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Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsmessung von elektrisch leitenden
Flüssigkeiten Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsmessung
von elektrisch leitenden Flüssigkeiten.
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mittels Induktionsspulen, beispielsweise von flüssigem Natrium in
Kernenergieanlagen, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend
aus mindestens einem Meßwertgeber, der an einem llandhabungsrohr befestigt ist,
in dem die Meßleitungen geführt sind, und die in einem Führungsrohr gleitend an
den Meßort gebracht ist, sowie aus einem Meßwertumsetzer. Die Vorrichtung gem der
Erfindung eignet sich insbesondere auch zum Lecknachweis an schwer zugänglichen
Stellen.
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Die uberwachung des Füllstandes und das schnellstmögliche Erkennen
etwaiger Lecks, sowie die Fernanzeige diesbezüglicher Meßwerte sind in vielerlei
Anlagen nötig, und entsprechende Vorrichtungen sind seit langem bekannt.
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Bei Verwendung eines chemisch äußerst aggressiven, auf hoher Temperatur
befindlichen und zum Teil auch radioaktiven Mediums, wie es das in bestimmten Arten
von Kernreaktoren zur Kühlung verwendete flüssige Natrium ist, treten jedoch besondere
Anforderungen an die Meßvorrichtung auf, die es wünschenswert erscheinen lassen,
ein Meßverfahren und eine hierfür geeignete Vorrichtung zu verwenden, die ohne unmittelbaren
Kontakt mit dem zu messenden Medium und ohne bewegliche leile arbeitet und zudem
durch Fernbedienung an den Meßort gebracht und auch wieder von diesem entfernt werden
kann, dadurch ein Auswechseln schadhaft gewordener Teile der Vorrichtung während
des Betriebes ermöglichend.
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Die Verwendung von elektrischen Spulen zu Meßzwecken, deren beim Durchfluß
eines elektrischen Stromes gebildetes magnetisches Feld durch in der Nähe befindliche
elektrisch leitende Gegenstände, beispielsweise eine Flüssigkeit, meßbar beeinflußt
wird, ist an sich bekannt, beispielsweise aus der US-Patentschrift 2 435 043. Die
bekannten Vorrichtungen, vorzugsweise zur Messun der Strömungsgeschwindigkeit von
elektrisch leitenden Flüssigkeiten verendet, weisen mindestens drei, zumeist kernlose
Spulen auf.
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Aufgahe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Füllstandsmessung
und/oder zum Lecknachweis von elektrisch leitenden Flüssigkeiten anzugeben, und
eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, die aus
einem oder mehreren Meßwertgebern und einem räumlich davon getrennt aufgestellten
Meßwertumsetzer besteht, wobei die Meßwertgeber so gjeschaltet intl, daß sie mittels
eines Führungsrohres an schwer zugängliche Orte, beispielsweise ins innere eines
Kernreaktors gebracht werden können und .auswechselbar sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß eine Primärspule mit einem Wechselstrom erregt wird, und daß die in einer Sekundärspule
erzeurte Spannung in einem Meßwertumsetzer verstärkt und gleichgerichtet wird, und
daß der Quotient aus der gleichgerichteten Sekundärspannung und dem gleichgerichteten
Erreger strom überwacht wird, derart daß bei Vorhandensein einer elektrisch leitenden
Flüssigkeit am Meßort das Erregerstromsignal überwiegt und zur Messung des Füllstandes
und/oder zur Auslösung eines Signals verwendet wird. Wird eine am Meßort befindliche
Induktionsspule als Primärspule durch einen hindurchfließenden Wechselstrom erregt,
so wird in einer zweiten, auf derselben magnetischen Achse liegenden Induktionsspule
als Sekundärspule ein zweiter Wechselstrom induziert, dessen Spannung und Phasenlage
durch das Vorhandensein einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, beispielsweise von
flüssigem Natrium, in der ähe der Spulen, zum Beispiel an der Außenwand des Führungsrohres,
in dem sich diese befinden, meßbar beeinflusst werden und zwar in bestirmten Grenzen
proportional dem Grau der Benetzung des Füh rungsrohres durch die Flüssigkeit. Die
Spannung dieses in der Sekundärspule induzierten Stromes liefert den Meßwert, der
in den Meßwertumsetzer eingespeist und dort mit der Erregerspannung vergleichen
wird.
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Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, daß in dem Meßwertgeber eine Primärspule und eine Sekundärspule aus
metallisch ummantelten, isolierten Drähten vorhanden sind, die auf eine.
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gemeinsamen, hohlen, in Längsrichtung geschlitztenj Kern aus Reineisen
gewickelt sind, der an seinen Enden und zwischen den spulen mit umalufenden, durch
den Scllitr; unterbrochenen Stegen versehen ist. Der Aufbau dieser
Vorrichtung
entspricht weitgehend dem der in der Patentanmeldung P 21 20 523.2 beschriebenen
Vorrichtung zur Fernüberwachung von elektrisch leitenden Flüssigkeiten, doch weist
die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung statt..mindestens drei nur zwei
Induktionsspulen auf. Die Verwendung von metallummarteltem. Draht erlaubt eine Verwendung
der Vorrichtung auch bei hohen Temperaturen und hohen Strahlendosen, wobei es sich
gezeigt hat, daß das Aneinanderliegen der Metallummantelungen der Drähte tro-tz
der dadurch hervorgerufenen Kurzschlußströme in den Spulen ohne nachteiligen Einfluß
auf die Güte und Stärke des Meßsignals bleibt. Der Spulenkern aus Reineisen, dessen
Curiepunkt 7500C beträgt, bewirkt eine Steigerung der Signalspannung um etwa das
DO-fache gegenüber der von einer Spule ohne Kern gelieferten. Sein magnetischer
Widerstand beispielsweise gegenüber Natrium ist so gering, daß auch eine etwaige
Änderung seiner Permeabilität infolge von Strahlungseinwirkung ohne Rückwirkung
auf die Genauigkeit der Messung bleibt. Der IJängsschlitz im Kern dient zur Dämpfung
der in ihm auftretenden Wirbelströme und zur Verlegung der Drähte. Die umlaufenden
Stege aus dem gleichen Naterial, mit denen der Kern versehen ist, und die zwischen
den Spulen und an deren äußeren Enden angeordnet sind, bewirken daß die magnetischen
Feldlinien de len in stärkerem l-aße senkrecht zur Achse des Kerns ausgelen.kt und
sie dadurch stärker durch eine in ihrem 3ereich befindliche elektrisch leitende
Flüssigkeit beeinflußt werden, wodurch das Meßsignal ebenfalls verstärkt wird. Binde
Füllstandsmessung ist nur im Bereich der Induktionsspule möglich, deren Länge mit
Rücksicht darauf, daß der Meßwertgeber möglicherweise auch durch gekrümmte Führungsrohre
an den Meßort gebracht werden muß, begrenzt ist.
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Zur Erfassung eines oder mehrerer größerer Füllstandsbereiche wird
gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß mehrere mit dem Meßwertumsetzer
verbundene Meßwertgeber übereinander angeordnet sind, und zwar entweder in einem
gemeinsamen Pührungsrohr oder aber in mehreren solcher Führungsrohre.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
Induktionsspulen und ihr Kern in einem geschlossenen Schutzrohr angeordnet sind.
Das Schutzrohr verhindert neben mechanischen Beschädigungen der Spulen deren möglicherweise
ungleichmäßige Benetzung, die zu fehlerhaften Meßergebnissen führen könnte und die
auch eine zusätzliche Dämpfung hervorrufen würde.
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Die Verwendung von metallummanteltem Draht gestattet es, als weiteres
Merkmal der Erfindung vorzuschlagen, daß die in dem Handhabungsrohr geführten Zuleitungen
der Induk-tions-Spulen mit den Drähten der zugehörigen Induktionsspulen eine Einheit
bilden. Durch den Wegfall von Klemm- oder Lötverbindungen wird die Betriebssicherheit
der Vorrichtung erhöht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschalgen, daß die
Zuleitungen der Induktionsspulen in einer Durchführung am Ende des Schutzrohres
dicht eingelötet sind.
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Dadurch wird erreicht, daß der Ijeßwertgeber eine geschlossene Einheit
bildet und die Zuleitungen gegen Beschädigung durch Scheuern an der Durchführung
geschützt sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das
mit dem Meßwertgeber verbundene Handhabungsrohr
aus einer eng aneinander
gewickelten Drahtspirale und mindestens ein darüber geflochtenen Drahtgewebeschlauch
besteht. Dies ermöglicht es, das Rohr sowohl auf Zug als auch auf Druck beanspruchen
zu können, wie es beispielsweise nötig ist, um den Meßwertgeber aus dem Führungsrohr
herauszuziehen, bzw. in dieses hineinzuschieben. Die vorgeschlagente Konstruktion
gestattet es, diese Kräfte ohne Schaden für das Rohr so zu bemessen, daß auch erhebliche
Widerstrinde, beispielseise durch das Klemmen des Meßwertgebers im Führungsrohr
verursacht, , überwunden werden können, da jede der beiden Arten der Belastung durch
ein besonderes, dafür geeignetes Organ aufgenommen wird, wobei sich beide Organe
gegenseitig abstützen. Als weitere Vorteile sind zu nennen: Die Möglichkeit, im
freien Innenraum des Rohres die Zuleitungen der Induktionsspulen zu fuhren und die
Möglichkeit, fdas Rohr bei hohen Umgebungstemperaturen zu verwenden. Perner lassen
sich bei dieser Bauweise geringe Rohrdurchmesser, beispielsweise von 12 mm und geringe
Biegeradien, beispielsweise von 0,5 m erreichen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das
erwähnte Handhabungsrohr mit einer bifilar gewickelten elektrischen Heizung versehen
ist, die es gestattet, etwa vorhandene erstarrte Reste der Flüssigkeit, beispielsweise
festes Natrium abzuschmelzen, die sonst die Handhabung beeinträchtigen könnten.
Es ist zweckmäßig, auch die Meßwicklungen beheizbar auszuführen, so daß auch der
Meßwertgeber erwärmt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfind ist in der
Zeichnung dargestellt und zwar zeigt Figur 1 die Vorrichtung in einer zum Lecknachweis
geeigneten Anordnung
Figur 2 einen Längsaxialschnitt durch den Meßwertgeber
in dieser Anordnung Figur 3 die Vorrichtung in einer Anordnung, die zur Füllstandsmessung
dient Figur 4 einen Längsaxialschnitt durch den Meßwertgeber in dieser Anordnung
Pigur 5 einen Querschnitt durch denselben entsprechend der Linie A-B in den Figuren
2 und 4 Pigur 6 einen Längsaxialschnitt durch das flexible ITandhabungsrohr Die
Figur 1 zeigt einen Behälter (i), der mit einer Flüssigkeit (2) gefüllt und in einem
Sicherheitsbehälter (3), beispielsweise aus Beton angeordnet ist. Zum Nachweis etwaiger
lecks im Behälter (1) dient ein in einem Führungsrohr (4) an die tiefste Stelle
des Sicherheitsbehälters (3) geführter Meßwertgeber (27), der in Figur 2 näher dargestellt
ist.
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Die Pigur 2 zeigt den im Führungsrohr (4) geführten Meßwertgeber (27),
bestehend aus einer Primärspule (5) und aus einer Sekundärspule (6), beide aus metallumwickeltem,
isoliertem Draht, die auf einen gemeinsamen, hohlen, zylindrischen Eisenkern (7)
gewickelt sind, der über seine gesamte Länge mit einem Schlitz (8) (s.?igur 5) und
an seinem Umfang mit Stegen (9) versehen ist. Die Spulen (5 u.6) sind in einem Schutzrohr
(io) angeordnet, das unten und oben mit Stopfen (11 bzw.12) verschlossen ist.
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An dem oberen Stopfen (12) ist eine Durchführung (1)) be-.
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festigt, in der Drähte (19) dicht eingelötet sind, die von und zu
den Spulen (5 u.6) fuhren, und von denen hier nur zwei dargestellt sind. Die Durchführung
(13) ist mit
einem umlaufenden Wulst (20) versehen, der den Meßwertgeber
im Führungsrohr (4) führt. Dieses kann mit Bohrungen (21) versehen sein, um die
Leckflüssigkeit in unmittelbare Nähe der Spulen (5 u.6) zu bringen. Der Meßwertgeber
ist an seinem oberen Ende mit einem flexiblen Handhabungsrohr, dessen Teile 14,
15 und 17 in der Figur 6 näher erläutert sind verbunden.
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Die Pigur 3 zeigt einen weiteren Behälter (22), der eine Flüssigkeit
(23) enthält, deren verschiedene möliche Spiegel, im Beispiel drei (24, 25 u.26)
durch ebensoviele, im Führungsrohr (4) in der entsprechenden Höhe angeordnete und
durch Stücke eines flexiblen Handhabungsrohres sowohl miteinander verbundene als
auch auf dem erforderlichen Abstand voneinander gehaltene Meßwertgeber (28, 29 u.DO)
überwacht werden.
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Die Sollhöhe der Flüssigkeitsspiegel (24, 25 u.26) kann in einfacher
Weise dadurch verändert werden, daß die Meßwertgeber (28, 29 u.30) mittels des flexiblen
Handhabungskabels mehr oder weniger tief in das Führungsrohr (4) eingeschoben werden.
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Die Figur 4 zeigt einen der Meßwertgeber, im Beispiel den mittleren
(29), wobei die Bezeichnungen mit denen der Figur 2 übereinstimmen. Die Drähte (10),
die zu dem oberhalb gelegenen Meßwertgeber (28) fuhren, sind hier ebenfalls durch
dem hohlen Kern (7) des Meßwertgebers (29) geführt, und dieser ist an beiden Enden
mit flexiblen Handhabungsrohren verbunden wie sie in Fimir 6 nähe dargestellt sind.
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Die Pigur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen der Meßwertgeber (27,
28, 29 alter 30) entsprechend der Linie A-E in den Figuren 2 und 4, und die lage
eines Schlitzes (8), der über die gesamte länge des Kernes (7) führt.
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Die Figur 6 zeigt das erfindungsgemäße Handhabungsrohr, bestehend
aus einer eng aneinandergewickelten Drahtspirale (14), über die hier ein Drahtgewebeschlauch
(15) geflochten ist. An jedem Ende ist das Rohr mit Anschlußstutzen (16 u.17) versehen.
Ferner weist das Handhabungsrohr eine bifilar gewickelte elektrische Heizung (18)
auf.