超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計
【課題】
ＳＮ比良好でかつ演算処理量が比較的少ない超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計を提供する。
【解決手段】
流体が通過する原子炉圧力容器３の表面に複数の超音波送受信ユニット１０を設置し、超音波送受信制御器２０１で超音波を流体中へ伝播させるタイミングを制御し、クロススペクトル演算器２０４により流体中を伝播した超音波を上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、時間差演算器２０６により算出されたクロススペクトルから２信号の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、該抽出された前記係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記流体の流速を算出する。
ＳＮ比良好でかつ演算処理量が比較的少ない超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計を提供する。
【解決手段】
流体が通過する原子炉圧力容器３の表面に複数の超音波送受信ユニット１０を設置し、超音波送受信制御器２０１で超音波を流体中へ伝播させるタイミングを制御し、クロススペクトル演算器２０４により流体中を伝播した超音波を上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、時間差演算器２０６により算出されたクロススペクトルから２信号の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、該抽出された前記係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記流体の流速を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を使った流体の流速測定結果から流量を求める超音波流量計において、アナログの超音波信号をディジタル変換して、流速に依存して変化する超音波信号の到達時間差を精度良く測定でき、原子炉圧力容器内の炉心流量を測定するのに好適な超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子炉内の炉心流量測定方法として、〔特許文献１〕，〔特許文献２〕で開示されるように、超音波による流量測定方法が提案されている。いずれの従来技術も、原子炉圧力容器の外周に超音波トランスデューサを配置し、炉心に導かれる流体の流速を複数点で測定して、流量に換算している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２９７９２号公報
【特許文献２】特許３８１３３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波流量計を用いて原子炉圧力容器の外周から炉心に導かれる流体の流速を測定する場合、超音波の伝播距離が長くなるため超音波がより減衰すること、測定流体が２８０℃を超える高温のため、常温用に比べて低感度の耐高温用の超音波トランスデューサの使用が必要なこと、圧力容器壁と超音波トランスデューサ間には常温用に比べて超音波透過率が劣る高温用カプラントの使用が必要など、常温用の超音波流量計に比べて多くの感度劣化要因が存在する。さらに、冷却材中には気泡がわずかに存在する場合もあり、これも感度劣化の要因となる。
【０００５】
このように、原子炉の炉心流量計に超音波流量計を適用する場合、常温用の超音波流量計に比べて超音波信号の送受信感度が低いため、超音波の到達時間差を精度良く測定することが課題となっている。
【０００６】
本発明の目的は、信号処理の演算処理量を減らすことができ、超音波の到達時間差の測定精度が向上できる超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計を提供することにある。
【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、本発明の超音波炉心流量測定装置は、ダウンカマ部の圧力容器の外側の複数箇所に設置された超音波送受信ユニットにより検出されたダウンカマを通過する流体の上流受信信号と下流側受信信号を入力して上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、クロススペクトルから２信号の相互相関波形を算出するための係数を抽出し、係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出してダウンカマ部の流速を算出する超音波流量計と、超音波流量計により算出された複数位置の流速から前記ダウンカマ部の流路断面積，流量補正係数を用いて炉心流量を算出する炉心流量演算器を備えたものである。
【０００８】
又、超音波流量計は、上流側及び下流側の超音波トランスデューサに検出される通過する流体の上流側受信信号と下流側受信信号を入力して、上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、クロススペクトルから２信号の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、この係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記流体の流速を算出するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原子炉炉心流量測定に超音波流量計を適用した場合に、超音波送受信感度が低いという問題を、信号処理により解決でき、従来技術で問題となっている信号処理の演算処理量を減らすことができる。又、超音波の到達時間差の測定精度が向上できるため、超音波流量計の性能向上の効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の各実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１を図１から図６により説明する。図１は、本実施例のＡＢＷＲプラントの超音波炉心流量測定装置の設置状態を示す縦断面図である。
【００１２】
図１に示すように、圧力容器３内の中央部の下方側には炉心６が設けられ、炉心６の外側に設けられたシュラウド２と圧力容器３との間に円環状の空間領域であるダウンカマ４が形成されている。ダウンカマ４の下部にはインターナルポンプ５が設置されている。炉心６の上部には上部プレナム７が設置され、上部プレナム７の上部には汽水分離器８が設置されている。
【００１３】
ダウンカマ４部分の圧力容器３の外側には、周方向の複数箇所に超音波送受信ユニット１０が設けられ、超音波送受信ユニット１０には超音波流量計２０が接続され、各超音波流量計２０は炉心流量演算器１に接続されている。
【００１４】
炉心６で発生した熱は、炉心６の下方から上方に向かって流れる冷却材（冷却水）に伝えられる。冷却材は、上部プレナム７，汽水分離器８を通り、乾燥した蒸気となり、汽水分離器の上の圧力容器３の壁に設けられた主蒸気ノズル（図示していない）を通って、圧力容器３外のタービン（図示していない）に導かれる。
【００１５】
ダウンカマ４には、汽水分離器８で蒸気から分離された冷却材が流れ落ちる。また、上部プレナムと汽水分離器８の間の圧力容器３の間に設置されている給水ノズル（図示していない）から供給される冷却材も、ダウンカマ４を通って、汽水分離器８で分離された冷却材と共に複数のインターナルポンプ５により、炉心６に送り込まれる。
【００１６】
圧力容器３の外壁に設置してあるダウンカマ４の流速を測定するための超音波送受信ユニット１０の出力として得られるダウンカマ４の流速を、超音波流量計２０で流量に変換する。各超音波送受信ユニット１０で測定した流量は、超音波送受信ユニット１０を設置した位置におけるダウンカマ４の流量であり、ダウンカマ４の全周を流れる総流量、すなわち炉心流量は、圧力容器３の外壁に設置した複数の超音波送受信ユニット１０および超音波流量計２０により得た流量を基に炉心流量演算器１で算出する。
【００１７】
図２は、流速検出部分である超音波送受信ユニット１０と超音波流量計２０の配置を示した図である。圧力容器３の周囲に複数の超音波送受信ユニット１０ａ〜１０ｈを配置してある。図２で示したように、圧力容器３の複数の位置で流量を測定することで、周方向の流速分布の変化を考慮している。
【００１８】
図３は、流速検出部分である超音波送受信ユニット１０と超音波流量計２０の縦方向の取付け位置を示した図である。圧力容器３の壁に超音波送受信ユニット１０を配置し、２つの超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂを圧力容器３に取付けている。超音波の伝播経路を図３に太い矢印で示しているように、超音波トランスデューサ１１ａから斜めにダウンカマ４中の冷却材に伝播させた超音波は、シュラウド２で反射して超音波トランスデューサ１１ｂで受信される。
【００１９】
超音波流量計２０は、超音波の送受信のタイミングを制御する超音波送受信制御器２０１，上流側，下流側超音波到達信号をそれぞれＡＤ変換する上流側ＡＤ変換器２０３，下流側ＡＤ変換器２０２，クロススペクトル演算器２０４，解析式係数抽出器２０５，時間差演算器２０６，流量演算器２０７からなる。超音波流量計２０の流量演算結果は、炉心流量演算器１に入力され、炉心流量が演算される。
【００２０】
本実施例の流速検出部分では、伝搬時間差法を用いて流速を検出する。冷却材は、図３に示すように、上方から下方に流れている。流れの速さにより超音波の伝播時間は変化する。
【００２１】
超音波送受信ユニット１０は、送受信兼用の超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂを有し、矢印に示す方向に超音波を伝播させるため、超音波送受信用の振動子をくさび材を介して配置してある。超音波は、圧力容器３を通り、冷却材の流れに対し、角度θで伝播する。図３に示すように、θは、圧力容器３内面の法線と超音波の伝播経路とのなす角度である。流速測定に際しては、超音波を、流れの上流側，下流側に交互に伝播させる。上流側と下流測への到達時間差Δｔとすると、冷却材の流速Ｖは、数１で表わされる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
ここで、Ｃは冷却材の音速、Ｌはダウンカマ４の幅、すなわち圧力容器３の内壁とシュラウド２の間の距離である。
【００２４】
ダウンカマ４における冷却材の流速は分布を有している。冷却材の流速Ｖをダウンカマ４の位置ｘの関数として、Ｖ（ｘ）と表す。超音波で測定した流速Ｖは、数２となる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
すなわち、超音波の伝播経路上のＶ（ｘ）の平均値である線平均流速とている。この線平均流速から、炉心流量を演算する手順について、以下に示す。流速測定点ｎの流量をＱｎとすると、数３となる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
ここで、Ｋ1nは軸方向の流量補正係数であり、Ｖｎは線平均流速、Ａは流路断面積である。
【００２９】
各流速測定点の流量から炉心流量Ｑ0を数４で演算する。
【００３０】
【数４】
【００３１】
ここで、Ｋ2nは、径方向の流量補正係数である。Ｋ1n，Ｋ2nは、実験，計算などを通じて、あらかじめ算出した値を使用している。
【００３２】
次に、超音波流量計２０について説明する。図３において、超音波送受信制御器２０１は、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂに超音波発生のための電気信号を送出し、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂで検出した信号を増幅する。また、上流側，下流側に交互に超音波を送出するためのタイミングを制御している。
【００３３】
同じ構成の上流側ＡＤ変換器２０３，下流側ＡＤ変換器２０２は、上流および下流の超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂで受信した超音波信号それぞれをディジタルに変換する。
【００３４】
クロススペクトル演算器２０４は、上流，下流の受信超音波信号が揃った時点で、クロススペクトルを演算する。クロススペクトルは、上流，下流の２信号をそれぞれＦＦＴ（フーリエ変換）し、その複素乗算により求めることができる。クロススペクトルは、各周波数成分毎の実数と虚数成分からなる。なお、上流，下流の信号系列にあらかじめ設定した個数のゼロのデータを付加できるようにして、時間軸上で演算した相互相関波形と同じになるようにしている。
【００３５】
本実施例では、ＳＮ比（信号対雑音比）を向上することによって感度を上げる方法をとる。雑音には、連続して混入するものと突発的に混入するものがある。フィルタリングにより連続して混入する雑音と突発的に生じる雑音を抑制し、受信した超音波信号の到達時間を相互相関波形の最大ピーク到達時間として捉える。突発性の雑音は、振幅は大きいが、信号系列全体でみるとそのパワは必ずしも大きくないので、相互相関波形に与える突発性雑音の影響は小さいことが多い。特に、相関処理をするうちの両信号に混入する突発性雑音波形に類似性がなければ、相互相関波形に突発性雑音の影響はほとんど表れない。通常、相互相関法を適用する場合、演算量が多いという欠点があるが、本実施例ではこの点の克服を図っている。
【００３６】
解析式係数抽出器２０５は、求めたクロススペクトルから、実際に超音波信号として冷却材中を伝播していると思われる周波数成分の実数と虚数成分を選択して相互相関波形推定のための解析式の係数を抽出する。
【００３７】
本実施例においては、実際に超音波信号として冷却材中を伝播していると思われる周波数成分として、クロススペクトルの振幅の絶対値があらかじめ設定した設定値よりも大きな周波数成分を抽出する。具体的には、振幅の絶対値が設定値よりも大きな周波数とその絶対値と位相を記憶することになる。
【００３８】
上記したように、係数の抽出は信号のうちの必要な周波数成分の選択の側面もあり、この点で受信超音波信号のＳＮ比を向上させる。また、クロススペクトルからの係数抽出はアナログフィルタに比べて急峻な周波数の選択性があるので、有効にノイズ除去が可能となる。
【００３９】
図４に、クロススペクトルの分布の例を示す。横軸が対数軸で示した周波数、縦軸が対数で示した振幅の絶対値である。点線の部分が超音波信号として冷却材中を伝播している周波数成分である。周波数，絶対値の振幅ともに対数表示としてある。解析式算出に用いる周波数部分を太線の矢印で示してある。多数のクロススペクトルデータの一部を抽出していることがわかる。
【００４０】
図５は、解析式係数抽出器２０５の内部動作であり、クロススペクトルから振幅の大きい周波数成分の振幅と位相を抽出する処理を示す。振幅として、クロススペクトルの絶対値で判定するようにして、最終的には係数表として保存する。
【００４１】
時間差演算器２０６は、時間差を演算するに必要な相互相関波形の値を数５により算出する。図４に示す矢印の範囲の抽出した絶対値Ａiと位相Φiを用いて数５を用いて相互相関波形Ｓ12r（ｔ）を計算する。
【００４２】
【数５】
【００４３】
ここで、ｉは選択した周波数のインデックス（番号）、ωiは角周波数、Ａiはクロススペクトルの実数および虚数項から算出した絶対値、Φiはクロススペクトルの実数および虚数項の逆正接として算出した位相である。
【００４４】
相互相関波形のピーク到達時間算出が容易にできるように相互相関波形のピーク到達時間にゼロクロスする関数として、相互相関波形の位相α（ｔ）を定義する。数５のＣＯＳをＳＩＮとしてＳ12i（ｔ）を数６で求める。
【００４５】
【数６】
【００４６】
位相α（ｔ）は数７で算出できる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
位相α（ｔ）は、±９０°の範囲で、時間に対して一次の関数となるので、２点の時間における位相の値を求めることで、ゼロクロス時間を求めることができる。
【００４９】
図６を用いて位相のゼロクロス時間、すなわち相互相関波形のピーク到達時間算出方法を具体的に説明する。横軸は、遅れ時間であり、相互相関演算の場合に上流，下流の２信号間の時間軸をずらせた量に相当する。実線は、遅れ時間を与えて数５により算出した相互相関波形、破線は遅れ時間を与えて数７により算出した位相である。流速により変化する上流，下流の受信信号の到達時間差は、測定体系と流速測定範囲から予め知ることができるので、相互相関波形のピークが存在すると予想される遅れ時間の前後に図示するようにｔ1，ｔ2を設定し、設定した遅れ時間に応じた位相α1，α2を数７を用いて算出する。
位相αを一次式で示すと、数８となる。
【００５０】
【数８】
【００５１】
ここで、ａは位相の傾き、αbはいわゆる切片である。Ａおよびαbは、数９，数１０，数１１で計算できる値である。
【００５２】
【数９】
【００５３】
【数１０】
【００５４】
【数１１】
【００５５】
以上示したように、設定した遅れ時間と得られた位相を用いれば、ゼロクロス遅れ時間ｔ０を算出できる。図６では、説明のために多くの遅れ時間で相互相関波形の値と位相の値を計算した例を示してあるが、本実施例では、２点の遅れ時間における位相の値を算出することにより、相互相関の最大ピークの遅れ時間を知ることができる。
【００５６】
流量演算器２０７は、前述の数１により時間差Δｔから流速を求め、数３を用いて流速から流量を算出する。流量補正係数は、実験および計算などにより予め算出しており、流路断面積は設計図や実測等により得た値を用いる。
【００５７】
炉心流量演算器１は、複数点で測定した流量演算器２０７の測定結果を用いて、上述の数４により原子炉の炉心流量を算出する。径方向の流量補正係数は、実験，計算などを通じて、予め算出した値を使用している。
【００５８】
以上説明したように、本実施例においては、クロススペクトルから解析式係数の抽出に際し、クロススペクトルの振幅が設定値以上の周波数成分を抽出している。原子力などの電力機器が多く設置されているプラントにおいては、大きなノイズが混入する場合がある。このような場合は、本実施例で示したクロススペクトルの振幅が設定値以上とする係数抽出法は、ノイズ除去に有効でない場合がある。そのような場合は、予め係数抽出する周波数を設定しておき、クロススペクトルの振幅によらない係数抽出法の方がノイズ除去に効果があり、本実施例においても、予め係数抽出のための周波数を決めて運用することができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施例では、流速測定対象の流体中を上流，下流に伝播させた超音波信号をそれぞれＦＦＴ（高速フーリエ変換）し、一方の変換信号の複素共役信号を生成し、その積をとることでクロススペクトルを求め、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、この係数を用いて予め設定した複数点の時間における相互相関値を算出し、相互相関値を用いて相関のピーク到達時間を決定する。相互相関のピーク時間は伝播時間測定対象の２信号の時間差であり、この時間差を用いて流速，流量を算出する。
【００６０】
このように、相互相関をクロススペクトルとして周波数領域上で計算することで直接時間軸上の相互相関を計算するよりも演算量を減らせることができ、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形を算出するための係数の抽出は、雑音成分を取り除きＳＮ比を向上し、不要な周波数成分の演算を削減することができ、抽出した係数から相互相関を演算するため、ＦＦＴ，ＩＦＦＴを適用する場合に比べて演算数が限定できるので、演算量を削減することができる。
【００６１】
又、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形の再現に必要な係数を抽出する場合、振幅が予め設定した値を超える周波数成分を抽出するようにしているので、発生超音波のうち支配的な成分すなわちＳＮ比良好な成分のみ抽出する作用が得られる。
【００６２】
又、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形の再現に必要な係数を抽出する場合、あらかじめ定めた周波数の振幅と位相に関する係数を抽出するようにすることにより、雑音の振幅が超音波の振幅と大きな差がない程度に大きい場合でも、あらかじめ定めたＳＮ比良好な周波数成分のみを抽出する作用が得られる。
【００６３】
又、相互相関値のピーク到達時間の決定において、予め抽出した係数を用いて相互相関値（余弦成分）と正弦成分の両方を算出して、これらの値の逆正接から位相を算出し、２点の時間における位相から正確なゼロクロス時間を内挿もしくは外挿で算出しているので、ＦＦＴ，ＩＦＦＴを適用し、相互相関波形全体を計算して、さらに高次の関数でフィッティングする場合に比べて演算量がすくなく精度の良い時間差検出が可能となる。
【００６４】
又、相互相関波形のピーク到達時間を算出し、複数の位相のゼロクロス点を探査して、探査により得られたそれぞれのゼロクロス点における相互相関の値を算出し、算出した相互相関の値を比較して最大値が存在する位相のゼロクロス点を決定し、ゼロクロス点近傍の位相から正確なゼロクロス時間を決定しているので、小数の位相の値および相互相関値の算出で、ゼロクロス時間すなわち相互相関の最大ピーク到達時間を得ることができるので、演算量を削減できる効果がある。
【実施例２】
【００６５】
本発明の実施例２を図７から図１１により説明する。実施例１では、時間差演算器２０６は、流速変化が位相換算で±９０°相当の比較的狭い流速変化範囲を対象としていた。
本実施例は、流速変化が位相換算で±３６０°相当とする場合の時間差演算方式である。
時間差演算器２０６の内部処理が実施例１と違っているので、以下、時間差演算器２０６の内部処理について説明する。
【００６６】
図７は、流速０における相互相関波形と位相を計算した結果を示す。相互相関演算時の２信号間の遅れ時間を横軸に、縦軸は相互相関の値と、位相の値をとってある。流速０％では、最大ピークは遅れ時間０で発生する。図８，図９，図１０は、それぞれ流速２５％，５０％，１００％の場合の相互相関波形と位相を示している。相互相関の最大ピーク位置が流速によってシフトしていることがわかる。前述したように、本実施例においては、流速測定における上流，下流の到達時間差の確定において、相互相関，位相の算出回数を極力少なくして演算量を減らすため、相互相関の最大ピークの遅れ時間を見出し、最大ピーク近傍の位相の時間変化から正確な位相のゼロクロス時間を求めるようにしている。
【００６７】
図１１に到達時間差を確定する手順についてフローチャートで示す。流れがダウンカマ４の上方から下方に向かう一方向性の流れの場合に、相互相関の最大ピークを見つけだせれば、図６で示したように最大ピーク周りの位相からゼロクロスの時間を正確に求めることができる。
【００６８】
相互相関の最大ピークを見つけるため、最初に、遅れ時間０における位相α1を解析式係数抽出器２０５で得た係数を用いて算出する。位相は直線的に変化し、超音波の主たる周波数も予め分っているので、位相α1が分ればゼロクロスの概略の時間ｔ2は推定できる。ここで、係数ａは、時間に対する位相変化の傾きである。
【００６９】
図７〜図１０の例では、ａ＝１であり、時間ｔ2における相互相関値Ａ2も前述の数５で計算できる。相互相関値Ａ2が正の場合、時間ｔ2から３６０°に相当する時間ずれた位置の時間ｔ3に相互相関のピークが存在する。時間ｔ2，時間ｔ3どちらの時間のピークが最大かを比較して、最大ピーク時間ｔ5とする。
【００７０】
一方、相互相関値Ａ2が負の場合、図９からわかるように相互相関のピークは位相換算で１８０°ずれた位置にある。相互相関値Ａ2が負の場合で遅れ時間が位相換算で３６０°以上ずれない条件では、時間ｔ2から１８０°ずれた隣接するピークが最大ピークとなるので、最大ピーク到達時間ｔ5を時間ｔ2から１８０°ずれた位置とする。以上の処理により、相互相関の最大ピークのおおよその時間ｔ5を特定することができる。
【００７１】
次に、時間ｔ5の前後４５°相当の時間における位相を数７で算出し、図６で示した方法と同様に、正確なピーク到達時間を算出する。本実施例では時間ｔ5の前後４５°相当としたが、位相が±９０°を超えない範囲で他の値の設定も可能である。
【００７２】
このように、本実施例によれば、３６０°に相当する時間変化を伴う比較的広い流速範囲の測定が可能となる。また、同様の考え方で、さらに流速測定範囲を拡大することも可能である。
【実施例３】
【００７３】
本発明の実施例３について、図１２により説明する。実施例１，２はともに流れの方向は一方向の場合について説明した。しかし、原子炉の特殊な運転状態では、ダウンカマの一部で逆流が生じる場合がありうる。例えば、一部のポンプが固着することで、そのポンプ近くの流れが逆流する場合である。実施例２と同様に、実施例１との違いは、時間差演算器２０６の内部処理である。
【００７４】
本実施例の時間差演算器２０６の処理内容について図１２により説明する。実施例２との違いは、最大ピークの位置が負側にも移動するため、負側に移動することも考慮する必要がある点である。
【００７５】
図１２において，相互相関値Ａ2が負かどうかの判断の部分までは、図１１と同じ処理になっている。相互相関値Ａ2が負でない場合、時間ｔ2前後の位相±３６０°相当の時間の相互相関のピークを算出し、その振幅を比較することで最大ピークに到達する大よその時間ｔ5を求める。一方、相互相関値Ａ2が負の場合、時間ｔ2前後の位相±１８０°相当の時間の相互相関のピークを算出し、その振幅を比較することで最大ピークに到達する大よその時間ｔ5を求める。時間ｔ5がわかれば、実施例２の図６に示した方法と同様に正確な相互相関の最大ピーク到達時間を正確に求める。このように、本実施例によれば、正，逆両方の流れを測定できるようになる。
【００７６】
上述した各実施例で説明した相互相関波形の位相を用いてゼロクロス時間を求める方法は、位相が一次式で変化することからサンプリング周波数を荒くしても精度よく時間差を求められる利点がある。これにより、ＡＤ変換器を高速で高価なものでなくともよく、解析式により相互相関波形や位相を計算できる方法としたため、任意の遅れ時間で相互相関値や位相を算出できる。
【００７７】
上述した各実施例によれば、ゼロクロス時間の推定に際してゼロクロス時間を中心として４５°相当の時間間隔離れた２点の位相を算出して、ゼロクロス時間を推定した。使用する演算装置は演算語長に制限があるので、そのような場合は、例えば６０°相当の時間間隔をあけて位相を求めることも可能となる。これにより、ゼロクロス推定に２倍のデータを用いることが可能になり演算精度が向上する。この点で解析式により相互相関波形や位相を計算できる方式はゼロクロス時間精度向上に寄与する。
【００７８】
上述した各実施例によれば、上流，下流の２信号の相互相関を取っている。超音波流量計は、本質的には上流だけ、下流だけの超音波の伝播時間を測定できれば流速の測定、すなわち流量の測定は可能である。例えば、上流もしくは下流の超音波受信信号と、超音波発生に用いる電気パルス（超音波トランスデューサ１１ａもしくは１１ｂへの印加信号）の相互相関を取ることで、各実施例の適用は可能である。また、予め、超音波受信波形を記憶しておき、上流もしくは下流の超音波受信信号と、この電気パルス発生タイミングに応じて記憶信号を取出し、その相関を取ることで各実施例の適用は可能である。
【００７９】
各実施例の超音波流量計は、既存の原子炉の炉心流量計としての適用の他に、本発明の流量計では炉壁の外部に超音波トランスデューサを設置するため圧損がないので、流量計を設置することで圧損が増えることが問題となる自然循環型の原子炉への適用が有効である。圧損を生じないため、本体の設計変更無しで熱交換器など容器壁に沿う流れを伴う流体の流量測定にも適用可能である。また、信号処理量が低減されて経済性もあり、一般的な超音波流量測定系にも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施例１であるＡＢＷＲプラントの超音波炉心流量測定装置の構成図。
【図２】本実施例の超音波炉心流量測定装置の周方向における配置を示す横断面図。
【図３】超音波送受信ユニットおよび超音波流量計の構成図。
【図４】クロススペクトルの例と、解析式係数抽出周波数範囲の例を示す図。
【図５】解析式係数抽出器内部動作を示すフローチャート。
【図６】ゼロクロス時間算出方法の説明図。
【図７】遅れ時間に対する流速０％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図８】遅れ時間に対する流速２５％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図９】遅れ時間に対する流速５０％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図１０】遅れ時間に対する流速１００％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図１１】本発明に実施例２の時間差演算器の内部動作を示すフローチャート。
【図１２】本発明の実施例３の時間差演算器の内部動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００８１】
１ 炉心流量演算器
２ シュラウド
３ 圧力容器
４ ダウンカマ
５ インターナルポンプ
６ 炉心
７ 上部プレナム
８ 汽水分離器
１０ 超音波送受信ユニット
１１ａ，１１ｂ 超音波トランスデューサ
２０ 超音波流量計
２０１ 超音波送受信制御器
２０２ 下流側ＡＤ変換器
２０３ 上流側ＡＤ変換器
２０４ クロススペクトル演算器
２０５ 解析式係数抽出器
２０６ 時間差演算器
２０７ 流量演算器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を使った流体の流速測定結果から流量を求める超音波流量計において、アナログの超音波信号をディジタル変換して、流速に依存して変化する超音波信号の到達時間差を精度良く測定でき、原子炉圧力容器内の炉心流量を測定するのに好適な超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子炉内の炉心流量測定方法として、〔特許文献１〕，〔特許文献２〕で開示されるように、超音波による流量測定方法が提案されている。いずれの従来技術も、原子炉圧力容器の外周に超音波トランスデューサを配置し、炉心に導かれる流体の流速を複数点で測定して、流量に換算している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３２９７９２号公報
【特許文献２】特許３８１３３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波流量計を用いて原子炉圧力容器の外周から炉心に導かれる流体の流速を測定する場合、超音波の伝播距離が長くなるため超音波がより減衰すること、測定流体が２８０℃を超える高温のため、常温用に比べて低感度の耐高温用の超音波トランスデューサの使用が必要なこと、圧力容器壁と超音波トランスデューサ間には常温用に比べて超音波透過率が劣る高温用カプラントの使用が必要など、常温用の超音波流量計に比べて多くの感度劣化要因が存在する。さらに、冷却材中には気泡がわずかに存在する場合もあり、これも感度劣化の要因となる。
【０００５】
このように、原子炉の炉心流量計に超音波流量計を適用する場合、常温用の超音波流量計に比べて超音波信号の送受信感度が低いため、超音波の到達時間差を精度良く測定することが課題となっている。
【０００６】
本発明の目的は、信号処理の演算処理量を減らすことができ、超音波の到達時間差の測定精度が向上できる超音波炉心流量測定装置及び超音波流量計を提供することにある。
【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、本発明の超音波炉心流量測定装置は、ダウンカマ部の圧力容器の外側の複数箇所に設置された超音波送受信ユニットにより検出されたダウンカマを通過する流体の上流受信信号と下流側受信信号を入力して上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、クロススペクトルから２信号の相互相関波形を算出するための係数を抽出し、係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出してダウンカマ部の流速を算出する超音波流量計と、超音波流量計により算出された複数位置の流速から前記ダウンカマ部の流路断面積，流量補正係数を用いて炉心流量を算出する炉心流量演算器を備えたものである。
【０００８】
又、超音波流量計は、上流側及び下流側の超音波トランスデューサに検出される通過する流体の上流側受信信号と下流側受信信号を入力して、上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、クロススペクトルから２信号の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、この係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記流体の流速を算出するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原子炉炉心流量測定に超音波流量計を適用した場合に、超音波送受信感度が低いという問題を、信号処理により解決でき、従来技術で問題となっている信号処理の演算処理量を減らすことができる。又、超音波の到達時間差の測定精度が向上できるため、超音波流量計の性能向上の効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の各実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１を図１から図６により説明する。図１は、本実施例のＡＢＷＲプラントの超音波炉心流量測定装置の設置状態を示す縦断面図である。
【００１２】
図１に示すように、圧力容器３内の中央部の下方側には炉心６が設けられ、炉心６の外側に設けられたシュラウド２と圧力容器３との間に円環状の空間領域であるダウンカマ４が形成されている。ダウンカマ４の下部にはインターナルポンプ５が設置されている。炉心６の上部には上部プレナム７が設置され、上部プレナム７の上部には汽水分離器８が設置されている。
【００１３】
ダウンカマ４部分の圧力容器３の外側には、周方向の複数箇所に超音波送受信ユニット１０が設けられ、超音波送受信ユニット１０には超音波流量計２０が接続され、各超音波流量計２０は炉心流量演算器１に接続されている。
【００１４】
炉心６で発生した熱は、炉心６の下方から上方に向かって流れる冷却材（冷却水）に伝えられる。冷却材は、上部プレナム７，汽水分離器８を通り、乾燥した蒸気となり、汽水分離器の上の圧力容器３の壁に設けられた主蒸気ノズル（図示していない）を通って、圧力容器３外のタービン（図示していない）に導かれる。
【００１５】
ダウンカマ４には、汽水分離器８で蒸気から分離された冷却材が流れ落ちる。また、上部プレナムと汽水分離器８の間の圧力容器３の間に設置されている給水ノズル（図示していない）から供給される冷却材も、ダウンカマ４を通って、汽水分離器８で分離された冷却材と共に複数のインターナルポンプ５により、炉心６に送り込まれる。
【００１６】
圧力容器３の外壁に設置してあるダウンカマ４の流速を測定するための超音波送受信ユニット１０の出力として得られるダウンカマ４の流速を、超音波流量計２０で流量に変換する。各超音波送受信ユニット１０で測定した流量は、超音波送受信ユニット１０を設置した位置におけるダウンカマ４の流量であり、ダウンカマ４の全周を流れる総流量、すなわち炉心流量は、圧力容器３の外壁に設置した複数の超音波送受信ユニット１０および超音波流量計２０により得た流量を基に炉心流量演算器１で算出する。
【００１７】
図２は、流速検出部分である超音波送受信ユニット１０と超音波流量計２０の配置を示した図である。圧力容器３の周囲に複数の超音波送受信ユニット１０ａ〜１０ｈを配置してある。図２で示したように、圧力容器３の複数の位置で流量を測定することで、周方向の流速分布の変化を考慮している。
【００１８】
図３は、流速検出部分である超音波送受信ユニット１０と超音波流量計２０の縦方向の取付け位置を示した図である。圧力容器３の壁に超音波送受信ユニット１０を配置し、２つの超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂを圧力容器３に取付けている。超音波の伝播経路を図３に太い矢印で示しているように、超音波トランスデューサ１１ａから斜めにダウンカマ４中の冷却材に伝播させた超音波は、シュラウド２で反射して超音波トランスデューサ１１ｂで受信される。
【００１９】
超音波流量計２０は、超音波の送受信のタイミングを制御する超音波送受信制御器２０１，上流側，下流側超音波到達信号をそれぞれＡＤ変換する上流側ＡＤ変換器２０３，下流側ＡＤ変換器２０２，クロススペクトル演算器２０４，解析式係数抽出器２０５，時間差演算器２０６，流量演算器２０７からなる。超音波流量計２０の流量演算結果は、炉心流量演算器１に入力され、炉心流量が演算される。
【００２０】
本実施例の流速検出部分では、伝搬時間差法を用いて流速を検出する。冷却材は、図３に示すように、上方から下方に流れている。流れの速さにより超音波の伝播時間は変化する。
【００２１】
超音波送受信ユニット１０は、送受信兼用の超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂを有し、矢印に示す方向に超音波を伝播させるため、超音波送受信用の振動子をくさび材を介して配置してある。超音波は、圧力容器３を通り、冷却材の流れに対し、角度θで伝播する。図３に示すように、θは、圧力容器３内面の法線と超音波の伝播経路とのなす角度である。流速測定に際しては、超音波を、流れの上流側，下流側に交互に伝播させる。上流側と下流測への到達時間差Δｔとすると、冷却材の流速Ｖは、数１で表わされる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
ここで、Ｃは冷却材の音速、Ｌはダウンカマ４の幅、すなわち圧力容器３の内壁とシュラウド２の間の距離である。
【００２４】
ダウンカマ４における冷却材の流速は分布を有している。冷却材の流速Ｖをダウンカマ４の位置ｘの関数として、Ｖ（ｘ）と表す。超音波で測定した流速Ｖは、数２となる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
すなわち、超音波の伝播経路上のＶ（ｘ）の平均値である線平均流速とている。この線平均流速から、炉心流量を演算する手順について、以下に示す。流速測定点ｎの流量をＱｎとすると、数３となる。
【００２７】
【数３】
【００２８】
ここで、Ｋ1nは軸方向の流量補正係数であり、Ｖｎは線平均流速、Ａは流路断面積である。
【００２９】
各流速測定点の流量から炉心流量Ｑ0を数４で演算する。
【００３０】
【数４】
【００３１】
ここで、Ｋ2nは、径方向の流量補正係数である。Ｋ1n，Ｋ2nは、実験，計算などを通じて、あらかじめ算出した値を使用している。
【００３２】
次に、超音波流量計２０について説明する。図３において、超音波送受信制御器２０１は、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂに超音波発生のための電気信号を送出し、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂで検出した信号を増幅する。また、上流側，下流側に交互に超音波を送出するためのタイミングを制御している。
【００３３】
同じ構成の上流側ＡＤ変換器２０３，下流側ＡＤ変換器２０２は、上流および下流の超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂで受信した超音波信号それぞれをディジタルに変換する。
【００３４】
クロススペクトル演算器２０４は、上流，下流の受信超音波信号が揃った時点で、クロススペクトルを演算する。クロススペクトルは、上流，下流の２信号をそれぞれＦＦＴ（フーリエ変換）し、その複素乗算により求めることができる。クロススペクトルは、各周波数成分毎の実数と虚数成分からなる。なお、上流，下流の信号系列にあらかじめ設定した個数のゼロのデータを付加できるようにして、時間軸上で演算した相互相関波形と同じになるようにしている。
【００３５】
本実施例では、ＳＮ比（信号対雑音比）を向上することによって感度を上げる方法をとる。雑音には、連続して混入するものと突発的に混入するものがある。フィルタリングにより連続して混入する雑音と突発的に生じる雑音を抑制し、受信した超音波信号の到達時間を相互相関波形の最大ピーク到達時間として捉える。突発性の雑音は、振幅は大きいが、信号系列全体でみるとそのパワは必ずしも大きくないので、相互相関波形に与える突発性雑音の影響は小さいことが多い。特に、相関処理をするうちの両信号に混入する突発性雑音波形に類似性がなければ、相互相関波形に突発性雑音の影響はほとんど表れない。通常、相互相関法を適用する場合、演算量が多いという欠点があるが、本実施例ではこの点の克服を図っている。
【００３６】
解析式係数抽出器２０５は、求めたクロススペクトルから、実際に超音波信号として冷却材中を伝播していると思われる周波数成分の実数と虚数成分を選択して相互相関波形推定のための解析式の係数を抽出する。
【００３７】
本実施例においては、実際に超音波信号として冷却材中を伝播していると思われる周波数成分として、クロススペクトルの振幅の絶対値があらかじめ設定した設定値よりも大きな周波数成分を抽出する。具体的には、振幅の絶対値が設定値よりも大きな周波数とその絶対値と位相を記憶することになる。
【００３８】
上記したように、係数の抽出は信号のうちの必要な周波数成分の選択の側面もあり、この点で受信超音波信号のＳＮ比を向上させる。また、クロススペクトルからの係数抽出はアナログフィルタに比べて急峻な周波数の選択性があるので、有効にノイズ除去が可能となる。
【００３９】
図４に、クロススペクトルの分布の例を示す。横軸が対数軸で示した周波数、縦軸が対数で示した振幅の絶対値である。点線の部分が超音波信号として冷却材中を伝播している周波数成分である。周波数，絶対値の振幅ともに対数表示としてある。解析式算出に用いる周波数部分を太線の矢印で示してある。多数のクロススペクトルデータの一部を抽出していることがわかる。
【００４０】
図５は、解析式係数抽出器２０５の内部動作であり、クロススペクトルから振幅の大きい周波数成分の振幅と位相を抽出する処理を示す。振幅として、クロススペクトルの絶対値で判定するようにして、最終的には係数表として保存する。
【００４１】
時間差演算器２０６は、時間差を演算するに必要な相互相関波形の値を数５により算出する。図４に示す矢印の範囲の抽出した絶対値Ａiと位相Φiを用いて数５を用いて相互相関波形Ｓ12r（ｔ）を計算する。
【００４２】
【数５】
【００４３】
ここで、ｉは選択した周波数のインデックス（番号）、ωiは角周波数、Ａiはクロススペクトルの実数および虚数項から算出した絶対値、Φiはクロススペクトルの実数および虚数項の逆正接として算出した位相である。
【００４４】
相互相関波形のピーク到達時間算出が容易にできるように相互相関波形のピーク到達時間にゼロクロスする関数として、相互相関波形の位相α（ｔ）を定義する。数５のＣＯＳをＳＩＮとしてＳ12i（ｔ）を数６で求める。
【００４５】
【数６】
【００４６】
位相α（ｔ）は数７で算出できる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
位相α（ｔ）は、±９０°の範囲で、時間に対して一次の関数となるので、２点の時間における位相の値を求めることで、ゼロクロス時間を求めることができる。
【００４９】
図６を用いて位相のゼロクロス時間、すなわち相互相関波形のピーク到達時間算出方法を具体的に説明する。横軸は、遅れ時間であり、相互相関演算の場合に上流，下流の２信号間の時間軸をずらせた量に相当する。実線は、遅れ時間を与えて数５により算出した相互相関波形、破線は遅れ時間を与えて数７により算出した位相である。流速により変化する上流，下流の受信信号の到達時間差は、測定体系と流速測定範囲から予め知ることができるので、相互相関波形のピークが存在すると予想される遅れ時間の前後に図示するようにｔ1，ｔ2を設定し、設定した遅れ時間に応じた位相α1，α2を数７を用いて算出する。
位相αを一次式で示すと、数８となる。
【００５０】
【数８】
【００５１】
ここで、ａは位相の傾き、αbはいわゆる切片である。Ａおよびαbは、数９，数１０，数１１で計算できる値である。
【００５２】
【数９】
【００５３】
【数１０】
【００５４】
【数１１】
【００５５】
以上示したように、設定した遅れ時間と得られた位相を用いれば、ゼロクロス遅れ時間ｔ０を算出できる。図６では、説明のために多くの遅れ時間で相互相関波形の値と位相の値を計算した例を示してあるが、本実施例では、２点の遅れ時間における位相の値を算出することにより、相互相関の最大ピークの遅れ時間を知ることができる。
【００５６】
流量演算器２０７は、前述の数１により時間差Δｔから流速を求め、数３を用いて流速から流量を算出する。流量補正係数は、実験および計算などにより予め算出しており、流路断面積は設計図や実測等により得た値を用いる。
【００５７】
炉心流量演算器１は、複数点で測定した流量演算器２０７の測定結果を用いて、上述の数４により原子炉の炉心流量を算出する。径方向の流量補正係数は、実験，計算などを通じて、予め算出した値を使用している。
【００５８】
以上説明したように、本実施例においては、クロススペクトルから解析式係数の抽出に際し、クロススペクトルの振幅が設定値以上の周波数成分を抽出している。原子力などの電力機器が多く設置されているプラントにおいては、大きなノイズが混入する場合がある。このような場合は、本実施例で示したクロススペクトルの振幅が設定値以上とする係数抽出法は、ノイズ除去に有効でない場合がある。そのような場合は、予め係数抽出する周波数を設定しておき、クロススペクトルの振幅によらない係数抽出法の方がノイズ除去に効果があり、本実施例においても、予め係数抽出のための周波数を決めて運用することができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施例では、流速測定対象の流体中を上流，下流に伝播させた超音波信号をそれぞれＦＦＴ（高速フーリエ変換）し、一方の変換信号の複素共役信号を生成し、その積をとることでクロススペクトルを求め、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、この係数を用いて予め設定した複数点の時間における相互相関値を算出し、相互相関値を用いて相関のピーク到達時間を決定する。相互相関のピーク時間は伝播時間測定対象の２信号の時間差であり、この時間差を用いて流速，流量を算出する。
【００６０】
このように、相互相関をクロススペクトルとして周波数領域上で計算することで直接時間軸上の相互相関を計算するよりも演算量を減らせることができ、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形を算出するための係数の抽出は、雑音成分を取り除きＳＮ比を向上し、不要な周波数成分の演算を削減することができ、抽出した係数から相互相関を演算するため、ＦＦＴ，ＩＦＦＴを適用する場合に比べて演算数が限定できるので、演算量を削減することができる。
【００６１】
又、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形の再現に必要な係数を抽出する場合、振幅が予め設定した値を超える周波数成分を抽出するようにしているので、発生超音波のうち支配的な成分すなわちＳＮ比良好な成分のみ抽出する作用が得られる。
【００６２】
又、クロススペクトルから時間軸上の相互相関波形の再現に必要な係数を抽出する場合、あらかじめ定めた周波数の振幅と位相に関する係数を抽出するようにすることにより、雑音の振幅が超音波の振幅と大きな差がない程度に大きい場合でも、あらかじめ定めたＳＮ比良好な周波数成分のみを抽出する作用が得られる。
【００６３】
又、相互相関値のピーク到達時間の決定において、予め抽出した係数を用いて相互相関値（余弦成分）と正弦成分の両方を算出して、これらの値の逆正接から位相を算出し、２点の時間における位相から正確なゼロクロス時間を内挿もしくは外挿で算出しているので、ＦＦＴ，ＩＦＦＴを適用し、相互相関波形全体を計算して、さらに高次の関数でフィッティングする場合に比べて演算量がすくなく精度の良い時間差検出が可能となる。
【００６４】
又、相互相関波形のピーク到達時間を算出し、複数の位相のゼロクロス点を探査して、探査により得られたそれぞれのゼロクロス点における相互相関の値を算出し、算出した相互相関の値を比較して最大値が存在する位相のゼロクロス点を決定し、ゼロクロス点近傍の位相から正確なゼロクロス時間を決定しているので、小数の位相の値および相互相関値の算出で、ゼロクロス時間すなわち相互相関の最大ピーク到達時間を得ることができるので、演算量を削減できる効果がある。
【実施例２】
【００６５】
本発明の実施例２を図７から図１１により説明する。実施例１では、時間差演算器２０６は、流速変化が位相換算で±９０°相当の比較的狭い流速変化範囲を対象としていた。
本実施例は、流速変化が位相換算で±３６０°相当とする場合の時間差演算方式である。
時間差演算器２０６の内部処理が実施例１と違っているので、以下、時間差演算器２０６の内部処理について説明する。
【００６６】
図７は、流速０における相互相関波形と位相を計算した結果を示す。相互相関演算時の２信号間の遅れ時間を横軸に、縦軸は相互相関の値と、位相の値をとってある。流速０％では、最大ピークは遅れ時間０で発生する。図８，図９，図１０は、それぞれ流速２５％，５０％，１００％の場合の相互相関波形と位相を示している。相互相関の最大ピーク位置が流速によってシフトしていることがわかる。前述したように、本実施例においては、流速測定における上流，下流の到達時間差の確定において、相互相関，位相の算出回数を極力少なくして演算量を減らすため、相互相関の最大ピークの遅れ時間を見出し、最大ピーク近傍の位相の時間変化から正確な位相のゼロクロス時間を求めるようにしている。
【００６７】
図１１に到達時間差を確定する手順についてフローチャートで示す。流れがダウンカマ４の上方から下方に向かう一方向性の流れの場合に、相互相関の最大ピークを見つけだせれば、図６で示したように最大ピーク周りの位相からゼロクロスの時間を正確に求めることができる。
【００６８】
相互相関の最大ピークを見つけるため、最初に、遅れ時間０における位相α1を解析式係数抽出器２０５で得た係数を用いて算出する。位相は直線的に変化し、超音波の主たる周波数も予め分っているので、位相α1が分ればゼロクロスの概略の時間ｔ2は推定できる。ここで、係数ａは、時間に対する位相変化の傾きである。
【００６９】
図７〜図１０の例では、ａ＝１であり、時間ｔ2における相互相関値Ａ2も前述の数５で計算できる。相互相関値Ａ2が正の場合、時間ｔ2から３６０°に相当する時間ずれた位置の時間ｔ3に相互相関のピークが存在する。時間ｔ2，時間ｔ3どちらの時間のピークが最大かを比較して、最大ピーク時間ｔ5とする。
【００７０】
一方、相互相関値Ａ2が負の場合、図９からわかるように相互相関のピークは位相換算で１８０°ずれた位置にある。相互相関値Ａ2が負の場合で遅れ時間が位相換算で３６０°以上ずれない条件では、時間ｔ2から１８０°ずれた隣接するピークが最大ピークとなるので、最大ピーク到達時間ｔ5を時間ｔ2から１８０°ずれた位置とする。以上の処理により、相互相関の最大ピークのおおよその時間ｔ5を特定することができる。
【００７１】
次に、時間ｔ5の前後４５°相当の時間における位相を数７で算出し、図６で示した方法と同様に、正確なピーク到達時間を算出する。本実施例では時間ｔ5の前後４５°相当としたが、位相が±９０°を超えない範囲で他の値の設定も可能である。
【００７２】
このように、本実施例によれば、３６０°に相当する時間変化を伴う比較的広い流速範囲の測定が可能となる。また、同様の考え方で、さらに流速測定範囲を拡大することも可能である。
【実施例３】
【００７３】
本発明の実施例３について、図１２により説明する。実施例１，２はともに流れの方向は一方向の場合について説明した。しかし、原子炉の特殊な運転状態では、ダウンカマの一部で逆流が生じる場合がありうる。例えば、一部のポンプが固着することで、そのポンプ近くの流れが逆流する場合である。実施例２と同様に、実施例１との違いは、時間差演算器２０６の内部処理である。
【００７４】
本実施例の時間差演算器２０６の処理内容について図１２により説明する。実施例２との違いは、最大ピークの位置が負側にも移動するため、負側に移動することも考慮する必要がある点である。
【００７５】
図１２において，相互相関値Ａ2が負かどうかの判断の部分までは、図１１と同じ処理になっている。相互相関値Ａ2が負でない場合、時間ｔ2前後の位相±３６０°相当の時間の相互相関のピークを算出し、その振幅を比較することで最大ピークに到達する大よその時間ｔ5を求める。一方、相互相関値Ａ2が負の場合、時間ｔ2前後の位相±１８０°相当の時間の相互相関のピークを算出し、その振幅を比較することで最大ピークに到達する大よその時間ｔ5を求める。時間ｔ5がわかれば、実施例２の図６に示した方法と同様に正確な相互相関の最大ピーク到達時間を正確に求める。このように、本実施例によれば、正，逆両方の流れを測定できるようになる。
【００７６】
上述した各実施例で説明した相互相関波形の位相を用いてゼロクロス時間を求める方法は、位相が一次式で変化することからサンプリング周波数を荒くしても精度よく時間差を求められる利点がある。これにより、ＡＤ変換器を高速で高価なものでなくともよく、解析式により相互相関波形や位相を計算できる方法としたため、任意の遅れ時間で相互相関値や位相を算出できる。
【００７７】
上述した各実施例によれば、ゼロクロス時間の推定に際してゼロクロス時間を中心として４５°相当の時間間隔離れた２点の位相を算出して、ゼロクロス時間を推定した。使用する演算装置は演算語長に制限があるので、そのような場合は、例えば６０°相当の時間間隔をあけて位相を求めることも可能となる。これにより、ゼロクロス推定に２倍のデータを用いることが可能になり演算精度が向上する。この点で解析式により相互相関波形や位相を計算できる方式はゼロクロス時間精度向上に寄与する。
【００７８】
上述した各実施例によれば、上流，下流の２信号の相互相関を取っている。超音波流量計は、本質的には上流だけ、下流だけの超音波の伝播時間を測定できれば流速の測定、すなわち流量の測定は可能である。例えば、上流もしくは下流の超音波受信信号と、超音波発生に用いる電気パルス（超音波トランスデューサ１１ａもしくは１１ｂへの印加信号）の相互相関を取ることで、各実施例の適用は可能である。また、予め、超音波受信波形を記憶しておき、上流もしくは下流の超音波受信信号と、この電気パルス発生タイミングに応じて記憶信号を取出し、その相関を取ることで各実施例の適用は可能である。
【００７９】
各実施例の超音波流量計は、既存の原子炉の炉心流量計としての適用の他に、本発明の流量計では炉壁の外部に超音波トランスデューサを設置するため圧損がないので、流量計を設置することで圧損が増えることが問題となる自然循環型の原子炉への適用が有効である。圧損を生じないため、本体の設計変更無しで熱交換器など容器壁に沿う流れを伴う流体の流量測定にも適用可能である。また、信号処理量が低減されて経済性もあり、一般的な超音波流量測定系にも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施例１であるＡＢＷＲプラントの超音波炉心流量測定装置の構成図。
【図２】本実施例の超音波炉心流量測定装置の周方向における配置を示す横断面図。
【図３】超音波送受信ユニットおよび超音波流量計の構成図。
【図４】クロススペクトルの例と、解析式係数抽出周波数範囲の例を示す図。
【図５】解析式係数抽出器内部動作を示すフローチャート。
【図６】ゼロクロス時間算出方法の説明図。
【図７】遅れ時間に対する流速０％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図８】遅れ時間に対する流速２５％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図９】遅れ時間に対する流速５０％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図１０】遅れ時間に対する流速１００％における相互相関波形と位相変化の関係を示す図。
【図１１】本発明に実施例２の時間差演算器の内部動作を示すフローチャート。
【図１２】本発明の実施例３の時間差演算器の内部動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００８１】
１ 炉心流量演算器
２ シュラウド
３ 圧力容器
４ ダウンカマ
５ インターナルポンプ
６ 炉心
７ 上部プレナム
８ 汽水分離器
１０ 超音波送受信ユニット
１１ａ，１１ｂ 超音波トランスデューサ
２０ 超音波流量計
２０１ 超音波送受信制御器
２０２ 下流側ＡＤ変換器
２０３ 上流側ＡＤ変換器
２０４ クロススペクトル演算器
２０５ 解析式係数抽出器
２０６ 時間差演算器
２０７ 流量演算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダウンカマ部の圧力容器の外側の複数箇所に設置された超音波送受信ユニットと、該送受信ユニットに接続され送受信ユニットにより検出された前記ダウンカマを通過する流体の上流受信信号と下流側受信信号を入力して前記上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、該算出されたクロススペクトルから２信号の相互相関波形を算出するための係数を抽出し、該抽出された前記係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記ダウンカマ部の流速を算出する超音波流量計と、該超音波流量計により算出された複数位置の流速から前記ダウンカマ部の流路断面積，流量補正係数を用いて炉心流量を算出する炉心流量演算器を備えた超音波炉心流量測定装置。
【請求項２】
上流側及び下流側の超音波トランスデューサに検出される通過する流体の上流側受信信号と下流側受信信号を入力して、前記上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、該算出されたクロススペクトルから２信号の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、該抽出された前記係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記流体の流速を算出する超音波流量計。
【請求項３】
前記係数が、クロススペクトルの振幅が予め設定したレベルを超える周波数成分の振幅と位相によって抽出される請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記係数が、予め定めた周波数成分の振幅と位相によって抽出される請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記最大ピーク到達時間が、解析的に算出する相互相関を正弦関数に置き換えた成分と相互相関の比の逆正接である位相を算出し、該位相のゼロクロス点から求める請求項２から４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記位相のゼロクロス点が、複数の位相のゼロクロス点を探査し、それぞれのゼロクロス点の相互相関の値を算出し、最大値が存在する位相のゼロクロス点の近傍の位相から正確なゼロクロス時間を決定する請求項５に記載の超音波流量計。
【請求項１】
ダウンカマ部の圧力容器の外側の複数箇所に設置された超音波送受信ユニットと、該送受信ユニットに接続され送受信ユニットにより検出された前記ダウンカマを通過する流体の上流受信信号と下流側受信信号を入力して前記上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、該算出されたクロススペクトルから２信号の相互相関波形を算出するための係数を抽出し、該抽出された前記係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記ダウンカマ部の流速を算出する超音波流量計と、該超音波流量計により算出された複数位置の流速から前記ダウンカマ部の流路断面積，流量補正係数を用いて炉心流量を算出する炉心流量演算器を備えた超音波炉心流量測定装置。
【請求項２】
上流側及び下流側の超音波トランスデューサに検出される通過する流体の上流側受信信号と下流側受信信号を入力して、前記上流，下流の２信号からクロススペクトルを算出し、該算出されたクロススペクトルから２信号の相互相関波形を解析的に算出するための係数を抽出し、該抽出された前記係数を用いて予め設定した時間領域における相互相関波形の最大ピーク到達時間を算出して前記流体の流速を算出する超音波流量計。
【請求項３】
前記係数が、クロススペクトルの振幅が予め設定したレベルを超える周波数成分の振幅と位相によって抽出される請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項４】
前記係数が、予め定めた周波数成分の振幅と位相によって抽出される請求項２に記載の超音波流量計。
【請求項５】
前記最大ピーク到達時間が、解析的に算出する相互相関を正弦関数に置き換えた成分と相互相関の比の逆正接である位相を算出し、該位相のゼロクロス点から求める請求項２から４のいずれかに記載の超音波流量計。
【請求項６】
前記位相のゼロクロス点が、複数の位相のゼロクロス点を探査し、それぞれのゼロクロス点の相互相関の値を算出し、最大値が存在する位相のゼロクロス点の近傍の位相から正確なゼロクロス時間を決定する請求項５に記載の超音波流量計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−７４８７９（Ｐ２００９−７４８７９Ａ）
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４３２１０（Ｐ２００７−２４３２１０）
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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