JP2012122961A - 乾き度測定装置及び乾き度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】乾き度を正確かつ容易に測定可能な乾き度測定装置を提供する。
【解決手段】湿り蒸気に複数の波長の光を照射する発光体１１と、湿り蒸気を透過した複数の波長の光を受光する受光素子１２と、複数の波長のそれぞれにおける光の受光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を算出する乾き度算出部３０１と、を備える乾き度測定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は測定技術に係り、乾き度測定装置及び乾き度測定方法に関する。

水は沸点に達した後、水蒸気ガス（気相部分）と、水滴（液相部分）と、が混合した湿り蒸気となる。ここで、湿り蒸気に対する水蒸気ガスの重量比を、「乾き度」という。例えば、水蒸気ガスと、水滴と、が半分ずつ存在すれば、乾き度は０．５となる。また、水滴が存在せず、水蒸気ガスのみが存在する場合は、乾き度は１．０となる。熱交換器等において、湿り蒸気が保有する顕熱と、潜熱と、を有効に利用することや、水蒸気タービンにおいて、タービン翼の腐食を防止すること、等の観点から、湿り蒸気の乾き度を１．０に近い状態にすることが望まれている。そのため、乾き度を測定する様々な方法が提案されている。

例えば、特許文献１は、配管に設けられた圧力調節弁の前後で全エンタルピに変化がないことを利用して、圧力調節弁の前後の湿り蒸気流量及び圧力に基づき、飽和蒸気表を用いて飽和水エンタルピと、飽和蒸気エンタルピと、を求めて、乾き度を算出する技術を開示している。また、特許文献２は、配管に分流配管を設け、分流配管内に超音波受信機を配置して、音速に基づき乾き度を算出する技術を開示している。

特開平８−３１２９０８号公報 特開２０００−１２１６１６号公報

しかし、特許文献１に開示された技術においては、流量センサと、圧力センサと、を複数配置しなければならないため、構造が複雑になる上、複合による測定誤差が大きくなることを考えると精度の高い乾き度計測は困難である。

特許文献２に開示された技術は、分流配管を設ける必要があり、設置に手間がかかる。また、高温及び高圧の環境に耐えうる高価な超音波受信機が必要となる。さらに、音速と、乾き度と、は相関するが、圧力も乾き度に影響を与えうるため、別途圧力センサも必要となる。

そこで、本発明は、乾き度を正確かつ容易に測定可能な乾き度測定装置及び乾き度測定方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様は、（ａ）湿り蒸気に複数の波長の光を照射する発光体と、（ｂ）湿り蒸気を透過した複数の波長の光を受光する受光素子と、（ｃ）複数の波長のそれぞれにおける光の受光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を算出する乾き度算出部と、を備える乾き度測定装置であることを要旨とする。

本発明の他の態様は、（ａ）湿り蒸気に複数の波長の光を照射することと、（ｂ）湿り蒸気を透過した複数の波長の光を受光することと、（ｃ）複数の波長のそれぞれにおける光の受光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を算出することと、を含む乾き度測定方法であることを要旨とする。

本発明によれば、乾き度を正確かつ容易に測定可能な乾き度測定装置及び乾き度測定方法を提供可能である。

本発明の実施の形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の実施の形態に係る標準大気圧における水の状態変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る水分子のクラスタの模式図である。 本発明の実施の形態に係る乾き度に依存する水分子の状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る水分子のクラスタが有する平均水素結合数と、温度と、の関係の例を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る水分子の吸収スペクトルの例を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る単独で存在する水分子の模式図である。 本発明の実施の形態に係る一つの水素結合で結合している二つの水分子の模式図である。 本発明の実施の形態に係る二つの水素結合で結合している三つの水分子の模式図である。 本発明の実施の形態に係る吸光スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る蒸気の比エンタルピと、吸光度と、の比を示すグラフである。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る乾き度測定装置は、図１に示すように、湿り蒸気に複数の異なる波長の光を照射する発光体１１、湿り蒸気を透過した複数の波長の光を受光する受光素子１２、及び複数の波長のそれぞれにおける光の受光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を算出する乾き度算出部３０１を備える。

図２に示すように、水は沸点に達した後、液滴としての水と、蒸気と、が混合し、共存態にある湿り蒸気となる。ここで、湿り蒸気全量に対する、蒸気の比を、「乾き度」という。したがって、飽和蒸気の乾き度は１となり、飽和液の乾き度は０となる。あるいは、乾き度は、潜熱の比エンタルピに対する、湿り蒸気の比エンタルピと飽和液の比エンタルピとの差の比、としても定義される。

水は、水分子どうしが形成する水素結合の数の違いにより、相が変化する。湿り蒸気においては、水分子どうしは、水素結合を介して結合し、図３に示すように、クラスタを形成しうる。図４及び図５に示すように、乾き度が０の湿り蒸気におけるクラスタが有する平均水素結合数は、大気圧下で、例えば２．１３である。クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が１に近づくにつれて減少し、単独で存在する水分子が増加する傾向にある。

図６は、水分子が示す吸収スペクトルの一例である。図７に示すように単独で存在する水分子は、１８４０又は１８８０ｎｍにピークを有する吸収スペクトルを与える。図８に示すように一つの水素結合で結合している二分子の水分子は、１９１０ｎｍにピークを有する吸収スペクトルを与える。図９に示すように二つの水素結合で結合している三分子の水分子は、１９５０ｎｍにピークを有する吸収スペクトルを与える。水分子が形成するクラスタに含まれる水素結合数が増えるほど、吸収スペクトルのピークの波長は長くなる傾向にある。

図１に示す乾き度測定装置は、湿り蒸気が通過するパイプ２１に接続される。発光体１１は、少なくとも二つの異なる波長の光を発する。例えば、少なくとも二つの異なる波長の一つは、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる１８８０ｎｍであり、他の波長は、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる１９１０ｎｍである。このように、発光体１１が発する光は、複数の波長のそれぞれにおける吸光度が、クラスタにおける水分子どうしが形成した水素結合の数と相関するよう、設定される。

発光体１１は、それぞれ異なる波長の光を発する複数の発光素子を備えていてもよい。あるいは、発光体１１は、広波長帯域の光を発してもよい。発光体１１には、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、半導体レーザ、レーザ発振器、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ、及び電球等が使用可能である。

発光体１１には、光導波路３１が接続されている。光導波路３１は、発光体１１が発した光を、パイプ２１の内部に伝搬する。例えば、光導波路３１は、パイプ２１の側壁を貫通している。あるいは、パイプ２１の側壁に光透過性の窓を設け、窓に光導波路３１を接続してもよい。光導波路３１で伝搬された光は、光導波路３１の端部からパイプ２１の内部に進入する。光導波路３１には、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））からなるプラスチック光ファイバ、及び石英ガラスからなるガラス光ファイバ等が使用可能であるが、発光体１１が発した光を伝搬可能であれば、これに限定されない。

発光体１１が、例えば、少なくとも、波長が１８８０ｎｍの光と、波長が１９１０ｎｍの光と、を発した場合、パイプ２１の内部において、波長が１８８０ｎｍの光は、湿り蒸気に含まれる、単独で存在する水分子によって吸収される。また、波長が１９１０ｎｍの光は、湿り蒸気に含まれる、一つの水素結合で結合している二分子の水分子によって吸収される。上述したように、水分子クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が０から１に近づくにつれて減少する。したがって、パイプ２１内部の湿り蒸気の乾き度が０から１に近づくにつれて、波長が１８８０ｎｍの光はより吸収され、波長が１９１０ｎｍの光はより吸収されなくなる傾向にある。

パイプ２１には、パイプ２１の内部を通過した光が進入する光導波路３２が接続されている。光導波路３２は、パイプ２１の内部の湿り蒸気を透過した光を、受光素子１２に導く。光導波路３２の端部は、光導波路３１の端部と対向している。また、例えば、光導波路３２は、パイプ２１の側壁を貫通している。あるいは、パイプ２１の側壁に光透過性の窓を設け、窓に光導波路３２を接続してもよい。

なお、発光体１１をパイプ２１の側壁に配置し、光導波路３１を省略してもよい。また、受光素子１２をパイプ２１の側壁に配置し、光導波路３２を省略してもよい。また、図１では、発光体１１と、受光素子１２と、が対向しているが、発光体と、受光素子と、の両方が一体化した発光受光素子を用いてもよい。この場合、発光受光素子と対向するパイプの側壁に、反射板が配置される。発光受光素子から発せられた光は、パイプ内部を進行し、反射板で反射され、発光受光素子に受光される。

受光素子１２には、フォトダイオード等が使用可能である。なお、発光体１１が広波長帯域の光を発する場合は、少なくとも二つの異なる波長のみを透過させるフィルタを受光素子１２の前に配置してもよい。例えば受光素子１２は、少なくとも、水素結合数が０の場合の水分子が最も吸光する１８８０ｎｍの波長の光と、水素結合数が１の場合の水分子が最も吸光する１９１０ｎｍの波長の光と、を受光する。

図１０は、第１乃至第４の比エンタルピを有する湿り蒸気と、第５の比エンタルピを有する過熱蒸気と、の吸光スペクトルの分光器による実測例である。第１の比エンタルピが最も低く、ヒータによる加熱によって、第５の比エンタルピに向かって蒸気の比エンタルピを高くした。図１１は、図１０に示した波長が１７５０乃至１７７０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値をＩ_S0、波長が１８７０乃至１８９０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値をＩ_S1、波長が１９１０乃至１９３０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値をＩ_S2、とし、下記式（１）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピに対してプロットしたものである。
R = (I_S1 - I_S0) / (I_S2 - I_S0) ・・・(1)

波長が１７５０乃至１７７０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値Ｉ_S0は、水の分子吸光と無関係な部分であり、捉えようとしている吸光スペクトルの増減に影響を及ぼす。波長が１８７０乃至１８９０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値Ｉ_S1は、単独で存在する水分子の濃度と相関する。波長が１９１０乃至１９３０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値Ｉ_S2は、一つの水素結合で結合している二分子の水分子の濃度と相関する。

図１０に示すように、蒸気の比エンタルピが高くなるほど、吸光度の比Ｒは高くなる傾向にある。したがって、蒸気の比エンタルピが高くなるほど、一つの水素結合で結合している二分子の水分子の濃度に対する、単独で存在する水分子の濃度の比が高くなる傾向にあることが示された。

なお、積分値を用いず、波長が１７６０ｎｍの光の吸光度をＩ₀、波長が１８８０ｎｍの光の吸光度をＩ₁、波長が１９１０ｎｍの光の吸光度をＩ₂、とし、下記式（２）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
R = (I₁ - I₀) / (I₂ - I₀) ・・・(2)

式（１）において、Ｉ_S1とＩ_S0との差、並びにＩ_S2とＩ_S0との差、をとった理由は、分光スペクトルのベースラインを一定にするためである。したがって、分光スペクトルのベースラインにばらつきが生じるおそれがない場合は、下記式（３）に示すように、波長が１９１０乃至１９３０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値Ｉ_S2に対する、波長が１８７０乃至１８９０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値Ｉ_S1の比Ｒを、蒸気の比エンタルピに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
R = I_S1 / I_S2 ・・・(3)

さらに、積分値を用いず、波長が１８８０ｎｍの光の吸光度をＩ₁、波長が１９１０ｎｍの光の吸光度をＩ₂、とし、下記式（４）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
R = I₁ / I₂ ・・・(4)

吸光度の比Ｒは、一つの水素結合で結合している二分子の水分子からなるクラスタに対する、水素結合を形成していない単独で存在する水分子の比、と相関する。上述したように、クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が０から１に近づくにつれて減少し、単独で存在する水分子が増加する傾向にある。したがって、吸光度の比Ｒは、乾き度が０から１に近づくにつれて大きくなる傾向にある。

図１に示すように、受光素子１２には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００が接続されている。乾き度算出部３０１は、ＣＰＵ３００に含まれている。ＣＰＵ３００には、関係記憶部４０１を含むデータ記憶装置４００が接続されている。関係記憶部４０１は、例えば、上記式（１）乃至（４）のいずれかで表される吸光度の比Ｒと、乾き度と、の予め取得された関係を保存する。吸光度の比Ｒと、乾き度と、の関係は、式として保存されてもよいし、表として保存されてもよい。

乾き度算出部３０１は、複数の波長のそれぞれにおける湿り蒸気を透過した光の強度の複数の測定値の大小関係に基づいて、湿り蒸気の乾き度を算出する。例えば、乾き度算出部３０１は、受光素子１２から、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過した光の強度スペクトルを受信する。さらに、乾き度算出部３０１は、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過する前の光の強度スペクトルと、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過した光の強度スペクトルと、に基づき、湿り蒸気による光の吸収スペクトルを算出する。またさらに、乾き度算出部３０１は、吸収スペクトルに基づいて、上記式（１）乃至（４）のいずれかで表される吸光度の比Ｒの値を算出する。

乾き度算出部３０１は、関係記憶部４０１から、吸光度の比Ｒと、乾き度と、の関係を読み出す。乾き度算出部３０１は、算出された吸光度の比Ｒの値、並びに吸光度の比Ｒと、乾き度と、の関係に基づき、パイプ２１内部の湿り蒸気の値を算出する。

ＣＰＵ３００には、さらに入力装置３２１、出力装置３２２、プログラム記憶装置３２３、及び一時記憶装置３２４が接続される。入力装置３２１としては、スイッチ及びキーボード等が使用可能である。関係記憶部４０１に保存される吸光度の比Ｒと、乾き度と、の関係は、例えば、入力装置３２１を用いて入力される。出力装置３２２としては、光インジケータ、デジタルインジケータ、及び液晶表示装置等が使用可能である。出力装置３２２は、例えば、乾き度算出部３０１が算出したパイプ２１内部の湿り蒸気の値を表示する。プログラム記憶装置３２３は、ＣＰＵ３００に接続された装置間のデータ送受信等をＣＰＵ３００に実行させるためのプログラムを保存している。一時記憶装置３２４は、ＣＰＵ３００の演算過程でのデータを一時的に保存する。

以上説明した実施の形態に係る乾き度測定装置、及び乾き度測定装置を用いる乾き度測定方法によれば、流量センサ及び圧力センサを用いることなく、光学的手法により、高い精度で湿り蒸気の乾き度を測定することが可能となる。また、実施の形態に係る乾き度測定装置は、配管に絞り弁や分流配管を設ける必要がない。そのため、実施の形態に係る乾き度測定装置は、低いコストで設置することが可能である。さらに、従来の乾き度測定装置は、測定レンジが狭く、例えば乾き度が０．９乃至１．０の範囲のみを計測可能である。これに対し、実施の形態に係る乾き度測定装置は、光学的に水分子の状態を観察するため、乾き度を０乃至１．０の全範囲で計測することが可能である。

（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、実施の形態では、波長１８８０ｎｍにおける吸光度と、波長１９1０ｎｍにおける吸光度と、を比較する例を示した。ここで、上記式（１）乃至（４）の右辺の分母と分子とを置き換えてもよい。また、水素結合数０に相関する波長の吸光度と、水素結合数２に相関する波長の吸光度と、を比較してもよい。あるいは水素結合数０に相関する波長の吸光度と、水素結合数３に相関する波長の吸光度と、を比較してもよい。さらには、水素結合数１に相関する波長の吸光度と、水素結合数２に相関する波長の吸光度と、を比較してもよいし、水素結合数１に相関する波長の吸光度と、水素結合数３に相関する波長の吸光度と、を比較してもよいし、水素結合数２に相関する波長の吸光度と、水素結合数３に相関する波長の吸光度と、を比較してもよい。この様に、異なる水素結合数に相関する任意の複数の波長の吸光度の比に基づき、乾き度を算出してもよい。あるいは、異なる水素結合数に相関する任意の複数の波長の吸光度の差と、乾き度と、の相関を予め取得し、複数の波長の吸光度の差の測定値から乾き度の値を求めてもよい。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

本発明の実施の形態に係る乾き度測定装置は、減圧弁による潜熱増加効果の可視化、最適ボイラー効率を得るための乾き度計測、水蒸気タービンの湿り損失計測、熱効果器の最適乾き度制御、製麺蒸し工程等の食品製造工程の制御、及び化学工程の制御等に利用可能である。

１１ 発光体
１２ 受光素子
２１ パイプ
３１、３２ 光導波路
３０１ 乾き度算出部
３２１ 入力装置
３２２ 出力装置
３２３ プログラム記憶装置
３２４ 一時記憶装置
４００ データ記憶装置
４０１ 関係記憶部

Claims (15)

1. 湿り蒸気に複数の波長の光を照射する発光体と、
   前記湿り蒸気を透過した複数の波長の光を受光する受光素子と、
   前記複数の波長のそれぞれにおける前記光の受光強度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を算出する乾き度算出部と、
   を備える乾き度測定装置。
2. 前記複数の波長のそれぞれにおける前記光の吸光度が、クラスタにおいて水分子どうしが形成した水素結合の数と相関する、請求項１に記載の乾き度測定装置。
3. 前記乾き度算出部が、前記複数の波長のそれぞれにおける前記光の受光強度の複数の測定値の大小関係に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項１又は２に記載の乾き度測定装置。
4. 前記乾き度算出部が、２つの波長における前記光の受光強度に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
5. 前記乾き度算出部が、２つの波長における前記光の受光強度の比に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
6. 前記乾き度算出部が、２つの波長における前記光の受光強度の差に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
7. 前記２つの波長のうち、一方の波長における前記光の吸光度が、前記湿り蒸気中において単分子で存在する水分子の濃度と相関し、他方の波長における前記光の吸光度が前記湿り蒸気中において２分子でクラスタを形成している水分子の濃度と相関する、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
8. 前記発光体が広波長帯域の前記光を発し、波長フィルタを更に備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
9. 湿り蒸気に複数の波長の光を照射することと、
   前記湿り蒸気を透過した複数の波長の光を受光することと、
   前記複数の波長のそれぞれにおける前記光の受光強度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を算出することと、
   を含む乾き度測定方法。
10. 前記複数の波長のそれぞれにおける前記光の吸光度が、クラスタにおいて水分子どうしが形成した水素結合の数と相関する、請求項９に記載の乾き度測定方法。
11. 前記複数の波長のそれぞれにおける前記光の受光強度の複数の測定値の大小関係に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項９又は１０に記載の乾き度測定方法。
12. ２つの波長における前記光の受光強度に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の乾き度測定方法。
13. ２つの波長における前記光の受光強度の比に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の乾き度測定方法。
14. ２つの波長における前記光の受光強度の差に基づいて、前記乾き度を算出する、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の乾き度測定方法。
15. 前記２つの波長のうち、一方の波長における前記光の吸光度が、前記湿り蒸気中において単分子で存在する水分子の濃度と相関し、他方の波長における前記光の吸光度が前記湿り蒸気中において２分子でクラスタを形成している水分子の濃度と相関する、請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の乾き度測定方法。