INDUCTIVE PROBE FLOW MEASURING SYSTEM

Abstract: 1. Inductive flow measuring system with at least three cylindrical induction coils (5, 6,7) disposed in an area (23) through which an electrically conductive liquid is flowing, the mutual transformer coupling of wich may be influenced by the rate of flow of the liquid and which are disposed adjacent to one another in a plane lying in the direction of flow, characterized in that the cylindrical induction coils (5, 6, 7) are disposed adjacently approximately parallel to one another with respect to their longitudinal axes, the longitudinal axes of the individual coils (5, 6, 7) lying at right angles to the direction of flow and the individual coils being disposed in a cross-sectional plane of a probe tube (1).

Description: Induktives Sonden-Durchf lussmesssystem Dle vorliegende Erfindun-betrifft ein induktives Durch flussmesssystem nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Ein solches DurchSlussmesssystem ist beispielsweise aus der DE-OS 21 20 523 bekannt. Bei solchen induktiven Durchflussmesssystemen nach dem Stand der Technik ist es üblich, drei oder mehr Induktionsspulen in Strömungsrichtung hintereinander auf einem gemeinsamen Kern anzuordnen. Die beiden äusseren Spulen oder die innere Spule werden dabei mit einem Wechselstrom angesteuert und die in den anderen Spulen induzierte Spannung gemessen. Eine an dem Spulensystem vorbeiströnende elektrisch leitfähige Flüssigkeit beeinflusst die transformatorische Kopplung der Spulen untereinander durch in der Flüssigkeit gebildete Wirbelströme und deren magnetische Auswirkungen. Durch Wahl verschiedener Betriebsfrequenzen können ausserdem neben dem Durchfluss auch andere Parameter wie Temperatur oder Blasengehalt bestimmt werden. Alle nach dem Stand der Technik bekannten induktiven Durchflussmesssysteme mit drei oder mehr Spulen weisen den Nachteil auf, dass sie in Strömungsrichtung verhält rismässig ausgedehnt sind, so dass die Verwendung als kleine Sonden, die beispielsweise durch die Wandung einer Rohrleitung nach innen geführt werden und auswechselbar sein sollen, an geraden Rohrleitungsstücken nicht gut möglich ist. Das Anbringen von solchen Sonden an Rohrleitungskrümmern ist aus sicherheitstechnischen Überlegungen unerw;Racht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Sonden-Durch flussmesssystem, welches in Strömungsrichtung nur eine ganz geringe Ausdehnung hat und daher als Sonde von der Seite, beispielsweise in eine Rohrleitung, senkrecht zur Strömungsrichtung eingefahren werden kann. Dabei soll das Messsystem so ausgelegt sein, dass eine Durchflussmessung auch noch durch relativ dicke Wände eines Schutzrohres möglich ist. Gegebenenfalls soll das Durchflussmesssystem auch die übrigen mit solchen Systemen durchführbaren Messungen von anderen-Parametern ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein induktives Durchflussmesssystem nach dem -ersten Anspruch vorgeschlagen. Danach werden drei zylindrische Induktionsspulen in Bezug auf ihre Achsen ungefähr parallel nebeneinander angeordnet, und zwar in einer in Strömungsrichtung liegenden Ebene, wobei die einzelnen Spulen senkrecht zur Strömungsrichtung liegen. Die Spulen liegen dementsprechend wie beim Stand der Technik in Strömungsrichtung hintereinander, sind jedoch nicht mehr auf einen gemeinsamen Kern gewikkelt, sondern haben drei verschiedene Achsen. Der Betrieb eines solchen Spulensystems kann aber ganz analog zum Stand der Technik erfolgen. Es kann beispielsweise die mittlere Spule mit einem Wechselstrom als Sendespule betrieben werden, während die in den beiden benachbarten Spulen induzierten Spannungen miteinander verglichen werden, wobei die Spannungsdifferenz ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist. Andere Parameter können gegebenenfalls ganz entsprechend dem in der DE-OS 21 20 523 beschriebenen System gemessen werden. Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung der Spulen ist, dass die so aufgebaute Messstelle eine viel ge ringere Ausdehnung---in Stromungsrichtmng hat als dies ver- her der Fall war. Ein solches Spulensystem lässt sich in einem Hüllrohr von nur etwa 3 - 4 cm Durchmesser unterbringen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen, dass die Spulen in einer Querschnittsebene eines Sondenrohres angeordnet sind. In dieser Möglichkeit liegt der wesentliche Anwendungsbereich der Erfindung, obwohl das Spulensystem in der erfindungsgemässen Anordnung sich auch ortsfest ohne Verwendung einer Sonde anwenden lässt. Die Unterbringung in einem Sondenrohr ermöglicht die Konstruktion eines auswechselbaren Durch flussmessers, wobei zusätzlich die Möglichkeit zur Ausmes sung eines Strömungsprofils durch.Verschieben einer sol chen Sonde gegeben wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in Anspruch 3 vorgeschlagen, dass die Spulen jeweils auf einen ferromagnetischen Kern gewickelt sind. Diese Massnahme erhöht die transformatorische Kopplung der Spulen und verbessert gleichzeitig die Richtwirkung der transformatorischen Kopplung. Im vorliegenden Falle bedeutet dies, dass die Magnetfeldlinien, welche die transformatorische Kopplung der Spulen bewirken, weit in den Raum ausserhalb des Son denrohres gelenkt werden, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, auch durch dickere Schutzwände, welche aus Sicher heitsgründen das eigentliche Sondenrohr oft umgeben müs sen, präzise Messungen auszuführen. In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 4 hierzu vorgeschlagen, dass die Spulenkerne in die Wand des Sondenrohres eingelassen und vorzugsweise mit dieser laserverschweisst sind. Diese massnahme führt zu einer kom --pakten Baueinheit Won Sondenrohr- undMagnetkernen und be-. deutet eine günstige Ausnutzung der gegebenen Platzverhält nisse. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 5 vorgeschlagen, dass in einem Sondenrohr in mehreren Querschnittsebenen je eine aus drei Spulen bestehende Messstelle angebracht ist. Somit weist eine Sonde mehrere Messstellen auf, was bei ungleichmässigen Strömungsprofilen eine erhebliche Steigerung der Messgenauigkeit zur Folge hat, wobei ausserdem eine Redundanz der Messungen erreicht wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 6 vorgeschlagen, dass das Sondenrohr mit den Messstellen nicht direkt in die elektrisch leitende Flüssigkeit eingetaucht wird, sondern in ein Sackrohr einsetzbar ist, wobei das Sackrohr in den auszumessenden, von der elektrisch leitenden Flüssigkeit durchströmbaren Bereich hineinragt und mit der Behälter- bzw. Rohrwand, in deren Inneren sich die elektrisch leitende Flüssigkeit befindet, dichtend verbunden ist. Erst diese Ausführungsform ermöglicht ein problemloses Auswechseln und Warten der Sonde und eine Verschiebung zur Ausmessung des Strömungsprofils. Bei dieser Ausführung der Erfindung besteht das Sackrohr aus einem gegen die betreffende Flüssigkeit resistenten Material und weist eine Wandstärke auf, welche den Druckverhältnissen und den jeweils verlangten Anforderungen entspricht. Ein solches Sackrohr kann mit dem Behälter bzw. der Rohrleitung verschweisst oder-an dieser mit einem geeigneten Flansch befestigt sein. In zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 7 vorgeschlagen, dass zu einem Durchflussmesssystem nicht nur ein Sondenrohr, sondern mehrere ungefähr in einer Querschnittsebene einer Rohrleitung anbringbare Sondenrohre gehören. In diesen Sondenrohren können jeweils wiedèr eine¯òder mehrere Messstellen vorhanden sein, wobei die Sondenrohre vorzugsweise, wie oben erwähnt, in Sackrohre einsetzbar sind und die Messstellen möglichst gleichmässig auf die Querschnittsfläche verteilt sein sollten. Diese Anordnung eignet sich besonders für Messungen an Stellen, wo das Strömungsprofil nicht genau bekannt oder je nach Strömungsverhältnissen veränderlich ist. Die Sackrohre können dabei auch leicht in Strömungsrichtung gegeneinander Versetzt und etwas länger als der Radius der Rohrleitung sein, damit ein Ausmessen des Strömungsprofits von jeder Seite bis zur Mitte möglich ist. Eine solche-Anordnung mit mehreren von verschiedenen Seiten in die Strömung ragenden Sondenrohren eignet sich für besonders schwierige und genaue Messungen, bei denen zusätzlich eine grössere Redundanz gefordert wird. Besondere Anwendungsfälle können beispielsweise die Hauptkühlmittelleitungen eines Flüssig metallgekühlten Kernreaktors sein. Im Anspruch 8 wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Spulen und Spulenkörper in ihren Abmessungen den Raum im Inneren des Sondenrohres möglichst gut ausnutzen. Um kleine Abmessungen des ganzen Messsystems zu erreichen, ist eine Gestaltung der Spulen entsprechend den Platzverhältnissen im Inneren des Sondenrohres dringend notwendig. Dabei ist zu bedenken, dass bei hohen Temperaturen nur mineralisolierte Leiter verwendet werden können, welche relativ grosse Durchmesser haben und sehr biegeempfindlich sind. Im Anspruch 9 wird eine Möglichkeit zur günstigen Ausnutzung des vorhandenen Raumes angegeben. Danach ist die mittlere Spule jeder Messstelle etwas länger als die äusseren Spulen, wobei die mittlere Spule als Sendespule dient und aus einem isolierten Leiter mit grösserem lei tenden Querschnitt gewickelt ist als dem der Leiter der als Empfangsspulen dienenden äusseren Spulen. Da mit der Sendespule eine möglichst grosse Leistung eingestrahlt werden soll, um ein grosses Messsignal zu ermöglichen, ist gerade diese Anordnung besonders sinnvoll. Die genau auf einem Durchmesser des Sondenrohres liegende Sende spule kann dadurch die grösste Ausdehnung haben, während die weiter aussen liegenden Empfangsspulen mit ihren dünneren Leitern auch weniger Platz benötigen. Im Anspruch 10 wird schliesslich vorgeschlagen, dass die Spulenwicklungen aus mineral isolierten hochtemperaturfesten Leitern bestehen, deren Zuleitungen im Inneren des Sondenrohres verlegt sind Diese Ausgestaltung er möglicht eine einfache Handhabung der Sonde und macht sie geeignet bis zu Temperaturen von mehreren 1000 C. Im Anspruch 11 wird weiterhin eine Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, welche für ein einwandfreies Funktionieren von besonderer Bedeutung ist. Da sich mehrere nahe beieinanderliegende Messstellen bei Verwendung der gleichen Frequenz fUr alle Sendespulen gegenseitig beeinflussen würden, wird vorgeschlagen, die Sendespulen jeder Messstelle mit leicht unterschiedlichen Frequenzen anzuregen, wobei die Empfangsspulen mit Bandpassfiltern verbunden sind, die jeweils nur die Frequenz der zugehörigen Sendespule durchlassen. Dabei sollen die Frequenzen nach Möglichke t nur gerade so unterschiedlich sein, wie dies die Güte der verwendeten Bandpassfilter zulässt. Auf diese Weise werden die von der Frequenz abhängigen sonstigen Eigenschaften jeder Messstelle, z. B. die Eindringt'efe in das Medium, nur vernachlässigbar geändert, gegenseitige Störungen der Spulen jedoch ausgeschlossen. In zusätzlicher Ausgestaltung wird ausserdem im Anspruch 12 vorgeschlagen, dass die zu jeder Messstelle gehörende Elektronik mit steuerbaren Bandfiltern ausgestattet sein soll. Steuerbare Bandfilter lassen sich nachträglich auf die gewünschte Frequenz und Bandbreite einstellen, wodurch die genaue Wahl der Frequenzen und Bandbreiten erst nach der Installation einer solchen Anlage und nach entsprechenden experimentellen Untersuchungen erfolgen kann. Die erfindungsgemässen Einzelheiten von Ausführungsbeispielen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch ein Sondenrohr an einer erfindungsgemässen Messstelle, Figur 2 einen Querschnitt durch eine mit dem erfin dungsgemässen Messsystem ausgestattete Rohr leitung und Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch eine mit drei Sonden ausgestattete Rohrleitung. Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine er±gndungsv gemässe Messstelle entsprechend der Schnittlinie 1-1 in Figur 2. In einem Sondenrohr 1 sind nebeneinander, in einer Querschnittsebene liegend drei Spulenkerne 2, 3,4 angeordnet, auf welche drei Spulen'S, 6, 7 mit Hilfe von entsprechenden Spulenkörpern 8, 9, 10 gewickelt sind. Die Spulenkerne 2, 3, 4 sind in die Wand des Sondenrohres 1 eingelassen und mit dieser fest verbunden, vorzugsweise laserverschwei3t. Die Spulenwicklungen bestehen aus mineralisolierten Leitern 11, 12, 13, wobei die mittlere Spule als Sendespule dient und aus einem Leiter 11 mit grö3erem Querschnitt gewikkelt ist als dem Querschnitt der Leiter 12, 13 der beiden benachbarten Empfangsspulen 6, 7. Die Spulen müssen bei der Messung senkrecht zur Strömungsrich- tung liegen, welche in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Rohrleitung und ein erfindungsgemässes Messsystem. In eine Rohrleitung 20 ragt ein mit Hilfe eines Flansches 21 befestigtes Sackrohr 22 hinein, im Inneren 23 des Rohres fliesst eine elektrisch leitfähige *Flüssigkeit. Das Sackrohr 22 ist auf eine in der Zeichn--g nicht dargestellte Weise dichtend mit dem ohrleitunasfIansch 21 verbunden, vorzugsweise mit diesem versc;eisst. Es ragt etwas über die Mitte der Rohrleitung hinaus, damit Messungen bis zur Mitte des Strömungspro ils möglich sind. In das Innere des Sackrohres ist ein Sondenrohr 1 mit erfindungsgemässen Messsystemen einsetzbar. Dabei kann ein Sondenrohr in seinem Inneren mehrere Messstellen 5a, Sb, 5c aufweisen, welche jeweils aus 3 Spulen bestehen und wie in Figur 1 beschrieben aufgebaut sind. Die Zuleitungen 24 zu den Messstellen werden in dem Inneren des Sondenrohres 1 nach au3en geführt. Das Sondenrohr kann leicht aus dem Sackröhr herausgezogen werden, so dass ein Auswechseln des esystems möglich ist, oder auch ein Ausmessen des Strön.ungsprofils durch Bewegen der Sonde. In Figur 3 ist schliesslich schematisch die Möglichkeit dargestellt, eine besonders genaue Durchflussmessung mit Hilfe von mehreren in Sackrohre eingesetzte Sonden durchzuführen. Dazu wird eine Rohrleitung 20 ungefähr in einer Querschnittsebene mit 3 gleichmässig über den Umfang verteilten und radial ausgerichteten Sackrohren 22a, 22b, 22c versehen. In jedes dieser Sackrohre kann ein erfindungsgemässes Messsystem in Sondenrohren ia, 1b, ic eingesetzt werden. Eine genaue Ausmessung der Strömungsprofile ist somit möglich. Das erfindungsgemässe induktive Sonden- Durchflussmesssystem eignet sich insbesondere für Rohrleitungen mit grossem Durchmesser für elektrisch leitende Flüssigkeiten, insbesondere für Hauptkühlmittelleitungen eines natriumgekühlten Kernreaktors. Die im Inneren von Sondenrohren angeordneten esrsteme lassen sic.- leicht, gegebenenfalls mit Hilfe eines Manipulators auswechseln, ohne dass die Dichtigkeit des Kreislaufs beeinflusst wird.

Claims: Induktives Sonden- Durchflussmess system Patentansprüche 1. Induktives Durchflussmesssystem mit mindestens 3 ineinea von einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit durchströmbaren Bereich (23) angeordneten zylindrischen Induktionsspulen (5, 6, 7), deren gegenseitiqe transformatorische Kopplung durch die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Induktionsspulen (5, 6, 7) in Bezug auf ihre Achsen ungefähr parallel nebeneinander angeordnet sind, und zwar in einer in Strömungsrichtung liegenden Ebene, wobei die einzelnen Spulen (5, 6, 7) senkrecht zur Strömungsrichtung liegen. 2. Induktives Durchflussmesssyste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 6, 7) in einer Querschnittsebene eines Sondenrohres (1) angeordnet sind. 3. Induktives Durchflussmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 6, 7) auf jeweils einen ferromagnetischen Kern (2, 3, 4) gewickelt sind. 4. Induktives Durchflussmesssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenkerne (2, 3, 4) in die Wand des Sondenrohres (1) eingelassen -sind¯vorzugsweise laserverschweisst. 5. Induktives Durchflussmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sondenrohr (1) in mehreren Querschnittsebenen je eine aus 3 Spulen bestehende Messstelle (5a, 5b, 5c) angebracht ist. 6. Induktives Durchflussmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sondenrohr (1) in ein Sackrohr (22) einsetzbar ist, wobei das Sackrohr (22) in den auszumessenden, von der elektrisch leitfähige Flüssigkeit durchströmbaren Bereich (23) hineinragt und mit der Behälter- bzw. Rohrwand (20), in deren Inneren sich die elektrisch leitfähige Flüssigkeit befindet, dichtend verbunden ist. 7. Induktives Durchflussmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System aus mehreren, ungefähr in einer Querschnittsebene einer Rohrleitung (20) anbringbaren Sondenrohren (1a, 1b, 1c) mit jeweils einer oder mehreren Messstellen (5a, 5b, 5c) besteht, wobei die Sondenrohre (la, 1b, lc) vorzugsweise in Sackrohre (22a,.22b, 22c) einsetzbar sind und wobei die Messstellen möglichst gleichnässig auf die Querschnittsfläche verteilt sind. 8. Induktives Durchflussr.esssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (5, 6, 7) und Spulenkörper (8, 9, 10) in ihren Abmessungen den Raum im Inneren des Sondenrohres (1) möglichst gut snutzen. ¯ 9. Induktives DurchflusszeRsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Spule (5) jeder Messstelle (5, 6, 7) etwas länger als die äusseren Spulen (6, 7) istf wobei die mittlere Spule (5) als Sendespule dient und aus einem isolierten Leiter (11) mit grösserem leitenden Querschnitt gewickelt ist als dem der Leiter (12, 13) der als Empfangsspulen dienenden äusseren Spulen (6, 7). 70. Induktives Durchflussmesssystem nach einem dar vcr- hergehcndan Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen aus mineralisolierten, hochv temperaturfesten Leitern (11, 12, 13) bestehen, deren Zuleitungen (24) im Inneren des Sondenrohres (13 verb legt sind. 11. Induktives Durchflusssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sendespulen jeder Messstelle mit leicht unter schiedlichen Frequenzen anregbar sind und dass die Empfangsspulen mit Bandpassfiltern verbunden sind, die jeweils nur die Frequenz der zugehörigen Sendespule durchlassen. 12. Induktives Durchflussmesssystem nach Anspruch 11N d a d u r c h g e k e n- n z e i c h n e t dass die zu jeder Messstelle gehörende Elektronik mit steuerbaren Bandfiltern ausgestattet ist.

Inventors: KNAAK, JOACHIM, DR. DIPL.-ING.
Applicants: INTERATOM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1984
Main classification: G01F1
IPC codes: G01F1