NO821320L - Foeleranordning for maaling av varmestroemning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for lokal temperaturmåling innenfor et fastlagt måleområde i sammenheng med effektmålere av den art som tidligere er beskrevet i de norske patentskrifter nr. 147-162 og 148.577. Oppfinnelsen gjelder da særlig avføling av temperaturforskjeller i forbindelse med sådanne effektmålere.

Vanligvis har to signalavgivende termoelementoverganger vært anvendt i hver målesone for en gammastråleregistrerende effektmåler av den art som er beskrevet i ovenfor nevnte patentskrifter. Termoelementovergangene er da anbragt i en sentral utboring i et langstrakt varmeledende legeme som utnyttes i effektmåleren samt i innbyrdes aksial avstand innenfor inntilliggende varme og kalde målesoner innenfor et fastlagt måleområde, således at et utgangssignal som angir temperaturforskjell kan frembringes. Ut i fra denne temperaturforskjell kan det da utledes en varmestrømning som uttrykk for den lokale effektutvikling i en kjernereaktor. I et arrangement for registrering av aksial varmestrømning, anbringes en varm overgang midt inne i en varm målesone eller midtveis mellom de tilstøtende kolde soner under den antagelse at en symmetrisk temperaturgradient foreligger innenfor vedkommende måleområde og med en temperaturtopp der hvor den varme termoelementovergang befinner seg. I praksis kan det imidlertid- forekomme forhold ved sådant måleutstyr som forår-saker asymmetrisk aksial varmestrømning i den varme målesone, således at det opptrer asymmetrisk temperaturfordeling samt en forskyvning av topptemperaturpunktet fra midtpunktet i den varme sone, såvel som en temperaturforskjell mellom de til-støtende kolde soner. Det temperaturforskjellsignal som da frembringes av de to termoelementoverganger vil da være be-heftet med et signalavvik som gjør bestemmelsen av varmestrøm-ningen unøyaktig. I det ovenfor angitte arrangement vil videre de to termoelementoverganger være avhengig av betrakte-lig gammastråleoppvarming for å kunne frembringe et signal av målbar styrke, særlig når det foreligger et støynivåproblem. Særlig i forbindelse med følere som utnytter radial varme- strømning i kokendevannreaktorer kan det være vanskelig å oppnå tilstrekkelig signalstyrke. Tidligere har derfor gass-kammere og flerkomponentenheter vært anvendt for å frembringe et forsterket signal i sådanne situasjoner.

Et annet problem som foreligger ved sådanne termoelementer med to overganger ligger i utgangssignalets reaksjon på forandringer i den foreliggende varmestrømning. Dette er av særlig betydning ved installasjoner i kokendevannreaktorer, hvor signalnivået må være tilstrekkelig høyt til å kunne ut-løse sikringskretser. For å øke signalets reaksjonshastighet må det varmeledende legemes masse reduseres innenfor vedkommende måleområde. En sådan massereduksjon vil imidlertid føre til en senkning av signalstyrken ned mot støynivået og utgjør da et utilfredsstillende kompromiss.

Det er derfor et viktig formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe en anordning som er i stand til å avføle temperaturforskjeller ved varmestrømregistrerende utstyr og som vil kunne overvinne de ovenfor angitte problemer med hensyn til signalavvik på grunn av asymmetrisk varmestrømning, lav signalstyrke samt signalreaksjon på variasjoner i vedkommende varmestrømning.

Oppfinnelsen gjelder således en anordning for lokal temperaturmåling innenfor et fastlagt måleområde, idet anordningen omfatter et effektabsorberende følerlegeme oppdelt i adskilte termiske målesoner som omfatter minst en forholdsvis varm sone mellom to forholdsvis kolde soner, idet de to seriekoblede temperaturfølere er sentralt montert i henholdsvis den varme sone og den ene av de kolde soner for avføling av temperaturforskjellen mellom disse soner samt anordnet og innrettet for å avgi målesignal tilsvarende den avfølte temperatur til måleutstyr utenfor måleområdet.

På denne bakgrunn av tidligere kjent teknikk fra de ovenfor angitte patentskrifter har så anordningen i henhold til opp finnelsen som særtrekk at det i seriekobling med de to tem-peraturfølere er anordnet ytterligere temperaturfølere, hvorav minst en føler er anordnet i den annen av nevnte kolde soner og minst en annen føler er anordnet sentralt i den varme sone.

Det effektabsorberende følerlegeme er vanligvis langstrakt og oppdelt i aksialt adskilte termiske målesoner, og den varme målesone utgjøres da fortrinnsvis av et aksialt avsnitt av legemet med mindre tverrsnitt og anordnet mellom de nevnte kolde soner, som har større tverrsnitt. Temperaturfølerne er da gjerne anordnet inne i en aksial utboring i det langstrakte effektabsorberende legeme. Fortrinnsvis er da temperatur-følerne anordnet i en og samme følerkabel, idet seriekoblingen av temperaturfølere for forskjellige målesoner fortrinnsvis er anordnet innenfor hver sin av innbyrdes parallelt løpende trådsløyfer i kabelen.

Temperaturfølerne utgjøres fortrinnsvis av henholdsvis varme og kolde termoelementoverganger, og anordningen i henhold til oppfinnelsen har sin viktigste anvendelse for lokal effektmåling i nærheten av omkringliggende brenselstaver i en kjernereaktors brenselladning, idet følerlegemet består av varmeledende material som absorberer gammastråler.

Som en følge av de ovenfor angitte arrangementer av tempera-turfølere, fortrinnsvis i form av termoelementoverganger, økes den tilgjengelige signalstyrke samtidig som signalavvik på grunn av asymmetrisk varmestrømning utlignes i den resul-terende signalutgang. Videre kan signalstyrken av det resul-terende signal forholdsvis lett gjøres tilstrekkelig stor i forhold til det foreliggende støynivå, samtidig som hurtigere signalreaksjon oppnås ved at det varmeledende følerlegemets masse nedsettes innenfor måleområdet. Når det gjelder følere for radial varmestrømning, kan anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse utnyttes for å heve signalnivået uten å øke følerlegemets masse, samt for å oppnå en raskere signalreaksjon ved et hensiktsmessig signalnivå.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser sett fra siden en del av en føleranordning i henhold til oppfinnelsen og anordnet for avføling av aksial varmestrømning. Fig. 2 viser grafisk temperaturgradienten ved den anordning

som er vist i fig..1.

Fig. 3 viser skjematisk en annen utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 4 viser sett fra siden enda en annen utførelse.

Fig. 5 viser forenklet og i snitt et termoelementarrangement

i forbindelse med den viste utførelse i fig. 4.

Fig. 6 viser en del av et aksialsnitt gjennom en føleranord- ning utført for avføling av radial varmestrømning. Fig. 7 viser grafisk temperaturgradienten i forbindelse med

anordningen i fig. 6.

Fig. 8 viser grafisk sammenlignbare signalreaksjonskurver.

Det skal nå nærmere henvises til tegningene, hvor fig. 1 noe forenklet viser et lengdesnitt gjennom en typisk gammastråle-føler med aksial varmestrømning og av den art som er angitt i de ovenfor omtalte norske patentskrifter 147-162 og 148.577-

I en temperaturføler av denne type og som er egnet for lokal effektmåling i en trykkvannsreaktor, er et langstrakt sylinderformet legeme 12 utført i gammastråleabsorberende material, slik som rustfritt stål, og er omhyllet av en rør-formet varmeslukkappe 14, som er avkjølt av vann inne i et føringsrør 16. Varme som utvikles inne i legemet 12 ved absorpsjon av gammastråler frembringer radial varmestrømning bortsett fra et aksialt varmestrømningsmønster som opprettes innenfor de viste partier 20 med nedsatt diameter. Partiene 20 av absorpsjonslegemet danner avsnitt 22 med høy termisk motstand innenfor kappen 14, for derved å opprette avvik med hensyn til varmestrømningsmotstand såvel som elektrisk motstand langs det langstrakte legemet 12. Ved å måle for-skjellen i temperatur inne i legemet mellom et sted i partiet eller sonen 20 og et sted utenfor men nær inntil området 22, kan varmestrømningen bestemmes som et uttrykk for den lokale effektutvikling i det måleområde som området 22 befinner seg i. Temperaturforskjellen måles ved hjelp av følerutstyr for avføling av temperaturforskjell og som i sin helhet er angitt ved henvisningstallet 26 samt montert inne i en sentral utboring 28 i legemet 12.

I henhold til en viss utførelse av foreliggende oppfinnelse, er følerutstyret 26 for måling av temperaturutstyret av termo-elementtype, og med overganger mellom forskjellige metaller, slik som f.eks. kromel og alumel, som er anbragt i forskjellige målesoner for å frembringe elektriske signaler. Måleområdet omfatter da en varm sone som hovedsakelig faller sammen med området 22 og har en forut fastlagt aksial lengdeutstrekning 2L samt to kolde soner på hver sin side av den varme sone. De fire termoelementoverganger som er tilordnet hver målesone i foreliggende utførelse er innbyrdes serie-koblet og utgjøres av en første overgang 30 anordnet aksialt på den ene side av den annen overgang 32 som befinner seg midtveis inne i sonen 20. Den tredje overgang 34 ved ytter-spissen av termoelementutstyret er anordnet aksialt på den annen side av overgangen 32 samt med samme aksiale avstand fra denne som avstanden mellom første og annen overgang, henholdsvis 30 og 32. Den fjerde overgang 36 ligger aksialt på linje med den annen overgang 32. Overgangene 32 og 36 er således varme overganger i en og samme varme sone av måleområdet, mens overgangene 30 og 34 er kolde overganger som avføler temperaturen i legemet 12 innenfor de kolde somer av måleområdet, aksialt på begge sider av området 22.

Varmestrømningen til varmesluket ved de forskjellige aksiale posisjoner av termoelementovergangene fordeles ofte ved asymmetrisk aksial varmestrømning gjennom partiet 20 av legemet 12 på grunn av uregelmessig eller varierende varmekontakt langs kjølekanalen 18, f.eks. på grunn av belegg av fremmed material. Sådanne asymmetriske varmestrømningsforhold innenfor måleområdet frembringer en usymmetrisk temperaturgradient, slik som angitt ved kurve 38 i fig. 2, hvor topptemperaturen i punktet 40 er forskjøvet en avstand D bort fra den ellers symmetriske plassering av de varme overganger 32 og 36.

I det tilfelle termoelementutstyr med bare en varm og en kold overgang anvendes, avføles bare varmeovergangens temperatur T2 og overgangstemperaturen T1 for en eneste kold overgang med det formål å frembringe et temperaturforskjellsignal A Ts.

Med de ovenfor nevnte asymmetriske varmestrømningsforhold inn-føres da en signalfeil slik det vil fremgå av følgende ligning som er utledet fra lovene for varmeledning:

hvor W er varmeutviklingen pr. volumenhet, A er tverrsnittet av det varmeabsorberende legeme og K er den termiske lednings-evne for vedkommende legeme. Uttrykket rePresenker,er da signalavviket. Da imidlertid et dobbelt sett termoelementoverganger foreligger i måleutstyret 26 i henhold til foreliggende oppfinnelse vil imidlertid temperaturer T1 og T3 bli avfølt av kolde termoelementoverganger 30 og 34 på hver sin side av de varme overganger, således at et temperaturforskjellsignal AT i samsvar med følgende uttrykk oppnås på grunn av seriekoblingen mellom de forskjellige overganger: Det vil derfor være åpenbart at dette dobbelte sett termoelementoverganger frembringer et temperaturforskjellsignal som er det dobbelte av signalstyrken fra termoelementutrustningen med bare et enkelt sett overganger. Videre vil signalavvik-ene oppheve hverandre, således at

således at det blir mulig å nøyaktig fastlegge varmestrøm-

ningen W ut i fra temperaturforskjellsignalet AT enten varme-strømningen er symmetrisk eller ikke.

Det vil være åpenbart at forandringer i temperaturforskjellsignalet vil være forsinket i forhold til effektforandringer i samsvar med en termisk reaksjonstid t som vil være avhengig av en termisk tidskonstant T angitt ved følgende ligning:

hvor 0 er forandringen i AT. Det ble funnet at denne reaksjonstidsfaktor T har direkte sammenheng med massen av legemet 12 innenfor målesonen eller den aksiale lengde 2L av det termiske motstandsområde 22. Denne sammenheng mellom aksial lengde av motstandsområdet og den termiske reaksjonstid kan utnyttes for å frembringe en føler med rask termisk reaksjon ved å redusere den aksiale lengde av partiet med nedsatt diametér, samtidig som signalet holdes tilstrekkelig høyt over støynivået til at varmeutviklingen kan måles.

Fig. 3 viser skjematisk en utførelse hvor fordelene ved foreliggende oppfinnelse kan ytterligere utnyttes ved seriekobling av termoelementoverganger tilordnet to innbyrdes nærliggende partier med redusert diameter av følerlegemet for dannelse av et måleområde. Hvert område med nedsatt diameter har halv-parten av den aksiale lengdeutstrekning av partiet 20 i tem-peraturmåleren 10 i fig. 1. Følgende tabell sammenligner forskjellige termoelementarrangementer som er beskrevet ovenfor med hensyn til forhold mellom reaksjonstid, motstandsområde og signalforandring.

Fig. 4 viser en annen type effektmåler for gammestråling og hvor anordningen i henhold til oppfinnelsen er benyttet i form av termoelementutstyr med seriekoblede overganger innlagt i en og samme kabel 44. Som angitt i fig. 5, strekker denne kabel 44 seg gjennom et varmeledende legeme 46 som utgjør en varm sone innenfor måleområdet. Fire parallelle sløyfepartier av kabelen inneholder i innbyrdes avstand fire varme termoelementoverganger innleiret i legemet 46, mens fire kolde overganger befinner seg ved sløyfeendene og anbragt innenfor kolde soner av målområdet. De samme fordeler med hensyn til eliminering av signalavvik på grunn av asymmetrisk varme-strømning samt øket signalstyrke gjelder også for denne ut-førelse. Fig. 6 viser en gammastråleabsorberende effektmåler 10' med radial varmestrømning og hvor absorpsjonslegemet 12' utsettes for kjølemiddel over hele sin utside, hvor da en ensartet varmesluktemperatur opprettes. Den kolde sone av målområdet opprettes således sammenfallende med partiet 20' med nedsatt diameter, mens varme soner dannes aksialt på begge sider av den varme sone, slik som anskueliggjort ved temperaturgra-dientkurven 38' i fig. 7. Termoelementutstyr 26' av samme art som vist i fig. 1 for måleren 10 anvendes også for effektmåleren 10' samt er montert inne i en sentral utboring 28' i følerlegemet 12' . Termoelementutstyret 26' omfatter også fire signalavgivende overganger 30', 32', 34' og 36' som er innbyrdes sammenkoblet i serie for å frembringe en signalutgang som er det dobbelte av det oppnåelige signalnivå ved anvendelse av et termoelementsett med bare to overganger. Ingen signalnivåutligning inngår i denne utførelse, da det ikke foreligger noe aksialt varmestrømningsmønster som kan være gjenstand for asymmetriske strømningsfeil, slik det var tilfellet ved måleren 10 som er beskrevet ovenfor.

Fordelen ved å anvende flere sett av termoelementoverganger ved en gammastråleabsorberende effektmåler med radial varme-strømning, ligger i det forhold at øket signalutgang kan opp nås uten å øke følerlegemets masse, således at det oppnås raskere signalreaksjon ved et hensiktsmessig signalnivå. Dette er særlig ønskelig ved målerinstallasjoner i en kokende-vannreaktor og som utnytter temperaturfølere med radial varme-strømning og som har et iboende lavere utgangssignalnivå sammenlignet med temperaturfølere av den art som utnytter aksial varmestrømning.

Betydningen av foreliggende oppfinnelse med hensyn til signalreaksjonstid vil fremgå av fig. 8, som grafisk viser signalnivå som funksjon av tiden og fastlagt ved konstant varme-strømning. Den viste kurve 48 angir det signalforløp som oppnås ved et eneste termoelementpar innenfor en målesone, slik det hittil har vært anvendt i gammastråleabsorberende effektmålere. Ved et visst punkt 50 på kurve 48 er det angitt et minste signalnivå, og under dette vil nøyaktigheten av effekt-målingen være upålitelig. Dette punkt 50 på kurve 48 representerer også den maksimalt godtagbare reaksjonstid i praksis, idet lengre signalreaksjonstid vil innebære for langsom signalreaksjon for sikker drift. Ved anvendelse av et termoelementarrangement av den art som er vist i fig. 6, oppnås en signalkurve av det forløp som er vist ved 52 i fig. 8. Kurven 54 i fig. 8 representerer signaler oppnådd fra termoelementutstyr med fire overgangspar, slik som vist i fig. 3- Sig-nalnivåer angitt ved kurvene 52 og 54 kan således innenfor den maksimale reaksjonstid velges godt over det minste godtagbare signalnivå ved utøvelse av foreliggende oppfinnelse.

Claims (7)

1. Anordning for lokal temperaturmåling innenfor et fastlagt måleområde, idet anordningen omfatter et effektabsorberende følerlegeme (12) oppdelt i adskilte termiske målesoner (22), som omfatter minst en forholdsvis varm sone (20) mellom to forholdsvis kolde soner, idet to seriekoblede temperatur-følere (30, 32) er sentralt montert i henholdsvis den varme sone og den ene av de kolde soner for avfø ling av temperaturforskjellen ( At) mellom disse soner samt anordnet og innrettet for å avgi et målesignal tilsvarende den avfølte temperaturen til måleutstyr utenfor måleområdet, karakterisert ved at det i seriekobling med de to temperaturfø lere (30, 32) er anordnet ytterligere tempera-turfø lere (34, 36) hvorav minst en føler (34) er anordnet i den annen av nevnte kolde soner og minst en annen føler (36) er anordnet sentralt i den varme sone.

2. Anordning som angitt i krav 1, i det tilfelle det effektabsorberende fø lerlegeme er langstrakt og oppdelt i aksialt adskilte termiske målesoner, karakterisert ved at nevnte varme målesone (20) utgjøres av et aksialt avsnitt av legemet med et mindre tverrsnitt og anordnet mellom de nevnte kolde soner, som har større tverrsnitt.

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte temperaturfø lere (30, 32, 34, 36) utgjøres av henholdsvis varme og kolde termoelementoverganger.

4. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at temperaturfølerne (30, 32, 34, 36) er anordnet inne i en aksial utboring (28) i det langstrakte effektabsorberende legeme (12).

5. Anordning som angitt i krav 1 - 4, karakterisert ved at temperaturfølerne er anordnet i en og samme følerkabel.

6. Anordning som anordnet i krav 5, karakterisert ved at seriekoblingen av temperaturfølere for forskjellige målesoner er anordnet innenfor hver sin av innbyrdes paralleltløpende trådsløyfer i kabelen.

7. Anvendelse av anordning for temperaturmåling som angitt i krav 1 - 6 for lokal effektmåling i nærheten av omkringliggende brenselstaver i en kjernereaktors brenselladning, idet følerlegemet består av varmeledende material som absorberer gammastråler.