DE2438768A1 - Sonde zur messung der strahlung, insbesondere innerhalb des kerns von kernreaktoren - Google Patents

Description

Anmelder: Combustion Engineering, Inc. Windsor, Connecticut, U.S.A.

Sonde zur Messung der Strahlung, insbesondere innerhalb des Kerns von Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf .eine Sonde zur Messung der Strahlung und ist insbesondere für Messungen innerhalb des Kerns von Kernreaktoren geeignet.

Für diese Messungen gibt es zwei Arten von Detektorsystemen, nämlich einerseits solche mit selbsterregten Detektoren auch als Betastrom-Neutronendetektor oder Kollektrons bezeichnet und solche, die eine lonisations- oder Spaltungskammer besitzen. Im nachstehenden wird die eine Art von Detektoren als Kollektron und die andere als Spaltungskammer bezeichnet.

Das Kollektron wird als Neutronendetektor definiert, in dem der elektrische Strom ohne äussere Energiequelle lediglich durch Emmission von Betateilchen von einem Emitter erzeugt wird. Solche Detektoren sind in zahlreichen Literaturstellen beschrieben, z. B. in den US-Patentschriften 3.147.379, 3.259.745 und 3.400.289. Das

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Das Kollektron hat eine lineare Kennlinie und

ist auch widerstandsfähig. Es mag zwar weniger empfindlich sein als die Spaltungskammer, hat jedoch eine mehrfach grössere Lebensdauer und wird deshalb oft für den festen Einbau in den Kern des Reaktors bevorzugt.

Die Spaltungskammern, wie sie beispielsweise im US-Patent 3.043.954 beschrieben sind, bestehen aus zwei im Abstand voneinander und elektrisch gegeneinander isolierten Elektroden, zwischen denen auch ein neutronenempfindliches Material und ein ionisierbares Gas angeordnet ist. Wenn das neutronenempfindliche Material z. B. Uran verwendet wird, ionisieren die aus der Spaltung des Urans durch die Neutronen entstehenden Spaltprodukte das Gas proportional zur Grosse des Neutronenflusses und es entsteht eine entsprechende Gleichspannung. Spaltungskammern sind empfindlich, sprechen verhältnismässig schnell auf Änderungen des Neutronenflusses an und haben eine angemessene Lebensdauer. Da jedoch ihre Kennlinie im allgemeinen nicht linear ist, und der in Abhängigkeit von Neutronenfluss entstehende Strom deshalb nicht vorhersehbar ist, muss jede Kammer geeicht werden. Diese Eichung muss wegen des Verbrennens des neutronenempfindlichen Materials von Zeit zu Zeit erneuert werden. Schliesslich sind die Spaltungskammern verhältnismässig empfindlich und zerbrechlich, so dass sich Messfehler einschleichen können, die erst durch wiederholte Eichung entdeckt werden. Die Erfindung hat die Aufgabe, die Schnelligkeit, Genauigkeit,bsi »essung des Neutronenflusses zu

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erhöhen und die Eichung zu erleichtern und dabei schliesslich ein System anzugeben, dessen Durchmesser klein genug ist um ohne Schwierigkeiten in den Kern hereingeschoben und herausgezogen zu werden.

Dies wird gemäss der Erfindung durch die Kombination von zwei Detektoren, nämlich einer Spaltungskammer und eines Kollektrons entsprechend dem Inhalt des Anspruches 1 erreicht.

Dabei werden die Vorteile der Messgeräte die Spaltungskammern verwenden mit denjenigen verbunden, bei denen ein Kollektron als Detektor vorgesehen ist. Man misst vorteilhaft den Neutronenfluss in den unteren Bereichen mit Hilfe des Kollektrons und schaltet die Spaltungskammer zu, wenn der Neutronenfluss steigt.

Gemäss einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung werden die beiden Detektoren, nämlich die Spaltungskammer und das Kollektron elektrisch parallel geschaltet. Dadurch erreicht man, dass nur zwei Leiter aus dem Kern des Reaktors herausgeführt werden müssen, so dass erheblich an Platz gespart wird.

Besonders zweckmässig ist es, die elektrische Prallelschaltung durch den mechanischen Aufbau herzustellen, wie er im Anspruch 3 definiert ist.

Gemäss den Merkmalen des Anspruches 4 können die ■ beiden parallelgeschalteten Detektoren umgeschaltet werden, so dass die für den Betrieb der Spaltungskammern nötige Vorspannung eingeschleift werden kann.-

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Auf diese Weise gelingt es, die Vorteile beider
Arten von Detektoren miteinander zu vereinen und ein sehr kompaktes Gerät von geringem Durchmesser zu schaffen. Die Leitungen werden auf zwei reduziert, die vorzugsweise entsprechend dem Anspruch k als koaxiales Kabel angeordnet werden, das System kann so ausgestaltet werden, dass es während des Betriebes in den Reaktorkern eingeführt werden kann, um die.
Mess- und Eichvorgänge durchzuführen. Man kann es danach wieder entfernen. Das Gerät kann aber auch fest in den Kern eingebaut werden.

Der Strom, der durch das Kollektron erzeugt wird, ist sehr viel kleiner als der der Spaltungskammer bei gleichem Neutronenfluss. Wenn beide in der
Parallelschaltung arbeiten, wird der Strom für
die Belastung fast vollständig von der Spaltungskammer geliefert, so dass er allein (auch wenn
das Kollektron noch angeschaltet ist)die Intensität der Strahlung angibt, während der vom Kollektron gelieferte Strom vernachlässigt werden kann.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels das in den Zeichnungen dargestellt ist. Diese zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung eines Kernreaktors mit dem Anzeigesystem nach der Erfindung;

Figur 2: einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Figur 3;

Figur 3: einen Schnitt durch die Vorrichtung die die Fühler enthält und eine Darstellung der Schaltung des Uberwachungssystems.*

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In Figur 1 ist ein Kernreaktor 10 schematisch dargestellt, der in einem Bereich 12 den Kern enthält, in dem der Spaltprozess unterschiedliche Grossen des Neutronenflusses erzeugt. Die Grosse des Flusses wird meist durch Steuerstäbe geregelt, die durch Stutzen 14 (von denen nur einer gezeigt ist), in den Kern 12 ein- und ausgefahren werden können.

Die Geräte zur Überwachung der Grosse des Flusses können fest in einer sich durch einen Messtutzen 24 sich nach unten durch den Kern 12 hindurch erstreckenden und unten geschlossenen Röhre anmontiert sein. Die Röhre 16 besitzt eine Dichtung am Stutzen 24 um das Innere gegen den Reaktor abzuschliessen. Die Röhre 16 kann in einem nicht dargestellten Führungsrohr im Kern 12 geführt sein. Es versteht sich, dass der Reaktor 10 eine Vielzahl von Messröhren 16 enthält, die ihrerseits Geräte und Verdrahtung enthalten, obwohl in den Zeichnungen nur eine Röhre 16 dargestellt ist.

Man kann in der Röhre 16 fünf sich in senkrechter Richtung erstreckende Betastrom-Neutronendetektoren 20 anbringen, von denen jeder mehr als 0,3 m (1 foot length) und in axialer Richtung gegen die übrigen versetzt ist. Die Detektoren 20 - auch als Kollektron bezeichnet - überwachen die Intensität des Neutronenflusses in dem Bereich, in dem sie angeordnet sind. Sie sind durch die Verdrahtung 22 die für jeden Detektoren 20 durch die Röhre 16 und aus dem Reaktor heraus durch den Messtutzen 24 . geführt sind. Der Reaktor besitzt natürlich auch mehrere Messtutzen 24, die entweder mit der Röhre 16

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koaxial sind oder - wie hier gezeigt - gegeneinander versetzt sein, so dass eine gewisse Biegsamkeit der elektrischen Leitungen nötig ist. Jeder Messtutzen kann mehrere Röhren 16 aufnehmen, obwohl nur eine gezeigt ist. Auch ist natürlich das Innere der Röhre 16 gegen den äusseren Bereich abgedichtet. Die Leitungen 22 von den Detektoren 20 sind mit geeigneten Messgeräten, die nicht dargestellt sind, verbunden.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen fest in den Kern eingebauten überwach^ungssystem kann auch eine überwachung durch ein zusätzliches System erfolgen, das während des Betriebes des Reaktors selektiv in den Kern ein- und aus ihm ausgefahren werden kann. Dieses System wird sowohl zur Eichung des fest eingebauten Systems als auch zur genauen Ortung von Abweichungen der Flussdichte benutzt. Es besteht aus zwei Fühlern für den Neutronenfluss, nämlich einem Kollektron (Betastrom-Neutronendetektor) 26, die ähnlich ausgebildet sind, wie die Detektoren 20 und einer ionen-Kammer.oder besser einer Spaltungskammer 28, wie sie in Figur 3, gezeigt ist. Die Spaltungskammer wird wegen ihrer grösseren Lebensdauer bevorzugt, die sie gegenüber einer ι onen-Kammer ohne Spaltvorgang besitzt, wenn beide einem Neutronenfluss ausgesetzt werden.

Sowohl die Detektoren 26 und die Kammer 28 sind an sich bekannt. Die Betastrom-Neutronendetektoren, z. B. 26 und 20, benötigen keine äussere Energie bzw. keine Vorspannung für die Elektroden um einen Strom zu erzeugen, wenn Neutronen auf den Detektor treffen. Dieser Vorgang wird im einzelnen im

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US-Patent 3.375.370 beschrieben.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Betastrom-Neutronendetektoren 26 und die Spaltungskammer 28 kombiniert, und zwar vorzugsweise zu einem einheitlichen Bauteil zu der Strahlungs* sonde 30. Die Sonde 30 ist mit dem Anzeige- oder Aufzeichnungsstromkreis 32 durch ein langes elektrisch

leitendes koaxiales !Kabel ". 34 verbunden.

Das Koaxialkabel 34 ist seinerseits von einem starren hohlen Antriebskabel 36 umgeben, und zwar auf einem beträchtlichen Teil seiner Länge. Das ^ Hohlkabel 36 kann als Leitung ausgebildet sein, die durch das Aufwickeln von dicht an dicht schliessen den Draht- oder Kabelwindungen entstehen. Mit 38 ist ein an sich bekannter Antrieb bezeichnet, der mit der äusseren Oberfläche des Antriebskabels in Eingriff kommt und es in Längsrichtung anzutreiben. Das Koaxialkabel 34 wird satt vom Antriebskabel 36 umgeben und ist in Längsrichtung nicht selbständig beweglich. Die Sonde 30 erstreckt sieht vom unteren Ende des Antriebskabels 36 nach unten, während das Koaxialkabel 34 am anderen Ende des Antriebskabels austritt und über den Motor 38 hinaus zur Anzeige bzw. Aufzeichnungsschaltung 32 führt.

Die Sonde 30 kann in eine Röhre 40 von kleinen Durchmessern ein- und ausgefahren werden. Die Röhre 40 befindet sich innerhalb der Röhre 60 und ist konzentrisch dazu angeordnet. Das Rohr 40 kann, am unteren Ende in der Nähe des unteren Endes der Röhre 16 etwa in der Nähe des Bodens des Kernes 12 geschlossen sein. Das obere Ende des Rohre 40 durchdringt die Dichtungen, die das Innere der Röhre 16 abschliessen, so dass das Innere des

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Rohres 40 der äusseren den Reaktor 10 umgebenden Atmosphäre ausgesetzt wird, so dass die bewegliche Sonde 30 mit dieser Atmosphäre in Verbindung steht.

Das Rohr 40 und die Kabel 34 und 36 müssen biegsam sein, so dass sie sich den Bögen und Versetzungen der Röhre 16 anpassen können. Der Durchmesser des Rohres 40 muss sehr klein sein, damit er innerhalb der Röhre 16 mit den verschiedenen Detektoren 20 und den sie verbindenden Leitungen 22 untergebracht werden kann. Es ist z. B. ein kleinerer Durchmesser von etwa 3»5 mm (0,l40 inch) vorgesehen. Der äussere Durchmesser des Antriebskabels 36das das Koaxialkabel umgibt, liegt etwa bei 3 mm (0,12 inch); dabei ist der innere Durchmesser weniger als halb so gross, um einerseits die Kabelwände so dick zu machen, dass sie gerippt werden können aber doch noch etwas steif bleiben. Dadurch bleibt der,Raum

3t innerhalb des Kabels 36 für das Koaxialkabel sehr klein; das letztere hat einen Aussendurchmesser von etwa 8 - 10 mm (0.032 - 0.040 inch).

Das Koaxialkabel 34 kann z. B. mit einem Mittelleiter 42 aus der bekannten Legierung Inconel versehen sein, der von einem gegen Hitze und Strahlung beständigen isolierenden Material, z. B. einem Magnesium- oder Aluminiumoxyd 44 umgeben sein kann, das seinerseits wieder umgeben ist von einem leitenden Schirm 46 aus der Legierung Inconel.

Wie in Figur 3 gezeigt, können das Kollektron 26 und die Spaltungskammer 28 zu einer einheitlich konstruierten Sonde 30 zusammengefasst werden. Das Kollektron 26 besitzt eine zentrale Emitterelektrode 48, ein isolierendes Medium 50, das den Emitter 48

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umgibt und eine äussere zylindrische Kollektronelektrode 52 die den Isolator 50 umgibt. Der Emitter 48 besteht aus einem Material, das leicht energiegeladene Elektronen aussendet, wenn es thermischen Neutronen ausgesetzt und von ihnen bombardiert wird; man wählt z. B. Rhodium oder Vanadium. Das isolierende Medium 50 kann aus dem gleichen Material gemacht sein, wie das des Koaxialkabels 34, z. B. Magnesium oder Aluminiumoxyd. Die Kollektronelektrode52 kann aus einem Rohrabschnitt aus Inconel bestehen. Der Detektor 26 hat etwa eine Länge von 0,3 m (1 foot).

Die Spaltungskammer 28 besteht aus einem Zylinder 54 der als Kathode dient und dessen innere Oberfläche mit einem Gas, z. B. Helium bedeckt ist, das den inneren Teil 56 des Zylinders 54 einnimmt; ein stabförmiger Mittelleiter 58 dient als Anode und zwei scheibenförmige Isolatoren 60 stützen die Anode 58 gegen die Kathode 54 ab und halten die Teile auf gegenseitigen Abstand und schliesslich · .schliessen sie den Bereich 56 dicht ab, um das Gas darin zu halten. Anode 58 und Kathode 54 können aus Metall z. B. aus Inconel oder rostfreiem Stahl gefertigt sein. Die Isolatoren 60 können aus einer hitzebeständigen Keramik bestehen. Die Spaltungskammer 28 kann etwa die Länge 50 mm besitzen, von denen etwa die Hälfte als aktive Länge der Kammer betrachtet werden kann.

Kammer 28 und Detektor 26 sind koaxial an ihren Enden durch Schweiss- oder Hartlot Verbindungen 62 koaxial miteinander verbunden; dadurch entsteht auch eine starre und elektrische Verbindung des Kollektors 52 mit der Kathode 54 und zwisphen dem Emitter 48 und der Anode 58. Weiterhin wird das andere Ende des. Detektors 26 mit dem Ende des Koaxialkabels 34 durch

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Schweiss- oder Hartlotverbindungen 64 verbunden, die auch wiederum eine starre und elektrische Verbindung des Kollektors 52 mit dem Schirm 46 und zwischen Emitter 48 und dem Mittelleiter 52 herstellen. Der Detektor 26 kann einfach dadurch hergestellt werden, dass ein Teil des Mittelleiters des Koaxialkabels 34 durch eine entsprechende Länge des Emitterwerkstoffes, z. B. Rhodium ersetzt wird.

Im Lese- und Anzeigestromkreis 32 der Figur 3 ist gezeigt, dass der Detektor 26 und die Spaltungskammer 28 elektrisch parallel geschaltet sind. Der Emitter 42 und die Anode 58 sind gemeinsam mit dem Mittelleiter 42 des Koaxialkabels verbunden, der Kollektor 52 und die Kathode 54 wiederum sind gemeinsam an den Schirm 46 des Koaxialkabels angeschlossen, der seinerseits bei 66 mit Erde verbunden sein kann. Ein Strommesser 68 ist über 66 mit Erde und parallel dazu mit dem Schirm 46 verbunden.

Der Mittelleiter 42 des Koaxialkabels 34 ist mit der anderen Klemme des Strommessers 68 entweder unmittelbar oder in Reihe über eine Gleichstromquelle 70 ζ. B. einer Batterie verbunden. Der Gleichstrom kann eine Spannung von 100 bis 300 Volt haben und der Minuspol ist mit der Klemme 69 des Strommessers 68 verbunden, während der Pluspol die Klemme 72b eines einfachen Umschalters 72 verbunden ist. Über die Leitung 74 ist der Anschluss 72c des Schalters 72 elektrisch über eine Umgehungsleitung 74 mit dem Strommesser 68 verbunden, so dass die Batterie 70 durch Umlegen des Schalters 72 umgangen werden kann. Der Mittelleiter 42 des Koaxialkabels 34 ist mit dem

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Ausgang 72a des Umschalters 72 verbunden, so dass durch dessen Kontakt entweder ein Stromkreis zwischen 72a und 72b oder 72a und 72c geschlossen wird. Wenn der Schalter über 72b geschlossen ist, so liegt die Stromquelle 70 in Reihe mit den Abtastgliedern der Sonde 30. Liegt der Schalter bei 72c, so wird die Stromquelle 70 umgangen und es gibt keine äussere Stromquelle für die Sonde 30.

Die Klemme 72a des Schalters 72 kann unmittelbar mit der Klemme 69 des Strommessers 68 verbunden seinj auch kann die Leitung Ik unmittelbar mit dem Mittelleiter k2 verbunden sein und die Klemmen 72b und 72 c an den and-eren Enden angeschlossen sein, so dass sich elektrisch gesehen, die gleichen Bedingungen ergeben, wie oben beschrieben.

Die Impedanz des Strommessers 68 kann klein sein, z. B. bei 100 0hm liegen. Es kann sich um ein Amperemeter handeln. Auf diese Weise entsteht nur ein kleiner Spannungsabfall daran. Man kann diese geringe Impedanz 68 ζ. B. durch einen Betriebsverstärker mit hoher Gleichstromverstärkung erreichen.

Die Spaltungskammer 28 verlangt eine minimale von aussen angelegte Spannung von 25 - 50 Volt zwischen Anode 58 und Kathode 54, um Jonen- und Elektronenfelder an diesen Elektroden aufbauen zu können. Bei kleineren Spannungen sind die Ströme zu klein um die Flüsstärke zuverlässig messen zu können. Wenn aber dieses minimale Potential vorhanden ist und die Kammer 28 einem Neutronenfluss ausgesetzt wird, so fliesst ein elektrischer Strom entsprechend der «Ionisation des Gases in der Kammer. Dieser Strom ist der Intensität

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des Neutronenflusses proportional in der Kammer 28 herrscht und wird durch den Strommesser 68 der damit in Reihe liegt, gemessen. Andererseits benötigt der Betastrom-Neutronendecektor (Kollektron) keine äussere Stromquelle, um einen Strom zu erzeugen der das Auftreten eines Neutronenflusses in der Nähe des Detektors antreibt. Vielmehr erzeugen die Neutronen, die den Emitter 48 bombardieren energiegeladene Elektronen, die ausgesendet werden durch den Isolator hindurchtreten und durch den Kollektor 52 aufgenommen werden; dadurch entsteht ein Stromfluss, der im äusseren Stromkreis durch das Amperemeter 68 ... .. gemessen werden kann. Der Strom

ist im allgemeinen proportional der Intensität des Neutronenflusses beim Detektor 26 und kann deshalb unmittelbar zur Anzeige benutzt werden.

Wenn also der Schalter 72 zwischen 72a und 72c geschlossen wird, so wird die Stromquelle 70 abgeschaltet und nur das Kollektron 26 der Sonde 30 erzeugt den Strom, der durch das Amperemeter 68 hindurchfliesst. Der Widerstand des Amperemeters 68 ist, wie schon oben gesagt, niedrig um zu verhindern, dass der vom Detektor 26 erzeugte Strom am Strommesser einen grösseren Spannungsabfall erzeugt, der seinerseits die abgeschaltete Stromquelle 68 ersetzen und dadurch die Spaltungskammer 28 betriebsbereit machen könnte. Der Strom der durch das Amperemeter 68 hindurchfliesst zeigt daher nur die Intensität des vom Kollektron 26 abgetasteten Neutronenflusses an. Wenn

Wenn dagegen 72a und 72b geschlossen werden, so liegt die Stromquelle 70 in Reihe mit der Spaltungskammer 28, die dadurch arbeitsbereit wird. Es siohc nun so aus, als ob.sowohl die Kammer 28 als auch das Kollektron

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zu dem Strom beitragen, der vom Strommesser 68 gemessen wird. Dies kann zwar der Fall sein, jedoch ist der Stromanteil des Kollektrons 26 sehr klein, z. B. kleiner als 2 % der gesamten Neutronenflussintensität, die durch die Sonde 30 gemessen wird. Bei eingeschalteter Spaltungskammer 28 ist der vom Strommesser 68 gemessene Strom fast vollständig von der Spaltungskammer 28 bedient, und zeigt deshalb die dort herrschende Intensität des Neutronenflusses an. In jedem Falle kann der Strom der von der Spaltungskammer 28 stammt, genau bestimmt werden, wenn man den Strom abzieht ** der gemessen ist, wenn die Spaltungskammer nicht betriebsbereit ist von dem Strom der bei Betriebsbereit schaft gemessen wird.

Es ergibt sich also eine Sonde, die aus dem Kollektron 26 und der' Spaltungskammer 28 besteht und die mit einem entfernt davon angeordneten Anzeige- und Aufzeichnungskreis durch nur zwei Leitungen verbunden ist. Dadurch kann die durchgeführte Leitung, z. B. das Koaxialkabel 34 einen sehr kleinen Durchmesser haben, so dass es innerhalb des Antriebskabels 38 geführt werden kann, das seinerseits während des Betriebes des Reaktors 10 in den Bereich des Reaktorkernes 12 hereingeschoben und wieder herausgezogen werden kann.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   l.nSonde zur Messung der Strahlung, insbesondere ^/ innerhalb des Kerns von Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde aus der Kombination eines Kollektrons (26) und einer Spaltungskammer (28) besteht.
2. 2.) Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Detektoren (26, 28) elektrisch parallel geschaltet sind.
3. 3.) Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelschaltung durch mechanische Verbindung zweier Kopfenden der beiden rohrförmigen Aussenelektroden (54, 52) etwa gleichen Durchmessers und den dazu als Innenleiter ausgebildeten Innenelektroden (58, 48) hergestellt wird.
4. £.) Sonde nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Umschalter (72) durch den wahlweise eine Belastung (Strommesser 68) entweder unmittelbar (72a, 72c) oder in Reihe (72a, 72b) mit einer Stromquelle (70) an die Parallelschaltung angeschlossen werden kann.
5. 5.) Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelschaltung durch ein Zweiieiter-Koaxialkabel, in dem sich Innen-und Aussenleiter

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   der Sonde fortsetzen mit der Messchaltung (32) verbunden ist.

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