DE2824794A1

DE2824794A1 - Druckfuehler

Info

Publication number: DE2824794A1
Application number: DE19782824794
Authority: DE
Inventors: George Anthony Forster
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1977-06-06
Filing date: 1978-06-06
Publication date: 1979-01-25
Also published as: FR2394074A1; GB1577983A; US4103555A; JPS544180A; CA1071426A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. 8000 MÜNCHEN 22

KARL H. WAGNER GEWÜRZMÜHLSRASSE

H POSTFACh

6. Juni 1978 78-R-3113

United States Department of Energy, Washington, D,C. 20545, V.St.A.

Druckfühler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckfühler für hohe Temperaturen aufweisende Flüssigkeiten. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf die Druckmessung in Hochtemperaturflüssigkeiten. Besonders zweckmäßig ist die Erfindung für die Druckmessung bei flüssigen Metallen, wie beispielsweise flüssigem Natrium oder flüssigem Kalium.

Der Betrieb eines Flüssigmetall-Schnellbrüterreaktors macht Information über den Druck des flüssigen Metalls über einen Bereich von Meßgerätdrücken von 0 bis mehr als 300 engl. Pfund pro Quadratzoll (2MPa) erforderlich, und zwar bei Temperaturen im Bereich von 700 bis 800°F (644-700 K) zu am Einlaß und bis 1000 bis 1200°F (810-922 K) am Auslaß. Derartige Drücke wurden bislang durch eine Metallmembran gemessen, die auf einer Seite dem zu messenden Druck ausgesetzt war, während an der anderen Seite ein extern angelegter Druck von Luft von irgendeinem anderen geeigneten Gas vorgesehen war. Zum Betrieb des Druckmessers wird Gasdruck an die eine Seite der Membran angelegt, um eine Neutralposition zu erreichen. Wenn die Flächen auf beiden Seiten der Membran gleich sind, so ist der Druck,der notwendig

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ist, um die Membran in die Neutralposition zu bringen, der Druck des flüssigen Metalls. Wenn sich die Flächen voneinander unterscheiden, so stehen die Drücke in umgekehrtem Verhältnis zu den Flächen. Beim Betrieb wird dann der Druck zyklisch um den Mittelwert herum um kleine Größen herauf- oder herabgesetzt, und zwar über eine Zeitperiode von wenigen Sekunden hinweg. Wenn sich der Testdruck geändert hat, seit der Bezugsdruck eingestellt wurde, so bewirkt dieser zyklische Vorgang, daß die Membran eine unterschiedliche Mittelstellung einnimmt. Der neue Druck wird dann bestimmt durch Änderung des Bezugsdruckes zur Wiederherstellung der Neutralposition der Membran. Dieser Prozess benötigt Zeit in der Größenordnung einer halben Minute, um eine Messung durchzuführen, und die Messung ist zweifelhaft, wenn der gemessene Druck während dieser halben Minute nicht konstant ist. Auch die Eichung ändert sich mit der Zeit, wenn die Federkonstante der Membran sich durch thermische Beanspruchung oder Korrosion ändert.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, bessere Druckmeßmittel für Hochtemperaturflüssigkeiten vorzusehen. Die Erfindung gibt ferner Mittel zum Abfühlen des Drucks in Hochtemperaturflüssigkeiten an, die schnell an Ort und Stelle geeicht werden können.

Zusammenfassung der Erfindung. Ein Druckfühler in einer Hochtemperaturflüssigkeit weist eine weiche Membran auf, die auf einer Seite gegenüber der Flüssigkeit freiliegt. Die weiche Membran ist so angeordnet, daß sie gegen eine steife Membran infolgedes Flüssigkeitsdrucks stößt. Die Versetzung der steifen Membran ist proportional zur Differenz zwischen dem Flüssigkeitsdruck und einem Bezugsgasdruck. Diese Versetzung kann zweckmässigerweise durch Mittel, wie beispielsweise ein Kapazitätsversetzungs-Meßgerät, gemessen werden. Eine elektrisch leitende Platte, angeordnet in einer festen Position nahe der steifen Membran, bildet mit dieser einen Kondensator, dessen Kapazität sich mit der Versetzung der steifen Membran ändert. Die leitende Platte ist von einem Schutzring umgeben, wobei Schutzring, leitende Platte und steife Membran mit einem triaxialen Kabel mit Kapazitätsmeßmitteln verbunden sind. Eine Gasdruckquelle, gekoppelt mit einer Seite der weichen Membran und der Zone ein-

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schließlich des Kondensators, gestattet die Eichung der Kapazität als Funktion des an eine Seite der steifen Membran angelegten Drucks. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind gesonderte Gasquellen mit den zwei Zonen zur Eichung verbunden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Zonen oder Regionen zusammen mit der gleichen Druckquelle gekoppelt.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung ist ein Schnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.

Die Zeichnung ist eine Schnittseitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei enthält eine Zone oder Region 10 eine Flüssigkeit, wie beispielsweise flüssiges Natrium, flüssiges Kalium oder dgl., mit einem Druck im Bereich von atmosphärischem Druck bis zu mehreren 100 psi (mehrere Millionen Pa) und mit einer Temperatur, die 1200°F (922K) übersteigen kann. Diese Drücke und Temperaturen seien als charakteristische Werte genannt, sind jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Die einzige Grenze hinsichtlich des Drucks wird durch die mechanische Festigkeit der Struktur gegeben, die leicht derart hergestellt sein kann, daß sie tausenden von psi widersteht. Die Temperatur ist zwischen einem Minimalwert, der ausreicht, die Flüssigkeit zu schmelzen und einem Maximalwert, der ausreicht, um die strukturelle Integrität der Komponenten beizubehalten, begrenzt. Eine weiche Membran 12 berührt die Zone 10 und spricht auf den Druck in der Zone 10 an. Die weiche Membran 12 weist eine steife Scheibe 14, einen Balgen 16 und einen Fuß 18 auf. Balgen 16 umgibt die steife Scheibe 14 und stellt die Verbindung zur Wand 20 her. Der Fuß 18 bewirkt normalerweise eine mechanische Berührung mit der steifen Membran 22, die fest mit ihren Kanten am Kragen 24 befestigt ist. Eine Platte 26 ist ein elektrischer Leiter, der in einer festen Position am Mittelleiter 28 des Triaxialkabels 30 befestigt ist. Mittelleiter 28 ist von einem Innenisolator 32 umgeben, der seinerseits zylindrisch durch Innenleiter 34 umgeben ist. Zwischenisolator 36 umgibt Innenleiter und ist zylindrisch umgeben durch Aussenleiter 38, um so das

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Triaxialkabel 30 zu vervollständigen, welches mit einer üblichen Kapazitätsbrücke verbunden ist. Der Innenleiter 34 ist elektrisch mit dem Schutzring 40 verbunden und sieht für diesen eine mechanische Halterung vor/ wobei ferner ein zylindrischer elektrischer Leiter in üblicher Weise koplanar bezüglich der Platte 26 angeordnet ist, um einen Schutzring für elektrischen Kondensator vorzusehen, der durch Platte 26 und steife Membran 22 gebildet ist. Der Aussenleiter 38 ist elektrisch geerdet und legt diese Erde auch an Kragen 24. Ein erster Zylinder 42 ist mit Kragen 24 und auch mit Kappe 44 verbunden. Kappe 44 ist mit Wand 20 verbunden und dient als Teil von Mitteln zur Lieferung von Gas zum Zwecke der Eichung in der folgenden Weise.

Es ist erforderlich, eine Gasversorgung an der Seite der steifen Membran 22 vorzusehen, die zur Platte 26 hinweist. Es wird darauf mit Zone A Bezug genommen und sie weist das Volumen auf, welches begrenzt ist von der steifen Membran 22, der Innenseite des Kragens 24, des Zwischenisolators 36, des Innenleiters 34, des Innenisolators 32 und des Aussenleiters 38. In der Zeichnung ist der Mittelleiter 28 hohl ausgebildet und steht über Rohr 46 mit einer unter Druck stehenden Gasquelle in Verbindung, die auf diese Weise durch Loch 29 mit Zone A in Verbindung steht. Die Verwendung eines hohen Mittelleiters 28 ist zweckmäßig, wobei aber die Druckverbindung auch dadurch ebenso gut hergestellt werden könnte, daß man ein hohles Rohr durch Innenisolator 32 oder Zwischenisolator 34 führt. Die durch die entgegengesetzte Seite der steifen Membran 22, dem Kragen 24, dem Balgen 16 und die weiche Membran 12 begrenzte Zone ist als Zone B bezeichnet und steht mit einer B-:Gasquelle in Verbindung, und zwar über Rohr 48, ersten Zylinder 42, Loch 50 in einer durch das Innere der Kappe 44 gebildeten Zone und sodann durch Loch 52 in Zone B.

Beim Betrieb des Druckfühlers gibt es zwei Phasen, nämlicn die Eichung und die Messung. Ziel der Eichung ist, eine charakteristische Kurve oder Tabelle der durch die Kapazitätsbrücke gemessenen Kapazität als Funktion der Druckdifferenz zwischen Zonem B und A aufzustellen. Zum Zwecke der Eichung wird die O-Position der steifen Membran 22 zuerst dadurch eingestellt, daß man unter Druck stehendes Gas durch die Rohre 46 bzw. 48 in die Zonen A bzw.

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B einläßt. Eine O-Position wird dadurch festgelegt, daß man den Druck in der Zone A gleich dem Druck in der Zone B macht, wobei jeder dieser Drücke größer gewählt wird als der Druck des flüssigen Metalls in der Zone 10. Dies wird bestimmt durcn die Erhöhung der Drücke in den Zonen A und B miteinander, während die Kapazität beobachtet wird. Wenn sich die Kapazität nicht mehr bei einer Erhöhung des Drucks in den Zonen A und B ändert, so ist es offensichtlich, daß der Druck in Zone B größer wurde als der Druck in Zone C und somit wird die weiche Membran 12 durch diesen Druck von der steifen Membran 22 weggedrückt. Dieser Zustand wird während des ganzen Eichungsvorgangs aufrechterhalten, so daß der Fuß 18 die steife Membran 22 nicht während der Eichung berührt. Eine charakteristische Kurve oder Kennlinie oder eine Tabelle erhält man aus den Kapazitätswerten des durch Platte 26 und steife Membran 22 gebildeten Kondensators als Funktion der Differenz des Drucks zwischen der Zone B und der Zone A. Dies wird dadurch erreicht, daß man in Zone B einen Druck hält, der größer ist als der Druck des flüssigen Metalls in der Zone 10, und dadurch, daß man den Druck in der Zone A reduziert. Es ist eine Routinesache, den Druck der in die Zonen A und B eingeführten Gase für diesen Eichvorgang zu steuern und zu messen.

Nachdem die Kapazitätskurve als Funktion der Druckdifferenz erhalten wurde, ist es notwendig, eine geometrischeMaßstabskorrektur vorzunehmen, um die Fläche der steifen Membran 22 mit der Fläche der steifen Scheibe 14 in Beziehung zu setzen. Diese Umwandlung umfaßt eine Multiplikation des Druckes mit dem umgekehrten Verhältnis der effektiven Flächen der Scheiben und wird nur einmal für jedes Instrument ausgeführt.

Wenn die vorstehende Folge von Messungen und Berechnungen vollendet ist, so ist, so is~t der Fühler betriebsbereit. Dies wird erreicht durch Reduzierung des Drucks in Zone B,bis Fuß 18 den Druck von Zone 10 auf die steife Membran 22 überträgt. Der Betrieb ist dann am einfachsten, wenn die Drücke in Zonen A und B beide auf atmosphärischen Druck reduziert sind, so daß die Druckdifferenz bei Eichung eine Subtraktion des O-Meßgerätedrucks der Atmosphäre umfaßt. Es ist jedoch möglich und kann gelegentlich

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zweckmäßig sein, das Instrument mit einem Druck in dun Koik-h Λ und B zu betreiben, der irgendein anderer Wert als der atmosphärische Wert ist« Dies kann zweckmäßig sein, um die Kapazität des Kondensators beispielsweise in einen gewünschten Bereich für optimale Empfindlichkeit zu bringen oder aber um die Beanspruchung der Membran zu reduzieren. Wenn eine solche Überlegung nicht einschlägig ist, so sieht der Normalbetrieb vor, daß durch Rohre 46 und 48 ein trockenes inertes Gas eingeführt wird, welches auf atmosphärischem Druck gehalten wird. Derartige Gase können Argon und trockener Stickstoff sein.

Fühler wie sie für Anwendungsfälle der hier gezeigten Art verwendet wurden, hatten typischerweise eine einzige Membran, die die Doppelfunktion erfüllte und die Federkonstante vorsah, gegenüber welcher der durch das Flüssigmetall ausgeübte Druck wirkte und auch das flüssige Metall durch Berührung umschloß. Im Gegensatz dazu trennt der hier beschriebene Fühler die Funktionen der Umschließung und der Eichung. Die weiche Membran steht in Berührung mit heißen flüssigen Metallen unter Druck, aber die Federcharakteristika oder Federkonstanten der weichen Membran sind für die Messung nicht signifikant, weil die steife Membran mehrere Größenordnungen steifer gemacht werden kann als die weiche Membran. Sämtliche gemessenen Federcharakteristika sind diejenigen der steifen Membran, die das flüssige Metall nicht berührt. Wenn das flüssige Metall flüssiges Natrium, flüssiges Kalium oder eine Mischung daraus ist, so ist es normalerweise zweckmässig, diejenigen Teile, welche das flüssige Metall berühren, aus einem der rostfreien Stähle der Serie 3OO herzustellen. Dies ist nicht erforderlich für die steife Membran, da diese nicht vom flüssigen Metall berührt wird. Demgemäß kann die steife Membran aus Materialien hergestellt sein, die hinsichtlich der gewünschten elastischen und thermischen Eigenschaften ausgewählt wurden, ohne daß dabei Rücksicht genommen werden muß auf die Beständigkeit gegenüber einer Beschädigung durch flüssige Alkalimetalle. Dies kann von Wichtigkeit sein, da der typische Abstand zwischen den Platten des Kondensators in der Größenordnung von Mikron liegt und der typische durch die Brücke zu messende Kapazitätsbereich in der Größenordnung von 5 bis 20 Picofarad liegt.

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Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel mißt die Kapazität zur Messung der Versetzung, wobei aber klar ist, daß die Messung der Versetzung der steifen Membran das wahre Ziel ist. Die Versetzung könnte ebenso gut induktiv, optisch, elektrisch durch ein Dehnungsmeßgerat oder in irgendeiner anderen für die genaue Messung kleiner Versetzungen bekannten Weise gemessen werden.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit einen Druckfühler vor, bei dem eine weiche Membran mechanisch mit einer steifen Membran gekoppelt ist. Der Druck wird gemessen durch Messung der Versetzung beider Membranen, typischerweise durch Messung der Kapazität zwischen der steifen Membran und einer festen Platte, wenn die steife Membran durchgebogen wird infolge des gemessenen Drucks durch mechanische Kopplung von der weichen Membran. Denn die Absoluteichung wird erreicht durch Einlassen von unter Druck stehendem Gas in die Zone zwischen den Membranen und die Zone zwischen der steifen Membran und der festen Platte, wobei die Kopplung zwischen weichen und steifen Membranen unterbrochen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in schneller Weise absolut geeicht werden.

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Claims

Patentansprüche

Druckfühler in einem Strömungsmittel, g e k e η η-zeichnet durch eine weiche Membran, die auf einer Seite dem Strömungsmittel ausgesetzt ist und auf einer weiteren Seite einer ersten Quelle (B) von Gas mit einem gesteuerten Druck ausgesetzt ist, wobei eine steife Membran (22) vorgesehen ist, die auf einer Seite der ersten Gasquelle und auf der anderen Seite einer zweiten Gasquelle (A) mit einem zweiten Druck ausgesetzt ist, wobei ein mit der weichen Membran (14) verbundener Fuß (18) die Bewegung von der weichen Membran (14) auf die steife Membran (22) überträgt, wenn die Gasdrücke zur Zulassung einer solchen Berührung ausgewählt sind, und wobei schließlich ein Kapazitätsmeßsystem vorgesehen ist, um die Versetzung der steifen Membran (22) zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung der Versetzung der steifen Membran folgendes aufweisen: eine leitende Platte, angeordnet im wesentlichen parallel zur steifen Membran und in dichter Nachbarschaft dazu zur Bildung eines Kondensators, ein Schutzring mit einer leitenden Oberfläche koplanar mit der leitenden Platte in ringförmiger Position um die leitende Platte herum zur Bildung eines Schutzringkondensators mit der leitenden Platte und der steifen Membran, ein Triaxialkabel, bei dem jeweils ein Leiter mit der steifen Membran, der leitenden Platte und dem Schutzring verbunden ist, und eine Kapazitätsbrücke verbunden mit dem Triaxialkabel zur Messung der Kapazität des Kondensators gebildet durch die steife Membran und die leitende Platte, wobei die Kapazität ein Maß für die Versetzung der steifen Membran ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch einen Fuß (18), verbunden mit der weichen Membran auf der zweiten Seite zur Bewirkung eines Stoßeingriffs mit der weichen Membran.

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4. Vorrichtung,insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, zum Einsetzen in die Wand eines Behälters zur Messung des Drucks flüssiger Metalle mit hoher Temperatur in dem Behälter, gekennzeichnet durch: einen ringförmigen Balg verbunden mit der Aussenkante und der Wand des Behälters, eine steife Scheibe verbunden an einer Aussenkante mit einer Innenkante des ringförmigen Balgs und zur Bildung einer weichen Membran damit mit einer ersten Seite freiliegend gegenüber dem Druck in dem Behälter und einer zweiten Seite freiliegend gegenüber einem ersten Gasdruck in einer ersten Zone, einen Fuß verbunden mit der steifen Scheibe auf der zweiten Seite, eine steife Membran befestigt in einer Position an einer Aussenkante und angeordnet im wesentlichen parallel zur weichen Membran, wobei die steife Membran auf einer ersten Seite dem ersten Gasdruck in der ersten Zone ausgesetzt ist, und auf einer zweiten Seite einem zweiten Gasdruck in einer zweiten Zone ausgesetzt ist, wobei die erste Seite den Fuß dann berührt, wenn der Druck im flüssigen Metall die ersten und zweiten Gasdrücke übersteigt und frei vom Fuß dann ist, wenn der Druck im flüssigen Metall kleiner ist als die ersten und zweiten Gasdrücke, und mit einem die Aussenkante der steifen Membran tragenden Kragen,

eine leitende Platte, angeordnet parallel zu und dicht zur steifen Membran zur Bildung eines Kondensators mit dieser, einen hohlen Mittelleiter verbunden mit und zur Halterung der leitenden Platte, wobei dieser Mittelleiter mit einer Quelle für den zweiten Gasdruck verbunden ist, einen ersten Koaxialisolator angeordnet koaxial um den hohlen Mittelleiter herum, einen ersten zylindrischen Mantelleiter, angeordnet koaxial um den ersten Koaxialisolator herum, einen zweiten Koaxialisolator, angeordnet koaxial um den ersten zylindrischen Mantelleiter herum, einen zweiten zylindrischen Mantelleiter, angeordnet koaxial mit dem zweiten Koaxialisolator, wobei die Kombination des hohlen Mittelleiters, des ersten Koaxialisolators, des ersten zylindrischen Mantelleiters, des zweiten Koaxialisolators und des zweiten zylindrischen Mantelleiters ein Triaxialkabel bilden,

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einen kapazitiven Schutzring, angeordnet zum Schutz der leitenden Platte, wobei der Schutzring elektrisch mit dem ersten zylindrischen Mantelleiter verbunden und von diesem getragen wird,

einen ersten Zylinder,verbunden mit dem Kragen und dem Koaxialkabel zur Halterung des Triaxialkabels und zur Bildung eines Teils der ersten Zone mit dem ersten Gasdruck, eine erste zylindrische Kappe, verbunden mit der Wand und dem ersten Zylinder und zur Bildung eines Teils der ersten Zone mit dem ersten Gasdruck, ein erstes Rohr, verbunden durch den ersten Zylinder und mit der Quelle des ersten Gasdrucks, und ein zweites Rohr, verbunden mit dem hohlen Mittelleiter und mit der Quelle des zweiten Gasdrucks, wobei eine Kapazitätsbrücke mit dem Trxaxialkabel in Verbindung steht, um die Kapazität des Kondensators zu messen, der durch die steife Membran und die leitende Platte gebildet ist, wobei diese Kapazität ein Maß für den Druck des flüssigen Metalls ist.

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