DE3502879A1

DE3502879A1 - Verfahren zur ultraschall-temperaturfernmessung

Info

Publication number: DE3502879A1
Application number: DE19853502879
Authority: DE
Inventors: Eric John Chustleton Chester Burton; Jain Donald Altrincham Cheshire Macleod; James Alan Mcknight
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1985-01-29
Publication date: 1985-08-08
Also published as: GB8402920D0; FR2559260A1; GB2153999A; GB2153999B; JPS60183532A; US4655992A; GB8501513D0; FR2559260B1

Description

die an Konstruktionsteilen des Aufnahmeaufbaus befestigt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeaufbau eine Anordnung von allgemein parallelen strömungsmittelführenden Kanälen mit im allgemeinen koplanaren Auslässen enthält und daß der Ultraschall allgemein quer zur Strömungsmittelströmung von diesen Auslässen im Auffallwinkel zu diesen Auslässen fortgepflanzt wird, wodurch Reflexionen an sich diametral gegenüberliegenden Kantenteilstücken der Auslässe auftreten, wo^w bei die Kantenteilstücke die genannten Elemente bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeaufbau eine Anordnung von allgemein

parallelen strömungsmittelführenden Kanälen mit allgemein koplanaren Auslässen einschließt und daß der Ultraschal 1 _,_} allgemein in Längsrichtung dieser Kanäle fortgepflanzt

_A wird, wodurch Reflexionen an Konstruktionsteilen oder an

einen Reflektor tragenden Konstruktionsteilen innerhalb der Kanäle auftreten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall über den Aufnahmeaufbau hinweg abgetastet wird, um Echosignale von einer Vielzahl von Zonen innerhalb des Aufbaus abzuleiten, und daß die empfangenen Echosignale analysiert werden, um sie entsprechenden Zonen zuzuordnen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeaufbau einen Kernreaktor umfaßt, bei dem ein Flüssigmetal1kühlmittel verwendet wird, welches das genannte Strömungsmittel bildet.

2 8. JAN. 1985

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ANRj_ 1005693

VNR: 106836

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung

Nr. 8402920 vom 3. Februar 1984 beansprucht.

Verfahren zur UItraschall-Temperaturfernmessung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschal 1 -Temperaturf ernmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs!.

Die Erfindung entstand bei der Berücksichtigung der ernsten Probleme, die bei der Messung der Temperatur eines Kühlmittels auftreten, welches in einem Schnei 1spalt-Kernreaktor fließt, der durch flüssiges Natrium gekühlt wird. Die überwachung der Kühlmitteltemperatur ist nicht nur für normale Kontrol1 zwecke lebensnotwendig, sondern ist auch unumgänglich für Sicherheitszwecke, da Temperaturtrends und -übergänge den Anfang von Zwischenfällen, wie Blockieren der Kühlmittelströmung ahnen lassen, was dazu führen kann, daß fester Kernbrennstoff schmilzt, wenn keine Korrektur- oder Vorbeugemaßnahmen getroffen werden. Verschiedene Lösungen dieser Probleme sind in Betracht gezogen worden, wie beispielsweise der Verlaß auf Strömungsmesser- oder Thermoelement-Ablesungen oder durch akustische Ermittlung von Kühlmittelsieden. Bei diesen bekannten Losungen können jedoch Unsicherheiten speziell dort auftreten, wo die Normal strömung gering ist oder wo eine Querströmung vorhanden ist, in der pinp normale Strömung c> i rie

abnormale Strömung verschleiern könnte. Diese Unsicherheiten erhöhen sich noch, wenn, wie es oft der Fall ist, die Strömungs- oder Temperaturmeßvorrichtung nicht genau an den empfindlichsten Stellen angeordnet werden kann (die gewöhnlich die Austrittsstellen der Strömung aus defininierten Kanälen in Massenzonen sind), und zwar wegen Zugangs- oder Behinderungsprobl emen.

Wenn auch die gegenwärtige Praxis selbst keinerlei Gefahren mit sich bringt, da der akzeptable Sicherheitsrahmen entsprechend erzielt werden kann, wird dennoch dauernd nach einem verbesserten Standard gesucht. Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen solchen verbesserten Standard durch die Verwendung von Ultraschall zu schaffen* der entweder bekannte Systeme ersetzen oder im Einklang mit diesen arbeiten kann.

Die Verwendung der Ultraschal1technik zum Messen der Temperatur ist bekannt, siehe beispielsweise GB-PSen 21 14 299, 20 02 118, 13 00 159, 12 02 182, 11 78 529, 11 78 385 und 10 35 763. Die GB-PS 13 00 159, beispielsweise,befaßt sich insbesondere mit einer Vorrichtung zur Ultraschallmessung der Temperatur eines Flüssigmetal1-Kühlmittels innerhalb eines Kernreaktors.

Eine solche Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Hardware räumlich an einer Stelle angeordnet ist, an der die Temperaturmessung vorgenommen werden soll, und stört daher die Strömungsbedingungen, die an dieser Stelle vorherrschen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Messen der Temperatur innerhalb eines Körpers eines Strömungsmittels geschaffen, bei dem Ultraschall durch das Strömungsmittel geschickt wird und die Zeit, die der Ultraschall für eine bekannte Strecke braucht, in einen entsprechenden Temperaturwert umgesetzt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist daß zum Messen der Temperatur an einer

> oder mehreren ausgewählten Zonen innerhalb des Körpers des Strömungsmittels, wobei die Zone oder Zonen durch Elemente abgegrenzt werden, die in einem oder mehreren Trennabständen innerhalb eines Aufnahmeaufbaus für den Körper des Strömungsmittels angeordnet sind, folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

a) Ultraschall wird in das Strömungsmittel an einer Stelle eingeschossen, die räumlich nicht an die Zone bzw. Zonen angrenzt, wodurch der Ultraschall in Richtung auf diese Zone bzw. Zonen fortgepflanzt wird und durch diese Elemente eineRef1exion erfährt;

b) die resultierenden Ultraschal1echos werden als von einer bestimmten Zone oder von bestimmten Zonen herrührend identifiziert und die dazwischen vergangene Zeit in einen Temperaturwert umgesetzt.

Die Erfindung geht aus von der bekannten Tatsache, daß die Schallgeschwindigkeit in Natrium (oder auch in einer anderen Flüssigkeit) eine Funktion von dessen Temperatur ist. Die Erfindung benutzt Ultraschal1 strahl en von einem abfragenden Ultraschal1 wandler oder mehreren derselben, die auf den genannten Elementen gesichtet werden können (z.B. die entgegengesetzten Seiten eines Kanals, der Kernbrennstoff enthält, welcher von Natrium-Kühlmittel umspühlt wird, oder Reflektoren speziell im Kanal). Durch Messen der Zeitdifferenz zwischen Echos, die von den jede Zone abgrenzenden Elementen zurückempfangen werden, zusammen mit einer Kenntnis des Abstandes der Elemente, kann die Schallgeschwindigkeit errechnet und somit die mittlere Temperatur zwischen diesen Stellen ermittelt werden. Es ist auch wegen der kurzen Zeit, die für die Durchführung einer Messung erforderlich ist, möglich, zeitliche Schwankungen (manchmal "Temperaturrauschen" genannt) zu überwachen, welches ein empfindsames Verfahren zur Ermittlung von lokalen überhitzungen ist. Die Strahlen von den abfragenden Wandlern können gesichtet werden, als seien sie

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durchdringend oder als verliefen sie in einem Auffal!winkel, wobei letzteres sehr vorteilhaft ist zum Messen von Temperaturen an einem Auslaß eines Kanals.

Wenn eine Anzahl von Zonen in einer gemeinsamen Linie liegt, die von einem einzelnen abfragenden Wandlerstrahl Überblickt werden kann, ist es möglich, eine Reihe von Temperäturmessungen gleichzeitig vorzunehmen und darzustellen oder aufzuzeichnen.
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Die abfragenden Wandler können jeder Zone einzeln zugehören, oder sie können so angeordnet werden, z.B. auf einem Schwenkarm, daß sie eine Vielzahl von Zonen abtasten.

Die Erfindung wird anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausfuhrlicher beschrieben. Dabei zeigen

Fign. 1 und 2 jeweils in schematischer Draufsicht bzw. Seitenansicht die Betriebsweise der

Erfindung durch Aufprallen auf Oberflächen, die natürlich vorhanden sind;

Fig. 3 eine Draufsicht einer Schnei 1reaktor-Brenn-Stoffbaugruppe, bei der Temperaturmessungen

der Brüter-Unterbaugruppen an der Peripherie des Kerns überwacht werden;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht, die das Ab- * tasten des oberen Teilstücks einer einzelnen

Unterbaugruppe veranschaulicht;

Fig. 5 eine Grafik der Änderung der Echointensität mit dem Einfallswinkel θ des abtastenden Strahls;

Fig. 6 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren;

' Fig. 7. schematisch die Betriebsweise der Erfindung

unter Verwendung speziell vorgesehener Reflektoren ;

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung des oberen

Tei1stücks einer Unterbaugruppe; und

Fig. 9 schematisch eine alternative Ausführungsform ähnlich wie Fig. 7, wobei jedoch Konstruktionsteile der Unterbaugruppe als Reflektoren ver

wendet werden.

In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung sind die oberen Teilstücke einer Anzahl von Brennstoff- oder Brüter-Unterbaugruppen-Hüllen oder -Kanälen 10 dargestellt, die je flüssiges Natriumkühlmittel in ein Hauptvolumen 11 abgeben. Ein abfragender UltraschalIwandler 12, der in das flüssige Natrium im Hauptvolumen 11 eingetaucht ist, sendet einen Strahl 13 aus Ultraschal1impulsen aus, der in der Ansieht der Fig. 1 schmal ist, aber in der Ansicht der Fig. breiter ist. Dieser Strahl "blickt" über die Auslaßenden der Kanäle 10 und schickt Echos von sich diametral gegenüberliegenden Kanten 10a und 10b an jedem Kanal zurück. Die Kanten können als Lokalitäts-Punktpaare angesehen werden. Durch Messen der Zeitintervalle ti, t2 und t3 und bei Kenntnis des Durchmessers der Kanäle ist es möglich, die mittlere Temperatur des aus den Auslassen der Kanäle 10 austretenden Natriums zu ermitteln, und zwar nicht-invasiv und bevor irgendeine merkliche Querströmung auftreten kann.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht eines Schnellreaktorkerns, der eine sechseckige Anordnung von Brennstoff- und Brütermaterial-Unterbaugruppen aufweist. Die oberen Teile der Brennstoff- oder Brüter-Unterbauteile sind von zylindrischer Form, ihre unteren Enden laufen in Spitzen aus, um in einen Haltegitteraufbau des Reaktors einzugreifen, und sie haben auf der übrigen Länge einen sechseckigen Quer-

schnitt. Die inneren Unterbaugruppen sind dem Reaktorbrennstoff und Kontrol1 vorrichtungen zugedacht, und die äußeren drei "Ringe"von Unterbaugruppen, d.h. jene außerhalb der Phantomlinie 50, sind dem Brüterbrennstoff zugedacht. Die Konstruktion des Reaktors bei diesem Ausführungsbeispiel kann so sein, daß die Temperaturen der inneren Unterbaugruppen durch Thermoelemente gemessen werden, während die Temperaturen der Brüter-Unterbaugruppe durch Ultraschall gemessen werden.

Wie dargestellt, ist eine Vorrichtung S zum Aussenden von zwei Ultraschal1 strahl en Bl und B2 vorgesehen. Sie kann Wellenleiter oder eingetauchte Wandler aufweisen, die für Natrium geeignet sind und in der Sende-Empfangs-Weise arbeiten. Die Strahlen werden veranlaßt, über die äußeren Brüter-Unterbaugruppen zu streichen, indem die Vorrichtung abwechselnd im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn bewegt wird. Eine ähnliche Vorrichtung S kann an jedem Scheitel (oder an jedem Scheitel um den anderen) der sechseckigen Anordnung vorgesehen werden, so daß die Vorrichtungen S kollektiv alle Brüter-Unterbaugruppen mittels Strahlen Bl und B2 abtasten können.

Um die Funktion der Elektronik, die zur Realisierung der Messung verwendet wird, zu verstehen, wird das Problem der überprüfung der Echos von einer Unterbaugruppe mit Bezug auf Fig. 4 erläutert. Der UltraschalΓ von der Abtastquelle S führt zu Echos als Folge einer Reflexion von den vorragenden Stellen am oberen Ende der Unterbaugruppe bei Dl und D2. Die Echozeiten Tl und T2 sind zu messen, so daß deren Differenz für die Temperaturbestimmung errechnet werden kann. Infolge der Kenntnis des Richtungswinkels θ des Strahls von einer gewissen bekannten Bezugsrichtung und aus den Impulsechozeiten ist es möglich, den Ort der vorragenden Stellen Dl und D2 (d.h. Stellen, an denen die reflektierenden Oberflächen senkrecht zum Strahl

' liegen) zu errechnen und sie als ein Ultraschal1bi1d des Bereiches darzustellen. In der Praxis würde das von den vorragenden Stellen erhaltene Bild wegen der Divergenz des Strahles aus zwei "Strichen" Il und 12 bestehen. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn auch das Bild streifig ist, die Echos stets von den vorragenden Stellen herrühren; diese können aber von Randstrahlen des tatsächlichen Schall Strahls reflektieren.

Die exakte Orientierung der vorragenden Stellen kann bestimmt werden durch Überprüfung der Intensität I des reflektierten Signals. Fig. 5 zeigt, wie diese sich mit der Richtung des Strahls für die eine vorragende Stelle Dl ändern würde. Das maximale Signal wird erhalten, wenn der zentrale Gang des Strahls direkt auf die vorragende Stelle zeigt, und so kann die Orientierung der Stelle Dl in Ausdrücken des Winkels θ bestimmt werden. Die Zeitdifferenz T1-T2. zwischen den Signalen sowohl von Dl als auch Dl ergibt eine Anzeige der Schallgeschwindigkeit und somit der Strömungsmittel tempera tür, ob nun die Echos vom zentralen Gang des Strahls herrühren oder nicht. In den meisten Fällen würde dies zutreffen, aber wenn der Strahl nicht direkt auf die vorragende Stelle zeigt, kann er auch von einer benachbarten Unterbaugruppe reflektiert werden, und es kann eine Verwechslung zwischen den Signalen vorkommen. Folglich besteht die Notwendigkeit, festzustellen, wann die Echos von einem richtig zeigenden Strahl herkommen.

Eine elektronische Anlage zur Identifizierung der Echos und zum Berichten abgeleiteter Temperaturen ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Der Abtaster S wird bei seiner Schwingbewegung durch einen Motor 52 angetrieben, der ein Schrittschaltmotor sein kann. Für dieses Beispiel wird der Motor allerdings als freilaufend angesehen. Ein Positionskodierer 54 am mechanischen Antrieb

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ermöglicht es, die Richtung (Θ) des abtastenden Wandlers S jederzeit zu bestimmen. Der Steuerprozessor 56 (Intel 8086) lädt einen Funktionsgenerator 58 (Namlak Typ VHR 2195) mit Daten zum Antreiben eines ausgewählten der Wandler mit obtimaler Impulsform für ein genaues Timing der Echos. Die Wellenform wird dann für den ausgewählten Wandler über einen Multiplexer einem Wandlertreiber 62 zugeführt. Die vom Wandler empfangenen zurückgekehrten Echosignale werden über einen Vorverstärker 64 und einen Multiplexer 66 einem 1 ogari thnii sehen Reaktionsverstärker 68 zugeführt. Dieser hat einen dynamischen Bereich von im typischen Fall 60-70 db, wobei er die Anpassung an den gesamten Bereich von reflektierten Echos ermöglicht. Die Einzelechos von Zielen im Weg des Ultraschal1 strahls werden durch den Scheitelwertdetektor 70 ermittelt, der dann einen Zeitgeber 72 abfragt, um eine Zeitmessung für jedes Echo zu erhalten. Die Amplitude des Echos wird digital umgesetzt durch einen Analog-Digita!-Umwand!er 74. Die Gesamtdaten für jedes.Echo, nämlich dessen digitalisierte Amplitude, dessen Zeit seit der Pulsierung des entsprechenden Wandlers und die Position des Abtasters S zum Zeitpunkt des Echoempfangs werden alle vorübergehend als ein einzelnes ■■ "Datenwort" in einem First-In-First-0ut-Speicher (FIFO) 76 gespeichert. Die Daten jedes nachfolgenden Echos werden, nacheinander in dem Speicher plaziert.

Nach etwa 2 Millisekunden werden alle interessierenden Echos von einem bestimmten Wandler-Sendeimpuls empfangen worden sein, aber es werden etwa weitere 5 Millisekunden vergehen, bevor alle unechten Echos abgeklungen sein werden und der gleiche oder ein benachbarter Wandler dann pulsiert werden kann. Während dieser Zeitspanne werden die Daten im FIFO 76 herausgezogen und interpretiert.

Die annähernde Lage von erwünschten Echos wird natürlich stets bekannt sein. Ein Datenprozessor (Intel 8086) 78 erkennt die erwünschten Echos und speichert die präzisen Amplituden^ und Zeitdaten für jedes in einer entsprechen-

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. den Tabelle in einem Direktzugriffspeicher 80. Dieser Speicher speichert praktisch alle Daten für alle vorerwähnten "Streifenbilder" in Tabellenform. So wie die Abtastvorrichtung S sich bewegt und die Wandler pulsiert werden, werden die Tabellen mit der letzten Information auf den neuesten Stand gebracht. Sobald der FIFO 76 leer ist, bereitet sich der Steuerprozessor 56 vor und feuert den nächsten Wandlerimpuls ab.

Der Direktzugriffspeicher 80, der die Echotabellen speichert, ist von der Zwei tor- bzw. Vierpol form. Ein analysierender Prozessor 82 (Intel 8086) prüft diese Tabellen, leitet das Maximal signal für ein bestimmtes Echo ab (d.h. die Spitze eines "Streifens", siehe Fig. 5) und errechnet Zeitdifferenzen zwischen entsprechenden Echos und die Temperaturen für spezifische Brennstoffbaugruppen. Der Prozessor 82 kann unabhängig vom übrigen Teil des Systems arbeiten, so daß er seine Zeit verhältnismäßig verteilen kann, um verschiedenen Zwecken gerecht zu werden. Beispielsweise kann er mehr Zeit der überprüfung der Temperaturänderungen (Temperaturrauschen) einer besonderen Unterbaugruppe oder mehr Zeit den kritischeren Brüter-Unterbaugruppen widmen. Er kann natürlich unterschiedliche Bedeutungen den für unterschiedliche Unterbaugruppen abgeleiteten Temperaturen geben, z.B. einen anderen Grenzwert für die Einsetzung anderer Typen von Ausgangssignal (z.B. Alarmsignale) einsetzen, um Bedienungspersonal und/oder eine automatische Steuerung des Reaktors in Aktion zu bringen.

Der Ausgangsprozessor 84 (Intel 8087) kann über Ausgangsleitungen 86 Alarm- und möglicherweise Reaktorabschalteinrichtungen in Betrieb setzen. Zusätzlich können verschiedene Anzeige- und Blattschreiber-Ausgänge zur Information und zur Experimentierung über die Ausgangsleitung 86 vorgesehen werden.

Nach Fig. 7 ist ein Brennstoffkanal 30 innen mit zwei Reflektoren 30A, 3QB ausgestattet. Diese werden durch einen Ultraschal1 strahl 33 van einem Wandler 32 abgefragt, der es ermöglicht» Temperatur oder Temperaturrauschen im Bereich des Kanals zwischen den Reflektoren zu messen. Der Reflektor 3OA hat eine horizontale Fläche (so daß etwas von dem Strahl 33 entlang seinem Einfallsweg zurückgeworfen wird) und eine geneigte Fläche (so daß etwas von dem Strahl 33 zum Reflektor 30B reflektiert wird). Der Reflektor 30B hat einfach eine geneigte Fläche.

Fig. 8 zeigt eine allgemeine Ansicht des oberen Teil Stücks einer Schnellreaktor-Unterbaugruppe 90 und läßt die Oberkante 91 erkennen (die den Auslaß der Unterbaugruppe bildet und mit Zinnen versehen sein kann), ferner einen Orientierungsstab 92, ein Stabbruch-Ermittlungsrohr 94 und eine Platte 96, die den Brüter-Brennstoff hält Wie in Fig. 9 dargestel11, kann ein Sende-Empfangswandler 98 (wie durch Pfeile 100 angedeutet) von zwei oder mehr dieser Objekte lokalisiert werden. So ist es möglich, die Zeitdifferenz und somit die erforderliche Temperaturinformation zu einhalten, da die gegenseitigen Abstände zwischen den Zielen 91, 92, 94 und 96 genau bekannt sein werden.

So kann ein Wandler so angeordnet werden, daß er Echos von allen vier Zielen gleichzeitig erhält.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist erkennbar, daß die Ultraschal1quel1e räumlich der Zone oder den Zonen, an der bzw. denen Temperaturmessungen durchzuführen sind, nicht benachbart ist, d.h. der Ultraschall ist von einer entfernten Stelle her mit der Zone oder den Zonen über das Strömungsmittel selbst gekoppelt, ohne daß man sich auf irgendeinen Zwischenaufbau verläßt, der sonst die Strömungsmittel strömung durch solche Zonen hindurch stören würde.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen der Temperatur innerhalb eines Körpers eines Strömungsmittels, bei dem Ultraschall durch das Strömungsmittel geschickt und die Zeit, die der Ultraschall für eine bekannte Strecke braucht, in einen entsprechenden Temperaturwert übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Temperatur an einer oder mehreren ausgewählten Zonen innerhalb des Körpers des Strömungsmittels, wobei die Zone oder Zonen durch Elemente abgegrenzt ist bzw. sind, die in einem oder mehreren bekannten Trennabständen innerhalb eines Aufnahmeaufbaus für den Körper des Strömungsmittels angeordnet sind, folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

a) Ultraschall wird in das Strömungsmittel an einer Stelle eingeschossen, die räumlich nicht an die Zone oder Zonen angrenzt, wodurch sich der Ultraschall in Richtung auf die Zone bzw. Zonen fortpflanzt und durch die Elemente eine Reflexion erfährt; und

b) die resultierenden Ultraschallechos werden als von einer bestimmten Zone oder von bestimmten Zonen herrührend identifiziert, und die dazwischen vergangene Zeit wird in einen Temperaturwert umgesetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente durch Konstruktionsteile des Aufnahmeaufbaus gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Elemente durch Reflektoren gebildet werden,"~|