CN101646937A - 测量外罩内气体压强和/或摩尔质量的方法及测量组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量外罩中的气体的压强和/或摩尔质量的方法，所述方法通过声学传感器执行，所述声学传感器包括至少一个换能器(5)、连接到换能器(5)的电系统(8)以及用于将换能器(5)接合到外罩(1)的接合层(6)，所述方法包括以下步骤：利用换能器(5)产生激励声学信号，该激励声学信号在宽的频带中振动外罩(1)和气体(2)；用换能器(5)检测外罩和气体的振动的响应声学信号特性；利用系统(8)分析来自换能器(5)的响应电信号；以及基本上基于气体(2)的共振频率，来获得气体中的声学信号的速度，气体的摩尔质量和压强。本发明还涉及一种实现该方法的组件。

Description

测量外罩内气体压强和/或摩尔质量的方法及测量组件

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的主题所述的方法。还涉及一种如权利要求7的主题所述的组件。

背景技术

人们希望能够获取充满气态混合物的圆柱形外罩内的压强值，例如为了测量核电厂反应堆的燃料棒的内部压强。

人们还希望能够确定前面所述的气体混合物的摩尔质量。

为了获得这类型的信息，一般地，需要利用破坏性方法，例如刺穿外罩。

也可以利用基于放射性示踪剂气体(例如氪85)的存在的方法。然而，当人们希望测量包含相同的放射性示踪剂的一捆管子中的一部分的管子内的压强时，这些方法不可用。

从FR2739925我们知道声学传感器包括：

-至少一个换能器(transducer)，用于产生声波和/或反过来接收声波；

-玻璃棒，用来传输声波，以及

-具有棒(rod)的传感器的液体接合层，该层具有限定的厚度λ/4，λ对应于所述棒的壁的声学厚度的两倍。

该传感器使得能够根据换能器中反射的波的振幅，来得到燃料棒的空体积内的气体的压强。

然而，该传感器具有缺点。

首先，其只能够测量气体的压强，而不能测量其摩尔质量。

而且，λ/4的液体接合层使得声波在棒中很好地传输，但是只是在由传感器和棒形成的堆叠的共振(resonance)频率附近的小的频率区间内。

另外，气体的共振的振幅当然对压强特别敏感，但也对扰动或不易知到的尺寸敏感，例如气体的吸收或棒的壁的裂纹。因此，即使经过校准，测量的精度也是低的。

最后，该测量方法不能对包含有引起波发散的对象，例如弹簧的棒起作用。

因此，WO 00/73781公开了一种外罩，其特征技术为具有一个远程传感器(非接触的，如FR 2 739 925)，其通过外罩(不是气体，如FR 2 739 925)的震动而工作，并且比FR 2 739 925公开的频率范围小的多。

发明内容

本发明在于消除上述至少一个缺点。

为此，本发明提供一种根据权利要求1所述的方法。

本发明有利地具有从属权利要求2至6中所述的特征。

本发明还涉及一种实现此方法的组件。

具体地，本发明提供一种根据权利要求7所述的组件。

本发明优选地具有从属权利要求8至12中所述的特征。

本发明表现出了很多优点。

新的“传感器-外罩”的接合使得能在比现有技术更宽的频谱带内进行传输。由外罩形成的声学栈、接合层和换能器可以在宽的频带内振动。优选地，对于在4MHz的附近振动的锆合金的当前外罩壁，带宽必须达到1MHz，或者25％的相对值。

宽带传感器能够激发气体的很多共振。气体的多个共振的激发使得能够通过合适处理(特别是利用气体的频谱响应的积分J)的平均效应，来防止气体的吸收，并且很大程度上远离外罩的不完美性。

传感器使得能够显著地增加压强测量的精度。

传感器和相关的测量方法使得能够对包含弹簧的外罩进行测量，然后此弹簧的影响被简单地认为成另外的衰减。

而且，该宽带测量方法能够增加声波的波速的测量精度，还能够增加气体混合物的摩尔质量的测量精度。

该传感器和测量方法具有很多应用。

它们使得能够在使用中和在存放时对核燃料棒进行测试。

它们使得可以对核燃料棒中的气体，特别是主要包含氦、氙和氪的气态混合物的气体，的压强和摩尔质量进行非破坏性的测量。测量在燃料柱的膨胀室内，在维护弹簧处，在棒的顶部进行。

该测量方法可以在停工时周期地在池中实施。该传感器能够：

-检测包含多个棒的组件中的一个或几个非密封的燃料棒；

-有助于确定电厂组件的加料；

-有助于在可逆存储之前的确定；

-增加对数字仿真的统计支持基础。

此实施也可以以相同的目的进行非破坏性的热室检测(该室被屏蔽以对活性材料进行操作)。

附图说明

结合附图，从下述仅示例性的和非限制性的说明书，可以得出本发明的其他特点、目的和优点，其中：

-图1A和1B概要地图示了两个实施例，在外罩上有根据本发明的传感器的实例，每个传感器和外罩形成声学堆栈；

-图2概要地图示了根据频率的前述声学堆栈的电阻抗；

-图3A图示了根据频率的未滤波的电压的实部和虚部的曲线；

-图3B图示了显示为校正过的气体共振的响应的实例，换能器、接合层和外罩1的响应被去除；

-图4概要地图示了传感器的实施例的实例的主要步骤；

-图5为传感器的校准曲线的实例。

在所有附图中，相似的元件用相同的标号来表示。

具体实施方式

在图1A和1B中，概要性地示出了包含气体2的外罩1。

外罩1为例如燃料棒，气体2为例如氦或气体混合物。

外罩1支撑声学传感器。

传感器连接到外罩上，因而形成由传感器和外罩形成的组件。

声学传感器能够测量气体2的至少一个物理参数，例如外罩中的气体的压强和/或摩尔质量。

声学传感器包括：

-至少一个换能器5，以用来

一方面，产生震动外罩和气体的声学信号，并且

另一方面，检测气体和外罩的震动的声学响应信号特征；

-接合层6，其在换能器5和外罩1之间；

-电系统8，其连接到换能器5并且使得

激励所述换能器5，并且

分析响应信号。

一般地，外罩具有圆柱旋转形状——这是特别针对例如燃料棒的情形。

然而，可以理解，外罩可以具有任何的圆柱形状，例如具有平行平面。

在圆柱旋转形状的情况下，优选地，所有的传感器的元件是同中心的。

换能器5可以包括靠背(back)7。靠背7对于声学信号有反射或吸收的能力，对传感器的声学特性有影响。共振靠背的使用必须不破坏传感器的频谱使用带。

系统8将电信号传输到换能器5。换能器5将电信号转换为声学信号，反之亦然。为此，换能器5传统地为压电式类型(例如，PZT材料——铅锆钛氧化物)。

接合层6可以是多种形式，例如液体或固体。其包含在由换能器5的内面、外罩1的外面和插入到这两个面之间的楔子9限定的体积内。楔子9在层6为固体的情况下是可选的。

在层6为固体的情况下，必须保证通过连接(splicing)或通过液体接合器的非常薄的层，将声波良好地传输到界面上。如果这些薄层的作用不是可以忽略的，那么它们应当包括到下述表1中所建议的通过时间中。

当传感器放置到外罩1上时，出现了由外罩1的壁10、接合层6和换能器5形成的声学栈(acoustic stack)。外罩1的壁10和换能器5具有很大的声学阻抗，而气体2和接合层6具有小的声学阻抗。

根据本发明，在壁10的自由共振频率处，压电材料5和接合层6可以是各种厚度。

该协定是(agreement)根据声学波在层6的传播时间来限定的。

T₁₀是声波从外罩1的壁10的传播时间，T₁₀＝e_housing/c_housing，e_housing和c_housing分别是壁的厚度和声波在该壁中的波速。那么此壁的第一个自由共振周期为2T₁₀。我们称此共振为λ/2模式。

T₅是声学波从换能器5的传播时间。换能器5必须以与壁10相同的频率以相同的模式λ/2振动，因此换能器5的厚度为使得T₅等于T₁₀。

换能器的声学阻抗对于PZT为接近30 10⁶PA.s.m^-3。

接合层6的厚度也从T₁₀确定。可以考虑几种情况。

接合层的声学阻抗106国际单位(SI，Pa.s.m-3)	传播时间T6＝[n-(1/2)]T10	传播时间T6＝nT10
			0.5＜Z＜3	窄带	宽带
3＜Z＜15	宽带

表1

n为整数，优选地等于1。

在水中(Z＝1.5 10⁶SI)传播时间T₆等于T₁₀/2(厚度称为λ/4)的情况对应于FR 2 739 925中公开的传感器。这是“窄带”系统。

传播时间的精度必须是标准组件上的±20％；然而传播时间变得越接近所述表中的条件，测量的再现性越大，因为测量会达到传感器的响应的极值。

对于具有声学阻抗在0.5 10⁶和3 10⁶SI(例如液体的情况)之间的接合层，这些精度给出了在0.4λ和0.6λ之间的声学厚度，其中λ是在接合层中，在外罩1的壁10的自由振动频率f₀上的波长，其中f₀＝c_housing/(2e_housing)。

同样，对于具有在3.10⁶SI和15.16⁶SI(例如固体的情况)之间的声学阻抗的接合层，获得的层的声学厚度在0.2λ和0.3λ之间，其中λ是在接合层中，在外罩1的壁10的自由振动频率f₀上的波长。

图2示出了工作在反射中的传感器的阻抗(为图1A的组件的情况)。中心频率——即自由壁10的共振频率——为4MHz的0.3MHz的带宽对应于非常不能令人满意的传感器。优选地，带宽在中心共振频率的20％附近，或者甚至25％。

标记为“宽带”的两种情况对应于根据本发明的宽带传感器。声学传感器设计为在宽频谱带内都具有敏感性，而不是在仅仅一个频率上具有高的敏感性。

更一般地，我们称“宽带”为一个带宽，该带宽使得产生至少两个，优选地为10个左右的气体共振。

换句话说，声学传感器的特征为其用于传输的声学信号的频带具有宽度L：

$L\≥\frac{c}{D}$

其中c为在外罩的气体中的声波的波速，而D为外罩的内径，传输频带的中心为f₀，f₀为用于测量f₀的传感器所连接到的的外罩的壁的自由振动频率。

下面将很快地描述传感器的导电部分。换能器5为例如PZT(铅锆钛氧化物)瓷片(tile)。换能器5也可以是压电聚合体合成物。通过减少传感器的品质因数，这些换能器可以拓宽传感器的频谱使用频带。

换能器5通过导电线缆80连接到系统8。

系统8一方面包括电压发生器，另一方面包括一装置，该装置用于测量由传感器根据频率提供的电压V(f)，或者其对电压脉冲的时间响应V(t)。这些测量使得能够确定外罩中的气体的压强和摩尔质量，如下面参照图4所述。

本发明的第一个步骤41包括，例如利用系统8利用在可用范围内的可调整的频率用正弦电压U来激励换能器5。由此，用图3A的电压V(f)来得到频率响应谱。

第一步骤(步骤42)的另一个可能性在于通过一系列脉冲来激励换能器5。获得电压V(t)。需要对来自换能器5的电信号进行傅里叶变化来得到如先前一样的系统的频率响应谱V(f)。

复合谱V(f)(步骤43)构成了信号处理的起点。

如图4所示，然后从上述两个步骤产生频谱的处理被结合起来。

传感器的整体(global)响应由气体2的共振以及连接到外罩1的声学传感器的共振构成。

然而，由于外罩1中的径向固定波(radial stationary wave)，气体2的共振根据频率是周期性的。因此它们很容易区分并且可以从其他共振分离出来。

由气体2造成的共振对应于图2的曲线上的峰值20。

在步骤44，对图2的复合频谱进行数学变换，以获得实际曲线X(f)，其中气体的共振单独出现并且经过校正，换能器5、层6和外罩1的共振被去除(如图3B)。对传感器的频谱响应的数字处理是必要的，以校正气体的共振的可变相位。一个可能的处理为从V(f)中减去缓慢变化的部分(例如通过在时间空间中消减)，然后对信号取模。

步骤53为测量气体的至少两个共振频率之间的间隙Δf。然后从所述间隙Δf得到气体中的声波的波速c。取决于用一个或两个传感器来进行测量，可能发生两种情况。

1)在图1A中，换能器5是唯一的并且工作于“反射”中。其朝着外罩产生声波，并且接收来自外罩1的声波。在此情况下，气体中的声波的波速c从以下得到：

c＝2DΔf

其中D是在圆柱旋转外罩的情况下外罩的内径。在外罩具有平行的平面的情况下，应理解为D指的被外罩的两个壁之间的波所穿越的内尺寸。

2)在图1B中，围绕外罩安装有两个对称地位于外罩1的两侧的传感器。换能器5产生振动外罩和气体的声学激励信号，另一个换能器5检测响应振动。此组件的关键在于分离激励信号的响应信号。在此情况下，气体中的声波的波速c从以下得到：

c＝DΔf

在两种情况下，如果测量多个共振之间的间隙Δf(例如在图2的峰值20之间的多个间隙的平均值)，可以得到更好的精度，或者如果通过对共振位置进行数学处理来确定间隙Δf(一个可能的处理为例如用傅里叶类型的变换)，因此需要一种能够在宽的频谱带内激励气体的系统。

步骤53可以对从步骤43得到的复合频谱V(f)进行处理，但是优选地是对从步骤44得到的实际响应X(f)进行处理，对其可以使用周期搜索方法。

在步骤63，可以从由步骤53得到的波速c来计算气体的摩尔质量M：

$M=\frac{\mathrm{\γRT}}{c^2}$

其中R为理想气体的常数，γ为理想气体的比热率，T是温度。

上述关系适用于理想气体。在混合气体的情况下，可以导出从实际气体的等式得到的修正。

在单原子气体的二元混合物的情况下，例如氦-氙混合物，测量摩尔质量能够直接推导混合物的质量成分x，因为：

M＝xM_xe+(1-x)M_He

其中，M_xe和M_He是氙和氦的原子质量。

步骤54能够测量气体的压强。测量原理如下。

从图3B的响应X(f)观察到的气体的共振振幅与外罩1中的气体的声学阻抗成比例，使得利用下述的步骤能够得到压强。

气体的声学阻抗Z_gaz(f)，例如在具有平行平面的刚性腔中，被写作：

$Z_{\mathrm{gaz}}\left(f\right)=\frac{\mathrm{\ρc}}{i\tan \left(\mathrm{kD}\right)}$

其中ρ为气体的密度，c为气体的波速，i²＝-1，

$k=\frac{2\mathrm{\πf}}{c}-\mathrm{i\α},$

α为气体的吸收系数，

D为外罩的内尺寸。

对于共振，气体的声学阻抗的积分I具有独立于气体的吸收的特性。其实际上表示为：

$I={\∫Z}_{\mathrm{gaz}}\mathrm{df}=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{2D}$

当然，从曲线X(f)观察到的气体的共振的振幅不是对气体的阻抗的衡量，而是由传感器的相关灵敏度S(f)来调制，其函数取决于频率。因此不能仅从测量气体的一个共振来获得压强。

传感器的相关灵敏度S(f)是传感器的一个稳定的特性，对出现在传感器的观察窗里的所有共振进行的积分I的总和，称为STG(气体的总灵敏度)的大小为单独取决于气体的大小。

$\mathrm{STG}=I\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{S}_n$

其中，S_n是针对气体的第n个共振频率的传感器的相关灵敏度。

此大小不需要精确地知道，因为传感器需要校准。在传感器在宽度F的窗口中敏感的理想情况下，其中灵敏度是等于S的常量，那么

STG＝mIS

其中m是窗口中出现的共振的个数。

因为共振距离

$\mathrm{\Δf}=\frac{c}{2D},$

那么

$m=\frac{F}{\mathrm{\Δf}}=\frac{2\mathrm{DF}}{c}$

对于理想气体：

PV＝nRT，

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{nM}}{V}$

其中，

$\mathrm{\ρc}=\mathrm{\γ}\frac{P}{c}$

对气体的总灵敏度变为：

$\mathrm{STG}=\mathrm{FS\ρc}=\mathrm{FS\γ}\frac{P}{c}$

其中γ为理想气体的比热率。

理想地，STG测量值与气体的压强成比例。需要有宽带的传感器以在积分窗口有很多的共振并且稳定积分。

在步骤54，与上述理想情况相似，计算传感器的灵敏度区域F中的实验性的频率响应X(f)的积分J：

$J_{\mathrm{th}\stackrel{\·}{e}\mathrm{orique}}={\∫}_{F}X\left(f\right)\cos \left(2\mathrm{\πfnT}\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\χ}\frac{P}{c}$

T为气体的基本共振周期，n为所选择的谐波的次序(order)。

最有利的是n＝1的情况。

此积分是与P/c成比例的，并且如果知道常数χ，就能测量压强P。

然而，常数χ是传感器的特性。其不能以足够的精度从传感器的材料的尺寸和性质得到。

此外，对积分J进行的理论和实验性研究显示出前述推理仅仅是第一个近似。实际上积分J稍微取决于气体的吸收，这使得函数J(P)非线性(见图5)。函数J(P)在高压强(大约100巴(bars))下是准线性的；然而，系统对于低压(＜20巴(bars))的响应消失，因为气体是非常有吸收力的。

总而言之，根据气体的压强P和自然属性(以改变c)，只能通过具有已知气体的传感器的现有校准来获得函数J(P，c)。对于测量未知的气体，首先要在步骤53中得到c，然后在步骤64中，对于波速c，通过读取使用传感器获得的校准曲线来得到P。

Claims (12)

1、一种测量装有气体(2)的外罩(1)的至少一个物理参数的方法，所述方法通过声学传感器执行，

所述声学传感器包括至少一个换能器(5)、连接到换能器(5)的电系统(8)以及用于将换能器(5)接合到外罩(1)的接合层(6)，所述方法包括步骤：

-利用换能器(5)产生激励声学信号，该激励声学信号在宽的频带中振动外罩(1)和气体(2)，

-用换能器(5)检测外罩和气体的振动的响应声学信号特性；

-利用系统(8)分析来自换能器(5)的响应电信号；

所述方法的特征在于，其包括如下步骤，利用系统(8)：

-测量从换能器(5)得到的电响应信号的振幅，以确定气体(2)的所有共振频率；

-从传感器的共振频率组中提取气体的共振频率；

-测量气体的至少两个共振频率之间的间隙；

-基于对所述气体的测量，得到气体中的声波的波速c；

-通过如下公式计算气体的摩尔质量M：

$M=\frac{\mathrm{\γRT}}{c^2}$

其中R为理想气体的常数，T是温度，γ为理想气体的比热率；和/或

-计算外罩中的气体的实际声学响应信号X(f)的积分J，其中X(f)是气体的共振单独出现并且经过校正的实际曲线，换能器(5)、层(6)和外罩(1)的共振被去除；以及

-根据对表示具有已知压强和自然特性的气体的曲线J(P，c)的现有校准，还利用在前述步骤中得到的波速，来从积分J的计算得到气体的压强P。

2、根据权利要求1所述的方法，包括在系统(8)通过一系列瞬时脉冲激励换能器(5)的情况下的转换步骤，该转换步骤在频率的空间内，对来自换能器(5)的瞬时，电信号进行傅里叶变换。

3、根据权利要求1或2所述的方法，包括利用外罩(1)中的气体(2)的共振频率是周期性的性质的步骤，以提取密闭空间中的气体的共振频率。

4、根据权利要求1到3中任意一项中所述的方法，其中

-如果传感器包括工作于反射中的单个换能器(5)，气体中的声波的波速c通过如下得到：

c＝2DΔf

其中D为外罩的内尺寸，并且Δf是气体的两个共振频率之间的间隙，以及

-如果传感器包括工作在传输中的两个换能器(5)，一个换能器产生朝着外罩(1)传播的声波信号，另一个换能器检测响应声学信号，气体中的声波的波速c通过如下得到：

c＝DΔf。

5、根据权利要求1到4中任意一项中所述的方法，其中传感器的响应的积分J通过如下计算：

J＝∫FX(f)cos(2πfnT)df

其中T为气体的基本共振周期，n为所选择的谐波的次序，

其中F是传感器的灵敏度频宽，X(f)是气体的共振单独出现并且经过校正的实际曲线，换能器(5)、层(6)和外罩(1)的共振被去除，

J对压强敏感，该压强可以通过校准来获得。

6、根据权利要求1到5中任意一项中所述的方法，其中所述频带宽度为使得产生至少两个，优选地为10个左右的气体共振。

7、一种由声学传感器、包含气体(2)的外罩(1)组成的组件，当传感器连接到外罩上时，所述组件能够实现根据权利要求1到6所述的方法，

所述声学传感器包括：

-至少一个换能器(5)以用来

一方面，产生振动外罩(1)和气体(2)的声学信号，以及

另一方面，检测外罩和气体的振动的响应声学信号特性；

-接合层(6)，以将换能器(5)连接到外罩(1)；

-电系统(8)，其连接到换能器(5)，并且

一方面，激励所述换能器(5)，以及

另一方面，分析响应信号；

其特征在于，用于传输声学信号的所述声学传感器的频带具有宽度L：

$L\≥\frac{c}{D}$

其中c为在外罩的气体中的声波的波速，而D为外罩的内尺寸，

传输频带的中心为f₀，f₀为在测量过程中传感器所连接到的外罩(1)的壁(10)的自由振动频率。

8、根据权利要求7所述的传感器，其中接合层(6)具有：

-在0.510⁶和310⁶SI之间的声学阻抗，以及

-在0.4λ和0.6λ之间的声学厚度，其中λ是在接合层中在外罩(1)的壁(10)的自由振动频率处的波长。

9、根据权利要求7所述的传感器，其中接合层(6)具有：

-在310⁶和1510⁶SI之间的声学阻抗，以及

-在0.2λ和0.3λ之间的声学厚度，其中λ是在接合层中在外罩(1)的壁(10)的自由振动频率处的波长。

10、根据权利要求7至9中任意一项所述的传感器，其中换能器(5)为压电类型，声学厚度等于0.5λ，其中λ是在换能器中在外罩(1)的壁(10)的自由振动频率处的波长。

11、根据权利要求10所述的传感器，其中换能器(5)具有与外罩(1)同中心的形状。

12、根据权利要求7至11中任意一项所述的传感器，还包括换能器(5)的靠背(7)，该靠背物能够反射或吸收声学信号。

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