JP2018155689A - 圧力監視システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】放射線による半導体素子の劣化に応じて半導体素子を切り替えることができるようにした圧力監視システムを提供すること。
【解決手段】圧力監視システム1は、所定の半導体素子111が切替可能に複数設けられている圧力伝送装置11と、圧力伝送装置の周囲の放射線を計測する放射線計測装置12と、所定の半導体素子に対する放射線の影響を記憶する影響管理テーブル15と、放射線計測装置から取得する情報と影響管理テーブルとに基づいて、所定の半導体素子の劣化を診断し、その診断結果に応じて複数の所定の半導体素子のうち主回路110へ接続する切替先の所定の半導体素子を選択する素子劣化診断装置14と、切替先の所定の半導体素子を主回路へ接続する切替装置13と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】圧力監視システム1は、所定の半導体素子111が切替可能に複数設けられている圧力伝送装置11と、圧力伝送装置の周囲の放射線を計測する放射線計測装置12と、所定の半導体素子に対する放射線の影響を記憶する影響管理テーブル15と、放射線計測装置から取得する情報と影響管理テーブルとに基づいて、所定の半導体素子の劣化を診断し、その診断結果に応じて複数の所定の半導体素子のうち主回路110へ接続する切替先の所定の半導体素子を選択する素子劣化診断装置14と、切替先の所定の半導体素子を主回路へ接続する切替装置13と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧力監視システムおよび方法に関する。
圧力を計測して伝送する圧力伝送装置は、監視対象の流体の圧力をダイアフラムで受けて、導圧路に内封した封入液により圧力センサまで伝達し、圧力センサにより圧力を電気信号に変換して外部へ伝送する。圧力伝送装置には、絶対圧力を測定する装置と、差圧を測定する装置とがある。
圧力伝送装置の中でも、原子力プラントや放射線利用施設などで使用される圧力伝送装置は、プラントの安全や発電効率を確保する観点から、例えば±1%といった高い精度が要求される。しかしながら、放射線環境下で使用する圧力伝送装置は、外部から照射される放射線の影響を受けるため、要求された精度を長期間保持するのが難しい。
すなわち、圧力伝送装置を構成する部品に放射線が照射されると、例えば基板上の半導体素子が劣化してしまい、圧力の計測値が許容誤差である±1%以上にドリフトしてしまうことがある。
そのため、放射線が照射される計測器には、鉛等で遮蔽したり、線源からの距離を長く取る等の対策がされている。その他に、圧力伝送装置ではないが、放射線の照射される半導体を切り替えながら交互に使用する方法も提案されている(特許文献1)。
特許文献1の技術では、並列設置した半導体素子を交互に使用し、使用していない半導体素子の劣化(電荷の蓄積)をアニーリングで修復するが、最適な交換タイミングを判断する機構がない。そのため、使用中の半導体素子が交換前に故障した場合、計測値がドリフトする可能性がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、放射線による半導体素子の劣化を診断し、診断結果に応じて半導体素子を切り替えることで、検出精度および信頼性を維持できるようにした圧力監視システムおよび方法を提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明に従う、放射線環境下で圧力を監視する圧力監視システムは、圧力を計測して伝送する圧力伝送装置であって、所定の半導体素子が切替可能に複数設けられている圧力伝送装置と、圧力伝送装置の周囲の放射線を計測する放射線計測装置と、所定の半導体素子に対する放射線の影響を記憶する影響管理テーブルと、放射線計測装置から取得する情報と影響管理テーブルとに基づいて、所定の半導体素子の劣化を診断し、その診断結果に応じて複数の所定の半導体素子のうち主回路へ接続する切替先の所定の半導体素子を選択する素子劣化診断装置と、切替先の所定の半導体素子を主回路へ接続する切替装置と、を備える。
本発明によれば、放射線計測装置から取得する情報と影響管理テーブルとに基づいて所定の半導体素子の劣化を診断し、その診断結果に応じて複数の所定の半導体素子のうち主回路へ接続する切替先の所定の半導体素子を選択し、切替先の所定の半導体素子を主回路へ接続することができる。
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態に係る圧力監視システムは、以下に詳述する通り、受圧ダイアフラムで受けた圧力をセンサに伝送する圧力伝送装置11において各半導体素子111を2個以上並列に設置し、圧力伝送装置11に照射される放射線量を計測する放射線計測装置12と、圧力伝送装置内部の半導体素子111のドリフト量を診断する素子劣化診断装置14と、並列に設置した各半導体素子を切り替える切替装置13を有する。
本実施形態によれば、外部から照射される放射線に対して、圧力伝送装置11内の半導体素子111が故障する前に、健全な素子への切り替えることができる。すなわち、圧力伝送装置11に期待される許容誤差精度を長期間保持することができ、圧力計測精度と寿命および信頼性を向上させることができる。
図1〜図4を用いて第1実施例を説明する。以下に述べる実施例は、一つの例であって、本発明は実施例の構成に限定されない。
図1は、圧力監視システム1の全体構成を示す。圧力監視システム1は、例えば、圧力伝送装置11と、放射線計測装置12と、切替装置13と、素子劣化診断装置14と、ドリフト量データベース15と、表示装置16とを備える。
圧力伝送装置11は、監視対象の流体の圧力を計測して電気信号に変換し、図外の制御装置へ伝送するものである。圧力伝送装置11は、計測した圧力に対応する電気信号を増幅して送信するための主回路110を有する。主回路110の詳細な回路構成は、図示を省略する。
主回路110は、例えば、オペアンプ、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、抵抗などの種々の素子を含む。圧力伝送装置11を構成する素子のうち、本実施例では、例えば、オペアンプ111(1)、トランジスタ111(2)、ツェナーダイオード111(3)を、「所定の半導体素子」の一例として説明する。素子の種類を特に区別しない場合は、素子111と呼ぶことがある。
素子111(1)〜111(3)はそれぞれ複数ずつ設けられており、切替装置13によって、いずれか一つのみが主回路110に接続されるようになっている。すなわち、主回路110に予め搭載された複数のオペアンプ111(1)のうち、一つのオペアンプ111(1)のみが選択されて主回路110に電気的に接続され、使用される。それ以外のオペアンプ111(1)は、主回路110から電気的に切り離される。同様に、主回路110に予め搭載された複数のトランジスタ111(2)のうち、一つのトランジスタ111(2)のみが選択されて主回路110に電気的に接続され、使用される。それ以外のトランジスタ111(2)は、主回路110から電気的に切り離される。ツェナーダイオード111(3)についても同様である。
放射線計測装置12は、圧力伝送装置11に照射される放射線を計測し、計測した値を電気信号として素子劣化診断装置14へ送信するものである。放射線計測装置12は、圧力伝送装置11の周囲の放射線を計測すべく、圧力伝送装置11の近傍に配置されるのが好ましい。
切替装置13は、素子劣化診断装置14からの指示にしたがって、複数の素子111(1)〜(3)の主回路110への接続を制御する。上述のように、切替装置13は、複数のオペアンプ111(1)のうち、指示されたオペアンプ111(1)のみを主回路110に接続する。他の素子111(2),111(3)についても同様である。
素子劣化診断装置14は、放射線計測装置12で得られた放射線量と圧力伝送装置11を構成する各素子111(1)〜(3)の放射線照射量に対するドリフト量のデータベース15とを照合し、各半導体素子111のドリフト量を診断するものである。
ドリフト量データベース15の例は図3で後述する。「影響管理テーブル」としてのドリフト量データベース15は、放射線照射試験により実験的に得られた、各素子111(1)〜(3)の放射線照射量に対するドリフトデータを記憶する。
素子劣化診断装置14は、各半導体素子111のドリフト量を基に、各半導体素子111がドリフトの許容値を超える前に、切替先の半導体素子111(劣化していない健全な半導体素子)への切り替えを切替装置13へ指示する。
表示装置16は、素子劣化診断装置14に接続されている。表示装置16は、例えば、圧力伝送装置11の計測した圧力値や、各半導体素子111のドリフト量をモニタリングするための装置である。
上述のように、圧力伝送装置11と放射線計測装置12は、同じ放射線環境になるように、近接して設置されることが望ましい。これに対し、素子劣化診断装置14、切替装置13、表示装置16は、放射線量の低い環境に設置されることが望ましい。
図2に、圧力伝送装置11を構成する半導体素子111の一例として、オペアンプを切り替えて使用する場合を示す。ここで、本出願の発明者により、圧力伝送装置11が放射線によりドリフトする主要因は、オペアンプのオフセット電圧の増加であることが実験的に確認されている。したがって、オペアンプを切り替えて使用することは、圧力伝送装置11のドリフト抑制に有効である。
図2では、プラントの運転時(照射環境)と定期検査時(非照射環境)との2つのサイクルについて、2つのオペアンプOPA,OPBを切り替える様子を説明する。初期条件として、オペアンプOPAが主回路(主の電気回路)110に接続されており、オペアンプOPBは、主回路110から切断されている。
図2の各グラフの縦軸はオペアンプのオフセット電圧を示し、横軸は時間を示す。図2では、オフセット電圧は、初期値VIから上限値ULまでの範囲で変化する。上限値ULとは、オフセット電圧の許容値である。なお、オフセット電圧がドリフト許容値ULを超える場合、圧力伝送装置11の出力値にもドリフトの影響が出ることを意味する。ドリフト閾値Thは、ドリフト許容値ULよりも低い値に設定される。オフセット電圧がドリフト閾値Thに達したオペアンプは主回路110から切り離され、ドリフトの生じていないオペアンプ(健全なオペアンプ)が選択されて主回路110に接続される。
さて、図2の左側に示すように、プラントの運転が開始すると、放射線が圧力伝送装置11に照射されるため、圧力伝送装置11内のオペアンプOPAのオフセット電圧は増加していく。一方、オペアンプOPBは、主回路110に接続されていないため、放射線が照射されても電荷が蓄積されず、ドリフトは生じない。
上記構成において、オペアンプのオフセット電圧の増加は、放射線計測装置12と素子劣化診断装置14とデータベース15とを基に推定した値となる。
オペアンプOPAのオフセット電圧がドリフト許容値である上限値UL付近まで増加してドリフト閾値Thに達すると、素子劣化診断装置14は、切替装置13に切替信号を送信する。
切替装置13は、素子劣化診断装置14からの切替信号を受信すると、オフセット電圧の増加したオペアンプOPAを主回路110から電気的に切断し、代わりに健全なオペアンプOPBを主回路110へ電気的に接続する。
定期検査期間に入ると、放射線レベルは大きく減衰し、非照射環境となる。主回路110から切り離されたオペアンプOPAでは、照射環境下で蓄積された電荷が放出されるため、オフセット電圧のドリフトは徐々に低下し、正常状態へ向けて回復していく。
再び運転期間に入ると、主回路110に接続されたオペアンプOPBでは、通電下で放射線が照射されることで、電荷が蓄積されていき、オフセット電圧の増加が始まる。オペアンプOPAは、主回路110から切断されており、電圧が印加されていないため、オフセット電圧は増加しない。
オペアンプOPBのオフセット電圧がドリフト閾値Thに達し、かつ、オペアンプOPAのオフセット電圧がドリフト閾値Th以下まで回復した場合、素子劣化診断装置14は、オペアンプOPAを切替先のオペアンプとして選択し、切替装置13へ切替信号を送信する。
素子劣化診断装置14からの切替信号を受信した切替装置13は、オペアンプOPBを主回路110から切り離し、再びオペアンプOPAを主回路110へ接続する。これによって、放射線がある環境でも、圧力伝送装置11の出力がドリフトするのを抑制することができ、正確に圧力を計測することができる。
図2では、2個のオペアンプを交互に切り替える例を説明したが、3個以上のオペアンプを並列に設けて切り替えてもよい。放射線レベルが高い場合であっても、3個以上のオペアンプを並列接続して切替使用することで、圧力伝送装置11の信頼性を維持し、寿命を延ばすことができる。なお、図2では、オペアンプを切り替えて使用する例を説明したが、トランジスタやダイオードなどの他の半導体素子についても同様に、切り替えて使用することで圧力伝送装置11の信頼性や寿命を向上できる。
図3は、ドリフト量データベース15の例を示す。データベース15は、例えば、素子種別151毎に、線量率152と、積算線量153と、ドリフト量154とを対応付けて記憶している。線量率152の単位は[Gy/h]、積算線量153の単位は[Gy]である。
詳しくは、データベース15では、線量率152のレベル毎の積算線量153毎に、ドリフト量154を定義している。積算線量153の値が同じであっても、線量率152によってドリフト量は異なるためである。上述のように、データベース15の内容は、事前の実験やシミュレーションから得ることができる。
図4は、並列に設けた複数の同一素子111を診断結果にしたがって切り替える処理を示すフローチャートである。本処理は、例えば、プラント運転時に実施される。
まず、圧力伝送装置11の近傍に配置された放射線計測装置12で、圧力伝送装置11に照射される放射線量の計測を開始する(S11)。
素子劣化診断装置14は、データベース15を参照し、ステップS11で計測した放射線量とデータベース15の内容とを照合することで、各半導体素子111のドリフト量を推定する(S12)。
素子劣化診断装置14は、ステップS12で推定したドリフト量が事前に設定されている閾値Thに達したか判定する(S13)。ドリフト量が閾値Thに達したか否か推定することを、ここでは劣化診断と呼ぶ。
素子劣化診断装置14は、推定したドリフト量が閾値Thに達したと判定すると(S13:YES)、健全な半導体素子111を切替先の半導体素子111として選択し、切替装置13に切替信号を送信することで切り替えさせる(S14)。
例えばオペアンプの場合、計測された放射線量が、オペアンプがドリフトを開始する閾値Thに達すると、切替装置13により、並列に設置された他のオペアンプへ切り替えさせる。
これに対し、推定したドリフト量が閾値Thに達していない場合(S13:NO)、ステップS14をスキップして本処理を終了する。
このように構成される本実施例によれば、圧力伝送装置11が内蔵する半導体素子111が放射線照射により劣化する度合を診断し、その診断結果にしたがって、並列に設けた他の半導体素子111の中から健全な半導体素子111を選択して切り替える。したがって、本実施例によれば、適切な時期に半導体素子111を切り替えることができるため、圧力伝送装置11の信頼性と寿命を向上させることができる。
なお、複数種類の半導体素子111(1)〜(3)のうち、いずれか一つの種類の半導体素子で切替が行われる場合、他の種類の半導体素子についても一斉に切り替える構成としてもよい。例えば、第1の半導体素子111(1)において、現在使用中の半導体素子111(1)が劣化していると判定した場合、素子劣化診断装置14は、第1の半導体素子111(1)の切替先だけでなく、第2の半導体素子111(2)および第3の半導体素子111(3)においても切替先の素子を選択し、切替装置13に対して一斉に切り替えるように指示する。
図5を用いて第2実施例を説明する。本実施例を含む以下の各実施例は、第1実施例の変形例に該当するため、第1実施例との相違を中心に説明する。本実施例では、圧力伝送装置11Aを絶対圧の測定に適用する圧力監視システム1Aを説明する。
本実施例の圧力伝送装置11Aでは、例えば、ケーシング本体201内に導圧路202が形成されている。導圧路202の一端側は拡径して受圧ダイアフラム203に接し、他端側は圧力室となって圧力センサ204に接している。導圧路202内には、圧力を伝達するための封入液205で満たされている。
ケーシング本体201の上側には、回路室206が形成されている。回路室206には、主回路110が配置されている。測定対象の流体Fの圧力は、薄い金属膜である受圧ダイアフラム203から封入液205を介してセンサ204に伝達される。センサ204は、機械的な変位を電気信号に変換して主回路110へ出力する。主回路110は、センサ204の検出信号を増幅等して、図外の制御装置へ送信する。
このように構成される本実施例においても、第1実施例と同様に、主回路110内の半導体素子111が放射線の照射によりドリフトすると、素子劣化診断装置14が劣化度合(ドリフト量)を診断して、切替装置13により健全な半導体素子111へ切り替えさせることができる。
図6を用いて第3実施例を説明する。本実施例では、圧力伝送装置11Bを差圧の測定に適用する場合を説明する。
本実施例の圧力伝送装置11Bは、両端側の置換器部212A,212Bと、各置換器部212A,212Bに中間ダイアフラム225A,225Bを介して接続されるキャピラリ部211A,211Bと、各キャピラリ部211A,211Bにシールダイアフラム224A,224Bを介して接続される本体部210とに大別される。
一方の置換器部212Aには、第1の測定対象流体F1の圧力を受けるための受圧ダイアフラム223Aが設けられている。受圧ダイアフラム223Aに作用した圧力は、導圧路222A内の封入液226Aを介して本体部210のセンサダイアフラム227の一方の側に伝達される。
他方の置換器部212Bには、第2の測定対象流体F2の圧力を受けるための受圧ダイアフラム223Bが設けられている。受圧ダイアフラム223Bに作用した圧力は、導圧路222B内の封入液226Bを介して本体部210のセンサダイアフラム227の他方の側に伝達される。
センサダイアフラム227は、第1の測定対象流体F1の圧力と第2の測定対象流体F2の圧力との差に応じて機械的に変位する。センサ224は、センサダイアフラム227の変位に応じた電気信号を出力する。この電気信号は、ケーシング本体221に形成された回路室228内の主回路110へ送られる。
このように構成される本実施例は、差圧を測定する際に、第1実施例と同様の作用効果を発揮することができる。
図7を用いて第4実施例を説明する。本実施例では、表示装置16の表示する画面の例を説明する。
本実施例の表示装置16は、ドリフト発生状況を表示する画面G1を表示することができる。画面G1は、圧力伝送装置11内の素子毎に、ドリフト発生状況を記号または数値、文字、図形などで表示する。図7の例では、ドリフトの発生していない状態を「◎」、ドリフト量が閾値Thに達した状態を「×」、ドリフトが少し発生している状態を「〇」、閾値Thに達していない程度に多くのドリフトが発生している状態を「△」とし、◎→〇→△→×の順にドリフト状況の悪化を表現するものとする。
画面G1(1)では、現在主回路110に接続されている素子e11は、閾値Thに達するほどのドリフトが発生している。そこで、素子劣化診断装置14は、他の素子の中から最もドリフトの少ない素子e12を切替先の素子として選択する。
画面G1(2)では、素子e11から素子e12へ切り替えられた状況を示す。素子e11は主回路110から切り離されたため、電圧が印加されていない。このため、素子e11のドリフトは低下していく。
時間の経過した画面G1(3)では、素子e12の劣化が始まる一方、他の素子e11,e1nではますます回復している。
さらに時間の経過した画面G1(4)では、素子e12の劣化がさらに進行し、他の素子e11,e1nはドリフトの無い状態まで回復している。
このように構成される本実施例によれば、素子毎のドリフト発生状況、つまり診断結果を表示装置16へ表示することができるため、管理者は、各素子の状況を一目で把握することができ、使い勝手が向上する。
図8を用いて第5実施例を説明する。本実施例では、表示装置16の表示する他の画面を説明する。
表示装置16が表示する監視画面G2は、例えば、圧力値GP21、素子GP22、ドリフト値GP23、使用中フラグGP24、切替候補フラグGP25を表示する。すなわち、監視画面G2は、圧力伝送装置11の検出している圧力値GP21と、各素子のドリフト発生状況GP22,GP23と、使用状態GP24,GP25とを対応付けて、管理者へ提供する。
このように構成される本実施例によれば、圧力値やドリフト発生状況、使用状態を管理者へ提供できるため、管理者は、圧力伝送装置11の測定値や状態等を簡単に把握することができ、使い勝手が向上する。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
上記各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に格納することができる。
また、上述した実施形態に含まれる技術的特徴は、特許請求の範囲に明示された組み合わせに限らず、適宜組み合わせることができる。
1,1A,1B:圧力監視システム、11,11A,11B:圧力伝送装置、12:放射線計測装置、13:切替装置、14:素子劣化診断装置、15:データベース、16:表示装置
Claims (8)
- 放射線環境下で圧力を監視する圧力監視システムであって、
圧力を計測して伝送する圧力伝送装置であって、所定の半導体素子が切替可能に複数設けられている圧力伝送装置と、
前記圧力伝送装置の周囲の放射線を計測する放射線計測装置と、
前記所定の半導体素子に対する放射線の影響を記憶する影響管理テーブルと、
前記放射線計測装置から取得する情報と前記影響管理テーブルとに基づいて、前記所定の半導体素子の劣化を診断し、その診断結果に応じて前記複数の所定の半導体素子のうち主回路へ接続する切替先の所定の半導体素子を選択する素子劣化診断装置と、
前記切替先の所定の半導体素子を前記主回路へ接続する切替装置と、
を備える圧力監視システム。 - 前記影響管理テーブルは、前記所定の半導体素子の放射線量に対するドリフトの関係を記憶している、
請求項1に記載の圧力監視システム。 - 前記切替装置は、前記切替先の所定の半導体素子だけを前記主回路へ接続し、それ以外の他の所定の半導体素子は前記主回路から切断する、
請求項1に記載の圧力監視システム。 - 前記影響管理テーブルは、放射線量率および積算線量と前記所定の半導体素子にドリフトが発生するドリフト閾値との関係を記憶しており、
前記素子劣化診断装置は、前記放射線計測装置の測定結果と前記影響管理テーブルとを照合することで、前記主回路に接続している所定の半導体素子が前記ドリフト閾値に達したか判定し、前記主回路に接続している所定の半導体素子が前記ドリフト閾値に達したと判定した場合は、他の所定の半導体素子の中から前記ドリフト閾値に達していないと判定される所定の半導体素子を前記切替先の所定の半導体素子として選択する、
請求項1に記載の圧力監視システム。 - 前記素子劣化診断装置の診断内容を表示する表示装置をさらに備える、
請求項1に記載の圧力監視システム。 - 前記素子劣化診断装置は、前記複数の所定の半導体素子のうち前記主回路に接続されている所定の半導体素子について劣化を診断する、
請求項1に記載の圧力監視システム。 - 前記所定の半導体素子には、複数種類の所定の半導体素子が含まれており、
前記素子劣化診断装置は、前記複数種類の所定の半導体素子のうちいずれか一種類について劣化している診断した結果、前記切替先の所定の半導体素子を選択した場合に、他の種類の所定の半導体素子についてもそれぞれ切替先の所定の半導体素子を選択して、前記切替装置により切り替えさせる、
請求項1に記載の圧力監視システム。 - 放射線環境下で圧力を監視する圧力監視方法であって、
圧力を計測して伝送する圧力伝送装置であって、所定の半導体素子が切替可能に複数設けられている圧力伝送装置の周囲の放射線を計測し、
前記所定の半導体素子に対する放射線の影響を記憶する影響管理テーブルと前記放射線の計測結果とに基づいて、前記所定の半導体素子の劣化を診断し、
前記診断の結果に応じて、前記複数の所定の半導体素子のうち主回路へ接続する切替先の所定の半導体素子を選択し、
前記選択した切替先の所定の半導体素子を前記主回路へ接続させる、
圧力監視方法。
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