JP7204764B2 - 液体のレベルの非接触測定のための自己較正光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、貯蔵タンク内に収容された液体のレベルの非接触測定分野に関する。

本発明は、より具体的には、測定条件にかかわらず、より具体的には劣化した測定条件（高温、高湿レベル、かなりの霧状、沸騰液状）において、貯蔵手段内に収容された液体のレベルを正確に測定するための方法および光学デバイスに関する。

本発明は、原子力発電所の燃料プールの水のレベルの測定に特に興味深い用途を見いだすものである。

民生原子力分野においては、原子力発電所の制御を支配するパラメータのすべてを正確に知ることが非常に大切である。したがって、原子力発電所の放射性元素の一部、特に放射性の高い使用済燃料を貯蔵・冷却するため、燃料プール内の水のレベルに関する知見は極めて重要である。

燃料プール内の水のレベルを継続的様式で測定するために、電気機械デバイスを使用することが知られている。このようなデバイスは、ガイドによって案内される可動の浮きを有し、浮きの動きは、ガイドに沿って垂直方向に移動するとき、大体１つの電気回路を閉じる。しかしながら、この種のセンサは限界を有し、既に稼働中のプールにマウントすることが困難である。実際に、プールの壁のライナーは、底部から遠く離れないように穴あけされて、その中に留め具を取り付け、ガイドの振り子現象および高すぎるねじれを回避するように、底部におけるガイドの維持を保証しなければならない。このように、これらのデバイスは、既設の燃料プール又は大深度の貯蔵手段には使用することがしばしば困難であり、これらのデバイスは、しばしば１０メートル未満の測定の大きさに制限される。

別の公知の解決策は、レーダセンサによる水のレベルの非接触測定のために超音波パルスの原理を用いることにある。レーダのアンテナによって放射された超音波は、誘電率の変化のために、水の表面によって反射され、次に受信機によって受信される。したがって、超音波の走行時間は、カバーされる距離に正比例する。したがって、貯蔵手段内の水のレベルは、レーダの位置が正確な様式で既知である瞬間から算出されることができる。しかしながら、レーダパルスによるこの種の測定は、大気中の水蒸気の存在、特に大気が水蒸気で１００％飽和しているときに非常にセンシティブである。その結果、この技術を使用して、劣化した測定条件の水のレベルを正確に測定することは難しい。

さらに、この技術は、燃料プールの上方に位置付けされたレーダが、周囲環境における、地震、照射、高温および高圧、非常に高湿度のレベルにそれをセンシティブにする電気／電子コンポーネントを備えるため、民生用原子力環境では活用することが困難である。

民生用原子力環境におけるこのようなデバイスのセンシティビティを最小化するために、光センサと飛行時間（ＴＯＦ）による測定の原理を用いることも知られている。このようなデバイスは、タンク内の流体のレベルの測定に関する文献ＣＡ２７３０１６１に特に記載されている。

文献ＣＡ２７３０１６１に記載されている光学デバイスは、タンクの上方に位置付けされ、任意の電気／電子コンポーネントを除外された光学ユニットと、光学ユニットから離れたところに位置している分離された電子制御ユニットとを備え、２つのユニットは２つの独立した光ファイバによって接続されている。動作中、光学ユニットは、トリガ信号に基づいて、タンク内に収容された流体の表面に向かって光ビームの形態で伝搬する一連のパルスを放射する。光ビームの一部は光学ユニットに向かって反射される。次に受信された信号は、電子制御ユニットによって処理されて、光学ユニットと流体の表面との間の距離を決定する。流体の表面と光学ユニットとの間隔は、パルスが往復するのに要する時間を電子時計により測定することにより得られる。光学ユニットは、放射チャネル及び受信チャネルを備え、各チャネルは、光ファイバによって電子制御ユニットに独立に接続されている。

しかし、このようなデバイスでは、事前の較正フェーズなしに精密な測定を得ることができない。加えて、特にデバイスの時計のタイムシフトによって、経時的に測定が誤りになるという無視できない危険性が存在する。最後に、出願人は文献ＣＡ２７３０１６１に記載されているデバイスで一連の試験を実施しており、特に高レベルの湿気を伴う劣化した測定条件において、正確で信頼性の高い測定を実施することができるとは限らない。

カナダ国特許出願公開第２７３０１６１号明細書

このコンテキストにおいて、本発明は、原子力分野のものである劣化した測定条件および２０メートルまでの深さを有する燃料プールのような大深度の貯蔵手段で使用することができ、較正フェーズなしで、精密で信頼性のある繰り返し可能な測定を得ることを可能にする、液体のレベルを非接触測定するための光学デバイスを提案することによって、従来技術の欠点を克服することを目的とする。

そうするために、本発明は、光信号による、貯蔵手段内に収容された液体のレベルの非接触測定のための光学デバイスであって、前記光学デバイスが、貯蔵手段の上方に固定的に位置付けされた光学ユニットと、光信号を放射することができ、前記光学ユニットから分離され、前記光学ユニットから離れて位置付けされた電子制御ユニットとを備え、前記光学デバイスが：
－ 光学ユニットは、光信号の放射及び受信のための単一チャネルを備え；
－ 光学ユニットは、電子制御ユニットによって放射された前記光信号と、液体によって反射された光信号とを伝送することができる光ファイバを通して、電子制御ユニットに接続され、前記光ファイバは、互いに並置される２つの光コアを有し、前記光ファイバの前記第１の光コアにおいて放射された光信号の少なくとも一部が、前記第２の光コアにおいて後方散乱される
ことを特徴とする、収容された液体のレベルの非接触測定のための光学デバイスを提案する。

また、本発明による光学デバイスは、個々に、又は技術的に可能な全ての組み合わせに従って採られた以下の特性のうちの１つ以上を有することができる：
－ 前記光ファイバの２つのコアが、単一のストランドを形成するように、前記光ファイバの第１の端部のレベルに互いに並置する；
－ 前記光ファイバの前記第１の端部が、前記光学ユニットのレベルに位置している；
－ ２つの光コアが異なる直径を有する；
－ 電子制御ユニットによって放射された光信号を伝送する光コアが、液体の表面によって反射された光信号を受信することを意図された第２の光コア未満の直径を有する；
－ 電子制御ユニットに接続された前記光ファイバの第２の端部のレベルにおいて、前記光ファイバが、２つの別個のストランドを有し、それぞれが単一の光コアで構成されている；
－ 電子制御ユニットが、貯蔵手段内に収容された液体から前記光学ユニットを隔てる距離ｄを、光信号の飛行時間の測定によって決定するための手段を備える。

本発明は、また、本発明による光学デバイスを用いて、貯蔵手段内に収容された液体のレベルを決定する方法であって、
方法が、
－ 前記電子制御ユニットにより光信号を放射するステップであって、前記光信号が、光学ユニットの方向に前記光ファイバの内部を伝搬する、ステップと；
－ ２つの並置されたコアのレベルで、光ファイバの内部で後方散乱された、前記放射された信号の一部に対応する第１の戻り信号を、時点ｔ_１において検出するステップと；
－ 貯蔵手段（２００）内に収容された前記液体の表面で反射された、放射された信号の一部に対応する第２の戻り信号を、時点ｔ_２において検出するステップと；
－ 第１の戻り信号を検出する時点ｔ_１と、第２の戻り信号を検出する時点ｔ_２との間の飛行時間の決定により、液体のレベルを算出するステップと
を含むことを特徴とする、方法にも関する。

有利には、液体のレベルを決定するための方法は、原子炉燃料プール内の水のレベルを検出するための方法である。

本発明の他の特徴および利点は、添付された図を参照して、以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。

図１は、本発明による、燃料プールのような貯蔵手段内の水のレベルの非接触測定のための光学デバイスの、第１の例示的な実施形態を概略的に示す。 本発明による光学デバイスの光ファイバの一端部を特に示す図である。 本発明の光学デバイスによる液体レベルを決定するための方法の主要ステップを示す総観図である。 本発明による光学デバイスの制御ユニットによって時間に応じて検出された光子をグラフの形態で示す図である。 図５ｂと対比して、本発明による所謂モノスタティック（ｍｏｎｏｓｔａｔｉｃ）光学デバイスで得られた重なりのレベルを示す図である。 従来技術によるバイスタティック（ｂｉｓｔａｔｉｃ）デバイスで得られた重なりのレベルを示す図である。

全ての図において、共通要素は、別段の記載がない限り、同一の参照を持つ。

図１は、燃料プールなどの貯蔵手段２００内の水２１０のレベルの非接触測定のための光学デバイス１００の第１の例示的実施形態を概略的に示す。

光学デバイス１００は、湿度のレベルが高く、例えば、測定するための光学デバイス１００と水２１０のレベルとの間に位置している霧２２０が存在する劣化した測定条件における水のレベルの測定に特に適している。

貯蔵手段２００は、例えば、数十メートル、典型的には２０メートルのオーダーの全深度（ｈ_ｔ）を有する燃料プールである。

本発明による光学デバイス１００は、貯蔵手段２００の上方に固定的に位置付けされ、電気／電子コンポーネントを除外された光学ユニット１１０と、光学ユニット１１０及び貯蔵手段２００から離れたところに位置している分離された電子制御ユニット１２０とを備え、貯蔵手段２００、２つのユニット１１０、１２０は、二重ストランド１３１、１３２を有し二重コアを有する光ファイバ１３０によって接続されている。

電子制御ユニット１２０は：
－ 光信号を放射することができる、光ファイバ１３０の第１のストランド１３１に接続された放射器。有利には、放射器は、水蒸気で飽和した媒体内の干渉を受けないように、特別にその容量のために選ばれた波長で、レーザパルスを放射するレーザ放射器であり；一例として、レーザ放射器は、５３２ｎｍでパルスを放射する；
－ 光電子増倍管検出器のような、光ファイバ１３０の第２のストランド１３２に接続された受信器；
－ 放射と、水の表面によって反射されたレーザパルスの受信との間の飛行時間の測定を実施することを可能にする処理ユニット；
を備える。

光学ユニット１１０は、水面の表面で反射されたビームの全てを収集し、光ファイバ１３０に向かって再び方向付けるために、光ファイバ１３０の出力においてレーザビームをコリメートして、測定点に向かう光線の平行化を可能にするための手段を備える。そのような手段は、例えば、アライメントレンズ及び／もしくは、コリメーション、フォーカシング又はビーム拡張レンズである。従って、光学ユニットは、光ビームの放射及び受信のための単一の光学チャンネル１１２のみを備える。

光ファイバ１３０は、二重コアファイバ（ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｒｅ ｆｉｂｒｅ）であり、二つの分離したストランド１３１、１３２（すなわち、各ストランドが光シースで囲まれた光コアを有する）の形態で、第１の端部のレベル（制御ユニット１２０のレベル）にある。第２の端部のレベル（光学ユニット１１０のレベル）では、光ファイバ１３０は、二重コア１３４、１３５を有する単一のストランド１３３の形態であり、２つのコア１３４、１３５は、並置され、単一の光シース１３６によって囲まれている。また、光ファイバ１３０の全体が保護シース（図示せず）で覆われることもできる。

図２に模式的に表わされる第２の端部のレベルにおいて、２つのコア１３４、１３５は並置され、互いに直接接している、すなわち、それらのコアは、それぞれ、それらの光学的な被覆またはそれらの保護的な被覆を欠いている。コア１３４は放射に使用され、より大きな直径を有するコア１３５は、反射信号の受信を最適化するように、反射信号の受信に使用される。２つのコア１３４、１３５は、規定された長さにわたって並置され、２つのコア間で放射されるレーザ信号の後方散乱を保証することが可能になる。この並置長は、例えば、０と１０ｍｍの間に含まれることができる。しかしながら、後方散乱機能が保証されている限り、２つのコア１３４、１３５を、いくつかの構成において１０ｍｍよりも大きい長さにわたって並置することも想定される。

これにより、本発明による光ファイバ１３０は、放射されたレーザ信号をコア１３４を介して光学ユニット１１０に伝送することに加え、２つのコア１３４，１３５間の後方散乱によって、放射されたレーザ信号の一部をコア１３５を介して回復し、それを制御部１２０に伝送することを可能にする。

本発明による二重コア光ファイバ１３０の使用が、いわゆるモノスタティック（ｍｏｎｏｓｔａｔｉｃ）システム（すなわち、光信号の放射のためと受信のための両方に同じ光チャネルを使用すること）を有することを可能とし、外部クロックを使用することなく、および、事前の較正ステップを実施することなく、測定毎に基準時間を規定することを可能とする。これは、正確で既知の点、すなわち光学ユニット１１０のレベル、より具体的には貯蔵手段の上部点における２つのコア１３４、１３５のカップリングのおかげで、ストランド１３１を通して放射されたレーザパルスの、ストランド１３２への散乱によって可能になる。

本発明による光ファイバ１３０のおかげで、貯蔵手段２００内の水２１０のレベルの算出は、デバイス１００によって水のレベルを決定するための方法の主要なステップを示す図３に示される総観図に従って行われる。

第１のステップ３１０の間、制御ユニット１２０のレーザ放射器は、基準時間ｔ_０でレーザパルスを放射する。レーザパルスは、光ファイバ１３０、より具体的には第１のストランド１３１を通って進み、光学ブロック１１０のレベルに位置している光ファイバ（単一ストランド）の第２の端部に到達する。この端部のレベルにおいて、レーザパルスの光子の一部は、光学ユニット１１０を通ってコリメートされ、水の表面に向けられ、一部は第１のコア１３４から第２のコア１３５に後方散乱される。後方散乱光子は、第２のストランド１３２を介して制御ユニット１２０に伝達される。したがって、第２のステップ３２０の間、制御ユニット１２０の光電子増倍管は、時点ｔ_１（図４のグラフに示された第１のピーク）で、放射された信号の後方散乱光子を検出する。時間的基準を定義する時点ｔ_１。

レーザパルスのコリメートされた部分は、水の表面に向けられ、光学ユニットの方へ反射され、反射されて第２のストランド１３２を通って伝送された光子は、制御ユニット１２０の光電子増倍管によって捕捉される。このようにして、本法の第３のステップ３３０は、時点ｔ_２（図４のグラフに示される第２のピーク）で水の表面によって反射された光子を検出することからなる。

第４のステップ３４０の間、制御ユニットは、時点ｔ_１で検出され、光ファイバ１３０を横断してファイバ１３０内部で後方散乱によって再注入される放射されたレーザ信号に対応する第１のピーク（指定される基準ピーク）と、水の表面によって反射され、光学ブロックを横断して光ファイバ１３０を介して制御ユニット１２０に伝送されるレーザ信号に対応する時点ｔ_２で検出される第２のピークとの間の差による、光信号の飛行時間（ＴＯＦ）の測定によって距離ｄの測定を決定する。

したがって、本発明のおかげで、外部クロック（又はトリガ）を利用可能にする必要がなく、光ファイバ１３０内で放射及び後方散乱される信号が、水レベルの測定毎に固有の基準時間を規定することによって、人工的な光学「クロック」の役割を果たす。これにより、本発明による光学デバイスは、電子時計のタイムシフトの問題を回避することができる。

また、本発明による光学デバイスは、光学ユニット１１０の正確な位置を知る必要がない限り、較正の前ステップなしで行うことができる。実際、図５ａに示されているような、このいわゆるモノスタティックな解決策は、先行技術から知られており、図５ｂに示されているような、放射に光学ブロックまたはチャネルを使用し、受信に別個の光学ブロックまたはチャネルを使用するバイオスタティック（ｂｉｏｓｔａｔｉｃ）な解決策とは対照的に、振動によりセンシティブではない（２つの光学ブロックの位置ずれの危険性がない）。このように、水のレベルの測定は、例えば容器の振動に起因して光学ユニットがずれた場合でも、ロバストで再現性のある様式で直接的に実施される。

また、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本発明によるモノスタティックな解決策は、レーザ信号の放射と受信との間で、光学ブロックの視野のより良好な重複Ｔｘを有することができ、比較の目的で図５（ｂ）に示す、従来技術によるバイスタティック（ｂｉｓｔａｔｉｃ）デバイスを用いるよりも、より小さな距離で測定を実施することができる。

光学ユニットのレベルに並置された２つのコア１３４、１３５を有する光ファイバ１３０を使用することは、水面の表面上の信号の反射に続くレーザの戻り信号の回復を最適化し、信号対雑音比を最大化することも可能にする。

Claims (9)

1. 光信号による、貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）であって、前記光学デバイス（１００）が、貯蔵手段（２００）の上方に固定的に位置付けされた光学ユニット（１１０）と、光信号を放射することができ、前記光学ユニット（１１０）から分離され、前記光学ユニット（１１０）から離れて位置付けされた電子制御ユニット（１２０）とを備え、
   － 光学ユニット（１１０）は、光信号の放射及び受信のための単一チャネル（１１２）を備え、
   － 光学ユニット（１１０）は、電子制御ユニットによって放射された光信号と、液体によって反射された光信号とを伝送することができる光ファイバ（１３０）を通して、電子制御ユニット（１２０）に接続され、
   前記光ファイバ（１３０）は、互いに直接接触して並置される２つの光コア（１３４、１３５）を有し、それぞれが、そのクラッディングや被覆を欠いていることによって、前記光ファイバ（１３０）の前記第１の光コア（１３４）において放射された光信号の少なくとも一部が、前記第２の光コア（１３５）において後方散乱される
   ことを特徴とする、貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
2. 前記光ファイバ（１３０）の２つのコア（１３４、１３５）が、単一のストランドを形成するように、前記光ファイバ（１３０）の端部に互いに並置することを特徴とする、請求項１に記載の貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
3. 前記光ファイバの前記端部が、前記光学ユニット（１１０）に位置していることを特徴とする、請求項２に記載の貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
4. ２つの光コア（１３４、１３５）の一方が他方の光コアの直径とは異なる直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の貯蔵手段（２００）に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
5. 電子制御ユニット（１２０）によって放射された光信号を伝送する光コア（１３４）が、液体（２１０）の表面によって反射された光信号を受信することを意図された第２の光コア（１３５）未満の直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
6. 電子制御ユニット（１２０）に接続された前記光ファイバ（１３０）の端部において、前記光ファイバ（１３０）が、２つの別個のストランド（１３１、１３２）を有し、それぞれが単一の光コア（１３４、１３５）で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
7. 電子制御ユニット（１２０）が、貯蔵手段（２００）に収容された液体（２１０）から前記光学ユニットを隔てる距離ｄを、光信号の飛行時間の測定によって決定するための手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルの非接触測定のための光学デバイス（１００）。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学デバイス（１００）により、貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルを決定するための方法であって、
   方法が、
   － 前記電子制御ユニットにより光信号を放射するステップであって、前記光信号が、光学ユニット（１１０）の方向に前記光ファイバ（１３０）の内部を伝搬する、ステップと、
   － ２つの並置されたコア（１３４、１３５）のレベルで、光ファイバ（１３０）の内部で後方散乱された、前記放射された信号の一部に対応する第１の戻り信号を、時点ｔ_１において検出するステップと、
   － 貯蔵手段（２００）内に収容された前記液体（２１０）の表面で反射された、放射された信号の一部に対応する第２の戻り信号を、時点ｔ_２において検出するステップと、
   － 第１の戻り信号を検出する時点ｔ_１と、第２の戻り信号を検出する時点ｔ_２との間の飛行時間の決定により、液体のレベルを算出するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
9. 方法が、原子炉燃料プール内の水のレベルを検出する方法であることを特徴とする、請求項８に記載の、光学デバイス（１００）により、貯蔵手段（２００）内に収容された液体（２１０）のレベルを決定するための方法。

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