DE2632042B2 - Induktive Strömungssonde zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasvolumenanteils eines Flüssigmetallstromes - Google Patents
Induktive Strömungssonde zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasvolumenanteils eines FlüssigmetallstromesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Einrichtungen gewinnen an Bedeutung durch den Einsatz von Flüssigmetallen, wie z. B.
Natrium, als Kühlmittel von Kernreaktoren, wobei an vielen Komponenten des Kreislaufes die Geschwindigkeiten
bzw. die Durchsätze gemessen werden müssen. Insbesondere ist im Bereich der Brennelemente zur
■to Vermeidung lokaler Überhitzungen z. B. durch I eilblokkaden
eine ständige Kontrolle des Flüssigmetallstromes erforderlich.
Weiterhin ist es von Bedeutung, daß das Schadhaftwerden eines Brennstabes, das sich durch das Einblasen
von Spaltgas in das Kühlmittel bemerkbar macht, rechtzeitig detektiert werden kann.
Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (US-PS 39 67 500) wird ein stabförmiger Dauermagnet für beide
Elektrodenpaare gemeinsam verwendet, dessen Stabachse in Strömungsrichtung und dessen Magnetachse
senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Ein Nachteil dieser Sonde besteht insbesondere darin, daß
das die Lage des Arbeitspunktes auf der Entmagnetisierungskennlinie
bestimmende Verhältnis der Länge L des Magneten in Richtung der Magnetisierung (Dicke des
Stabes) zur Dicke d des Magneten senkrecht dazu (Länge des Stabes) relativ klein ist, so daß eine sehr
ungünstige Magnetgeometrie vorliegt, die eine geringe Langzeitstabilität bei höheren Temperaturen um 600°C
und eine kleine Magnetenergie zur Folge hat. Außerdem besteht über den gemeinsamen Dauermagneten
eine starke Kopplung der beiden Mcßsystcmc. die zu Verfälschungen des Meßergebnisses führt und die
Korrelierbarkeit der Signale vermindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, die
Strömungsgeschwindigkeit eines Flüssigmetallstromes unabhängig von Temperatureinflüssen. Langzeitdriften
und Gammastrahleneinflüssen zu messen und in einer Zweiphasenströmung aus Flüssigmetall und Gas die
Volumenanteile von Gas und Flüssigmetall zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebene
Anordnung gelöst
Zur Durchführung von Zweiphasenstrommessungen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten ist es bekannt,
Chen-Sonden zu verwenden (The Review of Scientific ίο Instruments, Vol. 39 (1968) Seiten 1710 bis 1712, die aus
zwei in das zu kontrollierende Medium eingebrachten Mantelthermoelementen bestehen, deren Meßleiter an
der Meßstelle mit dem umschließenden Mantel verlötet sind. Die freien Enden des einen Meßleiters sind mit den
Polen einer stabilisierten Gleichspannungsquelle verbunden. Leitfähigkeitsänderungen im Bereich der
Chen-Sonden sind als Spannungsänderungen an den freien Enden des anderen Meßleiters meßbar.
Mit derartigen Sonden sind jedoch nur lokale Messungen in einem eng begrenzten Bereich möglich.
Zum Ausführen integraler Messungen z. B. eine Ringraumebene ist der Einbau einer Vielzahl am
Umfang des Ringraumes verteilter Sonden erforderlich. Das Meßergebnis wird verfälscht, weii kleinere
Gasblasen den Sonden ausweichen und nur größere Blasen zu einer Spannungsänderung führen. Nachteilig
ist auch, daß die Strömungsgeometrie durch die in die Strömung hineinragenden Sonden gestört wird, und daß
eine stabilisierte Fremdspannungsversorgung erforderlieh ist.
Es ist auch bekannt (DE-OS 20 18 618), bei Korreiationsverfahren
zum Messen der Strömungsgeschwin digkeit von Zweiphasen-Gemischen mit zwei kapazitiven
Meßfühlern, die in ihrer Höhe mit zunehmendem Anteil einer Phasenkomponente sich ändernde Signalspannung
mindestens eines Fühlers als Maß für den Anteil dieser Komponente zu verwenden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in zwei räumlich eng benachharten
S'römungsquerschnitten die Strömungsgeschwindigkeit über Laufzeitmessungen der Geschwindigkeitsfluktuation
gemessen wird, so daß das Meßergebnis unabhängig ist vom Temperaturgang der Sonde,
von der Temperatur des strömenden Flüssigmetalls, von
Langzeitdriften, Alterungserscheinungen und Gammastrahlenpinnüssen.
Die gleiche Meßanordnung ermöglicht synchron mit Messungen der Strömungsgeschwindigkeit die Ermittlung
des Gasvolumenanteiles einer aus Gas und Flüssigmetall bestehenden Zweiphasenströmung mit
einer Grenzfrequenz von einigen kHz.
Die Erfindung wird im folgenden mit einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt «
F i g. I Achssc'initt einer Meßsonde.
F i g. 2 Radialschnitt einer Meßsonde,
F i g. 3 Blockschaltbild der Meßwertverarbeitung,
F i g. 4 Geschwindigkeitsfluktuationssignale,
Fig. 5 Kreuzkorrelationsfunktion der Geschwindig- w
keitsfluktuationssignalc,
Fig.6 Meßsignale eines Flüssigmetallstromes mit
einzelnen Gasblasen,
Fig.7 Vergleich der Meßsignale einer Chen-Sonde
und einer Magnetsonde bei 20% Gasvolumenanteil,
F i g. 8 Vergleich der Meßsignale einer Chen-Sonde und einer Magnets^nde bei 55% Gasvolumenanteil.
Eine Meßsonde na:h der Erfindung ist als Achsschnitl
in F i g. I und als Radialschnitt in der Ebene AA in F i g. 2
dargestellt. Ein Sondenrohr 1 ist in einem den Flüssigmetallstrom 2 führenden Rohr 3 von 12 mm
Innendurchmesser durch drei um 120 Grad verseuie
Stege 4 konzentrisch angeordnet Das Sondenrohr 1 besteht aus einem unmagnetischen Edelstahl und ist an
seinem unteren Ende durch einen angeschweißten, strömungsgünstig geformten Edelstahleinsatz 5 verschlossen.
In dem Sondenrohr 1 sind zwei scheibenförmige diametral magnetisierte Dauermagnete 6 angeordnet
deren Mittelebenen einen axialen Abstand L von 10 mm haben. Jede Magnetscheibe ist 3,5 mm dick,
hat einen Durchmesser von 6,6 mm und ist an ihrem
Rand in einer zur Magnetachse um 90 Grad versetzten Achse mit zwei diametral angeordneten Ausschnitten 7
versehen. Der Spalt zwischen dem Dauermagneten 6 und dem Sondenrohr 1 beträgt maximal 0,01 mm. Im
Bereich der Mittelebene der scheibenförmigen Dauermagnete 6 sind in diametralen Bohrungen der Wand des
Sondenrohres 1 in dem axialen Abstand L=IO mm ein erstes E!cktrodenpaar8 und ein zweites Elektrodenpaar
9 so angeordnet, daß die Verbinc.;.ngslinie des ersten
Elektrodenpaares 8 und des zweiten El: ktrodenpaares 9 einander parallel und in der gleichen Richtung
verlaufen. Das Sondenrohr 1 und die Elektroden 8, 9 bestehen aus einem unmagnetischen Edelstahl gleicher
chemischer Zusammensetzung. Als Elektrodenzuleitung
10 wird eine Mantelmeßleitung verwendet, die aus
einem zentralen Leiter besteht, der von einem Mantel aus Metall umschlossen und von diesem durch eine
Metalloxydschicht getrennt ist. Der zentrale Leiter und der Mantel bestehen aus einem unmagnetischen
Edelstahl wie V2A. Der zentrale Leiter ist als Elekirode 9, 10 in der Bohrung der Wand des Sondenrohres 1
verschweißt.
Die scheibenförmigen Dauermagnete 6 bestehen aus einem bis zu 600°C beständigen Magnetwerkstoff wie
z. B. AINiCo 450 und werden gegen axial benachbarte Bauelemente durch zylindrische Zwischenstücke 11,12,
13 aus einem unmagnetischen und mindestens th 600°C
temperaturbeständigen Werkstoff wie z. B. gesintertem Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd auf einem vorbestimmten
Abstand gehalten.
Am oberen Ende des Sondenrohres 1 ist ein Führungsrohr 14 angeschlossen, welches Hie Elektrodenzuleitungen
10 aufnimmt.
Jeder der scheibenförmigen Dauermagnete 6 erzeugt in dem Ringraum 15 zwischen dem Sondenrohr 1 und
dem den Flüssigmetallstrom 2 führenden Rohr 3 ein Magnetfeld, dessen Feldstärke H über dem Radius X
den in F i g. 1 angegebenen Verlauf hat und den Ringraum 15 vollrtändig durchdringt.
Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Meßeinrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines
Flü. sigmetallstromes und dessen Gasvolumenanteil zeigt F i g. 3. Die Elektroden des Elektrodenpaarcs 8
sind über Elektrodenzuleitungen 10 auf o.jnen ersten
Verstärker 16 und die Elektroden des Elektrodenpaaris 9 auf einen zweiten Verstärker 17 geschaltet. Die im
Flüssigmetallsirom 2 von den scheibenförmigen Dauermagneten 6 infolge der Geschwindigkeitsfluktuationen
induzierten Spannungen werden von den Elektroden 8, 9 abgegriffen. Die verstärkten, die Geschwi.'idigkeitsfluktuationssignale
darstellenden Spannungen stehen zn den Ausgängen 18, 19 der Verstärker 16, 17 zur
Verfügung.
Die Ausgänge IS, 19 können auf einen Korrelator 20
zum Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion und/oder auf
einen Schnellschreiber 21 zum Ermitteln der Laufzeit r beim Auftreten von einzelnen Gasblasen geschaltet
werden.
jedes der Elektrodenpaare 8, 9 kann auch auf einen schnellen Gleichspannungsmesser 22 geschaltet werden,
mit dem die geschwindigkeitsproportionale Gleichspannung langsam und schnell (instationäre Vorgänge)
erfaßt werden kann.
Mit abnehmender Temperatur des Flüssigmetalls fällt die Steigung der Geraden.
In Fig. 4 sind Geschwindigkeitsfluktuationssignale 23, 24. wie sie an den Ausgängen 18, 19 der Verstärker
16,17 auftreten, als Funktion der Zeit dargestellt.
Fig. 5 zeigt das mit dem Korrelator 20 aus den Geschwindigkeitsfluktuationssignalen 23, 24 erzeugte
Kreuzkorrelationssignal 25, aus dem sich die Laufzeit einer Signaländerung ergibt. Eine derartige Signaländerung
kann auch z. B. durch eine bestimmte Gasbiase im Flüssigmetall verursacht sein und wird zum Zeitpunkt 0
andern ersten Elektrodenpaar8und zum Zeitpunkt r an
dem zweiten Elektrodenpaar 9 gemessen. Die als Ausführungsbeispiel beschriebene Einrichtung hat einen
axialen Abstand der Elektrodenpaare 8, 9 von L = 10 mm. Die Laufzeit τ = 0,899 ms folgt aus F i g. 5.
so daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigmetalls ν = Ux = 10mm/0,899ms =11.1 m/s
beträgt.
Das in Fig. 2 verwendete schnellregistrierende Meßgerät 21 kann auch aus einem Oszillographen
bestehen. Fig.6 zeigt die Meßsignale 26, 27 der Elektrodenpaare 8, 9 der in F i g. 1 dargestellten
Meßanordnung eines Flüssigmetallstromes mit einzelnen Gasblasen. Jede Gasblase verursacht einen
Rückgang der im Flüssigmetallstrom induzierten Spannung, der als Peak 28 sichtbar wird. Die zeitliche
Verschiebung des Peaks 28 zwischen den zwei
in Meßsignalen 26,27 ist die Laufzeit.
Bei einem Gasvolumenanteil von 20% in flüssigem
Natrium wird das in Fig. 7 gezeichnete Meßsignal 29 mit einer Chen-Sonde und das Meßsignal 30 mit der in
Fig. 1 dargestellten Einrichtung nach der Erfindung
!■> gemessen und das Meßergebnis mit einem Schnellschreiber
21 (Fig. 3) registriert. Aus dem Registrierstreifen kann der Gasvolumenanteil auf einige Prozent
genau ermittelt werden.
Das Meßsignal 29 der Chen-Sonde zeigt wesentlich weniger Signale infolge der auf die unmittelbare
Umgebung beschränkten Wirksamkeit der Chen-Sonde und der Tatsache, daß kleinere Gasblasen der Sonde
ausweichen.
Fig. 8 zeigt einen entsprechenden Vergleich der Meßsignale einer Chen-Sonde (Kurve 31) mit den
Meßsignalen der Magnetsonde nach der Erfindung (Kurw 32) bei einem Gasvolumenanteil von 55%.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Induktive Strömungssonde zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasvolumenanteils
eines Flüssigmetallstromes bestehend aus einem einseitig verschlossenen Sondenrohr, das konzentrisch
in ein den Flüssigmetallstrom führendes Rohr eingesetzt ist und einen Ringkanal für den Durchfluß
des Flüssigmetalls bildet, mit zwei im Feld eines Permanentmagneten in einem vorbestimmten Absiand
L in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Elektrodenpaaren und mit einer Auswertschaltung
zum Bestimmen der Laufzeit von statistischen Schwankungen der Signale an beiden
Elektrodenpaaren, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Sondenrohr (1) zwei scheibenförmige Dauermagnete (6) in dem axialen Abstand (L)
angeordnet sind, daß die Dauermagnete (6) in Richtung des Durchmessers der Scheibe magnetisiert
sind, daß der Quotient aus der in Magnetisierungsrich'ung
gemessenen Länge (1) des Dauermagneten fc/ und der senkrecht zur Magnetisierungsrichtung gemessenen Dicke (d) des Dauermagneten
(6) mindestens annähernd den Wert zwei erreicht, daß in der Mittelebene jedes der zwei scheibenförmigen
Dauermagnete (6) zwei Elektroden eines Elektrodenpaares (8, 9) durch die Wand des
Sondenrohres (1) geführt und mit den Eingängen der
elektronischen Auswertschaltung (16—22) verbunden sind, die synchron mit der Messung der
Strömungsgeschwindigkeit auch die Ermittlung des Gasvolumpnanteils aus der Höhe der Signalspannung
mindestens eines Elektrodenpaares ermöglicht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenföi ligen Dauermagnete
(6) an ihrem Rand in einer zur Magnetachse um 90 Grad versetzten Achse mit zwei diametral
angeordneten Ausschnitten (7) für die Elektroden (8, 9) und deren Verbindungsleitungen (10) mit der
Meßwertverarbeitung versehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eines ersten
Elektrodenpaares (8) in zwei diametralen Bohrungen der Wand des Sondenrohres (1) verschweißt
sind, und daß in einem vorbestimmten axialen Abstand (L) von dem ersten Elektrodenpaar (8) ein
zweites Elektrodenpaar (9) in der gleichen Art und so angeordnet ist, daß die Verbindungslinie des
zweiten Elektrodenpaares (9) einander parallel und in der gleichen Richtung verlaufen.
4. Einrichtung nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondenrohr (I) und die
Elektrodenpaare (8, 9) aus einem magnetischen Edelstahl gleicher chemischer Zusammensetzung
bestehen.
5. Einrichtung nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenzuleitung (10)
eine Mantelmeßleitung verwendet wird, deren Zentralleiter und deren Mantel aus einem unmagnetischen
Edelstahl wie V2A besteht, und daß der zentrale Leiter als Elektrode (9, 10) in der Bohrung
der Wand des Sondenrohres (1) verschweißt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Dauermagnete
(6) aus einem bis zu Betriebstemperaturen von bO0°C beständigen Magnetwerkstoff wie
AINiCo 450 bestehen.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Dauermagnete (6) gegeneinander und gegen axial benachbarte
Bauelemente durch zylindrische Zwischenstükke (11, 12, 13) aus einem unmagnetischen und
mindestens bis 600 Grad temperaturbeständigen Werkstoff auf einem vorbestimmten Abstand
gehalten werden.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die zylindrischen Zwischenstücke (U, 12,13) aus gesintertem Magnesiumoxyd bestehen.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzi leitungen (10)
des ersten und des zweiten Elektrodenpaares (8, 9)
t5 auf einen ersten bzw. einen zweiten Verstärker (16, 17) geschaltet sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalausgänge (18,19)
des ersten und des zweiten Verstärkers (16,17) zum Ermitteln der Kreuzkorrelationsfunktion und der
Transportzeit (r) auf einen Korrelator (20) geschaltet sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßsignalausgänge (18,19) des ersten und des zweiten Verstärkers (16,17) zum
Ermitteln des Gasvolumenanteiles auf ein schnellregistrierendes Meßgerät (21) geschaltet sind.
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