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DE2120523A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fernüberwachung von elektrisch leitenden Flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Fernüberwachung von elektrisch leitenden Flüssigkeiten

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DE2120523A1
DE2120523A1 DE19712120523 DE2120523A DE2120523A1 DE 2120523 A1 DE2120523 A1 DE 2120523A1 DE 19712120523 DE19712120523 DE 19712120523 DE 2120523 A DE2120523 A DE 2120523A DE 2120523 A1 DE2120523 A1 DE 2120523A1
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Germany
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measuring head
measuring
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induction coils
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Theodor Dipl.-Ing. 5060 Bensberg; Quante Manfred 5060 Bensberg-Immekeppel; Stickel Kurt Erwin 5000 Köln; Bolz Egon 5061 Heiligenhaus; Semma Klaus 5050 Porz. M Lauhoff
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Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
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Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
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Description

Bensberg, den 16.4.1971 GtS4-We/Ku
24.154.9
INTERATOM
Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg b".Köln
Verfahren und Vorrichtung zur Fernüberwachung von elektrisch leitenden. Flüssigkeiten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fernüberwachung von elektrisch leitenden Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigem Natrium in Kernenergieanlagen, wobei am Meßort mindestens drei Induktionsspulen vorhanden sind, sowie eine auswechselbare Vorrichtung, im folgenden Meßkopf genannt, zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das Verfahren, die Strömungsgeschwindigkeit von elektrisch leitenden Flüssigkeiten dadurch zu messen, daß . parallel zur Strömung mindestens drei Induktionsspulen angeordnet werden, die auf derselben magnetischen Achse liegen, wobei die erste und dritte dieser Spulen durch Anlegen einer Wechselspannung in der Weise erregt werden, daß sich ihr magnetischer Einfluß auf die zweite Spule bei ruhender Strömung gegenseitig aufhebt, ist aus der US-Patentschrift 2 435 043 bekannt. Bei diesem Verfahren bewirkt das Vorbeifliegen der elektrisch leitenden Flüssigkeit an den Spulen eine Verzerrung der Magnetfelder der ersten und dritten Spule derart, daß dadurch in der zweiten Spule eine Spannung induziert wird, die der Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional ist. Anwen-
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düngen dieses Verfahrens auf die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von flüssigem Natrium in Kernenergieanlagen sind aus BIiES; London Conference on Past Breeder Reactors, 4 to 19 May 1966, chapter 18 und aus ANL 7340, Argonne National Laboratory: "Summary Review of Flowmeters Suitable for Measuring Sodium Flow at Temperatures up to 1,20O0F in the Fast Flux Test Facility" bekannt.
Aus der DAS 19 47 320 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der an sich bekannte Thermoelemente durch Rohre an Meß— stellen geführt werden, die sich im Inneren eines Kernreaktors befinden.' ... '
Aufgabe der' vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Fernüberwachung von elektrisch leitenden Flüssigkeiten, ' vorzugsweise.von flüssigem Natrium, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die infolge ihrer Gestaltung und ihrer geringen Abmessungen dazu geeignet ist, an schlecht zugänglichen Stellen, insbesondere im Inneren eines Kernreaktors und hier vorzugsweise unmittelbar über den Brennelementen eingesetzt zu werden. Diese Vorrichtung soll kontinuierlich die Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit sowie gegebenenfalls den Blasengehalt und möglichst verzögerungsfrei eine plötzlich auftretende Temperaturerhöhung der zu überwachenden Flüssigkeit messen. Eine Überwachung dieser Werte ist für den ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb der verschiedenartigsten Anlagen erforderlich, wobei der Messung des Blasengehaltes und etwaiger plötzlicher Temperaturerhöhungen bei Kernreaktoren erhöhte Bedeutung zukommt, da ihr Auftreten fast immer Folge einer Betriebsstörung ist, die beispielsweise durch das Aufreissen eines Brennstabes und das dann erfolgende Austreten von Spaltgas hervorgerufen werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß mindestens eine Primärspule mit Wechselströmen verschiedener Frequenzen erregt wird, und daß
die in den ihr benachbarten Sekundärspulen induzierten Spannungen zum Messen des Blasengehaltes und zum verzögerungsfreien Nachweis schneller Temperaturerhöhungen, und in an sich bekannter Weise zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit der zu überwachenden Flüssigkeit, oder eines oder mehrerer dieser Werte verwendet werden. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit der zu überwachenden Flüssigkeiten geschieht in an sich bekannter Weise derart, daß die Primärspule mit einem Wechselstrom erregt wird, und daß die in den ihr benachbarten Sekundärspulen erzeugten SekundS.rspannungen, die durch das Vorbeiströmen der zu überwachenden Flüssigkeit an ihnen
beeinflußt werden, in Differenzschaltung durch eine
hier nicht näher beschriebene Schaltung mit der anderweitig gemessenen Temperatur der Flüssigkeit korreliert und außerhalb der Anlage zur Anzeige gebracht werden.
Die Korrelation mit der Temperatur dient zum Ausgleich der beispielsweise bei Natrium erheblichen Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen. Eine Erhöhung bzw. Verminderung der aus den Sekundärspulen gewonnenen Signalspannung bei gleichbleibender Temperatur der Flüssigkeit zeigt somit eine größere bzw· geringere Strömungsgeschwindigkeit an. Es hat sicii gezeigt, daß es vorteilhaft ist, als Erregerstrom einen Wechselstrom von niedriger Frequenz, beispielsweise 100 Hz zu verwenden, da bei höheren Frequenzen mit einer verringerten Eindringtiefe in die
Flüssigkeit sowie mit stärkeren Dämpfungserscheinungen und Symmetrieabweichungen gerechnet werden muß.
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Weiterhin wird in erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Primärspule mit einem weiteren Wechselstrom hoher Frequenz, beispielsweise 1000 Hz zu erregen und die Amplitudenmodulation der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen mit einem an sich bekannten Pulshöhenanalysator.zu messen und als Maß für den Blasengehalt der zu überwachenden Flüssigkeiten zu verwenden. Blasen in der Flüssigkeit erhöhen den Ohmsc'aen Widerstand der letzteren in erheblichem Maße, und zwar proportional zum Blasengehalt, was bei der gewählten hohen Frequenz zur Folge hat, daß die Amplitude der Sekundärspannung stark moduliert wird. Eine Analyse der Amplitudenmodulation nach ihrer Höhe wird über eine hier nicht näher beschriebene Schaltung zur Anzeige gebracht und gibt ein Maß für den Blasengehalt· der Flüssigkeit. Wegen der bei der hohen Frequenz geringen Eindringtiefe der Feldlinien in die Flüssigkeit ist es zweckmäßig, die von der Strömung mitgeführten Blasen durch in der Strömung angeordnete Leitflächen so zu lenken, daß sie in geringer Entfernung an der Vorrichtung vorbeifließen.
Zum verzögerungsfreien Nachweis von schnellen Temperaturerhöhungen der zu überwachenden Flüssigkeit wird in erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, daß die Primärspule mit einem Wechselstrom erregt wird und daß die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen als Maß für die Temperatur der zu überwachenden Flüssigkeit verwendet wird, indem die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit gemessen wird, die bei einer Erhöhung der Temperatur auftritt. Dies hat den Vorteil, daß die Messung im Gegensatz zur Messung durch Thermoelemente praktisch verzögerungsfrei erfolgt und daß sie sich entsprechend
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der Eindringtiefe der Feldlinien über einen größeren Teil des Flüssigkeitsstromes erstreckt und nicht nur auf die Schicht desselben, die in unmittelbarer Berülmmg mit der Meßvorrichtung steht. Zu diesem Zweck werden die hochfrequenten Wechselspannungen der beiden Sekundärspulen in einer hier, nicht näher beschriebenen Schaltung addiert und in ein der. mittleren Flüssigkeitstemperatur proportionales Signal umgeformt. Im Gegensatz zur einzelnen Sekundärspannung ist die Summe beider Sekundärspannungen weitgehend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit.
Zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens dient zweckmäßigerweise ein auswechselbarer Meßkopf, der an einem Handhabungsrohr befestigt ist, in dem die Meßleitungen geführt sind, und der in einem Führungsrohr gleitend an den Meßort gebracht ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält dieser Meßkop.f mindestens drei Induktionsspulen aus metallisch ummantelten, isolierten Drähten, die auf einen gemeinsamen, hohlen, in Längsrichtung geschlitzten Kern aus Reineisen gewickelt sind, der an seinen Enden und zwischen den Spulen mit umlaufenden, durch den Schlitz unterbrochenen Stegen versehen ist, Die mittlere dieser Spulen ist die Erregerspule, während die beiden anderen Spulen die Sekundärspulen sind. Die Verwendung von metallummanteltemDraht erlaubt eine Verwendung der Vorrichtung auch bei hohen Temperaturen. Es hat sich gezeigt, daß das Aneinanderliegen der Metallummantelungen der Drähte trotz der dadurch hervorgerufenen Kurzschlußströme in den Spulen ohne nachteiligen Einfluß auf die Güte und Stärke des Meßsignals bleibt.
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Der Spulenkern aus Reineisen, dessen Curiepunkt 75O0C beträgt, bewirkt eine Steigerung der Signalspannung um etwa das 30-fache gegenüber den bisher in ähnlichen Vorrichtungen verwendeten Spulen ohne Kern, während sein magiif lischer Widerstand beispielsweise gegenüber Natrium so gering ist, daß auch eine etwaige Änderung seiner Permeabilität infolge von Strahlungseinwirkung ohne Rückwirkung auf die Genauigkeit der Messung bleibt. Der Längsschlitz im Kern, dient zur Dämpfung der in diesem auftretenden Wirbelströme und zur Verlegung der Drähte. Ferner ist der Kern mit umlaufenden Stegen aus dem gleichen'Material versehen, die zwischen den Spulen und an deren äußeren Enden angeordnet sind, und die bewirken, daß die magnetischen Feldlinien der Spulen im stärkeren Maße senkrecht zur Achse des Kerns ausgelenkt und dadurch stärker durch die Flüssigkeitsströmung verzerrt werden, somit das Meßsignal verstärkend.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Induktionsspulen und ihr Kern in einem geschlossenen Schutzrohr angeordnet sind. Das Schutzrohr verhindert neben mechanischen Beschädigungen der Spulen deren möglicherweise ungleichmäßige Benetzung sowie die Ablagerung von Verunreinigungen, die zu fehlerhaften Meßergebnissen führen könnten und die auch eine zusätzliche Dämpfung hervorrufen würden.
AIa weiteres Merkmal der Erfindung wird bei Verwendung von metallummanteltem Draht vorgeschlagen, daß die in dem Handhabungsrohr geführten Zuleitungen der Induktionsspulen mit den Drähten der zugehörigen Induktionsspulen eine Einheit bilden. Durch den Wegfall von Verbindungsstellen jeder Art wird die Betriebssicherheit der Vorrichtung erhöht.
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In. weiterer Ausgestaltung der Erfindung -wird vorgeschlagen, daß die Zuleitungen der Induktionsspulen in einer Durchführung am Ende des Schutzrohres dicht eingelötet sind, so daß der Meßkopf eine geschlossene Einheit bildet und die Zuleitungen gegen Beschädigungen durch Scheuern an der Durchführung geschützt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in dem Meßkopf mindestens ein Thermoelement vorhanden ist. Dadurch wird erreicht, daß die oben erwähnte, für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit erforderliche Temperaturmessung an der gleichen Stelle der Anlage erfolgt, an der auch die Geschwindigkeit gemessen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Meßkopf mit einem flexiblen Handhabungsrohr verbunden ist, das aus einer eng aneinander
.darüber
gewickelten Drahtspirale und mindestens einem/geflochtenen Drahtgewebeschlauch besteht. Dies ermöglicht es, das Rohr sowohl auf Zug als auch auf Druck zu beanspruchen, um die Vorrichtung aus dem Führungsrohr herauszuziehen, bzw. in dieses hineinzuschieben. Die vorgeschlagene Konstruktion gestattet es, diese Kräfte ohne Schaden für das Rohr so zu bemessen, daß auch erhebliche Widerstände, beispielsweise durch das Klemmen der Vorrichtung im Führungsrohr verursacht, überwunden werden können, da jede der beiden Arten der Belastung durch ein besonderes, dafür geeignetes Organ aufgenommen wird, wobei sich beide Organe gegenseitig abstützen. Als weitere Vorteile sind zu nennen: Die Möglichkeit, im freien Innenraum des Rohres die Meßleitungen zu führen und die Möglichkeit, das Rohr bei hohen Umgebungstempe-
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raturen zu verwenden. Ferner lassen sich bei dieser Bauweise geringe Rohrdurchmesser, beispielsweise von 12 mm, und geringe Biegeradien, beispielsweise von 0,5 m erreichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorge-
schlagen, daß das erwähnte Handhabungsrohr im Inneren mit einer bi-filar gewickelten elektrischen Heizung versehen ist, die es gestattet, etwa vorhandene erstarrte Reste der Flüssigkeit, beispielsweise festes Natrium abzuschmelzen, die sonst die Handhabung beeinträchtigen könnten. Es ist zweckmäßig, auch die Meßwicklungen beheizbar auszuführen, so daß auch der Meßkopf erwärmt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Axiallängsschnitt durch den Meßkopf und Fig. 2 einen Querschnitt durch denselben nach A-B. Fig. 3 zeigt einen Axiallängsschnitt durch das flexible Handhabungsrohr.
Wie Fig. 1 zeigt, sind die Primärspule (2) und die Sekundärspulen (1 u.3), sämtlich aus metallumwickeltem isoliertem Draht, auf einen hohlen, zylindrischen Eisenkern (4) gewickelt, der "über seine gesamte Länge mit einem Schlitz (5) und an seinem Umfang mit Stegen (6) versehen ist. Die Spulen sind in einem Schutzrohr (7) angeordnet, das mit einem Boden (8) und einer Spitze
(9) verseilen ist. An dem Boden (8) ist eine Durchführung
(10) befestigt, in der die Drähte (11) eingelötet sind, die von und zu den Spulen (1-3) führen und von denen der Übersichtlichkeit halber nur ein Paar dargestellt
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ist. Die Durchführung- (10) ist mit einem umlaufenden Wulst (12) versehen, der den Meßkopf in dem hier nicht gezeigten Führungsrohr führt. Ebenfalls in die Durchführung (10) sind die Drähte (13) eingelötet, die durch den hohlen Eisenkern (4) bis zur Spitze (9) geführt sind und das Thermoelement bilden.
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Handhabungsrohr bestehend aus einer eng aneinander gewickelten Drahtspi- · rale (14), über die hier ein Drahtgewebeschlauch (15) geflochten ist. An jedem Ende ist das Rohr mit Anschlußstutzen (16 u.17) versehen. Im Inneren des Handhabungsrohres ist eine bifilar gewickelte elektrische Heizung (18) angeordnet.
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Claims (1)

  1. Schutzansprüche
    M . JVerfahren zur Fernüberwachung von elektrisch, leitenden. Flüssigkeiten, wobei am Meßort mindestens drei Induktionsspulen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens eine Primärspule mit Wechselströmen verschiedener Frequenzen erregt wird, und daß die in den ihr benachbarten Sekundärspulen induzierten Spannungen zum Messen des Blasengehaltes und zum verzögerungsfreien Nachweis von Temperaturerhöhungen, und in a'n sich bekannter Weise zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit der-zu überwachenden Flüssigkeit, oder eines oder mehrerer dieser Werte verwendet werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Primärspule mit einem Wechselstrom hoher Frequenz erregt wird, und daß die Amplitudenmodulation der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen mit einem an sich bekannten Pulshöhenanalysator gemessen und als Maß für den Blasengehalt der zu überwachenden Flüssigkeit verwendet wird.
    3· Verfahren nach Anspruch 1 zum verzögerungsfreien Nachweis von Temperaturerhöhungen, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Primärspule mit einem Wechselstrom erregt wird und daß die Summe der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen als Maß für die Temperatur der zu überwachenden Flüssigkeit verwendet wird.
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    4· Auswechselbarer Meßkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, der an einem Handhabungsrohr befestigt ist, in dem die Meßleitungen geführt sind, und der in einem Führungsrohr gleitend an den Meßort gebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens drei Induktionsspulen aus metallisch ummantelten, isolierten Drähten enthält, die auf einen gemeinsamen, hohlen, in längsrichtung geschlitzten Kern aus Reineisen gewickelt sind, der an seinen Enden und zwischen den Spulen mit umlaufenden, durch den Schlitz unterbrochenen Stegen versehen ist.
    5· Auswechselbarer Meßkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen und ihr Kern in einem geschlossenen Schutzrohr angeordnet sind.
    6. Auswechselbarer Meßkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Handhabungsrohr geführten Zuleitungen der Induktionsspulen mit den Drähten der zugehörigen Induktionsspulen eine Einheit bilden.
    7. Auswechselbarer Meßkopf nach den Ansprüchen 5 u.6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen der Induktionsspulen in einer Durchführung am Ende des Schutzrohres dicht eingelötet sind.
    8. Auswechselbarer Meßkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Thermoelement vorhanden ist.
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    · Auswechselbarer Meßkopf nach, einem oder mehreren der AnB.\c:-ohe 4-8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß er mit einem flexiblen Handhabungsrohr verbunden ist, das aus einer eng aneinandergewiekelten Drahtspirale und mindestens einem darüber geflochtenen Drahtgewebe schlauch hesteat.
    10. Auswechselbarer Meßkopf nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,
    daß das Handhabungsrohr im Inneren mit einer bifilar gewickelten elektrischen Heizung versehen ist«
    209845/Θ463
    . 43
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