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Verfahren und Einrichtung zum Prüfen elektrischer Rohrhei:körper Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Prüfen des Betriebsverhaltens
und der elektrischen Ferti gungs toleranzen elektrischer Rohrheizkörper, die im
wesentlichen aus einem Widerstandsdraht (Heizleiter), einem zu diesem koaxialen
Edelstahlrohr (Manteirohr) und einer zwischen Heizleiter und Mantelrohr angeordneten
Isolierschicht bestehen, wobei Heizleiter und Mantelrohr an einer Stirnseite des
Mantelrohres leitend miteinander verbunden und elektrisch hintereinander geschaltet
sind.
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Derartige Prufeinrichtungen werden z.B. in Bereichen der Forschung
und Entwicklung benötigt, in denen Anlagekomponenten auf ihr Betriebsverhalten und
ihre Belastbarkeit untersucht werden und zu diesem Zweck mit elektrischen Heizanordnungen
Betriebsverhältnisse in projektierten Anlagen, wie z.B. Brennstabanordnungen in
einem Reaktorkern, simuliert werden. Aber auch im Bereich der
Fertigungskontrolle
sind Einrichtungen für die Prüfung solcher Rohrheizkdrper erforderlich, die Oberflachenbelastungen
bis zu 200W/cm2 bei Betriebsspannungen bis 200 Volt und Lastströmen von 150 bis
1000 A ausgesetzt sind.
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Für die Sicherheit des Betriebes ist es von erheblicher Bedeutung,
bereits tor dem Einbau eines Rohrheizkörpers in eine Heizungsan-Ordnung eine Prüfungvorzunehmen
und dabei insbesondere mögliche Verunreinigungen im Isoliermaterial zwischen Heizleiter
und Mantelrohr und dadurch verursachtes instabiles Betriebsverhalten, Übergangswiderstände
zwischen Heizleiter und Anschlußbolzen und verringerte elektrische Festigkeit durch
ungenaue Zentrierung des Heizleiters im Mantelrohr festzustellen. Für die Aufrechterhaltung
des Betriebes von Heizanlagen und zum Beseitigen von Störungen ist es auch notwendig,
Messungen an in eine Anlage eingebauten Heizleitern auch nach dem Auftreten von
Betriebsstörungen durchzuführen. Änderungen des Betriebsverhaltens kennen insbesondere
dann eintreten, wenn als Kühlmittel Wasser, Dampf-oder Natrium verwendet wird und
durch Risse im Mantelrohr in die Isolierschicht eindringt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
für dessen Durchführung zu entwickeln, das es ermöglicht, den Betrieb elektrischer
Heizanordnungen sicherer zu machen, die Verfügbarkeit z.B. von Prüfständen mit elektrischen
Heiungern zu erhöhen und durch Reduzierung von Stillstandszeiten, bedingt durch
das Suchen und Austauschen defekter Heizstäbe, Einsparungen zu erzielen und das
Auffinden defekter Brennelemente und deren Beurteilung auch weniger qualifiziertem
Personal übertrafen zu können. Dabei soll es möglich sein, Messungen vor Inbetriebnahme
eines Heizstabes und auch währenddes Betriebes auszufUhren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reihenschaltung
von Heizleiter und Mantelrohr an eine einstellbare Spannung gelegt und mit einem
Prüfstrom belastet wird und daß bei mindestens zwei einstellbaren Spannungswerten
an der Isolierschicht auftretende elektrische Durchbrüche und/oder Widerstandsänderungen
verursachtes instabiles Betriebsverhalten in Signalimpulse umgesetzt und diese Signalimpulse
nach der Größenordnung der aufgetretenen Fehlerströme getrennt gezählt werden.
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Dabei wird an einem dem Rohrheizkörper in Reihe geschalteten Widerstand
ein dem Laststrom proportionales Istwertsignal gebildet und über einen Übertrager
auf einen Verstärker gegeben, eine Grenzwerteinheit mit mindestens zwei voneinander
unabhängigen Meßkanälen trennt diskreten Spannungen und Lastströmen zugeordnete
Istwertsignale, eine Zähleinheit ist der Grenzwerteinheit zum Zählen der durch einstellbare
Schwellwerte der Grenzwerteinheit vorbestimmten Spannungsbereichen zugeordnete Istwertsignale
nachgeschaltet und für die digitale Verarbeitung von Signalen sind normierte Schaltkreise
als Bauelemente eingesetzt.
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Die vorgeschlagene Prüfeinrichtung kann mit ihrer internen PrUfstromversorgung
zu einer mobilen Einheit zusammengefaßt werden, an die, wenn höhere Prüfströme erforderlich
sind, eine besondere externe Prüfstromversorgung angeschlossen werden kann.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß mit dem
vorgeschlagenen Prüfverfahren die elektrische Festigkeit der Isolierschicht eines
Rohrheizkörpers in mehreren für die Beurteilung wesentlichen Strombereichen meßtechnisch
erfaßt werden kann, indem elektrische Druchbrüche und Widerstandsänderungen in Signalimpulse
umgesetzt und gezählt werden und aufgrund dieser Zahlenwerte eine einfache Entscheidung
über den Einsatz eines Rohrheizkörpers möglich ist. Die damit verbundene Qualitätssteigerung
führt zu einer Erhöhung der Betriebssicherheit und der Wirtschaftlichkeit von mit
Heizstäben betriebenen Einrichtungen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 Blockschaltbild der Prüfeinrichtung
Figur 2 Übersichtsschaltbild einer Grenzwerteinheit mit Zähleinrichtung Figur 1
zeigt einen Rohrheizkörper 1, der aus einem Heizleiter 2, einem mit diesem an dessen
unterem, von den Stromanschlüssen 3 abgewandten Ende elektrisch leitend verbundenen
Mantelrohr 4 und einer zwischen Heizleiter und Mantelrohr angeordneten Isolierschicht
5 besteht. Zum Abführen der Wärme ist der Rohrheizkörper in ein Kühlmittel 6, z.B.
Natrium eingetaucht. Zum Prüfen wird der Rohrheizkörper mit einem vorbestimmten
Strom belastet, der bei einer Betriebsspannung bis 90 Volt in der Größenordnung
bis 80 A liegen kann. Der Prüfstrom kann einer in das Gerät eingebauten internen
Stromversorgungseinheit 7 oder, wenn höhere Ströme gefordert werden, einer externen
Stromversorgungseinheit 8 entnommen werden. In beiden Fällen wird mit einem Stelltransformator
die Spannung am Heizleiter so eingestellt, daß bei vorgegebenem Innenwiderstand
ein vorbestimmter Prüfstrom bis 80 Ampere durch die Anordnung fließt. Mit einem
Spannungsmesser 9 und einem Strommesser 10 werden die Kenngrößen gemessen. An einem
dem Rohrheizkörper in Reihe geschalteten Nebenwiderstand wird zur ständigen Kontrolle
des Laststromes ein Stromistwertsignal gebildet und über einen Ubertrager einem
Verstärker 11 zugeführt. Das am Verstärkerausgang anstehende verstärkte und gleichgerichtete
Istwertsignal liegt in der Größenordnung von 0 bis 9 Volt und wird mit einem über
einen Spannungsteiler angeschlossenen Lichtmarkengalvanometer 12 ständig beobachtet.
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Das Istwertsignal steuert die elektronischen Kippstufen einer Grenzwerteinheit
13. Die Ansprechschwellen der Meßtrigger sind mit Grenzwertpotentiometern mit Digitalantrieb
einstellbar, indem die Betriebsspannung des Meßtriggers so gewählt wird, daß die
Triggerschwelle einen hinreichend großen, aber möglichst kleinen Abstand von dem
durch den Istwertanzeiger 14 gemessenen Spannungswert hat. Jede Grenzwertüberschreitung
entspricht einer kurz zeitigen Änderung der elektrischen Festigkeit der Isolierschicht
5 des Rohrheizkörpers 1
in einem durch die Triggerschwelle festgelegten
Bereich der Strombelastung des Rohrheizkörpers. Mit einer der Grenzwerteinheit 13
nachgeschalteten Zählstufe 15 werden die Triggersignale gezählt und damit eine quantitative
Beurteilung der Isolierschicht ermöglicht. Die Zählstufe ist mit der gleichen Zahl
voneinander unabhängiger Meßkanäle ausgestattet wie die ihr vorgeschaltete Grenzwerteinheit,
dadurch wird eine Beurteilung des Rohrheizkörpers in verschiedenen Belastungsbereichen
ermöglicht, wenn die Triggerschwellen der Meßkanäle entsprechend eingestellt' werden.
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Die Meßkanäle 16 und 17 dienen der Versorgung der Meßwertverarbeitung
mit Betriebs- und Steuerspannungen.
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Schaltungstechnische Einzelheiten der Grenzwerteinheit 13 und der
Zählstufe 14 sind in Fig. 2 für eine Ausführung mit zwei Meßkanäle dargestellt.
Jeder Meßkanal ist mit den gleichen Bauelementen ausgestattet.
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Das verstärkte und gleichgerichtete Istwertsignal des Verstärkers
11 gelangt auf den allen Meßkanälen gemeinsamen Istwerteingang-20.
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Sind Spannungswerte von mehr als 9 Volt zu erwarten, so werden diese
mit einem Spannungsteiler 21 auf Werte kleiner 9 Volt herabgesetzt und erst dann
auf den Eingang 22 eines Meßtriqgers 23 geschaltet. Zum Einstellen der Triggerschwelle
wird die an einen Meßtrigger angelegte Betriebsspannung Ub - 12 Y mit einem Grenzwertpotentiometer
24 mit einem Digitalantrieb in Schritten von 000 bis 999 so gewählt, daß die Triggerschwelle
einen hinreichend großen, aber möglichst kleinen Abstand von dem durch den Istwertanzeiger
14 gemessenen, der Strombelastung des Rohrheizkörpers proportionalen Spannungswert
hat. Jedem der Meßtrigger ist zum Linearisieren des Zusammenhanges zwischen Istwertanzeige
und Triggerschwelle in einem vorbestimmten Meßbereich eine aus den Spannungsteilern
25, 26 und 27 gebildete Linearisierungsschaltung vorgeschaltet. Dadurch ist es möglich,
auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen eine der Istttertanzeige angepaßte optimale
Grenzwerteinstellung vorzunehmen und damit kürzeste Anspruchzeiten sicherzustellen.
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Sobald die am Eingang 22 des Meßtriggers 23 anliegende Spannung einen
oberen Grenzwert überschreitet, tritt am Ausgang 28 ein L-Signal und an dem antivalenten
Ausgang 29 ein O-Signal auf. Beim Unterschreiten eines unteren Grenzwertes führt
der Ausgang 28 O-Signal und der Ausgang 29 L-Siqnal.
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Jedem der Meßtrigger 23 ist ein Impulsspeicher 30 nachgeschaltet,
dessen Eingang 31 über einen Umschaltkontakt 32 bzw. 33 wahlweise mit dem Ausgang
28 für obere oder mit dem Ausgang 29 für untere Grenzwerte verbunden werden kann.
Wird z.B. beim Überschreiten eines oberen Grenzwertes vom Ausgang 28 des Meßtriggers
ein L-Signal auf den Eingang 31 des Impulsspeichers 30 gegeben, so geht das bisher
am Ausgang 34 des Impulsspeichers anstehende O-Signal in ein L-Signal über.
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Mit dem Ausgang 34 des Impuls speichers 30 ist der Eingang 35 des
Doppelkippgliedes 36 verbunden, so daß bei Grenzwertüberschreitung, also wenn am
Eingang 31 des Impulsspeichers 30 ein Signalwechsel von 0 auf L erfolgt, das an
dessen Ausgang 34 anstehende O-Sfgnal in ein L-Signal wechselt und dabei der Ausgang
37 der Kippeinheit ebenfalls von 0- auf L-Signal wechselt.
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Der Ausgang 37 jedes der Kippglieder des Doppelkippgliedes 36 ist
unmittelbar mit dem Eingang 38 jedes der Kippglieder des zur Zählstufe 15 gehörenden
Doppelkippgliedes 39 verbunden. Durch eine Hilfsbeschaltung iiteinem Widerstand
40 und einem zu diesem parallel geschalteten Kondensator 41 wird das statische L-Signal
in ein dynamisches L-Signal verwandelt, so daß jeder Signalimpuls nur kurzzeitig
am Ausgang 42 des Doppelkippgliedes erscheint. Dieser dynamische L-Impuls trifft
auf den Eingang 43 des Schaltverstärkers 44, so daß dessen Ausgang 45 kurzzeitig
von L auf 0 springt. Dieses Nullpotential erreicht über den während des Betriebes
geschlossenen Schalter 46 die Relaisspule 47, die andererseits fest an der Betriebsspannung
Ub = 12 Volt liegt, so daß die Relaiskontakte 48 und 49 kurzzeitig geschlossen werden.
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Dabei wird über den Kontakt 48 eine Gleichspannung von + 20 Volt auf
den Eingang 50 der Impulsformerstufe 51 geschaltet und an deren Ausgang 52 ein normierter
Impuls erzeugt, der einen elektromechanischen Zähler 53 steuert.
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Über den gleichzeitig betätigten Kontakt 49 wird kurzzeitig die Betriebsspannung
Ub = 12 Volt auf den Eingang 54 der Impulsspeicher 30 geschaltet, so daß am Ausgang
34 des Impuls speichers ein Wechsel von L auf 0 eintritt. Dem Impulsspeicher ist
ein Schaltverstärker 55 unmittelbar nachgeschaltet, der mit seinem Ausgang 56 eine
Signallampe 57 steuert. Diese Signallampe liegt mit einem Kontakt fest an dem Potential
Ub = 12 Volt. Bei Grenzwertüberschreitung springt der Ausgang 56 von L- auf O-Signal,
so daß die Signallampe 57 an der vollen Betriebsspannung liegt und leuchtet. Jede
Grenzwertnberschreitung löst aber auch durch Erregen des Relais 47 mit dessen Kontakt
49 einen automatischen Quittiervorgang aus, indem der Ausgang 56 des Schaltverstärkers
55 von 0 auf L umgesteuert und dadurch die Signallampe 57 abgeschaltet und der Grenzwertkanal
für die Verarbeitung des nächsten Grenzwertsignales vorbereitet wird.
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Es ist auch möglich, durch oeffnen des Schalters 46 das Relais 47
und damit die Zählstufe 15 abzuschalten. In diesem Fall zeigt die Signallampe 57
eine Grenzwertüberschreitung solange an, bis die Quittiertaste 58 von Hand betätigt
wird und dabei ebenso wie beim automatischen Quittieren auf den Eingang 54 des Impulsspeichers
30 ein L-Signal geschaltet wird.
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Auf den Eingang 22 des Meßtriggers 23 mit dem Istwert der Meßgröße
eingespeiste Störspannungen höherer Frequenz können zum Ansprechen der Meßtrigger
führen und Fehlmessungen verursachen. Das wird durch eine Störschutzbeschaltung
vermieden, die aus einem Kondensator 59 und einem ohmschen Widerstand 60 besteht.
Der Kondensator 59 liegt zwischen dem Eingang 22 des Meßtriggers 23 und dem Ausgang
34 des Impulsspeichers 30 und leitet die Wechselspannungsanteile der Störspannung
am Meßtrigger vorbei. Der ohmsche Widerstand 60 ist zwischen den Eingang 22 des
Meßtriggers 23 und Masse geschaltet und leitet die Gleichspannungsanteile der Störspannung
an Masse ab.