DE2632042C3 - Induktive Strömungssonde zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasvolumenanteils eines Flüssigmetallstromes - Google Patents

Induktive Strömungssonde zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und des Gasvolumenanteils eines Flüssigmetallstromes

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DE2632042C3 DE2632042A DE2632042A DE2632042C3 DE 2632042 C3 DE2632042 C3 DE 2632042C3 DE 2632042 A DE2632042 A DE 2632042A DE 2632042 A DE2632042 A DE 2632042A DE 2632042 C3 DE2632042 C3 DE 2632042C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Einrichtungen gewinnen an Bedeutung
J5 durch den Einsatz von Flüssigmetall, wie z. B. Natrium, als Kühlmittel von Kernreaktoren, wobei an vielen Komponenten des Kreislaufes die Geschwindigkeiten bzw. die Durchsätze gemessen werden müssen. Insbesondere ist im Bereich der Brennelemente zur Vermeidung lokaler Überhitzungen z. B.durchTeilblokkaden eine ständige Kontrolle des Kiüssigmctallstromes erforderlich.
Weiterhin ist es von Bedeutung, daß das Schadhartwerden eines Brennstabes, das sich durch das Einblasen von Spaltgas in das Kühlmittel bemerkbar macht, rechtzeitigdctcklicrt werden kann.
Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (US-PS 39 67 500) wird ein stabförmiger Dauermagnet für beide Elcktrodcnpaarc gemeinsam verwendet, dessen Stabachse in Strömungsrichtung Unc] jeSsen Magnetachse senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Ein Nachteil dieser Sonde besteht insbesondere darin, daß das die Lage des Arbeilspunktcs auf der Entmagnctisicriingskennlinie bestimmende Verhältnis der Länge L des Magneten in Richtung der Magnetisierung (Dicke des Ssabes) zur Dicke d des Magneten senkrecht dazu (Länge des Stabes) relativ klein ist, so daß eine sehr ungünstige Magnetgeometrie vorliegt, die eine geringe Langzeitstabilität bei höheren Temperaturen um 6000C und eine kleine Magnetenergie zur Folge hat. Außerdem besteht über den gemeinsamen Dauermagneten eine starke Kopplung tier beiden Meßsysieme. die zu Verfälschungen des Meßergebnisses führt und die Korrclicrbarkeit der Signale vermindert.
br> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, die Strömungsgeschwindigkeit eines Flüssigmclallstromes unabhängig von Temperatureinflüssen, Langzcitdriflcn
und Gamnuistrahleneinflüssen zu messen und in einer Zweiphasenstronuing aus Flüssigmetall und Gas die Vnluitienaiiieile von Gas und Flüssigmetall /u bestimmen
Diese Aufgabe wird erfindungsgernäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches I angegebene Anordnung gelöst.
Zur Durchführung von Zwciphasenstromrnessungen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten ist es bekannt. Chen-Sonden zu verwenden (The Review of Scientific Instruments, Vol. 39 (1968) Seiten 1710 bis 1712, die aus zwei in das zu kontrollierende Medium eingebrachten Mantelthermoelementen bestehen, deren Meßleilcr an der Meßstelle mit dem umschließenden Mantel verlötet sind. Die freien Enden des einen Meßleiters sind mit den Polen einer stabilisierten Gleichspannungsquelle verbunden. Leitfähigkeitsänderungen im Bereich der Chen-Sonden sind als Spannungsänderungen an den freien Enden des anderen Meßleiters meßbar.
Mit derartigen Sonden sind jedoch nur lokale Messungen in einem eng begrenzten Bereich möglich. Zum Ausführen integraler Messungen z. B. eine Ringraumebene ist der Einbau einer Vielzahl am Umfang des Ringraumes verteilter Sonden erforderlich. Das Meßergebnis wird verfälscht, weil kleinere Gasblasen den Sonden ausweichen und nur größere Blasen zu einer Spannungsänderung führen. Nachteilig ist auch, daß die Strömungsgeometrie durch die in die Strömung hineinragenden Sonden gestört wird, und daß eine stabilisierte Fremdspannungsversorgung erforderlieh ist.
Es ist auch bekannt (DE-OS 20 18 618), bei Korrclationsverfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Zweiphasen-Gemischen mit zwei kapazitiven Meßfühlern, die in ihrer Höhe mit zunehmendem Anteil einer Phasenkomponenle sich ändernde Signalspannung mindestens eines Fühlers als Maß für den Anteil dieser Komponente zu verwenden
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in zwei räumlich eng benachharten Strömungsquerschnitten die Strömungsgeschwindigkeit über Laufzeitmessungen der Geschwindigkcitsfluktuation gemessen wird, so daß das Meßergebnis unabhängig ist vom Temperaturgang der Sonde, von der Temperatur des strömenden Flüssigmetalls, von Langzeitdriften, Alterungserscheinungen und Gammastrahleneinflüssen.
Die gleiche Meßanordnung ermöglicht synchron mit Messungen der Strömungsgeschwindigkeit die Ermittlung des Gasvolumenanteiles einer aus Gas und so Flüssigmetall bestehenden Zweiphasenströmung mit einer Grenzfrequenz von einigen kHz.
Die Erfindung wird im folgenden mit einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigt F i g. 1 Achsschnitt einer Meßsonde,
F i g. 2 Radialschnilt einer Meßsonde,
F i g. 3 Blockschaltbild der Meßwertverarbeitung,
F i g. 4 Geschwindigkeitsfltiktuationssignale,
Fig.5 Kreuzkorrelationsfunktion der Geschwindigkeitsfluktuationsoignale,
Fig.6 Meßsignole eines Fliissigmetallslfomes mil einzelnen Gasblasen.
Fig. 7 Vergleich der MeQsignale einer Chen-Sonde und einer Magnetsonde bei 20% Gasvolumenanteil, b5
Fig. 8 Vergleich der Mcßsignalc einer Chen-Sonde und einer Magnetsonde bei 55% Gasvolumenanteil.
Eine Meßsonde nach der Erfindung ist als Achsschnitt in I' i g. I und als Radialschnin in der Ebene ΛΛ in F1 g. 2 dargestellt. Ein Sondenrohr I ist in einem dun Flussigmeiullsirorn 2 führenden Rohr 3 von 12 min Innendurchmesser durch drei um 120 Grad versci/ic Stege 4 konzentrisch angeordnet. Das Sondenrohr 1 besteht aus einem unmagnetischen Edelstahl und ist an seinem unteren Ende durch einen angeschweißten, strömungsgünstig geformten Edelstahleinsatz S ver schlossen. In dem Sondenrohr 1 sind zwei scheibenförmige diametral magnetisierte Dauermagnete 6 angeordnet, deren Mittelebenen einen axialen Abstand /. von 10 mm haben, jede Magnetscheibe ist 3,5 mm dick, hat einen Durchmesser von 6.6 mm und ist an ihrem Rand in einer zur Magnetachse um 90 Grad versetzten Achse mit zwei diametral angeordneten Ausschnitten 7 versehen. Der Spalt zwischen dem Dauermagneten 6 und dem Sondenrohr 1 beträgt maximal 0,01 mm. Im Bereich der Mittelebene der scheibenförmigen Dauermagnete 6 sind in diametralen Bohrungen der Wand des Sondenrohres 1 in dem axialen Abstand L = 10 mm ein erstes Eiektrodenpaar8 und ein zweites Elektrodenpaar
9 so angeordnet, daß die Verbinvfüngslinie des ersten Elektrodenpaares 8 und des zweiten Elt-ktrodenpaares 9 einander parallel und in der gleichen Richtung verlaufen. Das Sondenrohr 1 und die Elektroden 8, 9 bestehen aus einem unmagnetischen Edelstahl gleicher chemischer Zusammensetzung. Als Elektrodenzuleitung
10 wird eine Mantelmeßleitung verwendet, die aus einem zentralen Leiter besteht, der von einem Mantel aus Metall umschlossen und von diesem durch eine Metalloxydschicht getrennt ist. Der zentrale Leiter und der Mantel bestehen aus einem unmagnetischen Edelstahl wie V2A. Der zentrale Leiter ist als Elektrode 9, 10 in der Bohrung der Wand des Sondcnrohres 1 verschweißt.
Die scheibenförmigen Dauermagnete 6 bestehen aus einem bis zu 600°C beständigen Magnetwerkstoff wie z. B. AINiCo 450 und werden gegen axial benachbarte Bauelemente durch zylindrische Zwischenstücke 11,12, 13 aus einem unmagnetischen und mindestens bis 6000C temperaturbeständigen Werkstoff wie z. B. gesintertem Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd auf einem vorbestimmten Abstand gehalten.
Am oberen Ende des Sondenrohres 1 ist ein Führungsrohr 14 angeschlossen, welches die Elektrodenzuleitungen 10 aufnimmt.
Jeder der scheibenförmigen Dauermagnete 6 erzeugt in dem Ringraum 15 zwischen dem Sondenrohr 1 und dem den Flüssigmetallstrom 2 führenden Rohr 3 ein Magnetfeld, dessen Feldstärke H über dem Radius X den in Fig. 1 angegebenen Verlauf hat und den Ringraum 15 vollständig durchdringt.
Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Meßeinrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Flüisigmetallstromes und dessen Gasvolumenanteil zeigt Fig.3. Die Elektroden des Elektrodenpaares 8 sind über Elektrodenzuleitungen 10 auf tinen ersten Verstärker 16 und die Elektroden des Elektrodenpaares 9 auf einen zweiten Verstärker 17 geschaltet. Die im Flüssigmetallstr^m 2 von den scheibenförmigen Dauermagneten 6 infolge der Geschwindigkeitsfluktuutionen induzierten Spannungen werden von den Elektroden 8, 9 abgegriffen. Die verstärkten, die Gc.chwindigkeitsfluktuationssignale darstellenden Spannungen stehen an den Ausgängen 18, 19 der Verstärker 16, 17 zur Verfugung.
Die Ausgänge 18, 19 können auf einen Korrelator 20 zum Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion und/oder auf
einen .Schnellschreiber 21 /um Imiiltcln der l.;uil/eil r beim Aufirelen von einzelnen Gasblascn geschaltet weiden.
ledes der Klcktrodenpaare 8, 9 kann auch auf einen schnellen Gleichspanniingsmcsser 22 geschallcl wer den, mit dem die gcschwindigkeiisproportionale Gleichspannung langsam und schnell (instalionärc Vorgänge) erfaßt werden kann.
Mit abnehmender Temperatur des F'liissigmetalls fiilll die Steigung der Geraden.
In l;ig. 4 sind Gesehwindigkeitsflukluationssignalc 23, 24. wie sie an den Ausgängen 18, 19 der Verstärker Ib, 17 auftreten, als I -'unktion der Zeit dargestellt.
Cig. 5 zeigt das mit dem Korrelator 20 aus den Cieschwindigkeitsfliiktiialionssignalen 2.3, 24 erzeugte Kreuzkorrelationssignal 25. aus dem sich die Lauf/eil einer .Signaländerung ergibt, line derartige Signaliindcning kann auch /. B. durch eine bestimmte Gasblasc im flüssigmetall verursacht sein und wird zum Zeitpunkt 0 Das in Γ ig. 2 verwendete schnellregistrierende Meßgerät 21 kann auch aus einem Oszillographen bestehen. F-" i g. 6 zeigt die Meßsignale 26, 27 der lllcklrodenpaare 8, 9 der in I i g. 1 dargestellten '■> Meßanordnung eines (lüssigmeiallsiiomes mil einzelnen Ciasblasen. |edc Gasblasc \erursacht einen Rückgang der im ( lüssigmetallstrom induzierlen Span mine, der als Peak 28 sichtbar wird. Die /eilliche Verschiebung des Peaks 28 zwischen den zwei ίο Mcßsignalen 26,27 isl die Laufzeit.
Hei einem Gasvoliimenantcil von 20"/» in flüssigem Natrium wird dns in Ii g. 7 go/eichneto MeHsipniil 29 mit einer then Sonde und das McLlsignal 30 mn Acy in I i g. 1 dargestellten Ijiirichlung nach tier l.rfindung r· gemessen und das Meßergebnis mn einem Schnell schreiber 21 (F" ig. 3) registriert. Aus dem Registrierstreifen kann der Gasvolumenanieil auf einige l'rozeni genau ermittelt werden.
Das Meßsignal 29 der (hcn-Sonde zeigt wesentlich
CT ItIILI /Ulli /.Uli IfMIIPt I ί till
dem zweiten I-ilcktrudcnpaar 9 gemessen Die als Aiisführungsbcispiel beschriebene llinrichiung hai einen axialen Absland der l-ücktrodcnpaarc 8, 9 von /. = 10 mm. Die I.auf/eil r = 0.899 ms folgt aus F-" i g. 5. so daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des riiissigmelalls ι = IJt = IO mm/0.899 ms = 11,1 m/s beträgt.
£\> »llll£:H .1IfIIcIH ltllf/lf;i ULI CIlII Uli lllllllll Il Il '.Il I I Imgebung beschränkten Wirksamkeit der C'hen-Sonde und der Tatsache, daß kleinere Gasblasen der Sonde ausweichen.
(■'i g. 8 zeigt einen entsprechenden Vergleich tier 2Ί Mcßsignale einer Chen-Sonde (Kurve 31) mit den Mcßsignalen der Magnetsonde nach der l-irfindung (Kurve 32) bei einem Gasvolumenanieil von 55"/».
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

  1. Patfntmispriiehe:
    |. Indukiive Ströimingssunüe- zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit iintl des Gasvolumenantei.'s eines Flüssigmetallstromes bestehend aus einem einseilig verschlossenen Sondenrohr, das konzentrisch in ein den Flüssigmetallsirom führendes Rohr eingesetzt ist und einen Ringkanal für den Durchfluß des Flüssignietalls bildet, mit zwei im Feld eines Permanentmagneten in einem vorbestimmten Abs'.and /. in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten FJektrodenpaaren und mit einer Auswertschaltung zum Bestimmen der Laufzeit von statistischen Schwankungen der Signale an beiden Klektrodenpaaren, dadurch gekennzeichnet. JaB in dem Sondenrohr (1) zwei scheibenförmige Dauermagnete (6) in dem axialen Abstand (L) angeordnet sind, daß die Dauermagnete (6) in Richtung des Durchmessers der Scheibe magnetisiert sind, dati der Quotient aus der in Magnetisierungsrichtung gemessenen Länge (1) des Dauermagneten (b> und der senkrecht zur Magnetisierungsnchiung gemessenen Dicke (d)des Dauermagneten (6) mindestens annähernd den Wert zwei erreicht, daß in der Mittclcbene jedes der zwei scheibenförmigen Dauermagnete (6) zwei Elektroden eines F.iektrodenpaarcs (8, 9) durch die Wand des Sondenrohres (I) geführt und mit den Eingängen der elektronischen Auswcrtschaltung (16—22) verbunden sind, die synchron mit der Messung der Strömungsgeschwindigkeit auch die Ermittlung des Gasvolumcnanleils aus der Höhe der Signalspanniing miniL-stcns eines Klektrodenpaares ermöglicht.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Dauermagnete (6) an ihrem Rand in einer zur Magnetachse um 90 Grad versetzten Achse mit zwei diametral angeordneten Ausschnitten (7) für die Elektroden (8, 9) und deren Verbindiingslcitungen (10) mit der Meßwcrlverarbeitung versehen sind.
  3. J. Einrichtung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eines ersten Elcktiodcnpaarcs (8) in zwei diametralen Bohrungen der Wand des Sondcnrohrcs (I) verschweißt sind, und daß in einem vorbestimmten axialen Abstand (L) von dem ersten Eleklrodcnpaar (8) ein zweites Eleklrodcnpaar (9) in der gleichen Art und so angeordnet ist. daß die Verbindungslinie des zweiten Elcklrodcnpaares (9) einander parallel und in dergleichen Richtung verlaufen.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch I bis J, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondenrohr (I) und die Elcktrodcnpaarc (8, 9) aus einem magnetischen Edelstahl gleicher chemischer Zusammensetzung bestehen.
  5. 1J. Einrichtung nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodcnzulcitiing (10) eine ManiclmcBlcitting verwendet wird, deren Zenlrallcilcr und deren Mantel aus einem unmagnelischen Edelstahl wie V2A besteht, und daß der /cninile Leiter nls Elektrode (9,10) in der Rührung der Wand des Sondenrohres (I) verschweißt ist.
  6. b. Einrichtung nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Dauermagnete (6) aus einem bis zu Betriebstemperaturen von 600" C beständigen Magnetwerkstoff wie AINiCo 4r)0 bestehen.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch I bis h, dadurch gekennzeichnet, dall die scheibenförmigen Dauermagnete (6) gegeneinander und gegen axial benachbarte Bauelemente durch zylindrische Zwischenstükkc (II, 12, 13) aus einem unmagneiischen und mindestens bis büO Grad temperaturbeständigen Werkstoff auf einem vorbestimmten Abstand gehalten werden.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Zwischenstücke (II, 12,13) aus gesintertem Magnesiumoxyd bestehen.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzuleitungcn (10) des ersten und des zweiten Elektrodenpanres (8, 9) auf einen ersten bzw. einen zweiten Verstärker (16, 17) geschaltet sind.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mcßsignalausgängc(l8, 19) des ersten und des zweiten Verstärkers (16, 17) zum Ermitteln der Kreuzkorrelationsfunktion und der Transportzeit (r) auf einen Korrelator (20) geschaltet sind.
  11. 11. Einrichtung nach Anspruch I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignalausgänge (18,19) des ersten und des zweiten Verstärkers (16, 17) zum Ermitteln des Gasvolumenanteiles auf ein schnellregistrierendes Meßgerät (21) geschaltet sind.
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DE3734912A1 (de) * 1987-10-15 1989-04-27 Kernforschungsz Karlsruhe Induktive stroemungssonde zum messen der stroemungsgeschwindigkeit eines fluessigmetallstromes

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