DE3202744A1 - ULTRASONIC TEMPERATURE MEASURING PROBE - Google Patents

ULTRASONIC TEMPERATURE MEASURING PROBE

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Description

ULTRASCHALL-TEMPERATtJRMESSONDEULTRASONIC TEMPERATURE PROBE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Temperaturmeßsonde mit einem länglichen Sensordraht, einem diesen umgebenden Hüllrohr und einen Magnetsystem, über das einerseits Ultraschallimpulse auf ein Ende des Sensordrahts gegeben und andererseits Ultraschallechos von diesem Draht auf eine Auswerteelektronik übertragen werden, wobei die Verzögerungszeit zwischen den Echos von definierten Reflexionsstellen des Sensors als Maß für die zu messende Temperatur ausgewertet wird.The invention relates to an ultrasonic temperature measuring probe with an elongated sensor wire, a surrounding tube and a magnet system, via which on the one hand ultrasonic pulses are applied to one end of the sensor wire and on the other hand Ultrasonic echoes are transmitted from this wire to evaluation electronics, the delay time between the echoes from defined reflection points of the sensor as a measure of the temperature to be measured is evaluated.

Ultraschallthermometer dienen zur Messung sehr hoher Temperaturen jenseits von 15000C, wie sie beispielsweise in Brennstoffsäulen von Kernreaktoren auftreten. Solche Thermometer sind beispielsweise aus der US-PS 4 020 bekannt. Der Sensordraht ist durch ein Schutzrohr gegen schädliche Umwelteinflüsse geschützt. Bei den betrachteten Betriebstemperaturen können Stoffumwandlungen und Diffusionserscheinungen auftreten, die zu einem Verkleben des Sensordrahts mit seinem Schutzrohr führen und somit die Ultraschall-Signalfortpflanzung auf dem Sensordraht beeinträchtigen. Die daraus entstehenden Störechos können die Meßergebnisse überlagern und ihre Auswertung in Frage stellen. Dieses Verkleben des Sensordrahts im Hüllrohr führte in der Vergangenheit bei hohen Temperaturen schnell dazu, daß das Thermometer unbrauchbar wurde und ausgetauscht werden mußte. In der erwähnten US-PS wird daher empfohlen, Abstandstücke zwischen dem Sensordraht und dem Hüllrohr an solchen Stellen anzubringen, wo eine Signal reflexion ohnehin auftreten soll oder wo ein Störecho toleriert werden kann. Dadurch wird die Unsicherheit über den Ort aufge-Ultrasonic thermometers are used to measure very high temperatures beyond 1500 0 C, as they occur, for example, in fuel columns of nuclear reactors. Such thermometers are known, for example, from US Pat. No. 4,020. The sensor wire is protected against harmful environmental influences by a protective tube. At the observed operating temperatures, material conversions and diffusion phenomena can occur, which lead to the sensor wire sticking to its protective tube and thus impair the ultrasonic signal propagation on the sensor wire. The resulting false echoes can overlay the measurement results and call their evaluation into question. In the past, this sticking of the sensor wire in the cladding tube quickly led to the thermometer becoming unusable and having to be replaced at high temperatures. In the above-mentioned US-PS it is therefore recommended to attach spacers between the sensor wire and the cladding tube in such places where a signal reflection should occur anyway or where a false echo can be tolerated. This increases the uncertainty about the location.

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hoben, an dem das Verkleben auftreten kann. Eine solche Maßnahme läßt sich aber nur beschränkt anwenden, da nicht immer genügend Stellen auf dem Sensordraht vorhanden sind, an denen ein Echo toleriert werden kann. Außerdem wird durch die Abstandshalter das unerwünschte Verkleben des Sensordrahts im Hüllrohr geradezu begünstigt. where sticking can occur. However, such a measure can only be applied to a limited extent, since there are not always enough places on the sensor wire where an echo can be tolerated. In addition, the spacers actually promote the unwanted sticking of the sensor wire in the cladding tube.

Eine andere Lösung dieses Problems ist in der DE-OS 27 35 908 beschrieben. Dort wird die Wärmeausdehnung des Sensordrahts und des Hüllrohrs zugunsten einer Relativbewegung zwischen beiden bei großen Temperatursprüngenjausgenützt. Durch diese Relativbewegungen werden Verklebungen wieder gelöst, so daß das Thermometer wieder brauchbar wird. Dieses Verfahren bringt jedoch nur dann Erfolg, wenn die Temperatur im Umkreis des Thermometers in regelmäßigen Abständen geändert werden kann. Im Fall eines Thermometers für einen Kernbrennstab bedeutet dies eine Abschaltung des Kernreaktors.Another solution to this problem is described in DE-OS 27 35 908. There is thermal expansion of the sensor wire and the cladding tube are used in favor of a relative movement between the two in the event of large temperature jumps. Due to these relative movements, adhesions are loosened again, so that the thermometer again becomes useful. However, this method is only successful if the temperature is in the vicinity of the thermometer can be changed at regular intervals. In the case of a thermometer for a nuclear fuel rod means this is a shutdown of the nuclear reactor.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschallthermometer der eingangs genannten Art anzugeben, das Verklebungen zwischen dem Hüllrohr und dem Sensordraht unter Verzicht auf Abstandshalter und Temperatursprünge verhindert oder beseitigt.The object of the invention is to provide an ultrasonic thermometer of the type mentioned at the outset, the adhesive bond between the duct and the sensor wire, dispensing with spacers and temperature jumps prevented or eliminated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensordraht mechanisch durch das Magnetsystem hindurch nach hinten verlängert ist und in der beweglichen-Membran eines mechanischen Impulsgebers mündet, der periodisch Impulse liefert, derart, daß der Sensor gegen die Kraft einer Druckfeder kurzzeitig aufgrund der Druckimpulse in Längsrichtung aus seiner Ruhelage verschoben wird.According to the invention, this object is achieved in that the sensor wire mechanically passes through the magnet system is extended to the rear and opens into the movable membrane of a mechanical pulse generator, the periodically supplies pulses, such that the sensor is briefly due to the force of a compression spring the pressure pulse is shifted in the longitudinal direction from its rest position.

Die Verschiebungen des Sensors in Längsrichtung erfolgen vorzugsweise außerhalb der Meßzyklen und in regelmäßigem zeitlichem Abstand. Auf diese Weise werden Brücken zwischen dem Sensordraht und dem Hüllrohr frühzeitig zerbrochen bzw. am Entstehen gehindert.The displacements of the sensor in the longitudinal direction are preferably carried out outside of the measuring cycles and in regular time intervals. In this way, bridges between the sensor wire and the cladding tube are created early broken or prevented from arising.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.With regard to features of preferred embodiments of the invention, reference is made to the subclaims.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe der einzigen Zeichnung näher erläutert, die ein erfindungsgemäßes Thermometer im Schnitt zeigt.The invention is described below on the basis of a preferred exemplary embodiment with the aid of the single drawing explained in more detail, which shows a thermometer according to the invention in section.

In der Figur ist eine Brennstoffsäule eines Kernreaktors dargestellt, die aus einer Stapelung von zylinderförmigen Brennstoffpellets 1 mit kreisringförmigem Querschnitt in einem Brennstoffrohr 2 besteht. Das Rohr besitzt eine senkrechte Mittelachse 3 und ist unten mit einem Endstopfen 4 verschlossen. Oben ist das Brennstoffrohr 2 mit einem Stopfen 5 verschweißt, in den zylindrisch ein Thermometerhüllrohr 6 über ein kurzes Führungsrohr fest eingesetzt ist. Dieses Hüllrohr durchdringt den ganzen Pelletstapel und endet unten kurz vor dem Verschlußstopfen 4.In the figure, a fuel column of a nuclear reactor is shown, which consists of a stack of cylindrical Fuel pellets 1 with a circular cross-section in a fuel tube 2 consists. The pipe has a vertical central axis 3 and is closed with an end plug 4 at the bottom. At the top is the fuel pipe 2 is welded to a stopper 5, into which a thermometer casing tube 6 is cylindrical over a short guide tube is firmly inserted. This cladding tube penetrates the entire pellet stack and ends at the bottom just before the sealing plug 4th

Zwischen dem Stopfen 5 und dem obersten Brennstoffpellet 1 sitzt konzentrisch um das Führungsrohr 7 herum eine Druckfeder 8, die eine Längenänderung des Pelletstapels aufgrund von Temperaturänderungen ermöglicht.Between the stopper 5 and the uppermost fuel pellet 1 sits concentrically around the guide tube 7 a compression spring 8, which allows a change in length of the pellet stack due to temperature changes.

Das Hüllrohr wird in seiner ganzen Länge von einem Sensordraht 9 durchzogen, der an solchen Stellen Einschnürungen aufweist, an denen ein Echo erzeugt werden soll. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur eine Einschnürung 10 gezeigt, die sich knapp oberhalb desThe cladding tube is traversed in its entire length by a sensor wire 9, which constrictions at such points at which an echo is to be generated. In the illustrated embodiment, there is only one Constriction 10 shown, which is just above the

Pelletstapels befindet. Aus der Laufzeit von Ultraschallimpulsen zwischen dieser Einschnürung 10 und dem unteren Ende des Sensordrahtes läßt sich die mittlere Temperatur des Pelletstapels ableiten.Pellet stack is located. From the transit time of ultrasonic pulses between this constriction 10 and the lower end of the sensor wire can be the Derive the mean temperature of the pellet stack.

Der Sensordraht durchläuft oberhalb des Stopfens 5 ein Magnetsystem, das aus einem Permanent-Magnet 11 und einem Elektromagneten 12 besteht. Die zur Achse 3 konzentrische Spule des Elektromagneten 12 wird einerseits mit den Ultraschallimpulsen beaufschlagt, die den Sensordraht durchlaufen sollen, und dient andererseits als Meßspule für die Echosignale. Der Auswerteschaltkreis und der Impulsgeber sind der Einfachheit halber in der Figur weggelassen worden. Sie sind über ein Anschlußkabel 13 mit der Spule verbunden. Der Sensordraht 9 besteht im Bereich des Magnetsystems aus magnetostriktivem Material.The sensor wire runs through a magnet system above the plug 5, which consists of a permanent magnet 11 and an electromagnet 12. The concentric to the axis 3 coil of the electromagnet 12 is on the one hand acted upon by the ultrasonic pulses that are to pass through the sensor wire, and serves on the other hand as a measuring coil for the echo signals. The evaluation circuit and the pulse generator are simplicity has been omitted in the figure for the sake of They are connected to the coil via a connecting cable 13. Of the Sensor wire 9 consists of magnetostrictive material in the area of the magnet system.

Das obere Ende des Sensordrahtes 9 ist mit einem Zentrierkopf 14 versehen, der in einem das Brennstoffrohr 2 nach oben verlängernden Thermometergehäuserohr 15 in Achsrichtung beweglich gelagert ist und zugleich die bewegliche Membran eines Faltenbalges 16 bildet. Eine Feder 17 stützt sich auf dem Magnetsystem 12 und dem Zentrierkopf 14 ab und drückt letzteren in Abwesenheit weiterer Kräfte gegen Anschläge 18, die an der Innenwand des Gehäuserohrs 15 angebracht sind.The upper end of the sensor wire 9 is provided with a centering head 14, which is in a fuel pipe 2 upwardly extending thermometer housing tube 15 is movably mounted in the axial direction and at the same time the movable membrane of a bellows 16 forms. A spring 17 is supported on the magnet system 12 and the centering head 14 and presses the latter in the absence of further forces against stops 18 that are attached to the Inner wall of the housing tube 15 are attached.

Der Faltenbalg 17 ist im wesentlichen zylinderförmig und endet oben in einem im Gehäuse festgelegten Stopfen 19, der von einem Kapillarrohr 20 durchdrungen ist. Durch dieses Kapillarrohr werden im Betrieb Druckimpulse in den Faltenbalg geleitet, so daß der Zentrierkopf kurzzeitig aufgrund der Druckimpulse in Längsrichtung aus seiner Ruhelage verschoben wird.The bellows 17 is essentially cylindrical and ends at the top in a fixed in the housing Stopper 19, which is penetrated by a capillary tube 20. Pressure pulses are generated through this capillary tube during operation guided into the bellows, so that the centering head briefly due to the pressure pulses in the longitudinal direction is shifted from its rest position.

Der Faltenbalg ist nicht koaxial im Gehäuserohr angeordnet, sondern leicht exzentrisch, um Platz zu schaffen für das Kabel 13 des Magnetsystems. Zu diesem Zweck ist der Faltenbalg exzentrisch an dem zentrischen Zentrierkopf befestigt. Das Gehäuserohr ist oben durch eine Abschlußkappe 21 verschlossen, durch die das Kabel 13 und das Kapillarrohr 20 hindurchtreten.The bellows is not arranged coaxially in the housing tube, but slightly eccentric to make room create for the cable 13 of the magnet system. For this purpose, the bellows is eccentric on the centric one Centering head attached. The housing tube is closed at the top by an end cap 21 through which the cable 13 and the capillary tube 20 pass through.

Im Betrieb werden je nach Bedarf in kürzeren oder größeren Abständen Druckimpulse auf das Kapillarrohr 20 gegeben, durch die der Sensordraht in Längsrichtung kurzzeitig verschoben wird, so daß eventuelle Brücken zwischen dem Sensordraht 9 und dem Hüllrohr 6 zerbrochen werden. Selbstverständlich sind Temperaturmessungen während der Dauer der Druckimpulse nicht möglich. Die Druckimpulse dauern jedoch nicht lange, so daß das Thermometer praktisch unbeschränkt zur Verfügung steht.During operation, pressure pulses are applied to the capillary tube at shorter or longer intervals as required 20 given, through which the sensor wire is briefly shifted in the longitudinal direction, so that possible Bridges between the sensor wire 9 and the cladding tube 6 are broken. Temperature measurements are a matter of course not possible during the duration of the pressure impulses. However, the pressure pulses do not last long, so that the thermometer is practically unlimited.

Im Rahmen der Erfindung könnte der Faltenbalg auch durch einen anderen mechanischen Impulsgeber, beispielsweise ein elektromagnetisches System, ersetzt sein, und der Sensordraht könnte mehr als eine Einschnürung 10 aufweisen, etwa um ein ganzes Temperaturprofil über die Höhe des Reaktorkerns zu erfassen. Da es keinerlei Abstützungen zwischen dem Sensordraht und dem Hüllrohr gibt, ermöglicht das erfindungsgemäße Thermometer eine hohe lokale Auflösung eines solchen Profils.In the context of the invention, the bellows could also through another mechanical pulse generator, for example an electromagnetic system, be replaced, and the Sensor wire could have more than one constriction 10, for example by an entire temperature profile to record the height of the reactor core. Since there is no support whatsoever between the sensor wire and the cladding tube gives, the thermometer according to the invention enables a high local resolution of such a profile.

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Claims (1)

71 J·- - ')71 J - - ') EURQPÄISCIIE ATOMGEMEINSCIIAFT (EURATOM) Bätiment Jean Monnet, Plateau du Kirchberg Boite Postale 1907, LUXEMBURGEURQPÄISCIIE ATOMGEMEINSCIIAFT (EURATOM) Bätiment Jean Monnet, Plateau du Kirchberg Boite Postale 1907, LUXEMBOURG ULTRASCIIALL-TEMPERATURMESSONDEULTRASCIIALL TEMPERATURE PROBE 1- Ultraschall-Temperaturmeßsonde mit einem länglichen Sensordraht (9), einem diesen umgebenden Hüllrohr (6) und einem Magnetsystem (12), über das einerseits Ultraschal !impulse auf ein Ende des Sensordrahts gegeben und andererseits Ultraschallechos von diesem Draht auf eine Auswerteelektronik übertragen werden, wobei die Verzögerungszeit zwischen den Echos von definierten Reflexionsstellen (10) des Sensors als Maß für die zu messende Temperatur ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensordraht (9) mechanisch durch das Magnetsystem (12) hindurch nach hinten verlängert ist und in der beweglichen Membran (14) eines mechanischen Impulsgebers (16) mündet, der periodisch Impulse liefert, derart, daß der Sensor gegen die Kraft einer Druckfeder (17) kurzzeitig aufgrund der Druckimpulse in Längsrichtung aus seiner Ruhelage verschoben wird.1- Ultrasonic temperature measuring probe with an elongated sensor wire (9), a jacket tube (6) surrounding it and a magnet system (12) via which, on the one hand, ultrasonic pulses are applied to one end of the sensor wire and on the other hand, ultrasonic echoes are transmitted from this wire to evaluation electronics, wherein the delay time between the echoes from defined reflection points (10) of the sensor as a measure is evaluated for the temperature to be measured, characterized in that the The sensor wire (9) is mechanically extended backwards through the magnet system (12) and in the movable membrane (14) of a mechanical pulse generator (16) opens, which periodically supplies pulses, such that the sensor against the force of a compression spring (17) briefly due to the pressure pulses in Is shifted longitudinally from its rest position. 2 - Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Impulsgeber als zylindrischer Faltenbalg (16) ausgebildet ist, der über ein Rohr (20) mit Luftdruckimpulsen versorgt ist.2 - probe according to claim 1, characterized in that the pulse generator is a cylindrical Bellows (16) is formed, which is supplied with air pressure pulses via a pipe (20). 3 - Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelachse des Faltenbalges (16) leicht verschoben zur Achse (3) des Sensordrahts (9) liegt und daß die Membran (14) als ein konzentrisch zur Achse des Sensordrahts liegender Zentrierkopf ausgebildet ist.3 - probe according to claim 2, characterized in that the central axis of the bellows (16) is slightly shifted to the axis (3) of the sensor wire (9) and that the membrane (14) is designed as a concentric to the axis of the sensor wire lying centering head.
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