特許 6383276 水位計測装置および水位計測方法ならびに原子力プラント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6383276

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】水位計測装置および水位計測方法ならびに原子力プラント

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/22 20060101AFI20180820BHJP

【ＦＩ】

   G01F23/22 A

【請求項の数】5

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-249315(P2014-249315)

(22)【出願日】2014年12月9日

(65)【公開番号】特開2016-109628(P2016-109628A)

(43)【公開日】2016年6月20日

【審査請求日】2017年7月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(72)【発明者】

【氏名】黒田 英彦

【審査官】 羽飼 知佳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０８３５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３７２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０８９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４６０３５８０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ ２３／２２

Ｇ０１Ｃ １７／００−１７／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

深さ方向に配線される発熱手段と、
前記発熱手段の深さ方向の一部の周囲を囲い設置される断熱層と、
前記発熱手段と平行して配線され、前記発熱手段の前記断熱層の設置される箇所と、その上下の前記断熱層が設置されない２箇所にそれぞれ接点を有する温度差計測部と、
前記温度差計測部の前記接点の間の温度差に基づき水面の位置を判定する水位判定手段と、
を備えることを特徴とする水位計測装置。

【請求項2】

前記発熱手段を測温抵抗体としたことを特徴とする請求項１に記載の水位計測装置。

【請求項3】

炉心を格納するとともに冷却材を収容する原子炉圧力容器と、
前記原子炉圧力容器内に設けられ、前記原子炉圧力容器内の前記冷却材の水位を計測する請求項１または２に記載の水位計測装置と、
を備えたことを特徴とする原子力プラント。

【請求項4】

周囲を断熱層で囲まれた箇所とその上下の前記断熱層の設置されない２箇所にそれぞれ接点を有する温度差計測部を計測対象の深さ方向に設置し、
前記温度差計測部を前記断熱層とともに深さ方向に一様に加熱し、
前記加熱により生じる前記接点の間の温度差に基づいて前記計測対象の液面の位置を判定することを特徴とする水位計測方法。

【請求項5】

前記温度差計測部の出力は、前記接点間の電圧として出力され、
前記液面の位置の判定の際に、前記電圧の前記出力を分類することを特徴とする請求項４に記載の水位計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、水位を計測する水位計測装置および水位計測方法ならびに原子力プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

原子炉内などにおける水位計測装置として、差動型熱電対を用いるものがある。差動型熱電対を用いた水位計測装置では、差動型熱電対と発熱体が測温部として水位計測管内に封入され、この水位計測管が水深方向（深さ方向）に測定間隔で並べられる。そして、発熱体を加熱した時の差動型熱電対の出力は測温部が気中にある場合と水中にある場合とで差が生じることから、測温部が気中または水中のどちらに存在するかを判定し、それぞれの水位計測管の判定結果から水位を特定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−８３５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の差動型熱電対を用いた水位計測装置では、差動型熱電対の出力は測温部が気中の場合と水中の場合の２値であり、２値から測温部が気中と液中のどちらに存在するかを判定する（状態判定）。そして従来の水位計測装置においては、深さ方向の位置の異なる水位計測管を複数設け、各水位計測管の測温部が気中であるか液中のどちらに存在するかの状態判定の値の組み合わせによって水面位置を特定していた。このため、水位計測管の損傷や劣化、振動や電磁波のノイズなどで複数ある水位計測管のいずれかの測温部の差動型熱電対の出力が通常とは異なる値となった時には、水位判定の信頼性が低下するという課題があった。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、水位計測管の損傷や劣化、振動や電磁波のノイズなどで差動型熱電対の出力が通常とは異なる値となった時でも、信頼性が高い水位計測装置および水位計測方法ならびに原子力プラントを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の水位計測装置は、深さ方向に配線される発熱手段と、前記発熱手段の深さ方向の一部の周囲を囲い設置される断熱層と、前記発熱手段と平行して配線され、前記発熱手段の前記断熱層の設置される箇所と、その上下の前記断熱層が設置されない２箇所にそれぞれ接点を有する温度差計測部と、前記温度差計測部の前記接点の間の温度差に基づき水面の位置を判定する水位判定手段と、を備えることを特徴とする。

【0007】

また、実施形態の水位計測方法は、周囲を断熱層で囲まれた箇所とその上下の前記断熱層の設置されない２箇所にそれぞれ接点を有する温度差計測部を計測対象の深さ方向に設置し、前記温度差計測部を前記断熱層とともに深さ方向に一様に加熱し、前記加熱により生じる前記接点の間の温度差に基づいて前記計測対象の液面の位置を判定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、信頼性の高い水位計測装置および水位計測方法ならびに原子力プラントが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態にかかる水位計測装置の構成図。

【図2】第１の実施形態にかかる水位計測管の測温部の構成図。

【図3】第１の実施形態にかかる水位計測装置の水面位置と出力電圧の関係を示す図。

【図4】第１の実施形態にかかる原子力プラントの概要図。

【図5】第２の実施形態にかかる水位計測装置の構成図。

【図6】第２の実施形態にかかる水位計測管の測温部の構成図。

【図7】第３の実施形態にかかる水位計測装置の構成図。

【図8】第３の実施形態にかかる水位計測管の測温部の構成図。

【図9】第３の実施形態にかかる水位計測装置の水面位置と出力電圧の関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態の水位計測装置および水位計測方法ならびに原子力プラントについて図面を参照しながら説明する。

【0011】

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態にかかる水位計測装置の構成図である。

【0012】

本実施形態にかかる水位計測装置１００は、それぞれ測温部５０を収納し伝熱物質が充填された水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５と、発熱手段１に接続されて発熱手段１を発熱させる電源８と、電源８で発熱手段１を発熱させた時の差動型熱電対６の出力を測定して測温部５０と水面（液面）との位置関係からその出力を３値に分類し記録する出力測定手段９と、３値の出力から測温部５０の気中状態または水中状態（液中状態）の判定と水面が通過した測温部５０の判定を行って水面位置（液面位置）を特定する水位特定手段７と、を備える。

【0013】

水位計測管１０、１１は、計測対象の容器等に測温部５０の深さ方向の位置が同一となるように配置される。同様に、水位計測管１２、１３および水位計測管１４、１５についても、測温部５０の深さ方向の位置が同一となるように配置される。本実施形態においては、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５を、測温部５０の深さ方向の位置が同一となるように２つずつを対として３つの異なる高さに設けている。このように水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５を配置することで、深さ方向の位置が同一となる測温部５０での計測の信頼性を向上させている。例えば図１に示すように、水位計測管１０、１１の測温部５０は水面Ａの上方に、水位計測管１２、１３の測温部５０は水面Ｃの上方で水面Ｂの位置に、水位計測管１４、１５の測温部５０は水面Ｃの下方に配置される。

【0014】

発熱手段１は電流が流れることでジュール発熱する材料であり、金属発熱体やセラミック発熱体で構成される。例えば、金属発熱体の材料としては、ニッケルクロム線、鉄クロム線などの電熱線、カンタル線、白金線などがある。発熱手段１は水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の内部の測温部に配置すればよいが、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の深さ方向の全長にわたって配置してもよい。

【0015】

水位計測管１０、１１、１２、１３、１４，１５の管部は耐熱性や耐食性を持つ金属で構成される。このような金属には、チタン、さらにはクロムやニッケルの合金として、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、析出硬化系のステンレス鋼などが挙げられる。また、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の外側表面に腐食防止のメッキを施してもよい。そして、内部は、電気的絶縁に優れる熱伝導率の高い粉末状物質で充填される。このような粉末物質には、例えば、窒化珪素、窒化アルミ、窒化炭素、マグネシア、アルミナ、チタン酸アルミニウム、シリカ、ジルコニアセラミック等が挙げられる。なお、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の長さや直径、管壁の厚さに特に制約はない。さらに、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の深さ方向および同一深さ位置の設置間隔についても制約はない。

【0016】

電源８は、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の発熱手段１と接続され、発熱手段１に電流を供給する電流源である。電源８は、直流電源や交流電源、パルス電源等で構成される。

【0017】

出力測定手段９は、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の測温部５０に設けられる差動型熱電対６と接続され、差動型熱電対６の出力を測定して記憶する記録装置である。出力測定手段９はＡ‐Ｄ変換器を備えた記録装置で構成される。また、出力測定手段９では、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の差動型熱電対６の出力を３値に分類する。分類方法としては、閾値で分類する方法、測定時の相対的強度から分類する方法、予め測定した値から分類する方法、ベースラインからの差分で分類する方法などが挙げられる。

【0018】

水位判定手段７は、出力測定手段９と接続され、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の測温部５０に設けられる差動型熱電対６の出力から、すなわち差動型熱電対６の後述する接点の間の温度差に基づいて測定対象の水面の位置を判定する信号処理部である。水位判定手段７は専用のデジタル回路やアナログ回路、汎用のＦＰＧＡやＰＬＡ、処理ソフトウエアを備えた汎用計算機で構成される。

【0019】

図２は図１における水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の測温部５０の構成図である。以下測温部５０の構成について図２を用いて説明する。図２において、図１で示した構成要件に対応する構成要件については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0020】

図２に示すように測温部５０には、深さ方向に配線される発熱手段１と、発熱手段１の深さ方向の一部の周囲を周方向に囲む断熱層５と、断熱層５によって周囲を囲まれる断熱部分と断熱層５に周囲を囲まれない非断熱部分の温度差を計測する差動型熱電対６が設けられる。

【0021】

差動型熱電対６は、３つの接点を深さ方向の高い側から、上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４の順に有し、接点毎に異種金属が結線されるように配線され、温接点３と上側の冷接点２の温度差と、温接点３と下側の冷接点４の温度差に基づき起電力を出力する。本実施形態において温度差計測部を構成する差動型熱電対６は水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５内の測温部５０に配置されることで、測温部５０の断熱層５とともに液面の位置を計測しようとする計測対象となる原子炉圧力容器等の容器内の深さ方向に設置される。差動型熱電対６に設けられる３つの接点のうち、中央の温接点３は断熱層５が設置される位置に断熱層５に囲まれて設けられ、温接点３の上下の２つの冷接点の周囲には断熱層が設置されない。

【0022】

差動型熱電対６は接点毎に２種類の異種金属を交互に接続して構成してもよいし、多種の異種金属で構成することもできる。

【0023】

差動型熱電対６としては、Ｂ‐Ｔｙｐｅ、Ｒ‐Ｔｙｐｅ、Ｓ‐Ｔｙｐｅ、Ｎ‐Ｔｙｐｅ、Ｋ‐Ｔｙｐｅ、Ｅ‐Ｔｙｐｅ、Ｊ‐Ｔｙｐｅ、Ｔ‐Ｔｙｐｅなどの公知の種類のものが適用できる。

【0024】

断熱層５は、気体が封入された空間、または熱伝達率が低い材料で構成される。封入される気体には、例えば、キセノン、クリプトン、アルゴン等の希ガス、酸素、窒素、二酸化炭素、或いは空気、エチレンやアセチレンが挙げられる。さらには断熱層５を真空にしてもよい。

【0025】

断熱層５は温接点３と水位計測管壁との間に、水位計測管内の周方向の全周にわたって設けてもよく、あるいは周方向に部分的に設けてもよい。温接点３の熱伝達率は、断熱層５へ封入する気体の種類と量、断熱層５の厚さや周方向の位置などの配置によって決定される。

【0026】

このような構成からなる本実施形態にかかる水位計測装置１００の作用について図３をさらに参照して以下に述べる。

【0027】

図３は第１の実施形態にかかる水位計測装置１００の水面位置と出力電圧の関係を示す図である。図３において、図１から図２で示した構成要件に対応する構成要件には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

【0028】

電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の測温部５０の発熱手段１を発熱させることで、計測対象の容器等の深さ方向に設置された測温部５０の断熱層５と温度計測部である差動型熱電対６を一様に加熱する。本実施形態は、測温部５０が一様に加熱された時に生じる差動型熱電対６の接点の間の温度差に基づいて計測対象の液面の位置を判定するものである。この判定の詳細について以下に説明する。

【0029】

発熱手段１の発熱時の差動型熱電対６の上側の冷接点２の温度をＴ_ＣＵ、温接点３の温度をＴ_Ｈ、下側の冷接点４の温度をＴ_ＣＤ、差動型熱電対６の出力電圧をＥとすると、水面と差動型熱電対６の出力の関係は以下となり、３値に分類できる。なお差動型熱電対６の出力電圧ＥはＴ_ＣＵとＴ_Ｈの温度差に基づく第１の出力電圧と、Ｔ_ＨとＴ_ＣＤの温度差に基づく第２の出力電圧の和となる。

【0030】

(１)水面の位置が下側の冷接点４の位置よりも低い場合
水面の位置が下側の冷接点４の位置よりも低い場合、上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４の３点の位置は全て気中であり、３つの接点での熱伝達の状態は同一となる。そのため、上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４の温度は全て同一となり、Ｔ_ＣＵ＝Ｔ_ＣＤ≒Ｔ_Ｈとなる。従って、差動型熱電対６の出力電圧Ｅはゼロ、もしくは相対的に小さな値となる。この時の出力電圧Ｅの値をＥ_Ａとする。

【0031】

(２)水面の位置が温接点３と下側の冷接点４の間の位置である場合
水面の位置が温接点３と下側の冷接点４の間の位置である場合、上側の冷接点２および温接点３の２点の位置は気中であり、２つの接点での熱伝達の状態は同一となる。一方、下側の冷接点４の位置は水中となり、気中時と比べて熱伝達が大きい。そのため、発熱手段１の発熱時には、Ｔ_ＣＵ≒Ｔ_Ｈ＞Ｔ_ＣＤとなる。この時の差動型熱電対６には温接点３と下側の冷接点４との温度差に応じた出力電圧Ｅが生じる。この時の出力電圧Ｅの値をＥ_Ｍとする。

【0032】

(３)水面の位置が上側の冷接点２と温接点３の間の位置である場合
水面の位置が上側の冷接点２と温接点３の間の位置である場合、上側の冷接点２の位置は気中に、残りの温接点３および下側の冷接点４の位置は水中となる。しかし、温接点３の周囲には断熱層５が配されていることにより、温接点３における熱伝達率は温接点３の位置が気中である時の熱伝達率と同一と見なすことができ、したがって温接点３の位置は気中状態と考えることができる。

【0033】

このため、発熱手段１の発熱時には、Ｔ_ＣＵ≒Ｔ_Ｈ＞Ｔ_ＣＤとなる。従って、差動型熱電対６の出力電圧Ｅは上記(２)の場合と同一となり、出力電圧Ｅ＝Ｅ_Ｍとなる。

【0034】

(４)水面の位置が上側の冷接点２の位置よりも高い場合
上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４の３点の位置は全て水中となるが、上記（３）の場合と同様に断熱層５の存在により温接点３の位置は気中と考えることができる。

【0035】

このため、発熱手段１の発熱時には、Ｔ_Ｈ＞Ｔ_ＣＵ＝Ｔ_ＣＤとなる。この時の差動型熱電対６には、温接点３と上側の冷接点２との温度差と、温接点３と下側の冷接点４との温度差との和で出力電圧Ｅが生じる。この時の出力電圧の値をＥ_Ｗとする。

【0036】

上記（２）の場合と（３）の場合におけるＴ_ＣＵまたはＴ_ＨとＴ_ＣＤの温度差は、（４）の場合におけるＴ_ＨとＴ_ＣＵまたはＴ_ＣＤの温度差よりも大きくなる。したがって差動型熱電対６における出力電圧ＥはＥ_ＭのほうがＥ_Ｗと比較して大きな値となる。

【0037】

水面位置が図１の水面Ａの時、水位計測管１０、１１の測温部５０は気中にあることから、出力測定手段９での水位計測管１０、１１の差動型熱電対６の出力はＥ_Ａとなる。また、水位計測管１２、１３、１４、１５の測温部５０は水中にあることから、出力測定手段９での水位計測管１２、１３、１４、１５の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ｗとなる。

【0038】

次に水位が低下して水面位置が図１の水面Ｂの時、電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の発熱手段１を発熱させる。水位計測管１０、１１、１４、１５の測温部５０には水位変化がないことから、水位計測管１０、１１の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ａ、水位計測管１４、１５の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ｗである。水位計測管１２、１３では水面Ｂが上側の冷接点２と下側の冷接点４の間になることから、出力測定手段９での水位計測管１２、１３の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ｍになる。

【0039】

さらに水位が低下して水面位置が図１の水面Ｃの時、電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の発熱手段１を発熱させる。水位計測管１０、１１、１４、１５の測温部５０には水位変化がないことから、水位計測管１０、１１の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ａ、水位計測管１４、１５の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ｗである。水位計測管１２、１３は測温部５０が気中になったことから、出力測定手段９での水位計測管１２、１３の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ａになる。

【0040】

以上から水面がＡ→Ｂ→Ｃと変化した時、図３に示すように出力測定手段９では水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の差動型熱電対６の出力電圧Ｅが時間推移と共に記録される。

【0041】

水位判定手段７では、第一に、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の測温部５０の差動型熱電対６の出力電圧Ｅからそれぞれの水位計測管の測温部５０が水中または気中のどちらに存在するかの状態判定を行なう。

【0042】

図３で水面がＡ→Ｂ→Ｃと変化した時、水面Ｃにおいて水位計測管１０、１１、１２、１３の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ａであることから、水位計測管１０、１１、１２、１３の測温部５０は気中にある。一方、水位計測管１４、１５の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ｗであることから、水位計測管１４、１５は水中にある。これから、水位は水位計測管１４、１５の測温部５０と水位計測管１２、１３の測温部５０の間にあると判定できる。状態判定を行うときは、各測温部５０における出力電圧Ｅの値があれば水位の位置を判定可能であり、時間推移の情報はなくても良い。

【0043】

水位判定手段７は、第二に水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５のそれぞれの測温部５０の差動型熱電対６の出力電圧Ｅの時間推移を記録し、水面が水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５のいずれかの測温部５０の位置を通過した時に測温部５０の差動型熱電対６の出力電圧ＥがＥ_Ｍとなることを検出して水面の通過判定を行なう。例えば、図１において、水面がＡ→Ｂ→Ｃへと低下していく場合には、図３に示すように水位計測管１２、１３の測温部５０の差動型熱電対６の出力電圧Ｅだけに値Ｅ_Ｍが現れるため、水面は水位計測管１２、１３の測温部５０をこの時間に通過していると判定できる。したがって、水位判定手段７は、水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の測温部５０の作動電圧の出力電圧Ｅの時間推移を用いた通過判定を組み合わせることで、図１において、水面がＡ→Ｂ→Ｃへと低下した場合の水位が水位計測管１２、１３の測温部５０より下側で水位計測管１４、１５の測温部５０より上側と判定することができる。このように、本実施形態においては、温度差計測部を構成する作動熱電対６の温接点とその上下の２つの冷接点からなる３つの接点の間の温度差により発生する出力電圧Ｅに基づいて、水位計測管１０，１１，１２，１３，１４および１５の各測温部５０において液面の位置を判定する。

【0044】

すなわち、本実施形態においては、深さ方向の位置が異なる複数の水位計測管１０、１１，水位計測管１２、１３および水位計測管１４、１５による状態判定に加えて、水位計測管１０，１１，１２，１３，１４および１５のいずれか一つだけでも通過判定により水面（液面）の通過を判定することができる。このため、水位計測管１０，１１，１２，１３，１４および１５のいずれかに損傷や劣化が生じ、あるいは振動や電磁波ノイズなどにより出力電圧が異常となった場合でも、水位計測管１０，１１，１２，１３，１４および１５のうち正常なものの通過判定により水面（液面）の通過を確実に検出することができ、水面（液面）の位置を高い信頼性で特定できる。

【0045】

以上の通り、水位判定手段７は、状態判定および通過判定の２種類の判定を行うことで、水位が水位計測管１０、１１、水位計測管１２、１３および水位計測管１４、１５のどの測温部５０の間にあるかを高い信頼性で特定できる。

【0046】

以上説明したように、本実施形態によれば、水面位置の変化に伴う水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５の差動型熱電対６の出力電圧の時間推移を出力測定手段９で測定し分類した後、水位判定手段７で状態判定および通過判定を行うことで、水位を高い信頼性で特定することができる。

【0047】

本実施形態において、図１では測温部５０の深さ方向の位置が同一となるように設置される水位計測管を信頼性向上のために２つであるとしているが、設置される水位計測管の数は１つでもよく、あるいは３つ以上でも構わない。

【0048】

また、図１では測温部５０の深さ方向の位置が異なるように設置されるのは水位計測管１０、１１、水位計測管１２、１３、水位計測管１４、１５の３種類であるが、設置される水位計測管の深さ方向の位置に制限はなく、３種類未満もしくは３種類以上設置しても良い。深さ方向の測温部５０の位置が異なるように水位計測管を数多く設置することで、多数の出力を得ることができ、このような多数の出力を用いることで高い信頼性で水位を特定できる。

【0049】

さらに本実施形態において、水位計測管１０、１１は測温部５０の深さ方向の位置が同一であることから、水位計測管１０、１１の差動型熱電対６の出力電圧Ｅについて平均値や中間値、標準偏差、最大値や最小値などの統計量を求めて出力電圧Ｅとすることで出力の信頼性を向上できる。また、水位計測管１０、１１のそれぞれについて気中または水中のどちらに存在するかを判定した後、多数決、Ｎ／Ｍ（Ｎ：事象数、Ｍ：総数）あるいはＮ、論理積や論理和（例えば、水中：１、気中：０に割り当てるなど）の論理値、を求めることで信頼性を向上できる。

【0050】

同様にして、水位計測管１２、１３、水位計測管１４、１５についても差動型熱電対６の出力電圧Ｅの統計量や多数決、Ｎ／ＭあるいはＮ、論理値などを求めて出力電圧Ｅとすることで出力の信頼性を向上できる。そして、これら統計量や多数決、Ｎ／ＭあるいはＮ、論理値から求めた出力電圧Ｅを出力測定手段９で測定して分類し、水位判定手段７で状態判定および通過判定を行うことで、水位が水位計測管１２、１３と水位計測管１４、１５の測温部５０の間にあることが高い信頼性で特定できる。

【0051】

また、本実施形態において、測温部５０に配置される発熱手段１を、電流が流れることでジュール発熱するとともに温度に比例して抵抗値が変化する測温抵抗体とし、その抵抗値を測定して温度を求めることでそれぞれの測温部５が水中または気中のどちらに存在するかを判定するように構成してもよい。このような測温抵抗体となる発熱手段１の線材としては、例えば、白金、ニッケル、銅等がある。

【0052】

なお本実施形態においては、出力電圧ＥについてＥ_Ｍ＞Ｅ_Ｗとなる例を示したが、水面位置による出力電圧Ｅは、差動型熱電対６に用いる金属の種類や接続方法により変化するため、差動型熱電対６に用いる金属の種類や接続方法によっては必ずしもＥ_Ｍ＞Ｅ_Ｗとはならない。本実施形態においては、水面位置に伴う出力電圧Ｅの変化を検知できる範囲において、Ｅ_ＷとＥ_Ｍの大小関係にかかわらず、差動型熱電対６に用いる金属の種類や接続方法を任意に選択できる。

【0053】

図４は図１乃至図３で説明した本実施形態の水位計測装置を沸騰水型の原子力プラントに適用した一例を示す、本実施形態に係る原子力プラントの概要図である。

【0054】

本実施形態にかかる原子力プラント６０は、炉心６１と、炉心６１に配置される中性子計装管６２と、炉心６１と中性子計装管６２を内部に格納する原子炉圧力容器６３、および水位計測装置１００を備える。

【0055】

炉心６１には図示しない燃料や中性子計装管６２などが設置されており、核分裂反応によってエネルギーを生成する炉である。

【0056】

中性子計装管６２は図示しない中性子測定器を炉心６１内に案内する円筒部材である。本実施形態にかかる原子力プラント６０では、さらに中性子計装管６２の内部に水位計測装置１００の水位計測管６５が複数設置される。水位計測管６５は水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５と寸法や本数は異なるが、材料や構造は同一である。原子炉圧力容器６３は炉心６１、中性子計装管６２、冷却材６４、水位計測管１００を有する耐圧容器である。原子炉圧力容器６３の内部には炉心６１を冷却するための水などの冷却材６４を収容するように構成されている。

【0057】

中性子計装管６２の中には、水位計測装置１００の水位計測管６５が、原子炉圧力容器６３の底面部から原子炉圧力容器６３の上部に向かって配置されており、水位計測装置１００により原子炉圧力容器６３内における冷却材６４の水位（液面位置）を計測することができる。

【0058】

このように、本実施形態に係る原子力プラント６０によれば、図１乃至図３の水位計測装置１００を用いて原子炉圧力容器６３の内部の水位を計測するように構成したので、原子炉圧力容器６３内の冷却材の水位（液面位置）を高い信頼性で特定することができる。

【0059】

本実施形態においても、図１乃至図３で説明した場合と同様に、中性子計装管６２の内部に備えられる水位計測管６５の本数や、深さ方向の位置について制限はなく、好適なものを用いることができる。図４の例では、中性子計装管６２として中性子計装管６２ａから６２ｄを設けており、中性子計装管６２ａ、６２ｂにはそれぞれ２つの水位計測管６５を、中性子計装管６２ｃには１つの水位計測管６５を、中性子計装管６２ｄには３つの水位計測管６５を設けている。

【0060】

さらに本実施形態においては、原子炉圧力容器６３の底面部から原子炉圧力容器６３の上部に向かって水位計測管を配置したが、水位計測管６５の配置方向は測定対象となる原子力プラントに合わせて、適宜変えてもよい。

【0061】

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態にかかる水位計測装置の構成図である。この第２の実施形態の各部について、図１から図４の第１の実施形態の各部と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明は省略する。

【0062】

本実施形態は測温部５１において発熱手段として測温抵抗体１６と、温度差計測部として差動型熱電対２０をさらに設け、発熱手段と温度差計測部をそれぞれ二重化したものである。特に本実施形態においてはさらに、一対の発熱手段のうち一方を測温抵抗体１６とし、測温抵抗体１６の抵抗値から温度を演算する温度演算手段２１を電源８に接続するものである。

【0063】

すなわち本実施形態にかかる水位計測装置１００は、それぞれ測温部５１を収納し伝熱物質が充填された水位計測管２２、２３、２４と、発熱手段１と平行して配線された測温抵抗体１６と、出力判定手段９に接続される差動型熱電対２０と、電源８と接続されて測温抵抗体１６の抵抗値を測定して抵抗値から水位計測管２２、２３、２４の測温部５１の温度を求める温度演算手段２１と、を備えている。

【0064】

水位計測管２２、２３、２４は、測温部５１の深さ方向の位置が異なるように配置される。また水位計測管２２、２３、２４は水位計測管１０、１１、１２、１３、１４、１５と寸法は異なるが、材料や構造は同一である。

【0065】

測温部５１は発熱手段１、測温抵抗体１６、差動型熱電対６、差動型熱電対２０を収納する。図６は第２の実施形態にかかる水位計測装置１００の測温部５１の構成図である。図６において、図１から図５で示した構成要件に対応する構成要件には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

【0066】

測温抵抗体１６は電源８に接続され水位計測管２２、２３，２４の内部の測温部５１に配置される線材であり、電流が流れることでジュール発熱し、温度に比例して抵抗値が変化する。すなわち、測温抵抗体１６は、その抵抗値を測定することで温度を求めることができ、温度センサーとして用いることがきる。測温抵抗体１６の線材としては、例えば、白金、ニッケル、銅等がある。

【0067】

差動型熱電対２０は差動型熱電対６と平行に配線され、３つの接点は深さ方向の高い側から、上側の冷接点１７、中間位置の温接点１８、下側の冷接点１９の順に配置される。差動型熱電対２０の各接点は差動型熱電対６の上側の冷接点２、中間位置の温接点３、下側の冷接点４と対応して同じ高さである。差動型熱電対２０は差動型熱電対６と同一の構造であり、同様の金属や種類のものを用いることができる。水面と差動型熱電対２０の出力の関係は差動型熱電対６と同様である。

【0068】

温度演算手段２１は、電源８と接続され、測温抵抗体１６の抵抗値を測定し、予め記憶している測温抵抗体１６の抵抗値と温度の関係から温度を求める演算部である。抵抗値の測定方法としては２端子法や４端子法などの公知の方法が使用できる。

【0069】

このような構成からなる本実施形態にかかる水位計測装置１００の作用について以下に述べる。

【0070】

電源８を一定時間だけ通電して水位計測管２２、２３、２４の発熱手段１および測温抵抗体１６を発熱させる。水位計測管２２、２３、２４では差動型熱電対６および２０の２つからの水位変化に伴う出力電圧Ｅを得ることができるため、第１の実施形態と同様に状態判定と通過判定を行うことで水位を判定できる。

【0071】

さらに温度測定手段２１では、水位計測管２２、２３、２４の測温抵抗体１６の抵抗値を測定し、予め記憶している測温抵抗体１６の抵抗値と温度との関係からそれぞれの測温部５１の温度を求める。温度測定手段２１は、水位計測管２２、２３、２４の測温部５１における測温抵抗体１６により求めた温度からそれぞれの測温部５１が水中または気中のどちらに存在するかを判定する。水位計測管２２、２３、２４の温度が異なる測温部５１の間に位置に水面があることから、水位判定を行うことができる。

【0072】

水位判定手段７の状態判定および通過判定に加えて、測温抵抗体１６により測定した測温部５１の温度を用いて水位を判定することにより、高い信頼性で水位を特定できる。

【0073】

以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、発熱手段として測温抵抗体１６を用いることで抵抗の測定値から測温部５１の温度を測定できる。そして、状態判定と通過判定に加え、さらに測温部５１の温度から測温部５１が気中または水中のどちらに存在するかを求めて水位を判定することで、高い信頼性で水位を特定できる。

【0074】

また水位計測管２２、２３、２４内に発熱手段１に加え測温抵抗体１６を配置することで、発熱手段１に損傷や劣化が生じた場合でも、測温抵抗体１６が発熱することで水位計測管２２、２３、２４内の差動型熱電対６および２０から出力電圧Ｅを得られ、測温部５１の出力電圧Ｅを求めることができる。このため、高い信頼性で水位が特定できる。

【0075】

さらに、深さ方向の測温部５１の位置が同一となるように差動型熱電対を数多く設置し、平均値や中間値、標準偏差、最大値や最小値などの統計量や多数決、Ｎ/ＭあるいはＮ、論理値を求めて出力とすることで出力の信頼性を向上できる。そして、これら統計量や多数決、Ｎ/ＭあるいはＮ、論理値から求めた出力を用いることで高い信頼性で水位を特定できる。

【0076】

（第３の実施形態）
図７は本発明の第３の実施形態にかかる水位計測装置１００の構成図である。この第３の実施形態の各部について、図１から図６の第１、第２の実施形態の各部と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明は省略する。

【0077】

本実施形態は測温部５２において断熱層２６の熱伝達率を調整することで、差動型熱電対６による出力を４値に分類するものである。

【0078】

すなわち本実施形態にかかる水位計測装置１００は、電源８で発熱手段１を発熱させた時の測温部５２の差動型熱電対６の出力を測定して測温部５２と水面との位置関係で４値に分類する出力測定手段９と、４値の出力から測温部５２の気中状態、水中状態の判定、水面が通過した測温部５２の判定および水面の変化方向の判定をすることで水面位置を特定する水位判定手段２５と、測温部５２内に配置される断熱層２６が構成される。

【0079】

図８は第３の実施形態にかかる水位計測装置１００の測温部５２の構成図である。図８において、図１から図７で示した構成要件に対応する構成要件は同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

【0080】

測温部５２において、断熱層２６は第１、第２の実施形態の断熱層５と同様の構成となっている。つまり断熱層２６は気体が封入された空間、または熱伝達率が低い材料または真空で構成される。本実施形態にかかる水位計測装置１００では、断熱層２６へ封入する気体の種類と量、あるいは断熱層２６の厚さを調整し、差動型熱電対６の温接点３における熱伝達率を設定する。すなわち水中状態での温接点３の熱伝達率を気中状態での冷接点２、４の熱伝達率よりも大きく、かつ水中状態での冷接点２，４の熱伝達率よりも小さな値となるように設定する。

【0081】

水位判定手段２５は、出力測定手段９と接続され、水位計測管１０、１３、１４の差動型熱電対６の出力から測定対象の水位を判定する信号処理部である。水位判定手段２５は専用のデジタル回路やアナログ回路、汎用のＦＰＧＡやＰＬＡ、処理ソフトウエアを備えた汎用計算機で構成される。

【0082】

このような構成からなる本実施形態にかかる水位計測装置１００の作用について以下に述べる。

【0083】

図９は第３の実施形態にかかる水位計測装置１００の水面位置と出力電圧の関係を示す図である。図９において、図１から図８で示した構成要件に対応する構成要件には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

【0084】

電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１３、１４の発熱手段１を発熱させる。水面と差動型熱電対６の出力の関係は以下となり、４値に分類できる。

【0085】

(１)水面の位置が下側の冷接点４の位置よりも低い場合
水面の位置が下側の冷接点４の位置よりも低い場合、上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４の３点の位置は全て気中であり、３つの接点での熱伝達の状態は同一となる。

【0086】

そのため、上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４は全て同一となり、Ｔ_ＣＵ＝Ｔ_ＣＤ≒Ｔ_Ｈとなる。従って、差動型熱電対６の出力電圧Ｅはゼロ、もしくは相対的に小さくなる。この時の出力電圧Ｅの値をＥ_Ａとする。

【0087】

(２)水面の位置が温接点３と下側の冷接点４の間の位置である場合
水面の位置が温接点３と下側の冷接点４の間の位置である場合、上側の冷接点２および温接点３の２点は気中であり、２つの接点での熱伝達の状態は同一でとなる。一方、下側の冷接点４の位置は水中となり、気中時と比べて熱伝達が大きい。

【0088】

そのため、発熱手段１の発熱時には、Ｔ_ＣＵ≒Ｔ_Ｈ＞Ｔ_ＣＤとなる。この時の差動型熱電対６には温接点３と下側の冷接点４との温度差で出力電圧Ｅが生じる。この時の出力電圧Ｅの値をＥ_Ｍとする。

【0089】

(３) 水面の位置が上側の冷接点２と温接点３の間の位置である場合
水面の位置が上側の冷接点２と温接点３の間の位置である場合、上側の冷接点２は気中で、温接点３および下側の冷接点４の２点は水中となる。この時、下側の冷接点４は水中にあるため気中時と比べて熱伝達が大きくなる。また温接点３の熱伝達の状態は気中に置かれた上側の冷接点２より大きく、水中に置かれた下側の冷接点４より小さくなる。

【0090】

そのため、発熱手段１の発熱時には、Ｔ_ＣＵ＞Ｔ_Ｈ＞Ｔ_ＣＤとなる。この時の差動型熱電対６には温接点３と下側の冷接点４の温度差と、さらに上側の冷接点２と温接点３の温度差の和に応じた出力電圧Ｅが生じる。この時の出力電圧Ｅの値をＥ’_Ｍとする。

【0091】

(４)水面位置が上側の冷接点２の位置よりも高い場合
水面位置が上側の冷接点２の位置よりも高い場合、上側の冷接点２、温接点３、下側の冷接点４の３点は全て水中なるが、温接点３の熱伝達の状態は水中に置かれた冷接点２、４より小さく、気中に置かれた冷接点２、４より大きくなる。

【0092】

そのため、発熱手段１の発熱時には、Ｔ_Ｈ＞Ｔ_ＣＵ＝Ｔ_ＣＤとなる。この時の差動型熱電対６には温接点３と上側の冷接点２の温度差と、温接点３と下側の冷接点４の温度差の和である出力電圧Ｅが生じる。この時の出力電圧Ｅの値をＥ’_Ｗとする。

【0093】

上記の（２）の場合におけるＴ_ＣＵまたはＴ_ＨとＴ_ＣＤの温度差は、（３）の場合におけるＴ_ＣＵとＴ_Ｈの温度差とＴ_ＨとＴ_ＣＤの温度差の和よりも大きい。したがって差動型熱電対６における出力電圧Ｅは、Ｅ_ＭのほうがＥ’_Ｍと比較して大きな値となる。

【0094】

水面位置が図７の水面Ａの時、水位計測管１０の測温部５２は気中にあることから、出力測定手段９での水位計測管１０の差動型熱電対６の出力はＥ_Ａとなる。また、水位計測管１３、１４の測温部５２は水中にあることから、出力測定手段９での水位計測管１３、１４の差動型熱電対６の出力はＥ’_Ｗとなる。

【0095】

次に水位が低下して水面位置が図７の水面Ｄの時、電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１３、１４の発熱手段１を発熱させる。水位計測管１０、１４の測温部５２では水位変化がないことから、水位計測管１０、１４の差動型熱電対６には出力変化はないが、水位計測管１３では水面Ｄが上側の冷接点２と温接点３の間になることから、出力測定手段９での水位計測管１３の差動型熱電対６の出力はＥ’_Ｍになる。

【0096】

続いて水位が低下して水面位置が図７の水面Ｂの時、電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１３、１４の発熱手段１を発熱させる。水位計測管１０、１４の測温部５２では水位変化がないことから、水位計測管１０、１４の差動型熱電対６には出力変化はないが、水面Ｂが下側の冷接点４と温接点３の間になることから、出力測定手段９での水位計測管１３の差動型熱電対６の出力はＥ_Ｍになる。

【0097】

さらに水位が低下して水面位置が図７の水面Ｃの時、電源８を一定時間だけ通電して水位計測管１０、１３、１４の発熱手段１を発熱させる。水位計測管１０、１４の測温部５２では水位変化がないことから、水位計測管１０、１４の差動型熱電対６には出力変化はないが、水位計測管１３は測温部５２が気中になったことから、出力測定手段９での水位計測管１３の差動型熱電対６の出力はＥ_Ａになる。

【0098】

以上から水面がＡ→Ｄ→Ｂ→Ｃと変化した時、図９に示すように出力測定手段９では水位計測管１０、１３、１４の差動型熱電対６の出力電圧Ｅが記録される。

【0099】

水位判定手段２５では、第１、第２の実施形態と同様に水位計測管１０、１３、１４の差動型熱電対６の出力電圧Ｅから、それぞれの水位計測管の測温部５２が水中または気中のどちらに存在するかの状態判定を行なう。

【0100】

図７で水面がＡ→Ｄ→Ｂ→Ｃと変化した時、水面Ｃでは水位計測管１０、１３の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ_Ａ、水位計測管１４の差動型熱電対６の出力電圧ＥはＥ’_Ｗであることから、水位は水位計測管１３と水位計測管１４の測温部５２の間にあると判定できる。状態判定を行うときは、各測温部５２における出力電圧Ｅの値があれば水位の位置を判定可能であり、時間推移の情報はなくても良い。

【0101】

水位判定手段２５は、水位計測管１３のみに差動型熱電対６の出力Ｅ_ＭおよびＥ’_Ｍが現れて水面が測温部５２を通過していることから、水位は水位計測管１３と水位計測管１４の測温部５２の間にあると通過判定を行なう。

【0102】

水位判定手段２５ではさらに水位計測管１０、１３、１４の差動型熱電対６に現れるＥ_ＭおよびＥ’_Ｍの時間的順序から水面変化の方向判定を行う。図９に示すように、水位計測管１３の差動型熱電対６による出力電圧ＥはＥ’_Ｍ→Ｅ_Ｍの時間順で現れる。Ｅ_Ｍは温接点３と下側の冷接点４の間に水面がある時の差動型熱電対６の出力電圧Ｅであり、Ｅ’_Ｍは温接点３と上側の冷接点２の間に水面がある時の差動型熱電対６の出力電圧Ｅである。従って、Ｅ’_Ｍ→Ｅ_Ｍの時間順で現れると、水面が水位計測管１３の深さ方向を高い側から低い側へ変化したことになり、これより水面がＡ→Ｄ→Ｂ→Ｃと変化していると方向判定が可能である。

【0103】

以上のように水位判定手段２５による状態判定および通過判定に加えて水面変化の方向判定を行うことにより、水位が水位計測管１０、１３、１４のどの測温部５２の間にあるかを高い信頼性で特定できる。

【0104】

以上説明したように、本実施形態によれば、第１、第２の実施形態と同様の効果を奏するとともに、水面位置の変化に伴う水位計測管１０、１３、１４の差動型熱電対６の出力電圧Ｅの変化を出力測定手段９で測定し４値に分類した後、水位判定手段２５において水位の状態判定を行い、また記録された出力電圧Ｅの値から水面が通過した測温部５２を検出する通過判定を行って高い信頼性で水位を特定できる。

【0105】

さらに測温部５２の上側の冷接点２と温接点３の間に水面がある時と、測温部５２の温接点３と下側の冷接点４の間に水面がある時とで出力電圧Ｅが異なることから、記録された出力電圧Ｅの値と時間推移から水位変化の方向判定を行える。

【0106】

本実施形態において、図７では測温部５２の深さ方向の位置が異なるように設置される水位計測管は３つであるが、設置される水位計測管の数は３つ以上でも３つ未満でも良い。

【0107】

なお本実施形態においては、出力電圧ＥについてＥ_Ｍ＞Ｅ’_Ｍ＞Ｅ’_Ｗとしたが、水面位置による出力電圧Ｅの大小関係は、差動型熱電対６に用いる金属の種類や接続方法により変化する。そのため水面位置に伴う出力電圧Ｅの変化を検知できればよく、Ｅ_Ｍ＞Ｅ’_Ｗ＞Ｅ’_ＭやＥ’_Ｗ＞Ｅ’_Ｍ＞Ｅ_Ｍなどその他の大小関係となっても良い。

【0108】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0109】

１・・・発熱手段
２・・・上側の冷接点
３・・・温接点
４・・・下側の冷接点
５・・・断熱層
６・・・差動型熱電対
７・・・水位判定手段
８・・・電源
９・・・出力測定手段
１０，１１,１２,１３,１４,１５・・・水位計測管
１６・・・測温抵抗体
１７・・・上側の冷接点
１８・・・温接点
１９・・・下側の冷接点
２０・・・差動型熱電対
２１・・・温度演算手段
２２，２３，２４・・・水位計測管
２５・・・水位判定手段
２６・・・断熱層
５０・・・測温部
５１・・・測温部
５２・・・測温部
６０・・・原子力プラント
６１・・・炉心
６２・・・中性子計装管
６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ・・・中性子計装管
６３・・・原子炉圧力容器
６４・・・冷却材
６５・・・水位計測管
１００・・・水位計測装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】