DE3311194A1

DE3311194A1 - Druckmessgeraet fuer tritiumdrucke von 0,1 mbar bis 100 bar

Info

Publication number: DE3311194A1
Application number: DE19833311194
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz 5170 Jülich Klatt; Rainer Dr. Lässer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1983-03-26
Filing date: 1983-03-26
Publication date: 1984-10-04
Also published as: JPS59206734A; GB2138147B; FR2543295B1; US4596148A; GB2138147A; DE3311194C2; FR2543295A1; GB8407564D0

Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Druckmeßgerät für Tritiumdrucke von 0,1 mbar bis 100 bar

Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßgerät für Tritiumdrucke von 0,1 mbar bis 100 bar.

Tritium ist neuerdings in größeren Mengen zu tragbaren Kosten und auch in hoher Reinheit erhältlich, wodurch die Tritiumtechnologie durchaus an Bedeutung gewinnt. Ferner ist zu erwarten, daß im Zusammenhang mit künftigen Fusionsreaktoren größere Mengen an Tritium zu handhaben sein werden. Die Messung des Tritiumdrucks gewinnt daher zunehmend an Bedeutung.

Zur Zeit werden für die Messung und Überwachung des Tritiumdrucks in dem oben genannten Bereich kapazitive Druckaufnehmer empfohlen und verwendet, die nach dem derzeitigen Stande Meßwerte mit der höchsten Genauigkeit liefern. Solche Druckaufnehmer sind sehr teuer und eignen sich nur zur Messung des Totaldrucks. Ferner ist ihre erhebliche Schwingungsempfindlichkeit sehr hinderlich.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein robustes schwingungsunempfindliches

1*667 25 kostengünstiges Druckmeßgerät für einen großen nö/ha Druckbereich zu entwickeln, das Meßwerte von

hohör Genauigkeit liefert.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Druckmeßgerät, mit dem diese Aufgabe gelöst wird, ist gekennzeichnet durch ein anschließbares, insbesondere anflanschbares, Gehäuse mit einer vorzugsweise vom Gehäuse gesonderten zylindrischen positiven Elektrode und einer dünnen negativen Axial-Elektrode, die mit einer Spannungsquelle für Spannungen zwischen 0 bis 200 V verbunden bzw, zu verbinden sind sowie ein Picoampöremeter oder einen hohen Widerstand im Stromkreis Spannungsquelle-Elektroden mit einem den Spannungsabfall über dem Widerstand messenden Voltmeter.

Mit einem solchen Gerät lassen sich nicht nur die Tritiumdrucke von Reintritium, sondern Tritiumpartialdrucke in Mischung mit Fremdgasen ermitteln.

Ferner ist eine variable Einbautechnik (inline und offline) anwendbar. Der Kostenaufwand für ein solches erfindungsgemäßes Meßgerät liegt etwa um einen Faktor 10.. niedriger als beim bekannten Druckaufnehmer.

Beim erfindungsgemäßen Meßgerät werden die durch radioaktiven Zerfall gebildeten Elektronen und positiv geladenen Ionen im elektrischen Felde getrennt und so für die Strommessung ausgenutzt, die der Anzahl der zerfallenen Tritiumatome und somit dem Tritiumdruck proportional ist. Zweckmäßigerweise wird dabei, wie oben angegeben, eine koaxiale Elektrodenanordnung mit negativer dünner Axialelektrode gewählt, zu der hin die nur schwachenergetischen ³H^ -Ionen ge-

sammelt werden, während die /sT-Teilchen, die nach dem Zerfall eine Energie von ca. 5,9 keV haben, auf die großflächige zylindrische Elektrode fallen.

Die angelegte Spannung sorgt in erster Näherung unabhängig vom Absolutwert des Druckes, daß die erzeugten Ladungsträger (ß -Teilchen, He Ionen und durch Stoß gebildete Ladungsträgerpaare) zu den Elektroden hingelangen. Mehr im einzelnen wird jedoch mit steigendem Druck die Ladungsträgerzahl zum einen durch Ionisation zunehmen und zum anderen durch erhöhte Rekombinationabnehmen. Aus diesem Grunde sollte insbesondere bei höheren Druckwerten eine höhere Spannung ( an die Elektroden angelegt werden, die der Rekombination entgegenwirkt. Ferner sollte der Elektrodenabstand vorzugsweise auf 10 mm begrenzt werden, wobei nach unten zu- Werte unter 2 mm bauliche Schwierigkeiten ergeben können. Bevorzugt werden Elektrodenabstände von 4 bis 6 mm.

Die Aufsammlung der Ladungsträger an den Elektroden kann entweder mittels eines empfindlichen Strommeßgerätes ermittelt werden, oder man bestimmt den Spannungsabfall an einem nachgeschalteten hohen Widerstand mit einem entsprechenden Voltmeter.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß alle Teile aus Materialien hergestellt werden können, die ein Ausheizen des Druckmessers bei etwa 250 ⁰C zulassen.

Die Meßanzeige am erfindungsgemäßen Meßgerät setzt selbstverständlich eine vorangehende Eichung voraus, die bei konstanter Temperatur erfolgt, und die Verläßlichkeit der Anzeige hängt somit davon ab, in welchem Maße die Meßtemperatur der Eichtemperatur entspricht.

Für eine sehr genaue Drucküberwachung von Gasen, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, empfiehlt sich daher eine zusätzliche Temperaturkontrolle, mit der die Meßtemperatur T ermittelt wird. Eine Druckkorrektur ist dann ohne weiteres nach der Gleichung

P - Po ^₀ möglich. Diese Korrektur kann selbstverständlich auch automatisch durch entsprechende Verstärkung des zu messenden Signals vorgenommen werden.

Mit einer entsprechenden Eichung läßt sich das erfindungsgemäße Druckmeßgerät selbstverständlich auch zu Druckmessungen anderer gasförmig vorliegender radioaktiver Isotope oder Isotopenmischungen ■verwenden.

Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen; es zeigen schematisch: Figur 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Meßkopfes im Axialschnitt; Figur 2 eine mit einem solchen Gerät aufgenommene

Eichkurve;

Figur 3 ein Schaltbild für die Meßwertermittlung; und

Figur 4 einen Inline-Meßkopf.

Die wesentlichen Komponenten des in Figur 1 gezeigten Druckmeßkopfes sind eine negativ geladene Innenelektrode 1 und eine positive zylindrische Außenelektrode 2 in einem Gehäuse 3, die über Keramikdurchführungen 4 mit Spannung ' versorgt werden. Die Innenelektrode besteht aus Edelstahl und hat einen Durchmesser von 1 mm, während die Außenelektrode 2 durch einen Kupferzylinder mit einem Innendurchmesser von 12 mm gebildet wird.

Das Gehäuse 3 wird im oberen Bereich durch zwei Ultrahochvaküumflansche (z.B. CF 16 von Leybold) verlängert und durch eine mit O-Ring 6 abgedichtet aufgesetzte Kappe 7 abgeschlossen. Diese Kappe schützt die Keramikdurchführungen und dient ferner als zusätzliches Gehäuse gegen Tritiumleckagen im Falle von Undichtigkeiten der Keramikdurchführungen. Eine Keramikschraube 8 ermöglicht die isolierte Fixierung des Kupferzylinders am Montageflansch 5. Eine untere Ultrahochvakuumkupplung 9 (z.B. Cajon von Fest) gestattet den Anschluß des Meßkopfes an den das Meßgas enthaltenden Behälter 10.

Figur 2 zeigt den mit einem solchen Meßkopf in Abhängigkeit vom Tritiumdruck ermittelten Spannungsabfall an einem 1 M £2- Widerstand bei einer angelegten Spannung von 22,6 V. Wie man sieht, tritt im oberen Druckbereich eine leichte Abflachung der Kurve auf. In diesem Bereich kann die Linearität der Eichkurve durch eine höhere angelegte Spannung und geringere Elektrodenabstände noch verbessert werden.

Figur 3 zeigt eine elektrische Schaltung zur Messung des Spannungsabfalls am Widerstand 11:

Spannungsabfall über dem Widerstand 11 wird mit einem Digitalmultimeter 12 (z.B. Hewlett Packard HP 3468 A) ermittelt. Der Taschenrechner 13 (z.B. Hewlett Packard HP 41 C) steuert das Digitalmultimeter 12, indem er den der Spannung entsprechenden Zahlenwert vom Digitalmultimeter über das HP-IL-Interface 14 (z.B. Hewlett Packard HP 82160 Λ) in dis X-Register des HP 41 C lädt, den Spannungswert über die Kennlinie in die entsprechende Druckzahl umrechnet und diese Zahl über den HP-IL-Bus an das Digitalmultimeter zurückschickt, um sie im Display desselben zu zeigen. Dieser Prozeß läuft in einer Endlosschleife im Taschenrechner 13 ab, so daß das Multimeter den vorhandenen Druck anzeigt.

Die in Figur 2 gezeigte Kennlinie wurde in 12 Abschnitte aufgeteilt, wobei die Kurve in jedem Abschnitt durch eine analytische Funktion den Meßwerten angenähert wurde.

Der relative Fehler zwischen den Druckwerten, ermittelt mit der oben beschriebenen Version und einem kapazitiven Druckaufnehmer, ist kleiner als 0,5 % für Drucke großer als 7 mbar.

Bei dieser Signalverarbeitung wurden nur Komponenten eingesetzt, die vielseitig verwendet werden können (wie Digitalvoltmeter und Taschenrechner) und die relativ billig sind. Das System kann ohne weiteres durch einen Drucker (z.B. Hewlett Packard HP 82162 A) zum Ausdrucken der Meßwerte erweitert werden.

Figur 4 zeigt eine im Durchfluß oder an Verbin-

dungssteilen zu betreibende Ausführungsart des erfindungsgemäßen Meßgerätes, die keiner gesonderten Erläuterung bedarf. Der Ausführungsart gemäß Figur 1 entsprechende Elemente tragen gleiche Bezugszeichen.

Claims

Kernforschungsanlage Jülich
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

/ 1.)Druckmeßgerät für Tritiumdrucke von 0,1 mbar bis 100 bar, gekennzeichnet durch ein anschließbares, insbesondere anflanschbares, Gehäuse (3) mit einer vorzugsweise vom Gehäuse gesonderten zylindrischen positiven Elektrode (2) und einer dünnen negativen Axiai-Elektrode (1), die mit einer Spannungsquelle für Spannungen zwischen 0 und 200 V verbunden bzw. zu verbinden sind sowie ein Picoampe"remeter oder einen hohen Widerstand (11) im Stromkreis Spannungsquelle- Elektroden mit einem den Spannungsabfall über dem Widerstand messenden Voltmeter (12) .
2. Meßgerät nach Anspruch !,gekennzeichnet durch ein rohrförmiges Gehäuse (3) mit jeweils stirnseitigen Verbindungselementen, insbesondere -flanschen (9).
3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Elektrodenabstand zwischen 2 und 10 mm.
4. Meßgerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Elektrodenabstand von 4 bis 6 mm.
5. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine konstante Gleich-

spannung im Bereich von 80 bis 120 V liefert.
6. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Widerstand (11) im Stromkreis Spannungsquelle-Elektroden von 1 MjTi. und durch ein Digitalvoltmeter (12) .
7. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile aus Materialien bestehen, die ein Ausheizen bei 250 ⁰C zulassen.
8. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Fühler zur Überwachung der Meßtemperatur T und eine Schaltung zur Verstärkung des Meßsignals proportional zum Quotienten T/T (mit T = Eichtemperatur der Druckanzeige).
9. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gesamtdruckmesser für Partialdruckmessungen im Bereich hoher Fremdgasanteile.
10. Verwendung des Meßgeräts nach einem der vorangehenden Ansprüche für die Messung des Druckes von gasförmig vorliegenden radioaktiven Isotopen anstelle von Tritium mit entsprechenden Eichdaten,