DE1473206A1

DE1473206A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stroemungsmessung,insbesondere bei Kernreaktor-Kuehlmitteln

Info

Publication number: DE1473206A1
Application number: DE19641473206
Authority: DE
Inventors: Dawson David Garnet; Bentley Peter Graham; Burton Eric John
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1963-10-17
Filing date: 1964-10-10
Publication date: 1968-12-19
Also published as: GB1095476A; BE654508A; DE1473206C3; DE1473206B2

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority, Patents Branch, 11 - 12, Charles II Street, London, SW1, E η g 1 and

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr· 41 034/63 vom 17. Oktober 1963 beansprucht.

Verfahren und Vorrichtung zur Strömungsmessung, insbesondere bei Kernreaktor-Kühlmitteln

Die Erfindung bezieht sich auf.die Messung der Strömungs-"Hate" /flowrate/ bzw. Strömungsgeschwindigkeit (im Nachstehenden einfach "Strömung" genannt) von flüssigen oder gasförmigen Medien. Die Strömungsmessung findet Verwendung bei der Steuerung von Industriefabrikationen und ist besonders beim Betrieb von Kernreaktoren von

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Bedeutung, wo die Strömung des Kühlmittels notwidige Information darstellt. Bin Zweok der Erfindung ist die Messung der mittleren Strömung eines Mediums im Gegensatz zur Maximal- oder Spit zenströmung.

Man kann bereits in einem Strömungsweg eine Messung der Strömung bis zu einem gewissen Grad dadurch erhalten, d aß dem Medium eine Wärmefluktuierung oder -Schwankung aufgeprägt wird, die beim Vorbeiströmen von zwei Temperaturwandlern erfaßt wird, welche an Punkten im Abstand voneinander im Strömungsweg auf die Temperatur des Mediums ansprechen, wobei die Zeit, die zwischen den Anspreoherwiderungen der Wandler auf die Pluktuierung verstreicht,gemessen wird, so daß die Strömung aufgrund des Abstandes zwischen den Wandlern davon abgeleitet werden kann.

Die Erfindung ist dort anwendbar, wo kontinuierlich im Medium unsystematische oder zufällige TemperaturSchwankungen beliebig auftreten, und besteht darin, daß von dem Ausgang von mindestens einem Temperaturwandler, der auf die Temperatur des Mediums in dem Strömungsweg anspricht, nur derjenige Teil auegefiltert wird, der eine vorher festgelegte Frequenz oder Häufigkeit hat, und daß die mittlere Strömung aus' diesem Teil dadurch abgeleitet wird, daß entweder der Teil aus dem einen Wandler mit demjenigen aus dem anderen verglichen wird, oder daß, wenn nur ein Wandler verwendet wird, Teile mit untersdsLed-

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lichen vorher festgelegten Frequenzen verglichen werden.

Außerdem schafft die Erfindung eine Sonde, die zur Ermittlung der Strömung, in ein Medium einzutauchen ist, wobei die Sonde »ei Temperaturwandler mit unterschiedlichen Zeitkonstanten aufweist, die zusammen angebracht sind, um entsprechenden Temperaturfluktuierungen ausgesetzt zu sein. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sonde eine Wärmeabschirmung auf, sowie ein in dieser eingebettetes Thermoelement und ein Bezugsthermoelement, das mit seiner Verbindungsstelle im Abstand von der Abschirmung an dies angebracht ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die beiden Thermoelemente unterschiedliche Zeitkonstanten in Bezug auf ihre Erwiderung auf Temperaturfluktuierungen in einem Medium haben, in das die Sonde eingetaucht ist.

Die nachstehenden Erläuterungen dienen zur beispielhaften Beschreibung der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Strömung von Medien.

Die Messung der Strömung eines Mediums kann gemäß der Erfindung dadurch erfolgen, daß die Erwiderung (Meßwerte) von zwei in einem Medium, wei beispielsweise dem Wasserkühlmittel eines wassergekühlten kernreaktors, eingetauchten Thermoelementen auf Temperaturfluktuierungen in dem Medium miteinander verglichen

werden. Natürlich gibt es in einem strömenden Medium, wie einem Wasserkühlmittel, unsystematische Temperaturschwankungen, die einem Temperaturmuster gleichen, welches mit der mittleren Geschwindigkeit des Mediums an den Thermoelementen vorbeiströmt. Diese Temperaturschwankungen werden von beiden Thermoelementen erfaßt und als fluktuierende oder schwankende Ausgangsspannungen angezeigt. Der Vergleich der fluktuierenden Spannungen bei jeder beliebigen ausgewählten Frequenz ergibt eine Phasendifferenz, die eine Zeitverzögerung zwischen dem Ansprechen der beiden Thermoelemente auf jeden Teil des Temperaturmusters des Mediums darstellt.

Die Zeitverzögerung zwischen dem Ansprechen der beiden * Thermoelemente ist auf zwei Faktoren zurückzuführen, nämlich den Abstand zwischen den Thermoelementen in Richtung der Strömung und die Unterschiedlichkeit der Zeitkonstanten der Thermoelemente. Wenn der Abstand zwischen den Thermoelementen eine Entfernung von L om in der Strömungsrichtung ausmacht und die mittlere Strömung des Mediums V cm/sec. beträgt, ergibt sich eine Zeitverzögerung von L/V see. zwischen dem Erscheinen jedes Teils des Temperaturmusters an den Thermoelementen. Bei einer Frequenz von f stellt dies eine Phasendifferenz von

21TLF —τ?— rad.

dar. An jedem Thermoelement hat die Ansprechzeit des Thermoelementes eine Phasendifferenz von

tan"¹ (2TfI) rad. 1

tg (2 TTfTT

zur Folge, worin T die Zeitkonstante des Thermoelementes ist. Wenn die (mit T₁ und T_g bezeichneten) Zeitkonstanten der Thermoelemente unterschiedlich sind, ist die gesamte Phasendifferenz zwischen den Fluktuierungsspannungen, die durch die Thermoelemente erzeugt werden, bei einer Frequenz von f also

2iTLf .1 1

tg(2

rad.

Ein Verfahren der Strömungsmessung, das auf dem Vergleich der von den beiden Thermoelementen erzeugten fluktuierenden Spannungen beruht, wie beschrieben, wird mit Hilfe von zwei gleichartigen aber voneinander im Abstand angeordneten Thermoelementen ausgeführt. Die Thermoelemente sind so gleichartig, daß der Unterschied der Zeitkonstanten zwischen den beiden Thermoelementen unbeachtet be\J,iben kann. Die Thermoelemente £-νΛ in Strömungsrichtung um einen Abstand, der genau gemessen wird, voneinander entfent angeordnet. Dieser Abstand wird so gewählt, daß er groß genug ist» um eine Phasendifferenz zwischen den ·' Thermo el ement signal en hervorzurufen, die genau gemessen werden kann. Die Phasendifferenz wird für eine bekannte Frequenz der Signalfluktulerung gemessen, die durch ein Schmal-Bandpaßfilter ausgewählt wird. Wenn die Frequenzjund der Abstand der Thermoelemente voneinander bekannt ist, kann die Strömung von der gemessenen Phasendifferenz hergeleitet werden.

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Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren der Strömungsmessung wird ein Vergleich zwischen den Fluktuierungsaignalen aus zwei in einem Medium an der gleichen Stelle eingetauchten Thermoelementen, die unterschiedliche Zeitkonstanten haben, hergestellt. Bei diesem Verfahren ist der Abstand der Thermoelemente in Richtung der Strömung genügend klein, so daß die Phasendifferenz zwischen ihren Signalen infolge ihres Abstands voneinander vernachlässigt werden kann. Folglich ist die Phasendifferenz zwischen den ThermoelementSignalen von der Differenz zwischen den Zeitkonstanten der beiden Thermoelemente abhängig. Es hat sich herausgestellt, daß die Zeitkonstante jedes Thermoelementes zu der Wärmekapazität des Thermoelementes und den Strömungsbedingungen, die den Wärmeaustausch zwischen dem Medium und dem Thermo el ee^t bestimmen, in Beziehung steht. Infolge der Abhängigkeit der Zeitkonstanten von den Strömungsbedingungen verändert sich der Unterschied der Zeitkonstanten der beiden Thermoelemente mit der mittleren Strömung. Ein Gerät zur Messung der Phasendifferenz zwischen den beiden Thermoelementsignalen infolge ihrer unterschiedlichen Zeitkonstanten kann daher in Ausdrücken der mittleren Strömung geeicht sein.

Eine Sonde zur Messung der Strömungsrate des Wasserkühlmittels in einem wassergekühlten Kernreaktor gemäß dem zweiten vorstehend beschriebenen Verfahren weist zwei gleichartige Thermo-

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— T —

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elemente der Chromel-Alumel-G-attung auf, die in flexiblen Hüllen aus rostfreiem Stahl untergebracht und gegen diese isoliert sind. Die Verbindungsstelle des einen der Thermoelemente ist von der Hülle freigelegt und in einem Kupferblock eingebettet, der als Wärmeabschirmung dient. Das zweite (oder Bezugs-) Thermoelement ist an dem Kupferblock befestigt, wobei seine Verbindungsstelle im Abstand von dem Block angeordnet ist; diese Verbindungsstelle ist nicht freigelegt sondern bleibt in der Hülle eingeschlossen. Die Kupferwärmeabschirmung dient zur Erhöhung der Wärmekapazität des in ihr eingebetteten Thermoelementes relativ zur Wärmekapazität des Bezugsthermoelementes. Auf diese Weise werden die Zeitkonstanten der beiden Thermoelemente ungleich. Es hat sich herausgestellt, daß, wenn die Sonde in einen Wasserstrom eingetaucht wird, die Phasendifferenz zwischen den Thermoelementsignalen, die durch Temperaturfluktuierungen im Wasser hervorgerufen werden, von der mittleren Wasserströmung abhängt.

Die Phasendifferenz zwischen den beiden Thermoelementsignalen wird durch eine Vorrichtung gemessen, die aus herkömmlichen elektronischen Aggregaten zusammengesetzt ist. Diese Vorrichtung weist Parallelschaltungen auf, die mit den beiden Thermoelementen verbunden sind, wobei jede Schaltung einen Verstärker und ein Schamlbandpaßfilter aufweist, durch welches Schwingungen einer vorher ausgewählten Frequenz in den Thermoelementsignalen getrennt werden. Die Signale bei jeder beliebigen Frequenz sind um einen

Betrag phasenungleich, der zu dem Unterschied der Zeitkonstanten zwischen den beiden Thermoelementen in Beziehung eteht. Zur Messung dieser Phasendifferenz ist ein Phasenschieber in Reihe mit ' dem einen Thermoelement geschaltet, und die Signale aus beiden Thermoelementen werden in einem Vervielfaoheraggregat miteinander verglichen, von dem ein Ausgangssignal zu einem Meßgerät abgenommen wird. Der Phasenschieber wird eingestellt, bis der angezeigte Ausgang aus dem Vervielfacher ein Maximum beträgt, wenn die Thermoelementsignale, die dem Vervielfacher zugeliefert werden, phasengleich miteinander sind. Eine Ablesung der Phaeenversohiebungt die durch den Phasenschieber übermittelt wird, wenn das Vervielfacherausgangssignal ein Maximum beträgt, liefert ein MaS für den Unterschied der Zeitkonstanten zwischen den beiden Thermoelementen. Demzufolge kann der Phasanschieber in Ausdrücken der mittleren Wasserströmung geeicht sein.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Einzelheiten des vorstehenden Beispiels begrenzt. So können beispielsweise auch Rückkopplungsschaltungen verwendet werden, damit die Messung völlig automatisch wird. Außerdem ist es nicht unbedingt erforderlich, daß ein Bezugsthermoelement bei der Messung der Zeitkonstante eines in Wasserkühlmittel eingetauchten Thermoelements verwendet wird. Willkürliche Fluktuierungen der Kühlmitteltemperatur haben das Gharakterlstikum des Rauschens /white noise/ über einen bestimmten Frequenzbereich, und dies wird durch ein

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Thermoelement modifiziert, um ein charakteristisches Spektrum zu ergeben, welches zu seiner Zeitkonstante in Beziehung steht. Demzufolge kann die Zeitkonsiaate eines in strömendem Wasser eingetauohten Thermoelementes aus einer Analyse der Anspreoherwiderung des Thermoelementes auf willkürliche Temperaturfluktuierungen im Wasser hergeleitet werden. Wie vorstehend ausgeführt, steht die Zeitkonstante des Thermoelementes mit zwei Paktoren in Verbindung, nämlich der Wärmekapazität des Thermoelementes und den Strömungsbedingungen, die den Wärmeaustausch zwischen dem Medium und dem Thermoelement bestimmen. Ein in geeigneter Weise ausgelegtes Thermoelement hält den ersten der beiden Faktoren konstant; aber da der zweite Faktor von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, kann die Zeitkonstante in Ausdrücken der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bei einer vorher ausgewählten Frequenz geeicht werden.

Die Erfindung ermöglicht das Einbauen eines Strömungsmeßgerätes in einem Strömungsweg, dessen Abmessungen die Verwendung von anderen Formen von Strömungsmeßgeräten, wie bei-' spielsweise Prandtl-Rohren /pilot tubes/, Standscheibenmessern /onfioe meters/ oder Ventur!messern, nioht zulassen.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich

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vor allem auoh auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in den gesamten ursprünglichen Anmeldungsunterlagen offenbart sind.

Pat ent ans prüc he

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Claims

PATENTANWALT 147320S OIPL-ING. ERICH SCHUBERT J • Telegramm-Adr.: Pcrtichub, Siegen .> Patentanwalt Dlpl.-Ing. SCHUKKT, Kege· I. WmM., totfadi 125 Poittdiedckontem Köln 106931, Ewen 20342 64 135 Ke/da Bankkonten. Deuteln Bank AG., Filial· Siegen μ. Oberhäuten (RhM.) 9. Oktober 1964 Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einem Strömungsweg, bei dem ständig unsystematische bzw. willkürliche Temperaturscbwankur&n auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Ausging von mindestens einem Temperaturwandler, der auf die Temperatur des Mediums in dem Strömungsweg anspricht, nur derjenige Teil auegefiltert wird, 4er eine vorher festgeH^sJse Prequeriz^y hat, und daß die mittlere Strömung aus diesem Teil dadurch abgeleitet wird, daß entwe-der der Teil aus dem einen Y/andler mit demjenigen aus dem anderen verglichen wird, oder daß, wenn nur ein Wandler verwendet wird, Teile bei unterschiedlichen vorher festgelegten Frequenzen verglichen werden.

2. Verfahren zur Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums in einem Strömungsiveg, bei dem ständig willkürliche Temperaturschwankungen auftreten, dadurch 'gekennzeichnet, dai die Schwankungen durch einen Temperaturwandler an zwei in Richtung der Strömung im Abstand voneinander vorgesehenen Punkten erfaßt wird, da£ die Ausg'i ige der Wandler bei einer ausgewählten Trennen.¹* mitein^n/¹ zv vr:r-

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glichen werden, daß die Phasendifferenz zwischen den Ausgängen bei dieser frequenz bestimmt wird und daß die Strömungsgeschwindigkeit aus der bekannten Phasendifferenz zusammen rcit dem bekannten Abstand zwischen in dem Strömungsweg im Abstand voneinander angeordneten Wandlern oder mit dem \ bekannten Unterschied der ^Jeitkonstanten von benachbarten Wandlern bestimmt wird.

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3. Verfahren zur Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines lediums, in dem ständig willkürliche Temperaturschwanl'ungen auftreten, in einem Strömungsweg, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankungen in dem Medium mittels eines Temperaturwandlers-in dem Strömungsweg (flurch einen Detektor) erfaßt werden und die Strömungsgeschwindigkeit des lediums an dem Detektor vorbei aufgrund der Kenntnis der unterschiedlichen Zeitkonstante der Vfandler und einer auege» wählten Ausgangsfrequenz dee Wandlers bestimmt wird.

4. Sonde zur Messung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, das in einem Strömungsweg willkürlichen temperaturSchwankungen ausgesetzt ist, gekenneeiehnet duroh zwei Temperaturwandler von unterschiedlichen Eeitkonstanten,

' die miteinander angebracht sind.

5. Sonde nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Wärmeabpchirmung und ein Bezugstherraoelenient, das an der ι V/ärmeabschirrmng angebracht ist, wobei seine Verbindungsstelle von der Ab^chin nn;, einen Abstand aufweist.

BAD ORIGINAL

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6. Vorrichtung zur Messung der mittleren Geschwindigkeit eines strömenden Mediums, welches willkürlichen "!enperaturSchwankungen ausgesetzt ist, während es in einem Strömungsweg fließt, gekennzeichnet durch zwei temperaturwandler^ die in Richtung der Strömung in dem Strcnnungsweg im Abstand voneinafler anordnet sind, eine erste mit dem einen Wandler in Verbindung stehende Schaltung, ~die einen Verstärker und einen, ^ilter aufweist, durch welches der Ausgang aus dem zugeordneten 'Vandlor bei einer ausgewählten frequenz abgetrennt werden kann, eine zweite Schaltung, die > it dem anderen Wandler in Verbindung steht und einen Verstärker aufweist, sowie ein Filter und einen Phasenschieber, durch welche der Ausgang au.? dera zugeordneten Wandler bei einer vorher ausgewählten frequenz getrennt und phasenvv\Big abgeändert werden kann, einen Vervielfacher, der die Ausgangssignale aus der ersten und der zweiten Schaltung aufnimmt, um¹ eine Vorrichtung zum Anzeigen des Ausgangs aus dem Vervielfacher.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, Äaß die Wandler gleiche "eitkons.tanten haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 0, dadurch gekennsiebnet, daß die Wandler Thermoelemente oder Widerstandsthermometer oder sonsti e auf Wärme ansprechende Halbleitervorrich bungen sind.

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