ISO 18213-1:2007
(Main)Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume determination for nuclear materials accountancy — Part 1: Procedural overview
Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume determination for nuclear materials accountancy — Part 1: Procedural overview
ISO 18213-1:2007 describes procedures for tank calibration and volume determination for nuclear process tanks equipped with pressure-measurement systems for determining liquid content. Specifically, overall guidance is provided for planning a calibration exercise undertaken to obtain the data required for the equation to estimate a tank's volume and the key steps in the procedure are presented for subsequently using the estimated volume-measurement equation to determine tank liquid volumes. The procedures presented apply specifically to tanks equipped with bubbler probe systems for measuring liquid content. Moreover, these procedures produce reliable results only for clear (i.e., without suspended solids), homogeneous liquids that are at both thermal and static equilibrium.
Technologie du combustible nucléaire — Étalonnage et détermination du volume de cuve pour la comptabilité des matières nucléaires — Partie 1: Aperçu général de la procédure
L'ISO 18213-1:2007 décrit les procédures pour l'étalonnage de cuve et la détermination du volume de cuve de procédé nucléaire, pour cuves équipée d'un système de mesure de pression permettant d'en déterminer le volume de liquide. En particulier, elle fournit des lignes directrices pour planifier une procédure d'étalonnage en vue d'obtenir les données nécessaires à l'estimation de l'équation de mesure de volume de la cuve, et présente les étapes clés de la procédure à suivre pour utiliser ultérieurement l'équation estimée de mesure de volume en vue de la détermination du volume de liquide de la cuve. Les procédures présentées s'appliquent spécifiquement aux cuves équipées d'un système de cannes de bullage pour la mesure du volume des liquides. Cependant, ces procédures ne donnent des résultats fiables que pour des liquides clairs (sans matières en suspension), homogènes, qui sont à la fois en équilibre thermique et en équilibre statique.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18213-1
First edition
2007-11-15
Nuclear fuel technology — Tank
calibration and volume determination for
nuclear materials accountancy —
Part 1:
Procedural overview
Technologie du combustible nucléaire — Étalonnage et détermination
du volume de cuve pour la comptabilité des matières nucléaires —
Partie 1: Aperçu général de la procédure
Reference number
ISO 18213-1:2007(E)
©
ISO 2007
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ISO 18213-1:2007(E)
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ISO 18213-1:2007(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Physical principles involved. 1
3 The calibration model. 2
4 Equipment required. 3
4.1 General. 3
4.2 The tank and its measurement systems. 3
4.3 Prover system . 6
4.4 Calibration liquid. 8
4.5 Calibration software . 8
5 A typical tank calibration procedure. 8
5.1 Calibration procedure. 8
5.2 Procedural notes. 9
6 Calibration planning and pre-calibration activities . 10
6.1 The calibration plan. 10
6.2 Measurement requirements and preliminary error analysis . 10
6.3 The tank and its measurement support systems . 11
6.4 Calibration equipment (prover system). 12
6.5 Reference operating conditions. 13
6.6 Data acquisition and analysis . 15
6.7 The calibration plan. 17
7 Volume determination . 18
7.1 Overview . 18
7.2 Steps for determining reference height. 18
7.3 Steps for determining volume . 19
7.4 Compute uncertainty estimates . 20
7.5 Final note on heel volume. 21
Bibliography . 22
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ISO 18213-1:2007(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
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 18213-1 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 18213-1:2007(E)
Introduction
ISO 18213 deals with the acquisition, standardization, analysis, and use of calibration data to determine liquid
volumes in process tanks for the purpose of nuclear materials accountability. This part of ISO 18213
complements the other parts, which include ISO 18213-2 (data standardization), ISO 18213-3 (statistical
methods), ISO 18213-4 (slow bubbling rate), ISO 18213-5 (fast bubbling rate), and ISO 18213-6 (in-tank
determination of liquid density).
Accurate determinations of volume are a fundamental component of any measurement-based system of
control and accountability in a facility that processes or stores nuclear materials in liquid form. Volume
determinations are typically made with the aid of a calibration or volume measurement equation that relates
the response of the tank’s measurement system to some independent measure of tank volume. 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. The steps carried out to
acquire data for estimating the tank’s calibration or volume measurement equation are collectively described
as the process of tank calibration.
The methods presented in this part of ISO 18213 apply to tanks equipped with bubbler probe systems for
measuring liquid content. With such systems, gas (air) is forced through a dip tube (probe) submerged in the
tank liquid. Measurements of the pressure required to induce bubbling are used to determine the height of the
column of liquid in the tank above the tip of the probe. During the calibration process, these determinations of
liquid height are related to an independent measure of the tank’s liquid content for some (calibration) liquid
whose density has been precisely determined. An estimate of the volume measurement equation obtained
from these data is subsequently used to determine process liquid volumes from measures of the pressure that
these liquids exert at the tip of the dip tube.
This part of ISO 18213 is intended to serve as a procedural overview for the tank calibration and volume
determination process, the main elements of which are presented. Selected steps that require further
amplification are discussed in detail in other parts of ISO 18213 as noted.
Tank calibration and volume measurement data are sensitive to variations in measurement conditions and
especially to changes in liquid and air temperatures. Therefore, it is necessary to standardize these data to a
fixed set of reference conditions to minimize variability and ensure comparability. Standardization is required
whenever measurement conditions change during a calibration exercise. Standardization is also necessary for
comparing or combining data obtained during several calibration periods over which the measurement
conditions are not constant. Finally, it is essential to standardize measurements of process liquid used to
determine volumes for accountability purposes, because process measurement conditions are typically quite
different from those that prevail during the calibration exercise. Data standardization steps are presented in
ISO 18213-2.
A key step for both calibration and volume determination is to determine the height of a column of liquid above
some reference point from a measure of the pressure that liquid exerts at the tip of a submerged probe.
Procedures for making accurate liquid height determinations from pressure measurements are presented for
slow and fast bubbling rates in ISO 18213-4 and ISO 18213-5, respectively.
Statistical methods for (i) examining the consistency of a set of data obtained during the calibration process,
(ii) deriving an estimate of a tank’s measurement or calibration equation from a set of calibration data and (iii)
estimating the uncertainty of a volume determination obtained from this equation are presented in
ISO 18213-3.
In tanks equipped with two or more dip tubes, the procedures of this part of ISO 18213 can be used to obtain
(differential) pressure measurements for each probe. These measurements can, in turn, be used to make very
accurate determinations of liquid density. Methods for making accurate determinations of density from in-tank
measurements are presented in ISO 18213-6.
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ISO 18213-1:2007(E)
Taken together, the six parts of ISO 18213 provide a comprehensive state-of-the-art methodology that
addresses all the factors known to significantly affect the uncertainty of volume determinations obtained by
means of a tank calibration equation. This methodology can be used to produce high-quality calibrations for
tanks from which very precise volume determinations are required, such as key input and output
accountability tanks. For various reasons (inadequate instrumentation, lack of time or other resources), it
might not be possible for an operator to meet all the prescribed conditions set forth herein, even for key
accountability tanks. Moreover, it is typically not necessary for the operator to meet these conditions for all the
tanks in a facility. Under these circumstances, this part of ISO 18213 provides a starting framework from
which to develop a suitable “reduced” calibration model for each tank.
The first step for any calibration is to establish appropriate uncertainty limits for the resulting volume
determinations. Next, each potentially significant factor is evaluated relative to its effect on calibration results,
and specifically for its contribution to the total uncertainty of volume determinations (see
ISO 18213-3:—, Annex D). A reduced model is obtained by ignoring factors found to have a negligible effect
on total uncertainty in subsequent calculations pertaining to that calibration [possibly by fixing them at suitable
constant values; see either ISO 18213-4:—, Annex A (slow bubbling) or ISO 18213-5:—, Annex A (fast
bubbling) for examples]. Other factors are, of course, retained. Thus, for a key accountability tank for which
very precise volume measurements are required, a suitable model retains (nearly) all potentially significant
factors in subsequent standardization and uncertainty calculations. For tanks with less restrictive
measurement requirements, a model that includes terms which involve only one or two of the most influential
factors, such as temperature and density, is often sufficient. The user is reminded at numerous points
throughout this International Standard that it is required of the user to determine whether or not to retain a
particular variable.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18213-1:2007(E)
Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume
determination for nuclear materials accountancy —
Part 1:
Procedural overview
1 Scope
This part of ISO 18213 describes procedures for tank calibration and volume determination for nuclear
process tanks equipped with pressure-measurement systems for determining liquid content. Specifically,
overall guidance is provided for planning a calibration exercise undertaken to obtain the data required for the
measurement equation to estimate a tank’s volume. The key steps in the procedure are also presented for
subsequently using the estimated volume-measurement equation to determine tank liquid volumes.
The procedures presented apply specifically to tanks equipped with bubbler probe systems for measuring
liquid content. Moreover, these procedures produce reliable results only for clear (i.e. without suspended
solids), homogeneous liquids that are at both thermal and static equilibrium.
2 Physical principles involved
The pressure measurement systems for determining liquid height described in this part of ISO 18213 are
based on the fundamental hydrostatic principle which states that the pressure, P, exerted by a column of liquid
at its base is related to the height of the column and the density of the liquid as given in Equation (1):
P = gH ρ (1)
M M
where
1)
H is the height of the liquid column (at temperature T ) ;
M m
ρ is the average density of the liquid in the column (at temperature T );
M m
g is the local acceleration due to gravity.
If the density of the liquid is known, Equation (1) can be used to determine the height of the liquid column
above a given point from (a measure of) the pressure the liquid exerts at that point. Therefore, process tanks
are typically equipped with bubbler probe systems to measure pressure. With a bubbler probe system, gas is
forced through a probe whose tip is submerged in the tank liquid until bubbling occurs. At this point, the
pressure exerted at the tip of the probe by the bubbling gas equals that exerted by the liquid column. The
pressure required to induce bubbling is measured with a manometer located above the tank at some distance
from the tip of the probe.
1) The subscript “M” is used to indicate the value of a temperature-dependent quantity at temperature T .
m
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In practice, many factors 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 is quite sensitive to
variations in temperature. Moreover, differences between the actual pressure at the tip of the probe and the
observed pressure at the manometer can result from the buoyancy effect of air, the mass of gas in the probe
lines, flow resistance, and the effects of bubble formation and release at the tip of the probe. A general
algorithm for standardizing pressure measurements that compensates for temperature differences and other
measurement factors is presented in ISO 18213-2. The pressure-to-height calculation step required for each
measurement depends on the bubbling rate. The calculation is discussed in more detail in ISO 18213-4 and
ISO 18213-5, respectively, depending on whether a slow or fast bubbling rate is employed.
3 The calibration model
The calibration equation for a process tank expresses the response of its measurement system (e.g. pressure
or liquid height determined from pressure) as a function of its liquid content (e.g. mass or volume). The
measurement equation, which gives the volume of the tank as a function of height, is the inverse of the
calibration equation.
−1
At a fixed reference temperature, T , the measurement equation, Vf= ()H , gives the volume of the tank
r rr
below some point at elevation, H , above a selected reference point (typically the tip of the major probe). The
r
measurement equation can be written as given in Equation (2):
H
r
−1
Vf==()H AHdH (2)
()
rr r
∫
−ε
where
H is the elevation of the liquid surface above the reference point;
A (H) is the free cross-sectional area of the tank (the cross-sectional area of the tank minus the area
r
occupied by internal apparatus) at elevation, H, above the selected reference point (at
temperature T );
r
ε is the vertical distance between the selected reference point and the lowest point in the tank.
Note that if the lowest point in the tank is chosen as the reference point, then ε = 0.
The form of the measurement equation given in Equation (2) is generally not used directly because the
functional form of A (H) can be quite complex and estimates obtained from engineering drawings are not
r
sufficiently accurate for safeguard purposes. Therefore, a calibration exercise is undertaken to obtain data
from which a sufficiently accurate estimate of the height-volume relationship given by Equation (2) [or
Equation (3)] can be made. The estimate of Equation (2) [or Equation (3)] derived from these calibration data
is typically expressed in the form of several low-degree polynomial equations, each of which has been fitted to
a particular segment of the overall calibration equation.
If a tank cannot be completely emptied, a calibration begins at some unknown elevation H > − ε determined
0
by the residual liquid that remains in the tank (i.e. the tank’s heel). In terms of H , Equation (2) can be written
0
as Equation (3):
H
r
VV=+ A H dH (3)
()
r0 r
∫
H
0
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ISO 18213-1:2007(E)
where V is the heel volume of the tank, as given in Equation (4):
0
H
0
VA= H dH (4)
()
0r
∫
−ε
If the tank can be completely emptied, then H = − ε et and V = 0. In general, however, the tank cannot be
0 0
completely emptied, in which case the heel volume, V , cannot be determined directly with the tank’s
0
measurement system. In this latter case, the heel volume cannot be measured as part of the calibration
process (except possibly during the very first calibration run, and then only if the tank is initially empty), so it is
necessary to determine it in some other manner (see 6.6.6 and ISO 18213-2:2007, Annex C).
4 Equipment required
4.1 General
For accountability purposes, a tank’s liquid content is measured in order to determine its volume. This requires
that the tank first be calibrated, i.e. that the relationship between the elevation of a given point in the tank and
the volume of the tank below that point be established. During the calibration process, increments of some
calibration liquid of known density are added to the tank. The content of each increment is measured
(independently of the tank’s measurement system) and, after it is added to the liquid in the tank, the
corresponding response of the tank’s measurement system is observed. The independent measurements of
tank content are obtained by means of a suitable prover system. The tank’s measurement and measurement
support systems are discussed in 4.2. The major components of a calibration system, which consists of the
prover system, the calibration liquid and the requisite software, are discussed in 4.3, 4.4 and 4.5, respectively.
4.2 The tank and its measurement systems
4.2.1 Overview
The elements of a typical pressure-based measurement system for determining liquid content (height) are
shown schematically in Figure 1. These include the tank, its bubbler probes, its temperature probes and the
manometer(s) used to measure pressure. Figure 1 also gives the nomenclature that is used throughout the six
parts of ISO 18213.
The bubbling pressure depends not only on the height of the 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 the gas in the major (or minor) probe and the pressure of gas in the reference probe.
In the configuration shown in Figure 1, the major (minor) probe is connected at the high-pressure side of the
manometer and the reference probe is connected at the low-pressure side. This configuration, although typical,
is not the only one possible. In another widely-used configuration, for example, the major probe is connected
at the high-pressure side of the manometer while the minor and reference probes are connected at the
low-pressure side. Minor modifications in the methods and nomenclature of this part of ISO 18213 can be
2)
required when these methods are applied to configurations differing from that shown in Figure 1.
2) The advantage of the configuration shown in Figure 1 is that, once the minor probe is submerged, it yields duplicate
measures of liquid height. The alternative configuration yields one measure of liquid height and a measure of the
difference in pressure between the major and minor probes.
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ISO 18213-1:2007(E)
Key
1 manometer
2 gas supply (N or air)
2
3 flowmeters
Probe Major probe Minor probe Reference probe
Probe designation P P P
1 2 r
Reference point r (primary) r (secondary) —
1 2
Height of the liquid above the
H H —
1 2
reference point
Elevation of the pressure
E E E
gauge (manometer) above the
1 2 r
reference point
Elevation of the reference
h = E − E − H h = E − E − H —
1 r 1 2 r 2
probe above liquid surface
Elevation of reference point
a
ε ε + S —
above bottom of the tank
a
Vertical distance (probe separation): S = H − H .
1 2
Figure 1 — Elements of a typical pressure measurement system for determining liquid content
4 © ISO 2007 – All rights reserved
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ISO 18213-1:2007(E)
4.2.2 Tank
The tank in which liquid height is measured should be equipped with at least two tubes (probes) of small
diameter (< 15 mm). One of the probes (the major probe) should extend as close to the bottom of the tank as
possible (without touching it). This probe should be rigidly mounted so that its position relative to the tank is
fixed and it is not in contact with any point on the wall of the tank. The second probe (reference probe) shall
also extend into the tank, but it should be as short as possible (or mounted on the vent pipe), so that its tip is
above the maximum filling level.
Each probe should be connected to two rigid tubes (pipes) of small diameter, one of which is connected to a
gas supply and one of which is connected to a pressure gauge (manometer). The two tubes for each probe
should be of the same diameter and as close to the same length as possible (and preferably co-located). The
tubes should be installed (mounted) so that they are not subject to vibrations that can adversely affect the
measurement quality.
Changes in temperature can significantly affect the reliability of data for calibration and volume determination,
especially through their effect on liquid density. Therefore, the tank should be equipped with temperature
probes that are calibrated to ensure measurements with an accuracy of at least 0,5 °C.
The tank shall also be equipped with instrumentation (spargers, agitators, etc.) to ensure that its contents are
homogeneous and at uniform temperature at the time of measurement. These instruments shall be capable of
operating at rates that maintain the homogeneity and uniformity of the liquid without causing excessive motion
or evaporation during a calibration run. It shall be possible to turn these instruments off on demand to make
the necessary measurements.
To ensure stable measurement conditions, the tank, together with its operating and measurement systems,
should be isolated insofar as possible from other elements (e.g. surrounding tanks) of the plant process.
4.2.3 Manometers
Tanks equipped with pressure measurement systems for determining liquid content shall also be equipped
with manometers for measuring the pressure of the bubbling gas flowing through the probe lines. The selected
manometer(s) should be equipped with a digital readout or connected to a digital voltmeter so it/they can be
interfaced electronically with other components of the tank measurement and calibration systems.
The manometer system shall be sensitive enough to measure pressure with sufficient precision to meet
safeguard requirements imposed on the tank. If it is necessary, for example, to resolve 1-l volumes, this in
turn imposes a requirement on manometer resolution (see 6.3.3). Generally, a manometer system that can
resolve pressure differences of 1 Pa to 2 Pa or less is suitable for safeguards purposes. The manometer
system should also have a differential range that is appropriate for its intended use. While a manometer with a
differential range of 50 000 Pa can be required for a large input tank, one with a narrower range of 20 000 Pa
can be suitable for a smaller output tank.
The electronic acquisition and transfer of data is important both for eliminating data recording errors and for
ease of operation, especially during calibration exercises (see 4.5). The system should be capable of
measuring continuously, or with a frequency of at least 5 Hz.
4.2.4 Bubbling gas
A supply of gas is required. The supply shall be sufficient, not only to maintain flow in the reference probe that
vents into the tank above the liquid surface, but also to maintain bubbling at the tip of the submerged probe(s)
throughout the established measurement periods. Instrumentation for delivering and controlling the flow of gas
through the probe lines shall be capable of maintaining a constant flow rate during calibration and
measurement activities. The delivery system should allow the gas to reach thermal equilibrium within the
facility so that large thermal gradients are avoided.
The selected bubbling gas shall be inert with respect to the calibration and process liquids. Moreover, a gas
should be selected whose physical properties (especially density) are well known so that necessary
standardization calculations can be carried out (see ISO 18213-4 or ISO 18213-5). Compressed air and
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 18213-1
Première édition
2007-11-15
Technologie du combustible nucléaire —
Étalonnage et détermination du volume
de cuve pour la comptabilité des matières
nucléaires —
Partie 1:
Aperçu général de la procédure
Nuclear fuel technology — Tank calibration and volume determination
for nuclear materials accountancy —
Part 1: Procedural overview
Numéro de référence
ISO 18213-1:2007(F)
©
ISO 2007
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ISO 18213-1:2007(F)
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ISO 18213-1:2007(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Principes physiques impliqués . 1
3 Modèle d'étalonnage . 2
4 Équipement nécessaire. 3
4.1 Généralités . 3
4.2 Cuve et systèmes de mesure . 3
4.3 Circuit cuve-étalon. 6
4.4 Liquide d'étalonnage . 8
4.5 Logiciel d'étalonnage . 8
5 Procédure type d'étalonnage de cuve . 9
5.1 Procédure d'étalonnage . 9
5.2 Notes relatives aux procédures . 10
6 Planification des opérations d'étalonnage et de préétalonnage . 10
6.1 Plan d'étalonnage . 10
6.2 Conditions de mesure et analyse préliminaire d'erreur . 11
6.3 La cuve et ses systèmes de support et de mesure. 11
6.4 Matériel d'étalonnage (cuve-étalon). 13
6.5 Conditions opérationnelles de référence.14
6.6 Acquisition des données et analyse. 16
6.7 Plan d'étalonnage . 18
7 Détermination du volume. 19
7.1 Aperçu général. 19
7.2 Étapes de détermination de la hauteur de liquide. 19
7.3 Étapes de détermination du volume. 21
7.4 Estimation des incertitudes. 21
7.5 Dernière note sur le volume de pied de cuve . 22
Bibliographie . 23
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ISO 18213-1:2007(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.
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internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
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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 18213-1 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 18213-1:2007(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 liquides 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, comprenant l'ISO 18213-2 (normalisation des données), l'ISO 18213-3 (méthodes statistiques),
l'ISO 13213-4 (bullage lent), l'ISO 18213-5 (bullage rapide) et l'ISO 18213-6 (détermination de la masse
volumique en cuve).
Les mesures précises de volume sont l'un des éléments fondamentaux de tout système de mesure pour la
gestion et la comptabilité dans une installation qui traite ou stocke des matières nucléaires à l'état liquide. En
principe, les mesures volumétriques sont déterminées à l'aide d'une équation d'étalonnage ou de mesure de
volume, qui relie la réponse d'un système de mesure de la cuve à une mesure indépendante de volume de la
cuve. L'ultime objectif de la procédure 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. Les phases nécessaires à l'acquisition des données pour évaluer cette équation d'étalonnage ou de
mesure de volume sont décrites comme le processus d'étalonnage de cuve.
Les méthodes exposées dans la présente partie de l'ISO 18213 s'appliquent à des cuves équipées de
systèmes de canne de bullage pour mesurer la quantité de liquide. Avec un tel système, le gaz (air) est
introduit sous pression dans un tube plongeant (canne) immergé dans le liquide de la cuve. Les mesures de
la pression requise pour générer le bullage sont utilisées pour déterminer la hauteur de la colonne de liquide
dans la cuve, au-dessus de l'extrémité de la canne. Pendant l'étalonnage, les mesures de la hauteur de
liquide sont associées à une mesure quantitative indépendante d'une quantité déterminée de liquide
(d'étalonnage) dans la cuve, dont la masse volumique a été déterminée avec précision. Une estimation de
l'équation de mesure de volume, obtenue à partir de ces données, est utilisée par la suite pour déterminer les
volumes de liquide de procédé à partir des mesures de pression que ces liquides exercent à l'extrémité de la
canne de bullage.
La présente partie de l'ISO 18213 donne un aperçu général de la procédure d'étalonnage et de détermination
de volume, dont les phases principales sont présentées. Les étapes qui nécessitent un développement
ultérieur sont discutées plus en détail dans les autres parties de l'ISO 18213, citées ci-dessus.
Les données d'étalonnage et de mesure de volume de cuve sont sensibles aux variations des conditions de
mesure, et spécialement à celles de la température du liquide et de l'air. Par conséquent, ces données
doivent être normalisées suivant un ensemble fixe de conditions de référence pour réduire la variabilité et
garantir la comparabilité. La normalisation est indispensable chaque fois que les conditions de mesure
changent au cours d'une procédure d'étalonnage et, également, pour la comparaison ou la combinaison des
données provenant de plusieurs périodes d'étalonnage, au cours desquelles les conditions de mesure ne sont
pas constantes. Enfin, la normalisation est déterminante pour toutes les mesures de liquide utilisées pour
déterminer des volumes pour les besoins de comptabilité, car les conditions de mesure dans le procédé sont,
en général, très différentes de celles qui existent en cours d'étalonnage. Les étapes de normalisation des
données sont présentées dans l'ISO 18213-2.
L'une des phases essentielles de la procédure d'étalonnage et de mesure de volume est la détermination de
la hauteur d'une colonne de liquide au-dessus d'un certain point de référence, à partir d'une mesure de la
pression exercée par le liquide au niveau de l'extrémité de la canne immergée. Les procédures utilisées pour
déterminer avec précision ces hauteurs de liquide, à partir des mesures de pression, sont présentées
respectivement dans l'ISO 18213-4 et l'ISO 18213-5 pour des vitesses de bullage lentes et rapides.
Les méthodes statistiques employées pour (i) l'analyse de la cohérence d'un ensemble de résultats obtenus
pendant l'opération d'étalonnage, (ii) l'établissement de l'équation d'étalonnage de cuve à partir d'un
ensemble de données d'étalonnage et (iii) l'évaluation de l'incertitude du volume déterminé à partir de cette
équation sont présentées dans l'ISO 18213-3.
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ISO 18213-1:2007(F)
Pour les cuves équipées de deux cannes de bullage ou plus, il est possible d'appliquer les procédures de
l'ISO 18213 pour effectuer les mesures de pression (différentielle) pour chaque canne. Ces mesures peuvent
ensuite être utilisées pour la détermination très précise de la masse volumique du liquide dans la cuve. Les
méthodes permettant la mesure précise de la masse volumique des liquides dans les cuves sont décrites
dans l'ISO 18213-6.
Prises ensemble, les six parties de l'ISO 18213 fournissent une méthodologie complète et innovante traitant
tous les facteurs connus affectant significativement l'incertitude des déterminations de volume obtenues au
moyen d'une équation d'étalonnage de cuve. Cette méthodologie peut être utilisée pour fournir des
étalonnages de grande qualité pour des cuves où des mesures de volume très précises sont requises, telles
que les cuves de comptabilité clés d'entrée et de sortie. Pour diverses raisons (instrumentation inadaptée,
manque de temps ou d'autres moyens), il est possible qu'un opérateur ne puisse pas réunir toutes les
conditions prescrites dans l'ISO 18213, même pour des cuves de comptabilité clés. Cependant, il n'est
pratiquement pas nécessaire, pour l'opérateur, de disposer de toutes ces conditions pour toutes les cuves de
l'installation. Dans ces circonstances, la présente partie de l'ISO 18213 fournit un cadre de départ à partir
duquel un modèle d'étalonnage «réduit», adapté à chaque cuve, peut être développé.
La première étape de tout étalonnage est d'établir les limites d'incertitude appropriées pour la mesure de
volume résultante. Ensuite, chaque facteur potentiellement significatif est évalué relativement à son effet sur
les résultats d'étalonnage et, en particulier, relativement à sa contribution à l'incertitude totale de la mesure de
volume (voir l'ISO 18213-3:—, Annexe D). Un modèle réduit est obtenu en ignorant les facteurs dont l'effet sur
l'incertitude totale et sur les calculs ultérieurs concernant cet étalonnage est négligeable [éventuellement en
les fixant à une valeur constante adaptée; voir les exemples de l'ISO 18213-4:—, Annexe A (bullage lent) ou
de l'ISO 18213-5:— (bullage rapide)]. Les autres facteurs seront bien sûr retenus. Ainsi, pour une cuve de
comptabilité clé pour laquelle des mesures très précises de volume sont requises, un modèle adapté
considérera (presque) tous les facteurs potentiellement importants dans les calculs ultérieurs de normalisation
et d'incertitude. Pour les cuves avec des exigences de mesure moins strictes, un modèle ne comprenant que
des termes qui n'impliquent qu'un ou deux des facteurs les plus influents, tels que la température et la masse
volumique, suffira souvent. Il est rappelé à l'utilisateur, à de nombreux endroits dans l'ISO 18213, qu'il doit
déterminer s'il doit ou non retenir une variable particulière.
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NORME INTERNATIONALE ISO 18213-1:2007(F)
Technologie du combustible nucléaire — Étalonnage et
détermination du volume de cuve pour la comptabilité des
matières nucléaires —
Partie 1:
Aperçu général de la procédure
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 18213 décrit les procédures pour l'étalonnage de cuve et la détermination du
volume de cuve de procédé nucléaire, pour cuves équipée d'un système de mesure de pression permettant
d'en déterminer le volume de liquide. En particulier, elle fournit des lignes directrices pour planifier une
procédure d'étalonnage en vue d'obtenir les données nécessaires à l'estimation de l'équation de mesure de
volume de la cuve, et présente les étapes clés de la procédure à suivre pour utiliser ultérieurement l'équation
estimée de mesure de volume en vue de la détermination du volume de liquide de la cuve.
Les procédures présentées s'appliquent spécifiquement aux cuves équipées d'un système de cannes de
bullage pour la mesure du volume des liquides. Cependant, ces procédures ne donnent des résultats fiables
que pour des liquides clairs (sans matières en suspension), homogènes, qui sont à la fois en équilibre
thermique et en équilibre statique.
2 Principes physiques impliqués
Les systèmes de mesure de pression pour déterminer la hauteur de liquide décrits dans la présente partie de
l'ISO 18213 reposent sur le principe hydrostatique de base, selon lequel la pression exercée par une colonne
de liquide à sa base, P, est liée à la hauteur de la colonne et à la masse volumique du liquide selon
l'Équation (1):
P = gH ρ (1)
M M
où
1)
H est la hauteur de la colonne de liquide (à la température T ) ;
M m
ρ est la masse volumique moyenne du liquide dans la colonne (à la température T );
M m
g est l'accélération locale due à la pesanteur.
Si la masse volumique du liquide est connue, l'Équation (1) peut être utilisée pour déterminer la hauteur de la
colonne de liquide au-dessus d'un point donné à partir (d'une mesure) de la pression 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. Avec un système de cannes de bullage, le gaz est introduit sous
pression dans une canne dont l'extrémité est immergée dans le liquide de la cuve, jusqu'à l'apparition de
bulles. À ce point, la pression appliquée à l'extrémité de la canne par le gaz de bullage est égale à celle
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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appliquée par la colonne de liquide. La pression requise pour induire le bullage se mesure à l'aide d'un
manomètre situé au-dessus de la cuve, à quelque distance de l'extrémité de la canne.
En pratique, plusieurs facteurs 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 est extrêmement sensible aux variations de température. En outre, des
différences entre la pression réelle exercée à l'extrémité de la canne et la pression lue au manomètre peuvent
être induites par la poussée aérostatique, la masse de gaz dans les circuits des cannes, la perte de charge et
les effets de la formation et de la libération des bulles à l'extrémité de la canne. Un algorithme général
permettant de normaliser les mesures de pression, en compensant les différences de températures et autres
facteurs de mesure, est présenté dans l'ISO 18213-2. La phase de calcul de la hauteur en fonction de la
pression requise pour chaque mesure dépend de la vitesse de bullage. Le calcul est traité plus en détail dans
l'ISO 18213-4 et l'ISO 18213-5, respectivement en fonction de l'utilisation d'un bullage lent ou rapide.
3 Modèle d'étalonnage
L'équation d'étalonnage d'une cuve de procédé exprime la réponse de son système de mesure (par exemple
pression ou hauteur de liquide calculée à partir de la pression) en fonction de sa quantité de liquide contenu
(par exemple masse ou volume). L'équation de mesure, qui donne le volume de la cuve en fonction de la
hauteur, est l'inverse de l'équation d'étalonnage.
−1
À une température de référence fixée, T , l'équation de mesure, Vf= H ,donne le volume de la cuve
( )
r rr
au-dessous d'un certain point à la cote H au-dessus d'un point de référence choisi (en général l'extrémité de
r
la canne principale). L'équation de mesure peut s'écrire selon l'Équation (2):
H
r
−1
Vf==()H AHdH (2)
()
rr r
∫
−ε
où
H est la cote de la surface du liquide au-dessus du point de référence;
A (H) est la section libre de la cuve (la section de la cuve moins la surface occupée par l'appareillage
r
interne) à la cote H au-dessus du point de référence sélectionné (à la température T );
r
ε est la distance verticale entre le point de référence choisi et le point le plus bas de la cuve.
Noter que, si l'on choisit comme point de référence le point le plus bas, on a alors ε = 0.
L'équation de mesure donnée par l'Équation (2) n'est généralement pas utilisée directement, car la forme
fonctionnelle de A (H) peut être très complexe, et les approximations réalisées à partir de dessins techniques
r
ne sont pas suffisamment précises du point de vue du contrôle des garanties des matières nucléaires. Par
conséquent, une procédure d'étalonnage est entreprise pour obtenir des données à partir desquelles il est
possible d'effectuer une estimation suffisamment précise de la relation hauteur/volume donnée par
l'Équation (2) [ou l'Équation (3) ci-dessous]. L'estimation de l'Équation (2) [ou de l'Équation (3)] à partir des
données d'étalonnage s'exprime, en principe, sous la forme de plusieurs équations polynomiales de faible
degré, chacune d'elles étant ajustée sur un segment particulier de l'équation d'étalonnage complète.
Si la cuve ne peut pas être totalement vidée, l'étalonnage commence à une cote inconnue, H > −ε,
0
déterminée par le liquide résiduel qui demeure dans la cuve (le pied de cuve). En termes de H , l'Équation (2)
0
peut s'écrire selon l'Équation (3):
H
r
VV=+ AH dH (3)
()
r0 r
∫
H
0
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où V est le volume résiduel initial inconnu de la cuve, exprimé selon l'Équation (4):
0
H
0
VA= H dH (4)
()
0r
∫
−ε
Si la cuve peut être complètement vidée, alors H = −ε et V = 0. En général, cependant, la cuve ne peut pas
0 0
être complètement vidée, et le pied de cuve, V , ne peut pas être déterminé directement avec le système de
0
mesure de la cuve. Dans ce cas, le volume résiduel ne peut pas être mesuré pendant l'opération d'étalonnage
(sauf pendant le tout premier étalonnage, et seulement si la cuve est initialement vide), et doit être évalué
d'une autre manière (voir 6.6.6 et l'ISO 18213-2:2007, Annexe C).
4 Équipement nécessaire
4.1 Généralités
Dans le cadre de la comptabilité des matières nucléaires, la quantité de liquide dans une cuve est mesurée
pour déterminer son volume. Cela implique que la cuve est préalablement étalonnée, c'est-à-dire que la
relation entre la cote d'un point donné de la cuve et le volume de la cuve au-dessous de ce point est établie.
Pendant le processus d'étalonnage, des compléments de liquide d'étalonnage de masse volumique connue
sont ajoutés dans la cuve. Le volume de chaque incrément est mesuré (indépendamment du système de
mesure de la cuve) et, après qu'il a été ajouté au contenu de la cuve, la réponse correspondante du système
de mesure de la cuve est observée. Les mesures indépendantes de capacité de la cuve sont réalisées à
l'aide d'un circuit cuve-étalon approprié. Les systèmes de mesure et d'aide à la mesure des cuves sont traités
en 4.2. Les composants principaux d'un système d'étalonnage, comprenant le circuit cuve-étalon, le liquide
d'étalonnage et le logiciel d'étalonnage requis, sont présentés respectivement en 4.3, en 4.4 et en 4.5.
4.2 Cuve et systèmes de mesure
4.2.1 Introduction
Les composants d'un système type basé sur la mesure de pression, utilisé pour déterminer la quantité de
liquide (hauteur) dans une cuve, sont représentés schématiquement dans la Figure 1. Ces composants
comprennent la cuve, ses cannes de bullage, ses capteurs de température et le(s) manomètre(s) utilisé(s)
pour mesurer la pression. La Figure 1 donne également la nomenclature utilisée dans les six parties de
l'ISO 18213.
La pression de bullage dépend non seulement de la hauteur du liquide au-dessus de l'extrémité de la canne
de bullage, mais aussi de la pression à la surface du liquide dans la cuve. En pratique, la mesure effectuée
est la différence entre la pression du gaz dans la canne principale (ou secondaire) et la pression du gaz dans
la canne de référence.
Dans la configuration représentée dans la Figure 1, la canne principale (secondaire) est connectée au côté
haute pression du manomètre, et la canne de référence est connectée au côté basse pression. Cette
configuration, bien que courante, n'est pas la seule possible. Dans une autre configuration très répandue, par
exemple, la canne principale est connectée au côté haute pression du manomètre et les cannes secondaire et
de référence sont connectées au côté basse pression. Des modifications mineures des méthodes et de la
nomenclature données dans la présente partie de l'ISO 18213 peuvent être nécessaires quand elles
2)
s'appliquent à des configurations qui diffèrent de celle montrée dans la Figure 1.
2) L'avantage de la configuration donnée dans la Figure 1 est que, une fois la canne secondaire immergée, elle fournit
une mesure double de la hauteur du liquide. L'autre configuration proposée fournit une mesure de la hauteur du liquide et
une mesure de la différence de pression entre les cannes principale et secondaire.
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ISO 18213-1:2007(F)
Légende
1 manomètre
2 alimentation de gaz (N ou air)
2
3 débitmètre
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
H H —
1 2
au point de référence
Cote de la jauge de pression
E E E
(manomètre) par rapport au
1 2 r
point de référence
Cote de la canne de référence
par rapport à la surface du h = E − E − H h = E − E − H —
1 r 1 2 r 2
liquide
Cote du point de référence
a
ε ε + S —
par rapport au fond de la cuve
a
Distance verticale (séparation) des cannes: S = H − H .
1 2
Figure 1 — Composants d'un système type basé sur la mesure de pression,
utilisé pour déterminer la quantité de liquide
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4.2.2 Cuve
Il convient d'équiper la cuve dans laquelle la hauteur de liquide est mesurée d'au moins deux cannes de
bullage de petit diamètre (< 15 mm). Il convient que l'une des cannes (la canne principale) aille au plus près
possible du fond de la cuve (sans le toucher). Il convient d'installer cette canne de façon rigide, pour que sa
position relative par rapport à la cuve soit fixe et qu'il n'y ait aucun contact avec la paroi de la cuve. La
seconde canne (canne de référence) doit aussi descendre dans la cuve, mais il convient qu'elle soit aussi
courte que possible (ou fixée sur le tube de mise à l'air), de sorte que son extrémité soit au-dessus du niveau
maximal de remplissage.
Il convient de connecter chaque canne à deux tubes rigides (tuyaux) de petit diamètre, l'un étant connecté à
une alimentation de gaz et l'autre étant connecté à une jauge de pression (manomètre). Il convient que les
deux tubes de chaque canne soient de même diamètre et, si possible, de même longueur (et de préférence
qu'ils aient le même cheminement). Il convient d'installer (de monter) les tubes de telle sorte qu'ils ne soient
pas soumis à des vibrations qui pourraient affecter défavorablement la qualité de la mesure.
Les variations de température peuvent affecter considérablement la fiabilité des données utilisées pour
l'étalonnage et pour le calcul des volumes, surtout à cause de leur effet sur la masse volumique du liquide.
Par conséquent, il convient d'équiper la cuve de capteurs de température, étalonnés pour assurer des
mesures avec une précision d'au moins 0,5 °C.
La cuve doit aussi être équipée d'instrumentation (barboteurs, agitateurs, etc.) permettant d'assurer, au
moment de la mesure, l'homogénéité et l'uniformité de la température du liquide. Ces instruments doivent
pouvoir fonctionner à des régimes capables de garantir l'homogénéité et l'uniformité de la température du
liquide, sans provoquer d'évapor
...
Questions, Comments and Discussion
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