DE2012042A1

DE2012042A1 - Thermoelektrische Sonde zur Detektion von Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium

Info

Publication number: DE2012042A1
Application number: DE19702012042
Authority: DE
Inventors: Rolf Mol Meier (Belgien) M
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1970-03-13
Filing date: 1970-03-13
Publication date: 1971-09-30
Also published as: BE764027A; FR2084505A5; LU62762A1; NL7102975A

Description

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EUROPAEISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

Patentanmeldung

Thermoelektrische Sonde zur Detektion von Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Sonde, mit der festgestellt werden kann, ob an einem Meßort ein gasförmiges oder ein flüssiges Medium vorherrscht.

Die vorliegende Aufgabe spielt beispielsweise bei der Konstruktion von Bestrahlungsexperimenten im Kernreaktor eine Rolle, bei denen aus Sicherheitsgründen doppelwandige Behältersysteme vorzusehen

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sind. Diese Behälter sind meistens so ausgelegt, daß sich zwischen den Wandungen ein Gaspolster ergibt, das im Falle einer
Beschädigung einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Behälter und der Berhälterumgebung wenigstens vorübergehend verhindert, so daß Notmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden können.

Zur Ueberwachung des Betriebszustandes eines solchen Behälters werden an der Stelle, an der sich im Gaspolster vorhandene Flüssigkeit ansammelt, Flüssigkeitssonden eingebaut. Solche Sonden arbeiteten bisher nach den verschiedensten Prinzipien, z.B. als Schwimmer, oder indem die Aenderung einer elektrischen Größe
(Widerstand, Kapazität oder Induktivität) am Meßort beim nebergang vom gasförmigen zum flüssigen Medium gemessen wird.

Angesichts der besonderen Reaktorverhältnisse, die durch hohe
Temperaturen, ionisierende Strahlung und geringe Freiheit in
der Materialauswahl gekennzeichnet sind, kommt es vor, daß keines der obenerwähnten Verfahren eingesetzt werden kann. Die
Erfindung betrifft eine Sonde, die nach einem anderen Prinzip
arbeitet und daher in manchen Fällen angewandt werden kann, in denen die bekannten Verfahren ausscheiden.

Die erfindungsgemäße thermoelektrische Sonde zur Detektion von Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium oder umgekehrt ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Sondenspitze ein thermoelektrisches Element vorgesehen ist und daß sowohl eine Heizstromquelle als auch ein Spannungsme3gerät mit diesem Element verbunden sind.

Hier wird also der Unterschied der Wärmeübertragungseigenschaften zwischen Flüssigkeit und Gas zur Messung ausgenutzt. An dem Spannungsmeßgerät ist nur dann auf Grund der angelegten Heizstromquelle eine wesentliche Erhöhung der Thermospannung festzustellen,

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wenn die Sondenspitze in einem gasförmigen Medium liegt. Sobald jedoch, die Sondenspitze in Flüssigkeit eintaucht, sinkt die Thermospannung auf Grund der Wärmeableitung von der Sondenspitze in die Flüssigkeit auf kaum mehr meßbare Werte ab.

Bei diesem Verfahren ist zwar die Ansprechzeit wesentlich langer als bei den bekannten Sonden; dafür spielt jedoch weder der Isolationswiderstand der Zuleitungen, der bei den hohen Betriebstemperaturen im Reaktor absinkt, noch die Veränderung kapazitiver und induktiver Meßwerte auf Grund der Ionisation eine Rolle. Zudem gibt es Materialien für Thermoelemente in großer Vielfalt und insbesondere solche, die sich zum Einsatz unter den schwierigen Reaktorbedingungen gut eignen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermoelektrische Element über einen Schalter abwechselnd an die Heizstromquelle und das Spannungsmeßgerät angeschaltet, und zwir derart, daß eine Meßperiode stets unmittelbar auf eine Heizperiode folgt. Man kann dann den Absolutwert der Thermospannung als Meßsignal auswerten oder aber den MeBimpuls integrierend erfassen, wodurch die Betriebssicherheit erhöht wird.

Es hat sich als günstig erwiesen, im Spannungsmeßgerät eine automatische Hullpunktkontrolle vorzusehen, die sich an der Ausgangsspannung des unbeheizten Thermoelements orientiert. Auf diese Weise wird der Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf den Absolutwert des Meßsignals eliminiert. Die Automatik wird vorzugsweise nach Abschluß jeder einzelnen Meßperiode und vor Beginn der nächsten Heizperiode wirksam. Steuermittel zur Zeitsteuerung sorgen dafür, daß die Heizperiode und die Meßperiode definierte Längen besitzen, wobei die Meßperiodendauer so gewählt wird, daß die Thermospannung auf Grund einer vorangegangenen Heizperiode praktisch völlig abklingt.

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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter weggelassen und dafür liefert die Heizstromquelle eine periodisch amplitudenmodulierte Wechselspannung, wobei das Spannungsmeßgerät ein Filter aufweist, welches nur die Modulationsfrequenz durchläßt. Hier sorgt also im wesentlichen die Trägerfrequenz für die Aufheizung der Probe und erzeugt in dieser eine Thermospannung, welche mit der Modulationsfrequenz variiert. Die Amplituden dieser Thermospannung ist wieder eine Meßgröße, die von der Umgebungstemperatur weitgehend unabhängig ist.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe dreier Figuren näher erläutert, von denen

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde, Figur 2 einige Zeitdiagramme zum Betrieb dieser Sonde und

Figur 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde zeigen.

■*-ⁿ Figur 1 ist der Meßort als kleiner Behälter 1 dargestellt, der beispielsweise als Tropfensarn^ler für den Zwischenraum eines doppelwandigen Behälters für ein Reaktorexperiment dient. In diesen Behälter ragt ein Thermoelement frei hinein, das beispielsweise aus einem Chromeldraht 2 und einem Alumeldraht 3 zusammengesetzt ist. Die beiden Drähte werden aus dem Behälter herausgeführt und enden außerhalb des Reaktorbereichs an den Zungen zweier Relaiskontakte k und 5· Diese Kontakte gehören zu einem gemeinsamen Relais A, welches in der Figur nicht dargestellt ist und zu den Steuermitteln der Auswerteelektronik gehört. Ist das Relais erregt, dann liegt ade Thermoelement nur an einer Heizstromquelle 6, die beispielsweise eine Gleichspannung liefert. Im Ruhezustand des Relais ist das Thermoelement dagegen an ein Spannungsmeßgerät angeschlossen, welches

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im Eingang einen Spannungsverstärker 7» daran anschließend einen Integrator 8 und weiter einen Schwellendiskriminator 9 und eine Alarmeinheit 10 enthält. Der Integrator besteht vorzugsweise aus einem Analog-Digital-Wandler (Spannungs-Frequenz-Konverter mit anschließendem Digitalzähler). Der Diskriminator vergleicht in diesem Fall das Zählergebnis nach jeder Meßperiode mit einem eingegebenen Sollwert.

Weiter besitzt das Spannungsmeßgerät eine automatische Nullpunktkontrolle, welche ein Potentiometer 11 im Verstärkereingang, einen Motor 12 für die Potentionetei-verstellung und zwei Schalter 13 und Ik umfaßt, die im Verstärkerausgang liegen. Die beiden Schalter sind Bestandteil eines weiteren, zu den Steuermitteln zu zählenden Relais B, das in der Figur nicht dargestellt ist. Ist dieses Relais erregt, dann ist der Motor 12 unmittelbar mit dem Ausgang des Verstärkers '7 verbunden und verstellt das Potentiometer 11 so lange, bis der Verstärkerausgang zu Null wird.

Aus Figi:r 2 ist zu ersehen, in welcher zeitlichen Aufeinanderfolge die beiden Relais A und B erregt sind und wie die Anordnung nach Figur 1 sich im Betrieb verhält. Zu einem betrachteten Zeitpunkt ist nur das Relais A erregt. Dadurch steigt die Temperatur an der Sondenspitze an. Ist die Sondenspitze von einem gasförmigen Medium umgeben, dann heizt sie sich wesentlich mehr auf, als wenn sie von einem flüssigen Medium umgeben ist. Sobald das Relais A abfällt und das Thermoelement an dem Verstärker angeschlossen wird, läßt sich daher auch eine verhältnismäßig große thermoelektrische Spannung ermitteln, wenn die Sondenspitze in einem gasförmigen Medium steckt, während im anderen Falle keine nennenswerte Spannung gemessen wird.

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Die beiden Fälle sind in JTigur 2 wiedergegeben. Die gestrichelte Fläche stellt das Nutzsignal dar, welches im Verstärker 7 und im nachgeschalteten Integrator 8 aufgebaut wird. Die Diskriminatorschwelle muß so eingestellt werden, daß sie zwischen den beiden Fällen zu unterscheiden weiß.

Nach dem Abklingen der thermoelektrischen Spannung (größenordnungsmäßig nach 5 Sekunden) wird das Heiais B eingeschaltet, wodurch der Verstärker-Nullpunkt gemäß einer eventuellen Aenderung der Umgebungstemperatur nachgeführt wird. Diese Nachführung kann entweder nach jeder Meßperiode oder aber nur nach " einer größeren Anzahl von Meßperioden erfolgen. In dem hier dargestellten Beispiel ist die erstgenannte Betriebsform gewählt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung soll anhand von Figur 3 nunmehr gezeigt werden, daß die Auswerteschaltung auch ohne Schalter auskommen kann. Auch hier ist wieder ein Thermoelement in dem zu überwachenden Behälter eingeführt. Als Heizstromquelle dient hier ein Wechselspannungsgenerator 15, der eine Trägerfrequenz von z.B. 50 Hz mit einer sinusförmigen Frequenz von beispielsweise 0,2 Hz moduliert. Das Thermoelement ist sowohl fest an die Heizstromquelle als auch an die Auswerteelektronik angeschlossen. Letztere besteht aus einem fe Filter l6, welches nur die Modulationsfrequenz durchläßt, aus einem Diskriminator 9 sowie einer Alarmeinheit 10. Am Ausgang des Filters 16 ist eine sinusförmige Wechselspannung zu messen, deren Frequenz der Modulationsfrequenz entspricht und deren Amplitude stark davon abhängt, ob das Thermoelement in einem gasförmigen oder in einem flüssigen Medium eingetaucht ist. Der Diskriminator ißt also ein Amplitudendiskriminator.

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Es wäre auch denkbar, daß man nicht die Amplitude, sondern die Phase der Wechselspannung analysiert, da auf Grund der Wärmeübergangsverhältnisse an der Sondenspitze eine Phasenverzögerung der Thermoepannung eintritt, wenn die Umgebung gasförmig wird. Die Auswerteelektronik ist jedoch nicht Gegenstand der Erfindung, da für sie nach dem Stand der Technik zahlreiche Varianten möglich sind.

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Claims

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Patentansprüche

Thermoelektrische Sonde zur Detektion von Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sondenspitze ein thermoelektrisches Element (2, 3) vorgesehen ist und daß sowohl eine Heizstromquelle (6) als auch ein Spannungsmeßgerät (7i 8» 9) nut diesem Element verbunden sind.
2. Thermoelektrische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element über einen Schalter (k, 5) abwechselnd an die Heizstromquelle und das Spannungsmeßgerät angeschaltet wird derart, daß eine Meßperiode stets unmittelbar auf eine Heizperiode folgt.
3. Thermoelektrische Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsmeßgerät innerhalb einer Meßperiode integrierende Wirkung aufweist.
*t. Thermoelektrische Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzcihnet, daß das Spannungsmeßgerät eine automatische Nullpunktkontrolle (11, 12, 13, lO aufweist, die sich an der Ausgangsspannung des unbeheizten Thermoelements orientiert.
5· Thermoelektrische Sonde nach Anspruch *t, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Nullpunktkontrolle nur nach Abschluß jeder Meßperiode, aber vor Beginn der nächsten Heizperiode, wirksam wird.

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6. Thermoelektrische Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel vorgesehen sind, die die Heizperioden- und Meßperiodendauer fest vorgeben, und zwar die letztere derart, daß die Thermospannung auf Grund einer vorangegangenen Heizperiode praktisch völlig abklingt.
7. Thermoelektrische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstromquelle (15) eine periodisch amplitudenmodulierte Wechselspannung liefert und daß das Spannungsmeßgerät ein Filter (l6) aufweist, welches nur die Modulationsfrequenz durchläßt.

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