DE3734912A1 - Induktive stroemungssonde zum messen der stroemungsgeschwindigkeit eines fluessigmetallstromes - Google Patents

Induktive stroemungssonde zum messen der stroemungsgeschwindigkeit eines fluessigmetallstromes

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Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Strömungssonde nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der DE-PS 26 32 042 ergibt.
Derartige Sonden werden zur Messung lokaler Geschwindigkeiten in Flüssigmetallen eingesetzt, wie z. B. im Kreislauf eines natriumgekühlten Kernreaktors, insbesondere im Bereich der Brennelemente zur ständigen Kontrolle des Flüssigmetallstromes, um lokale Überhitzungen zu vermeiden.
Eine permanentmagnetische Geschwindigkeitsmeßsonde für Flüssigmetalle (Fig. 1) arbeitet nach dem Induktionsgesetz. Durchströmt eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit ein Magnetfeld B mit von der Magnetfeldrichtung unterschiedlicher Strömungsrichtung, so wird in der Flüssigkeit ein elektrisches Feld erzeugt. Wird das elektrische Potential an zwei Punkten 1 und 2 des elektrischen Feldes abgegriffen, so ist die gemessene Potentialdifferenz E₁₂ proportional zur Strömungsgeschwindigkeit V. Es gilt daher:
E₁₂ = C₁(B×V)
wobei C₁ eine von den Stoffeigenschaften und der Geometrie der Anordnung abhängige Proportionalitätskonstante ist, die im konkreten Fall durch eine Kalibrierung bestimmt werden muß.
Die Kalibrierung kann auch nachträglich, d. h. nach dem Einbau der Sonde am Einsatzort, erfolgen, wenn anstelle von einem Permanentmagneten zwei oder mehr Permanentmagnete in Strömungsrichtung angeordnet sind (Fig. 2). Bei dieser Anordnung kann die Laufzeit τ m von Geschwindigkeitsschwankungen zwischen zwei Magneten durch Korrelation der zugehörigen Sondensignale bestimmt werden und hieraus, bei bekanntem Abstand der Magnete, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit.
Die Ausführung mit zwei oder mehr Magneten hat den Vorteil, daß die durch Temperatureinfluß, Bestrahlung oder Alterung bedingte Änderung der magnetischen Feldstärke und damit der Meßspannung U jederzeit durch die beschriebene Kalibrierungsmethode eliminiert werden kann.
Einzelheiten des Aufbaus und der Funktion derartiger Sonden sind in einem Bericht des Kernforschungszentrums Karlsruhe veröffentlicht (St. Müller, G. Thun. "Permanentmagnetische Durchflußmeßsonde für flüssige Metalle", KfK 2479). Bei der darin beschriebenen permanentmagnetischen Geschwindigkeitsmeßsonde werden als Meßelektroden zwei Stahldrähte verwendet, mit denen die durch die Strömungsgeschwindigkeit induzierte Potentialdifferenz lokal abgegriffen wird. Unter der Voraussetzung, daß zwischen den Meßelektroden keine Temperaturdifferenz besteht, d. h. in der Strömung keine Temperaturgradienten vorhanden sind, verändert sich das Sondensignal proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Ist diese Voraussetzung nicht erfüllt, z. B. in Kanalströmungen mit beheizter Wand oder in Auftriebsströmungen, wird dem Sondensignal zusätzlich zu dem Geschwindigkeitsanteil noch ein Temperaturanteil überlagert. Der Temperaturanteil entspricht der thermoelektrischen Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Meßelektroden und kann mehrfach größer sein als das Geschwindigkeitssignal. Da die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Abgriffspunkten nicht gemessen wird, kann der Temperaturanteil bei dieser Sondenbauart nicht kompensiert werden.
Aus der Dissertation von T. von Weissenfluh "Turbulenter Wärmetransport in flüssigem Natrium", ETH Zürich (1984), Diss. ETH. Nr. 7464, ist ein permanentmagnetischer Geschwindigkeitsmesser bekannt, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen den Potentialabgriffspunkten zusätzlich gemessen werden kann, wobei als Abgriffelektroden offene Cr/Al-Thermoelemente eingesetzt werden. Dadurch wird eine Temperaturkompensation des Sondensignals zwar prinzipiell möglich, erfordert jedoch eine genaue Kenntnis der Seebeckkoeffizienten des Meßelektrodenmaterials (Cromel und Alumel) und des Flüssigmetalls (z. B. Natrium). Da die Seebeckkoeffizienten von der absoluten Temperatur abhängen, muß diese Abhängigkeit bei einer Temperaturkompensation des Sondensignals ebenfalls berücksichtigt werden. Eine kontinuierliche Kompensation des Sondensignals erfordert daher außer der Messung der Temperaturdifferenz zwischen den Meßelektroden die ständige indirekte Messung einer physikalischen Größe (des Seebeckkoeffizienten) von mindestens zwei Materialien (Elektrodenmaterial und Flüssigmetall).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Sonde soweit zu verbessern, daß sowohl der Einfluß des Temperaturgradienten in der Strömung als auch der Einfluß der absoluten Temperatur eliminiert werden, wobei die Geschwindigkeitsmessung von dem Einfluß des temperaturabhängigen SEEBECK-Koeffizienten unabhängig sein soll.
Diese Aufgabe wird mittels der im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sonde wieder.
Die neue Geschwindigkeitsmeßsonde unterscheidet sich von der beschriebenen Bauart (Fig. 1) dadurch, daß zwei zusätzliche Thermoelemente an nicht vom Magnetfeld beeinflußten Positionen (3 und 4 in Fig. 3) in die Sonde eingefügt sind. Zum Abgriff der Sondensignale werden entweder Thermoelemente mit geerdeter Cr/Al-Meßspitze (Fig. 3) oder Dreileiterthermoelemente mit isolierter Cr/Al-Meßspitze zur Temperaturmessung und mit einem an der Meßspitze mit dem Thermoelementmantel verschweißten Stahldraht (Fig. 4) eingesetzt.
Mit dieser Anordnung kann durch Messung von zwei Potentialdifferenzen und vier Temperaturen eine vollständige Temperaturkompensation erreicht werden.
Unter Einführung folgender Bezeichnungen
U = gemessene Signalspannung,
E = Geschwindigkeitsanteil der Signalspannung,
Δ T = Temperaturdifferenz zwischen den Meßpunkten,
S = Seebeckkoeffizient,
Indizes:
A = Alumelelektrode,
C = Cromelelektrode,
N = Flüssigmetall (Natrium),
S = Stahlelektrode,
1, 2, 3, 4 Meßpositionen
gilt für die Potentialdifferenzen zwischen den Elektrodenabgriffen an den Meßpositionen 2 und 1 entsprechend der Sondenausführung nach Fig. 3:
U₂₁ A = E₂₁ + Δ T₂₁ (S N - S A ) (1)
U₂₁ C = E₂₁ + Δ T₂₁ (S N - S C ) (2)
und bei der Ausführung mit Dreileiterthermoelementen nach Fig. 4:
U₂₁ S = E₂₁ + Δ T₂₁ (S N - S S ) (3)
bzw. für die nicht vom Magnetfeld beeinflußte Meßpositionen 3 und 4
U₄₃ A = Δ T₄₃ (S N - S A ) (4)
U₄₃ C = Δ T₄₃ (S N - S C ) (5)
und
U₄₃ S = Δ T₄₃ (S N - S S ) (6)
Setzt man Gl. (4) in Gl. (1) bzw. Gl. (5) in Gl. (2) ein, so erhält man:
und
bzw. für den Fall der Dreileiterthermoelemente
Aus den Gleichungen (7) und (8) kann das Verhältnis der Temperaturdifferenzen Δ T₂₁/Δ T₄₃ eliminiert werden. Nach einigen Rechenschritten erhält man für die temperaturunabhängige Signalspannung
Durch die Messung der 4 Spannungen U₂₁ A , U₂₁ C , U₄₃ A , U₄₃ C einer Sonde der Ausführung nach Fig. 3 kann daher mit Gl. (10) eine nur geschwindigkeitsabhängige Signalspannung E₂₁ berechnet werden.
Fig. 5 zeigt das Prinzip der Signalaufbereitung für die Sondenausführung A nach Fig. 3. Sie kann mit entsprechenden Analogbausteinen realisiert werden. Es ist jedoch darauf zu achten, daß rausch- und driftarme Verstärker 8, 9, 10, 12 eingesetzt werden. Der dem Verstärker nachgeschaltete Tiefpaß 19 ist zur zeitlichen Mittelung eines fluktuierenden Sondensignals erforderlich. Eine Zeitkonstante von 10 Sekunden ist für die meisten Anwendungen ausreichend. Mit dem Grenzwert (GW) kann die Temperaturdifferenz vorgewählt werden, unterhalb derer die Temperaturkompensation entfallen kann.
Anstelle der Analogverstärker und Tiefpaßglieder können vorteilhaft hochauflösende integrierende Digitalvoltmeter eingesetzt und die digitalisierten Werte auf einem Rechner weiterverarbeitet werden. Diese Art der Auswertung verbessert die Meßgenauigkeit.
Für den Fall, daß zwischen den Meßpositionen 3 und 4 ein Temperaturgradient von einigen K vorhanden ist, läßt sich Gl. (10) ohne Schwierigkeit anwenden. Bei sehr kleinen Temperaturgradienten (Δ T₄₃<0,1 K) wird die Auswertung nach Gl. (10) jedoch ungenau, da dann Zähler und Nenner des Quotienten U₄₃ A /U₄₃ C gleichzeitig gegen null gehen. Für kleine Änderungen um einen festen Temperaturmittelwert können die Meßspannungen U₄₃ A und U₄₃ C jedoch als zueinander proportional angesehen werden. Unter Einführung einer dimensionslosen Proportionalitätskonstanten C* kann daher
U₄₃ A = C* U₄₃ C (11)
gesetzt werden. Damit vereinfacht sich Gl. (10) zu
Eine Auswertung nach Gl. (12) ist möglich, wenn zuvor C* bei einem Versuch mit größeren Temperaturgradienten bestimmt wurde. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß C* zusätzlich von der Absoluttemperatur abhängig ist.
Eine weitere Vereinfachung für die Bestimmung der Signalspannung E₂₁ erhält man, wenn der Temperaturgradient zwischen den Meßpositionen 1 und 2 zusätzlich verschwindet. In diesem Fall hängen die Signalspannungen U₂₁ A und U₂₁ C nur noch von der Geschwindigkeit ab und sind daher gleich groß.
U₂₁ A = U₂₁ C für Δ T₁₂ = 0 (13)
Damit geht Gl. (12) in die von Meßsonden ohne Temperaturkompensation bekannten Beziehungen
E₂₁ = U₂₁ A (14a)
bzw.
E₂₁ = U₂₁ C (14b)
über.
Wie bereits erwähnt, wird die Auswertung mit Gl. (10) bei kleinen Temperaturgradienten zwischen den Meßpositionen 3 und 4 ungenau. Um außerdem mögliche Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Proportionalitätskonstanten C* für die Auswertung nach Gl. (12) infolge der zusätzlichen Abhängigkeit von der Absoluttemperatur des Fluids zu umgehen, ist es für die praktische Anwendung zweckmäßig, eine untere Grenze für die Sondenspannung U₄₃ C vorzugeben, z. B. U₄₃ C =4 µV. Ergibt die Messung kleinere Werte als 4 µV für die Sondenspannung U₄₃ C , so ist die Auswertung entsprechend Gl. (14a) oder (14b) vorzunehmen, d. h. die Temperaturkompensation entfällt. Das Ergebnis ist dann um so genauer, je kleiner der Temperaturgradient an der Sonde ist. Die Festlegung der unteren Grenze, oberhalb derer die Auswertung nach Gl. (10) vorgenommen werden sollte, hängt zum einen von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit bzw. von der Empfindlichkeit des Sondensignals bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit ab und zum anderen von der Güte der Temperaturmessung. Eine hohe Auflösung und Genauigkeit der Temperaturmeßeinrichtung ermöglicht die Vorgabe einer niederen unteren Grenze, eine kleine Strömungsgeschwindigkeit bzw. eine geringe Geschwindigkeitsempfindlichkeit der Sonde erfordert diese.
Für die praktische Messung ist es daher auch von Vorteil, wenn nicht der Momentanwert, sondern ein mit ausreichender Integrationszeit gebildeter Temperaturmittelwert zur Auswertung herangezogen wird.
Eine weitere Möglichkeit, die temperaturunabhängige Signalspannung E₂₁ mit einer Sonde der Bauform A nach Fig. 3 zu bestimmen, besteht darin, die Temperaturdifferenzen Δ T₂₁ und Δ T₄₃ zusätzlich zu je zwei gleichartigen Sondenspannungen in den beiden Meßebenen (U₂₁ A , U₄₃ A oder U₂₁ C , U₄₃ C ) zu messen (Fig. 6). Diese Form der Auswertung kann auch bei Sonden der Bauform B nach Fig. 4 verwendet werden, wenn zusätzlich zu den genannten Temperaturdifferenzen T₂₁ und T₄₃ die Sondenspannungen U₂₁ S und U₄₃ S gemessen werden (Fig. 7).
Für die Temperaturdifferenzen an den Meßpositionen 2 und 1 bzw. 4 und 3 gilt (U 1/2/3/4AC ist die Thermospannung der Meßposition)
T₂₁ ∼ (U₂ AC - U₁ AC ) (15a)
und
T₄₃ ∼ (U₄ AC - U₃ AC ) (15b)
sowie für das Verhältnis der beiden Temperaturdifferenzen
Einsetzen von Gl. (16) in die Gleichungen (7), (8), (9) liefert die Beziehungen:
In den Gleichungen (17) bis (19) gehen für abnehmende Temperaturgradienten sowohl die Sondenspannungen in der Meßebene 43 (U₄₃ A , U₄₃ C , U₄₃ S ) als auch gegen null. Für die den Temperaturgradienten in der Meßebene 43 proportionalen Sondenspannungen gilt:
U₄₃ A,C,S = k A,C,S · (U₄ AC - U₃ AC ) (20)
Die Proportionalitätsfaktoren k A , k C oder k S lassen sich durch Kalibrierung bestimmen, sind aber ebenfalls von der Absoluttemperatur abhängig wie die Konstante C* in Gl. (11). Deshalb gilt die im Zusammenhang mit Gl. (10) und Gl. (12) erwähnte Vorgehensweise bei der praktischen Messung auch hier.
Als Vorteil der Sondenausführung A nach Fig. 3 gilt, daß bei Verwendung von Cr/Al-Thermoelementen mit geerdeter Meßspitze der Ort des Potentialabgriffs und der Temperaturmessung zusammenfällt. Nachteil dieser Bauart ist es jedoch, daß das Eindringen von Flüssigmetall in die Meßspitze, und damit eine Verlagerung des tatsächlichen Meßortes, nicht detektiert werden kann. Dies könnte das Meßergebnis verfälschen, ohne daß es nachweisbar wäre.
Diesen Nachteil vermeidet die Sondenausführung B nach Fig. 4, da durch Messung des Isolationswiderstandes der T I -Meßstelle das Eindringen von Flüssigmetall leicht festgestellt werden kann. Allerdings sind bei dieser Ausführung die Meßstellen für das elektrische Potential und die Temperaturmeßstellen räumlich getrennt, was sich ggf. nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirkt. Außerdem steht bei der Ausführung nach Fig. 4 jeweils nur eine Meßelektrode an jeder Thermoelementposition zur Verfügung. Daher besitzt die Sondenausführung entsprechend Fig. 3 zwar eine geringere Zahl von Elektrodenzuführungen, ist aber bezügl. der Messung der überlagerten Sondensignale (Geschwindigkeit+Temperatur) redundanter als die Ausführung nach Fig. 4.
Bezugszeichen:
 1, 2 Thermoelementpaar
 3, 4 weiteres Thermoelementpaar
 5 Sondenrohr
 6 Permanentmagnet
 7 Stahldraht
 8 erster Differenzverstärker
 9 zweiter Differenzverstärker
10 dritter Differenzverstärker
12 vierter Differenzverstärker
13 Signalverarbeitungseinheit
14 Differenzverstärker
15 fünfter Differenzverstärker
16 sechster Differenzverstärker
17 erste Schalteinheit
18 zweite Schalteinheit
19 Tiefpaßfilter
21 erste Verstärkereinheit
22 zweite Verstärkereinheit
23 dritte Verstärkereinheit
24 vierte Verstärkereinheit

Claims (9)

1. Induktive Strömungssonde zum Messen der lokalen Strömungsgeschwindigkeit eines Flüssigmetallstromes, bestehend aus einem einseitig verschlossenen Sondenrohr, das in den Flüssigmetallstrom eingesetzt ist, mit mindestens einem im Sondenrohr angeordneten und quer zur Hauptstromrichtung magnetisierten Permanentmagneten, dessen Magnetfeld ein Thermoelementpaar (1, 2) ausgesetzt ist und mit einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der lokalen temperaturkompensierten Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß im Sondenrohr mindestens ein weiteres Thermoelementpaar (3, 4) in einem vom Magnetfeld dieses Permanentmagneten nicht beeinflußten Bereich angeordnet ist.
2. Induktive Strömungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßköpfe der Thermoelementpaare (1, 2 u. 3, 4) mit dem Sondenrohr fest verbindbar sind.
3. Induktive Strömungssonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßköpfe der Thermoelementpaare (1, 2 u. 3, 4) mit je einem Stahldraht elektrisch leitend verbunden sind, mit dem im Bereich des zugehörigen Meßkopfes das elektrische Potential gemessen wird.
4. Induktive Strömungssonde nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementpaare (1, 2 u. 3, 4) Cr/Al-Meßspitzen aufweisen.
5. Auswerteschaltung für die induktive Strömungssonde nach Anspruch 1, mit Verstärkereinheiten für die Meßspannungen der Thermoelemente und einer Signalaufbereitungseinheit zur Ermittlung des temperaturkompensierten Geschwindigkeitssignals, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die dem vom Magnetfeld beeinflußten Thermoelementpaar (1, 2) zugeordnete erste Verstärkereinheit (21) für die Meßspannung U₂₁ A an dem einen thermoelektrisch gleichen Leiterpaar (A₁, A₂) einen ersten Differenzverstärker (8) und für die Meßspannung U₂₁ C an dem anderen thermoelektrisch gleichen Leiterpaar (C₁, C₂) einen zweiten Differenzverstärker (9) aufweist,
  • - die dem vom Magnetfeld nicht beeinflußten Thermoelementpaar (3, 4) zugeordnete zweite Verstärkereinheit (22) für die Meßspannung U₄₃ A an dem einen thermoelektrisch gleichen Leiterpaar (A₃, A₄)
    einen dritten Differenzverstärker (10) und für die Meßspannung U₄₃ C an dem anderen thermoelektrisch gleichen Leiterpaar (C₃, C₄) einen vierten Differenzverstärker (12) aufweist und
  • - die Signalverarbeitungseinheit (13) analoge Schaltungselemente enthält, mit denen durch Verknüpfung der verstärkten Meßspannungen der Thermoelemente ein der Geschwindigkeit proportionales Signal E₂₁ ermittelt wird.
6. Auswerteschaltung für die induktive Strömungssonde nach Anspruch 2, mit Verstärkereinheiten für die Meßspannungen der Thermoelemente und einer Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung des temperaturkompensierten Geschwindigkeitssignals, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die den Thermoelementen (1, 2, 3, 4) zugeordnete dritte Verstärkereinheit (23) für jede der Thermospannungen (U₁ AC , U₂ AC , U₃ AC , U₄ AC ) einen Differenzverstärker (14) aufweist,
  • - die dem vom Magnetfeld beeinflußten Thermoelementpaar (1, 2) zugeordnete erste Verstärkereinheit (21) einen ersten Differenzverstärker (8) aufweist, auf den eingangsseitig, entweder die Meßspannung U₂₁ A des einen thermoelektrisch gleichen Leiterpaares (A₁, A₂) oder die Meßspannung U₂₁ C des anderen thermoelektrisch gleichen Leiterpaares (C₁, C₂) mittels einer ersten Schalteinheit (17) geschaltet ist,
  • - die dem vom Magnetfeld nicht beeinflußten Thermoelementpaar (3, 4) zugeordnete zweite Verstärkereinheit (22) einen dritten Differenzverstärker (10) aufweist, auf den eingangsseitig entweder die Meßspannung U₄₃ A des einen thermoelektrisch gleichen Leiterpaares (A₃, A₄) oder die Meßspannung U₄₃ C des anderen thermoelektrisch gleichen Leiterpaares (C₃, C₄) mittels einer zweiten Schalteinheit (18) geschaltet ist und
  • - die Signalverarbeitungseinheit (13) analoge Schaltungselemente enthält, mit denen durch Verknüpfung der verstärkten Meßspannungen die Thermoelemente ein der Geschwindigkeit proportionales Signal E₂₁ ermittelt wird.
7. Auswerteschaltung für die induktive Strömungssonde nach Anspruch 3, mit Verstärkereinheiten für die Meßspannungen der Thermoelemente und einer Signalverarbeitungseinheit zur Ermittlung des temperaturkompensierten Geschwindigkeitssignals, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die den Thermoelementen (1, 2, 3, 4) zugeordnete dritte Verstärkereinheit (2) für jede der Thermospannungen (U₁ AC , U₂ AC , U₃ AC , U₄ AC ) einen Differenzverstärker (14) aufweist und eine vierte Verstärkereinheit (24) enthält, mit
  • - einem fünften Differenzverstärker (15) zur Messung der Potentialdifferenz (U₂₁ S ) zwischen den Bereichen der Meßköpfe des dem Magnetfeld ausgesetzten Thermoelementpaares (1, 2) und
  • - einem sechsten Differenzverstärker (16) zur Messung der Potentialdifferenz (U₄₃ S ) zwischen den Bereichen der Meßköpfe des vom Magnetfeld nicht beeinflußten Thermoelementpaares (3, 4) vorgesehen sind, und
  • - die Signalverarbeitungseinheit (13) analoge Schaltelemente enthält, mit denen durch Verknüpfung der verstärkten Thermospannungen (U₁ AC , U₂ AC , U₃ AC , U₄ AC ) und der Potentialdifferenzen (U₂₁ S , U₄₃ S ) ein der Geschwindigkeit proportionales Signal E₂₁ ermittelt wird.
8. Auswerteschaltung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen der Verstärkereinheiten und den Eingängen der Signalverarbeitungseinheit (13) Tiefpaßfilter (19) angeordnet sind.
9. Auswerteschaltung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (13) aus Analog-Digital-Umsetzern für die Meßsignale und einer digitalen Datenverarbeitungsanlage zum Ermitteln der Geschwindigkeit besteht.
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