DE2027488A1 - Gerät zur Bestimmung von Blasen in einem flüssigen Metall und zur Bestimmung von Metallteilchen in Leitungen aus Metall - Google Patents

Description

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM) Luxemburg - Europazentrum Kirchberg

Gerät zur Bestimmung von Blasen in einem flüssigen Metall und zur Bestimmung von Metallteilchen in Leitungen aus Metall

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät, das es ermöglicht, Blasen in einem gegebenenfalls metallischen Rohr festzustellen, welches von flüssigem Metall durchflossen wird.

Mit dem erfindungsgemässen Gerät ist es ferner möglich, das in dem untersuchten Rohr bestehende Verhältnis zwischen vollem Raum (flüssiges Metall) und leerem Raum (Blasen) zu bestimmen.

Schliesslieh kann aufgrund des besonderen Bestimmungsverfahrens das Vorhandensein einzelner Metalltröpfchen oder -teilchen in dem leeren Rohr selbst festgestellt werden, selbst wenn dieses Rohr aus Metall besteht.

Es sind zahlreiche bisher für die Bestimmung von Blasen in Flüssigkeiten verwendete Verfahren bekannt, z.B. das Gammastrahlen-Verfahren, welches jedoch den Nachteil zu grosser Kostspieligkeit der erforderlichen Einrichtungen aufweist, zu denen die Gammastrah lenquelle, die notwendigerweise geschützt sein muss, die stabilieierte Eachspannungsquelle, der Bedarf an Photovervielfachern und

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die Integrationsvorrichtung für den statistischen Prozess der Gammastrahlung beitragen. Ausserdem ist es mit diesem Verfahren, nicht möglich, dynamische Messungen auszuführen, d.h. die Bewegung der Blasen zu bestimmen.

Ferner ist ein Verfahren bekannt, das aus der Messung von Spannungsveränderungen in einem bestimmten Abschnitt des Rohres besteht; dieses Verfahren erfordert aber die unmittelbare Erwär- ' mung des Rohres durch Gleichstrom und somit die Verwendung äusserst hoher Ströme und Leistungen. Ferner ist es mit dem genannten Verfahren nicht möglich, die in einem leeren Teil des Rohres befindlichen einzelnen Tropfen aufzufinden.

Auch das Mikrophonverfahren ist nicht mehr neu, womit die Blasenbildung bestimmt werden kann durch die Spektralanalyse des Geräusches, welches von einem Mikrophon oder einem Transduktor mechanischer Schwingungen aufgefangen wird. Mit diesem Verfahren kann jedoch weder eine Blase lokalisiert werden, noch deren Abmessungen und Menge festgestellt werden, sondern nur deren Vorhandensein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung magnetischer oder nicht magnetischer Metallteilchen, welche in Metallrohrleitungen fliessen» und zur Bestimmung von Blasen in flüssigen Metallen au schaffen, mit dem die Nachteile bekann-' ter Geräte und Verfahren vermieden werden«

Diese Aufgabe wird erfindungsgemlas gelöst durch einen Generator, eine mit dem Jauisgang des Generators ir@rbund©ne und auf den zu untersuchenden Seil des Hohres gewickelte erste Spule„ eine zweit©j elektromagnetisch an die erst® längs des zu untersuchenden Eohrteiles gekoppelte Spule₉ einen Kondensator _% wel~ eher mit der zweites Spul© <siaen mit der vom Generator abgegebenen Frequenz abstimmbaren Sekwingkreis bildet und verbunden ist mit . " einem ersten Halbleiter der zu einer Inodenbasisschaltung mit einem zweites Halbleiter gekoppelt ist₈ der mit einem zweiten^

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induktiv mit dem Generator verbundenen Schwingkreis verbunden
ist, dessen Spannung durch eine verstellbare Impedanz regelbar ist, um die Ausgangs-Differential spannung bei liichtvorhandensein von Hetallteilchen oder Blasen auf Hull zu bringen, wobei .der Ausgang der Halbleiter mit dem Eingang eines Differentialverstärkers verbunden ist, der das von den Hetallteilchen oder Blasen erzeugte Signal verstärkt, während der Ausgang des Differentialverstärke.rs mit einem Oszillographen oder Oszilloskop zur Aufzeichnung des Signals, verbunden ist.

Das erfindungsgemässe Gerät ermöglicht, unabhängig von der Art der Heizung mit Wechsel- oder Gleichstrom, von direkter oder indirekter Beheizung und von der Art des Rohres (metallisch oder nichtmetallisch) nicht nur das Vorhandensein von Blasen sondern auch deren Grosse und Geschwindigkeit festzustellen. Dank der
■grossen Vielseitigkeit des erfindungsgemässen Gerätes können
auch kleine magnetische' und nichtmagnetische Ketallteilchen
lokalisiert werden, die als Unreinheiten in Leitungen beliebiger Art und bei Bohren aus beliebigen metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffen vorhanden sind, wobei im Falle von Metall die Wandstärken bis zu 5 mm betragen können.

Dies ist dann erforderlich, wenn beispielsweise in einem Metallrohr eine Flüssigkeit oder eine nichtleitende Substanz in flüssiger, körniger oder pulverförmiger Form gefördert wird und
das Vorhandensein metallischer Fremdkörper angezeigt werden
soll.

Ein iäusführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der einzigen Figur 1, die die Grundschaltung des erfindungsgemässen Gerätes veranschaulicht, im folgenden näher erläutert.

Eine aus verschiedenen Windungen bestehende Spule S1 ist um
einen Teil des zu untersuchenden Bohres 2 gewickelt; sie liegt aivf einer elektrisch-isolierenden und, wenn nötig, wärmeisolierenden Schicht, beispielsweise einem Quar-zband. Da die Windun-

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gen der Spule sich nicht berühren, kann in diesem Fall nichtisolierter Metalldraht verwendet werden. Die Spule S1 wird von einem Generator 3 gespeist, dessen Frequenz entsprechend der erforderlichen Durchdringungstxefe gewählt ist, die ,je nach Dicke und Durchmesser des Rohres verschieden gross ist. In einem speziellen Fall war bei einem Aussendurchmesser von 25 die verwendete Frequenz 15 k Hz bei einer aus 20 Windungen bestehenden Spule S1.

Über die Spule S1 ißt eine ausca. 500 Windungen bestehende Spule S2 gewickelt. In dem speziellen Fall muss die Isolierung des Metalldraht es von S2 eine hohe Temperatur aushalten; daher wurde Draht mit einer bis zu 500⁰C aushaltenden Isolierung verwendet. Mit Hilfe eines Kondensators C2 ist die Spule S2 auf die Frequenz f des Generators abgestimmt.

Die Spule S1 induziert eine Spannung E in dem Schwingkreis S2-C2. Ferner werden Foucaultsche Ströme in der Rohrwand und in der flüssigen Metallmasse induziert. Je nach der Masse des flüssigen Metalls ändern sich auch die auf die induzierten Foucaultsehen Ströme zurückzuführenden Verluste, was eine schwache Wirkung auf den Qualitatskoeffizienten Q des Schwing kreises S2-C2 und auf dessen Spannung E zur Folge hatj der Kreis S2-C2 kommt jedoch nicht aus der Abstimmung heraus.

Die Spannung E des Schwingkreises 62-C2 wird übertragen auf eine aus zwei gleichen Transistoren T1 und T2 bestehende Anodenbasisschaltung und über den Kondensator CJ auf die Basis des Transistors T1 gegeben. Der Transistor T2 wird gespeist durch einen zweiten Schwingkreis S4-C4-, der durch S3 induktiv an den Generator 3 gekoppelt ist. Die Spannung im Kreis S4-C4 kann mit dem Regelwiderstand R1 geregelt werden. '

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Da die Transistoren T1 und T2 beide in Klasse B arbeiten, werden die zwei Spannungen in gleicher Weise gleichgerichtet. Die von beiden Emittern ausgesendeten Signale werden mittels der Filter R5-C5 und R6-C6 gefiltert und durch R1 auf Null abgeglichen. Die Kopplung liefert die Spannungsdifferenz E-E', welche vom Differentialverstärker A verstärkt wird. E^ ist das Spannungssignal, das vom Generator 3 über R1 auf S4—C4- übertragen wird. Die Differenz E-E', die im Gleichgewichtszustand gleich Null ist, nimmt einen Wert ungleich Null an, wenn der Raum im Rohr nicht |

mehr homogen ist. Unter Gleichgewichtszustand ist zu verstehen, dass das Rohr leer oder in gleichförmiger (homogener) Weise voll ist, ohne Unreinheiten oder HetalIteilchen. Ist bei leerem Rohr die Anzeige des Gerätes durch R1 auf Null gebracht, wird der Durchfluss metallischer Unreinheiten als Differenz E-E' £ angezeigt.

Bei der Feststellung eventuell in einem flüssigen Metall vorhandener Blasen wird die Nullstellung bei homogen gefülltem Rohr vorgenommen, und das eventuelle Vorhandensein von Blasen durch die Differenz E-E' aufgezeigt, die von Null abweicht. Das so empfangene Spannungssignal wird dann vom Verstärker A verstärkt und stellt den Wert für die effektive \ Messung dar.

Mit der hier verwendeten Differentialschaltung werden Störsignale vermieden, die durch eventuelle Schwankungen der Einspeisungsspannung des Generators 3 ausgelöst werden könnten, und das Messignal bleibt stabil. Die Spannung am Ausgang des Abstimmkreises L

C1}' E «Qi₂ Wi₁ worin: E - f (i^, Q)

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Man kann den Teil des Rohres in der Spule S1 ansehen als Sekundärwicklung eines Transformators mit schwacher Kopplung im Kurzschluss. Erhöht sich die Menge flüssigen Metalls im Rohr, so ist das so, als ob der Querschnitt der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung grosser würde, d.h. I₁ wird mit der Füllung grosser. Andererseits verringert sich der Qualitätskoeffizient Q des Abstimmkreises L^ und C₂, denn der äquivalente Widerstand r scheint grosser zu werden. Es gilt dann:

i(2) dE - ^g dQ + If dl,,- n^oK^dQ + Q dl,,)

(3) Q - — und dQ 1- dr = - £| Q

und schliesslich

(5) dE = m₂u>q CdI₁ - ~

Diese Formeln zeigen, dass das Spannungssignal dE dem Qualitätskoeffizienten Q des Stromkreises und zu m_o proportional ist.

Es ist somit wichtig, dass die Spulen S^ und Sp in enger Kopplung mit dem Rohr sind, d.h. der Abstand zwischen Wicklung und Rohr muss so kle,in wie möglich sein«

Es ist ferner zweckmässig₉ die höchstmögliche Frequenz zu wählen, die aufgrund der von der Burchdringungstiefe gelieferten Bedingungen möglich ist.

Tatsächlich hat der auf der Hohrwandimg induzierte Strom eine Eindringtiefe, die annähernd gegeben ist durchs

SM

^{1 J}

⁵⁰³

Hz

Die induzierten Ströme im vollen Rohr verringern sich auf die Rohrmitte zu entsprechend der Formel:

(7) i_d - I₀.e -VS _{und ätihBr}. _±d „ !_o#e 503 ]Tp (8)

Dabei ist d die Entfernung der Aussenwand des Rohres von dem auf dem Rohrradius gewählten Bezugspunkt und I_Q der Strom in der Aussenwand des Rohres. ™

Das bedeutet, dass nit der Erhöhung der Frequenz die Eindringtiefe kleiner wird; die Kopplung zwischen den Spiralen und der Qualitätsfaktor Q des Kreises werden mit der Frequenz grosser. Es besteht somit ein Optimalwert für die Frequenz des Generators, der ein maximales Signal ermöglicht.

Es sind Versuche mit einer Frequenz von 15 kHz durchgeführt worden, wobei sich eine Eindringtiefe von 2,1 mm ergab. Die Versuche erfolgten mit Austenitrohr mit einem Aussendurchmesser von 25 mm und Innendurchmesser von 20 mm, mit kalibrierten llatriumkugeln und bei einer Temperatur von 20⁰C. Der noch feststellbare Durchmesser der kleinsten Kugel betrug 2 mm.

■ Patentanspruch;

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Claims (1)

1. il -

   Γ atentan spruch

   Gor"I i:ur BcetinrninG magnetischer oder nichtaagnetiGchor Metalltrilchon, welche in Ketal !rohrleitungen fliessen, und zur Beci ί..!:.·πΐ(^Γ von '-lasen in flüssigen Iletallen, gekennzeichnet durch einc-n Go:;rrator (*), eine mit dem Ausgang dor Generat or π verbundene und r·;:' den zn untersuchenden Teil deß Rohres gewickelte ernte Spule (Hi)₁ eine zweite, elektromagnetisch an dio erste 1 ancρ dc c au ui; t ercucheii den Itohrt eil eε geko] relt e Spul e ( S2 ), einen Kondensator (02), welcher tr.it der zweiten Spule (S2) einen mit der von Generator (3) abgegebenen Frequenz abßtiinmbaren Schvir.Gkreis (ii,?-C2) lüdet und verbunden ist mit einem ersten Halbleiter (T1;, der zu einer Anodenbasisschaltunß mit cinerc zweiten Halbleiter (T2) gekoppelt ist, der mit einem rviten, induktiv mit dem Generator (3) verbundenen Schwi.ngkreiß (S4—C4) verbunden ist, Jessen Spannung durcli eine verstellbare Impedanz (R1) regelbar i -st , un die Aitscangs-Dii ferentialspannunr bei Uichtvorhandci -ein von Uetallteilchen oder Blasen auf Hull zu bringen, wobei der Ausgang der Hal VIr-it er ir.it dem Ein^anf eines Differential Verstärkers (A) \'erbunden ist, der das von den Uetallteilchen oder Blasen erzeugte Signal verstärkt, während der Ausgang des Differentialverstärlters (A) mit einem Oszillographen oder Ossilloßkop zur AufZeichnung dos Signals verbunden int«

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