METHOD AND DEVICE FOR THE DETERMINATION OF BUBBLES IN A FLUID

Abstract: 1. A method for the acoustic detection of bubbles which move in a fluid, wherein a sound-conducting objet is used which is arranged in the fluid and which is coupled to a sound receiver (4), and wherein the signals of the sound receiver are processed in an analysing electronics unit (9), characterized by the following features : a) the sound-conducting object is arranged in the fluid as an obstacle (2) in the region of the paths of possibly present bubbles, b) by means of the impact of each individual bubble a characteristic sound pulse, which respectively produces an electric signal in the sound receiver (4), is respectively produced at the obstacle (2), c) the signals of the sound receiver (4) are analysed and/or counted by an analysing electronics unit (9) in accordance with frequency spectrum and/or amplitude.

Description: Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Blasen in einer Flüssigkeit Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von sich in einer Flüssigkeit bewegenden Blasen, insbesondere bei heissen und undurchsichtigen Flüssigkeiten. Bei Volumenstrommessungen und in der Reaktortechnik ist es von besonderer Bedeutung, in einer Flüssigkeit mitgeführte Blasen festzustellen und gegebenenfalls auch ihre Anzahl und Grösse zu bestimmen. Zu diesem Zweck sind mehrere Methoden bekannt, beispielsweise Messung der Kompressibilität mit Hilfe von Ultraschall. Nachteile der bisher bekannten Verfahren sind einerseits ein verhältnismässig grosser Aufwand und andererseits die mangelnde Unterscheidungsmöglichkeit zwischen vielen kleinen und wenigen grossen Blasen. rufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein einfaches Verfahren zum Nachweis von Blasen, insbesondere auch in flüssigem Natrium binder Kernenergieanlage, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass Blasen in einer strömenden Flüssigkeit mitgenommen werden, bzw. sich in einer ruhenden Flüssigkeit nach oben bewegen. Zur Lösung der Aufgabe wird daher ein Verfahren gemäss dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Dazu wird in der Blasenbahn ein Hindernis aus schalleitendem material angebracht gegen welches die Blasen stossen können. Durch den Stoss einer Blase, genauer wohl dt'rch den Stoss der am Ende einer Blase folgenden Flüssigkeitswand, wird an dem Hindernis ein Schall impuls erzeugt, welcher auf einen Schallaufnehmer übertragen wird. Dieser Impuls betrifft nicht das Hindernis als Ganzes, sondern breitet sich als Schallwelle entlang der Hindernisstruktur aus-und erreicht so den Schallaufnehmer. Die Eigenfrequenz des Hindernisses spielt dafür keine Rolle. Im Schallaufnehmer wird das akustische Schallsignal in ein elektrisches umgewandelt und von einer Auswerteelektronik verarbeitet. Es hat sich gezeigt, dass die durch Blasen erzeugten Schallwellen in ein bestimmtes Frequenzgebiet fallen, wobei die Anzahl der Schall ereignisse der Anzahl der Blasen proportional ist, während das Frequenzspektrum und/oder die Impulsformen und/oder Impulsamplituden etwas über die Grösse der Blasen aussagen können. Daher umfasst die Auswerteelektronik ein Freouenzfilter, welches nur den interessierenden Frequenzbereich durchlässt, sowie Mittel zur Auswertung der Impulsformen oder Impulsamplituden.und des Frequenzspektrums. Besonder bietet sich ein Vielkanalanalysator und/oder in Digitaloszilloskop zur genauen Untersuchung an. Diese im Anspruch 2 vorgeschlagenen Massnahmen bewirken, dass Blasengeräusche von anderen über die Struktur bertragenen Geräuschen und den.üblichen Strömungsgeräuschen eines flüssigen-Mediums unterschieden werden können. Im Anspruch 3 wird vorgeschlagen, die erzeugten Signale, welche, wegen ihrer hohen Frequenz. für das menschliche Ohr normalerweise nicht hörbar sind, durch Modulation in einen Bereich bis 10.000 Hertz zu bringen und akustisch wahrnehmbar zu machen. Im Anspruch 4 wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen mit welcher sich auf einfache Weise ein Blasennachweis verwirklichen lässt. Dazu ist in der Blasenbahn ein Hindernis aus schallleitendem Material vorhhnd2n, welches akustisch mit einem Schallaufnehmer gekoppelt ist, Der Schallaufnehmer ist mit einer Auswerteelektronik verbunden. In den Ansprüchen 5, 6 und 7 werden besondere Ausführungsformen des Hindernisses beschrieben, wobei verschiedene Gesichtspunkte zu berücksichtigen sind." Zunächst einmal muss das Hindernis so gestaltet sein, dass wenigstens ein erheblicher Anteil aller mitgeführten Blasen auch tatsächlich auf das Hindernis trifft. Ansonsten ist die Nachweiswahrscheinlichkeit und -genauigkeit zu gering. Weiterhin mud das Material des Hindernisses gegenüber der Flüssigkeit beständig sein und sollte auch bei höheren Temperaturen seine elastischen und schalleitenden Eigenschaften nicht stark ändern. Andererseits soll die Strömung nicht unnötig behindert werden, weshalb die Fläche des Hindernisses nur einen kleinen Bruchteil der Querschnittfläche der Rohrleitung einnehmen sollte. Günstige Ausführungsformen, die diese Bedingungen erfüllen, sind meanderförmige oder gitterförmige Hindernisse, welche ungefähr in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung der Blasen angeordnet sind. Für kleine bis mittlere Rohrleitungsdurchmesser erscheint es vernünftig gemäss dem Anspruch 8, den Schallaufnehmer ausserhalb der Rohrleitung anzubringen und durch ein Koppel stück, welcHes durch eine Dichtung nach aussen führt, mit dem Hindernis akustisch zu verbinden. Dadurch wird der Schallaufnehmer auswechselbar und ist nicht so hohen Belastungen durch Temperatur und Korrosion ausgesetzt. Durch unterschiedlich lange Wege auf dem Hindernis je nach Auftreffpunkt einer Blase wird zwar die Amplitude der ent stehenden Impulse etwas geschwächt, jedoch bleibt dieser Effekt bei nicht zu grossem Durchmesser der Rohrleitungen und guter Konstruktion des Hindernisses unbeachtlich. In Rohren mit besonders grossem Querschnitt sollte der Schall aufnehmer aber im Inneren, sinnvollerweise im Zentrum des Hindernisses angebracht werden, wodurch übergrosse Lauf wege vermieden werden. Der Nachteil dabei ist natürlich, dass der Schallaufnehmer nicht mehr zugänglich ist und sehr widerstandsfähig sein muss. Im Anspruch 9 wird die Auswerteelektronik genauer spezifiziert. Sie muss mindestens aus einem Verstärker, einem Frequenzfilter, einem Auswerte- und Änzeigegerät bestehen. Auswerte- und Anzeigegerät können beispielsweise aus einem Vielkanalanalysator bestehen, welcher die registrierten Signale nach Amplitudenhöhe, Impulsform oder Frequenz diskriminiert und anzeigt. In den Ansprüchen 10 und 11 werden weitere besondere Eigenschaften des Hindernisses beschrieben, welche insbesondere bei der Anwendung in einer Kernenergieanlage von Bedeutung sind. kus Gründen der Stabilität und Betriebssicherheit sollte die Eigenfrequenz des Hindernisses im Niederfrequenzbereich liegen, so dass Resonanzen mit akustischen Ereignissen in der Flüssigkeit nicht auftreten. Fernerhin sollte das Hindernis so gestaltet sein, dass der Schall nicht auf zwei gleichwertigen Wegen zum Aufnehmer gelangen kann, damit Interferenzeni vermieden werden. Dies kann insbesondere bei der Verwendung von dünnen Drähten als Hindernis von Bedeutung sein. Im Anspruch 11 wird vorgeschlagen, das Hindernis an mehreren Stellen mit der Rohrleitung zu verbinden, bei spielsweise durch Anschweissen. Für flüssiges Natrium bietet sich dabei als Werkstoff austenitischer Stahl an. Ein an mehreren Stellen befestigtes Hindernis kann nicht leicht durch Material schäden abbrechen und von der Strömung mitgerissen werden. Dies ist insbesondere für den Langzeiteinsatz in den Kühlmittelleitungen eines Reaktors von grosser Bedeutung. Für solche Fälle bietet sich ein aus dünnen austenitischen Blechen gefertigtes Gitter an, wie es in der Zeichnungsbeschreibung näher -erläutert wird. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und zwar zeigen Fig. 1 den schematischen Aufbau der gesamten Messapara tur, Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Ausführungsbeispiele für die Gestaltung des im Blasenweg angebrachten Hinder nisses und Fig. 5 eine pérspektivische Darstellung des Messgerätes, wenn als Hindernis ein Rost aus dünnen Blechen verwendet wird. In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Behälter oder eine Rohrleitung 1 gezeigt, in welcher sich Blasen in einer Flüssigkeit bewegen. In der Blasenbahn ist ein Hindernis 2 angebracht, gegen welches die Blasen - oder wenigstens ein Teil von ihnen - stossen können. Dabei werden in dem Hindernis Schallwellen, meist Körperschallwellen ,erzeugt, welche über ein Koppelstück 3 an einen Schallaufnehmer 4 weitergeleitet werden. Der Schallaufnehmer 4 wandelt die akustischen in elektrische Signale um und bt sie weiter an eine Auswerteelektronik 9. Die Auswerteelektronik besteht aus einem Verstärker 10, einem nachfolgenden Freqqenzfilter 11, welches nur einen gewünschten Frequenzbereich durchlässt, einem Analysator 12, welcher den durchgelassenen Frequenzbereich genauer analysiert, und einem optischen oder akustischen Anzeigegerät 13. Da das Gerät insbesondere für undurchsichtige und heisse Medien gedacht ist, bestehen Rohr 1 und Hindernis 2 im Normalfall aus Metall, insbesondere austenitischem Stahl. Die Durchführung des Koppelstückes 3 durch das Rohr wird mit einer Dichtung 5 abgedichtet. Je nach den Randbedingungen, wie z.B. Rohrdurchmesser, Strömungsgeschwindiqkeit, Medi um, Empfindlichkeit etc. muss das Hindernis 2 unterschiedlich; gestaltet werden. Einige Möglichkeiten sind in den folgenden Figuren dargestellt.. In Fig. 2 besteht das Hindernis aus einem mäanderförmig gebogenen Draht oder Blechstreifen 6, welcher ungefähr in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Fig. 3 zeigt ein Beispiel, welches insbesondere für sehr grosse Rohrdurchmesser geeignet ist. Um auch bei grossen Rohrdurchmessern noch einen genügend grossen Anteil des Querschnittes'der Rohrleitung auf Blasen überwachen zu können, kann es notwendig werden, den Schallaufnahmer innerhalb der Rohrleitung anzuordnen. Dadurch werden die Wege, die der von Blasen erzeugte Schallwellen im Hindernis zurücklegen muss, nicht zu lang und die Dämpfung nicht zu gross. Der Nachteil dieses Ausführungsbeispieles ist, dass der Schallaufnehmer gegen das umgebende Medium und dessen Temperatur resistent sein muss. In der Fig. 3 ist der Schallaufnehmer 4 in der Mitte der Rohrleitung angeordnet und es gehen von ihm sternförmig Drähte oder dünne Bleche nach allen Seiten auseinander, wiederum ungefähr in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung. Die elektrischen Signale des Schallaufnehmers werden durch eine Dichtung 5 nach aussen an die Auwerteelektronik 9 weitergeleitet. Die Form der vom Schallaufnehmer ausgehenden Drähte oder¸.Bleche 8 kann je nach den Anforderungen variiert werden. So bieten sich gegebenenfalls auch mäanderförmige oder untereinander verbundene Drähte an. In Fig. 4 ist eine weitere mögliche Form des Hindernisses 2 gezeigt, wobei hier die zusätzliche Möglichkeit veranschaulicht wird, das Hindernis an weiteren Befestigungspunkten 14 mit der Rohrleitung zu verbinden, um eine grössere Stabilität und Sicherheit gegen Abreissen zu erreichen. Diese Ausführungsform bietet sich bei grösseren Durchmessern und erhöhten Stabilitätsanforderungen an. In Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung der Mess anordnung gezeichnet, für den Fall, dass das Hindernis 2 die Form eines Gitters 7 aus dünnen Blechstreifen hat. Ein solches Gitter könnte wiederum an mehreren Punkten der Rohrleitung befestigt werden. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, weist diese Ausführungsform eine erhebliche Stabilität auf, ohne die Strömung wesentlich zu behindern. Dennoch besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit dafür, dass mi der Strömung geführte Blasen gegen das Gitter stossen und so nachgewiesen werden können. Der Messaufnehmer sollte nach Möglichkeit an einem geraden Stück Rohrleitung angebracht werden, da in Rohrkrümmungen, Ventilen und ähnlichen Bauteilen erhebliche Störgeräusche entstehen, welche die Nachweisempfindlich;:eit beeinflussen würden. Eine geeignete Ausführung der Dichtung 5 kann aber dazu beitragen, dass Störgeräusche von weiter entfernten Rohrkrümmungen nicht über die Struktur auf den Schallaufnehmer übertragen werden. Zur Erhöhung der Nach- weisempfindlichkeit können mehrere Gitter, möglicherweise um bestimmte Winkel gegeneinander versetzt, hintereinander 'in der Rohrleitung angeordnet werden. Folgende Daten harzen sich für die Ausführung der Erfindung als günstig erwiesen: Bei Drahthindernissen: Durchmesser der Drähte 0,3 - 2 mm Material: Ferritischer Stahl, Austenit oder Inconell FM 82 Uberwachter Frequenzbereich: O - 100 KHz Die Blasen erzeugen ein signifikantes Spektrum in diesem Frequenzbereich. Bei der Auswertung von Einzelereignissen lässt sich aus Frequenz und Form der Einhüllenden des Signals ein Rückschluss auf die Grösse der Blasen ziehen. Be sonders die lange Anstiegsflanke der Einhüllenden ist etwa proportional der Blasengrösse. Eine Erkennung von selten auftretenden einzelnen "Riesenblasen" ist ebenfalls mög lich, wobei die genauen Merkmale durch Vorversuche und Referenzmessungen ermittelt werden müssen, da Medium, Rohrleitungsdurchmesser, Strömungsgeschwindiqkeit etc. eingehen, Bei sehr hohen Temperaturen lässt sich eine dichte Durchführung des Koppelstückes oft nicht mehr mit Hilfe einer Dichtung erreichen. In diesem Fall kann die Dichtung auch weggelassen werden, wobei dann eine akustische Verbindung durch Anschweissen von Hindernis bzw. Koppelstück an die Strukturwand erzielt werden kann.

Claims: Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Blasen in einer Flüssigkeit Ansprüche 1. Verfahren zum Nachweis von sich in einer Flüssigkeit bewegenden Blasen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) In der Blasenbahn wird ein Hindernis (2) aus schall leitendem Material angebracht, gegen welches die Blasen stossen können. b) Durch den Stoss einer Blase wird an dem Hindernis ein Schallimpuls erzeugt, welcher auf einen Schallauf nehmer (4) übertragen wird. c) Das Signal des Schallaufnehmers wird von einer Auswerte elektronik (9) nach Frequenzspektrum und/oder Impuls amplitude und/oder Häufigkeit analysiert. 2. Verfahren nach Anspruch 1, g e.k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende; Merkmale: a) Die von Blasen erzeugten Signale des Schallaufnehmers (4) werden durch ein frequenzselektives Filter (11) von den durch andere Geräusche erzeugten Signalen getrennt. b) Die Signale der blasenspezifischen Frequenzen werden weiter ausgewertet nach Impulsform, Impulshöhe und Häufigkeit. 3. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die erzeugten Signale werden moduliert und für das menschliche Ohr hörbar gemacht. 4. Vorrichtung zum Nachweis von sich in einer Flüssigkeit bewegenden Blasen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) In der Blasenbahn ist ein Hindernis (2) vorhanden. b) Das Hindernis (2) ist akustisch mit einem Schallauf nehmer (4) gekoppelt. c) Der Schallaufnehmer ist mit einer Auswerteelektronik (9) verbunden. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Das Hindernis besteht aus einem oder mehreren Drähten (6). 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c b folgende Merkmale: a) Der bzw. die Drähte sind mäanderförmig gebogen. b) Die gebogenen Drähte liegen ungefähr-in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung der Blasen. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale: 2) Das Hindernis besteht aus einem Gitter (7). b) Das Gitter ist. in einer Ebene ungefähr senkrecht zur Strömungsrichtutg angeordnet. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere für sich in Rohrleitungen und Behältern bewegenden Blasen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Der Schallaufnehmer ist ausserhalb der Rohrleitung (1) bzw. des Behälters angebracht. b) Ein Koppelstück (3) aus schalleitendem Material verbindet den Schallaufnehmer mit dem Hindernis (2). c) Das Xoppelstück (3) führt durch eine Dichtung (5) In der Behälter- bzw. Rohrwand (1). 9. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Auswerteelektronik (9) besteht aus hintereinander geschaltetem Verstärker (10), Frequenzfilter (11), Aus werte- (12) und Anzeigegerät (13). 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n d e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Die Eigenfrequenz des Hindernisses liegt im Nieder frequenzbereich. b) Das Hindernis (2) ist so gestaltet, dass der Schall einer Blase nur auf einem Weg zum Schallaufnehmer (4) gelangen kann. 11.Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Das Hindernis ist an mehreren Stellen (14) mit der Rohrleitung verbunden Das Hindernis besteht aus austenitischem Stahl.

Inventors: ARNAOUTIS, NICOLAS, DIPL.-PHYS.
Applicants: INTERATOM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1982
Main classification: G01M3
IPC codes: G01F1, G01M3