DE2558588A1

DE2558588A1 - Verfahren und einrichtung zum identifizieren einer zweiphasenstroemung

Info

Publication number: DE2558588A1
Application number: DE19752558588
Authority: DE
Inventors: Stefan Mueller
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1975-12-24
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1977-07-07
Also published as: DE2558588B2; DE2558588C3

Description

Verfahren und Einrichtung zum Identifizieren einer Zweiphasenströmung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren einer Zweiphasenströmung aus einer flüssigen und einer dampf förmigen Phase, bei dem eine Spannung vorbestimmter Trägerfrequenz an einen in der Zweiphasenströmung angeordneten Meßgrößenaufnehmer gelegt und von der Meßgröße moduliert wird.
Das Genehmigungsverfahren für Leichtwasser-Reaktoren erfordert den Nachweis, daß die bei einem Kühlmittelverlustunfall auftretenden dynamischen Belastungen Deformationen an Brennelementen und Reaktordruckbehälter-Einbauten ausschließen, welche die Kühlbarkeit des Reaktorkernes, die Funktion der Notkühleinrichtungen und die sichere Reaktorabschaltung gefährden.
Das aufgrund plötzlicher Druckentlastungen ausströmende stark beschleunigte Primärkühlmittel befindet sich im thermodynamischen Ungleichgewicht und erreicht sehr rasch die kritische Ausströmgeschwindigkeit mit Freistrahlbildung und Dampfentwicklung. Damit verbunden sind rücklaufende Dekompressionswellen, die eine zusätzliche Belastung der Einbauten darstellen.
Diese Effekte werden in hohem Maße von dem sich einstellenden nstatiozaren Zweiphasenstrom beeinflußt, der aufgrund des Schlupfes zwischen den Phasen der Zweiphasenströmungsformen bis her nicht meßbar ist.
Es ist bekannt (Kjeller Report KR 73, Fig. 1, 2), mit einer Impedanzsonde in einem Zweiphasen-Massenstrom durch die unterschiedliche Leitfähigkeit der Phasen verursachte Widerstandsänderungen von 100 kHz oder"Zerhackerfrequenzen von 3 kHz zu verwenden. Nachteilig ist bei dieser Einrichtung, daß sie nicht bei Frequenzen oberhalb 10 MHz arbeiten kann. Dieser Frequenzbereich ist jedoch von besonderer Bedeutung wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluides und der an dieser Schwelle einsetzenden dielektrischen Verluste. Leitfähigkeits- und Impedanzsonden sind außerdem nur für Messungen in Fluiden guter elektrischer Leitfähigkeit verwendbar. Kesselspeisewasser hat jedoch z.B. eine elektrische Leitfähigkeit von nur o 0,2,nS/cm.
Ein anderer Nachteil besteht darin, daß sich am Meßgrößenaufnehmer ein Restfilm der flüssigen Phase verfälschend auf das Meßsignal auswirkt.
Mit den gleichen Nachteilen ist auch eine andere bekannte (Rapport TT no 111, April 1972) Meßeinrichtung mit Leitfähigkeitssonde behaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, die Nachteile der bekannten Verfahren der erfindungsgemäßen Art zu beseitigen, insbesondere auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein großes Auflösungsvermögen zu erhalten und weitgehend unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids Messungen auszuführen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu konzipieren, mit der das Verfahren ausgeführt werden kann und die einfach aufgebaut ist und bei einfacher Bedienung betriebssicher arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Abhängigkeit vorwiegend von der Dielektrizitätskonstanten £und nur zu einem kleinen Anteil von der elektrischen Leitfähigkeitxder Zweiphasenströmung eine vorbestimmte Energiemenge über den Meßgrößenaufnehmer in die Zweiphasenströmung eingeleitet und/oder an diesem reflektiert wird, daß eine das Verhältnis Vorwärtswelle zu reflektierter Welle darstellende Spannung erzeugt wird, und daß Trägerfrequenzen im Bereich von Megahertz bis Gigahertz verwendet werden und Meßfrequenzen im Kilohertzbereich möglich sind.
Eine besonders einfache Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens besteht darin, daß ein Hochfrequenzgenerator über je ein Resonanzfilter und je ein Koaxialkabel auf einen oder mehrere in der zu messenden Zweiphasenströmung angeordneten Meßgrößenaufnehmer geschaltet ist, und daß ein Stehwellenreflektometer an jedes Koaxialkabel angekoppelt ist, dem ein Doppelweggleichrichter und ein Tiefpaß zum Eliminieren der Träger frequenz nachgeschaltet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Meßgrößenaufnehmer als Mantelmeßleitung aus einem Zentralleiter, einem den Zentralleiter umgebenden metallischen Mantel und einer zwischen Zentralleiter und Mantel angeordneten Isolierschicht aus einem Metalloxid aufgebaut.
In bestimmten Anwendungsfällen kann es auch-vorteilhaft sein, wenn der Meßgrößenaufnehmer aus zwei Kondensatorplatten besteht, zwischen denen die Zweiphasenströmung als Dielektrikum strömt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß aufgrund des Meßprinzips auch Messungen an elektrisch nichtleitenden Zweiphasenströmungen ausgeführt werden können.
Die hohen Trägerfrequenzen im Bereich von 10 MEIz bis 1 GHz ermöglichen Messungen mit hoher Auf lösung auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und vereinfachen das Trennen von Träger- und Meßfrequenz. Ein anderer Vorteil ergibt sich daraus, daß der sich auf dem Meßgrößenaufnehmer bildende Restfilm der flüssigen Phase infolge seiner geringen Stärke bei einer vorwiegend von der Dielektrizitätskonstanten abhängigen Messung das Meßergebnis nicht verfälscht.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgeraäßen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 Blockschaltbild einer Einrichtung zum Messen einer instationären Zweiphasenströmung und Fig. 2 Meßdiagramm.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung zum Identifizieren einer Zweiphasenströmung. Ein Hochfrequenzgenerator 1 mit einem Frequenzbereich von 10 MHz bis 1 GHz ist über ein Pi-Filter 2 als Resonanzfilter und ein Koaxialkabel 3 mit einem Widerstand von 60 Ohm auf einen Meßgrößenaufnehmer 4 geschaltet. Der Meßgrößenaufnehmer 4 ist in eine Rohrleitung 5 eingesetzt, in der eine Zweiphasenströmung. 6 z.B. aus Wasser 7 und Wasserdampf 8 bei einer Temperatur von 360 c, einem Druck von 150 atü und hoher Strömungsgeschwindigkeit besteht. Der Meßgrößenaufnehmer 4 besteht im wesentlichen aus einem Zentralleiter 9, einem metallischen Mantel 10 und einer zwischen Zentralleiter und Mantel angeordneten Isolierschicht 11 aus Metalloxcil. Es ist auch möglich, den Meßgrößenaufnehmer 4 aus zwei Kondensatorplatten 12 aufzubauen, die an'der Innenwand eines Rohrelementes und gegen dieses elektrisch isoliert so angeordnet sind, daß die Zweiphasenströmung 6 zwischen den Kondensatorplatten geführt wird.
Durch stetiges Verändern der Frequenz des Hochfrequenzgenerators 1 werden zunächst die günstigsten Resonanzstellen aufgesucht, bei denen eine eindeutige Zuordnung jeder der zwei Phasen zu den Meßsignalen möglich ist. Bei Resonanzfrequenz ergibt sich im Pi-Filter eine Spannungsüberhöhung und eine Anpassung des Abschlußwiderstandes des Meßgrößenaufnehmers an den Ausgang des HF-Generators.
Auf dem Koaxialkabel 3 bildet sich durch Reflexion am Meßgrößenaufnehmer 4 eine stehende Welle aus. Das Verhältnis von Vorwärtswelle zu reflektierter Welle ergibt sich aus der Zusammensetzung der Zweiphasenströmung aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen im Bereich des Meßgrößenaufnehmers 4. An das Koaxialkabel 3 ist ein abgewandeltes Stehwellenreflektometer 13 mit Doppelweggleichrichter und Tiefpaß für das Absieben der Trägerfrequenz angekoppelt, an dessen Ausgang 14 eine Spannung dU auftritt, die sich bei Dampfblasen infolge der Dielektrizitätskonstanten von £ ~ 1 deutlich unterscheidet von einem AU bei Wasser, dessen e bei 100 °C ca. 55 ist.
Die Spannung #U wird mit einem Registriergerät 15 gemessen.
Fig. 2 zeigt ein solches Meßdiagramm, dessen Meßspannung aU mit einer koaxialen Sonde 9, 10, 11 von 0,5 mm Durchmesser in einer Zweiphasenströmung aus Luft und Wasser bei einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 10 m/S und einer Trägerfrequenz von 14 z aufgenommen wurde. Bei der vorliegenden Einstellung schwankt die Meßspannung #U zwischen einem kleinen, den Luftblasen zuzuordnenden Wert (Luftniveau) 16 und einem größeren. dem Wasser zuzuordnenden Wert (Wasserniveau) 17. Das Auflösungsvermögen ist infolge der hohen Trägerfrequenz so gut, daß auch noch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten einzelne Luftblasen durch entsprechende Spitzen 18 registriert werden. Bei größeren Blasen ergibt sich ein Meßwert auf dem Luftniveau 16. Auf diese Weise ist es möglich, die verschiedenen Strömungstypen einer Zweiphasenströmung, wie z.B.
Blasenströmung, Ringströmung, Slakströmung und Hebelströmung zu identifizieren-und mit Hilfe von zwei oder mehreren Meßgrößenaufnehmern das Blasengrößenspektrum, die Blasenfrequenz und die mittlere Dichte zu ermitteln.
Leerseite

Claims

Patentansprüche : Verfahren zum Identifizieren einer Zweiphasenströmung aus einer flüssigen und einer dampfförmigen Phase, bei dem eine Spannung vorbestimmter Trägerfrequenz an einen in der Zweiphasenströmung angeordneten Meßgrößenaufnehmer gelegt und von der Meßgröße moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vorwiegend von der Dielektrizitätskonstanten g und nur zu einem kleinen Anteil von der elektrischen Leitfähigkeit X der Zweiphasenströmung eine vorbestimmte Energiemenge über den Meßgrößenaufnehmer in die Zweiphasenströmung eingeleitet und/oder an diesem reflektiert wird, daß eine das Verhältnis Vorwärtswelle zu reflektierter Welle darstellende Spannung erzeugt wird, und daß Träger frequenzen im Bereich von Megahertz bis Gigahertz verwendet werden und Meßfrequenzen im Kilohertzbereich möglich sind
2. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzgenerator (1) über je ein Resonanzfilter (2) und je ein Koaxialkabel (3) auf einen oder mehrere in der zu messenden Zweiphasenströmung (6) angeordneten Meßgrößenaufnehmer (4) geschaltet ist, und daß ein Stehwellenreflektometer (13) an jedes Koaxialkabel (3) angekoppelt ist, dem ein Doppelweggleichrichter und ein Tiefpaß zum Eliminieren der Trägerfrequenz nachgeschaltet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgrößenaufnehmer (4) als Mantelmeßleitung aus einem Zentralleiter (9), einem den Zentralleiter (9) umgebenden metallischen Mantel (10) und einer zwischen Zentralleiter (9) und Mantel (10) angeordneten Isolierschicht (11) aus Metalloxid besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgrößenaufnehmer (4) aus zwei Kondensatorplatten (12) besteht, zwischen denen die Zweiphasenströmung (6) als Dielektrikum strömt