DE1799038B1

DE1799038B1 - UEberwachungseinrichtung fuer Stroemungsmittel

Info

Publication number: DE1799038B1
Application number: DE1799038A
Authority: DE
Inventors: M Fisher; J Grant
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1966-12-29
Filing date: 1967-12-23
Publication date: 1979-08-16
Also published as: DE1799038C2; FR1552348A; GB1199938A; JPS5332267B1; DE1650231A1; DE1650231B2; DE1650231C3; JPS5122147B1; US3661163A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung für Strömungsmittel, insbesondere für den Kühlmittelkreislauf von Kernreaktoren, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Durch die US-PS 32 50 470 ist ein bistabiles Fluid-Schieberregister zur Speicherung und Weitergabe von Binärdaten mit mehreren in Kette geschalteten Fluid-Verstärkern der eingangs beschriebenen Art bekannt, die die einzelnen Stufen des Schieberregisters bilden. Die beiden Steuerkanäle jedes Verstärkers der einzelnen Stufen sind über UND- und ODER-Elemente mit den Ausgängen des Verstärkers der vorangeschalteten Stufe sowie eine gemeinsame Taktimpulsleitung derart miteinander verbunden, daß ein einer Stufe übermitteltes Datenbit ohne Verwendung einer Zwischenspeicherstufe in die nächstfolgende Stufe verscho

ben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kettenschaltung von Fluid-Elementen derart auszubilden, daß diese über die Messung einer bestimmten physikalischen Größe eines Strömungsmittels die genaue Bestimmung einer Schadensstelle einer Maschine oder einer Anlage, insbesondere eines Kernreaktors, ermöglicht.
Ausgehend von einer Kernschaltung von Fluid-Verstärkern der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Maßnahmen gelöst.
Zweckmäßig weist der gemeinsame Ausgangsbereich der Verstärker der zweiten Stufe eine Ausgangsleitung auf, die an einen Meßbehälter angeschlossen ist

je nach Art der zu überwachenden physikalischen Größe des Strömungsmittels kann die Meßeinrichtung beispielsweise einen Strahlungsdetektor, ein Thermometer oder einen Flußdetektor aufweisen.

Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung kommt bevorzugt bei Maschinen und Anlagen zum Einsatz, in denen elektrische und elektronische Meßeinrichtungen wegen der herrschenden äußeren Betriebszustände, z. B. hoher Temperaturen, explosiver Medien, radioaktiver Strahlung usw. nicht eingebaut werden können.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet eröffnet sich für die erfindungsgemäße Meßeinrichtung bei der Überwa-

jo chung der Brennelemente von Kernreaktoren auf Schadenstellen in der Umhüllung der Brennstäbe.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung einer Kettenschaltung von Fluid-Verstärkern als Grundbauelement der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung und Fig.2 bis 5 die schematische Darstellung der Schaltungsanordnung von vier Ausführungsbeispielen der Überwachungseinrichtung.

Die Schaltungsanordnung der Überwachungseinrichtung nach F i g. 1 besteht aus einer Kettenschaltung von mehreren Fluid-Verstärkern 42, von denen vier Verstärker 42a—42c?dargestellt sind. Die Schaltungsanordnung ermöglicht die Durchführung eines Multiplexmeßverfahrens zur Ermittlung von Kühlmittelkanaltemperaturen bei einem nicht dargestellten gasgekühlten Reaktor, die bei den bekannten Reaktoren jeweils durch

so ein gesondertes Thermoelement überwacht werden. Die vier Fluid-Verstärker 42a—42c/weisen eine Hauptdüse 43a—43c/, zwei Ausgänge 40a—40c/, 44a—44c/und zwei Steuerdüsen 53, 54 auf. Die Hauptdüsen 43 der Verstärker 42 sind mit Reaktorkühlmittelkanälen verbunden. Der erste Ausgang 44a—44c/jedes Verstärkers 42a—42c/ist mit einer gemeinsamen Probeentnahmeleitung 45 verbunden, die in eine Kammer 46 führt, die ein einzelnes Thermoelement 47 enthält. Die Probeentnahme wird durch UND-Elemente 48a—48c/

bo gesteuert.

Der erste Eingang für jedes UND-Element 48a—48c/ ist über eine Verbindungsleitung 49a—49c/ mit dem ersten Ausgang 44a—44c/ des jeweils in der Kette vorgeschalteten Verstärkers 42a—42c/verbunden. Der

b5 zweite Eingang jedes UND-Elementes 48a—48c/ ist über eine Verbindungsleitung 50a—50c/ an eine gemeinsame Steuerleitung 51 angeschlossen. Der Ausgang 55 jedes UND-Elementes 48 ist sowohl mit der

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ersten Steuerdüse 53 des in der Kette vorgeschalteten Verstärkers, z. B. des Verstärkers 42a, als auch mit der zweiten Steuerdüse 54 des nachfolgenden Verstärkers, z. B. des Verstärkers 42b, verbunden. Die Überwachungseinrichtung arbeitet wie folgt: Wenn sich nur der Fluid-Verstärker 42a in der Probeentnahmestellung befindet und keine Strömungsmittelimpulse über die gemeinsame Steuerleitung 51 übermittelt werden, strömt Kühlmittel von der Hauptdüse 43a durch den Verstärker 42a über den Ausgang 44a in die Probeentnahmeleitung 45 und von dort in die Kammer 46, in der die Kühlmitteltemperatur durch das Thermoelement 47 gemessen wird. Wird ein Impuls über die gemeinsame Steuerleitung 51 zugeführt, empfängt das UND-Element 48a über den zweiten Eingang 50a einen Strömungsmittelimpuls aus der gemeinsamen Steuerleitung 51 sowie über den ersten Eingang 49a einen Strömungsmittelfluß vom ersten Ausgang 44a des Fluid-Verstärkers 42a. In diesem Schaltzustand liefert der Ausgang 55 des UND-EIementes einen Strömungsmittelimpuls, der sich aufteilt und den ersten Verstärker 42a der Kettenschaltung ausschaltet und den zweiten Verstärker 42b einschaltet Nunmehr wird Kühlmittel über die Hauptdüse 436 und den ersten Ausgang 446 des zweiten Verstärkers 426 in die gemeinsame Probeentnahmeleitung 45 und von dort in die Kammer 46 zur Temperaturmessung geleitet Ein weiterer Steuerimpuls über die Steuerleitung 51 schaltet den Verstärker 42b ab und den nachgeschalteten Verstärker 42c ein, durch dessen Hauptdüse 43c nunmehr Kühlmittel über den ersten Ausgang 44c und die Probeentnahmeleitung 45 in die Meßkammer 46 strömt Auf diese Weise werden nacheinander sämtliche Verstärker der Reihenschaltung eingeschaltet, und nach der Betätigung des letzten Verstärkers 42d der Reihenschaltung beginnt der Schaltzyklus wieder mit dem Einschalten des ersten Verstärkers 42a.

Anstatt der Temperatur des Strömungsmittels kann jede andere gewünschte physikalische Größe desselben in der Kammer 46 durch ein entsprechendes Gerät gemessen werden. Beispielsweise kann bei der vorbeschriebenen Überwachungseinrichtung das Thermoelement 47 durch einen Strahlungsdetektor ersetzt werden, um das Vorhandensein von Spaltprodukten im Kühlmittel eines Kernreaktors zur Feststellung von Brennelementschäden zu ermitteln.

Die Überwachungseinrichtung 26 für Kernreaktoren zur Ermittlung von Fehlern in der Umhüllung der Brennelemente nach Fig.2 weist eine hierarchische Schaltungsanordnung von Fluid-Verstärkern 42 mit drei Stufen 27, 28, 29 auf. Die erste Stufe 27 wird durch 72 Fluid-Verstärker 42 gebildet, die an in den Reaktorkern führende Kühlmittelkanäle angeschlossen sind. Die 72 Fluid-Verstärker sind in zwölf Gruppen 30—41 zu je sechs bistabilen Verstärkern 42 aufgeteilt, die eine Kettenschaltung der vorstehend an Hand der F i g. 1 beschriebenen Art bilden. Die sechs Verstärker jeder Gruppe 30—41 sind an eine gemeinsame Ausgangsleitung 45 angeschlossen. Die zweite Stufe 28 wird durch zwei Gruppen 60, 61 gebildet, in denen je sechs Verstärker in einer Kette zusammengeschaltet sind, wobei die Hauptdüsen 43 der sechs Verstärker der Gruppe 60 mit jeder Ausgangsleitung 45 je einer der Gruppen 30—35 und die Hauptdüsen 43 der sechs Verstärker der Gruppe 61 mit der Ausgangsleitung 45 je einer der Gruppen 36—41 verbunden sind. Die sechs Verstärker 42 der beiden Gruppen 60, 61 der zweiten Stufe 28 sind an je eine gemeinsame Ausgangsleitung 45,45 angeschlossen, die mk je einem Verstärker 621 63 in entsprechender Weise verbünde« sind, die die dritte Stufe 29 der Fhiid-Verstärkerschaltungsanordnung bilden. Zwei gleiche Ausgänge der Verstärker 62i 63 sind über eine gemeinsame Ausgangsleitung 64 mit einem Gerät 65 zur Messung radioaktiver Strahlung verbunden.

Bei Eintritt von Kühlmittel mit radioaktivem Material in einen der 72 Verstärker der ersten Stufe, hervorgerufen z. B. durch eine undichte Stelle in der Umhüllung eines Brennstabes, tritt durch die Gruppenaufteilung zu je sechs Verstärkern eine Verdünnung des radioaktiven Kühlmittels von 0,05 χ bei der ersten Stufe auf. Dabei bedeutet χ den Prozentsatz an nicht radioaktiv verseuchtem Kühlmittel des gesamten in die Hauptdüse 43 eines Verstärkers 42 einströmenden Kühlmittels, das von dem beaufschlagten Ausgang 40 in den nicht beaufschlagten Ausgang 44 des Verstärkers 42 in der »Nicht-Probeentnahmeschaltstellung« aufgrund des be-

kannten Überströmeffektes bei derartigen Fluid-Verstärkern und in die gemeinsame Ausgangsleitung 45 von sechs Verstärkern einer Gruppe 30—41 der ersten Stufe 27 überströmt, und fünf ist die Anzahl der nicht radioaktives Kühlmittel enthaltenden Verstärker einer Gruppe. Der Verdünnungsanteil der zweiten Stufe 28 beträgt ebenfalls 0,05 x, und der Verdünnungsanteil der dritten Stufe 29 errechnet sich zu 0,01 χ Die Gesamtverdünnung des radioaktiven Gehaltes des Kühlmittels in der dritten Stufe ergibt sich aus der Summe der anteiligen Verdünnungen der ersten bis dritten Stufe und beträgt somit 0,11 χ Bei einem Überströmprozentsatz von etwa 5% für jeden Verstärker ergibt sich ein Verdünnungsfaktor von 0,5 bis 1.
Würden die 72 Verstärker anstatt in der hierarchisehen Schaltungsanordnung nach F i g. 2 in einer Kette an eine gemeinsame Ausgangsleitung angeschlossen, so ergäbe sich beim Ausströmen von radioaktivem Kühlmittel aus einem Verstärker eine wesentlich stärkere Verdünnung durch einen Verdünnungsfaktor von etwa 0,71 χ 5 = 3£.

Durch den Stufenaufbau der Fluid-Verstärkerschaltungsanordnung wird eine schnelle Einkreisung des Fehlers erreicht Diesem Verfahren der Stufenunterteilung sind jedoch Grenzen gesetzt, da nach einer bestimmten Anzahl von Stufen Verbesserungen nur noch auf Kosten einer großen Anzahl von Fluid-Verstärkern erreicht werden kann.

Bei der Ermittlung einer Schadenstelle in der Umhüllung eines Brennstabes, die beispielsweise durch

so den Austritt von radioaktivem Kühlmittel aus einem von 16 Fluid-Verstärkern angezeigt wird, können die in den F i g. 3 bis 5 schematisch dargestellten Fhiid-Schaltungsanordnungen mit unterschiedlichen Stufungen verwendet werden.

Die Schaltungsanordnung nach Fig.3 weist in der ersten Stufe 66 zwei Gruppen 67, 68 von jeweils acht Fluid-Verstärkern 42 auf, die jeweils an ejne gemeinsame Ausgangsleitung 69 angeschlossen sind, und in der zweiten Stufe 70 zwei Verstärker 71, 72, die über eine gemeinsame Ausgangsleitung 73 an ein Gerät 74 zur Messung radioaktiver Strahlen angeschlossen sind. Der Fluid-Verstärker 71 ist mit der Ausgangsleitung 69 der acht Verstärker der Gruppe 67 und der Fluid-Verstärker 72 mit der Ausgangsleitung 69 der acht Verstärker der Gruppe 68 verbundea

Die Schaltungsanordnung nach Fig.4 besitzt zwei Stufen, wobei die erste Stufe in vier Gruppen zu je vier Verstärkern aufgeteilt ist und die zweite Stufe eine

Gruppe mit vier Verstärkern aufweist, die jeweils mit einer Ausgangsleitung der vier Gruppen der ersten Stufe verbunden sind.

Die Schaltungsanordnung nach Fig.5 besitzt vier Stufen, wobei die erste Stufe in acht Gruppen zu je zwei Verstärkern, die zweite Stufe in vier Gruppen zu je zwei Verstärkern, die dritte Stufe in zwei Gruppen zu je zwei Verstärkern aufgeteilt ist und die vierte Stufe eine Gruppe mit zwei Verstärkern aufweist

Wenn die Überströmmenge an Kühlmittel von jedem Verstärker L beträgt, dann ergeben sich für eine einfache Kettenschaltung sowie die Stufenschaltungen von Verstärkern nach den F i g. 3 bis 5 folgende Werte für den jeweils zu erzielenden Verdünnungsfaktor und die für diesen benötigte Anzahl zusätzlicher Verstärker:

Schaltungsanordnung	Verdünnungs	Anzahl der
	faktor	benötigten
		zusätzlichen
		Verstärker
Kettenschaltung	15 L	0
Fig. 3	SL	2
Fig. 4	6L	4
Fig. 5	4L	14

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Aus dieser Zusammenstellung geht hervor, daß der Verdünnungsfaktor von 15 Verstärkern (15 L) durch die Verwendung von zwei zusätzlichen Verstärkern (Fig.3) ungefähr halbiert wird. Eine nochmalige Halbierung erfordert 14 zusätzliche Verstärker (F i g. 5), so daß eine Herabsetzung des Wirkungsgrades in dem Maße eintritt, wie zusätzliche Verstärker zugefügt werden. Allgemein besteht für einen Ring von K Elementen die einfachste Stufung darin, zwei Extra-Verstärker zuzufügen, welche den Verdünnungsfaktor von (K-I)L auf KL/2 reduzieren. Die größte Reduzierung des Verdünnungsfaktors in einer einzelnen Stufe wird dadurch erreicht, daß der Ring in R Gruppen aus R Verstärkern aufgeteilt wird, der Verdünnungsfaktor ist dann 2 (RA)L bei einem Aufwand von R zusätzlichen Verstärkern. Die Grenze der Stufung ist der Binärbaum der Fig.5, welcher einen Verdünnungsfaktor von L(log2 K-\) ergibt, bei einem Aufwand von K-2K(j)

Verstärkern, wobei m = \0g2K ist. Diese Formeln geben die Einsparungen nur sehr grob wieder, da K und log₂AT nicht immer Ordnungszahlen sind.

In der Praxis wird die Abstufung derart gewählt, daß natürliche Gruppierungen von Probeentnahmestellen in der Anlage berücksichtigt werden, und für die Anzahl der Probeentnahmeleitungen sind Begrenzungen vorhanden, die aus der Verbindung der Steuerleitungen untereinander herrühren.

Wenn auch die beschriebenen Beispiele mit dem Kernreaktorgebiet zusammenhängen, so sind die Überwachungseinrichtungen doch für viele Signalübertragungssysteme verwertbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Überwachungseinrichtung für Strömungsmittel, insbesondere für den Kühlmittelkreislauf von Kernreaktoren, mit Kettenschaltungen von Fluid-Verstärkern, die als monostabile oder bistabile Verstärker ausgebildet sind und einen Eingang mit einer Hauptdüse, mindestens eine Steuerdüse sowie zwei Ausgänge aufweisen, wobei der Setz-Ausgang jedes Verstärkers mit dem Setz-Steuereingang des folgenden verbunden ist und die Setz-Steuereingänge zum sequentiellen Setzen jeweils eines Verstärkers in der Kette an eine allen Verstärkern gemeinsame Steuerleitung angeschlossen sind, wobei die übrigen Verstärker im nichtgesetzten Zustand gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine hierarchische Schaltungsanordnung mit mindestens zwei aus Kettenschaltungen gebildeten Verstärkerstufen (z. B. 66, 70) aufweist, die erste Stufe (66) aus mindestens zwei Gruppen (z. B. 67,68) von in Kette geschalteten Verstärkern (42) aufgebaut ist, die Ausgangsleitungen der einen Art jeder Gruppe gemeinsam mit der Eingangsleitung eines Verstärkers (42) der zweiten Stufe (70) verbunden sind, die aus mindestens zwei Fluid-Verstärkern (71, 72) besteht, daß die weiteren Stufen in entsprechender Weise aufgeteilt und angeschlossen sind und daß jeweils ein Ausgang der Verstärker (71, 72) der letzten Stufe (70) an einen gemeinsamen Ausgangsbereich mit einer Meßeinrichtung angeschlossen ist, während die Eingänge (43) der Verstärker (42) der ersten Stufe (66) mit den einzelnen Probeentnahmesteilen verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Ausgangsbereich der Verstärker (71, 72) der zweiten Stufe (70) eine Ausgangsleitung (73) aufweist, die an einen Meßbehälter angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (74) einen Strahlungsdetektor aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (74) ein Thermometer aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (74) als Flußdetektor ausgebildet ist.