DE2753151C2

DE2753151C2 -

Info

Publication number: DE2753151C2
Application number: DE2753151A
Authority: DE
Inventors: Herbert Annapolis Md. Us Estrada Jun.; Dwight H. Vienna Va. Us Harrison; Laurence E. Falls Church Va. Us Demick
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CALDON CO. LTD. PARTNERSHIP, PITTSBURGH, PA., US
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-11-29
Publication date: 1988-10-20
Also published as: NL7713357A; FR2373057B1; FR2373057A1; CH638617A5; CA1081840A; DE2753151A1; ES464761A1; SE7713230L; GB1597977A; BE861025A; IT1092638B; US4145922A; JPS6360333B2; JPS5370889A

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung der thermischen Leistung eines Systems mit einem Fluidkreislauf zwischen einer Wärmequelle und einer Anwendungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 25 04 797 ist bereits ein Gerät zur Messung der thermischen Leistung eines Systems bekannt, das einen Fluidkreislauf (Leitungen 2, 3 der Fig. 1 dieser Druckschrift) mit einer Wärmequelle (nicht dargestellt) und einer Anwendungseinrichtung (1) aufweist, bei denen eine Temperaturdifferenz zwischen dem in diesem einen Auslaßzweig (2) von der Quelle zur Anwendungseinrichtung fließenden Fluid und dem Fluid besteht, das in dem Einlaßzweig (3) von der Anwendungseinrichtung zu der Quelle strömt, unter Verwendung erster Meßeinrichtungen (6) zur Bestimmung der volumetrischen Durchflußrate in einem der Zweige und zweiter Meßeinrichtungen (4) zur Bestimmung der Temperatur sowohl im Einlaß- wie im Auslaßzweig, und von Signalverarbeitungseinrichtungen (5, 7, 9, 15 gemäß Fig. 1 der Entgegenhaltung), die Signale der Meßeinrichtungen unter Berücksichtigung von Wichtungsfaktoren zur Erlangung einer Anzeige der thermischen Leistung für Arbeiten.

Dieser Stand der Technik zeigt jedoch keinerlei Einzelheiten hinsichtlich der Meßeinrichtungen für Temperatur und Durchflußrate. Verwendbar sind übliche mechanische Zählereinrichtungen für die volumetrische Durchflußrate und Thermoelemente für die Bestimmung der Temperatur, und der Stand der Technik dürfte mit derartigen Meßeinrichtungen auch gearbeitet haben.

Mit derartigen bekannten Einrichtungen sind jedoch die erzielbaren Meßwerte nur mit begrenzter Genauigkeit zu erlangen. Bei Kernkraftwerken, die besonders genau gesteuert werden müssen, reicht diese mit herkömmlichen Meßeinrichtungen wie Thermoelementen erreichbare Genauigkeit jedoch nicht aus.

Aus der DE-OS 21 06 216 ist an sich bekannt, für die thermische Ausmessung von Fluiden sich akustischer Vorgänge zu bedienen, wobei sich die Temperatur, die Dichte sowie notfalls auch noch andere Eigenschaften des Mediums erfassen lassen. Die Messung erfolgt anhand von Interferenzerscheinungen, die sich bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen in dem Medium ergeben. Die Messung erfolgt nach der Null-Abgleich-Methode und ergibt jeweils nur einen bestimmten Meßwert. Auch ist das Meßverfahren durch notwendige mechanische Nachstellarbeiten verhältnismäßig langsam und umständlich.

Viel besser geeignet sind Verfahren, bei denen die Laufzeit von akustischen Signalimpulsen in dem Medium ausgewertet wird, wie es die US-PS 35 64 912 zeigt. Mit der aus dieser Druckschrift bekannten Einrichtung ist es auch möglich, die volumetrische Durchflußrate zu messen, ohne daß eine Behinderung der Fluidströmung auftritt, wie es bei der Anordnung von einer Mehrzahl von Thermoelementen an verschiedenen Punkten innerhalb der Leitung der Fall wäre, wobei noch Thermoelemente den weiteren Nachteil haben, daß ein derartiges Element, wenn es sich von der Wand löst, zu erheblichen Schäden in der Gesamtanordnung führen kann.

Bei der akustischen Signalimpulsmethode werden Sendewandler und Empfangswandler mit entsprechenden Umschalteinrichtungen sowie ein Digitalrechner benutzt, der als Ausgangswert die Durchflußrate in m³/sek abgibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von dem aus der DE-OS 25 04 797 bekanntgewordenen Stand der Technik unter Heranziehung von Erkenntnissen, die die US-PS 35 64 912 vermittelt, ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs dahingehend zu verbessern, daß die thermische Leistung mit wesentlich höherer Genauigkeit, beispielsweise mit einer Genauigkeit von besser als 1%, ermittelt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches, die nicht nur die Merkmale umfassen, die aus der US-PS 35 64 912 an sich bekannt sind, sondern auch weitere Merkmale, die speziell hier notwendig sind, um die thermische Leistung ausreichend genau zu ermitteln, während bei der US-PS 35 64 912 lediglich die Strömungsrate gemessen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt

Fig. 1 in Form eines Blockdiagramms ein Wärmetransportsystem mit strömendem Fluid;

Fig. 2 eine Fluidtransportleitung mit einer akustischen Vielfachwegewandlerordnung;

Fig. 2A eine Ansicht der Fig. 2 längs der zentralen Achse der Leitung;

Fig. 3 eine Kurve der Dichte über der Schallgeschwindigkeit;

Fig. 4 eine Kurve der Enthalpie über der Schallgeschwindigkeit;

Fig. 5 eine Darstellung eines Teils der Fluidtransportleitung mit der akustischen Mehrwegewandleranordnung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in der Leitung;

Fig. 5A eine Ansicht der Fig. 5 längs der Zentralachse der Leitung;

Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung der volumetrischen Durchflußrate und der Schallgeschwindigkeit in einem Zweig des Kreislaufs;

Fig. 7 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im anderen Zweig des Kreislaufs;

Fig. 8 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung einer Anzeige der thermischen Leistung; und

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer anderen elektronischen Schaltung zur Ermittlung der Anzeige für die thermische Leistung.

In Fig. 1 ist ein System dargestellt, das strömendes Fluid für den Wärmetransport benutzt. Das System umfaßt eine Wärmequelle 10 und eine Last 12 mit einem Fluidkreislauf längs einer Schleife 14. Nur beispielsweise sei die Erfindung bezüglich eines Kernkraftwerkes beschrieben, wobei die Wärmequelle 10 ein Druckwasserkernreaktor ist. Die Last 12 ist ein Dampfgenerator, der selbst eine Wärmequelle für eine Last 16 in Form einer Turbine ist, die einen Generator 18 antreibt, und der eine Schleife 20 für den Fluidkreislauf umfaßt. Die Schleife 14 wird im allgemeinen als Primärkreislauf und die Schleife 20 als Sekundärkreislauf bezeichnet.

Kreisendes Fluid wird vom Reaktor 10 zum Dampfgenerator 12 mittels des Auslasses oder des heißen Auslaßzweiges 24 geleitet, während das Fluid vom Dampfgenerator 12 mittels des Einlasses oder kalten Einlaßzweiges 26 zum Reaktor 10 zurückgeführt wird, wobei dieser Zweig 26 noch die Fluidzirkulationspumpe 28 umfaßt.

Auf der Sekundärseite wird zirkulierendes Fluid, Dampf, der Turbine 16 mit Hilfe des Auslasses oder heißen Zweiges 30 vom Dampfgenerator 12 geliefert und das Fluid in der Form von Wasser dem Dampfgenerator 12 mit Hilfe des Einlasses oder kalten Zweiges 32 zurückgeführt, welcher eine Zirkulationspumpe 34 und einen Kondensator 36 umfaßt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einem der Zweige der Schleife ein Durchflußmesser, vorzugsweise ein akustischer Mehrwegedurchflußmesser, angeordnet, um eine Anzeige für die Massendurchflußrate des kreisenden Fluids zu erhalten. Beispielsweise ist das Durchflußmeßgerät 40 im kalten Zweig der Primärschleife 14 angeordnet. Die thermische Leistung des Kernreaktors wird berechnet, indem zusätzlich eine Anzeige der Enthalpiedifferenz zwischen dem Fluid in dem heißen und dem kalten Zweig ermittelt wird. Dies wird erreicht durch Anwendung von akustischen Meßgeräten, vorzugsweise von akustischen Mehrwegemeßgeräten, um die Schallgeschwindigkeit in sowohl dem heißen als auch dem kalten Zweig 24 bzw. 26 zu erhalten. Entsprechend ist ein akustisches Mehrwegemeßgerät 42 im heißen Zweig 24 und, wenn gewünscht, ein zusätzliches Meßgerät im kalten Zweig 26 vorgesehen. Um jedoch Ausrüstungs- und Installationskosten zu sparen, kann das Strömungsmeßgerät 40 selbst so abgeändert werden, daß es zusätzlich die Schallgeschwindigkeitsanzeige für den kalten Zweig liefert. Die Sekundärseite des Systems umfaßt ebenfalls ein akustisches Mehrwegeströmungsmeßgerät 40, um die volumetrische Durchflußrate sowie die Schallgeschwindigkeit in dem kalten Zweig 32 zu erhalten, und ein Meßfühler 46 kann in dem heißen Zweig oder in dem Dampfzweig 30 angeordnet werden, um bestimmte Parameter zu ermitteln, wie noch erläutert wird.

Ein akustischer Mehrwegeströmungsmesser wurde entwickelt, der eine Anzeige der volumetrischen Durchflußrate mit hoher Genauigkeit liefert. Das System verwendet Paare von sich gegenüberliegenden Wandlern, die an der Grenze einer Fluidführung installiert sind, um so zueinander parallele akustische Wege zu bilden, die bezüglich der Grenze genau in Übereinstimmung mit numerischen Integrationsverfahren, wie beispielsweise der Gauss-Technik, angeordnet sind. Die Wandler übertragen gleichzeitig einen akustischen Impuls zu einem gegenüberliegenden Wandler. Die Laufzeit des in Aufstromrichtung fortschreitenden Impulses sowie des in Abstromrichtung laufenden Impulses zum gegenüberliegenden Wandler wird für jedes Wandlerpaar mit geeigneten Gauss'schen Wichtungsfaktoren benutzt, um eine Anzeige der volumetrischen Durchflußrate zu erhalten. Das Gauss'sche Verfahren mit der Anordnung und der Ermittlung der Wichtungsfaktoren wird in der US-PS 35 64 912 beschrieben, wie auch die Weiterentwicklung gemäß der US-PS 39 40 985 sowie der US-PS 40 20 760.

In Fig. 2 ist ein Abschnitt einer Leitung 50 dargestellt, der in dem gegenwärtigen Beispiel ein Teil des kalten Zweiges 26 darstellt, welches das zirkulierende Fluid in einer Auf- zu Abstromrichtung zirkulieren läßt, wie durch den Pfeil 52 angeordnet wird. Bei dem Mehrwegesystem wird eine Vielzahl von Wandlerpaaren angeordnet, wobei der eine Wandler eines jeden Wandlerpaares ein Aufstromwandler und der andere Wandler ein Abstromwandler ist und beide in akustischer Verbindung mit dem Fluid in der Leitung stehen, so daß zwischen den zwei Wandlern ein akustischer Weg gebildet wird.

Beispielsweise bildet der Aufstromwandler 1 U in Verbindung mit dem gegenüberliegenden Abstromwandler 1 D einen akustischen Weg zwischen sich, der die Länge L 1 aufweist. Das zweite Paar von Wandlern 2 U und 2 D bilden einen zweiten Weg der Länge L 2. Die sich gegenüberliegenden Wandler 3 U und 3 D definieren einen weiteren akustischen Weg mit der Länge L 3, während die Wandler 4 U und 4 D einen akustischen Weg bilden, der die Länge L 4 besitzt. Für das Vierwegesystem, das dargestellt ist, sowie für einen kreisförmigen Leiter werden die Wandler im allgemeinen so angeordnet, daß L 1 gleich L 4 und L 2 gleich L 3 ist.

Fig. 2A ist eine Ansicht der Anordnung, gesehen längs der Leitungsachse in Richtung der Fluidströmung.

Da Vorsprünge in dem hydraulischen Kreis nicht vorhanden sind, vermindert diese Anordnung die Gefahr von mechanischem Versagen der Meßausrüstung, die sonst andere Bauteile des Kreislaufes beschädigen könnten. Außerdem ergibt eine derartige Anordnung keinen Druckabfall und der Energieverlust, der sich aufgrund der Leistungsmessung ergibt, ist praktisch gleich Null.

Bevor mit der ausführlichen Beschreibung der Erfindung fortgefahren wird, scheint es nützlich zu sein, eine Erläuterung der Fluidströmungsmessung zu geben, die die Laufzeit von akustischen Impulsen benutzt. Bei einem System mit nur einem einzigen Weg kann die volumetrische Durchflußrate dadurch festgestellt werden, daß ein Aufstromwandler und ein Abstromwandler gleichzeitig erregt werden und die Laufzeit des akustischen Impulses in Abstromrichtung sowie die Laufzeit des akustischen Impulses in Aufstromrichtung gemessen wird. Wenn T 1 die Laufzeit in Abstromrichtung und T 2 die Laufzeit in Aufstromrichtung ist, ergibt sich für die volumetrische Durchflußrate Q der folgende Zusammenhang:

wobei K eine Konstante ist, die beispielsweise abhängt von Faktoren wie L, der Weglänge zwischen den Wandlern, R, dem Winkel, den der Weg bezüglich der Fluidströmung bildet, sowie Umrechnungseinheiten. Die Differenz in den Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen längs des Weges beträgt Δ t, also

Δ t = t 2 - t 1 (2)

Da t 2 = t 1 + Δ t ist, ergibt sich

Gleichung (3) kann dadurch erfüllt werden, daß zwei Zähler vorgesehen werden, ein Zähler für t 1, der zur Zeit der Absendung des akustischen Impulses eingeschaltet wird und wieder abgeschaltet wird, wenn der Abstromwandler den akustischen Impuls aufnimmt. Ein zweiter Zähler, ein Zähler für Δ t, wird eingeschaltet, wenn der Abstromimpuls aufgenommen wird und wieder abgeschaltet, wenn der Aufstromimpuls empfangen wird, wobei die sich ergebende Zählung eine Anzeige der Differenz in den Laufzeiten ist.

Eine genauere Bestimmung der volumetrischen Durchflußrate kann mit einem Mehrwegesystem erhalten werden, das numerische Integrationsverfahren verwendet, wie beispielsweise das Gauss'sche Verfahren, bei dem folgendes gilt:

Dabei werden die folgenden zusätzlichen Definitionen benutzt:

Q ist die volumetrische Durchflußrate, D ist der Durchmesser der Leitung, n ist die Anzahl der Wege, i ist die jeweilige Wegnummer, W _i ist der Gauss'sche Wichtungsfaktor für den i-ten Weg.

Die Leistungsberechnung basiert auf dem Produkt der Durchflußrate und der Enthalpieänderung, bei dem vorliegenden Beispiel ergibt sich die Gleichung:

P = Q ρ (h _H - h _C ) (5)

Dabei ist vorausgesetzt, daß der Durchflußmesser als Beispiel im kalten Zweig angeordnet ist und folgende Einheiten verwendet werden:

Q (volumetrischer Fluiddurchfluß im kalten Zweig) in m³/s
ρ (durchschnittliche Fluiddichte) in kg/m³
h _H (durchschnittliche Fluidenthalpie im heißen Zweig) in BTU/kg (ein BTU = 0,2521 kcal = 1,0555 kJ)
h _C (durchschnittliche Fluidenthalpie im kalten Zweig) in BTU/kg.

Da Q×ρ die Massendurchflußrate ist und Q vom Durchflußmesser gemäß Gleichung 4 angegeben wird, ist es notwendig, die Fluiddichte ρ im kalten Zweig zu ermitteln. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schallgeschwindigkeit C _c im kalten Zweig berechnet wird. Beispielsweise, siehe Fig. 3, stellt Kurve 54 den Zusammenhang zwischen der Dichte des kreisenden Fluids bezüglich der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid in dem Drucksystem dar, wobei Druckvariationen klein sind. Beispielsweise wird bei einem typischen System, das mit Drücken von an die 100 bar arbeitet, die Druckvariation typischerweise etwa ±1,5 bar betragen.

Ein üblicher Betriebsbereich in Fig. 3 liegt zwischen den Punkten 56 und 57, wobei der Punkt 56 eine Fluiddichte ρ₁ und eine Schallgeschwindigkeit C₁ und der Punkt 57 eine Fluiddichte ρ₂ und eine Schallgeschwindigkeit C₂ repräsentiert. Die Betriebskurve zwischen den Punkten 56 und 57 ist im wesentlichen linear und eine Extrapolation dieses linearen Teils schneidet die p-Achse an dem Punkt, an dem C = 0 und ρ = ρ C₀ ist.

Unter Anwendung der Formeln für eine gerade Linie ergibt sich

y = mx + b (6)

wobei m die Steigung der Geraden und b der Schnittpunkt mit der y-Achse ist. Wendet man diese Formel auf die Kurve der Fig. 3 an, folgt

wobei der Ausdruck

die Steigung (m) der Kurve repräsentiert und in Form einer Ableitung einer Funktion bezüglich einer Variablen vorliegt, während alle anderen ggf. vorhandenen Variablen, in diesem Falle ist es der Druck, als Konstanten behandelt werden, wie durch die Indizierung mit dem Buchstaben P angedeutet wird.

Hat man somit Q und ρ ermittelt, kann die Massendurchflußrate Q×ρ ausgerechnet werden. Für thermische Leistungsmessungen ist es auch notwendig, die Enthalpiedifferenz zwischen heißem und kaltem Zweig zu ermitteln. Zu diesem Zweck sei auf Fig. 4 Bezug genommen, welche eine Kurve wiedergibt, die die Enthalpie über der Schallgeschwindigkeit darstellt.

Kurve 60 besitzt eine negative Steigung und der zwischen den Punkten 62 und 63 liegende Teil, der den Betriebsbereich darstellt, ist in guter Annäherung linear. Die Extrapolation dieses linearen Teils schneidet die Enthalpieachse bei irgendeinem Wert h _C₀.

Nimmt man an, daß der Punkt 62 die Enthalpie des heißen und der Punkt 63 die Enthalpie des kalten Zweiges repräsentiert, ergibt sich mit der Formel für die Gerade (Gleichung 6)

sowie

Subtrahiert man Gleichung (9) von Gleichung (8), folgt

Demgemäß kann die Enthalpiedifferenz, die für die Leistungsberechnung erforderlich ist, dadurch ermittelt werden, daß eine Anzeige für die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid im heißen Zweig (C _H ) sowie die Geschwindigkeit des Schalls in dem Fluid in dem kalten Zweig (C _C ) ermittelt wird, wobei

eine Konstante ist, die gleich der Steigung der Kurve der Fig. 4 innerhalb des Betriebsbereiches ist.

Berücksichtigt man zur Vereinfachung nur ein Einwegesystem, beträgt die Laufzeit des akustischen Impulses in Abstromrichtung

und die Laufzeit des akustischen Impulses in entgegengesetzter Richtung (Aufstromrichtung)

wobei V die Fluidgeschwindigkeitskomponente längs dem Weg zwischen den Wandlern ist und L die Weglänge zwischen den beiden Wandlern. Da

und

gilt, ergibt sich durch Addition der beiden Gleichungen:

daher ist C

damit ergibt sich aus Gleichung (2), wenn berücksichtigt wird, daß t 2 = t 1 + Δ t ist,

Alle Größen der Gleichung (17) sind bekannt oder werden vom Durchflußmesser geliefert, so daß diese Beziehung in einem Mehrwegesystem verwendet werden kann, und zwar unter Anwendung geeigneter Gauss'scher Wichtungsfaktoren, um so die Schallgeschwindigkeit im kalten Zweig zu ermitteln. Wenn die akustischen Wege senkrecht zur Strömungsrichtung liegen, werden die akustischen Impulse von der Geschwindigkeit des Fluids nicht beeinflußt. Beispielsweise - siehe Fig. 5 - umfaßt die Leitung 68, die bei dem vorliegenden Beispiel einen Teil des heißen Zweiges darstellt, eine Mehrzahl von Wandlern T 1 bis T 4 zusammen mit entsprechenden gegenüberliegenden Wandlern T 1′ bis T 4′. Die akustischen Wege zwischen den Wandlerpaaren liegen alle in der gleichen Ebene, welche Ebene senkrecht zur Fluidströmungsrichtung ist, wie durch den Pfeil angedeutet wird. Eine Ansicht der Anordnung längs der Achse ist in Fig. 5A wiedergegeben.

Da die akustischen Impulse von der Fluidgeschwindigkeit nicht beeinflußt werden, ist

t 1 = t 2 (18)

und

Wenn somit das Kernkraftwerk bereits einen akustischen Mehrwegeströmungsmesser in einem Zweig aufweist, ist es nur noch notwendig, mehrere Wandlerpaare in dem anderen Zweig vorzusehen und gemäß der Darstellung der Fig. 5 anzuordnen. Wenn ein außerordentlich genaues Massendurchflußratenmeßgerät gewünscht wird, könnte alternativ auch die Anordnung der Fig. 5 sowohl im heißen wie auch im kalten Zweig hinzugefügt werden, um Schallgeschwindigkeitsanzeigen für die Berechnung der Leistung zu erhalten.

Mit einer derartigen Anordnung von akustischen Mehrfachwegen im heißen Zweig und akustischen Mehrfachwegen im kalten Zweig könnte, wenn die entsprechenden Weglängen in dem einen Zweig gleich den entsprechenden Weglängen in den anderen Zweig sind, ein gemeinsamer Sender gleichzeitig die Wandler in beiden Zweigen erregen, so daß statt zwei Messungen bezüglich L/t 1 für jeden Zweig eine einzige Messung bezüglich Δ t _AB erhalten wird, wobei Δ t _AB die Differenz in der Ankunftszeit der Impulse in einem Zweig bezüglich der Impulse im anderen Zweig ist.

Kehren wir zum gegenwärtigen Beispiel zurück, so ergibt sich, daß alle Größen, die für die Leistungsberechnung notwendig sind, ermittelt wurden und gemäß der folgenden Gleichung angewendet werden:

mit:

In der Gleichung (21) stellt der erste Term in Klammern die volumetrische Durchflußrate Q dar, wie sie von dem Durchflußmesser bestimmt und in Gleichung (4) wiedergegeben ist. Der zweite Term in Klammern ist die Dichte des Fluids im kalten Zweig, wie durch Gleichung (7) wiedergegeben, wobei die Schallgeschwindigkeit unter Anwendung des geeigneten Gauss'schen Wichtungsfaktors über die Gleichung (17) ermittelt wird. Der letzte Term in Klammern ist einfach die Schallgeschwindigkeit im heißen Zweig, die sich aus Gleichung (20) ergibt, minus der Schallgeschwindigkeit im kalten Zweig, wie sie für die Dichteberechnung ermittelt wurde.

Die Differenz zwischen diesen zwei Größen, C _H-C _C, multipliziert mit einer Konstante k _F, ist die Wiedergabe der Gleichung (10).

Fig. 6, 7 und 8 erläutern eine elektronische Schaltung zur Ausführung der Leistungsgleichung für eine Flußmeteranordnung mit n akustischen Wegen in einem Zweig, der als Zweig A bezeichnet ist, sowie ein akustisches System mit n Wegen zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in dem anderen Zweig, der mit Zweig B bezeichnet ist. Fig. 6 erläutert in Form eines Blockdiagramms verschiedene elektronische Schaltkreise, die mit einem Weg i verbunden sind. Ein Sender 70 erregt gleichzeitig die Aufstrom- und Abstromwandler des Weges i, um auf diese Weise akustische Impulse in entgegengesetzten Richtungen längs dem Weg abzusenden. Gleichzeitig dazu startet der Sender einen Zähler 72 für t 1.

Der in Abstromrichtung abgesendete Impuls kommt als erster an und der Abstromempfänger 74 liefert eine Anzeige dafür, um den t 1-Zähler 72 abzuschalten und den Δ t-Zähler 76 einzuschalten. Wenn der in Aufstromrichtung abgesendete Impuls ankommt, liefert der Aufstromempfänger 78 ein Ausgangssignal, um den Δ t-Zähler abzuschalten.

Somit werden zwei Werte erhalten, t 1 und Δ t, und der Schaltkreis 80 führt an diesen zwei Werten die angedeuteten Operationen aus. Der sich ergebende Wert wird im Schaltkreis 82 mit dem angegebenen Wert multipliziert, das ist die Konstante k _A der Gleichung (21), und die Ergebnisse davon werden über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und im Schaltkreis 84 mit den Daten der übrigen Wege summiert. Der Ausgang des Schaltkreises 84 stellt daher die volumetrische Durchflußrate Q dar, der, wenn gewünscht, als numerischer Wert auf einer Darstellung 86 sichtbar gemacht werden kann.

Von dieser grundlegenden Flußmeteranordnung kann die Schallgeschwindigkeit im Bein A dadurch erhalten werden, daß der Schaltkreis 86 vorgesehen wird, der auf den Ausgang vom t 1-Zähler 72 und vom Δ t-Zähler 76 dadurch reagiert, daß er die angegebene Operation ausführt, wobei die Ergebnisse im Schaltkreis 88 mit der dort angegebenen Konstanten multipliziert werden, wobei diese Konstante gleich der Gleichung (21) ist. Der Ausgang wird über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und zu den Daten der anderen Wege des Schaltkreises 90 summiert, dessen Ausgangssignal die Schallgeschwindigkeit C _A darstellt. Wenn gewünscht, kann eine Sichtanzeige dieser Schallgeschwindigkeit auf der Darstellung 92 wiedergegeben werden.

Das Gerät zur Erlangung von t 1 und Δ t mit nachfolgender Modifizierung dieser Werte, um die volumetrische Durchflußrate zu erhalten, ist in Fig. 6 für einen Weg funktionell dargestellt. Obwohl n Duplizierungen (eine Duplizierung für jeden Weg) für diese Anordnung möglich sind, kann ein in der Praxis ausgeführtes System einen einzigen Sender mit einem einzigen Berechnungsabschnitt mit unterschiedlichen Registern für die Speicherung von unterschiedlichen Konstanten verwenden, wobei die Anordnung zwischen den einzelnen Wegen zeitgesteuert wird. Eine Anordnung, die zur Anwendung gebracht werden kann, ist in der US-Patentschrift 39 18 304 beschrieben.

Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit C _B im Zweig B wird mit der in Fig. 7 dargestellten Anordnung ermöglicht, wobei ein Weg, der Weg mit der Bezeichnung j, eines Systems mit n Wegen wiedergegeben ist. Der Sender 100 bewirkt die Absendung eines akustischen Impulses quer zur Leitung längs des Weges j vom Wandler T _j′ zu einem gegenüberliegenden Wandler T _j und startet zu gleicher Zeit den t 1-Zähler 102. Wenn der Impuls am gegenüberliegenden Wandler T _j eintrifft, liefert der Empfänger 104 ein Ausgangssignal, um den t 1-Zähler 102 abzuschalten.

Der Schaltkreis 104 nimmt den Kehrwert des Ausganges des t 1- Zählers 102, und dieser Wert wird mit der angegebenen Größe des Schaltkreises 106 multipliziert, welche Größe äquivalent zum Faktor der Gleichung (21) ist. Der so erhaltene Wert wird über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und zu den Daten hinzugefügt, die von anderen Wegen im Schaltkreis 108 erhalten werden, wobei der Ausgang eine Anzeige der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit des Zweiges B ist. Wenn gewünscht, kann durch die Darstellung 110 auch eine Sichtdarstellung des Ausganges gegeben werden.

Fig. 8 erläutert eine weitere Modifikation dieser Größen Q, C _A und C _B, um einen Wert für die thermische Leistung zu erhalten. Der Schaltkreis 112 multipliziert den Wert von C _A mit der Konstanten k _B

und addiert die Konstante k _D (äquivalent zum Wert ρ _C₀). Der Ausgang des Schaltkreises 112 ist daher die Dichte ρ, die mit der volumetrischen Durchflußrate Q im Multiplikator 114 kombiniert wird, dessen Ausgang eine Anzeige für die Massendurchflußrate ist, die wiederum, wenn gewünscht, mit Hilfe einer Darstellung 116 sichtbar gemacht werden kann.

Wie erinnerlich, wird die Massendurchflußrate mit der Enthalpieänderung multipliziert, die wiederum zur Differenz in den Schallgeschwindigkeiten der zwei Zweige in Beziehung steht. Entsprechend wird auf die zwei Schallgeschwindigkeiten C _A und C _B durch den Subtraktor 118 eingewirkt und dann im Schaltkreis 120 mit dem dort angegebenen Wert multipliziert, welcher äquivalent zum Wert k _F der Gleichung (21) ist.

Die zwei Werte, Massendurchflußrate und Enthalpieänderung, werden dem Multiplikator 122 zugeführt, dessen Ausgangssignal eine Anzeige der gesamten thermischen Leistung ist, die auf Einheit 124 dargestellt wird, nachdem irgendwelche notwendigen Einheitsumrechnungen durch den Schaltkreis 126 durchgeführt wurden.

Bei der Rechenanordnung, wie sie gerade beschrieben wurde, können die verschiedenen Konstanten in getrennten Registern eines Computers oder in Festwertspeichern gespeichert werden, in die die konstanten Werte, wie sie von einem bestimmten Fluidtransportsystem vorgegeben werden, angeordnet sind. Alternativ kann die thermische Leistung durch das Gerät der Fig. 9 ermittelt werden, welches Datenspeicherabschnitte 130 und 132 zur Speicherung der entsprechenden Datenpunkte der Kurve 3 (Dichte über Schallgeschwindigkeit) und Kurve 4 (Enthalpie über Schallgeschwindigkeit) speichern. Das Gerät der Fig. 9 kann durch einen üblichen Digitalcomputer verwirklicht werden, wobei die Speicher 130 und 132 programmierbare Festwertspeicher oder auch Bandspeicher oder Magnetscheibenspeicher sind, um nur einige Beispiele zu nennen. Der Rechner wird derart programmiert, daß dann, wenn C _A und C _B zur Verfügung stehen, ein bestimmter Wert für ρ _A sowie bestimmte Werte h _A und h _B aus den entsprechenden Datenspeichern 130 und 132 herausgezogen werden. Die Eingabe dieser Werte C _A und C _B, das Tabellenaufschlagen sowie die Extraktion der jeweiligen Werte ist in Fig. 9 dargestellt, siehe die Softwareblöcke 136, 138 und 140.

Eine Multiplikatorschaltung 142 multipliziert die volumetrische Durchflußrate mit der Dichte, um einen Ausgang zu erhalten, der die Massendurchflußrate wiedergibt, welche ggf. auf einer Darstellung 144 abgelesen werden kann. Die Enthalpien für die Zweige A und B werden in einem Subtraktionsschaltkreis 144 bearbeitet, um die Enthalpiedifferenz zu erhalten, welche im Schaltkreis 146 mit der Massendurchflußrate multipliziert wird, um einen Ausgang zu erhalten, der die thermische Leistung angibt. Dieser Ausgang wird nach Konversion in einer Einheit 148 einer Darstellung 150 zugeführt.

Die Berechnung der thermischen Leistung wurde insoweit bezüglich der Primärschleife 14 der Fig. 1 beschrieben, in welcher eine nichtkompressible Flüssigkeit mit im wesentlichen konstantem Druck fließt. In der Sekundärschleife 20 leitet der kalte Zweig 32 eine Flüssigkeit, jedoch liefert der Generator 12 in dem heißen Zweig 30 Dampf.

Der Sekundärkreislauf selbst stellt also eine einzige Schleife dar, bei dem der Generator 12 als Wärmequelle des Systems arbeitet, beispielsweise ein Brenner für fossilen Brennstoff darstellt. Abhängig von dem Gerät kann der Dampf im heißen Zweig 30 gesättigter Dampf oder überhitzter Dampf sein. Für den Fall des gesättigten Dampfes wäre die Flußmeteranordnung 40 im kalten Zweig 32 identisch mit der, die bereits beschrieben wurde, um die volumetrische Durchflußrate Q und die Schallgeschwindigkeit C _C zu berechnen. Das Gerät und die Berechnung der thermischen Leistung wird jedoch vereinfacht durch die Tatsache, daß die Enthalpie des heißen Zweiges für das System mit gesättigtem Dampf nahezu eine Konstante ist und für den typischen Betriebsbereich bekannt ist, so daß die akustischen Messungen in dem heißen Zweig für die Bestimmung der Enthalpie nicht durchgeführt zu werden brauchen.

Im Falle des überhitzten Dampfes jedoch können die volumetrische Durchflußrate und die Enthalpie für den kalten Zweig in der vorbeschriebenen Weise bestimmt werden, wobei jedoch die Enthalpie des heißen Zweiges durch Messung von Druck und Temperatur des überhitzten Dampfes in dem heißen Zweig ermittelt werden muß, beispielsweise durch die in Fig. 1 dargestellte Meßfühleranordnung 46. Eine Anordnung ähnlich zu der, wie sie gemäß Fig. 9 beschrieben wurde, könnte dann zusammen mit einer Datenspeicherung für die Enthalpie als Funktion der Temperatur und des Druckes anstelle der Schallmessung vorgesehen werden.

Es wurde somit eine Anordnung zur Messung der thermischen Leistung beschrieben, mit der eine Anzeige der thermischen Leistungserzeugung oder des thermischen Leistungsverbrauchs irgendeiner Einrichtung ermittelt werden kann, welche für den Wärmetransport strömendes Fluid benutzt. Das Gerät benutzt Messungen, die sich auf die Laufzeit von akustischen Impulsen beziehen, eine genau plazierte Wandleranordnung, einen Digitalcomputer sowie Festkörperelektronikschaltungen, wobei der für die Leistungsmessungen auftretende Fehler aufgrund von Ungenauigkeiten in der Zeitmessung und bei den Messungen in der Geometrie sich zu einem Maximalwert von etwa 0,67% für eine einzige Messung kombinieren. Bei der tatsächlichen Ausführung werden die Messungen mehrmals pro Sekunde durchgeführt und eine Mittelungszeitperiode in der Größenordnung von einer Minute angewendet. Diese zeitliche Mittelung vermindert die Zeitfehler auf weniger als 0,1% für Q und C. Die Kombination von Quadraturintegration, thermischen Gradienten, zeitlichen und geometrischen Fehlern sowie der Umsetzung der Messungen bezüglich Dichte und Enthalpie führen zu einem angenäherten Fehler für die zeitlich gemittelte Leistung von ±1/2% oder besser.

Bei dem dargestellten Beispiel eines Kernreaktorkraftwerkes ist nur eine einzige Primärschleife wiedergegeben. In Wirklichkeit kann das Kraftwerk eine Anzahl von Primärschleifen und thermischen Leistungsmeßeinrichtungen für jede Schleife aufweisen, um nicht nur Ablesungen und Wirksamkeitsangaben für jede Schleife zu erhalten, sondern auch Unterschiede der thermischen Leistung für die einzelnen Schleifen, um so irgendwelche Systemunausgewogenheiten zu erkennen.

Claims

1. Gerät zur Messung der thermischen Leistung eines Systems, das einen Fluidkreislauf (14) mit einer Wärmequelle (10) und einer Anwendungseinrichtung (12) aufweist, bei denen eine Temperaturdifferenz zwischen dem in einem Auslaßzweig (24) von der Quelle (10) zur Anwendungseinrichtung (12) fließenden Fluid und dem Fluid besteht, das in einem Einlaßzweig (26) von der Anwendungseinrichtung (12) zu der Quelle (14) strömt, unter Verwendung erster Meßeinrichtungen zur Bestimmung der volumetrischen Durchflußrate in einem der Zweige (z. B. 26) und zweiter Meßeinrichtungen (40, 42) zur Bestimmung der Temperatur sowohl im Einlaß- (26) wie im Auslaßzweig (24), und von Signalverarbeitungseinrichtungen, die die Signale der Meßeinrichtungen unter Berücksichtigung von Wichtungsfaktoren zur Erlangung einer Anzeige der thermischen Leistung verarbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in dem Auslaßzweig (24) überhitzter Dampf ist, daß die ersten Meßeinrichtungen zur Bestimmung der volumetrischen Durchflußrate jeweils mehrere, an entgegengesetzten Stellen aufstrom- und abstrommäßig in einer bekannten Entfernung angeordnete Wandlerpaare (1 U, 1 D; 2 U, 2 D, . . .) in zumindest einem der Zweige (24 oder 26) umfassen, die eine Vielzahl von das unter Messung stehende Fluid in einem Winkel querende, zueinander parallele akustische Meßwege bilden, und daß die Wandler durch Schaltungseinrichtungen derart angesteuert und abgefühlt werden, daß periodisch akustische Impulse in entgegengesetzte Richtungen längs der Meßwege (L₁, L₂, . . .) übertragen und Meßwerte ermittelt werden, die zur Laufzeit der Impulse in Beziehung stehen, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen die ermittelten Meßwerte aufnehmen und unter Verwendung von numerischen Integrationseinrichtungen eine Anzeige der volumetrischen Strömungsrate liefern, daß die Meßeinrichtungen zur Bestimmung der Temperatur sowie weitere Meßeinrichtungen zur Bestimmung des Druckes des Fluids von einer in beiden Zweigen (24, 26) angeordnete Vielzahl von Wandlerpaaren mit das Fluid in einem Winkel querenden parallelen akustischen Meßwegen gebildet werden, so daß aus den Meßwerten für Temperatur, Druck und volumetrische Strömungsrate mittels numerischer Schaltungseinrichtungen die thermische Leistung des Systems ermittelt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zur Messung der volumetrischen Strömungsrate (Q) und die im gleichen Zweig befindliche Meßeinrichtung zur Messung von Temperatur und Druck des Fluids die gleichen Wandlerpaare benutzen.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerpaare durch Einrichtungen (70) derart erregt werden, daß die Erregung gleichzeitig für die Aufstrom- und Abstromwandler des zugehörigen Weges (z. B. L₁) erfolgt und gleichzeitig ein erster Zeitzähler (72) gestartet wird (Signal START, Fig. 6) und ein am Abstromwandler angeschlossener Signalempfänger (74) bei Empfang des Signals den ersten Zeitzähler (72) anhält (STOP) und einen Differenzzeitzähler (76) startet (Signal START), und ein an dem Aufstromwandler angeschlossener Empfänger (78) bei Signalempfang den Differenzzähler (78) anhält (STOP), und daß den beiden Zählern (72, 76) ein Auswerteschaltkreis (80, 82, 84) nachgeordnet ist, der die Zählung (T 1) des ersten Zeitzählers (72) und die ( Δ T) des Differenzzählers (76) zur Ermittlung der volumetrischen Strömungsrate Q gemäß verarbeitet.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertekreis mittels einer Mittelungs- und Summiereinrichtung (84) ein numerisches Integrationsverfahren ermöglicht.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrationsverfahren ein Gauss'sches Verfahren gemäß darstellt, mitQ= volumetrische Strömungsrate,D= Durchmesser der Leitung,n= Anzahl der Wege,i= jeweilige Wegnummer,W _i= Gauss'scher Wichtungsfaktor des i-ten Weges.

6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis (86) dem Zeitzähler (72) und dem Differenzzähler (76) nachgeschaltet ist, der die Operation ausführt und im Schaltkreis (88) mit der Konstanten multipliziert und den Ausgang über eine ausgewählte Zeitperiode mittelt (90) und zu den Daten der anderen Wege des Schaltkreises summiert und so als Ausgangssignal ein die Schallgeschwindigkeit anzeigendes Signal C _A liefert.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Zweigen identische Anordnungen vorgesehen sind.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Weglängen in dem einen Zweig denen des anderen Zweiges genau entsprechen und daß die Wandler beider Zweige von einem gemeinsamen Generator (70) angeregt werden.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis zur Bestimmung von Schallgeschwindigkeit C _A im Zweig A und der Strömungsrate Q _B nur einen Sender und nur einen Berechnungsabschnitt aber mehrere Speicher zur Speicherung verschiedener Konstanten aufweist, wobei zwischen den einzelnen Wegen zeitgesteuert wird.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung zur Messung der Schallgeschwindigkeit C _B im Zweig B einen Sender (100) und einen Empfänger (104) umfaßt, die an Wandlerpaaren (T _j′ bzw. T _j ), die das unter Messung stehende Fluid in rechtem Winkel querende, zueinander parallele akustische Meßwege (j) bilden (Fig. 7), derart angeschlossen sind, daß bei Absendung eines akustischen Impulses längs des Weges j ein Zeitzähler (102) gestartet und bei Empfang des Impulses am Empfänger (104) der Zeitzähler (102) angehalten wird, und daß dem Zählerausgang ein Schaltkreis (105) zur Bildung des Kehrwertes der gezählten Zeit (t _j ) und diesem ein weiterer Schaltkreis (106) zur Multiplikation mit einem Faktor K _Ej gemäß der Formel nachgeschaltet ist, und daß der Ausgang dann - ggf. zusammen mit Daten anderer Wege - in einer Mittelungs- und Summiereinrichtung (108) über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt wird, gemäß der Formel

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßeinrichtungen für die Schallgeschwindigkeit in den beiden Zweigen (C _A und C _B ) ein Schaltkreis (118) zur Bildung der Differenz (C _B-C _A ) und diesem ein Multiplikatorschaltkreis (120) zur Multiplikation mit einem Faktor der die Steigung der Abhängigkeit der Enthalpie h von der Schallgeschwindigkeit C bei konstantem Druck P bedeutet, und daß den Meßeinrichtungen für die Schallgeschwindigkeit C _A in dem Zweig A ein Multiplikatorschaltkreis (112) nachgeschaltet ist, der den Wert C _A mit der Konstanten die Steigung der Abhängigkeit der Fluiddichte ρ von der Schallgeschwindigkeit C bei konstantem Druck P multipliziert und die Konstante K _D (K _D = ρ _{C 0}, das ist der Schnittpunkt der Abhängigkeit ρ (C) mit der Achse C = 0) addiert, und daß den Multiplikatorschaltkreisen (120, 114) ein weiterer Multiplikatorschaltkreis (122) zur Bildung des Produktes aus Massenströmungsrate (aus 114) und Enthalpieänderung (aus 120) nachgeschaltet ist, um so eine Anzeige der thermischen Leistung zu ermöglichen (Fig. 8).

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die konstanten Werte, wie sie von einem bestimmten Fluidtransportsystem vorgegeben werden (K _A, K _B, K _C, K _D, K _E, K _F ) in getrennten Speicherregistern eines Computers oder in Festwertspeichern gespeichert sind.

13. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Datenspeicher (130, 132) für Kurvenpunkte der Dichte über Schallgeschwindigkeit vorgesehen sind, auf die ein Digitalcomputer rückgreifen kann, um die thermische Leistung zu errechnen (Fig. 9).