JP5500585B2 - インピーダンス計測センサおよびインピーダンス計測装置 - Google Patents

Description

本発明はインピーダンス計測センサおよびインピーダンス計測装置に関し、例えば原子炉内の燃料被覆管の表面に形成される液膜厚を高い時間および空間分解能で計測する場合に適用して有用なものである。

蒸気発生器や復水器などの熱交換器では、伝熱量を定める上で、伝熱面に形成される液膜厚さを把握することが重要である。従来は一点や線分における液膜厚さ変動が計測されてきたが、気相からの剪断を受ける液膜は多次元流動であるため、対象面の液膜厚さ分布を時系列で捉えることが望ましい。これらの構造体の表面に付着している導電性の液膜厚さの時間分布および空間分布を計測する手法として、一対の電極間における導電性流体のインピーダンス変化に基づき液膜厚を計測する液膜厚計測方法が知られている。かかる液膜厚計測を実現するため、電極対を多数形成した多点電極方式の液膜厚計測センサが提案されている（例えば非特許文献１参照）。

図５は従来技術に係る多点電極センサ方式の液膜厚計測センサの一部を抽出して示す模式図である。同図に示すように、当該液膜厚計測センサは励起電極１、計測電極２、グランド領域３および絶縁部４を有している。励起電極１および計測電極２は、絶縁基板で形成した絶縁部４で相互の間を絶縁されて図の左右方向に交互に並べて一つの列を形成するとともに、かかる列が図中の上下方向に複数段（図では２段）形成されるように２次元的な面の広がりの中で多数配設されている。ここで、励起電極１および計測電極２は、列方向で隣接する励起電極１および計測電極２間の距離が等しくなるように配設してある。グランド領域３は絶縁部４を形成するための前記絶縁基板の表面に配設された導電性の部材で、励起電極１ならびに計測電極２の基準となる電位と等しい。また、図５に示す場合は、励起電極１および計測電極２の周囲をグランド領域３が取り囲むとともに、列の両側で僅かな間隔を介してグランド領域３が相対向するように構成してある。かくして、絶縁部４（図中の連続する白抜き領域）が励起電極１、計測電極２及びグランド領域３間を電気的に絶縁している。

図６は図５に示す液膜厚計測センサを備えた液膜厚計測装置を示す模式図である。同図に示すように、一対の励起電極１および計測電極２で形成される多数の電極対５が図中の垂直方向に伸びる入力線６（右側の数字は各列に対応する番号である。）と図中の水平方向に伸びる出力線７（上側の数字は各行に対応する番号である。）とが交差する部分に配設してある。ここで、各励起電極１が入力線６に、また各計測電極２が出力線７にそれぞれ接続されている。

かくして、当該液膜厚計測センサの表面に導電性の液体（例えば水）の液膜が形成された状態で、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４により一列目から順次入力線６の何れかが選択されると、選択された列に接続されている励起電極１に対して電源８から励起信号が供給される。

この結果、計測電極２との間の状態に応じた計測信号が各行の出力線７から得られ、各Ａ／Ｄ変換器９を介してパソコン１０に供給される。ここで、計測電極２との間の状態とは、当該液膜厚計測センサの表面に形成された液膜の状態であり、この状態は液膜厚で変化する。すなわち、液膜厚でインピーダンスが変化するので、これに基づき膜厚情報を得ることができる。パソコン１０では計測信号に対する所定の処理により各部の膜厚を検出している。

Novel fluid dynamic instrumentation for mixing studies developed at ETH Zurich and PSI(The 13thInternational Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Kanazawa City Isikawa Prefecture, Japan, September 27 October 2. 2009

上述の如き従来技術に係る液膜厚計測センサでは、励起電極１および計測電極２が交互に並べて形成されるとともに、かかる列が上下方向に複数段形成されるように２次元的な面の広がりの中で多数配設されており、しかも励起電極１および計測電極２が列方向で隣接する励起電極１および計測電極２間の距離が等しくなるように配設してある。この結果、図６に示す液膜厚計測装置においては、一つの計測電極２に対し同一電極対５で対応する励起電極１から出力された計測信号のみならず、周囲の励起電極１からの励起信号も計測される。すなわち、両隣等、複数の励起電極１から出力される計測信号を拾って、局所の点ではあるが、他の複数の点からの計測信号の影響も含んだものとなる。したがって，この場合の出力信号に基づいて得られる膜厚情報は、特定の点およびその周辺の膜厚が平均された情報となる。すなわち、液膜の平均的な分布状態を表す情報となる。

この結果、周囲の状態の影響を排除した局所の点の膜厚情報を得たい場合には問題が残るものとなる。換言すれば、局所の膜厚情報に関しては空間的な分解能が充分でない。

また、上述の如き従来技術に係る液膜厚計測センサでは、隣接する励起電極１と計測電極２との間にはグランド領域３が存在するので、励起電極１の表面近傍から出た電気力線はグランド領域３によって歪んでしまう。すなわち、励起電極１の表面から当該液膜厚計測センサの表面を這うような電気力線を形成させることができず、励起電極１から一旦斜め上方に向かいその後斜め下方に向かうことにより計測電極２に入るような膨らみのある立体的な電気力線になってしまう。このため、当該液膜厚計測センサの表面を這うような薄い液膜の膜厚は計測することができないという問題も有する。

ちなみに、例えば、原子炉燃料棒表面に対する液滴付着率を向上させるために改良された旋回板スペーサ構造が被覆管表面の液膜流量を増大させる効果を定量的に評価するためには、液膜流の時空間分布を高い分解能で把握できることが望ましい。

また、沸騰水型原子炉では、出力上限を定める現象として燃料被覆管の表面の液膜が乾燥する沸騰遷移がある。かかる沸騰遷移に対処するための適正な原子炉設計を行うためには、燃料被覆管の表面が乾燥する直前の薄い液膜を計測する必要がある。したがって、上述の如き従来技術では，かかる用途には適切に対応できない。

本発明は、上記従来技術に鑑み、インピーダンス法に基づき局所的な液膜厚など、被測定対象表面の液体の存在量を高精度の空間分布で計測するとともに、その液体が薄い液膜である場合でも適切に高精度に計測することができるインピーダンス計測センサおよびインピーダンス計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
一方の電極である励起電極及び他方の電極である計測電極からなる電極対の複数個と、励起電極の基準電位と同じ電位に保持されたグランド領域と、前記励起電極、計測電極及び前記グランド領域間を電気的に絶縁する絶縁部とを有するインピーダンス計測センサであって、
前記絶縁部は、周囲を前記グランド領域に囲まれてそれぞれ独立した絶縁領域を形成しており、
前記各電極対のうち同一電極対における励起電極と計測電極との間には前記絶縁領域のみが形成されるとともに、
前記各電極対のうち隣接する電極対間における励起電極と計測電極との間の距離、または計測電極と励起電極との間の距離が、同一電極対における励起電極と計測電極との間の距離よりも長くなるように形成されていることを特徴とするインピーダンス計測センサにある。

本態様によれば、各励起電極および計測電極はそれぞれの周囲をグランド領域に囲まれることにより独立させた絶縁領域内で電極対を形成しており、しかも各励起電極および計測電極の間にはグランド領域が存在しないので、他の電極対の励起電極からの影響を排除して各電極対毎に固有の独立した電気力線が励起電極から計測電極へ向けて形成される。すなわち、各電極対の感度はどの電極対でも同じであり、隣接する電極対の影響を受けないようにすることができる。

この結果、周囲の影響を可及的に除去した局所的な液体の存在量を高精度に得ることができ、局所的な空間分解能の向上を良好に実現したインピーダンス計測装置の構築に資することができる。

また、本態様において励起電極ならびに計測電極の間に形成される電気力線は、当該インピーダンス計測センサ表面の極く近傍でも良好な電気力線が形成される。

この結果、被測定対象表面に極く薄い液膜が形成する場合でも液膜厚さとして良好に計測することができるインピーダンス計測装置の構築にも資することもできる。

本態様によれば、より確実に周囲の電極対の影響を除去することができる。

本発明の第２の態様は、
被測定対象の表面の各計測位置に配設される請求項１に記載するインピーダンス計測センサと、
前記表面に存在する液体に基づく前記各電極対における励起電極及び計測電極間のインピーダンスに基づき前記各液体の存在量を演算する演算処理部とを有することを特徴とするインピーダンス計測装置にある。

本態様によれば、周囲の影響を可及的に除去した局所的な液体の存在量に関する情報を高精度に得ることができ、局所的な空間分解能の向上を良好に実現することができる。また、被測定対象表面に極く薄い液膜が形成する場合でも液膜厚さとして良好に計測することができる。

本発明の第３の態様は、
第２の態様に記載するインピーダンス計測装置において、
前記存在量は、液膜の膜厚であることを特徴とするインピーダンス計測装置にある。

本態様によれば、液膜厚に関する情報を高精度且つ高空間分解能で得ることができる。

本発明の第４の態様は、
第２の態様に記載するインピーダンス計測装置において、
前記存在量は、前記各電極対の位置における複数種類の液体の存在率であることを特徴とするインピーダンス計測装置にある。

本態様によれば、インピーダンスが異なる複数種類の液体の存在率、すなわち分布を高精度に計測することができる。

本発明の第５の態様は、
第２乃至第４の態様に記載する何れか一つのインピーダンス計測装置において、
前記グランド領域を通電により発熱させるための電圧供給手段を有することを特徴とするインピーダンス計測装置にある。

本態様によれば、被測定対象が発熱体である場合に、その発熱状態を容易に再現し、かかる発熱状態での液体の存在量に関する情報を得ることができる。

本発明の第６の態様は、
第５の態様に記載するインピーダンス計測装置において、
前記液体の存在量を計測する計測モードと、前記グランド領域を通電する通電モードとの何れか一方が選択されるように制御する制御手段を有することを特徴とするインピーダンス計測装置にある。

本態様によれば、通電によりグランド領域に形成される電位傾度の影響を受けることなく所定の液体の存在量に関する情報を得ることができる。

本発明によれば、グランド領域がない局所的な領域の液体の存在量の情報を得ることができる。これは、ある特定の電極対の位置に対応する局所的な情報である。また、薄い液膜が形成される場合でも液膜厚さの情報が得られるため、特に有用なものとなる。

本発明の実施の形態に係る液膜厚計測センサの一部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る液膜厚計測センサの一部を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る液膜厚計測装置を示す模式図である。 図３の各部の波形を示す波形図である。 従来技術に係る液膜厚計測センサの一例の一部を示す模式図である。 従来技術に係る液膜厚計測装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るインピーダンス計測センサの一種である液膜厚計測センサの一部を示す斜視図、図２は平面的に見たその模式図である。両図に示すように、当該液膜厚計測センサは励起電極２１、計測電極２２、グランド領域２３および絶縁部２４を有している。ここで、絶縁部２４は板状の絶縁基板２６の表面をグランド領域２３で覆った場合に表面に臨む楕円形の領域である。すなわち、絶縁部２４は周囲をグランド領域２３に囲まれてそれぞれ独立した絶縁領域を形成している。グランド領域２３は絶縁部２４を形成するための絶縁基板２６の表面に配設された平板状の導電性の部材で、励起電極２１の基準電位に保持される。

一対の励起電極２１および計測電極２２からなる電極対２５は絶縁部２４に形成されている。したがって、励起電極２１および計測電極２２は絶縁部２４において当該液膜厚計測センサの表面に臨んでいる。また、同一電極対２５における励起電極２１および計測電極２２の間には絶縁領域のみが形成されている。すなわち、グランド領域２３は形成されていない。かくして、各電極対２５は隣接する電極対２５から電気的に独立した状態で各一対ずつの励起電極２１および計測電極２２で形成されており、図１に示す電極対２５を一単位とする電極対２５が図２（ａ）に示すように縦横に多数並べて配設してある。ここで、図２（ｂ）には図２（ａ）の四角で囲んだ部分（２個の電極対２５）を抽出・拡大して示している。

本形態においては、各電極対２５のうち隣接する電極対２５間における励起電極２１と計測電極２２との間の距離、または計測電極２２と励起電極２１との間の距離は、同一電極対２５における励起電極２１と計測電極２２との間の距離よりも長くなるように形成されているのが望ましい。このことにより、より確実に各電極対２５の隣接する電極対２５からの独立性が確保されるからである。

本形態に係る液膜厚保計測センサの各部の寸法を図１中にα、β、γの符号で示す。αは励起電極２１（計測電極２２）の径、βは励起電極２１と計測電極２２間の距離、γは隣接する電極対２５における励起電極２１同士（計測電極２２同士）の距離であり、本形態の場合は、α＝０．３ｍｍ、β＝０．２ｍｍ、γ＝１．８ｍｍとして形成してある。勿論この寸法に限定するものではない。

図３は図１および図２に示す液膜厚計測センサを備えた本発明の実施形態に係る液膜厚計測装置を示す模式図、図４は図３の各部の波形を示す波形図である。

本形態に係る液膜厚計測装置は、図３に示すように、液膜厚計測センサの構成が異なるが、回路構成の多くは図６に示す従来技術に係る液膜厚計測装置と同様である。そこで、図６と同一部分には同一番号を付している。

図３に示すように、一対の励起電極２１および計測電極２２で形成される多数の電極対２５は図中の垂直方向に伸びる入力線６（右側の数字は各列に対応する番号である。）と図中の水平方向に伸びる出力線７（上側の数字は各行に対応する番号である。）とが交差する部分に配設してある。ここで、各励起電極２１が入力線６に、また各計測電極２２が出力線７にそれぞれ接続されている。

かくして、当該液膜厚計測センサの表面に導電性の液体（例えば水）の液膜が形成された状態で、図４に示すパルス信号でオン・オフされるスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４により一列目から順次入力線６の何れかが選択されると、選択された列に接続されている励起電極２１に、電源８から所定の励起信号ＳＩが供給される。この励起信号ＳＩは本形態の場合、スイッチＳＰの切換で極性が反転するバイポーラパルス信号である。

パルス信号で選択された列に励起信号ＳＩが供給された場合、計測電極２２との間の状態に応じた計測信号ＳＯが各行の出力線７から得られ、各Ａ／Ｄ変換器９を介して演算処理部として機能するパーソナルコンピュータ（パソコン；以下同じ）１０に供給される。ここで、計測電極２との間の状態とは、当該液膜厚計測センサの表面に形成された液膜の状態であり、この状態は液膜厚で変化する。すなわち、液膜厚でインピーダンスが変化するので、これに基づき膜厚情報を得ることができる。パソコン１０では計測信号に対して所定の処理を行うことにより各部の膜厚として検出している。本形態では、図４に示す計測値Ｍに基づき液膜厚を検出している。

さらに、本形態においては、スイッチ２７の投入により、グランド領域２３の両端部に電圧供給手段である電源２８の出力電圧が印加される。かかる出力電圧の印加に伴う通電により、グランド領域２３にはその電気抵抗に起因するジュール熱が発生する。かくして、グランド領域２３が発熱され、グランド領域２３に接する液膜が加熱される。かかる加熱により当該液膜厚計測センサが装着される被測定対象が発熱部である場合の発熱状態を再現することができる。したがって、被測定対象が発熱した状態での液膜が良好に再現され、かかる状態での液膜厚を正確に計測し得る。このように、グランド領域２３に通電する通電モードと液膜厚の計測を行う計測モードは、時分割方式で交互に切替えられる。これは、通電モードまたは計測モードの切換を制御する制御手段としても機能させるパソコン１０でスイッチ２７を切替えることにより好適に実現される。このように、通電モードと計測モードとを交互に切替えるように構成することは必須ではないが、両モードの切替えを行うことで、通電によりグランド領域に形成される電位傾度の液膜厚の計測に対する影響を除去し得る。

かかる本形態においては、各励起電極２１および計測電極２２はそれぞれの周囲をグランド領域２３に囲まれることにより独立させた絶縁領域内で電極対２５を形成しており、しかも各励起電極２１および計測電極２２の間にはグランド領域２３が存在しない。

この結果、他の電極対２５の励起電極２１における電位変動は、同一電極対２５における計測電極２２に作用することを除き、特定の電極対２５の周囲のグランド領域２３によって吸収させることができ、特定の電極対２５の計測電極２２に入ることはない。かくして、特定の電極対２５の局所的な位置だけに固有の膜厚情報を周囲の電極対２５からの影響を排除した状態で得ることができる。このようにして得る本形態における膜厚情報は高い空間分解能を持つものとなる。

また、本形態における電極対２５は周囲から完全に独立させてあり、しかも同一電極対２５の励起電極２１から計測電極２２に向けては当該液膜厚計測センサの表面の極く近傍でも良好な電気力線が形成される。

この結果、被測定対象である液膜の膜厚が極く薄い場合でも良好に所定の液膜厚を計測することができる。

なお、上記実施の形態では、被測定対象物の表面に形成される液膜の膜厚を計測する液膜厚計測装置の場合について説明したが、必ずしもこれに限るものではない。図１乃至図２に示す電極対２５間に形成される液膜に関する情報を得るセンサを具備する装置であればそれ以上の制限はない。例えば、液体の存在量に関する他の情報である各電極対２５の位置における複数種類（例えば２種類）の液体の存在率を計測するように装置として構成することもできる。この場合には、パソコン１０で処理する液膜情報の処理方法を変更すれば良い。すなわち、各電極対２５で計測される液膜のインピーダンスを計測することで、例えば電気伝導率が異なる二種類の流体のそれぞれがどの程度の割合で分布するかという情報を得る装置を構築することも容易に可能となる。ここで、電極対２５に接しているのが気相であっても、また絶縁性の液体であっても構わない。各電極対２５が周囲の電極対２５の状態の影響を受けず独立して自己の電極対２５に対応する液体の存在量の情報のみを電極間のインピーダンスに基づき計測する構造となっているからである。

また、上述の如き実施の形態における電極対２５は一個一個が独立しているので、図３に示すような正方格子の交点等、規則的な計測点だけでなく、被測定対象物の表面の離散した任意位置における液膜厚の計測にも適用し得る。これは、計測したい位置の電極対２５のみを電気的に選択して動作させるように構成することでも、また電極対２５の物理的な配列を計測位置に適合させることでも容易に実現できる。

さらに、本発明に係るインピーダンス計測センサは図２に示すように、多数の電極対２５を二次元の平面に配設した平板構造となっているので、被測定対象が曲面を有する場合でも、かかる平板構造のセンサをその表面形状乃至内周面形状に沿わせて良好に装着することができる。

したがって、上述の如き実施の形態に係るインピーダンス計測装置により液膜厚さ情報を計測する好適な用途としては被測定対象を原子炉の燃料被覆管とする場合が考えられる。原子炉の運転では燃料被覆管表面の液膜が乾燥する沸騰遷移現象の発生を防止することが肝要である。このためには燃料被覆管表面任意の局所的な位置の液膜情報を高空間分解能で検出する必要がある。上記実施の形態によればこのための適切な液膜情報を容易に収集することができる。周囲の電極対２５の存在の影響を排除して所定の計測位置に限定された固有の液膜厚情報を、その液膜の有無も含め、膜厚が薄くても良好に得ることができるからである。

他にもボイラ、熱交換器、復水器の伝熱管等、コロナ放電の評価に必要とされる電線表面上の液膜厚さ分布が構造物の構造設計乃至熱設計の重要な要素となっている場合には、有効に適用し得る。ちなみに、復水器の伝熱管に形成される液膜は伝熱効率の点からより薄い方が好ましいが、この場合のように液膜を薄膜とするための条件を検討する場合等の基礎データの収集の際に、特に有効に適用し得る。

本発明は、構造体の表面に付着している導電性の液膜厚さの時間分布および空間分布を計測する産業分野、例えば原子力産業の分野で良好に利用することができる。

１０ パソコン
２１ 励起電極
２２ 計測電極
２３ グランド領域
２４ 絶縁部
２５ 電極対

Claims (6)

1. 一方の電極である励起電極及び他方の電極である計測電極からなる電極対の複数個と、励起電極の基準電位と同じ電位に保持されたグランド領域と、前記励起電極、計測電極及び前記グランド領域間を電気的に絶縁する絶縁部とを有するインピーダンス計測センサであって、
   前記絶縁部は、周囲を前記グランド領域に囲まれてそれぞれ独立した絶縁領域を形成しており、
   前記各電極対のうち同一電極対における励起電極と計測電極との間には前記絶縁領域のみが形成されるとともに、
   前記各電極対のうち隣接する電極対間における励起電極と計測電極との間の距離、または計測電極と励起電極との間の距離が、同一電極対における励起電極と計測電極との間の距離よりも長くなるように形成されていることを特徴とするインピーダンス計測センサ。
2. 被測定対象の表面の各計測位置に配設される請求項１に記載するインピーダンス計測センサと、
   前記表面に存在する液体に基づく前記各電極対における励起電極及び計測電極間のインピーダンスに基づき前記各液体の存在量を演算する演算処理部とを有することを特徴とするインピーダンス計測装置。
3. 請求項２に記載するインピーダンス計測装置において、
   前記存在量は、液膜の膜厚であることを特徴とするインピーダンス計測装置。
4. 請求項２に記載するインピーダンス計測装置において、
   前記存在量は、前記各電極対の位置における複数種類の液体の存在率であることを特徴とするインピーダンス計測装置。
5. 請求項２乃至請求項４に記載する何れか一つのインピーダンス計測装置において、
   前記グランド領域を通電により発熱させるための電圧供給手段を有することを特徴とするインピーダンス計測装置。
6. 請求項５に記載するインピーダンス計測装置において、
   前記液体の存在量を計測する計測モードと、前記グランド領域を通電する通電モードとの何れか一方が選択されるように制御する制御手段を有することを特徴とするインピーダンス計測装置。

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