DE1923721A1 - Ultraschallwellen-UEbertragungsgeraet - Google Patents

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 22350/68 vom 10. Mai 1968 beansprucht.

Ultraschallwellen-Überträgungsgerät

Die Erfindung bezieht sich auf Geräte für die Ultraschallwellen-Übertragung.

Gemäß einem breiten Aspekt bzw. Anwendungsbereich der Erfindung weist eine Wellenführung für die Übertragung von Ultraschallwellen eine Übertragungseinrichtung, die einen mit einem Feststoff oder einer Flüssigkeit gefüllten Weg definiert oder festlegt, der sich für den Durchgang der Wellen eignet, sowie eine Umhüllung auf, die ein evakuiertes oder mit Dampf oder Gas gefülltes Volumen um den Weg herum umschließt oder umgibt, wobei das Volumen als eine Ultraschallunterbrechung

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für Ultraschallwellen dient, welche die Tendenz haben, von dem Weg her in das Volumen zu gelangen. Wellen, welche diese Tendenz haben, werden durch die Ultraschallunterbrechung teilweise oder gänzlich reflektiert oder in den Übertragungsweg zurück abgelenkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, in welcher sowohl Fig. 1 als auch Fig. 2 Ansichten im Mittelschnitt wiedergeben.

Fig. 1 zeigt eine Wellenführung für die Übertragung von Ultraschallwellen, wobei die Führung eine Übertragungsleitung aufweist, die in Form eines Rohres 11 aus Edelstahl verkörpert ist und mit Flüssigkeit gefüllt wird, die von einer Umhüllung umgeben ist, welche durch einen ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Mantel 12 gebildet wird. Ein Ringraum 13 zwischen dem Rohr 11 und dem Mantel 12 ist vakuumdicht durch Endplatten 14, 15 an jedem Ende des Rohres 11 geschlossen, und der Raum 13 ist evakuiert. Eine allgemeine Anwendungsform für die durch das Rohr 11 und den Mantel 12 gebildete Wellenführung besteht in Form eines Teils eines Ultraschall-Abtasters 16, durch welchen das Vorhandensein eines Gegenstandes innerhalb eines gegebenen Abtastweges signalisiert werden kann. Bei einer besonderen Ausführungsform dieser allgemeinen Anwendung ist der Abtaster in einen s chnellen Kernreaktor des natriumgekühlten Typs eingebaut, bei welchem der Reaktorkern in einem Schmelzbad 17 von flüssigem Matriummetall eingetaucht ist, und es ist erwünscht, festzustellen, ob sich ein freien Raumspiel oberhalb des Kerns befindet, damit Wiederbeschickungsarbeiten, welche die Drehung einer Abschirmung oberhalb des Kerns mit sich bringen, stattfinden können. Das Natriumschmelzbad 17 mit einer freien Oberfläche 17a befindet sich in einem Behälter, der eine Wandung

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aufweist und ttarch eine drehbare Abschirmung 19 abgedeckt ist, die eine inerte Atmosphäre 20 aus Argongas oberhalb der freien Oberfläche 17a des Schmelzbades 17 festhält. Flüssiges Natrium zirkuliert aufwärts entlang Leitungen 21 (teilweise dargestellt),· die durch eine Yielzahl von Kernbrennstoff-Untergruppen gebildet werden, welche den schematisch dargestellten Kern 21a des Kernreaktors "bilden. Einige der Leitungen werden zur Aufnahme von Regelstäben für den Reaktor verwendet, und Zugangsrohre 27 nehmen die Segelstäbe auf, wenn sie aus dem Reaktorkern herausgezogen sind. Um die Abschirmung 19,, an welcher die Rohre 27 befestigt sind, drehen zu können, ist es notwendig, die Regelstäbe in deii Kern einzuführen, sie zu trennen und sicherzustellen, daß ein freier Raum zwischen dem oberen Ende des Kerns 21a und dem unteren Ende der Rohre 27 vorhanden ist. Der Ultraschallabtaster kann diesen Zweck erfüllen und wird im Nachfolgenden im einzelnen beschrieben.

Der Abtaster 16 ist drehbar durch die Abschirmung 19 mittels einer gasdichten Manschette 22 hindurchgeführt. Das obere Ende 11a des Hohres 11 ist durch eine Platte 23 verschlossen,-in welcher slcii ein Ultraschallsender 24 befindet, bei dem ein Bariumtitanatkristall verwendet wird. Eine Edelstahlmembran 25 schließt ein flüssiges Gemisch aus Natrium und Kalium ein (in den jeweiligen Gewichts ante ilen 70 : 30},. welches dazu dient, den Sender 24 axt der Membran 25 zu koppeln. Das Rohr 11 unterhalb der Membran Ist mit Natrium vom Schmelzbad 17 her gefüllt, wobei auf diese Weise die Möglichkeit gegeben ist, den Sender 24 auszutauschen oder zu reparieren, ohne daß das Schmelzbad-ITatrium der Atmosphäre oberhalb der Abschirmung 19 ausgesetzt wird. Der Sender 24 ist mit einer herkömmlichen Einrichtung (nicht dargestellt) zum Erzeugen, Empfangen und Analysieren von Ultraschallwellen verbunden.

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Am unteren Ende des Abtasters 16 ist ein Konkavspiegel aus Edelstahl angeordnet, der um eine Achse, die durch den Punkt 26a angedeutet ist-und senkrecht zur örtlichen Längsachse des Rohres 11 (dargestellt durch die kurze strichpunktierte Linie in der Nähe des Spiegels 26) verläuft, durch eine Fernbedienungseinrichtung (nicht dargestellt) oberhalb der Abschirmung 19 gedreht werden kann.

Ein Reflektor 28 aus Edelstahl ist im Schmelzbad 17 mittels einer Stütze 29 an der Wandung 18 in der gleichen vertikalen Höhe oberhalb des oberen Endes des Kerns 21a wie der Abtastspiegel 28 befestigt. Der Abtaster 16 ermöglicht es, neben anderen Funktionen, Überprüfungen darüber durchzuführen,daß kein Regelantrieb mehr von den Rohren 27 vorsteht, z.B. der in der Zeichnung in gestrichelten Linien angedeutete Regelteil 30.

Um Gegenstände, wie beispielsweise den Teil 30, zu ermitteln, wird der Sender 24 erregt, so daß Ultraschallwellen erzeugt werden, die durch das Ifatrium-Kaliumgemisch im oberen Ende 11a des Rohres 11 hindurch, über die Membran 25 hinweg und durch das Natrium des Schmelzbades 17, welches den unteren Teil des Rohres 11 füllt, hindurchgelangen. Durch den evakuierten Ringraum 13, der das Rohr 11 umgibt, werden diejenigen Ultraschallwellen im Rohr, welche auf die Rohrwand auftreffen, in das Rohr zurück reflektiert. Im Endeffekt dient der Raum als ein Reflektor für die Wellen, indem er als eine Ultraschallwellen-Unterbrechung wirkt. Durch Verwendung dieser Mittel der inneren Reflektion wird die Energieschwächung infolge Ausbreitung der Wellen auf ein Mindestmaß herabgesetzt. In dieser Hinsicht schwächt die Membran 25 die durch sie hindurchgelangende Energie von Ultraschallwellen nicht wesentlich. Ultraschallwellen aus dem Rohr 11, die auf den Spiegel 26 auftreffen, werden nach außen in das Schmelzbad 17 reflektiert, und wenn der Spiegel, wie dargestellt, gerichtet ist, wird ein wesentlicher

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Teil der Wellen auf den Reflektor 28 auftreffen und auf diese Weise nach dem Spiegel 26 zurückgeführt. Zurückkehrende Wellen werden das Rohr 11 aufwärts reflektiert und können ermittelt und mit Hilfe des Senders 24 und dessen zugeordneter Einrichtung analysiert werden. Die Zeit, welche die Ultraschallwelle "braucht, um den Sender 24 zu verlassen und zurückzukehren, sowie die Kenntnis der Geschwindigkeit der Wellen ermöglichen es, die Entfernung des Reflektors 28 vom Spiegel 26 zu bestimmen,, Ein Teil 30, der im Weg einer ausgesendeten Ultraschallwelle vom Spiegel her liegt, wird auf diese Weise entweder durch Unterbrechung einer reflektierten Welle, die vom Reflektor zurückkehrt, ©/der durch direkte Reflektion der Welle durch den Gegenstand sel'bst festgestellt, wovon beides ermittelt werden kann. Die Entfernung zwischen dem Spiegel 26 und dem Teil 30 kann genau durch Berechnung oder Kalibrierung bestimmt werden, und bei Kenntnis der Richtung, in welcher der Spiegel 26 relativ zu einer Bezugsrichtung eingestellt ist, kann die Lage des Teils 30 relativ zu diesem Bezugswert bestimmt werden. Wenn notwendig, und wenn ein gewisser anderer Fremdkörper als ein ausgerichtetes Teil ermittelt wird, kann der Abtaster 16 um seine Längsachse gedreht werden, damit die seitlichen Umgrenzungen des Fremdkörpers festgestellt werden können. Durch Drehung des Spiegels 26 um seine Achse 26a kann die obere Grenze des Körpers ausfindig gemacht werden. Die Konkavform des Spiegels bewirkt eine Fokussierung der auf ihn auftreffenden Wellen. Eine gewisse geometrische Streuung von Ultraschallwellen vom Spiegel 26 her wird beim Durchgang durch das Schmelzbai 17 vorkommen. Die mit dem Abtaster mögliche Unterscheidung bzw. Auflösung wird in hohem Maße abhängig sein vom Abstand zwischen dem Spiegel 26 und einem ermittelten Teil oder Körper. Bei einem Teil oder Körper in der Nähe des Spiegels 26 kann jedoch ein Vorteil aus dem erhöhten Auflösungsvermögen gezogen werden, welches möglich ist, um sich unterscheidende Markierungen, Silhouetten-, Muster- oder ähnliche Merkmale zu ermitteln.

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Fig. 2 zeigt den unteren Abschnitt 111 eines Abtasters 112, der sowohl in seiner Form als auch in seiner Betriebsweise dem in Fig. 1 dargestellten und vorbeschriebenen ähnlich ist. Der Abtaster besteht aus einem Rohr 113 und einem Mantel 114, die zwischen sich einen evakuierten Ringraum 115 bilden, der durch eine Endplatte 116 abgedichtet ist. Der Abtaster 112 ist um seine Längsachse 117 durch eine nicht dargestellte Einrichtung drehbar gelagert. Ein am Fuße des Rohres 113 befestigter Spiegel 118 aus Edelstahl ist um eine Achse 119 drehbar, die senkrecht zur Achse 117 verläuft. Der Abtaster 112 ist in einer Stellung gezeigt, die sich daraus ergibt, daß der untere Abschnitt 111 in den oberen Teil einer Kernbrennstoff-Untergruppe 120 (teilweise dargestellt) herabgelassen worden ist, welche im Reaktorkern angeordnet ist und eine leitung 121 für Natriumkühlmittel bildet. Ein äußerer ringförmiger Edelstahl-Reflektor 122 ist so angeordnet, daß er mit einer Reihe von Schlitzen (in typischer Weise Schlitze 123) zusammenfällt, die in ein Tauchrohr der Untergruppe 120 eingeschnitten und zwischen axialen Grenzen 123a und b (gestrichelt dargestellt) angeordnet sind. Durch Drehung und Betätigung des Abtasters 112 (bei Ultraschallwellenerzeugung und -reflektion, wie in Verbindung mit dein Abtaster 16 der Fig. 1 beschrieben) kann die WinkeIsteilung der Schlitze 123 in der Folge bestimmt werden, da die Wellen vom Spiegel 118 her entweder zurück nach dem Spiegel von der Wand der Untergrufjpe 120,-wo keine Schlitze vorhanden sind, oder vom Reflektor 122 (nach Durchgang durch einen Schlitz 123) reflektiert werden. Bei der hier in Betracht kommenden Differenz der Abstände ist die · Differenz zwischen diesen Reflekttmen klar ermittelbar. Durch entsprechende Veränderung der Anzahl unu Anordnung der Schlitze, wie beispielsweise zwischen unterschiedlichen Untergruppen, kann jede gegebene Untergruppe in einer Anordnung erkannt werden.

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Beim Abtaster 16 der Pig. 1 und beim Abtaster 112 nach J?ig. 2, wie beschrieben, werden evakuierte Mantel verwendet, um eine Ultraschallwellen-Unterbrechung vorzusehen. Es könnten jedoch auch Kantel, die mit Gasen, wie beispielsweise Argon ' oder Krypton, oder mit einem Dampf gefüllt sind, für eine Umgebung, die für Vakuumbetrieb ungeeignet ist, oder dort verwendet werden, wo der Aufwand einer vakuumdichten Konstruktion unnötig erscheint.

Wenn auch Reflektoreinrichtungen bei beiden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, so sind sie für den Betrieb nicht wesentlich, da praktisch jede Behinderung im Weg einer gegebenen Ultraschallwelle entweder eine Reflection einer einfallenden Welle oder eine Unterbrechung einer reflektierten Welle her-vorrufen wird.

Wenn auch" ein mit Flüssigkeit gefülltes Rohr als Übertragungsweg verwendet wird, so ist es ebenso denkbar, einen Vollstab für die Übertragung der Ultraschallwellen zu verwenden, -^ine Ummantelung, v/ie beschrieben, wird immer noch erforderlich sein. Die Verwendung einer Wellenführung gemäß der Erfindung vermeidet Energieverlust infolge Wellenstreuung, die in Erscheinung tritt, wenn dem Ultraschall die Möglichkeit gegeben wird, sich frei von einer Quelle weg auszubreiten. So ist bei Verwendung der V/ellenführung eine nützliche bzw. nutzbare Übertragung von Ultraschall über einen. Bereich von etwa 120 Fuß (etwa 36 m) erzielt worden.

Die Wellenführung ermöglicht es, den Ultraschallsender entfernt von dem abzutastenden Bereich anzuordnen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Bereich sich auf hoher Temperatur befindet, hochgradig radioaktiv oder anderweitig gefährlich

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für den Sender oder für das Personal ist, welches in der Nähe des Senders arbeiten muß.

Die Wellenführung läßt es zu, daß der Übertragungsweg in einigen unterschiedlichen Materialien, falls erforderlich, hergestellt wird. In dieser Hinsicht können Kombinationen von flüssigen und festen Wegen verwendet werden, und zwar je nach Art der TJmge bungs be dingung en entlang dem Weg. Im Falle von zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten (wie oben in Verbindung mit Fig, beschrieben) kann eine Membran in den Weg zur Trennung derselben eingesetzt werden. Zwei unterschiedliche Feststoffe können zweckmäßig durch einen Abschnitt von flüssigkeitsgefülltem Weg gekuppelt werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird ein Ultraschallsender als Schallquelle für die entlang dem Übertragungsweg zu übertragenden Wellen verwendet. Die Verwendung in dieser V/eise könnte aktiv genannt werden, und zwar insofern, als die Wellenführung an ihr entlang Ultraschallwellen in beiden Richtungen überträgt. Es ist auch möglich, die V/ellenführung in einem passiven Sinne zu verwenden, und zwar dort, wo sie an ihr entlang Wellen in nur einer Richtung überträgt. Auf diese Weise könnte die Wellenführung als eine bewegliche "Hörsonde" verwendet werden. Sie könnte beispielsweise im oben beschriebenen Natriumschmelzbad verwendet werden, um selektiv Geräuschquellen im Schmelzbad abzuhören (z.B. den Sitz des Natriumsiedens zu ermitteln), und zwar dadurch, daß das eine Ende der Wellenführung in der H"ähe der Geräuschquelle angeordnet wird. Die entlang dem Rohr übertragenen Wellen können dann durch einen entsprechenden Ultraschall-Fühler am anderen Ende der Wellenführung ermittelt werden.

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Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrisse,nen 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 (10)

Patentansprüche

1. Wellenführung zur Übertragung von Ultraschallwellen mit einer Leitung, die einen mit einem Peststoff oder einer Flüssigkeit gefüllten Übertragungsweg bildet, dadurch gekenn- ■ zeichnet, daß eine Ummantelung, die ein evakuiertes oder ein mit Dampf oder Gas gefülltes Volumen festlegt, um den Weg herum angeordnet ist, derart, daß das Volumen als eine Ultraschall-Unterbrechung für Ultraschallwellen dient, die das Bestreben haben, von dem Weg in das genannte Volumen zu gelangen.

2. Wellenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallwellen-Detektor am einen Ende der genannten leitung angeordnet ist, und zwar mit oder ohne einen in der •Nähe des Detektors angeordneten Ultraschallwellengenerators»

3. Wellenführung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitung einen mit Flüssigkeit gefüllten Weg bildet und durch eine Membran zur Trennung des durch diese Leitung gebildeten Weges in zwei Flüssigkeitsabschnitte gequert wird.

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4. Wellenführung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung einen mit einem Feststoff gefüllten Weg über einen Teil der Länge desselben und einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Weg über die Restlänge desselben bildet.

5. Wellenführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel am Ende der Leitung und entfernt vom genannten Generator-Detektor zum Ablenken von Ultraschallwellen in die Leitung hinein oder aus dieser heraus angeordnet ist.

6. Wellenführung nach Anspruch 5₉ gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verändern des Ablenkwinkels des Spiegels.

7. Wellenführung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel eine nicht-planare Reflektierungsoberfläche aufweist.

8. Wellenführung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeloberfläche konkav ist.

9. Wellenführung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung um ihre Längsachse in einer für sie vorgesehenen ortsfesten Halterung drehbar gelagert ist.

10. Wellenführung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem um den Weg herum festgelegten Volumen ein seltenes Gas befindet.

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