DE3246687A1

DE3246687A1 - Temperaturmessvorrichtung

Info

Publication number: DE3246687A1
Application number: DE19823246687
Authority: DE
Inventors: Pierre 91430 Igny Bertrand
Original assignee: Sereg SA
Current assignee: Sereg SA
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1982-12-16
Publication date: 1983-06-30
Also published as: US4666656A; FR2518747B1; FR2518747A1

Description

PRINZ, BUNKE & PARTNER

Patentanwälte · E'jrcpear. Patent AttOrnteys

München Stuttgart

16. Dezember 1982

SEREG, S.A.

12, place des Etats-Unis

92120 MONTROUGE /Frankreich

Unser Zeichen: G 1524

Temperaturmeßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßvorrichtung zur Messung der Temperatur in einem Fluid, z.B. einem fluiden Medium, das in der Kanalisation eines Wärmetauscherkreises eines Kernkraftwerkes zirkuliert.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, in einen fluiddichten Schacht eingebaut zu werden, der in die Kanalisation eingesetzt wird, wobei diese Vorrichtung im wesentlichen eine Stange aufweist, die in das Innere des Schachtes geschoben werden soll und an ihrem unteren Ende gegen-den Schachtboden angelegt wird, wobei diese Stange in der Nähe dieses Endes einen Temperaturfühler aufweist.

Eine solche Vorrichtung ist z.B. in der US-PS 3 281 beschrieben. Eine ähnliche Vorrichtung, die jedoch für eine andere Verwendung vorgesehen ist, ist in der US-PS 2 266 416 beschrieben.

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Das bei der Konstruktion derartiger Vorrichtungen angetroffene Hauptproblem ist das der Wärmeträgheit. Zwar ist es erwünscht _t die für die Messung erforderliche Zeit zu vermindern,, insbesondere bei der oben erwähnten Hauptanwendung der Erfindung, jedoch kann auf umfangreiche Metallmassen zwischen dem Element, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dem Meßfühler nicht verzichtet werden, und diese Massen sind verantwortlich für eine Meßverzögerung, die der für den Wärmeübergang in diesen Massen erforderlichen Zeitspanne entspricht.

Bei der vorgesehenen Anwendung, wie bei der US-PS 3 281 518, bewirkt die Wandung des Schachtes eine Meßverzögerung, die um so größer ist, je massiver dieser Schacht ausgebildet ist, welcher imstande sein muß, hohen Drücken zu widerstehen.

Bei den beiden vorgenannten Druckschriften wird die Schwierigkeit teilweise dadurch umgangen, daß ein Meßfühler in Form eines Thermoelementes verwendet wird. Durch diese Maßnahme kann vermieden werden, zwischen dem Element, dessen Temperatur gemessen werden soll, und dem Meßfühler eine Isolierung vorzusehen, die zu einer weiteren Verzögerung des Eintritts thermischen Gleichgewichtes führt.

Die Verwendung eines Thermoelementes ist jedoch in den Fällen unzweckmäßig, wo eine hohe Präzision der Messung gefordert wird. In solchen Fällen wird im allgemeinen ein Widerstandselement verwendet, dessen Widerstand sich temperaturabhängig ändert, wobei diese Lösung jedoch den Nachteil mit sich bringt, daß eine Isolierung für den Widerstand verwendet werden muß, wodurch die Schwierigkeiten hinsichtlich der Wärmeleitung vergrößert werden.

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In der US-PS 2 590 041 ist z.B. eine Temperaturmeßvor-' richtung zur Temperaturmessung eines Fluids beschrieben, insbesondere eines Fluids, das in einer Kanalisation strömt, wobei diese Vorrichtung dazu bestimmt ist, in einen fluiddichten Schacht eingebaut zu werden, der in die Kanalisation eingesetzt wird und an dessen unterem Ende eine erste Kontaktoberfläche gebildet ist. Diese Vorrichtung umfaßt zum einen eine Stange, die in einem Endstück endet und in das Innere des Schachtes eingeschoben werden kann, und zum anderen einen resistiven Meßfühler, den die Stange trägt. Die Außenoberfläche des Endstückes bildet eine zweite Kontaktoberfläche, über welche das Endstück unter der Wirkung eines von der Stange übertragenen Druckes gegen die erstgenannte Kontaktoberfläche angelegt wird. Das Endstück ist aus einem Material gebildet, das eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die genannten Abstütz- bzw. Kontaktoberflächen haben wenigstens angenähert die Form von komplementären Kugelschalen, die koaxial zur Stange angeordnet sind. Der resistive Meßfühler umfaßt einen temperaturabhängig veränderlichen elektrischen Widerstand, der aus einem gestreckten resistiven Kreis gebildet ist, welcher mit dem Endstück in Wärmekontakt, von diesem jedoch elektrisch isoliert ist.

Bei dieser bekannten Vorrichtung hat das Endstück die Form einer Zylinderhülse, z.B. aus Silber, die in das untere Ende der Stange eingesetzt ist und um welche herum der isolierte Widerstand im Inneren dieser selben Stange aufgewickelt ist.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht zwar eine präzisere Messung als ein Thermoelement, jedoch keine sehr schnelle Messung, da für die Wärmeleitung des Endstückes in seiner Längsrichtung Zeit benötigt wird.

Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Temperaturmeßvorrichtung zu schaffen, die sowohl die Meßpräzision ermöglicht, die sich aus der Verwendung eines Meßwiderstandes ergibt, als auch eine sehr kurze Ansprechzeit gewährleistet, wie sie z.B. mit Thermoelementen erreichbar ist„

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück eine ebene Innenoberfläche aufweist, daß das resistive Element seinerseits eine ebene Innenoberfläche aufweist, die in innigem Kontakt mit der Innenoberfläche des Endstückes ist, und daß die Gestaltung des resistiven Elementes und des Endstückes derart ausgelegt ist, daß der resistive, gestreckte Kreis, der den genannten Widerstand bildet, sich in unmittelbarer Nähe der Außenoberfläche des Endstückes erstreckt<

Bei einer besonderen Ausführungsform ist die erstgenannte Kontaktoberfläche an einer Schale gebildet, die in den Schachtboden eingepreßt ist» Auf diese Weise wird die Herstellung des Schachtes erleichtert, während das Einpressen selbst während der Endbearbeitung der Kontaktoberfläche der Schale erfolgen kann. 25

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt das resistive Element einen isolierenden Körper, der den elektrischen Widerstand einhüllt, welcher ringförmig ausgebildet und in einer Ebene angeordnet ist, die der ebenen Oberfläche des resistiven Elementes benachbart ist. Z.B. weist das resistive Element ein mittiges Loch auf, in das ein Zapfen eingesetzt ist, der an dem Endstück gehalten ist, wobei die Deformierung dieses Zapfens die Befestigung des resistiven Elementes an diesem Endstück ermöglicht. Auf diese Weise wird durch eine einfache Maßnahme ein guter Kontakt des Widerstandes mit dem Detektionsende des Fühlers gewährleistet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das resistive Element aus einem elektrischen Widerstand gebildet, der als Dünnschicht auf einem isolierenden Träger aufgebracht ist, wobei dieses resistive Element z.B. durch Ankleben an der Innenoberfläche des Endstückes gehalten ist.

Vorzugsweise sind das Endstück und die Schale aus Werkstoffen gebildet, die wenigstens ungefähr denselben Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen, insbesondere aus Goldlegierungen.

Der Kontakt zwischen der Schale und dem Endstück des Fühlers bleibt dann bei allen auf die Anordnung einwirkenden Temperaturdifferenzen einwandfrei.

Durch die Erfindung wird ferner ein von einer Stange getragener Temperaturmeßfühler geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stange an ihrem Detektionsende in einer konvexen Umdrehungskörperoberfläche endet, die auf die Längsachse (XX¹) des Fühlers zentriert ist, wobei der elektrische Widerstand im Inneren der Stange in einer Ebene und in unmittelbarer Nähe der genannten Umdrehungskörperoberfläche gehalten ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt der Temperaturmeßvorrichtung:

Fig. 2 eine in größerem Maßstab gezeigte Schnittansicht des Detektionsendes der Temperaturmeßvorrichtung; 5

Figuren 3A und 3B

Draufsichten des elektrischen Widerstandes der Temperaturmeßvorrichtung; und

Fig. 4 ein Diagramm.

Die Temperaturmeßvorrichtung umfaßt, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist,, einen Schutzschacht 1 aus rostfreiem Stahl, der in bezug auf eine Achse XX¹. symmetrisch ist und unter Abdichtung bis zum Anliegen eines daran gebildeten Kranzes 2 in ein Gewindeloch der Rohrleitung 4 eingeschraubt ist, in welcher das fluide Medium 10 strömt, dessen Temperatur gemessen werden soll. Derjenige Teil des Schachtes, welcher sich in die Rohrleitung hinein erstreckt, weist eine konische Form auf, die zur Mitte der Rohrleitung hin verjüngt ist.

Der aus der Rohrleitung 4 herausstehende Teil 5 des Schachtkörpers schließt an ein axiales, zylindrisches Verlängerungsrohr 7 an, das an seinem anderen Ende erweitert ist, um den Boden 8 eines zylindrischen Sockels 9 zu bilden, der nach oben (bezogen auf die Figur) offen ist und dessen zylindrische Außenwand mit Gewinde versehen ist, um einen Ring 11 mit L-förmigem Querschnitt

^ou aufschrauben zu können. Dieser Ring 11 legt, wenn er auf den Sockel 9 aufgeschraubt ist, ein Ringteil 13 unter Abdichtung gegen das obere Endes des Sockels 9 an. In der Mitte des Ringteils 13 ist der Buchsenteil 12 eines elektrischen Steckverbinders aufgenommen, während der Steckerteil 14 an dem Meßfühler durch eine Schraube 15 befestigt werden kann, die in das Ringteil 13 eindringt,

welches symmetrisch in bezug auf die Achse XX¹ zwei Stifte 16, 17 aufweist, deren Enden in Löcher eingesetzt sind, die am Boden 8 des Sockels 9 angebracht sind. Federn 18, 19 sind auf die Stifte 16, 17 aufgeschoben und zwischen der unteren Oberfläche des Ringteils 13 sowie der Oberseite einer Platte 21 zusammengedrückt, welche an zwei darin symmetrisch angebrachten Löchern auf die Stifte 16 und 17 aufgeschoben ist und einen kreisförmigen Innenrand aufweist, der an dem oberen, verbreiterten Ende 22 eines Meßfühlers 20 befestigt ist, der einen zylindrischen Körper 23 aus einer Metallegierung aufweist.

Der Körper 23 erstreckt sich mit Spiel in dem Verlängerungsrohr 7 nach unten, und zwar durch ein Loch im Boden 8 des Sockels 9 hindurch bis in ein axiales zylindrisches Loch 24 hinein, das in dem Körper des Schachtes 1 gebildet ist. Dieses Loch 24 endet in einer zur Achse XX¹ senkrechten Fläche 25, die einen geringen Abstand vom abgerundeten Ende 26 des Schachtkörpers 1 aufweist.

An dem (in Fig. 2) unteren Ende des Körpers 23 des Fühlers ist an der mit 29 bezeichneten Stelle ein Abschlußrohr 31 aus einer Metallegierung aufgesetzt und angelötet, welches mit einem seitlichen Loch 32 versehen ist, das im fertigen Zustand des Meßfühlers durch Lötung verschlossen ist. Das Abschlußrohr 31 weist an seinem unteren Ende eine verjüngte Wandung auf, in die ein Endstück 37 mit zylindrischer Außenwandung 36 eingesetzt ist, bis seine auf der Außenseite angeordnete Schulter 35 am Ende des Abschlußrohres 31 anliegt.

Das aus einer Gold- oder Silberlegierung gebildete Endstück 37, welches in bezug auf die Achse XX¹ symmetrisch ist, ist an der mit 35 bezeichneten Stelle an dem Abschlußrohr 31 angelötet, während sein das Abschlußrohr

verschließender Teil eine obere, ebene Oberfläche 40 aufweist, die senkrecht zu der Achse XX¹ ist und im Inneren des Rohres 31 durch einen mittigen Zapfen 38 verlängert ist; ferner weist das Endstück 37 eine untere, außenseitige Oberfläche 39 auf, deren From einem Kugelschnitt entspricht und die an die zylindrische Außenoberfläche der Wandung 36 anschließt.

Die untere Oberfläche 3 9 ruht auf der ebenfalls kugelförmigen und denselben Radius wie die Oberfläche 39 aufweisenden, auf die Achse XX" zentrierten oberseitigen Oberfläche 41 einer Schale 42, die aus demselben Material wie das Endstück 37 gefertigt ist und einen zylindrischen Körper desselben Durchmessers wie der Durchmesser des Loches 24 aufweist, mit einer ebenen Unterseite, die gegen die Fläche 25 angelegt ist.

Über den Zapfen 38 ist mit Spiel das mittige Loch eines resistiven Elementes 43 in Form einer Ringscheibe geschoben= Der Zapfen 38 ist an der Oberseite dieses resistiven Elementes aufgequetscht, um auf diese Weise die ebene Unterseite dieses Elementes in Kontakt mit der Oberfläche 40 des Endstückes 37 zu halten.

Das resistive Element 43 ist bei der in Fig. 3A gezeigten Äusführunasform als Schraubenwindung 50 ausgebildet, die aus einem kreisförmig verlegten Platin-Widerstandsdraht gebildet ist_? welcher in einen Keramikkörper eingebettet ist, und zwar in der Nähe der ebenen, ringför-

migen Unterseite desselben. Die Enden dieses Platinwiderstandes erstrecken sich aus dem Keramikkörper heraus und sind auf dessen Oberseite zunächst in zwei Löcher eingeführt, die in einer gestreckten zylindrischen Hülse 44 aus Isoliermaterial gebildet sind. Ferner sind die Enden des Widerstandes anschließend an den mit 45 und 46 bezeichneten Stellen an Lötpunkte 47, 48 herangeführt, über die der Platinwiderstand mit vier

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elektrischen Verbindungsdrähten verbunden ist, die in dem Rohr 23 angeordnet sind und sich bis zu dem Steckverbinder 12 erstrecken.

Die Montage der beschriebenen Vorrichtung geschieht folgendermaßen:

Nachdem der Schachtkörper 1 und sein Innenloch bzw. seine Innenbohrung 24 fertig bearbeitet sind, wird in den Boden dieser Bohrung die Schale 42 eingepreßt.

Was den Meßfühler anbetrifft, so wird zunächst das resistive Element 43 in dem Endstück 37 durch Aufquetschen des Zapfens 38 befestigt, und dann werden die Drähte 45, 46 in die Hülse 44 eingeführt und an den Verbindungsdrähten aus Kupfer 49.., 49~/ 49~, 49. festgelötet, welche aus dem unteren Ende 28 des Rohres 23 herausstehen, in dem sie durch eine Füllung aus isolierendem Mineralmaterial gehalten sind.

Das Rohr 31 wird dann auf den oberen Teil des Rohres aufgeschoben und längs desselben so weit geschoben, bis es über dessen unteres Ende hinaussteht; dann wird es an den mit 35 und 29 bezeichneten Stellen an dem Endstück 37 und an dem Rohr 23 festgelötet und anschließend über das Loch 32 mit einem pulverförmigen Isoliermaterial 33 gefüllt, das dazu dient, die Verbindungsdrähte voneinander elektrisch zu isolieren und im Inneren des Meßfühlers in Stellung zu halten, obwohl dieser Meßfühler Vibrationen ausgesetzt sein kann. Anschließend wird das Einfülloch 32 durch eine Lötung verschlossen.

Dann wird die Platte 21 an dem oberen Teil 22 des Rohres 23 befestigt, und die Stifte 16, 17 werden in die "° darin und im Boden 8 des Sockels 9 vorhandenen Löcher unter Zwischenfügung der Federn 18, 19 eingesetzt, woraufhin das Rinqteil 13 durch Aufschrauben des

Ringes 11 in Anlage an dem Sockel gebracht wird. Da die Länge des Meßfühlers größer als diejenige des Loches bzw. der Bohrung 24 ist, welche durch das Rohr 7 und das im Boden 8 des Sockels 9 angebrachte Loch verlängert ist, wird das kugelschalenförmige Ende 39 des Endstückes 37 durch die zwischen dem Ringteil 13 und der Platte zusammengedrückten Federn fest, aber elastisch in Berührung mit der Oberfläche 41 der Schale 42 gehalten, gleich welche Vibrationen auf den Meßfühler einwirken oder welche Wärmedehnungen die verschiedenen Bestandteile der Vorrichtungen erfahren.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Sobald der Schachtkörper 1 fest in die Rohrleitung eingebaut ist, wobei es sich insbesondere um die Kanalisation des Primärkreises eines Kernkraftwerkes handeln kann oder aber um den Kühlkreislauf eines herkömmlichen Wärmekraftwerkes, bei denen Wasser unter Druck und hohen Temperaturen umläuft, wird der Meßfühler in die Bohrung 24 eingeführt und in dieser durch das Ringteil 13 sowie den Ring 11 gehalten» Das resisitve Element 43 wird dann über die Steckverbindung 14 und die Drähte 49.., 49, bzw. 45 und 46 mit einer Konstantspannung gespeist, und an den Anschlußdrähten 49- und 49-, wird die an den Anschlüssen eines resistiven Elementes 43 entstehende Spannung gemessen.

Ansprechend auf Temperaturänderungen des die Rohrleitung 3 ausfüllenden fluiden Mediums 10 verändert sich auch die Temperatur des resistiven Elementes 43 schnell, da die Wärmeübertragung von dem fluiden Medium zu diesem Meßwiderstand nicht durch Luft oder ein isolierendes Medium hindurch erfolgen muß, so daß sich auch der Widerstandswert des Meßwiderstandes schnell verändert und zu einer Änderung der Spannung V führt, die an den Enden der Anschlußdrähte 4 9,,, 49₃ gemessen wird. Diese Spannungsänderung ist in Fig. 4 dargestellt« Es wurde

festgestellt, daß die Zeit T, die erforderlich ist, damit die Änderung der Spannung 63,2 % des Endwertes DV erreicht, etwa 10 Sekunden beträgt, was eine Verbesserung um etwa 30 Sekunden im Vergleich zu herkömmlichen Meßfühlern bedeutet.

Bei einer anderen Ausführungsform weist das Endstück eine obere, innenseitige, ebene Oberfläche 4 0 auf, auf die ein resistives Element aufgeklebt ist, das aus einer Dünnschicht 51 (Fig. 3B) aus elektrisch isolierendem Material, insbesondere aus Keramikmaterial, gebildet ist, auf die eine Platinschicht 52 aufgebracht ist, welche den elektrischen Widerstand bildet. Dieser elektrische Widerstand hat eine allgemein rechtwinklige Form und weist Einschnitte 53,54 usw. auf, um einen langgestreckten elektrischen resistiven Kreis zu bilden.

Bei anderen Anwendungen, bei denen der Druck des fluiden Mediums oder seine Strömungsgeschwindigkeit nicht sehr groß sind, kann der Meßfühler auch ohne Schutzschacht verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist dann die Oberfläche 3 9 des Endstückes des Meßfühlers vorzugsweise halbkugelförmig.

Claims

PRINZ, BUNKE & PARTNER

Patentanwälte · European Patent Attcneys München Stuttgart

16. Dezember 1982

SEREG, S.A.

12, place des Etats-Unis

92120 MONTROUGE / Frankreich

Unser Zeichen: G 15 24

Patentansprüche

/ lötvorrichtung zur Messung der Temperatur eines fluiden Mediums, insbesondere eines fluiden Mediums (10), das in der Kanalisation (4) eines Wärmetauscherkreises eines Kernkraftwerks zirkuliert, wobei diese Vorrichtung dazu bestimmt ist, in einen gegen das fluide Medium dichten Schacht (1) eingebaut zu werden, der in die Kanalisation eingesetzt ist und an dessen unterem Ende eine erste Kontaktoberfläche (41) gebildet ist, wobei diese Vorrichtung zum einen eine Stange (23) umfaßt, die in einem Endstück (37) endet und in das Innere des Schachtes einschiebbar ist, und zum anderen ein resistives Meßelement (43) aufweist, das von der Stange getragen ist, wobei ferner die Außenoberfläche (3 9) dieses Endstückes eine zweite Kontaktoberfläche bildet, an welcher dieses Endstück unter der Wirkung eines durch die Stange auf dieses übertragenen Anpreßdruckes gegen die erstgenannte Kontaktoberfläche angelegt ist, wobei ferner das Endstück aus einem Material gebildet ist, welches eine

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sehr gute thermische Leitfähigkeit aufweist, ferner die Kontakt- bzw. Anlageoberflächen wenigstens angenähert die Form von komplementären Kugelkalotten aufweisen, die koaxial zu der Stange angeordnet sind, und wobei das resistive Meßelement einen elektrischen Widerstand (50, 52) umfaßt, dessen Widerstandswert von der Temperatur abhängt und welcher durch einen langgestreckten resistiven Kreis gebildet ist, der in thermischem Kontakt mit dem Endstück, jedoch elektrisch von diesem isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (37) eine ebene Innenoberfläche (40) aufweist, daß das resistive Meßelement (43) seinerseits eine innere ebene Oberfläche aufweist, die in inniger Berührung mit der Innenoberfläche (40) des Endstückes ist, und daß die Gestaltung des resistiven Meßelements (43) und des Endstückes (37) so ausgelegt ist, daß der den Widerstand (50, 52) bildende, langgestreckte resistive Kreis sich in unmittelbarer Nähe der Außenoberfläche (39) des Endstückes erstreckt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktoberfläche (41) durch eine Schale (42) gebildet ist, die in den Boden des Schachtes eingepreßt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- · zeichnet, daß das resistive Element (43) einen Isolierkörper umfaßt, welcher den elektrischen Widerstand einhüllt, und daß der elektrische Widerstand (50) ringförmig und in einer Ebene angeordnet ist, die der ebenen unteren Oberfläche des resistiven Elementes benachbart ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das resistive Element ein mittiges Loch aufweist, in das ein von dem Endstück (37) getragener Zapfen (38) eingreift, und daß das resistive Element an diesem Endstück durch Deformierung. dieses Zapfens befestigbar ist..
5 „ Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das resistive Element aus einem elektrischen Widerstand (52) gebildet ist, der als Dünnschicht auf einem isolierenden Träger (51) aufgebracht ist, und daß dieses resistive Element auf der Innenoberfläche (40) des Endstückes gehalten ist.
6„ Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (37) und die Schale (42) aus Werkstoffen gebildet sind, die wenigstens ungefähr denselben Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Werkstoffe Goldlegierungen sind.
8. Temperaturmeßfühler für ein fluides Medium, mit einem temperaturabhängigen Widerstand (50), den eine Stange (23) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange an ihrem Detektionsende in einer konvexen, auf die Längsachse (XX¹) des Fühlers zentrierten Oberfläche (39) eines Umdrehungskörpers endet und daß der elektrische Widerstand in einer Ebene im Inneren der Stange in unmittelbarer Nähe der genannten Oberfläche des Umdrehungskörpers gehalten ist.

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