(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体保持容器内に、温度センサ及びその検出点の近傍に配置されるヒータを封入したプローブを前記液体保持容器の鉛直方向に一定間隔に複数配置して、前記プローブからの温度信号に基づいて前記液体保持容器の液面レベルを測定する液面レベル検査装置であって、
前記複数のプローブの中から前記ヒータに通電するプローブを選定するプローブ選定部と、
前記プローブ選定部で選定した前記プローブの温度センサの出力をアナログ量のまま温度信号として入力する入力部と、
前記ヒータへの通電に同期して前記温度信号の処理信号を出力する信号処理部と、
前記温度信号及び前記処理信号を演算処理して結果を出力する演算部と、
前記演算処理の出力結果に基づいて前記検出点が気相又は液相のいずれに存在するかを識別する気液識別部と、
前記気液識別部の識別結果を示す表示部とを、備えることを特徴とする液面レベル検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液面レベル検知装置において、
前記気液識別部の識別結果に基づいて前記液面レベルを判定する液面レベル判定部を、さらに備えることを特徴とする液面レベル検査装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の液面レベル検知装置において、
前記演算部は、前記温度信号及び前記処理信号を互いに減算するか又は除算した結果を出力することを特徴とする液面レベル検知装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液面レベル検知装置において、
前記信号処理部は、前記通電の開始時点の前記温度信号にホールドするホールド回路であるか、又は前記温度信号の一次遅れ応答を出力する一次遅れ回路であることを特徴とする液面レベル検知装置。
【請求項５】
液体保持容器内に、温度センサ及びその検出点の近傍に配置されるヒータを封入したプローブを前記液体保持容器の鉛直方向に一定間隔に複数配置して、前記プローブからの温度信号に基づいて前記液体保持容器の液面レベルを測定する液面レベル検査方法であって、
前記複数のプローブの中から前記ヒータに通電するプローブを選定するステップと、
前記選定された前記プローブの温度センサの出力をアナログ量のまま温度信号として入力するステップと、
前記ヒータへの通電に同期して前記温度信号の処理信号を出力するステップと、
前記温度信号及び前記処理信号を演算処理して結果を出力するステップと、
前記演算処理の出力結果に基づいて前記検出点が気相又は液相のいずれに存在するかを識別するステップと、
選定された前記プローブの少なくとも一つに基づく前記識別結果を表示するステップとを、含むことを特徴とする液面レベル検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器に保持されている液体の液面レベルを検知する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
使用済み燃料貯蔵プールでは、水による放射線の遮へい効果を確保するため、基準レベル、例えば使用済み燃料集合体の長さの２倍強程度の液面レベルよりも低下しないように監視運用している。
従来における使用済み燃料貯蔵プールの液面レベルは、プール上端部にフロート式レベルスイッチを設置して計測していた。また、このフロート式レベルスイッチとは別個に設置された温度計により、プール水の温度計測をしていた。
【０００３】
使用済み燃料貯蔵プールは、その上部に燃料交換用のクレーンが配置され、上面全体を移動するために、液面レベル計及び温度計の設置スペースが非常に限られている。また、プール水の漏えい防止の観点から、プール壁面部に貫通孔を設けることができず、液面レベル計として一般的な差圧方式を採用することができない。さらに燃料貯蔵プール内に異物が落下すると取り出しが困難であるため、プール内への異物混入防止対策も考慮しなければならない。
【０００４】
このような事情の下、熱電対における二つのうち一方の接合点の近傍にヒータを配置して液面レベルを検知するセンサが提案されている（例えば、特許文献１）。この技術によれば、水相と気相の熱拡散率が相違するために、二つの接合点の温度差（起電力差）に基づいて、センサ部が水相又は気相のいずれに位置しているかを判断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１５３６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、使用済み燃料貯蔵プールにおいて、冷却機能が長期間停止して給水ができなくなると、使用済み燃料の放熱で水温が上昇して沸騰し、蒸発により液面レベルが低下する。このように液面レベルが低下すると、放射線の遮へい効果が減少して放射線環境が悪化する。そこで、液面レベルが所定の基準レベルより下がった場合は、この液面レベルを正確に把握して放射線環境の安全性を評価することが求められている。
しかし、特許文献１の技術では、水温が沸騰温度まで上昇した場合、熱電対の二つの接合点の温度差（起電力差）を安定的に計測することが困難になる。このために、使用済み燃料貯蔵プールの液面レベルの検知精度の低下が懸念される。
【０００７】
また、各種センサの出力信号をデジタル処理することは、システムがソフト制御されることになるために、原子力設備における不測の事態に対する脆弱性が懸念される。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、容器に保持した液体が沸騰して液面レベルが低下するような事態になっても、アナログ処理のみで液面レベルを確実に検知する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
液面レベル検知装置において、液体保持容器内に、温度センサ及びその検出点の近傍に配置されるヒータを封入したプローブを前記液体保持容器の鉛直方向に一定間隔に複数配置して、前記プローブからの温度信号に基づいて前記液体保持容器の液面レベルを測定する液面レベル検査装置であって、前記複数のプローブの中から前記ヒータに通電するプローブを選定するプローブ選定部と、前記プローブ選定部で選定した前記プローブの温度センサの出力をアナログ量のまま温度信号として入力する入力部と、前記ヒータへの通電に同期して前記温度信号の処理信号を出力する信号処理部と、前記温度信号及び前記処理信号を演算処理して結果を出力する演算部と、前記演算処理の出力結果に基づいて前記検出点が気相又は液相のいずれに存在するかを識別する気液識別部と、前記気液識別部の識別結果を示す表示部と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、容器に保持した液体が沸騰して液面レベルが低下するような事態になっても、アナログ処理のみで液面レベルを確実に検知する技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）本発明の実施形態に係る液面レベル検知装置が適用された使用済み燃料貯蔵プールを示す概念図、（Ｂ）温度センサの先端部分の断面図。
【図２】第１実施形態に係る液面レベル検知装置を示すブロック図。
【図３】第１実施形態に係る液面レベル検知装置で気相判定となる場合の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示すグラフ。
【図４】第１実施形態に係る液面レベル検知装置で液相判定となる場合の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示すグラフ。
【図５】第２実施形態に係る液面レベル検知装置を示すブロック図。
【図６】第２実施形態に係る液面レベル検知装置で気相判定となる場合の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示すグラフ。
【図７】第２実施形態に係る液面レベル検知装置で液相判定となる場合の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示すグラフ。
【図８】各実施形態に係る液面レベル検知装置の動作を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）は、各実施形態に係る液面レベル検知装置２０が適用された使用済み燃料プール１を示している。
使用済み燃料プール１（以下「液体保持容器１」ともいう）には、複数の使用済み燃料集合体３を収納するラック２が配置されている。さらに、使用済み燃料プール１には、使用済み燃料集合体３の崩壊熱により昇温するプール水４を冷却する循環冷却器（図示略）が配置されている。
【００１３】
そして、例えば、使用済み燃料集合体３の長さａ＝約４．５ｍ、ラック２の高さｂ＝約５ｍの場合、深さｄ＝約１２ｍ程度の液体保持容器１が必要となり、基準水位ｃ＝約１１ｍとなるようにプール水４の液面レベルが維持されている。
これにより、使用済み燃料集合体３から放出される高レベルの放射線は、プール水４に遮られ、液体保持容器１から外部漏洩することが抑制される。
液体保持容器１には、複数のプローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]が、その先端部分を高さ方向に間隔を空けて配置されている。
【００１４】
図１（Ｂ）に示すようにプローブ１０kは、温度センサ１２及びその検出点１５の近傍に配置されるヒータ１４を封入した封入管１１で構成されている。
温度センサ１２は、銅−コンスタンタン熱電対の素線１３を、先端が閉じられているシース管に収容したものである。そして、この素線１３とシース管の間には、絶縁材として酸化マグネシウムが充填されている。
検出点１５において、銅の素線とコンスタンタンの素線とが溶接されている。そして、これら素線１３の反対端は温度検出部２１に導かれ、この反対端で検出される熱起電力に基づいて検出点１５の周辺温度が計測される。
【００１５】
液体保持容器１の深い位置におけるプール水４の液面レベルを検出するためには、熱電対の素線１３を長い状態で施設する必要がある。しかし、この場合、熱電対の素線１３に大きな負荷がかかるために、素線１３そのものに優れた機械的特性が求められる。さらに、熱電対の素線１３が長くなる程に、検出される熱起電力のノイズも大きくなるために、Ｓ／Ｎ比を稼ぐために熱起電力の大きな熱電対を採用する必要がある。
【００１６】
銅−コンスタンタン熱電対の素線１３は、一般的に使用されているクロメルアルメル熱電対と比較して、大きな熱起電力が得られ、低温測定に適する点において優れるが、機械的特性において劣る。そこで、温度センサ１２としてシース式の銅−コンスタンタン熱電対を採用して、機械的強度を確保することとした。
【００１７】
このシース式の銅−コンスタンタンの温度センサ１２は、引張加工前の銅−コンスタンタン熱電対の素線を、引張加工前のシース管に挿入した状態で、両者を同時に引張加工することにより製造される。シース管に収納されているため、銅−コンスタンタン熱電対の素線１３に過剰な負荷が付与されることのない、長尺の温度センサ１２を作成することができる。
【００１８】
封入管１１は、内部に温度センサ１２及びヒータ１４を収容し、さらに熱伝導度の高い酸化マグネシウムで充填され、外側はプール水４（液相）や大気（気相）に接する。温度センサ１２は、この封入管１１及び酸化マグネシウムを介してプール水４（液相）や大気（気相）の温度を計測し、ヒータ１４からの熱エネルギーは、この酸化マグネシウム及び封入管１１を通過してプール水４（液相）や大気（気相）に放出される。
【００１９】
このように構成されるプローブ１０kの温度センサ１２からｍＶオーダーの電圧出力Ｖk[ｋ＝０〜ｎ]が出力される。ヒータ１４に電流を流して発生させたジュール熱は、プローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]の検出点１５の周囲が気相であるか液相であるかによって熱拡散率が異なるために、温度センサ１２の電圧出力Ｖkに違いを生じさせる。
【００２０】
温度検出部２１は、プローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]から出力される微弱な電圧出力Ｖkをアナログ回路で処理可能な電圧レベルの温度信号ＶA(ｋ)に変換して判定部３０に出力する。具体的には、プローブ１０kの測温範囲０〜１００℃に対応する電圧出力Ｖkの電圧範囲を、１〜５Ｖの電圧範囲に対応させた温度信号ＶA(ｋ)に変換する。
【００２１】
熱供給部２２は、選定されたプローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]のヒータ１４に通電してジュール熱を発生させ、検出点１５の周辺に一定流量の熱エネルギーを供給する。なお、この熱供給の開始時点及び期間ｔは、判定部３０から制御される。
【００２２】
判定部３０は、図２に示すように、温度センサ１２（図１）の電圧出力Ｖkをアナログ量のまま温度信号ＶA(ｋ)として入力する入力部３３と、ヒータの熱供給に同期して温度信号ＶA(ｋ)の処理信号ＶB(ｋ)を出力する信号処理部３４と、温度信号ＶA(ｋ)及び処理信号ＶB(ｋ)を演算処理して出力する演算部３５と、この演算処理の出力結果に基づいて検出点１５が気相又は液相のいずれに存在するかを識別する気液識別部３７と、を備えている。
【００２３】
プローブ選定部３１は、液体保持容器１（図１）の気液識別を実施するプローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]を複数の中から選定する。
熱供給制御部３２は、選定されたプローブ１０kのヒータ１４に対し一定流量の熱エネルギーを期間ｔだけ供給させるとともに、この熱供給の開始時点に同期して信号処理部３４の処理を開始させる。
つまり、熱供給制御部３２は、ヒータ通電をＯＮ／ＯＦＦさせる電圧信号を熱供給部２２に出力して熱供給の期間ｔを規定するとともに、信号処理部３４にも同レベルの電圧信号を出力する。
【００２４】
入力部３３は、入力した温度信号ＶA(ｋ)をアナログ量のまま２つに分岐し、一方を演算部３５に直接入力し、他方を信号処理部３４に入力する。
信号処理部（ホールド回路）３４Ａは、熱供給制御部３２からの同期信号を入力すると、この入力時点の温度信号ＶA(ｋ)にホールドした処理信号ＶB(ｋ)を出力する。
【００２５】
つまり、信号処理部３４Ａは、熱供給制御部３２からの同期信号がＯＦＦ設定の時は、入力した温度信号ＶA(ｋ)をそのまま出力する。そして、ＯＮ設定に切り替わった時、その時点で入力した温度信号ＶA(ｋ)の入力電圧レベルが保持された処理信号ＶB(ｋ)を、再びＯＦＦ設定に切り替わるまで出力し続ける。
このような信号処理部３４Ａは、例えばスイッチ接点とコンデンサを組み合わせたホールド回路などで構成される。
【００２６】
ここで図３のグラフは、プローブ１０kの検出点１５が気相に露出している場合に、熱供給制御部３２の同期信号がＯＦＦ設定からＯＮ設定に切り替わった時の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示している。
このように、プローブ１０kの先端が気相に露出している場合、ヒータ１４から供給された熱エネルギーは、熱拡散率が小さい気相に拡散しないために、検出点１５の周辺温度を大きく上昇させる。
このために、温度センサ１２の温度信号ＶA(ｋ)は、数分オーダーの時定数で上昇するとともに、ＯＮ切替時の温度信号ＶAに保持されている処理信号ＶBから大きく乖離する。
【００２７】
次に図４のグラフは、プローブ１０kの検出点１５が液相に浸漬している場合に、熱供給制御部３２の同期信号がＯＦＦ設定からＯＮ設定に切り替わった時の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示している。
このように、プローブ１０kの先端が液相に浸漬している場合、ヒータ１４から供給された熱エネルギーは、熱拡散率が大きい液相に拡散するために、検出点１５の周辺温度はあまり上昇しない。
このために、温度センサ１２の温度信号ＶA(ｋ)は、ＯＮ切替時の温度信号ＶAに保持されている処理信号ＶBからあまり乖離せずに平衡状態に達する。
【００２８】
演算部３５（図２）は、温度信号ＶA(ｋ)及びその処理信号ＶB(ｋ)を互いに減算処理して閾値比較部３６に出力する。
閾値比較部３６は、熱供給の期間ｔにおいて演算部３５の出力と閾値αとの関係が次の判定式（１）を満たすか否かについての判定信号を、気液識別部３７に出力する。なお閾値αは、実験的に最適値が設定される。
α＜ＶA(ｋ)−ＶB(ｋ)    （１）
【００２９】
そして気液識別部３７は、この判定式（１）が充足されていればプローブ１０kの先端は気相に露出していると識別し、非充足であればプローブ１０kの先端は液相に浸漬していると識別する。
表示部３８は、オペレータに対し、プローブ１０kの先端部分が液相にあるか気相にあるかの識別結果を示すもので、例えばランプを点灯したり消灯したりする機能により実現される。
【００３０】
また、他の動作例として演算部３５（図２）は、温度信号ＶA(ｋ)及びその処理信号ＶB(ｋ)を互いに除算処理して閾値比較部３６に出力する。
閾値比較部３６は、熱供給の期間ｔにおいて演算部３５の出力と閾値βとの関係が次の判定式（２）を満たすか否かについての判定信号を、気液識別部３７に出力する。なお閾値βは、実験的に最適値が設定される。
β＜ＶA(ｋ)／ＶB(ｋ)    （２）
【００３１】
そして気液識別部３７は、この判定式（２）が充足されていればプローブ１０kの先端は気相に露出していると識別し、非充足であればプローブ１０kの先端は液相に浸漬していると識別する。
【００３２】
（第２実施形態）
次に図５を参照して本発明における第２実施形態について説明する。
第２実施形態では、判定部３０において、信号処理部３４Ｂ（３４）が、温度信号の一次遅れ応答を出力する一次遅れ回路である点において、第１実施形態と相違する。なお、図５において図２と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００３３】
このように、信号処理部３４Ｂが、一次遅れ回路で構成されることにより、熱供給制御部３２からの同期信号を必要とせずに、気液識別に利用する処理信号ＶB(ｋ)を熱供給に同期して演算部３５に出力することができる。
また、このような一次遅れ回路は、抵抗器とコンデンサのみで実現することができ、閾値比較部３６は、熱供給の期間ｔの開始時点を認識する必要がないので、時間を意識することなく前記した判定式（１）又は（２）に基づく判定ができる。
このために、第２実施形態では、判定部３０の構成を簡素化することができる。
【００３４】
ここで図６のグラフは、第２実施形態におけるプローブ１０kの検出点１５が気相に露出している場合に、熱供給制御部３２がＯＦＦ設定からＯＮ設定に切り替わった時の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示している。
【００３５】
熱供給制御部３２がＯＦＦ設定である期間は、温度信号ＶA(ｋ)が定常状態であるために、処理信号ＶBは温度信号ＶA(ｋ)に収束している。
しかし、熱供給制御部３２がＯＮ設定に切り替わると、気相からの温度信号ＶA(ｋ)は大きく立ち上がって過渡状態に移行する。そして、この過渡状態の一次遅れ応答を示す処理信号ＶB(ｋ)も、温度信号ＶA(ｋ)に追従して増加するが、変化速度が付いていけず両者は大きく乖離することになる。
【００３６】
次に、図７のグラフは、第２実施形態におけるプローブ１０kの検出点１５が液相に浸漬している場合に、熱供給制御部３２がＯＦＦ設定からＯＮ設定に切り替わった時の温度信号ＶA及びその処理信号ＶBの時間変化を示している。
【００３７】
熱供給制御部３２がＯＦＦ設定である期間において、温度信号ＶA(ｋ)が定常状態であるために、この温度信号ＶA(ｋ)に処理信号ＶBは収束している。
そして、熱供給制御部３２がＯＮ設定に切り替わると、液相からの温度信号ＶA(ｋ)は立ち上がって過渡状態に移行するが、その変化速度が小さい。このために、この過渡状態の一次遅れ応答を示す処理信号ＶB(ｋ)は、温度信号ＶA(ｋ)に追従して増加し、両者の乖離は小さい。なお、一次遅れの時定数は例として６０秒程度とする。
【００３８】
図８のフローチャートに基づいて各実施形態に係る液面レベル検知装置の動作を説明する（適宜、図１参照）。
液体保持容器１の高さ方向に先端位置を変化させて配置されている複数のプローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]を上から順番に選定する（Ｓ１１，Ｓ１２）。そして、選定されたプローブ１０kの温度センサ１２の出力Ｖkをアナログ量のまま温度信号ＶA(ｋ)として入力しつつヒータ１４へ熱供給を開始する（Ｓ１３，Ｓ１４）。
【００３９】
そして、この熱供給に同期して温度信号ＶA(ｋ)の処理信号ＶB(ｋ)（ホールド値又は一次遅れ応答）が出力され（Ｓ１５）、熱供給の期間ｔが経過するまで温度信号ＶA(ｋ)及びその処理信号ＶB(ｋ)を演算処理して出力する（Ｓ１６；Ｎｏ、Ｙｅｓ）。
そして演算処理の出力結果が、前記した判定式（１）又は判定式（２）を充足すれば気相と判定し（Ｓ１７；Ｙｅｓ、Ｓ１８）、未充足であれば液相と判定する（Ｓ１７；Ｎｏ、Ｓ１９）。
【００４０】
さらに、次のプローブ１０kに対して、気相／液相の判定を実施し（Ｓ２０；Ｎｏ）、全てのプローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]における、気相／液相の判定結果から液体保持容器１の液面レベルを判定する（Ｓ２０；Ｙｅｓ、Ｓ２１）。
【００４１】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の液面レベル検知装置によれば、アナログ回路のみで構成することができるために、原子力設備における不測の事態に対する強靭性が備わる。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【００４３】
例えば、実施形態において、複数のプローブ１０k[ｋ＝０〜ｎ]を固定して、液面レベルを検知しているが、プローブを上下方向に移動させながら液面レベルを検知することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１…使用済み燃料プール（液体保持容器）、２…ラック、３…使用済み燃料集合体、４…プール水、１０k[ｋ＝０〜ｎ]…プローブ、１１…封入管、１２…温度センサ、１３…熱電対の素線、１４…ヒータ、１５…検出点、２０…液面レベル検知装置、２１…温度検出部、２２…熱供給部、３０…判定部、３１…プローブ選定部、３２…熱供給制御部、３３…入力部、３４（３４Ａ）…信号処理部（ホールド回路）、３４（３４Ｂ）…信号処理部（一次遅れ回路）、３５…演算部、３６…閾値比較部、３７…気液識別部、３８…表示部、Ｖk[ｋ＝０〜ｎ]…温度センサの出力、ＶA(ｋ)…温度信号、ＶB(ｋ)…処理信号、ｔ…熱供給の期間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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