DE3327047A1

DE3327047A1 - Fluessigkeitsstandsmessfuehler

Info

Publication number: DE3327047A1
Application number: DE19833327047
Authority: DE
Inventors: John Paul San Jose Neissel; James Howard San Jose Calif. Terhune
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-08-23
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1984-02-23
Also published as: US4521373A; DE3327047C2; JPS5965220A

Description

Flüssigkeitsstandsmeßfühler

Die Erfindung bezieht sich auf die Flüssigkeitsstandsanzeige, wie von Wasser, in vielen verschiedenen Arten von Behältern. Die Flüssigkeit kann unter Druck enthalten sein, wie im Falle von Kerntechnik-Druckbehältern. Die hier interessierenden Flüssigkeitsstandsdetektoren haben einen positiven Temperaturkceffizienten des elektrischen Widerstands und werden von einer Quelle mit konstantem Strom betätigt. Solche Detektoren können für die Füllstandsabtastung in Siedewasser- und Druckwasserreaktoren verwendet werden. Sie können jedoch auch zur Messung von Flüssigkeitsständen in vielen anderen Arten von Behältern verwendet werden.

Die Detektoren selbst können von oben oder unten oder sogar durch die Seiten in ihre jeweiligen Behälter eingesetzt werden. In dem besonderen Fall eines Druckwasserreaktors sind die Detektoren allgemein durch das Oberteil des Druckbehälters eingesetzt. In Siedewasserreaktoren erfolgt das Einsetzen typischerweise von unten, und zwar aufgrund unterschiedlicher Bauweise.

In Kernreaktoren enthält der Druckbehälter typischerweise einer. Kern aus Kernbrennstoff, der gekühlt wird, um eine Schädigung des Kerns zu vermeiden. Das Kühlen des Kernbrennstoffs heizt das

durch den Reaktorkern strömende Wasser gleichzeitig auf. Bei ausreichend hoher Temperatur wird das Wasser zu Dampf und kann einen Turbinengenerator antreiben, um Elektrizität zu erzeugen.

Nähere Einzelheiten zu Kernreaktoren und Energieerzeugung finden sich im Energy Technology Handbook, Douglas M. Considine, McGraw Hill Book Company, 1977.

Betrachtet man den Druckbehälter eines Reaktors als vertikal angeordnet, neigt der Wasserspiegel im Druckbehälter zu radialer Änderung vom Zentrum des Behälters in Abhängigkeit von der inneren Strömung des Wassers. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, Füllstandsdetektoren an verschiedenen Stellen über den Druckbehälter hinweg zu verteilen.

In Druckwasserreaktoren sind die Füllstandsdetektoren besonders brauchbar nahe dem oberen Ende des Druckbehälters, da diese Reaktoren normalerweise vollständig mit Wasser gefüllt sind. Andererseits reicht in Siedewasserreaktoren die normale Betriebsfüllstandshöhe des Wassers nur einige wenige Fuß über den Kern selbst. Folglich sind die Füllstandsmeßfühler in erste Linie in diesem allgemeinen Schwellenbereich brauchbar.

Die hier erörterten Füllstandsdetektoren setzen dem elektrischen Stromfluß einen Widerstand entgegen. Dies erzeugt Wärme und ändert die Temperatur im Detektor in Abhängigkeit von der Stärke des durch den Detektor gehenden elektrischen Stromsund der Natur der Kühlung an der Detektoroberfläche. Wenn der Detektor in ein günstiges Wärmeabführmedium, wie Wasser, eingetaucht ist, verteilt sich die erzeugte Wärme vom Detektor rascher als in Luft oder anderer Gasumgebung. Die relativ raschere Wärmeabführung in Flüssigkeiten, speziell in Wasser, läßt die Temperatur des Füllstandsdetektors abfallen, wenn dieser in Flüssigkeit gebracht wird, oder wenn das Flüssigkeitsniveau ansteigt und den Detektor ganz oder teilweise bedeckt.

Ein Temperaturanstieg des Detektors läßt seinen Widerstand an-

steigen. Tabelle I veranschaulicht die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstandsänderungen im Füllstandsdetektor bei Verwendung eines Materials mit positivem Temperaturkoeffizienten als abtastendes Element, gespeist mit konstanter Spannung oder alternativ mit einer Dauerstromquelle.

Tabelle I

Änderungen in Temperatur oder Widerstand (primär und sekundär) und im Strom

Detektor gespeist von einer Quelle konstanter Spannung

Detektor gespeist von einer Quelle konstanten Stroms

ΔΙ

Δ T.

0 0

Beispielsweise steigt oder fällt mit einer den Füllstandsdetektor speisenden Quelle konstanter Spannung der Strom "I" durch den Detektor um einen Betrag &I, je nachdem, ob die Umgebung des Füllstandsdetektors sich von Gas zu Flüssigkeit oder von Flüssigkeit zu Gas ändert. Wenn sich beispielsweise die Detektorumgebung von Flüssigkeit zu Gas ändert, nimmt der Detektorwiderstand um einen Anfangsbetrag 4R₁ mit der durch die verringerte Wärmeableitung verursachten erhöhten Anfangstemperaturänderung ΔΤ* zu. Diese Anfangs- oder Pr imär-Wider stands zunähme AR., senkt den Strom durch den Detektor, wenn er von einer Quelle mit konstanter Spannung gespeist wird, und verursacht wiederum eine Sekundärtemperaturabnahme ^T₂ aufgrund verringerter Wärmeerzeugung. Dies führt zu einer insgesamt reduzierten Temperaturänderung AT₁ + ^T ^und einem herabgesetzten Nettowiderstand 4R₁ + 4R-. Einfach ausgedrückt läuft dies auf eine herabgesetzte Etipfindlichkeit für den Füllstandsdetektor hinaus, da er durch eine konstante Spannung gespeist wird.

Speist eine Quelle mit konstantem Strom den Füllstandsdetektor,

ändert sich der Strom "I" durch den Detektor nicht mit einer Änderung der Umgebung. Wenn aber z.B. die Detektorumgebung sich von Flüssigkeit zu Gas ändert, nimmt der Detektorwiderstand um einen Anfangsbetrag ^R₁ zu, womit die Anfangstemperaturänderung ΛΤ., verursacht durch herabgesetzte Wärmeableitung, zunimmt. Diese Anfangs- oder Primärwiderstandszunahme ^dR₁ ist nicht von einer Abnahme des Stroms durch den Detektor begleitet, wenn er von einer Quelle von konstantem Strom gespeist wird, und das Ergebnis der Tatsache, daß der gleiche Strom durch einen höheren Widerstand fließt, ist eine Zunahme der Wärmeerzeugung, begleitet von einer Temperatursteigerung ΔΤ-. Dies führt zu einer insgesamt erhöhten Temperaturänderung AT₁ +4T, und einem erhöhten Widerstand AR. +AR-. Einfach ausgedrückt, läuft dies auf eine erhöhte Empfindlichkeit für den Füllstandsdetektor aufgrund der Speisung durch konstanten Strom hinaus.

Bei einem mit konstantem Strom gespeisten Füllstandsdetektor, der mit positivem Temperaturkoeffizienten der den spezifischen Widerstand abfühlenden Materialien arbeitet, liegt somit ein erhöhtes Abfühlvermögen vor, verursacht durch eine Zunahme von δR₂ in der Primärwiderstandsänderung 4R₁. Die durch eine Änderung des Mediums in der unmittelbaren Umgebung des Detektors (z.B. einem Abfall des Wasserstands, was den Niveausensor in Luft oder Dampf sich befinden läßt) aus_gelöste Widerstandsänderung Δ R₁ verursacht keine Stromänderung bei einer Quelle mit konstantem Strom. Daher treten Sekundäreffekte zur Erhöhung der Empfindlichkeit auf.

Somit ist es ein Ziel der Erfindung, einen hochempfindlichen Flüssigkeitsstandsdetektor mit positivem Temperaturkoeffizienten zur Messung des Flüssigkeitsstandes in Behältern aller Art zu schaffen. Eine Dauerstromquelle oder Quelle mit konstantem Strom soll Anwendung zur Speisung des Detektors finden, wodurch eine Steigerung der Detektorempfindlichkeit erzielt wird. Ein positi" ver Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials soll zur Förderung der Steigerung der Detektorempfindlichkeit Anwendung finden. Auch soll ein neuer und verbesserter Flüssigkeitsstandsde-

tektor des Widerstandstyps mit verstärkter Abhängigkeit von Änderungen in der Umgebung von Flüssigkeit zu Gas geschaffen werden. Ein solcher Flüssigkeitsstandsdetektor soll das Niveau sowohl ionischer als auch nicht-ionischer Flüssigkeiten bestimmen können. Er soll Änderungen des Flüssigkeitsstandes über vorbestimmte Niveaubereiche kontinuierlich messen. Auch soll ein Flüssigkeitsstandsdetektor mit konstanter Stromquelle zur diskreten Messung des Vorhandenseins von Flüssigkeit an ausgewählten Orten geschaffen werden. Schließlich soll die Empfindlichkeit eines Flüssigkeitsstandsdetektors mit positivem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes in den Druckbehältern von Kernreaktoren gesteigert werden.

Die obigen Ziele sowie weitere, nicht ausdrücklich ausgeführte werden erfindungsgemäß erreicht. Die Erfindung nutzt eine Quelle konstanten Stroms in Verbindung mit einem Flüssigkeitsstandsdetektor einschließlich einem abtastenden Element mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen spezifischen Widerstands. Bei einer Ausführungsform erfaßt der Flüssigkeitsstandsdetektor das Fehlen oder Vorliegen von Flüssigkeit durch Registrieren der Änderung im Widerstand des abfühlenden Elements. In einem anderen Falle verlangt die Erfindung die Verwendung einer Vielzahl von Flüssigkeitsdetektoren in einer in einem Kernreaktor-Druckbehälter montierten Befestigung oder Trägerstruktur. In einem weiteren Falle wird ein Flüssigkeitsstandsdetektor mit einem praktisch langgestreckten Abfühlelement oder Fühler offenbart .

Im allgemeinen ist der Fühler des Flüssigkeitsstandsdetektors von einer elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Hülse umgeben. Die Hülse wiederum ist in einem elektrisch leitenden Aussenmantel eingeschlossen, der an seinem unteren Ende mit der Spitze des Fühlers verbunden ist. Der Füllstanddetektor umfaßt ein Koaxialkabel und ein Verbindungsstück, das das Koaxialkabel mit dem Fühler und dem Außenmantel elektrisch verbindet. Das Verbindungsstück begrenzt den Wärmeübergang zwischen dem Koaxialka-^r

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bei und sowohl dem Fühler als auch dem Außenmantel. Um diesen Zweck zu erfüllen, umfaßt das Verbindungsstück Innen- und Außenteile. Das Innenteil kann in Form einer Greifhülse sein. Ein .elektrisch isolierendes Teil trennt Innen- und Außenteile.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt des Flüssigkeitsstandsdetektors.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt des unteren Teils einer Befestigung oder Trägerstruktür zum Halten mehrerer Flüssigkeitsstandsdetektoren der in Fig. 1 gezeigten Art.

Fig. 3 ist ein Querschnitt der in Fig. 2 genannten Befestigung entlang der Linie 3-3.

Fig. 4 zeigt einen Flüssigkeitsstandsdetektor ähnlich dein der Fig. 1, aber mit einem langgestreckten Fühler oder Detektorbereich .

Wie bemerkt, zeigen die Figuren drei Versionen der Erfindung. Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Flüssigkeitsstandsdetektor 13 mit einem relativ kurzen Detektorbereich 14. In Fig. 2 ist zu beobachten, daß zahlreiche Flüssigkeitsstandsdetektoren 13 in mehreren Höhen innerhalb einer Befestigung oder Trägerstruktur 15 angeordnet sind. Schließlich ist in Fig. 4 ein Flüssigkeitsstandsdetektor 13 mit einem relativ langen oder ausgedehnten Detektorbereich 14 dargestellt.

Zunächst zu Fig. 1: In ihr ist oben ein Koaxialkabel 17 dargestellt, verbunden mit einem Widerstandsmesser 21, der wiederum in geeigneter Weise elektrisch mit einer Quelle 25 für konstanten Strom verbunden ist. Das Koaxialkabel 17 umfaßt äußere und innere Leiter bei 27 bzw. 28 und geeignet getrennt durch eine elektrisch isolierende Hülle, wie gezeigt. Das Koaxialkabel ist mit einem Verbindungsstück 33 geeignet gekoppelt. Der Füllstandsdetektor 13 umfaßt einen Fühler 39 aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands. Geeignete Materialien sind z.B. Monel-Metall oder Mangan-

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stahl. Diesen Fühler 39 seitlich umgebend ist eine isolierende Hülse 41 mit hohem elektrischen Widerstand und Wärmeleitfähigkeit. Ein Beispiel für ein geeignetes Material für die Hülse 41 ist Berylliumoxid.

Seitlich die. Hülse 41 und dadurch auch den Fühler 39 umgebend ist ein Außenmantel 43, der sowohl Wärme als auch Elektrizität leitet. An seinem unteren Ende ist dieser Mantel 43 mit dem Fühler 39 elektrisch geeignet, verbunden. Diese Verbindung kann z.B. durch Löten hergestellt werden.

Eine kurze überprüfung der Fig. 4 zeigt, daß der Detektorbereich 14 wesentlich langer als in Fig. 1 gezeigt sein kann, was es dem Detektor 13 ermöglicht, Schwankungen des Flüssigkeitsstandes kontinuierlich zu messen, vorausgesetzt, daß der Fühler 39 von grösserer Länge als die vorübergehenden Schwankungen des Flüssigkeitsstandes sind. Im übrigen sind die Füllstandsdetektoren 13 der Figuren 1 und 4 ähnlich im Aufbau, da sie beide ein Koaxialkabel 17, einen Detektorbereich 14 und ein Verbindungsstück 33, das beide verbindet, aufweisen. Das verwendete Verbindungsstück 3 3 ist ein spezielles Anschlußstück zum Halten des Koaxialkabels 17 · in körperlichem und elektrischem Kontakt mit dem Außenmantel 43 . und dem Fühler 39 des Füllstandsdetektors 13. Seine Struktur und Materialzusammensetzung begrenzen den Wärmeübergang durch das Verbindungsstück 33.

Das Verbindungsstück 33 ist im allgemeinen rohrförmig, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein federndes Hülsenteil 51 des Verbindungsstücks 33 verbindet elektrisch den Fühler 39 mit dem inneren Leiter 28 des Koaxialkabels 17. Dieses Hülsenteil 51 ist radial ausdehnbar und zusammenziehbar, Um₁ längsgerichtete Wärmeausdehnung und -kontraktion des Fühlers 39 während des normalen Betriebs auszugleichen. Der kleine Querschnitt der Hülse 51 begrenzt unerwünschten axialen Wärmeübergang zum Koaxialkabel 17.

Das federnde Hülsenteil 51 ist von einem isolierenden Rohrteil 53 und dem äußeren Rohrteil des Verbindungsstücks 33 umgeben. Das

isolierende Rohrteil 53 isoliert das federnde Hülsenteil 51 elektrisch vom äußeren Rohrteil des Verbindungsstücks 33. Das äußere Rohrteil des Verbindungsstücks 33 koppelt elektrisch, aber isoliert thermisch den äußeren Leiter 27 relativ zum Mantel 43.

Gemäß Fig. 2 werden zahlreiche Füllstandsdetektoren 13 der in Fig. 1 gezeigten Art von Koaxialkabeln 17 getragen. Die tragende Struktur 15 für die Kabel 17 umfassen ein Anschlußstück 91, das sich zum Einsetzen in den Druckbehälter eines Kernreaktors, entweder von oben oder von unten, eignet. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die tragende Struktur 15 für das Einsetzen durch das obere Ende des Druckbehälters angeordnet. Eine (nicht dargestellte) Schaltung verbindet die verschiedenen Koaxialkabel 17 selektiv mit dem Widerstandsmesser 21, wie in Fig. 1 angedeutet. Eine Quelle für konstanten Strom 25, auch in Fig. 1 wiedergegeben, speist den speziell angeschlossenen Füllstandsdetektor 13 und schafft damit eine Anzeige dafür, ob die Position des speziellen Füllstandsdetektors 13 augenblicklich in einer flüssigen oder gasförmigen Umgebung ist.

Fig. 3 veranschaulicht einen an der Linie 3-3 der Fig. 2 angezeigten Querschnitt. Sie zeigt die innerhalb eines geeigneten Rahmens 73 der tragenden Struktur 15 am Platz gehaltenen Kabel 17. Die Detektoren 13 sind innerhalb der tragenden Struktur 15 durch Löten der jeweiligen Koaxialkabel 17 an Ort und Stelle innerhalb des Rahmens 73 und der Struktur 15 angeordnet.

Das Anschlußstück 91 ist innerhalb einer (nicht dargestellten) Öffnung im oberen Ende oder im Boden des Druckbehälters, in dem es installiert wird, fest verankert. Dies verhindert Undichtigkeit des Druckbehälters selbst unter Hochdruckbedingungen. Eine (nicht dargestellte) Mutter kann die Struktur 15 auf dem Druckbehälter sicher am Platz halten.

In Fig. 4 ist eine langgestreckte Version des Füllstandsdetektors 13 dargestellt. Dank seiner Lange kann der Detektor 13 eine Füllstandsinformation über die ganze oder eine erhebliche Strek-

ke liefern. Bei Betrieb wird ein Teil des in Fig. 4 gezeigten Detektors im allgemeinen eingetaucht sein, während der Rest in Luft oder Gas bleibt. So ist ein Teil des Detektors 13 relativ wirksamer und der Rest weniger wirksamer Wärmeableitung ausgesetzt. Widerstandsmessung kann folglich mit dem Detektor der Fig. 4 vorgenommen werden, um kontinuierliche Änderungen im Widerstand entlang der gesamten Länge des Fühlers 39 zu beobachten. Andererseits zeigt der Detektor der Fig. 2 nur das Vorliegen oder Fehlen von Flüssigkeit an der bestimmten Position an, an der die Füllstandsdetektoren vorhanden sind..

Die vorstehende Beschreibung kann vernünftige Abwandlungen durch den Fachmann erfahren. Die Erfindung soll jedoch nicht auf die gerade dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt sein. Die Ansprüche umfassen das erfindungsgemäße Konzept und sollen alle Abwandlungen decken, die unter den Erfindungsgedanken fallen.

Claims

Ansprüche

y Flüssigkeitsstandsdetektor zum Einsetzen in den Druckbehälter eines Kernreaktors, wobei der Druckbehälter sich zur Aufnahme von flüssigem und gasförmigem Material eignet, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13) Koaxialkabel (17) zum Leiten von Elektrizität, mit einem inneren und äußeren Leiter (27, 28), getrennt durch eine isolierende Hülle, wobei das Koaxialkabel mit einer Quelle (25) für konstanten Strom und einem Widerstandsmesser (21) elektrisch verbunden ist, einen Fühler (39) zujr positiven Reaktion über den elektrischen Widerstand auf eine Temperaturerhöhung, eine wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Hülse (41), den Fühler seitlich umgebend, einen elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen Mantel (43), die Hülse seitlich umgebend, eine wärmebegrenzende Einrichtung zur elektrischen Verbindung des äußeren Leiters des Koaxialkabels mit dem Mantel, eine innere Einrichtung zum elektrischen Verbinden des inneren Leiters des Koaxialkabels mit dem Fühler umgebend, wobei der Fühler und der Mantel an einem gemeinsamen Ende elektrisch miteinander verbunden sind, umfaßt, wodurch der Flüssigkeitsstand in dem Druckbehälter über eine Änderung des Widerstands des Fühlers nachweisbar ist.
2. Eine Vielzahl der Flüssigkeitsstandsdetektoren gemäß Anspruch 1, verteilt in ausgewählten Höhen innerhalb einer tra-

genden Struktur (15) mit einem Anschlußstück (91) zum Einsetzen in den Druckbehälter des Kernreaktors, wobei die Koaxialkabel der Detektoren diese an verschiedenen Stellen der tragenden Struktur verteilend wirken.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler von größerer Länge ist als die vorübergehenden Schwankungen des Niveaus der im Druckbehälter enthaltenen Flüssigkeit.
4. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Einrichtung von einer elektrisch isolierenden Hülse seitlich umgeben ist.
5. Detektor zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes im Druckbehälter eines Kernreaktors mit einem Widerstand für den Widerstandsdurchgang eines elektrischen Stroms, wobei der Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen spezifischen Widerstands hat und ein Endteil aufweist, einer Hülse zum elektrischen Isolieren des Widerstands, wobei die Hülse wärmeleitfähig ist und den Widerstand über einen wesentlichen Teil seiner Länge umgibt, einem Mantel zum Leiten des Stroms und zur wirksamen Wärmeübertragung, der die Hülse seitlich umgibt und elektrisch in Verbindung mit dem Teil des Widerstands steht, und einer Einrichtung zum Liefern eines konstanten Stroms durch den Widerstand und den Mantel, wodurch der Flüssigkeitsstand in dem Druckbehälter über eine Widerstandsänderung der Widerstandseinrichtung nachweisbar ist.
6. Detektor nach Anspruch 5 mit einem Koaxialkabel mit einem inneren und einem äußeren Leiter und einer elektrisch isolierenden Hülle dazwischen, wobei der äußere Leiter mit dem Mantel und der innere Leiter mit dem Widerstand elektrisch verbunden ist.
7. Detektor nach Anspruch 5 oder 6, dessen Einrichtung zum

Liefern eines konstanten Stroms eine Einrichtung zum elektrischen Verbinden des Koaxialkabels mit dem Widerstand und dem Mantel und wirksam zum Begrenzen des Wärmeübergangs dazwischen aufweist.
8. Detektor nach Anspruch 6, dessen innerer Leiter mit dem Widerstand elektrisch verbunden ist.