JP2014228493A - 乾き度測定装置および湿り蒸気用配管 - Google Patents
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Abstract
【課題】光による湿り蒸気の乾き度測定の際に発生する熱損失を抑制し高い精度で乾き度を測定することを課題とする。
【解決手段】測定対象の湿り蒸気ＳＡが流れる配管３０に設けられた入射開口Ａ１から光を入射させる光入射部１１、配管３０に設けられた射出開口Ａ２から湿り蒸気ＳＡを透過または反射した光を受けて検出信号Ｓｄを出力する受光部１２、検出信号Ｓｄを参照して湿り蒸気ＳＡの乾き度を特定する乾き度特定部１３、入射開口Ａ１および射出開口Ａ２の少なくとも一方の熱損失を補償する熱損失補償装置２０、２１、２２を備える。
【選択図】図１
【解決手段】測定対象の湿り蒸気ＳＡが流れる配管３０に設けられた入射開口Ａ１から光を入射させる光入射部１１、配管３０に設けられた射出開口Ａ２から湿り蒸気ＳＡを透過または反射した光を受けて検出信号Ｓｄを出力する受光部１２、検出信号Ｓｄを参照して湿り蒸気ＳＡの乾き度を特定する乾き度特定部１３、入射開口Ａ１および射出開口Ａ２の少なくとも一方の熱損失を補償する熱損失補償装置２０、２１、２２を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は湿り蒸気の測定装置および湿り蒸気用配管に関する。
水は沸点に達した後、水蒸気ガス（気相部分：飽和蒸気）と、水滴（液相部分：飽和水）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記載の発明は、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に関する。
特許文献２記載の発明は、広帯域光源から複数の波長の光を湿り蒸気に通過させ、湿り蒸気を通過した複数の波長の光を光学検出器で検出し、各波長の光ごとに、乾燥蒸気を通過する際の光の強度に対する検出光の強度の強度比を決定し、強度比にスケーリングファクタを連続的に適用してスケーリングされた強度比を算出し、スケーリングファクタの各々に対して複数の残差を算出し、複数の残差のうちの最小残差を決定し、最小残差に対応する液滴の数密度を計算することにより液滴粒度分布を決定し、液滴粒度分布に基づいて蒸気重量率を決定する技術に関する。
ここで、特許文献１に開示された技術は、湿り蒸気の流量及び圧力を検出するセンサの時定数が長く、また、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り、湿り蒸気が安定するまでの過渡状態にあるときの乾き度測定には適さなかった。このため本願発明者は、特許文献２に記載されたような、湿り蒸気に光を通過させて湿り蒸気の乾き度を測定する技術の改良を研究してきた。
しかしながら、光により湿り蒸気の乾き度を測定する技術では、湿り蒸気が流通する配管への光の入射部分や射出部分において熱損失が生じるため、湿り蒸気の凝縮や液相の停滞が発生し、湿り蒸気の乾き度を正確に測定できなくなるという問題があった。
そこで、本願発明は、光による湿り蒸気の乾き度測定の際に発生する熱損失を抑制し高い精度で乾き度を測定することを課題の1つとする。
本願発明者は、光を利用した湿り蒸気の乾き度の測定技術を鋭意研究したところ、具体的には、本発明は以下の手段を備えることにより、上記問題を克服し上記課題を解決することに想到した。
（１）本発明の乾き度測定装置は、測定対象の湿り蒸気が流れる配管に設けられた入射開口から光を入射させる光入射部と、前記配管に設けられた射出開口から前記湿り蒸気を透過または反射した光を受けて検出信号を出力する受光部と、前記検出信号を参照して前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の熱損失を補償する熱損失補償装置と、を備える。
本発明は、所望により、以下の構成を備えていてもよい。
（２）上記（１）において、前記熱損失補償装置は、発熱部と電力供給部とを有し、前記電力供給部は、前記発熱部に前記熱損失を補償する熱を発生させうる電力を供給する。
（２）上記（１）において、前記熱損失補償装置は、発熱部と電力供給部とを有し、前記電力供給部は、前記発熱部に前記熱損失を補償する熱を発生させうる電力を供給する。
（３）上記（２）において、前記発熱部は、電熱線が敷設されたラバーヒーターである。
（４）前記ラバーヒーターは、前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の周囲に設けられる。
（５）上記（３）または（４）において、前記ラバーヒーターは、前記光入射部および前記受光部の少なくとも一方の周囲に設けられる。
（６）上記（２）において、前記発熱部は、透明導電膜であり、前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の開口面に設けられる。
（７）上記（２）〜（６）のいずれかにおいて、前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の開口面に温度センサを備え、前記電力供給部は、前記温度センサの検出信号に基づいて前記開口面の温度が前記湿り蒸気の温度以上となるように前記発熱部に電力を供給する。
（８）本発明の湿り蒸気配管は、測定対象の湿り蒸気が流れる配管であって、光を入射させる入射窓と、前記湿り蒸気を透過または反射した光を射出させる射出窓と、前記検出信号を参照して前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、前記入射窓および前記射出窓の少なくとも一方において生ずる熱損失を補償する熱損失補償装置と、を備える。
なお、前記目的に限らず、後述する実施形態に示す解決原理を有する解決手段を得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。
本発明によれば、光による湿り蒸気の乾き度測定の際に生ずる熱損失が効果的に補償されるので、湿り上記の凝縮や液相の停滞を抑制し、高い精度で乾き度を測定することが可能である。
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。
（定義）
本明細書で使用する主たる用語を以下のとおりに定義する。
「蒸気」：各実施形態では、水蒸気のことを意味するが、気相部分と液相部分との二相状態となる物質の蒸気であればよく、水蒸気に限定されない。
「乾き度」：蒸気中の気相部分と液相部分との重量割合のことをいう。乾き度[%]＝１００[%]−湿り度[%]の関係がある。
「湿り蒸気」：乾き度χが０−１００[%]の蒸気をいう。
「光の強度」（光強度）：光（電磁波）の強さを表す物理量をいい、その称呼や単位に限定はない。例えば、放射強度、光度、光量子束密度など、それぞれ単位が異なるが相互に換算可能な物理量である。
本明細書で使用する主たる用語を以下のとおりに定義する。
「蒸気」：各実施形態では、水蒸気のことを意味するが、気相部分と液相部分との二相状態となる物質の蒸気であればよく、水蒸気に限定されない。
「乾き度」：蒸気中の気相部分と液相部分との重量割合のことをいう。乾き度[%]＝１００[%]−湿り度[%]の関係がある。
「湿り蒸気」：乾き度χが０−１００[%]の蒸気をいう。
「光の強度」（光強度）：光（電磁波）の強さを表す物理量をいい、その称呼や単位に限定はない。例えば、放射強度、光度、光量子束密度など、それぞれ単位が異なるが相互に換算可能な物理量である。
（実施形態１）
本実施形態１は、湿り蒸気用配管に設けられたサイトグラスのような構造を有する、光の入射開口および／または射出開口を利用して湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。
本実施形態１は、湿り蒸気用配管に設けられたサイトグラスのような構造を有する、光の入射開口および／または射出開口を利用して湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。
（構成）
図１に、本発明の実施形態１に係る乾き度測定装置の構成を説明する模式断面図を示す。図１に示すように、本実施形態１における湿り蒸気用配管３０は、測定対象の湿り蒸気ＳＡを流通させる流体流通路であり、配管３０内に光を透過させるためのサイトグラスとしての構造を備える。具体的には、配管３０の側壁に入射開口Ａ１および射出開口Ａ２が設けられている。入射開口Ａ１と射出開口Ａ２とは、配管３０の軸芯に対して対向した位置に設けられている。入射開口Ａ１には入射側筒３１が接続されており、射出開口Ａ２には射出側筒３２が設けられている。入射側筒３１および射出側筒３２の端縁には、フランジ３１ｆおよび３２ｆがそれぞれ形成されており、強化ガラス３３および３４が螺子その他の固定手段でそれぞれ固定されている。図示しないが、入射開口Ａ１および射出開口Ａ２付近を除く湿り蒸気用配管３０の外周面には、グラスウール等公知の断熱材が敷設されており、断熱材の敷設された湿り蒸気配管３０の領域では、外部への熱損失が些少に抑制されるようになっている。これらのサイトグラス構造により、配管３０の内部を気密に保持したまま、入射側筒３１の端面を形成する強化ガラス３３の外側から光を入射させ、配管３０を流通する湿り蒸気ＳＡ内を透過させ、射出側筒３２の端面を形成する強化ガラス３４から外側に向けて射出させることが可能になっている。
図１に、本発明の実施形態１に係る乾き度測定装置の構成を説明する模式断面図を示す。図１に示すように、本実施形態１における湿り蒸気用配管３０は、測定対象の湿り蒸気ＳＡを流通させる流体流通路であり、配管３０内に光を透過させるためのサイトグラスとしての構造を備える。具体的には、配管３０の側壁に入射開口Ａ１および射出開口Ａ２が設けられている。入射開口Ａ１と射出開口Ａ２とは、配管３０の軸芯に対して対向した位置に設けられている。入射開口Ａ１には入射側筒３１が接続されており、射出開口Ａ２には射出側筒３２が設けられている。入射側筒３１および射出側筒３２の端縁には、フランジ３１ｆおよび３２ｆがそれぞれ形成されており、強化ガラス３３および３４が螺子その他の固定手段でそれぞれ固定されている。図示しないが、入射開口Ａ１および射出開口Ａ２付近を除く湿り蒸気用配管３０の外周面には、グラスウール等公知の断熱材が敷設されており、断熱材の敷設された湿り蒸気配管３０の領域では、外部への熱損失が些少に抑制されるようになっている。これらのサイトグラス構造により、配管３０の内部を気密に保持したまま、入射側筒３１の端面を形成する強化ガラス３３の外側から光を入射させ、配管３０を流通する湿り蒸気ＳＡ内を透過させ、射出側筒３２の端面を形成する強化ガラス３４から外側に向けて射出させることが可能になっている。
なお、配管３０や入射側筒３１、射出側筒３２等は、耐久性のある金属、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、その他特殊材質で構成される。このようなサイトグラスは、フローサイトとも呼ばれており、配管路の途中に設置し、配管内を通る流体の流通、停止及び流速・流量の概況を直接監視することが器具として市場に出回っている市販品を利用可能である。
次に、実施形態１に係る乾き度測定装置１ａの構成を説明する。図１に示すように、乾き度測定装置１ａは、光入射部１１、受光部１２、乾き度特定部１３、および熱損失補償装置（２０、２１、２２）を備えている。
光入射部１１は、入射開口Ａ１、すなわち強化ガラス３１の外側から入射側筒３１内へ所定の波長の光を入射させる手段であり、自ら光を発生させる自発光手段であっても、離間地の発光手段から発せられた光を導入する導光手段であってもよい。自発光手段としては、例えば、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、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、紫外線光源、赤外線光源、及び電球等が使用可能であるが、安定した波長および強度を有する光を発生可能な手段であれば、上記に限定されない。導光手段としては、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、上記に例示したような自発光手段が発した光を伝播させる機能があれば、これに限定されない。
受光部１２は、湿り蒸気ＳＡを透過し、射出開口Ａ２、すなわち射出側筒３２から強化ガラス３２を経て射出された光を受けて検出信号Ｓｄを出力する光感知手段である。受光部１２としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等の光電変換素子を使用可能であるが、湿り蒸気を透過した光の強度等に応じた受光信号Ｓｄを出力可能であれば、これに限定されない。
乾き度特定部１３は、検出信号Ｓｄを参照して湿り蒸気ＳＡの乾き度χを任意の演算方法により特定する演算手段である。乾き度特定部１３は、コンピュータ装置が乾き度特定用の所定のソフトウェアプログラムを実行することにより機能的に実現される。コンピュータ装置としては、例えば、入力装置、出力装置、プログラム記憶装置、一時記憶装置、および記憶装置を備える汎用コンピュータであり、その構成に限定はない。
乾き度特定部１３で実行する湿り蒸気の乾き度の演算方法は、公知の方法を種々に適用可能であり、その演算方法に限定はない。例えば、乾き度特定部１３は、受光信号Ｓｄを参照して湿り蒸気ＳＡを透過した光の強度または光の強度に関連する物理量を演算し、次いで、記憶装置に予め格納された、光の強度または光の強度に関連する物理量と乾き度χとの関係テーブルを参照する。そして受光信号Ｓｄの示す光の強度または光の強度に関連する物理量に対応した乾き度χを読み取り、乾き度χの測定値として出力する。関係テーブルの代わりに、光の強度または光の強度に関連する物理量と乾き度χとの関係を示す関係式に基づいて乾き度χを算出してもよい。また乾き度特定部１３は、複数の波長の光についてそれぞれ得られた光の強度または光の強度に関連する物理量を相互に参照しながら、乾き度χを算出するようにしてもよい。
熱損失補償装置は、入射開口Ａ１および射出開口Ａ２において発生する熱損失を補償する手段である。本実施形態１において、熱損失補償装置は、発熱部（２１、２２）と電力供給部２０とを有し、発熱部は、具体的に、ラバーヒーター２１および２２である。
ラバーヒーター２１は、入射側筒３１の外壁に設けられ、入射側筒３１を加熱して入射開口Ａ１側で生じる熱損失を補償する。ラバーヒーター２２は、射出側筒３２の外壁に設けられ、射出側筒３２を加熱して射出開口Ａ２側で生じる熱損失を補償する。以下、入射開口Ａ１側のラバーヒーター２１の構造を説明するが、射出開口Ａ２側のラバーヒーター２２についても同様である。
図２に、ラバーヒーター２１の平面図を示す。図２に示すように、ラバーヒーター２１は、帯状に長い矩形状を有しており、ラバーシート２１０の内部に発熱体２１３を敷設して構成されている。ラバーシート２１０の端部には、面ファスナー２１４および２１５が取り付けられている。
ラバーシート２１０は、柔軟性があり一定の熱伝導性を有する絶縁体であり、例えば、シリコンゴムで構成される。ラバーシート２１０の材料としては、柔軟性、熱伝導性、絶縁性、および耐久性を満たすものであれば、シリコンゴムに限らず種々の材料を適用可能である。ラバーヒーター２１は、面状に加工した２枚のラバーシート２１０に発熱体２１３を挟み込んで使用温度に応じて選択される接着剤または接着フィルムで接着して構成される。
発熱体２１３は、両端に引き出し線２１１および２１２が取り付けられており、引き出し線２１１および２１２から電力を供給することにより発熱する、線状または面状の発熱手段である。発熱体２１３としては、電流を熱量に変換可能な電熱材料一般を適用可能であり、例えば、カーボンやニッケル合金抵抗線を適用することができる。
面ファスナー２１４および２１５は、互いの面を接触させることで接着力が発生する機能を有し、それぞれの面ファスナーを取り付けた部位を着脱自在に係止させることが可能である。面ファスナー２１４および２１５は、例えば、一方がフック状に起毛された面であり、他方がループ状に密集して起毛された面となっている。面ファスナー２１４は、ラバーシート２１０の表面の端部において起毛面を表面側に向けて取り付けられる。面ファスナー２１５は、ラバーシート２１０の裏面の端部において起毛面を裏面側に向けて取り付けられる。なお、面ファスナー２１４および２１５はオプショナルな構成であり、面ファスナーに代えて、紐状部材や帯状部材でラバーシート２１０を外側から締めつけたりラバーシート２１０の端部を接着剤等で接着したりして、ラバーヒーター２１を入射側筒３３に取り付けてもよい。
ラバーヒーター２１は、帯状の長手方向に幅ｄ１、帯状の幅方向に幅ｄ２を有するように加工されている。長手方向の幅ｄ１は、ラバーシート２１０を入射側筒３１の外周に巻き回した際に、緩み無くラバーシートの内面が入射側筒３１の外周面に接触した状態で、面ファスナー２１４および２１５を互いに接触させることができるような長さに調整する。短尺方向の幅ｄ２は、入射側筒３１の外周の高さ、すなわち配管３０外壁からフランジ３１ｆ裏面までの幅に対応するように調整する。入射側筒３１と射出側筒３２の形状が異なる場合には、ラバーヒーター２２について、射出側筒３２の形状に適合するように、ラバーヒーター２２の幅ｄ１および幅ｄ２を調整する。
図１に戻り、電力供給部２０は、発熱部に熱損失を補償する熱を発生させうる電力を供給可能に構成されている。具体的には、電力供給部２０は、ラバーヒーター２１からの引き出し線２１１および２１２が接続され、両引き出し線の間に所定の電圧を加えることにより、加熱電力Ｄ１をラバーヒーター２１の発熱体２１３に供給可能になっている。また電力供給部２０は、ラバーヒーター２２からの引き出し線２１１および２１２が接続され、両引き出し線の間に所定の電圧を加えることにより、加熱電力Ｄ２をラバーヒーター２２の発熱体２１３に供給可能になっている。電力供給部２０が供給する電力は、入射開口Ａ１および射出開口Ａ２付近で生じる熱損失を補償しうる熱量を、発熱部（ラバーヒーター２１および２２）に発生させる程度の電力とする。このような電力は、例えば、入射開口Ａ１付近（具体的には、強化ガラス３３および入射側筒３１の内壁面）や射出開口Ａ２付近（具体的には、強化ガラス３４および射出側筒３２の内壁面）に、湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりしないような電力を実験的に特定することで得られる。
（作用）
次に本実施形態１の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０が発熱部であるラバーヒーター２１および２２に加熱電力Ｄ１、Ｄ２を供給する。ラバーヒーター２１および２２では、発熱体２１３が当該加熱電力を受けて発熱し、その熱が入射側筒３１および射出側筒３２に伝達される。入射開口Ａ１付近および射出開口Ａ２付近、特に強化ガラス３３および強化ガラス３４の外側には断熱材を設けることができないため、若干の熱損失を生じるが、その熱損失を補償するに足りる熱量がラバーヒーター２１および２２から供給される。この結果、湿り蒸気ＳＡに凝集が生じたり液相が停滞したりする事象が抑制される。
次に本実施形態１の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０が発熱部であるラバーヒーター２１および２２に加熱電力Ｄ１、Ｄ２を供給する。ラバーヒーター２１および２２では、発熱体２１３が当該加熱電力を受けて発熱し、その熱が入射側筒３１および射出側筒３２に伝達される。入射開口Ａ１付近および射出開口Ａ２付近、特に強化ガラス３３および強化ガラス３４の外側には断熱材を設けることができないため、若干の熱損失を生じるが、その熱損失を補償するに足りる熱量がラバーヒーター２１および２２から供給される。この結果、湿り蒸気ＳＡに凝集が生じたり液相が停滞したりする事象が抑制される。
測定時、湿り蒸気用配管３０の内部を流れている湿り蒸気ＳＡに向けて、光入射部１１から強化ガラス３３を介して入射側筒３１内に光を照射させる。入射側筒３１の内部から湿り蒸気用配管３０の中心を流れる湿り蒸気ＳＡを透過した光は、配管３０の反対側にある射出側筒３２内に入り、強化ガラス３４を介して射出される。射出された光は受光部１２にて受光され、湿り蒸気ＳＡを透過した光の強度または光の強度に関連した物理量に対応した受光信号Ｓｄを出力する。
乾き度特定部１３は、入力した受光信号Ｓｄを参照して、所定の演算方法により乾き度χを特定する。特定された乾き度χは、乾き度特定部１３に設けられた出力装置に出力される。この出力形態は、出力情報の表示であったり印刷であったりデータの送信であったりする。
（効果）
以上説明した実施形態１によれば、湿り蒸気用配管３０がサイトグラスとしての測定構造を備えている場合に、電力供給部２０が入射開口Ａ１付近および射出開口Ａ２付近で失われる熱量を補う加熱電力Ｄ１、Ｄ２を供給し、入射側筒３１および射出側筒３２の外周に設けられたラバーヒーター２１および２２が熱損失を補償する。よって、サイトグラス付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
以上説明した実施形態１によれば、湿り蒸気用配管３０がサイトグラスとしての測定構造を備えている場合に、電力供給部２０が入射開口Ａ１付近および射出開口Ａ２付近で失われる熱量を補う加熱電力Ｄ１、Ｄ２を供給し、入射側筒３１および射出側筒３２の外周に設けられたラバーヒーター２１および２２が熱損失を補償する。よって、サイトグラス付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
実施形態１によれば、ラバーヒーター２１および２２を発熱部として適用するので、入射側筒３１や射出側筒３２の形状に適合した形状に加工することが容易である。
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、光ファイバのような形態の光入射部に対して適用する発熱部に関する。
本発明の実施形態２は、光ファイバのような形態の光入射部に対して適用する発熱部に関する。
（構成）
図３に、本実施形態２における乾き度測定装置１ｂの構成を示す。図３に示すように、本実施形態２における湿り蒸気用配管３０は、入射開口Ａ１に、入射側筒の代わりに、光ファイバのヘッド部が挿入可能な構造を有しており、光入射部１１ｂが光ファイバ構造である点で上記実施形態１と異なる。
図３に、本実施形態２における乾き度測定装置１ｂの構成を示す。図３に示すように、本実施形態２における湿り蒸気用配管３０は、入射開口Ａ１に、入射側筒の代わりに、光ファイバのヘッド部が挿入可能な構造を有しており、光入射部１１ｂが光ファイバ構造である点で上記実施形態１と異なる。
なお、射出開口Ａ２については、上記実施形態１の射出開口Ａ２側の受光構造とすることが可能である。射出開口Ａ２に、光プローブのような受光手段を設ける場合には、入射開口Ａ１側に類似した光ファイバに対応する構造としてもよい。
本実施形態２における乾き度測定装置１ｂは、光入射部１１ｂの構造と当該光入射部１１ｂに適用する発熱部の構成とが上記実施形態１と異なり、その他の構成は上記実施形態と同様である。図３では、光入射部１１ｂを含む入射開口Ａ１付近の模式断面を示し、射出開口Ａ２側の構成は省略してある。
図３に示すように、光入射部１１ｂは、入射開口Ａ１から湿り蒸気用配管３０内へ所定の波長の光を入射させる手段であり、光ファイバヘッド１１０、集光レンズ１１１、光ファイバケーブル１１２、発光部１１３、および発光電力供給部１１４を備えている。ラバーヒーター２１ｂを備えている。
発光電力供給部１１４は、発光部１１３に所定の電力を供給して発光部１１３を湿り蒸気の乾き度を測定するに足りる程度の光量で発光させる駆動手段である。発光部１１３に供給する電力は、発光部１１３の仕様に応じた電力量とする。交流で電力供給する場合には、さらに発光部１１３の仕様に応じた周波数、電圧波形で電力を供給する。
発光部１１３は、自ら光を発生させる自発光手段であり、例えば、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、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、紫外線光源、赤外線光源、及び電球等が使用可能であるが、安定した波長および強度を有する光を発生可能な手段であれば、上記に限定されない。
光ファイバケーブル１１２は、発光部１１３から出力された光を伝達する導光手段である。光ファイバケーブル１１２としては、例えば、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、発光部１１３が発した光を伝播させる機能があれば、これに限定されない。
光ファイバヘッド１１０は、光ファイバケーブル１１２の先端部を所定長さ収容する収容体であり、その先端に集光レンズ１１１を備えている。光ファイバヘッド１１０は、外部の光を遮断し、内部の光ファイバケーブル１１２と集光レンズ１１１とを光学的に損失無く連結するとともに、光ファイバケーブル１１２および集光レンズ１１１を物理的・化学的に保護する。このため、光ファイバヘッド１１０は、金属または樹脂等の機械的強度があり化学的に安定な素材とすることが好ましい。
図３に示すように、本実施形態２において、湿り蒸気用配管３０の入射開口Ａ１は、光ファイバヘッド１１０の先端口径に適合した径となっており、光ファイバヘッド１１０の先端が入射開口Ａ１から配管３０内へ挿入された状態で固定されている。光ファイバヘッド１１０は、湿り蒸気ＳＡの流れに影響を与えない範囲で、入射開口Ａ１から配管３０の奥へ突出させてもよい。
本実施形態２において、入射開口Ａ１において発生する熱損失を補償する熱損失補填装置として、ラバーヒーター２１ｂおよび電力供給部２０（図示省略）を備える。電力供給部２０については、上記実施形態１における電力供給部２０と同様であるため、説明を省略する。
ラバーヒーター２１ｂは、光ファイバヘッド１１０の先端付近の外周を覆うように設けられている発熱部であり、全体寸法を除いて詳細な構造は、上記実施形態１において図２を参照して説明したラバーヒーター２１と同様である。すなわち、上記実施形態１で説明したように、ラバーヒーター２１ｂは、帯状に長い矩形状を有するラバーシートの内部に発熱体２１３が設けられた構造を有しており、発熱体２１３に電力を供給する引き出し線２１１および２１２が設けられており、引き出し線２１１および２１２は、上記電力供給部に接続されている。ラバーヒーター２１ｂの端部には、面ファスナー２１４および２１５が取り付けられており、光ファイバヘッド１１０の先端外周に巻き回して面ファスナー２１４および２１５を互いに接着することにより、ラバーヒーター２１ｂを光ファイバヘッド１１０の外周に密着固定することが可能になっている。なお、図３では、発熱体２１３、面ファスナー２１４および２１５の図示を省略してある。
ラバーヒーター２１ｂの長手方向の幅ｄ１は、ラバーヒーター２１ｂを光ファイバヘッド１１０の外周に巻き回した際に、緩み無くラバーシートの内面が光ファイバヘッド１１０の外周面に接触した状態で、面ファスナー２１４および２１５を互いに接触させることができるような長さに調整されている。ラバーヒーター２１ｂの短尺方向の幅は、光ファイバヘッド１１０に十分な熱量を伝達可能な面積を供給可能に調整されている。
（作用）
次に本実施形態２の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０が発熱部であるラバーヒーター２１ｂに加熱電力Ｄ１を供給する。ラバーヒーター２１ｂでは発熱体２１３が当該加熱電力を受けて発熱し、その熱が光ファイバヘッド１１０に伝達される。このため、入射開口Ａ１付近には断熱材を設けることができないため若干の熱損失を生じるが、その熱損失を補償するに足りる熱量がラバーヒーター２１ｂから供給される。よって、光ファイバヘッド１１０の先端付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
次に本実施形態２の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０が発熱部であるラバーヒーター２１ｂに加熱電力Ｄ１を供給する。ラバーヒーター２１ｂでは発熱体２１３が当該加熱電力を受けて発熱し、その熱が光ファイバヘッド１１０に伝達される。このため、入射開口Ａ１付近には断熱材を設けることができないため若干の熱損失を生じるが、その熱損失を補償するに足りる熱量がラバーヒーター２１ｂから供給される。よって、光ファイバヘッド１１０の先端付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
（効果）
以上説明した実施形態２によれば、光入射部が光ファイバ構造である場合に、電力供給部２０が入射開口Ａ１付近で失われる熱量を補う加熱電力Ｄ１を供給し、光ファイバヘッド１１０外周に設けられたラバーヒーター２１ｂが熱損失を補償するので、入射開口Ａ１付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
以上説明した実施形態２によれば、光入射部が光ファイバ構造である場合に、電力供給部２０が入射開口Ａ１付近で失われる熱量を補う加熱電力Ｄ１を供給し、光ファイバヘッド１１０外周に設けられたラバーヒーター２１ｂが熱損失を補償するので、入射開口Ａ１付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、入射開口に透明導電膜を設けた発熱部の変形例に関する。
本発明の実施形態３は、入射開口に透明導電膜を設けた発熱部の変形例に関する。
（構成）
図４に、本発明の実施形態３に係る乾き度測定装置の構成を説明する模式断面図を示す。図４に示すように、本実施形態３において適用する湿り蒸気用配管３０は、上記実施形態１と同様のサイトグラス構造を有している。説明を簡単にするため、図４には、入射開口Ａ１側の構造のみを示し、射出開口Ａ２側の構造を省略してある。射出開口Ａ２側については、入射開口Ａ１側と同様の構造を設けてもよい。
図４に、本発明の実施形態３に係る乾き度測定装置の構成を説明する模式断面図を示す。図４に示すように、本実施形態３において適用する湿り蒸気用配管３０は、上記実施形態１と同様のサイトグラス構造を有している。説明を簡単にするため、図４には、入射開口Ａ１側の構造のみを示し、射出開口Ａ２側の構造を省略してある。射出開口Ａ２側については、入射開口Ａ１側と同様の構造を設けてもよい。
図４に示すように、本実施形態３に係る乾き度測定装置１ｃは、入射開口Ａ１において発生する熱損失を補償する熱損失補償装置として、透明フィルムヒーター２１ｃおよび電力供給部２０（図示省略）を備える。電力供給部２０については、上記実施形態１における電力供給部２０と同様であるため、説明を省略する。
透明フィルムヒーター２１ｃは、引き出し線２１１および２１２を介して所定の電圧が印加されると、一定の温度にまで上昇してその温度を維持する透明導電膜フィルムであり、所定のシート抵抗を有する発熱部である。シート抵抗の範囲は、印加電圧との関係で発熱に適する抵抗値であればよく、限定はないが、例えば、数千Ω／□〜数十Ω／□の範囲である。透明導電膜は、基材に透明導電性材料層を形成し、その上に保護層を形成した層構造を有している。基材は、光透過性があって強化ガラス３３に接着可能な樹脂膜（例えばＰＥＴ、ＰＰＳ、ＰＩフィルム等）である。透明導電性材料層は、光透過性があり一定のシート抵抗を有する導電性材料を適用可能である。例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やＩＴＯ、ナノサイズの金属（Ａｇ等）からなる自己組織化膜、ＩＴＯに抵抗を調整する金属（例えばＡｇ等）を散在させた膜等を適用可能である。また透明フィルムヒーター２１ｃは、基材上に微細な幅の抵抗線を多数パターニングした膜であってもよい。透明フィルムヒーター２１ｃは、接着剤または接着フィルムにより強化ガラス３３に貼り合わせられている。透明フィルムヒーター２１ｃは、強化ガラス３３の大きさに適合させた大きさに整形されている。
（作用）
次に本実施形態３の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０が発熱部である透明フィルムヒーター２１ｃに引き出し線２１１および２１２経由で加熱電力Ｄ１を供給する。透明フィルムヒーター２１ｃは、当該加熱電力Ｄ１の供給を受けて発熱することにより配管３０内部の湿り蒸気ＳＡの温度と同じか若干高めの温度、例えば１７０℃に強化ガラス３３の表面を加熱する。これにより、入射開口Ａ１側で生じる熱損失を補償するに足りる熱量を発生させる。よって、強化ガラスの裏面付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
次に本実施形態３の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０が発熱部である透明フィルムヒーター２１ｃに引き出し線２１１および２１２経由で加熱電力Ｄ１を供給する。透明フィルムヒーター２１ｃは、当該加熱電力Ｄ１の供給を受けて発熱することにより配管３０内部の湿り蒸気ＳＡの温度と同じか若干高めの温度、例えば１７０℃に強化ガラス３３の表面を加熱する。これにより、入射開口Ａ１側で生じる熱損失を補償するに足りる熱量を発生させる。よって、強化ガラスの裏面付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
（効果）
以上説明した実施形態３によれば、電力供給部２０が入射開口Ａ１付近で失われる熱量を補う電力を供給し、強化ガラス３３の表面に設けられた透明フィルムヒーター２１ｃが熱損失を補償するので、強化ガラス３３の裏面付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
以上説明した実施形態３によれば、電力供給部２０が入射開口Ａ１付近で失われる熱量を補う電力を供給し、強化ガラス３３の表面に設けられた透明フィルムヒーター２１ｃが熱損失を補償するので、強化ガラス３３の裏面付近で湿り蒸気ＳＡが凝縮したり液相が停滞したりすることを抑制でき、乾き度測定の精度劣化を防ぐことができる。
特に本実施形態３によれば、透明フィルムヒーター２１ｃが熱損失の生じやすい強化ガラスの表面を覆って発熱するので、開口面における熱損失を効率的に補償可能である。
（実施形態４）
本発明の実施形態４は、入射開口の開口面に温度センサを設けた乾き度測定装置に関する。
本発明の実施形態４は、入射開口の開口面に温度センサを設けた乾き度測定装置に関する。
（構成）
図５に、本実施形態４における乾き度測定装置１ｄの構成を示す。図５に示すように、本実施形態４に係る乾き度測定装置１ｄは、本実施形態４に係る乾き度測定装置１ｄは、入射開口Ａ１側の強化ガラス３３の表面に温度センサ２３を備え、射出開口Ａ２側の強化ガラス３４の表面に温度センサ２４をそれぞれ備えている点で、上記実施形態１と異なる。その他の構成については、上記実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
図５に、本実施形態４における乾き度測定装置１ｄの構成を示す。図５に示すように、本実施形態４に係る乾き度測定装置１ｄは、本実施形態４に係る乾き度測定装置１ｄは、入射開口Ａ１側の強化ガラス３３の表面に温度センサ２３を備え、射出開口Ａ２側の強化ガラス３４の表面に温度センサ２４をそれぞれ備えている点で、上記実施形態１と異なる。その他の構成については、上記実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
温度センサ２３は、強化ガラス３３の表面温度を計測し、計測された温度を示す検出信号Ｓ１を電力供給部２０に出力する検出手段である。温度センサ２４は、強化ガラス３４の表面温度を計測し、計測された温度を示す検出信号Ｓ２を電力供給部２０に出力する検出手段である。温度センサ２３および２４としては、強化ガラス表面の温度を計測可能であれば、その形態に限定はない。ガラス表面の温度を計測し電気信号である検出信号を出力するため、温度センサ２３および２４としては、接触式であって電気式の温度検出手段、例えば測温抵抗体（ＲＴＤ）、リニア抵抗器、サーミスタ、熱電対、ＩＣ温度センサ等を適用可能である。強化ガラスの表面に設けた際に光を遮断しないように、温度センサ２３および２４は、小型のものであることが好ましい。
本実施形態４において、電力供給部２０は、温度センサ２３からの検出信号Ｓ１を入力し、強化ガラス３３の表面温度が湿り蒸気ＳＡの温度付近に維持されるように、ラバーヒーター２１に供給する加熱電力Ｄ１を制御する。また電力供給部２０は、温度センサ２４からの検出信号Ｓ２を入力し、強化ガラス３４の表面温度が湿り蒸気ＳＡの温度付近に維持されるように、ラバーヒーター２２に供給する加熱電力Ｄ２を制御するように構成されている。
（作用）
次に本実施形態４の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０は、温度センサ２３からの検出信号Ｓ１に基づいて、ラバーヒーター２１に供給する加熱電力Ｄ１を制御する。また電力供給部２０は、温度センサ２４からの検出信号Ｓ２に基づいて、ラバーヒーター２２に供給する電力Ｄ２を加熱制御する。
次に本実施形態４の作用を説明する。
湿り蒸気ＳＡが湿り蒸気測定用配管３０に供給される際、電力供給部２０は、温度センサ２３からの検出信号Ｓ１に基づいて、ラバーヒーター２１に供給する加熱電力Ｄ１を制御する。また電力供給部２０は、温度センサ２４からの検出信号Ｓ２に基づいて、ラバーヒーター２２に供給する電力Ｄ２を加熱制御する。
例えば、電力供給部２０は、強化ガラスの表面温度が湿り蒸気ＳＡの温度より低い場合、ラバーヒーター２１（２２）の引き出し線２１１および２１２間に予め定めた電圧を印加して電力を供給し、強化ガラスの表面温度が湿り蒸気ＳＡの温度に達した時に、上記電力の供給を停止する。
変形例として、電力供給部２０は、ラバーヒーター２１（２２）に供給する加熱電力を段階的に、または、漸次的に変化させてもよい。例えば、電力供給部２０は、強化ガラスの表面温度と湿り蒸気ＳＡの温度との乖離の大きさに応じて、ラバーヒーター２１（２２）の引き出し線２１１および２１２間に印加する電圧を段階的に、または、漸次的に小さくしていき、供給する加熱電力を段階的に、または、漸次的に減少させるように制御してもよい。このように発熱部に供給する電力を段階的に、または、漸次的に減少させていくことで、強化ガラスを加熱し過ぎて、乾き度の測定値が不正確になることを防止可能である。
（効果）
以上説明した実施形態４によれば、電力供給部２０が温度センサ２３（２４）の検出信号Ｓ１（Ｓ２）に基づいてラバーヒーター２１（２２）に供給する電力を制御するので、入射開口Ａ１付近で失われる熱量を補うために必要十分な電力を供給させることが可能である。
以上説明した実施形態４によれば、電力供給部２０が温度センサ２３（２４）の検出信号Ｓ１（Ｓ２）に基づいてラバーヒーター２１（２２）に供給する電力を制御するので、入射開口Ａ１付近で失われる熱量を補うために必要十分な電力を供給させることが可能である。
特に本実施形態４によれば、加熱温度が湿り蒸気ＳＡの温度より高くなることを抑制するので、過熱の影響で乾き度の測定値が不正確になることを防止可能である。
（その他の変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。
（１）例えば、上記実施形態１および実施形態４では、入射開口Ａ１側の入射側筒３１と射出開口Ａ２側の射出側筒３２の双方に発熱部としてラバーヒーター２１（２２）を設けたが、どちらかの開口における熱損失が少ない構造の場合には、熱損失の少ない開口側における発熱部を省略してもよい。
（２）上記実施形態２および上記実施形態３では、入射開口Ａ１側の発熱部の構造のみを記載したが、射出開口Ａ２側からの熱損失が大きい場合には発熱部を設けることができ、熱損失が小さい場合には発熱部を省略してもよい。
（３）上記実施形態では、乾き度測定装置の具体的な乾き度測定方法の一例を示したが、上記に限定されず、種々の乾き度測定方法を適用可能である。乾き度の測定時に、配管３０内部の圧力または／および温度を測定し、湿り蒸気ＳＡを透過した光の強度等のみならず、湿り蒸気の圧力や温度の関数として演算して特定することも可能である。
（４）上記実施形態では、湿り蒸気ＳＡを透過する光の強度または光の強度に関連する物理量に基づいて乾き度を演算していたが、湿り蒸気ＳＡにより反射される光の強度または光の強度に関連する物理量に基づいて乾き度を演算するように構成してもよい。湿り蒸気を透過する光の強度等は湿り蒸気により反射される光の強度等と相関関係があるため、所定の換算演算により、本願発明を湿り蒸気により反射される光の強度等に基づく乾き度特性に適用することが可能である。湿り蒸気で反射される光に基づいて乾き度を演算する構成とする場合、光入射部と受光部とを同じ開口に設け、配管からの熱損失自体を少なくしたり、本願発明の発熱部を共有の開口付近に一ヵ所だけ設けてコストを低減したりすることが可能である。
本発明の乾き度測定装置は、重厚長大産業分野に適用することが可能である。この分野においては、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正確に測定することで、負荷に応じたタービン入口の流量制御が可能であり、熱量ロスを軽減することができる。
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 湿り蒸気測定装置
１１、１１ｂ 光入射部
１２ 受光部
１３ 乾き度特定部
２０ 電力供給部
２１、２２、２１ｂ ラバーヒーター
２１ｃ 透明フィルムヒーター
２３、２４ 温度センサ
３０ 湿り蒸気用配管（パイプ）
３１ 入射側筒
３２ 射出側筒
３１ｆ、３２ｆ フランジ
３３、３４ 強化ガラス
１１０ 光ファイバヘッド
１１１ 集光レンズ
１１２ 光ファイバケーブル
１１３ 発光部
１１４ 発光電力供給部
２１０ ラバーシート
２１１、２１２ 引き出し線
２１３ 発熱体
２１４、２１５ 面ファスナー
Ａ１ 入射開口
Ａ２ 射出開口
ＳＡ 湿り蒸気
Ｄ１、Ｄ２ 供給電力
Ｓ１、Ｓ２、Ｓｄ 検出信号
１１、１１ｂ 光入射部
１２ 受光部
１３ 乾き度特定部
２０ 電力供給部
２１、２２、２１ｂ ラバーヒーター
２１ｃ 透明フィルムヒーター
２３、２４ 温度センサ
３０ 湿り蒸気用配管（パイプ）
３１ 入射側筒
３２ 射出側筒
３１ｆ、３２ｆ フランジ
３３、３４ 強化ガラス
１１０ 光ファイバヘッド
１１１ 集光レンズ
１１２ 光ファイバケーブル
１１３ 発光部
１１４ 発光電力供給部
２１０ ラバーシート
２１１、２１２ 引き出し線
２１３ 発熱体
２１４、２１５ 面ファスナー
Ａ１ 入射開口
Ａ２ 射出開口
ＳＡ 湿り蒸気
Ｄ１、Ｄ２ 供給電力
Ｓ１、Ｓ２、Ｓｄ 検出信号
Claims (8)
- 測定対象の湿り蒸気が流れる配管に設けられた入射開口から光を入射させる光入射部と、
前記配管に設けられた射出開口から前記湿り蒸気を透過または反射した光を受けて検出信号を出力する受光部と、
前記検出信号を参照して前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、
前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の熱損失を補償する熱損失補償装置と、を備える、
乾き度測定装置。 - 前記熱損失補償装置は、発熱部と電力供給部とを有し、
前記電力供給部は、前記発熱部に前記熱損失を補償する熱を発生させうる電力を供給する、
請求項１に記載の乾き度測定装置。 - 前記発熱部は、電熱線が敷設されたラバーヒーターである、
請求項２に記載の乾き度測定装置。 - 前記ラバーヒーターは、前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の周囲に設けられる、
請求項３に記載の乾き度測定装置。 - 前記ラバーヒーターは、前記光入射部および前記受光部の少なくとも一方の周囲に設けられる、
請求項３または４に記載の乾き度測定装置。 - 前記発熱部は、透明導電膜であり、
前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の開口面に設けられる、
請求項２に記載の乾き度測定装置。 - 前記入射開口および前記射出開口の少なくとも一方の開口面に温度センサを備え、
前記電力供給部は、前記温度センサの検出信号に基づいて前記開口面の温度が前記湿り蒸気の温度以上となるように前記発熱部に電力を供給する、
請求項２〜６のいずれか1項に記載の乾き度測定装置。 - 測定対象の湿り蒸気が流れる配管であって、
光を入射させる入射窓と、
前記湿り蒸気を透過または反射した光を射出させる射出窓と、
前記検出信号を参照して前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、
前記入射窓および前記射出窓の少なくとも一方において生ずる熱損失を補償する熱損失補償装置と、を備える、
湿り蒸気用配管。
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