CN102539353B - 干度测定装置以及干度测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种干度测定装置以及干度测定方法，能够准确并且容易地测定干度。干度测定装置具备：发光体(11)，其对湿蒸汽照射多种波长的光；受光元件(12)，其接受透过湿蒸汽的多种波长的光；以及干度计算部(301)，其基于多种波长的各波长的光的受光强度，来计算湿蒸汽的干度。

Description

干度测定装置以及干度测定方法

技术领域

本发明与测定技术相关，涉及干度测定装置以及干度测定方法。

背景技术

水在到达沸点后，会成为水蒸气气体(气相部分)、水滴(液相部分)混合而成的湿蒸汽。这里，将水蒸气气体相对于湿蒸汽的重量比称为“干度”。例如，如果水蒸气气体和水滴各存在一半则干度为0.5。另外，在不存在水滴仅存在水蒸气气体的情况下，干度为1.0。在热交换器等中，从有效地利用湿蒸汽所保有的显热、潜热、或在水蒸气涡轮中防止涡轮叶片腐蚀等观点出发，期待使湿蒸汽的干度接近1.0的状态。因此，提出了测定干度的各种方法。

例如，专利文献1公开了如下技术：利用在设置于配管的压力调节阀前后全焓没有发生变化的现象，基于压力调节阀前后的湿蒸汽流量以及压力，使用饱和蒸汽表来求出饱和水焓和饱和蒸汽焓，从而计算干度。另外，专利文献2公开了如下技术：在配管中设置分流配管，在分流配管内配置超声波接收机，基于音速来计算干度。

【专利文献1】日本平8-312908号公报

【专利文献2】日本2000-121616号公报

然而，专利文献1所公开的技术须配置多个流量传感器和压力传感器，因此构造复杂，此外如果考虑到组合导致的测定误差变大，则高精度的干度测量会存在困难。

专利文献2所公开的技术，需要设置分流配管，设置花费功夫。另外，需要能耐高温以及高压环境的高价的超声波接收机。并且，音速与干度相关，但是压力也能对干度造成影响，因此另外还需要压力传感器。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供能够准确并且容易地测定干度的干度测定装置以及干度测定方法。

本发明的方式的主旨是一种干度测定装置，其具备：(a)发光体，其对湿蒸汽照射多种波长的光；(b)受光元件，其接受透过湿蒸汽后的多种波长的光；以及(c)干度计算部，其基于多种波长的各波长的光的受光强度，来计算湿蒸汽的干度。

本发明的其他方式的主旨是一种干度测定方法，包括：(a)对湿蒸汽照射多种波长的光的步骤；(b)接受透过湿蒸汽后的多种波长的光的步骤；(c)基于多种波长彼此的光的受光强度，来计算湿蒸汽的干度的步骤。

根据本发明，能够提供一种能够准确并且容易地测定干度的干度测定装置以及干度测定方法。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的干度测定装置的示意图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的标准大气压下水的状态变化的曲线图。

图3是本发明的实施方式所涉及的水分子的团簇的示意图。

图4是表示取决于本发明的实施方式所涉及的干度的水分子的状态的示意图。

图5是表示本发明的实施方式所涉及的水分子的团簇所具有的平均氢键数与温度之间的关系的例子的曲线图。

图6是表示本发明的实施方式所涉及的水分子的吸收光谱的例子的曲线图。

图7是表示本发明的实施方式所涉及的单独存在的水分子的示意图。

图8是表示本发明的实施方式所涉及的以一个氢键键合而成的二个水分子的示意图。

图9是表示本发明的实施方式所涉及的以二个氢键键合而成的三个水分子的示意图。

图10是表示本发明的实施方式所涉及的吸光光谱的曲线图。

图11是表示本发明的实施方式所涉及的蒸汽的比焓与吸光度之比的曲线图。

附图标记说明

11...发光体；12...受光元件；21...管道(pipe)；31、32...光波导路；301...干燥度计算部；321...输入装置；322...输出装置；323...程序存储装置；324...临时存储装置；400...数据存储装置；401...关系存储部。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，对相同或者类似部分以相同或者类似的附图标记来表示。其中，附图是示意性的图。因此，具体尺寸等应结合以下的说明来进行判断。另外，毋容置疑，附图相互之间也包括彼此尺寸的关系、比率不同的部分。

本发明的实施方式的干度测定装置如图1所示，具备：对湿蒸汽照射多种不同波长的光的发光体11；接受透过湿蒸汽后的多种波长的光的受光元件12、以及基于多种波长的各波长的光的受光强度来计算湿蒸汽的干度的干度计算部301。

如图2所示，水在到达沸点之后，作为液滴的水和蒸汽会发生混合，成为处于共存态的湿蒸汽。这里，将蒸汽相对于全部湿蒸汽的量之比称为“干度”。因此，饱和蒸汽的干度为1，饱和液的干度为0。或者，干度也可以定义为湿蒸汽的比焓与饱和液的比焓之差值相对于潜热的比焓的比。

水由于水分子彼此所形成的氢键的数量的不同，相会发生变化。在湿蒸汽中，水分子彼此经由氢键而发生键合，能够如图3所示那样形成团簇。如图4以及图5所示，干度为0的湿蒸汽中的团簇所具有的平均氢键数在大气压下例如为2.13。团簇所具有的平均氢键数呈现出随着干度接近1而减少，并且单独存在的水分子增加的趋势。

图6是水分子所示出的吸收光谱的一个例子。如图7所示，单独存在的水分子给出在1840或者1880nm处具有峰值的吸收光谱。如图8所示，以一个氢键键合而成的二个分子的水分子给出在1910nm处具有峰值的吸收光谱。如图9所示，以二个氢键键合而成的三个分子的水分子给出在1950nm处具有峰值的吸收光谱。呈现出水分子所形成的团簇所含的氢键数越增多，则吸收光谱的峰值的波长越长的趋势。

如图1所示的干度测定装置与湿蒸汽通过的管道21连接。发光体11发出至少二种不同波长的光。例如，至少二种不同波长中的一种是表示氢键数为0的情况下的水分子的吸光峰值的1880nm，另一种波长是表示在氢键数为1的情况下的水分子的吸光峰值的1910nm。这样，发光体11所发出的光被设定成，多种波长的各波长吸光度与团簇中水分子彼此所形成的氢键的数量相关。

发光体11也可以具备发出各不相同的波长的光的多个发光元件。或者，发光体11也可以发出宽波段的光。发光体11可以采用发光二极管、超级发光二极管、半导体激光器、激光振荡器、荧光放电管、低压水银灯、氙气灯以及电灯泡等。

发光体11连接着光波导路31。光波导路31将发光体11发出的光传播到管道21内部。例如，光波导路31贯通管道21的侧壁。或者，也可以在管道21的侧壁设置透光性窗，对窗连接光波导路31。在光波导路31中传播的光从光波导路31的端部进入管道21内部。光波导路31可以使用由聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA：Poly(methylmethacrylate))构成的塑料光纤、以及由石英玻璃构成的玻璃光纤等，但是只要能够传播发光体11发出的光就不限于此。

在发光体11例如至少发出波长为1880nm的光和波长为1910nm的光的情况下，在管道21的内部，波长为1880nm的光被湿蒸汽所包含的单独存在的水分子吸收。另外，波长为1910nm的光被湿蒸汽所包含的以一个氢键键合而成的二个分子的水分子吸收。如上所述，水分子团簇所具有的平均氢键数随着干度从0接近1而减少。因此，呈现出随着管道21内部的湿蒸汽的干度从0接近1，波长为1880nm的光被进一步地吸收，而波长为1910nm的光更不被吸收的趋势。

管道21连接着通过管道21内部后的光所进入的光波导路32。光波导路32将透过管道21内部的湿蒸汽后的光导向光受光元件12。光波导路32的端部与光波导路31的端部对置。另外，例如光波导路32贯通管道21的侧壁。或者，也可以在管道21的侧壁设置透光性的窗，对窗连接光波导路32。

此外，也可以将发光体11配置在管道21的侧壁，并省略光波导路31。另外，也可以将受光元件12配置在管道21的侧壁，并省略光波导路32。另外，在图1中，发光体11与受光元件12对置，但是也可以使用使发光体和受光元件这两方一体化而成的发光受光元件。该情况下，在与发光受光元件对置的管道的侧壁配置反射板。从发光受光元件发出的光在管道内部行进，被反射板反射，而被发光受光元件接受。

受光元件12可以使用光电二极管等。此外，在发光体11发出宽波段的光的情况下，也可以将仅透过至少二种不同波长的滤光器配置在受光元件12的前面。例如受光元件12至少接收氢键数为0的情况下的水分子最吸光的1880nm的波长的光和氢键数为1的情况下的水分子最吸光的1910nm的波长的光。

图10是具有第1至第4比焓的湿蒸汽和具有第5比焓的过热蒸汽的、吸光光谱的基于分光器的实测例。第1比焓最低，通过加热器的加热，向第5比焓地提高蒸汽的比焓。图11是将图10所示的波长为1750至1770nm的范围的吸光光谱的积分值设为I_S0，波长为1870至1890nm的范围的吸光光谱的积分值设为I_S1，波长为1910至1930nm的范围的吸光光谱的积分值设为I_S2，而针对蒸汽的比焓描绘下述式(1)中给出的比R而得到的图。

R＝(I_S1-I_S0)/(I_S2-I_S0)···(1)

波长为1750至1770nm的范围的吸光光谱的积分值I_S0是与水的分子吸光没有关系的部分，但会对想要捕捉的吸光光谱的增减造成影响。波长为1870至1890nm的范围的吸光光谱的积分值I_S1与单独存在的水分子的浓度相关。波长为1910至1930nm的范围的吸光光谱的积分值I_S2与以一个氢键键合而成的二个分子的水分子的浓度相关。

如图10所示，呈现出蒸汽的比焓越高，则吸光度的比R越高的趋势。因此，示出了蒸汽的比焓越高，则单独存在水分子的浓度相对于以一个氢键键合而成的二个分子的水分子的浓度之比越高的趋势。

此外，不使用积分值，将波长为1760nm的光的吸光度设为I₀、波长为1880nm的光的吸光度设为I₁、波长为1910nm的光的吸光度设为I₂，则针对蒸汽的比焓描绘下述式(2)中给出的比R也能够得到相同的结果。

R＝(I₁-I₀)/(I₂-I₀)···(2)

在式(1)中，采用I_S1与I_S0之差以及I_S2与I_S0之差的理由在于使分光光谱的基线恒定。因此，在分光光谱的基线不可能产生偏差的情况下，如下述式(3)所示，针对蒸汽的比焓描绘波长为1870至1890nm的范围的吸光光谱的积分值I_S1相对于波长为1910至1930nm的范围的吸光光谱的积分值I_S2之比R，也能够得到相同的结果。

R＝I_S1/I_S2···(3)

并且，不使用积分值，将波长为1880nm的光的吸光度设为I₁，将波长为1910nm的光的吸光度设为I₂，则针对蒸汽的比焓描绘在下述式(4)中给出的比R，也能够得到相同的结果。

R＝I₁/I₂···(4)

吸光度的比R与未形成氢键的单独存在的水分子相对于由以一个氢键键合而成的二个分子的水分子构成的团簇之比相关。如上所述，呈现出团簇所具有的平均氢键数随着干度从0接近1而减少，单独存在的水分子增加的趋势。因此，吸光度的比R呈现出随着干度从0靠近1而变大的趋势。

如图1所示，受光元件12连接着中央运算处理装置(CPU)300。干度计算部301被包含在CPU300中。CPU300连接着包括关系存储部401的数据存储装置400。关系存储部401保存例如由上述式(1)至(4)中的任一个公式表示的吸光度的比R和干度之间的预先取得的关系。吸光度的比R和干度之间的关系可以保存为公式，也可以保存为表。

干度计算部301基于多种波长各自透过湿蒸汽后的光的强度的多个测定值的大小关系，来计算湿蒸汽的干度。例如，干度计算部301从受光元件12接收透过管道21内部的湿蒸汽后的光的强度光谱。并且，干度计算部301基于透过管道21内部的湿蒸汽之前的光的强度光谱和透过管道21内部的湿蒸汽后的光的强度光谱，计算基于湿蒸汽的光的吸收光谱。并且，干度计算部301基于吸收光谱基，计算由上述式(1)至(4)中的任一个公式表示的吸光度的比R的值。

干度计算部301从关系存储部401读出吸光度的比R与干度之间的关系。干度计算部301基于计算出的吸光度的比R的值、以及吸光度的比R与干度之间的关系，计算管道21内部的湿蒸汽的值。

CPU300还连接着输入装置321、输出装置322、程序存储装置323以及临时存储装置324。作为输入装置321，可以使用开关以及键盘等。关系存储部401所保存的吸光度的比R与干度之间的关系例如使用输入装置321来输入。作为输出装置322可以使用光指示器、数字指示器以及液晶显示装置等。输出装置322例如显示干度计算部301计算出的管道21内部的湿蒸汽的值。程序存储装置323保存用于使CPU300执行与CPU300连接的装置之间的数据收发等的程序。临时存储装置324暂时保存CPU300的运算过程中的数据。

根据以上所说明的实施方式的干度测定装置以及使用干度测定装置的干度测定方法，不使用流量传感器以及压力传感器，而通过光学手法就能够高精度地测定湿蒸汽的干度。另外，实施方式所涉及的干度测定装置无需在配管中设置调节阀、分流配管。因此，实施方式所涉及的干度测定装置能够以低成本来设置。并且，现有的干度测定装置测定范围狭窄，例如仅能够计测干度为0.9至1.0的范围。与此相对，实施方式所涉及的干度测定装置由于以光学方式观察水分子的状态，因此能够在0至1.0的整个范围测量干度。

(其他实施方式)

如上述那样，虽然利用实施方式来记载本发明，但是构成该公开的一部的记述以及附图不应该被理解成对本发明的限定。本领域技术人员根据该公开内容肯定会清楚各种代替实施方式、实施例以及运用技术。例如，在实施方式中，示出了对波长为1880nm的吸光度和波长为1910nm的吸光度进行比较的例子。这里，也可以置换上述式(1)至(4)的右边的分母与分子。另外，也可以对与氢键数为0相关的波长的吸光度和与氢键数为2相关的波长的吸光度进行比较。或者，也可以对与氢键数为0相关的波长的吸光度和与氢键数为3相关的波长的吸光度进行比较。并且，既可以对与氢键数为1相关的波长的吸光度和与氢键数为2相关的波长的吸光度进行比较，也可以对与氢键数为1相关的波长的吸光度和与氢键数为3相关的波长的吸光度进行比较，还可以对与氢键数为2相关的波长的吸光度和与氢键数为3相关的波长的吸光度进行比较。这样，也可以基于与不同的氢键数相关的任意的多种波长的吸光度的比，来计算干度。或者，也可以预先取得与不同的氢键数相关的任意的多种波长的吸光度之差与干度的相关性，根据多种波长的吸光度之差的测定值求出干度的值。本发明应该理解成包括在此未记载的各种实施方式等。

本发明的实施方式所涉及的干度测定装置可以用于减压阀的潜热增加效果的可视化、得到最佳锅炉效率所用的干度计测、水蒸气涡轮的湿损失计测、热效果器的最佳干度控制、蒸制麦麸工序等食品制造工序的控制以及化学工序的控制等。

Claims (15)

1.一种干度测定装置，其特征在于，具备：

发光体，其对湿蒸汽照射表示团簇中水分子彼此所形成的氢键的氢键数为n时的水分子的吸光峰值的多种不同波长的光，其中n≥0；

受光元件，其接受透过上述湿蒸汽后的多种波长的光；以及

干度计算部，其基于上述多种波长的各波长的上述光的受光强度，来计算上述湿蒸汽的干度。

2.根据权利要求1所述的干度测定装置，其特征在于，

上述多种波长的各波长的上述光的吸光度，与团簇中水分子彼此所形成的氢键的数量相关。

3.根据权利要求2所述的干度测定装置，其特征在于，

上述干度计算部基于上述多种波长的各波长的上述光的受光强度的多个测定值的大小关系来计算上述干度。

4.根据权利要求2所述的干度测定装置，其特征在于，

上述干度计算部基于两个波长的上述光的受光强度来计算上述干度。

5.根据权利要求2所述的干度测定装置，其特征在于，

上述干度计算部基于两个波长的上述光的受光强度之比来计算上述干度。

6.根据权利要求2所述的干度测定装置，其特征在于，

上述干度计算部基于两个波长的上述光的受光强度之差来计算上述干度。

7.根据权利要求4所述的干度测定装置，其特征在于，

上述两个波长中，一个波长的上述光的吸光度与上述湿蒸汽中以单分子存在的水分子的浓度相关，另一个波长的上述光的吸光度与上述湿蒸汽中以2个分子形成团簇的水分子的浓度相关。

8.根据权利要求2所述的干度测定装置，其特征在于，

上述发光体发出宽波段的上述光，还具备波长滤波器。

9.一种干度测定方法，其特征在于，包括：

对湿蒸汽照射表示团簇中水分子彼此所形成的氢键的氢键数为n时的水分子的吸光峰值的多种不同波长的光的步骤，其中n≥0；

接受透过上述湿蒸汽后的多种波长的光的步骤；以及

基于上述多种波长的各波长的上述光的受光强度来计算上述湿蒸汽的干度的步骤。

10.根据权利要求9所述的干度测定方法，其特征在于，

上述多种波长的各波长的上述光的吸光度与团簇中水分子彼此所形成的氢键的数量相关。

11.根据权利要求10所述的干度测定方法，其特征在于，

基于上述多种波长的各波长的上述光的受光强度的多个测定值的大小关系，来计算上述干度。

12.根据权利要求10所述的干度测定方法，其特征在于，

基于两个波长的上述光的受光强度来计算上述干度。

13.根据权利要求10所述的干度测定方法，其特征在于，

基于两个波长的上述光的受光强度之比来计算上述干度。

14.根据权利要求10所述的干度测定方法，其特征在于，

基于两个波长的上述光的受光强度之差来计算上述干度。

15.根据权利要求12所述的干度测定方法，其特征在于，

上述两个波长中，一个波长的上述光的吸光度与上述湿蒸汽中以单分子存在的水分子的浓度相关，另一个波长的上述光的吸光度与上述湿蒸汽中以2个分子形成团簇的水分子的浓度相关。