DE2932056C2

DE2932056C2 - Vorrichtung zur Dichtigkeitsüberwachung einer ein Fluid enthaltenden Einrichtung

Info

Publication number: DE2932056C2
Application number: DE2932056A
Authority: DE
Inventors: Shigehiro Shimoyashiki; Shigehiro Hitachi Ibaraki Shimoyashiki; Hajime Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-08-07
Filing date: 1979-08-07
Publication date: 1983-09-15
Also published as: US4259861A; FR2433177B1; JPS5522162A; DE2932056A1; FR2433177A1

Description

(a) einen ersten Kalkulator (24, 26). der einen dem Gewicht eines Nebelteilchens des Fluids proportionalen Wert aus dem Ausgangssignal der Steuerschaltung (10) berechnet.

(b) einen Impulshöhenanalysator (28). der diejenigen Signale zählt, die den mit dem ersten Kalkulator (24,26) berechneten, den Gewichten proportionalen Werten entsprechen.

(c) einen zweiten Kalkulator (30). der einen zum Gesamtgewicht des mit dem Metallstück (8) in Berührung gekommenen Fluids proportionalen Wert aus den Ausgangsgrößen des ersten Kalkulators (24, 26) und des Impuishöhenanalysators (28) berechnet, und

(d) einen Komparator (32), der die Ausgangsgröße des zweiten Kalkulators (30) mit einem vorgegebenen Wert vergleicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Steuerschaltung (10) ein Spannungsimpulssignal ist, und daß die dem Metallstück (8) bei Berührung mit dem Nebel zugeführte Joulesche Wärme in dem ersten Kalkulator (24, 26) zur Berechnung des dem Gewicht des Nebelteilchens proportionalen Wertes berechnet wird.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dichtigkeitsüberwachung einer ein Fluid enthaltenden Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der deutschen Patentschrift 5 79 184 sowie aus der schweizerischen Patentschrift 5 68 524 bekannt. Die bekannten Vorrichtungen dienen dazu, Leckstellen insbesondere an Fernheizrohren zu ermitteln. Die an derartigen Rohren im Falle eines Lecks auftretende Feuchtigkeit wird dazu benutzt den Widerstand einer Isolation zwischen zwei längs des Rohres verlaufenden elektrischen Leitern herabzusetzen, so daß das Leck aus dem dann fließenden Fehler- oder Kurzschlußstrom nachgewiesen werden kann.

Die bekannten Vorrichtungen sprechen jedoch nur dann an. wenn verhältnismäßig groiie Fluidmengen austreten. Sie sind daher nicht in der Lage, Leckstellen bereits in einem frühen Stadium festzustellen. Handelt es sich ferner bei dem Fluidum um Natrium, wie es zum Kühlen von Kernreaktoren verwendet wird, so bleibt dieses, wenn es einmal einen Kurzschluß zwischen den beiden Leitern herbeigeführt hat, an diesen haften und erstarrt bisweilen darauf. Wenn das Gerät also einmal in Tätigkeit getreten ist, kann sein ursprünglicher Zustand nicht mehr hergestellt werden, so daß es nicht möglich ist, eine kontinuierliche Leckströmung von Natrium kontinuierlich nachzuweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung zu schaffen, mit der sich das Austreten sehr geringer Mengen eines Fluids, wie etwa Natrium, in einem frühen Stadium und mit hoher Zuverlässigkeit nachweisen läßt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach wird die Verdampfungskälte ausgenutzt, die in einem elektrisch leitenden Metallstück bei Berührung mit dem Fluid entsteht und eine entsprechende Temperaturänderung des vorher auf eine Temperatur oberhalb des Verdampfungspunktes des Fluids erwärmten Metallstücks hervorruft. Auf diese Weise lassen sich bereits sehr geringe Fluidmengen durch den bloßen Kontakt mit dem Metallstück nachweisen, wobei ein

•55 kontinuierlicher Nachweis einer fortgesetzten Leckströmung deshalb möglich ist. weil das Fluid von der Oberfläche des Metallstücks abgedampft wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Natriumleck-Nachweisapparatur gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung von Spannungsimpulssignalen, wie sie durch einen in der Schaltung der F i g. 1 vorgesehenen Photorecorder nachgewiesen

werden,

F i g. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Natriumleck-Nachweisapparatur gemäß der Erfindung, ι

F i g. 4 eine Kurve, die das Ergebnis der Impulshöhenanalyse von Impulssignalen gemäß F i g. 2 durch einen in der Schaltung der Fig.3 vorgesehenen Impulshöhenanalysator zeigt, und

F i g. 5{a), 5{b) und 5(c) Schnittansichten von möglichen Anordnungen des elektrisch leitenden Metalls zum Nachweis von N itrium in einem NachweisteiL

F i g. 1 zeigt die Schaltungsanordnung einer Apparatur zur Feststellung von aus einem Rohr auslaufendem Natrium bei einem natriumgekühlten Schnellen Brüter. Gemäß Fig. 1 strömt Natrium im Inneren eines Kühlrohres 2. Außerhalb des Kühlrohres 2 liegt ein Rohr 4, so daß zwischen den beiden Rohren 2 und 4 ein wärmeisolierender Raum 6 ausgebildet wird. Im wärmeisolierenden Raum 6 ist ein Sensor zum Nachweis von Natriumnebel angeordnet Der Sensor besteht aus einem elektrisch leitenden Metallstück 8 mit kleiner Wärmekapazität und hat die Form eines Drahtes oder einer Folie. Das Metaüstück 8 bildet einen in einer Steuerschaltung 10 enthaltenen Widerstand Rh-Die Steuerschaltung 10 weist einen Temperaturabfall des Sensors, der auftritt, wenn der Natriumnebel beim Auftreffen auf das Metallstück 8 verdampft, als Abfall des elektrischen Widerstands Rh nach und erzeugt ein der Temperaturänderung entsprechendes Signal. Sie wirkt auch dahingehend, daß die ursprüngliche Temperatur des Sensors in kurzer Zeit wiederhergestellt wird. Die Steuerschaltung besteht aus einer Brückenschaltung, die den Widerstand Rh als einen Zweig hat, und einer Stromrückkopplungsschaltung 16, die einen Stromverstärker 14 zur Stromverstärkung einer unabgeglichenen Spannung, die an der Brückenschaltung 12 infolge der Temperaturänderung des Sensors steht, enthält und dazu dient, einen Strom vom Stromverstärker 14 zurück zur Brückenschaltung 12 zu führen. Die Brückenschaltung 12 setzt sich aus dem Widerstand Rh, to zwei festen Widerständen Äi und R2 sowie einem variablen Widerstand Ri zusammen und wird zunächst einmal in den abgeglichenen Zustand (Rt ■ /?2 = Ri ■ Rh) gebracht. Die Temperatur des Sensors wird über der Temperatur des Natriumnebels gehalten.

Im Falle eines Natriumlecks durchläuft der Natriumnebel den Wärmeisolationsraum 6 und trifft auf die Oberfläche des Sensors. Da die Temperatur des Natriumnebels unter der des Sensors liegt, wird das Natrium erwärmt und verdampft. Dem Sensor wird die Verdampfungswärme de.> Natriums entzogen, so daß seine Temperatur und gleichzeitig damit sein elektrischer Widerstand sinkt. Infolgedessen erscheint eine unabgegiichene Spannung Ae zwischen den beiden Anschlüssen a und b der Brückenschaltung 12. Der Stromverstärker 14 unterwirft die unabgegiichene Spannung Ae einer Stromverstärkung, und der verstärkte Strom / wird auf die Brückenschaltung 12 rückgekoppelt. Wenn die einzelnen Widerstände der Brückenschaltung vorweg so gewählt worden sind, daß

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gilt, fließt der meiste Rückkopplungsstrom / auf die Seite des Sensors und wird zur Erzeugung von Joulescher Wärme im Sensor verwendet. Aus diesem Grund steigt die Temperatur des Sensors in kurzer Zeit wieder an und sein elektrischer Widerstand Rn nimmt zu. Der Rückkopplungsstrom / wird der Brückenschaltung 12 so lange zugeführt, bis sie dank der Wiederherstellung des ursprünglichen elektrischen Widerstands Rh wieder den abgeglichenen Zustand einnimmt Die Ansprechgeschwindigkeit in diesem Zeitintervall, mit anderen Worten die Zeitdauer, bis die Brückenschaltung 12 wieder abgeglichen ist, ist ungefähr gleich dem Kehrwert der Verstärkung g_m (= UAe) des Stromverstärkers 14. Eine Ansprechgeschwindigkeit entsprechend einem g_m = 10⁵, d. h. einer Größenordnung von 10 us, läßt sich leicht erreichen. In diesem Fall wird, um die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen, der Widerstand Rh im abgeglichenen Zustand der Brücke so hoch wie möglich gemacht Das heißt, die Temperatur des Sensors wird hoch gewählt Dies geschieht durch Erhöhung des variablen Widerstands R>

In einem Zähler 18 wird über eine feste Zeit die Anzahl der Impulssignale V, die Auigangsspannungen der Steuerschaltung 10 sind, gezählt Das vom Zähler 18 zu zählende Signal kann günstigerweise der Rückkopplungsstrom / sein. F i g. 2 zeigt Ze Verläufe von Spannungssignalen V. die mit einem Photorecorder 20 beobachtet wurden, wenn der Nebel auf einen Sensor trifft, der durch einen Wolframdraht mit einem Durchmesser von 5 μΐη und einer Länge von i mm gebilde« ist. Hierbei waren die Widerstände R_x = 10Ω, A₂= 100 Ω, R₃ = 100 Ω und R_H = 10 Ω, die Temperatur des Sensors 8 betrug 603 K (330⁰C) die Stromverstärkung g_m = 10⁴, die Temperatur des Natriumnebels betrug ungefähr 420 K (150⁰C), und d^:e Teilchengröße des Nebels war 10 bis 20 μιη. Wie in F i g. 2 dargestellt, wird jedesmal, wenn der Nebel auf den Sensor trifft, ein deutliches Spannungsimpulssignal erzeugt. Das Zählen der Anzahl von Impulsen läßt sich mit einer bekannten Technik zufriedenstellend durchführen.

Die Anzahl N (/Sekunde) der vom Zähler 18 über die bestimmte Zeit gezählten Spannungssignale V wird auf einen Komparator 22 gegeben und mit einem vorgegebenen Wert N₀ (/Sekunde) verglichen. Wenn N > No, wird entschieden, daß ein Natriumleck aufgetreten ist.

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform. Diese Ausführungsform entscheidet, ob ein Leck vorliegt, durch quantitative Bestimmung der Menge an Leck-Natriumnebel und Vergleich der bestimmten Menge mit einem vorgegebenen Wert. Bei der in F ι g. 1 gezeigten Ausführungsform beruht also die Entscheidung, ob ein Leck vorliegt, allein auf der Zahl der Natriumnebelteilchen, während die Ausführungsform der F i g. 2 auch die Größe der Natriumnebelteilchen berücksichrigt und die Natriumleckmenge über das Gewicht abschätzt

Das Entscheidende dieser Ausführungsform ist. daß das Gewicht eines Natriumnebelteilchens, das mit dem Sensor zusammengestoßen ist. aus der Größe des auf einer Änderung der Spannung oder des Stroms in der Steuerschaltung i0 basierenden ImpulssignJs V'und dis Gesamtgewicht des Nebels durch eine Irr.pulshöhenanalyse berechnet wird, wobei der sich dabei ergebende Wert mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird.

In F i g. 3 ist die .Steuerschaltung 10 mit der in F i g. 1 gezeigten identisch, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben.

Sei nun angenommen, daß ein Neb^lteilchen mit einem Durchmesser d (in μπι) nach Zusammenstoß mit dem Sensor und Anhaften daran kontinuierlich verdampft, dann ist dit Verdampfungswärme Eo, die das Nebelteilchen dem Sensor 8 bis zur vollständieen

Verdampfung entziehi, gegeben durch

E_n = -£· cl^y ρ [CiT₁₁ -T₁,)
6

10

wobei bezeichnet

p: Dichte des Nebels,

c: Spezifische Wärme des Nebels.

T₁₁: Temperatur des Sensors.

Tp\ Temperatur des Nebels, und

/;: Verdampfungswärrne des Nebels.

Andererseits läßt sich die dem Sensor im Zeitintervall /ugeführte Wärmemenge Q, durch den Rückkopplungsstrom / oder die Ausgangsspannung V der Steuerspannung 10 folgendermaßen ausdrücken:

überführt. Wie weiter oben ausgeführt, ist der quadrierte und integrierte Wert S, eine Größe, die der dem Sensor beim Zusammenstoß mit dem Nebel zugeführten Joulesehen Wärme Q₁ proportional ist, d. h. der Wärme E₀. die der auftreffenden Nebel dem Sensor entzieht. Demzufolge ist dieser Wert auch dem Gewicht des auftreffenden Nebels proportional.

Das quadrierte und integrierte Signal 5, wird auf einem Impulshöhenanalysator 28 gegeben, in welchem die Impulshöhenverteilung der innerhalb einer festen Zeit beobachteten Signale bzw. die Anzahl N, der mit dem Sensor innerhalb der festen Zeit zusammentreffenden Nebelteilchen für jeden quadrierten und integrierten Wert S, bestimmt wird. Ferner wird das Gesamtgewicht

Q₁ = J R₁₁ U² - I₁])

dt

R₁₁

wobei

V₀:

(Ä, + R₁₁)²

dem Sensor bei Abwesenheit des Nebels zugeführter Strom.

Ausgangsspannung bei Abwesenheit des Nebels und

Zeitdauer bis zur Beendigung der Verdampfung nach dem Auftreffen des Nebels.

Da die ursprüngliche Temperatur des Sensors wiederhergestellt wird, gilt Q, = E₀. Daneben werden der Widerstand Rh sowie die Materialeigenschaften ρ. c und ή durch die Sensortemperatur bestimmt. Aus obigen zwei Gleichungen erhält man die Beziehung zwischen dem Durchmesser d des Nebelteilchens und der Ausgangsspannung Vfolgendermaßen:

d¹ =x \(V² -

wobei

6 · 10¹² · R„

.T(R₁ + R„)²p{c(T„ -T_P) + h)

Der Wert, den man durch Quadrieren der Ausgangsspannungen V und nachfolgendes Integrieren der quadrierten Ausgangsspannungen erhält, steigt also proportional zur dritten Potenz des Durchmessers der auf den Sensor treffenden Nebelteilchen, d h. proportional zum Gewicht des Nebels.

Bei der gerade beschriebenen Ausführungsform werden daher die Spannungssignale Vzunächst auf eine Quadriereinheit 24 und nachfolgend auf eine Integriereinheit 26 gegeben. Damit werden die Spannungssignale Vin einen quadrierten und integrierten Wert

S, = V²Ut

V 1-0 '

des mit dem Sensor zusammengestoßenen Nebels in einem Kalkulator 30 berechnet und einem Komperator 32 eingegeben. Im Komperator 32 wird entschieden, daß ein Leck vorliegt, wenn das Gesamtgewicht M des aufgetroffenen Nebels einen bestimmten Wert Ma überschreitet.

Da der quadrierte und integrierte Wert Si der Spanriungssignale V, wie oben ausgeführt, der Jouleschen Wärme Qi proportional ist, ist es auch möglich, die Anzahl M der mit dem Sensor in der festen Zeit zusammentreffenden Nebelteilchen für jede Joulesche Wärme Q, zu gewinnen, worauf das Gesamtgewicht

Ml -r V

des Nebels mittels des Kalkulators 30 berechnet wird. F i g. 4 zeigt eine Impulshöhenverteilung, die durch Q, (zugeführte joulesche Wärme) und Λ/, (Anzahl der Signale mit Q) ausgedrückt ist. Ein durch Flächenintegration der Verteilungskurve mit dem Kalkulator 30 gewonnener Wert ist proportional dem Gesamtgewicht M
Im folgenden werden Beispiele des den Sensor bildenden Metallstücks 8 beschrieben. Material und Form des Sensors werden so gewählt, daß sie folgende Bedingungen erfüllen:

(i) Das Material ist elektrisch leitend und sein Widerstand ändert sich stark mit der Temperatur des Sensors. Das heißt, der spezifische Widerstand ist hoch.

(ii) Das Material ist beständig gegen eine Berührung mit dem chemisch stark aktiven Natrium. Ebenso ist es beständig gegen einen Einsatz unter hohen Temperaturen. Im besonderen ist die mechanische Festigkeit hoch.

(iii) Um die Temperaturänderung des Sensors beim Zusammentreffen mit dem Nebel groß zu machen, kann die Wärmekapazität des Sensors klein gemacht sein. Die Oberfläche kann groß sein, um die Auftreffwahrscheinlichkeit des Nebels anzuheben.

jedes Metall, das obige Bedingungen erfüllt, kann eingesetzt werden, Wolfram und Nickel sind jedoch bevorzugt Hinsichtlich der Form ist ein Draht einer Dicke von 5 bis 10 μπι oder eine Folie einer Dicke von 1

bis 10 (im, die nach bekannten Techniken hergestellt werden können, geeignet. Die Fig.5(a). 5(b) und 5(c) zeigen Beispiele, bei welchen verschiedene Sensoren auf Rohren angebracht sind. Im Beispiel der Fig. 5(a) sind zwei Zuleitungen 34 und 36 geradlinig durch einen "> Metalldraht 37 verbunden. Teile 38 und 40, in denen die Zuleitungen 34 und 36 das Wärmeisolationsrohr 4 durchsetzen, sind elektrisch isolierend. Diese Form ist giinst'^ hinsichtlich der Wärmekapazität und mechanischen Festigkeit, hat aber den Nachteil einer kleinen "· Oberfläche. Das Beispiel der Fig. 5{b) ist eine Abwandlung des Ueispiels der Fig.5(a) und hat einen Aufbau, bei welchem ein Metalldraht 42 das Natriumrohr 2 zum Zwecke der Vergrößerung der Oberfläche umgibt. In diesem Fall sind die Wärmekapazität und mechanische Festigkeit nicht so gut wie im Beispiel der Fig.5(a).

Das Beispiel der Fig.5(c) benützt eine Metallfolie anstelle des Metalldrahts. Die Metallfolie 44 umgibt wie bei F i g. 5(b) das Natriumrohr 2. In diesem Beispiel wird das Wärmeisolationsrohr 4 als die eine Zuleitung (Erdanschluß E) verwendet, während die andere Zuleitung das Wärmeisolationsrohr 4 durchdringt. In diesem Fall sind die mechanische Festigkeit und Oberfläche günstig, es besteht aber der Nachteil, daß die Wärmekapazität groO ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dichtigkeitsüberwachung einer ein Fluid enthaltenden Einrichtung, die aus einem außerhalb der zu überwachenden Einrichtung angeordneten elektrischen Stromkreis mit einem elektrisch leitenden Metallstück nahe der zu überwachenden Einrichtung und einer Nachweiseinrichtung, die auf die durch ein Leck bewirkte Widerstandsänderung in dem Metallstück anspricht, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück (8) auf eine Temperatur oberhalb des Verdampfungspunktes des Fluids erwärmt ist, und daß die Nachweiseinrichtung (10, 14, 18... 32) auf die Strom- oder Spannungsänderung anspricht, die durch die auf der Verdampfung des Fluids an dem Metallstück (8) beruhende Temperaturänderung hervorgerufen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, faß die Nachweiseinrichtung eine Steuerschaltung <ίθ) enthält, die dem Metallstück (8) einen elektrischen Strom zuführt, der nach Auftreten eines Lecks die ursprüngliche Temperatur des Metallstücks (8) zur Beseitigung der Temperaturänderung wiederherstellt und ein der Temperaturänderung entsprechendes Ausgangssignal liefert

3. Vorrichtung nach Ansprt<ch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Brückenschaltung (10), in deren einen Zweig das Metallstück (8) eingeschaltet ist, sowie einen Rückkopplungskreis (14,16) zur Beaufschlagung der Brückenschaltung (10) mit deren Ausgangssignal umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe ?us den Widerständen des Metallstücks (8) und des mi: !hm bezüglich des Rückkopplungssignals in Serie liegenden Brückenzweiges (R 1) klein ist im Verhältnis zur Summe aus den Widerständen der beiden übrigen Brückenzweige (R 2. A3).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung einen Zähler (18) zur Ermittlung der im Ausgangssignal der Steuerschaltung (10) enthaltenen Anzahl von Impulsen aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung folgende Schaltungsstufen enthält: