DE3826315A1

DE3826315A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der temperatur in unterschiedlich gelegenen zonen in einem stroemungsfaehigen medium

Info

Publication number: DE3826315A1
Application number: DE3826315A
Authority: DE
Inventors: Peter Joseph Conroy
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1987-08-06
Filing date: 1988-08-03
Publication date: 1989-02-16
Also published as: GB8718644D0; US4876059A; JPS6454323A; GB2207755A; FR2619242B1; GB8816735D0; FR2619242A1; GB2207755B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Hochfrequenz-Streßwellen-Energie in strömungsfähigen Medien, um die Temperatur in unterschiedlich gelegenen Zonen entfernt von der Streßwellen-Energiequelle zu messen.

Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung ist die Messung der Temperaturen, die an Kühlmittelauslässen einer Anordnung von Brennstoff-Unterbaugruppen vorherrschen, die den Kern eines Kernreaktors bilden, z.B. eines mit flüssigem Metall gekühlten Schnellneutronen-Reaktors, bei dem der Kern in ein Schmelzbad aus flüssigem Metall eingetaucht ist.

Einem Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Verfahren angegeben zum Messen der Temperatur in unterschiedlich gelegenen Zonen innerhalb eines strömungsfähigen Mediums unter Anwendung eines Hochfrequenz-Streßwellenenergie-Senders, der entfernt von den Zonen angeordnet ist, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Kontinuierliche Streßwellen werden vom Sender durch das strömungsfähige Medium hindurchgeschickt in Richtung auf Reflektor-Zielkörper, die jeder der Zonen zugeordnet sind und bekannte Relativpositionen haben, wobei die Frequenz der ausgesendeten Streßwellen progressiv geändert wird;
b) die ampfangenen Streßwellen werden multiplikativ mit einem Bezugssignal kombiniert, dessen Frequenz mit der des Senders im Augenblick des Empfangs in Beziehung steht, um für jeden Zielkörper bzw. jedes Zielobjekt einen Differenz-Frequenzausgang abzuleiten;
c) die reflektierten Streßwellen von den Zielobjekten her werden an einem Empfänger empfangen; und
d) die Differenz-Frequenzausgänge werden analysiert, um Werte für die an Stellen zwischen benachbarten Zielobjekten vorherrschenden Temperaturen abzuleiten.

Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge ist eine Vorrichtung vorgesehen zum Messen der Temperatur in unterschiedlich gelegenen Zonen innerhalb eines strömungsfähigen Mediums, mit folgenden Merkmalen:

a) entfernt von den Zonen angeordnete Sendeeinrichtungen zum Aussenden von Signalen in Form einer kontinuierlichen Welle, und zwar einer Hochfrequenz- Streßwellenenergie durch das strömungsfähige Medium hindurch auf Reflektor-Zielobjekte, die den Zonen zugeordnet sind, wobei die Reflektor-Zielobjekte bekannte relative Positionen haben;
b) eine Einrichtung zur Steuerung der Sendeeinrichtung, um eine progressive Änderung der gesendeten Signalfrequenz zu bewirken;
c) eine Bezugssignalquelle zur Erzeugung eines Bezugssignals, dessen Frequenz zu der des ausgesendeten Signals in Beziehung steht und einer progressiven Änderung mit der gleichen Rate wie das letztere unterliegt;
d) Empfangseinrichtungen zum Empfangen der von den Reflektor-Zielobjekten stammenden reflektierten Signale;
e) Mittel zum multiplikativen Kombinieren jedes empfangenen Signals mit dem Bezugssignal, um für jedes Zielobjekt einen Differenzfrequenzausgang zu erzeugen; und
f) Mittel zum Analysieren der Differenzfrequenzausgänge, um Werte für die Temperaturen abzuleiten, die an Stellen zwischen benachbarten Reflektor-Zielobjekten vorherrschen.

Das Bezugssignal kann das für das Aussenden durch die Sendeeinrichtung erzeugte Signal sein oder aus diesem abgeleitet werden. Der für das ausgesandte Signal verwendete Frequenzbereich wird im typischen Fall Ultraschall sein.

Bei einem Anwendungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung einem Kernreaktor zugeordnet, wobei die Sende- und Empfangseinrichtungen in das Schmelzbad des Kühlmittels (z.B. flüssiges Metall) eingetaucht sind, in das auch der Reaktorkern eingetaucht ist. In diesem Fall kann der Kern eine Vielzahl von allgemein vertikal angeordneten Unterbaugruppen aufweisen, die Kernbrennstoffe enthalten (wobei hierunter sowohl spaltbares als auch brütbares Material zu verstehen ist) und durch die Kühlmittel aufwärts strömt, um an Kühlmittelauslässen an den oberen Enden der Unterbaugruppen auszutreten. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können dazu verwendet werden, die Auslaßtemperaturen von wenigstens einigen der Unterbaugruppen zu überwachen, und die Reflektor-Zielobjekte können durch Konstruktionsteile an den oberen Enden der Unterbaugruppen gebildet werden, die im allgemeinen bekannte Positionsbeziehungen mit Bezug aufeinander oder mit Bezug auf die Stelle der Sende- und Empfangseinrichtung haben.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen. Dabei zeigen die

Fig. 1, 2, 3 und 5 schematische Darstellungen, auf die in den folgenden Erläuterungen der theoretischen Grundlagen der Erfindung Bezug genommen wird;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Anwendung der Erfindung bei einem Kernreaktor.

Wenn zunächst mit Bezug auf Fig. 1 ein linear gewobbeltes Ultraschallsignal von einem Sender 10 auf einen Reflektor 12 gesandt wird, der in einem Bereich D liegt, dann wird sich in der Zeit, in der das reflektierte Signal zum Empfänger 14 t _D Sekunden später zurückkehrt, die gesendete Frequenz linear von ihrem anfänglichen Wert in einen neuen Wert geändert haben. So werden also im Augenblick des Empfangs das gesendete und das empfangene Signal sich in der Frequenz unterscheiden durch

f _b = (f₁ - f₂) · t _D/t _s (1),

wobei f ₁ und f ₂ die untere und obere Grenze der linearen Frequenzwobblung sind, siehe Fig. 1, t _s die Zeit ist, die für die Wobblung zwischen diesen Grenzen vergeht, und t _D die Hin- und Herübertragungszeit ist. Der Faktor (f ₁-f ₂)t _s ist die Wobblungsrate und kann als F _R geschrieben werden. Die Hin- und Herübertragungszeit t _d ist gleich der Transitstrecke 2 D über der Schallgeschwindigkeit c, so daß Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden kann:

Der obige Ausdruck ist, streng genommen, nur für einen kontinuierlichen Anstieg gültig. Wenn, wie bei einer praktischen Anwendung, die Frequenz in oszillatorischer Weise zwischen den Grenzen f ₁ und f ₂, wie in Fig. 2, gewobbelt wird, sollte der Anstieg ("ramp") ausgetastet werden, um Extreme auszuschließen, z.B. wie in Fig. 3 dargestellt, in welcher eine Austastung bewirkt wird, um die anfänglichen t _D Sekunden zwischen dem gesendeten Signal 16 und dem empfangenen Signal 18 auszuschließen, wobei die Austastungsgrenzen durch die Bezugszeichen 20, 22 angedeutet sind.

Wenn das empfangene Signal mit dem im Augenblick des Empfangs vorherrschenden gesendeten Signal multipliziert wird, kann nachgewiesen werden, daß das resultierende Produkt zwei Signalkomponenten enthält, die jeweils Frequenzen haben, die der Summe bzw. der Differenz der gesendeten und empfangenen Frequenz im Augenblick des Empfangs entsprechen. Die Frequenz- Summenkomponente kann durch Tiefpaßfilterung ausgeschlossen werden, um die Frequenzdifferenz- oder Schwebefrequenz- Komponente f _B übrigzulassen. In der Praxis können einige unerwünschte Frequenzkomponenten in der gemessenen Schwebefrequenz vorhanden sein, die beispielsweise von Rückstrahlung (Nachhall) zwischen der Sender/Empfänger- Sondenfläche und dem Zielobjekt herrühren. Diese unerwünschten Komponenten können durch entsprechende Filterung beseitigt werden.

Eine praktische Anordnung, bei der die oben beschriebene Technik verwendet wird, ist in Fig. 4 dargestellt. Das gesendete Signal wird in einer zyklischen Weise durch einen Oszillator 24 zwischen zwei Frequenzen gewobbelt (siehe Fig. 2). Das empfangene Signal 18 wird nach Verstärkung durch einen Verstärker 26 zusammen mit dem gesendeten Signal durch einen Produktdetektor 28 multipuliziert, und die Summen- und Differenzfrequenz-Komponenten werden erhalten. Eine Bandpaß- Wechselstrom-Verstärkerkombination 30, 32 wird dann eingesetzt, um die unerwünschten Komponenten, einschließlich solcher, die auf Rückstrahlung oder Störobjekte zurückzuführen sind, zu beseitigen. Die resultierende Frequenz wird dann durch einen Frequenzmesser 34 gemessen, wobei die Messung über eine interne Entsicherungsschaltung 36 ausgetastet wird, die an den Oszillator so gekoppelt ist, daß Frequenz-Stichproben über ein Intervall ermöglicht werden, das Extreme vermeidet, wie vorerwähnt. Das gemessene Schwebefrequenzsignal wird einem Computer 38 übermittelt zur Analysierung der Schwebefrequenz- Ausgänge, die aus verschiedenen Zielobjekten abgeleitet werden, um Temperaturwerte abzuleiten in einer Weise, die nunmehr beschrieben werden soll.

Unter erneuter Bezugnahme auf Gleichung (2) ist der Wert von c (Schallgeschwindigkeit) temperaturabhängig, aber in einigen Medien ändert sich c mit der Temperatur in nahezu linearer Weise, d.h. c _m = (1 + K(T _M-T _o ))c _o, wobei c _o die Schallgeschwindigkeit im Medium und T _o die ausgewählte zugeordnete Bezugstemperatur ist. K ist der Temperaturkoeffizient und c _m die Schallgeschwindigkeit bei Temperatur T _M.

Schreibt man T _R = T _M-T _o (relative Temperaturdifferenz), dann ist

c _m = (1 + K T _R)c _o.

Setzt man dies für c in (2) ein und ordnet neu, dann ergibt sich:

(worin f _BM die Schwebefrequenz bei T _M ist)
Außerdem aus (2):

(gemessene Schwebefrequenz bei T _o) ergibt

Anfänglich kann K entweder aus Tabellen oder durch Kalibrierung eingesetzt werden. f _BO und T _o werden anfangs gemessen. Eine nachfolgende Änderung in der Temperatur T _R wird dann durch Messen von f _M und Anwendung der Gleichung (3) erhalten. Gleichung (3) kann auf diese Weise die mittlere Temperatur entlang dem Strahlweg zum Zielobjekt angeben.

Diese Technik kann verwendet werden, um nach lokalisierten Temperaturen Ausschau zu halten, wenn etwas über die in Frage kommenden Entfernungen bekannt ist.

Wenn somit nach Fig. 5 die interessierende lokalisierte Zone durch Zielobjekte an Stellen 40, 42 abgegrenzt ist, wobei das Zielobjekt 40 in einem Bereich D _o von der Sender/Empfänger- Sondenbaugruppe 10, 14 liegt und D _t der Abstand zwischen den Zielobjekten ist, dann ist:

Darin ist c _o die Schallgeschwindigkeit über dem Bereich D _o, c _t ist die Schallgeschwindigkeit über der Zone D _t, und f _BO und f _Bt sind die jeweils gemessenen Schwebungsfrequenzen für die Zielobjekte 40 und 42.

Außerdem ist c _t = (1 + KT _R) c _o, worin T _R die Temperatur über der Zone D _t ist, und somit ist

Anders ausgedrückt: die Zunahme der gemessenen Schwebefrequenz als Folge davon, daß D _t im Strahlweg eingeschlossen wird, ist gegeben durch

Die Gleichung (5) umgeschrieben, ergibt

Bei einer Aufeinanderfolge von Zielobjekten, die über einen interessierenden Bereich hinweg angeordnet sind, ermöglichen somit das Abtasten der Zielobjekte und das Messen der Schwebefrequenzen das Ermitteln der Temperaturverteilung, wenn der Abstand der aufeinanderfolgenden Zielobjekte bekannt ist oder gemessen werden kann.

Fig. 6 zeigt die Verwendung der Sender/Empfänger-Baugruppe 10, 14 in Beziehung zum Kern eines Schnellbrüter-Kernreaktors, wobei der Kern eine sechseckige Anordnung von Brennstoff- und Brütermaterial-Unterbaugruppen aufweist. Die oberen Teile der Brennstoff- oder Brüter-Unterbaugruppen sind von zylindrischer Form, ihre unteren Enden laufen in Spitzen aus, die in einem Haltegitteraufbau des Reaktors stecken, und sie haben auf der übrigen Länge einen sechseckigen Querschnitt. Die inneren Unterbaugruppen sind für Reaktor-Brennstoff und Regeleinrichtungen, und die äußeren drei Ringe von Unterbaugruppen, d.h. diejenigen außerhalb der Phantomlinie 50, sind für Brüterbrennstoff bestimmt. 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-Unterbaugruppen durch Ultraschall gemessen werden.

Wie dargestellt , ist die Baugruppe 10, 14 schwingend bzw. schwenkbar montiert, so daß ein kontinuierlicher Streßwellen-Ultraschallstrahl in gewählte Richtungen gelenkt werden kann, d.h. über die äußeren Brüter-Unterbaugruppen. Eine Sender/Empfänger-Baugruppe 10, 14 kann an jedem Scheitelpunkt (oder an jedem zweiten Scheitelpunkt) der Sechseckanordnung angeordnet werden, so daß die Baugruppen kollektiv alle Brüter-Unterbaugruppen abtasten können. Die Auslässe jeder Unterbaugruppe können mit Reflektor-Zielobjekten ausgestattet sein, oder alternativ können auch Konstruktionsteile der oberen Enden der Unterbaugruppen als strahlreflektierende Zielobjekte dienen. So können mittels der oben diskutierten Formeln Messungen der Temperaturen abgeleitet werden, die an ausgewählten Unterbaugruppen-Auslässen vorherrschen.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Temperatur an unterschiedlich gelegenen Zonen innerhalb eines strömungsfähigen Mediums unter Verwendung eines Hochfrequenz-Streßwellenenergie- Senders, der entfernt von diesen Zonen angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Kontinuierliche Streßwellen werden vom Sender (10) durch das strömungsfähige Medium hindurch in Richtung auf Reflektor-Zielobjekte (12) gerichtet, die jeweils den Zonen zugeordnet sind und bekannte relative Positionen haben, wobei die Frequenz der gesendeten Streßwellen progressiv geändert wird;
b) die reflektierten Streßwellen von den Zielobjekten her werden an einem Empfänger (10) empfangen;
c) die empfangenen Streßwellen werden mit einem Bezugssignal multiplikativ kombiniert, dessen Frequenz zu derjenigen des Senders im Augenblick des Empfangs in Beziehung steht, um für jedes Zielobjekt einen Differenzfrequenzausgang abzuleiten; und
d) die Differenzfrequenzausgänge werden analysiert, um Werte für die Temperaturen abzuleiten, die an Stellen zwischen benachbarten Zielobjekten vorherrschen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal die kontinuierliche Streßwelle ist, die durch den Sender ausgesandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielobjekte jeweils durch Konstruktionsteile an den oberen Enden von Unterbaugruppen im Kern eines Kernreaktors gebildet werden.

4. Vorrichtung zum Messen der Temperatur in unterschiedlich gelegenen Zonen innerhalb eines strömungsfähigen Mediums, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Eine Sendeeinrichtung (10), die entfernt von den Zonen angeordnet ist zum Aussenden von Signalen in Form einer kontinuierlichen Welle, d.h. eine Hochfrequenz- Streßwellenenergie durch das strömungsfähige Medium hindurch in Richtung auf Reflektor-Zielobjekte (12), die den Zonen zugeordnet sind, wobei die Reflektor- Zielobjekte bekannte Relativpositionen haben;
b) eine Einrichtung (24) zur Steuerung der Sendeeinrichtung, um eine progressive Änderung der übermittelten Signalfrequenz zu bewirken;
c) eine Bezugssignalquelle (24) zur Erzeugung eines Bezugssignals, dessen Frequenz mit derjenigen des übermittelten bzw. gesendeten Signals in Beziehung steht und einer progressiven Änderung in der gleichen Rate wie das letztere unterliegt;
d) eine Empfängereinrichtung (14) zum Empfangen der reflektierten Signale, die von den Reflektor-Zielobjekten herrühren;
e) eine Einrichtung (28) zum multiplikativen Kombinieren jedes empfangenen Signals mit dem Bezugssignal, um für jedes Zielobjekt einen Differenzfrequenzausgang zu erzeugen;
f) eine Einrichtung (38) zum Analysieren der Differenzfrequenzausgänge, um Werte für die Temperaturen abzuleiten, die an Stellen zwischen benachbarten Reflektor-Zielobjekten vorherrschen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal das gesendete Signal ist.

6. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 bei einem Kernreaktor mit einem Kern, der Unterbaugruppen mit Kernbrennstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielobjekte jeweils Konstruktionsteile an den oberen Enden der Unterbaugruppen sind.