測量外罩內氣體壓強和/或摩爾質量的方法及測量組件的製作方法

2023-12-10 00:32:16 2

專利名稱：測量外罩內氣體壓強和/或摩爾質量的方法及測量組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的主題所述的方法。還涉及一種如
權利要求7的主題所述的組件。
背景技術：
人們希望能夠獲取充滿氣態混合物的圓柱形外罩內的壓強值，例
如為了測量核電廠反應堆的燃料棒的內部壓強。
人們還希望能夠確定前面所述的氣體混合物的摩爾質量。 為了獲得這類型的信息， 一般地，需要利用破壞性方法，例如刺
穿外罩。
也可以利用基於放射性示蹤劑氣體(例如氪85)的存在的方法。 然而，當人們希望測量包含相同的放射性示蹤劑的一捆管子中的一部 分的管子內的壓強時，這些方法不可用。
從FR2 739 925我們知道聲學傳感器包括
-至少一個換能器(transducer)，用於產生聲波和/或反過來接收 聲波；
-玻璃棒，用來傳輸聲波，以及
-具有棒(rod)的傳感器的液體接合層，該層具有限定的厚度A74， X對應於所述棒的壁的聲學厚度的兩倍。
該傳感器使得能夠根據換能器中反射的波的振幅，來得到燃料棒 的空體積內的氣體的壓強。
然而，該傳感器具有缺點。
首先，其只能夠測量氣體的壓強，而不能測量其摩爾質量。 而且，X/4的液體接合層使得聲波在棒中很好地傳輸，但是只是在
由傳感器和棒形成的堆疊的共振(resonance)頻率附近的小的頻率區間內。另外，氣體的共振的振幅當然對壓強特別敏感，但也對擾動或不 易知到的尺寸敏感，例如氣體的吸收或棒的壁的裂紋。因此，即使經 過校準，測量的精度也是低的。
最後，該測量方法不能對包含有引起波發散的對象，例如彈簧的 棒起作用。
因此，WO 00/73781公開了一種外罩，其特徵技術為具有一個遠 程傳感器(非接觸的，如FR2 739 925)，其通過外罩(不是氣體，如 FR2 739 925)的震動而工作，並且比FR 2 739 925公開的頻率範圍小 的多。

發明內容
本發明在於消除上述至少一個缺點。
為此，本發明提供一種根據權利要求1所述的方法。
本發明有利地具有從屬權利要求2至6中所述的特徵。
本發明還涉及一種實現此方法的組件。
具體地，本發明提供一種根據權利要求7所述的組件。
本發明優選地具有從屬權利要求8至12中所述的特徵。
本發明表現出了很多優點。
新的"傳感器-外罩"的接合使得能在比現有技術更寬的頻譜帶內 進行傳輸。由外罩形成的聲學棧、接合層和換能器可以在寬的頻帶內 振動。優選地，對於在4MHz的附近振動的鋯合金的當前外罩壁，帶 寬必須達到lMHz，或者25%的相對值。
寬帶傳感器能夠激發氣體的很多共振。氣體的多個共振的激發使 得能夠通過合適處理(特別是利用氣體的頻譜響應的積分J)的平均效 應，來防止氣體的吸收，並且很大程度上遠離外罩的不完美性。
傳感器使得能夠顯著地增加壓強測量的精度。
傳感器和相關的測量方法使得能夠對包含彈簧的外罩進行測量， 然後此彈簧的影響被簡單地認為成另外的衰減。
而且，該寬帶測量方法能夠增加聲波的波速的測量精度，還能夠 增加氣體混合物的摩爾質量的測量精度。
該傳感器和測量方法具有很多應用。它們使得能夠在使用中和在存放時對核燃料棒進行測試。 它們使得可以對核燃料棒中的氣體，特別是主要包含氦、氙和氪 的氣態混合物的氣體，的壓強和摩爾質量進行非破壞性的測量。測量 在燃料柱的膨脹室內，在維護彈簧處，在棒的頂部進行。
該測量方法可以在停工時周期地在池中實施。該傳感器能夠 -檢測包含多個棒的組件中的一個或幾個非密封的燃料棒；
-有助於確定電廠組件的加料； -有助於在可逆存儲之前的確定； -增加對數字仿真的統計支持基礎。
此實施也可以以相同的目的進行非破壞性的熱室檢測(該室被屏 蔽以對活性材料進行操作)。


結合附圖，從下述僅示例性的和非限制性的說明書，可以得出本 發明的其他特點、目的和優點，其中
-圖1A和1B概要地圖示了兩個實施例，在外罩上有根據本發明
的傳感器的實例，每個傳感器和外罩形成聲學堆棧；
-圖2概要地圖示了根據頻率的前述聲學堆棧的電阻抗；
-圖3A圖示了根據頻率的未濾波的電壓的實部和虛部的曲線；
-圖3B圖示了顯示為校正過的氣體共振的響應的實例，換能器、
接合層和外罩1的響應被去除；
-圖4概要地圖示了傳感器的實施例的實例的主要步驟； -圖5為傳感器的校準曲線的實例。 在所有附圖中，相似的元件用相同的標號來表示。
具體實施例方式
在圖1A和1B中，概要性地示出了包含氣體2的外罩1。 外罩1為例如燃料棒，氣體2為例如氦或氣體混合物。 外罩1支撐聲學傳感器。
傳感器連接到外罩上，因而形成由傳感器和外罩形成的組件。 聲學傳感器能夠測量氣體2的至少一個物理參數，例如外罩中的 氣體的壓強和/或摩爾質量。聲學傳感器包括
-至少一個換能器5，以用來
一方面，產生震動外罩和氣體的聲學信號，並且 另一方面，檢測氣體和外罩的震動的聲學響應信號特徵；
-接合層6，其在換能器5和外罩1之間；
-電系統8，其連接到換能器5並且使得
激勵所述換能器5，並且
分析響應信號。
一般地，外罩具有圓柱旋轉形狀——這是特別針對例如燃料棒的 情形。
然而，可以理解，外罩可以具有任何的圓柱形狀，例如具有平行 平面。
在圓柱旋轉形狀的情況下，優選地，所有的傳感器的元件是同中心的。
換能器5可以包括靠背(back) 7。靠背7對於聲學信號有反射或 吸收的能力，對傳感器的聲學特性有影響。共振靠背的使用必須不破 壞傳感器的頻譜使用帶。
系統8將電信號傳輸到換能器5。換能器5將電信號轉換為聲學信 號，反之亦然。為此，換能器5傳統地為壓電式類型(例如，PZT材 料——鉛鋯鈦氧化物)。
接合層6可以是多種形式，例如液體或固體。其包含在由換能器5 的內面、外罩1的外面和插入到這兩個面之間的楔子9限定的體積內。 楔子9在層6為固體的情況下是可選的。
在層6為固體的情況下，必須保證通過連接(splicing)或通過液 體接合器的非常薄的層，將聲波良好地傳輸到界面上。如果這些薄層 的作用不是可以忽略的，那麼它們應當包括到下述表1中所建議的通 過時間中。
當傳感器放置到外罩1上時，出現了由外罩1的壁10、接合層6 和換能器5形成的聲學棧(acoustic stack)。外罩1的壁10和換能器5 具有很大的聲學阻抗，而氣體2和接合層6具有小的聲學阻抗。根據本發明，在壁10的自由共振頻率處，壓電材料5和接合層6
可以是各種厚度。
該協定是(agreement)根據聲學波在層6的傳播時間來限定的。 Tio是聲波從外罩l的壁10的傳播時間，T^eh。油g/Ch幅ing， eh。using
和Ch。u^g分別是壁的厚度和聲波在該壁中的波速。那麼此壁的第一個
自由共振周期為2Tn)。我們稱此共振為A72模式。
丁5是聲學波從換能器5的傳播時間。換能器5必須以與壁10相同
的頻率以相同的模式A72振動，因此換能器5的厚度為使得Ts等於T10。 換能器的聲學阻抗對於PZT為接近30 106 PA.s.m _3。 接合層6的厚度也從Tu)確定。可以考慮幾種情況。
接合層的聲學阻抗io6 國際單位(SI，Pa.s.m勺傳播時間 T6=[n-(1/2)]T10傳播時間 T6=nT10
0.5 <Z<3窄帶寬帶
3 <Z< 15寬帶
表l
n為整數，優選地等於l。
在水中(Z=1.5 106SI)傳播時間T6等於Tn)/2 (厚度稱為X/4)的 情況對應於FR2 739 925中公開的傳感器。這是"窄帶"系統。
傳播時間的精度必須是標準組件上的±20%;然而傳播時間變得越 接近所述表中的條件，測量的再現性越大，因為測量會達到傳感器的 響應的極值。
對於具有聲學阻抗在0.5 106和3 106SI (例如液體的情況)之間的 接合層，這些精度給出了在0.4入和0.6人之間的聲學厚度，其中X是在 接合層中，在外罩1的壁10的自由振動頻率/o上的波長，其中/0 =
同樣，對於具有在3.104l和15.166SI (例如固體的情況)之間的 聲學阻抗的接合層，獲得的層的聲學厚度在0.2人和0.3X之間，其中人 是在接合層中，在外罩l的壁10的自由振動頻率/o上的波長。
圖2示出了工作在反射中的傳感器的阻抗(為圖1A的組件的情 況)。中心頻率——即自由壁10的共振頻率——為4MHz的0.3MHz的帶寬對應於非常不能令人滿意的傳感器。優選地，帶寬在中心共振
頻率的20%附近，或者甚至25%。
標記為"寬帶"的兩種情況對應於根據本發明的寬帶傳感器。聲 學傳感器設計為在寬頻譜帶內都具有敏感性，而不是在僅僅一個頻率 上具有高的敏感性。
更一般地，我們稱"寬帶"為一個帶寬，該帶寬使得產生至少兩
個，優選地為IO個左右的氣體共振。
換句話說，聲學傳感器的特徵為其用於傳輸的聲學信號的頻帶具
有寬度L:
L2三
其中c為在外罩的氣體中的聲波的波速，而D為外罩的內徑，傳 輸頻帶的中心為/Q， /。為用於測量/Q的傳感器所連接到的的外罩的壁的 自由振動頻率。
下面將很快地描述傳感器的導電部分。換能器5為例如PZT (鉛 鋯鈦氧化物)瓷片(tile)。換能器5也可以是壓電聚合體合成物。通 過減少傳感器的品質因數，這些換能器可以拓寬傳感器的頻譜使用頻 帶。
換能器5通過導電線纜80連接到系統8。
系統8 —方面包括電壓發生器，另一方面包括一裝置，該裝置用 於測量由傳感器根據頻率提供的電壓V(f)，或者其對電壓脈衝的時間 響應V(t)。這些測量使得能夠確定外罩中的氣體的壓強和摩爾質量， 如下面參照圖4所述。
本發明的第一個步驟41包括，例如利用系統8利用在可用範圍內 的可調整的頻率用正弦電壓U來激勵換能器5。由此，用圖3A的電壓 V(f)來得到頻率響應譜。
第一步驟(步驟42)的另一個可能性在於通過一系列脈衝來激勵 換能器5。獲得電壓V(t)。需要對來自換能器5的電信號進行傅立葉變 化來得到如先前一樣的系統的頻率響應譜V(f)。
複合譜V(f)(步驟43)構成了信號處理的起點。
如圖4所示，然後從上述兩個歩驟產生頻譜的處理被結合起來。傳感器的整體(global)響應由氣體2的共振以及連接到外罩1的
聲學傳感器的共振構成。
然而，由於外罩1中的徑向固定波(radial stationary wave)，氣體
2的共振根據頻率是周期性的。因此它們很容易區分並且可以從其他共 振分離出來。
由氣體2造成的共振對應於圖2的曲線上的峰值20。 在步驟44，對圖2的複合頻譜進行數學變換，以獲得實際曲線 X(f)，其中氣體的共振單獨出現並且經過校正，換能器5、層6和外罩 1的共振被去除(如圖3B)。對傳感器的頻譜響應的數字處理是必要 的，以校正氣體的共振的可變相位。 一個可能的處理為從V(f)中減去 緩慢變化的部分(例如通過在時間空間中消減)，然後對信號取模。
步驟53為測量氣體的至少兩個共振頻率之間的間隙A/。然後從所 述間隙A/得到氣體中的聲波的波速"取決於用一個或兩個傳感器來進 行測量，可能發生兩種情況。
1) 在圖1A中，換能器5是唯一的並且工作於"反射"中。其朝 著外罩產生聲波，並且接收來自外罩1的聲波。在此情況下，氣體中 的聲波的波速c從以下得到
c = 2DA/
其中D是在圓柱旋轉外罩的情況下外罩的內徑。在外罩具有平行 的平面的情況下，應理解為D指的被外罩的兩個壁之間的波所穿越的 內尺寸。
2) 在圖1B中，圍繞外罩安裝有兩個對稱地位於外罩1的兩側的 傳感器。換能器5產生振動外罩和氣體的聲學激勵信號，另一個換能 器5檢測響應振動。此組件的關鍵在於分離激勵信號的響應信號。在 此情況下，氣體中的聲波的波速c從以下得到
c = W
在兩種情況下，如果測量多個共振之間的間隙A/(例如在圖2的 峰值20之間的多個間隙的平均值)，可以得到更好的精度，或者如果 通過對共振位置進行數學處理來確定間隙A/ (—個可能的處理為例如 用傅立葉類型的變換)，因此需要一種能夠在寬的頻譜帶內激勵氣體 的系統。步驟53可以對從步驟43得到的複合頻譜V(f)進行處理，但是優 選地是對從步驟44得到的實際響應X(f)進行處理，對其可以使用周期 搜索方法。
在步驟63，可以從由步驟53得到的波速c來計算氣體的摩爾質量
其中R為理想氣體的常數，Y為理想氣體的比熱率，T是溫度。 上述關係適用於理想氣體。在混合氣體的情況下，可以導出從實 際氣體的等式得到的修正。
在單原子氣體的二元混合物的情況下，例如氦-氙混合物，測量摩
爾質量能夠直接推導混合物的質量成分X，因為
M二xM義e + (l-x)M報 其中，M^和M^是氙和氦的原子質量。 步驟54能夠測量氣體的壓強。測量原理如下。 從圖3B的響應X(f)觀察到的氣體的共振振幅與外罩1中的氣體的 聲學阻抗成比例，使得利用下述的步驟能夠得到壓強。
氣體的聲學阻抗Zgaz(f)，例如在具有平行平面的剛性腔中，被寫作
Zgaz(f)= T^S^ 其中P力氣體的密度，c為氣體的波速，/2=-1， A:=- ，
"為氣體的吸收係數，
D為外罩的內尺寸。
對於共振，氣體的聲學阻抗的積分/具有獨立於氣體的吸收的特
性。其實際上表示為
J g。' J 2Z)
當然，從曲線X(f)觀察到的氣體的共振的振幅不是對氣體的阻抗 的衡量，而是由傳感器的相關靈敏度S(f)來調製，其函數取決於頻率。 因此不能僅從測量氣體的一個共振來獲得壓強。傳感器的相關靈敏度S(f)是傳感器的一個穩定的特性，對出現在傳 感器的觀察窗裡的所有共振進行的積分/的總和，稱為STG (氣體的 總靈敏度)的大小為單獨取決於氣體的大小。
其中，&是針對氣體的第n個共振頻率的傳感器的相關靈敏度。 此大小不需要精確地知道，因為傳感器需要校準。在傳感器在寬 度F的窗口中敏感的理想情況下，其中靈敏度是等於S的常量，那麼
其中m是窗口中出現的共振的個數。 因為共振距離
那麼
屍 2￡>F
對於理想氣體
其中，
屍
對氣體的總靈敏度變為
c
其中Y為理想氣體的比熱率。
理想地，STG測量值與氣體的壓強成比例。需要有寬帶的傳感器 以在積分窗口有很多的共振並且穩定積分。
在步驟54，與上述理想情況相似，計算傳感器的靈敏度區域F中 的實驗性的頻率響應X(f)的積分J:
T為氣體的基本共振周期，n為所選擇的諧波的次序(order)。最有利的是n-l的情況。
此積分是與P/c成比例的，並且如果知道常數Z，就能測量壓強P。
然而，常數z是傳感器的特性。其不能以足夠的精度從傳感器的材 料的尺寸和性質得到。
此外，對積分J進行的理論和實驗性研究顯示出前述推理僅僅是 第一個近似。實際上積分J稍微取決於氣體的吸收，這使得函數J(p)
非線性(見圖5)。函數J(P)在高壓強(大約100巴(bars))下是準 線性的；然而，系統對於低壓(<20巴(bars))的響應消失，因為氣 體是非常有吸收力的。
總而言之，根據氣體的壓強P和自然屬性(以改變c)，只能通過 具有已知氣體的傳感器的現有校準來獲得函數J(P,c)。對於測量未知的 氣體，首先要在步驟53中得到c，然後在步驟64中，對于波速c，通 過讀取使用傳感器獲得的校準曲線來得到P。
權利要求
1、一種測量裝有氣體(2)的外罩(1)的至少一個物理參數的方法，所述方法通過聲學傳感器執行，所述聲學傳感器包括至少一個換能器(5)、連接到換能器(5)的電系統(8)以及用於將換能器(5)接合到外罩(1)的接合層(6)，所述方法包括步驟-利用換能器(5)產生激勵聲學信號，該激勵聲學信號在寬的頻帶中振動外罩(1)和氣體(2)，-用換能器(5)檢測外罩和氣體的振動的響應聲學信號特性；-利用系統(8)分析來自換能器(5)的響應電信號；所述方法的特徵在於，其包括如下步驟，利用系統(8)-測量從換能器(5)得到的電響應信號的振幅，以確定氣體(2)的所有共振頻率；-從傳感器的共振頻率組中提取氣體的共振頻率；-測量氣體的至少兩個共振頻率之間的間隙；-基於對所述氣體的測量，得到氣體中的聲波的波速c；-通過如下公式計算氣體的摩爾質量M<![CDATA[ M= RT c2 ]]>其中R為理想氣體的常數，T是溫度，γ為理想氣體的比熱率；和/或-計算外罩中的氣體的實際聲學響應信號X(f)的積分J，其中X(f)是氣體的共振單獨出現並且經過校正的實際曲線，換能器(5)、層(6)和外罩(1)的共振被去除；以及-根據對表示具有已知壓強和自然特性的氣體的曲線J(P，c)的現有校準，還利用在前述步驟中得到的波速，來從積分J的計算得到氣體的壓強P。
2、 根據權利要求1所述的方法，包括在系統(8)通過一系列瞬 時脈衝激勵換能器(5)的情況下的轉換步驟，該轉換步驟在頻率的空間內，對來自換能器(5)的目舞時，電信號進行傅立葉變換。
3、 根據權利要求1或2所述的方法，包括利用外罩(1)中的氣 體(2)的共振頻率是周期性的性質的步驟，以提取密閉空間中的氣體 的共振頻率。
4、 根據權利要求1到3中任意一項中所述的方法，其中-如果傳感器包括工作於反射中的單個換能器(5)，氣體中的聲波 的波速c通過如下得到c = 2DA/其中D為外罩的內尺寸，並且A/是氣體的兩個共振頻率之間的間 隙，以及-如果傳感器包括工作在傳輸中的兩個換能器(5)， 一個換能器產 生朝著外罩(1)傳播的聲波信號，另一個換能器檢測響應聲學信號，氣體中的聲波的波速c通過如下得到C/。
5、 根據權利要求1到4中任意一項中所述的方法，其中傳感器的響應的積分J通過如下計算 / =工可)cos(2一r)d/其中T為氣體的基本共振周期，n為所選擇的諧波的次序， 其中F是傳感器的靈敏度頻寬，X(f)是氣體的共振單獨出現並且經 過校正的實際曲線，換能器(5)、層(6)和外罩(1)的共振被去除， J對壓強敏感，該壓強可以通過校準來獲得。
6、 根據權利要求1到5中任意一項中所述的方法，其中所述頻帶 寬度為使得產生至少兩個，優選地為IO個左右的氣體共振。
7、 一種由聲學傳感器、包含氣體(2)的外罩(1)組成的組件， 當傳感器連接到外罩上時，所述組件能夠實現根據權利要求1到6所 述的方法，所述聲學傳感器包括-至少一個換能器(5)以用來一方面，產生振動外罩(1)和氣體(2)的聲學信號，以及 另一方面，檢測外罩和氣體的振動的響應聲學信號特性；■接合層(6)，以將換能器(5)連接到外罩(1);-電系統(8)，其連接到換能器(5)，並且 一方面，激勵所述換能器(5)，以及 另一方面，分析響應信號； 其特徵在於，用於傳輸聲學信號的所述聲學傳感器的頻帶具有寬 度L:其中c為在外罩的氣體中的聲波的波速，而D為外罩的內尺寸， 傳輸頻帶的中心為/o， /Q為在測量過程中傳感器所連接到的外罩 (1)的壁(10)的自由振動頻率。
8、 根據權利要求7所述的傳感器，其中接合層(6)具有 -在0.5 106和3 10681之間的聲學阻抗，以及-在0.4人和0.6人之間的聲學厚度，其中人是在接合層中在外罩(1) 的壁(10)的自由振動頻率處的波長。
9、 根據權利要求7所述的傳感器，其中接合層(6)具有 -在3 106和15 1(^SI之間的聲學阻抗，以及-在和0.3人之間的聲學厚度，其中X是在接合層中在外罩(1) 的壁(10)的自由振動頻率處的波長。
10、 根據權利要求7至9中任意一項所述的傳感器，其中換能器 (5)為壓電類型，聲學厚度等於0.5人，其中人是在換能器中在外罩(l)的壁(10)的自由振動頻率處的波長。
11、 根據權利要求10所述的傳感器，其中換能器(5)具有與外 罩(1)同中心的形狀。
12、根據權利要求7至11中任意一項所述的傳感器，還包括換能器(5)的靠背(7)，該靠背物能夠反射或吸收聲學信號。
全文摘要
本發明涉及一種測量外罩中的氣體的壓強和/或摩爾質量的方法，所述方法通過聲學傳感器執行，所述聲學傳感器包括至少一個換能器(5)、連接到換能器(5)的電系統(8)以及用於將換能器(5)接合到外罩(1)的接合層(6)，所述方法包括以下步驟利用換能器(5)產生激勵聲學信號，該激勵聲學信號在寬的頻帶中振動外罩(1)和氣體(2)；用換能器(5)檢測外罩和氣體的振動的響應聲學信號特性；利用系統(8)分析來自換能器(5)的響應電信號；以及基本上基於氣體(2)的共振頻率，來獲得氣體中的聲學信號的速度，氣體的摩爾質量和壓強。本發明還涉及一種實現該方法的組件。
文檔編號G01N29/036GK101646937SQ200880004690
公開日2010年2月10日 申請日期2008年1月25日 優先權日2007年1月26日
發明者D·勞克斯, D·巴龍, E·羅森克蘭茨, G·萊韋克, J-Y·費朗迪 申請人:法國國家電力企業;國家科學研究中心;蒙彼利埃第二科學與技術大學