JP2015127649A - 乾き度測定装置及び乾き度測定方法 - Google Patents

乾き度測定装置及び乾き度測定方法 Download PDF

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康博 五所尾
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志功 田邉
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Abstract

【課題】複数の発光体から照射された光を集光し、大きさが限定的である、導光部の一方の端面に適切に入射させ、配管内の測定対象の湿り蒸気に適切に照射させ、湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定することにより、正確な乾き度を測定することができる乾き度測定装置及び乾き度測定方法を提供する。【解決手段】本発明に係る乾き度測定装置は、測定対象の湿り蒸気を透過または反射した複数の光の強度または吸光度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置であって、各々が光を発する、複数の発光体を有する発光体アレイと、前記複数の発光体の各々により発せられた複数の光を集光する集光部と、集光された前記複数の光を入射する第1端面と入射された前記複数の光を前記湿り蒸気に対して射出する第2端面とを有する第1導光部と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、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: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。
たとえば、特許文献1記載の発明は、乾き度を高速に測定するため、(a)湿り蒸気に光を照射する発光体と、(b)湿り蒸気を透過した光を受光する受光素子と、(c)湿り蒸気の温度又は圧力を測定する環境センサと、(d)湿り蒸気を透過した光の強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係を、温度又は圧力毎に保存する関係記憶部と、(e)受光素子による光の強度の測定値と、環境センサによる温度又は圧力の測定値と前記関係とに基づき、湿り蒸気の乾き度の値を特定する乾き度特定部とを備える乾き度測定装置に関する。
上記特許文献1に記載された発明では、一つの発光体から複数の波長を有する光を照射し、照射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ことが開示されている。
特開2013−092457号公報
しかしながら、複数の発光体から照射された光を、導光路を用いず同一の光路に合せることは難しく、また、大きさが限定的である、光ファイバなどの導光部の一方の端面に適切に入射させ、配管内の測定対象の湿り蒸気に適切に照射させることが難しく、正確な乾き度を測定することが困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、正確な乾き度を測定することができる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。
上記課題を解決するために、本発明に係る乾き度測定装置は、測定対象の湿り蒸気を透過または反射した複数の光の強度または吸光度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置であって、各々が光を発する、複数の発光体を有する発光体アレイと、前記複数の発光体の各々により発せられた複数の光を集光する集光部と、集光された前記複数の光を入射する第1端面と入射された前記複数の光を前記湿り蒸気に対して射出する第2端面とを有する第1導光部と、を備える。
また、上記課題を解決するために、本発明に係る乾き度測定方法は、測定対象の湿り蒸気を透過または反射した複数の光の強度または吸光度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定方法であって、複数の光を集光することと、集光された前記複数の光を入射し、入射された前記複数の光を前記湿り蒸気に対して射出することと、を含む。
本発明によれば、複数の発光体から照射された光を集光し、大きさが限定的である、導光部の一方の端面に適切に入射させ、配管内の測定対象の湿り蒸気に適切に照射させ、湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定することにより、正確な乾き度を測定することができる。
本発明の実施形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の実施形態に係る光入射部の模式図である。 本発明の実施形態に係る発光体から発せられる光が入射側光通過部に投射される場合の条件について説明した図である。 本発明の実施形態に係る受光部の模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。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。
「飽和蒸気」:湿り蒸気の気相部分をいう。乾き飽和蒸気(飽和乾き蒸気)ともいう。
「飽和水」:湿り蒸気の液相部分をいう。
「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。
「吸光度」:光が湿り蒸気中を通過した際に光の強度がどの程度弱まるかを示す無次元量であり、光学密度ともいう。吸光度といっても光の吸収のみならず、散乱や反射により光の強度が弱まる場合も含む。
(構成)
図1に、本実施形態における乾き度測定装置1の構成を示す。図1に示すように、本実施形態に係る乾き度測定装置1は、例示的に、光入射部11、受光部13、入射側導光部21(第1導光部)、射出側導光部22(第2導光部)、入射側コリメータレンズ42(第1光集束部)、射出側コリメータレンズ44(第2光集束部)、及びコンピュータ装置100を備えて構成される。また、コンピュータ装置100は、機能ブロックとして、乾き度測定部200を備えて構成される。
図2に、本実施形態に係る光入射部11の構成を示す。図2に示すように、光入射部11は、例示的に、発光体支持部30、発光体32a、32b、及び32c、並びに集光レンズ40(集光部)を備えて構成される。
図2に示す発光体32a、32b、及び32cは、各々が単一の波長を有する光を発する発光手段である。たとえば、発光体32a、32b、及び32cは発光ダイオードで構成されており、発光体32aは湿り蒸気の液相部分には吸収されず、気相部分に吸収されるような波長を有する光を発し、発光体32bは湿り蒸気の気相部分には吸収されず、液相部分に吸収されるような波長を有する光を発し、発光体32cは湿り蒸気の気相部分及び液相部分に吸収されないような波長を有する光(参照用)を発するように構成されている。
また、湿り蒸気の気相部分には吸収されず、液相部分に吸収されるような光の波長は、クラスタ(水素結合を介して結合する水分子同士の結合体)における水分子同士が形成した水素結合の数と相関するよう、設定される。例えば、発光体32a、32b、及び32cのいずれか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1880nmであってもよく、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であってもよい。ただし、発光体32a、32b、及び32cのいずれか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。例えば、発光体32a、32b、及び32cのいずれかが発する光の波長は、1880乃至1910nmの間であってもよい。
なお、発光体32a、32b、及び32cとしては、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。
また、発光体32a、32b、及び32cのそれぞれは同一種類のものである必要はなく、発光体32aは発光ダイオード、発光体32bはスーパールミネッセントダイオード、発光体32aは電球というように構成することも可能である。
図2に示す集光レンズ40は、発光体32a、32b、及び32cから発せられた光を適切に入射側導光部21に導くように集光する手段である。具体的に、集光レンズ40は、光経路Laに示すように、発光体32aから発せられる光を入射側導光部21の入射開口A1に導き、光経路Lbに示すように、発光体32bから発せられる光を入射側導光部21の入射開口A1に導き、光経路Lcに示すように、発光体32cから発せられる光を入射側導光部21の入射開口A1に導く。このように、集光レンズ40により、入射側導光部21の端面(入射開口A1)は大きさが制限されている(例えば、数μm)にも関わらず、発光体32a、32b、及び32cから発せられた光を適切に入射側導光部21に導くことができる。
なお、集光レンズ40は、光を集光する機能を有していれば特に制限はなく、例えば、凸型形状、ドーム型形状、円形形状のレンズ等も使用可能である。
図3に、本発明の実施形態に係る発光体32a、32b、及び32cから発せられる光が入射側導光部21に投射される場合の条件について説明した図を示す。図3に示すように、発光体32から発せられる光経路Lの光が集光レンズ40により集光されて入射側導光部21に導かれている。また、図3に示すように、例えば、物体(発光体32)が焦点Fの外側に設置されている場合は、物面から主点Oまでの距離f1、主点Oから像面までの距離f2、物体高a、及び像高bの関係は、以下のような関係式(1)で示すことができる。

(a/f1)=(b/f2) …(1)

さらに、図3に示すように、発光体32から発せられる光経路Lの光が集光レンズ40により集光されて、適切に入射側導光部21に導かれるためには、物面から主点Oまでの距離f1、主点Oから像面までの距離f2、物体高a、像高b、及び入射側導光部21の半径Xが以下のような関係であるとよい。すなわち、像高bが入射側導光部21の半径Xと同じか、より小さいという関係であると、発光体32から発せられる光がより適切に入射側導光部21に導かれる。ここで、上記関係は、以下のような関係式(2)で定義される。

X≧b=(a/f1)・f2 …(2)

したがって、上記関係式(2)を満たすように、発光体32a、32b、及び32cは設置される。
なお、上記関係式(2)で示される、発光体32a、32b、及び32cから発せられる光がより適切に入射側導光部21に導かれるための関係は、あくまで一例であって、発光体32a、32b、及び32cから発せられる光が適切に入射側導光部21に導かれるような関係であれば特に制限はなく、上記で説明したこれらの関係を満たすように、発光体32a、32b、及び32cを設置することができる。
図1に戻り、配管20は、測定対象となる湿り蒸気が流通する配管である。入射側コリメータレンズ42は、入射側導光部21と接続されている。また、入射側コリメータレンズ42は、入射側導光部21を伝播した複数の光について、複数の光が発散するのを防止し、複数の光が測定対象の湿り蒸気が流れる配管20に適切に入射するために、複数の光を平行光になるように集束させる。また、透過型のガラス窓50は、入射側コリメータレンズ42により集束された複数の光を光経路Lに沿って配管20内に射出する入射窓である。
射出側コリメータレンズ44は、配管20内部の湿り蒸気を透過又は反射した複数の光が、配管20に設置されている透過型のガラス窓52を介して照射される際に、該複数の光が発散しないように集束させる。
なお、入射側コリメータレンズ42及び射出側コリメータレンズ44は、複数の光を集束させ、平行光となるようにできるものであれば、特に制限はなく、平行光を得られるように収差補正されたあらゆるレンズを使用可能である。
射出側導光部22は、射出側コリメータレンズ44と接続されている。また、射出側導光部22は、射出側コリメータレンズ44により集束された複数の光を伝播させ、光経路Lに沿って受光部13に進入させることが可能なように構成されている。また、射出側導光部22の端部は、配管20の径方向での入射側導光部21の端部と対向している。
なお、入射側導光部21及び射出側導光部22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、複数の光を同一光路で伝搬可能であれば、これに限定されない。また、複数の光を完全同一光路で伝搬可能でなければいけないわけではなく、湿り蒸気の乾き度を正確に測定するために、湿り蒸気を透過又は反射した複数の光の強度又は吸光度を正確に計測できる程度に同一光路であればよい。
図4に、本発明の実施形態に係る受光部13の構成を示す。図4に示すように、受光部13は、機能ブロックとして、計測部60及び信号生成部62を備えて構成される。
計測部60は、配管20内の湿り蒸気を透過又は反射した光を受けて、光の強度I及び/又は吸光度Aを計測する計測手段である。たとえば、計測部60としては、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。
信号生成部62は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度I又は吸光度Aに応じた信号を生成する手段である。具体的には、信号生成部62は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度Iに応じた光強度信号Sdを生成し、コンピュータ装置100に出力する。また、受光部13として、分光光度計などの光の強度及び/又は吸光度に対応する出力が得られる光学的計測機器を適用することも可能である。この場合、信号生成部62は、湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度に応じた吸光度信号Saを生成し、コンピュータ装置100に出力する。
具体的に、分光光度計は、湿り蒸気を透過又は反射する光の強度Iに基づいて、吸光度Aを演算し、吸光度信号Saとして出力する。ここで、吸光度Aは、入射光強度をI0、受光した光の強度をIとすると、式(3)のように定義される。

吸光度A=−log10(I/I0) …(3)

以上より、入射光強度をI0及び湿り蒸気を透過する光の強度Iを計測できれば、一義的に吸光度Aが特定される。
なお、コンピュータ装置100が光強度信号Sdを入力し、式(3)に基づいて吸光度Aを計算するように構成してもよい。
図1に戻り、上述した構成要素のうち、乾き度測定部200は、所定のソフトウェアプログラムをコンピュータ装置100が実行することにより機能的に実現される機能ブロックである。また、コンピュータ装置100には、関係記憶部(不図示)を含むデータ記憶装置(不図示)が接続されている。関係記憶部は、例えば、予め取得された、受光部13による受光強度Iと、湿り蒸気の乾き度と、の関係を記憶する。受光強度I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。
なお、関係記憶部は、受光部13による受光強度(光の強度I)と、湿り蒸気の乾き度と、の関係を、環境センサ(不図示)により検出された湿り蒸気の温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上ごとに記憶するように構成されていてもよい。
受光部13による受光強度Iと、湿り蒸気の乾き度と、の関係は、例えば、ボイラ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I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。
乾き度測定部200は、例えば、受光部13から、配管20内部の湿り蒸気を透過した光の強度Iに応じた光強度信号Sdを受信する。また、乾き度測定部200は、環境センサから、配管20内部の湿り蒸気の温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値を受信する。さらに乾き度測定部200は、関係記憶部から、湿り蒸気の温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値に対応する温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の条件下の、受光部13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、乾き度測定部200は、温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値に一致する温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の条件下の関係が関係記憶部に保存されている場合は、温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値に一致する温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の条件下の関係を関係記憶部から読み出す。また、乾き度測定部200は、例えば、温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値に一致する温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の条件下の関係が関係記憶部に保存されていない場合は、温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値に最も近似する温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の条件下の関係を関係記憶部から読み出す。
乾き度測定部200は、読み出した関係と、受光強度Iの計測値と、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I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、乾き度測定部200は、式の受光強度Iの独立変数に、受光強度Iの計測値を代入して、配管20内部の測定対象の湿り蒸気の乾き度の値を算出する。
なお、関係記憶部は、湿り蒸気による吸光度Aと、湿り蒸気の乾き度と、の関係を保存していてもよい。この場合、乾き度測定部200は、上記の式(3)に示すように、発光体32a、32b、32cの発光強度I0と、受光部13による受光強度Iと、から、測定対象の湿り蒸気による吸光度Aの計測値を算出し、吸光度Aと乾き度の関係と、吸光度A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、配管20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I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、配管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Iと、の相関を保存してもよい。この場合、乾き度測定部200は、関係記憶部から、湿り蒸気の温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値、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Iと、乾き度と、の関係を読み出せばよい。
なお、乾き度測定部200は、光の強度I又は吸収度Aに基づいて乾き度を測定する過程において、飽和蒸気の量や飽和水の量も求めることができるように構成されていてもよい。
(動作)
次に本実施形態の動作を説明する。
まず、図2に示すように、湿り蒸気が配管20の内部を流れている状態で湿り蒸気の乾き度を測定する場合、光入射部11の発光体32a、32b、及び32cは光を発する。次に、光入射部11の集光レンズ40(集光部)は、発せられた複数の光を適切に入射側導光部21に導くように集光する。次に、集光レンズ40により集光された光は、入射側導光部21(第1導光部)により配管20に導光される。
次に、図1に示すように、入射側導光部21を同一光路で導光された複数の光は、入射側コリメータレンズ42(第1光集束部)により平行光になるように集束され、透過型のガラス窓50を介して、配管20に進入する(光経路L)。
次に、配管20に進入した複数の光は、測定対象の湿り蒸気を透過又は反射する。次に、配管20内部の湿り蒸気を透過又は反射した複数の光は、配管20に設置されている透過型のガラス窓52を介して配管20の外に射出される。そして、複数の光が配管20の外側に射出された後、射出側コリメータレンズ44(第2光集束部)により、該複数の光が発散しないように集束される。
次に、射出側導光部22(第2導光部)は、射出側コリメータレンズ44により集束された複数の光を同一光路となるように導光させ、光経路Lに沿って受光部13に進入させる。
次に、図4に示すように、受光部13の計測部60は、配管20内の湿り蒸気を透過又は反射した光を受けて、光の強度I及び/又は吸光度Aを計測する。次に、信号生成部62は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度Iに応じた光強度信号Sdを生成し、また、湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度Aに応じた吸光度信号Saを生成する。
次に、図1に戻り、受光部13は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度Iに対応した光強度信号Sdをコンピュータ装置100に出力する。また、受光部12は、湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度Aに対応した吸光度信号Saをコンピュータ装置100に出力する。
次いで、乾き度測定部200は、温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の検出値に一致(又は近似)する温度、圧力、流速及び流量の群から選ばれる一又は二以上の条件下の受光強度Iと、湿り蒸気の乾き度と、の関係を関係記憶部から読み出す。読み出した関係と、受光強度Iの計測値と、に基づいて、湿り蒸気の乾き度を測定する。
(効果)
以上説明した本実施形態によれば、複数の発光体から照射された光を集光し、大きさが限定的である、導光部の一方の端面に適切に入射させ、配管内の測定対象の湿り蒸気に適切に照射させ、湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定することにより、正確な乾き度を測定することができる。
(他の実施形態)
上記に説明した実施形態は、あくまでも例示であり、上記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して実施することができる。
1 乾き度測定装置
11 光入射部
13 受光部
20 配管
21 入射側導光部
22 射出側導光部
32、32a、32b、32c 発光体
40 集光レンズ
42 入射側コリメータレンズ
44 射出側コリメータレンズ
100 コンピュータ装置
200 乾き度測定部

Claims (4)

  1. 測定対象の湿り蒸気を透過または反射した複数の光の強度または吸光度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置であって、
    各々が光を発する、複数の発光体を有する発光体アレイと、
    前記複数の発光体の各々により発せられた複数の光を集光する集光部と、
    集光された前記複数の光を入射する第1端面と入射された前記複数の光を前記湿り蒸気に対して射出する第2端面とを有する第1導光部と、を備える、
    乾き度測定装置。
  2. 前記第1導光部が射出する前記複数の光を平行光になるように集束させる第1光集束部をさらに備える、
    請求項1に記載の乾き度測定装置。
  3. 湿り蒸気を透過または反射した複数の光を集束させる第2光集束部と、
    前記第2光集束部により集束された前記複数の光を入射する第3端面と入射された前記複数の光を射出する第4端面とを有する第2導光部と、をさらに備える、
    請求項1又は2に記載の乾き度測定装置。
  4. 測定対象の湿り蒸気を透過または反射した複数の光の強度または吸光度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定方法であって、
    複数の光を集光することと、
    集光された前記複数の光を入射し、入射された前記複数の光を前記湿り蒸気に対して射出することと、を含む、
    乾き度測定方法。
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