DE19714534A1 - Meßeinrichtung für die Messung des Füllstandes in einem Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für die Messung des Füllstandes in einem Behälter, insbesondere in einem Re­ aktordruckbehälter eines Kernreaktors, mit einer Meßbrücke, die zwei Brückenwiderstände und zwei Meßwiderstände umfaßt, von denen ein Meßwiderstand beheizbar ist.

Einrichtungen der oben genannten Art mit beheizbaren, als elektrischer Widerstand ausgebildeten temperaturabhängigen Meßfühlern sind aus der DE 33 41 630 C2 bekannt. Die dort be­ schriebene Meßeinrichtung arbeitet mit zu einer Kette ver­ schalteten Widerständen (Widerstandsketten). Die Widerstands­ kette ist abwechselnd aus Widerständen mit positivem und ne­ gativem Temperaturkoeffizienten (Heiß- und Kaltleiter) zusam­ mengesetzt. Darüber hinaus bildet die Widerstandskette je­ weils einen Zweig einer Brückenschaltung. Dabei ist diese Brückenschaltung abgeglichen oder nicht abgeglichen, je nach­ dem, ob der jeweils obere, dem Flüssigkeitsspiegel am näch­ sten gelegene Widerstand noch von Flüssigkeit bedeckt ist, oder nicht. Demzufolge erhält man bei der Widerstandskette eine quasi digitale Aussage über den Flüssigkeitsspiegel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßein­ richtung anzugeben, mit der eine kontinuierliche Messung über die Zeit und über eine vorgegebene Höhe des Flüssigkeitsspie­ gels oder des Füllstandes gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung für die Messung des Füllstandes in einem Behälter mit einer Meßbrücke, die zwei Brückenwiderstände und zwei Meßwiderstände umfaßt, von denen ein Meßwiderstand beheizbar ist, erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß als Meßwiderstand jeweils ein langgestreck­ ter Widerstandsdraht dient, wobei dem einen Widerstandsdraht ein langgestreckter Heizleiter zugeordnet ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß für eine kontinuierliche Messung des Füllstandes über die zu erwarten­ de Länge der Füllstandsänderung eine derartige Meßeinrichtung eingesetzt werden sollte, die zwei Meßwiderstände bzw. Meß­ fühler mit einer Längenausdehnung über die gesamte Länge des Füllstandes aufweist. Bei einem derartig langgestreckten Meß­ fühler ist die Ermittlung von Zwischenwerten zwischen dem beiden Zuständen "Widerstand bedeckt" und "Widerstand nicht bedeckt" auf besonders einfache Art und Weise mit einer sehr hohen Genauigkeit gewährleistet.

Zweckmäßigerweise sind jeweils ein Widerstandsdraht und der zugeordnete Heizleiter als ein Meßfühler in einem Metallman­ tel angeordnet. Ein weiterer Meßfühler umfaßt beispielsweise nur einen Widerstandsdraht oder ebenfalls einen Widerstands­ draht mit einem zugeordneten Heizleiter, der unbeheizt ist. Vorzugsweise sind der Widerstandsdraht und der zugeordnete Heizleiter durch einen elektrisch isolierenden Füllstoff, z. B. Magnesiumoxid, von einander getrennt.

Darüber hinaus ist der Meßfühler vorteilhafterweise U-förmig gebogen. Mit anderen Worten: Der den Widerstandsdraht mit dem zugeordneten Heizleiter umfassende Metallmantel ist U-förmig gebogen. Demzufolge weist jedes Ende des U-förmigen Metall­ mantels jeweils ein Ende des Widerstandsdrahtes und ein Ende des Heizleiters auf.

Um eine kontinuierliche Messung des Füllstandes gewährleisten zu können, entspricht die Länge der langgestreckten Wider­ standsdrähte der erwarteten Füllstandsänderung. Unter Länge der langgestreckten Widerstandsdrähte wird die effektive Ein­ baulänge dieser Widerstandsdrähte verstanden, d. h. die Länge eines Schenkels des U-förmig gebogenen Widerstandsdrahtes. Darüber hinaus ermöglicht ein langgestreckter Widerstands­ draht eine der zu messenden Höhe entsprechende kontinuierli­ che Messung des Füllstandes, da die Länge der langgestreckten Widerstandsdrähte der Höhe des Behälters entspricht. Vorzugs­ weise beträgt die Länge der langgestreckten Widerstandsdrähte bis etwa 3 m.

Um auch bei einem unruhigen Medium im Behälter eine Messung des Füllstandes gewährleisten zu können, sind die langge­ streckten Widerstandsdrähte mit dem jeweils zugeordneten Heizleiter (Meßfühler) in einem vom Behälter abgezweigten Ka­ nal angeordnet. Beispielsweise sind von dem Behälter eine Ab­ gangs- und eine Zugangsleitung abgezweigt. In einem zwischen der Abgangs- und der Zugangsleitung sowie parallel zum Behäl­ ter angeordneten Standrohr sind die Meßfühler in vertikaler Richtung angebracht.

Für die Messung des Füllstandes ist der eine Meßfühler stän­ dig beheizt, d. h. ein Widerstandsdraht wird mittels des zuge­ ordneten Heizleiters indirekt beheizt. Dagegen ist der andere Meßfühler unbeheizt, d. h. der diesem Meßfühler zugeordnete Heizleiter ist nicht an einer Heizstromquelle angeschlossen. Dabei wird der Heizleiter des beheizten Meßfühlers vorzugs­ weise durch einen konstanten Heizstrom beheizt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, daß der Heizstrom variabel ein­ stellbar ist. Beispielsweise kann der Heizstrom in Abhängig­ keit von der Temperatur des Mediums in dem Behälter einge­ stellt werden.

Das Meßprinzip besteht nun darin, daß die Wärme des beheizten Meßfühlers bei einer Dampfumgebung weniger intensiv abgeführt wird als in flüssiger Wasserumgebung. Demzufolge steigt beim Übergang des im Behälter angeordneten Mediums von einem flüs­ sigen in einen gasförmigen Zustand die Temperatur des Wider­ standsdrahtes des beheizten Meßfühlers an. Bedingt durch den temperaturabhängigen Widerstandsdraht führt die Temperaturer­ höhung zu einem Anstieg der Brücken-Diagonalspannung, die zweckmäßigerweise als Meßsignal dient. Zur Messung der Diago­ nalspannung der Meßbrücke ist insbesondere eine Spannungsmeß­ einrichtung vorgesehen.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß mittels der als langgestreckte Widerstandsdrähte ausgeführten Meßfühler oder Meßwiderstände eine kontinuierliche Messung des Füllstandes über die zu erwartende Länge der Füllstands­ änderung gewährleistet ist. Mit anderen Worten: Mit einer derartigen Meßeinrichtung ist eine kontinuierliche Messung über die Meßhöhe und über die Zeit erzielt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 + 2 eine Meßeinrichtung mit zwei jeweils als ein lang­ gestreckter Widerstandsdraht ausgeführten Meßfühler in einem Behälter in Seitenansicht sowie Drauf­ sicht,

Fig. 3 schematisch die Schaltungsanordnung einer Meßein­ richtung mit zwei Festwiderständen und zwei Meßfüh­ lern, und

Fig. 4 die Anordnung einer Meßeinrichtung in einem vom Be­ hälter abgezweigten Kanal.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Behälter 1 in Seitenansicht bzw. in Draufsicht. Der Behälter 1 ist mit einem Medium 2, z. B. Wasser oder Wasserdampf, bis zum gewellt angedeuteten Spiegel 4 nach Fig. 1 gefüllt. Bei dem Behälter 1 kann es sich um einen Tank für Treibstoff oder Öl handeln oder um ei­ nen Wasser enthaltenden Behälter. Insbesondere kann es sich um einen Druckbehälter für einen Druckwasser- oder Siedewas­ ser-Reaktor handeln oder um andere in einem solchen Kern­ kraftwerk verwendete Behälter, wie Druckhalter, Dampferzeuger oder dergleichen. Dabei ist ein solcher Druckbehälter insbe­ sondere mit Wasser oder Wasserdampf gefüllt.

In dem Behälter 1 ist eine Meßeinrichtung 6 angeordnet. Die Meßeinrichtung 6 umfaßt zwei Meßwiderstände oder Meßfühler 8a und 8b. Zur Führung der Meßfühler 8a und 8b sind diese ge­ meinsam in einem Hüllrohr 10 angeordnet. Dabei weist das Hüllrohr 10 nicht näher dargestellte Öffnungen auf, durch welche das Medium 2 die Meßfühler 8a und 8b umströmt.

Wie in der Draufsicht nach Fig. 2 zu erkennen ist, umfassen die Meßfühler 8a und 8b jeweils einen Widerstandsdraht 12a bzw. 12b sowie jeweils einen Heizleiter 14a bzw. 14b. Die Meßfühler 8a und 8b sind U-förmig gebogen. Die Länge, d. h. die effektive Einbaulänge, der Meßfühler 8a und 8b entspricht in etwa der erwarteten Füllstandsänderung Δh. Dabei ent­ spricht die effektive Einbaulänge der Länge eines U-Schen­ kels. Die Länge der Meßfühler 8a und 8b kann ferner der Höhe des Behälters 1 entsprechen. Vorzugsweise beträgt die Länge der Meßfühler 8a und 8b bis etwa 3 m. Um auch einen größeren Änderungsbereich des Füllstandes, z. B. 50 m, abzudecken, kön­ nen mehrere Meßfühler 8a, 8b in vertikaler Richtung überein­ ander angeordnet sein.

Die Widerstandsdrähte 12a, 12b bestehen aus einer NiFe-Ver­ bindung. Darüber hinaus können aber auch andere Metall-Ver­ bindungen eingesetzt werden, die ein besonders gutes tempera­ turabhängiges Verhalten aufweisen. Die Heizleiter 14a, 14b bestehen aus einer NiCr-Verbindung. Auch für die Heizleiter 14a, 14b können andere Verbindungen eingesetzt werden, die besonders die Wärme, d. h. den Heizstrom, weiterleiten.

Ferner sind der in dem Meßfühler 8a angeordnete Widerstands­ draht 12a sowie der Heizleiter 14a durch einen Isolierstoff 16, z. B. Magnesiumoxid, elektrisch voneinander getrennt. Der Isolierstoff 16 oder elektrische Isolator ist aus einem be­ sonders guten wärmeüberleitenden Material, so daß der Wider­ standsdraht 12a durch den zugeordneten Heizleiter 14a einfach und schnell aufheizbar ist. Die Meßfühler 8a und 8b umfassen jeweils einen Metallmantel 19 zur Halterung der zugehörigen Widerstandsdrähte 12a bzw. 12b sowie der zugehörigen Heizlei­ ter 14a bzw. 14b.

Die Fig. 3 zeigt die Schaltungsanordnung der im Behälter 1 angeordneten Meßfühler 8a und 8b. Dabei bilden die Wider­ standsdrähte 12a und 12b der Meßfühler 8a bzw. 8b die Meßwi­ derstände einer Meßbrücke 18, insbesondere einer Wheatstone- Brücke. In einem Steckmodul 20 (Sondenkopf) angeordnete Brückenwiderstände 22a und 22b bilden die Festwiderstände der Meßbrücke 18. Die Brückenwiderstände 22a und 22b sind an eine Stromversorgungsquelle 24 angeschlossen. Dabei ist die Strom­ versorgungsquelle 24 besonders einfach über Steckkontakte, die an das Steckmodul 20 gesteckt werden, an die Brückenwi­ derstände 22a und 22b angeschlossen.

Beim Betrieb der Meßeinrichtung 6 ist der Heizleiter 14a des Meßfühlers 8a mittels einer Heizstromquelle 24 beheizbar, z. B. eine Stromversorgungsquelle mit einer hohen Stromstärke I = ca. 2,4 A. Der Widerstandsdraht 12a wird indirekt durch den Heizleiter 14a beheizt. Der zweite Meßfühler 8b ist unbe­ heizt, d. h. dessen Heizleiter 14b ist nicht an die Heizstrom­ quelle 24 angeschlossen. Bedingt durch den gleichartigen Auf­ bau der beiden Meßfühler 8a und 8b - je ein Widerstandsdraht 12a und 12b mit einem zugehörigen Heizleiter 14a bzw. 14b - können die Meßfühler 8a oder 8b mal als ein beheizter oder unbeheizter Meßfühler 8a bzw. 8b ausgeführt sein. Dazu muß dann der jeweilig zugeordnete Heizleiter 14a oder 14b an die Heizstromquelle 24 angeschlossen werden. Es ist aber auch möglich, daß der dem unbeheizten Meßfühler 8b zugehörige Heizleiter 14b entfällt.

Das Meßprinzip besteht darin, daß die Wärme des Heizleiters 14a bei einem dampfförmigen Medium 2 (z. B. Wasserdampf) weni­ ger intensiv abgeführt wird als bei einem flüssigen Medium 2 (Wasser). Demzufolge steigt die Temperatur des geheizten Meß­ fühlers 8a, insbesondere die Temperatur des Widerstandsdrah­ tes 12a, an. Dies führt zu einem Anstieg der Brücken-Diago­ nalspannung U, die zwischen den beiden Meßfühlern 8a und 8b mittels einer Spannungsmeßeinrichtung 28 gemessen wird. Diese Brücken-Diagonalspannung U dient als Meßsignal M. Die Ände­ rung der Brücken-Diagonalspannung U verläuft dabei praktisch direkt proportional zur Änderung der Bedeckungshöhe der Meß­ fühler 8a und 8b.

Bei völlig mit dem flüssigen Medium 2 bedeckten Meßfühlern 8a und 8b beträgt die Brücken-Diagonalspannung 0 mV. Sind die Meßfühler 8a und 8b von einem dampfförmigen Medium 2 völlig umströmt, beträgt die Brücken-Diagonalspannung ca. 100 mV. In­ nerhalb dieses Meßbereiches von 0 mV bis ca. 100 mV ändert sich die Brücken-Diagonalspannung U mit der Bedeckungshöhe der Meßfühler 8a und 8b mit dem flüssigen Medium 2.

Das Meßsignal M der Brücken-Diagonalspannung U wird anschlie­ ßend einer Steuereinrichtung 30 zugeführt. Mittels der Steu­ ereinrichtung 30 wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums 2 in dem Behälter 1 der Heizstrom der Heizstromquelle 26 gesteuert. An die Steuereinrichtung 30 ist darüber hinaus ein Temperatursensor 34 angeschlossen, der ein Temperatursi­ gnal T über die Temperatur des Mediums 2, z. B. Mediumaus­ trittstemperatur, in dem Behälter 1 liefert.

Grundsätzlich ist der Heizleiter 14a aber auch mittels kon­ stantem Heizstrom beheizbar. Bedingt durch die Temperaturab­ hängigkeit des Meßsignals M wird dieses mittels einer allge­ mein bekannten Temperaturkorrekturrechnung korrigiert.

Die Fig. 4 zeigt drei Meßeinrichtungen 6 der oben beschrie­ benen Art in einem von dem Behälter 1 abgezweigten Kanal 32, einem sogenannten Standrohr. Die drei Meßeinrichtungen 6 sind dabei gemeinsam in dem Hüllrohr 10 geführt. Das von den drei Meßeinrichtungen 6 jeweils erzeugte Meßsignal M der Brücken- Diagonalspannung U sowie das Temperatursignal T werden der Steuereinrichtung 30 zugeführt. In der Steuereinrichtung 30 wird anhand des Temperatursignals T sowie der Meßsignale M ein Wert für den Füllstand des Mediums 2 in dem Behälter 1 ermittelt.

Insbesondere durch die langgestreckten Meßfühler 8a, 8b der Meßeinrichtung 6 ist eine kontinuierliche Messung des Füll­ standes über die gesamte Füllstandsänderung Δh oder Höhendif­ ferenz möglich. Dabei zeichnet sich die Meßeinrichtung 6 ins­ besondere durch einen einfachen Aufbau und demzufolge durch eine einfache Montage aus.

Claims (15)

1. Meßeinrichtung für die Messung des Füllstandes in einem Behälter mit einer Meßbrücke (18), die zwei Brückenwiderstän­ de (22a, 22b) und zwei Meßwiderstände umfaßt, von denen ein Meßwiderstand beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwi­ derstand jeweils ein langgestreckter Widerstandsdraht (12a, 12b) dient, wobei dem einen Widerstandsdraht (12a, 12b) ein langgestreckter Heizleiter (14a, 14b) zugeordnet ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Widerstandsdraht (12a, 12b) und der zugeordnete Heizleiter (14a, 14b) in einem Metallmantel (19) angeordnet und durch einen isolierenden Füllstoff (16) voneinander getrennt sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider­ standsdraht (12a) und der zugeordnete Heizleiter (14a) sowie der andere Widerstandsdraht (12b) jeweils U-förmig gebogen sind.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der langgestreckten Widerstandsdrähte (12a, 12b) der erwarte­ ten Füllstandsänderung (Δh) entspricht.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der langgestreckten Widerstandsdrähte (12a, 12b) der Höhe des Behälters (1) entspricht.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der langgestreckten Widerstandsdrähte (12a, 12b) bis etwa 3 m beträgt.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lang­ gestreckten Widerstandsdrähte (12a, 12b) mit dem zugeordneten Heizleiter (14a, 14b) in einem vom Behälter (1) abgezweigten Kanal (32) angeordnet sind.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Heiz­ leiter (14a, 14b) ein konstanter Heizstrom zuführbar ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Span­ nungsmeßeinrichtung (28) zur Messung der Diagonalspannung (U) der Meßbrücke (18) vorgesehen ist.

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Span­ nungsmeßeinrichtung (28) eine Steuereinrichtung (30) nachge­ schaltet ist.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiz­ leiter (14a, 14b) aus einer NiCr-Verbindung besteht.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider­ standsdraht (12a, 12b) aus einer NiFe-Verbindung besteht.

13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenwiderstände (22a, 22b) in einem Steckmodul (20) unter­ gebracht sind.

14. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lang­ gestreckten Widerstandsdrähte (12a, 12b) in einem gemeinsamen Hüllrohr (10) untergebracht sind.

15. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in ei­ nem Siedewasser-Reaktor.