(57)【要約】【課題】原子炉水位を、高精度かつロバストに計測する。【解決手段】原子炉水位計は、計測配管１の下部の外壁面に取り付けられて計測配管１へ超音波エコーを送信し、超音波反射エコーを受信して反射電気信号に変換する超音波送受信部１５と、超音波送受信部１５に送信電気信号を送り超音波送受信部１５から超音波反射エコーに対応する反射電気信号を受信する超音波信号送受信部１６と、液面２５が安定している状態における超音波反射エコーに対応する反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶する波形記憶部５と、反射電気信号の波形から基準エコーとの相関値を求めることで、液面２５で反射した超音波液面反射エコーを求めてその超音波液面反射エコーの伝搬時間から液位を算出する液位算出部６と、を有する。【選択図】図１
2011180052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、前記原子炉圧力容器内の液相部に接続された下部配管部と、前記上部配管部と下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部とを備えた計測配管と、
前記計測配管の下部の外壁面に取り付けられ、送信電気信号により前記計測配管の内部の液相部へ超音波エコーを送信して、前記液面形成配管部内の液面および前記計測配管の壁面で反射する超音波反射エコーを受信して反射電気信号に変換する超音波送受信部と、
前記超音波送受信部に前記送信電気信号を送り、前記超音波送受信部から前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号を受信する超音波信号送受信部と、
前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶する波形記憶部と、
前記反射電気信号の波形と前記波形記憶部に記憶されていた前記基準エコーとの相関値を求めることで、前記反射電気信号の波形から前記液面形成配管内の液面で反射した前記超音波液面反射エコーを検出し、その超音波液面反射エコーの伝搬時間から液位を算出する液位算出部と、
を有することを特徴とする原子炉水位計。
【請求項２】
前記波形記憶部は、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号を実測してその実測された反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶するものであること、を特徴とする請求項１に記載の原子炉水位計。
【請求項３】
前記波形記憶部は、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号の波形の包絡線を解析的に求めた結果を基準エコーとして記憶するものであること、を特徴とする請求項１に記載の原子炉水位計。
【請求項４】
前記超音波信号送受信部が出力した前記反射電気信号の各値を絶対値に変換する出力変換部をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の原子炉水位計。
【請求項５】
前記超音波信号送受信部が出力した前記反射電気信号の各値に対して、累乗演算、対数演算または算術演算のいずれかを行なって信号／ノイズ比を向上させる演算処理部をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の原子炉水位計。
【請求項６】
前記超音波信号送受信部が出力した前記反射電気信号の波形を一定の抽出時間毎に区切り、区切られた各抽出時間内から少なくとも一つの値を抽出してこの抽出された値を前記各抽出時間内の代表値とし、時系列に沿って前記各時間の前記代表値を並べて波形を生成する抽出処理部をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の原子炉水位計。
【請求項７】
前記抽出部は、前記区切られた各抽出時間内における最大値、最小値、平均値、中央値、標準偏差および分散のうちの少なくとも一つの統計値に基づいて前記各抽出時間内の代表値を求める統計処理部を有することを特徴とする請求項６に記載の原子炉水位計。
【請求項８】
前記超音波信号送受信部が出力した前記反射電気信号の波形を一定の分割処理時間毎に分割する波形分割部をさらに有し、
前記液位算出部は、前記波形分割部で分割された前記反射電気信号の各波形について、前記波形記憶部に記憶されていた前記基準エコーとの相関値を求めることで、前記反射電気信号の波形から前記液面形成配管内の液面で反射した前記超音波液面反射エコーを検出する処理を並列に行なうことによって、前記液面形成配管内の液面で反射する前記超音波液面反射エコーを求めることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の原子炉水位計。
【請求項９】
原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、前記原子炉圧力容器内の液相部に接続された下部配管部と、前記上部配管部と下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部とを備えた計測配管と、
前記計測配管の下部の外壁面に取り付けられ、送信電気信号により前記計測配管の内部の液相部へ超音波エコーを送信して、前記液面形成配管部内の液面および前記計測配管の壁面で反射する超音波反射エコーを受信して反射電気信号に変換する超音波送受信部と、
前記超音波送受信部に前記送信電気信号を送り、前記超音波送受信部から前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号を受信する超音波信号送受信部と、
を備えた原子炉水位計を用いた原子炉水位測定方法であって、
前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶する基準波形記憶ステップと、
前記反射電気信号の波形と前記基準波形記憶ステップによって記憶されていた前記基準エコーとの相関値を求めることで、前記反射電気信号の波形から前記液面形成配管内の液面で反射した前記超音波液面反射エコーを検出する超音波液面反射エコー検出ステップと、
前記超音波液面反射エコー検出ステップで得られた前記超音波液面反射エコーに基づいてその超音波液面反射エコーの伝搬時間を求め、この伝搬時間に基づいて液位を算出する液位算出ステップと、
を有することを特徴とする原子炉水位測定方法。
【請求項１０】
前記基準波形記憶ステップは、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号を実測してその実測された反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶すること、を特徴とする請求項９に記載の原子炉水位測定方法。
【請求項１１】
前記基準波形記憶ステップは、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号の包絡線を解析的に求めてその解析結果を基準エコーとして記憶すること、を特徴とする請求項９に記載の原子炉水位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波エコーを用いた原子炉水位計および原子炉水位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉の水位は差圧方式により測定されているが、代替の水位測定方式として、フロート方式、中性子やγ線による放射線方式や超音波方式などが検討されている。
【０００３】
超音波方式の原子炉水位計としては、超音波水位計が挙げられる（特許文献１）。典型的な超音波水位計は、測定対象となる容器の流体が流れ込む音響導波管と、流体内に超音波信号を発生するための超音波トランスデューサ部と、超音波信号が導波管内の流体表面に向かって進行し流体表面から戻る伝播時間を測定する計時部と、伝搬時間に基づいた導波管内の水位算出および温度補償を行なう算出部とから構成される。伝搬時間が往復の時間であることから片道の時間に直し、これに温度補正された水中の音速を乗じることにより、導波管内の水位を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２８９５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した原子炉水位計においては、原子炉の水位が過渡変化する場合、液面や液中における超音波の散乱や減衰が大きくなるため超音波信号が小さくなり、過渡時は水位計測が困難になることが課題であった。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、原子炉水位が過渡変化する場合においても、高精度かつロバストな水位計測をすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る原子炉水位計は、原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、前記原子炉圧力容器内の液相部に接続された下部配管部と、前記上部配管部と下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部とを備えた計測配管と、前記計測配管の下部の外壁面に取り付けられ、送信電気信号により前記計測配管の内部の液相部へ超音波エコーを送信して、前記液面形成配管部内の液面および前記計測配管の壁面で反射する超音波反射エコーを受信して反射電気信号に変換する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に前記送信電気信号を送り、前記超音波送受信部から前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号を受信する超音波信号送受信部と、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶する波形記憶部と、前記反射電気信号の波形と前記波形記憶部に記憶されていた前記基準エコーとの相関値を求めることで、前記反射電気信号の波形から前記液面形成配管内の液面で反射した前記超音波液面反射エコーを検出し、その超音波液面反射エコーの伝搬時間から液位を算出する液位算出部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る原子炉水位測定方法は、原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、前記原子炉圧力容器内の液相部に接続された下部配管部と、前記上部配管部と下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部とを備えた計測配管と、前記計測配管の下部の外壁面に取り付けられ、送信電気信号により前記計測配管の内部の液相部へ超音波エコーを送信して、前記液面形成配管部内の液面および前記計測配管の壁面で反射する超音波反射エコーを受信して反射電気信号に変換する超音波送受信部と、前記超音波送受信部に前記送信電気信号を送り、前記超音波送受信部から前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号を受信する超音波信号送受信部と、を備えた原子炉水位計を用いた原子炉水位測定方法であって、前記液面形成配管部に形成される液面が安定している状態における前記超音波反射エコーに対応する前記反射電気信号の波形の包絡線を基準エコーとして記憶する基準波形記憶ステップと、前記反射電気信号の波形と前記基準波形記憶ステップによって記憶されていた前記基準エコーとの相関値を求めることで、前記反射電気信号の波形から前記液面形成配管内の液面で反射した前記超音波液面反射エコーを検出する超音波液面反射エコー検出ステップと、前記超音波液面反射エコー検出ステップで得られた前記超音波液面反射エコーに基づいてその超音波液面反射エコーの伝搬時間を求め、この伝搬時間に基づいて液位を算出する液位算出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原子炉水位が過渡変化する場合においても、高精度かつロバストな水位計測をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る原子炉水位計の第１の実施形態を示す模式図。
【図２】原子炉水位が過渡変化状態にあるときの液面の反射エコーの実測例を示すグラフ。
【図３】反射エコーの正符号成分から抽出された包絡線の例を示すグラフ。
【図４】相関値φ（ｓ）の例を表すグラフ。
【図５】図１の原子炉水位計の第１の実施形態の計測配管の第１の変形例を示す立断面図。
【図６】図１の原子炉水位計の第１の実施形態の計測配管の第２の変形例を示す立断面図。
【図７】本発明に係る原子炉水位計の第２の実施形態を示す模式図。
【図８】本発明に係る原子炉水位計の第３の実施形態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る原子炉水位計の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
［第１の実施形態］
（第１の実施形態の構成）
まず、図１ないし図４を用いて本発明に係る原子炉水位計の第１の実施形態を説明する。この第１の実施形態では、原子炉圧力容器２０内に液面２１が形成され、液面２１の上方に気相部が、液面２１の下方に液相部がそれぞれ形成されている。
【００１３】
原子炉圧力容器２０内の液面２１をはさむ位置に、計測配管１が取り付けられ、その上部をなす上部配管部２２は原子炉圧力容器２０内の気相部に接続され、計測配管１の下部をなす下部配管部２３は原子炉圧力容器２０内の気相部に接続されている。上部配管部２２と下部配管部２３はそれぞれがほぼ水平方向に延びており、鉛直方向に延びる液面形成配管２４によって互いに接続されている。液面形成配管２４内には、原子炉圧力容器２０内の液面２１とほぼ同じ高さの液面２５が形成される。計測配管１は、ステンレス鋼、ニッケル基合金、炭素鋼などの高温高圧環境に適応可能な材料で構成される。計測配管の長さは測定範囲から設定する。
【００１４】
液面形成配管２４の底部の外壁には、液面形成配管２４内に超音波を送り出してその反射エコーを受信する超音波送受信部１５が取り付けられている。また、超音波送受信部１５に送信電気信号を送信し、超音波送受信部１５から得られた反射電気信号を受信する超音波信号送受信部１６が配置されている。超音波信号送受信部１６で得られた反射電気信号を処理して液位を算出するために、出力変換部３と統計処理部４と、波形記憶部５と、液位算出部６が設けられている。
【００１５】
超音波送受信部１５は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの振動子で構成される。そして、超音波送受信部１５は、金属の接触媒質を用い、計測配管１の下端表面に設置される。超音波送受信部１５が下端表面に設置され、計測配管１の内部へ挿入される物がないため、計測配管１に不具合が発生する可能性がない。超音波の周波数は、計測配管１の壁内部および水中を伝搬するように数１０ｋＨｚ〜数１００ＭＨｚの範囲にある周波数を用いる。
【００１６】
超音波信号送受信部１６は、パルス電圧を加えて超音波送受信部１５から超音波を送信する一方、超音波送受信部１５において受信して電圧信号に変換された超音波を増幅する。送信される超音波の周波数、エネルギー、パルス数、毎秒の送信回数は、パルス電圧の時間幅、波高値、パルス数、繰り返しレートを変えることにより設定される。また、受信された超音波は、必要に応じて周波数フィルタリングされた後、後段の処理に応じて増幅度が設定される。周波数フィルタリングは、アナログ回路またはＭＰＵ（Micro Processing Unit）と、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのデジタル回路、あるいはソフトウエア処理により行なわれる。
【００１７】
出力変換部３は、超音波信号送受信部１６で得られた電気信号の各値の絶対値を求めるものである。また、統計処理部４は、出力変換部３の出力波形を一定の抽出時間毎に区切り、区切られた各抽出時間内における最大値または最小値、平均値または中央値、標準偏差または分散など統計値の中から一つを求めて各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各抽出時間の代表値を並べて、波形を生成するものである。
【００１８】
出力変換部３および統計処理部４は、アナログ回路またはＭＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのデジタル回路、あるいはＰＣ（パーソナルコンピュータ）などから構成される。
【００１９】
波形記憶部５は、反射エコーの包絡線を基準エコーとしてあらかじめ記憶するものである。波形記憶部５は、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）やＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、その他の半導体メモリ、磁気式ハードディスク、光学式記憶媒体などにより構成され、入力波形をデジタルデータとして記憶する。
【００２０】
液位算出部６は、統計処理部４が出力する波形の中から波形記憶部５に記憶された基準エコーとの相関が高い包絡線を検出することにより反射エコーを求め、反射エコーの伝搬時間から液位を算出する。
【００２１】
液位算出部６は、アナログ回路またはＭＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのデジタル回路、あるいはＰＣなどから構成される。液位算出部６では、入力波形ｆ（ｔ）の中から液面における反射エコーを検出し、その伝搬時間ｔＬを用いて式（１）から液位Ｌを求める。
【００２２】
Ｌ＝ｖ・ｔＬ／２      （１）
ただし、ｖは超音波の音速度である。
【００２３】
反射エコーの伝搬時間ｔＬを求めるには、入力波形ｆ（ｔ）に加えて基準エコーｇ（ｔ）を用い、式（２）により定義される相関値φ（ｓ）を計算する。ただし、ｔ、ｓは時間であり、ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）はそれぞれ、時間ｔの関数である。
【数１】
2011180052.tif 000003
【００２４】
ここで、基準エコーｇ（ｔ）は、波形記憶部５に記憶され、解析あるいは実際の測定により取得される液面の反射エコーである。そして、φ（ｓ）は、ｓが液面からの反射エコーの伝搬時間ｔＬと一致した場合に最大となることから、φ（ｓ）の最大値となる場合のｓが反射エコーの伝搬時間ｔＬとなる。
【００２５】
（第１の実施形態の作用）
最初に、超音波信号送受信部１６において、送信される超音波エコーの周波数、エネルギー、パルス数、毎秒の送信回数が設定される。そして、この設定に基づいて超音波送受信部１５から超音波エコーが送信され、計測配管１の管壁を透過する透過成分が液相へ伝搬する。
【００２６】
超音波送受信部１５から超音波エコーが送信されて計測配管１の管壁を透過するのと同時に、超音波エコーの一部は外壁面で反射し、さらに反対側の内壁面においても反射して管壁内で反射を繰り返す反射成分も存在する。管壁と液相の境界では、この反射成分が透過成分と反射成分に毎回分かれるため、透過成分が管壁の厚さ分の時間遅れを持って次々と液相へ伝搬する。なお、透過成分の強度は、管壁内の反射回数に応じて順次小さくなる。そして、順次液相へ伝搬した透過成分は液面において反射するため、パルス列化された反射エコーが超音波信号送受信部１６で受信される。
【００２７】
原子炉水位が安定状態にある場合、液面２１、２５も静定している。このため、受信された液面２５の反射エコーは、パルス間隔が規則正しく管壁厚さの時間間隔となり、またパルスの強度が規則的に小さくなることから容易に検出可能である。
【００２８】
しかし、原子炉水位が過渡変化状態になった場合、液相中ではボイドが発生し、原子炉圧力容器２０内の液面２１では沸騰並びに液面揺れが起きるため、液面形成配管２４内の液面２５も揺動する。これにより、送受信される超音波が時間的および場所的にランダムな散乱および減衰を受け、また液面の反射エコーのうち超音波送受信部１５に戻る成分が減少し、ノイズが増大するとともに超音波送受信部１５で受信される液面の反射エコーの強度が低下する。このため、過渡変化状態における液面の反射エコーは、そのパルス間隔が不規則となり、またパルスの強度も小さくかつ不規則となり、たとえば、図２に示すように反射エコーＥの検出が困難になる。ここで、図２は、原子炉水位が過渡変化状態にあるときの液面の反射エコーの実測例を示すグラフである。
【００２９】
これに対し、この実施形態では反射エコーを構成する個々のパルス列の強度や時間間隔が時間的および場所的に不規則になっても、反射エコーの包絡線形状が保たれることを利用し、受信された波形の中から反射エコーの包絡線を特定することにより高精度かつロバストに反射エコーを検出する。
【００３０】
そこで、液面２５が安定状態にある場合など液面２５の反射エコーが容易に検出可能な場合に、超音波信号送受信部１６において液面２５の反射エコーをあらかじめ受信する。なお、液面２５の状態としては、静止していることが望ましいが、必ずしも静止していなくともよく、過渡変化状態よりも液面揺れや沸騰による影響が小さい状態であれば良い。そして、出力変換部３で、液面２５の反射エコーを正符号のデジタル値に変換する。
【００３１】
さらに、統計処理部４で、一定の区間の抽出時間ごとに区切って区切られた各抽出時間内における最大値または最小値、平均値または中央値、標準偏差などの中から一つを求めて各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各抽出時間の代表値を並べて波形を生成する。
【００３２】
そして、この波形に対して最小二乗法あるいは補間法などによって関数近似して包絡線を求めることにより、たとえば、図３に示すように液面の反射エコーの包絡線を抽出し、基準エコーとして波形記憶部５へ記憶する。近似関数としては、累乗、指数、対数、線形など挙げられ適宜選定する。また、抽出する包絡線は、液面の反射エコーの一部から求めてもよく、必ずしも液面の反射エコー全体から求める必要はない。
【００３３】
つづいて、液位算出部６では、超音波信号送受信部１６において新たに受信された波形の正符号成分を入力波形ｆ（ｔ）とし、波形記憶部５に記憶された反射エコーの包絡線を基準エコーｇ（ｔ）として式（２）に示すφ（ｓ）を計算する。この計算は、入力波形ｆ（ｔ）の中から反射エコーの包絡線ｇ（ｔ）を検出する計算であり、φ（ｓ）が最大となる場合のｓが反射エコーの伝搬時間ｔＬとなる。式（２）では、ｔ、ｓの時間刻みを小さくして計算することにより伝搬時間ｔＬを高精度に求めることができ、同時に入力波形ｆ（ｔ）の中から反射エコーの包絡線を検出することからロバストである。この結果、液位算出部６では、式（２）から、図４に示すように、相関値φ（ｓ）を表すグラフを得ることができる。この図４におけるピーク値をとる時間から伝搬時間ｔＬを特定でき、式（１）から液位Ｌを高精度かつロバストに求めることができる。
【００３４】
さらに、超音波信号送受信部１６の出力を出力変換部３から出力することにより、超音波信号送受信部１６の受信波形の負符号成分を正符号成分に変換し、受信波形のデータ量を増加させることができる。受信波形は、式（２）の入力波形ｆ（ｔ）であり、データ量の増加はｔ、ｓの時間刻みが小さくなることに相当して計測精度が向上する。さらに、波形記憶部５に記憶する反射エコーの包絡線についても、受信波形の負符号成分が正符号成分に変換されてデータ量が増加した反射エコーから包絡線を高精度に抽出できる。反射エコーの包絡線は式（２）の基準エコーｇ（ｔ）であるため、式（２）の計算精度が向上する。
【００３５】
超音波信号送受信部１６または出力変換部３の出力にノイズが重畳する場合は、超音波信号送受信部１６または出力変換部３の出力を統計処理部４から出力する。
【００３６】
統計処理部４では、入力波形を一定の抽出時間毎の区間に区切り、区切られた各抽出時間内における最大値または最小値、平均値または中央値、標準偏差または分散など統計値の中から一つを求めて各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各時間の代表値を並べて出力波形とする。出力波形は、式（２）の入力波形ｆ（ｔ）であり、各時間の代表値をとるために入力波形ｆ（ｔ）のデータ量は減少するがノイズが除去され、式（２）のロバスト性が向上する。
【００３７】
さらに、波形記憶部５に記憶する反射エコーの包絡線についても、データ量は減少するがノイズが除去された反射エコーから包絡線がロバストに抽出できる。反射エコーの包絡線は式（２）の基準エコーｇ（ｔ）であるため、式（２）の計算精度が向上する。この結果、液位算出部６では、図４に示すように伝搬時間ｔＬが特定でき、式（１）から液位Ｌを高精度かつロバストに求めることができる。
【００３８】
（第１の実施形態の効果）
本実施の形態によれば、液面２５からの反射エコーの包絡線を基準エコーとしてあらかじめ記憶し、超音波信号送受信部１６が出力する波形の中からの相関が高い包絡線を検出する。これにより、液面からの反射エコーの伝搬時間を高精度に求めることができ、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００３９】
また、超音波信号送受信部１６が出力する波形を出力変換部３で絶対値に変換する。これにより、データ量が増加し、さらにデータ量が増加した反射エコーから包絡線を高精度に抽出するため、式（２）より液面２５からの反射エコーの伝搬時間を高精度に求めることができ、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００４０】
さらに、超音波信号送受信部１６が出力する反射エコーの波形を一定の抽出時間毎に区切り、区切られた各抽出時間内における最大値または最小値、平均値または中央値、標準偏差または分散など統計値の中から一つを求めて各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各抽出時間の代表値を並べて出力する。これにより、ノイズが除去でき、さらにノイズが除去された反射エコーから包絡線をロバストに抽出できる。そのため、式（２）より液面からの反射エコーの伝搬時間を求めることができ、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００４１】
［第１の実施形態の変形例］
上記の例（図１）では、上部配管部２２と下部配管部２３はそれぞれがほぼ水平方向に延びているものとしたが、第１の変形例として、計測配管１の上部に非凝縮性ガスが蓄積する場合は、図５に示すように、上部配管部２２が原子炉圧力容器２０に向かって上り勾配となるようにするとよい。他方、下部配管２３についても、上記の例（図１）では水平に設置されるが、定期検査などにおける排水時に冷却水が残留する場合は図５に示すように原子炉圧力容器２０に向かって下り勾配をつけるとよい。
【００４２】
さらに、計測配管１の第２の変形例として、図６に示すように、上部配管部２２と下部配管２３がともに原子炉圧力容器２０に向かって上り勾配となるようにしてもよい。
【００４３】
さらに、図示は省略するが、図５の構成とは逆に、上部配管部２２が原子炉圧力容器２０に向かって下り勾配で、下部配管２３が原子炉圧力容器２０に向かって上り勾配であってもよい。さらに、図６の構成とは逆に、上部配管部２２と下部配管２３がともに原子炉圧力容器２０に向かって下り勾配となるようにしてもよい。
【００４４】
なお、液面形成配管２４、並びに上部配管２２および下部配管２３は、通常、断面形状が円形の配管より構成されるが、断面形状が多角形や楕円形の配管によって構成することもできる。
【００４５】
［第２の実施形態］
（第２の実施形態の構成）
次に、図７を用いて本発明に係る原子炉水位計の第２の実施形態を用いて説明する。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。この第２の実施形態では、出力変換部３が出力する波形に対して、累乗または対数の演算や算術演算などを行なう演算処理部８と、反射エコーの包絡線を解析的に生成し、基準エコーとして記憶する波形生成部９とが備えられている。液位算出部６は、演算処理部８が出力する波形の中から波形生成部９に記憶された基準エコーとの相関が高い包絡線を検出することにより反射エコーを求め、反射エコーの伝搬時間から液位を算出する。
【００４６】
演算処理部８は、アナログ回路またはＭＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのデジタル回路、あるいはＰＣなどから構成される。演算処理部８では、入力波形に対して累乗または対数の演算や算術演算などを行なって出力する。
【００４７】
たとえば、累乗演算は、計測信号がノイズ信号より大きい場合に有効であり、計測信号は累乗の指数が大きいほどノイズ信号より大きくなって信号／ノイズ比（ＳＮ比）が向上する。同様に、計測信号がノイズ信号より大きい場合には、入力波形の振幅強度に応じ、大きな振幅ほど大きな係数を乗じる乗算、大きな振幅ほど小さな係数を除する除算を行なうことにより、計測信号がノイズ信号より大きくなって信号／ノイズ比が向上する。
【００４８】
また、算術演算の例として、入力波形に対して移動平均を求める方法もある。すなわち、移動平均数ｋの場合、出力波形ｙｉ（ｔ）は、入力波形ｘｊ（ｔ）に対して次の式（３）で表わされる。
【数２】
2011180052.tif 000004
【００４９】
波形生成部９は、反射エコーの包絡線を解析的に生成するアナログ回路またはＭＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのデジタル回路、あるいはＰＣに加え、生成された反射エコーの包絡線を基準エコーとして記憶するＳＲＡＭやＤＲＡＭ、その他の半導体メモリ、磁気式ハードディスク、光学式記憶媒体などにより構成される。
【００５０】
（第２の実施形態の作用）
まず、波形生成部９において、パルス列から構成される液面の反射エコーを解析的に生成する。パルス間の間隔は、超音波パルスの管壁間の往復時間であり、各パルスの強度は、管壁間の反射がなく管内液相へ最初に伝搬する超音波エコーに対し、管壁の反射係数を反射回数分だけ乗じた値となる。そして、受信された液面の反射エコーから包絡線を求める第１の実施形態と同様に、解析的に求めた液面の反射エコーから関数近似によって包絡線が抽出され、図３に示されるような液面の反射エコーの包絡線が基準エコーとして波形生成部９に記憶される。これにより、原子炉水位が安定状態にある時の液面の反射エコーを基準エコーとしてあらかじめ受信する必要がなく、原子炉水位が安定状態になる場合がほとんど無い時でも基準エコーが用意でき、高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００５１】
他方、超音波信号送受信部１６の設定に基づいて超音波送受信部１５から超音波エコーが送信され、第１の実施形態と同様の作用により、液面の反射エコーを含む受信波形が超音波信号送受信部１６または出力変換部３から出力される。
【００５２】
ここで、超音波信号送受信部１６の出力または出力変換部３において、液面２５の反射エコーより小さいノイズが重畳する場合は、超音波信号送受信部１６または出力変換部３の出力を演算処理部８から出力する。演算処理部８では、入力波形に対して累乗または対数の演算、算術演算などを行なって出力波形とするため、出力波形に含まれる反射エコーの信号／ノイズ比が向上する。受信波形は、式（２）の入力波形ｆ（ｔ）であり、入力波形ｆ（ｔ）に含まれる反射エコーの信号／ノイズ比が向上するため、式（２）のロバスト性が向上する。この結果、液位算出部６では、図４に示すように伝搬時間ｔＬが特定でき、式（１）から液位Ｌを高精度かつロバストに求めることができる。
【００５３】
（第２の実施形態の効果）
本実施の形態によれば、超音波送受信部が出力する波形に対して、累乗または対数の演算、算術演算などを行なうことにより、反射エコーの信号／ノイズ比が向上し、式（２）より液面２５からの反射エコーの伝搬時間を求めることができ、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００５４】
また、反射エコーの包絡線を解析的に生成し、基準エコーとして記憶することにより、原子炉水位が安定状態にある時の液面２５の反射エコーをあらかじめ受信する必要がなく、原子炉水位が安定状態になる場合がほとんど無い時でも基準エコーが用意でき、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００５５】
なお、この第２の実施形態における波形生成部９は、反射エコーの包絡線を解析的に生成し、基準エコーとして記憶する機能を有するものであるから、波形記憶部としての機能を有しているということができる。
【００５６】
［第３の実施形態］
（第３の実施形態の構成）
次に、図８を用いて本発明に係る原子炉水位計の第３の実施形態を用いて説明する。なお第１、第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。この第３の実施形態は、超音波信号送受信部１６が出力する波形を一定の抽出時間毎に区切り、区切られた各抽出時間内から１点または複数点を抽出して各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各抽出時間の代表値を並べて波形を生成する波形抽出部１０と、反射エコーの包絡線を解析的に生成し、基準エコーとして記憶する波形生成部９とを有する。
【００５７】
この実施形態ではさらに、波形抽出部１０が出力する波形を一定の分割処理時間毎に分割する波形分割部１１と、分割された各波形に対して波形生成部９に記憶された基準エコーとの相関が高い包絡線を検出する処理を並列して行なうことにより反射エコーを求め、反射エコーの伝搬時間から液位を算出する並列算出部１２とが設けられている。
【００５８】
波形抽出部１０および波形分割部１１は、アナログ回路またはＭＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのデジタル回路、あるいはＰＣなどから構成される。
【００５９】
波形抽出部１０は、入力波形を一定抽出時間毎に区切り、区切られた各抽出時間内から１点または複数点を抽出して各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各抽出時間の代表値を並べて出力波形とする。これにより、波形のデータ量が調整できる。
【００６０】
波形分割部１１は、入力波形を一定の分割処理時間毎に分割し、分割された各波形をパラレルまたはシリアルに出力する。
【００６１】
並列算出部１２についても、アナログ回路またはＭＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどのデジタル回路、あるいはＰＣなどから構成されるが、アナログ回路またはデジタル回路、あるいはＣＰＵを複数備えて並列処理が効率的にできる構成が適する。並列算出部１２では、複数の入力波形に対して式（２）に示す演算処理を並列して行なう。たとえば、波形分割部１１によりＮ個に分割された波形に対し、並列してそれぞれ演算処理を行なうことにより、演算時間は１／Ｎに短縮できる。そして、φ（ｓ）の最大値から反射エコーの伝搬時間ｔＬを求めることにより、式（１）から液位Ｌが算出できる。
【００６２】
（第３の実施形態の作用）
第２の実施形態と同様の作用により、波形生成部９では、解析的に求めた反射エコーの正符号成分から包絡線が抽出され、基準エコーとして記憶される一方、液面の反射エコーを含む受信波形が超音波信号送受信部１６から出力される。
【００６３】
ここで、超音波信号送受信部１６の出力を波形抽出部１０から出力することにより、超音波信号送受信部１６の受信波形のデータ量を調整でき、受信波形のデータ量が低減できる。受信波形は、式（２）の入力波形ｆ（ｔ）であり、データ量の低減はｔ、ｓの時間刻みが大きくなることに相当して演算時間が短縮する。この結果、並列算出部１２では、式（２）の演算時間が短縮されることにより伝搬時間ｔＬが短時間で特定でき、式（１）から液位Ｌを高精度かつロバストに求めることができる。
【００６４】
また、液位Ｌをさらに短時間で求める必要がある場合は、波形抽出部１０の出力波形が波形分割部１１によりＮ個に分割され、Ｎ個の波形が並列算出部１２へパラレルに伝送される。Ｎ個の波形は、それぞれが式（２）の入力波形ｆ（ｔ）となり、式（２）の演算処理がＮ個並列して行なわれるため演算速度が高速化する。この結果、並列算出部１２では、式（２）の演算を並列処理して高速化されることにより、伝搬時間ｔＬが短時間で特定でき、式（１）から液位Ｌを高精度かつロバストに求めることができる。
【００６５】
（第３の実施形態の効果）
本実施の形態によれば、超音波送受信部が出力する波形を一定の抽出時間毎に区切り、区切られた各抽出時間内から１点または複数点を抽出して各抽出時間の代表値とし、時系列に沿って各抽出時間の代表値を並べて波形を生成することにより、データ量が低減でき、式（２）の演算時間が短縮されることにより、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００６６】
また、超音波送受信部が出力する波形を一定の分割処理時間毎に分割し、分割された各波形に対して基準エコーとの相関が高い包絡線を検出する処理を並列して行なうことにより、処理速度が高速化でき、式（２）の演算速度が高速化されることにより、原子炉水位が過渡変化する場合においても高精度かつロバストな水位計測が可能となる。
【００６７】
なお、第１の実施形態における統計処理部４は、各抽出時間内における統計値の中から一つを求めて各抽出時間の代表値とするものであり、第３の実施形態における波形抽出部１０は、各抽出時間内の信号から一つまたは複数の値求めて各抽出時間の代表値とするものである。したがって、第３の実施形態における波形抽出部１０の機能は、第１の実施形態における統計処理部４の機能の一つの類型であるということができる。
【００６８】
［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６９】
各実施形態の種々の特徴を組み合わせることも可能である。
【００７０】
たとえば、第１の実施形態の変形例として図５および図６に示した例を含む上部配管部２２および下部配管部２３の傾斜構造を、他の実施形態に適用することが可能である。
【００７１】
また、第３の実施形態における波形分割処理部１１と並列算出処理部１２を第１または第２の実施形態に適用することも可能である。
【００７２】
また、各実施形態においては、液面形成配管２４内部の液面２５の反射エコーから基準エコーを求めるものとして説明したが、例えば液面形成配管２４に相当するモックアップ等を用いてもよい。例えば、液面形成配管２４の近傍に液面形成配管２４と同様の材料、長さ、径を有し、内部に液面が形成された円筒を設置し、液面形成配管２４と同様に底部から超音波を送信して反射エコーを得、この反射エコーを用いて基準エコーを得ることができる。このような場合、実際の運転環境に近い環境におかれ、かつ常に液面が安定している円筒を用いて基準エコーを得ることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１…  計測配管
３…  出力変換部
４…  統計処理部
５…  波形記憶部
６…  液位算出部
８…  演算処理部
９…  波形生成部
１０…  波形抽出部
１１…  波形分割部
１２…  並列算出部
１５…  超音波送受信部
１６…  超音波信号送受信部
２０…  原子炉圧力容器
２１…  液面
２２…  上部配管部
２３…  下部配管部
２４…  液面形成配管
２５…  液面
【図１】
2011180052.tif 000005
【図２】
2011180052.tif 000006
【図３】
2011180052.tif 000007
【図４】
2011180052.tif 000008
【図５】
2011180052.tif 000009
【図６】
2011180052.tif 000010
【図７】
2011180052.tif 000011
【図８】
2011180052.tif 000012