JP2014529065A - 有害環境において作動し、光学的移動測定モジュールを有する変形測定センサとこのセンサを用いた計測システム - Google Patents

Abstract

有害環境において作動し、光学的移動測定モジュールを有する変形計測センサとこのセンサを用いた計測システムである。このセンサ（２）は、開口部（１４）を含む格納手段（１２）；例えば核燃料棒などの変形し得る対象物（４）と接触させられる第１の面（２２）と、反射性を有し、開口部を通って格納手段内部に延伸する第２の面（２４）とを有する可動要素（１６）；この要素と格納手段との間における戻り作用を実施する、封止された、弾性を有する連結構成要素（１８）；および格納手段の内部においてこの要素の第２の面によって反射される光（３０）を用いて干渉光（３６）を生成するためのモジュール（２０）を備える。対象物が変形することによって干渉光が変形し、これが変形を表わすものである。【選択図】図１

Description

本発明は、有害環境において作動可能であり、光学的移動測定モジュールを有する変形測定センサに関する。

このセンサによってリアルタイムに原位置さらには（例えば圧力および／または温度が高い液体内あるいは中性子およびガンマ光子束に晒されている区域内などの）過酷な使用条件下において（例えば温度、圧力、ガンマ照射による加熱または摩耗などの）多様な負荷を受ける対象物の変形現象を計測することが可能となる。

このセンサは、特に原子力および石油化学分野などの様々な産業分野において適用される。例えば原子力分野においてこのセンサは照射装置に置かれた燃料棒のクラッディングの膨張を計測するために用いられる。しかしながら例えば中性子束に晒される燃料棒の伸長の計測など、別の種類の変形を計測するためにも適合されるものである。

実際、数多くの産業システムにおいて特定の構成要素が自身の変形に繋がり得る、多様な負荷を受けることがある。例えば、増加する中性子束に晒される核燃料棒の膨張は、自身の直径の１０％に及び得る。

変形が顕著すぎる場合、これらの構成要素は作動しなくなる可能性があり、さらには破壊されることもある。したがって、特に通常の作動条件に戻ることによって（例えば膨張などの場合には）変形現象の消滅につながったり、あるいは（例えば構成要素の摩耗の場合には）その現象に関する全体的な情報しか得られなかったりするため、その変形をリアルタイムに計測ができることが有益となる。

（光線と相互作用する）ファブリー・ペロー干渉計を使用する変形センサは、公知である。一方、光線を反射するための表面の（センサと共に用いられる光ファイバの軸に沿った）配置とこの種のセンサによって得られる変形計測の程度（求められる数値（０．１ｍｍから数ｍｍ）よりも少なくとも１０倍低いもの）とでは、前述の適用、すなわち照射下における核燃料棒の膨張を計測するために使用することはできない。

本発明の目的は、これらの欠点を解消することにある。

計測は、外部環境から絶縁されている格納手段内に配置されている光学的モジュールによって実施されるリアルタイム干渉法に基づいている。

正確には、本発明は有害環境において作動可能である変形計測センサに関するものであって、当該センサは：
・開口部を含む格納手段と、
・対向する第１の面および第２の面を有し、前記第１の面および前記第２の面と交わる第１の軸に沿って前記格納手段に対して可動である可動要素であって、該第１の面は変形しやすい対象物と接触させるためのものであり、該第２の面は、格納手段の開口部を通ってその内部に延伸して入射光を反射することが可能なものである可動要素と、
・前記可動要素と前記格納手段との間における戻り作用を実施する、封止された、弾性を有する連結構成要素と、さらには
・前記格納手段の内部に配置され、前記可動要素の前記第２の面によって反射される補助光を用いて前記第１の軸に対して平行ではない第２の軸に沿って干渉光を生成するための光学的モジュールと
を備え、対象物が変形することによって干渉光が変形し、これが変形を表わすことを特徴とするものである。

本発明の主題である変形計測センサの好ましい実施例において前記第１の軸と前記第２の軸とが垂直である。

前記光学的モジュールは、半反射ミラーと反射面とを有し、これらが前記可動要素の第２の面と協働してマイケルソン型干渉計を形成することが好ましい。

本発明の好ましい実施例において前記計測センサは、可動要素と格納手段との間において連結ベローズを有する。

この場合、前記変形計測センサは、格納手段内外の圧力を均等にするためにガスを用いて格納手段を加圧する装置をさらに有することが好ましい。

好ましい実施例において、前記変形計測センサは、格納手段に対して封止される形で連結され、第２の軸に沿って延伸して干渉光と補助光の循環を可能にし、光学的モジュールによって干渉光を生成するための第１の管をさらに有する。

この場合、前記変形計測センサは、補助光と干渉光とを伝達するために第１の管内へと延伸する光ファイバをさらに有することが好ましい。

前記光ファイバの一部は、第１の管内へ湾曲することによってその内部において伸縮ループを形成することが好ましい。

前記加圧装置は、
・前記第１の管に対して封止される形で連結され、第１の管を介して格納手段に対してガスを供給するための第２の管と、
・前記第２の管に搭載され、格納手段の封止状態が失われた場合に有害環境の通過を防止するための逆止め弁と
を有することが有利である。

さらに、前記変形計測センサにおいて光ファイバと第１の管の内壁との間で第１の管および第２の管の連結区域に対して格納手段に対向するように封止手段を設け、格納手段の封止状態が失われた場合に有害環境の通過を防止するようにしてもよい。

本発明は、さらに対象物の変形を計測するためのシステムに関し、当該システムは：
・本発明の主題である変形計測センサと、
・補助光源と、さらに
・変形を判定するために干渉光を処理するための装置と
を備えるシステムである。

本発明の主題であるセンサによって例えば膨張などの半径方向における変形を計測することが可能となる。このセンサは、高圧および高温条件下においても作動することが可能である。また、このセンサによっておよそ１０μｍの精度において０．１ｍｍから数ｍｍの範囲における変形を計測することが可能となる。

本発明の主題である変形計測センサの特定の実施例を示す概略長手方向断面図である。 図１において示される変形計測センサを用いて本発明の主題である変形計測システムの例を示す概略図である。

本発明は、添付図面を参照しつつ以下の単に例として示されるものであっていかなる意味でも限定的でない実施例の説明を読むことによってよりよく理解されるものである。

図１において概略的に示されている本発明の一例において、センサ２は、例えば高温において加圧された水などの有害環境６における垂直軸Ｘに沿って延伸する試料４の半径方向における変形を計測するために用いられる。この試料４は、試料ホルダー８の下端に対して固定されている。その上端は、試料ホルダーのヘッドを構成するプレート１０に対して固定されている。

センサ２もまた有害環境６内にあり、以下のものを有する：
・軸Ｘに対して垂直である軸Ｘ１に沿って延伸する円筒状の開口部１４を備える格納手段１２と、
・前記軸Ｘ１に沿う開口部１４内において摺動する可動要素１６と、
・前記可動要素１６を格納手段１２に対して弾性的且つ封止状態において連結するための連結構成要素１８と、さらには
・光学的モジュール２０。

可動要素１６の第１の面２２（半径方向センサ）は、試料４と接触させられてその第２の面２４は、格納手段１２の内部に設けられる。この第２の面２４（計測面）は、試料の変形を判定するために用いられる入射光を反射することが可能である。

詳述される例において、連結構成要素１８は、円筒状の開口部１４と、格納手段１２および可動要素１６に対して封止状態においてそれぞれ固定されている２つの端部とを囲むベローズである。

光学的モジュール２０は、格納手段１２内部に配置される。このモジュールは、半反射ミラー２６と格納手段１２の底部において配置される反射面２８（基準面）とを有する。この半反射ミラー２６と反射面２８とは可動要素１６の第２の面２４と協働してミケルソン型干渉計を形成する。

可動要素１６の反射面２４は、軸Ｘ１に対して垂直である。反射面２８は、軸Ｘ１に対して垂直である別の軸Ｘ２に対して垂直である。半反射ミラー２６は、図１に示されるように軸Ｘ１および軸Ｘ２のそれぞれに対して４５度の角度を形成する。

正確には、光学的モジュール２０は、軸Ｘ２（図１の下部）に沿って伝播する光３０を用いる。この光３０のうち一部は、軸Ｘ１に沿って半反射ミラー２６によって反射され、半反射ミラー２６の方向において可動要素１６の反射面２４上へ反射される。後者は、その一部（以下、「第１部」と称する）を軸Ｘ２に沿って上方へと反射する。

光３０の他の一部は、半反射ミラー２６によって伝達されて半反射ミラー２６の方向において反射面２８上へと反射される。後者は、その一部（以下、「第２部」と称する）を軸Ｘ２に沿って上方へと反射する。

これらの第１部および第２部は干渉し、軸Ｘ２に沿って上方へと伝播する干渉光３６を形成する。

したがって、試料４のいかなる半径方向における変形もが干渉光３６の変形（固定面２８上に反射される光線と可動面２４上に反射される光線との間における光路差における変化）となる。この変化は、半径方向における変形を表わす。したがって、後者は干渉光３６を適切に処理することによって判定される。この問題については図２に関する説明において再度言及することとする。

センサ２は、格納手段１２に対して封止状態において連結される金属管３８を備える。この管３８は、軸Ｘ２に沿って垂直に延伸し、図１に示されるようにプレート１０を通過する。前記管３８は、光３０および３６の循環を可能とする。

センサ２は、これらの光３０および３６を伝達するために軸Ｘ２に沿って管３８内を延伸する光ファイバ４０をさらに備える。図示されたように、格納手段１２の内部においてコリメーションレンズ４２が光ファイバ４０の下端に対向するように設けられる。

ここで詳述する例において、有害環境６は、高温において加圧された水である。したがって試料４の変形の計測は、熱い中で実施される。この場合、光ファイバ４０と金属管３８との間における膨張差を管理するための装置を設ける。この装置は、光ファイバ４０を管３８内において適切に曲げることによって得られる伸縮ループ４４である。

単に一例であっていかなる意味でも限定的ではないものの、水の圧力は１５．５ＭＰａ（１５５バール）に等しく、その温度は３２０℃に等しい。

その後、センサ２においてガスを用いて格納手段１２を加圧するための装置４５を設けることによって格納手段１２内外の圧力を均等にする。これによってベローズ１８に対するプレストレスを防止し、よって変形計測の感度が向上される。

この加圧装置４５は、別の管４６を有し、その一端は管３８に対して封止状態において連結されるとともにプレート１０を通過する。図示されたように、管４６の他端においてこの管４６（よって管３８および格納手段１２）に対してガスを供給するための各手段４８が設けられる。使用されるガスの一例は、窒素である。

さらに、格納手段１２の封止状態が失われた場合、また液体（加圧された熱湯）が時機を失して上昇することを防止するために、管４６に逆止め弁５０を設ける。さらに、光ファイバ４０と管３８の内壁との間において、管３８および４６が連結される区域５３に対して格納手段１２に対向するように封止器具５２が設けられる。

場合によっては有害環境６自体を周りの外部環境５６から絶縁してこれから分離する必要がある。こうするために格納手段５４を設けて有害環境６を制限する。この格納手段５４は、図１において概略的にのみ示されている。この格納手段は、プレート１０に対して封止状態において連結されている。

（媒体６、試料４およびセンサ２を含む）格納手段５４は、周りの外部環境５６に対して浸漬され、格納手段５４内において有害環境６を導入してその状態（例えば有害環境が高温において加圧されている水である場合には温度と圧力など）を管理するために表示されていない各手段が設けられる。

その後、管３８は、適切なコネクタ６０を介して別の光ファイバ５９がその内部に配置される、別の管５８に対して連結されることによって、周りの外部環境５６との相対封止と光ファイバ４０および５９間の光学的連結とが可能となる。

同様に、管４６は、別の管６２に対して連結され、これを介して管４６に対してガスが供給される。管４６および６２間の連結は、適切なコネクタ６４によって確証され、これによって周りの外部環境５６との相対封止とガスの通過とが可能となる。

さらに、有害環境６と周りの外部環境５６との間の封止を確実なものとするために、管３８および４６がそれぞれ通過する区域においてプレート１０上に封止された通路６６および６８が設けられる。

図２は、本発明の主題である計測システムの一例を示す概略的および部分的な図である。この図２において示されるシステム６９は、図１において示されるセンサ２を用いており、このセンサに対して光３０を供給し、試料４の変形を判定するために干渉光３６を処理する。

このシステムは、半反射ミラー７２と適切なレンズ７４とを介して光ファイバ５９に対して投入される、例えば白色光である光３０を生成する光源７０を有する。

このシステム６９は、さらに
・光ファイバ５９によって伝達された干渉光３６を半反射ミラー７２とレンズ７４とを介して受け取る分光計７６と、
・リアルタイムで変形を求めて判定するために分光計７６からの信号を処理するコンピュータ７８と、
・これによって実施される計測の結果を表示するための装置８０と
を有する。

Claims (11)

1. 有害環境（６）において作動可能である変形計測センサ（２）であって、当該センサは：
   ・開口部（１４）を含む格納手段（１２）と、
   ・対向する第１の面（２２）および第２の面（２４）を有し、前記第１の面および前記第２の面と交わる第１の軸（Ｘ１）に沿って前記格納手段に対して可動である可動要素（１６）であって、該第１の面（２２）は変形しやすい対象物（４）と接触させるためのものであり、該第２の面（２４）は、格納手段の開口部を通ってその内部に延伸して入射光を反射することが可能なものである可動要素（１６）と、
   ・前記可動要素と前記格納手段との間における戻り作用を実施する、封止された、弾性を有する連結構成要素（１８）と、さらには
   ・前記格納手段の内部に配置され、前記可動要素の前記第２の面によって反射される補助光（３０）を用いて前記第１の軸（Ｘ１）に対して平行ではない第２の軸（Ｘ２）に沿って干渉光（３６）を生成するための光学的モジュール（２０）と、
   を備え、対象物が変形することによって干渉光が変形し、これが変形を表わすことを特徴とする変形計測センサ。
2. 前記第１の軸（Ｘ１）と前記第２の軸（Ｘ２）とは、垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の変形計測センサ。
3. 前記光学的モジュール（２０）は、半反射ミラー（２６）と反射面（２８）とを有し、これらが前記可動要素（１６）の第２の面（２４）と協働することによってマイケルソン型干渉計を形成することを特徴とする、請求項１および２のうちいずれか１つに記載の変形計測センサ。
4. 前記可動要素（１６）と格納手段（１２）との間において連結ベローズ（１８）を有することを特徴とする、請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の変形計測センサ。
5. さらに、格納手段内外の圧力を均等にするためにガスを用いて格納手段（１２）を加圧する装置（４５）を有することを特徴とする、請求項４に記載の変形計測センサ。
6. さらに、前記格納手段（１２）に対して封止される形で連結され、第２の軸（Ｘ２）に沿って延伸して干渉光（３６）と補助光（３０）の循環を可能にし、光学的モジュール（２０）によって干渉光を生成するための第１の管（３８）を有することを特徴とする、請求項１乃至５のうちいずれか１つに記載の変形計測センサ。
7. さらに、前記補助光（３０）と干渉光（３６）とを伝達するために第１の管（３８）内へと延伸する光ファイバ（４０）を有することを特徴とする、請求項６に記載の変形計測センサ。
8. 前記光ファイバ（４０）の一部は、第１の管（３８）内へ湾曲することによってその内部において伸縮ループ（４４）を形成することを特徴とする、請求項７に記載の変形計測センサ。
9. 前記加圧装置（４５）は、
   ・前記第１の管（３８）に対して封止される形で連結され、第１の管を介して格納手段（１２）に対してガスを供給するための第２の管（４６）と、
   ・前記第２の管（４６）に搭載され、格納手段の封止状態が失われた場合に有害環境（６）の通過を防止するための逆止め弁（５０）と
   を有することを特徴とする、請求項５および請求項６乃至８のうちいずれか１つに記載の変形計測センサ。
10. さらに、光ファイバ（４０）と第１の管（３８）の内壁との間で第１の管（３８）および第２の管（４６）の連結区域（５３）に対して格納手段（１２）に対向する封止手段（５２）を有し、格納手段の封止状態が失われた場合に有害環境（６）の通過を防止することを特徴とする、請求項９に記載の変形計測センサ。
11. 対象物の変形を計測するためのシステム（６９）であって、
    ・請求項１乃至１０のうちいずれか１つに記載の変形計測センサ（２）と、
    ・補助光源（７０）と、さらに
    ・変形を判定するために干渉光（３６）を処理するための装置（７６、７８）と
    を備えることを特徴とするシステム（６９）。