JP5431603B1 - 時間分域反射率測定（ｔｄｒ）を使用して液位を遠隔測定するシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】使用済燃料プール（ＳＦＰ）の高い放射線、高温、大きい地震活動、火災、爆発、および瓦礫の落下を含むことができる好ましくない事故後環境での水位測定に適した遠隔測定システムを提供する。
【解決手段】遠隔パルスＴＤＲ液位測定システムおよび方法は、プローブを水体中に挿入する工程を含むことができる。プローブ１０６はプローブ／空気界面を有し、水体は空気／水界面を有する。狭いパルスが同軸ケーブル１１８を介してプローブに遠隔送信される。第１のインピーダンス不整合が、正の反射パルスの形態でプローブ／空気界面から受信され、第２のインピーダンス不整合が、負の反射パルスの形態で空気／水界面から受信される。正の反射パルスおよび負の反射パルス間の時間が計算され、時間は距離に変換され、距離は水位を示す。
【選択図】図１Ｂ
【解決手段】遠隔パルスＴＤＲ液位測定システムおよび方法は、プローブを水体中に挿入する工程を含むことができる。プローブ１０６はプローブ／空気界面を有し、水体は空気／水界面を有する。狭いパルスが同軸ケーブル１１８を介してプローブに遠隔送信される。第１のインピーダンス不整合が、正の反射パルスの形態でプローブ／空気界面から受信され、第２のインピーダンス不整合が、負の反射パルスの形態で空気／水界面から受信される。正の反射パルスおよび負の反射パルス間の時間が計算され、時間は距離に変換され、距離は水位を示す。
【選択図】図１Ｂ
Description
本開示は、液位を測定するシステムおよび方法に関する。
従来、時間分域反射率測定（ＴＤＲ）が、金属ケーブルの障害を特徴付け、その位置を見つけるために使用されてきた。時間分域反射率測定（ＴＤＲ）をベースとした水位測定システムが存在するが、いずれも、インパルスおよび比較的高度に専門化された時間分域反射率測定（ＴＤＲ）判別法を利用することによって比較的遠い距離から水位（例えば、使用済燃料プール（ＳＦＰ）水位）を遠隔測定するように設計されていない。例えば、ある従来の時間分域反射率測定（ＴＤＲ）システムは、インパルスではなくステップ波を利用する。他の従来のアプローチは、この一般的なカテゴリの技術を使用する導波レーダ（ＧＷＲ）技術を含む。しかしながら、すべてのこのような従来技術は、使用済燃料プール（ＳＦＰ）の近傍の（すなわち比較的すぐ近くの）電子機器を必要とし、したがって、高い放射線、高温、大きい地震活動、火災、爆発、および瓦礫の落下を含むことができる好ましくない事故後環境での水位測定には適さない。
本明細書内の種々の実施形態は、プローブから離れて（１０００フィートまでまたはそれより離れて）位置する電子機器を使用して事故後環境でタンク（例えば使用済燃料プール）内の水位（または任意の液位）を測定する遠隔パルスＴＤＲシステムに関する。好ましくない事故後環境の影響を受けやすい可能性がある電気または電子回路網は、プローブにまたはその近くに配置されない。
遠隔地にあるパルスＴＤＲ電子機器シャーシは、入射パルスを生成し、反射されたパルスを受信する回路網を含む。パルス発生回路は、速い立上り時間および立下り時間と、長い（１０００フィートまでまたはそれより長い）同軸ケーブルを介してプローブまで伝送し、長い同軸ケーブル伝送ラインを介して戻り、受信回路によって測定されるのに十分な振幅でプローブからの反射パルスを生成するのに十分な振幅とを有する狭い入射パルスを生成するように設計される。パルス受信回路は、プローブでの２つの特定のインピーダンス不整合から発生される反射パルスを受信および同定／識別し、これらの間の時間を測定するように設計される。検出される特定の反射パルスは、以下の２つの主要なインピーダンス不整合からのものである。
第１の反射パルス（パルス＃１）は、低インピーダンスの同軸伝送ラインケーブルおよび高インピーダンスのプローブ上部の空気界面間のインピーダンス不整合からのものである。これは結果として正極性の反射パルスを生じる。
第２の反射パルス（パルス＃２）は、プローブ内の空気／水界面でのインピーダンス不整合からのものである。空気の誘電率は水よりも低く、したがって高インピーダンスから低インピーダンスへのこの反射パルスは負極性の反射パルスを発生する。
第２の反射パルスは、水位界面で生じ、水位が変化するにつれて変化するのに対し、第１の反射パルスは、固定位置で発生するため、水位測定の基準を提供する。水位測定のための代わりの基準位置を確立するために、他のインピーダンス不整合を特定の位置で意図的に加えることもできる。
パルスＴＤＲ電子機器では、反射インピーダンス不整合パルス＃１は、正のパルスの立上りの振幅が一定の予め設定された正の弁別器設定を超えると、自動的に検出される。反射インピーダンス不整合パルス＃２は、負のパルスの立上りの振幅が一定の予め設定された負の弁別器設定より低下すると、自動的に検出される。電圧ランプは、パルス＃１が検出されると自動的に開始し、パルス＃２が検出されると停止するため、ランプ電圧はパルス間の時間間隔の尺度になる。反射パルス間の時間間隔は、初期システム較正に基づいて距離に変換される。分析されるデータの計算時間および計算量を最小にするために、測定システムは、大きいインピーダンス不整合反射パルス＃１および＃２のみを認識するように初期化される。入射パルスが長い同軸ケーブル伝送ラインを下ってプローブまで伝播するために要する時間は、電子機器内で「むだ時間」として除外される。この「むだ時間」は、ケーブルの長さに依存し、システムがインストールされ、長い同軸伝送ラインの長さが確立された後に決定される。
２つの反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間を水位測定の基礎とすることは、１００〜１０００フィートまたはそれより長い同軸ケーブル伝送ラインでのパルス伝播速度の変化に起因する不正確さを防止する。このような変化は、事故後環境での架橋、酸化、温度変化等によるケーブルの中心導体およびシールド間の誘電体材料の変化により発生する可能性がある。ケーブルの長い長さ（例えば１０００フィート）のため、どのような小さい速度変化も、水位に関する重大な誤差を生じる可能がある。本開示に記載されるパルスＴＤＲ技術の使用は、このケーブル劣化の誤差に影響されにくい。
パルスＴＤＲシステムによる狭い入射パルスの使用は、ステップ波ＴＤＲシステムより少ない（入射と比較して）反射パルスのひずみを実現する。これは、狭いパルスが主に高周波を含むためであり、これらの周波数は、パルスが長い同軸ケーブル伝送ラインを伝播するにつれて均一に減衰するため、反射インピーダンス不整合パルスは、入射パルスとほぼ同じ形状（および、具体的には同じ鋭い明確な立上り時間）を有する。これに対し、ステップ波はかなりの量の低周波を含み、低周波はステップ波内の高周波より減衰しない。したがって、ステップ波全体を監視するために必要な同じシステムゲインに関して、低周波が支配し、入射ステップ波の速い立上りは、反射ステップ波のより遅い立上りにひずむ。したがって、本開示に記載されるパルスＴＤＲシステムの信号対雑音比は、水位の測定のためのステップ波ＴＤＲシステムの信号対雑音比より高い。
液位プローブは、有意に高い振幅を有する正の振幅の反射インピーダンス不整合パルス（パルス＃１）を形成するために、プローブ上部の空気界面が同軸ケーブル伝送ライン（例えば５０または７５オーム）より有意に高い特性インピーダンス（〜１３０オーム）を有するように設計される。この反射パルスは固定位置に発生するため、その検出は、水位測定のための正確な基準点を提供する。
液位プローブは、空気誘電体による高いプローブインピーダンス（１３０オーム）が水誘電体による低いプローブインピーダンス（室温で〜１５オーム）より有意に高くなり、これがプローブ空気／水界面で有意に大きい振幅の負のパルス（パルス＃２）を発生するように設計される。この反射インピーダンス不整合パルスは水位で発生するため、正のパルスに対するその検出は、基準点からの液位の正確な測定を提供する。
水位測定の代わりの基準位置を提供するため、プローブ上部および同軸ケーブル伝送ライン（例えば１０００フィート）間を接続するために、比較的短い長さ（例えば６フィート）の同軸較正ケーブルが使用される。較正ケーブルは、プローブ上部と同じインピーダンス（〜１３０オーム）を有するように選択される。第１の反射インピーダンス不整合パルス＃１を較正ケーブルおよび１０００フィートのケーブル間の界面で発生させることが可能になり、プローブ上部でインピーダンス不整合パルスを形成しないため、較正ケーブルを有するこの配置は、パルスタイミングの観点からのプローブの上部から水位までの距離を効果的に長くする。この配置は、より正確な水位測定のための正および負のパルス間のより長い時間を提供する。短い較正ケーブルの使用は、また、長い同軸ケーブル伝送ラインを導管内に固定し、容易に動かせないようにすることができるため、プローブの垂直移動および較正を容易にすることができる。この構成の使用は、誘電率が較正間および事故状態の間一定のままである較正ケーブルを必要とする。
パルス＃１に関する基準点がプローブの上部である場合であっても、プローブ上部および同軸ケーブル伝送ラインを接続するために較正ケーブルを使用することができる。この場合に関して、較正ケーブルは長い同軸ケーブル伝送ライン（５０または７５オーム）と同じ低い特性インピーダンスを有することになり、したがって、長い同軸ケーブルが短い較正ケーブルと接触する点ではインピーダンス不整合が存在せず、較正ケーブルは単に長い同軸ケーブルの延長である。このような配置は、較正を容易にする特性を実現するが、反射インピーダンス不整合パルス＃１は、依然としてプローブの上部に生じる。
プローブは、外側管内に内側ロッドを有し、測定される水位の長さ（ＳＦＰ用途に関して〜３５フィート）以上のプローブ長を有する同軸伝送ライン構成で設計される。インピーダンス特性がプローブの長さ全体にわたって維持されることを保証するために、設計は、内側電極および外側電極間に５フィートごとに配置された薄い絶縁スペーサを設け、絶縁スペーサは、プローブの内側電極および外側電極間のギャップのジオメトリ（または同軸性）がプローブの長さ全体にわたって一定のままであることを保証する。干渉する反射インピーダンス不整合パルスを導入せず、プローブの内側および外側間の効果的なシールを提供するように、プローブ上部は、同軸ケーブルと係合する短い軸長（例えば、数インチ）で設計される同軸ヘッドコネクタを有する。プローブ底部は、頑丈なプローブ設計を提供する、中心電極および外側電極間を溶接する板を有し、底部からのインピーダンス不整合パルスは、プローブ空気／水界面からのインピーダンス不整合パルス＃２より遅れて発生するため、水位測定に干渉しない。
プローブ電極は、パルスＴＤＲ信号を効果的に伝達し、また、好ましくない事故後の放射線、温度、地震および水質環境で動作することができる頑丈なプローブを形成する導電性金属（ステンレス鋼のような）で製造される。必要であれば、金のような材料を使用する導電性被覆を電極上に配置することができる。絶縁スペーサは、スペーサ設計を満たし、（ジルコニウム、セラミック、水晶のように）プローブ内の高い放射線、温度および水質環境に耐えるように製造することができる材料で作られる。プローブ上部コネクタ内の電極接続部間の絶縁体は、コネクタ設計を満たし、ＳＦＰ水の上のプローブ内の高い放射線および温度環境に耐えるように製造することができる材料で作られる。
プローブの外側管は、水がプローブ内を自由に移動できるようにし、プローブ内の水位がプローブ外の水位と同じであることを保証するために、プローブの長さ全体にわたって内部に、および底板に穴を有する。絶縁スペーサも、水が絶縁スペーサを通っておよび絶縁スペーサの周囲を自由に移動できるように設計される。
プローブは、固有のボールおよびソケット設計を使用してＳＦＰ内に設置され得、この設計では、ボールはプローブに結合され、ソケットは、ＳＦＰライナ縁石に結合されたまたは燃料補給フロアに溶接された板と一体化される。プローブは、ソケット内に位置するボールにより振り子のようにぶら下がる。地震のときには、プローブは、ＳＦＰ水によってダンプされ、ＳＦＰの壁によって制限される振り子のように振れることになる。低い固有周波数は、プローブへの地震力を低減し、その必要条件を特定の地震スペクトルに単純化する。取り付けられたプローブ組立品には、通常環境および事故後環境中にそれを保護するためにカバーが取り付けられる。カバーは、較正ケーブルを収容し、較正ケーブルおよびプローブコネクタを保護することもできる。
プローブおよびＳＦＰ内のその取り付けは、単純な原位置プローブ較正を可能にするように設計される。この原位置較正は、プローブの上部に取り付けられた巻き上げリング（またはフック）によってプローブをＳＦＰ内で単純に垂直に上下させ、プローブの上部に対する水位の対応する変化を測定することによって達成することができる。プローブを、較正ケーブルの長さ（〜６フィート）と等しい量だけ垂直に動かすことができ、それがプローブ較正に必要なすべてであってもよい。ＳＦＰからのプローブの除去、または、プローブ内の水を上下させる複雑な手段は、プローブ較正のために必要ない。
本明細書内の非限定的な実施形態の種々の特徴および利点は、添付図面と共に詳細な説明を検討すればより明らかになるであろう。添付図面は、単に例示の目的で提供されており、特許請求の範囲を制限すると解釈されるべきではない。添付図面は、特に断りのない限り、一定の比率で描かれていると考えられるべきではない。明瞭にするために、図面の種々の寸法は誇張されている可能性がある。
要素または層が他の要素または層の「上に」ある、これらに「接続される」、これらに「結合される」またはこれらを「覆う」として言及される場合、他の要素または層の直接上にあっても、これらに直接接続されても、これらに直接結合されても、またはこれらを直接覆ってもよく、介在する要素または層が存在してもよいことを理解すべきである。これに対して、要素が他の要素または層の「直接上に」ある、これらに「直接接続される」またはこれらに「直接結合される」として言及される場合、介在する要素または層は存在しない。明細書全体を通じて、同様の番号は同様の要素を指す。本明細書で使用されるとき、用語「および／または」は、１つまたは複数の関連する列挙された項目の任意およびすべての組み合わせを含む。
第１、第２、第３等の用語は、本明細書では、種々の要素、構成要素、領域、層および／または区域を説明するために使用されてもよいが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または区域はこれらの用語によって限定されるべきではないことを理解すべきである。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層または区域を、他の領域、層または区域から区別するためにのみ使用される。したがって、以下に論じる第１の要素、構成要素、領域、層または区域は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または区域と呼ぶことができる。
空間的に相対的な用語（例えば、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」等）は、本明細書では、図面に示されるようなある要素または特徴の他の要素（複数可）または特徴（複数可）との関係を説明するために、説明を容易にするために使用することができる。空間的に相対的な用語は、図面に示す方向に加えて、使用中または動作中の装置の異なった方向を包含することが意図されることを理解すべきである。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下方」または「下」として記載された要素は、他の要素または特徴の「上方」に向けられることになる。したがって、用語「下方」は、上方および下方の両方の方向を包含することができる。装置は、他の状態に配向されてもよく（９０度回転したまたは他の方向に）、適宜に解釈される本明細書で使用される空間的に相対的な記述子であってもよい。
本明細書で使用される用語は、種々の実施形態を説明する目的のためのものであり、例示的な実施形態を限定することを目的としない。本明細書で使用されるとき、単数形の「１つ」および「その」は、文脈が別途明らかに示さない限り、複数形を含むことが意図される。用語「含む」、「含んでいる」、「備える」および／または「備えている」は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を除外しないことも理解されるであろう。
例示的な実施形態が、例示的な実施形態の理想化された実施形態（および中間構造）の概略図である断面図を参照して本明細書に記載される。そのため、例えば製造技術および／または公差の、結果として図の形状からの変形が予想される。したがって、例示的な実施形態は、本明細書で示される領域の形状に限定されるものとして解釈されるべきではなく、例えば製造から結果として生じる形状の偏差を含むものである。例えば、長方形として示される埋設領域は、典型的には、丸められたもしくは曲げられた特徴を有し、および／または、埋設領域から非埋設領域への二値的変化ではなく、そのエッジで埋設濃度の勾配を有するであろう。同様に、埋設によって形成される埋設領域は、埋設領域と、埋設が行われる表面との間の領域で、いくらかの埋設を結果として生じる可能性がある。したがって、図に示された領域は、概略的な性質のものであり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すものではなく、例示的な実施形態の範囲を限定するものではない。
特に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、例示的な実施形態が属する当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されるものを含む用語は、関連技術の文脈でのそれらの意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明確に定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されることはないことは、さらに理解されるであろう。
本開示は、タンク内の液位、例えば、原子炉の使用済燃料プール（ＳＦＰ）内の水位を測定する独特な計器システム（プローブおよび電子機器）および方法に関するが、例示的な実施形態はそれらに限定されない。むしろ、本明細書中の計器システムおよび方法は、種々の容器内の任意の液位を測定するために使用することができるため、この開示での水位の測定への参照は、任意の液位の測定に一般化することができることを理解すべきである。
本明細書中の計器システムは、狭い幅（ナノ秒）のパルス（「インパルス」と呼ばれる）を、比較的長いケーブル伝送ラインを下ってプローブに送信し、特別に設計されたインピーダンス不整合状態によって形成される反射インパルス間の時間を、特別な弁別器技術を使用して測定するという点で独特である。このシステムでは、時間分域反射率測定（ＴＤＲ）パルス発生および測定電子機器を、使用済燃料プール（ＳＦＰ）から比較的遠い距離（例えば１０００フィート）に遠隔配置することができる。
本明細書の開示は、事故後環境で原子炉使用済燃料プール（ＳＦＰ）内の水位を監視するために利用することができる。しかしながら、技術を、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内部の水位測定、または、遠隔電子機器および頑丈なプローブを必要とする他の水位測定用途に容易に適用することもできることを理解すべきである。
図１Ａは、非限定的な実施形態による液位を測定するシステムの概略図である。図１Ｂは、非限定的な実施形態による液位を測定する他のシステムの概略図である。図１Ａに示され、図１Ｂには明確に示されないいずれの特徴、配置および／または構成も図１Ｂに適用することができ、逆もまた同様であることを理解すべきである。図１Ｃは、図１Ａのシステムまたは図１Ｂのシステムで使用することができるプローブの斜視図である。
本明細書の教示は一般に液体に適用することができることを理解すべきであるが、図１Ａ〜１Ｃを参照すると、システム１００は、水体１０４を含むタンク１０２（例えば、原子炉の使用済燃料プール）の内部に取り付けられたプローブ１０６を含む。プローブ１０６は、導電性管１１０内に配置された導電性ロッド１１２を含む。導電性管１１０は、その長さ全体に沿って複数の穿孔１２４を含むことができる。導電性ロッド１１２および導電性管１１０間の同軸配置を維持するために、複数の絶縁スペーサ１２６を使用することができる。導電性管１１０の下端に張力調整装置１１４を設けることができる。プローブ１０６を、側方支持体１１６でタンク１０２の内側の側壁に固定することができる。同軸ケーブル１１８は、パルス化ユニット１２０を、ヘッドコネクタ１０８を介してプローブ１０６に接続する。パルス化ユニット１２０は、弁別器１２０ａおよびレベル表示装置１２０ｂを含むことができる。パルス化ユニット１２０に関連して較正器１２２を利用することができる。
さらに詳細には、システム１００は、水位が測定されるタンク１０２の内部に配置される特別に設計されたプローブ１０６（またはセンサ）を含む。プローブ１０６は、特別に設計されたヘッドコネクタ１０８を介して、独特に設計されたパルス化ユニット１２０（ＴＤＲパルス送信および受信ユニット）への低漏洩だが長い同軸ケーブル１１８（伝送ライン）に接続される。同軸ケーブル１１８は、１００から１０００フィート長までの範囲であってもよい。例えば、本開示はこれに限定されないが、同軸ケーブルは、２５０フィート、５００フィートまたは７５０フィート長であってもよい。
プローブ１０６は、測定される水位（使用済燃料プールを監視する用途では約３５フィート）よりわずかに長い長さを有し、一方の電極を形成する導電性ロッド１１２（導電性の中心ロッドまたは管）および他方の電極を形成する導電性管１１０（外側導電性管）から構成される同軸構成を有する。プローブ１０６は、受動的であり、可動部分または能動構成要素を持たない。導電性ロッド１１２（内側電極）の外径および導電性管１１０（外側電極）の内径は、ケーブル伝送ラインおよびプローブ空気界面間のインピーダンスの有意な増加と、プローブ空気および水界面間のインピーダンスの有意な減少とが存在することを保証するように、具体的に選択される。
２つの電極の直径を選択する他の要因は、電極間のギャップまたは間隔がプローブ１０６の全長にわたって一定のままであることを機械的に保証することである。種々のプローブ開発モデルが、テスト目的のために構成されており、内側電極が０．０６４インチの外径を有するワイヤであり、外側電極が０．８２２インチの内径を有する管であるプローブと、内側電極が０．１２５インチの外径を有するロッドであり、外側電極が２．３７インチの内径を有する管であるプローブとでテストが行われている。プローブの機械的要件が満たされる限り、外側電極内径および内側電極外径間の十分に高い比率を維持する他の同軸プローブ設計を使用することもできる。重要な機械的要件は、地震の負荷の下でも、ギャップのジオメトリ（または同軸性）がプローブ１０６の全長にわたって維持されるように、導電性ロッド１１２（中心導体）が導電性管１１０の壁と一定の間隔を維持することである。同軸性を維持することは、正確な水位検出のために反射パルスがプローブ１０６内の水位にのみ依存することを保証する。
同軸性を保証するための１つの可能性のある設計は、十分な数の薄い絶縁スペーサ１２６（分離円板またはスペーサと呼ばれる）を導電性ロッド１１２（中心電極または導体）上に取り付けることである。中心電極に取り付ける絶縁スペーサ１２６間の間隔は、プローブ設計、および、中心電極がどれくらいの剛性であるかに依存する。低剛性の０．０６４インチ径の中心電極に関して、絶縁スペーサ１２６を、プローブ長に沿って１フィートごとに配置する必要がある可能性があるが、強固な１／４インチ径の中心ロッド設計に関しては、絶縁スペーサ１２６を５から１０フィート離間させることができる。絶縁スペーサ１２６は、同軸構成、および、中心導体および外側導体間の電気的分離を維持しながら、これらをおよび／またはこれらの周囲を水が自由に通過できるように設計される。
絶縁スペーサ１２６は、事故後の温度および放射線環境並びに使用済燃料プール（ＳＦＰ）内部の水の化学的性質に耐えるように、セラミック、ガラス、水晶等のような材料から作られる。絶縁スペーサ１２６の導入は、プローブ設計を複雑にし、それらの場所でのインピーダンスおよび水位測定に潜在的に影響を与える可能性があり、したがってプローブ１０６内の絶縁スペーサ１２６の数を制限することが望ましい。絶縁スペーサ１２６の数を減らす１つの方法は、張力調整装置１１４を介して中心導体にその両端で張力を加えることによって中心導体を固くすることであるが、中心電極の強度が維持され、プローブ１０６の上部でヘッドコネクタ１０８にはんだ付けされたケーブルワイヤに過度のストレスがかからないことを保証するように注意が必要である。絶縁スペーサ１２６は、水位が変化するにつれて、水がそれらを通過して自由に移動できるように設計される。外側導電性管１１０は、プローブ１０６内部の水位が、プローブ１０６が配置されたプールの水位と同じになるように、水がプローブ１０６に自由に出入りできるように、その全長にわたって穿孔１２４（穴）を有する。
中心導体および管状外側導体の材料は、効率的なＴＤＲパルス伝播のため、そしてまた、ＳＦＰでの水の腐食効果、並びに、使用済燃料からのガンマ線および高温の影響に耐えるように、特別に設計される。プローブ上部は、事故後環境および放射線状態中で動作することができるセラミック絶縁体を有する同軸コネクタを有し、同軸コネクタは、中心プローブ電極および外側プローブ電極を、遠隔地にあるＴＤＲ電子機器への伝送用の同軸ケーブルに接続する。プローブ１０６の上部での同軸コネクタへの中心および外側導体電極の接続は、効率的なＴＤＲパルス伝播のために特別に設計される。プローブ１０６は、ＳＦＰに垂直に挿入され、取り付けは、耐震資格要件を満たすように設計される。
遠隔地にあるＴＤＲ電子機器のシャーシは、パルスを発生し、反射パルスを受信する回路網を含む。パルス発生回路は、速い立上り時間および立下り時間（例えば１から１０ナノ秒）と、長い（１０００フィートまで）同軸ケーブル１１８を介してプローブ１０６まで伝送し、長い同軸ケーブル１１８を介して戻り、受信回路によって測定されるのに十分な振幅のプローブ１０６からの反射パルスを生成するのに十分な振幅とを有する狭い入射パルスを生成するように設計される。パルス受信回路は、プローブでの２つの特定のインピーダンス不整合から発生される反射パルスを受信および同定／識別し、これらの間の時間を測定するように設計される。検出される特定の反射パルスは、以下の２つの主要なインピーダンス不整合からのものである。第１の反射パルス（パルス＃１）は、低インピーダンスの同軸伝送ラインケーブルおよび高インピーダンスのプローブ上部の空気界面間のインピーダンス不整合からのものである。これは結果として正極性の反射パルスを生じる。第２の反射パルス（パルス＃２）は、プローブ内の空気／水界面でのインピーダンス不整合からのものである。空気の誘電率は水よりも低いため、高インピーダンスから低インピーダンスへのこの反射パルスは、負極性の反射パルスを発生する。
第２の反射パルスは、水位界面で生じ、水位が変化するにつれて変化するのに対し、第１の反射パルスは、固定位置で発生するため、水位測定の基準を提供する。また、水位測定のための代わりの基準位置を確立するために、他のインピーダンス不整合が特定の位置で意図的にあってもよい。例えば、空気／水位界面が、負のＴＤＲ反射インピーダンス不整合パルス（パルス＃２）を発生し続けながら、空気誘電体を有するプローブ１０６と同じ特性インピーダンスを有する短い固定長の較正ケーブルを、正のＴＤＲ反射インピーダンス不整合パルス（パルス＃１）を発生するために使用することができる。
反射ＴＤＲの良好な分解能および良好な信号対雑音比を得るために、プローブ１０６への長い（１０００フィートまで）同軸ケーブル１１８（伝送ライン）の端部に伝播するのに十分なエネルギーを有する、速い立上りおよび立下り時間（例えば〜１ナノ秒）を有する高振幅の狭い幅の電圧入射パルスを生成するために、特別な電子機器が必要である。遠隔地にある電子機器からプローブ１０６への同軸ケーブル１１８は、入射パルスが長い同軸ケーブル１１８の端部に伝播した後、反射インピーダンス不整合パルス（パルス＃１およびパルス＃２）が、パルス受信回路網によって分離されるために、十分な振幅を有し、速い立上り時間で十分に狭くなるように、対象となる周波数で低い損失特性を持つように設計される。パルス発生器でのパルス振幅がより大きくなると、長い（例えば５００フィートから１０００フィート）同軸ケーブル１１８（伝送ライン）から受信される反射インピーダンス不整合パルス振幅はより大きくなり、向上した測定精度のための信号対雑音比はより大きくなる。
本開示で説明されるＴＤＲパルス測定概念の実行可能性を証明するためにテストが行われており、これらのテストの結果は以下の段落に記載される。２５０ｍＶの発生器での入射パルス振幅が、供給業者Ｒｏｃｋｂｅｓｔｏｓから容易に利用可能であった４５０フィートの７５オーム同軸ケーブルに適切であった。より高い振幅（〜５ボルト）パルスを発生し、供給業者Ｔｉｍｅｓ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅからの１０００フィートの特別な低損失５０オームケーブルを使用する改善された入射パルス発生電子機器による他の開発テストは、改善されたより高い振幅（〜４５０ｍＶ）を有する反射ＴＤＲインピーダンス不整合パルスをもたらしている。パルサ回路のさらなる最適化は、さらにより高い入射パルス振幅を発生することができ、このさらにより高い入射パルス振幅は、必要ならば１０００フィートより長い同軸ケーブル伝送ラインでの正確なＴＤＲベースの水位測定に関する分解能および信号対雑音比をさらに改善するために、反射ＴＤＲインピーダンス不整合パルスの振幅をさらに増加させることができる。
電子システムは、以下の２つの反射インピーダンス不整合パルスを自動的に検出する能力を有するように設計される。パルス＃１は、以下の２つのインピーダンス不整合構成のいずれかから反射される。第１に、同軸ケーブル伝送ライン（特性インピーダンス〜５０または７５オーム）およびプローブ１０６の上部の同軸コネクタ（特性インピーダンス〜１３０オーム）間にインピーダンス不整合が存在する。第２に、同軸ケーブル伝送ライン（特性インピーダンス〜５０または７５オーム）、および、プローブ上部と同じ特性インピーダンス（特性インピーダンス〜１３０オーム）を有する短い固定長のケーブル（プローブ較正ケーブルと呼ばれる）間にもインピーダンス不整合が存在し得る。
これらの構成の両方は、大きい８０または５５オームのインピーダンス不整合のため、十分大きい振幅の正パルスを生成する。高インピーダンス較正ケーブルがない第１の構成は、較正ケーブルのインピーダンスとは無関係の水位測定を提供する。しかしながら、この構成は、パルスがきわめて狭く、電子機器がパルス＃１およびパルス＃２間の時間を識別および測定するのに十分なほど高速である場合、適している。この構成では、プローブ１０６は、正確な測定のためにパルス間に十分な時間間隔を可能にするために、プローブヘッドコネクタ１０８およびＳＦＰで予測される最も高い水位間が最小の距離になるように、タンク１０２内で垂直に配置される。第２の構成での高インピーダンス較正ケーブルの使用は、パルス＃１およびパルス＃２間により長い時間を提供し、タイミングの観点からプローブヘッド接続を効率的に生じさせる。余分な時間は、ケーブル内のパルスの速度で割ったケーブルの長さに等しい。
較正ケーブルの使用は、ＳＦＰに強固に取り付けられてもよい１０００フィートのケーブルを動かすことなく、プローブを較正のために容易に上下に動かすことも可能にする。較正ケーブルは短い（〜６フィート）ため、長い同軸ケーブル伝送ラインと同じ損失特性を有する必要はなく、較正を容易にするために柔軟に、そして、要求される特性インピーダンスと、事故後環境のために要求される耐久性とを有するように設計される。同様の短い長さの較正ケーブルが、較正を容易にするために第１の構成に含まれてもよいが、この較正ケーブルの特性インピーダンスは、接合部にインピーダンス不整合が存在せず、パルス＃１に関するインピーダンス不整合がプローブ上部で生じるように、長い同軸ケーブル伝送ラインと同じ（５０または７５オーム）にする必要がある。両方の構成に関して、正パルス（パルス＃１）は、時間において固定され、水位と共に変化せず、したがって、水位を測定するための一定の基準を提供する。
パルス＃２は、プローブ１０６内の空気／水界面でのインピーダンス不整合から反射される。大きいインピーダンス不整合（水位以下のプローブ水柱での〜１５オームに対し、水位より上のプローブ気柱での１３０オーム）は、大きい負パルスを生成する。負パルスのタイミングは水位と共に変化し、具体的には、負パルスの立上りエッジのタイミングは、水位の正確な尺度である。
システム受信電子回路網は、水位を、以下のように、具体的には、上述した正（パルス＃１）および負（パルス＃２）のインピーダンス不整合反射パルス間の時間間隔を測定することによって決定する。間隔測定の開始時間は、正パルスの立上りエッジの振幅が一定の予め設定された正の弁別器設定を超える時点に注目することによって検出される。間隔測定の停止時間は、負パルスの立上りエッジの振幅が一定の予め設定された負の弁別器設定を下回る時点に注目することによって検出される。ＴＤＲ測定システムは、パルス＃１およびパルス＃２間の時間間隔を検出および確立するために高速弁別器を使用し、弁別器は信号の雑音レベルより上に設定される。計算時間および分析されるデータの量を最小にするために、測定システムは、長い同軸ケーブル伝送ラインを過ぎて生じる上述したインピーダンス不整合に由来する大きい反射パルス（パルス＃１およびパルス＃２）のみを認識するように初期化される。入射パルスが長い同軸ケーブル１１８（伝送ライン）を下ってプローブまで伝播するのに要する時間は、電子機器内で「むだ時間」として除外される。この「むだ時間」は、同軸ケーブル１１８の長さに依存し、システムが設置され、同軸ケーブルの長さが確立された後に決定される。
反射パルス間の測定された時間間隔は、初期システム較正に基づいて距離に変換される。この初期較正では、プローブ１０６内部の水位が別々に測定され、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間で測定された時間間隔に関連付けられる。この水位測定は、誘電体が空気から水に変化するときにのみ基づき、したがって、水温または水の純度に影響されないことに留意されたい。また、測定は、プローブヘッドコネクタ１０８および水位の近傍の（またはこれらの）インピーダンス変化からの反射パルス間の時間間隔に依存するため、事故後環境におよび長い（〜４０年）システム設計寿命に起因して生じる可能性がある、電子機器をプローブ１０６に接続する長い（１０００フィートまで）同軸ケーブル１１８（伝送ライン）での誘電体材料の潜在的な変化に起因するパルス伝播速度の変化の影響を受けない。プローブヘッドコネクタ１０８および水位間の領域でのパルスの伝播速度は、空気の誘電率が温度（摂氏１度当たり〜５ｐｐｍ）または湿度（１％相対湿度当たり〜１．４ｐｐｍ）により大きく変化しないため、比較的一定であり、その結果、較正は全動作範囲にわたって十分に正確である。
システム較正は、取り付け時のプローブ１０６の垂直位置に依存する。一旦設置されると、反射パルス＃１および＃２間の時間間隔は、プローブヘッドコネクタ１０８および水位間の距離のみに依存するため、プローブ較正は変化しない。空気／水界面からの反射パルス（パルス＃２）の振幅は、水の誘電率に関連する温度変化のため、わずかに（〜１５％）変化し得るが、このインピーダンス不整合パルスが生じる時間は変化しないことに留意されたい。したがって、反射インピーダンス不整合パルスの振幅は変化し得るが、反射パルスの時間は、ＳＦＰ水位にのみ依存し、水の温度にかかわらず、水位が変化しなければ変化しない。遠隔電子機器および弁別器回路を、較正器１２２（例えば外部較正源）を使用することによってドリフトについて定期的に較正することができる。
図２は、非限定的な実施形態による液位を測定するシステムで使用することができる電子機器のブロック図である。図２を参照すると、ブロック図２００は、パルス化ユニット１２０内の電子機器のための１つの可能な構成である。遠隔システム電子機器は、基本的に、パルスを発生し、長い（１０００フィートまで）同軸ケーブル１１８（伝送ライン）を介してプローブ１０６に送信する入射パルス発生回路（インパルス発生器区域）、並びに、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２を受信および検出し、これらの間の時間を測定する反射インピーダンス不整合パルス受信回路（弁別器区域）から構成される。入射パルス発生率は、ある発生された入射パルスからの反射パルス＃１および＃２を、長い同軸ケーブル１１８（伝送ライン）を下ってプローブ１０６に送信するための次の入射パルスが発生される前に測定することができるように調整される。
入射パルスの伝送速度は非常に速い（同軸ケーブル１１８の誘電体材料およびプローブ１０６内の空気に応じて光速の約０．７倍から１．０倍）ため、入射パルス繰返し率（ＰＲＲ）は、電子機器で発生される各入射パルスが同軸ケーブル１１８を下ってプローブ１０６まで伝播し、プローブ１０６からの反射インピーダンス不整合パルスがプローブ１０６から電子機器まで同軸ケーブル１１８を戻って伝播するのに要する時間と干渉することなく、実質的に連続的な水位測定（約１０〜１００マイクロ秒）を実現するように選択される。ＴＤＲ測定に使用することができる数種類の入射パルスが存在し、これらは、大部分の商用ＴＤＲ機器で一般に利用可能なステップ波形と、特別なパルス発生回路網を必要とするが、長い距離（例えば１０００フィートを超える）にわたる水位測定に関する改善された分解能および信号対雑音比を実現し、より正確な時間間隔および水位測定のために、正および負の振幅の反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の弁別を単純にする、本明細書に記載のインパルス波形とを含む。
本開示は、入射パルスを発生するためのプログラム可能なインパルス関数発生器を利用する独特な設計を記載する。インパルス関数発生器は、速い立上りおよび立下り時間（〜１ナノ秒）の比較的高い振幅の入射パルス（〜５ボルト）を提供する。概念は、伝播遅延が約１から１０ナノ秒だけ異なる２つのステップ波形を論理的に組み合わせることによって、単一の入射パルスを発生することである。入射パルス幅は、プログラム可能な論理を使用して調整することができるが、水位測定範囲全体にわたって反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間間隔を正確に測定するために分離することができる反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２を提供するために、十分狭く保たれる。この入射パルスは、インピーダンス整合回路によりバッファされ、長い同軸ケーブル１１８に結合される。伝送ラインとして作用する同軸ケーブル１１８は、比較的低い特性インピーダンス（５０から７５オーム）を有し、同軸ケーブル１１８の１０００フィートの長さにわたるパルス伝播のために入射パルスの減衰を最小にするために、低い損失特性を有するように特別に設計される。
本開示は、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２を検出するためのいくつかのプログラム可能な弁別器を利用する独特の設計を記載する。反射パルスは、いくつかのプログラム可能な弁別器に入力され、いくつかのプログラム可能な弁別器は、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間差を測定するために、反射パルスの極性および振幅に基づいてランプ発生器を始動および停止する。大きい正および負の反射パルス＃１および＃２のみが弁別器回路によって認識されるように、発生された入射パルスと、プローブ１０６への長い同軸ケーブル１１８（伝送ライン）内の任意の小さい振幅の反射雑音パルスとを消去するブランキングパルス回路と呼ばれる回路が使用される。ブランキングパルスの幅は、任意の特定の施設用途に使用される種々の同軸ケーブル伝送ライン長での入射パルス伝送を適切に考慮するように調整可能である。
器具は、反射インピーダンス不整合パルス間の時間を測定するために、既知の水位を使用し、それと関連付けることによって最初に較正される。固定されたプローブジオメトリに関して、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間は、単に水位の関数であり、水の温度または不純物に依存しない。水の温度または不純物の変化は、負の反射パルスの大きさに影響する可能性があるが、所定の水位に関して、反射インピーダンス不整合は同じ時間に発生するため、水位測定には影響しない。測定された水位は、表示され、ディジタル化およびタイムスタンプ付けすることができ、光ファイバケーブル（または他のディジタル通信ケーブル）を介して設備内の他のＳＦＰ監視場所に送信される。測定電子機器は、非常に小さい電力を使用し、全電源喪失（ＳＢＯ）状態の間、電池駆動することができる。電池寿命を延ばすことを目的として、スクリーンセーバ、並びに、オンデマンド測定および表示を含む、ＳＢＯ時に電力を節約するいくつかの手段が設けられる。
システムは、水位プローブの外側に付着した管内に取り付けられた規準熱電対（またはＲＴＤ）を使用してＳＦＰ温度を測定することもできる。システムは、ＳＦＰ水位およびＳＦＰ温度の変化の傾向および率を測定および表示することもでき、水位が予め決められた値を下回る、または、変化率が予め決められた値を上回る場合、水位または変化率のいずれかについての警告を与えることができる。すべての測定および計算されたＳＦＰデータを、ケーブルを介して（または無線で）遠隔ＳＦＰ監視場所にディジタル的に送信することもできる。
受動プローブ１０６（またはセンサ）は、基本的には、約３５フィート長の導電性管１１０（中空外側管）内部の導電性ロッド１１２（中心電気導体）から構成される。中心導体は、効率的なパルス伝送のために十分な導電性を有する強固な材料（ステンレス鋼）から作られた内部コアを有する。狭い電磁パルスの伝播を劣化させない限り他の材料を使用することもできるとしても、ステンレス鋼は、必要な強度を提供し、化学的に反応せず、したがってＳＦＰでの長期滞在に適している。いくつかの用途に関して、より高い不活性さおよび腐食に対するより高い抵抗力が必要な場合、プローブ材料を、優れた電気伝導特性も有する金の薄層でコーティングすることができる。金の使用は高価であるが、ＴＤＲパルスは、主に中心導体の外表面で伝播するため、わずか２００ミクロン厚の金層が必要なだけである。プローブ設計は、強く頑丈であり、重大な劣化なしに４０年間ＳＦＰ内に存在することができ、通常動作状態および事故後動作状態下でＳＦＰ水の腐食作用に耐えることができることも必要である。
導電性管１１０（管状外側導体）の設計は、プローブ１０６内の水位がＳＦＰ内の水位と同じになるように、ＳＦＰ水がプローブ１０６内に入り、自由に動き回れるようにするために、その長さ全体にわたるおよび底部の穿孔１２４（例えば、穴（〜１／４インチ径））を含む。プローブ設計の重要な要素は、プローブ１０６内の水位がＳＦＰ内の水位と同じであることを保証するために、プローブの特性インピーダンスがプローブ１０６の長さ全体にわたって設計値を維持し、また水がプローブ１０６内を自由に流れることができるように、導電性ロッド１１２（中心導体）が導電性管１１０（外側導体）との正確な間隔を維持することを保証するための、絶縁スペーサ１２６の使用である。絶縁スペーサ１２６の１つの設計概念は、導電性ロッド１１２（中心導体）に固定され、導電性管１１０（外側管）の内径よりわずかに小さい直径を有する、薄いウエハ（セラミック、水晶等で作られた）である。
プローブ１０６は、セラミック絶縁体を有する同軸プローブヘッドコネクタ１０８を有し、同軸プローブヘッドコネクタ１０８は、プローブ中心導体および外側導体を較正ケーブルに接続し、次に、遠隔配置されたＴＤＲ電子機器への長い同軸ケーブル１１８（伝送ライン）に接続する。プローブ１０６の上部での同軸コネクタ（プローブヘッドコネクタ１０８と呼ばれる）との中心および外側導体電極の接続は、効率的なＴＤＲパルス伝播のために特別に設計され、プローブヘッドコネクタ／空気界面での反射インピーダンス不整合パルス＃１を劣化させない。ヘッドコネクタ１０８は固定されるため、プローブ１０６の上部での反射インピーダンス不整合パルス＃１は、水位測定のための一定の基準点を提供する。プローブ１０６内の空気／水位界面からの反射インピーダンス不整合パルス＃２は、測定される可変水位の位置を示す。金属板を外側管および中心ロッドの底部に溶接することによって、プローブ１０６を底部で機械的に閉じることができる。これは外側導体および内側導体を電気的に短絡することになるが、水位測定に使用される反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２はプローブ１０６の底部の上で反射され、より後の時間に生じるため、これらのパルスに影響を及ぼさないためである。水をプローブ内に閉じ込めず、しかし、水がプローブに残り、ＳＦＰ水と自由に通い合うことができるようにするために、底部板は穴を有する必要がある。
プローブ１０６は、使用済燃料プール（ＳＦＰ）内に垂直に配置され、概念的に耐震要件を満たすためにタンク１０２の壁に固定されてもよい。しかしながら、ＳＦＰ内のこのような取り付けは、使用済燃料からの放射線のため、使用済燃料を含むＳＦＰに関しては複雑になる。
図３Ａは、非限定的な実施形態による液位を測定するシステムに関する取り付け配置の斜視図である。図３Ｂは、非限定的な実施形態による液位を測定するシステムに関する他の取り付け配置の斜視図である。図３Ａを参照すると、このプローブ１０６を取り付ける独特な方法は、ボールソケット取り付け配置３００のようなスイベル形式の接続を使用することであり、ボールソケット取り付け配置３００では、ボール３０２はプローブ１０６に溶接され、ソケット３０４は支持アーム３０６を介してＳＦＰの側面または床３１０に固定される。側面または床３１０は、ライナ３０８で覆われてもよい。固定は、ＳＦＰ床３１０内のアンカボルトの使用によって、または、取り付け板を縁石の上部に直接溶接することによって行われてもよい。カバー３１２が設けられてもよい。プローブ１０６は、ソケット３０４内に位置するボール３０２によって振り子のようにぶら下がることになる。地震のときには、プローブ１０６は、ＳＦＰ水によってダンプされた振り子として振れることになり、その動きは、プローブ１０６が取り付けられるＳＦＰの壁によって制限され、使用済燃料に衝撃または損傷を与えないことになる。この配置は、プローブ１０６での地震力を低減し、その必要条件を特定の地震負荷に単純化する。
図３Ｂを参照すると、プローブ１０６を取り付ける他の方法は、ロッド端取り付け配置３００’を使用している。両方の取り付け構成は、プローブ１０６をＳＦＰの隅にできるだけ近く配置させることができる。取り付け板３１８を、トラフ３１６に隣接させながら、縁石３１４に固定してもよい。ヘッドコネクタ１０８’は、ピン３２４およびナット３２２でロッド端３２０に接続される。設置後、取り付けられたプローブ組立品に保護カバーを装着してもよい。
まず初期の概念実証テストおよび次の概念的開発プロトタイプテストの２つのテストが、ＧＥＨ ＳＦＰＬＭＳの概念的設計を証明するために行われた。図４Ａは、非限定的な実施形態による概念実証テストでの液位を測定するシステムの概略図である。図４Ｂは、図４Ａのシステムで行われた概念実証テストの結果のグラフである。
初期の概念実証テストは、使用済燃料プール内の水位を監視するためのこの方法の実現可能性を実証するために行われた。これは、オシロスコープ４０６によって行われたテストであって、オシロスコープ４０６上での反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間間隔の視覚的測定に基づいており、パルスの自動的な検出、および、これらの反射インピーダンス不整合パルス間の時間の自動的な測定を含まなかった。
テストについて、以下のテスト品目が製作された。同軸に構成されたプローブ１０６は１０フィート長であった。導電性管１１０（外側電極）は、全長にわたってあけられた多数の穿孔（１／４インチの穴）を有する銅管（内径０．８２２インチ径）であった。導電性ロッド１１２（中心電極）は銅線（外径０．０６４インチ）であった。これは、空気誘電体と〜１５０オームおよび水誘電体と〜１７オームのインピーダンスのプローブ１０６を形成した。プローブ１０６の上部の同軸ヘッドコネクタ１０８は、電気的な不連続性を持たず、電極接続部間にポリエチレン絶縁体を有するように、特別に設計された。コネクタの外側電極は、管の内壁がコネクタの底部フランジに電気的に接続されるように、管にはんだ付けされ、同軸コネクタの中心ピンは、プローブの銅の中心導体にはんだ付けされた。プローブ電極間の一定の間隔を維持するため、および、中心導体が管の側面に接触せず、プローブ１０６を短絡しないことを保証し続けるために、絶縁セパレータ円板（管の内径より小さい３０ミル径の〜１２５ミル厚のポリエチレン）が、導電性ロッド１２２（中心導体）に、約６インチごとに取り付けられた。中心導体をまっすぐに保つために、張力調整装置１１４がプローブ１０６の底部に取り付けられた。７５オームのインピーダンスを有する４５０フィートの（Ｒｏｃｋｂｅｓｔｏｓ製の）同軸ケーブル１１８が、Ｔ継手４０２を介してプローブ１０６を電子機器に接続するために使用された。５０オームの同軸ケーブル１１８を、最終的な設計で使用することもできる。研究室で作られたＴＤＲ電子ボックス内の入射パルス発生器４０４が、速い立上り時間の入射パルスを作るために使用され、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２は、ＴＤＲ電子ボックスの受信回路網に接続されたテクトロニクススコープ（１．２５ＧＨｚのサンプリング速度）によって監視された。
初期のテストは、ＧＥＨサンノゼのトレーニング施設プール内にプローブ１０６を挿入することによって行われた。プール内でプローブ１０６を上げ下げすることによって種々の水位についてデータが取られた。データは、プローブヘッドコネクタ／空気界面でのインピーダンス不整合（７５から１５０オーム）および空気／水位界面でのインピーダンス不整合（１５０から１７オーム）からの反射パルス間の時間を測定することから構成された。パルスタイミングは、正パルス（パルス＃１）がベースライン軸より上に上昇するとき、および、負パルス（パルス＃２）がＴＤＲトレースシグネチャのベースライン軸より下に下がるときに対応する時間を視覚的に観察することによって決定された。この初期テストの結果を、表１に示し、図４Ｂでグラフ化した。
また、沸騰水の水位測定への影響を決定するためにテストが行われた。このテストのため、１０フィートのプローブが、水を沸騰させるヒータを有する〜３フィート高さのバットに入れられた。プローブ内の水蒸気の存在は、プローブ１０６の穴から流れ出る水蒸気を観察することによって確かめられた。水位は、以前のようにオシロスコープ４０６で水蒸気ありおよび水蒸気なしで視覚的に測定された。テストの結果は、沸騰水による水蒸気環境は水位測定の精度に影響を与えなかったことを実証した。大気圧での水の上の空気空間中の水蒸気の存在は、誘電率およびパルス伝播速度に有意でない影響を有するため、このテスト結果は予想通りだった。
図５Ａは、非限定的な実施形態による概念的な開発プロトタイプテストでの液位を測定するシステムの概略図である。図５Ｂは、図５Ａのシステムによって行われた概念的な開発プロトタイプテストの結果のグラフである。１０００フィート離れた使用済燃料プール内の水位を自動的に監視するこのパルスＴＤＲ計測方法の実現可能性を実証するために、概念的な開発プロトタイプテストが行われた。また、このテストは、反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２の自動検出、並びに、これらの反射パルス間の時間の自動測定を含んでいた。
テストのために、以下のテスト品目が製作された。外側管および内側ロッドが、第１のプローブに関してはステンレス鋼製であり、第２のプローブに関してはアルミニウム製であることを除いて、２つのプローブが同様に設計された。プローブ１０６は１２フィート長であり、外側電極は、プローブ１０６の全長にわたってあけられた多数の穿孔１２４（１／４インチの穴）を有する導電性管（外径２．３７インチ、内径２．２４インチ）であった。内側電極は、空気誘電体と〜１３７オームおよび水誘電体と〜１５オームのプローブ特性インピーダンスを確立する導電性ロッド１１２（直径１／４インチ）であった。プローブの同軸ヘッドコネクタ１０８は、このジオメトリに適合するように設計され、電極間に特別な絶縁材料（ＰＥＡＫ）を有していた。中心ロッドは十分に固かったため、その１２フィート長のために大きな緊張力は必要なく、絶縁セパレータ円板は使用されなかった。しかしながら、より長い長さ（〜３５フィート）に関しては、絶縁セパレータ円板が必要であってもよいことが留意された。反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間間隔をより正確に測定できるように、これらのパルス間の時間を延長するために、コネクタ／空気界面と同じ特性インピーダンス（〜１３０オーム）を有する短い固定長（〜６フィート）のケーブル（較正ケーブル５０２）が、プローブ１０６の上部に接続された。
プローブ１０６（６フィートの較正ケーブル５０２を有する）をＴＤＲ計測電子機器に接続するために、５０オームの特性インピーダンスを有する１０００フィート長の低損失同軸ケーブル１１８（Ｔｉｍｅｓ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ製）が使用された。自動水位測定のための反射インピーダンス不整合パルス＃１および＃２間の時間間隔を検出および測定するために、標準的なＧＥＨ ＮＵＭＡＣ電子機器と互換性がある特別なＴＤＲ電子カードを含む電子回路５０４が、インパルス発生器および弁別器回路で設計された。時間間隔は、弁別器が大きい正の反射インピーダンス不整合パルス（パルス＃１）をプローブの上部で検出したときに開始し、弁別器が大きい負の反射インピーダンス不整合パルス（パルス＃２）をプローブ１０６内の空気／水界面で検出したときに停止する電圧ランプの電圧を測定することによって（コンデンサ充電回路を使用して）測定された。測定された電圧は、その後、ディジタル化され、カウントに変換され、カウントは、水位に変換し戻され、ＮＵＭＡＣディスプレイに表示された。
プローブ１０６を収容するために、特別な光学的に透明なプラスチック管（〜６インチ径、１２フィート高さ）が作られ、プラスチック管内では、水位を、ＳＦＰ内の水位をシミュレートするように変化させることができた。テストのため、プローブ１０６は、この管内に垂直に挿入され、パルスＴＤＲ測定は、プローブの１２フィート長全体に及ぶように水位を上下させることによって行われた。テストは、ＧＥＨ研究室で行われた。パルスＴＤＲ測定テストは、ステンレス鋼プローブおよびアルミニウムプローブの両方で行われた。両方のプローブは、ほぼ同じ結果を与えた。ステンレス鋼に関する結果を、表２に示し、図５Ｂでグラフ化した。
以下は、網羅的なリストではないことを理解すべきであるが、開示された遠隔パルスＴＤＲ水位測定システムの種々の特徴および利点の要約である。電子機器を、水位プローブから遠い距離（１０００フィートまで、またはそれより遠い）に遠隔配置することができる。水位プローブは、プローブ内またはプローブ外に可動部分または能動的な電気もしくは電子回路網を持たない完全に受動的である。頑丈で比較的単純な水位プローブ設計は、好ましくない放射線および事故後環境または水質状態の影響を受けにくい。一旦設置されると、水位プローブ較正は固定され、定期的なプローブ全長の較正は必要ない。プローブ較正の検証を、プローブを数フィート手動で上下させることによって、いつでも行うことができる。電子機器を、外部電子機器較正源を使用することによってドリフトについて定期的に較正することができる。システムは、沸騰前または沸騰している水の状態で正確な水位測定（〜１インチ）を提供する。システムは、高速弁別器を使用し、自動水位測定を提供し、水位出力はフィート（または他の単位）で示される。システムは、水位がプローブ全長にわたって変化するにつれて、連続的な水位監視を提供する。プローブの長さは任意であり、ＳＦＰの底まで延長することができる。プローブを、ＳＦＰの壁への取り付けが不要となり、設置を放射線の危険なしに行えるように、ボールおよびソケット配置を使用して取り付けることができる。システムは低電力消費であり、通常動作のために約３０ワット、スクリーンセーブモードのために〜２０ワット、オンデマンドモード中の数分のために〜３０ワットである。計器を、ＳＢＯの条件下で、携帯用電池パックで動作させることができる。１０〜１００マイクロ秒ごとの数ボルト振幅の狭い（＜１０ナノ秒）パルスに起因するプローブへの非常に低い電力（＜ミリワット）。システムは、水質に敏感ではなく、塩水、ほう酸水を含むＳＦＰ、および、他の種類の水または液体を有する他の開放タンクでの水位測定に使用することができる。ＳＦＰ温度測定が必要な場合、システムを、市販の熱電対（またはＲＴＤ）と容易に統合することができる。システムは、事故が発生した場合に必要な、水位および温度の変化率並びに統合されたＳＦＰ温度／水位情報を提供することができる。すべての測定および計算されたデータを、必要時に他のＳＦＰ監視場所に送信することができる。
本開示は、遠隔距離（１０００フィートまで、またはそれより遠い）から原子炉の使用済燃料プール（ＳＦＰ）内の水位を決定するために使用することができる独特な遠隔パルスＴＤＲ計測システムを記載する。方法は、事故からの高い放射線または施設被害のために人員が使用済燃料プール領域に近づくことができない可能性がある場合、遠隔地から事故後ＳＦＰ水位を連続的に監視するのに適している。プローブおよびケーブルは、頑丈であり、事故後の放射線および環境状態に耐え、システム設計は、電子機器を原子炉から遠い保護された領域に配置することを可能にする。説明した遠隔パルスＴＤＲ測定は、比較的小さい電力を使用し、携帯用電池によって駆動することができるため、全電源喪失（ＳＢＯ）状態下の事故後監視に非常に適している。
本開示は、原子炉での使用済燃料の水位監視に焦点を当てているが、本明細書中のシステムおよび方法を、通常の原子炉運転中および事故後に原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内で遠隔的に水位を測定することに比較的容易に適合させることができることを理解すべきである。このようなシステムは、多様なＲＰＶ水位測定を提供し、通常および事故後の監視のための全体的な信頼性を高めることができる。さらに、本明細書中のシステムおよび方法は、種々の種類の液体を含む非原子力設定にも適用可能である。
多数の例示的な実施形態が本明細書で開示されているが、他の変形が可能であり得ることを理解すべきである。このような変形は、本開示の趣旨および範囲からの逸脱とみなされるべきではなく、当業者には明らかであるように、すべてのこのような変更は、以下の特許請求の範囲に含まれるものとする。
１００ システム
１０２ タンク
１０４ 水体
１０６ プローブ
１０８ ヘッドコネクタ
１０８’ ヘッドコネクタ
１１０ 導電性管
１１２ 導電性ロッド
１１４ 張力調整装置
１１６ 絶縁スペーサ
１１８ 同軸ケーブル
１２０ パルス化ユニット
１２０ａ 弁別器
１２０ｂ レベル表示装置
１２２ 較正器
１２４ 穿孔
１２６ 絶縁スペーサ
２００ ブロック図
３００ ボールソケット取り付け配置
３００’ ロッド端取り付け配置
３０２ ボール
３０４ ソケット
３０６ 支持アーム
３０８ ライナ
３１０ 床
３１２ カバー
３１４ 縁石
３１６ トラフ
３１８ 取り付け板
３２０ ロッド端
３２２ ナット
３２４ ピン
４００
４０２ Ｔ継手
４０４ 入射パルス発生器
４０６ オシロスコープ
５００
５０２ 較正ケーブル
５０４ 電子回路
１０２ タンク
１０４ 水体
１０６ プローブ
１０８ ヘッドコネクタ
１０８’ ヘッドコネクタ
１１０ 導電性管
１１２ 導電性ロッド
１１４ 張力調整装置
１１６ 絶縁スペーサ
１１８ 同軸ケーブル
１２０ パルス化ユニット
１２０ａ 弁別器
１２０ｂ レベル表示装置
１２２ 較正器
１２４ 穿孔
１２６ 絶縁スペーサ
２００ ブロック図
３００ ボールソケット取り付け配置
３００’ ロッド端取り付け配置
３０２ ボール
３０４ ソケット
３０６ 支持アーム
３０８ ライナ
３１０ 床
３１２ カバー
３１４ 縁石
３１６ トラフ
３１８ 取り付け板
３２０ ロッド端
３２２ ナット
３２４ ピン
４００
４０２ Ｔ継手
４０４ 入射パルス発生器
４０６ オシロスコープ
５００
５０２ 較正ケーブル
５０４ 電子回路
Claims (25)
- 導電性管内に導電性ロッドおよび絶縁スペーサを含み、前記導電性ロッドは前記導電性管内に同軸に配置され、前記導電性ロッドは前記絶縁スペーサを通って延在し、前記導電性管は前記導電性ロッドおよび前記絶縁スペーサを内部で露出する穿孔を含む、プローブと、
前記プローブに接続されるヘッドコネクタと、
前記ヘッドコネクタに接続される同軸ケーブルであって、前記同軸ケーブルは外側導電シールド内に内側導電ワイヤを含み、内側絶縁体によって分離され、前記同軸ケーブルの前記内側導電ワイヤおよび前記外側導電シールドは前記ヘッドコネクタを介してそれぞれ前記プローブの前記導電性ロッドおよび前記導電性管と電気的に連通する、同軸ケーブルと、
前記同軸ケーブルに接続されるパルス化ユニットであって、前記パルス化ユニットは、前記同軸ケーブルを介して、狭いパルスを前記プローブに送信し、正の第１の反射パルスおよび負の第２の反射パルスを受信するように構成され、前記正の第１の反射パルスはヘッドコネクタ／空気界面からのものであり、前記負の第２の反射パルスは水位の空気／水界面からのものである、パルス化ユニットと、
前記正の反射パルスおよび前記負の反射パルス間の時間を計算し、前記時間を水位に変換する手段と、
を備える、水位を測定するシステム。 - 前記プローブは、前記水位に対応する深さを超える長さを有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記導電性ロッドは、第１の材料から作られたコアおよび前記コアを取り囲むシェルを含み、前記シェルは第２の材料から作られ、前記第２の材料の導電率は前記第１の材料の導電率より大きい、請求項１に記載のシステム。
- 前記第２の材料は金である、請求項３に記載のシステム。
- 前記導電性ロッドは前記絶縁スペーサの各々の中心を通って延在する、請求項１に記載のシステム。
- 前記絶縁スペーサは円板形状である、請求項１に記載のシステム。
- 前記絶縁スペーサは、セラミック、水晶、ガラスおよび磁器の少なくとも１つから作られる、請求項１に記載のシステム。
- 前記絶縁スペーサは、前記導電性ロッドに沿って一定の間隔をおいて配置される、請求項１に記載のシステム。
- 前記絶縁スペーサの各々は０．１２５インチ未満の厚さを有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記導電性管はステンレス鋼から作られる、請求項１に記載のシステム。
- 前記穿孔は、前記導電性管の全長の１インチごとに沿って含まれる、請求項１に記載のシステム。
- 前記導電性ロッドの外径に対する前記導電性管の内径の比は、１０から２０である、請求項１に記載のシステム。
- 前記導電性ロッドの外側表面は、前記導電性管の内側表面から等距離に離間される、請求項１に記載のシステム。
- 前記ヘッドコネクタは中心導体接続部および外側導体接続部を含み、前記ヘッドコネクタの前記中心導体接続部は、前記プローブの前記導電性ロッドおよび前記同軸ケーブルの前記内側導電ワイヤと電気的に連通し、前記ヘッドコネクタの前記外側導体接続部は、前記プローブの前記導電性管および前記同軸ケーブルの前記外側導電シールドと電気的に連通する、請求項１に記載のシステム。
- 前記同軸ケーブルは７５オーム以下のインピーダンスを有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記パルス化ユニットは、前記プローブから少なくとも５００フィートの距離に離れて配置される、請求項１に記載のシステム。
- 前記ヘッドコネクタを前記同軸ケーブルに接続する較正ケーブルをさらに備え、前記較正ケーブルは、前記同軸ケーブルより高いが前記ヘッドコネクタと等しいインピーダンスを有し、前記較正ケーブルは前記プローブより短い長さを有する、請求項１に記載のシステム。
- プローブを水体中に挿入する工程であって、前記プローブはプローブ／空気界面を有し、前記水体は空気／水界面を含む、工程と、
狭いパルスを前記プローブに送信する工程と、
正の反射パルスの形態で前記プローブ／空気界面から第１のインピーダンス不整合を受信する工程と、
負の反射パルスの形態で前記空気／水界面から第２のインピーダンス不整合を受信する工程と、
前記正の反射パルスおよび前記負の反射パルス間の時間を計算する工程と、
前記時間を距離に変換する工程と、
を備え、
前記距離は水位を示す、
水位を測定する方法。 - 前記挿入する工程は、前記プローブを前記水体中に垂直に配置する工程を含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記挿入する工程は、前記プローブを事故後原子力環境内に位置させる工程を含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記送信する工程は、立上り時間および立下り時間が合計１０ナノ秒以下の狭いパルスを含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記送信する工程は、前記狭いパルスを、少なくとも５００フィートの距離にわたって同軸ケーブルを介して前記プローブに送る工程を含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記正の反射パルスを受信する工程は、少なくとも５０オームの第１の低から高へのインピーダンス不整合を含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記負の反射パルスを受信する工程は、少なくとも１００オームの第２の高から低へのインピーダンス不整合を含む、請求項１８に記載の方法。
- 前記水位を独立して決定することによって較正を行う工程と、
前記時間および結果として生じる距離を、前記独立して決定された水位に関連付ける工程と、
をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
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