DE2129094A1

DE2129094A1 - Alarmeinrichtung zur Temperaturüberwachung

Info

Publication number: DE2129094A1
Application number: DE19712129094
Authority: DE
Inventors: Jean Paris; Ponthus Louis Lyon; Jamet (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-06-12
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1971-12-16
Also published as: BE768030A; FR2093399A5; US3749928A

Description

Patentanwälte Dlpl.-Inrj. R. QEETZ »βη. Dlpl-Ins. K. LAMPRECHT

Dr.-Ing. R. P E E T Z Jr. 8 München 22, Steinedorfstr. 10

410-17.165P- II.6.1971

Commissariat ä !'Energie Atomique, Pari s (Prankreich)

Alarmeinrichtung zur Temperaturüberwachung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Alarmeinrichtung zum Überwachen der Temperatur von in einem gegen den Außenraum isolierten Behälter enthaltenen Objekten mit einem Infrarotdetektor und einer fokussierenden Filteroptik.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Alarmeinrichtung kann beispielsweise auf die von in einem Speicherraum gespeicherten Uranstäben ausgehende Infrarotstrahlung ansprechen und dient dann der Peststellung und Lokalisierung von anormal erhitzten Stellen dieser Stäbe und vermag beispielsweise ein Alarmsignal auszulösen, bevor die Gefahr einer Emission von diese anormale Erhitzung begleitender ionisierender Strahlung in den Außenraum besteht.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Alarmeinrichtung ist jedoch nicht auf das Gebiet der Kerntechnik beschränkt, vielmehr kann

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sie auf allen möglichen anderen Sektoren der Industrie Anwendung finden. Solche möglichen Anwendungsfälle sind beispielsweise bei der Stahlerzeugung und -verarbeitung oder bei der Glasherstellung und-Verarbeitung gegeben, wo die Erfindung der Überwachung und lokalen Analyse der Temperatur von öfen, Walzwerken u*dgl. dienen kann. Ganz allgemein kann die Erfindung immer dann zur Anwendung kommen, wenn die Umgebungs4»8apebedi^,ngungen - wie das Vorhandensein einer erhöhten Temperatur oder von gefährlicher Strahlung das einwandfreie Arbeiten der üblichen Temperaturüberwachungseinrichtungen in Frage stellen.

Für die Überwachung der thermischen Erhitzung von Üranstäben sind bereits Einrichtungen in Vorschlag gebracht und verwendet worden,die mit Infrarotdetektoren arbeiten und schon auf anderen technischen Gebieten wie beispielsweise der Überwachung der Achstemperatür bei Eisenbahnwagen zum Einsatz gekommen sind. Als Infrarotdetektoren dienen bei diesen bekannten Einrichtungen Thermopaare. Diese werden in der Nachbarschaft der zu überwachenden Uranstäbe angeordnet. Sie sind an pyrometrische Schaltungen angeschlossen, und die Abschätzung der Erhitzung der Uranstäbe erfolgt durch Vergleich mit der Umgebungstemperatur. Hierin liegt ein wesentlicher Nachteil der bekannten Einrichtungen, da sie der Beeinflussung durch " diese Umgebungstemperatur unterliegen. Außerdem ist leicht einzusehen, daß für eine einwandfreie Überwachung einer größeren Anzahl von Uranstäben in ihrer Gesamtheit eine entsprechend große Anzahl solcher bekannten Einrichtungen erforderlich ist, was vielfach rasch zu untragbarem Aufwand führt.

Außerdem stellt die Anwesenheit der nahe den Uranstäben angeordneten Detektoreinrichtungen ein erhebliches Hindernis für die Handhabung der Uranstäbe dar, zumal sich diese Handhabung wegen ihrer Radioaktivität unter Fernsteuerung vollziehen muß.

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Pur die Überwachung der Temperatur von Uranstäben ist weiter vorgeschlagen worden, in den Speieherräumen Fernsehkameras zu installieren, die mit Infrarotstrahlung und optisch-mechanischer Abtastung arbeiten und die Infrarotüberwachung der Uranstäbe gestatten. Derartige Systeme weisen jedoch abgesehen von ihrem für den gedachten Anwendungsfall nur geringen optischen Gesichtsfeldwi'nkel noch weitere Nachteile auf, die von ihrer Verwendung abgehalten haben. Diese Nachteile liegen vor allem darin, daß die Optiken für die Konzentration der Infrarotstrahlung auf die Detektoren auf Glasbasis aufgebaut sein müssen und daher im Laufe der Zeit unter der Einwirkung ionisierender Strahlung und etwaiger erhöhter Temperatur eine Verschlechterung ihrer optischen Wirkung erfahren.

Außerdem arbeiten die in solchen Kameras verwendeten Dedektoren entsprechend den Angaben von M. Jatteau und P. Wurtz in der Zeitschrift Acta Electronica 1969» Band 12, Nummern 1 und bei sehr tiefen Temperaturen von beispielsweise JtQ⁰Yi bzw, 77°K für Photozellen aus Germaniumamalgam, Ge (Hg), bzw. aus Indium/Antimon, In Sb, was die Einführung entweder einer flüssigen Mischung aus Helium und Neon oder von flüssigem Stickstoff in den Speieherraum für die Uranstäbe erfordert. Dies führt naturgemäß zu einer Reihe von betriebsmäßigen Abhängigkeiten der Überwachungseinrichtungen, die sie für die gedachte Anwendung zur kontinuierlichenfEemperaturüberwachung nur wenig geeignet erscheinen lassen. Schließlich müssen auch die auf die Detektoren folgenden Vorverstärker aus Gründen einer Abschirmung gegen parasitäre Signale mit sehr kurzen Verbindungsleitungen angeschlossen werden. Auch diese Vorverstärker lassen sich also nicht außerhalb-des Speicherraumes anordnen, und daher sind auch ihre elektronischen Bauteile der Einwirkung der

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ionisierenden Strahlung ausgesetzt und einer allmählichen Verschlechterung unterworfen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine.Alarmeinrichtung zu schaffen, die unter Vermeidung der oben geschilderten Nachteile der bekannten Alarmeinrichtungen eine von äußeren Einflüssen· wie der Umgebungstemperatur oder insbesondere auf das Sonnenlicht zurückgehenden StörStrahlungen unabhängige Temperaturüberwachung einer Vielzahl von Stellen in einer ) ionisierende Strahlung oder erhöhte Temperatur zeigenden Atmosphäre ermöglicht»

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein erster orientierbarer Spiegel zum einen an einem Ende einer in der Wandung des Behälters relativ dazu um ihre eigene Längsachse drehbar gelagerten zylindrischen Hülse drehfest, aber um eine zur Längsachse der Hülse senkrechte Achse dagegen verschwenkbar und zum anderen symmetrisch zum Detektor in bezug auf einen dem Spiegel in der Hülse optisch gegenübergestellten feststehenden Spiegel angeordnet ist, welcher Spiegel um zwei zueinander senkrechte Achsen, von denen die eine die Längsachse der Hülse ist, Rotationsbewegungen ausführen " kann, die hyperbolischen Bahnen auf einer überwachten Oberfläche oder hyperbolischen Hüllkurven entsprechen.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Alarmeinrichtung ist unempfindlich sowohl gegen die Umgebungstemperatur als auch gegen StörStrahlungen, eignet sich zur gleichzeitigen Überwachung einer Vielzahl von Meßpunkten, ist in der Umgebung der Überwachungsstellen mit keinerlei Platzbedarf verbunden und verlangt schließlich für den- Betrieb und die Empfindlichkeit ihrer Detektoren keinerlei Kühlung.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Geschwindigkeiten für die beiden Rotationsbewegungen des orientierbaren Spiegels im Sinne einer gegenseitigen Invertierung ihrer Rolle regelbar. Eine Weiterbildung der Erfindung" besteht darin, daß am zweiten Ende der Hülse ein weiterer Spiegel schwenkbar angebracht ist, derjLn seiner Schwenkbewegung mit der des ersten Spinels gekoppelt ist und im Beleuchtungsfeld einer quasi punktförmigen Strahlungsquelle liegt, und daß symmetrisch zur Strahlungsquelle in bezug auf den weiteren Spiegel eine Einrichtung zum Lokalisieren einer in ihrer Strahlung zu überwachenden Quelle für Infrarotstrahlung angeordnet ist«, Von Vorteil ist schließlich eine Ausführung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Alarmeinrichtung in der Weise, daß die Hülse zu einem Endoskop gehört, aus rostfreiem Stahl mit großer Wandstärke besteht und Teil der Isolation des Behälters gegenüber dem Außenraum ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung bezug genommen, die eine Einrichtung zum Erkennen einer an^,ormalen Erhitzung von in einem Speicherraum, lagernden Uranstäben betrifft. Dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 ein Schema für die überwachungsmäßige Abtastung der beispielswa.se auf dem Boden des Speicherraumes lagernden Uranstäbe und

Fig. 2 einen schematisch gehaltenen Längsschnitt durch den Aufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Alarm- und Überwachungseinrichtung.

Die dem Ausführungsbeispiel zugrundeliegende Einrichtung enthält im wesentlichen eine Kombination aus einer Optik zum Auffangen der von dem Speicherraum auf Höhe der Uranstäbe ausgehenden insbesondere im Infrarotgebiet liegenden Strahlung und

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zu ihrer Übertragung in den Außenraum, aus einem mit einem Infrarotfilter ausgestatteten Detektor, auf den sich die aus dem zu überwachenden Speicherraum herausgeführte Infrarotstrahlung konzentriert, aus mechanischen und elektrischen Mitteln, die zum einen eine Orientierung der Optik im Innern des Speicherraumes und zum anderen die Auswertung der am Ausgang des Detektors erhaltenen Information im Sinne einer eventuellen Alarmauslösung gestatten, und aus einer Schutzeinrichtung, die einen Austritt von ionisierender Strahlung durch die Durchführungsöffnung für die Einrichtung in der Wandung des Speicherraumes verhindern kann.

In Fig. 1 bezeichnet die Ebene XOY. den Boden des zu überwachenden Speieherräumes. Die Spiegel M, und Mp bilden ein Endoskop. Der Spiegel M, läßt sich um zwei zueinander senkrechte Achsen bewegen, nämlich um eine zur Richtung YY¹ parallele und die optische Achse des Endoskops darstellende Achse und um eine zur Richtung XX' parallele Achse. Der Spiegel M₂ steht fest und verläuft unter ^5° zu der Vertikalebene XOZ, die ihrerseits den senkrechten Wänden des parallelepipedförmigen Speicherraumes parallel ist, durch die das ^ Endoskop hindurchgeführt ist. Ein Umlenkspiegel M-,, der der Konzentration der Infrarotstrahlung auf den Detektor dient, übernimmt gleichzeitig die Aufgabe eines Infrarotfilters. Unter Berücksichtigung der beispielsweise das Gesichtsfeld an der Stelle des Spiegels M-, begrenzenden Pupille erhält man so eine Entsprechung zwischen einer in dem auf eine Strahlung zu überwachenden Raum liegenden Oberfläche S und der Oberfläche S^! des Detektors, der diese Strahlung zugeführt erhält.

Die auf dem Boden des Speicherraumes von der Oberfläche S wegen der oben erwähnten alternierenden Bewegungen des Spiegels M₁ durchlaufenen Bahnen sind Hyperbeln, die ortibgonal affin gegeneinander verschoben sind. Die Abstände a und b in Flg.

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bezeichnen die Abmessungen einer dieser Hyperbeln.

In Fig. 2 ist der Einbau des Endoskops in eine davon durchsetzte Mauer 1 aus Beton veranschaulicht. Das Endoskop selbst besitzt eine rohrförmige Hülse 2, die sich in zwei Lagern um eine horizontale Achse drehen kann. Lagerschalen J und 4 aus gefritteter Bronze ermöglichen dabei einen schmierungsfreien Betrieb, da jegliches organische Schmiermittel durch die innerhalb des von der Mauer 1 umschlossenen Speicherraumes herrschende fr -Strahlung zerstört werden würde. Die Bewegung der Hülse 2 wird über einen Nocken 5 gesteuert. Der Spiegel 6 läßt sich mit Hilfe eines durch einen Nocken 9 gesteuerten Hebelwerks 8 um eine Achse 7 verschwenken« Der zweite Spiegel 10 des Endoskops steht fest und leitet die ihm zugeführte Infrarotstrahlung dem der optischen Konzentration dienenden Eingangsglied 11 "des Detektors zu. Ein im folgenden als Kopierspiegel bezeichneter Spiegel 12 ist über Hebelwerke 8 und 13 mechanisch mit dem Spiegel 6 gekoppelt und läßt sich um eine Achse Ik verschwenken. Die Ebene des Kopierspiegels 12 steht ständig unter einem Winkel von 90° gegen die Ebene des orientierbaren Spiegels 6. Der Kopierspiegel 12 liefert ein Bild einer im folgenden als Kopierlampe bezeichneten Lampe 15 auf einer Matrix l6, die mit Photodetektoren 18 aus Cadmiumsulfid CdS belegt ist, von denen jeder einem Uranstab I7 in dem zu überwachenden Speicherraum zugeordnet ist. Im Falle einer Alarmauslösung durch die dargestellte Alarmeinrichtung sorgt diese Entsprechung zwischen den Uranstäben 17 einerseits und den Photodetektoren l8 andererseits für eine Lokalisierung des die Alarmauslösung · bewirkenden anormalen Erhitzungszustandes,

Zu den oben erwähnten mechanischen Verbindungen gehören auch Rückstellfedern 19, 20 und 21.

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Die Spiegel 6, 10 und 12 bestehen aus rostfreiem Stahl, der von der im Speicherraum herrschenden Strahlung nicht angegriffen wird* und werden gegebenenfalls mit Hilfe eines in mit ihren metallischen Trägern in Berührung stehenden Leitungen fließenden Kühlmittels gekühlt.

Die Hülse 2 des Endoskops besteht ebenfallsjaus rostfreiem Stahl von großer Wandstärke und bildet so eine Strahlungsabschirmung für den Speicherraum gegenüber seiner Umgebung. Dank dieser Wahl für das sie bildende Metall kann die Hülse 2 also gleichzeitig die Aufgabe eines Schutzschirms übernehmen. Außerdem besitzt das dargestellte Endoskop an seinem dem Speicherraum zugewandten Ende eine Schutzhülle aus Blei.

Die Nocken 5 und 9 für die Steuerung der beiden Rotationsbewegungen des orientierbaren Spiegels 6 werden ihrerseits durch Hydraulikzylinder gesteuert, die₍ an zwei voneinander unabhängige hydraulische Kreise angeschlossen sind, von denen jeder eine eigene Pumpe enthält, um jegliche Unstetigkeiten während der Rotationsbewegungen des Spiegels 6 zu vermeiden. Beide Hydraulikkreise enthalten außerdem Durchflußregler, die eine Einstellung der Rotationsgeschwindigkeiten um die beiden zueinander senkrechten Achsen ermöglichen. Daher kann man die eine dieser Rotationsbewegungen rascher machen als die andere. Diese Einstellmöglichkeit für die Geschwindigkeit der Rotationsbewegungen ist von erheblichem Vorteil. Um nämlich sicher zu sein, daß alle Uranstäbe 17 mindestens einmal zur Gänze von der Abtastung erfaßt werden, kommt nur eine Transversalabtastung der Uranstäbe IJ in Betracht. Bei einem vorgegebenen Speicherraum für die Uranstäbe 17 liegen diese in Längsrichtung des Speicherraumes auf dessen Boden, und man kann daher an einen Einbau des Endoskops in die zur Ebene XOZ oder

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zur Ebene YOZ (Pig· 1) parallele Mauer des Speicherraumes denken. Wird die zur Ebene XOZ parallele Mauer gewählt, so wird die schnellste Bewegung diejenige, die den hyperbelförrnigen Bahnen für die Oberfläche S entspricht. Wird die zur Ebene YOZ parallele Mauer gewählt, so wird die Bewegung der Oberfläche S eine Art von Sinuslinie, die von einer langsamen Hyperbel der obigen Art eingehüllt wird. Auf diese Weise ermöglicht die dargestellte Alarmeinrichtung eine leichte Anpassung an von der jeweiligen industriellen Problemstellung vorgegebene Einsatzbedingungen.

Eine entsprechend dem Beispiel von Fig. 2 praktisch gebaute Ausführungsform der Erfindung ist zur Überwachung von Uranstäben in einem Speicherraum von 3 x 6m benutzt worden, wobei die Einbauhöhe des Endoskops in der Mitte einer vertikalen Mauer von großen Abmessungen 2m betragen hat.

Für die Strahlungsüberwachung stellen sich Energieprobleme in folgender Weise. Die zu überwachenden Uranstäbe sind mit hohlen Radiatorhüllen aus Magnesium umhüllt, die vier Hauptkühlrippen in Längsrichtung und dazwischen eine Vielzahl von winkelförmig angeordneten und von den Hauptrippen ausgehenden Sekundärrippen aufweisen. Die Wärmeabstrahlung durch diese Rippen erfolgt dabei so, daß eine Erhitzung an einer Stelle eines Uranstabes zu einer halb so großen Umgebungserhitzung in einem Abstand von 2,5 bis 3 cm rundum die heiße Stelle führt. Liegt daher die Erhitzung des Urans bei 300⁰C, so herrschen j5 cm entfernt von der aufgeheizten Stelle nur mehr 150⁰C. Unter Berücksichtigung dieser Verhältnisse und zur Gewährleistung einer Alarmauslösung bei einer Erhitzung der Uranstäbe auf "500⁰C müssen daher die Detektor schwelle auf 150⁰C und die Schrittweite bei der Abtastung auf höchstens 5cm festgelegt, werden.

Die mit den Photodetektoren in Entsprechung stehende

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Oberfläche S wird so groß gewählt wie möglich und daher bei dem obigen Beispiel wegen der Radiatorabmessungen auf einem Kreis von 7 cm. Durchmesser gehalten. Das dem Detektor zugeführte Strahlenbündel ist praktisch bis auf 10$ ge.iiau_rkonstant, so daß die vom Detektor aufgefangene Energie nur eine Punktion der Luminanz der Uranstäbe ist. Diese Uranstäbe selbst verhalten sich praktisch wie ein schwarzer Strahler und folgen dem Lambert'sehen Gesetz bis zu Neigungen von mehr als 80° relativ zur Normalen. Die Änderungen.in der Neigung'der von der Oberfläche S ausgehenden und auf den Spiegel M fallenden Strahlungsbündel führt daher zu keinerlei Störungen für die Alarmauslösung.

Ein für die Zwecke der Erfindung verwendbares Infrarotfilter ist eine Linse aus η-leitendem Germanium, die für Infrarotstrahlung im Bereich zwischen 2 Miijkon und IJ Mikron durchlässig ist. Stattdessen lassen sich auch andere Infrarotfilter aus Bleisulfid oder aus Indiumantimonid verwenden. Ab einer Wellenlänge von 2 Mikron ist die rückgestrahlte Luminanz des beobachteten Körpers, die auf die Anwesenheit künstlicher Strahlungsquellen zurückgehen kann, sehr schwach im Vergleich zur ursprünglichen thermischen Luminanz; der betrachtete Spektralbereich ist der der passiven Beobachtung (s* Acta Electronica, Band 7 vom Oktober 1963 Nr^ 4 Seite 300). der Schutz gegen Störstrahlungen nicht thermischer Art ist gegeben.

Mit Rücksicht auf die festgelegte Alarmauslösungsschwelle und auf die Emissionseigenschaften der Uranstäbe für Wärmestrahlung, die optischen Filterbedingungen und die Atmosphäre in der Umgebung der strahlenden Fläche liegtjdie Änderung des von dem Detektor während einer Modulation des optischen Bündels aufgefangenen Strahlungsflusses in der Größenordnung von für den Fall der Alarmauslösung. Diese zu erkennende

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Leistung ist sehr groß, und es sind zahlreiche Detektoren für ihre Peststellung geeignet. Allein praktische Gründe führen zur Auswahl von nicht gekühlten Empfängern. Zu diesen gehören Bolometer auf Halbleiterbasis und pyroelektrische Bolometer aus Triglycinsulfid. Ihr Empfindlichkeitsbereich erstreckt sich weit ins Gebiet des Infraroten. Das erste Bolometer arbeitet relativ langsam und läßt sich nur mit Frequenzen bis etwa 100 Hz modulieren. Das zweite Bolometer dagegen läßt sich ohne weiteres mit Modulationsfrequenzen von 1000 Hz, Empfindlichkeiten von 100 V/W und einer Rauschleistung von 7 χ 10" WHz" ' betreiben, was für den Fall einer erfindungsgemäß ausgebildeten Alarmeinrichtung mit synchronem Detektorbetrieb und einem Frequenzband von 1 Hz zu einem alarmauslösenden Eingangssignal von 1 mV mit einem Signal/Rausch-Verhältnis von 7 χ 10 geführt hat.

Diese Werte liegen sehr hoch und gewährleisten eine hohe Sicherheit für die Alarmauslösung.

Die Möglichkeit zu einer hochfrequenten Modulation befreit von niederfrequenten Drifterscheinungen und bietet einen Schutz gegen unerwünschte Beeinflussungen durch Störsignale mit der Frequenz des Wechselstromnetzes.

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Claims

Patentansprüche , ,

fl) Alarmeinrichtung zum Überwachen der Temperatur von in einem gegen den Außenraum isolierten Behälter enthaltenen Objekten mit einem Infrarotdetektor und einer fokussierenden Filteroptik, dadurch gekennz ei ohne t > daß mindestens ein erster orientierbarer Spiegel.(6) zum einen an einem Ende einer in der Wandung (1) des Behälters relativ dazu um ihre eigene Längsachse drehbar gelagerten zylindrischen Hülse (2) drehfest, aber um eine zur Längsachse der Hülse (2) senkrechte Achse" dagegen verschwenkbar und zum anderen symmetrisch zum Detektor (11) in bezug auf einen dem Spiegel (6) in der Hülse (2) optisch gegenübergestellten feststehenden Spiegel (10) angeordnet ist, welcher Spiegel (6) um zwei zueinander senkrechte Achsen, von denen die eine' die Längsachse der Hülse (2) ist, Rotationsbewegungen ausführen kann, die hyperbolischen Bahnen auf einer überwachten Oberfläche (S) oder hyperbolischen Hüllkurven entsprechen.
2. Alarmeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeiten für die beiden Rotationsbewegungen des orientierbaren Spiegels (6) im Sinne einer gegenseitigen Invertierung ihrer Rolle regelbar sind..
3. Alarmeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Ende der Hülse (2) ein weiterer Spiegel (12) angebracht ist, der in seiner Schwenkbewegung mit der des ersten Spiegels (6) gekoppelt ist und im Beleuchtungsfeld einer quasi punktförmigen Strahlungsquelle (15) liegt, und daß symmetrisch zur Strahlungsquelle (15) in bezug auf den weiteren Spiegel (12) eine Einrichtung (18) zum Lokalisieren einer in ihrer Strahlung zu überwachenden Quelle (17) für Infrarotstrahlung angeordnet ist.

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4. Alarmeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,daß die Hülse (2) zu einem Endoskop gehört,

aus rostfreiem Stahl mit großer Wandstärke besteht und Teil der Isolation des Behälters (1) gegenüber dem Außenraum ist. ·

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