DE2905070A1

DE2905070A1 - Einrichtung zum messen des durchflusses

Info

Publication number: DE2905070A1
Application number: DE19792905070
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Glauner; Stefan Mueller; Gerhard Thun
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1979-02-10
Filing date: 1979-02-10
Publication date: 1980-08-14
Also published as: FR2448709A1; US4322982A; JPS55106315A; GB2046916A

Description

29Q507O

KERNFORSCHUNGSZENTRUM Karlsruhe,den 7.2.1979

KARLSRUHE GMBH h PLA 79C2 Hä/MS

Einrichtung zum Messen des Durchflusses

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29QSQ7.0

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kernreaktoren, die mit Flüssigmetall - also z.B. Natrium gekühlt werden, können nur betrieben werden, wenn der Flüssigmetalldurchfluß in allen Hauptkühlmittelleitungen gemessen wird und die in den Sicherheitsvorschriften enthaltene Forderung nach Redundanz und Diversität der einzusetzenden Meßeinrichtungen erfüllt wird. An jeder Meßstelle sind demnach mindestens zwei redundante,nach unterschiedlichen Meßprinzipien arbeitende Einrichtungen anzuordnen.

Eine z.B. durch Ausfall einer Pumpe verursachte unkontrollierte Herabsetzung des Kühlmitteldurchsatzes führt zu einer unzureichenden Wärmeabfuhr und damit zur Gefährdung der gesamten Anlage. Ferner ist die Durchflußmessung zur Bestimmung der Reaktorleistung erforderlich, da nur deren genaue überwachung eine wirtschaftliche Fahrweise des Kernkraftwerkes möglich macht.

Es ist bekannt, (CG. Clayton, Modern Developments in flow measurement, Peter Peregrinus Ltd., London, 1972, Seiten 359/360), in einem strömenden Flüssigmetall eine Spannung zu induzieren und diese von der Strömungsgeschwindigkeit abhängige Spannung mit Elektroden abzugreifen und einer Meßwertverarbeitung zuzuführen. Als feiderzeugende Elemente werden an der Außenseite der Kühlmittelleitung Dauermagnete oder Spulen angeordnet, deren Abmessungen und Gewichte insbesondere bei größeren Nennweiten eine Größenordnung erreichen, die konstruktive und betriebsmäßige Schwierigkeiten verursacht und den Einsatz in einem Poolreaktor unmöglich macht. Die Elektroden sind an die Außenseite der Kühlmittelleitung angeschweißt. Eine redundante Anordnung mehrerer voneinander unabhängiger Einrichtungen der bekannten Art ist wegen des Gewichtes und Platzbedarfes nicht möglich. Dauermagnetsysteme unterliegen außerdem Alterungs- und Temperatureinflüssen und sind nicht in situ kalibrierbar.

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Es ist auch bekannt (K.W,Bonfig, Technische Durchflußmessung, Vulkan-Verlag Essen_r 1977, Seiten 146 bis 148)in ein strömendes Medium einen Widerstandskörper einzubringen, der stromabwärts in dem Medium eine Karmansche Wirbelstraße als freie Schwingung erzeugt, um die Strömungsgeschwindigkeit über eine Messung der Wirbelfrequenz zu bestimmen. Dabei werden als Sensoren z.B. Thermistoren an der Oberfläche des Widerstandskörpers oder in demselben angeordnet.

Einrichtungen dieser Art sind für Messungen in Flüssigmetallen ungeeignet, weil Thermistoren bei den hier vorliegenden Temperaturen nicht eingesetzt werden können.

Es ist ferner ein permanentmagnetiseher Durchflußmesser in Sondenform bekannt (DE-OS 26 32 042), bei dem in der Sonde zwei in einem vorbestimmten Abstand angeordnete scheibenförmige Dauermagnete zum Induzieren einer ersten und einer zweiten Induktionsspannung und Elektroden zum Messen der Spannungen angeordnet sind. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit über die Laufzeitmessung der Geschwindigkeitsfluktuation ermittelt. Bei größeren Nennweiten kann mit dieser Sonde nur ein kleiner Teil des Querschnittes erfaßt werden. Da die Sonde direkt in das Flüssigmetall eintaucht und koaxial zur Rohrachse anzuordnen ist, kann deren Austausch nur nach Entleeren der Rohrleitung erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser zu entwickeln, der auch in Flüssigmetall führenden Rohrleitungen großer Nennweiten Verwendung finden kann, dessen Magnete ohne Betriebsunterbrechung auswechselbar sind, und der frei ist von den Mangeln bekannter Einrichtungen der erfindungsgemäßen Art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschriebenen Anordnung gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Meßfühler als Widerstandskörper diametral in die Rohrleitung eingeführt ist und aufgrund seiner rohrförmigen Ausbildung die feiderzeugenden Magnete, deren Abstandshalter und

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die Elektroden aufnehmen kann, da 3 der Innencaum des an die Wand der Rohrleitung durch einen Flansch oder eine Schweißverbindung angeschlossenen Widerstandskörpers von außen zugänglich ist, daß in einem Widerstandskörper mehrere voneinander unabhängige Einrichtungen über den Durchmesser eines Rohrquerschnittes verteilt werden können, daß durch die Verwendung von drei Elektroden für eine Meßstelle z.B. mit der ersten und der zweiten Elektrode ein Gleichspannungsmittelwert, mit der ersten und dritten und mit der zweiten und dritten Elektrode die Wirbelfrequenzen auf der linken und rechten Seite des Widerstandskörpers gemessen werden und die Bildung von Kreuzkorrelationen möglich ist, daß die Meßeinrichtung in situ kalibrierbar ist, daß der als Widerstandskörper ausgebildete Meßfühler in Pool-Reaktoren und in Loop-Reaktoren einsetzbar ist, daß bei zweckmäßiger elektrischer Filterung und Verstärkung des Meßsignals der direkte Anschluß eines üblichen FrequenzZählers möglich ist, und daß die Einrichtung strahlenunempfindlich und bis zu Temperaturen von 600° C (kurzzeitig 75O°C) einsetzbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt einer Einrichtung zum Messen des Durchflusses

Fig. 2 Querschnitt uurch einen Widerstandskörper Fig. 3 Anordnung einer Elektrode,

Fig. 4 Schnitt einer Meßeinrichtung mit mehreren Meßstellen, Fig. 5 Widerstandskörper mit Karman-Wirbelstraße, Fig. 6 Feldverlauf bei mehreren Magneten, Fig. 7 Querschnittsformen von Widerstandskörpern

Fig. 8 Gleichspannungsmittelwert als Funktion der Natriumgeschwindigkeit,

Fig. 9 Wirbelfrequenz als Funktion der Natriumgeschwindigkeit

Der prinzipielle Aufbau der vorgeschlagenen Meßeinrichtung ergibt sich aus Fig. 1 . Die Meßsonde 1 ragt durch eine Bohrung 2' der den Flüssigmetallstrom 3, z.B. Natrium, führenden

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Rohrleitung 4 diametral in das strcnsnde Reaktorkühlmittel. Die Meßsonde 1 ist im Bereich der Bohrung 2 mit der Rohrleitung verschweißt. Sie ist als rohrförmiger Widerstandskörper 5 ausgebildet, der an seinem in die Rohrleitung 4 hineingeführten Ende durch eine eingeschweißte Kappe 6 gasdicht verschlossen und an seinem anderen Ende offen ist. In den Widerstandskörper 5 wird im Bereich der Achse 7 der Rohrleitung 4 ein scheibenförmiger Magnet 8 aus einem Werkstoff, wie z.B. AlNiCo 450 durch ein Distanzstück 9 aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff, z.B. MgO, gehalten.

Der Magnet 8 ist axial magnetisiert und induziert in dem Flüssigmetallstrom 3 eine Spannung, die mit einer ersten und dritten Elektrode 10, 11, 12 (siehe auch Figur 2) abgegriffen wird. Die Elektroden 10, 11, 12 sind in Bohrungen 13 (Figur 3) des Widerstandskörpers 5 so verschweiß, daß unmittelbarer Kontakt mit dem vorbeiströmenden Kühlmittel besteht. Die Bohrungen 13 für die Elektroden 10, 11, 12 liegen in der Mittelebene des Magneten 8, der axiale Aussparungen 14 für die Elektroden 10, 11, 12 aufweist.

Einzelheiten der Elektrodenanordnung sind in Figur 3 dargestellt Im Bereich der Aussparung 14 des Magneten 8 ist die Elektrode 10, 11, 12 mit einem gesinterten Al„0_-Rohr 15 elektrisch isoliert. Anschließend ist die beispielsweise aus einem Werkstoff WN 49 48 bestehende Elektrode 10, 11, 12 mit einem pulverförmigen Isoliermaterial 16, wie z.B. Al₃O- oder MgO isoliert und mit einem metallischen Mantel 17 aus z.B. WN 4948 versehen.

In Figur 4 ist eine Meßeinrichtung mit mehreren Magneten 8 dargestellt, die durch Distanzstücke 9 in einer vorbestimmten gegenseitigen Lage gehalten werden. Magnete 8 und Distanzstücke 9 sind mit einem Schraubenbolzen 18 und Muttern 19 zusammengehalten. Das freie Ende 20 des Schraubenbolzens 18 erleichtert die Montage der Anordnung 8,9. In der Mittelebene 21 jedes Magneten 8 sind erste bis dritte Elektroden 10, 11, 12 angeordnet, die

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durch die Aussparungen 1k der Magnete 8 zum offenen Ende des Widerstandskörpers 5 geführt sind.

Figur 5 zeigt einen Schnitt durch die Meßeinrichtung. Im Bereich jedes der Magnete 8 ist an der Außenseite des Widerstandskörpers 5 je eine Formkappe 22 zum Verstärken der Wirbelbildung im Flüssigmetallstrom 3 angebracht. Der Widerstandskörper 5 mit den Formkappen 22 bewirkt eine Störung des Flüssigmetallstromes 3, bei der sich stromabwärts von dem Widerstandskörper 5 wechselweise im Bereich der ersten und der zweiten Elektroden TO, 11 Wirbel 23 ablösen und eine Karmansche Wirbelstraße bilden. Die von einem Magnet 8 in dem Flüssigmetallstrom 3 induzierte Spannung ist U= c * v, wobei c eine Konstante und ν Die Strömungsgeschwindigkeit ist.
Die Wirbelablösefrequenz ergibt sich aus der Beziehung

S . ν
f=k —-,—- , in der k ein Korrekturfaktor, S die Strouhal-Zahl, ν die Anströmgeschwindigkeit des Flüssigmetalls und d der Durchmesser des Widerstandskörpers 5 ist. Die einfache Messung des Spannungsmittelwertes ergibt nur dann die Strömungsgeschwindigkeit ν mit hinreichender Genauigkeit, wenn der Flüssigmetallstrom eine konstante und nicht zu hohe Temperatur hat und deshalb Temperaturgang und Alterung das Meßergebnis nicht verfälschen. Die Messung der Wirbelfrequenz, ist dagegen von Temperatur- und Alterungseinflüssen unabhängig.

Werden mehrere Magnete 8 verwendet, um z.B. redundante Messungen in mehreren Bereichen einer Flüssigmetallströmung 3 in einer Rohrleitung 4 großer Nennweite durchzuführen, so ist es vorteilhaft, einander benachbarte Magnete entgegengesetzt zu magnetisieren, wie in Figur 6 dargestellt. Das resultierende Feld, welches sich in diesem Falle ausbildet, reicht weiter in den Flüssigmet a Ils tr cm hinein, so daß eine Erhöhung der Meßspannung eintritt. In diesem Falle kann es auch vorteilhaft sein, die Elektroden 10, 11, 12 nicht in der Mittelebene des Magneten 8 anzuordnen, sondern in dem Bereich größter magnetischer Feldstärke, also zwischen den Magneten 8.

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In Figur 7 sind weitere Cuferschiii'ctsforiwen von Widerstandskörpern 5 dargestellt. Der Widerstandskörper 5.1 weist einen dreieckförmigen Querschnitt auf und umschließt einen ebenfalls dreieckförmigen Magneten 8.1 mit Aussparungen 14 für die Elektroden 10, 11. Durch die unterschiedliche Querschnittsform des Magneten 8.1 und des Widerstandskörpers 5.1 ergibt-sich eine Aussparung 24 für die dritte Elektrode 12.

Bei einer anderen' Ausfuhrungsform ist der Querschnitt des Magneten 8.2 kreisförmig, derjenige des Widerstandskörpers 5.2 etwa von der Form einer halben Ellipse. Dadurch ergibt sich für die erste und die zweite Elektrode 10, 11 eine Aussparung 25 und für die dritte Elektrode eine Aussparung 26. Es ist auch möglich, den Widerstandskörper 5.3 im Bereich der Elektroden 10, 11, 12 ausgehend von einen Kreisquerschnitt mit in dessen Achsrichtung verlaufenden Aufwölbungen 26 auszubilden und einen Magneten mit Kreisquerschnitt zu verwenden.

Die mit den Elektroden 10, 11, 12 gemessene Induktionsspannung setzt sich zusammen aus einem Mittelwert, der von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist, und einem dem Mittelwert überlagerten Spannungswert, der von der Wirbelfrequenz und damit ebenfalls von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist.

Mit einer Meßeinrichtung, wie in Figur 1 dargestellt, mit einem Widerstandskörper 5 von 12 mm Durchmesser, einem AlNiCo 450 Magneten 8 von 10 mm Durchmesser und 7 mm axialer Länge wurden in einer Rohrleitung 4 von 36 mm Innendurchmesser bei einem Natriumstrom 3 einer Temperatur von 300 C Messungen durchgeführt.

Figur 8 zeigt den mit den Elektroden 10, 11 (Figur 2) abgegriffenen Gleichspannungsmittelwert 27 als Funktion der Geschwindigkeit ν des Flüssigmetallstromes 3, Fig. 9 die Wirbelfrequenz 28, 29 als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Es besteht in jedem Fall ein linearer Zusammenhang zwischen der Meßgröße und der Strömungsgeschwindigkeit v. Die Gerade 28 ist die gemessene, die Gerade 29 die errechnete Wirbelfrequenz.

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Die vorgeschlagene Meßeirrichturg ke,nn Eelbctverständlich auch so ausgebildet werden, daß bei großen Nennwerten in dem Widerstandskörper 5 eine Vielzahl von Magneten 8 mit einer entsprechenden Zahl von Elektroden 10, 11, 12 angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten in einem Querschnitt mit einer geeigneten Meßwertverarbeitung
einen Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.

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Claims

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KERNFORSCHÜNGSZENTRUM Karlsrune,„den 7.2.1979

KARLS RÜHE GMBH PLA 7902 Hä/MS

Patentansprüche

f 1.jEinrichtung zum Messen des Durchflusses eines Flüssigmetall- --< stromes bei Temperaturen bis etwa 600 C in einer Rohrleitung mit einer Nennweite bis etwa NW 1 000, mit einem Magneten zum Induzieren einer elektrischen Spannung in dem' durch das Feld des Magneten strömenden Flüssigmetall und mit Elektroden zum Messen der im Flüssigmetall induzierten Spannung,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Widerstandskörper (5) zum Erzeugen von Wirbeln im
Flüssigmetallstrom (3) durchdringt einseitig die Wand der Rohrleitung (4) ,

b) der Widerstandskörper (5) ist diametral zum Querschnitt der den Flüssigmetallstrom (3} führenden Rohrleitung (4) angeordnet,

c) der Widerstandskörper (5) ist als rohrförmiger Hohlkörper ausgebildet und an dem in dem Flüssigmetallstrom (3) liegenden Ende verschlossen,

d) der Magnet (8) zum Erzeugen des Induktionsfeldes ist in
dem Widerstandskörper (5) angeordnet,

e) Elektroden (10, 11, 12) ragen durch je eine Bohrung (13)

in der Wand des Widerstandskörpers (5) in den Flüssigmetallstrom (3) ,

f) Elektrode (10, 11, 12) und Widerstandskörper (5) sind gasdicht miteinander verschweißt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Widerstandskörper (5) angeordnete Magnet (8) scheibenförmig ausgebildet und axial magnetisiert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (8) in dem Widerstandskörper (5) durch ein Distanzstück (9) aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff in einer vorbestimmten Lage gehalten ist.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere scheibenförmige Magnete (8) in dem Widerstandskörper (5) angeordnet sind und durch mehrere Distanzstücke (9) in einer vorbestimmten Lage gehalten werden.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Magnetisierung axial aufeinanderfolgender Magnete (8) einander entgegengesetzt ist.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (5) vorzugsweise einen kreisförmigen oder einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist, und daß die scheibenförmigen Magnete (8) einen der Querschnittsform des Widerstandskörpers (5) angepaßten Querschnitt aufweisen und den jeweiligen Querschnitt des Widerstandskörpers (5) bis auf einen kleinen Luftspalt vollständig ausfüllen.
7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Widerstandskörpers (5) in der Mittelebene des Magneten (8) für jede Elektrode (10, 11, 12) eine Bohrung (13) aufweist, daß die Elektrode (10, 11, 12) in der Bohrung (13) gasdicht mit dem Widerstandskörper (Ξ) verschweißt ist, und daß der Magnet (8) im Bereich der Elektrode (10, 11, 12) eine Aussparung (14) aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei einander gegenüberliegenden Punkten des Widerstandskörpers (5) je eine erste bzw. eine zweite Elektrode (10, 11) angeschweißt ist, und daß die Elektroden (10, 11) in einer zur Rohrachse (7) parallelen Ebene liegen und die Verbindungslinie der Elektroden (10, 11) senkrecht zur Rohrachse (7) angeordnet ist.
9. Einstellung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zu der ersten und der zweiten Elektrode (10, 11) eine dritte Elektrode (12) an der stromabwärts liegenden

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Seite des Widerstandskörpers (5) angeordnet ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mittelebene (21) jedes von mehreren scheibenförmigen Magneten (8), Elektroden (10, 11, 12) angeordnet sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 11, 12) bei Magneten (8) miteinander entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung in dem Bereich größter magnetischer Feldstärke zwischen den Magneten (8) angeordnet sind.
12. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (5) mindestens im Bereich jeder Elektrode (10, 11, 12) eine in Achsrichtung verlaufende Aufwölbung (26) zum Aufnehmen der Elektrode (10, 11, 12) und zum Verstärken der Wirbelbildung aufweist.
13. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Widerstandskörpers (5) eine oder mehrere Formkappen (22) zum Verstärken der Wirbelbildung angebracht sind.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (5) und die Elektroden (10, 11, 12) aus dem gleichen nichtferromagnetischen Werkstoff, geringer elektrischer Leitfähigkeit, z.B. W.N. 49 48, bestehen.

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