DE3202744C2 - Ultraschall-Temperaturmessonde - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Temperaturmeßsonde mit einem länglichen Sensordraht, einem diesen umgebenden Hüllrohr und einem Magnetsystem, über das einerseits Ultraschallimpulse auf ein Ende des Sensordrahts gegeben und andererseits Ultraschallechos von diesem Draht auf eine Auswerteelektronik übertragen werden, wobei die Verzögerungszeit zwischen den Echos von definierten Reflexionsstellen des Sensors als Maß für die zu messende Temperatur ausgewertet wird.

Ultraschallthermometer dienen zur Messung sehr hoher Temperaturen jenseits von 1500⁰C, wie sie beispielsweise in Brennstoffsäulen von Kernreaktoren auftreten. Solche Thermometer sind beispielsweise aus der US-PS 40 20 692 bekannt. Der Sensordraht ist durch ein Schutzrohr gegen schädliche Umwelteinflüsse geschützt. Bei den betrachteten Betriebstemperaturen können Stoffumwandlungen und Diffusionserscheinungen auftreten, die zu einem Verkleben des Sensordrahts mit seinem Schutzrohr führen und somit die Ultraschall-Signalfortpflanzung auf dem Sensordraht beeinträchtigen. Die daraus entstehenden Störechos können die Meßergebnisse überlagern und ihre Auswertung in Frage stellen. Dieses Verkleben des Sensordrahts im Hüllrohr führte in dpr Vergangenheit bei hohen Temperaturen schnell dazu, daß das Thermometer unbrauchbar wurde und ausgetauscht werden mußte. In der erwähnten US-PS wird daher empfohlen, Abstandstücke zwischen dem Sensordraht und dem Hüllrohr an solchen Stellen anzubringen, wo eine Signalreflexion ohnehin auftreten soll oder wo ein Störecho toleriert werden kann. Dadurch wird die Unsicherheit über den Ort aufgehoben, an dem das Verkleben auftreten kann. Eine solche Maßnahme läßt sich aber nur beschränkt anwenden, da nicht immer genügend Stellen auf dem Sensordraht vorhanden sind, an denen ein Echo toleriert werden kann. Außerdem wird durch die Abstandshalter das unerwünschte Verkleben des Sensordrahts im Hüllrohr geradezu begünstigt

Eine andere Lösung dieses Problems ist in der DE-OS 26 35 908 beschrieben. Dort wird die Wärmeausdehnung des Sensordrahts und des Hüllrohrs zugunsten einer Relativbewegung zwischen beiden bei großen Teniperatursprüngen ausgenützt Durch diese Relativbewegungen werden Verklebungen wieder ^gelöst, so daß das Thermometer wieder brauchbar wird. Dieses Verfahren bringt jedoch nur dann Erfolg, wenn die Temperatur im Umkreis des Thermometers in regelmäßigen Abständen geändert werden kann. Im Fall eines Thermometers für einen Kernbrennstab bedeutet dies eine Abschaltung des Kernreaktors.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallthermometer der eingangs genannten Art anzugeben, das Verklebungen zwischen dem Hüllrohr und dem Sensordraht unter Verzicht auf Abstandshalter und Temperatursprünge verhindert oder beseitigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensordraht mechanisch durch das Magnetsystem hindurch nach hinten verlängert ist und in der beweglichen Membran eines mechanischen Impulsgebers mündet, der periodisch Impulse liefert, derart, daß der Sensor gegen die Kraft einer Druckfeder kurzzeitig aufgrund der Druckimpulse in Längsrichtung aus seiner Ruhelage verschoben wird.

Die Verschiebungen des Sensors in Längsrichtung erfolgen vorzugsweise außerhalb der Meßzyklen und in regelmäßigem zeitlichem Abstand. Auf diese Weise werden Brücken zwischen dem Sensordraht und dem Hüllrohr frühzeitig zerbrochen bzw. am Entstehen gehindert.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der einzigen Zeichnung näher erläutert, die ein erfindungsgemäßes Thermometer im Schnitt zeigt.

In der Figur ist eine Brennstoffsäule eines Kernreaktors dargestellt, die aus einer Stapelung von zylinderförmigen Brennstoffpellets 1 mit kreisringförmigem Querschnitt in einem Brennstoffrohr 2 besteht. Das Rohr besitzt eine senkrechte Mittelachse 3 und ist unten mit einem Endstopfen 4 verschlossen. Oben ist das Brennstoffrohr 2 mit einem Stopfen 5 verschweißt, in den zylindrisch ein Thermometerhüllrohr 6 über ein kurzes Führungsrohr 7 fest eingesetzt ist. Dieses Hüllrohr durchdringt den ganzen Pelletstapel und endet unten kurz vor dem Verschlußstopfen 4.

Zwischen dem Stopfen 5 und dem obersten Brennstoffpellet 1 sitzt konzentrisch um das Führungsrohr 7 herum eine Druckfeder 8, die eine Längenänderung des Pelletstapels aufgrund von Temperaturänderungen ermöglicht.

Das Hüllrohr wird in seiner ganzen Länge von einem Sensordraht 9 durchzogen, der an solchen Stellen Einschnürungen aufweist, an denen ein Echo erzeugt werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur eine Einschnürung 10 gezeigt, die sich knapp oberhalb des Pelletstapels befindet. Aus der Laufzeit von Ultraschallimpulsen zwischen dieser Einschnürung 10 und dem unteren Ende des Sensordrahtes läßt sich die mittlere Temperatur des Pelletstapels ableiten.

Der Sensordraht durchläuft oberhalb des Stopfens 5 ein Magnetsystem, das aus einem Permanent-Magnet Il und einem Elektromagneten 12 besteht Die zur Achse 3 konzentrische Spule des Elektromagneten 12 wird einerseits mit den Ultraschallimpulsen beaufschlagt, die den Sensordraht durchlaufen sollen, und dient andererseits als Meßspule für die Echosignale. Der Auswerteschaltkreis und der Impulsgeber sind der Einfachheit halber in der Figur weggelassen worden. Sie sind über ein AnschluRkabel 13 mit der Spule verbunden. Der Sensordraht 9 besteht im Bereich des Magnetsystems aus magnetostriktivem Material.

Das obere Ende des Sensordrahtes 9 ist mit einem Zentrierkopf 14 versehen, der in einem das Brennstoffrohr 2 nach oben verlängernden Thermometergehäuserohr 15 in Achsrichtung beweglich gelagert ist und zugleich die bewegliche Membran eines Faltenbalges 16 bildet Eine Feder 17 stützt sich auf dem Magnetsystem 12 und dem Zentrierkopf 14 ab und drückt 'etzteren in Abwesenheit weiterer Kräfte gegen Anschläge 18, die an der Innenwand des Gehäuserohrs 15 angebracht sind.

Der Faltenbalg 17 ist im wesentlichen zylinderförmig und endet oben in einem im Gehäuse festgelegten Stopfen 19, der von einem Kapillarrohr 20 durchdrungen ist. Durch dieses Kapillarrnhr werden im Betrieb Druckimpulse in den Faltenbalg geleitet, so daß der Zentrierkopf kurzzeitig aufgrund der Druckimpulse in Längsrichtung aus seiner Ruhelage verschoben wird.

Der Faltenbalg ist nicht koaxial im Gehäuserohr angeordnet, sondern leicht exzentrisch, um Platz zu schaffen für das Kabel 13 des Magnetsystems. Zu diesem Zweck ist der Faltenbalg exzentrisch an dem zentrischen Zentrierkopf befestigt Das Gehäuserohr ist oben durch eine Abschlußkappe 21 verschlossen, durch die das Kabel 13 und das Kapillarrohr 20 hindurchtreten.

Im Betrieb werden je nach Bedarf in kürzeren oder größeren Abständen Druckimpulse auf das Kapillarrohr 20 gegeben, durch die der Sensordraht in Längsrichtung kurzzeitig verschoben wird, so daß eventuelle Brücken zwischen dem Sensordraht 9 und dem Hüllrohr 6 zerbrochen werden. Selbstverständlich sind Temperaturmessungen während der Dauer der Druckimpulse nicht möglich. Die Druckimpulse dauern jedoch nicht lange, so daß das Thermometer praktisch unbeschränkt zur Verfügung steht.

Der Faltenbalg kann auch durch einen anderen mechanischen Impulsgeber, beispielsweise ein elektromagnetisches System, ersetzt sein, und der Sensordraht könnte mehr als eine Einschnürung 10 aufweisen, etwa um ein ganzes Temperaturprofil über die Höhe des Reaktorkerns zu erfassen. Da es keinerlei Abstützungen zwischen dem Sensordraht und dem Hüllrohr gibt, ermöglicht das erfindungsgemäße Thermometer eine hohe lokale Auflösung eines solchen Profils.

Hierzu 1 Slatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Temperaturmeßsonde mit einem länglichen Sensordraht (9), einem diesen umgebenden .Hüllrohr (6) und einem Magnetsystem (12), über das einerseits Ultraschallimpulse auf ein Ende des Sensordrahts gegeben und andererseits Ultraschallechos von diesem Draht auf eine Auswerteelektronik übertragen werden, wobei die Verzögerungszeit zwischen den Echos von definierten Reflexionsstellen (10) des Sensors als Maß für die zu messende Temperatur ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensordraht (9) mechanisch durch das Magnetsystem (12) hindurch nach hinten verlängert ist und in der beweglichen Membran (14) eines mechanischen Impulsgebers (16) mündet, der periodisch Impulse liefert, derart, daß der Sensor gegen die Kraft einer Druckfeder (17) kurzzeitig aufgrund der Druckimpulse in Längsrichtung aus seiner Ruhelage verschoben wird.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber als zylindrischer Faltenbalg (16) ausgebildet ist, der über ein Rohr (20) mit Luftdruckimpulsen versorgt ist.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse des Faltenbalges (16) leicht verschoben zur Achse (3) des Sensordrahts (9) liegt und daß die Membran (14) als ein konzentrisch zur Achse des Sensordrahts liegender Zentrierkopf ausgebildet ist.