JPH07260597A

JPH07260597A - 非貫入型温度測定装置及び温度測定方法

Info

Publication number: JPH07260597A
Application number: JP6277219A
Authority: JP
Inventors: L Mcshane James; ジェイムズ・エル・マクシェイン; F Dudek Daniel; ダニエル・エフ・デュデック; G Lyman Walter; ウォルター・ジー・ライマン
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1994-10-18
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】【目的】容器や配管の壁に穴を明けずに内部の液体の
温度を正確に測定する。【構成】配管の外部管壁２６０に接して送信変換器１
５１ａ、１５２ａ、１５３ａが取り付けられ、これらに
それぞれ対向して受信変換器１５１ｂ，１５２ｂ，１５
３ｂが外部管壁２６０に接して取り付けられる。送信変
換器１５１ａ，１５２ａ，１５３ａは、ケーブル６９０
を介し、受信変換器１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂはケ
ーブル７２０を介しそれぞれパルス発生器／前置増幅器
７００に接続され、これは更に経過時間測定、音速計算
及び温度計算を行う信号処理器７１０に接続されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は、温度測定装置に関し、特に原
子力発電プラントの一次系用の非貫入型超音波温度測定
装置に関する。

【０００２】

【従来技術の説明】代表的な原子力発電設備は、原子炉
を有し、熱を発生する制御された核反応がその中で生じ
ている。制御棒がその核反応を制御するために原子炉容
器の中に設置されている。代表的には、硼酸水が核反応
過程を制御するため及び熱を原子炉から運び去るために
原子炉の中に入れられている。原子炉容器に連通してい
る一次系（すなわちホットレグ）はその硼酸水（すなわ
ち熱）を原子炉容器から運び去り、そしてその熱を二次
系に伝搬するように機能する。二次系は、この分野でよ
く知られているように一次系から隔離されていて、更に
一次系からの熱で発電用蒸気を発生する。そして、一次
系（すなわちコールドレグ）は、上述の核反応過程が繰
り返されている原子炉容器に硼酸水を戻す。

【０００３】正常な運転において、原子炉容器の中で変
動する量の熱を発生するために核反応の反応度制御が必
要である。制御棒と硼酸水がたがいに協仂して、原子炉
内での発生熱を制御する核分裂過程を制御する。反応度
を緩やかに変化させるために硼酸水中の硼素の量が変え
られる。反応度を急速に変えるためには、制御棒が原子
炉容器の中に挿入されたり、あるいはその中から引き抜
かれたりする。

【０００４】ホットレグ（高温側）配管及びコールドレ
グ（低温側）配管の温度測定値が原子炉容器の出力を測
定するために使用される。従って、正確な温度測定が原
子炉出力の正確性を確保するために必要である。ホット
レグ及びコールドレグの温度を正確に測定する能力を左
右する要因は、温度流れと称する現象で、これは、原子
炉容器の内部の種々の箇所からの、種々の温度の加熱水
がホットレグ配管及びコールドレグ配管の温度計測箇所
に達するまでには完全には混合しないというものであ
る。温度が不均一になる可能性は、原子炉の出力が増え
るに従い増大する。零出力（即ち約２８６°Ｃ（５４７
°Ｆ））では不均一性は、ゼロであり、そして１００％
出力（即ち約３２１°Ｃ（６１０°Ｆ））では不均一性
は最大である。

【０００５】一次系の温度を監視する現在の装置は、通
常一次系配管の内部に貫入することが必要である。当分
野でよく知られている装置の一つの型は、抵抗温度計
（ＲＴＤ）である。抵抗温度計は、温度の変化に直接相
関して抵抗値が変わる電気抵抗である。例えば、任意の
温度のいずれにたいし対応した一つの抵抗値がある。

【０００６】抵抗温度計を備え付ける一つの配置では、
一次系配管の周囲に３個の穴を設け、その穴の中にステ
ンレス鋼製のサーモウェル（ｔｈｅｒｏｗｅｌｌ）が溶
着される。サーモウェルは、細長いカップ状の物体で一
次系配管の内部に約１２７ｍｍ（５インチ）突出してお
り、その中を流れる硼酸水から抵抗温度計を保護し、圧
力境界を維持し、そして抵抗温度計と硼酸水との熱結合
を高める。１個の抵抗温度計がそれぞれのサーモウェル
に挿入され、プロセス計装系に接続され、これは受け取
った情報（即ち抵抗）を温度に変換する。３個の抵抗温
度計の温度の読みは平均化され、温度出力を得る。平均
化は、温度流れがあるために採用されており、従って温
度の平均化は、この温度の不均一性を補償する傾向をも
つ。

【０００７】温度測定のための現用の装置は、効果的で
あるけれども欠点がない訳ではない。一般に抵抗温度計
は、個別に温度を測定するにはかなり正確である。しか
しながら、抵抗温度計をサーモウェルに挿入すると液体
との間に相応の間接的熱結合が得られるけれども、温度
変化に対応する時間遅れがある。更に、抵抗温度計を使
用すると、予じめ定めた箇所の測定値だけが得られ、配
管の中心近くの温度はサンプリングされない。更に、ホ
ットレグ配管のような臨界的な場所に貫入型サーモウェ
ルを設けることの困難性といった他の要因が、抵抗温度
計を設けることを困難にする。

【０００８】従って、原子力発電プラントの一次系の中
に含まれる液体の温度を測定する改良された方法及び装
置が求められている。

【０００９】

【発明の概要】本発明は、前述のニーズを満足させるた
めに計画された改良を提供する。特に、本発明は、壁を
もつ原子力発電プラントの容器の中に含まれる液体のた
めの非貫入型温度測定装置を指向しており、該装置は、
容器を貫通して伝播し、容器の壁で反射し、そしてそれ
によって受信される第一の信号を発生する変換器と、該
変換器を受け入れるように操作される変換器保持手段
と、該変換器保持手段を容器に取り付けるための手段と
からなり、変換器によって受信された第一の信号は温度
を計測するために使用され、変換器、変換器保持手段及
び取り付け手段は、容器の完全な外側に配置される。

【００１０】

【実施例】添付した図面に関連して行われる次の説明に
よって本発明がより良く理解されるであろう。以下の説
明において、同一の符号は、複数の図面を通じて同一ま
たは対応する部分を示す。さらに次の説明において、”
前方”、”後方”、”左”、”右”、”上方へ”、”下
方へ”、などという用語は、便宜上の用語と理解すべき
であり、制限的用語と解すべきではない。

【００１１】今図面を参照するに、図１は、本発明の周
辺を示し、概括的に符号１として示される加圧水型原子
炉のような原子力発電設備の一部を描いているが、これ
は制御された核反応によって熱を発生するための原子炉
容器１０を含んでいる。制御棒（図示しない）は、その
核反応を制御するために原子炉容器１０の中に設置され
ている。原子炉容器１０の中に入れられた一次冷却材、
代表的には硼酸水（図示しない）、は、核反応過程を制
御し、発生熱を原子炉容器１０の外部へ搬出するように
機能する。原子炉容器１０の中に入れられた一次冷却材
は、閉じられた一次系１２を貫流する。

【００１２】この一次系１２について述べると、一次冷
却材は、原子炉容器１０を流れ出て、この分野で一般に
ホットレグと称されている配管１５を通って蒸気発生器
１８へ流れる。原子炉容器１０の中で核反応によって加
熱された一次冷却材は、この蒸気発生器１８のなかでそ
の熱を水の詰まった二次系（図示しない）へ伝達する。
その二次系において、蒸気発生器１８の中でこの分野で
よく知られているように電気を発生するために二次系の
水から蒸気が発生される。この分野でコールドレグと称
される配管３５を通って冷却材は原子炉容器１０へ戻
り、上述のサイクルを繰り返す。配管１５及び３５は、
代表的には共にステンレス鋼から出来ている。複数の変
換器（図１には示されていない。）が、代表的には配管
１５及び３５のうえに配置されており、配管１５及び３
５の中の硼酸水の温度を測定するため使用される。好適
な実施例の変換器は、硼酸水の温度を測定するために使
用されるけれども配管１５及び３５の中のいかなる液体
の温度も測定され得る。

【００１３】今図２を参照するに、ねじ付きの変換器保
持器６０、代表的にはステンレス鋼で製作される、は、
ねじ加工された上端部７５ａと底部７５ｂとを持つ細長
い管状部７０を含んでいる。矩形状のフランジ８０は、
底部７５ｂに位置し、おおよそ矩形の形をした上表面９
０と矩形状の底表面１００を有し、これらは互いに離れ
て間に側部１１０を形成する。底表面１００は、おおよ
そ凹面形状であり、管形状の配管１５又は３５のいずれ
の形にも実質的に適合する（図１参照）。底表面１００
はまた、隅部にパッドを組み入れることが出来（図示し
ない）、配管の曲面に安定性を提供する。フランジ８０
は、変換器保持器６０を配管１５又は３５のいずれのう
えにも半径方向の指向を維持するための基礎として機能
する。管状部分７０は、上端部７５ａに開口（図示しな
い）を有し、内穴１４０を外部に開放している。内穴１
４０は、変換器１５０を受け入れる受器として機能し、
変換器１５０は内穴１４０の中に挿入される。ねじ付き
キャップ１６０は、上端部７５ａにねじこまれ、そして
変換器１５０を管状部分７０の中に保持しかつ音響結合
のための半径方向力を適用するための手段として機能す
る。

【００１４】図３を参照するに、配管１５又は３５のい
ずれもがこの発明に関して使用出来るけれども、この説
明では配管１５を使用する。配管１５は、管肉２８０
（代表的には６３．５ｍｍ（２．５インチ））を間に画
成する外部管壁表面２６０と内部管壁表面２７０を有す
るように示されている。配管の内径（ｄ）、代表的には
７３６．６ｍｍ（２９インチ）、は、内部管壁２７０上
の対向する２点間の距離として定義される。軌条１７０
は、配管１５を囲みかつ間隔をおいて示されている。軌
条１７０は、壁厚２１０を間に画成するおおよそ弧状の
上部１９０とおおよそ弧状の底部２００を有する。軌条
１７０は、２個の円環部２２０ａ，２２０ｂからなり、
これらはそれぞれ２個の端部２２５，２２８，２２６，
２２７を有する。端部２２５は、端部２２６に結合され
て連結部２２９を形成し、端部２２７は端部２２８に結
合されて連結部２３０を形成する。軌条１７０は、複数
の支持スクリュウ１８０によって配管１５に取り付けら
れている。指示スクリュウ１８０は、ボルト状の形状を
有し、ボルト頭部２５０から延出するボルト軸部２４０
を有する。ボルト軸部２４０は軌条１７０の壁厚２１０
を貫通して伸びて外部管壁２６０に当接している。

【００１５】当分野で周知のように水中の音速は温度の
関数である。例えば、配管１５を横切って内径（ｄ）を
伝播する超音波の音速が与えられれば、温度は測定でき
る。音速を測定するために、超音波が伝播する距離がそ
の距離を波が伝わるに要する時間によって割られる。配
管の場合、その伝播距離を測るには２つの方法がある。
一の方法において、波は内径（ｄ）を一度伝播する。他
の方法において、波は内径（ｄ）を伝播し、管壁で反射
し、再び内径（ｄ）を伝播し、最初の出発点に戻る。い
ずれの場合でも、波が伝播する距離は、無反射波の場合
内径（ｄ）から決定され、反射波の場合内径（ｄ）の二
倍から決定される。

【００１６】音速の関数としての水中の温度は、おおよ
そ次の式で表される。Ｔ＝５５６．０２＋０．３８９２９Ｃ−０．０００３７２Ｃ² （１）ここで、Ｔは華氏での測定温度であり、Ｃはメーター／
秒で示す音速である。この式は圧力２５００ｐｓｉ（１
７５．７５ｋｇ／ｃｍ²）及び温度範囲２００°Ｆ（９
３．３℃）から６５０°Ｆ（３４３．３℃）で得られた
実験データに曲線が一致する。他の刊行された又は実験
的な式又はデータが使用できる。

【００１７】図４を参照するに、連結部２２９の詳細な
図が示されている。連結部２２９及び２３０のいずれも
次の説明に適用できるけれども、連結部２２９がこの説
明のために図示されている。連結部２２９において、端
部２２５及び２２６は共におおよそ階段状の面３００を
有する。端部２２５及び２２６は一緒にかみあうように
位置しており、そして兩端部２２５及び２２６の長手方
向壁厚２１０（図３参照）には、二つの穴３１０及び３
１１がそれぞれ配設されていて、このため兩端部２２５
及び２２６が合体されると穴３１０及び３１１が整列す
る。穴３１０は、ボルト２３０を螺合して受け入れ係合
するようにねじが切られている。ボルト２３０は、端部
２２５ａ又は２２５ｂを共に保持するために穴３１０及
び３１１の中に挿入されている。ボルト２３０は、まる
いボルト頭部３３０から延出している円柱状ねじ付きボ
ルト軸３２０を持ってボルト軸３２０を有する。穴３１
１は、その中にボルト頭部３３０を完全に収容するため
に対応穴３４０を有する。

【００１８】連結部２２９及び２３０は、強い結合を得
ることを意図しており、円環部２２０ａ及び２２０ｂの
中央部分と同じ断面を本質的に維持して変換器１５０を
軌条１７０のいかなる箇所にも、たとえ連結部２２９及
び２３０の領域でも、設置することを許容する。他の結
合具、ピン、舌状部材、あるいは溝が連結部２２９及び
２３０において用いられ、それを強化しその整列を維持
する。

【００１９】図５を参照するに、円環部２２０ａが示さ
れている。次の説明は、円環部２２０ａ又は２２０ｂの
いずれにも通用するけれども、円環部２２０ａがこの説
明のために図示されている。円環部２２０ａは、おおよ
そＵ形の溝表面１９０と円環部２２０ａの縁に沿った外
側に延出しているリップ部２９０ａ及び２９０ｂとを有
する。この形状は、矩形断面の円環よりも小さい重量で
より大きい剛性を持つことを意図している。ハウジング
３４２は、これに変換器保持器６０を取り付けるために
円環部２２０ａを包むように取り囲んでいる。ハウジン
グ３４２は、一緒に結合される二つの実質的にＬ形の部
分３５０ａ及び３５０ｂから形成される。Ｕ形の溝４３
０は、変換器保持器管状部分７０をかみ合って位置決め
するためにＬ形の部分３５０ａの一部内に設けられる。

【００２０】配管１５にハウジング３４２を組み付ける
ために、軌条１７０は配管１５の回りに円周方向に位置
付けられる。ハウジング３４２は、２個のＬ形部分３５
０ａ及び３５０ｂからなり、軌条１７０を囲んで配置さ
れそしてそこを通る通路４４０を形成する。軌条１７０
にハウジング３４２を取り付けるために軌条１７０は通
路４４０に通して設けられる。２個のボルト５６０は２
個の部分３５０ａ及び３５０ｂを合体するために両部分
３５０ａ及び３５０ｂに貫通して設けられる。ノッチ付
きくぼみ５８０は、各ボルト５６０のボルト頭部５９０
の中に形成され、ボルト５６０を締め込むために各くぼ
み５８０の中に適切な工具が挿入されることを可能にし
ている。

【００２１】変換器保持器６０の管状部分７０は、Ｕ形
溝４３０の中に位置され、そして２個のボルト６００
は、部分３５０ａを通して挿入され、配管１５に変換器
保持器６０を剛に保持するためにフランジ８０の表面９
０に当接する。ノッチ付きくぼみ６１０は、各ボルト６
００の上部に形成されボルト６００を締め付けるために
適当な工具が挿入されることを可能にする。加えて、２
個のボルト６２０が部分３５０ａに通して挿入され、状
１７０の上端に当接し、ハウジング３４２の中の軌条１
７０の位置的関係を維持する。ノッチ付きくぼみ６３０
が各ボルト６２０のボルト頭部６４０の中に形成され、
ボルト６２０を締め付けるために適当な工具がその中に
挿入されるようにしている。

【００２２】図５及び図６を参照するに、ボルト６５０
はボルト５６０の間に位置し、変換器保持器６０のキャ
ップ１６０を回して変換器１５０が配管１５に緊縛され
るときに軌条１７０が捩れるのを防ぐ逆トルク部材とし
て機能する。ボルト６５０は、部分３５０ａ及び３５０
ｂに貫通され外部管壁２６０に当接する。ノッチ付きく
ぼみ６６０は、またボルト６５０のボルト頭部６７０の
中に形成され、ボルト６５０を締め付けるために適当な
工具がその中に挿入されることを可能にする。

【００２３】図７を参照するに、６個の変換器１５０、
好ましくは乾式結合した変換器、は、外部管壁２６０の
回りに円周方向に間隔をおいて配置されている。各変換
器１５０は、別の変換器１５０と組み合わされており、
変換器１５０の組合対（１５１ａ，１５１ｂ；１５２
ａ，１５２ｂ及び１５３ａ，１５３ｂ）を形成する。い
ずれの組合対においても、１個の送信変換器１５１ａ，
１５２ａ，１５３ａと１個の受信変換器１５１ｂ，１５
２ｂ，１５３ｂがある。しかしながら、各変換器は、受
信器又は送信器として設計されていても、信号を送信す
ることも受信することもともにできる。各送信変換器１
５１ａ，１５２ａ，１５３ａは、配管１５を挟んで１個
の受信変換器１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂに直接向き
合っている。例えば、送信変換器１５１ａは、受信変換
器１５１ｂの真向かいにある。変換器１５０の組合対の
数は変動可能であり、この実施例では６個の変換器１５
０が使用される。

【００２４】パルス発生器／前置増幅器７００は、同軸
ケーブル６９０を介して各送信変換器１５１ａ，１５２
ａ，１５３ａに接続され、そしてパルス発生器／前置増
幅器７００は、送信パルスを発生し、ケーブル６９０を
通して送信変換器１５１ａ，１５２ａ，１５３ａの各々
へ送る。このパルスは、各送信変換器１５１ａ，１５２
ａ，１５３ａをして送信信号（即ち音響波面）を発生せ
しめる。パルス発生器／前置増幅器７００がこの送信パ
ルスを送るのと同時に、パルス発生器／前置増幅器７０
０は、経過時間処理を始めるためにケーブル７１５を介
して信号処理器７１０に信号を送る。この経過時間処理
は、波が管壁２８０を貫き、管内径（ｄ）を横切り、再
び管壁２８０を貫いて伝播するに要する時間を測定す
る。そして各受信変換器１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂ
は、対応する送信変換器１５１ａ，１５２ａ，１５３ａ
から送られた送信音響波面を受信し、このため受信変換
器１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂは、ケーブル７２０を
介して経過時間信号をパルス発生器／前置増幅器７００
に送り、ここでその信号は増幅や瀘波といった調整を受
ける。パルス発生器／前置増幅器７００は、調整ずみ信
号をケーブル７３０を介して信号処理器７１０に送り、
信号処理器７１０に経過時間処理を終わらせる合図とし
ている。信号処理器７１０はそれから、各送信変換器１
５１ａ，１５２ａ，１５３ａが送信信号を発信した時刻
と各受信変換器１５１ｂ，１５２ｂ，１５３ｂが対応す
る送信信号を受信した時刻との間に経過した時間を測定
する。この情報から信号処理器７１０は、各送信変換器
１５１ａ，１５２ａ，１５３ａから送られた送信信号
の、内部管壁２７０と内部管壁２７０の半径方向反対位
置との間における、伝播速度を測定する。この速度は、
配管１５の内径（ｄ）を配管１５の内径に沿って伝播す
る送信信号の経過時間で割ることにより決定される。管
肉２８０を貫通する伝播時間は、管壁を通る送信信号の
伝播時間を推定することによって明確にされる。伝播速
度が測定されれば、信号処理器７１０は式（１）のよう
な既知の関係から温度を測定することができる。３個の
信号から決定されたそれぞれの温度は、それから当分野
でよく知られた方法により平均化される。３個の変換器
１５０の場合、３個のそれぞれの温度を加算し、３（数
字）で割ることによって平均化が行われる。この温度の
読みは、それから読み出しの為に表示及び記録装置（図
示しない）に送られる。

【００２５】変形実施例においては図８を参照するに、
１個の変換器１５０が信号を送信しかつ同一の反射信号
を受信するために用いられる。信号が送られ、内部管壁
２７０で反射され、そして同一の変換器１５０により受
信される。温度は、送信変換器と受信変換器とがともに
あるときに上述された方法と同じ方法によって測定され
る。

【００２６】本発明の利点は、もしあれば、既に設置さ
れている抵抗温度計を使用して、原子炉出力ゼロすなわ
ち温度流れが存在していない状態での超音波装置の一点
較正を提供し、３個の抵抗温度計が設置されていれば３
個の抵抗温度計の総てについて同一の温度を示す。測定
された音速から温度を決定するために使用される式
（１）における一又は複数の係数は、必要があれば、較
正点での抵抗温度計の読みに一致するように調整され
る。多くの場合、抵抗温度計の読みは本発明による読み
のチェック値としてのみ用いられ、バックアップ装置と
して作動する。本発明とそれによる多くの利点は、前述
の説明から理解されると考える。そして本発明の精神及
び範囲から離れる事なくあるいは重要な利点を犠牲にす
る事なく形状、構造及び配置において種々の変更がなさ
れ得ることは明らかであろう。前述の形状は単に本発明
の好ましい又は説明のための実施例である。従って、配
管の内部の温度を測定するための非貫入型超音波温度測
定装置が提供されるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】代表的原子力発電所の一部の概念的系統図であ
る。

【図２】変換器保持器の部分立断面図を含む立面図であ
る。

【図３】配管の立断面図を含む本発明の非貫入型装置の
図面である。

【図４】図３の部分詳細図である。

【図５】本発明の温度測定装置を保持するための非貫入
型装置の斜視図である。

【図６】図５の６ー６線に沿う立断面図である。

【図７】本発明の非貫入型超音波温度測定装置の系統図
である。

【図８】１個の変換器を用いる本発明の変形実施例を示
す図である。

【符号の説明】

１０原子炉容器１５配管３５配管６０変換器保持器１５０変換器１５１ａ送信変換器１５１ｂ受信変換器１５２ａ送信変換器１５２ｂ受信変換器１５３ａ送信変換器１５３ｂ受信変換器７００パルス発生器／前置増幅器７１０信号処理器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ダニエル・エフ・デュデックアメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピッツバーグ、シャロン・ドライブ 232 (72)発明者ウォルター・ジー・ライマンアメリカ合衆国、ペンシルベニア州、モンロービル、ボルプ・ドライブ 109

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】壁をもつ原子力発電プラントの容器の中
の液体のための非貫入型温度測定装置であって、（ａ）
前記容器を直径方向に伝播し、該容器の壁で反射し、受
信される第一の信号を発生する変換器であって、該変換
器によって受信された該第一の信号は温度を測定するた
めの手段として使用される変換器と、（ｂ）前記変換器
を作動可能に受け入れる変換器保持手段と、（ｃ）前記
変換器保持手段を前記容器に取り付ける取り付け手段と
からなり、前記変換器と前記変換器保持手段と前記取り
付け手段は前記容器の完全な外側にある非貫入型温度測
定装置。
【請求項２】原子力発電プラントの容器の中に含まれ
る液体の温度を測定するための方法であって、（ａ）前
記容器の中に第一の信号を送信する工程と、（ｂ）前記
第一の信号を受信する工程と、（ｃ）前記第一の信号が
前記容器の直径を伝播するために要した経過時間を測定
する工程と、（ｄ）測定された前記経過時間から前記液
体の温度を計算する工程と、からなる温度測定方法。