DE2451283C2

DE2451283C2 - Vorrichtung zum Überwachen der elektrischen Leitfähigkeit eines elektrisch leitenden Strömungsmittels

Info

Publication number: DE2451283C2
Application number: DE2451283A
Authority: DE
Inventors: John David Steventon Abingdon Oxfordshire McCann; Michael John Fitzharries Estate Abingdon Oxfordshire Poole
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-10-29
Publication date: 1987-05-07
Also published as: JPS5089077A; DE2451283A1; JPS6018014B2; FR2251008B1; GB1491207A; US3987362A; FR2251008A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Überwachen der elektrischen Leitfähigkeit eines elektrisch leitenden Strömungsmittels mit einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung der durch die Vorrichtung erzeugten Signale, wobei die Vorrichtung zwei elektrische Spulen zum Eintauchen in das Stromungsmittel aufweist, wobei die erste der Spulen eine mit einem Wechselstrom zu erregende Spule bildet, während die zweite der Spulen eine Ermitthingsspule zur Lieferung eines der elektrischen Leitfähigkeit des Strömungsmittels entsprechenden Signals bildet, und wobei die elektronische Schaltung fine elektrische Energiequelle zum Erregen der ersten Spule, eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Bezugssignals und eine Rückkopplungsschaltung aufweist.·

ίο Solche Sensoren können dazu verwendet werden, die Temperatur von Strömungsmitteta zu überwachen, deren Leitfähigkeit sich als Folge von Temperaturschwankungen ändert, und außerdem Schwankungen in der Strömungsrate derartiger Strömungsmittel zu ennitteln.

Bei mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktoren ist der Brennstoff in Unterbaugruppen angeordnet, die sich im Kühlmittelströmungsweg befinden, so daß die Kühlmittelströme parallel über den Brennstoff fließen, um diesen zu kühlen.

Bei einem Prototyp von schnellem Reaktor gibt es nicht weniger als 450 Unterbaugruppen, von denen jede bis zu 64 Brennstoffstifte oder -stäbe enthält Ein Blockieren in einem dieser Kühlmittelströme kann eine Überhitzung des Brennstoffs verursachen, und es ist erwünscht, daß der Reaktor-Bedienungsraum eine möglichst frühe Warnung eines solchen Blockierens empfängt.

Es besteht eine Notwendigkeit, die Temperatur des

jo Kühlmittels oder zumindest Abweichungen der Temperatur von einem vorbestimmten Wert zu überwachen, bevor das Kühlmittel die engen Kanäle der Unterbaugruppen verläßt und sich mit den Ausgangsströmen der anderen Unterbaugruppen vermischt.

Ein wahlloses Mischen einer Anzahl von Kühlmittelströmen bei leicht unterschiedlichen Temperaturen erzeugt Temperaturschwankungen um einen Mittelwert herum, und dies führt zu einem fluktuierenden Signal, das üblicherweise als »Brennstofftemperaturgeräusch« bezeichnet wird. Es ist anzunehmen, daß ein Blockieren eines Kühlmittelstromes einen größeren re?ativen Effekt auf dieses fluktuierende Signal hat als auf die mittlere Auslaßtemperatur des Kühlmittels. Die Zeitkonstante des Signals liegt jedoch in der Größenordnung von nur wenigen Millisekunden, und bei herkömmlichen Messungen der Temperaturschwankungen unter Verwendung von Thermoelementen gehen alle höheren Frequenzkomponenten des »Temperaturgeräusches« infolge des Vermischens von Kühlmittelströmen mit unterschiedlichen Temperaturen verloren. Ferner sind die Wärmekapazität der Thermoelemente und deren elektrische Isolierung wichtige Begrenzungsfaktoren. Auch ermitteln Thermoelemente die niederfrequenten Komponenten des »Einlaßtemperaturgeräusches« und des »Reaktor-Leistungstemperaturgeräusches«, die jeweils durch Änderungen der Einlaßtemperatur und Schwankungen der Reaktorleistung erzeugt werden.

Die GB-PS 12 52 257 zeigt einen Leitfähigkeitssensor, der die Hochfrequenzkomponenten des »Temperaturgeräusches« zu messen vermag und sich für die Ermittlung von Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit des aus flüssigem Metall bestehenden Kühlmittels eignet, die sich aus Temperaturänderungen ergeben. Der in der obigen britischen Patentschrift beschriebene Leitfähigkeitssensor verwendet zwei Paare von erregten Spulen, die in das aus flüssigem Metall bestehende leitfähige Kühlmittel eingetaucht

sind Die Spulen des einen Paares sind gleichsinnig in Reihe geschaltet, und das Paar bildet einen Sensor-Spulensatz, während die Spulen des anderen Paares gegensinnig in Reihe geschaltet sind und dieses Paar einen Kompensierungs-Spulensatz in Form einer nicht-induktiven Zweidrahtspule bildet, welche Schaltungs-Impedanzänderungen ausgleicht. Der Sensor-Spulensatz ist elektrisch in Reihe geschaltet mit einem Induktionsvariometer und einer Brückenschaltung mit einem Verhältnis von 1:1, und der Kompensierungs-Spulensatz bikiet den Bezugszweig der Brücfcenschaltung. Eine Energiezufuhr ist vorgesehen, um die Brücke zu erregen, und es sind Mittel vorgesehen, um festzustellen, wenn oder wann die Brücke sich in einem Nullzustand befindet Der Sensor-Spulensatz und der Kompensierungs-Spulensatz sind nicht gegenseitig induktiv gekoppelt Die für jeden Sensor dieses bekannten Typs erforderliche elektronische Ermitt-Iungsschaltung ist jedoch zu kompliziert, um die Verwendung von solchen Sensoren in großer Stückzahl zuzulassen, wie es für eine individuelle Überwachung jedes Brennstoffkanals in einem Kernreaktor erforderlich wäre.

Eine andere Vorrichtung zur Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums ist in »Journal Brit« J. R. E, Juli 1963, Seiten 25—29, beschrieben. Bei dieser Vorrichtung bildet ein Flüssigkeitsweg eine Koppiungswicklung zwischen einem Erregungstransformator und einem Ermittlungstransformator. Die elektromotorische Kraft an den Ausgangswicklungen des Ermittlungstransformators ist proportional der Leitfähigkeit des flüssigen Mediums. Eine solche Vorrichtung wird jedoch durch Änderungen der Strömung des flüssigen Mediums beeinträchtigt, da diese Strömungsänderungen als scheinbare Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß sie in der Lage ist, zwischen Temperaturänderungen und Strömungsänderungen des Strömungsmittels zu unterscheiden.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine dritte Spule, die entweder eine weitere Ermittlungsspule oder eine weitere zu erregende Spule ist, wobei die erste Spule, die zweite Spule und die dritte Spule auf einen gemeinsamen Magnetkern gewickelt sind, wo sie gegenseitig induktiv gekoppelt sind, und wobei die zweite Spule zwischen der ersten Spule und der weiteren zu erregenden Spule ist oder die erste Spule zwischen der zweiten Spule und der weiteren Ermittlungsspule ist.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung können die zweite Spule und eine vierte Spule, die eine weitere Ermittlungsspule ist, zwischen zu erregenden Spulen angeordnet sein, die durch die erste Spule und die weitere zu erregende Spule gebildet werden.

Vorzugsweise setzt sich die Rückkopplungsschaltung zusammen aus einer Einrichtung zur Ableitung eines Wechselstromsignals entsprechend dem der zu erregenden Spule oder den zu erregenden Spulen zugeführten Ström, aus einer Gleichrichterschältufig zum Gleichrichten des genannten Wechselstromsignals, aus einem summierenden Verstärker zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, welches das Integral des Ausgangssignals aus der Gleichrichterschaltung mit Bezug auf die Zeit ist, und aus einem Regelverstärker, der auf das Ausgan~ssignal vom summierenden

ίο

Verstärker anspricht und den der zu erregenden Spule oder den zu erregenden Spulen zugeführten Strom einregelt

Um zwischen Änderungen in der Ermittlungsspülenspannung infolge entweder von Temperaturänderungen oder Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels zu unterscheiden, kann die Ermittlungsspule oder können die Ermittlungsspulen relativ zu der zu erregenden Spule oder den zu erregenden Spulen so angeordnet werden, daß die Strömung des Strömungsmittels dazu dient, die Kopplung zwischen der zu erregenden Spule und der ersten Ermittlungsspule zu begünstigen, aber dazu dient die Kopplung zwischen der zu erregenden Spule und der zweiten Ermittlungsspule zu schwächen. Durch Addieren der Ausgänge der beiden Ermittlungsspulen kann die Wirkung der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels beseitigt werden, oder durch Subtrahieren des Ausganges der einen Ermittlungsspule von dem der anderen Ermittlungsspule können die kombinierten Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur bestimmt werden.

Eine Reihe von Ausführungsbeispiele.i der Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform von Vorrichtung zum Überw-chen der elektrischen Leitfähigkeit eines elektrisch leitenden Strömungsmittels,

F i g. 2 ein Schaltbild einer elektronischen Steuervorrichtung zur Verwendung bei der Vorrichtung nach F i g. 1 sowie zur Verwendung bei den Vorrichtungen nach den F i g. 3—5 zum Ermitteln nur der Temperatur, die

Fig.3—5 Alternativ-Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Anzeigen der Temperatur sowie der Strömung und der Temperatur eines elektrisch leitenden Strömungsmittels, und

F i g. 6 ein Schaltbild von zusätzlichen elektronischen Schaltungen, die zur Verarbeitung von Strömungsinformation aus den Ermittlungsspulen der Vorrichtungen nach den F i g. 3—5 erforderlich sind.

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Überwachen der elektrischen Leitfähigkeit eines elektrisch leitenden Strömungsmittels 2, in welches die Vorrichtung eingetaucht ist. Der Formkörper 3 ist aus Edelstahl hergestellt und besteht aus einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 6 mm, einem Außendurchmesser von 7 mm und einer Länge von 70 mm (wobei die durch die Wicklungen bedeckte Gesamtlänge etwa 50 mm beträgt). An seinen Enden ist der Formkörper 3 mit Flanschen 4 versehen. Auf den Formkörper 3 sind Spulen 5 und 6 gewickelt, die aus Draht mit einer keramischen oder einer anderen Hochtemperaturisoliorung gefertigt sind. Mineraiisolierte Versorgungskabel 7 sh:d in die Flansche 4 hartgelötet oder geschweißt, und deren Innenleiter sind mit den Spulen 5 und 6 verbunden. Die so aufgebaute Vorrichtung¹ wird mit einem dünnen Edelstahlmantel 8 überdeckt, und der komplette Sensor ist so ausgelegt, daß er innerhalb eines Edelstahl-Te'ichrohres 9 arbeitet, welches eine physikalische Sperre zwischen dem Sensor und dem elektrisch leitenden Strömungsmittel 2 bildet, welches im typischen Fall flüssiges Natrium mit einer Temperatur von 600⁰C ist und die Außenseite des Rohres 9 umgibt.

Im Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 1 wird die Spule 5 erregt, während die Spule 6 eine Ermittlungsspule bildet; beide Spulen 5,6 sind induktiv miteinander und

durch das elektrisch leitende Strömungsmittel 2 gekoppelt.

Es ist ersichtlich, daß das Strömungsmittel 2 effektiv eint Tertiärwicklung mit einer einzigen Windung bildet, die die Länge des Formkörpers 3 überspannt. Ferner wird die an der Ermittlungsspule 6 erscheinende Spannung abhängig sein vom Kopplungsfaktor zwischen den Spulen 5 und 6 und den reflektierten Einwirkungen des Strömungsmittels 2. Wird der Kopplungsfaktor hoch angesetzt, dann werden hohe Pegel von Spulenspannung erhalten, aber die Empfindlichkeit für Änderungen im Strömungsmittel 2 ist gering.

Umgekehrt, durch Verwendung einer schwachen Kopplung, kann die Amplitude der Spulenspannung so eingestellt werden, daß sie sich mit einer Geschwindigkeit ändert, die gleich der Geschwindigkeit der Änderung des spezifischen Widerstandes des umgebenden Strömungsmittels 2 ist. Bei schwacher Kopplung sind jedoch die Signalpegel gering, und eine bessere Gesamtleistung wird erzieh, wenn eine Kopplung verwendet wird, die annähernd die Hälfte der äußersten Empfindlichkeit für Änderungen des spezifischen Widerstandes ergibt. Dieser Optimalwert der Kopplung erscheint im Bereich K = 0,1 bis 0,3, wobei K der Kopplungsfaktor ist.

Die elektrische Steuerschaltung für die Vorrichtung nach F i g. 1 ist in F i g. 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist schematisch dargestellt, und die induktive sowie die ohmsche Komponente infolge des umgebenden leitenden Strömungsmittels 2 sind ebenfalls schematisch angedeutet. Die Spule S ist mit einer ausgeglichenen Sekundärwicklung 10 eines Transformators 11 verbunden. In gleicher Weise ist die Ermittlerspule 6 der Vorrichtung 1 mit einer ausgeglichenen Primärwicklung

12 eines Transformators 13 mittels mineralisolierter Kabel 7 verbunden.

Eine stabile Wechselspannungsquelle (im typischen Fa!! ! kHz für Sensoren, die im Innern eines Tauchrohres 9 mit einem Außendurchmesser von

13 mm, umgeben von flüssigem Natrium mit 600° C, arbeiten) gibt ihre Spannung an eine Eingangsklemme 15 des Regelverstärkers 16. Die 1-kHz-Wellenform wird weiter verstärkt durch einen Leistungsverstärker 17 in Form einer integrierten Schaltung von 3 Watt. Der Leistungspegel des Verstärkers 17, im typischen Fall 1 bis 2 Watt Effektivwert, wird an das eine Ende einer Primärwicklung 18 des Transformators 11 geliefert. Ein Widerstand 19 ist zwischen das andere Ende der Primärwicklung und einen Erdanschluß 20 elektrisch in Reihe geschaltet. Da scheinbar der gesamte in der Primärwicklung 18 des Transformators 11 fließende Strom die Spule 5 der Vorrichtung 1 betreiben soll, ist die am Widerstand 19 entwickelte Spannung proportional dem in der Spule 5 fließenden Strom. Die am Widerstand 19 erscheinende Spannung wird durch einen Verstärker 21 verstärkt, durch eine Gleichrichterschaltung 22 gleichgerichtet und nach dem Eingang eines umkehrenden, integrierenden Verstärkers 23 weitergeleitet, um ein Gleichstromsignal zu erzeugen (das dem in der Spule 5 fließenden Strom entspricht), und wird ferner dem Eingang eines nicht-umkehrenden, nicht-integrierenden Verstärkers 24 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 23 wird rückgekoppelt und mit einer Gleichstrom-Bezugsspannung verglichen; jegliche Fehler zwischen der Spannung am Ausgang des Verstärkers 23 und der Bezügsspannung werden durch einen Verstärker 25 verstärkt und dazu verwendet, die Verstärkung des Verstärkers 16 zu steuern. Durch Schließen der Rückkopplungsschleife werden die Spannung am Widerstand 19 und somit der Strom, der durch die Spule 5 der Vorrichtung 1 fließt, stabilisiert. Der stabilisierte Strompegel in der Spule 5, im '.ypischen Fall 30—40 mA Effektivwert, kann durch verschiedene Mittel eingestellt werden, wie beispielsweise durch die Auswahl der Bezugsspannung, den Wert des Widerstandes 19 oder, zu Abgleichzwecken, durch Einregelung eines Regelwiderstandes 80, der in die Eingangsleitung

to zum Verstärker 21 zwischen dem Erdanschluß 20 und der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 19 und der Primärwicklung 18 des Transformators 11 geschaltet ist.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 24 ist ein konstanter Gleichstrompegel, auf den Signale überlagert werden, die eine Anzeige für Kurzzeitschwankungen des Stromes in der Spule 5 und Gleichtaktstörungen sind. Da der Verstärker 23 ein umkehrender Verstärker ist, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 24 gegenüber ilcfn Ausgängisignäl des Verstärkers 23 von umgekehrtem Vorzeichen sein. Wenn somit zwei gleiche Widerstände, 26 und 27, zwischen die Ausgänge der Verstärker 23, 24 in Reihe geschaltet werden, dann können diese Ausgangssignale verglichen werden, und das Differenzsignal an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 26, 27 kann durch einen Verstärker 28 verstärkt werden.

Da die Spule 6 mit der Spule 5 und mit dem elektrisch leitenden .strömungsmittel 2 induktiv gekoppelt ist, induziert der durch die Spule 5 fließende Strom eine Spannung in der Spule 6. Die Spule 6 erzeugt ein Ausgangssignal, im typischen Falle 30—40 mV Effektivwert, an der Sekundärwicklung 29 des Transformators 13. Die eine Seite der Sekundärwicklung 29 liegt an Erde 20, während die andere Seite mit einem umkehrenden Verstärker 30 verbunden ist, der das an der Sekundärwicklung 29 des Transformators 13 erzeugte Signal verstärkt Das verstärkte Signa! wird dann durch die Gleichrichterschaltung 31 gleichgerichtet, um einen Gleichstrom-Ausgangspegel von etwa 8 Volt zu erzeugen, auf den Signale überlagert werden, die für Kurzzeitschwankungen in der elektrischen Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Strömungsmittels 2 bezeichnend sind. Die Verstärker 21 und 30 sind mit frequenzselektiver Rückkopplung ausgestattet, die so eingerichtet ist, daß sich eine maximale Verstärkung bei der Antriebsfrequenz von 1 kHz ergibt. Obwohl der <?-Wert (etwa 3) der Verstärker niedrig liegt, wird eine gute Unterdrückung sowohl von Hochfrequenz- als auch Niederfrequenzgeräusch erzielt Die Spannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 31 wird fast direkt proportional der augenblicklichen Temperatur oes elektrisch leitenden Strömungsmittels 2 sein, und die Zeitauflösung ist eine Funktion der Antriebsfrequenz, der physikalischen Abmessung des Sensors und der Zeitkonstanten der gesamten elektronischen Schaltung. Eine typische Zeitauflösung des beschriebenen Systems kann in der Größenordnung von 10 Millisekunden liegen. Durch Erhöhung der antreibenden Frequenz (am Eingang 15) auf etwa 4 kHz und entsprechende Änderung der Werte der frequenzselektiven Elemente der Schaltungen können Auflösungszeiten von annähernd 2 Millisekunden erzielt werden.
Das Ausgangssignal von der Gleichrichterschaltung 31 wird dem Eingang eines umkehrenden, integrierenden Verstärkers 32 und eines nicht-integrierenden, nicht-umkehrenden Verstärkers 33 zugeführt Auf diese Weise können kleine, aber schnelle Schwankungen in

der Temperatur dadurch gemessen werden, daß die integrierten und nicht-integrierten Signale subtrahiert werden und dann die Differenz unter Verwendung des Verstärkers 34 verstärkt wird, und zwar in einer ähnlichen Weise, wie es mit Bezug auf die Verstärker 23, 24 und 28 beschrieben wurde.

Die Gesamtempfindlichkeit der vorübergehenden Temperatursignale ist derart, daß eine Änderung in der AmpUode des Signals an der Sekundärwicklung 29 des Transformators 13 von 1% eine 6-Volt-Änderung am Ausgang eines Verstärkers 35 erzeugt.

Um sicherzustellen, daß Änderungen bzw. Schwankungen von ±0,1% in der Signalamplitude mit Sicherheit ermittelt werden können, muß das Hintergrundgeräusch auf einem Minimum gehalten werden. Um dies zu erreichen wird das Differenzsignal am Ausgang des Verstärkers 34 dem Eingang 37 des Verstärkers 35 mittels eines Widerstandes 36 zugeführt, der mit dem Widerstand 38 und dem Ausgang des Verstärkers 28 elektrisch in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise werden Schwankungen in der Amplitude infolge von Unzulänglichkeiten im antreibenden Strom oder von einer Gleichtaktstörung am Eingang des Verstärkers 35 durch die Signale vom Verstärker 28 her beseitigt. Die Signale vom Verstärker 34 werden gegenüber jenen vom Verstärker 28 von entgegengesetztem Vorzeichen sein.

Am Ausgang der integrierenden, umkehrenden Verstärker 23, 32 liegen zwei gleiche Widerstände 39, 70, die in Reihe geschaltet sind. Die Ausgangssignale der integrierenden, umkehrenden Verstärker 23,32 können daher verglichen werden, und das Differenzsignal an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 39, 70 kann dann durch einen Verstärker 71 verstärkt werden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 71 ist eine konstante Gleichstromspannung, die für die Isttemperatur des Strömungsmittels 2 bezeichnend ist.

Zum Zwecke der Eichung kann der Ausgang des Verstärkers 71 auf einen Gleichstrom-Nullausgang bei einer gewählten Bezugstemperatur, typischerweise 450⁰C für flüssiges Natrium in einem Prototyp von schnellem Reaktor, eingestellt werden. Der Ausgang des Verstärkers 71 könnte so eingerichtet werden, daß er im typischen Fall ± 12 V Gleichstrom erzeugt, wenn der Sensor von flüssigem Natrium mit Temperaturen im Bereich von 300-600⁰C, d.h. ±150°C um die Bezugstemperatur herum, umgeben ist.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 ist nicht in der Lage, zwischen Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Strömungsmittels 2, die sich aus der Temperatur ergeben, und Flußstörungen infolge der Strömung des leitenden Strömungsmittels zu unterscheiden. (Das sich bewegende Strömungsmittel stört das Magnetflußmuster in Richtung der Strömungslinie.) Die Vorrichtungen nach den F i g. 3 bis 5 können jedoch dazu verwendet werden, zwischen Temperatur oder Strömungsänderungen zu unterscheiden.

Die Vorrichtung 1 nach F i g. 3 ist in einer ähnlichen Weise wie die nach F i g. 1 aufgebaut, außer daß die Wicklungen der Spule 5 in zwei Abschnitte 5/4, SB aufgespalten sind (vom elektrischen Standpunkt aus ist die Spule 5 immer noch eine einzige Spuie), und die Spule 6 ist zwischen jeder Hälfte der Spuie 5 angeordnet Flußstörungen aufgrund der Bewegung des Strömungsmittels 2 haben das Bestreben, die Kopplung zwischen dem einen der Abschnitte der Spule 5 und der Ermittlungsspule 6 zu unterstützen, während sie gleichzeitig die Kopplung zwischen dem anderen Abschnitt der Spule 5 und der Ermittlungsspule 6 vermindern. Auf diese Weise können die Fluß-Störeffekte infolge der Strömung automatisch beseitigt werden, und die Vorrichtung wird für die Strömung unempfindlich. Die Vorrichtung 1 nach Fig.3 kann weiter abgeändert werden, damit eine Temperatur- und Strömungsinformation zugleich bestimmt werden können. Dazu kann die Spule 6 mit einem in der Mitte angezapften Ausgang (nicht dargestellt) ausgestattet werden, um effektiv zwei Spulen 6/4, SB in einer Gegentakt-Ausgangsart vorzusehen. Auf diese Weise können die Signale aufgrund unterschiedlicher Kopplungsbedingungen zwischen den Spulen 5 und 6 ?n jedem Ende der Spule 5 dazu verwendet werden, eine Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels 2 zu liefern.

Die Vorrichtung nach Fig.4 kann dazu verwendet werden, Temperatur- und Strömungsänderungen des Strömungsmittels aufzuzeigen. Die Vorrichtung nach Fig.4 ist in ähnlicher Weise wie diejenige nach Fig. 1 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß die Windungen der Ermittlungsspule 6 in zwei Abschnitte 6/4 und SB aufgespalten sind, und nicht die Windungen der Spule 5. Die Flußstörungen bzw. -Verzerrungen infolge der Bewegung des Strömungsmittels 2 haben das Bestreben, die Kopplung zwischen der Spule 5 und dem einen der Abschnitte 6.4 und SB der Spule 6 zu unterstützen, während sie gleichzeitig die Kopplung zwischen dem anderen Abschnitt der Spule 6 und der Spule 5 vermindern. Addiert man die Ausgänge von beiden Abschnitten 6a und 66 der Spule 6, dann werden die Flußverzerrungseffekte beseitigt, und der kombinierte Ausgang ist für Temperaturänderungen bezeichnend. Wenn andererseits der Ausgang des einen Abschnittes der Spule 6 vom Ausgang des anderen Abschnittes der Spule 6 subtrahiert wird, so stellt das Differenzsignal die Änderung in der Kopplung zwischen den Spulen 5 und 6 infolge der Strömung dar.

Die Vorrichtung 1 kann wie in F i g. 5 dargestellt aufgebaut werden, damit Temperatur- und Strömungsänderungen gleichzeitig ermittelt werden können. Im einzelnen ist nach Fig.5 die Vorrichtung 1 in einer ähnlichen Weise wie die Vorrichtung nach F i g. 1 aufgebaut, nur daß die Windungen der zu erregenden Spule, d. h. der Spule 5, in zwei Abschnitte SA, SB aufgespalten sind, von denen jeder an einem Endbereich des Formkörpers 3 angeordnet ist, während zwei Ermittlungsspulen 6A,6Bzwischen den Abschnitten5Λ SB der Spule 5 vorgesehen sind. Alle Spulen 5, 6/4, 6ß sind induktiv miteinander gekoppelt und sind außerdem durch das Strömungsmittel 2 induktiv gekoppelt

Fine zusätzliche Schaltungsanordnung zur Verwendung bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach F i g. 3, die einen in der Mitte angezapften Ausgang an der Spule 6 aufweist oder bei den Vorrichtungen der F i g. 4 und 5, um Strömungs- und Temperaturinformationen gleichzeitig ermitteln zu können, ist in Fig.6 dargestellt Die Spule 5 wird in der gleichen Weise, wie in Fig.2 dargestellt, erregt, und der der Spule 5 zugeführte Strom wird in genau der gleichen Weise stabilisiert, wobei die gleiche Rückkopplungsschleife (in Fig.6 nicht dargestellt, doch in Fig.2 gezeigt) verwendet wird. Die Spuie 6A ist mit einer ausgeglichenen Primärwicklung 42 eines Transformators 43 verbunden, während die Spule SB mit einer ausgeglichenen Primärwicklung 44 eines Transformators 45 verbunden ist Im Falle der Vorrichtung nach F ig. 3 mit einem in der Mitte angezapften Ausgang an der Spule 6

würden die Primärwicklungen 42 und 44 der Transformatoren 43 und 45, anstatt in der Mitte angezapfte Ausgänge zu haben, die mit dem Erdpunkt 40 verbunden sind, mit der Verbindungsstelle zwischen diesen in Reihe geschaltet sein, die am Erdpunkt 40 liegt.

Jeder Transformator 43, 45 hat zwei Sekundärwicklungen 46, 47 bzw. 48, 49. Die Sekundärwicklungen 46, 49 sind in Reihe gesrhaltet und so eingerichtet, daß sich ihre Ausgänge addi-wen. Ihr kombinierter Ausgang wird dann den Ermittlungsschaltungen der F i g. 2 an den Klemmen 50, 51 zugeführt. Der Transformator 13 von F i g. 2 ist überflüssig, da die Transformatoren 43,45 die Funktion des Transformators 13 übernehmen. Die kombinierten Ausgangssignale der Wicklungen 46, 49 werden durch die Schaltung der Fig.2 in genau der gleichen Weise, wie bereits beschrieben, verarbeitet, um Signale an den Ausgängen von Verstärkern 71 und 35 zu liefern, die jeweils die Isttemperatur des Strömungsmittels 2 und Änderungen in der Temperatur des Strömungsmittels um die mittlere Temperatur herum darstellen.

Die Sekundärwicklungen 47, 48 sind außerdem in Reihe geschaltet, doch ist deren Verbindungsstelle mit dem Erdpunkt 40 verbunden, so daß auf diese Weise ein Gegentakteingang für zwei Verstärkerkanäle gebildet wird. Das Eingangssignal nach jedem Kanal wird durch einen Regelverstärker 52, 53 verstärkt, und die Ausgangssignale von diesen Verstärkern werden weiter durch Verstärker 72, 73 verstärkt und durch Gleichrichterschaltungen 54, 55 gleichgerichtet. Die Amplitude der in den Spulen 6A, 6ß induzierten Spannungen wird — bedingt durch die Wesensart der Anordnung — sich proportional zur Temperatur des Strömungsmittels 2 ändern. Daher wird die Stärke jeder direkten Messung von Differenzen zwischen den Ausgängen der Gleichrichterschaltungen 54, 55 zum Zwecke der Strömungsbestimmung beeinträchtigt durch das Temperaturansprechen des Systems. Wenn jedoch die Summe der in den Spulen 6/\, SB induzierten Spannungen (die nur der Temperatur proportional ist) mit einer Bezugsspannung verglichen wird und die Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Summe der Spannungen von den Spulen 6A, 6ß dazu verwendet wird, den Verstärkungsfaktor der Verstärker 52, 53 zu steuern, dann können die Ausgänge der Gleichrichter 54, 55 normalisiert werden, während dennoch das Verhältnis zwischen ihnen erhalten bleibt Dieser Normalisierungsvorgang wird durch die Ausgangssignale jeder Gleichrichterschaltung 54, 55 nach einem Differentialverstärker 56, wo sie addiert werden, durchgeführt. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 56 wird dann mit einer Bezugsspannung verglichen, die an einer Klemme 57 liegt, und das Differenzsignal, nachdem es durch den Verstärker 58 verstärkt worden ist, wird dazu verwendet, die Verstärkung der Verstärker 52, 53 zu steuern. Die Bezugsspannung an der Klemme 57 ist nicht unbedingt die gleiche wie diejenige, die an Klemme 59 der Schaltung der Fig.2 anliegt Die Ausgangssignale der Gleichrichterschaltung 54, 55 können voneinander subtrahiert werden. Dies geschieht dadurch, daß an die Ausgänge der Gleichrichterschaltungen 54, 55 zwei gleiche Widerstände 60, 61 angeschaltet werden. Das Differenzsignal an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 60, 61 wird durch den Verstärker 62 verstärkt Das Ausgangssignai vom Verstärker 62 wird dem Eingang eines umkehrenden, integrierenden Verstärkers 63 und dem, Eingang eines nicht-integrierenden, nicht-umkehrenden Verstärkers 64 zugeführt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 63 ist eine konstante Gleichspannung, die bezeichnend ist für eine konstante vorbestimmte Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels 2, während das Ausgangssignal des Verstärkers 64 eine Gleichspannung ist, der ein Signal überlagert ist, welches für Kurzzeitschwankungen in der Geschwindigkeit der Strömung des Strömungsmittels 2

ίο bezeichnend ist. Durch Subtrahieren des Signals des Verstärkers 63 vom Ausgangssignal des Verstärkers 64 kann man ein Signal erhalten, das bezeichnend ist für die Änderung der Strömung des Strömungsmittels 2. Dies geschieht dadurch, daß zwei in Reihe geschaltete Widerstände 65,66 an die Ausgänge der Verstärker 63, 64 gelegt werden. Die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen ist mit dem Eingang eines Verstärkers 67 verbunden. Das am Eingang des Verstärkers 67 erscheinende Signal ist bezeichnend für die Änderung

.'u der Strömung des SiröiTiongsrniticls 2.

Im typischen Fall würde die Verstärkung des Verstärkers 63 so eingestellt werden, daß er einen Ausgang zwischen 1 und 2 Volt pro Meter pro Sekunde Strömung des leitenden Strömungsmittels erzeugt. Die Verstärkung des Strömungsänderungskanals (Verstärker 67) würde im typischen Falle das Zehnfache derjenigen von 63 betragen. Dies würde eine Empfindlichkeit von 10 bis 20VoIt pro Meter pro Sekunde ergeben. Da bei der Signalverarbeitung zwei Gleich-

JO Stromsignale subtrahiert werden, bleiben die Vorzeichen erhalten, und eine Umkehr der Strömung wird eine negative Ausgangsspannung erzeugen.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, einen Hohlkern aus einer Permendur-V-Legierung (Warenzeichen) im Inneren des Edelstahl-Formkörpers 3 zu verwenden. Auf diese Weise war es möglich, den Bereich, über welchen die Temperatur gemessen werden kann, bis auf etwa 930° C zu vergrößern. Die Permendur-V-Legierung hat einen Curie-Temperatur-

4ü punktvonS80"C.

Bei Hochtemperaturversuchen an einer Vorrichtung mit einem Permendurkern wurde festgeste'U, daß während der Erhitzungs- und Abkühlungszyklen eine momentane Änderung in der Empfindlichkeit der Vorrichtung vorhanden war, sobald der Curie-Punkt des Edelstahl-Formkörpers 3 überschritten wurde. Die aufgezeichnete Ausgangsspannungskurve enthielt eine kleine, aber dennoch bedeutenden Zacke bei 705° C (im typischen Fall ein Abfall von 10%), während die Kurve

so sonst glatt war.

Dieser Effekt kann als Eichmarke für 705° C ausgenutzt werden. Wenn alternativ ein Material mit einem niedrigeren Curie-Punkt (etwa 400° C) verwendet wird und dieses im Formkörper 3 sitzt, oder das Material, aus welchem der Formkörper 3 besteht geändert wird, dann könnte eine Marke an der unteren Grenze des vorweggenommenen Arbeitsbereiches der Temperatur vorgesehen werden.

Wenn der »Markier«-Effekt nicht gewünscht ist dann darf nur ein einziges magnetisches Material als Kern der Vorrichtung verwendet werden. Der Spulen-Formkörper könnte aus Permendur V hergestellt werden.'Da es sich dabei aber um ein Material handelt, das schwer zu bearbeiten ist, besteht eine einfachere Lösung darin, eine Permendur-V-Auskleidung in den Formkörper 3, der aus nicht-magnetischem Edelstahl gearbeitet ist einzusetzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Oberwachen der elektrischen Leitfähigkeit eines elektrisch leitenden Strömungsoiittels mit einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung der durch die Vorrichtung erzeugten Signale, wobei die Vorrichtung zwei elektrische Spulen zum Eintauchen in das Strömungsmittel aufweist, wobei die erste der Spulen eine mit einem Wechselstrom zu erregende Spule bildet, während die zweite der Spulen eine Ermittlungsspule zur Lieferung eines der elektrischen Leitfähigkeit des Strömungsmittels entsprechenden Signals bildet, und wobei die elektronische Schaltung eine elektrische Energiequelle zum Erregen der ersten Spule, eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Bezugssignals und eine Rückkopplungsschaltung aufweist, gekennzeichnet durch eine dritte Spule (5B, 6B), die entweder eine weitere Ermitflungsspule (65) oder eine weitere zu erregende Spule (5B) isx, wobei die erste Spule (5, 5AX die zweite Spule (6,6/VJund die dritte Spule (55 oder 6B) auf einen gemeinsamen Magnetkern (3) gewickelt sind, wo sie gegenseitig induktiv gekoppelt sind, und wobei die zweite Spule (6) zwischen der ersten Spule (5A) und der weiteren zu erregenden Spule (5B) ist oder die erste Spule (5) zwischen-der zweiten Spule (6/4/und der weiteren Ermittlungsspule (öß^ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule (6A) und eine vierte Spule (6B), die eine weitere Ermittlungsspule ist, zwischen zu erregenden Spulen angeordnet sind, die durch die erste Spule (SA) und die weitere zu erregende Spule (5Z?/gebildct werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungsspulen (6A, 6B) elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erregenden Spulen (5, SA, 5B) elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung sich zusammensetzt aus einer Einrichtung (18,19,20, 80) zur Ableitung eines Wechselstromsignals entsprechend dem der zu erregenden Spule (5) oder den zu erregenden Spulen (5A, 5B) zugeführten Strom, aus einer Gleichrichterschaltung (22) zum Gleichrichten des genannten Wechselstromsignals, aus einem summierenden Verstärker (23) zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, welches das Integral des Ausgangssignals aus der Gleichrichterschaltung (22) mit Bezug auf die Zeit ist, und aus einem Regelverstärker (25), der auf das Ausgangssignal vom summierenden Verstärker (23) anspricht und den der zu erregenden Spule (5) oder den zu erregenden Spulen (5/4, 5B) zugeführten Strom einregelt.