JP2010517025A - ハウジング内の気体圧力及び/又はモル質量の測定法と測定アセンブリ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はまた、請求項7のプレアンブル部分に係るアセンブリにも関する。
また、上記気体混合物のモル質量を求めたいという希望もあるかもしれない。
放射性トレーサ気体(例えば、クリプトン85など)の存在に基づく方法も使用することができる。しかし、この種の方法は、同一の放射性トレーサを含んだ管の束の一部である1本の管内の圧力を測定したい場合には適用することができない。
・音波の発生および/または戻り音波の受信を行う、少なくとも1つのトランスデューサ;
・音波を伝えるためのガラス棒;および
・燃料棒(以下、ロッドともいう)との該センサの液体結合層、この層はλ/4(λはロッドの壁面の音響厚みの2倍に対応)という所定厚みを有する。
しかし、上記センサは次の欠点を有する。
また、λ/4厚の液体結合層は、ロッド内の音波の良好な伝送が可能であるが、それはセンサとロッドにより形成されたスタックの共鳴周波数(共鳴振動数)付近の小さな周波数範囲内だけである。
また、WO00/73781は、FR2739925に開示されているのよりずっと小さな周波数領域において、ハウジングの振動を通して(FR2739925のように気体の振動ではなく)動作する遠隔センサ(FR2739925のように接触していない)によるハウジング特性決定(キャラクタリゼーション)法を開示している。
このために本発明により提案されるのは、請求項1に係る方法である。
本発明は有利には従属請求項2〜6において包含される特徴により完成される。
具体的には、本発明により提案されるのは、請求項7に係るアセンブリである。
本発明は有利には従属請求項8〜12において包含される特徴により完成される。
本発明の新規な「センサ−ハウジング」結合(カップリング)は、従来技術よりもずっと広いスペクトルバンド幅の音波の伝送を可能にするように考えられている。ハウジングと結合層とトランスデューサとにより形成された音響スタックは、広い周波数(振動数)帯域で振動することができる。好ましくは、このバンド幅は、現状の4MHz付近で振動するジルコニウム合金のハウジング壁面の場合で1MHz、即ち相対値で25%に達しなければならない。
本センサおよび関連する測定方法はスプリングを含んだハウジングについて測定が可能であり、この場合のこのスプリングの影響は単にさらなる減衰であると考えられる。
本センサおよび測定方法には多くの用途がある。
それらは、核燃料棒中の気体、特に主にヘリウム、キセノンおよびクリプトンの気体混合物中に含まれる気体、の圧力およびモル質量を非破壊的に測定することができる。この測定は、メンテナンス時期に燃料カラムの膨張室内で燃料棒の上部において行われる。
・多数の燃料棒を含むアセンブリ中の1つまたは複数の非シール状態の燃料棒を検出する;
・発電所アセンブリに対する燃料補給の決定を助ける;
・可逆的貯蔵前の決定を助ける;
・デジタルシミュレーションのための統計的支援基盤を増大させる。
本発明の他の特徴、目的および利点は、添付図面を参照しながら読まなければならない、例示のみを目的とし、制限を意図しない、以下の説明から明らかとなろう。
ハウジング1は、例えば燃料棒であり、気体2は、例えばヘリウムまたは気体混合物である。
従って、ハウジングに結合されたセンサは、一方ではセンサと他方ではハウジングとにより構成されたアセンブリを形成する。
この音響センサは、下記を備える:
・ハウジングおよび気体を振動させる音響信号を発生させると共に、気体およびハウジングの振動に固有の音響応答信号を検出するためのトランスデューサ5、
・トランスデューサ5とハウジング1との間の結合層(カップリング層)6、
・トランスデューサ5に接続され、該トランスデューサの励起と応答信号の解析が可能な電気システム8。
しかし、ハウジングは、例えば、平行平面のような、任意の筒状形状をとることができる。
トランスデューサ5は、裏面材7を備えることができる。音響信号に対する反射または吸収能を有する裏面材7は、センサの音響特性に影響を及ぼす。共鳴性の裏面材の使用は、センサのスペクトル使用帯域を妨害してはならない。
この調和は、音波が層6を通過する走行時間に従って規定される。
T10=ehousing/chousingであり、ここでehousingおよびchousingはそれぞれ該壁面の厚みおよび該壁面内の音波の伝わり速度である。この壁面の最初の自由共鳴時間は2T10となる。この共鳴をλ/2モードと呼ぶ。
結合層(カップリング層)6の厚みもT10から決められる。いくつかの場合が考えられる。
走行時間T6が水中でのT10/2(λ/4と呼ぶ厚み)(Z=1.5×106SI)に等しい場合は、FR2739925に開示されたセンサに対応する。これは「狭帯域」システムである。
換言すると、本音響センサは、音響信号の伝送に対するその周波数バンドの幅Lが次式を満たすことを特徴とする。
Dはハウジングの内寸であり、
伝送周波数バンドはf0を中心とし、ここでf0は、測定f0時にセンサが結合されるハウジングの壁面の自由振動の周波数である。
システム8は、電圧発生器と共に、周波数V(f)またはその電圧パルスに対する時間的応答V(t)に応じてセンサにより供給された電圧を測定する手段を備える。これらの測定値により、図4に関して次に述べるように、ハウジング内の気体の圧力およびモル質量を求めることが可能となる。
上記2工程から得られたスペクトルの処理は、その後は図4に示すように共通である。
センサの全体的な応答(反応)は、気体2の共鳴およびハウジング1に結合された音響センサの共鳴から構成される。
工程44では、(図3Bに示すように)トランスデューサ5、層6およびハウジング1の共鳴が除去され、気体の共鳴が単独に見えるように整流(矯正)された実曲線X(f)を得るために、図2の複素周波数スペクトルについて数学的変換を行う。気体の共鳴の可変性の位相を補正するにはセンサのスペクトル応答のこのデジタル処理が必要である。1つの可能な処理は、V(f)から変動の遅い部分を減じて取り除き(例えば、時間的空間を縮小することにより)、ついで信号のモジュールを取得することからなる。
c=2DΔf
式中、Dは円筒形回転ハウジング場合のハウジングの内径である。平行な2平面を持つハウジングの場合は、Dはハウジングの2つの壁面間を音波が横断する時の内寸になると考えればよい。
c=DΔf。
上の関係は理想気体に対して有効である。複数気体の混合物の場合、実在気体式(the equation of real gases)から得られた補正を導入することができる。
M=xMXe+(1−x)MHe
式中、MXeおよびMHeはそれぞれキセノンおよびヘリウムの原子質量である。
図3Bの応答X(f)について認められた気体共鳴の振幅は、ハウジング1内の気体の音響インピーダンスに比例するので、次に説明する工程を用いて圧力を導出することが可能である。
cは気体の伝わり速度、
i2=−1
Dはハウジングの内寸である。
共鳴に対して、気体の音響インピーダンスの積分Iは、気体の吸収(吸音)に依存しないという特性を有する。実際、それは次のように表される。
センサは較正を必要とするので、この大きさは正確にわからなくてもよい。センサが幅Fのウインドウ内で感受性であって、感度がSに等しい一定となる理想的な場合には、
STG=m/S
となり、ここでmはウインドウ中に存在する共鳴の数である。
pV=nRT、
ρ=nM/V
であるので、それから次式が成立する。
理想的には、STG測定は気体の圧力に比例する。広帯域センサを持つという要求は、積分ウインドウ内の共鳴の数を多くし、積分を安定化させるために必要である。
n=1の場合が最も望ましい。
この積分はP/cに比例し、定数χがわかれば圧力Pの測定が可能となる。
また、積分Jの理論的および実験的検討は、前述した推論は第一次近似にすぎないことを示す。積分Jは実際に気体の吸収(吸音)にいくらか依存し、それにより関数J(P)は非線形(非直線)となる(図5を参照)。関数J(P)は、高圧(100バール前後)では準線形となるが、低圧(<20バール)では気体が非常に吸収性であるため、システムの応答は消失する。
Claims (12)
- 下記工程を含む、気体(2)で満たされたハウジング(1)についての少なくとも1つの物理的パラメータを、少なくとも1つのトランスデューサ(5)、このトランスデューサ(5)に接続された電気システム(8)およびトランスデューサ(5)を前記ハウジング(1)に結合するための結合層(6)を備えた音響センサを用いて測定する方法であって、
・該トランスデューサ(5)を用いて、ハウジング(1)および気体(2)を広い周波数帯域内で振動させる励起音響信号を発生させ、
・前記ハウジングおよび気体の振動に固有の応答音響信号を、トランスデューサ(5)により検出し、
・電気システム(8)を用いて、トランスデューサ(5)からの応答電気信号を解析する、
前記方法は、システム(8)を用いた下記工程をさらに含むことを特徴とする:
・気体(2)の全ての共鳴周波数を求めるために、トランスデューサ(5)から得られた電気応答信号の振幅を測定し、
・センサの複数の共鳴周波数から気体の共鳴周波数を抽出し、
・少なくとも2つの気体共鳴周波数の間のギャップを測定し、
・該気体の測定に基づいて、該気体中での音波の伝わり速度cを導出し、
・次式により該気体のモル質量Mを算出し、
・ハウジング内の気体の実音響応答信号X(f)の積分Jを算出し、ここでX(f)はトランスデューサ(5)、層(6)およびハウジング(1)の共鳴が除去され、気体の共鳴が単独に見えるように矯正された実曲線であり、そして
・やはり先の工程で導出された伝わり速度を用いて、既知の圧力および性質を持つ気体についての曲線J(P,c)を表す事前の較正により、積分Jの計算値から該気体の圧力Pを導出する。 - システム(8)が一連の時間的パルスによりトランスデューサ(5)を励起する場合に、該周波数の空間内で、トランスデューサ(5)からの時間的電気信号のフーリエ変換による変換工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 該囲い内の気体の共鳴周波数を抽出するために、ハウジング(1)内の気体(2)の共鳴周波数が周期的であるという特性を用いる工程をさらに含む、請求項1または2に記載の方法。
- センサが反射状態で機能する単一のトランスデューサ(5)を備える場合に、該気体中での音波の伝わり速度cが次式により導出され:
c=2DΔf
式中、Dはハウジングの内寸であり、Δfは気体の2つの共鳴周波数間のギャップであり、そして
センサが、一方のトランスデューサはハウジング(1)に向かって広がる音響信号を発生させ、他方のトランスデューサは応答音響信号を検出する、透過状態で機能する2つのトランスデューサ(5)を備える場合には、該気体中での音波の伝わり速度cが次式により導出される:
c=DΔf
請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 - 周波数バンド幅が、少なくとも2つ、好ましくは10前後の気体の共鳴を発生させるようなものである、請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 音響センサと気体(2)を含んだハウジング(1)とから構成され、該センサを該ハウジングに結合させると請求項1〜6のいずれかに記載の方法を実施することができるアセンブリであって、
該音響センサは下記を備え:
・ハウジング(1)および気体(2)を振動させる音響信号を発生させると共に、該ハウジングおよび該気体の振動に固有の応答音響信号を検出するための少なくとも1つのトランスデューサ(5)、
・トランスデューサ(5)をハウジング(1)に結合させるための結合層(6)、
・トランスデューサ(5)に接続された、該トランスデューサ(5)を励起させると共に、前記応答信号の解析を行うことができる電気システム(8)、
該音響センサが、音響信号の伝送に対するその周波数帯域の幅Lが次式を満たし、
この伝送周波数帯域は、f0を中心とし、ここでf0は、測定中に該音響センサが結合されるハウジング(1)の壁面(10)の自由振動周波数であることを特徴とするアセンブリ。 - 結合層(6)が下記を有する、請求項7に記載のセンサ:
・0.5×106〜3×106SIの範囲内の音響インピーダンス、および
・0.4λ〜0.6λの範囲内の音響厚み、ここでλは、ハウジング(1)の壁面(10)の自由振動周波数における結合層内での波長である。 - 結合層(6)が下記を有する、請求項7に記載のセンサ:
・3×106〜15×106SIの範囲内の音響インピーダンス、および
・0.2λ〜0.3λの範囲内の音響厚み、ここでλは、ハウジング(1)の壁面(10)の自由振動周波数における結合層内での波長である。 - トランスデューサ(5)が、音響厚みが0.5λに等しい圧電型のものであり、ここでλは、ハウジング(1)の壁面(10)の自由振動周波数におけるトランスデューサ内での波長である請求項7〜9のいずれかに記載のセンサ。
- トランスデューサ(5)がハウジング(1)と同心の形状を有する、請求項10に記載のセンサ。
- トランスデューサ(5)の支持裏面材(7)をさらに備え、この裏面材は音響信号の反射または吸収能を有する、請求項7〜11のいずれかに記載のセンサ。
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