JP3782559B2 - 原子炉振動監視装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉などの圧力容器内の構造物の振動を測定する原子炉振動監視装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、原子炉における炉内構造物の振動を測定するには、測定対象となる機器、例えばジェットポンプ,ジェットポンプ計装配管などに加速度計を取り付けて直接振動を計測したり、炉外に加速度計を取り付けて、その加速度計の出力信号に基づいて炉内の振動振幅や振動周波数の推定を行っている。
【0003】
また、従来では、炉内に設置された中性子束検出器の出力信号の揺らぎから間接的に炉内構造物の振動を推定する方法が採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術において、加速度計により直接振動を計測する場合には、測定対象となる機器、例えばジェットポンプ,ジェットポンプ計装配管に直接加速度計を取り付ける必要があり、測定箇所が多い場合には、加速度計の数が多くなるばかりでなく、加速度計の出力信号を伝送するケーブルの本数も多くなり、コスト高になるという課題、また原子炉から信号を取り出すための信号ぺネトレーション(信号取出口)でのケーブルの本数が増加するという課題があった。
【0005】
また、加速度計や中性子束検出器の出力信号に基づいて炉外から振動を推定する方法は、間接的な計測であるため、測定精度が低いという課題があった。
【0006】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、原子炉圧力容器の外側に超音波トランスジューサを設置して、加速度計およびケーブルの数量の削減を図るとともに、炉内構造物の振動を直接計測可能な原子炉振動監視装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項1は、原子炉圧力容器の外面に設置され超音波パルス信号の送受信が兼用可能な超音波トランスジューサと、この超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を発生させる超音波送信器と、前記超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を受信する超音波受信器と、前記超音波トランスジューサからの超音波パルス信号を前記原子炉圧力容器を通して原子炉内に入射させる一方、この原子炉内の炉内構造物で反射した超音波パルス信号が再び前記原子炉圧力容器を通して前記超音波トランスジューサを経て前記超音波受信器に受信される超音波パルス信号を処理する信号処理装置と、この信号処理装置により処理された前記炉内構造物の振動情報を表示する表示装置とを備え、前記信号処理装置は、前記炉内構造物から反射して原子炉圧力容器内を伝搬する超音波パルス信号を入力し、前記原子炉圧力容器の超音波速度、炉水の超音波速度、前記原子炉圧力容器板厚、および前記原子炉圧力容器と前記炉内構造物との間の距離をもとに、超音波の伝搬時間の変化分の測定により前記炉内構造物の振動振幅を求めるたことを特徴とする。
【0008】
請求項2は、請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波パルス信号が無線周波数パルス信号であることを特徴とする。
【0009】
請求項3は、請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサが1次元に複数個配列され、信号処理装置は、これらの超音波トランスジューサの超音波の送信のタイミングを変化させ、これらの超音波トランジューサを設置した各点で受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて振動分布測定することを特徴とする。
【0010】
請求項4は、請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサが原子炉圧力容器の外面に沿って移動可能に構成されたことを特徴とする。
【0011】
請求項5は、請求項1ないし4のいずれかに記載の原子炉振動監視装置において、信号処理装置が測定した信号の周波数分析を行って炉内構造物の固有振動周波数を算出し、表示装置は前記固有振動周波数の経時変化を表示することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0013】
図1は本発明に係る原子炉振動監視装置の第1実施形態を示す構成図である。図1に示すように、本実施形態の超音波トランスジューサ1は、原子炉圧力容器2の外周面に設置されているとともに、超音波パルスの送受信が兼用可能である。また、超音波トランスジューサ1は、ケーブル3によって原子炉格納容器4の信号取出口4aを経て原子炉格納容器4外(または原子炉格納容器4内)に設置された超音波信号処理装置5に電気的に接続されている。
【0014】
この超音波信号処理装置5は、超音波パルス信号を発生させるための超音波送信器6と、反射した超音波パルス信号を受信する超音波受信器7と、この超音波受信器7で受信した超音波パルス信号を処理する信号処理装置8とから構成されている。そして、超音波信号処理装置5は、表示装置9と電気的に接続され、この表示装置9は超音波トランスジューサ1および超音波信号処理装置5によって計測された振動波形や振動のスペクトルなどを表示する。
【0015】
次に、本実施形態の作用を図2〜図5に基づいて説明する。
【0016】
図2に示すように、本実施形態の超音波トランスジューサ1に超音波送信器6から電気パルス信号(DCパルス信号)10を加えると、超音波トランスジューサ1内で電気パルス信号10が超音波信号に変換され、原子炉圧力容器2内に超音波パルス信号11が発生する。
【0017】
この超音波パルス信号11は、原子炉圧力容器2内を伝搬し、炉水12中に放射される。この炉水12中を伝搬した超音波パルス信号13は、例えばジェットポンプ,ジェットポンプ計装配管などの原子炉の炉内構造物14に当たって反射し、再び炉水12,原子炉圧力容器2内を伝搬して超音波トランスジューサ1に戻ってくる。
【0018】
この戻ってきた超音波パルス信号15は、超音波トランスジューサ1内で電気パルス信号に変換された後、超音波受信器7で信号の増幅およびフィルタリングなどの信号処理が行われる。
【0019】
さらに、超音波受信器7の信号は、例えばマイクロコンピュータや周波数復調器(FΜ復調器、FΜ:Frequency Modulation)で構成される信号処理装置8で、ディジタル信号に変換され、その信号処理によって振動情報が得られる。
【0020】
そして、信号処理装置8により処理された炉内構造物14の振動情報が表示装置9に表示される。すなわち、表示装置9では、このときの振動振幅波形16,振動の周波数応答や振動振幅、振動位相の変化傾向(トレンド)が表示される。
【0021】
次に、図3に基づいて超音波パルス信号により振動を測定する方法を説明する。図3に示すように、使用する超音波パルス信号11は、DCパルス信号10である。超音波トランスジューサ1から超音波パルス信号11が原子炉圧力容器2を経由して炉水12中に放射される。この放射された超音波パルス信号13は、炉内構造物14に当たって反射する。
【0022】
この反射して戻ってきた超音波パルス信号15は、再び原子炉圧力容器2内を伝搬して超音波トランスジューサ1で検出される。この場合、図4に示すように、送信される超音波パルス信号11と受信される超音波パルス信号15は、伝搬距離に応じて分離される。次に、炉内構造物14が振動している場合、受信された超音波パルス信号15の検出される時間は、炉内構造物14の振動振幅に比例して変動する。振動していないときの伝搬時間をT(秒)とすると、この伝搬時間Tは、次のように表される。すなわち、
【数1】
T=2×(D/V1 +L/V2 ) …(1)
ここで、V1 は原子炉圧力容器2の超音波の音速度、V2 は炉水12の超音波の音速度、Dは原子炉圧力容器2の板厚、Lは原子炉圧力容器2と炉内構造物14との間の距離である。
【0023】
そして、炉内構造物14が振動して、振動振幅がΔLの場合、Lは(L+ΔL)になるので、超音波の伝搬時間Tの変化分をΔtとすると、
【数2】
【数3】
ΔL=−2×V2 ×Δt …(3)
のように求まることになる。したがって、信号処理装置8で伝搬時間の変化分Δtを測定すれば、振動振幅ΔLを測定することができる。
【0024】
また、超音波パルス信号を発生させる時間間隔をTs(秒)とすると、その時間間隔Ts(秒)毎に離散的に振動振幅を測定することができるので、測定結果は図5に示したような離散的な信号が得られる。サンプリング定理を使用すれば、周波数f(Hz)の振動信号を再生するためには、超音波パルス信号を発生させる時間間隔Ts(秒)が(4)式のようになる。すなわち、
【数4】
f=1/(2×Ts) …(4)
例えば、100Ηzの振動振幅を再生するためには、200Hz(Ts=50msec )間隔で超音波を発生させればよいことになる。
【0025】
このように本実施形態によれば、超音波トランスジューサ1が原子炉圧力容器2の外周面に設置されたことにより、従来のように炉内構造物14に直接加速度計を設置する必要がなくなる。そのため、原子炉圧力容器2から信号を取り出すためのケーブルや信号取出口が不要となる。その結果、ケーブル数を削減することが可能となり、安価な監視装置を提供することができる。
【0026】
図6は本発明に係る原子炉振動監視装置の第2実施形態を示す構成図、図7(A),(B)は第2実施形態において送信RFパルスと受信RFパルスの時間関係および周波数関係を示すタイミングチャートである。なお、前記第1実施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明する。以下の各実施形態も同様である。
【0027】
第2実施形態では、超音波送信器6から発生する超音波パルス信号として、図6および図7(A)に示すようなRF(無線周波数)パルス信号17が使用される。すなわち、超音波トランスジューサ1に図7(A)に示すRFパルス信号17を加えると、その結果として発生する超音波パルス信号もRFパルス信号となる。この時のRFパルス信号の搬送波(キャリア)の周波数をf(Hz)とする。このRFパルス信号17が炉水12中を伝搬し、炉内構造物14に当たって反射してくると、再び超音波トランスジューサ1で受信される。
【0028】
この受信されたRFパルス信号18は、図4に示すように送信される超音波パルス信号11および受信される超音波パルス信号15と同様に、伝搬時間Tまたは(T+Δt)の時間間隔で観測される。炉内構造物14の振動によって、反射するRFパルス信号18はドップラシフトを起こすため、反射するRFパルス信号18の周波数は変化している。この場合の周波数変化量をΔfとすると、周波数変化量Δfは、(5)式で計算される。
【0029】
【数5】
Δf=2×v×f/V2 …(5)
ここで、v(m/sec )は、炉内構造物14の振動速度である。周波数変化量Δfの測定方法は、例えば、信号処理装置8内において、周波数復調回路を使用して測定される。
【0030】
(5)式において、周波数変化量Δfを測定すれば、振動速度v(m/sec )を逆算することができる。この場合も振動速度は離散的に測定されるので、図5に示した方法と同様に、測定値を信号処理装置8に取り込み、サンプリング定理を利用して振動速度波形を合成する。
【0031】
このデータを利用することにより、振動振幅波形16や振動の加速度波形に変換され、これらが表示装置9に表示される。
【0032】
このように本実施形態によれば、前記第1実施形態で用いたDCパルス信号の代わりに、RFパルス信号16を使用したことにより、炉内構造物14の振動に伴って発生する超音波パルス信号のドップラシフトを検出することができ、振動振幅および振動速度を同時に測定することができ、測定精度を向上することができる。
【0033】
図8は本発明に係る原子炉振動監視装置の第3実施形態を示す構成図である。この第3実施形態では、図8に示すように複数個の超音波トランスジューサ1a,1b,1c,1d,1e,…1nを原子炉圧力容器2の外周面に対して1次元に配列し、信号処理装置8によりこれらの超音波トランスジューサ1a,1b,1c,1d,1e,…1nの超音波パルス信号13a,13b,13c,13d,13e,…13nの送信タイミングを変化させるとともに、受信される超音波パルス信号15a,15b,15c,15d,15e,…15nを時間的に遅延させて加算して超音波反射パルスを測定する。
【0034】
したがって、第3実施形態では、超音波トランスジューサ1a,1b,1c,1d,1e,…1nを設置した各点での振動振幅または振動速度が測定することができるので、振動分布を測定することができる。この振動分布を信号処理装置8で処理して表示装置9に表示することにより、監視員に分かり易い情報を提供することができる。
【0035】
このように第3実施形態によれば、複数個の超音波トランスジューサ1a,1b,1c,1d,1e,…1nの送信のタイミングを制御し、炉内に入射する超音波の伝搬方向を高速で制御することができるようになるので、測定対象物を高精度に選定することができるばかりでなく、炉内構造物14の振動分布の位相も測定可能となり、測定精度を向上させることができる。
【0036】
また、受信される超音波パルス信号15a,15b,15c,15d,15e,…15nを時間的に遅延させて加算するので、白色雑音は打ち消されて減少し、信号は加算され大きくなるので、超音波信号のSN比も向上し、測定精度を向上させることができる。
【0037】
図9は本発明に係る原子炉振動監視装置の第4実施形態を示す構成図である。この第4実施形態では、図9に示すように超音波トランスジューサ1が原子炉圧力容器2の外周面に沿って移動可能に構成されている。この超音波トランスジューサ1を移動させるには、例えば原子炉圧力容器2の外周面にレールなどを敷設し、このレールに沿って超音波トランスジューサ1を電動または手動により移動させる。
【0038】
このように第4実施形態によれば、超音波トランスジューサ1を原子炉圧力容器2の外周面に沿って移動可能に構成したことにより、超音波トランスジューサ1の移動した各点での振動振幅または振動速度を測定することができるので、測定対象物を高精度に選定できるばかりでなく、炉内構造物14の振動分布を測定することができる。この振動分布を信号処理装置8により処理して表示装置9で表示することによって、監視員に分かりやすい情報を提供することができる。
【0039】
図10(A),(B)は本発明に係る原子炉振動監視装置の第5実施形態において固有振動数の表示方法を示す説明図,しきい値の設定方法を示す説明図である。
【0040】
この第5実施形態では、信号処理装置8内で、測定した振動振幅,振動速度の信号の周波数分析を行い、炉内構造物14の固有振動数を算出して、この固有振動数(F)19aの経時変化(ΔF)19bのように表示装置9に表示すれば、長期間の振動の変化を容易に認識することができるので、炉内の振動異常を早期に検出することができる。
【0041】
このように第5実施形態によれば、信号処理装置8で図10(A)に示すように出力信号を周波数分析を行い、表示装置9で図10(B)に示すように炉内構造物14の固有振動周波数の経時変化を表示させることにより、測定した振動信号に基づいて振動の変化傾向(トレンド)を表示することができるので、振動異常の把握が容易になり、炉内構造物14の信頼性を向上させることができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項1によれば、超音波トランスジューサが原子炉圧力容器の外面に設置されたことにより、原子炉圧力容器の外側から炉内構造物の振動を測定することができる。これにより、振動測定対象物の変更が容易となるばかりでなく、測定の準備が容易となるため、作業工数を削減することができる。また、原子炉圧力容器内にケーブルを設置する必要がないため、ケーブルの物量の削減が可能となる。
【0043】
請求項2によれば、請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波パルス信号が無線周波数パルス信号であることから、炉内構造物の振動に伴って発生する超音波パルス信号のドップラシフトを検出することができ、振動振幅および振動速度を同時に測定することができ、測定精度を向上することができる。
【0044】
請求項3によれば、請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサは、1次元に複数個配列され、信号処理装置は、これらの超音波トランスジューサの超音波の送信のタイミングを変化させ、これらの超音波トランジューサを設置した各点で受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて振動分布を測定することにより、複数個の超音波トランスジューサの送信のタイミングを制御し、炉内に入射する超音波の伝搬方向を高速で制御することができるようになるので、測定対象物を高精度に選定できるばかりでなく、炉内構造物の振動分布の位相も測定可能となり、測定精度を向上させることができる。
【0045】
また、受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて加算するので、白色雑音は打ち消されて減少し、信号は加算され大きくなるので、超音波信号のSN比も向上し、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【0046】
請求項4によれば、超音波トランスジューサを原子炉圧力容器の外面に沿って移動させて振動測定を行うので、測定対象物を高精度に選定できるばかりでなく、炉内構造物の振動分布の測定も可能となり、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【0047】
請求項5によれば、信号処理装置は測定した信号の周波数分析を行って炉内構造物の固有振動周波数を算出し、表示装置は固有振動周波数の変化を表示することにより、測定した振動信号に基づいて振動の変化傾向(トレンド)を表示することができるので、振動異常の把握が容易になり、炉内構造物の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る原子炉振動監視装置の第1実施形態を示す構成図。
【図2】第1実施形態において超音波信号の伝搬状態を示す構成図。
【図3】第1実施形態において反射超音波信号を利用して振動測定を行う方法を示す説明図。
【図4】第1実施形態において送信される超音波パルス信号と受信される超音波パルス信号を示すタイミングチャート。
【図5】第1実施形態において離散的な振動振幅の測定値から実際の振動波形を再構成する方法を示す図。
【図6】本発明に係る原子炉振動監視装置の第2実施形態を示す構成図。
【図7】(A),(B)は第2実施形態において送信RFパルスと受信RFパルスの時間関係および周波数関係を示すタイミングチャート。
【図8】本発明に係る原子炉振動監視装置の第3実施形態を示す構成図。
【図9】本発明に係る原子炉振動監視装置の第4実施形態を示す構成図。
【図10】(A),(B)は本発明に係る原子炉振動監視装置の第5実施形態において固有振動数の表示方法を示す説明図,しきい値の設定方法を示す説明図。
【符号の説明】
1 超音波トランスジューサ
2 原子炉圧力容器
3 ケーブル
4 原子炉格納容器
4a 信号取出口
5 超音波信号処理装置
6 超音波送信器
7 超音波受信器
8 信号処理装置
9 表示装置
10 電気パルス信号(DCパルス信号)
11 超音波パルス信号
12 炉水
13 超音波パルス信号
14 炉内構造物
15 超音波パルス信号
16 振動振幅波形
17 RFパルス信号
18 RFパルス信号
19a 固有振動数
19b 経時変化
Claims (5)
- 原子炉圧力容器の外面に設置され超音波パルス信号の送受信が兼用可能な超音波トランスジューサと、この超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を発生させる超音波送信器と、前記超音波トランスジューサと電気的に接続され前記超音波パルス信号を受信する超音波受信器と、前記超音波トランスジューサからの超音波パルス信号を前記原子炉圧力容器を通して原子炉内に入射させる一方、この原子炉内の炉内構造物で反射した超音波パルス信号が再び前記原子炉圧力容器を通して前記超音波トランスジューサを経て前記超音波受信器に受信される超音波パルス信号を処理する信号処理装置と、この信号処理装置により処理された前記炉内構造物の振動情報を表示する表示装置とを備え、前記信号処理装置は、前記炉内構造物から反射して原子炉圧力容器内を伝搬する超音波パルス信号を入力し、前記原子炉圧力容器の超音波速度、炉水の超音波速度、前記原子炉圧力容器板厚、および前記原子炉圧力容器と前記炉内構造物との間の距離をもとに、超音波の伝搬時間の変化分の測定により前記炉内構造物の振動振幅を求めることを特徴とする原子炉振動監視装置。
- 請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波パルス信号は、無線周波数パルス信号であることを特徴とする原子炉振動監視装置。
- 請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサは、1次元に複数個配列され、信号処理装置は、これらの超音波トランスジューサの超音波の送信のタイミングを変化させ、これらの超音波トランジューサを設置した各点で受信される超音波パルス信号を時間的に遅延させて振動分布を測定することを特徴とする原子炉振動監視装置。
- 請求項1記載の原子炉振動監視装置において、超音波トランスジューサは、原子炉圧力容器の外面に沿って移動可能に構成されたことを特徴とする原子炉振動監視装置。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の原子炉振動監視装置において、信号処理装置は、測定した信号の周波数分析を行って炉内構造物の固有振動周波数を算出し、表示装置は前記固有振動周波数の経時変化を表示することを特徴とする原子炉振動監視装置。
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