DE2423050A1

DE2423050A1 - Ultraschall-ueberwachungsvorrichtung fuer gaseinschluesse

Info

Publication number: DE2423050A1
Application number: DE2423050A
Authority: DE
Inventors: Clifford Keith Day; Herbert Niels Pedersen
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1973-05-15
Filing date: 1974-05-13
Publication date: 1974-12-05
Also published as: GB1446124A; FR2229971A1; JPS5020794A; CA1005156A; IT1012300B

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

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Ultraschall-Überwachungsvorrichtung für Gaseinschlüsse

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Ultraschallwandler und inbesondere auf Ultraschallwandler zur Überwachung und Bestimmung von Gaseinschlüssen.

Die Theorie und die Anwendung akustischer Verfahren zur Quantifizierung von Hohlstellen oder Blasen in Flüssigkeiten sind bereits bekannt. Es sind bereits verschiedene Verfahren für solche Zwecke vorgeschlagen worden. Ein derartiges Übertragungsverfahren benutzt die Gesamtdämpfung eines Ultraschallsignals bei dessen Lauf durch die zu überwachende Flüssigkeit. , Ein Streuverfahren verwendet als Maß den Streugrad, der

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sich durch die Reflexionen an Hohlstellen ergibt, wenn ein akustischer Strahl hindurchtritt. Bei einem dritten Verfahren wird die Schallgeschwindigkeit benutzt, wobei die Änderung hinsichtlich der Durchtrittszeiten gemessen wird, die infolge der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit in den Hohlstellen und in den Flüssigkeiten auftritt. Diese Verfahren sind zur überwachung des Vorhandenseins von Leer- oder Hohlstellen und zu deren Quantifizierung innerhalb der Bahn des akustischen Strahls geeignet, wobei aber das Gesamtvolumen einerFlüssigkeit innerhalb eines Behälters nicht überwacht werden kann, ohne daß man eine große Anzahl von Wandlern am Umfang der Flüssigkeitsumhüllung anordnet. Allgemein wird ein Wandler an einer Stelle an der Stromungsmittelbehälteroberflache angeordnet, wobei diametral gegenüber an der entgegengesetzten Behälteroberfläche ein Reflektor vorgesehen wird. Das Flüssigkeitsvolumen innerhalb der Bahn des akustischen Strahls wird dann überwacht und die Ergebnisse werden extrapoliert, um das gesamte Flüssigkeitsvolumen zu umfassen. Obwohl die sich auf dieseWeise ergebenden Daten für viele Anwendungsfälle zufriedenstellend sind, ist es doch nicht möglich, auf diese Weise Präzisionsmessungen durchzuführen.

Eine genaue Messung des Gesamtvolumens der Flüssigkeit würde die Möglichkeiten von ültraschalleinrichtungen erweitern und diese auch für Anwendungen bei Kernreaktorsystemen geeignet machen, wie beispielsweise bei mit Natrium gekühlten Brutreaktoren. Derartige Systeme könnten dann zur Feststellung von Hohlstellen im Natriumkühlmittel benutzt werden, von Hohlstellen, die sich durch die Freigabe von Speisegase während eines Brennelementsausfalls ergeben, wodurch dann der Fehler festgestellt werden könnte.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine akustische Vorrichtung vorzusehen, welche in der Lage ist, das gesamte Volumen einer Flüssigkeit festzustellen, die in einem Behälter enthalten ist oder durch diesen hindurchtransportiert wird.

Kurz gesagt, ist gemäß der Erfindung die Verwendung akustischer Energie vorgesehen, um die Leerstellen in einer Umhüllung festzustellen, welche Flüssigkeiten enthält oder diese führt.

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Die akustische Energie wird daber>. gemäß der Erfindung an einer zentralen Stelle innerhalb des Behälters erzeugt und radial nach aussen auf die Umhüllungswände oder Behälterwände hin gerichtet, und zwar um den ganzen umfang herum. Die von den Umhüllungswänden reflektierte Energie wird sodann wieder aufgenommen und als ein Maß für die Leerstellen innerhalb des Innenraums der Umhüllung interprätiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also ein gesamtes Flüssigkeitsvplumen an einer zentralen Stelle innerhalb des Behälters überwacht, um eine Gesamtmessung der Leerstellung zu irgendeinem beliebigen Zeitpunkt zu geben.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Strömungsmittelleitung, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält;

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linien II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Strömungsmittelleitung, welche ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweist;

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linien IV-IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Reaktor-Primärschleifenanordnung, welche das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 aufweist.

Die vorliegende Erfindung verwendet entsprechend angeordnete und abgewandelte im Handel verfügbare Ultraschallvorrichtungen zur Betriebsmessung von Gaseinschlüssen (d.h. der Feststellung von kleinen Mengen von Gasblasen, die innerhalb einer Flüssigkeit verteilt sind). Allgemein wird die Ultraschallenergie an einer zentralen Stelle innerhalb eines Flüssigkeitsbehälters erzeugt und durch die Flüssigkeit radial zum Behälter zu den Umhüllungs-

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wänden gerichtet. Das zurückreflektierte Signal wird sodann an der Generatorstelle empfangen und als eine direkte Messung des Gaseinschlusses innerhalb des überwachten Volumens interprätiert.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar gehaltert an einer zentralen Stelle innerhalb des Innenraums 12 einer zylindrischen rohrförmigen Strömungsmittelleitung 10. Der Pfeil 14 zeigt die Richtung des Strömungsmittelflusses an, wobei aber darauf hingewiesen sei, daß es für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforderlich ist, daß eine Strömungsmittelbewegung stattfindet. Ein piezoelektrischer, magnetostriktiver oder dgl. Ultraschallwandler wird parallel zu der Drehachse der Strömungsmittelleitung gehaltert und ist durch Arme 18 zentriert, die einstückig mit den Umhüllungswänden ausgebildet sind und sich radial von diesen aus erstrecken. Der Wandler 16 ist derart ausgerichtet, daß er impulsförmig Ultraschallenergie längs einer Bahn parallel zur Mittelachse der Strömungsmittelleitung überträgt, wie dies durch die Richtungspfeile 28 dargestellt ist. Ein gesonderter konischer Ultraschallreflektor 20 ist mit Abstand und benachbart zur Wandlergeneratorerzeugerfläche 19 angeordnet und wird durch sich radial erstreckende Arme 22 getragen, die einen einstückigen Teil der Umhüllungswände am Umfang der Leitung bilden. Die konischen Seiten des Reflektors sind unter einem Winkel von 45° gegenüber der Basis geneigt und der Scheitel ist an der Drehachse der Strömungsmittelleitung zentriert, und zwar in Ausrichtung mit und entgegengesetzt zu der Mitte der Wandlergeneratorfläche 19. Strömungslenkeinrichtungen 24 und 26 sind auf jeweils entgegengesetzt liegenden Seiten der Wandler/Reflektor-Anordnung angeordnet und derart ausgebildet, daß eine Turbulenzströmung minimiert wird, die andernfalls durch die zentrale Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Strömungsmittelbewegungsbahn auftreten würde. Die Tragarme 18 und 28 sind für diesen Zweck in ähnlicher Weise ausgebildet. Zudem ist ein zylindrisches rohrförmiges Gehäuse oder eine Schale 30 aus für Ultraschall durchlässigem Material zwischen den Trägern 18 und 22 aufgehängt, um die Generatorfläche 19 des Wandlers und den konischen Reflektor 20 einzuschließen, wodurch die Wandler/Reflektor-Anordnung gegenüber dem externen Strömungsmittelpfad isoliert ist, um auf diese Weise den Widerstand

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gegenüber der Längsbewegung des Strömungsmittels durch die Leitung zu minimieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein von einer nicht gezeigten elektrischen Vorrichtung kommender elektrischer Impuls in einen Ultraschallimpuls (eine eine hohe Frequenz aufweisende mechanische Längsschwingung, d.h. ein Druck-Wellenpaket) durch den Wandler 16 umgewandelt. Der Ultraschallimpuls läuft dann durch die Kopplungsmaterialien des Wandlers und durch ein Strömungsmittelmedium, welches innerhalb der wahlweise vorgesehenen dünnen Schale 30 zur Strömungsverbesserung vorgesehen ist, um zu dem konischen Reflektor 20 zu gelangen. Der 45°-Reflektor lenkt die akustische Energie in Radialrichtung des Rohres auf die Umhüllungswände zu. Die rückreflektierte Energie wird durch den Reflektor wieder zu dem Wandler zurückgerichtet, wo die Energie wieder in eine elektrische Ausgangsgröße zurückverwandelt wird. Die für die rückreflektierte Energie repräsentative Ausgangsgröße wird durch nicht gezeigte elektrische Leiter, die innerhalb der Tragarme 18 gehaltert oder geführt sind, zu einer Verarbeitungs- und Überwachungs-Vorrichtung geleitet, die außerhalb des Rohrs 10 angeordnet ist. Die Abnahme der rückgekehrten Impulshöhe (Dämpfung der Ultraschallintensität) ist dann ein Maß für die Menge der Hindernisse und Diskontinuitäten (Volumen der Gasblasen) innerhalb der Strömungsmittelströmung.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Rohranordnung der Fig. 1 und zwar an der Reflektoranordnung, wobei die radial gerichtete akustische Energie und die von den Umhüllungswänden rückreflektierte Energie besser zu erkennen ist. Man kann also sehen, daß das gesamte Volumen des Strömungsmittels überwacht wird, um so eine genaue Bestimmung der Gaseinschlüsse zu gewährleisten.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Abwandlung ist in ähnlicher Weise innerhalb der Umgebung einer zylindrischen Rohranordnung 10 dargestellt und wird mittig innerhalb des Leitungsinneren 12 durch Tragarme 32 gehaltert, die einstückig mit den Umhüllungswänden ausgebildet

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sind und sich von diesen aus radial erstrecken. Ein zylindrischer Ultraschallwandler 34 wird als eine Quelle der akustischen Energie benutzt, die radial zur Leitung ausgerichtet wird, wie dies durch die Richtungspfeile 28 angedeutet ist. Der Wandler ist von den Tragarmen 32 wegragend angeordnet und seine Drehachse fällt mit der Mittelachse der Rohrleitung zusammen. Strömungslenkeinrichtungen 24 und 26 sowie die Tragarme 32 sind entsprechend der Richtung der Strömungsmittelströmungi4 ausgebildet, um die Turbulenz zu minimieren, und um den Widerstand in der Richtung der Strömungsmittelbewegung 14 zu vermindern.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt der Wandlerrohranordnung, wobei man erkennt, daß der Wandler direkt ausstrahlt und die impulsförmige Ultraschallenergie empfängt, und zwar radial bezüglich des Rohres, wobei das gesamte Strömungsmittelvolumen innerhalb eines gegebenen RohrquerSchnitts abgedeckt wird. Die akustische Energie wird - wie bereits beschrieben - von den Umhüllungswänden zurück zum Wandler reflektiert und dort in eine elektrische Form umgewandelt, um sodann durch gesonderte elektronische außerhalb des Rohrs angeordnete Vorrichtungen verarbeitet und analysiert zu werden.

Die Blasenfeststellung oder Quantifizierung wird dadurch erreicht, daß man das Signal überwacht, welches den von den Rohrwänden reflektierten Impulsen entspricht. Die durch die aktive Zone hindurchlaufenden Blasen .streuen die akustische Energie und erzeugen ein gedämpftes/Signal fm Ausgang der Elektronikeinrichtung. Es ist auch möglich, Blasen dadurch festzustellen und zu quantifizieren, daß man die elektrische Impulse überwacht, die sich aus der elektroakustischen Energie ergeben, welche direkt von den Blasen zurück zum Wandler reflektiert wird.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung müssen sämtliche im Rohr laufenden Blasen durch den akustischen Strahl hindurchtreten und die Blasen werden dabei festgestellt, wenn sie einen hinreichenden Durchmesser besitzen, um die einfallende Energie zu streuen. Der kleinste feststellbare Durchmesser ist durch die akustische Signalfrequenz bestimmt, wobei jedoch auch sehr große Zahlen von sehr kleinen Blasen abgefühlt werden können.

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Das Transmissions- oder Übertragungsverfahren wurde als ein Verfahren zur Analyse der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhaltenen Information beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß auch die oben beschriebenen Streuverfahren und das Schallgeschwindigkeitsverfahren benutzt werden können. Ferner wurde hier als Überwachungsumgebung eine zylindrische Rohrleitung dargestellt, wobei aber darauf hinzuweisen ist, daß geometrisch anders geformte Leitungen und Behälter benutzbar sind, wobei entsprechend geformte Wandler und Reflektoren benutzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders als eine Brennstoff-Überwachungsausfallvorrichtung für einen flüssigkeitsgekühlen Reaktor geeignet, wie beispielsweise den in Fig. 5 dargestellten Reaktor 36. Der dargestellte Reaktor weist ein primäres Kühlrohr 38 auf, welches einstückig mit den Reaktorwänden ausgebildet ist und sich von dort aus zu einem Wärmeaustauscher 40 erstreckt, der normalerweise in Verbindung mit einer DampferZeugungsvorrichtung bei der kommerziellen Erzeugung von Elektrizität verwendet wird. In einem solchen Anwendungsfall ist es lediglich erforderlich, das Rohr 38 derart auszubilden, daß ein Abschnitt entsprechend einem der Ausführungsbeispiele def~Erfindung ausgebildet ist. Die durch die akustische Überwachvorrichtung erzeugte elektrische Ausgangsgröße kann dann beobachtet werden, um eine Anzeige für ausgefallenen Brennstoff innerhalb des Reaktorinneren zu geben.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

f 1.j Akustische Vorrichtung zur Quantifizierung von Blasen in einer rohrförmigen Umhüllung, die eine Flüssigkeit enthält, gekennr zeichnet durch

im Inneren der umhüllung gehalterte Mittel zur Erzeugung und zur Ausrichtung von· Ultraschallenergie radial auf die Umhüllungswände zu, und zwar über einen 360°-Bogen um den Rohrumfang herum hinweg, und durch Mittel zur Aufnahme der von den Innenwänden der Umhüllung reflektierten Ultraschallenergie und zur Erzeugung einer repräsentativen elektrischen Ausgangsgröße .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Generatormittel (16, 34) zentral um die Drehachse der Umhüllung herum angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatormittel und die Aufnahmemittel einen einzigen Ultraschallwandler umfassen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Wandler alternativ in einer Generator- und einer Empfänger-Betriebsart betreibbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 für die Quantifizierung von Blasen in einem länglichen zylindrischen Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen zylindrischen Ultraschallwandler (34) aufweist, dessen zentrale Längsachse längs der Achse der Umhüllung angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Generatorfläche aufweist, von der aus das Ultraschallsignal parallel zur Drehachse der Umhüllung austritt, und wobei Mittel (20) vorgesehen sind, um das durch den Wandler erzeugte Signal radial nach aussen zu den Wänden der Umhüllung über einen 360 -Bogen und um den Umfang herum zu reflektieren, und wobei Mittel zur Reflexion des Ultraschall-

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signals vorhanden sind, welches vcn den Innenwänden der Umhüllung zurück zu dem Wandler reflektiert wird, um dort aufgenommen zu werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Reflexion des vom Wandler erzeugten Signals und die Mittel zur Reflexion des von der Umhüllungswand reflektierten Signals einen konischen Ulträschallreflektor (2o) aufweisen, der mittig innerhalb der Umhüllung gehaltert ist, und zwar mit Abstand gegenüber dem Wandler, und wobei die Basis des Konus mit dem entgegengesetzt zur das Ultraschallsignal erzeugenden Fläche des Wandlers angeordneten Scheitels gemeinsam erstreckend ausgerichtet und parallel dazu verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten des Kc
geneigt sind.

Seiten des Konus von der Konusbasis mit einem 45 -Winkel weg-
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiges für Ultraschall durchlässiges Gehäuse (30) die Signalerzeugungsfläche des Wandlers und des konischen Reflektors umschließt, wobei die Rohrbegrenzungen des Gehäuses durch die Basis des Reflektorkonus bzw. durch die Signalerzeugungsfläche des Wandlers kappenartig verschlossen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch \, gekennzeichnet durch Mittel zur

- Führung der Strömungsmittelströmung innerhalb der Umhüllung um die Generatormittel herum, und zwar in einer Weise, daß die turbulente Strömungsmittelströmung minimiert wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung ausgefallenen Brennstoffs innerhalb eines mit Flüssigkeit gekühlten Kernreaktors mit einem Kühlrohr zum Transport des erwärmten Kühlmittels zu einem Wärmeaustauscher außerhalb des Reaktors, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatormittel und die Aufnahme- oder Empfangsmittel innerhalb des Kühlrohrs zwischen dem Reaktor und dem Wärmeaustauscher angeordnet sind.

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