DE2605756A1 - Druckmesseinrichtung - Google Patents

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DR. KARL· TH. HBGBL · DIPL.-ING. KLAUS DICKBL

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DRUCKMEßEINRICHTUNG

Wenn in der Technik ein unter Druck stehendes geschlossenes System verwendet wird, ist es oft erwünscht, mitunter erforderlich, Informationen über den innerhalb des Systems herr sehenden Druck zu erhalten. Dies ist besonders bei Brennstab-Kernreaktoren der Fall, bei denen solche Druckmessungen er wünscht sind, um eine mögliche Undichtigkeit in dem Brennstab aufzufinden oder den Zustand des Brennstoffs innerhalb des Stabes zu ermitteln. Bei Kernreaktoren sollen diese Messungen erfolgen, während die Stäbe sich.iiL den Teilen der Apparatur

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befinden, die innerhalb des Reaktors verwendet werden^ dabei muß es möglich sein, all diese Stäbe zu messen. Um auf dem Gebiet der Kernenergie brauchbar zu sein, muß die Meßtechnik zur Druckermittlung gegen Strahlung unempfindlich und in der Lage sein, den hohen .Arbeitstemperaturen des Reaktors zu widerstehen. Ein solches Meßverfahren muß sich selbst kalibrieren oder mindestens selbst kontrollieren und ausserdem ausfallsicher und unempfindlich gegen Änderungen auf der Aussenfläche der Stäbe sein. Es kann zu ernsten wirtschaftlichen Unannehmlichkeiten führen, wenn die Druckmessung nicht genau ist, da eine zu geringe Druckanzeige dazu führen kann, daß ein tatsächlich noch gutes Brennstoffbündel entfernt wird, während eine hohe Druckanzeige in einem Augenblick, in dem der Stab tatsächlich nicht mehr brauchbar ist, zu einer Freisetzung von Strahlung in die Umgebung führen kann. Andere Gebiete, auf denen solche Druckmeßsysteme erwünscht sein können, sind solche, bei denen es sich um Gefäße für stark aggresive Chemikalien und Hochdrucksysteme hoher Unversehrtheit handelt.

Offensichtlich besteht eine sehr erhebliche Notwendigkeit für ein Druckermittlungssystern, das ohne das Erfordernis einer mechanischen oder physikalischen Durchdringung des unter Druck stehenden Systems zu funktionieren vermag, wobei es dennoch möglich ist, die gewünschten Meßwerte über den im Inneren der Anlage herrschenden Druck zu erhalten.

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Bei den Druckmeßverfahren nach dem Stande der Technik wie dem Differenzabgleichsystem ist ein kleines Eohr in das unter Druck stehende System eingesetzt, das seinerseits unter Druck gesetzt und mit einem Differenzanzeiger verbunden ist. Die Verfahren, die eine Kapazitätsmembran oder eine Druckdose verwenden, haben sich als verhältnismäßig unbefriedigend erwiesen, da sie hohe interne Installationskosten erfordern und infolge der verhältnismäßig dünnen Membran zu Undichtigkeiten neigen.

Grundsätzlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Druckmeßeinrichtung, die einen Umformer oder einen Meßfühler und eine elektronische Ausrüstung aufweist, insbesondere zum Messen des Gasdruckes innerhalb einer unter Druck stehenden Anlage und besonders zur Messung des Spaltgasdruckes innerhalb einzelner Kernbrennstäbe, während die Brennstäbe in Form eines Bündels innerhalb des Kernreaktors angeordnet sind. Die vorliegende Einrichtung verwendet in erster Linie den bekannten 'Viiiari¹ -Effekt, um Druckmessungen ohne mechanische oder physikalische Beschädigung des metallischen Überzuges oder der Verschlußkappe des Brennstabes durchzuführen. Das Verfahren spricht auf Druckänderungen an, die so gering sind, daß sie etwa 0,07 at- entsprechen; dabei beträgt der Meßbereich etwa 0 bis 35 at., obwohl der Meßbereich offensichtlich mit verhältnismäßig geringen Abänderungen noch ausgedehnt

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werden kann, die innerhalb des Könnens der Fachleute liegen, nachdem sie Kenntnis von der vorliegenden Erfindung erlangt haben. Die vorstehende Einrichtung erfordert sehr geringe und nicht kostspielige Abänderungen, um si© bei den herrschenden Brennstoff-Herstellungsverfahren anzuwenden,und kann in einem Kernbrennstoffreaktor mit verhältnismäßig geringen Aufwendungen betätigt werden. Obwohl bei der bevorzugten Ausführung sform das Verfahren speziell zum Messen des Spaltgasdruckes in einem Kernbrennstoff beschrieben ist, läßt sich" das Verfahren allgemein auf praktisch jedes geschlossene,unter Druck stehende System anwenden, bei dem das Erfordernis einer Druckmessung besteht.

Die Druckmessung kann an einer Mehrzahl von Stellen durchgeführt werden, indem man aufeinanderfolgende Messungen an jedem Brennstab durchführt. Die Messungen erfolgen, indem man ausserhalb der Stäbe eine elektromagnetische Meßspule neben oder in der Nähe des Meßfühlers anordnet, der innerhalb des Brennstabes,vorzugsweise an einem leicht zugänglichen Ende desselben, angeordnet ist. Die Meßspule wird unter Strom gesetzt, um ein Wechselstrommagnetfeld zu erzeugen, das die metallische Wand des Druckbehälters durchdringt und die magnetischen Eigenschaften des Meßfühlers ermittelt. Die Verwendung des Villari-Effekts beruht im wesentlichen auf der Abhängigkeit der magnetischen Permeabilität, des Meßfühlers auf hierauf ausgeübte Kräfte, also den Druck innerhalb des

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Systems. Dieser Effekt steht in Verbindung mit der Kristalloder Kornstruktur des besonderen verwendeten Materials, so daß die Größe und die negative oder positive Anzeige der Änderung der Permeabilität eine !Funktion der Kornorientierung darstellt. Der Meßfühler, der aus einem für den Villari-Effekt geeigneten Material wie Nickelferrit oder Nickellegierung besteht, wird innerhalb des Drucksystems angeordnet, so daß der innerhalb des Systems herrschende Druck eine Druckbeanspru-

-en

chung des Meßfühlers bewirkt. Die Änderung in der ursprünglichen oder im Ruhezustand vorhandenen Permeabilität des Meßfühlers infolge der Druckbeanspruchung werden durch die ausserhalb des Drucksystems aber genügend dicht am Meßfühler angeordnete Meßspule ermittelt, um so Änderungen in der Permeabilität des Meßfühlers festzustellen und als Druckunterschiede in einem geeigneten Instrument anzuzeigen.

Für gewöhnlich besteht der Meßfühler gemäß der Erfindung aus einem geschlossenen Hohlzylinder oder einer Kugel, die aus einem Material wie N-50 Ferrit mit etwa 50 % Nickeloxyd besteht. Es handelt sich hierbei um einen Magnetostrictor mit niedrigem Temperaturkoeffizienten, der im Handel von der Firma Ceramic Magnetics in Fairfield, New Jersey erhältlich ist. Der Villari-Effekt, der im Grunde einen magnetostriktiven Effekt darstellt, weist bei Verwendung von N-50 Ferrit einen sehr hohen Empfindlichkeitsgrad gegenüber einem hierauf ausgeübten Druck auf, vorausgesetzt daß eine entsprechende

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Druckbelastung erzielt wird. Eine angemessene Beanspruchung erfordert, daß das innere Volumen des Meßfühlers gegenüber dem Druck abgeschlossen ist und daß die Wand des Meßfühlers dünn genug ist, um eine angemessene Druckkraft auf der Aussenf lache zu erzeugen. Eine Beanspruchung der Oberfläche ist erforderlich, da die elektromagnetische Energie der Abfragespule nur in sehr geringe !Tiefe unter die Oberfläche des Meßfühlers eindringt. Die gewöhnlichen Abmessungen des Meßfühlers belaufen sich auf etwa 3 mm für den Aussendurchmesser, etwa 2 mm für den Innendurchmesser und etwa 25 mm für die Länge.

Der elektronische Teil des Druckmeßsystems soll im einzelnen später beschrieben werden. Er besteht in der Hauptsache aus einem Doppelspulenwirbelstrominstrument mit einem Phasenempfindlichen Auflösungsvermögen, das besonders für eine genaue Messung der Permeabilität bestimmt ist. Die Spulen bestehen aus einer Vergleichsspule und einer Anzeigespule; die letztere ist während des Betriebes des Systems dicht an dem Meßfühler angeordnet. Die durch Jede der Spulen erzeugten resultierenden Spannungen sind ein Produkt der Stromstärke und der Impedanz jeder Spule und sind daher der Impedanz unmittelbar proportional. Die Spulenspannungen werden dann in einen Differentialverstärker angelegt, dessen Ausgangsspannung mit einer zweiten Spannung addiert wird, die eine einstellbare Amplitude und Phase besitzt. Die Einstellbarkeit dieser zweiten

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Spannung erlaubt einen Null-Ausgleich. Dieser Ausgleich wird dadurch erzielt, daß die Summe der Spulenspannungen zu der zweiten Spannung addiert wird, die ebenso groß, aber in der Phase gegenüber der Summe der Spulenspannungen um 180 verschoben ist. Auf diese Weise ist eine Verstärkung der Signale ohne Übersteuerung, d.h. ohne Sättigung der Verstärker möglich. Der Ausgang des Additionsverstärkers und der Bezugsspannung werden an einen üblichen Analogmultiplikator angelegt, der als phasenempfindlicher Gleichrichter für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wirkt. Der Gleichstromausgang des Multiplikators ist der Amplitude der zwei Eingänge und dem Kosinus des zwischen ihnen vorhandenen Winkels proportional. Die einstellbare Phase des Bezugssignals stellt die Anzeigeachse dar, d.h. die Kennzeichnung des positiven Drucks. Der Ausgang des Multiplikators, der unmittelbar in Angaben für den Druck geeicht sein kann, wird dann mit einer passenden Meßeinrichtung oder einem Anzeiger oder einem Ableseinstrument verbunden.

Das im Vorgehenden beschriebene Druckmeßgerät arbeitet im Grunde in der Weise, daß es die Vektorimpedanz der Meß- oder Abfragespule misst, wenn diese über oder in der Nähe des Meßfühlers angeordnet ist. Die Anordnung verwendet eine Impedanzmessung, die derjenigen ähnlich ist, wie sie in den üblichen Instrumenten angewendet wird, und die Spulen werden mit passender frequenz, beispielsweise 1 bis 2 KHz betrieben,

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um eine Durchdringung der Metallwände des unter Druck stehenden Systems sicherzustellen. Eine Temperaturkompensation wird durch Anwendung eines zweiten Meßfühlers geschaffen, der in Verbindung mit der Bezugspule arbeitet. Der zweite Meßfühler wird auf den Aussendruck eingestellt} er befindet sich jedoch dicht am Anzeigefühler, so daß er die gleiche Temperatur, wie der letztere, aufweist, was zu einer Ausschaltung aller Temperaturänderungen führt.

Offensichtlich besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines Druckmeßsystems, um den Druck innerhalb eines unter Druck stehenden Systems festzustellen, ohne in das Innere dieses Systems einzudringen. Dabei soll die Meßeinrichtung verhältnismäßig geringe Druckänderungen ermitteln und einen möglichst weiten Meßbereich besitzen.

Unter Berücksichtigung dieser Aufgaben, die beim Verständnis der Beschreibung klar werden, betrifft die Erfindung eine Kombination von Anordnungen und Vorrichtungen, wie sie in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt sind, die im folgenden soweit im einzelnen beschrieben werden soll, daß sie jeden Fachmann ermöglicht, die Funktion, Arbeitsweise, Konstruktion und Vorteile der Erfindung zu verstehen, wenn die Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.

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]Pig. 1 ist eine auseinander gezogene Perspektive .Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Druckumformers gemäß vorliegender Erfindung.

IPig. 2 ist ein Quer schnitt durch den Druckumformer nach I¹Xg. 1 in zusammengesetztem Zustand.

lig. 3 ist eine Ansicht eines Druckumformers nach ELg. 1 und 2 gemäß vorliegender Erfindung, der mit einem Kernbrennstab vereinigt ist.

ELg. 4 ist ein schematisches Diagramm der Elektronik der Druckmeßeinrichtung gemäß vorliegender Erfindung.

ELg. 5 zeigt das Verhalten eines typischen, gemäß der Erfindung konstruierten Meßsystems.

ELg. 1 zeigt einen Druckumformer, der als Ganzes mit der Ziffer 10 bezeichnet ist, in Form einer Steckdose oder einer Kappe 12 für ein Brennstabelement 28 eines Kernreaktors. (Vergl. ELg. 3)· Die Steckdose 12 besteht aus einem hohlen, verlängerten, zylindrischen Einsiieckschaft 13» der an einem Ende dauerhaft verschlossen ist und am gegenüberliegenden Ende einen hiermit verbundenen, vergrößerten zylindrischen Teil 15 mit einer Mittelbohrung 17 aufweist, die sich von dem Verschlußende durch den Schaft 13 und den vergrößerten

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zylindrischen Teil 15 erstreckt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist ο Die Steckdose 12 nimmt einen verlängerten Magneto striktiven Meßfühler 14 mit Hilfe der Bohrung 17 auf. 0"b wohl ein einzelnes, einheitliches, verlängertes rohrförmiges Glied dargestellt ist, kann der Meßfühler auch aus einer Mehrzahl verhältnismäßig kürzerer einzelner rohrförmiger Glieder zusammengesetzt sein. Der Meßfühler wird an den gegenüberliegenden Enden durch Verschlußkappen 16 und 18 verschlossen; er ist dazu bestimmt, von dem hohlen Teil 17 der Steckdose 12 aufgenommen zu werden. Ein typisches Material für den Meßfühler 14 ist N-50 Ferrit j es ist ein Magnetostriktor mit niedrigem Temperaturkoeffizient, der die gewünschten Eigenschaften aufweist, um auf die ausgeübten Druckkräfte anzusprechen. Es ist erwünscht,für den Meßfühler irgendein Material zu verwenden, das durch eine Abhängigkeit der magnetischen Permeabilität von den angewandten Druckkräften gekennzeichnet und gegenüber schädlichen Einflüssen durch Bestrahlung widerstandsfähig ist. Geeignete Materialien sind gewisse Nickelferrite und ausgewählte Nickellegierungen. Das bevorzugte Material, nämlich ein magnetostriktiver Ferrit, hat sich als zufriedenstellend für die Zwecke der Erfindung erwiesen. Vorzugsweise soll der Meßfühler etwa 38 mm lang sein, um irgendwelche Kantenwirkungen zu vermeiden, d.h. die Meßspule soll so dicht wie möglich am Mittelpunkt des Meßfühlers liegen. Es hat sich erwiesen, daß ein hohler Meßfühler mit offenem Ende oder ein massiver Meßfühler nicht

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so günstig sind wie ein verschlossener rohrförmiger Meßfühler gemäß der Erfindung im Hinblick auf seine Empfindlichkeit. Wie oben bereits erwähnt, erfordert eine entsprechende Empfindlichkeit mehr eine Druckbeanspruchung als eine Scherbeanspruchung in dem Bereich, in dem der Meßfühler von der Meßspule abgefragt wird. Es hat sich erwiesen, daß diese Beanspruchung am besten mit der Ausführungsform einer verschlossenen Röhre erzielt werden kann.

Ein geeigneter Weg, um die Ferrit-Verschlußkappen 16 und 18 mit dem Meßfühler 14 zu verbinden, besteht in der Anwendung von geschmolzenem Glas vor der abschließenden Sinterung. Eine beträchtliche Glasmenge wird für gewöhnlich als Bindemittel bei der Herstellung des Ferrit-Meßfühlers verwendet, so daß kein neues Material zugeführt wird, wenn die Verschlußkappen an Ort und Stellfce angebracht werden. Obwohl vorgeschlagen ist, geschmolzenes Glas zum Verschließen der Verschlußenden des Meßfühlers zu verwenden, kann irgendein geeignetes Verschlußverfahren ausreichen. Bei Meßfühlern äJür Spaltgase, wie sie bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, ist das angewandte Verschlußverfahren von besonderer Bedeutung, da das Verschlußmittel, beispielsweise Glas, der Ee akt or strahlung widerstehen muß. Ein Nachteil beim Ver schließen des Meßfühlers ist jedoch, daß die Abkühlung von der Sintertemperatur innerhalb des Meßfühlers ein Vakuum erzeugt, was die Anwesenheit eines kleinen Loches in einem

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Ende der Verschlußkappen 16 oder 18 zum Zweck des Druckausgleichs erforderlich macht. Indessen kann dieses Ausgleichsloch, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, anschlie ßend nach verschiedenen Verfahren -werschlossen werden, die keine Wiedererhitzung des inneren Gasvolumens verursachen} eine derartige Arbeitsweise liegt innerhalb des Könnens der Fachleute.

]?ig. 3 zeigt die zusammengebaute Steckdose mit dem darin angeordneten Heßfühler, der betriebsfähig mit dem Kernbrennstab 28 verbunden ist} dieser besitzt ein Metallgehäuse 30 und darin angeordnete Brennelemente 32. Die Steckdose 12 kann, wie es bei 3²J- veranschaulicht ist, mit dem Brennstabgehäuse 30 verschweißt sein. Es darf jedoch darauf aufmerksam gemacht werden, daß, obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem Gasdrucksystem wie einem Kernbrennstab dargestellt ist, die Erfindung auch in anderen Fällen zum Messen von geringen Differenzdrucken innerhalb eines dickwandigen Hochdruckgefäßes verwendet werden kann. Um eine Wiederholbarkeit der Messungen sicherzustellen, ist es auch erwünscht, daß die Meßfühler in jeder Verschlußkappe des Brennstabes an identischer Stelle angeordnet sind. Ein anderes Erfordernis für die Wiederholbarkeit ist eine präzise örtliche Anordnung der Meßspule in der Längsachse des Meßfühlers. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß an der Schulter 19 der Brennstoff-Verschlußkappe

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ein Kennzeichen vorgesehen wird, gegen welches die Basis der Spule sich abstützt, "bevor irgendeine Messung vorgenommen wird· Zusammen mit dem Meßfühler 14, der zunächst in dem hohlen Einsteckschaft 16 angeordnet wird, wird auch eine Spiralfeder 20 in die Bohrung 17 eingesetzt, worauf eine Verschlußkappe 22 aus Zircaloy, die eine zentrale Drucköffnung 24· aufweist, am Boden der Steckdose 12 angeschweißt wird. Der äussere, abgeschrägte Rand 21 des zylindrischen Teils 15 entspricht den abgeschrägten Kanten 23 des Verschlußdeckels 22, um so eine Rille zum Verschweißen des Verschlußdeckels 22 mit der Steckdose 15 zu schaffen.

Mach einer bevorzugten Bauweise besitzt der Meßfühler ein abgeschlossenes inneres Luftvolumen oder ein anderes Gasvolumen von Atmosphärendruck. Obwohl der innere Druck in Abhängigkeit von der Temperatur schwankt, spielt dies keine Rolle, da, wie im einzelnen später noch erörtert werden wird, ein Temperaturausgleich mit Hilfe eines zweiten Bezugsmeßfühlers vorgesehen ist. Die gewünschte Wirkung, die in der Zunahme oder Abnahme der Druck- oder Zugkräfte an der Oberfläche des Meßfühlers bei einem darauf ausgeübten Druck besteht, wird im wesentlichen ohne Rücksicht auf den Innendruck des MeßMhlers erzielt.

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5¹Ig.4 zeigt ein Blockdiagramm des Druckmeßinstrumentes mit der dazu gehörigen Elektronik. Schematiseh ist hier das Meßfühlerelement 14, das nach dem Villari-Effekt arbeitet, dargestellt, das bei der tatsächlichen bevorzugten Ausführungsform in der Verschlußkappe des Kernbrennstabs angeordnet ist, wie oben beschrieben. Im einzelnen besteht das System aus einem Zweispulen-Wirbelstromelement, welches mehrere Kanäle 3^, 56 besitzt, von denen einer ein phasenempfindliches Auflösungsvermögen besitzt. Eine Bezugsspule 38 wird im Zusammenhang mit einem Bezugsumformer verwendet, der bei 40 dargestellt ist; dieser wird unter den in der Umgebung herrschenden Druck— und Temperaturbedingungen gehalten. Die Bezugsspule 38 schafft im Zusammenwirken mit der Meßfühl er spule 4-0 einen geeigneten Temperaturausgleich für das im folgenden im einzelnen erläuterte System. Die Verwendung einer phasenemp- -findlichen Auflösung ermöglicht die Überwachung der mit der Permeabilitätsachse, d.h. der Druckangabe gleichgerichteten Energie, während jedes Signal, das der Änderung der Leitfähigkeit oder des Spulenwiderstandes entspricht, ausgeschaltet werden kann, da es nicht gebraucht wird. Spulen, die für die Verwendung gemäß vorliegender Erfindung sich als geeignet erwiesen haben, besitzen beispielsweise 312 Windungen eines Kupferdrahtes Hr.31» der in einer Spulenform von 7₅6 mm Aussendurchmesser aufgewunden ist, wobei die Spule eine Länge von 9,5 mm und einen Innendurchmesser von etwa 6JS? mm aufweist.

Was die Erfordernisse der Meß- oder Prüf spule 40 anlangt,

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so ist diese in axialer und Längsrichtung wesentlich kleiner, als es der Länge des Meßfühlers 14 entspricht, um eine Empfindlichkeit bei der Anordnung der Spule längs des Rohrstücks zu vermeiden. Wenn die axiale Länge der Spule größer ist, werden die Endeffekte vorherrschend.

Die Meßspule ist gegenüber der in ihrer Uähe befindlichen Materialart empfindlich. Wenn die Spule bei der bevorzugten Ausführungsform über einem Schenkel der Verschlußkappe aus Zircaloy angeordnet ist, entsteht eine geringe Erhöhung des Spulenwiderstandes bei konstantem Ge samtwiderst and, während Ferrit allein eine erhebliche Erhöhung des Gesamtwiderstandes bei konstantem Spulenwiderstand verursacht. Wenn die Spule jedoch über einem zusammengesetzten Meßfühler wie in der hier beschriebenen Ausführungsform, also einem Ferrit-Meßfühler unter einer Zirealoyverkleidung, angeordnet ist, tritt eine VergrößerungTsowohl des Spulenwiderstandes wie des Gesamtwiderstandes ein. In diesem Fall verursacht eine .Änderung der Ferritpermeabilität des Meßfühler 14 eine Meßspulenimpedanz, die etwa in einem Winkel von 30° im Verhältnis zum Widerstand der X-Achse liegt, im Vergleich zu einer normalerweise erwarteten Richtungsänderung um 90° bei einer Änderung lediglich im Spulenwiderstand.Das "Instrument kann durch Drehregelung mit Hilfe der Ehasenverschiebungsbrücke 48 eingestellt werden, um leitungsgerichtete Impedanzänderungen, also beispielsweise

die Änderung um 30°, oder Änderungen längs der X- oder X-

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Koordinatenach.se, festzustellen. In der Praxis ist es jedoch vorzuziehen, lediglich die !Reaktanz- oder 90 -Komponente des Spulenvektors abzulesen, so daß die Messung gegenüber Änderungen in der Leitfähigkeit und damit im Spulenwiderstand nicht empfindlich ist. Dieses Verfahren schafft eine mehr als angemessene Empfindlichkeit, wie aus dem kennzeichnenden Kurvenverlauf eines Baumusters gemäß Fig. 5j ersichtlich ist. Jede der beiden Spulen 38 und 40 werden beispielsweise mit einer Frequenz von 2 Khz durch passende Stromquellen I,, und Ip mit konstantem Strom gespeist. Die entstehenden Spulenspannungen stellen das Produkt aus Strom und Impedanz dar und sind somit der Impedanz unmittelbar proportional. Die Ausgänge der Spulenspannungen werden einem üblichen Differentialverstärker

42 zugeführt, wo sie addiert werden. Die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 42 wird dann einem weiteren "Verstärker

43 zugeleitet, dem eine weitere Spannung zugeführt wird, dessen Amplitude und Phase einstellbar sind und dessen Entstehung im folgenden erläutert werden soll. Ein Oszillator 44 des LO-Eückkopplungstyps oder eine andere übliche Anlage versorgt die Spulen I_-. und I₂ mit Strom, ebenso wie die Phasenschal tbrücken 46 und 48. Diese Brücken besitzen eine einheitliche Verstärkung und erzeugen Signale mit einstellbarem Phasenwinkel zur Speisung der Abgleichsschaltung 50, 43, und des phasenempfindlichen Discriminators 56, 60, 58. Das Ausgangssignal der Brücke 46 kann mit Hilfe der Amplituden«-Ausgleichsregelung 50, die ein ι Potenziometer enthält,

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eingestellt werden. Dies ergibt die Möglichkeit, die zweite Spannung, die dem Verstärker 43 zugeführt wird, gleich in der Amplitude, aber entgegengesetzt in der Phase um 180° zu der entstehenden Spulenspannung, die vom Ausgang des Verstärkers 42 herrührt, zu machen. Hierdurch entsteh-tPfrullzeichen am Ausgang des Verstärkers 43. Der Nullabgleich des Spulensignals gestattet eine erhebliche Verstärkung, um auf diese Weise ohne Übersteuerung der Verstärker durch Anlegen übermäßig starker Amplitudensignale eine Druckempfindlichkeit zu erzielen. Die Widerstände 52 und 54 begründen die Spannungsverstärkung des Verstärkers 43. Die Brücke 48, die auch vom Oszillator 44 gespeist wird, erzeugt ein Ausgangsbezugssignal, dessen Phase mit Hilfe einer passenden Regelung am Instrument einstellbar ist. Durch Einstellung dieser Phase wird die Anzeige- oder Ableseachse bestimmt, wie aus der folgenden Erörterung ersichtlich. Der Ausgang des Summationsverstärkers 43 wird in einen analogen Multiplikator 56 und in die Filter 60, 58 mit geringem Durchgang eingespeist, eine Kombination, die als phasenempfindlicher Transformator für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wirkt. Der Gleichstromausgang durch den Kondensator 58 ist den Amplituden der aus dem Kanal 36 empfangenen Eingangssignale, nämlich den verstärkten und abgeglichenen Spulensignalen sowie dem Bezugssignal von der üblichen Phasenverschiebungsbrücke 48 und ebenso dem Kosinus des Winkels zwischen beiden,proportional.

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Bei der Einstellung der Phase der Bezugssignalregelung, also der Brücke 48, zur Festlegung einer passenden Anzeige-Achse ist es vorzuziehen, diese so einzustellen, daß die Ablesung vom Transformator 56, 60, 58 längs des Widerstandes auf der 90° Achse liegt; auf diese Weise entspricht der Ausgang lediglich den Änderungen im Meßspulenwiderstand. Um dies zu erreichen, soll der Winkel des Bezugssignals so eingestellt werden, daß die Änderungen des Spulenwiderstandes keine Wirkung auf den Ausgang des Transformators haben. Der Ausgang des Transformators 56> 60, 58 kann geeicht werden, um durch Antrieb einer passenden Meßvorrichtung _} eines Anzeigers oder einer anderen ähnlichen Ablesevorrichtung eine Ablesung unmifetelbar in Druckwerten zu gestatten.

Fig. 5 zeigt die Empfindlichkeitskurve eines kennzeichnenden Baumusters gemäß der Erfindung. Die Daten wurden bei einem Versuch gewonnen, bei dem Stickstoffgas zur Druckerzeugung an einer Verschlußkappe unter Verwendung eines Meßfühlers gemäß vorliegender Erfindung benutzt wurde. Obwohl sich eine nichtlineare Kurve ergibt, bietet dies keine entscheidenden Probleme bei der Überwachung des Druckes eines Kernbrennstoffstabes, da die Übertragungsfunktion zuvor bestimmt werden kann. Durch Optimierung der Bauweise des Meßfühlers 14-, d.h. durch geeignete Auswahl des Materials, und der Größe, kann die Kurve linear gestaltet werden. Die Frequenz, mit der die Messungen durchgeführt wurden, betrug 2 Khz.

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Zur Messung des Spaltgasdrucks des Brennstabes wird die Meßspule zunächst mit einem geeichten Meßwertwandler geeicht. Dies geschieht, indem das Instrument unter Strom gesetzt wird, und sowohl die Meß- wie die Bezugsspule über ümwandlern angeordnet werden, die unter dem Druck der Umgebung stehen. Die Meßvorrichtung wird dann für eine Null-Ablesung eingestellt, und der Winkel des Diskriminators wird in geeigneter Weise so eingeregelt, daß keine Änderung in der Ablesung eintritt, wenn ein kleiner Widerstand von 2 bis 10 ohm augenblicklich mit Hilfe eines keinen Kurzschluß erzeugenden Schalters in Reihe mit der Meßspule geschaltet wird. Der Bezugsumwandler wird den Druckbedingungen der Umgebung ausgesetzt, und die Untersuchungs- oder Meßspule wird nunmehr entfernt, und über die Verschlußkappe des Brennstabes gesetzt, um den Spaltgasdruck zu messen. Der Bezugsumwandler und die hiermit verbundene Spule werden dann in die Nähe der Meßspule gebracht, um die erwünschte Temperaturkompensation zu schaffen, die dadurch erzielt wird, daß beide Umwandler sich auf etwa der gleichen Temperatur befinden. Die Brennstoffbündel werden dann aus dem Reaktor herausgenommen und in ein Aufbewahrungsbassin überführt. Hier werden die im Raum herrschenden Drucke, wie oben angegeben, gemessen.

Obwohl eine besondere Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, und verschiedene Abänderungen vorgeschlagen sind, sei darauf hingewiesen, daß der wahre Sinn und

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Umfang der Erfindung in den folgenden Ansprüchen niedergelegt ist, die auch andere Ausführungsformen und Abänderungen umfassen, die für Fachleute auf dem vorliegenden technischen Gebiete sich ergeben.

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Claims (12)

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   PATEETTANSPRÜGHE

   / 1. ] Druckmeßeinrichtung mit einem Meßfühler, der

   innerhalb des Systems angeordnet ist und aus einem Material "besteht, welches eine magne tische Permeabilität besitzt, die von dem
   hierauf ausgeübten Druck abhängig ist und
   auf den Innendruck des Systems anspricht,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrich tungen in nächster Nähe zu dem in dem unter
   Druck stehenden System angeordneten Meßfühler angebracht sind, um bei Erregung ein magnetisches Feld zu bilden, das die Behälterwandung des Drucksystems durchdringt und den
   Meßfühler abfragt, wobei die Meßeinrichtungen ein elektrisches Ausgangssignal liefern, das dem auf den Meßfühler ausgeübten Druck pro portional ist, und daß elektronische Schalteinrichtungen mit den Meßeinrichtungen ver bunden sind, um ein Ausgangssignal derselben zu liefern, welches eine Ablesung des Drucks innerhalb des Systems gestattet.

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2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (14-) ein geschlossenes Teil darstellt, das einen hohen Empfindlich keitsgrad gegenüber einem darauf ausgeübten Druck besitzt.
3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Teil einen langen Hohlzylinder (14-) darstellt, der aus einem magnetostriktiven Material mit niederem Temperaturkoeffizienten besteht.
4. 4-. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (14·) Wände besitzt, die genügend dünn sind, um im wesentlichen an seiner Oberfläche eine Druckempfindlichkeit entsprechend dem Gasdruck aufzuweisen.
5. 5. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bezugsmeßeinrichtungen, die im wesentlichen dicht an den Meßeinrichtungen während der Erregung der Meßeinrichtungen angeordnet sind, um eine Temperaturkompensation des Systems zu erreichen.

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6. 6. System nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen phasenempfindliche Diskriminatoren (56, 60, 58) zur Schaffung einer Ausgangsspannung der Meßeinrichtungen besitzen und einen Ausgang erzeugen, der unmitterbar dem im System herrschenden Druck proportional ist.
7. 7· System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Sehalteinrichtungen eine Mehrzahl von Kanälen (34·» 36) zur Erzeugung von Ausgangsspannungen aus den Bezugsmeßeinrichtungen und den Meßeinrichtungen aufweisen, sowie Phasendiskriminatoren (56, 60, 58) zur Erzeugung eines Ausgangs, der dem Druck im System proportional ist.
8. 8. Kernbrennstab enthaltend Kernbrennstoff, der Verschlußkappen an seinen gegenüberliegenden Enden aufweist und in einem Kernbrennstoffreaktor verwendbar ist, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Ermittlung des Spaltgasdrucks im Brennstab,, die aus einem verlängerten Meßfühler (14) bestehen, der innerhalb eines

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   Endes der Verschlußkappe (18) angeordnet ist, wobei der Meßfühler (14) aus einem Material
   "besteht, das eine magnetische Permeabilität
   besitzt, die von dem hierauf ausgeübten Druck innerhalb des Brennstabes abhängig ist, wäh rend dicht in der Nähe des Meßfühlers ausserhalb des Endes der Verschlußkappe (14) des
   Brennstabes Spulen angeordnet sind, um die
   Änderungen in der magnetischen Permeabilität
   des Meßfühlers bei Erregung der Spulen zu
   messen, und weiterhin Einrichtungen, um das
   Ausgangs signal der Spulen zur Schaffung eines Ausgangssignals zu verwenden, das dem Druck
   des Brennstabes proportional ist.
9. 9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler so konstruiert ist, daß er
   auf seiner Aussenfläche entsprechende Druckkräfte aufnimmt, um eine meßbare Änderung der Permeabilität an seiner Oberfläche bei darauf ausgeübtem Druck hervorzurufen.
10. 10. Meßfühler nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler an seinen gegenüberlie genden Enden verschlossen ist und ein hohles,

    ...25

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    26Π5756 H 2555 -25-

    dünnwandiges Teil (14-) darstellt, um so ein inneres abgeschlossenes Gasvolumen von At mosphärendruck zu schaffen.
11. 11. System nach Anspruch 10, weiter dadurch ge kennzeichnet, daß es Bezugsmeßfühler aufweist, die in der Nähe des ersten Meßfühlers angeordnet sind, wodurch alle Temperaturschwankungen des Innendrucks innerhalb des unter Druck stehenden Systems kompensiert und Änderungen in der Meßfühleroberflächenbeanspruchung bei darauf ausgeübtem Druck erzielt werden, ohne Eücksicht auf den Innendruck des Systems.
12. 12. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verschlußkappen am Meßfühler vorhanden sind, sowie Mittel zum Verschließen der Enden des Meßfühlers, wobei die Verschlußkappen aus dem gleichen Material wie der Meßfühler bestehen.

    13· Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen eine kleinere Länge als der Meßfühler aufweisen.

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    26057-SB

    H 2555 -26-

    Verfahren zum Verschließen der Verschlußkappen eines Meßfühlers, der zur Feststellung von Druckänderungen in einem unter Druck stehenden System geeignet ist und eine magneti sehe Permeabilität aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß Verschlußkappen aus dem gleichen Material wie der Meßfühler an den Enden des Meßfühlers unter Verwendung von geschmolzenem Glas als Bindemittel angebracht werden.

    15· Verfahren zur Feststellung des Spaltgasdrucks in einem geschlossenen Kernbrennstab, der an seinen gegenüberliegenden Enden Verschlußkappen aufweist, wobei ein gegen Druck empfindlicher Meßfühler, der eine magnetische Permeabilität besitzt, in einer der Verschlußkappen vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß man:

    a) Spulen in unmittelbarer Nähe des Meßfühlers ausserhalb einer Verschlußkappe anordnet; daß man

    b) die Spulen erregt, so daß ein magnetisches Feld entsteht, das den Meßfühler durchdringt; daß man ...

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    H 2555 . -27-

    c) eine Änderung der magnetischen Permeabilität des Meßfühlers mit Hilfe der Spulen ermittelt und daß man

    d) ein Ausgangssignal von der Spule erzeugt, das den festgestellten Änderungen der magnetischen Permeabilität des Meßfühlers proportional ist, um so einen Ausgangswert zu schaffen, der efem Druck des Brennstabes proportional ist.

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