JPS6093315A - 液体レベルの感熱測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体レベルを測定するための感温システムに
係る。本発明は、例えば原子炉の蒸気発生ボイラの如き
容器内の液体の相対レベル又は絶対レベルの測定に使用
される。

本発明システムは特に前記の如きレベルを極めて短い応
答時間で連続的に測定することができ、該レベルが変化
し易い物理的条件（温度、圧力。

単相又は２相状態）下の環境内で数メートルの距離に亘
って急速に変化する場合にも、測定を実行し得る。

液体収容容器内の液体のレベルの値を正確に測定する必
要はしばしば生じる。これらの容器は種々の形状を有し
てお夛、また種々の材料から構成され得る。更に、容器
内の液体は、如何なる圧力及び如何なる温度にもなシ得
る。フロート形、ねじれ管形、容量形、差圧形等の種々
のタイプの液体レベル測定センサが公知であシ、これら
は一般に多くの用途に適するように構成されている。使
用スべきセンサのタイプは動作条件（圧力、温度。

腐食等）と設置条件とに従って決定される。

しかし乍ら、物理量の急激な変化が生じる場合には、測
定センサは必ずしも所望の迅逼で正確な応答を与えるこ
とができない。

主として原子炉の蒸気発生ボイラに於いては、種々ノ計
器特にレベル測定センサは、地震後又は−次回路の故障
で一次流体が不足するような事故の後にも、前記に挙げ
た基準を充足させる必要がある。何らかの故障が生じて
一次流体が密閉容器内で蒸発すると該容器内で圧力と温
度との上昇が生じる。安全保障システムの作用によルー
次回路内への注水作用と容器内への給水作用とが同時に
開始される。この際、密閉容器内での水位の上昇と圧力
及び温度の上昇が生じるのが同時に放射能の増加が生じ
る。

このような放射能は、電子素子の良好な動作を妨害し、
やがて電子素子の特性値を変化させる虞れがあることは
知られている。従って、水位センサの特性値にも変化が
生じる虞れがある。

前記の課題を解決するために、測定センサー般、特にレ
ベルセンサは現行の規格及び規則によって決定された独
々の品質基準を充足させなければならない。

公知の方法の１つでは、抵抗形温度センサを使用してい
る。これらのセンサの動作原理はそれ自体公知であシ、
媒質中に浸漬された被熱可変抵抗の値の測定に基く。こ
の方法を開示した２つの特許が存在するので、これらの
特許について以下に説明する。

フランス特許出願公開第２２１９４０２号は柚々の温度
センサの具体例を記載している。該センサは測定抵抗と
外装された加熱抵抗とを有しておシ、センサが液体中に
没入したときの温度変化を用いてレベルを測定する。

加熱抵抗によって散逸する熱は、対流によって容器内の
周囲媒質に伝達される。この対流は気体媒質中よりも液
体媒質中で大きいので、液体レベルが高くなる程、測定
抵抗の周囲領域の平均温度が低下する。測定抵抗の値は
温度の関数であるから、この抵抗の値を測定すると、容
器に収容された液体のレベルに対する情報が与えられる
。この種のセンサは、構成材料を適切に選択しさえすれ
ば振動及び強い放射層の双方に対する耐性が良い。

残念乍ら前記の如き温度センサの具体例の欠点は、検出
システムで信頼できる測定値を得るためには液体レベル
が所与の期間に亘〕一定に維持されなければならないこ
とである。一般的に前記特許出願に記載のシステムは、
測定グローブに沿った平衡温度を得るために比較的長い
安定化時間を必要とする。更に、グローブと被測定流体
との間の熱交換係数は液体の固有温度と液体上方の蒸気
の温度とに伴なって変化する。

従って、このシステムの主たる欠点は、測定されたレベ
ルの指示値を安定化させる時間が必要なことである。こ
の時間は感知素子に沿って安定な平衡温度に達するまで
のシステムの所要温度に一致する。

添付の第１ａ図によってこの現象を説明し得る。

図は３つの曲線を示しておシ、各曲線は、媒質中の液体
レベルが一定の値であって時点１＝０から感知素子を次
第に加熱したときの感知素子の経時的温度変化曲線であ
る（縦軸が温度、横軸が時間）。

曲線は実験的に測定して得られたものであシ、測定すべ
き目盛範囲即ち容器内の液体レベルのＯチ、５０％及び
１００％に夫々対応する。レベルの測定値は感知素子の
周囲の平衡温度の関数であるから、イＢ頼できるレベル
値の情報を得るために感知素子の加熱を所定時間維持す
る必要があることが理解されよう。１００％レベルにつ
いては加熱時間を約１０秒のオーダの値で実験的に測定
し、０％レベルについては約１０分のオーダの値で測定
した。これらの値は感知素子の熱容量に従って可変であ
シ、感知素子の熱容量は、感知素子の製造に用いた技術
に左右される。

このような動作条件を要する感知素子は、多くの場合特
に水を用いるタイプの原子炉の容器に於いては側底使用
できない。

以下余白 米国特許第３９５５４１６号は、容器内の所定レベルの
上方又は下方での液体の有無を検出するような液面計を
開示している。

該特許に記載のグローブは、１つのケース内に抵抗２０
とサーミスタ１８とを組合せて含んでおシ、方形波信号
の形状のＡ？ルス形形態熱源使用している。加熱信号を
送出する発振器は同時に、加熱信号と位相台せした同期
信号を送出する。これらの信号は、整形された後に、′
ゲート”又はアナログ電圧スイッチと指体される電子回
路を制御する。これらのダートは所与の時点で測定信号
の値をサンプリングし、メモリを励起する。メ七りに記
憶される信号の値は、測定抵抗の端子で測定された信号
の高値と低値とに対応する。これらの信号の形状は該特
許の第２ｂｌＥｌ及び第２ｃ図に示されている。曲線２
ｂと２ｃとの間の振幅の差によって液体の有無を判別し
得る。

該特許には説明されていないアナログ検出システム４８
を適切に選択すると、液体又は蒸気の温度変化に影響さ
れること無く液体レベルしきい値を検出することが可能
である。しかし乍らこの種のグローブの構造はレベル検
出のみに適しておシ、該特許に示された形状のグローブ
は、数メートルに及ぶ変位レベルの連続的測定には適し
ていない。

更に該特許では（５列目１５行以後）複数個のレベルし
きい値をモニターするために複数個のデテクタを使用し
得ると記載されておシ、このことは、発明者が長距離忙
亘って連続的に測定すべきレベルの変位をモニターする
ために別の解決方法を着想し得なかったことを明らかに
示す。

詳細には本発明の目的は、前記の欠点を除去すること、
特に、液体レベルを測定するための簡単で放射線に敏感
でなくしかも測定結果が正確なアナログ信号の形状で室
温に関わル無く極めて短いレスポンス時間で得られるよ
うな感温システムを提供することである。

この結果は、０から１００チまでの目盛で液体レベルの
値を確実に指示し得るような初期信号の処理方法によっ
て得られる。処理された信号は、温度に従って可変な被
熱抵抗の端子で測定される。

感温グローブを構成する測定抵抗と加熱抵抗とのアセン
ブリの原理は公知であシ、例えば、フランス特許公開第
２２１９４０２号に記載されている。

このグローブは、測定抵抗用リード線と加熱抵抗用リー
ド線とから成シ、アセンブリは、粉末アルミナを詰めた
金属外装で包囲されている。

前記の如きプローブを米国特許第３９５５４１６号ＩＴ
ＴＯ検出アセンブリと共に使用した場合、信号の処理が
レベルしきい値の検出のみを行なうべく構成されている
ので信頼できる結果が得られない。前記の如きグローブ
をパルス加熱を利用してフランス特許公開第２２１９４
０２号に記載の処理と等価の信号処理と共に使用すると
、結果が液体媒質及び気体媒質の温度変化に大きく左右
されるのでやはシ確実な結果が得られない。テストによ
れば、約５００瓢の０−１００％測定目盛を用い約４０
℃のオーダの温度変化が生じる場合レベル指示値の誤差
範囲は８チと推定される。

成る種の用途では、室温がかなシの割合で変化し得る。

温度変化によってエラーが生じるような測定装置は工業
用測定装置として使用できないことは明らかである。

前記の欠点を除去するため、即ち、信頼できるレベル指
示値を得る前に極めて長い安定化時間を要すること及び
測定の指示値に対する温度変化の影響が大きいこと等の
欠点を除去するために、本発明は正確で迅速な測定を実
行し得るシステムを提供する・ 本発明の出発点となった考え方は、制御加熱信号の状態
変化に対応する測定信号の＆　＊　ｅ　ｓ成分の勾配を
オＵ用することである。この原理によれば、少くとも測
定を実行したい度毎に加熱信号の状態変化を生じさせる
。

加熱信号は、正弦波形、ランダム波形、方形波等の種々
の形状を有し得る。処理システムとゼネレータとの構造
を簡単にするために本発明では加熱信号として方形波信
号を使用する。この信号は、数秒周期で状態０から状態
４８Ｖｄ、ｅ、まで変化し、信号周期は感知素子の熱慣
性に従って変化し得る。

本発明は、測定用抵抗とノヤルスモードで給電される外
装された加熱用抵抗とを有する感熱センサを含んでおシ
前記センサを液体中に浸漬したときの温度変化を利用し
て液体レベルを測定する感熱測定システムに係る。本発
明システムの特徴は、システムが、加熱用抵抗に給電す
る電力増幅器をノぐルス状に制御するモジモールと、定
電流源から給電される測定用抵抗の端子電圧を測定する
整合回路と、演算モジュールとを含んでおシ、前記回路
の出力は測定信号のｄ、ｃ、成分とａ、ｅ、成分とを夫
々抽出する２つのフィルタの入力に並列に接続されてお
シ、前記測定信号が加熱源と同じ周波数を有すること、
及び、前記演算モジュール内ではフィルタの出力信号と
、液体と液体上方の気体媒質との温朋差の測定手段によ
って供給された信号とに基いて液体レベルの値と液体温
度とが決定され、前記演算モジュールは測定信号のｌ　
−ｅ　ａ成分の時間に関する一次導関数に基いて液体レ
ベル信号を処理するように公知のアナレグ回路に基いて
設計されていることである。

別の特徴によれば、２つのフィルタを備えることができ
、 一第１フィルタは測定電圧のｄ、ｃ、成分を抽出し、−
第２フイルタの出力は加熱制御信号と直角位相で測定電
圧のａ、ｃ、成分の振幅に比例する信号を与える。２つ
のフィルタは、モジュールによって生成されるパルス信
号によって制御される。

別の特徴によれば、演算モジュールが２つの計算回路を
含んでおシ、２つの計算回路の出力信号の和が、フィル
タの２つの出力信号と液体と気体媒質との温度差の測定
手段の信号とに基いて、液体レベルと液体温度との推定
値の時間導関数を送出すること、これらの時間導関数が
２つの積分器内で積分されること、最小自乗法による液
体の温度及びレベルの値の繰返しを実行するために積分
器の出力が計算回路の入力にフィートノ々ツクされる。

本発明の特徴は、添付図面に示す代表的具体例に関する
非限定的な以下の記載よシ明らかにされるであろう。

第１図は、本発明の液体レベル測定システムで使用され
る感熱センサの概略説明図である。

好ましくはステンレススチールから成る外装１内に、電
気絶縁体例えば粉末アルきすによって絶縁された２つの
導体が配置されている。

第１導体は測定用サーミスタ２である。サーミスタ２は
、端子５と６とに接続された定直流源から給電される。

サーミスタ２の値は、周囲媒質温度の関数である。端子
７と８とに於ける電位差が測定信号として使用される。

第２導体は、端子９と１０とに於いて電力増幅器によっ
て給電される加熱用抵抗３である。

加熱用抵抗３は、例えば粉末アルミナから成る絶縁材４
を介して測定用抵抗に熱結合されておシ、これらの２つ
の抵抗２と３とのアセンブリが、液位レベル１１の測定
を貴する周囲媒体と接触している。

また、図を判９易くするために第１図ではブロックとし
て示した測定エレメントは、実際には１乃至２ｍ＋のオ
ーダの直径をもつケーブルの形状な有しておシ、このク
ープルは、鉛直方向で液体レベル測定目盛全体に亘って
伸延し得るように所望の長さくしはしは数ｍの長さ）を
有し得る。

従って、測定用抵抗の平均温度は、加熱系から供給され
た電力と対流によって周囲媒質に放出された電力との収
支の結果である。対流は、気体媒質中よシも液体媒質中
で大きいので液体レベルが高くなる程前記平均温度が低
下する。抵抗の値は温度の関数であるから、抵抗の測定
によって、周囲媒質中の液体レベルに関する情報が与え
られる。

１つの具体例では、加熱用抵抗と測定用抵抗とをステン
レススチール製の外装から成る１つのケーフル内に結合
する。ケーブルをステンレススチール製の支持体に巻回
する。このアセンブリを円筒状金属網で機械的に保護す
る。

とのセンサを使用するには、２つの問題を解決する必要
がある。即ち、 一周囲温度が測定用抵抗の値に影響を与え、従って液体
レベルの測定が妨害されること、及び、−システムが平
衡に到達するまで待つと測定時間が比較的長くなること
を解決しなけれにならない。

第２図は、プローブが浮遊状態から潜水状態に移行する
際に液体蒸気界面が上昇するときの測定用抵抗の端子７
，８で測定された信号を時間の関数として示すグラフで
ある・ パルス加熱が使用される。・ぐルス鉱正弦パルス、ラン
ダム・やルス、方形パルス等でよい。第２図の信号は、
定論熱電力の場合の抵抗３の加熱ノ４ルスに対する感知
素子２のレスポンスが液体レペ／ｋ１７）関数として現
われたものである。感知素子２のレスポンス信号は、２
つの成分の重ね合せと考えることができる。

一加熱信号と同じ周波数の８．ｃ、成分Ａ。この成分の
振幅は室温では殆んど変化しないので主として液体レベ
ルに左右される。従って、この成分による液体レベルの
測定が可能である。

−先行する信号の平均値であシ且つ測定用抵抗の温度を
反映する成分Ｂ０測定用抵抗の温度自体は液体レベルの
関数として変化する。これらの２つの成分に対応する電
気信号がフィルタ２０　、２２によって抽出され計算さ
れる。これらフィルタの出力信号は次に第３図のコンピ
ュータ２９で処理される。

８、ｃ、成分Ａは室温の影響を僅かに受けるが、このよ
うな影響は、成分Ｂと液体媒質と液面上方の気体媒質と
の温度差Δθとによって補償される。この温度差は、異
なる高さに接続された２つの熱電対１２．１３によって
測定される。一方の熱電対１３は液体中に浸漬しておシ
他方の熱電対１２は気体媒質中に存在する（熱電対１２
．１３は第１図に示されている）。

熱電対の代シに、温度測定用の抵抗形プローブを使用す
ることも可能でおる。

これらの感熱プローブはまた、測定用グローブの加熱信
号と位相合せして同じ周波数で加熱される抵抗形プロー
ブであってもよい。この場合には、液体媒質と該液体の
上方の気体媒質とに於ける種種の熱流量の値から各媒体
の温度を推定し得る。

実際には、３つの測定値（温度成分Ｂの値とａ、ｅ、成
分Ａの値と液相−気相間の温度差Δθ又はこれらの２相
の絶縁温度）とを測定して３つの未知パラメータ即ち、 一液体の温度θ、と、 一気体の温度θ７と、 一液体しペルξとを決定する。

処理回路の機能図を第３図に示す。加熱用抵抗３は電力
増幅器１４から給電される。加熱パルスの周波数は電カ
ニ！幅器１４を信号１６で制御する論理モジュール１５
によって決定される。

測定すべき液体の温度上昇に比較して感熱素子の温度上
昇が大きい（例えば約１００℃）。このように温度差が
太きいため、移行状態中のセンサアセンブリの感度が向
上し得る。

測定用抵抗２は定電流源１７から給電される。

整合回路１８は前記抵抗の端子７，８での電圧を測定す
る。この信号は、第２図に示した８、Ｃ８成分Ａに比例
する。被測定信号１９即ち電圧は２つのフィル％２０．
２２の入力に印加される。第１フイルタ２０は、被測定
信号のｄ、ａ、成分を抽出する。

該フィルタは、積分器とアナログメモリとから成る。積
分器は、モジュール１５から出る制御信号２３により制
御される。第２フイルタ２２は、加熱信号と直角位相を
成す被測定電圧の８．０．成分の振幅に比例する信号を
出力に与える。フィルタ２２もまた、モジュー／Ｌ／１
５によって制御されている。この制御信号は加熱システ
ムの制御信号１６と直角位相を成す。

フィルタ２０．２２の出力信号と熱電対２２゜２３によ
って供給される信号とは夫々符号３７゜３８．３９で示
されるように第４図の演算モジュール２９に導入される
。モジュール２９は、液体レベルの値ξと液体の温度軸
と気相の温度θ７とを決定する。コンピュータ２９は当
業者が容易に選択できるそれ自体公知のアナログ回路か
ら成シ、従って詳細には説明しない。コンピュータ２９
は特に、第２図の８．ｃ、成分Ａの時間に対する一次導
関数から約分レベル信号ξを処理するように構成されて
いる。これによシ、測定アセンブリのレスポンス時間を
秒のオーダの時間までかなシ短縮し、本出願の導入部で
分析した従来システムの主な欠点を克服し得る。フィル
タ２０．２２によって送出された信号Ｓｔは以下の一般
式を有する。

５ｔ＝ｃＬｉ（θＬ）ξ＋Ｃｖ１（θｖ）（１−ξ）；
（ｔ＝ｏ山２）〔式中、ξ＝ｉは約分液体レベルでアシ
、ｎは測定すべき液位であシ、Ｈは測定間隔であシ、θ
１は液相の温度であり、θ７は気相の温度であシ（θ７
＝θ、＋Δθ）、ＣｖｉとＣ□とは８．ｃ、成分の周波
数と電力とに従属する関数である。（ｖ：蒸気、Ｌ：液
体、１はフィルタ２０．２２から来る信号Ｓ。。

Ｓ、　、　８２を示す）。

従って、フィルタの出力信号Ｓ。ｓ　８１　＊　８２の
各々は、測定すべき液体レベルの変化の一部を示す・ 本発明によれば、前記等式の解は、第４図に示す２つの
計算回路３０．３１によって計算される。

これらの等式の可能な解法のうちで実際に計算回路で使
用されるのは、最小二乗法によって差ε１を最小にする
方法である。

〔式中、Ｑ、ｈ　ｃｆｉｆは先行測定値から計算された
値である〕。

この方法では、未知数ξとθ、とに対して以下の一方式
が与えられる。

〔式中、Ｇは、回路の高速性と安定性との調整を図るよ
うに調整された利得である〕。

従って計算回路は、入力信号とレベルを示す出力値の１
つとの間の差を約分する。

計算回路の出力は、積分器３３．３４によって集積され
、これら積分器の出力に、 −出力３６で液体レベルの値ξのアナログ信号、−出力
３５で液体温度の値θ１のアナログ信号を与える。

気相の温度の値のアナログ信号は液体温度信号と熱電対
１２．１３によって送出された温度差信号との間の差を
めることによって得られる。

前記の計算回路とフィルタとはアナログ演算子及びロジ
カル演算子から構成されてもよく、又はへデジタル手段
を接続したものもしくはプログラム化したものを用いて
構成されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来技術の欠陥を示すグラフ、第１図は本発
明のレベル測定システムで使用される温度センサの概略
説明図、第２図は液体レベル上昇中に測定抵抗によって
測定される信号の経時的変化を示すグラフ、第３図は被
測定信号の処理回路の機能図、第４図は演算モジュール
の概略図である。 １・・・外装、２・・・測定用サーミスタ、３・・・加
熱用抵抗、４・・・絶縁材、１２．１３・・・熱電対、
１４・・・電力増幅器、１５・・・論理モジュール、１
７・・・電流源、１８・・・整合回路、２０．２２・・
・フィルタ、２９・・・演算モジュール、３０．３１・
・・計算回路、３３．３４・・・積分回路。 第１頁の続き ０発　明　者　ジャンーフランソワ・　フランス国、７
８４３０ランクロ　ル・ドウーセーヌ、 ０発　明　者　マ　ル　り　・　パ　リ　フランス国、
９５８７゜ヤン、７３Φビス ・ルーウ゛シエンヌ、レジダンス拳ヴア・ベゾン、リュ
・ニドアール・ヴアイ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定用抵抗とパルスモードで給電される外装され
   た加熱用抵抗とを有する感熱セシサな含んでおシ前記セ
   ／すを液体中に浸漬したときの温度変化を利用して液体
   レベルを測定する感熱測定システムに於いて、システム
   が、定電流源から給電される測定用抵抗の端子電圧を測
   定する整合回路と、演算モジュールとを含んでおシ、前
   記回路の出力は測定信号のｄ　＋　ｃ−成分と＆、ｅ２
   成分とを夫夫抽出する２つのフィルタの入力に並列に接
   続されておシ、前記測定信号が加熱源と同じ周波数を有
   すること、及び、前記演算モジュール内ではフィルタの
   出力信号と、液体と液体上方の気体媒質との温度差の測
   定手段によって供給された信号とに基いて液体レベルの
   値と液体温度とが決定され、理するように公知のアナロ
   グ回路に基いて設計されていることを特徴とする液体レ
   ベルの感熱測定システム。
2. （２）２つのフィルタがモジュールによって生成される
   パルス信号によって制御されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の感熱測定システム・
3. （３）演算モジュールが２つの計算回路を含んでおシ、
   ２つの計算回路の出力信号の和が、フィルタの２つの出
   力信号と液体と気体媒質との温度差の測定手段の信号と
   に基いて、液体レベルと液体温度との推定値の時間導関
   数を送出すること、これらの時間導関数が２つの積分器
   内で積分されること、最小自乗法による液体の温度及び
   レベルの値の繰返しを実行するために積分器の出力が計
   算回路の入力にフィードバックされることを特徴とする
   特許請求の範囲＠１項に記載の感熱測定システム０
4. （４）温度測定手段が熱電対であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の感熱測定システム。
5. （５）温度測定手段が抵抗形グローブであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の感熱測定システム
   。
6. （６）温度測定手段が抵抗形グローブであシ、前記グロ
   ーブが測定プローブの加熱信号と同じ周波数で該信号と
   位相合せして加熱されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の感熱測定システム。