DE2024911A1 - Differential liquid level gauge - using gas and liquid - temp sensors esp for chemically aggressive, radioactive liquids - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Messen eines Flüssigkeitspegels Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen eines Flüisigkeitspegels in einem teilweise mit Gas gefüllten Behälter und einer meßbaren Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Gas.
• Büllstandmessungen finden in allen Bereichen der Verfahrenstechnik Anwendung und sind unerläßliche Voraussetzung für einen störungsfreien Betriebsablauf technischer Anlagen. Dabei werden infolge unterschiedlicher Betriebsbedingungen und Stoffeigenschaften des zu überwachendeh Mediums vielfältige Anforderungen an Meßeinrichtungen der genannten Art gestellt. So werden z.B. in warmetechnischen Einrichtungen als Wärmetransportmittel insbesondere bei hohen Leistungsdichten in zunehmendem Maße Flüssigmetallee wie z.B. Natrium, verwendet. Kreisläufe dieser Art müssen wegen des hohen chemischen Reaktionsvermögens der Flüssigmetalle mit einer Schutzgasatmosphäre æ. B. Argon gesichert werden.
• Der Einbau und Betrieb von Meßeinrichtungen in solche Kreisläufe ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden und us dert besondere Maßnahmen. Das gilt insbesondere auch für Füllstandmessungen, weil hier ein empfindlicher Detektor bei Temperaturen von ca. 400° bis 800 °C in einem aggressiven Medium während längerer Zeit ohne Wartung einwandfrei arbeiten soll und dabei weitgehend unempfindlich gegen Temperaturschocks und Druckschwankungen sein muß.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, in einem geschlossenen Behälter den Pegel einer Flüssigkei.t zu überwachen, wobei diese Flüssigkeit z.B. Temperaturen von 400 ° bis 800 °C annehmen, chemisch aggressiv, radioaktiv und elektrisch leitend sein kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Behälter mehrere Thermoelemente in vorbestimmten vertikalen Abständen so angeordnet sinde daß ein Thermoelement die Temperatur der Flüssigkeit und ein anderes Thermoelement die Temperatur des Gases mißt, wobei die Thermoelemente durch eine Auswahlschaltung so geschaltet sind, daß jeweils das dem Flüssigkeitspegel im Gasraum am nachsten liegende Thermoelement (Meßelement) und das unterste der in dic- Flussigkeit eingetauchten Thermoelemente (Bezugselement) eine Differenzspannung bilden und die geometrische Anordnung des durch die Auswahlschaltung angewa..hltenMe'ßelementes ein Maß für den Flussigkeitspegel ist Die durch Bezugselement und Meßelement erzeugte Differenzspannung wird mit einem Meßverstärker verstärkt und einem Schaltverstärker z,ugefUhrt, der mit seiner Ausgangsgröße einen Impulsgeber in der Weise steuert, daß bei Differenzspannung Null der Impulsgeber ein Schrittschalfwerk betätigt, bis das dem Flüssigmetallpegel am nächsten liegende, im Gasraum angeordnete Thermoelement auf den Eingang des Meßverstärkers geschaltet und dadurch eine Differenzspannung ungleich Null eingestellt ist.
• Dabei werden zweckmäßigerwcise die positiven Schenkel der Thermoelemente miteinander verbunden und/oder geerdet und der negative Schenkel des Bezugselementes direkt und die negativen Schenkel der Meßelemente über Arbeitskontakte von Relais, die über das Schrittschaltwerk an Spannung gelegt werden, zeitlich nacheinander auf den Eingang des Meßverstärkers geschaltet, wobei in der Leitung des dem Bezugselement unmittelbar benachbarten Neßelementes zwei Arbeitskontakte parallel geschaltet sind, die zu dem vom Schrittschaltwerk gesteuerten Relais gehören.
• Die Ausgangsspannung des Meßverstärkers wird mit einem Millivoltmeter mit in Skalenmitte liegendem Nullpunkt gemessen.
• Bei negativem Zeigerausschlag infolge Absinkens des Flüssigkeitspegels wird das Schrittschaltwerk über einen Ninimalkontakt des Millivoltmeters in seine Ausgangsstellung gesteuert. Dadurch wird erreicht, daß auch beim Absinken des Flüssigkeitspegels die Meßelemente in der Reihenfolge von unten nach oben abgefragt werden bis sich zwischen Bezugs- und MeXelement eine Differenzspannung ungleich Null einstellt.
• Jedem Thermoelement ist eine Signallampe zugeordnet. Dabei wird bei betriebsbereiter Meßeinrichtung die Signallampe des Bezugselementes ständig und über Relaiskontakte die Signallampe des jeweils auf den Eingang des Meßverstärkers geschalteten Meßelementes an Spannung gelegt.
• Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die Verwendung von Thermoelementen als Meßfühler elektrische Durchführungen mit offener Isolation durch Behälterwände überflüssig werden. Dadurch wird der störungsfreie Betrieb der Meßeinrichtung auch bei metallischen Flüssigkeiten möglich. Auch stark radioaktive Flüssigkeiten, beispielsweise in Kernreaktoren und Aufbereitungsanlagen für kernbrennstoffe können mit edelstahlummantelten Thermoelementen sicher überwacht werden. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Meßgenauigkeit im wesentlichen nur begrenzt wird durch den vertikalen Abstand des jeweiligen Meßelementes von der Flü'ssigkeitsoberfla'!che, bei dem noch eine meßbare Temperaturdifferenz zwischen Gas und Fltissigkeit auftritt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Zeichnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: In einem Behälter 1 sind sechs Thermoelemente 2 bis 7 in vertikalen Abständen von 24 mm angeordnet. Ist der Behälter mit flüssigem Natrium 8 und mit einem Inertgas 9 gefüllt und ist bei einem bestimmten Füllstand das Thermoelement 2 (Bezugselement) von Flüssigem Natrium benetzt und das Thermoelement 3 (MeX-element) in dem oberhalb des Natriumpegels befindlichen Inertgasraum, so bildet sich zwischen den negativen Schenkeln dieser Thermoelemente (die positiven Schenkel aller Thermoelemente sind miteinander verbunden und an Masse gelegt) eine Differenz spannung aus. Steigt der Natriumpegel, so wird beim Benetzen des Thermoelementes 3 die Differenzspannung auf eine Restspannung von # 40µ V reduziert, die bei NiCr-Ni-Thermoelementen einer Temperatur von ca. 1 °C entspricht und durch Unsymmetrien der zu vergleichenden Thermoelemente und Temperaturgradienten im Grenzbereich des Natriumvolumens verursacht sind.
• Für gemessene Differenz spannung wird mit einem Meßverstärker lOo -n: die restspannung eliminierta verstärkt und einem Schaltverstärker 11 zugeführt, dessen Relais 12 ueber eine Transistorschaltung- nur dann an Spannung gelegt wird, wenn die Differenzspannung @@ Ausgang des Knickverstärkers 10 gegen Null geht, also z.B.
• wenn der Natriumpegel das Thermoelement 3 erreicht In diesem Fall wird der Impulsgeber 13 über den Arbeitskontakt 14 des Relais 12 an Spannung gelegt und eine einstellbare Impulsfolge erzeugt, mit der ein Schrittschaltwerk 15 gesteuert wird.
• Bevor die Erregerspule 16 des Schrittschaltwerkes mit Impulsen beaufschlagt wird, ist der Kontakt 17 geschlossen und die Kontakte 18 bis 24 sind offen, so daß die Relais 26 bis 32 abgeschaltet sind und das Relais 25 an Spannung liegt, über dessen geschlossenen Kontakt 33 das Thermoelement 3 auf den Verstärker 10 geschaltet ist.
• Sobald das Thermoelement 3 in das Natrium eintaucht, gibt der Impulsgeber einen Impuls auf die Schalt spule 16 des Schrittschaltwerkes 15, der Kontakt 17 fällt ab und damit auch der Kontakt 33 des Thermoelementes 3. Gleichzeitig schließt der Kontakt 18, legt das Relais 26 an Spannung und hält über den Kontakt 34 das Thermoelement 3 am Eingang des Verstärkers 10. Der Schaltzustand des Relais 12 mit dem Kontakt 14 besteht unverändert, so daß der Impulsgeber 13 mit einem weiteren Impuls den.Kontakt 19 schließt (18 fällt ab) und nun über den Kontakt 35 das Thermoelement 4 auf den Meßverstärker 10 schaltet. Falls das Thermoelement 4 nicht von Flüssigkeit benetzt ist, besteht zwischen den auf dem Meßverstärker lO geschalteten negativen Schenkeln der Thermoelemente 2 und 4 eine Differenzspannung, durch die letztlich das Relais 12 im Schaltverstärker 11 abgeschaltet und der Impulsgeber 13 stillgelegt wird. Die Relais 25 bis 32 schalten über weitere Arbeitskontakte jeweils den einzelnen Thermoelementen zugeordnete Kontrollampen 39 bis 44 ein, so daß der Füllstand angezeigt wird.
• Dabei wird durch eine Kombination von Kontakten die dem Thermoelement 2 zugeordnete Lampe 39 ständig an Spannung gehalten. Erreicht der z.B. von Thermoelement 4 nach 5 ansteig. Jq Natrium pegel das Thermoelement 5, so geht die negative Differenzspannung gegen Null (Spannungsanstieg in Bezug auf Erdpotential), fällt dagegen der Natriumpegel von Thermoelement 5 nach 4 ab, ergibt sich eine negative Differenzspannung (Spannungsrückgang in Bezug auf Erdpotential).
• Diese Spannungsänderungen werden mit einem Millivoltmeter 45 mit in Skalenmitte liegendem Nullpunkt am Ausgang des Meßverstärkers 10 gemessen, so das bei Anstieg des Natriumpegels ein positiver, bei Abfall desselben ein negativer Ausschlag auftritt.
• Bei negativem Ausschlag wird der Minimal-Kontakt 46 des Millivoltmeters geschlossen und alle Kontakte (17 bis 24) des Schrittschaltwerkes 15 in Ausgangsstellung gebracht, so daß zunächst die Thermoelemente 2 und 3 auf den Meßverstärker 10 geschaltet sind und die am Verstärkerausgang auftretende Differenzspannung Null ist.
• Sinkt der Flüssigmetallpegel z.B. vom Thermoelement 5 aus ab, so wird der Impulsgeber eingeschaltet und steuert das Schrittschaltwerk, bis schließlich die Thermoelemente 2 und 5 am Meßverstärker liegen und infolge der nun auftretenden Differenzspannung der Impulsgeber abgeschaltet- wird.
• Die Messung erfolgt in einem mit dem zu überwachenden Behälter in Verbindung stehenden Gefäß lf das geheizt wird. Beim Einschalten der Spannungsversorgung der Meßeinrichtung wird der Kontakt 47 des Relais 25 geschlossen und die Heizung eingeschaltet. Wird das Thermoelement 7 vom Flässigmetall erreicht, so wird der Ruhekontakt 48 des Relais 31 geöffnet und die Flüssigmetallpumpe abgeschaltet und/oder ein Ventil zum Ablassen des Natriums betätigt, um ein weiteres Ansteigen des Flüssigmetallpegels zu verhindern.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   Einrichtung zum Messen eines Flüssigkeitspegels in einem teil-½) weise mit Gas gefüllten Behälter und einer meßbaren Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Gas, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter mehrere Thermoelemente in vorbestimmten vertikalen Abständen so angeordnet sind, daß ein Thermoelement die Temperatur der Flüssigkeit und ein anderes Thermoelement die Temperatur des Gases mißt;}wobei die Thermoelemente durch eine Auswablschaltung so geschaltet sind, daß jeweils das dem Flüssigkeitspegel im Gasraum am nächsten liegende Thermoeler.ven44 sMeßelernent) und das unterste der in die Flüssigkeit eingetauchten Thermoelemente (-Bezugselement) eine Differenzspannung bilden und die geometrische Anordnung des durch die Auswahlschaltung gewählten Meßelementes ein Maß für den Flüssigkeitspegel ist.
2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßverstärker die durch Bezugselement und Meßelement erzeugte Differenzspannung verstärkt, ein Schaltverstärker mit der verstärkten Differenzspannung beaufschlagt wird und mit seiner Ausgangsgröße einen Impulsgeber in der Weise steuert, daß bei Differenzspannung Null der Impulsgeber ein Schritt-.. schaltw.erk solange betätigt, bis das dem Flüssigkeitspegel am nächsten liegende, im Gasraum angeordnete Thermoelement auf den Eingang des Meßverstärkers geschaltet und dadurch eine Differenzspannung ungleich Null eingestellt ist.
3. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch l und 2, dadurch gekenn2eichnete daß die positiven Schenkel der Thermoelemente miteinander verbunden und/oder geerdet sind, der negative Schenkel des Bezugselementes (2) direkt und die negativen Schenkel det Meßelemente über Arbeitskontakte von Relais, die über das Schrittschaltwerk an Spannung gelegt werden, zeitlich nacheinander auf den Eingang des lleßverstärkers geschaltet werden, wobei in der Leitung des Meßelementes (3) parallel zu dem Arbeitskontakt (34) ein Arbeitskontakt (33) geschaltet ist.
4. 4. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Ileßverstärkers mit einem Millivoltmeter mit in Skalenmitte liegendem Nullpunkt gemessen wird und bei negativem Zeigerausschlag infolge Absinkens des Flüssigkeitspegels über einen Minimalkontakt des Millivoltmeters das Schritt schaltwerk in seine Ausgangsstellung steuert.
5. 5. Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Thermoelement eine Signallampe zugeordnet ist und die Signallampe (39) des Bezugselementes (2)über eine Kombination von Arbeitskontakten ständig an Spannung gelegt ist, während die Signallampen (40) bis (44) der Meßelemente abgeschaltet sind und jeweils nur die Signallampe über einen Arbeitskontakt der vom Schrittschaltwerk gesteuerten Relais (25) bis (30) eingeschaltet -ist, deren Meßelement am Eingang des Meßverstärkers liegt.