DE1806337A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen des Stroemungsdruckes,insbesondere von fluessigem Metall - Google Patents

Description

PATENTANWALT 1 R Π R 3 ^ 7

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT OUOOO /

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68 094 Kfl/A

United Kingdom Atomic Energy Authority, II, Charles II Street, London SW1 30. 10. 1968

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 49813/6? vom 2. November 1967 beansprucht

Vorrichtung und Verfahren zum Messen des Strömungsdruckes, insbesondere von flüssigem Metall

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von Strömungsdruck. Insbesondere betrifft sie das Messen des Strömungsdruckes von flüssigem Metall in einem Strömungsweg (z.B. die Messung des Ausgangs- oder Lieferdruckes einer Flüssigmetallpumpe).

Gemäß einem Merkmal der Erfindung setzt sich eine Vorrichtung zum Messen des Druckes in einem Flüssigmetall-Strömungsweg zusammen aus einer Leitung, die flüssiges Metall führt und in einen Flüssigmetall-Strömungsweg einbaubar oder einzubeziehen ist, ferner aus einer Einrichtung, die um die

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Leitung herum angeordnet und in der Lage ist, ein Magnetfeld quer zur Leitung aufzubauen oder zu erzeugen, aus einem Paar von in Abstand angeordneten Elektroden, welche in der Leitung auf einer Achse sitzen, die senkrecht zur Längsachse der Leitung und senkrecht zur Richtung des die Leitung querenden Feldes liegt, aus einem Verbinder bzw. Verbindungsteil, welcher die Elektroden außerhalb der Leitung untereinander verbindet und dessen elektrischer Widerstand mit demjenigen zwischen den Elektroden innerhalb der Leitung vergleichbar ist, wenn flüssiges Metall darin fließt, und aus einer Einrichtung zum Messen des im Verbinder fließenden Stromes.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bezieht sich diese auf ein Verfahren zum Messen des Druckes in einem Flüssigmetall-Strömungsweg, welches so aufgebaut ist, daß ein Magnetfeld quer zum Strömungsweg aufgebaut und eine Funktion des Stromes, welcher im flüssigen Metall im Bereich des Feldes (durch den Durchgang dieses flüssigen Metalls durch dieses Feld hindurch) in einer Richtung senkrecht sowohl zur Richtung des Feldes als auch zur Richtung der Strömung gemessen wird, wobei die Stromfunktion durch eine Schaltung bzw. einen Stromkreis gemessen wird, dessen elektrischer Widerstand ähnlich demjenigen ist, der am Strömungsweg im Bereich des Feldes durch das hindurchfließende flüssige Metall offeriert bzw. erzeugt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Flüssignatrium-Strömungsdruck-Meßgerätes wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht im Mittelschnitt,

Fig. 2 eine Endansicht im Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, während

Fig. 3 eine Endansicht auf Fig. 1 in Richtung des Pfeiles III wiedergibt.

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Wie sich aus der Zeichnung ergibt, ist das Meßgerät 10 in einem Edelstahlbehälter 11 enthalten, der (siehe Pig. 1) durch eine Endplatte 12 geschlossen ist. Die Leitung des Meßgerätes wird durch eine Leitung 13 (Mgn. 1 und 2) aus Edelstahl mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt verkörpert oder gebildet. Die Leitung 13 ist in einem Plüssigmetall-StrÖmungsweg (nicht dargestellt) mittels einer Einlaßverbindung 14 und eines Druckrohres 15 eingebaut. Zu Meßzwecken verläuft die Strömung durch die Leitung hindurch in Richtung des Pfeiles 50. Das Druckrohr Ί5 ist in eine U- oder J-Form gebogen, damit eine Auslaßverbindung 16 für den Strömungsweg in der Endplatte 12 untergebracht werden kann. Ein Dauermagnet 18 von C-förmigem " Querschnitt und aus einem Hochtemperatur-Material bzw. Material mit hoher Wärmebeständigkeit /high temperature material/ weist parallele ebene Polflächen 19, 20 (Mg. 2) auf, die sich über die Länge der Leitung 13 erstrecken. Das eine Ende des Magneten 18 sitzt in einer Aussparung 23 (Mg. 1) in der Endplatte 12. Das andere Ende des Magneten 18 wird durch eine Klemmplatte 21 in einer profilierten Aussparung 22 lokalisiert. Die Klemmplatte wird zusammen mit dem Magneten 18 durch Muttern 24 gehalten, die auf einen Gewindebolzen 25 aufgeschraubt und gekontert sind, dessen gegenüberliegendes Ende in eine mit Schraubengewinde versehene Blindaussparung 26 in der Endplatte 12 eingeschraubt ist. g

Das Elektrodenpaar nach der Erfindung wird durch ein Paar von Edelstahl-Ansätzen 27 (Mg. 1 und 2) gebildet, die an gegenüberliegenden Seiten der Leitung 13 angeschweißt sind. Die Ansätze 27 liegen auf einer gemeinsamen Achse, die senkrecht sowohl zur Längsachse der Leitung 13 als auch zum Magnetfeld zwischen den Polflächen 19, 20 des Magneten 18 verläuft. Die beiden Ansätze 27 sind außerhalb der Leitung durch einen Verbinder zusammengefaßt, der die Leitungswandung selbst sein könnte, wenn nicht Edelstahl ein ziemlich hohes Widerstandsvermögen bzw. eine ziemlich hohe Resistivität im Vergleich zum Natrium innerhalb der leitung zwischen den Elektroden 27 hätte. Folglich wird ein dünner Kupferbelag 17 (Mg. 2)

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auf der Außenseite der Leitung vorgesehen, welcher die Elektroden miteinander verbindet. Die Länge der Magnetpole (und die des Kupferbelages) wird so gewählt, daß sie dem erforderlichen Druckbereich angepaßt ist — ein höherer Druck würde einen längeren Magneten und Belag erfordern. Silber könnte alternativ anstelle des Kupferbelages verwendet werden. An den Ansätzen 27 ist jeweils eine Länge aus mineralisoliertem Kabel 28 angeschweißt, wobei diese Kabel nach Endanschlüssen 31, 32 verlaufen, die an der Endplatte 12 befestigt sind.

. Der Magnet 18 hat eine Blindloch-Aussparung 33, in welche ein eingehülltes Edelstahl-Thermoelement 34 eingeführt ist, welches aus der Endplatte 12 über eine strömungsmitteldichte Buchse 35 austritt.

Die Endplatte 12 ist mit einem Abdichtungsstopfen 36 (Fig. 1 und 3) versehen, der es ermöglicht, das Innere des Behälters 11 auf typische Weise zu evakuieren.oder zu inspizieren.

Der Behälter 11 ist an geschlitzte Befestigungskonsolen 37 angeschweißt.

Die Endanschlüsse 31, 32 sind in eine herkömmliche elektrische Strommeßeinrichtung (nicht dargestellt) einbezogen.

Zum Gebrauch wird das Meßgerät 10 in einen Flüssigmetall-· Strömungskreislauf mittels der Einlaßverbindung 14 und der Auslaßverbindung 16 eingesetzt. Die Strömung durch die Leitung hindurch verläuft in der durch den Pfeil 50 angedeuteten Richtung. Die Strömung des flüssigen Metalls schneidet das Magnetfeld, welches an der Leitung -13 zwischen den Polflächen 19, 20 des Magneten 18 aufgebaut ist. Beim Schneiden der Kraftlinien des Magnetfeldes induziert das flüssige Metall einen elektrischen Strom, der über die Ansätze 26 und das Kabel durch die herkömmliche (nicht dargestellte) elektrische Strommeßeinrichtung fließt.

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Man könnte es auch so ausdrücken, daß der induzierte Strom, der durch, das flüssige Metall bei Anwesenheit des Magnetfeldes hindurohgelangt, einen Druck in der gleichen Weise erzeugt, wie bei einer elektromagnetischen Pumpe. Dieser Druck verläuft in einer solchen Richtung, daß er der Strömung entgegengesetzt ist; Das heißt entgegen dem aufgewandten Druck. Auf diese Weise kann eine Messung dta induzierten Stromes als ein Maß für den Gegendruok verwendet werden. Dadurch, daß der der Flüssigkeitsströmung zugeordnete hydraulische Druckabfall klein gemacht wird, ist der Gegendruck annähernd gleich dem angewandten Druok· Das Meßgerät arbeitet seiner Wirkung nach wie eine elektromagnetische Bremse.

Aus der einfachen Pumptheorie wird der induziert· Gegendruck (P) abgeleitet von:

P » £jp- x 1O"⁴ g/om² B « KLußdiehte (in Gauß)

I » Gesamtstrom (in Ampere)

d = Leitungsdurchmesser (in cm)

Die über den Verbinder hinweg gemessene Spannung (E) wird abgeleitet von:

E β I. R R » Verbinderwider stand (in Ohm)

^⁴ χ 1Ο⁴ I R

Macht man den Verbinderwiderstand gleich dem Hatriumwiderstand zwischen den Elektroden, dann ist

R - Λ

tl worin p » Resistivität von Natrium

1 « effektive länge des Feldes in der Leitung

W = Weite der rechteckigen leitung

t « Tiefe der Leitung

909826/1146 bedeuten

B = χ 1O⁴ Volt.

Auf diese Weise kann "bei Kenntnis der Geometrie des Systems, des Magnetfeldes und einer Funktion des Stromes, im typischen Fall der an den Elektroden gemessenen Spannung, der Druck des Natriums in der Leitung bestimmt werden.

Um die Bedingungen bzw. Kriterien für kleinen hydraulischen Druokverlust zu bestimmen, ermittelt man zunächst die Natrium-Geschwindigkeit, v, aus der erzeugten EMK = BWv χ 1(T⁸ Volt.

= 2E

Daher ist ν = χ 10 om/sek.

B^l

Beispiel:

Wenn P = 100 p.s.i. ( ■ 7000 gm/cm ); B a 5,000 Gauß;
1 = 30 omj

ρ = 20 χ 10"⁶ Ohm.cm. (Na bei 40O⁰C). Dann: ν = 373 cm/sek.

Nimmt man W « 1 cm und t = 0,6 cm

(erhalten durch Abflachen eines 1/4^W-Rohres aus Edelstahl)

Poise 0,75 cm.

Reynoldsche Zahl,	Re	a 0,854 g/om
Dichte,	S	= 2,78 χ 10~
Viskosität,	η	=s 4 x Fläche
	D	Umfang

Re a 8,6 χ 1O^4-

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Für ein Rohr mit glatter Bohrung wird der hydraulische Druckabfall Pg erhalten aus:

P_H/ ^H/P

0.316 sv^{2 R}e

44,4 gm/om » 0,635 p.s.i.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (9)

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT 8 Telefon!t0271»3uw Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG., Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 5? Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.) Postfach 325 68 094 Kü/A 30. 10. 1968 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Messen des Druckes in einem Flüssigmetall-Strömungsweg, gekennzeichnet durch eine Leitung, die Flüssigmetall hindurchströmen läßt und in den Strömungsweg einbaubar bzw. einbeziehbar ist, durch eine Einrichtung, die um die Leitung herum angeordnet ist und ein Magnetfeld quer zur Leitung aufbaut, durch ein Paar von in Abstand angeordneten Elektroden, die in der Leitung auf einer Achse angeordnet sind, welche senkrecht zur Längsachse der Leitung und senkrecht zur Richtung des die Leitung querenden Magnetfeldes verläuft, durch einen Verbinder oder Verbindungsteil, welcher die Elektroden außerhalb der Leitung miteinander verbindet und dessen elektrischer Widerstandswert mit demjenigen zwischen den Elektroden innerhalb der Leitung vergleichbar ist, wenn flüssiges Metall darin fließt, sowie durch eine Einrichtung zum Messen einer Funktion des Stromes, der in dem Verbinder fließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die um die Leitung herum angeordnet ist und ein Magnetfeld quer zur Leitung erzeugt, aus einem Dauermagneten besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbinder, welcher die Elektroden miteinander verbindetj ein Abschnitt der Wand der Leitung ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruoh 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt aus zumindest zwei Schichten von unterschiedlichem elektrischem Widerstandswert besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Funktion die Stromstärke ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktion die Stärke der EMK ist, welche den Strom erzeugt.

7. Verfahren zum Hessen des Druckes in einem Flüssig·- metall-Strömungsweg, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hagnetfeld quer zum Strömungeweg aufgebaut und eine Funktion des Stromes gemessen wird, der im Flüssigmetall im Bereich des Feldes (durch das Hindurchbewegen dieses Flüssigmetalls durch dieses Feld) in einer Richtung senkrecht sowohl zur Richtung des Feldes als auch zur Richtung der Strömung aufgebaut wird, wobei diese Stromfunktion durch eine Schaltung bzw. einen Stromkreis gemessen wird, deren bzw. dessen elektrischer Widerstandswert ähnlich demjenigen an der Leitung im Bereich des Feldes durch das hindurchfließende flüssige Metall offerierten ist,

8. Verfahren nach Anspruch 7# dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion die Stromstärke ist*

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion die Stärke der den Strom erzeugenden EMK ist.

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