(57)【要約】【課題】  広範囲なエリアに対して水素濃度のセンシングが可能であると共に、機械的な振動や地震による振動がある場合であっても、正確に水素濃度をセンシングできること。【解決手段】  本発明では、上記課題を解決するために、光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化により、前記光ファイバに生じる歪み量から水素濃度を測定する水素濃度計測方法であって、前記水素感応物質の変化から本来計測すべき前記水素濃度に対応した歪み量と、前記光ファイバにかかる振動によって常時又は一時的に生じる歪み量とが混在する際に、前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果をフィルタ処理することで前記振動によって生じる歪み量を除去し、前記水素濃度に対応した歪み量のみを用いて水素濃度を計測することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化により、前記光ファイバに生じる歪み量から水素濃度を測定する水素濃度計測方法であって、
前記水素感応物質の変化から本来計測すべき前記水素濃度に対応した歪み量と、前記光ファイバにかかる振動によって常時又は一時的に生じる歪み量とが混在する際に、前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果をフィルタ処理することで前記振動によって生じる歪み量を除去し、前記水素濃度に対応した歪み量のみを用いて水素濃度を計測することを特徴とする水素濃度計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の水素濃度計測方法において、
前記光ファイバの水素感応物質に光源から特定波長の光を出力し、該光ファイバの水素感応物質の水素吸蔵による歪みによって発生するブリルアン散乱光を入力すると共に、前記特定波長の光を出力した時刻から前記ブリルアン散乱光を入力するまでの時間を計測し、この経過時間で水素検出位置を特定し、かつ、入力した前記ブリルアン散乱光が前記特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価して水素検出位置での水素濃度を計測することを特徴とする水素濃度計測方法。
【請求項３】
請求項１に記載の水素濃度計測方法において、
前記水素感応物質はパラジウムであり、該パラジウムと水素の結合により該パラジウムの体積が増加し、これに起因して前記光ファイバに歪が生じて、前記パラジウムに入射された入射光に対して波長がシフトしているブリルアン散乱光が発生し、このブリルアン散乱光の波長シフト量が、本来計測すべき前記水素濃度に対応した歪み量であることを特徴とする水素濃度計測方法。
【請求項４】
第１の光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化により、前記第１の光ファイバに生じる歪み量から水素濃度を測定する水素濃度計測方法であって、
前記第１の光ファイバに一部又は全部が並走され、かつ、自身に生じる歪を測定すると共に、水素感応物質を備えていない第２の光ファイバが配置され、前記第１の光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化から本来計測すべき前記水素濃度に対応した歪み量と、前記第１及び第２の光ファイバにかかる振動によって常時又は一時的に生じる歪み量とが混在する際に、前記第１の光ファイバによって計測される歪み量と前記第２の光ファイバで計測される歪み量の差を用いて水素濃度を計測することを特徴とする水素濃度計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載の水素濃度計測方法において、
前記第１の光ファイバと第２の光ファイバが機械的に一体になっており、前記第１の光ファイバに生じる振動と前記第２の光ファイバに生じる振動が同一であることを特徴とする水素濃度計測方法。
【請求項６】
水素感応物質が取り付けられ、水素雰囲気中に設置されている光ファイバと、該光ファイバに特定波長の光を出力する光源と、前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果をフィルタ処理して振動によって生じる歪み量を除去し、水素濃度に対応した歪み量のみを用いて水素濃度を計測する信号処理部と、前記光ファイバに前記光源から特定波長の光を出力し、該光ファイバの水素感応物質の水素吸蔵による歪みによって発生するブリルアン散乱光が入力され、少なくとも前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果を含む光を電気信号に変換して前記信号処理部に出力する光電変換器と、前記信号処理部で計測された水素濃度を換算演算処理して水素濃度信号に換算する水素濃度変換器と、該水素濃度変換器の水素濃度信号に基づいて水素濃度を表示する表示装置とを備えていることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載の水素濃度計測装置において、
前記信号処理部は、前記光電変換器からの指令信号に同期して、一定サンプリングで入力信号をサンプリングすると共に、前記ブリルアン散乱光が前記光ファイバに入射された光からの経過時間を計測し、該計測された経過時間を、どの位置で水素を検出したかを示す水素検出位置信号に変換し、該水素検出位置信号に含まれる検出光の波長シフト量の情報を用いて波長シフト量を計測し、該計測された波長シフト量についてフィルタリング処理して前記水素濃度変換器に出力するものであることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項８】
請求項７に記載の水素濃度計測装置において、
前記信号処理部のフィルタリング処理は、前記信号処理部における予め定めたカットオフ周波数をもったフィルタで、振動によって生じる計測値の変動を除去するものであることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記水素濃度変換器には、前記水素検出位置信号及び水素濃度信号が入力され、これらを表示器及び水素濃度表示装置に出力し、該表示器及び水素濃度表示装置は、計測点ごとの水素濃度分布を表示することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１０】
水素感応物質が取り付けられ、水素雰囲気中に設置されている第１の光ファイバと、該第１の光ファイバに一部又は全部が並走し機械的に一体に結束して設置され、かつ、自身に生じる歪を測定すると共に、水素感応物質を備えていない第２の光ファイバと、該第１及び第２の光ファイバのそれぞれに特定波長の光を出力する光源と、前記第１の光ファイバによって計測される歪み量と前記第２の光ファイバで計測される歪み量の差を用いて水素濃度を計測する信号処理部と、少なくとも前記第１及び第２の光ファイバによって計測される歪み量測定結果を含む光を、それぞれ電気信号に変換して前記信号処理部に出力する光電変換器と、前記信号処理部で計測された水素濃度を換算演算処理して水素濃度信号に換算する水素濃度変換器と、該水素濃度変換器の水素濃度信号に基いて水素濃度を表示する表示装置とを備えていることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の水素濃度計測装置において、
前記第１の光ファイバでは、前記水素感応物質が水素を吸蔵して体積変化することで検出される歪み量と振動に起因した歪み量が混在して検出され、前記第２の光ファイバでは、振動に起因した歪みのみが検出されることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の水素濃度計測装置において、
前記信号処理部は、前記第１及び第２の光ファイバ各系統の前記光電変換器から出力される電気信号を入力として、時間或いは検出光の周波数に相当する情報から歪み量とその位置を検出するものであることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記第１及び第２の光ファイバを機械的に一体に結束する手段として、前記第１の光ファイバと前記第２の光ファイバを把持、又は接着して連結することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１４】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記第１及び第２の光ファイバを機械的に一体に結束する手段として、前記第１及び第２の光ファイバをらせん構造のワイヤで結束することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１５】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記第１及び第２の光ファイバを機械的に一体に結束する手段として、前記第１及び第２の光ファイバを網目構造のシートで結束することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１６】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記第１及び第２の光ファイバを機械的に一体に結束する手段として、前記第１及び第２の光ファイバを撚って結束することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１７】
請求項６乃至１６のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記水素感応物質が取り付けられている光ファイバは、コアとクラッドから成る光ファイバの外周に、前記水素感応物質であるパラジウムが取り付けられて成り、かつ、ＢＯＴＤＲ方式によって得られる歪み量から水素濃度を計測することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１８】
請求項６乃至１６のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記水素感応物質が取り付けられている光ファイバは、該光ファイバにＦＢＧの加工を施したものであって、前記ＦＢＧの加工部に前記水素感応物質であるパラジウムを取り付けて成り、かつ、前記ＦＢＧの加工部に生じる歪み量によって変化する反射光の周波数、又は波長の変化を用いて得られる歪み量から水素濃度を計測することを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項１９】
請求項６乃至１８のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置において、
前記光ファイバは、原子力プラントの原子炉建屋及び/又は格納容器内に設置されていることを特徴とする水素濃度計測装置。
【請求項２０】
請求項６乃至１９のいずれか１項に記載の水素濃度計測装置によって計測された水素濃度を、計測されたエリアに対応させて水素雰囲気が存在する建屋構成図上に表示することを特徴とする水素濃度表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法並びに水素濃度表示装置に係り、例えば、原子力プラントなどの原子炉建屋内の水素濃度を測定するものに好適な水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法並びに水素濃度表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力プラントなどの原子炉建屋内の水素濃度を測定する水素濃度測定装置は、広範囲なエリアの水素計測になるために、光ファイバを利用した水素センサが考えられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ファイバコアにブラッグ格子を作り込み、このブラッグ格子の周囲に水素吸蔵材としてパラジウムを取り付け、更に、水蒸気、アンモンニア、メタン、一酸化炭素などによる汚染防止のために、パラジウムの外周にゼオライト膜を施した水素センサが開示されている。
【０００４】
この特許文献１に開示されている水素センサは、光ファイバに生じる伸縮歪みを検出する方式で、歪み検出部に取り付けた水素吸蔵材が水素を吸蔵して体積変化した際に生じる歪みを検出して、水素濃度を検知するものである。
【０００５】
また、非特許文献１には、光ファイバのクラッドの外周にパラジウムを取り付けて、水素吸蔵による体積変化によって光ファイバが伸縮し、これをマッハツェンダー型干渉計で検出して、水素濃度を検知する方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２７１５２５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「光ファイバを用いた水素センサの開発動向」,岡崎ら,表面技術,Ｖｏｌ.５７,Ｎｏ.４,２００６,
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１及び非特許文献１に開示されている光ファイバに生じる歪みを測定して水素濃度を検知する方式は、光ファイバに、例えば、機械的な振動や地震による振動などの外力によって歪みが生じると、水素濃度と誤検知する恐れがある。つまり、機械的な振動が生じる場所や地震によって振動が生じるような場所では、正確に水素濃度を測定できないという問題が生じる。
【０００９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、広範囲なエリアに対して水素濃度のセンシングが可能であると共に、機械的な振動や地震による振動がある場合であっても、正確に水素濃度をセンシングできる水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法並びに水素濃度表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水素濃度計測方法は、上記目的を達成するために、光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化により、前記光ファイバに生じる歪み量から水素濃度を測定する水素濃度計測方法であって、前記水素感応物質の変化から本来計測すべき前記水素濃度に対応した歪み量と、前記光ファイバにかかる振動によって常時又は一時的に生じる歪み量とが混在する際に、前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果をフィルタ処理することで前記振動によって生じる歪み量を除去し、前記水素濃度に対応した歪み量のみを用いて水素濃度を計測するか、
或いは、第１の光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化により、前記第１の光ファイバに生じる歪み量から水素濃度を測定する水素濃度計測方法であって、前記第１の光ファイバに一部又は全部が並走され、かつ、自身に生じる歪を測定すると共に、水素感応物質を備えていない第２の光ファイバが配置され、前記第１の光ファイバに取り付けられている水素感応物質の変化から本来計測すべき前記水素濃度に対応した歪み量と、前記第１及び第２の光ファイバにかかる振動によって常時又は一時的に生じる歪み量とが混在する際に、前記第１の光ファイバによって計測される歪み量と前記第２の光ファイバで計測される歪み量の差を用いて水素濃度を計測することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の水素濃度計測装置は、上記目的を達成するために、水素感応物質が取り付けられ、水素雰囲気中に設置されている光ファイバと、該光ファイバに特定波長の光を出力する光源と、前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果をフィルタ処理して振動によって生じる歪み量を除去し、水素濃度に対応した歪み量のみを用いて水素濃度を計測する信号処理部と、前記光ファイバに前記光源から特定波長の光を出力し、該光ファイバの水素感応物質の水素吸蔵による歪みによって発生するブリルアン散乱光が入力され、少なくとも前記光ファイバによって計測される時系列の歪み量測定結果を含む光を電気信号に変換して前記信号処理部に出力する光電変換器と、前記信号処理部で計測された水素濃度を換算演算処理して水素濃度信号に換算する水素濃度変換器と、該水素濃度変換器の水素濃度信号に基づいて水素濃度を表示する表示装置とを備えているか、
或いは、水素感応物質が取り付けられ、水素雰囲気中に設置されている第１の光ファイバと、該第１の光ファイバに一部又は全部が並走し機械的に一体に結束して設置され、かつ、自身に生じる歪を測定すると共に、水素感応物質を備えていない第２の光ファイバと、該第１及び第２の光ファイバのそれぞれに特定波長の光を出力する光源と、前記第１の光ファイバによって計測される歪み量と前記第２の光ファイバで計測される歪み量の差を用いて水素濃度を計測する信号処理部と、少なくとも前記第１及び第２の光ファイバによって計測される歪み量測定結果を含む光を、それぞれ電気信号に変換して前記信号処理部に出力する光電変換器と、前記信号処理部で計測された水素濃度を換算演算処理して水素濃度信号に換算する水素濃度変換器と、該水素濃度変換器の水素濃度信号に基づいて水素濃度を表示する表示装置とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の水素濃度表示装置は、上記目的を達成するために、上述した水素濃度計測装置によって計測された水素濃度を、計測されたエリアに対応させて水素雰囲気が存在する建屋構成図上に表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、広範囲なエリアに対して水素センシングが可能であると共に、機械振動や地震による振動があった場合でも、正確に水素濃度をセンシングできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の水素濃度計測装置の実施例１を、原子力プラントに採用した場合を示す図である。
【図２】本発明の水素濃度計測装置の実施例１に採用される水素感応光ファイバを示す斜視図である。
【図３】本発明の水素濃度計測装置の実施例１による計測結果の一例を示す図である。
【図４】本発明の水素濃度計測装置の実施例２を、原子力プラントに採用した場合を示す図である。
【図５】本発明の水素濃度計測装置の実施例２による計測結果の一例を示す図である。
【図６】本発明の水素濃度計測装置の実施例２における水素感応光ファイバと歪計測用光ファイバの結束の仕方の他の例を示す図である。
【図７】本発明の水素濃度計測装置の実施例２における水素感応光ファイバと歪計測用光ファイバの結束の仕方の更に他の例を示す図である。
【図８】本発明の水素濃度計測装置の実施例２における水素感応光ファイバと歪計測用光ファイバの結束の仕方の更に他の例を示す図である。
【図９】本発明の水素濃度計測装置の実施例３であり、ＦＢＧ型光ファイバを水素感応光ファイバ式に利用した例を示す図である。
【図１０】本発明の水素濃度計測装置を原子力プラントに適用した例を示す図である。
【図１１】原子力プラントにおけるプラント中央制御室の運転監視システムの一構成例を示す図である。
【図１２】本発明の水素濃度表示装置における原子力プラントの水素濃度分布の表示例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図示した実施例に基づいて、本発明の水素濃度計測装置及び水素濃度計測方法を詳細に説明する。尚、各実施例において、同一部品には同符号を使用し、重複した説明は行わない。
【実施例１】
【００１６】
図１に、本発明の水素濃度計測装置の実施例１を、原子力プラントに採用した場合を示し、ＢＯＴＲＤ型光ファイバを水素感応光ファイバ６として利用する場合の水素濃度計測装置２１Ａの例である。
【００１７】
該図に示す如く、原子力プラントは、原子炉建屋３４内に、内圧調整の機能を果たす圧力抑制室３５Ａを含む格納容器３５が収納され、この格納容器３５内に、核燃料を含む炉心を内包した圧力容器３６が収納されている。
【００１８】
そして、この原子力プラントに採用される水素濃度計測装置２１Ａの実施例１は、水素雰囲気中である原子炉建屋３４の上部エリア３４Ａ内に設置され、水素感応物質（詳細は後述する）が取り付けられている水素感応光ファイバ６と、この水素感応光ファイバ６に特定波長の光を出力する光源２４ａと、光源２４ａから特定波長の光を出力するための指令信号を出力する駆動回路２５ａと、この駆動回路２５ａに信号発信指令信号を出力する信号処理部２９ａと、水素感応光ファイバ６の水素感応物質に光源２４ａから特定波長の光を出力し、水素感応光ファイバ６の水素感応物質の水素吸蔵による歪みによって発生するブリルアン散乱光がミラー２３ａを介して入力され、水素感応光ファイバ６によって計測される時系列の歪み量測定結果をフィルタ処理して計測対象外の不要な光を除去するフィルタ２６ａと、このフィルタ２６ａから出力される光を電気信号に変換して信号処理部２９ａに出力する光電変換器２７ａと、信号処理部２９ａで処理された信号を換算演算処理して水素濃度信号に換算する水素濃度変換器３１と、この水素濃度変換器３１の水素濃度信号に基いて水素検出位置を表示する表示器３２及び水素濃度を表示する水素濃度表示装置３３とから概略構成されている。
【００１９】
即ち、本実施例の水素濃度計測装置２１Ａでは、水素感応光ファイバ６が接続され、水素感応光ファイバ６に光源２４ａから特定波長の光を出力し、水素感応光ファイバ６に取り付けた水素感応物質の水素吸蔵による歪みによって発生するブリルアン散乱光を入力し、特定波長の光を出力した時刻からブリルアン散乱光を入力するまでの時間を計測し、この経過時間で水素検出位置を特定し、入力したブリルアン散乱光が、上記の特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価し、水素検出位置（水素感応物質が水素を吸蔵した位置）での水素濃度を計測する。水素感応物質は、水素感応光ファイバ６の長手方向に連続的に形成されているため、連続的な水素濃度分布を計測することが可能になる。
【００２０】
図２は、本実施例に採用される水素感応光ファイバ６の構造の一例を示すものである。該図に示す如く、水素感応光ファイバ６は、コア２とクラッド３からなる光ファイバの外周に、水素感応物質である例えばパラジウム(以下、水素感応層１という)を取り付け、その水素感応層１の外周を樹脂４で被覆して構成される。
【００２１】
そして、樹脂４の外側の雰囲気に水素があると、水素が樹脂４を浸透して水素感応層１まで到達し、水素感応層１のパラジウムが水素と結合するとパラジウム自体の体積が増加する。これに起因して光ファイバに歪みが生じて、水素感応光ファイバ６に入射された入射光に対してブリルアン散乱光が発生する。ブリルアン散乱光は、入射光に対して波長（周波数と言う場合がある）がシフトしており、この波長シフト量（周波数シフト量と言う場合がある）が、上記水素吸蔵による歪みに対応する。
【００２２】
このブリルアン散乱光は、図１に示すミラー２３ａによりフィルタ２６ａに導かれる。フィルタ２６ａにより入射光のフィルタリングがなされ、計測対象外の不要な光が除去される。フィルタ２６ａから出力される光は光電変換器２７ａに出力され、電気信号に変換される。変換された電気信号はアンプ２８ａで増幅され、信号処理部２９ａに出力される。
【００２３】
信号処理部２９ａは、前記の指令信号に同期して、一定サンプリングで入力信号をサンプリングし、ブリルアン散乱光が水素感応光ファイバ６に入射された光（入射光）からの経過時間を計測する。計測された経過時間は、どの位置で水素を検出したかを示す水素検出位置信号に変換される。水素検出位置信号に含まれる検出光の波長シフト量の情報を用いて波長シフト量（周波数シフト量ともいう）を計測する。計測された波長シフト量についてフィルタリング処理して水素濃度変換器３１に出力され、換算演算処理を実施して水素濃度信号に換算される。フィルタリング処理の詳細は後述する。水素濃度変換器３１は水素検出位置信号と水素濃度信号も入力されており、これらを表示器３２と水素濃度表示装置３３に出力する。この結果、表示器３２と水素濃度表示装置３３は、計測点ごとの水素濃度、つまり計測エリアに対する水素濃度分布を表示することができる。
【００２４】
次に、信号処理部２９ａにおけるフィルタリングの詳細について述べる。水素検出位置信号に含まれる検出光の波長シフト量の情報は、ある地点における情報のみに着目すると、それは時系列の値になっている。波長シフト量は、前記ある地点において水素感応光ファイバ６に生じる歪みに対応するものであるが、水素感応光ファイバ６を敷設する場所が周辺にある機械や装置による振動が生じる場所であったり、地震の際の振動が生じる場合には、その振動によって歪み量が時間的に変化することがある。
【００２５】
そのため、歪み量の時間的な変化は、本来測定すべき水素感応物質が水素吸蔵によって生じる体積変化に起因するものと、振動によって水素感応光ファイバ６が伸縮することに起因するものが混在していることとなる。
【００２６】
その様子を図３の(ａ)及び(ｂ)に示す。図３の(ａ)及び(ｂ)は、横軸が時刻、縦軸は信号処理部の入力である。
【００２７】
図３の(ａ)は、本来計測すべき水素濃度の推移（実際の水素濃度の変化）の一例であるが、実際に計測される結果（水素感応ファイバ６による計測値）の一例である図３の(ｂ)に示す通り、水素感応ファイバ６に振動が加わると、その振動に応じて計測値も振動する。そのため、本来の水素濃度とは異なる値が出力されて正確に測定することができなくなる。
【００２８】
そこで、本実施例では、信号処理部２９ａにおいて、予め定めたカットオフ周波数をもったフィルタで振動によって生じる計測値の変動を除去するものである。フィルタは、水素濃度の変化速度(周波数)に対して振動による変化の周波数が高い場合には、ローパスフィルタを用いる。そのカットオフ周波数は振動源によって変化するが、例えば数十Ｈｚ程度であったり、地震動の場合には数Ｈｚとする。
【００２９】
図３の(ｃ)は，計測値をフィルタリングした結果（信号処理部２９ａのフィルタ処理後の出力）の一例を示している。
【００３０】
該図に示す如く、図３の(ｂ)に示したような、振動によって本来の水素濃度より著しく高い又は低い値となる場合が低減できることが分かる。フィルタリング処理して得られる結果は、後段の水素濃度変換器３１に出力される
尚、敷設工事の際に、水素感応光ファイバ６に張力がかかり、それによって歪みが生じる場合が想定でき、これは、上記の「水素吸蔵による歪み」、「振動による歪み」に加え、正確に水素濃度が測定できなくなる第３の要因と考えることができる。
【００３１】
この場合には、第３の要因によって生じる結果を、初期歪みとして水素濃度計測装置２１Ａのメモリに記録しておき、得られる計測値から初期歪みによる値を差し引けばよい。
【００３２】
本実施例によれば、水素感応光ファイバ６を用いた水素濃度計測装置２１Ａにおいて、振動によって生じる水素濃度計測結果の変化を、フィルタリング処理によって抑制或いは除去して出力するため、機械振動や地震による振動がある場合でも正確に水素濃度を測定することが可能となる。
【００３３】
尚、本実施例に適用可能な水素感応光ファイバ６は、図２に示した構成に限ったものではなく、例えばＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式(回折格子方式)の歪み検出型光ファイバのＦＢＧ部分に、例えば水素感応部材であるパラジウムを取り付けた方式であってもよいし、原理として歪みを検出する方式だけではなく、水素感応光ファイバ６の透過率或いは反射率の変化を検出して水素濃度に変換する方式であっても適用可能である。透過率或いは反射率の変化を利用して検出する方式の場合にも、同様に時系列で得られる結果に対してフィルタリングした結果を水素濃度変換器３１に出力する。
【００３４】
また、本実施例においては、図１に示す構成としたが、先に述べたとおりＦＢＧ方式であってもよい。ＦＢＧ方式による実施例の詳細は、後で述べることとする。
【実施例２】
【００３５】
図４に、本発明の水素濃度計測装置の実施例２を、原子力プラントに採用した場合を示す。
【００３６】
該図に示す本実施例の水素濃度計測装置２１Ｂは、水素感応型光ファイバ６に歪み計測用光ファイバ７を並走させ、この水素感応型光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７の両方から得られる計測結果を利用して水素濃度を計測するものであり、以下に詳細を説明する。
【００３７】
図４において、水素感応光ファイバ６は、例えば図２に示した構成や実施例１に示したものと同様であるため詳細は省略する。歪み計測用光ファイバ７は、例えばシングルモード光ファイバであるが、水素感応型光ファイバ６と異なり、水素感応層１を備えていない。そのため、歪み計測用光ファイバ７は、水素による影響は受けず、歪み計測用光ファイバ７に加わる外力による歪みのみを測定できるものである。
【００３８】
水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７は、その一部又は全部を並走させるものであって、それぞれが機械的に一体となるように結束部８にて複数箇所が結束されている。結束部８の目的は、水素感応光ファイバ６に生じる振動と歪み計測用光ファイバ７に生じる振動が同一となるようにすることである。尚、結束部８は、図４に示すように、複数箇所に間隔をあけて設けてもよいし、電力用の並行ケーブルのように２本の光ファイバを連続的に結束してもよい。
【００３９】
このようにすることで、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７には、ほとんど同様の振動による歪みが生じることとなる。
【００４０】
本実施例の水素濃度計測装置２１Ｂは、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７のそれぞれに生じる歪み量を計測するために駆動回路２５ａ、２５ｂ、光源２４ａ、２４ｂ、フィルタ２６ａ、２６ｂ、光電変換器２７ａ、２７ｂ、アンプ２８ａ、２８ｂを備えた２系統から成っている。それぞれの構成要素については、図１に示した実施例１と同様であり、信号処理部２９ｂのみが異なるため、この点について詳細に説明する。
【００４１】
即ち、本実施例では、信号処理部２９ｂでは、各系統のアンプ２８ａ、２８ｂから出力される電気信号を入力として時間や検出光の周波数に相当する情報から歪み量と、その位置を検出する。ある位置の歪み量に着目すると、サンプリングごとに歪み量が測定されるため時系列の歪み変化量として取得される。
【００４２】
その様子を図５の(ａ)及び(ｂ)に示す。図５の(ａ)及び(ｂ)は、横軸が時刻、縦軸は信号処理部の入力である。
【００４３】
図５の(ａ)は、水素感応光ファイバ６で計測した計測結果であり、図５の(ｂ)は、歪み計測用光ファイバ７で計測した結果を模式的に示している。
【００４４】
先に述べた通り、水素感応光ファイバ６には、水素感応層１が水素を吸蔵して体積変化して、水素感応光ファイバ６に歪みが生じる他、機械の振動や地震によって生じる振動が発生する場合には、それらに起因した歪みが混在して検出される。一方、図５の(ｂ)に示す歪み計測用光ファイバ７は、水素感応層１を備えていないため、水素に対する感度はほとんどなく、機械の振動や地震によって生じる振動が発生する場合には、それらに起因した歪みのみが検出される。
【００４５】
ここで、水素感応光ファイバ６の振動によって生じる歪みと歪み計測用光ファイバ７の計測結果は、ほぼ同一になる。これは、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７が、機械的に一体となるように結束しているためである。
【００４６】
図５の(c)は、信号処理部２９ｂにおいて、水素感応光ファイバ６による検出結果と歪み計測用光ファイバ７の計測結果の差、即ち、図５の(ａ)から(ｂ)を差し引いた結果である。即ち、図５の(ａ)及び(ｂ)には、ほぼ同一の振動成分が重畳するため、差を求めることで振動成分を除去することができ、結果として水素に起因する結果のみを取得できる。これを信号処理部２９ｂの出力として後段の水素濃度変換器３１に送る。
【００４７】
本実施例によれば、振動によって生じる歪みの影響を低減して正確に水素濃度を検出できるようになる効果に加えて、フィルタを用いる方式ではないため、そのカットオフ周波数の決定のために必要となる水素感応光ファイバ６の設置場所に生じる振動の周波数の特性を予め知る必要はなく、ため設置作業が容易となり、つまりは設置にかかるコストを低減することが可能となる効果がある。
【００４８】
図６乃至図８は、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、機械的に一体となるように結束する仕方についての他の例を示したものである。
【００４９】
図６は、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、らせん状のワイヤ２０１を用いて結束する方式を示している。
【００５０】
即ち、予めらせん状のワイヤ２０１の貫通部を緩めて大きくした状態で、２本の水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を貫通させておき、敷設する際に、らせん状のワイヤ２０１の両端を引っ張ることで、らせん状のワイヤ２０１の貫通部が締まって、２本の水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７が、機械的に一体にすることができる。
【００５１】
図７は、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、メッシュ状のシート２０２で包んで機械的に一体となるように結束する仕方を示している。
【００５２】
即ち、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、メッシュ状のシート２０２で包んで機械的に一体にしたメッシュ構造とすることで、雰囲気中の水素が水素感応光ファイバ６まで到達することを容易にしている。
【００５３】
図８は、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、撚り線にすることで機械的に一体となるように結束する仕方の一例を示している。
【００５４】
即ち、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、撚り線にして機械的に一体となるように結束することで、一切の結束のために用いる部材を必要としないため、製造時の工数と敷設のためのコストを削減できる効果がある。
【００５５】
この水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を、撚り線とする場合には、水素感応光ファイバ６が、水素吸蔵によって生じる歪みによって歪み計測用光ファイバ７にも歪みが生じることがないように、２本の水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７が、長手方向(光ファイバに沿った方向)には拘束されないように緩く撚っておく必要がある。例えば、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７が、最も間隔が開くところでは、１ｍｍ程度ある状態としておけば良い。
【００５６】
尚、図６乃至図８に示した水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７の結束例は、あくまで一例であり、これ以外の結束であっても良いことは言うまでもない。
【実施例３】
【００５７】
図９は、本発明の水素濃度計測装置の実施例３を示すものであり、ＦＢＧ型光ファイバを水素感応光ファイバ６として利用する場合の水素濃度計測装置２１Ｃの構成を示す。
【００５８】
該図に示す如く、本実施例の水素濃度計測装置２１Ｃは、２つの歪み測定部１０１、１０２と振動除去処理部１０３、水素濃度変換器３１、表示器３２からなる構成である。
【００５９】
そして、歪み測定部１（１０１）には、ＦＢＧ方式の水素感応光ファイバ６を接続している。ＦＢＧ方式の水素感応光ファイバ６は、光ファイバのコアにブラッグ格子と呼ばれる回折格子の加工を施し、ＦＢＧに生じる歪み量に応じて回折格子で反射する光の周波数が変化することを検出して歪み量を計測する方式である。ＦＢＧ部にパラジウムなどの水素感応物質を取り付けることで、水素感応光ファイバ６を構成する。
【００６０】
一方、歪み測定部２（１０２）には、歪み計測用光ファイバ７を接続している。歪み測定用光ファイバ７もＦＢＧ方式によるものとするが、歪み測定部２（１０２）が、これと異なる方式で歪み計測用光ファイバ７の歪みを検出する方式であれば、それによって歪みが検出できる方式とする。
【００６１】
歪み測定部１（１０１）及び歪み測定部２（１０２）では、図示しない光源から光信号を出力し、ＦＢＧで反射する光の周波数又は波長の変化に対応させて歪み量を測定する。歪み測定部１（１０１）及び歪み測定部２（１０２）から、それぞれの光ファイバに生じる歪み量を振動除去処理部１０３に送る。振動除去処理部１０３に送られる結果は、図５の(ａ)及び(ｂ)とほぼ同様であり、水素感応光ファイバ６で検出する歪み量には、水素濃度に応じて変化する成分のほか、振動によって変化する成分が含まれる。歪み計測用光ファイバ７では、振動によって変化する歪み量が測定でき、振動除去処理部１０３では、これらの結果を取得して差を演算することで、振動による歪み成分が除去されて水素濃度の変化に起因する歪み量のみが水素濃度変換器３１に送られる。水素濃度変換器３１では、歪み量を水素濃度に変換して表示器３２に出力すると共に、水素濃度表示装置３３に出力する。
【００６２】
次に、原子力プラントへの本発明に係る水素濃度計測装置の適用例について、図１０を用いて説明する。
【００６３】
原子力プラントにおいて、大きな事故が発生して水素が発生する可能性が高いのは、原子炉建屋３４内と格納容器３５内である。このため、原子炉建屋３４内の広い上部エリア３４Ａ内に、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を設置し、原子炉建屋３４内設置される格納容器３５内の上部にも水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を設置している。
【００６４】
格納容器３５内に収納されている原子炉圧力容器３６内にある燃料棒が破損し、燃料被覆金属のジルコニウムと水との反応により水素が発生し、水素は軽いために格納容器３５内や原子炉建屋内３４の上層部に溜るようになる。このようなプラント状態では、水素発生と共に、水蒸気、ヨウ素が発生する可能性が高い。しかも高温下となる。このため、原子炉建屋３４内や格納容器３５内の上層部に水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７を設置して、発生する水素の濃度を水素濃度計測装置２１Ａ（或いは２１Ｂ、２１Ｃ
）で検出することが重要になる。
【００６５】
水素濃度計測装置２１Ａ（或いは２１Ｂ、２１Ｃ）は、中央制御室３９に設置され、中央制御室３９で水素濃度を監視している。中央制御室３９で原子力プラントの運転状態、機器状態と共に水素濃度が監視可能になるために、運転員が原子力発電所の安全性を即座に理解することが可能となり、水素爆発防止のために窒素を充填したり、水素をパージしたりするための判断や操作が短時間で実行でき、そのような操作を実施した結果を即座に確認できるという効果がある。
【００６６】
中央制御室３９の運転監視システムの構成を図１１に示す。図１１に示す如く、運転監視システム５１は、操作盤４３、大画面表示装置４１、大画面可変情報表示装置４０、４２、制御装置４８、４９、プロセス計算機５０、水素濃度計測装置２１、当直用専用コンソール４５、各装置間のデータ伝送を行うネットワーク４７を備えている。
【００６７】
水素濃度計測装置２１Ａには、水素感応光ファイバ６と歪み計測用光ファイバ７が接続されるが、これについては図示していない。４４が運転員であり、４６が当直長である。当直長４６は運転員４４に対するスーパーバイザーである。大画面表示装置４１は、プラントの系統とそれに係わる機器の状態、主要パラメータ等が表示されており、プラント運転状態が容易にわかるようになっている。
【００６８】
運転員４４或は当直長４６の操作により、大画面可変情報表示装置４０、４２に水素濃度計測装置２１Ａで計測した水素濃度が表示される。建屋構成図に関連づけて水素濃度を表示することで、運転員４４や当直長４６、図示していないが保守員等に対して視認性が高くなるようにしている。
【００６９】
図１２に表示状態の詳細を示すが、具体的には、水素濃度計測装置２１Ａ（或いは２１Ｂ、２１Ｃ）によって計測される水素濃度を計測するエリアに対応させて原子炉建屋３４及び格納容器３５の建屋構成図上に水素濃度分布を表示し、かつ両エリアにおける最大水素濃度を示している。このように表示することで、建屋内の水素濃度分布とその最大水素濃度が容易に分かり、安全処置判断をタイムリーに行うことが可能になる。原子力プラント内には、機械振動(例えばクレーンなど)が発生したり、或いは地震によっても建屋全体が振動するため、このような場合でも、水素濃度を正確に測定することは非常に重要である。
【００７０】
本発明によれば、機械振動や地震によって発生しうる水素濃度の誤検出を抑制できるために発生する水素濃度を正しく検出、かつ、広範囲なエリアに対して水素濃度分布を計測することが可能であり、原子力発電所、水素スタンド建屋、水素を燃料とする車両やロケット等に適用し、その工業的価値は極めて高い。
【符号の説明】
【００７１】
１…水素感応層、２…コア、３…クラッド、４…樹脂、６…水素感応光ファイバ、７…歪み計測用光ファイバ、８…結束部、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…水素濃度計測装置、２３ａ、２３ｂ…ミラー、２４ａ、２４ｂ…光源、２５ａ、２５ｂ…駆動回路、２６ａ、２６ｂ…フィルタ、２７ａ、２７ｂ…光電変換器、２８ａ、２８ｂ…アンプ、２９ａ、２９ｂ…信号処理部、３１…水素濃度変換器、３２…表示器、３３…水素濃度表示装置、３４…原子炉建屋、３４Ａ…原子炉建屋の上部エリア、３５…格納容器、３５Ａ…圧力抑制室、３６…圧力容器、３９…中央制御室、４０、４２…大画面可変情報表示装置、４１…大画面表示装置、４３…操作盤、４４…運転員、４５…当直用専用コンソール、４６…当直長、４７…ネットワーク、４８、４９…制御装置、５０…プロセス計算機、５１…運転監視システム、１０１、１０２…歪み測定部、１０３…振動除去処理部、２０１…らせん状のワイヤ、２０２…メッシュ状のシート。
【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】
2013140114.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013140114.tif 000011
【図１０】
2013140114.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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