JP2014029307A - 蒸気熱量測定装置および蒸気熱量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気熱量を高速に測定できるようにする。
【解決手段】測定対象の湿り蒸気に光を照射し、前記湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度計１０と、前記湿り蒸気の流量を測定する流量計２０と、乾き度計１０の測定値と流量計２０の測定値とに基づいて、前記湿り蒸気の熱量を求める演算手段３００と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の一態様は、測定技術に係り、例えば湿り蒸気の熱量を測定する技術に関する。

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ー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ーと、飽和蒸気エンタルピーと、を求めて、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

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、測定対象の湿り蒸気を二相状態から気相状態に状態変化させ、さらに測定対象を気相状態で安定化させる必要があるため、乾き度の測定に時間がかかるという問題があった。

そこで、本発明は、乾き度を高速に測定し、乾き度と蒸気流量とから蒸気熱量を求めることが可能な蒸気熱量測定装置および蒸気熱量測定方法を提供することを目的の１つとする。

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。

本発明の蒸気熱量計測装置の一態様は、（ａ）測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度計と、（ｂ）前記湿り蒸気の流量を測定する流量計と、（ｃ）前記乾き度計の測定値と前記流量計の測定値とに基づいて前記湿り蒸気の熱量を求める演算手段と、を備える。

ここで、前記乾き度計は、複数の波長の光を前記湿り蒸気に照射する発光体と、前記湿り蒸気を透過した前記複数の波長の光のそれぞれを受光する受光素子と、を備え、前記演算手段は、受光した前記複数の波長のそれぞれの受光強度に基づき前記乾き度を算出する乾き度算出部を備える、ようにしてもよい。

また、前記乾き度算出部は、前記流量計の測定値から前記湿り蒸気の単位時間当たりの質量を求め、前記質量と前記乾き度計の測定値とに基づいて前記湿り蒸気の単位時間当たりの熱量を算出する、ようにしてもよい。

さらに、前記蒸気熱量計測装置の一態様は、前記湿り蒸気の温度又は圧力を計測する環境センサと、前記湿り蒸気を透過した光の強度と、前記湿り蒸気の乾き度と、の関係を温度又は圧力毎に記憶する関係記憶部と、を更に備え、前記乾き度計は、１又は複数の波長の光を前記湿り蒸気に照射する発光体と、前記湿り蒸気を透過した光を受光する受光素子と、を備え、前記演算手段は、前記受光素子における前記光の受光強度と、前記環境センサの計測値と、前記関係と、に基づいて、前記乾き度を特定する乾き度特定部を備える、ようにしてもよい。

また、前記乾き度計が照射する複数の波長の光は、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる第１の波長と、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる第２の波長と、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長と、を含む、ようにしてもよい。

さらに、本発明の蒸気熱量測定方法の一態様は、湿り蒸気に光を照射することと、前記湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、前記湿り蒸気の流量を測定することと、前記測定された乾き度及び流量に基づいて前記湿り蒸気の熱量を求めることと、を含む。

第１の実施形態に係る蒸気熱量測定装置の一例を示す図である。 標準大気圧における水の状態変化を示すグラフである。 水分子のクラスタの模式図である。 乾き度に依存する水分子の状態を示す模式図である。 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。 水分子の吸収スペクトルの例を示すグラフである。 単独で存在する水分子の模式図である。 １つの水素結合で結合している２つの水分子の模式図である。 ２つの水素結合で結合している３つの水分子の模式図である。 吸光スペクトルの例を示すグラフである。 蒸気の比エンタルピーと、吸光度と、の比の例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る蒸気熱量測定装置の一例を示す図である。 湿り蒸気への加熱量と、湿り蒸気を透過した光の強度と、の関係の例を示すグラフである。 その他の実施態様のバリエーションを説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。また、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を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。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がある。

〔１〕第１の実施形態
第１の実施形態に係る蒸気熱量測定装置（蒸気熱量測定システムといってもよい。）は、図１に示すように、例示的に、配管等のパイプ２１を通過する湿り蒸気の乾き度（χ）を測定する乾き度センサ（乾き度計）１０と、パイプ２１を通過する湿り蒸気の流量（Ｑ）を測定する流量計２０と、演算部３００と、を備える。

乾き度センサ１０は、例示的に、光学的手法を用いて乾き度χを測定するセンサであって、湿り蒸気に光を照射する発光体１１と、湿り蒸気を透過した光を受光する受光素子１２とを備える。発光体１１は、１又は複数の波長の光を湿り蒸気に照射する。したがって、受光素子１２は、湿り蒸気を通過した１又は複数の波長の光を受光する。

演算部３００は、例示的に、乾き度（χ）算出部３０１、質量算出部３０２及び蒸気熱量（Ｈ）算出部３０３を備える。なお、演算部３００は、ＣＰＵ等の演算能力を備えた演算手段の一例である。

乾き度算出部３０１は、受光素子１２で受光した光の強度に基づいて、パイプ２１を通過する湿り蒸気の乾き度χを算出する。

質量算出部３０２は、流量計２０の測定値Ｑから単位時間（例えば１秒）当たりの湿り蒸気の質量（ｍ）を算出する。具体的に、蒸気流量Ｑと質量ｍとの間には以下の式（１）で示される関係がある。

Ｑ［ｍ³／ｓ］＝ｍ［ｋｇ／ｓ］×ｖ（乾き度χ′の比体積）［ｍ³／ｋｇ］
＝ｍ×｛ｖ′＋χ（ｖ″−ｖ′）｝ ・・・（１）
ここで、ｖ′は飽和水の比体積（単位質量当たりの物質の体積）を表し、ｖ″は飽和蒸気の比体積を表す。これら比体積ｖ′及びｖ″の値は既知の値である。

したがって、質量算出部３０２は、上記式（１）により、流量計の測定値Ｑから湿り蒸気の単位時間当たりの質量ｍ［ｋｇ／ｓ］を算出することができる。

蒸気熱量算出部３０３は、単位時間当たりの蒸気総熱量Ｈを例えば下記の式（２）により算出する。

Ｈ＝｛ｈ′＋χ（ｈ″−ｈ′）｝×ｍ ・・・（２）
ここで、ｈ′は飽和水の比エンタルピーを表し、ｈ″は飽和蒸気の比エンタルピーを表す。これら比エンタルピーｈ′及びｈ″の値は既知の値である。

式（２）に式（１）から求められるｍを代入すると、以下の式（３）が得られる。
したがって、流量計２０の測定値Ｑと乾き度センサ１０の測定値χとが求まれば、質量ｍが求まり、ひいては単位時間当たりの蒸気総熱量Ｈが求まることになる。

（乾き度センサ１０による乾き度χの光学的測定原理）
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ーに対する、湿り蒸気の比エンタルピーと飽和液の比エンタルピーとの差の比、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１つの水素結合で結合している２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２つの水素結合で結合している３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に示す発光体１１は、例えば、少なくとも２つの異なる波長の光を発する。一例を挙げると、少なくとも２つの異なる波長の１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波長（例えば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波長（例えば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、異なる波長の光を発する複数の発光素子を備えてよい。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を接続してよい。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、１つの水素結合で結合している２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を接続してよい。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を設けないこととしてもよい。また、受光素子１２をパイプ２１の側壁に配置し、光導波路３２を設けないこととしてもよい。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、反射板を配置してよい。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２つの異なる波長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の比エンタルピーを有する湿り蒸気と、第５の比エンタルピー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の比エンタルピーが最も低く、ヒータによる加熱によって、第５の比エンタルピーに向かって蒸気の比エンタルピーを高くした。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（４）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピーに対してプロットしたものである。
Ｒ＝（Ｉ_S1−Ｉ_S0）／（Ｉ_S2−Ｉ_S0） ・・・（４）

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、１つの水素結合で結合している２分子の水分子の濃度と相関する。

図１１に示すように、蒸気の比エンタルピーが高くなるほど、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ーが高くなるほど、１つの水素結合で結合している２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（５）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピー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） ・・・（５）

式（４）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（６）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ー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 ・・・（６）

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（７）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピーに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
Ｒ＝Ｉ₁／Ｉ₂ ・・・（７）

吸光度の比Ｒは、１つの水素結合で結合している２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、演算部３００には、関係記憶部４０１を含むデータ記憶装置４００を接続してよい。関係記憶部４０１は、例えば、上記式（４）乃至（７）のいずれかで表される吸光度の比Ｒと、乾き度χと、の予め取得された関係を記憶する。吸光度の比Ｒと乾き度χとの関係は、式として記憶されてもよいし、テーブル形式のデータ（表データ）として記憶されてもよい。

乾き度算出部３０１は、異なる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χ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（４）乃至（７）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。

演算部３００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を接続してよい。

入力装置３２１の一例としては、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に記憶される、吸光度の比Ｒと乾き度との関係は、例えば、入力装置３２１を用いて入力できる。

出力装置３２２の一例としては、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、演算部３００に接続された装置間のデータ送受信等を演算部３００に実行させるためのプログラムを記憶している。

一時記憶装置３２４は、演算部３００の演算過程でのデータを一時的に記憶する。

以上説明した第１の実施形態によれば、光学的手法により、湿り蒸気の相状態を変化させることなく、高速に湿り蒸気の乾き度を測定し、測定された乾き度と蒸気流量とから蒸気熱量を求めることが可能となる。すなわち、温度を安定化させるための時間を要することなく、湿り蒸気の乾き度χを精度良く測定し、当該乾き度χと流量計２０の計測値Ｑとに基づいて、湿り蒸気の熱量を高い精度でかつ高速に測定することが可能となる。

また第１の実施形態によれば、蒸気動力のボイラーでは単位時間当たりの蒸気総熱量を測定できるようになるから、熱効率が改善し、過熱器の適正な制御が可能になる。また、より精度良く水位等を制御することが可能になる。別言すると、熱交換器の最適乾き度制御、最適ボイラー効率を実現することができる。したがって、乾き度の高い蒸気を安定供給する等、負荷に応じて精度良く、また、省エネルギーとなるような制御が可能である。

ボイラー制御の他には、食品管理の指標としての活用が挙げられる。例えば、蒸し工程や加硫工程等を含む食品製造工程や化学工程では、湿り蒸気の乾き度によって製造される製品等の品質が変動し得るからである。

また、例えば、重厚長大産業分野においては、蒸気タービン出口の湿り蒸気の乾き度が発電効率に左右されることから、タービン出口の乾き度を計測（蒸気タービンの湿り損失計測）することで、負荷に応じたタービン入口の適正加熱量制御が可能となる。

さらに、上述した第１の実施形態によれば、配管に絞り弁や分流配管を設ける必要がないため、第１の実施形態に係る蒸気熱量測定装置は、低コストで設置することが可能である。

また、従来の乾き度測定では、測定レンジが狭く、例えば乾き度が０．９乃至１．０の範囲のみを測定可能であるのに対し、上述した第１の実施形態に係る乾き度測定では、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の全範囲で測定することが可能である。

さらに、従来、超音波を用いた乾き度計があるが、超音波は、湿り蒸気の気相部分と、液相部分と、の境界面における音響インピーダンスの差が大きいため、境界面においてほとんど反射する。そのため、超音波を用いた乾き度計は、乾き度を実用的に測定できる水準に至っていない。

これに対し、光は、気相部分と、液相部分と、の境界面を透過可能であるため、第１の実施形態によれば、超音波を用いる場合よりも乾き度を正確に測定することが可能である。

なお、上述した第１の実施形態では、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（４）乃至（７）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。

このように、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。

〔２〕第２の実施形態
上述した第１の実施形態では、湿り蒸気の乾き度を複数波長の光の受光強度（相関）に基づいて算出しているが、乾き度を求める手法は、これに限られない。例えば、測定対象の湿り蒸気に単一波長の光を照射し、当該湿り蒸気を透過した当該単一波長の光の受光強度と、湿り蒸気の温度又は圧力と、に基づいて、乾き度を求める（特定する）こともできる。

第２の実施形態に係る蒸気熱量測定装置の構成例を図１２に示す。図１２に例示する蒸気熱量測定装置は、図１に例示した構成に比して、乾き度センサ１０に代えて乾き度センサ１０Ａを備え、かつ、測定対象の湿り蒸気の温度又は圧力を計測する環境センサ１３を追加的に備える点が異なる。なお、図１２において図１により既述の符号と同一符号を付した部分は、以下において特に断らない限り、既述の部分と同一若しくは同様の部分を示す。

第２の実施形態における乾き度センサ１０Ａは、測定対象の湿り蒸気に単一波長の光を照射する発光体１１Ａと、測定対象の湿り蒸気を透過した単一波長の光を受光する受光素子１２Ａとを備える。

発光体１１Ａが発する光の波長は、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（別言すると、蒸気に大きく吸光がある波長）であってもよいし、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（別言すると、液体水分に大きく吸光がある波長）であってもよい。前者の非限定的な一例は１８８０ｎｍであり、後者の非限定的な一例は１９１０ｎｍである。

ただし、発光体１１Ａが発する光の波長は、水に吸収される波長帯域内であれば、水分子の吸光ピーク波長と異なっていてもよい。発光体１１Ａ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１１Ａが、例えば、波長が１８８０ｎｍの光を発した場合、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。既述のように、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の光はより多く吸収される傾向にある。

あるいは、発光体１１Ａが、例えば、波長が１９１０ｎｍの光を発した場合、パイプ２１の内部において、波長が１９１０ｎｍの光は、湿り蒸気に含まれる、１つの水素結合で結合している２分子の水分子によって吸収される。波長が１９１０ｎｍの光は、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、より少なく吸収される傾向にある。

受光素子１２Ａには、フォトダイオード等の光強度検出素子が使用可能である。図１３は、発光体１１Ａから波長１９０４ｎｍの光を発し、所定の温度又は圧力条件下の湿り蒸気を加熱した場合に、受光素子１２Ａで受光された光の強度の変化の実測例を示すグラフである。

波長が１９０４ｎｍの光は、湿り蒸気に含まれる、１つの水素結合で結合している２分子の水分子によって吸収されるため、湿り蒸気が加熱され、乾き度が０から１に近づくにつれて、湿り蒸気による吸収が低下し、受光素子１２Ａによる受光強度が上昇する。

したがって、パイプ２１の内部の湿り蒸気の乾き度と受光素子１２Ａによる受光強度とは相関する。別言すれば、パイプ２１の内部の湿り蒸気の乾き度と湿り蒸気による光の吸光度とは相関する。

ここで、図５に示したように、水の沸点は、標準大気圧下では１００℃であるが、圧力に応じて変動する。したがって、上述したように、パイプ２１の内部の湿り蒸気の乾き度と湿り蒸気を透過した光の強度とは相関するが、相関の態様は、パイプ２１の内部の環境、例えば湿り蒸気の温度又は圧力によって変化する。

そこで、湿り蒸気の温度又は圧力を環境センサ１３によって計測する。環境センサ１３には、任意の温度センサ又は圧力センサが使用可能である。

受光素子１２Ａ及び環境センサ１３には、演算手段の一例である中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００が接続されている。ＣＰＵ３００は、乾き度特定部３０１Ａが含んでよい。ＣＰＵ３００には、関係記憶部４０１を含むデータ記憶装置４００を接続してよい。

第２の実施形態において、関係記憶部４０１には、予め取得された、湿り蒸気を透過した光の強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係が、温度又は圧力毎に記憶することができる。なお、「光の強度」とは、受光素子１２Ａによる光の受光強度であっても、湿り蒸気による光の吸光度であってもよい。

光の強度と乾き度との関係は、式として記憶されてもよいし、テーブル形式のデータ（表データ）として記憶されてもよい。関係記憶部４０１に記憶される温度又は圧力条件毎の光の強度と乾き度との関係は、例えば、入力装置３２１（図１参照）を用いて入力することができる。

受光素子１２Ａによる受光強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係は、例えば、ボイラー等で湿り蒸気を加熱しながら、従来の乾き度計で湿り蒸気の乾き度を測定し、あわせて湿り蒸気を透過した光の強度を測定することによって、予め取得することが可能である。従来、種々の乾き度計があるが、関係を取得する際には、それらのいずれかを単独で用いても、組み合わせて用いてもよい。

乾き度特定部３０１Ａは、受光素子１２Ａによる光の強度の測定値と、環境センサ１３による温度又は圧力の計測値と、関係記憶部４０１に記憶されている関係と、に基づき、測定対象の湿り蒸気の乾き度の値を求める（特定する）。

例えば乾き度特定部３０１Ａは、受光素子１２Ａから、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過した光の受光強度の計測値を受信する。また、乾き度特定部３０１Ａは、環境センサ１３から、パイプ２１内部の湿り蒸気の温度又は圧力の計測値を受信する。さらに乾き度特定部３０１Ａは、関係記憶部４０１から、湿り蒸気の温度又は圧力の計測値に対応する温度又は圧力条件下の、受光素子１２Ａによる受光強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係を読み出す。

ここで、乾き度特定部３０１Ａは、温度又は圧力の計測値に一致する温度又は圧力条件下の関係が関係記憶部４０１に記憶されている場合は、温度又は圧力の計測値に一致する温度又は圧力条件下の関係を関係記憶部４０１から読み出す。また、乾き度特定部３０１Ａは、例えば、温度又は圧力の計測値に一致する温度又は圧力条件下の関係が関係記憶部４０１に記憶されていない場合は、温度又は圧力の計測値に最も近似する温度又は圧力条件下の関係を関係記憶部４０１から読み出す。

乾き度特定部３０１Ａは、読み出した関係と、受光強度の測定値と、に基づいて、湿り蒸気の乾き度の値を特定する。例えば、関係が、受光強度を独立変数とし、乾き度を従属変数とする式で表現されている場合、乾き度特定部３０１Ａは、式の受光強度の独立変数に、受光強度の計測値を代入して、パイプ２１内部の測定対象の湿り蒸気の乾き度の値を算出する。

乾き度特定部３０１Ａによって求められたパイプ２１内部の湿り蒸気の乾き度の測定値は、例えば出力装置３２２（図１参照）によって表示される。

なお、関係記憶部４０１には、第１の実施形態と同様に、湿り蒸気による吸光度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係を記憶していてもよい。この場合、乾き度特定部３０１Ａは、発光体１１Ａの発光強度と、受光素子１２Ａによる受光強度と、から、測定対象の湿り蒸気による吸光度の測定値を算出し、吸光度と乾き度の関係と、吸光度の測定値と、に基づいて、測定対象の湿り蒸気の乾き度の値を特定すればよい。

また、パイプ２１の内部の湿り蒸気の乾き度と、湿り蒸気を透過した光強度と、の相関の態様は、湿り蒸気内の光透過体積によっても変化し得る。例えば、光透過体積の変化の要因としては、パイプ径や発光体の面積並びに受光素子の面積などが挙げられる。

したがって、関係記憶部４０１は、湿り蒸気の光透過体積毎に、湿り蒸気の乾き度と、湿り蒸気を透過した光強度と、の相関を記憶してもよい。この場合、乾き度特定部３０１Ａは、関係記憶部４０１から、湿り蒸気の温度又は圧力の計測値、並びに測定対象の湿り蒸気の光透過体積の値に対応する、受光強度と、乾き度と、の関係を読み出せばよい。

以上説明した第２の実施形態によれば、光学的手法により、湿り蒸気の相状態を変化させることなく、高い精度で高速に湿り蒸気の乾き度を測定することが可能となる。したがって、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、湿り蒸気の乾き度の測定に用いる波長が単一波長なので、乾き度センサ１０Ａ（発光体１１Ａ及び受光素子１２Ａ）の簡素化を図ることもできる。

ただし、第２の実施形態においても、乾き度の光学的測定に複数波長の光を用いてよい。別言すると、第２の実施形態の環境センサ１３を第１の実施形態の蒸気熱量計測装置に適用してもよい。その場合、乾き度特定部３０１Ａは、複数波長の光の強度の相関と、環境センサ１３の測定値である温度又は圧力と、に基づいて、乾き度を特定することができる。

〔３〕その他
なお、上述した第１及び第２の実施形態では、いずれも、湿り蒸気の一例として水蒸気を挙げたが、これに限らず、２相流の冷媒の熱量を測定する場合にも上述した各実施形態は適用可能である。

また、乾き度を光学的に測定した場合には、測定対象領域である蒸気の吸光度は非測定対象領域における吸光度に対して非常に大きいため、蒸気に含まれる微量の不純物による測定誤差は小さいか無視してよい。

ただし、蒸気の汚濁（濁度）が進んだ場合には、不純物による測定誤差が無視できなくなる場合がある。そのような場合には、不純物による影響を受けない波長を測定誤差補正用の基準（リファレンス）波長として設定することにより、より精度の高い測定が可能となる。

リファレンス波長は、相対的に蒸気に大きく吸光がある第１の波長（例えば図１４に「波長１」として示すように、１８７５ｎｍ、１３８０ｎｍ、１１３５ｎｍ、９４０ｎｍ、９０５ｎｍ等）、及び、相対的に液体水分に大きく吸光がある第２の波長（例えば図１４に「波長２」として示すように、１９４０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１２００ｎｍ等）とは異なる第３の波長（例えば図１４に「波長３」として示すように、１３００ｎｍ、２１００ｎｍ等）に設定することができる。なお、第１、第２及び第３の波長は、それぞれ１波長でもよいし複数波長でもよい。

第３の波長（波長３）であるリファレンス波長は、例えば、乾き度の光学的測定に２以上の波長の光を用いる場合に設定してよい。例えば図１４の「パターン２」に示すように、リファレンス波長は、第１の実施形態において設定してよい。なお、同図１４において「パターン１」がリファレンス波長を設定しない実施形態（第１の実施形態）に相当する。

また、第２の実施形態（環境センサ１３を用いる場合）であっても乾き度の光学的測定に２以上の波長の光を用いる場合には、リファレンス波長を設定してよい（図１４の「パターン６」参照）。なお、図１４において、「パターン３」、「パターン４」及び「パターン５」はいずれもリファレンス波長を設定しない第２の実施形態に相当する。

１０，１０Ａ 乾き度センサ（乾き度計）
１１，１１Ａ 発光体
１２，１２Ａ 受光素子
１３ 環境センサ
２０ 流量計
２１ パイプ
３１，３２ 光導波路
３００ 演算部
３０１ 乾き度算出部
３０１Ａ 乾き度特定部
３０２ 質量算出部
３０３ 蒸気熱量算出部
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 (6)

1. 測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度計と、
   前記湿り蒸気の流量を測定する流量計と、
   前記乾き度計の測定値と前記流量計の測定値とに基づいて前記湿り蒸気の熱量を求める演算手段と、を備えた、
   蒸気熱量測定装置。
2. 前記乾き度計は、
   複数の波長の光を前記湿り蒸気に照射する発光体と、
   前記湿り蒸気を透過した前記複数の波長の光のそれぞれを受光する受光素子と、を備え、
   前記演算手段は、
   受光した前記複数の波長のそれぞれの受光強度に基づき前記乾き度を算出する乾き度算出部を備える、
   請求項１に記載の蒸気熱量測定装置。
3. 前記乾き度算出部は、
   前記流量計の測定値から前記湿り蒸気の単位時間当たりの質量を求め、前記質量と前記乾き度計の測定値とに基づいて前記湿り蒸気の単位時間当たりの熱量を算出する、請求項２に記載の蒸気熱量測定装置。
4. 前記湿り蒸気の温度又は圧力を計測する環境センサと、
   前記湿り蒸気を透過した光の強度と、前記湿り蒸気の乾き度と、の関係を温度又は圧力毎に記憶する関係記憶部と、を更に備え、
   前記乾き度計は、
   １又は複数の波長の光を前記湿り蒸気に照射する発光体と、
   前記湿り蒸気を透過した光を受光する受光素子と、を備え、
   前記演算手段は、
   前記受光素子における前記光の受光強度と、前記環境センサの計測値と、前記関係と、に基づいて、前記乾き度を特定する乾き度特定部を備える、請求項１に記載の蒸気熱量測定装置。
5. 前記乾き度計が照射する複数の波長の光は、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる第１の波長と、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる第２の波長と、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長と、を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気熱量測定装置。
6. 湿り蒸気に光を照射することと、
   前記湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、
   前記湿り蒸気の流量を測定することと、
   前記計測された乾き度及び流量に基づいて前記湿り蒸気の熱量を求めることと、を含む、蒸気熱量測定方法。