DE2327755C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Niveaus einer leitenden Flüssigkeit von hoher Temperatur - Google Patents

Description

a) zur Temperaturkompensation ist zusätzlich eine vom Widerstand der Primärwicklung (21) mittels einer aus der Spannungsquelle (20) gelieferten Gleichstromkomponente abgeleitete Gleichspannung über einen Gleichspannungsverstärker (27) an den einen Eingang eines Verstärkers (26) gegeben;

b) dem anderen Eingang des Verstärkers (26) ist die Spannung der Sekundärwicklung (23) über einen Verstärker (24) und einen Gleichrichter (25) zugeführt;

c) der Spulenträger (1) für die Primär- und Sekundärwicklungen (21; 23) ist aus zwei Winkeleisen (2; 3) gebildet, die längs ihrer gemeinsamen Kante zur Bildung eines Kreuzes verschweißt sind;

d) die Ränder der Winkeleisen (2; 3) tragen eine Reihe äquidistanter Ausschnitte (4,5,6,7,8,9), in deren ungeradzahlige Ausschnitte (5,7,9) die Primärwicklung (21), in deren geradzahlige Ausschnitte (4,6, 8) die Sekundärwicklung (23) gelegt ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Niveaus einer leitenden Flüssigkeit von hoher Temperatur, wobei die Vorrichtung, montiert in einem Schutzrohr und eintauchend in eine leitende Flüssigkeit zwei gekoppelte Windungen aufweist, deren Primärseite mit Wechselstrom bestimmter Frequenz gespeist ist und deren Sekundärseite mit einem Verstärker und einem Gleichrichter zur Messung eines gleichgerichteten Signals verbunden ist (DE-AS 24 36 681).

Die in der DE-AS 24 36 681 beschriebene Vorrichtung beruht auf einer Änderung der Induktion in einer Spule, je nachdem, ob die Wicklung gegebenenfalls von einem leitenden Medium umgeben ist. Man benutzt eine Vielzahl von Spulen, die in einer Meßbrücke gegeneinandergesetzt geschaltet sind. Diese Anordnung macht die Vorrichtung aber praktisch unempfindlich gegen Änderung der Temperatur; darüber hinaus ist sie äußerst kompliziert im Aufbau, Eine Niveaumarkierung ist zudem nur schrittweise möglich, da jeweils das nicht abgeglichene Spulenpaar untersucht werden muß.

Die weiterhin bekannten Maßnahmen nach der US-PS 33 24 722 beruhen auf der Tatsache, daß die Wärmeleitfähigkeit derjenigen Flüssigkeit, deren Niveau gemessen werden soll, sich von der des oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Gases unterscheidet. Die Niveaumessung erfolgt also als Messung der hieraus resultierenden Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des eingetauchten Teils des Rohres und der Temperatur des oberhalb der Flüssigkeit verbliebenen Teils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, bei der man ohne das Induktionsphäno.nen auskommt und bei der es möglich wird, das Niveau einer leitenden Flüssigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen zu messen. Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch die Vereinigung der folgenden Merkmale:

a) zur Temperaturkompensation wird zusätzlich ein vom Widerstand der Primärwicklung abgeleiteter Gleichstrom (aus 20) zugeführt und über einen Gleichspannungsverstärker (27) an einen Kompen-

K, sationsverstärker (26) gegeben;

b) dem Kompensationsverstärker (26) wird die Sekundärspannung über einen Verstärker (29) und einen Gleichrichter (25) zugeführt;

c) der Träger (1) für die Primär- und Sekundärwick-Iungen (21; 23) wird aus zwei Winkeleisen (2; 3) gebildet, die längs ihrer gemeinsamen Kante zur Bildung eines Kreuzes verschweißt sind und eine Reihe äquidistanter Ausschnitte (4—9) tragen, in die sich die die beiden Wicklungen (21; 23) bildenden Leiter legen.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird also die Verfälschung des Meßergebnisses durch Messung der in die Sekundärwicklung indizierten Spannung (DE-AS 24 36 681) vermieden, die bisher auftrat, wenn die Temperatur des flüssigen Metalls nicht konstant war. Die Messung soll zudem kontinuierlich möglich sein.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung werden darüber hinaus die Spannungsänderungen in der Sekundärwickiung aufgrund von Änderungen der Temperatur selbsttätig durch eine Spannung korrigiert, deren Veränderung ebenfalls von der Temperatur abhängt.

Die Maßnahme nach der Erfindung ist den zahlreichen Bauarten von Sonden, die ά."ί Niveaumessung einer leitenden isolierenden, reaktiven oder Tiefsttemperaturflüssigkeit erlauben, überlegen. Die untersuchten Metalle können stark korrosiv sein, wie flüssiges Aluminium beispielsweise.

Mehrere technische Probleme wurden durch die Maßnahme nach der Erfindung gelöst. Die Isolierung der beiden Wicklungen wurde in konstanter Weise sichergestellt. Es wurden bei hoher Temperatur isolierende Drähte verwendet, die auf Träger derartiger Form und Art aufgebracht waren, daß diese Drähte leicht gegen Betriebstemperatur beständig sind und sich in den Trägern keine Induktionsströme einstellen.

Der bei hoher Temperatur isolierte Leiter besteht aus einer Seele aus Kupfer; die Isolierung wird erhalten, indem man die Seele mit einer verdichteten Schicht aus Magnesiumoxyd umgibt, wobei das Ganze durch eine sehr dünne Hülle aus rostfreiem austenitischen Stahl gehalten wird.

Die Wicklungen und ihre Träger sind im Inneren eines einzigen Schutzrohres angeordnet, welches außerordentliche mechanische Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften aufweist. Es kann aus rostfreiem austenitischen Stahl hergestellt sein, wenn es sich darum handelt, Niveaumessungen in einem Metall mittlerer Aktivität wie flüssigem Natrium durchzuführen. Hergestellt wird es aus einem feuerfesten Material dann, wenn Niveaumessungen in einem stark reaktiven Metall wie flüssigem Aluminium durchgeführt werden sollen.

Im übrigen bilden das Schutzrohr gegenüber dem

flüssigen Metall sowie der metallische Träger der Wicklungen Kurzschlußelemente für die Induktionsströmc.

Eine Schwankung in ihrem Querschnitt sowie ihr spezifischer Widerstand beeinflussen ebenfalls das an den Anschlüssen der Meßwicklung empfangene Signal.

Es wurde festgestellt, daß die den Wert des empfangenen Signals als Funktion des Niveaus des flüssigen Metalls angebende Kurve in sehr großer Annäherung eine Gerade ist, deren Neigung und Lage mit der auftretenden Frequenz und Temperatur schwanken.

Für eine bestimmte Frequenz insbesondere, die von der Geometrie des metallischen Trägers und vom Schutzrohr abhängt werden die verschiedenen Geraden parallel zueinander. Es war also möglich, von der einen zur anderen durch Translation überzugehen, indem man einfach eine gewisse Spannung, die von der Temperatur der Wicklungen abhing, überlagerte. Die gewünschte Korrektur wurde so leicht erhalten, indem man die Primärwicklung mit Gleichstrom speist und zwischen zwei Punkten dieser Wicklung den Spannungsabfall abnimmt und ihn mit dem gleichgerichteten Ausgangssignal zusammensetzt.

Diese Zusammensetzung kann durch irgendein geeignetes Mittel durchgeführt werden.

Im Betrieb geht man so vor, daß man die Vorrichtung für eine bestimmte Temperatur eicht und für jede bei einer zur Eichtemperaiur unterschiedlichen durchgeführten Niveaumessung die Temperaturkorrektur vornimmt indem man zum Rohresultat der Messung den festen vorher bestimmten Wert als Charakteristik der betreffenden Temperatur addiert Anwendbar ist die Erfindung insbesondere auf die Niveaumessung flüssigen Natriums in Kernreaktorgefäßen, wo die Temperatur des flüssigen Natriums variieren kann. Die Niveaumessung ist verläßlich, unabhängig von den Temperaturänderungen des Metalls. Man kann also direkt eine extrem einfache Vorrichtung, die robust und unverfälschbar ist, benutzen. Für das gleiche Ergebnis mußten früher parallele Messungen der Temperatur sowie eine entsprechende Korrektur der Niveaumessungen vorgenommen werden.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 einen Träger für Wicklungen in Seitenansicht zeigt;

F i g. 2 zeigt einen Träger für Wicklungen in der Stirnansicht;

F i g. 3 zeigt ein Netz von Kurven, die die als Funktion der Höhe des Metalls ermessene Spannung angeben; und

F i g. 4 ist ein Blockschema der Installation.

Bei 1 in F i g. 1 erkennt man den Träger für zwei Wicklungen, der aus zwei Winkeleisen 2 und 3 gebildet ist, die mit den Rücken gegeneinander, wie F i g. 2 erkennen läßt, verschweißt sind.

Die Ränder dieser Winkeleisen tragen Ausschnitte, wie 4, 5, 6, 7, 8, 9 etc. Die Ausschnitte, wie 5, 7, 9 etc. tragen die Primärwicklung; die geradzahligen Ausschnitte 4, 6, 8 etc. tragen den Sekundärmeßleiter. Aus diesem Aufbau ergibt sich eine ziemlich enge Kopplung zwischen den beiden Wicklungen. Die Breite der Ausschnitte ist in sehr großer Annäherung gleich der des Leiters. Die Tiefe der Ausschnitte wird in der Größenordnung zwischen üVm 1,2- bis dem l,5fachen des Durchmessers des Leiters gewählt, damit letzterer völlig durch die Ränder der Winkeleisen geschützt bleibt.

In F i g. 2 erkennt man Stege 10 und 11, die dazu dienen, den Rückleiter zu befestigen. Die Winkeleisen sind aus rostfreiem dünnem austenitischem Stahl in der Größenordnung von 1 mm Dicke hergestellt, um die Bildung von Induktionsströmen zu vermeiden.
Nach einer Ausführungsform ist jeder der Leiter durch eine Seele aus Kupfer von ²Ao mm Durchmesser gebildet Diese Kupferseele wird von einer Schicht umgeben, die aus einem verdichteten Magnesiumoxydpulver gebildet ist und für die elektrische Isolierung sorgt ίο Die isolierende Schicht wird gegen Stöße durch eine dünne Schicht aus rostfreiem austenitischem Stahl in der Größenordnung von ¹Ao mm Dicke geschützt

Das Schutzrohr weist einen Innendurchmesser derart auf, daß der Träger für die Wicklungen ohne überraäßige Kräfte, die zu einer Deformation der Teile führen könnten, eingeführt werden kann. Die Dicke des Schutzrohres variiert mit seiner Art, die selbst von dem zu untersuchenden leitfähigen Medium abhängt So ist für den Fall flüssigen Natriums das Rohr aus rostfreiem Stahl hergestellt und weist eine Dicke *·όπ 1 bis 2 mm auf. Seine Dicke spielt eine sehr wichtige Rolle bei der Bildung von Induktionsströmen. Ist das untersuchte flüssige Metall stark korrosiv, so ordnet man den Träger in einem feuerfesten Rohr entweder direkt an oder indem man ihn zunächst in eine Hülle aus rostfreiem Stahl einführt, ciie ihrerseits in das feuerfeste Rohr eingeführt wurde.

Die Geometrie des Schutzrohres und des Trägers für die Wicklungen spielt eine sehr wichtige Rolle hinsichtlieh der Präzision der vorzunehmenden Messung.

Man hat festgestellt, daß dann, wenn man die Kurve für das bei konstanter Temperatur erhaltene Signal U als Funktion der Höhe des Metalls //zieht, man in erster Annäherung für eine gegebene Frequenz auf der Primärseite ein Netz von verschobenen Geraden unterschiedlicher Steigung entsprechend der Temperatur des Metallbades erhält, wie bei 12, 13 und 14 in Fig.3 zu sehen.

Experimentell wurde festgestellt daß in gewissen Grenzen für ein Schutzrohr und einen Träger gegebener Geometrie eine gewisse Frequenz existierte, damit die verschiedenen Kurven untereinander wie die Kurven 12' und 13' parallel wurden. Für diese Frequenz, die von der Geometrie des den beiden Wicklungen gemeinsamen Trägers und des Schutzrohres abhängt, isi die Differenz zwischen der gleichgerichteten gemessenen Spannung an den Anschlüssen der Sekundärseite für ein gegebenes Niveau H\ des flüssigen Metalls und die gemessene gleichgerichtete Spannung für ein zweites Niveau H2 des flüssigen Metalls die gleiche für die Kurven 12' und 13' entsprechend unterschiedlichen Temperaturen des flüssigen Metalls.

Um f>rn Ausgang der Vorrichtung ein Signal entsprechend der Temperatur der Kurve 13' zu erhalten, genügt es, bei bestimnitsr Frequenz die Vorrichtung auf die Temperatur der Kurve 12' zu eichen und eine Translation um einen Wert gleich JU vorzunehmen. Es genügt also, algebraisch dem der Kurve 12' entsprechenden Signal einen konstanten Wert AUzu überlagern, um auf die Kurve 13' entsprechend einer anderen Temperatur überzugehen.

Man kann also sehr einfach eine Temperaturkorrektur entsprechend einer gewissen Temperatur des Bades aus flüssigem Metall vornehmen, indem man den gleichbf gerichteten Signal eine Spannung abhängig von der Temperatur dieses Bades überlagert; der Wert der Spannung wird direkt vom Widerstand der Primärwicklung abgeleitet

Eine Ausführungsform für eine elektronische Meßanordnung ist schematisch in F i g. 4 wiedergegeben. An den Anschlüssen der Primärseite 2t ist bei 20 eine stabilisierte Speisung vorgesehen, die eine stromstabilisierte Komponente mit abstimmbarer Frequenz /sowie eine Gleichstromkomponente liefert. Der aus dem Durchgang des Gleichstroms im Widerstand der Primärwicklung resultierende Spannungsabfall wird in einem Verstärker 27 behandelt. An den Anschlüssen der Sekundärseite 23 ordnet man einen ersten Verstärker 24, dann einen Gleichrichter 25, gefolgt von einem Verstärker 26 an, der die Temperaturkorrektur vom Verstärker 27 empfängt. Am Ausgang des Verstärkers 26 erhält man ein temperaturkorrigiertes Signal, welches als Funktion der Gegeninduktivitätsänderung der Wicklungen 21 und 23 variiert.

Im Hinblick auf eine knappe Darstellung wurde die Erfindung nur anhand einer einzigen Ausführungsform, die am vorteilhaftesten für das kontinuierliche Messen eines leitfähigen Mediums ist, beschrieben; zahlreiche Abänderungen und Änderungen im Rahmen der Erfindung sind möglich. Gewisse Elemente können durch andere, die in der Lage sind, die gleichen technischen Funktionen zu erfüllen, ohne weiteres ersetzt werden.

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Hierzu I Blatt Zeichnungen

30

J5

50

b5

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Niveaus einer leitenden Flüssigkeit von hoher Temperatur, wobei die Vorrichtung, montiert in einem Schutzrohr und eintauchend in eine leitende Flüssigkeit zwei gekoppelte Windungen aufweist, deren Primärseite mit Wechselstrom bestimmter Frequenz gespeist ist und deren Sekundärseite mit einem Verstärker und einem Gleichrichter zur Messung eines gleichgerichteten Signals verbunden ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung der folgenden Merkmale: