DE2642064C2 - Dichtemessvorrichtung für strömende Medien nach dem Durchstrahlungsprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft cmc Dichtemeßvorrichtung für strömende Medien nach dem Durchstrahlungsprinzip, wobei von einer Strahlenquelle ausgehende Strahlung mittels einer Kollimatnreinrichtung in mehrere Teil· strahlen aufgeteilt wird, welche die Medien in repräsentativen Bereichen durchdringen und anschließend detektiert werden.

Es ist bereits eine y-Dichtemeßvorrichtung bekannt (ANCRl 181. Seile 33 bis 40. IW). Diese Vorrichtung verwendet jedoch nur einen, zwei oder drei Teilstrahlen und hierzu jeweils einen Detektor mit vollständiger elektronischer Meßwerlverarbeilung. Durch den Platzbedarf der Detektoren ist did erreichbare Anzahl der Teilstrahlen begrenzt und der elektronische Aufwand wird erheblich erhöht. Weiterhin sind die Wandstärken der medienführenden Rohrleitungen im Bereich der Durchstrahlung aufgrund bestehender Drücke innerhalb der Rohrleitungen relativ stark (bis zu einigen Zentimetern), wodurch die verwendete Gammastrahlung stark geschwächt wird. Zum Teil ist zwar auch vorgesehen, die Wandstärke durch Bohrungen an der Stelle der Durchstrahlung zu verhindern, dies kann jedoch dazu führen, daß die Rohre bei hohen Drücken (z. B. 150 ata) Schaden erleiden.

Die Aufgabe, die die erfindungsgemäße Vorrichtung zu lösen hat, besteht darin, die räumliche Auflösung für die Dichteverteilung und/oder die Strömungsform im

ίο Meßquerschnitt eines Mediums, insbesondere eines Dampf-Wasser-Gemisches, durch Verwendung vieler Teilstrahlen wesentlich zu erhöhen, ohne dabei den elektronischen Aufwand zu vergrößern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnen-

.5 den Merkmalen des ersten Patentanspruches beschrieben.

Weiterführungen der erfindungsgemäßen Dichtemeßvorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 aufgeführt.

Die besonderen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß eine serielle Abfrage der Teilstrahlen möglich ist. wobei mit extrem dünnen Fenstern in der Wandung der Rohrleitung für die Medien gearbeitet werden kann. Da die Anzahl der verwendeten Teilstrahlen wesentlich höher ist. kann die Meßgenauigkeit wesentlich erhöht werden. Hinzu kommt noch, daß bei Dichtemeßvorrichtungen, bei denen weiche Strahler verwendet werden können, der Aufwand für den Strahlenschutz verringerbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Die

F i g. 1 zeigt hierbei einen schematischen Überblick über die Dichtemeßvorrichtung mit anschließender elektronischer Meßkette und einen zusätzlichen Teil· strahl durch den Kollimator zu Eichzwecken.die

F i g. 2 einen Schnitt durch eine spezielle Dichtemeßvorrichtung und die

I i g. 3 einen Aufblick auf diese Dichtemeßvorrichtung.

Die Fig. I zeigt schematisch die Quelle 1 mit ihrer Abschirmung 2. welche auf dem Kollimatorblock 3 mit Strömungskanal 4 und eingebetteter dünner Hülse 5 aufgesetzt ist. Unterhalb des Kollimatorblocks 3 befindet sich eine Lochblendenscheibe 6. welche über eine Achse 7 von einem Stellgetriebc 8 mit Motor 9 in rotierende Bewegungen versetzt werden kann. Unter der Lochblendenscheibe 6 mit Durchtrittsöffnungen 10 bzw 11 für die Teilstrahlen 12 bzw. 1 3 befindet sich das

w Fenster 14 einer Abschirmung 15 für den Detektor 16. welcher durch einen Szintillator gebildet wird, an den ein Photomultiplier 17 angeschlossen ist. Unterhalb der Abschirmung 1*5 ist eine elektronische Meßkette angeschlossen, welche über Leitungen 18 und 19 mit einer Lichtschranke 20 für den Zählerstart und einer Lichtschranke 21 für die Kanalidentifikation an der Lochblendenscheibe 6 rückgekoppelt ist.

Die von dem radioaktiven Nuklid der Gammaquelle 1 ausgesandtc Gammastrahlung durchdringt in fünf eng kollimierten. über den Querschnitt des Slrömungskanals 4 verteilten Strahlenbündeln bzw. Teilstrahlen 12 eine Zweiphasenströmung und die Wand 5 einer eingepreßten Hülse. Eine sechste Bohrung 11 im Kollimator 3 führt seitlich am Strömungskanal 4 vorbei und hat die Aufgabe, einen Referenzstrahl zu erzeugen. Während die fünf Kanälen (ihre Anzahl ist nach oben hin nicht begrenzt) der Gammastrahl entsprechend der mittleren Dichte des durchfließenden Zweiphasengemisches nach

dem exponentiellen Gesetz geschwächt wird (be/ugen quf die Anzahl der Quanten) unterliegt der sechste Strahl 11 nurden Iniensitäisänderungen.die die anderen Strahlen zusätzlich mitmachen. Diese Änderungen sind dichteunabhängig und werden durch Nachlassen der Quellstärke. Driften der Elektronik, Änderung des Nulleffektes usw. verursacht.

Durch die Lochblendenscheibe 6 mit drehzahlveränderüchem Antrieb 8, 9 werden die sechs Gammastrahlen mit defilierten Zeiten nacheinander auf den Szintillator 16 freigegeben und erzeugen dort eine der Anzahl der Gammaquanten proportionale Anzahl von Lichtblitzen, deren Stärke eine Funktion der Energie der Gammaquanten ist. Dies gilt selbstverständlich auch für ähnliche Strahlungsarten, wie Neutronenstrahlungen. Der Photomultiplier 17 wandelt die Lichtblitze in eine anzahlproportionale Menge von Spannungsimpulsen um. deren Amplitudengröße wiederum von der Lichtintensität und damit von der Gammaenergie bestimmt wird. Da die Amplitudenhöhe auch von der Temperatur des Szintillator 16 und von der Versorgungsspannung des Photomultiplicrs 17 stark abhängt, ist eine Regelung der Versorgungsspannur.g, genannt Amplitudenstabilisation. vorgesehen.

Das Spektrum der elektrischen Impulse nach dem Photomultiplier 17, d. h. die Impulszahl über der Energie (Impulshöhe) aufgetragen, beginnt im niederenergetischen Bereich mit einem großen Wert, der von den gestreuten Gammaquanten, dem sogenannten Comptonl'ntergrund und dem elektrischen Rauschen gebil det wird. Danach folgen die Knergie-Peaks der vom Strahler 1 emittierten Gammastrahlung und der durch sekundäre Prozesse erzeugten Röntgen· und Brems strahlung. Für die Amplitudenstabilisation wird ein Zwei-Fensterdiskriminator 22 auf den für die Messungen ausgewählten Gamma-Peak. der z. B. bei einer Tm-170-Quellebei 84 keV liegt, eingestellt. Die Impulse /sind über der Energie £ aufgetragen. Sie gelangen /um Fensterdiskriminator 22 über den Impulsverstärker 23. Für die Messungen wird ein Fenster 25 bzw. 26 etwas unterhalb _und etwas oberhalb des Energiepeaks 24 eingestellt, so daß beide im Gleichgewichtsfall die gleiche lmpu!s/ahl /empfangen. Bei Verstimmung des Gleichgewichtes, d. h. bei unterschiedlicher Impulszahl / beider Fensterdiskriminatoren 27 und 28 durch Verlagerung des Energiepeaks 24 wird über den Flip Flop 29. die Differenz-Analogsignalschaltung 30 und den Regler-Hilfsspannungser/euger 31 ein analoges Signal erzeugt, das die Versorgungsspannung des Multipliers 17 nachregelt und den Energiepeak 24 in die symmetrische Lage zurückbringt. Durch entsprechende Fensterbreite und geringen Abstand beider Fenster 25, 26 voneinander kann erreicht werden, daß die Summe der Impulse, die von beiden Fenstern 25 und 26 durchgelassen wird, der Meßrate monoenergetischer Gammaquanten. die für die Dichtemessung verwendet werden soll, proportional ist.

Über eine »und-oder«-Verknüpfung 32 werden daher diese Impulse einem zweiten Zweig über einen Monovibrator 33 und einen Untersetzer 34 zur digitalen Verarbeitung zugeführt= Nach der Untersetzung werden sie in einem Scaler*Timer 35 gezählt und gespeichert. Der Beginn der Zählzeit wird durch das Signal einer Lichtschranke 20 der Lochblendenscheibe 6 ausgelöst. Sie ist über die Zeitwahl 36 mit dem Scaler-Timer 35 verbunden. Gleichzeitig wird der Timer 35 gestartet, der nach Ablauf der vorgewählten Zeit (10 ms bis 1 see) den Zählvorgang beendet. Die Zählzeit muß jeweils

innerhalb der Öffnungszeil eines Loches tO bzw. 11 der Blendenscheibe 6 liegen, das durch Abstimmung der Molardrehzahl und der Zählzeiteinste'lung geschieht. Der digitale Wert (Impulszahl) wird vor Zählbeginn des nächsten Kanals auf einen Pufferspeicher gegeben, um von dort zum Bandspeicher oder Rechner 37 abgerufen zu werden. Zwischen dem Rechner 37 und dem Scaler-Timer 35 liegt eine Anzeigekontrolleinrichtung 38, mit der die zweite Lichtschranke 21 für die Kanalidentifikation verbunden ist.

Im Rechner 37 kann mit Hilfe von Eichwerten und nach der Korrektur durch den Wert des Referenzstrahlers (siehe Teilstrahl 13) aus den fünf Gamma-Impulswerten je eine Querschnittsdichtebestimmung durchgeführt werden. Die kürzeste Meßzeit für den ganzen Querschnitt des Strömungskanals 4 beträgt etwa 50 ms.

Die Fig.2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel für die Bestimmung der mittleren Dichte eines mehrphasigen Gemisches mit der Gamma-Stiahl-Abschwächungsmethode (die Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. I). Dhs Gerät ist besond' . geeignet für den Einsatz in der Resktorsicherheitsfor: jbving. weil für die Bestimmung des Massenstromes eines aus einem defekten Reaktorkreislauf ausströmenden Wasser-Dampf-Gemisches die Kenntnis der örtlichen Gcniischdichte erforderlich ist. Wegen der scharfen Bedingungen in bezug auf der. Druck (bis und über 150 ata), die Temperatur (von c;;. 350'C) und die erforderliche Schnelligkeit hat sich für diese Aufgabe die Gamma Dichtebestimmung als gunstig erwiesrn. Bestimmungen mit anderen Strahlungsarten sind jedoch nicht ausgeschlossen.

In der F i g. 2 ist im Schnitt der Kollimatorblock 3 dargestellt. Er besteht aus \v armfestem Stahl und w-ird zwischen zwei Flanschen 41 und 42 (siehe aucn f ; g. i) von zwei Spannvorrichtungen 39 und 40 eingespannt Eine eingepreßte dünnwandige Hülse 5 von ca. ! mm Wandstärke, die an den Enden mit dem Kollimatorbloek 3 verschweißt wird (die Hülse steht «enkrcht /ur Zeichenebene; die Eiinschweißstellen sind nicht dargestellt), übernimmt die druckbeständige Abdichtung der K yllimatorbohrungen 12 gegen das Stromungsmedium 4. Dadurch werden extrem dünne .Strahlungsfenster 4} und 44 an den Berührungsstellen de^r Teilbohrungen 12 vor und nach der Durchstrahlung erreicht. Die Durchgangsbohrung 13 ist in dieser Ausführung nicht vorhanden.

Auf den Kolhmatorblock 3 ist eine Abdeckscheibe 45 aufgeschraubt, auf welcher wiederum die Abschirmung 2 für die Strahlenquelle 1 aufgeschraubt ist. Die Abschirmung 2 besteht ebenfalls aus einem Block aus Stahl oder Wolfram, welcher eine Innenbohrung 46 aufweist, in der die Strahlenquelle 1 in einer Hülse mit AnTeßvorrichtung 47 eingefugt ist. Die Abschirmung 2 selbst ist über einen spiralförmigen Kanal 48 sowie Wasserzu- und Abführungen 49 (siehe F1 g. i) mit Wasser kühlbar.

Am unteren Ende 50 der Bohrung 46 für die Quelle 1 ist in die Abschirmung 2 ein Schieber 51 mit konisch ausgeführter lniienbohrung 52 transvertierbar eingefügt, Mit ihm kann die Quellstärke der Quelle 1 kalibriert werden. Die konische Bohrung 52 korrespondiert mil einer Bohrung 53 in der Abdeckplatte 45 und einer weiteren Ausnehmung 54 im Kollimatorblock 3, von der die Eingangsöffnungen 55 der Teilstrahlbohrungen 12 ausgehen.

Die AustriUsöffnungen 56 der Teilstrahlbohrungen 12 am unteren Ende des Kollimatorblocks 3 stehen der

ßlendenscheibe 6 gegenüber. Diese Blcndenscheibc 6 weist einen Blciring 57 auf. in dem die einzelnen Durchtriltsöffnungen 10 (es ist nur eine Durchtrittsöffnung durchgezogen gezeichnet: die anderen sind gestrichelt eingezeichnet) eingefügt sind. Die Blcndenscheibe wird über die Achse 7 (siehe auch schematische Zeichnung nach Fig. I) mittels dem Seilgetriebe 8 und dem Motor 9 angelrieben. Die Halterung 58 für die Achse 7 ist am Kollimatorblock 3 direkt angeflanscht. Sie ist über die Zu- und Abführleitiingen 59 und 60 ebenfalls mittels Wasser kühlbar.

Unterhalb der Blcndenscheibe 6 und insbesondere unterhalb des Abschirmringes 57 ist das Fenster 14 in der Abschirmung 15 für den Szintillator 16 mit Photomiilliplicr 17 angeordnet. Die Szintillatorachse 61 steht nahezu senkrecht zu den Strahlungsrichtungen 62 der einzelnen Teilstrahlen 12, Der gemeinsame Schnittpunkt der Teilstrahlungsrichtungen 62 liegt in der Quelle 1. Zwischen dem eigentlichen Szintillator 16 und der Abschirmung 15 befindet sich eine Wasserkühlung 63 bzw. ein Wasserkühlmantel, welcher in den Szintillator 16 von außen eindringende Wärme abführt.

In der Fi g. 3 ist eine Aufsicht auf die Dichicmeßvorrichtung nach Fig.2 dargestellt. Sichtbar ist der Kollimatorblock 3 bzw. die Abdeckplatte 45, die Flansche 41, 42 mit den Halterungen 39 und 40, die Abschirmung 2 mit Kühlzu- und Abführungen 49 sowie die Halterung 47 für die Quelle, die Halterung 58 für die Achse 7 der Blcndenscheibe 6. das Stellgetriebe 8 und der Motor 9. In der Blendenscheibe 6 bzw. dem Bleiring 57 sind die winkclverset/ten Ausnehmungen 10 auf verschiedenen Radien eingefügt. Die Anzahl der ·, Ausnehmungen 10 richtet sich nach der Anzahl der Teilstrahlen 12 (siehe Fig. 2), dem Umfang der Blendenscheibe 6 und der Abmessungen der Öffnungen 10. Es ist durchaus möglich, daß mehrere Ausnehmungen 10 auf einem Kreisumfang angeordnet werden

ίο können. Auf der Außenumraiidung 64 der Blcndcnscheibe 6 sind Schaltlöcher 65, 66 eingefügt, welche für die Photozcllen-Stcucning mit den Lichtschranken 20 und 21 (siehe Fig. I)dienen.

Mit Hilfe des Szintillationsdetcktors 16 und der angeschlossenen Elektronik nach Fig. I kann die Intensität des jeweiligen Gammastrahls bzw. Tcilstrahls 12 im Milli-Sekunden-Bercich gemessen werden. Aus der Intensität des jeweiligen Gammastrahles kann auf die Dichte des Gemisches 4 (siehe Fig. I und 2)

geschlossen werden. Bei homogener Verteilung der Phasen über dem Querschnitt kann daraus auf die mittlere Querschnitlsdichte geschlossen werden. Bei hichlhomogener Verteilung, und das ist bei Reaktorsicherheitsexperimenten die Regel, sind zum Erreichen einer brauchbaren Genauigkeit mehrere Gammateilstrahlen 12, über den Querschnitt der Hülse 5 verteilt, erforderlich.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dichtemeßvorrichtung für strömende Medien nach dem Durchstrahlungsprinzip, wobei von einer Strahlenquelle ausgehende Strahlung mittels einer Kollimatoreinrichtung in mehrere Teilsirahlen aufgeteilt wird, welche die Medien in repräsentativen Bereichen durchdringen und anschließend detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daßdie Kollimatoreinrichtung (3, 12) selbst als Medienleimng (4, 5) ausgebildet ist, daß für die Detektion der Teilstrahlen (12) ein einziger Detektor (16) vorgesehen ist, und daß zwischen dem Detektor (16) und den Austrittsstellen (56) der Teilstrahlen (12) aus der Kollimatoreinrichtung (3) eine zeitlich steuerbare Verschlußanordnung (6, 10, 57) der Austrittsstellen (56) angebracht ist.

2. Dichtemeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kollimatoreinrichtung (3) eine zur Ebene der Teilstrahlen (12) senkrecht und durchgehende Bohrung (4) eingefügt ist. welche eine dünnwandige,die Durchinttsbohrun gen (12) für die Teilstrahlen abdichtende Hülse (5) aufnimmt.

3. Dichtemeßvorrichtung nach Anspruch I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (16) quer zur Einlallsrichtung der Teilstrahlen (J2) in einer Abschirmung (15) liegt, welche eine Öffnung (14) aufweist, vor der die Verschlußanordnung (6, 10, 57) beweglich angeordnet ist.

4. Dichtemeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der "oigenden. dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußanordnung (6, 10, 57) eine bewegbare Blendenscheibe (6) mit Scnlitzen (10) ist. deren Abmessungen durch die Querschnitte der Teilstrahlen (12) und die Meßzeit bestimmt sind.

5. Dichtemeßvorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenscheibe (6) mittels Motorantrieb (8, 9) rolierbar ist und die Schlitze (10) auf unterschiedlichen Radien liegen.

b. Dichtemeßvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoreinrichtung (3) eine zusätzliche. ^Aie Medienleitung niehl durchdringende, jedoch auf den Detektor (16) gerichtete Durchtrittsbohrung (13) aufweist.