DE3327047C2

DE3327047C2 - Flüssigkeitsstanddetektor

Info

Publication number: DE3327047C2
Application number: DE3327047A
Authority: DE
Inventors: John Paul San Jose Calif. Neissel; James Howard Terhune
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-08-23
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1986-04-24
Also published as: DE3327047A1; US4521373A; JPS5965220A

Abstract

Ein Flüssigkeitsstandsdetektor oder eine solche Detektoranordnung zum Einsetzen in den Druckbehälter eines Kernreaktors oder in einen irgendeine Flüssigkeit enthaltenden Behälter. Ein Koaxialkabel trägt den Detektor, der einen Fühler mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen Widerstands umfaßt. Der Detektor wird von einer Quelle konstanten elektrischen Stroms gespeist, und die Gegenwart von Flüssigkeit wird über eine Widerstandsmessung bestimmt.

Description

gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß

f) der Fühlerwiderstand (39) von einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Hülse (41) koaxial umgeben ist und ein elektrisch leitender und wärmeleitender Mantel (43) die Hülse (41) umgibt

g) der Fühlwiderstand (39) und der Mantel (43) an einem gemeinsamen, dem Widerstandsmessser abgewandelten Ende elektrisch miteinander verbunden sind,

h) ein« wärmeleitungsbegrenzende Kupplungseinrichtung (33) mit einem Zwischenstück (53) zur elektrischen Verbindung des äußeren Leiters (27) des Koaxialkabels (17) mit dem Mantel (42) vorhanden ist die ein Innenleiterkupplungsstück (51) zum elektrischen Verbinden des inneren Leiters (28) des Koaxialkabels mit dem Fühlerwiderstand (39) aufweist

2. Flüssigkeitsstanddetektor zum Einsetzen in den Druckbehälter eines Kernreaktors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Hülse (41) den Fühlerwiderstand (39) über einen Teil seiner !.änge umhüllt

3. Flüssigkeitsstanddetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühlerwiderstand (39) von größerer Länge ist als die vorübergehenden Schwankungen des Niveaus der im Druckbehälter enthaltenen Flüssigkeit.

Die Erfindung betrifft einen Rüssigkeitsstanddetektor zum Einsetzen in den Druckbehälter eines Kernreaktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In der DE-AS 11 90 88! ist eine Füllstandsanzeigevoi richtung zur Vermeidung der Überfüüung vor. Tanks beschrieben, bei der die Anzeigevorrichtung über elektrische Leiter mit einer Quelle konstanter Spannung und einer Meldelampe verbunden ist und sie einen Kaltleiter einschließt, wobei der Flüssigkeitsstand in dem Tank über eine Änderung des Widerstands des Kaltleiters nachweisbar ist

Auch der in der DE-AS 11 78 616 beschriebene elektrische Zustandsgeber für das Niveau einer Flüssigkeit bedient sich eines von einer Quelle konstanter Spannung gespeisten Kaltleiters, um ein das Niveau anzeigendes Signal, in diesem Fall mittels eines Transistors zu erzeugen.

Schließlich ist in der DE-PS 8 13 968 ein Flüssigkeitsstand-Fernanzeiger beschrieben, dessen Widerstandskörper einen großen, insbesondere negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die Energiequelle des Anzeigers |! 45 ist derart, daß die Stromstärke anwächst, wenn der Widerstand des Widerstandskörpers beim Wegfall der

Flüssigkeitskühlung abfällt, weil sich der Widerstand erhitzt

Detektoren der eingangs genannten Art können für die Füllstandsanzeige in Siedewasser- und Druckwasserreaktoren verwendet werden. Sie können jedoch auch zur Messung von Flüssigkeitsständen in vielen anderen Arten von Behältern verwendet werden.

50 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 einen Kern aus Kernbrennstoff, der gekühlt wird,

!■ 55 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

Ig einen Turbinengenerator antreiben, um Elektrizität zu erzeugen.

f. Nähere Einzelheiten zu Kernreaktoren und Energieerzeugung finden sich im Energy Technology Handbook,

Douglas M. Considine, McGraw Hill Book Company, 1977.

C 60 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 30 cm 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 Stromes und 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 eingetaucht wird, oder wenn das Flüssigkeitsniveau ansteigt und den Detektor ganz oder teilweise bedeckt

Ein Temperaturanstieg des Detektors läßt seinen Widerstand ansteigen. 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 iConstantstrom-Quelle.

Tabelle I

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

AT, AR₁ Al AT₂ AR₂

Detektor gespeist von einer Quelle konstanter Spannung + + — — —

Detektor gespeist von einer Quelle konstanten Stroms + + 0 + +

Beispielsweise steigt oder fällt mit einer den Füllstandsdetektor speisenden Quelle konstanter Spannung der I

Strom »/« durch den Detektor um einen Betrag Al, 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 Detektorwidersland um er=en Anfangsbetrag ARi mit der durch die verringerte Wärmeableitung verursachten erhöhten Anfangstemperaturänderung AT_x zu. Diese Anfangs- oder Primär-Widerstandszunahme ARi senkt den Strom durch den Detektor, wenn er von einer Quelle mit konstanter Spannung gespeist wird, und verursacht wiederum eine Sekundärtemperaturabnahme AT₂ aufgrund verringerter Wärmeerzeugung. Dies führt zu einer insgesamt reduzierten Temperaturänderung AT_x + AT₁ und einem herabgesetzten Nettowiderstand AR\ + AR₂. Einfach ausgedrückt läuft dies auf eine herabgesetzte Empfindlichkeit für den Füllstandsdetektor hinaus, da er durch eine konstante Spannung gespeist wird.

Speist eine Konstantstrom-Quelle den Füllstandsdetektor, ändert sich der Strom »/« 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 ARi zu, womit die Anfangstemperaturänderung AT_x, verursacht durch herabgesetzte Wärmeableitung, zunimmt. Diese Anfangs- oder Ptimärwiderstandszunahme ARi ist nicht von einer Abnahme des Stroms durch den Detektor begleitet wenn er von einer Konstantstrom-Quelle 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 AT₂. Dies führt ?.w einer insgesnmt erhöhten Temperaturänderung ATi + AT₂ und einem erhöhten Widerstand ARi + AR₂. 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 AbfühUermögen vor, verursacht durch eine Zunahme von AR₂ in der Primärwiderstandsänderung AR₁. 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) ausgelöste Widerstandsänderung ARi verursacht keine Stromänderung bei einer Konstantstrom-Quelle. Daher treten Sekundäreffekte zur Erhöhung der Empfindlichkeit auf.

Die im Inneren eines Kernreaktors herrschenden Bedingungen erfordern jedoch besondere Vorkehrungen, um ein zuverlässiges Arbeiten des Flüssigkeitsstanddetektors zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsstanddetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch unte^r den Bedingungen im Druckbehälter eines Kernreaktors, wie unter dem Einfluß der dortigen Bestrahlung mit hoher Empfindlichkeit zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einem Flüssigkeitsdetektor der eirgai.gs genannten Art durch die Kombination der Merkmale gelöst, daß der Fühlerwiderstand von einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Hülse koaxial umgeben ist, und ein elektrisch leitender und wärmeleitender Mantel die Hülse Koaxial umgibt, der Fühlerwiderstand und der Mantel an einem gemeinsamen, dem Widerstandsmesser abgewandten Ende elektrisch miteinander verbunden sind, eine wärmeleitungsbegrenzende Kupplungseinrichtung mit einem Zwischenstück zur elektrischen Verbindung des äußeren Leiters des Koaxialkabels mit dem Mantel vorhanden ist, die ein Innenleiterkupplungsstück zum elektrischen Verbinden des inneren Leiters des Koaxialkabels mit dem Fühlerwiderstand aufweist.

Der gemäß der Erfindung für Kernreaktoren eingesetzte hochempfindliche Flüssigkeitsstanddetektor 'lrr.'aßt somit einen Widerstandsfühler mit positivem Temperaturkoeffizienten. Eine Konstantstrom-Quelle rindet zur Speisung des Detektors Anwendung, wodurch die angestrebte Steigerung der Detektorempfindlichkeit erzielt wird. Der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandsmaterials fördert dip Steigerung der Detektorempfindlichkeit ebenfalls. Durch seine besondere Ausbildung kann man mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstanddetektor das Niveau sowohl ionischer als auch nicht-ionischer Flüssigkeiten bestimmen.

Der Fühlerwiderstano des Flüssigkeitsstanddetektors ist von einer elektrisch isolierenden und wärmeleiten-

den Hülse umgeben. Die Hülse wiederum ist in einem elektrisch leitenden Außenmantel eingeschlossen, der an seinem unteren Ende mit der Spitze des Fühlerwiderstandes verbunden ist. Der Füllstandsdetektor umfaßt ein Koaxialkabel und ein Verbindungsstück, das das Koaxialkabel mit dem Fühlerwiderstand und dem Außenmantel elektrisch verbindet. Das Verbindungsstück begrenzt den Wärmeübergang zwischen dem Koaxialkabel und sowohl dem Fühlerwiderstand 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.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform des Flüssigkeitsstanddetektors,

ίο Fig.2 einen Längsschnitt des unteren Teil einer Befestigung oder Trägerstruktur zum Halten mehrerer Flüssigkeitsstanddetektoren der in F i g. 1 gezeigten Art,

F i g. 3 einen Querschnitt der in F i g. 3 genannten Befestigung entlang der Linie 3-3 und

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform des Flüssigkeitsstanddetektors ähnlich der nach Fig. 1, aber mit einem langgestreckten Fühlerwiderstand.

Wie bemerkt, zeigen die Figuren drei Ausführungsformen der Erfindung. Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Flüssigkeitsstanddetektor 13 mit einem relativ kurzen Detektorbereich 14. Der Fig.2 ist zu entnehmen, daß zahlreiche Flüssigkeitsstanddetektoren 13 in mehreren Höhen innerhalb einer Befestigung oder Trägerstruktur 15 angeordnet sind. Schließlich ist in F i g. 4 ein Flüssigkeitsstanddetektor 13 mit einem relativ langen Detektor-1% *· " V* %Λ f\ λ«·» Mt

LSt.1 VIVII i *» UUIgVJIbIIl.

In F i g. 1 ist oben ein Koaxialkabel 17 dargestellt, verbunden mit einem Widerstandsmesser 21, der wiederum in geeigneter Weise elektrisch mit einer Konstantstrom-Quelle 25 verbunden ist Das Koaxialkabel 17 umfaßt äußere und innere Leiter bei 27 bzw. 28. die geeignet getrennt sind durch eine dargestellte elektrisch isolierende Hülle. Das Koaxialkabel 17 ist mit einer Kupplungseinrichtung 33 geeignet gekoppelt. Der Füllstandsdetektor 13 umfaßt einen Fühlerwiderstand 39 aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifi· sehen Widerstands. Geeignete Materialien sind z. B. Monel-Metall oder Manganstahl. Diesen Fühlerwiderstand 39 umgibt eine isolierende Hülse 41 mit hohem elektrischen Widerstand und Wärmeleitfähigkeit koaxial. Ein Beispiel für ein geeignetes Material für die Hülse 41 ist Berylliumoxid.

Die Hülse 41 und damit auch den Fühler 39 umgibt ein Außer ;nantel 43 koaxial, der sowohl Wärme als auch Elektrizität leitet. An seinem unteren Ende ist dieser Mantel 43 mit dem Fühlerwiderstand 39 elektrisch geeignet verbunden. Diese Verbindung kann z. B. durch Löten hergestellt werden.

Die Fig.4 zeigt, daß der Detektorbereich 14 wesentlich länger als in Fig. 1 gezeigt sein kann, was es dem Detektor 13 ermöglicht, Schenkungen des Flüssigkeitsstandes kontinuierlich zu messen, vorausgesetzt, daß der Fühlerwiderstand 39 von größerer Länge als die vorübergehenden Schwankungen des Flüssigkeitsstandes ist. Im übrigen sind die Füllstandsdetektoren 13 der Fig. 1 und 4 ähnlich im Aufbau, da sie beide ein Koaxialkabel 17, einen Detektorbereich 14 und eine Kupplungseinrichtung 33, die beide verbindet, aufweisen. Die verwendete Kupplungseinrichtung 33 ist ein spezielles Anschlußstück zum Halten des Koaxialkabels 17 in körperlichem und elektrischem Kontakt mit dem Außenmantel 43 und dem Fühlerwiderstand 39 des Füllwiderstandsdetektors 13. Seine Struktur und Materialzusammensetzung begrenzen den Wärmeübergang durch die Kupplungseinrichtung 33.

Die Kupplungseinrichtung 33 ist im allgemeinen rohrförmig, wie in F i g. 1 gezeigt. Ein federndes Hülsenteil 51 der Kupplungseinrichtung 33 verbindet elektrisch den Fühlerwiderstand 39 mit dem inneren Leiter 28 des Koaxialkabels 17. Dieses Hülsenteil 51 ist radial ausdehnbar und zusammenziehbar, um längsgerichtete Wärmeausdehnung und -kontraktion des Fühlerwiderstands 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 der Kupplungseinrichtung 33 umgeben. Das isolierende Rohrteil 53 isoliert das federnde Hülsenteil 51 elektrisch vom äußeren Rohrteil der Kupplungseinrichtung 33. Das äußere Rohrteil der Kupplungseinrichtung 33 koppelt elektrisch, aber isoliert thermisch den äußeren Leiter 27 relativ zum Mantel 43.
Gemäß F i g. 2 werden zahlreiche Füllstandsdetektoren 13 der in F i g. 1 gezeigten Art von Koaxialkabeln 17

so 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 F i g. 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 F i g. 1 angedeutet Eine Konstantstrom-Quelle 25, auch in F i g. 1 wiedergegeben, speist den jeweils angeschlossenen Füllstandsdetektor 13 und schafft damit eine Anzeige dafür, ob die Position des jeweiligen Füllstandsdetektors 13 sich im Augenblick in einer flüssigen oder gasförmigen Umgebung befindet

F i g. 3 veranschaulicht einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2. 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 F i g, 4 ist eine langgestreckte Ausführungsform des Füllstandsdetektors 13 dargestellt Dank seiner Länge kann der Detektor 13 eine Füiüstandsinformation über die ganze oder eine erhebliche Strecke liefern. Bei Betrieb wird ein Teil des in F i g. 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 F i g. 4 vorgenommen werden, um kontinuierliche Änderungen im Widerstand entlang der gesamten Länge des Fühlerwiderstandes 39 zu beobachten.
Andererseits zeigt der Detektor der F i g. 2 nur das Vorliegen oder Fehlen von Flüssigkeit an der bestimmten
Position an, an der die Füllstandsdetektoren vorhanden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:
1. Flüssigkeitsstanddetektor zum Einsetzen in den Druckbehälter eines Kernreaktors, wobei

a) der Druckbehälter sich zur Aufnahme von flüssigem und gasförmigem Material eignet,

b) der Detektor über elektrische Leiter mit einer Energiequelle und einem Anzeigegerät verbunden und als Widerstandsfühler mit positivem Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist

c) der Flüssigkeitsstand in dem Druckbehälter über eine Änderung des Widerstands des Fühlers nachweisbar ist

d) die elektrischen Leiter aus einem Koaxialkabel (17) mit einem inneren (28) und äußeren Leiter (27), getrennt durch eine isolierende Hülle, bestehen,

e) die Energiequelle eine Konstantstrom-Quelle (25) und das Anzeigegerät ein Widerstandsmesser (21) ist