CN108431558A

CN108431558A - 通过光反射测量计测量液位的装置、包括该装置的结构和对应的测量方法

Info

Publication number: CN108431558A
Application number: CN201680056249.1A
Authority: CN
Inventors: 若瑟兰·佩里塞; 让-雷纳尔德·马塞; 西尔万·吉拉尔; 埃马纽埃尔·马林; 塞蕾娜·里佐洛; 阿齐兹·布肯特尔; 约瑟夫·欧埃尔达内
Original assignee: Jean Mona Saint Etienne University; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Framatome SA
Current assignee: Jean Mona Saint Etienne University; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Areva NP SAS; Universite Jean Monnet Saint Etienne; Areva SA
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-08-21
Also published as: WO2017021458A1; FR3039891A1; FR3039891B1

Abstract

本发明涉及一种测量装置，其包括：至少一根光纤(15)；光源(17)；以及分析仪(19)，其用于分析由光纤(15)反向散射的光辐射并且由此推断出液体相对于底部(9)的液位。测量装置(1)包括浮在液体的自由表面(13)处的浮子(21)，该浮子(21)包括其中以滑动的方式容纳至少一根或每根光纤(15)的通道(23)，光纤(15)的、接合在通道中的部分(25)被夹紧或偏转。

Description

通过光反射测量计测量液位的装置、包括该装置的结构和对应的测量方法

技术领域

本发明总体上涉及核设施中的液位测量，特别是废燃料组件的储存池的液位测量。

更具体地说，根据第一方面，本发明涉及一种通过光反射测量计测量液位的装置，其用于核设施的、含有一定量的液体的结构，该一定量的液体由底部和自由表面界定，测量装置包括：

-至少一根光纤，其被设置为穿过自由表面浸在液体中；

-光源，其将光辐射送入光纤中；

-分析仪，其被设置为用于分析由光纤反向散射的光辐射并由此推断出液体相对于底部的液位。

背景技术

JP2014-41023描述了这样一种装置。该装置包括与一定量的液体之间流体静力平衡的测量井。光纤被浸入填充该井的液体中。

这样的设置是复杂的，并且难以在现有的设施上实现。

发明内容

在这种情况下，本发明旨在提出一种更容易实现的测量装置。

为此，本发明涉及上述类型的测量装置，其特征在于所述测量装置包括浮在液体的自由表面上的浮子，所述浮子包括其中滑动地容纳至少一根或每根光纤的通道，光纤的、接合在通道中的部分被夹紧或偏转。

这样的测量装置可以容易地安装在现有设施中，例如安装在池中。

此外，单独地或根据任何技术上可能的组合考虑，测量装置可以具有一个或多个下述特征：

-测量装置包括被设置为穿过自由表面浸在液体中的增稳管，浮子在增稳管内漂浮；

-通道被设置为使得光纤的、接合在通道中的部分形成至少45°的圆弧，优选至少180°的圆弧；

-通道被设置为使得光纤的、接合在通道中的部分形成至少半S形，并优选形成一个或多个S形；

-测量装置包括至少两根光纤，其中一根光纤涂覆有丙烯酸酯涂层，而另一根涂覆有聚酰亚胺或金属涂层；

-分析仪是OFDR(光频域反射测量计)类型或OTDR(光时域反射测量计)类型；

-分析仪被设置为用于确定作为由光纤反向散射的光辐射的函数的、沿光纤的机械应力曲线，并根据所述曲线计算自由表面相对于底部的位置；以及

-光纤能够承受超过1MGy、优选5MGy的辐射。

根据第二方面，本发明涉及一种核设施的、含有一定量的液体的结构，一定量的液体由底部和自由表面界定，所述结构还包括通过反射测量计测量液位的测量装置，所述测量装置包括：

-至少一根光纤，其穿过自由表面浸在液体中；

-光源，其将光辐射送入光纤中；

-分析仪，其被设置为用于分析由光纤反向散射的光辐射并由此推断出液体相对于底部的液位，

测量装置包括浮在液体的自由表面上的浮子，所述浮子包括其中滑动地容纳至少一根或每根光纤的通道，光纤的、接合在通道中的部分被夹紧或偏转。

通过反射测量计测量液位的测量装置通常根据本发明的第一方面。

根据第三方面，本发明涉及一种通过光反射测量计进行液位测量的测量方法，其用于核设施的、含有一定量的液体的结构并且使用上述测量装置，所述测量方法包括下述步骤：

-使至少一根或每根光纤穿过自由表面浸在液体中，浮子浮在液体的自由表面上，至少一根或每根光纤滑动地容纳在浮子的通道中，光纤的、接合在通道中的部分被夹紧或偏转；

-将光辐射从光源送入光纤中；

-分析由光纤反向散射的光辐射并由此推断出液体相对于底部的液位。

此外，测量方法还可以具有下述特征：

-通过确定作为由光纤反向散射的光辐射的函数的、沿光纤的机械应力曲线并计算作为所述曲线的函数的、自由表面相对于底部的位置来推断出液体相对于底部的液位。

附图说明

将通过下面参照附图、供参考且非限制性地提供的本发明的详细描述得出本发明的其他特征及优点，其中：

图1示出装配有根据本发明的通过反射测量计测量液位的测量装置的、核反应堆的废燃料组件的储存组件；

图2和图3各自示出针对OTDR和OFDR类型的分析仪的、通过光纤朝向分析仪反向散射的信号，该信号是沿光纤的距离的函数；以及

图4是根据本发明的一种替代实施方式的浮子的简化的示意图。

具体实施方式

测量装置1用于被设置于核设施的结构3中，该结构3是图1中的废燃料组件的储存池5。该结构包括一定量的液体7。该一定量的液体由底部9和侧壁11界定，并且向上具有自由表面13。

测量装置1被设置为用于测量液位，该液位对应于沿着从底部9到自由表面13的垂直方向考虑的液体高度。

在废燃料储存池的情况下，液体通常为水。

测量装置1可用于测量核反应堆的其他结构(例如其他池或桶)的液位。它也可用于核反应堆之外的设施中设置的结构，例如，废燃料组件的再处理设备或任何其他燃料循环设施。

液体不一定是水，也可以是任何种类的水性或非水性液体。

如图1所见，测量装置1包括被设置为穿过自由表面13浸在液体7中的至少一根光纤15、将光辐射送入至少一根或每根光纤15中的光源17以及分析仪19。

因此，每根光纤15具有浸没在一定量的液体中的部分和在自由表面13上方伸出的露出部分。每根光纤15延伸到底部9或基本上延伸到底部9。

分析仪19被设置为用于分析在每根光纤15的每个节点处被反向散射的光辐射并由此推断出沿光纤的机械应力水平和液体相对于底部9的液位。

分析仪19是OFDR(光频域反射测量计)类型。可替代地，分析仪是OTDR(光时域反射测量计)类型。

光源是激光器17或适用于OFDR技术、或者在可用时适用于OTDR技术的任何其他光源。

OFDR技术是已知的，并且在此仅作简要描述。来自光源17的光辐射由干涉仪的两个臂(即，参考臂和测量臂)之间的第一耦合器分配。测量臂光学地连接至光纤15并将光辐射传送至光纤15。安装在测量臂上的第二耦合器分割该光辐射以查询光纤15的长度。光纤15在测量分支中使光辐射返回，该光辐射在此称为反向散射的光辐射。第二耦合器将该反向散射的光辐射的一部分引导到参考臂中。安装在参考臂上的第三耦合器将光源17发射的光辐射与反向散射的光辐射重新结合。偏振分光器和偏振控制器均被安装在参考臂中，它们用于在两个正交的偏振态之间均等地分割重新结合的光辐射。然后，由检测器记录反向散射的光辐射与这两个偏振态之间的干涉。分析仪19可以基于光源17发射的光辐射的波长测量光纤15的每个节点处的复反射系数。通过该复反射系数，反射光谱作为频率的函数进行计算。通过对散射光谱应用傅里叶变换来计算作为光纤长度的函数的反射率。使用基于两个偏振态检测到的数据来执行参考测量结果和实际情况下的测量结果之间的互相关分析。这种互相关分析由于分析仪19中的定标和设置的列表而给出了所施加的应力或温度的测量结果。

由光纤15反向散射的光辐射是由沿着光纤15的长度的局部且随机的波动引起的。对于给定的光纤，作为距离的函数的光纤的特征是确定的性质。这里，作为距离的函数的特征是指由光纤的每个节点反向散射的光辐射的光谱。每根光纤都有其自己的特征。由外部刺激(例如温度变化或局部机械应力)引起的折射率的局部变化致使光纤的特征以通过经受外部刺激的光纤的部分反向散射的光辐射的光谱移位的形式变化。如果分析仪是OFDR类型，则其具有校准表，从而能够通过光谱移位推断出应力或温度变化的幅值。分析仪19将该分析与行程测量时间结合起来，由此可以连续或准连续地沿整个光纤测量温度或应力。

通常，在参考情况下(处于环境温度下和停机时，即，没有机械应力施加到光纤上)，光纤的参考特征作为距离的函数进行测量。该参考特征由分析仪19存储。接下来，通过分析仪19在实际情况下测量作为距离的函数的光纤特征。接下来，使用分析仪19通过在光纤的整个长度上执行互相关分析来比较来自这两个测量结果的色散谱，该整个长度被分成单位长度。由于互相关分析，测出了这两个信号之间的相似程度，这可以获得施加于光纤上的干扰的位置和定量。操作人员选择单位长度作为要考虑的光纤的长度及其他参数(例如，传感器的使用条件)的函数。

如果在实际情况下相对于光纤的某一节点处的参考情况修改了测量装置的外部参数(温度、机械应力)，则将该变化记录为由这一节点处的互相关分析所得到的波长的偏移。偏移幅值是外部参数的修改幅值的函数。分析仪19通常在存储器中包括列表，从而可以确定作为波长偏移的函数的、外部参数的修改幅值。

分析仪19通常分析光纤的瑞利光谱散射特征。如果分析仪19是OTDR类型并且不是OFDR型，则使用瑞利特征来表明光损耗沿光纤的分布。在光纤的某一节点处施加的机械应力有助于增大这些光损耗。分析仪19被设置为用于通过检测局部产生的过大损耗来检测应力的施加位置。

可替代地，分析仪19分析布里渊光谱特征。

有利地，分析仪19和光源17装载在与液体体积分离的测量位置20处。因此，分析仪19被定位在与一定量的液体7所在位置不同的位置处。例如，该位置位于其他建筑中，或者是与一定量的液体7所处建筑相同的建筑中的某一个位置。

测量装置1还包括浮在液体的自由表面13上的浮子21，该浮子21包括其中滑动地容纳至少一根或每根光纤的通道23。光纤的、接合在该通道23中的部分25被夹紧或偏转。

在图1的示例性实施方式中，光纤的、接合在通道23中的部分25被偏转。这意味着其不具有直线形状，该直线形状对应于参考情况。

相反，部分25采取通道23的形状。

为了产生容易检测的波长偏移，通道23被设置为使得光纤的部分25形成至少45°、优选至少90°、更优选至少180°的圆弧。

在所示的例子中，通道23被设置为使得光纤的、接合在该通道中的部分25为S形。因此，部分25包括两个圆弧形部分，其各自以相反的弧线延伸超过180°。

此外，光纤15被设置为具有不浸没在一定量的液体7中的上部分27和浸没在一定量的液体7中的下部分29。所述部分27和29通过部分25彼此连接。

测量装置1还包括刚性支撑件31，其刚性地紧固到结构3的土木工程或刚性地紧固到固定在该土木工程上的底架上。光纤的非浸没部分27通过其上端部33从刚性支撑件31悬挂下来。例如，上端部33通过中间光纤35连接至光源17和分析仪19。

浸没部分29具有优选被定位为与底部9齐平的下端部37。镇重部39紧固至端部37上，以将浸没部分29保持为处于基本垂直的取向。

测量装置1有利地包括增稳管41，其被设置为穿过自由表面13浸在液体中，浮子21在增稳管内漂浮。

光纤15也定位在增稳管41内。增稳管41垂直取向。例如，增稳管41刚性地紧固至结构31上。

即使波浪在增稳管外部的自由表面13上传播，增稳管41也可以在浮子周围获得恒定液位。这有助于获得可靠的测量结果。

测量装置1通常包括多根光纤15。在这种情况下，浮子21包括彼此相同且彼此分离的多个通道23。每个通道23滑动地容纳其中一根光纤的一部分。

可替代地，多根光纤接合在同一个通道中。

例如，测量装置包括至少两根光纤15，并且通常包括四根光纤15。

有利地，每根光纤15被选择为承受高强度的辐射和温度。通常，光纤15中至少一根涂覆有丙烯酸酯涂层，并且至少另一根光纤涂覆有聚酰亚胺和/或金属涂层。例如，一根光纤涂覆有耐高温的丙烯酸酯涂层，并且三根光纤涂覆有聚酰亚胺和/或金属涂层。

因此，光纤15可以承受超过150℃的温度、超过1MGy的辐射，优选承受超过5MGy的辐射，更优选承受超过10MGy的辐射。承受的意思是光纤作为应力传感器在它们的性能没有显著恶化的情况下保持可用。

图2示出针对OTDR分析仪的、由每根光纤15反向散射至分析仪19的信号，该信号为沿光纤15的位置的函数。该信号表示在光纤的每个节点处引起的光损耗的程度，特别是由施加在空气和水的交界面处的应力引起的光损耗。图2示出的曲线在左边部分示出第一平台，该第一平台对应于光纤的、位于自由表面13上方的部分27，并且可选地对应于光纤35。

该曲线在右边部分具有第二平台，该第二平台对应于光纤15的、浸没在液体中的部分29。

两个平台通过形成突出部(表示成V)的区域连接，由分析仪19获得的信号在该区域中作为沿光纤的位置的函数快速地变化。该区域对应于光纤的、接合在浮子的通道23中的部分25。该部分受到机械应力，引起可容易地被分析仪19检测到的显著的光损耗，因为其为了适应通道23的形状而受到变形。

图3示出了针对OFDR分析仪的、每根光纤15到分析仪19的应力水平，该应力水平为沿光纤15的位置的函数。该信号除了几处不同之外与图2的信号类似。两个平台基本上处于相同的应力水平。

分析仪19被设置为用于确定作为光纤反向散射的光辐射的函数的、沿至少一根或每根光纤15的机械应力，并由此推断出自由表面13相对于底部9的位置。

为此，分析仪19被设置为用于确定作为光纤反向散射的光辐射的函数的、针对信号沿光纤的快速变化的区域V的位置。

分析仪19被设置为用于计算作为上述位置的函数的、自由表面13相对于底部9的位置。

为此，分析仪被设置为用于确定参考点与信号的快速变化区域之间沿光纤15的距离。该参考点通常是光源17。在图2中，例如，x轴的原点对应于光源17。

分析仪19被设置为用于由此推断出液体相对于底部的液位。为此，分析仪19被设置为用于获得沿光纤15并且可选地沿中间光纤35的、将光源17和光纤的下端部37分开的长度与先前确定的距离之间的差值。该长度是记录在分析仪的存储器中的基准。可选地校正该结果，以便在下端部37与底部不齐平的情况下考虑光纤的下端部37与底部9之间的距离。

现在将描述使用根据本发明的测量装置进行液位测量的方法。

考虑了测量装置位于一定量的液体外部的初始状态。

在第一步骤期间，使至少一根或每根光纤15穿过自由表面13浸在液体中，将浮子放置成浮在液体的自由表面13上，至少一根或每根光纤15滑动地容纳在浮子21的通道23中。

在放置光纤和浮子之前或之后放置增稳管41。

将光纤的非浸没部分27的上端部33连接至刚性支撑件31。也将增稳管41连接至支撑件31。

光纤15设置为使得非浸没部分27和浸没部分29基本上垂直。镇重部39保持下端部37与底部9齐平，并且确保一定的垂直张力，使得光纤15是直线形的并且允许浮子21随液体的自由表面13的运动沿光纤自由地滑动。

然后，光源17将光辐射送入至少一根或每根光纤15。通过分析仪19分析由至少一根或每根光纤15反向散射的光辐射，这样由此推断出液体相对于底部9的液位。

为此，分析仪19首先确定作为由至少一根或每根光纤15反向散射的光辐射的函数的、沿至少一根或每根光纤15的机械应力分布。接下来，分析仪19使用机械应力曲线确定每根光纤的、接合在通道23中的部分25沿光纤的位置。为此，分析仪确定光纤中机械应力非常快速地变化的区域。接下来，其确定沿光纤15并且可选地沿中间光纤35的、将部分25与光源分开的距离。

分析仪由此通过获得光源17和下端部37之间沿光纤15和35的总长度与前面确定的距离之间的差值而推断出液体相对于底部9的液位。

光纤的下端部37可以不被定位为完全与底部9齐平。在这种情况下，校正前面计算的距离，以考虑下端部37相对于底部的高度。

根据图4所示的一种替代实施方式，光纤的、接合在通道23中的部分25不偏转，而是被为此设置并安装在浮子21上的构件按压。例如，如图3所示，部分25卡在旋转地安装在浮子21上的两个辊41之间，这两个辊41在浮子21垂直移动时沿光纤滚动。两个辊41在它们之间夹紧光纤并因此在部分25处产生应力。

上述测量装置和测量方法具有多个优点。

首先，由于测量装置包括浮在液体的自由表面上的浮子，并且该浮子包括其中滑动地容纳光纤的一部分的通道，因此测量装置在结构中的设置非常简单。浮子随液体的自由表面而移动，这使得光纤在通道中滑动，被夹紧或变形的部分因此随液位而变化。因此，测量装置可以容易地安装在现有设施中，而无需改变土木工程。将测量装置集成到结构中并不是十分困难的。

电子设备、特别是分析仪可以容易地放置在距一定量的液体一定距离处的位置。因此，在引起结构内部温度升高和/或一定量的液体上方的大气中的湿度水平升高和/或一定量的液体上方的电离辐射升高的意外情况下，分析仪不受影响。

因此，在使得液体的温度达到100℃的结构内的意外大气温度、液体上方的大气中的湿度达到100％并且测量装置的位于结构内部的元件暴露于大于1MGy、优选大于5MGy、更优选大于10MGy的累积剂量的情况下，测量装置仍保持可用。

这样的设置还可以满足标准CEI60068和CEI69180的抗震要求。这种设置还可以满足RCC-E(核岛电气设备设计和建造规则)的规定。

此外，测试表明，测量装置能够以大约厘米级的精度确定相对于底部的液位。

分析仪可以是多路的，并且可以分析来自多根光纤的信号，该多根光纤不一定浸在相同液体中。

Claims

1.一种用于通过光反射测量计测量液位的测量装置(1)，其用于核设施的、含有一定量的液体(7)的结构(3)，一定量的液体(7)由底部(9)和自由表面(13)界定，所述测量装置(1)包括：

-至少一根光纤(15)，其被设置为穿过所述自由表面(13)浸在所述液体中；

-光源(17)，其将光辐射送入所述光纤(15)中；

-分析仪(19)，其被设置为用于分析由所述光纤(15)反向散射的光辐射并由此推断出所述液体相对于所述底部(9)的液位，

所述测量装置(1)的特征在于其包括浮在所述液体的所述自由表面(13)上的浮子(21)，所述浮子(21)包括其中滑动地容纳所述至少一根或每根光纤(15)的通道(23)，所述光纤(15)的、接合在所述通道中的部分(25)被夹紧或偏转。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置(1)包括增稳管(41)，其被设置为穿过所述自由表面(13)浸在所述液体中，所述浮子(21)在所述增稳管(41)内漂浮。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述通道(23)被设置为使得所述光纤(15)的、接合在所述通道(23)中的所述部分(25)形成至少45°的圆弧，优选至少180°的圆弧。

4.根据前述任一项权利要求所述的测量装置，其特征在于，所述通道(23)被设置为使得所述光纤(15)的、接合在所述通道(23)中的所述部分(25)形成为至少半S形，并优选形成为一个或多个S形。

5.根据前述任一项权利要求所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置(1)包括至少两根光纤(15)，其中一根光纤涂覆有丙烯酸酯涂层，而另一根涂覆有聚酰亚胺或金属涂层。

6.根据前述任一项权利要求所述的测量装置，其特征在于，所述分析仪(19)是OFDR光频域反射测量计类型或OTDR光时域反射测量计类型。

7.根据前述任一项权利要求所述的测量装置，其特征在于，所述分析仪(19)被设置为用于确定作为由所述光纤(15)反向散射的光辐射的函数的、沿所述光纤(15)的机械应力曲线，并计算作为所述曲线的函数的、所述自由表面(13)相对于所述底部(9)的位置。

8.根据前述任一项权利要求所述的测量装置，其特征在于，所述光纤(15)能够承受超过1MGy、优选5MGy的辐射。

9.一种核设施的、含有一定量的液体(7)的结构(3)，一定量的液体(7)由底部(9)和自由表面(13)界定，所述结构(3)还包括通过反射测量计测量液位的液位测量装置(1)，所述测量装置(1)包括：

-至少一根光纤(15)，其穿过所述自由表面(13)浸在所述液体中；

-光源(17)，其将光辐射送入所述光纤(15)中；

所述结构(3)的特征在于，所述测量装置(1)包括浮在所述液体的所述自由表面(13)上的浮子(21)，所述浮子(21)包括其中滑动地容纳所述至少一根或每根光纤(15)的通道(23)，所述光纤(15)的、接合在所述通道中的部分(25)被夹紧或偏转。

10.一种通过光反射测量计进行液位测量的测量方法，所述方法用于核设施的、含有一定量的液体(7)的结构并且使用根据权利要求1至8中任一项所述的测量装置，所述测量方法包括下述步骤：

-使所述至少一根或每根光纤(15)穿过所述自由表面(13)浸在所述液体中，所述浮子(21)浮在所述液体的所述自由表面(13)上，所述至少一根或每根光纤(15)滑动地容纳在所述浮子(21)的所述通道(23)中，所述光纤(15)的、接合在所述通道中的所述部分(25)被夹紧或偏转；

-将光辐射从所述光源(17)送入所述光纤(15)中；

-分析由所述光纤(15)反向散射的光辐射并由此推断出所述液体相对于所述底部(9)的液位。

11.根据权利要求10所述的测量方法，其特征在于，通过确定作为由所述光纤(15)反向散射的光辐射的函数的、沿所述光纤(15)的机械应力曲线并计算作为所述曲线的函数的、所述自由表面(15)相对于所述底部(9)的位置来推断出所述液体相对于所述底部(9)的液位。