(57)【要約】【課題】容器中の二相流状態における液膜厚さの分布情報を求めるために、ＣＴ画像により計測領域を２次元又は３次元の連続的情報として得る。ＣＴ装置での時間平均画像において液膜厚さを評価しようとした場合に、液膜分布を計測するために液膜の真値との相関関係を把握することが必要となる。【解決手段】被検体を透過するエネルギーを持つＸ線源と、透過Ｘ線を検出する検出器と、被検体の全周方向からの透過データが取得可能な機構とからなるＸ線ＣＴ装置と、該被検体内の容器表面の液膜厚さを計測可能な厚さ計測器を少なくとも１つ有し、Ｘ線ＣＴ装置が取得するＣＴ画像において厚さ計測器の計測位置と対応する箇所の液膜厚さを、厚さ計測器の計測値によりキャリブレーションを実施し、ＣＴ画像から液膜厚さを算出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に気液二層流を給送する容器を有する被検体の前記容器表面の液膜厚さを算出する被検体の液膜厚さ計測方法において、
前記被検体を透過するエネルギーを持つ放射線源と透過放射線を検出する検出器を有し前記被検体の全周方向からの透過データを撮像するＣＴ装置と、前記被検体の容器表面の液膜厚さを計測する厚さ計測器を有し、前記ＣＴ装置が取得するＣＴ画像において前記厚さ計測器の計測位置と対応する箇所の液膜厚さを前記厚さ計測器の計測値によりキャリブレーションを実施し、取得したＣＴ画像の全範囲について前記容器表面の液膜厚さを算出することを特徴とする被検体の液膜計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の被検体の液膜計測方法において、前記厚さ計測器のサンプリング周期を前記被検体内部の容器表面の液膜厚さの変化周期よりも短い周期とすることを特徴とする被検体の液膜計測方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の被検体の液膜計測方法において、前記厚さ計測器の計測結果の時間平均値と、ＣＴ画像から計測した液膜厚さとを比較することによりキャリブレーションを実施することを特徴とする被検体の液膜計測方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の被検体の液膜計測方法において、前記被検体の容器内部の流体速度を複数種類変化させて液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする被検体の液膜計測方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の被検体の液膜計測方法において、前記被検体の容器の高さ方向に厚さ計測器を複数設置して液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする被検体の液膜計測方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の被検体の液膜計測方法において、前記被検体の容器内部に設けられた構造物内部に厚さ計測器を設置して、前記構造物表面の液膜厚さを計測することを特徴とする被検体の液膜計測方法。
【請求項７】
内部に気液二層流を給送する容器を有する被検体に対し、該被検体外周に被検体中心軸と対称位置に回動自在に設けられた放射線源と検出器を有するＣＴ装置と、前記被検体の容器外壁に設けられて前記容器厚さ及び容器内部の液膜厚さを検出する厚さ計測器と、該厚さ計測器に対向する位置のＣＴ画像における液膜厚さをキャリブレーションするキャリブレーション制御部と、キャリブレーション後のＣＴ画像から液膜厚さ分布を算出する液膜分布制御部を有することを特徴とする被検体の液膜計測装置。
【請求項８】
請求項７に記載の被検体の液膜計測装置において、前記厚さ計測器のサンプリング周期を前記被検体内部の容器表面の液膜厚さの変化周期よりも短い周期とすることを特徴とする被検体の液膜計測装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の被検体の液膜計測装置において、前記厚さ計測器の計測結果の時間平均値と、ＣＴ画像から計測した液膜厚さとを比較することによりキャリブレーションを実施することを特徴とする被検体の液膜計測装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載の被検体の液膜計測装置において、前記被検体の容器内部の流体速度を複数種類変化させて液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする被検体の液膜計測装置。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれかに記載の被検体の液膜計測装置において、前記被検体の容器高さ方向に厚さ計測器を複数設置して液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする被検体の液膜計測装置。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれかに記載の被検体の液膜計測装置において、前記被検体の容器内部に設けられた構造物内部に厚さ計測器を設置して、前記構造物表面の液膜厚さを計測することを特徴とする被検体の液膜計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線源と検出器を用いた被検体の検査システムに関し、詳しくは、放射線源と対向面に検出器を設置し、この放射線源と検出器との間に被検体を設置して被検体表面の状態を計測する検査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種プラントに用いられる配管において、液体を給送する配管では多くの場合に内部が水蒸気と水との気液二相流状態となる。特に、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）原子力プラントでは圧力容器内部の燃料棒周囲で高温高圧条件となり、炉出力制御には燃料棒周囲の二相流状態の把握が重要となる。上記条件での二相流は沸騰開始点から環状噴霧流へと状態が遷移し、燃料棒周囲に液膜が発生する。液膜がなくなった状態をドライアウトと言い冷却がされないため熱暴走の危険度が高くなる。そのため、液膜厚さ分布を正確に把握し予測する技術が重要となる。
【０００３】
圧力容器のような金属容器内部における液膜厚さ分布については通常の光学的な観測は不可能であり、容器内部の情報を得るためにＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が利用されている。非特許文献１に示す様に、ＣＴは放射線源と検出器を被検体の周囲で回転することにより、全周方向からの透過データを取得し、画像再構成演算により断面像を得るものである。これによりミリメートル以下の分解能を持つ画像が得られる。しかし、二相流のように常時流動状態にあるものを撮像した場合には、得られるＣＴ画像は二相流の流れを時間平均した情報が再構成される。また、特許文献１には、配管内に固着する静止付着物の厚さを測定する測定装置において、放射線源と放射線センサが被測定管を挟んで回動自在に設けられ、被測定管の肉厚を測定する超音波接触子を備え、両者の測定値から付着物の厚さを算出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３０７８４１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】奈良林  直、師岡  慎一、秋葉  美幸「Ｘ線スキャン法におけるボイド率分布の測定」；混相流計測法、日本原子力学会（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ＣＴ方式においては、放射線源と検出器を被検体の周囲で回転することにより、全周方向からの透過データを取得し、画像再構成演算により断面像を得る。通常ＣＴ装置は静止物体の内部構造を検査する目的で使用するため、全周方向からのデータを取得するために１０秒以上の時間をかけても、被検体となる静止物体は状態変化がないため透過データを再構成した画像はそのまま内部情報の断層像として利用できる。しかしながら、被検体となる容器内部の流体の速度が数ｍ／ｓから数十ｍ／ｓの高速で変化している場合には、放射線源と検出器が透過データを取得している間に時々刻々と状態が変化しており、この場合の透過データは内部状態の変化の時間平均情報を取得することとなり、再構成画像はデータを時間平均した濃淡を持ったグレートーン画像からなる断層像となる。
【０００７】
一方、超音波計測などの厚さ計測器ではサンプリング周波数が数ｋＨｚから数十ｋＨｚ以上と高く、液膜厚さの変化に対してほぼリアルタイムに計測することが可能である。しかし、厚さ計測器では計測領域が点状に限られて狭く、これを複数個設置したとしても離散的な限定位置での情報に止まる。
【０００８】
金属容器中の液膜厚さの分布情報を求めるためには、ＣＴ画像のように計測領域が面積、あるいは体積的に連続な情報として得られることが必要となる。しかしながら、ＣＴ装置での時間平均画像において液膜厚さを評価しようとした場合に、液膜の真値との相関関係を把握することが、液膜分布を計測するための課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、内部に気液二層流を給送する容器を有する被検体の前記容器表面の液膜厚さを算出する被検体の液膜厚さ計測方法において、前記被検体を透過するエネルギーを持つ放射線源と透過放射線を検出する検出器を有し前記被検体の全周方向からの透過データを撮像するＣＴ装置と、前記被検体の容器表面の液膜厚さを計測する厚さ計測器を有し、前記ＣＴ装置が取得するＣＴ画像において前記厚さ計測器の計測位置と対応する箇所の液膜厚さを前記厚さ計測器の計測値によりキャリブレーションを実施し、取得したＣＴ画像の全範囲について前記容器表面の液膜厚さを算出することを特徴とする。
【００１０】
または、被検体の液膜計測方法において、前記厚さ計測器のサンプリング周期を前記被検体内部の容器表面の液膜厚さの変化周期よりも短い周期とすることを特徴とする。
【００１１】
または、被検体の液膜計測方法において、前記厚さ計測器の計測結果の時間平均値と、ＣＴ画像から計測した液膜厚さとを比較することによりキャリブレーションを実施することを特徴とする。
【００１２】
または、被検体の液膜計測方法において、前記被検体の容器内部の流体速度を複数種類変化させて液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする。
【００１３】
または、被検体の液膜計測方法において、前記被検体の容器の高さ方向に厚さ計測器を複数設置して液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする。
【００１４】
または、被検体の液膜計測方法において、前記被検体の容器内部に設けられた構造物内部に厚さ計測器を設置して、前記構造物表面の液膜厚さを計測することを特徴とする。
【００１５】
さらに、被検体の液膜計測装置において、内部に気液二層流を給送する容器を有する被検体に対し、該被検体外周に被検体中心軸と対称位置に回動自在に設けられた放射線源と検出器を有するＣＴ装置と、前記被検体の容器外壁に設けられて前記容器厚さ及び容器内部の液膜厚さを検出する厚さ計測器と、該厚さ計測器に対向する位置のＣＴ画像における液膜厚さをキャリブレーションするキャリブレーション制御部と、キャリブレーション後のＣＴ画像から液膜厚さ分布を算出する液膜分布制御部を有することを特徴とする。
【００１６】
さらに、被検体の液膜計測装置において、前記厚さ計測器のサンプリング周期を前記被検体内部の容器表面の液膜厚さの変化周期よりも短い周期とすることを特徴とする。
【００１７】
さらに、被検体の液膜計測装置において、前記厚さ計測器の計測結果の時間平均値と、ＣＴ画像から計測した液膜厚さとを比較することによりキャリブレーションを実施することを特徴とする。
【００１８】
さらに、被検体の液膜計測装置において、前記被検体の容器内部の流体速度を複数種類変化させて液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする。
【００１９】
さらに、被検体の液膜計測装置において、前記被検体の容器高さ方向に厚さ計測器を複数設置して液膜厚さを計測し、キャリブレーションを実施することを特徴とする。
【００２０】
さらに、被検体の液膜計測装置において、前記被検体の容器内部に設けられた構造物内部に厚さ計測器を設置して、前記構造物表面の液膜厚さを計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、気液二層流を給送する容器を有する被検体の全周方向からの透過データを撮像するＣＴ装置と、被検体の容器表面の液膜厚さを計測する厚さ計測器を有し、ＣＴ装置が取得するＣＴ画像において厚さ計測器の計測位置と対応する箇所の液膜厚さを厚さ計測器の計測値によりキャリブレーションを実施し、取得したＣＴ画像の全範囲について前記容器表面の液膜厚さを算出することにより、可視化が不可能な高速で流動変化する被検体内部の容器表面において、ＣＴ装置による液膜計測が可能となり正確な液膜分布計測を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１の液膜計測装置を示す模式図
【図２】本発明の実施例１の液膜計測装置を示す平面的な模式図
【図３】本発明の実施例１の液膜計測装置を示すブロック図
【図４】ＣＴ画像から液膜厚さを検出する原理を示す模式図
【図５】厚さ計測器による液膜厚さ計測結果を示すグラフ
【図６】ＣＴ画像から計測した液膜厚さと、厚さ計測器による液膜厚さ計測値の時間平均値との相関関係を示すグラフ
【図７】厚さ計測器を複数配置した応用例を示す模式図
【図８】本発明の実施例２を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の実施形態を各実施例について説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１、図２に本発明の実施例１を示す。図１には液膜計測装置を横方向から見た構成を示し、図２には装置を上方からみた構成を示す。Ｘ線源１０１を内部に有したＸ線管球１０２と、検出器１０３と、支持構造物１０４を有するＸ線ＣＴ装置が設けられている。Ｘ線管球１０２と検出器１０３は、支持構造物の回転軸に対し対称位置に配置され、支持構造物１０４により相対位置が決定される。支持構造物１０４の回転運動により、被検体である圧力容器１０５の周囲をＸ線管１０２と検出器１０３が回転する。この際、Ｘ線管１０２と検出器１０３の相対位置は変化しない。
【００２５】
回転動作中、Ｘ線管１０２から照射されたＸ線１０６は圧力容器１０５を透過し、この透過Ｘ線が検出器１０３により検出され透過Ｘ線による透過データが得られる。この透過データを回転の一定角度ごとに検出し、全周方向について数百から数千の投影データを取得する。投影データは演算装置１０７により再構成演算が実施され、最終的にＣＴ画像が得られる。ＣＴ画像再構成演算には、周知のFiltered Back Projection法や逐次近似法が用いられる。
【００２６】
検出器１０３にアレイ状の１次元センサ列を用いた場合にはＣＴ画像は２次元断層像となり、検出器１０３に２次元配列の平面センサを用いた場合にはＣＴ画像は３次元立体像の情報が得られる。
【００２７】
これらのＣＴ画像が得られる位置と同じ高さに厚さ計測器１０８が配置される。このとき少なくともすなわちＣＴ画像のエリア内に超音波センサが設置されていればよい。厚さ計測器１０８は、超音波式や渦電流式、あるいは電磁誘導式センサなどにより液膜１０９の厚さを計測するものであり、サンプリング周波数は容器１０５内部の液膜の変化速度に対して十分な計測量を確保できる、例えば１０KHz程度の高い周波数を持ったものとする。
【００２８】
図３は、本発明の実機使用時の制御系を含むシステム構成例を示すブロック図である。Ｘ線管１０２は高圧電源２０１と冷却器２０２に接続され、Ｘ線管システム制御部２０３により常に安定した管電圧と管電流が供給される。検出器１０３は検出器制御部２０４により制御され、データ取り込みタイミングやデータ収集が実施される。Ｘ線管システム制御部２０３および検出器制御部２０４はさらに中央制御部２０５に接続されており、中央制御部２０５にて各機器の動作タイミングが制御される。また、中央制御部２０５と接続された演算装置１０７においてデータ演算処理が実施されＣＴ画像が生成される。各装置の動作状態や検査結果はモニタ２０６にて表示される。
【００２９】
厚さ計測器１０８は、ＣＴ画像が取得される高さに圧力容器１０５に設置され、計測器制御部２０７にて動作制御、ならびに圧力容器１０５、液膜１０９厚さの計測データの取り込みが行われる。計測器制御部２０７の厚さ検出データと、演算装置１０７のＣＴ画像データはキャリブレーション制御部２０８でキャリブレーションされた後、膜圧分布制御部２０９で膜圧分布が算出される。
【００３０】
２０８は高電圧ケーブル、２０９は冷却ケーブル、２１０は高電圧発生器制御ケーブル、
２１１は冷却機制御ケーブル、２１２は検出器制御ケーブル、２１３、２１４は制御ケーブル、２１５、２１６はモニタケーブル、２１７は制御ケーブル、２１８は厚さ計測器制御ケーブル、２１９は性尾魚装置ケーブル、２２０は計測器ケーブル、２２１はキャリブレーションケーブルである。
【００３１】
図４は、グレースケールで検出されたX線CT画像から、圧力容器の壁厚さと液膜厚さを抽出する原理を示す。液膜は例えば毎秒３０ｍ程度の高速で流動しており、同時に液膜厚さも高速で変化している。従って、Ｘ線ＣＴ画像は液膜変化周期に対して数桁長い時間をかけて透過データを取得しているため、液膜変化の時間平均を現したグレースケール画像となる。液膜厚さの曲線からＣＴ値５０％濃度相当部分の厚さをを液膜厚さとすることができる。
【００３２】
図５に厚さ計測器１０８で液膜厚さを計測した結果の一例を示す。液膜の極めて高速の時間変化を捉えている。横軸のフレーム番号は非常に短い時間単位で表示されている、厚さ計測器１０８で取得した液膜の計測値を時間平均化した値と、ＣＴ画像において厚さ計測器１０８を設置した位置での画像より計測した液膜厚さを比較して、厚さ計測器１０８の計測値から導出した平均値によりキャリブレーションを実施することによりＣＴ画像からの計測量が真値となる。この位置の相関係数をＣＴ画像の他の部分での画像からの計測値に適用することで液膜分布が算定できる。
【００３３】
上記したキャリブレーションの精度をさらに向上させるには、複数の液膜厚さでの相関をとれば良い。そのために、一例として内部流体の速度を変化させる方法がある。内部流体の速度を変えると液膜の様相も変化するために液膜厚さも変わる。大まかな傾向としては、速度を遅くすると液膜は厚くなり、速度を速くすると液膜は薄くなる。３段階に速度を変化させて複数の液膜厚さで相関を取得した応用例の場合のグラフを図６に示す。この様にすることでキャリブレーション精度を向上することが可能となる。
【００３４】
また、別の方法としては、図７に示す様に高さ方向に複数の厚さ計測器１０８を設置する。一般に液膜は高さ方向で厚みが変化するため、この方法により同時に複数点での相関係数を取得することが可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図８に本発明の実施例２を示す。圧力容器１０５は内部に熱交換用配管等の別の構造物６０１を有している。構造物６０１周囲の液膜厚さを計測する場合に、構造物６０１の内部に厚さ計測器１０８を配置して液膜厚さを計測する。厚さ計測器１０８の設置位置はあらかじめ分かっているため、設置位置に合わせた高さのＣＴ画像を取得し、ＣＴ画像から計測した液膜厚さと、厚さ計測器１０８の計測データの時間平均値を比較することでキャリブレーションを実施する。これにより圧力容器内部に構造物が設けられた場合でも、その表面の液膜厚さの分布について高精度で計測することが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１：Ｘ線源
１０２：Ｘ線管球
１０３：検出器
１０５：容器
１０７：演算装置
１０８：厚さ計測器
１０９：液膜
２０８：キャリブレーション制御部
２０９：液膜分布制御部
【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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