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Druckmeßgerät für heiße Medien, insbesondere Flüssigmetalle Die Erfindung
bezieht sich auf ein Druckmeßgerät für heiße Medien, insbesondere Flüssigmetalle,
mit einem den Druckraum abdichtenden, vom Medium umspielten Federbalg (Meßbalg),
dessen Abschlußplatte das eine Ende eines Druckstabes aufnimmt, der durch den Federbalg
und ein gekühltes Gehäuseteil hindurch die Stellkraft auf ein Meßwerk überträgt
und dabei die Druckkraft gegen die Rückstellkraft eines federnd abgestützten Tellers
auswiegt, welcher den Druckstab an seinem anderen Ende führt. Ein Gerät dieses grundsätzlichen
Aufbaues ist beispielsweise im »Liquid Metal Handbook«, des AEC Department of the
Navy, Wash., 1955, S. 337, 338 dargestellt und beschrieben.
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Wie aus F i g. IV-58 des Buches hervorgeht, wird der zu überwachende
Druck des Flüssigmetalls von einer tellerartigen Druckplatte eines abdichtenden
Balgs im Gehäuseeingangsteil - das ist das Unterteil des Apparates, die Anschlußkammer
an die das Metall führende Leitung - aufgenommen und auf einen mit ihr verbundenen
Druckstab weitergegeben.
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Der Druckstab trägt an seinem oberen Ende einen Weicheisenkern, der
in ein Differentialspulensystem im Gehäuseaufsatz - dem Meßkopf - eintaucht.
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Unterhalb der Meßkopfkammer sitzt auf einem Federteller, der vom Druckstab
getragen wird, eine Rückstellfeder, die von einem Faltenbalg umschlossen ist, der
die Meßkopfkammer gegen das mittlere Gehäuseteil abdichtet.
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Der Druckstab ist im Bereich zwischen Gehäuseeingangs- und -oberteil
in einem engen Führungsrohr verschiebbar, das mit Kühlrippen versehen ist.
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Gegenüber Druckmeßgeräten anderer Bauart weist das beschriebene Gerät
den Vorteil auf, daß die Meßgenauigkeit weitgehend von der thermischen Ausdehnung
des Druckstabes und der Änderung der Federkonstanten des benetzten Druckbalgs unabhängig
ist. Dies ist durch geeignete Wahl der Federkonstanten des Druckbalgs und der Feder-Faltenbalg-Kombination
erreichbar. Außerdem wird die Feder-Faltenbalg-Kombination auf niedriger Temperatur
gehalten, und durch die Kühlung des Führungsrohres wird auch die Längenänderung
des Druckstabes klein gehalten.
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Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die erläuterte Gerätekonstruktion
in zweierlei Hinsicht zu verbessern: Einmal den Einfluß der thermischen Längenänderung
von Stab, Gehäuse und elastischen Elementen auf die Meßgenauigkeit noch radikaler
auszuschalten, zum anderen auch im Betrieb eine Eichprüfung des Gerätes zu ermöglichen.
Dabei wird von der Methode der Gegenschaltung zweier Federelemente Gebrauch gemacht,
wie sie z. B. in der französischen Patentschrift 1 187 788 für Gasdruckmesser beschrieben
und dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Vereinigung folgender Merkmale vorgesehen:
a) dem Meßbalg ist ein gleichartiger Federbalg entgegengeschaltet, der einerseits
an der Abschlußplatte des Meßbalgs, andererseits an einer mit Durchbrüchen versehenen
Bodenplatte des Druckraumes befestigt ist, b) der Federteller ist von zwei einander
entgegengeschalteten gleichen Federn getragen, bei einem Verhältnis der Federkräfte
der Rückstellfedern zu denen der Bälge von etwa 5:1, c) die Kammer des Meßbalgs
steht unter dem Vergleichsdruck eines Meßgases.
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Auf diese Weise wird - für Meß- und Eichbetrieb - eine sehr gute
Kompensation der temperaturbedingten Änderungen der Federkonstanten der Bälge und
Rückstellfedern erreicht. Die Kompensation ist so gut, daß die Meßgenauigkeit des
Gerätes im Betrieb bei + 0,6 % des Skalenendwertes für eine Druckvariation von +
0,5at liegt. Im Eichbetrieb wurde ein mittlerer Meßfehler von nur 0,8 % erreicht.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch zwei Ausführungsbeispiele
des Druckmeßgerätes im Längsschnitt. Es zeigt F i g. 1 die bevorzugte Ausführung
des Druckmeßgerätes und
F i g. 2 eine Variante des Druckmeßgerätes
nach Fig. 1.
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Das in Fig. 1 dargestellte Druckmeßgerät nach der Erfindung ist für
den Anschluß an Kernreaktorkühlkreisläufe sowie entsprechende Versuchskreisläufe,
insbesondere mit verflüssigtem Metall, wie z. B.
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NaK, als Wärmeträger bestimmt. Das Gerät ist direkt an die das Flüssigmetall
führende Leitung 1 angeschlossen. Es besteht grob unterteilt aus dem Gehäuseeingangsteil2,
dem Gehäuseoberteil 3, dem Meßkopf 4 und dem Druckübertragungssystem in der Symmetrieachse
des Gerätes.
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Das Druckübertragungssystem besteht aus folgenden Elementen: der
Druckplatte5, dem benetzten Druckbalg 6 zwischen Gehäuseeingangsteil und Druckplatte,
dem Druckstab 7, dem Druckstabführungsrohr 8, der Rückstellfeder 9 zwischen Druckstab
und Gehäuseoberteil, dem Weicheisenkern 10 und dem Differentialtransformator 11.
Der Raum 12 im Gehäuseeingangsteil ist mit flüssigem, hochtemperiertem Metall (bis
zu 7000 C) aus der Leitung 1 angefüllt. Die genannten Bauelemente sind auch bei
dem eingangs erwähnten bekannten Druckmeßgerät vorhanden.
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Ferner ist nun der Rückstellfeder 9 auf der anderen Seite des Federtellers
13 eine Gegenfeder 14, und dem Druckbalg 6 auf der benetzten Seite der Druckplatte
5 ein Gegenbalg 15 vorgeschaltet, wobei ein Verhältnis der Federkräfte der Rückstellfedern
zu denen der Faltenbälge von etwa 5:1 gewählt ist.
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Federteller und Druckplatte sind nach beiden Seiten hin kragenartig
erweitert. Die Kragen 13 a, 13 b des Federtellers dienen der besseren Führung der
Schraubenfedern9, 14, ferner als Begrenzungsanschläge für den Druckstab. Die Lippen
5 a, 5b der Druckplatten dienen zum Anschweißen der Enden der Faltenbälge. Die Schraubenfedern
9, 14 stützen sich jeweils am Kopfteil 3 a bzw. Bodenteil 3 b des Gehäuseoberteiles
und der Wulst 13 c des Federtellers ab. Sie stehen unter Vorspannung. Der Federteller
ist mit Hilfe der Gewindemutter 13 d am Druckstab 7, der dort ein Gewinde 13 e besitzt,
festgespannt.
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Der Druckbalg 6 im Gehäuseeingangsteil ist mit seinem oberen Rand
an einem Kragen 2 a der Kopfplatte 2 b des Gehäuseeingangsteils verschweißt, während
der Gegenbalg 15 mit seinem unteren Rand an der mit Durchbrüchen für das Flüssigmetall
versehenen Bodenplatte 2 c des Gehäuseeingangsteils verschweißt ist. Die Bodenplatte
besteht an sich aus einem äußeren Ringteil und einer darin eingefügten Kreisscheibe,
die zugleich den Druckstab 7 in Gestalt des stangenartigen Fortsatzes 5 c der Druckplatte
zentriert und führt.
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Während der Druckbalg 6 nur an der Außenseite vom heißen Wärmeträger
benetzt wird, wird der Gegenbalg 15 davon auch an der Innenseite beaufschlagt. Zur
Verbesserung der Zirkulation weist die Druckplatte Querbohrungen 5 d auf.
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Durch die Verwendung doppelter Federn und doppelter Bälge und infolge
der größeren Federkonstanten der Federn, werden die Änderungen der Federkonstanten
der Faltenbälge kompensiert, zumal beide vom Wärmeträger benetzt werden und somit
annähernd gleiche Temperaturen aufweisen. Desgleichen werden ungleiche Längenänderungen
des Druckstabes und Gehäuses und damit verbundene Nullpunktverschiebungen im Meßkopf
kompensiert.
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Die Nullpunktlage ist also für alle Druck- und Temperaturbereiche
konstant. Da die Bälge leicht auf einer Temperatur über 2000 C gehalten werden können,
sind auch Oxydabsetzungen des legierten Flüssigmetalls oder direkte Metallniederschläge
nicht möglich. Nicht zuletzt trägt auch zur Genauigkeit der Messung bei, daß sich
Druckstab und Federn frei bewegen können.
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Weiter sind nach einem Merkmal der Erfindung die miteinander kommunizierenden
Räume der Druckübertragungsstrecke bis zur Druckplatte 5 hin tlber eine Leitung
mit Meßgas beaufschlagt. Der Gasraum umfaßt die durch die Büchse 3 c des Kopfteiles
3 a des Gehäuseoberteiles 3 gebildete Kammer 16, die Federnkammer 17, den Kanal
des Führungsrohres 8 und die Balgkammer 18. Die Meßgasleitung ist in F i g. 1 durch
die Zuleitung 19 und die Austrittsleitung 20 unterhalb des Meßkopfes veranschaulicht,
von denen die letzte über ein Drehkolbenmanometer zu einem Nadelventil (beide nicht
dargestellt), führt.
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Der Bereich um die Federnkammer 17 ist wassergekühlt. Von der Eintrittsleitung
21 tritt das Kühlwasser in den Ringraum 22, von da durch Durchbrüche im Bodenteil
3 b des Gehäuseoberteils in den Wasserraum23 unterhalb der Federnkammer, und es
verläßt das Gerät schließlich durch die Austrittsleitung 24. Durch die Kühlung werden
insbesondere die Rückstellfedern auf niedriger Temperatur gehalten.
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Der Ringraum 22 wird gebildet durch den Zylinderansatz 3 d des Bodenteiles
und die Armatur 25.
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Er führt den Federteller 13. Die Armatur besitzt mehrere Stützfüße
25 a zur Halterung des Druckmeßgerätes.
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Auch das Führungsrohr 8 des Druckstabes ist gekühlt (vgl. die Kühlrippen26,
die sich über den Raum zwischen Gehäuseober- und -eingangsteil erstrecken).
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Die Eichprüfung des Gerätes im Betrieb geht wie folgt vor sich: Das
Ausströmnadelventil in der Leitung 20 wird so weit gedrosselt, daß sich im Gasraum
des Gerätes - der ja ständig mit Gas (Argon) von Betriebsnormaldruck angefüllt ist
- der gleiche Druck einstellt wie im Wärmeträger. Das hat zur Folge, daß die Rückstellfeder
den Druckstab und die Instrumentenanzeige aus der jeweiligen Betriebslage in Richtung
auf die Nullage zurückführen. Stimmt die Endlage des Zeigers mit der Nullage der
Skala überein, ist das Meßgerät in Ordnung, da Gasdruck und Wärmeträgerdruck übereinstimmen.
Ist das nicht der Fall, muß das Federnsystem neu eingestellt werden.
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Es sei daran erinnert, daß bei dieser Eichprüfung die Kragen 13 a,
13 b des Federtellers durch Anschlag am Kopf- oder Bodenteil des Gehäuseoberteiles
eine Überdehnung der Faltenbälge verhindern.
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Die Druckanzeige als solche geschieht elektrisch, sowohl für den
Wärmeträger als auch für das Gas.
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Beide Drücke werden vektoriell positiv addiert, wenn die Anzeige oberhalb
des Nullpunktes liegt und negativ, wenn die Anzeige unter den Nullpunkt geht.
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Die Summe wird geschrieben und angezeigt, so daß man den jeweiligen
Wärmeträgerdruck sofort ablesen kann.
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Das Vorhandensein eines Gasmeßkreises hat vor allem auch den großen
Vorteil, daß der Meßbereich des Gerätes durch Erhöhung oder Verminderung des
Gasdruckes
leicht variiert werden kann, was eine kontinuierliche Druckmessung mit dem gleichen
Anzeigegerät ermöglicht. Es brauchen keine stärkeren Rückstellfedem, die die Ablesegenauigkeit
beeinträchtigen würden, eingebaut zu werden. Weiter entfallen durch die negative
und positive Addition des Wärmeträgerdruckes zum Gasdruck Fehlmessungen durch Volumenänderungen
des Gases. Dem wird bei der Geräteausführung nach Fig. 1 auch dadurch entgegengewirkt,
daß der Gasraum des Gerätes so knapp wie möglich bemessen ist. Das hat einen nur
kleinen Argondurchsatz zur Folge.
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Wo der Argongasverbrauch keine große Rolle spielt, kann das Druckmeßgerät
nach Fig.2 interessant sein, bei dem das Meßgas zugleich zur Kühlung des Druckstabes
und des Federsatzes dient. Es entfällt also die Wasserkühlung, die beim Gerät nach
F i g. 1 vorgesehen ist. Im vorliegenden Falle werden die Federn durch eine leichte
Gasströmung auf gleicher Temperatur gehalten. Zwischenwände 29, 28 im Gehäuseoberteil
mit kleinen Bohrungen verhindern, daß der obere Faltenbalg 6 mit kaltem Gas in Berührung
kommt und daß die Rückstellfedern mit heißem Gas beaufschlagt werden.