welche gegenüber dem Anschlu#flansch l6. festgelegt ist. Diese Halterung 26 umfaßt an ihrem oberen Teil eine Öffnung 27, durch die das Rohr 1 hindurchtritt und sie wird durch einen rohrförmigen Mantel 28 verlängerte der koaxial um das Rohr angeordnet ist und zwischen diesem und seiner inneren Oberfläche einen ringförmigen Zwischenraum 29 freiläßt. Dieser Zwischenraum ist bis zum Niveau 17 mit dem im Behälter 50 enthaltenen Natrium gefüllte dank der Locher oder Bohrungen 30, die in der Wand des Mantels 28 an bestimmten Stellen angebracht sind.
Schließlich umfaßt der Mantel 28, wie mehr im einzelnen in Fig. 2 gezeigt ist, auf Bezugsniveauhohen, deren Abstand gegenüber dem Sender 6 genau bekannt ist reflektierende Organe, wie 31. Diese reflektierenden Organe, die in der Schnittdarstellung Fig. 2 in einer Anzahl von drei Stück zu sehen sind, haben eine Form von kleinen halbzylindrischen Zungen, die senkrecht zur gemeinsamen Achse des Rohres 1 und des Mantels 28 orientiert sind und eine ebene Floche aufweisen, die zum Reflektor 22 hin gerichtet ist. Diese kleinen Zungen 31, die vorzugsweise an der zylindrischen Oberfläche befestigt und gleichmäßig longs einer Schraubenlinie verteilt sind, haben notwendigerweise eine verminderte Breite und eine Longe, die ein minimales Spiel zwischen ihre=tEnde und der Oberfläche des Wellenleiters (frei) läßt.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise : Zur Bestimmung der Lage des Flüssigkeitsspiegels 17 des im Behälter 50 enthaltenen flüssigen Natriums setzt man in den Behälter die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ein, wobei man unter Verwendung eines Metallfaltenbalges 18 fUr die Abdichtung der Durchführung durch die Wandung dieses Behälters sorgt. Wenn der Sender 6 mit Strom versorgt wird, durohlduft ein Ultraschallwellenzug, der beispielsweise von einem piezoelektrischen Quarz herkommt, die (durch eine eutektische Natrium-Kalium-Misohung gebildete) im Rohr 1 enthaltene Flüssigkeit 2 und tritt ohne merkliche Schwächung durch die abschließenden Scheiben 3 und 4.
Es ist zu bemerken, daß der Wellenzug longitudinaler Wellen der durch den Wellenleiter hindurchgeht, durch den Oberflächenzustand des Rohres 1 nicht beeinflußt wird, welcher also beliebig sein kann.
Der Wellenzug wird nach seinem Austritt aus dem Wellenleiter an den konischen Teilen 23 und 24 des Reflektors 22 reflektiert und lkuft durch das Natrium in Richtung des Flüssigkeitsspiegels 17 parallel zur Achse des Rohres 1, durch den zwischen diesem Rohr und dem Sußeren Mantel begrenzten Zwischenraum, wobei der äußere Mantel die Funktion hat, die Bewegungen des flUssigen Natriums zu beschränken, welche die Messungen store könnten.
Der WellFzug wird dann an dem Flüssigkeitsspiegel 17 reflektiert und durchlSuft den Weg in umgekehrter Richtung und gelangt so zum Sender 6 über das Rohr 1 zurück, welches auf diese Weise den Hin-und Rücklauf"durch die Wandung des Behälters"ohne merkliche Schwächung ermöglicht.
Mit geeigneten (nicht gezeigten) Meßgerkten kann schließlich die Lage des FlUssigkeitsspiegels 17 in dem Behälter 50 gegenüber einem bekannten Bezugsniveau, das mittels der kleinen Zungen) 1 bestimmt bzw. festgelegt sein kann, in Abhängigkeit von der notwendigen Zeit für den vollständigen Hin-und Rücklauf des Wellenzuges bestimmt werden. Diese"Zungeh"ermUglichen eine stkndige Eichung der Vorrichtung und somit insbesondere die Vornahme von Korrekturen bezüglich der Xnderungen der Schallgeschwindigkeit, verursacht durch Temperaturgradienten und gegebenenfalls auftretende Verælderungen der Zusammensetzung des flUssigen Natriums.
Die Fige 3, 4 und 5 zeigen schematisch drei mögliche Variante für den Einbau der vorstehend beschriebenen Meßvorrichtung, und zwar die Lage des Rohres 1 und des den Sender 6 enthaltenen GehSuses 5 gegenUber dem Behälter 50, in dem der FlUssigkeitsspiegel 17 gemessen werden soll.
Gemä# Fig. 3 tritt das Rohr vertikal durch den Boden des Behälters hindurch, wobei die Notwendigkeit eines die Ultraschallwellen zum zu messenden FlUssigkeitsspiegel zurUckwerfenden Reflektors entfällt. Gemäß Fig. 4 tritt das Rohr 1 seitlich in den Behdlter ein und es ist dann im Innern des Behälters angemessen gekrUmmt, so da# das letzte Stück normal zum FlUssigkeitsspiegel im Behälter gerichtet ist. Gemäß Fig. 5 ist das Rohr 1 schließlich eine Reflektor 32 von prismatischer Form zugeordnet, der eine Reflexion der Ultraschallwellen unter 90° liefert, die dann in Richtung des zu messenden Flüssigkeitsspiegels und zurück zum Transmitter laufen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die bescliriebenen und gezigteri Ausführungsformen beschränkt, die lediglich als erläuternde Beispiele angegeben wurden.

Claims

Patentansprüche 1. Ultraschallvorrichtung zur Messung der Lage einer Flüssigkeitsniveauhöhe im Innern eines Behälters mit einem Sender für Ultraschallwellen gegebener Frequenz und einem Empfdnger für diese Wellen, g e k e n n z e i c h n e t durch einen rohrförmigen Wellenleiter (1, 2), der dem Sender (6) gegenüberstehend angeordnet und mit einer HilfsflUssigkeit (2) gefüllt ist, welche analoge akustische Eigenschaften wie die Flüssigkeit hat, deren Niveauhohe gemessen werden soll, wobei der Wellenleiter durch zumindest eine abdichtende Scheibe (wie 4) verschlossen ist, deren Dicke gleich einer halben Wellenlänge ist ; und durch einen dem Wellenleiter zugeordneten zylindrischen Mantel (28), der normal zum Flüssigkeitsspiegel angeordnet ist und die Bewegungen der Flüssigkeit beschrinkt.
2. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da# der Wellenleiter (1, 2) in dichter Weise durch die Wandung des Behilters (50) hindurchgefhrt ist.
3. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch le dadurch gekennzeichnet, da# der Sender (6) in einem Gehäuse (5) angeordnet ist, welches mit dem Ende des Wellenleiters (1, verbunden ist und daB das Gehäuse mit einer KUhlflüssigkeit gefüllt ist, die mit der HilfsflUssigkeit nicht reagiert.
4. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB der Wellenleiter (1, 2) an seinen beiden Enden durch abdichtende Platten oder Saheiben (3, 4) versehlossen ist, deren Dicke gleich der Halite der Wellenlänge innerhalb des Scheibenmaterials ist.
5. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da# der Wellenleiter (1, 2) durch ein gerades zylindrisches Rohr gebildet wird.
6. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB der Wellenleiter (1, 2) durch ein zylindrisches Rohr mit zumindest einem gekrUmmten Teil gebildet wird.
7. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da# der Wellenleiter (1,2) vertikal angeordnet ist und in den BehSlter (50) an seinem oberen Ende eintritt und einem dem Wellenleiter gegenüberstehenden reflektierenden System zugeordnet ist, das die Wellen in Richtung des zu messenden Flüssigkeitsspiegels in den Zwischenraum (29) zwischen dem Wellenleiter (1, 2) und dem zu diesem koaxialen zylindrischen Mantel (28) zurückwirft.
8. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Reflexionen erzeugende Mittel (31) für eine pemanente Eichung auf Bezugsniveauhöhene deren Lage longs des Wellenleiters (1,2) und gegenUber dem Sender (6) bekannt ist.
9. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch le dadurch gekennzeichnet, daB die im Behälter (50) enthaltene FlUssigkeit (51) flüssiges Natrium ist.
10. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsflüssigkeit (2) im Wellenleiter eine eutektische Natrium-Kalium-Mischung ist.
11. Ultraschallvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gehäuse (5) des Senders (6) enthaltene kühlflüssigkeit Kerosin ist.

L e e r s e i t e