专利名称：测量外罩内气体压强和/或摩尔质量的方法及测量组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的主题所述的方法。还涉及一种如
权利要求7的主题所述的组件。
背景技术：
人们希望能够获取充满气态混合物的圆柱形外罩内的压强值，例
如为了测量核电厂反应堆的燃料棒的内部压强。
人们还希望能够确定前面所述的气体混合物的摩尔质量。 为了获得这类型的信息， 一般地，需要利用破坏性方法，例如刺
穿外罩。
也可以利用基于放射性示踪剂气体(例如氪85)的存在的方法。 然而，当人们希望测量包含相同的放射性示踪剂的一捆管子中的一部 分的管子内的压强时，这些方法不可用。
从FR2 739 925我们知道声学传感器包括
-至少一个换能器(transducer)，用于产生声波和/或反过来接收 声波；
-玻璃棒，用来传输声波，以及
-具有棒(rod)的传感器的液体接合层，该层具有限定的厚度A74， X对应于所述棒的壁的声学厚度的两倍。
该传感器使得能够根据换能器中反射的波的振幅，来得到燃料棒 的空体积内的气体的压强。
然而，该传感器具有缺点。
首先，其只能够测量气体的压强，而不能测量其摩尔质量。 而且，X/4的液体接合层使得声波在棒中很好地传输，但是只是在
由传感器和棒形成的堆叠的共振(resonance)频率附近的小的频率区间内。另外，气体的共振的振幅当然对压强特别敏感，但也对扰动或不 易知到的尺寸敏感，例如气体的吸收或棒的壁的裂纹。因此，即使经 过校准，测量的精度也是低的。
最后，该测量方法不能对包含有引起波发散的对象，例如弹簧的 棒起作用。
因此，WO 00/73781公开了一种外罩，其特征技术为具有一个远 程传感器(非接触的，如FR2 739 925)，其通过外罩(不是气体，如 FR2 739 925)的震动而工作，并且比FR 2 739 925公开的频率范围小 的多。
发明内容
本发明在于消除上述至少一个缺点。
为此，本发明提供一种根据权利要求1所述的方法。
本发明有利地具有从属权利要求2至6中所述的特征。
本发明还涉及一种实现此方法的组件。
具体地，本发明提供一种根据权利要求7所述的组件。
本发明优选地具有从属权利要求8至12中所述的特征。
本发明表现出了很多优点。
新的"传感器-外罩"的接合使得能在比现有技术更宽的频谱带内 进行传输。由外罩形成的声学栈、接合层和换能器可以在宽的频带内 振动。优选地，对于在4MHz的附近振动的锆合金的当前外罩壁，带 宽必须达到lMHz，或者25%的相对值。
宽带传感器能够激发气体的很多共振。气体的多个共振的激发使 得能够通过合适处理(特别是利用气体的频谱响应的积分J)的平均效 应，来防止气体的吸收，并且很大程度上远离外罩的不完美性。
传感器使得能够显著地增加压强测量的精度。
传感器和相关的测量方法使得能够对包含弹簧的外罩进行测量， 然后此弹簧的影响被简单地认为成另外的衰减。
而且，该宽带测量方法能够增加声波的波速的测量精度，还能够 增加气体混合物的摩尔质量的测量精度。
该传感器和测量方法具有很多应用。它们使得能够在使用中和在存放时对核燃料棒进行测试。 它们使得可以对核燃料棒中的气体，特别是主要包含氦、氙和氪 的气态混合物的气体，的压强和摩尔质量进行非破坏性的测量。测量 在燃料柱的膨胀室内，在维护弹簧处，在棒的顶部进行。
该测量方法可以在停工时周期地在池中实施。该传感器能够 -检测包含多个棒的组件中的一个或几个非密封的燃料棒；
-有助于确定电厂组件的加料； -有助于在可逆存储之前的确定； -增加对数字仿真的统计支持基础。
此实施也可以以相同的目的进行非破坏性的热室检测(该室被屏 蔽以对活性材料进行操作)。
结合附图，从下述仅示例性的和非限制性的说明书，可以得出本 发明的其他特点、目的和优点，其中
-图1A和1B概要地图示了两个实施例，在外罩上有根据本发明
的传感器的实例，每个传感器和外罩形成声学堆栈；
-图2概要地图示了根据频率的前述声学堆栈的电阻抗；
-图3A图示了根据频率的未滤波的电压的实部和虚部的曲线；
-图3B图示了显示为校正过的气体共振的响应的实例，换能器、
接合层和外罩1的响应被去除；
-图4概要地图示了传感器的实施例的实例的主要步骤； -图5为传感器的校准曲线的实例。 在所有附图中，相似的元件用相同的标号来表示。
具体实施例方式
在图1A和1B中，概要性地示出了包含气体2的外罩1。 外罩1为例如燃料棒，气体2为例如氦或气体混合物。 外罩1支撑声学传感器。
传感器连接到外罩上，因而形成由传感器和外罩形成的组件。 声学传感器能够测量气体2的至少一个物理参数，例如外罩中的 气体的压强和/或摩尔质量。声学传感器包括
-至少一个换能器5，以用来
一方面，产生震动外罩和气体的声学信号，并且 另一方面，检测气体和外罩的震动的声学响应信号特征；
-接合层6，其在换能器5和外罩1之间；
-电系统8，其连接到换能器5并且使得
激励所述换能器5，并且
分析响应信号。
一般地，外罩具有圆柱旋转形状——这是特别针对例如燃料棒的 情形。
然而，可以理解，外罩可以具有任何的圆柱形状，例如具有平行 平面。
在圆柱旋转形状的情况下，优选地，所有的传感器的元件是同中心的。
换能器5可以包括靠背(back) 7。靠背7对于声学信号有反射或 吸收的能力，对传感器的声学特性有影响。共振靠背的使用必须不破 坏传感器的频谱使用带。
系统8将电信号传输到换能器5。换能器5将电信号转换为声学信 号，反之亦然。为此，换能器5传统地为压电式类型(例如，PZT材 料——铅锆钛氧化物)。
接合层6可以是多种形式，例如液体或固体。其包含在由换能器5 的内面、外罩1的外面和插入到这两个面之间的楔子9限定的体积内。 楔子9在层6为固体的情况下是可选的。
在层6为固体的情况下，必须保证通过连接(splicing)或通过液 体接合器的非常薄的层，将声波良好地传输到界面上。如果这些薄层 的作用不是可以忽略的，那么它们应当包括到下述表1中所建议的通 过时间中。
当传感器放置到外罩1上时，出现了由外罩1的壁10、接合层6 和换能器5形成的声学栈(acoustic stack)。外罩1的壁10和换能器5 具有很大的声学阻抗，而气体2和接合层6具有小的声学阻抗。根据本发明，在壁10的自由共振频率处，压电材料5和接合层6
可以是各种厚度。
该协定是(agreement)根据声学波在层6的传播时间来限定的。 Tio是声波从外罩l的壁10的传播时间，T^eh。油g/Ch幅ing， eh。using
和Ch。u^g分别是壁的厚度和声波在该壁中的波速。那么此壁的第一个
自由共振周期为2Tn)。我们称此共振为A72模式。
丁5是声学波从换能器5的传播时间。换能器5必须以与壁10相同
的频率以相同的模式A72振动，因此换能器5的厚度为使得Ts等于T10。 换能器的声学阻抗对于PZT为接近30 106 PA.s.m _3。 接合层6的厚度也从Tu)确定。可以考虑几种情况。
接合层的声学阻抗io6 国际单位(SI，Pa.s.m勺传播时间 T6=[n-(1/2)]T10传播时间 T6=nT10
0.5 <Z<3窄带宽带
3 <Z< 15宽带
表l
n为整数，优选地等于l。
在水中(Z=1.5 106SI)传播时间T6等于Tn)/2 (厚度称为X/4)的 情况对应于FR2 739 925中公开的传感器。这是"窄带"系统。
传播时间的精度必须是标准组件上的±20%;然而传播时间变得越 接近所述表中的条件，测量的再现性越大，因为测量会达到传感器的 响应的极值。
对于具有声学阻抗在0.5 106和3 106SI (例如液体的情况)之间的 接合层，这些精度给出了在0.4入和0.6人之间的声学厚度，其中X是在 接合层中，在外罩1的壁10的自由振动频率/o上的波长，其中/0 =
同样，对于具有在3.104l和15.166SI (例如固体的情况)之间的 声学阻抗的接合层，获得的层的声学厚度在0.2人和0.3X之间，其中人 是在接合层中，在外罩l的壁10的自由振动频率/o上的波长。
图2示出了工作在反射中的传感器的阻抗(为图1A的组件的情 况)。中心频率——即自由壁10的共振频率——为4MHz的0.3MHz的带宽对应于非常不能令人满意的传感器。优选地，带宽在中心共振
频率的20%附近，或者甚至25%。
标记为"宽带"的两种情况对应于根据本发明的宽带传感器。声 学传感器设计为在宽频谱带内都具有敏感性，而不是在仅仅一个频率 上具有高的敏感性。
更一般地，我们称"宽带"为一个带宽，该带宽使得产生至少两
个，优选地为IO个左右的气体共振。
换句话说，声学传感器的特征为其用于传输的声学信号的频带具
有宽度L:
L2三
其中c为在外罩的气体中的声波的波速，而D为外罩的内径，传 输频带的中心为/Q， /。为用于测量/Q的传感器所连接到的的外罩的壁的 自由振动频率。
下面将很快地描述传感器的导电部分。换能器5为例如PZT (铅 锆钛氧化物)瓷片(tile)。换能器5也可以是压电聚合体合成物。通 过减少传感器的品质因数，这些换能器可以拓宽传感器的频谱使用频 带。
换能器5通过导电线缆80连接到系统8。
系统8 —方面包括电压发生器，另一方面包括一装置，该装置用 于测量由传感器根据频率提供的电压V(f)，或者其对电压脉冲的时间 响应V(t)。这些测量使得能够确定外罩中的气体的压强和摩尔质量， 如下面参照图4所述。
本发明的第一个步骤41包括，例如利用系统8利用在可用范围内 的可调整的频率用正弦电压U来激励换能器5。由此，用图3A的电压 V(f)来得到频率响应谱。
第一步骤(步骤42)的另一个可能性在于通过一系列脉冲来激励 换能器5。获得电压V(t)。需要对来自换能器5的电信号进行傅里叶变 化来得到如先前一样的系统的频率响应谱V(f)。
复合谱V(f)(步骤43)构成了信号处理的起点。
如图4所示，然后从上述两个歩骤产生频谱的处理被结合起来。传感器的整体(global)响应由气体2的共振以及连接到外罩1的
声学传感器的共振构成。
然而，由于外罩1中的径向固定波(radial stationary wave)，气体
2的共振根据频率是周期性的。因此它们很容易区分并且可以从其他共 振分离出来。
由气体2造成的共振对应于图2的曲线上的峰值20。 在步骤44，对图2的复合频谱进行数学变换，以获得实际曲线 X(f)，其中气体的共振单独出现并且经过校正，换能器5、层6和外罩 1的共振被去除(如图3B)。对传感器的频谱响应的数字处理是必要 的，以校正气体的共振的可变相位。 一个可能的处理为从V(f)中减去 缓慢变化的部分(例如通过在时间空间中消减)，然后对信号取模。
步骤53为测量气体的至少两个共振频率之间的间隙A/。然后从所 述间隙A/得到气体中的声波的波速"取决于用一个或两个传感器来进 行测量，可能发生两种情况。
1) 在图1A中，换能器5是唯一的并且工作于"反射"中。其朝 着外罩产生声波，并且接收来自外罩1的声波。在此情况下，气体中 的声波的波速c从以下得到
c = 2DA/
其中D是在圆柱旋转外罩的情况下外罩的内径。在外罩具有平行 的平面的情况下，应理解为D指的被外罩的两个壁之间的波所穿越的 内尺寸。
2) 在图1B中，围绕外罩安装有两个对称地位于外罩1的两侧的 传感器。换能器5产生振动外罩和气体的声学激励信号，另一个换能 器5检测响应振动。此组件的关键在于分离激励信号的响应信号。在 此情况下，气体中的声波的波速c从以下得到
c = W
在两种情况下，如果测量多个共振之间的间隙A/(例如在图2的 峰值20之间的多个间隙的平均值)，可以得到更好的精度，或者如果 通过对共振位置进行数学处理来确定间隙A/ (—个可能的处理为例如 用傅里叶类型的变换)，因此需要一种能够在宽的频谱带内激励气体 的系统。步骤53可以对从步骤43得到的复合频谱V(f)进行处理，但是优 选地是对从步骤44得到的实际响应X(f)进行处理，对其可以使用周期 搜索方法。
在步骤63，可以从由步骤53得到的波速c来计算气体的摩尔质量
其中R为理想气体的常数，Y为理想气体的比热率，T是温度。 上述关系适用于理想气体。在混合气体的情况下，可以导出从实 际气体的等式得到的修正。
在单原子气体的二元混合物的情况下，例如氦-氙混合物，测量摩
尔质量能够直接推导混合物的质量成分X，因为
M二xM义e + (l-x)M报 其中，M^和M^是氙和氦的原子质量。 步骤54能够测量气体的压强。测量原理如下。 从图3B的响应X(f)观察到的气体的共振振幅与外罩1中的气体的 声学阻抗成比例，使得利用下述的步骤能够得到压强。
气体的声学阻抗Zgaz(f)，例如在具有平行平面的刚性腔中，被写作
Zgaz(f)= T^S^ 其中P力气体的密度，c为气体的波速，/2=-1， A:=- ，
"为气体的吸收系数，
D为外罩的内尺寸。
对于共振，气体的声学阻抗的积分/具有独立于气体的吸收的特
性。其实际上表示为
J g。' J 2Z)
当然，从曲线X(f)观察到的气体的共振的振幅不是对气体的阻抗 的衡量，而是由传感器的相关灵敏度S(f)来调制，其函数取决于频率。 因此不能仅从测量气体的一个共振来获得压强。传感器的相关灵敏度S(f)是传感器的一个稳定的特性，对出现在传 感器的观察窗里的所有共振进行的积分/的总和，称为STG (气体的 总灵敏度)的大小为单独取决于气体的大小。
其中，&是针对气体的第n个共振频率的传感器的相关灵敏度。 此大小不需要精确地知道，因为传感器需要校准。在传感器在宽 度F的窗口中敏感的理想情况下，其中灵敏度是等于S的常量，那么
其中m是窗口中出现的共振的个数。 因为共振距离
那么
尸 2￡>F
对于理想气体
其中，
尸
对气体的总灵敏度变为
c
其中Y为理想气体的比热率。
理想地，STG测量值与气体的压强成比例。需要有宽带的传感器 以在积分窗口有很多的共振并且稳定积分。
在步骤54，与上述理想情况相似，计算传感器的灵敏度区域F中 的实验性的频率响应X(f)的积分J:
T为气体的基本共振周期，n为所选择的谐波的次序(order)。最有利的是n-l的情况。
此积分是与P/c成比例的，并且如果知道常数Z，就能测量压强P。
然而，常数z是传感器的特性。其不能以足够的精度从传感器的材 料的尺寸和性质得到。
此外，对积分J进行的理论和实验性研究显示出前述推理仅仅是 第一个近似。实际上积分J稍微取决于气体的吸收，这使得函数J(p)
非线性(见图5)。函数J(P)在高压强(大约100巴(bars))下是准 线性的；然而，系统对于低压(<20巴(bars))的响应消失，因为气 体是非常有吸收力的。
总而言之，根据气体的压强P和自然属性(以改变c)，只能通过 具有已知气体的传感器的现有校准来获得函数J(P,c)。对于测量未知的 气体，首先要在步骤53中得到c，然后在步骤64中，对于波速c，通 过读取使用传感器获得的校准曲线来得到P。
权利要求
1、一种测量装有气体(2)的外罩(1)的至少一个物理参数的方法，所述方法通过声学传感器执行，所述声学传感器包括至少一个换能器(5)、连接到换能器(5)的电系统(8)以及用于将换能器(5)接合到外罩(1)的接合层(6)，所述方法包括步骤-利用换能器(5)产生激励声学信号，该激励声学信号在宽的频带中振动外罩(1)和气体(2)，-用换能器(5)检测外罩和气体的振动的响应声学信号特性；-利用系统(8)分析来自换能器(5)的响应电信号；所述方法的特征在于，其包括如下步骤，利用系统(8)-测量从换能器(5)得到的电响应信号的振幅，以确定气体(2)的所有共振频率；-从传感器的共振频率组中提取气体的共振频率；-测量气体的至少两个共振频率之间的间隙；-基于对所述气体的测量，得到气体中的声波的波速c；-通过如下公式计算气体的摩尔质量M<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>γRT</mi> <msup><mi>c</mi><mn>2</mn> </msup></mfrac> </mrow>]]></math></maths>其中R为理想气体的常数，T是温度，γ为理想气体的比热率；和/或-计算外罩中的气体的实际声学响应信号X(f)的积分J，其中X(f)是气体的共振单独出现并且经过校正的实际曲线，换能器(5)、层(6)和外罩(1)的共振被去除；以及-根据对表示具有已知压强和自然特性的气体的曲线J(P，c)的现有校准，还利用在前述步骤中得到的波速，来从积分J的计算得到气体的压强P。
2、 根据权利要求1所述的方法，包括在系统(8)通过一系列瞬 时脉冲激励换能器(5)的情况下的转换步骤，该转换步骤在频率的空间内，对来自换能器(5)的目舞时，电信号进行傅里叶变换。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，包括利用外罩(1)中的气 体(2)的共振频率是周期性的性质的步骤，以提取密闭空间中的气体 的共振频率。
4、 根据权利要求1到3中任意一项中所述的方法，其中-如果传感器包括工作于反射中的单个换能器(5)，气体中的声波 的波速c通过如下得到c = 2DA/其中D为外罩的内尺寸，并且A/是气体的两个共振频率之间的间 隙，以及-如果传感器包括工作在传输中的两个换能器(5)， 一个换能器产 生朝着外罩(1)传播的声波信号，另一个换能器检测响应声学信号，气体中的声波的波速c通过如下得到C/。
5、 根据权利要求1到4中任意一项中所述的方法，其中传感器的响应的积分J通过如下计算 / =工可)cos(2一r)d/其中T为气体的基本共振周期，n为所选择的谐波的次序， 其中F是传感器的灵敏度频宽，X(f)是气体的共振单独出现并且经 过校正的实际曲线，换能器(5)、层(6)和外罩(1)的共振被去除， J对压强敏感，该压强可以通过校准来获得。
6、 根据权利要求1到5中任意一项中所述的方法，其中所述频带 宽度为使得产生至少两个，优选地为IO个左右的气体共振。
7、 一种由声学传感器、包含气体(2)的外罩(1)组成的组件， 当传感器连接到外罩上时，所述组件能够实现根据权利要求1到6所 述的方法，所述声学传感器包括-至少一个换能器(5)以用来一方面，产生振动外罩(1)和气体(2)的声学信号，以及 另一方面，检测外罩和气体的振动的响应声学信号特性；■接合层(6)，以将换能器(5)连接到外罩(1);-电系统(8)，其连接到换能器(5)，并且 一方面，激励所述换能器(5)，以及 另一方面，分析响应信号； 其特征在于，用于传输声学信号的所述声学传感器的频带具有宽 度L:其中c为在外罩的气体中的声波的波速，而D为外罩的内尺寸， 传输频带的中心为/o， /Q为在测量过程中传感器所连接到的外罩 (1)的壁(10)的自由振动频率。
8、 根据权利要求7所述的传感器，其中接合层(6)具有 -在0.5 106和3 10681之间的声学阻抗，以及-在0.4人和0.6人之间的声学厚度，其中人是在接合层中在外罩(1) 的壁(10)的自由振动频率处的波长。
9、 根据权利要求7所述的传感器，其中接合层(6)具有 -在3 106和15 1(^SI之间的声学阻抗，以及-在和0.3人之间的声学厚度，其中X是在接合层中在外罩(1) 的壁(10)的自由振动频率处的波长。
10、 根据权利要求7至9中任意一项所述的传感器，其中换能器 (5)为压电类型，声学厚度等于0.5人，其中人是在换能器中在外罩(l)的壁(10)的自由振动频率处的波长。
11、 根据权利要求10所述的传感器，其中换能器(5)具有与外 罩(1)同中心的形状。
12、根据权利要求7至11中任意一项所述的传感器，还包括换能器(5)的靠背(7)，该靠背物能够反射或吸收声学信号。
全文摘要
本发明涉及一种测量外罩中的气体的压强和/或摩尔质量的方法，所述方法通过声学传感器执行，所述声学传感器包括至少一个换能器(5)、连接到换能器(5)的电系统(8)以及用于将换能器(5)接合到外罩(1)的接合层(6)，所述方法包括以下步骤利用换能器(5)产生激励声学信号，该激励声学信号在宽的频带中振动外罩(1)和气体(2)；用换能器(5)检测外罩和气体的振动的响应声学信号特性；利用系统(8)分析来自换能器(5)的响应电信号；以及基本上基于气体(2)的共振频率，来获得气体中的声学信号的速度，气体的摩尔质量和压强。本发明还涉及一种实现该方法的组件。
文档编号G01N29/036GK101646937SQ200880004690
公开日2010年2月10日 申请日期2008年1月25日 优先权日2007年1月26日
发明者D·劳克斯, D·巴龙, E·罗森克兰茨, G·莱韦克, J-Y·费朗迪 申请人:法国国家电力企业;国家科学研究中心;蒙彼利埃第二科学与技术大学