JPH043813B2 - - Google Patents

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JPH043813B2
JPH043813B2 JP20286384A JP20286384A JPH043813B2 JP H043813 B2 JPH043813 B2 JP H043813B2 JP 20286384 A JP20286384 A JP 20286384A JP 20286384 A JP20286384 A JP 20286384A JP H043813 B2 JPH043813 B2 JP H043813B2
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
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    • G01F23/24—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
    • G01F23/246—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid thermal devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
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    • Y10T137/7306—Electrical characteristic sensing

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体レベルを測定するための感温シ
ステムに係る。本発明は、例えば原子炉の蒸気発
生ボイラの如き容器内の液体の相対レベル又は絶
対レベルの測定に使用される。
本発明システムは特に前記の如きレベルを極め
て短い応答時間で連続的に測定することができ、
該レベルが変化し易い物理的条件（温度，圧力，
単相又は２相状態）下の環境内で数メートルの距
離に亘つて急速に変化する場合にも、測定を実行
し得る。
液体収容容器内の液体のレベルの値を正確に測
定する必要はしばしば生じる。これらの容器は
種々の形状を有しており、また種々の材料から構
成され得る。更に、容器内の液体は、如何なる圧
力及び如何なる温度にもなり得る。フロート形，
ねじれ管形，容量形，差圧形等の種々のタイプの
液体レベル測定センサが公知であり、これらは一
般に多くの用途に適するように構成されている。
使用すべきセンサのタイプは動作条件（圧力，温
度，腐食等）と設置条件とに従つて決定される。
しかし乍ら、物理量の急激な変化が生じる場合
には、測定センサは必ずしも所望の迅速で正確な
応答を与えることができない。
主として原子炉の蒸気発生ボイラに於いては、
種々の計器特にレベル測定センサは、地震後又は
一次回路の故障で一次流体が不足するような事故
の後にも、前記に挙げた基準を充足させる必要が
ある。何らかの故障が生じて一次流体が密閉容器
内で蒸発すると該容器内で圧力と温度との上昇が
生じる。安全保障システムの作用により一次回路
内への注水作用と容器内への給水作用とが同時に
開始される。この際、密閉容器内での水位の上昇
と圧力及び温度の上昇が生じるのが同時に放射能
の増加が生じる。
このような放射能は、電子素子の良好な動作を
妨害し、やがて電子素子の特性値を変化させる虞
れがあることは知られている。従つて、水位セン
サの特性値にも変化が生じる虞れがある。
前記の課題を解決するために、測定センサ一
般、特にレベルセンサは現行の規格及び規則によ
つて決定された種々の品質基準を充足させなけれ
ばならない。
公知の方法の１つでは、抵抗形温度センサを使
用している。これらのセンサの動作原理はそれ自
体公知であり、媒質中に浸漬された被熱可変抵抗
の値の測定に基く。この方法を開示した２つの特
許が存在するので、これらの特許について以下に
説明する。
フランス特許出願公開第2219402号は種々の温
度センサの具体例を記載している。該センサは測
定抵抗と外装された加熱抵抗とを有しており、セ
ンサが液体中に没入したときの温度変化を用いて
レベルを測定する。
加熱抵抗によつて散逸する熱は、対流によつて
容器内の周囲媒質に伝達される。この対流は気体
媒質中よりも液体媒質中で大きいので、液体レベ
ルが高くなる程、測定抵抗の周囲領域の平均温度
が低下する。測定抵抗の値は温度の関数であるか
ら、この抵抗の値を測定すると、容器に収容され
た液体のレベルに対する情報が与えられる。この
種のセンサは、構成材料を適切に選択しさえすれ
ば振動及び強い放射線の双方に対する耐性が良
い。
残念乍ら前記の如き温度センサの具体例の欠点
は、検出システムで信頼できる測定値を得るため
には液体レベルが所与の期間に亘り一定に維持さ
れなければならないことである。一般的に前記特
許出願に記載のシステムは、測定プローブに沿つ
た平衡温度を得るために比較的長い安定化時間を
必要とする。更に、プローブと被測定流体との間
の熱交換係数は液体の固有温度と液体上方の蒸気
の温度とに伴なつて変化する。
従つて、このシステムの主たる欠点は、測定さ
れたレベルの指示値を安定化させる時間が必要な
ことである。この時間は感知素子に沿つて安定な
平衡温度に達するまでのシステムの所要温度に一
致する。
添付の第１ａ図によつてこの現象を説明し得
る。図は３つの曲線を示しており、各曲線は、媒
質中の液体レベルが一定の値であつて時点ｔ＝０
から感知素子を次第に加熱したときの感知素子の
経時的温度変化曲線である（縦軸が温度、横軸が
時間）。
曲線は実験的に測定して得られたものであり、
測定すべき目盛範囲即ち容器内の液体レベルの０
％，50％及び100％に夫々対応する。レベルの測
定値は感知素子の周囲の平衡温度の関数であるか
ら、信頼できるレベル値の情報を得るために感知
素子の加熱を所定時間維持する必要があることが
理解されよう。100％レベルについては加熱時間
を約10秒のオーダの値で実験的に測定し、０％レ
ベルについては約10分のオーダの値で測定した。
これらの値は感知素子の熱容量に従つて可変であ
り、感知素子の熱容量は、感知素子の製造に用い
た技術に左右される。
このような動作条件を要する感知素子は、多く
の場合特に水を用いるタイプの原子炉の容器に於
いては到底使用できない。
米国特許第3955416号は、容器内の所定レベル
の上方又は下方での液体の有無を検出するような
液面計を開示している。
該特許に記載のプローブは、１つのケース内に
抵抗２０とサーミスタ１８とを組合せて含んでお
り、方形波信号の形状のパルス形加熱源を使用し
ている。加熱信号を送出する発振器は同時に、加
熱信号と位相合せした同期信号を送出する。これ
らの信号は、整形された後に、“ゲート”又はア
ナログ電圧スイツチと指称される電子回路を制御
する。これらのゲートは所与の時点で測定信号の
値をサンプリングし、メモリを励起する。メモリ
に記憶される信号の値は、測定抵抗の端子で測定
された信号の高値と低値とに対応する。これらの
信号の形状は該特許の第２ｂ図及び第２ｃ図に示
されている。曲線２ｂと２ｃとの間の振幅の差に
よつて液体の有無を判別し得る。
該特許には説明されていないアナログ検出シス
テム４８を適切に選択すると、液体又は蒸気の温
度変化に影響されること無く液体レベルしきい値
を検出することが可能である。しかし乍らこの種
のプローブの構造はレベル検出のみに適してお
り、該特許に示された形状のプローブは、数メー
トルに及ぶ変位レベルの連続的測定には適してい
ない。更に該特許では（５列目15行以後）複数個
のレベルしきい値をモニターするために複数個の
デテクタを使用し得ると記載されており、このこ
とは、発明者が長距離に亘つて連続的に測定すべ
きレベルの変位をモニターするために別の解決方
法を着想し得なかつたことを明らかに示す。
詳細には本発明の目的は、前記の欠点を除去す
ること、特に、液体レベルを測定するための簡単
で放射線に敏感でなくしかも測定結果が正確なア
ナログ信号の形状で室温に関わり無く極めて短い
レスポンス時間で得られるような感温システムを
提供することである。
この結果は、０から100％までの目盛で液体レ
ベルの値を確実に指示し得るような初期信号の処
理方法によつて得られる。処理された信号は、温
度に従つて可変な被熱抵抗の端子で測定される。
感温プローブを構成する測定抵抗と加熱抵抗との
アセンブリの原理は公知であり、例えば、フラン
ス特許公開第2219402号に記載されている。この
プローブは、測定抵抗用リード線と加熱抵抗用リ
ード線とから成り、アセンブリは、粉末アルミナ
を詰めた金属外装で包囲されている。
前記の如きプローブを米国特許第3955416号
ITTの検出アセンブリと共に使用した場合、信
号の処理がレベルしきい値の検出のみを行なうべ
く構成されているので信頼できる結果が得られな
い。前記の如きプローブをパルス加熱を利用して
フランス特許公開第2219402号に記載の処理と等
価の信号処理と共に使用すると、結果が液体媒質
及び気体媒質の温度変化に大きく左右されるので
やはり確実な結果が得られない。テストによれ
ば、約500mmの０−100％測定目盛を用い約40℃の
オーダの温度変化が生じる場合レベル指示値の誤
差範囲は８％と推定される。
或る種の用途では、室温がかなりの割合で変化
し得る。温度変化によつてエラーが生じるような
測定装置は工業用測定装置として使用できないこ
とは明らかである。
前記の欠点を除去するため、即ち、信頼できる
レベル指示値を得る前に極めて長い安定化時間を
要すること及び測定の指示値に対する温度変化の
影響が大きいこと等の欠点を除去するために、本
発明は正確で迅速な測定を実行し得るシステムを
提供する。
本発明の出発点となつた考え方は、制御加熱信
号の状態変化に対応する測定信号のa.b.成分の勾
配を利用することである。この原理によれば、少
くとも測定を実行したい度毎に加熱信号の状態変
化を生じさせる。
加熱信号は、正弦波形、ランダム波形、方形波
等の種々の形状を有し得る。処理システムとゼネ
レータとの構造を簡単にするために本発明では加
熱信号として方形波信号を使用する。この信号
は、数秒周期で状態０から状態48Vd.c.まで変化
し、信号周期は感知素子の熱慣性に従つて変化し
得る。
本発明は、測定用抵抗とパルスモードで給電さ
れる外装された加熱用抵抗とを有する感熱センサ
を含んでおり前記センサを液体中に浸漬したとき
の温度変化を利用して液体レベルを測定する感熱
測定システムに係る。本発明システムの特徴は、
システムが、加熱用抵抗に給電する電力増幅器を
パルス状に制御するモジユールと、定電流源から
給電される測定用抵抗の端子電圧を測定する整合
回路と、演算モジユールとを含んでおり、前記回
路の出力は測定信号のd.c.成分とa.c.成分とを
夫々抽出する２つのフイルタの入力に並列に接続
されており、前記測定信号が加熱源と同じ周波数
を有すること、及び、前記演算モジユール内では
フイルタの出力信号と、液体と液体上方の気体媒
質との温度差の測定手段によつて供給された信号
とに基いて液体レベルの値と液体温度とが決定さ
れ、前記演算モジユールは測定信号のa.c.成分の
時間に関する一次導関数に基いて液体レベル信号
を処理するように公知のアナログ回路に基いて設
計されていることである。
別の特徴によれば、２つのフイルタを備えるこ
とができ、 ― 第１フイルタは測定電圧のd.c.成分を抽出
し、 ― 第２フイルタの出力は加熱制御信号と直角位
相で測定電圧のa.c.成分の振幅に比例する信号
を与える。２つのフイルタは、モジユールによ
つて生成されるパルス信号によつて制御され
る。
別の特徴によれば、演算モジユールが２つの計
算回路を含んでおり、２つの計算回路の出力信号
の和が、フイルタの２つの出力信号と液体と気体
媒質との温度差の測定手段の信号とに基いて、液
体レベルと液体温度との推定値の時間導関数を送
出すること、これらの時間導関数が２つの積分器
内で積分されること、最小自乗法による液体の温
度及びレベルの値の繰返しを実行するために積分
器の出力が計算回路の入力にフイードバツクされ
る。
本発明の特徴は、添付図面に示す代表的具体例
に関する非限定的な以下の記載より明らかにされ
るであろう。
第１図は、本発明の液体レベル測定システムで
使用される感熱センサの概略説明図である。
好ましくはステンレススチールから成る外装１
内に、電気絶縁体例えば粉末アルミナによつて絶
縁された２つの導体が配置されている。
第１導体は測定用サーミスタ２である。サーミ
スタ２は、端子５と６とに接続された定直流源か
ら給電される。サーミスタ２の値は、周囲媒質温
度の関数である。端子７と８とに於ける電位差が
測定信号として使用される。
第２導体は、端子９と１０とに於いて電力増幅
器によつて給電される加熱用抵抗３である。
加熱用抵抗３は、例えば粉末アルミナから成る
絶縁材４を介して測定用抵抗に熱結合されてお
り、これらの２つの抵抗２と３とのアセンブリ
が、液位レベル１１の測定を要する周囲媒体と接
触している。
また、図を判り易くするために第１図ではブロ
ツクとして示した測定エレメントは、実際には１
乃至２mmのオーダの直径をもつケーブルの形状を
有しており、このケーブルは、鉛直方向で液体レ
ベル測定目盛全体に亘つて伸延し得るように所望
の長さ（しばしば数ｍの長さ）を有し得る。
従つて、測定用抵抗の平均温度は、加熱系から
供給された電力と対流によつて周囲媒質に放出さ
れた電力との収支の結果である。対流は、気体媒
質中よりも液体媒質中で大きいので液体レベルが
高くなる程前記平均温度が低下する。抵抗の値は
温度の関数であるから、抵抗の測定によつて、周
囲媒質中の液体レベルに関する情報が与えられ
る。
１つの具体例では、加熱用抵抗と測定用抵抗と
をステンレススチール製の外装から成る１つのケ
ーブル内に結合する。ケーブルをステンレススチ
ール製の支持体に巻回する。このアセンブリを円
筒状金属網で機械的に保護する。
このセンサを使用するには、２つの問題を解決
する必要がある。即ち、 ― 周囲温度が測定用抵抗の値に影響を与え、従
つて液体レベルの測定が妨害されること、及
び、 ― システムが平衡に到達するまで待つと測定時
間が比較的長くなることを解決しなければなら
ない。
第２図は、プローブが浮遊状態から潜水状態に
移行する際に液体蒸気界面が上昇するときの測定
用抵抗の端子７，８で測定された信号を時間の関
数として示すグラフである。
パルス加熱が使用される。パルスは正弦パル
ス、ランダムパルス、方形パルス等でよい。第２
図の信号は、定加熱電力の場合の抵抗３の加熱パ
ルスに対する感知素子２のレスポンスが液体レベ
ルの関数として現われたものである。感知素子２
のレスポンス信号は、２つの成分の重ね合せと考
えることができる。
― 加熱信号と同じ周波数のa.c.成分Ａ。この成
分の振幅は室温では殆んど変化しないので主と
して液体レベルに左右される。従つて、この成
分による液体レベルの測定が可能である。
― 先行する信号の平均値であり且つ測定用抵抗
の温度を反映する成分Ｂ。測定用抵抗の温度自
体は液体レベルの関数として変化する。これら
の２つの成分に対応する電気信号がフイルタ２
０，２２によつて抽出され計算される。これら
フイルタの出力信号は次に第３図のコンピユー
タ２９で処理される。
a.c.成分Ａは室温の影響を僅かに受けるが、こ
のような影響は、成分Ｂと液体媒質と液面上方の
気体媒質との温度差Δθとによつて補償される。
この温度差は、異なる高さに接続された２つの熱
電対１２，１３によつて測定される。一方の熱電
対１３は液体中に浸漬しており他方の熱電対１２
は気体媒質中に存在する（熱電対１２，１３は第
１図に示されている）。
熱電対の代りに、温度測定用の抵抗形プローブ
を使用することも可能である。
これらの感熱プローブはまた、測定用プローブ
の加熱信号と位相合せして同じ周波数で加熱され
る抵抗形プローブであつてもよい。この場合に
は、液体媒質と該液体の上方の気体媒質とに於け
る種種の熱流量の値から各媒体の温度を推定し得
る。
実際には、３つの測定値（温度成分Ｂの値とa.
c.成分Ａの値と液相−気相間の温度差Δθ又はこ
れらの２相の絶縁温度）とを測定して３つの未知
パラメータ即ち、 ― 液体の温度θLと、 ― 気体の温度θVと、 ― 液体レベルεとを決定する。
処理回路の機能図を第３図に示す。加熱用抵抗
３は電力増幅器１４から給電される。加熱パルス
の周波数は電力増幅器１４を信号１６で制御する
論理モジユール１５によつて決定される。
測定すべき液体の温度上昇に比較して感熱素子
の温度上昇が大きい（例えば約100℃）。このよう
に温度差が大きいため、移行状態中のセンサアセ
ンブリの感度が向上し得る。
測定用抵抗２は定電流源１７から給電される。
整合回路１８は前記抵抗の端子７，８での電圧を
測定する。この信号は、第２図に示したa.c.成分
Ａに比例する。被測定信号１９即ち電圧は２つの
フイルタ２０，２２の入力に印加される。第１フ
イルタ２０は、被測定信号のd.c.成分を抽出す
る。該フイルタは、積分器とアナログメモリとか
ら成る。積分器は、モジユール１５から出る制御
信号２３により制御される。第２フイルタ２２
は、加熱信号と直角位相を成す被測定電圧のa.c.
成分の振幅に比例する信号を出力に与える。フイ
ルタ２２もまた、モジユール１５によつて制御さ
れている。この制御信号は加熱システムの制御信
号１６と直角位相を成す。
フイルタ２０，２２の出力信号と熱電対２２，
２３によつて供給される信号とは夫々符号３７，
３８，３９で示されるように第４図の演算モジユ
ール２９に導入される。モジユール２９は、液体
レベルの値εと液体の温度θLと気相の温度θVとを
決定する。コンピユータ２９は当業者が容易に選
択できるそれ自体公知のアナログ回路から成り、
従つて詳細には説明しない。コンピユータ２９は
特に、第２図のa.c.成分Ａの時間に対する一次導
関数から約分レベル信号εを処理するように構成
されている。これにより、測定アセンブリのレス
ポンス時間を秒のオーダの時間までかなり短縮
し、本出願の導入部で分析した従来システムの主
な欠点を克服し得る。フイルタ２０，２２によつ
て送出された信号Siは以下の一般式を有する。
Si＝CLi（θL）ε＋CVi（θV）（１−ε）；（ｉ＝０
，
１，２） 〔式中、ε＝ｎ／Ｈは約分液体レベルであり、ｎ は測定すべき液位であり、Ｈは測定間隔であり、
θLは液相の温度であり、θVは気相の温度であり
（θV＝θL＋Δθ）、CViとCLiとはa.c.成分の周波数と
電力とに従属する関数である。（Ｖ：蒸気、Ｌ：
液体、ｉはフイルタ２０，２２から来る信号S0，
S1，S2を示す）。
従つて、フイルタの出力信号S0，S1，S2の各々
は、測定すべき液体レベルの変化の一部を示す。
本発明によれば、前記等式の解は、第４図に示
す２つの計算回路３０，３１によつて計算され
る。
これらの等式の可能な解法のうちで実際に計算
回路で使用されるのは、最小二乗法によつて差εi
を最小にする方法である。
εi＝CLi（θ^L）ξ^＋CVi（θ^V）（１−ξ^）−Si 〔式中、θ^L及びξ^は先行測定値から計算された
値である〕。
この方法では、未知数εとθLとに対して以下の
開方式が与えられる。
dε／dt＝−Ｇ2 〓i=1 εi（CLi−CVi） dθL／dt＝−Ｇ2 〓i=1 εi（ε∂CLi／∂θL ＋（１−ξ）∂CVi／∂θV） 〔式中、Ｇは、回路の高速性と安定性との調整
を図るように調整された利得である〕。
従つて計算回路は、入力信号とレベルを示す出
力値の１つとの間の差を約分する。
計算回路の出力は、積分器３３，３４によつて
集積され、これら積分器の出力は、 ― 出力３６で液体レベルの値εのアナログ信
号、 ― 出力３５で液体温度の値θLのアナログ信号を
与える。
気相の温度の値のアナログ信号は液体温度信号
と熱電対１２，１３によつて送出された温度差信
号との間の差を求めることによつて得られる。
前記の計算回路とフイルタとはアナログ演算子
及びロジカル演算子から構成されてもよく、又
は、デジタル手段を接続したものもしくはプログ
ラム化したものを用いて構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
第１ａ図は従来技術の欠陥を示すグラフ、第１
図は本発明のレベル測定システムで使用される温
度センサの概略説明図、第２図は液体レベル上昇
中に測定抵抗によつて測定される信号の経時的変
化を示すグラフ、第３図は被測定信号の処理回路
の機能図、第４図は演算モジユールの概略図であ
る。 １…外装、２…測定用サーミスタ、３…加熱用
抵抗、４…絶縁材、１２，１３…熱電対、１４…
電力増幅器、１５…論理モジユール、１７…電流
源、１８…整合回路、２０，２２…フイルタ、２
９…演算モジユール、３０，３１…計算回路、３
３，３４…積分回路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 測定用抵抗とパルスモードで給電される外装
    された加熱用抵抗とを有する感熱センサを含んで
    おり前記センサを液体中に浸漬したときの温度変
    化を利用して液体レベルを測定する感熱測定シス
    テムに於いて、システムが、定電流源から給電さ
    れる測定用抵抗の端子電圧を測定する整合回路
    と、演算モジユールとを含んでおり、前記回路の
    出力は測定信号のd.c.成分とa.c.成分とを夫夫抽
    出する２つのフイルタの入力に並列に接続されて
    おり、前記測定信号が加熱源と同じ周波数を有す
    ること、及び、前記演算モジユール内ではフイル
    タの出力信号と、液体と液体上方の気体媒質との
    温度差の測定手段によつて供給された信号とに基
    いて液体レベルの値と液体温度とが決定され、前
    記演算モジユールは測定信号のa.c.成分の時間に
    関する一次導関数に基いて液体レベル信号を処理
    するように公知のアナログ回路に基いて設計され
    ていることを特徴とする液体レベルの感熱測定シ
    ステム。 ２ ２つのフイルタがモジユールによつて生成さ
    れるパルス信号によつて制御されることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載の感熱測定シス
    テム。 ３ 演算モジユールが２つの計算回路を含んでお
    り、２つの計算回路の出力信号の和が、フイルタ
    の２つの出力信号と液体と気体媒質との温度差の
    測定手段の信号とに基いて、液体レベルと液体温
    度との推定値の時間導関数を送出すること、これ
    らの時間導関数が２つの積分器内で積分されるこ
    と、最小自乗法による液体の温度及びレベルの値
    の繰返しを実行するために積分器の出力が計算回
    路の入力にフイードバツクされることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項に記載の感熱測定システ
    ム。 ４ 温度測定手段が熱電対であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項に記載の感熱測定システ
    ム。 ５ 温度測定手段が抵抗形プローブであることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の感熱測
    定システム。 ６ 温度測定手段が抵抗形プローブであり、前記
    プローブが測定プローブの加熱信号と同じ周波数
    で該信号と位相合せして加熱されることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載の感熱測定シス
    テム。
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