ISO 18213-4:2008
(Main)Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume determination for nuclear materials accountancy — Part 4: Accurate determination of liquid height in accountancy tanks equipped with dip tubes, slow bubbling rate
Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume determination for nuclear materials accountancy — Part 4: Accurate determination of liquid height in accountancy tanks equipped with dip tubes, slow bubbling rate
ISO 18213-4:2008 specifies a procedure for making accurate determinations of the liquid height in nuclear-materials-accountancy tanks that are equipped with pneumatic systems for determining the liquid content. With such systems, gas is forced through a probe (dip tube) whose tip is submerged in the tank liquid. The pressure required to induce bubbling is measured with a manometer located at some distance from the tip of the probe. This procedure applies specifically when a very slow bubbling rate is employed.
Technologie du combustible nucléaire — Étalonnage et détermination du volume de cuve pour la comptabilité des matières nucléaires — Partie 4: Détermination précise de la hauteur de liquide dans une cuve bilan équipée de cannes de bullage, bullage lent
L'ISO 18213-4:2008 spécifie une procédure permettant de déterminer, avec précision, la hauteur de liquide dans les cuves de comptabilité de matières nucléaires équipées d'un système pneumatique de détermination du contenu liquide. Avec un tel système, un gaz est introduit sous pression dans un tube plongeant (canne) immergé dans le liquide de la cuve. La pression requise pour induire le bullage est mesurée à l'aide d'un manomètre situé à une certaine distance de l'extrémité de la canne. Cette procédure s'applique spécifiquement lorsqu'un bullage très lent est employé.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18213-4
First edition
2008-03-15
Nuclear fuel technology — Tank
calibration and volume determination for
nuclear materials accountancy —
Part 4:
Accurate determination of liquid height in
accountancy tanks equipped with dip
tubes, slow bubbling rate
Technologie du combustible nucléaire — Étalonnage et détermination
du volume de cuve pour la comptabilité des matières nucléaires —
Partie 4: Détermination précise de la hauteur de liquide dans une cuve
bilan équipée de cannes de bullage, bullage lent
Reference number
ISO 18213-4:2008(E)
©
ISO 2008
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ISO 18213-4:2008(E)
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ISO 18213-4:2008(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Physical principles involved. 1
3 Required equipment, measurement conditions, and operating procedures. 6
3.1 General. 6
3.2 Tank and its measurement system. 6
3.3 Software. 6
3.4 Operating procedures . 8
4 Determination of height from measurements of pressure . 8
4.1 Differential pressure. 8
4.2 Pressure sensor calibration drift . 9
4.3 Buoyancy effects . 9
4.4 Bubbling overpressure. 10
4.5 Liquid height . 11
5 Results . 11
Annex A (informative) Estimation of quantities that affect the determination of liquid height. 13
Annex B (informative) Bubbling overpressure. 17
Annex C (informative) Operating procedure for making pressure measurements . 19
Bibliography . 21
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ISO 18213-4:2008(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
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The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
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rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 18213-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 85, Nuclear energy, Subcommittee SC 5,
Nuclear fuel technology.
ISO 18213 consists of the following parts, under the general title Nuclear fuel technology — Tank calibration
and volume determination for nuclear materials accountancy:
⎯ Part 1: Procedural overview
⎯ Part 2: Data standardization for tank calibration
⎯ Part 3: Statistical methods
⎯ Part 4: Accurate determination of liquid height in accountancy tanks equipped with dip tubes, slow
bubbling rate
⎯ Part 5: Accurate determination of liquid height in accountancy tanks equipped with dip tubes, fast
bubbling rate
⎯ Part 6: Accurate in-tank determination of liquid density in accountancy tanks equipped with dip tubes
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ISO 18213-4:2008(E)
Introduction
ISO 18213 deals with the acquisition, standardization, analysis, and use of calibration to determine liquid
volumes in process tanks for the accountancy of nuclear materials. This part of ISO 18213 is complementary
to the other parts, ISO 18213-1 (procedural overview), ISO 18213-2 (data standardization), ISO 18213-3
(statistical methods), ISO 18213-5 (fast bubbling rate) and ISO 18213-6 (in-tank determination of liquid
density).
The procedure presented herein for determining liquid height from measurements of induced pressure applies
specifically when a very slow bubbling rate is employed. A similar procedure that is appropriate for a fast
bubbling rate is given in ISO 18213-5.
Measurements of the volume and height of liquid in a process accountancy tank are often made in order to
estimate or verify the tank's calibration or volume measurement equation. The calibration equation relates the
response of the tank's measurement system to some independent measure of tank volume.
Beginning with an empty tank, calibration data are typically acquired by introducing a series of carefully
measured quantities of some calibration liquid into the tank. The quantity of liquid added, the response of the
tank's measurement system, and relevant ambient conditions such as temperature are measured for each
incremental addition. Several calibration runs are made to obtain data for estimating or verifying a tank's
calibration or measurement equation. A procedural overview of the tank calibration and volume measurement
process is given in ISO 18213-1. An algorithm for standardizing tank calibration and volume measurement
data to minimize the effects of variability in ambient conditions that prevail during the measurement period is
given in ISO 18213-2. The procedure presented in this part of ISO 18213 for determining the height of
calibration liquid in the tank from a measurement of the pressure it induces in the tank's measurement system
is a vital component of that algorithm.
In some reprocessing plants, the volume of liquid transferred into or out of a tank is determined by the levels
of two siphons. The high level corresponds to the nominal volume, and the low level to the heel volume. If the
transfer volume cannot be measured directly, then it is necessary to calibrate this volume (as described in the
previous paragraph), because the difference between the actual volume and that used for inventory
calculations will appear as a systematic error.
The ultimate purpose of the calibration exercise is to estimate the tank's volume measurement equation (the
inverse of the calibration equation), which relates tank volume to measurement system response. Steps for
using the measurement equation to determine the volume of process liquid in the tank are presented in
ISO 18213-1. The procedure presented in this part of ISO 18213 for determining the height of process liquid in
a tank from a measurement of the pressure it induces in the tank's measurement system is also a key step in
the procedure for determining process liquid volumes.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18213-4:2008(E)
Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume
determination for nuclear materials accountancy —
Part 4:
Accurate determination of liquid height in accountancy tanks
equipped with dip tubes, slow bubbling rate
1 Scope
This part of ISO 18213 specifies a procedure for making accurate determinations of the liquid height in
nuclear-materials-accountancy tanks that are equipped with pneumatic systems for determining the liquid
content. With such systems, gas is forced through a probe (dip tube) whose tip is submerged in the tank liquid.
The pressure required to induce bubbling is measured with a manometer located at some distance from the
tip of the probe. This procedure applies specifically when a very slow bubbling rate is employed.
A series of liquid height determinations made with a liquid of known density is required to estimate a tank's
calibration equation (see ISO 18213-1), the function that relates the elevation (height) of a point in the tank to
an independent determination of tank volume associated with that point. For accountability purposes, the
tank's measurement equation (the inverse of its calibration equation) is used to determine the volume of
process liquid in the tank that corresponds to a given determination of the liquid height.
2 Physical principles involved
The methodology in this part of ISO 18213 is based on measurements of the difference in hydrostatic
pressure at the base of a column of liquid in a tank and the pressure at its surface, as measured in a bubbler
probe inserted into the liquid. Specifically, the pressure, P, expressed in pascals, exerted by a column of liquid
at its base is related to the height of the column and the density of the liquid, in accordance with
1)
Equation (1) :
P = gH ρ (1)
M M
where
H is the the height of the liquid column (at temperature T ), in m;
M m
3
ρ is the average density of the liquid in the column (at temperature T ), in kg/m ;
M m
2
g is the local acceleration due to gravity, in m/s .
1) The subscript “M” is used to indicate the value of a temperature-dependent quantity at the temperature T .
m
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ISO 18213-4:2008(E)
For a liquid of known density, ρ, Equation (1) can be used to determine the height, H, of the liquid column
above a given point from (a measurement of) the pressure, P, exerted by the liquid at that point. Therefore,
process tanks are typically equipped with bubbler probe systems to measure pressure. Components of a
typical pressure measurement system (see Figure 1) are discussed in detail in ISO 18213-1, together with a
description of the procedural aspects of a typical calibration exercise.
In practice, it is not absolute pressure that is measured, but rather the difference in pressure between the
bottom and top of the liquid column. Gas is forced through two probes to measure this differential pressure.
The tip of one probe (the long or major probe) is located near the bottom of the tank and immersed in the
liquid. The tip of the second probe (reference probe) is located in the tank above the liquid surface.
To measure the pressure, P, exerted by a column of liquid, the pressure of gas in the probe immersed in the
liquid should be measured while the gas-liquid interface is at static equilibrium. In practice, it is not possible to
measure this pressure directly because it is difficult to maintain a stable and reproducible gas-liquid interface
level in the probe. Therefore, a dynamic system is used to make measurements under conditions as close to
equilibrium as possible: Gas is forced through the probe at a very low and constant flow rate, and its pressure
is measured continuously. The fluctuation with time of these measurements (around some central value)
depends on the bubbling frequency.
Provided the gas flow rate is low and constant, the gas pressure at the tip of the major probe first increases
with time during the formation of a bubble. The release of a bubble from the tip of the probe causes a sudden
increase in the level of the bubble-liquid interface at the tip of the probe and a corresponding decrease in
pressure. For a probe with a small diameter (less than 8 mm), the pressure reaches a maximum and then
decreases slightly before the sudden drop associated with bubble separation. For probes with larger
diameters (greater than 8 mm), the maximum pressure that occurs just before bubble separation may not be
accompanied by a decrease, but may instead show a short period of relative stability followed by a sudden
drop in response to bubble separation. The dynamics of bubble formation and release, together with their
effect on pressure in the probe, are shown in Figures 2 and 3.
Measurements of pressure are made at its maximum in the bubble formation-and-separation cycle because
this is the point at which pressure is most stable. Measuring the maximum pressure results in an overpressure
(a positive bias), denoted by (δp) , relative to the actual pressure at the tip of the probe. A formula for
max
computing the overpressure, (δp) , is given in 4.4.
max
Various factors, in addition to bubbling overpressure, can affect the accuracy of the height determinations that
follow from Equation (1). Temperature variations potentially have the greatest effect, especially on the
comparability of two or more measurements (such as those taken for calibration), primarily because liquid
density changes with temperature. Moreover, differences between actual pressures at the tip of the probes
and observed pressures at the manometer can result from the buoyancy effect of air and the mass of gas in
the probe lines. A general algorithm for standardizing pressure measurements that compensates for
temperature variations and other measurement factors is presented in ISO 18213-2. For the case in which
pressure measurements are made with a very slow bubbling rate, details of the pressure-to-height calculation
step of this standardization algorithm are presented in Clause 4 of this part of ISO 18213. Analogous
calculations that apply for a fast bubbling rate are given in ISO 18213-5. Procedures for estimating the
uncertainty of the resulting height determinations are given in ISO 12813-3.
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ISO 18213-4:2008(E)
NOTE This configuration is typical but other configurations are possible, see Reference [11] for examples.
Key
1 manometer
2 gas supply (N or air)
2
3 flowmeters
Major probe Minor probe Reference probe
Probe designation P P P
1 2 r
Reference point r (primary) r (secondary) —
1 2
Height of liquid above
H H —
1 2
reference point
Elevation of pressure
gauge (manometer) above E E E
1 2 r
reference point
Elevation of reference
h = E − E − H h = E − E − H —
1 r 1 2 r 2
probe above liquid surface
Elevation of reference
a
ε ε + S —
point above bottom of tank
a
Vertical distance (probe separation): S = H − H .
1 2
Figure 1 — Elements of a typical pressure measurement system for determining liquid content
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ISO 18213-4:2008(E)
a) Radius of the bubbler probe, r = 3 mm
a ∆P = 3,7 d ∆P = 7,1
b ∆P = 4,8 e ∆P = 7,2
c ∆P = 5,7 f ∆P = 7,4
b) Radius of the bubbler probe, r = 10 mm
a ∆P = 2,0 c ∆P = 5,4
b ∆P = 4,4 d ∆P = 5,9
c) Radius of the bubbler probe, r = 15 mm
a ∆P = 1,8
b ∆P = 2,8
c ∆P = 5,7
∆P = mm of H O.
2
Key
r radius of the bubbler probe, mm
h bubble height, mm
Figure 2 — Evolution of a bubble in water
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ISO 18213-4:2008(E)
Key
t time, s
∆P overpressure, mm of H O
2
r radius of the bubbler probe, mm
Figure 3 — Evolution of bubbling overpressure in water
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ISO 18213-4:2008(E)
Figure 4 — End of the dip tube
3 Required equipment, measurement conditions, and operating procedures
3.1 General
The pressure measurements to which this part of ISO 18213 applies are made either to calibrate a tank or to
determine the volume of process liquid it contains. The same equipment, operating procedures, and
standardization steps are used for both purposes. The elements of a pressure measurement system for
determining the liquid content of a process tank are described in detail in Clause 4 of ISO 18213-1:2007.
Measurement conditions and operating procedures for making pressure measurements to determine liquid
height are described in detail in Clause 6 of ISO 18213-1:2007.
Only aspects of equipment, measurement conditions and operating procedures that differ from those
described in ISO 18213-1 and that are specific to a slow bubbling rate are discussed in 3.2 to 3.4.
3.2 Tank and its measurement system
The tank should be connected to an air flow system that ensures a steady slow bubble rate (e.g. 2 to 4
bubbles per minute for a 15 mm diameter probe; see ISO 18213-1:2007, 4.2). For a slow bubbling rate, the
submerged probes should have a cylindrical geometry relative to the vertical axis (see Figure 4).
Experience with differential electromanometers has shown that they exhibit measurement drift. It is therefore
recommended that the instrument “zero” (i.e. the reading when the same pressure is applied at both inlets) be
read and recorded periodically. If the drift proves to be significant, this information can be used to correct the
raw data as necessary before other standardization steps are carried out.
3.3 Software
The measurement system should be connected to a micro-computer that controls operations and processes
the data into requisite form (see ISO 18213-1:2007, 4.5). The software should be adapted to the
measurement system and it should meet the following requirements.
⎯ A pressure measurement should be made under conditions as close to equilibrium as possible, therefore
at a slow enough bubbling rate (say one bubble every 15 s to 25 s for a 15 mm probe) so that the
maximum overpressure is nearly independent of the bubbling rate. The software should include a
subroutine that is capable of measuring bubbling frequency.
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ISO 18213-4:2008(E)
⎯ The pressure should be measured at the point of maximum overpressure (see Figures 5 and 6). The
software should therefore contain a subroutine to monitor the minimum and maximum overpressure
during the bubble cycle.
⎯ The software should monitor the pressure values in the upper third of the fluctuation range, determine the
maximum value, and select the value(s) to be retained for the height calculation. In practice, ten rapid
(5 Hz) measurements near the maximum pressure are retained to minimize the effect of measurement
fluctuations. The criteria for selecting points to be retained depend on the “bubble profile”. Therefore a
subroutine is required to record and select suitable readings. A graphical display of all pressure
measurements is most helpful for selecting suitable readings. If the maximum pressure is obtained before
the bubble breaks away, as is the case for small diameter probes (see Figure 3), ten values are selected
from the readings around this maximum. For larger diameter probes, the bubble separation causes a
rapid drop in pressure: the pressure falls below the monitoring range. In this case, the 6th through the
15th readings prior to the point of separation are used in the calculation. In all cases, the average of the
selected values is retained.
⎯ The previous three steps are carried out for five successive bubbles. The average and standard deviation
of these five points are calculated and stored.
The total time required to make the measurements for a determination of liquid height is closely linked to the
time required for the liquid surface to reach equilibrium (i.e. to stabilize) following the addition of liquid to the
tank. Less than 5 min is required to actually make the required measurements.
Key
X time, s
Y differential pressure, ∆P, mV
a
Overpressure, δP.
b
0,25 s.
Figure 5 — Bubble profile with a maximum before separation
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ISO 18213-4:2008(E)
Key
X time
Y differential pressure, ∆P
a
15 points.
b
10 points.
c
Maximum, M.
d
Minimum, m.
e
1/3 (M−m).
Figure 6 — Bubble profile without a maximum before separation
3.4 Operating procedures
Unlike the situation for a fast bubbling rate, operating procedures are required to switch the air flow from a fast
bubbling rate that is used during routine operations to a slow bubbling rate that is required during
measurement periods. This can be accomplished by means of the steps described in Annex C.
4 Determination of height from measurements of pressure
4.1 Differential pressure
When gas flows at a constant, slow rate through a dip tube immersed in liquid, a periodic fluctuation of
pressure is observed at a pressure sensor (usually located at some distance above the tank). As a bubble
forms, the pressure at the tip of the dip tube increases continuously, and then decreases abruptly when the
bubble breaks away. Therefore, if accurate measurements of pressure are required, they shall be taken under
well-defined conditions. The point at which the pressure achieves its maximum is selected because pressure
is relatively stable at this point and measurements have well-defined physical significance. A very slow gas
flow rate (2 to 4 bubbles per minute for a 15 mm diameter probe) is required to achieve a state of
quasi-equilibrium.
The bubbling pressure depends not only on the height of liquid above the tip of the dip tube, but also on the
pressure in the tank at the liquid surface. What is measured in practice is the difference between the pressure
of gas inside the submerged tube, P (E ), and the pressure of the same gas flowing into a second tube that
1 1
vents into the vapour space at the top of the tank above the liquid surface, P (E ):
r 1
∆P = P (E ) – P (E ) (2)
1 1 1 r 1
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ISO 18213-4:2008(E)
The differential pressure, ∆P , is measured by a manometer located at some elevation, E , above the tip of
1 1
the major probe. One inlet of the manometer is connected to the dip tube whose tip is submerged in the tank
liquid and a second is connected to the reference probe that vents into the air space at the top of the tank.
As noted in Clause 2, various factors can affect the accuracy of the calculation for determining height from
pressure based on Equation (1). Therefore, measurements of differential pressure shall be adjusted to
compensate for variations in ambient conditions during the measurement period before they can be converted
into accurate measures of liquid height. Appropriate corrections are discussed in 4.2 to 4.4.
4.2 Pressure sensor calibration drift
Pressure fluctuations (e.g. drift) over time may result from a zero shift in the pressure sensors (manometers).
Therefore, it is necessary to make measurements of the instrument “zero” before and at regular intervals
during a series of measurements (e.g. every hour for instance depending on the instrument). This is done by
equalizing the pressure at both inlets of the manometer and recording the results. These measurements
should be used to correct pressure measurement as necessary for the effect of zero drift (which can exceed
10 Pa). Excellent results can often be obtained simply by making a linear adjustment (shift) to the observed
pressure measurements.
In general, however, the response of the pressure sensor and its measurement chain (sensor and voltmeter)
is not a linear function of pressure. Thus, it may be necessary to develop a suitable model of measurement
2)
system response. A low-order polynomial will typically be adequate for this purpose.
4.3 Buoyancy effects
After pressure measurements have been corrected for instrument drift, they can in principle be converted into
determinations of height, H , by means of Equation (1) rewritten in accordance with Equation (3):
1,M
H = ∆P /(gρ ) (3)
1,M 1 M
where
ρ is the average density of the liquid in the tank at its measurement temperature, T .
M m
However, according to the principle of Archimedes, it is in fact more accurate to use Equation (4):
H = ∆P /[g(ρ − ρ )] (4)
1,M 1 M g,r
where
ρ is the density of the medium (gas) in which the measurements are made, typically air in the tank
g,r
above the liquid surface.
Moreover, the differential pressure, ∆P , is measured by a pressure sensor that is not located at the liquid
1
surface, but typically at a markedly different elevation. Thus, the weight of the gas column in the pneumatic
lines should also be taken into account. Because pressure equilibrium exists on both sides of the liquid-gas
interface, one can write
P (E ) + gE ρ = P (E ) + gE ρ + g(E – E – H ) ρ + gH ρ + (δp) (5)
1 1 1 g,1 r 1 r g,r 1 r 1,M a,s 1,M M max
2) With Crouzet 43 or 44 manometers, for example, the response is described by a quadratic polynomial that reduces
possible bias of several pascals to less than one pascal.
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ISO 18213-4:2008(E)
where
3)
H is the height of liquid in the tank above the tip of the bubbling (major) probe ;
1,M
E is the elevation of the manometer (pressure sensor) above the tip of the major probe;
1
E is the elevation of the manometer above the tip of the reference probe;
r
ρ is the density of the bubbling gas at pressure P in the major probe;
g,1 1
ρ is the density of the bubbling gas at pressure P in the reference probe;
g,r r
ρ is the density of air in the tank above the liquid surface at pressure P ;
a,s r
(δp) is the maximum overpressure, relative to that at the tip of the probe, observed during the
max
bubbling process.
It follows from Equation (5) that
H = [P (E ) − P (E ) + gE ρ – gE ρ – gE ρ + gE ρ − (δp) ] / [g(ρ – ρ )]
1,M 1 1 r r 1 g,1 1 a,s r g,r r a,s max M a,s
= [∆P + gE (ρ – ρ ) – gE (ρ – ρ ) − (δp) ] / [g(ρ – ρ)] (6)
1 1 g,1 a,s r g,r a,s max M a,s
If the bubbling gas is air, then ρ = ρ and ρ = ρ . In this case, Equation (6) can be written as
g,1 a,1 g,r a,r
H = [∆P + gE (ρ – ρ ) – gE (ρ – ρ ) − (δp) ] / [g(ρ – ρ)] (7)
1,M 1 1 a,1 a,s r a,r a,s max M a,s
The expression for H in Equation (7) includes adjustments to the measured differential pressure, ∆P , that
1,M 1
compensate for the buoyancy of the medium (air) in which the measurements are made, the weight of the gas
in the pneumatic lines, and the maximum bubbling overpressure at the tip of the submerged probe. A formula
for computing the maximum overpressure, (δp) , is given in 4.4. Other quantities on the right-hand side of
max
Equation (
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18213-4
Première édition
2008-03-15
Technologie du combustible nucléaire —
Étalonnage et détermination du volume
de cuve pour la comptabilité des matières
nucléaires —
Partie 4:
Détermination précise de la hauteur de
liquide dans une cuve bilan équipée de
cannes de bullage, bullage lent
Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume determination
for nuclear materials accountancy —
Part 4: Accurate determination of liquid height in accountancy tanks
equipped with dip tubes, slow bubbling rate
Numéro de référence
ISO 18213-4:2008(F)
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ISO 18213-4:2008(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Principes physiques impliqués . 1
3 Équipement nécessaire, conditions de mesure et modes opératoires. 6
3.1 Généralités . 6
3.2 Cuve et système de mesure . 6
3.3 Logiciel . 6
3.4 Modes opératoires. 8
4 Détermination de la hauteur à partir des mesures de pressions . 8
4.1 Pression différentielle . 8
4.2 Dérive de l'étalonnage des capteurs de pression . 9
4.3 Poussée aérostatique. 9
4.4 Surpression de bullage . 10
4.5 Hauteur de liquide. 11
5 Résultats. 11
Annexe A (informative) Estimation des quantités qui affectent la détermination de la hauteur
de liquide . 13
Annexe B (informative) Surpression de bullage . 17
Annexe C (informative) Mode opératoire pour réaliser des mesures de pression. 19
Bibliographie . 21
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ISO 18213-4:2008(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 18213-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 85, Énergie nucléaire, sous-comité SC 5,
Technologie du combustible nucléaire.
L'ISO 18213 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Technologie du combustible
nucléaire — Étalonnage et détermination du volume de cuve pour la comptabilité des matières nucléaires:
⎯ Partie 1: Aperçu général de la procédure
⎯ Partie 2: Normalisation des données pour l'étalonnage de cuve
⎯ Partie 3: Méthodes statistiques
⎯ Partie 4: Détermination précise de la hauteur de liquide dans une cuve bilan équipée de cannes de
bullage, bullage lent
⎯ Partie 5: Détermination précise de la hauteur de liquide dans une cuve bilan équipée de cannes de
bullage, bullage rapide
⎯ Partie 6: Détermination précise de la masse volumique d'un liquide dans une cuve bilan équipée de
cannes de bullage
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ISO 18213-4:2008(F)
Introduction
L'ISO 18213 porte sur l'acquisition, la normalisation, l'analyse et l'exploitation des données d'étalonnage
permettant de déterminer les volumes de liquide dans les cuves de procédé pour des besoins de comptabilité
des matières nucléaires. La présente partie de l'ISO 18213 est complémentaire des autres parties, qui sont:
l'ISO 18213-1 (aperçu général de la procédure), l'ISO 18213-2 (normalisation des données), l'ISO 18213-3
(méthodes statistiques), l'ISO 18213-5 (bullage rapide) et l'ISO 18213-6 (détermination de la masse
volumique en cuve).
La procédure présentée ici pour la détermination de la hauteur de liquide, à partir de mesures de la pression
induite, s'applique spécifiquement lorsqu'un bullage très lent est employé. L'ISO 18213-5 donne une
procédure similaire adaptée à un bullage rapide.
Les mesurages de volume et de hauteur de liquide dans une cuve de procédé de comptabilité des matières
nucléaires sont souvent réalisés dans le but d'estimer ou de vérifier l'équation d'étalonnage ou de mesure du
volume de la cuve. L'équation d'étalonnage établit une relation entre la réponse du système de mesure de la
cuve et une mesure indépendante du volume de la cuve.
On part d'une cuve vide, puis, en général, les données sont acquises par l'introduction dans la cuve d'une
série de quantités de liquide d'étalonnage soigneusement mesurées. La quantité de liquide ajoutée dans la
cuve, la réponse du système de mesure de la cuve et les conditions ambiantes du moment, telles que la
température, sont mesurées pour chaque addition d'incrément. Plusieurs séquences d'étalonnage sont
réalisées en vue d'obtenir des données pour estimer ou vérifier une équation d'étalonnage ou de mesure du
volume de la cuve. L'ISO 18213-1 donne un aperçu des opérations d'étalonnage et de mesurage du volume
de la cuve. L'ISO 18213-2 donne un algorithme de normalisation des données d'étalonnage et de mesurage
du volume pour réduire le plus possible les effets de la variabilité des conditions ambiantes rencontrées
pendant le mesurage. La procédure présentée dans la présente partie de l’ISO 18213 pour la détermination
de la hauteur de liquide d'étalonnage dans la cuve, à partir d'une mesure de la pression qu'il induit dans le
système de mesure de la cuve, est un composant essentiel de cet algorithme.
Dans certaines usines de retraitement, le volume de liquide ajouté ou retiré de la cuve est déterminé par les
niveaux entre deux siphons. Le niveau haut correspond au volume nominal et le niveau bas au volume de
pied de cuve. Si le volume transféré ne peut pas être mesuré directement, il est alors nécessaire d'étalonner
ce volume (comme cela est décrit dans l'alinéa précédent), car la différence entre le volume réel et celui qui
est utilisé pour les calculs d'inventaire apparaîtra comme une erreur systématique.
L'ultime objectif de l'exercice d'étalonnage est d'estimer l'équation de mesure de volume de cuve (qui est
l'inverse de l'équation d'étalonnage), qui relie le volume de la cuve à la réponse du système de mesure.
L'ISO 18213-1 présente les étapes d'utilisation de l'équation de mesure pour déterminer le volume de liquide
de procédé contenu dans la cuve. La procédure présentée dans la présente partie de l’ISO 18213 pour la
détermination de la hauteur de liquide de procédé dans une cuve, à partir d'une mesure de la pression qu'il
induit dans le système de mesure de la cuve, est également une étape essentielle de la procédure de
détermination des volumes de liquide de procédé.
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NORME INTERNATIONALE ISO 18213-4:2008(F)
Technologie du combustible nucléaire — Étalonnage et
détermination du volume de cuve pour la comptabilité des
matières nucléaires —
Partie 4:
Détermination précise de la hauteur de liquide dans une cuve
bilan équipée de cannes de bullage, bullage lent
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 18213 spécifie une procédure permettant de déterminer avec précision la hauteur
de liquide dans les cuves de comptabilité de matières nucléaires équipées d'un système pneumatique de
détermination du contenu liquide. Avec un tel système, un gaz est introduit sous pression dans un tube
plongeant (canne) immergé dans le liquide de la cuve. La pression requise pour induire le bullage est
mesurée à l'aide d'un manomètre situé à une certaine distance de l'extrémité de la canne. Cette procédure
s'applique spécifiquement lorsqu'un bullage très lent est employé.
Une série de déterminations de la hauteur de liquide réalisée avec un liquide de masse volumique connue est
nécessaire pour estimer l'équation d'étalonnage d'une cuve (voir l'ISO 18213-1), fonction mettant en relation
l'élévation (hauteur) d'un point dans la cuve avec une détermination indépendante du volume de la cuve
associée à ce point. Pour des besoins de comptabilité, l'équation de mesure (inverse de l'équation
d'étalonnage) est utilisée pour déterminer le volume de liquide de procédé dans la cuve correspondant à une
détermination donnée de la hauteur de liquide.
2 Principes physiques impliqués
La méthodologie de la présente partie de l'ISO 18213 s'appuie sur des mesures de la différence entre la
pression hydrostatique à la base d'une colonne de liquide dans une cuve et la pression à sa surface, mesurée
à l'aide d'une canne de bullage immergée dans le liquide. La pression exercée par une colonne de liquide à
sa base, P, exprimée en pascals, est liée à la hauteur de la colonne et à la masse volumique du liquide, selon
1)
l'Équation (1) :
P = gH ρ (1)
M M
où
H est la hauteur de la colonne de liquide (à la température T ), en m;
M m
3
ρ est la masse volumique moyenne du liquide dans la colonne (à la température T ), en kg/m ;
M m
2
g est l'accélération locale due à la pesanteur, en m/s .
1) L'indice «M» est employé pour indiquer la valeur d'une quantité dépendante de la température, à la température T .
m
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Pour un liquide de masse volumique connue, ρ, l'Équation (1) peut être utilisée pour déterminer la hauteur, H,
de la colonne de liquide au-dessus d'un point donné à partir (d'une mesure) de la pression, P, exercée par le
liquide à ce point. Par conséquent, les cuves de procédé sont généralement équipées de systèmes de cannes
de bullage permettant de mesurer la pression. Les composants d'un système type de mesure de pression
(voir la Figure 1) sont abordés en détail dans l'ISO 18213-1, ainsi qu'une description de la procédure associée
à une séquence d'étalonnage type.
En pratique, ce n'est pas la pression absolue qui est mesurée, mais plutôt la différence de pression entre le
bas et le haut de la colonne de liquide. Du gaz est introduit sous pression dans deux cannes pour mesurer
cette pression différentielle. L'extrémité de l'une des cannes (la canne principale, la plus longue) est située
près du fond de la cuve et immergée dans le liquide. L'extrémité de la seconde canne (la canne de référence)
est située dans la cuve, au-dessus de la surface du liquide.
Pour mesurer la pression, P, exercée par une colonne de liquide, il convient que la pression du gaz dans la
canne immergée soit mesurée à l'équilibre statique de l'interface gaz-liquide. En pratique, il est impossible de
mesurer cette pression directement car il est difficile de maintenir un niveau d'interface gaz-liquide stable et
reproductible dans la canne. C'est pourquoi, un système dynamique est utilisé pour réaliser les mesurages
dans des conditions aussi proches de l'équilibre que possible. Du gaz est introduit sous pression dans la
canne à un débit très faible et constant, et sa pression est mesurée de manière continue. La variation de ces
mesures avec le temps (autour d'une valeur centrale) dépend de la fréquence de bullage.
Si le débit de gaz est faible et constant, la pression du gaz à l'extrémité de la canne principale commence par
augmenter avec le temps, pendant la formation d'une bulle. L'évacuation d'une bulle depuis l'extrémité de la
canne entraîne une soudaine augmentation du niveau de l'interface bulle-liquide à l'extrémité de la canne et
une diminution correspondante de la pression. Pour une canne de petit diamètre (moins de 8 mm), la pression
atteint un maximum, puis diminue légèrement avant la chute brutale associée à la séparation de la bulle. Pour
les cannes de diamètre plus grand (plus de 8 mm), la pression maximale atteinte juste avant la séparation de
la bulle peut ne pas être accompagnée d'une diminution, mais peut, à la place, montrer une courte période de
stabilité relative, suivie d'une chute brutale en réponse à la séparation de la bulle. La dynamique de formation
et de séparation des bulles, avec leurs effets sur la pression dans la canne, est présentée aux Figures 2 et 3.
Les mesurages de pression sont réalisés au maximum de pression du cycle de formation et de séparation de
la bulle, car c'est le point où la pression est la plus stable. La mesure de la pression maximale entraîne une
surpression (une erreur positive), notée (δp) , par rapport à la pression réelle à l'extrémité de la canne. Une
max
formule de calcul de la surpression, (δp) , est donnée en 4.4.
max
Plusieurs facteurs, outre la surpression de bullage, peuvent affecter la précision des déterminations de
hauteur effectuées à partir de l'Équation (1). Les variations de température ont potentiellement l'incidence la
plus importante, surtout pour la comparabilité de deux mesures ou plus (telles que celles faites pour
l'étalonnage), principalement parce que la masse volumique du liquide change avec la température. Par
ailleurs, des différences entre les pressions réelles à l'extrémité des cannes et les pressions relevées au
manomètre peuvent être induites par la poussée aérostatique et par la masse de gaz dans les circuits des
cannes. Un algorithme général permettant de normaliser les mesures de pression en compensant les
variations de température et autres facteurs de mesure est présenté dans l'ISO 18213-2. Dans le cas où les
mesurages de pression sont effectués avec un bullage très lent, les détails de l'étape de calcul de la hauteur
en fonction de la pression, de cet algorithme de normalisation, sont présentés dans l'Article 4 de la présente
partie de l'ISO 18213. L'ISO 18213-5 donne les calculs analogues applicables à un bullage rapide.
L'ISO 18213-3 donne les procédures pour l'estimation de l'incertitude des déterminations de hauteurs
résultantes.
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NOTE Cette configuration est typique, mais d'autres configurations sont possibles, voir des exemples en
Référence [11].
Légende
1 manomètre
2 alimentation en gaz (N ou air)
2
3 débitmètres
Canne Canne principale Canne secondaire Canne de référence
Désignation de la canne P P P
1 2 r
Point de référence r (primaire) r (secondaire) —
1 2
Hauteur de liquide par
rapport au point de H H —
1 2
référence
Élévation de la jauge de
pression (manomètre) par
E E E
1 2 r
rapport au point de
référence
Élévation de la canne de
référence par rapport à la h = E − E − H h = E − E − H —
1 r 1 2 r 2
surface du liquide
Élévation du point de
a
référence par rapport au ε ε + S —
fond de la cuve
a
Distance verticale (séparation) des cannes: S = H − H .
1 2
Figure 1 — Composants d'un système type de mesurage de la pression
utilisé pour déterminer la quantité de liquide
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a ∆P = 3,7 d ∆P = 7,1
b ∆P = 4,8 e ∆P = 7,2
c ∆P = 5,7 f ∆P = 7,4
a) Rayon de la canne de bullage, r = 3 mm
a ∆P = 2,0 c ∆P = 5,4
b ∆P = 4,4 d ∆P = 5,9
b) Rayon de la canne de bullage, r = 10 mm
a ∆P = 1,8
b ∆P = 2,8
c ∆P = 5,7
c) Rayon de la canne de bullage, r = 15 mm
∆P = mm de H O.
2
Légende
d rayon de la canne de bullage, mm
h hauteur de la bulle, mm
Figure 2 — Évolution d'une bulle dans de l'eau
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Légende
t temps, s
∆P surpression, mm de H O
2
r rayon de la canne de bullage, mm
Figure 3 — Évolution de la surpression de bullage dans de l'eau
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Figure 4 — Extrémité de la canne
3 Équipement nécessaire, conditions de mesure et modes opératoires
3.1 Généralités
Les mesurages de pression auxquels la présente partie de l'ISO 18213 s'applique sont réalisés soit pour
étalonner une cuve, soit pour déterminer le volume de liquide de procédé qu'elle contient. Les mêmes
équipements, modes opératoires et étapes de normalisation sont utilisés dans les deux cas. Les composants
du système de mesure de pression utilisé pour déterminer la quantité de liquide dans une cuve de procédé
sont décrits en détail dans l'Article 4 de l'ISO 18213-1:2007. Les conditions de mesure et les modes
opératoires pour la réalisation des mesurages visant à déterminer la hauteur de liquide dans une cuve sont
décrits en détail dans l'Article 6 de l'ISO 18213-1:2007.
Seuls les aspects de l'équipement, des conditions de mesure et des modes opératoires propres à un bullage
lent, qui différent de ceux décrits dans l'ISO 18213-1, sont traités en 3.2 à 3.4.
3.2 Cuve et système de mesure
Il convient que la cuve soit connectée à un système d'injection d'air assurant un débit de bulles lent et régulier
(par exemple, 2 à 4 bulles par minute pour une canne de 15 mm de diamètre, voir l'ISO 18213-1:2007, 4.2).
Pour un bullage lent, il convient que les cannes immergées aient une géométrie cylindrique par rapport à l'axe
vertical (voir la Figure 4).
Des expériences sur les électromanomètres différentiels ont montré que ceux-ci présentaient des décalages
de mesure. Il est donc recommandé de lire et d'enregistrer régulièrement le «zéro» de l'instrument
(c'est-à-dire la mesure lue lorsque la même pression est appliquée aux deux entrées). Si la dérive s'avère
significative, cette information peut être utilisée pour corriger les données brutes, selon la nécessité, avant de
passer à l'étape de normalisation suivante.
3.3 Logiciel
Il convient que le système de mesure soit connecté à un ordinateur commandant les opérations et
transformant les données dans la forme requise (voir l'ISO 18213-1:2007, 4.5). Il convient que le logiciel soit
adapté au système de mesure et qu'il satisfasse aux exigences suivantes.
⎯ Il convient d'effectuer les mesurages de pression dans des conditions aussi proches que possible de
l'équilibre, et donc avec un bullage suffisamment lent (une bulle toutes les 15 s à 25 s pour une canne de
15 mm), de sorte que la surpression maximale soit presque indépendante de la vitesse de bullage. Il
convient que le logiciel inclue un sous-programme capable de mesurer la fréquence de bullage.
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⎯ Il convient que la pression soit mesurée au point de surpression maximale (voir les Figures 5 et 6). Il
convient donc que le logiciel contienne un sous-programme pour surveiller la surpression minimale et
maximale pendant le cycle d'une bulle.
⎯ Il convient que le logiciel surveille les valeurs de la pression dans le tiers supérieur de la plage de
fluctuation, détermine la valeur maximale et sélectionne la ou les valeurs à retenir pour le calcul de la
hauteur. En pratique, dix mesures rapides (5 Hz), proches de la pression maximale, sont retenues pour
minimiser l'effet des fluctuations de la mesure. Le critère de sélection des points à retenir dépend du
«profil de bulle». Ainsi, un sous-programme est nécessaire pour enregistrer et sélectionner les relevés
convenables. Un affichage graphique de toutes les mesures de pression est très utile pour la sélection
des relevés convenables. Si la pression maximale est obtenue avant que la bulle ne s'échappe, comme
c'est le cas pour les cannes de petit diamètre (voir la Figure 3), dix valeurs sont sélectionnées parmi
celles relevées autour de ce maximum. Pour les cannes de diamètre plus grand, la séparation de la bulle
entraîne une rapide chute de pression: la pression chute au-dessous de la plage de surveillance. Dans ce
cas, les relevés allant du quinzième au sixième précédant le point de séparation sont utilisés dans le
calcul. Dans tous les cas, la moyenne des valeurs sélectionnées est retenue.
⎯ Les trois étapes précédentes sont réalisées pour cinq bulles successives. La moyenne et l'écart-type de
ces cinq points sont calculés et enregistrés.
Le temps total nécessaire à la réalisation des mesurages pour une détermination de hauteur de liquide est
étroitement lié au temps nécessaire à la surface du liquide pour atteindre l'équilibre (c'est-à-dire pour se
stabiliser) après l'ajout de liquide dans la cuve. La mesure en elle-même prend moins de 5 min.
Légende
X temps, s
Y pression différentielle, ∆P, V
a
Surpression, δP.
b
0,25 s.
Figure 5 — Profil de bulle avec maximum avant la séparation
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ISO 18213-4:2008(F)
Légende
X temps
Y pression différentielle, ∆P
a
15 points.
b
10 points.
c
Maximum, M.
d
Minimum, m.
e
1/3 (M−m).
Figure 6 — Profil de bulle sans maximum avant la séparation
3.4 Modes opératoires
À la différence de la situation pour un bullage rapide, les modes opératoires doivent être modifiés: le débit
d'air d'un bullage rapide, utilisé en fonctionnement normal, doit être remplacé par un bullage lent requis
pendant les périodes de mesurage. Cela peut être réalisé en suivant les étapes décrites dans l'Annexe C.
4 Détermination de la hauteur à partir des mesures de pressions
4.1 Pression différentielle
Lorsque du gaz s'écoule à une vitesse lente et constante à travers une canne immergée dans du liquide, une
fluctuation périodique de la pression est observée avec un capteur de pression (généralement situé à une
certaine distance de la cuve). Lors de la formation d'une bulle, la pression à l'extrémité de la canne augmente
de manière continue, puis diminue brutalement lorsque la bulle s'échappe. C'est pourquoi, si des mesures
précises de la pression sont nécessaires, elles doivent être faites dans des conditions bien définies. Le point
où la pression atteint son maximum est sélectionné car la pression y est relativement stable et les mesures
ont une signification physique bien définie. Une vitesse d'écoulement du gaz très lente (2 à 4 bulles par
minute pour une canne de 15 mm de diamètre) est nécessaire pour atteindre un état de quasi-équilibre.
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La pression de bullage dépend non seulement de la hauteur de liquide au-dessus de l'extrémité de la canne,
mais aussi de la pression dans la cuve, à la surface du liquide. Ce qui est mesuré, en pratique, est la
différence entre la pression du gaz dans la canne immergée, P (E ), et la pression du même gaz s'écoulant
1 1
dans une seconde canne qui s'évacue dans le volume gazeux situé au-dessus de la surface du liquide, dans
la cuve, P (E ):
r 1
∆P = P (E ) – P (E ) (2)
1 1 1 r 1
La pression différentielle, ∆P , est mesurée à l'aide d'un manomètre situé à une élévation, E , au-dessus de
1 1
l'extrémité de la canne principale. Une entrée du manomètre est connectée à la canne, dont l'extrémité est
immergée dans le liquide de la cuve, et une autre est connectée à la canne de référence, qui s'évacue dans le
volume gazeux situé dans la partie supérieure de la cuve.
Comme cela a été remarqué à l'Article 2, plusieurs facteurs peuvent affecter la précision du calcul basé sur
l'Équation (1), pour la détermination de la hauteur à partir de la pression. Ainsi, les mesures de pression
différentielle doivent être ajustées pour compenser les variations des conditions ambiantes pendant la période
du mesurage, avant qu'elles puissent être converties en mesures précises de hauteur du liquide. Les
corrections appropriées sont traitées en 4.2 à 4.4.
4.2 Dérive de l'étalonnage des capteurs de pression
Des fluctuations (c'est-à-dire une dérive) de pression au cours du temps peuvent découler d'un glissement du
zéro dans les capteurs de pression (manomètres). Il est donc nécessaire de mesurer le «zéro» de l'instrument
avant une série de mesurages et à intervalles réguliers pendant celle-ci (par exemple toutes les heures, selon
l'instrument). Cette opération est réalisée en appliquant une pression égale aux deux entrées du manomètre
et en enregistrant les résultats. Il convient que ces mesures soient utilisées pour corriger la mesure de
pression, selon le besoin, en fonction de la dérive du zéro (qui peut dépasser 10 Pa). D'excellents résultats
peuvent souvent être obtenus en appliquant juste un ajustement linéaire (décalage) des mesures de pression
relevées.
Cependant, la réponse du capteur de pression et sa chaîne de mesure (capteur et voltmètre) ne sont
généralement pas des fonctions linéaires de la pression. Ainsi, il peut être nécessaire de développer un
modèle adapté de réponse du système de mesure. Un polynôme de faible degré conviendra souvent à cet
2)
usage.
4.3 Poussée aérostatique
Après que les mesures de pression ont été corrigées relativement à la dérive des instruments, elles peuvent
en principe servir à déterminer la hauteur, H , au moyen de l'É
...
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