JP2016151571A - 乾き度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾き度を正確に測定可能な乾き度測定装置を提供する。【解決手段】飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光素子１１と、検査光発光素子１１に対向して配置された、検査光を伝搬する測定用検査光ファイバ３０、及び検査光を伝搬するモニタ用検査光ファイバ４０を含む検査光用バンドルファイバ３５と、内部に湿り蒸気を流す検査管であって、測定用検査光ファイバ３０を通過した検査光が通過する検査管２１と、検査管２１を通過した検査光を受光する測定用受光素子１２と、モニタ用検査光ファイバ４０を通過した検査光を受光するモニタ用受光素子１３と、を備え、検査光用バンドルファイバの端部において、測定用検査光ファイバ３０の端部が、モニタ用検査光ファイバ４０の端部よりも、強い検査光を受光する、乾き度測定装置。【選択図】図１

Description

本発明は測定技術に係り、乾き度測定装置に関する。

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質量比を、「乾き度」という。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。

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。しかし、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る。これに対し、特許文献２は、光学的に乾き度を測定する技術を開示している。

特開平８−３１２９０８号公報 特開２０１３−９２４５７号公報

従来の乾き度測定装置のさらなる改良が望まれている。そこで、本発明は、乾き度を正確に測定可能な乾き度測定装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様は、（ａ）飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光素子と、（ｂ）検査光発光素子に対向して配置された、検査光を伝搬する測定用検査光ファイバ、及び検査光を伝搬するモニタ用検査光ファイバを含む検査光用バンドルファイバと、（ｃ）内部に湿り蒸気を流す検査管であって、測定用検査光ファイバを通過した検査光が通過する検査管と、（ｄ）検査管を通過した検査光を受光する測定用受光素子と、（ｅ）測定用受光素子が受光した検査光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、（ｆ）モニタ用検査光ファイバを通過した検査光を受光するモニタ用受光素子と、を備え、（ｇ）検査光用バンドルファイバの端部において、測定用検査光ファイバの端部が、モニタ用検査光ファイバの端部よりも、強い検査光を受光する、乾き度測定装置である。

上記の乾き度測定装置の検査光用バンドルファイバの端部において、測定用検査光ファイバの端部が中心に位置していてもよい。検査光用バンドルファイバの端部において、モニタ用検査光ファイバの端部が測定用検査光ファイバの端部に隣接していてもよい。

上記の乾き度測定装置において、モニタ用受光素子で受光される検査光が、検査管を通過していなくてもよい。上記の乾き度測定装置が、モニタ用受光素子で受光した検査光の光強度をモニタするモニタ部をさらに備えていてもよい。モニタ用受光素子で受光した検査光の光強度が変動した場合、モニタ部が警告を発してもよい。

上記の乾き度測定装置が、（ｇ）検査光と比較して飽和液で吸収されにくい参照光を発する参照光発光素子と、（ｈ）参照光発光素子に対向して配置された、参照光を伝搬する測定用参照光ファイバ、及び参照光を伝搬するモニタ用参照光ファイバを含む参照光用バンドルファイバと、をさらに備え、（ｉ）測定用検査光ファイバを通過した検査光、及び測定用参照光ファイバを通過した参照光が検査管を通過し、（ｊ）測定用受光素子が、検査管を通過した検査光及び参照光を受光し、（ｋ）モニタ用受光素子が、モニタ用検査光ファイバを通過した検査光、及びモニタ用参照光ファイバを通過した参照光を受光し、（ｉ）参照光用バンドルファイバの端部において、測定用参照光ファイバの端部が、モニタ用参照光ファイバの端部よりも、強い参照光を受光してもよい。

上記の乾き度測定装置の参照光用バンドルファイバの端部において、測定用参照光ファイバの端部が中心に位置していてもよい。参照光用バンドルファイバの端部において、モニタ用参照光ファイバの端部が測定用参照光ファイバの端部に隣接していてもよい。

上記の乾き度測定装置において、モニタ用受光素子で受光される参照光が、検査管を通過していなくてもよい。上記の乾き度測定装置が、モニタ用受光素子で受光した検査光及び参照光の光強度をモニタするモニタ部をさらに備えていてもよい。モニタ用受光素子で受光した検査光及び参照光の少なくとも一方の光強度が変動した場合、モニタ部が警告を発してもよい。

上記の乾き度測定装置において、乾き度特定部が、測定用受光素子で受光した参照光の光強度に基づき、測定用受光素子で受光した検査光の光強度を補正してもよい。

上記の乾き度測定装置において、乾き度特定部が、測定用受光素子で受光した検査光の光強度、測定用受光素子で受光した参照光の光強度、モニタ用受光素子で受光した検査光の光強度、及びモニタ用受光素子で受光した参照光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定してもよい。

上記の乾き度測定装置が、測定用検査光ファイバを通過した検査光、及び測定用参照光ファイバを通過した参照光を合波する測定用合波器と、測定用合波器で合波された検査光及び参照光が伝播する測定用合波光ファイバと、をさらに備え、測定用合波光ファイバを通過した検査光及び参照光が検査管を通過してもよい。測定用合波光ファイバが、シングルコア光ファイバであってもよい。

上記の乾き度測定装置が、モニタ用検査光ファイバを通過した検査光、及びモニタ用参照光ファイバを通過した参照光を合波するモニタ用合波器と、モニタ用合波器で合波された検査光及び参照光が伝播するモニタ用合波光ファイバと、をさらに備え、モニタ用合波光ファイバを通過した検査光及び参照光がモニタ用受光素子で受光されてもよい。モニタ用合波光ファイバが、シングルコア光ファイバであってもよい。

上記の乾き度測定装置において、乾き度特定部が、湿り蒸気の吸光度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定してもよい。

本発明によれば、乾き度を正確に測定可能な乾き度測定装置を提供可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第１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。 本発明の第１の実施の形態に係る飽和蒸気と飽和液の吸光スペクトルを示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る飽和蒸気と飽和液の吸光スペクトルと、乾き度の関係と、を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る検査光用バンドルファイバの模式的端面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る飽和蒸気と飽和液の吸光スペクトルと、乾き度の関係と、を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る参照光用バンドルファイバの模式的端面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る乾き度測定装置の模式図である。

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。

（第１の実施の形態）
本発明の第１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、飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光素子１１と、検査光発光素子１１に対向して配置された、検査光を伝搬する測定用検査光ファイバ３０、及び検査光を伝搬するモニタ用検査光ファイバ４０を含む検査光用バンドルファイバ３５と、内部に湿り蒸気を流す検査管であって、測定用検査光ファイバ３０を通過した検査光が通過する検査管２１と、検査管２１を通過した検査光を受光する測定用受光素子１２と、モニタ用検査光ファイバ４０を通過した検査光を受光するモニタ用受光素子１３と、を備える。

第１の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査光用バンドルファイバ３５の端部において、測定用検査光ファイバ３０の端部が、モニタ用検査光ファイバ４０の端部よりも、強い検査光を受光する。

第１の実施の形態に係る乾き度測定装置は、さらに、測定用受光素子が受光した検査光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部３０１と、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度をモニタするモニタ部３０２と、をさらに備える。乾き度特定部３０１及びモニタ部３０２は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００に含まれている。

検査管２１には、飽和蒸気と、飽和液と、が合わさった湿り蒸気が通過しうる。図２に示すように、標準大気圧下においては、水は沸点（１００℃）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。圧力が一定の場合、湿り蒸気は加熱及び冷却により潜熱が変化するため、飽和温度は一定となる。ここで、下記（１）式で与えられるように、湿り蒸気全量に対する、飽和蒸気の質量比を、「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。
z=m_vapor/(m_vapor+m_water) (1)
ｚは乾き度、ｍ_vaporは飽和蒸気の質量、ｍ_waterは飽和液の質量を表す。

ここで、飽和蒸気の質量は、飽和蒸気の吸光度に比例する。また、飽和液の質量は、飽和液の吸光度に比例する。そのため、上記（１）式から下記（２）式が導かれる。
z=m_vapor/(m_vapor+m_water)
=a_vapor/(a_vapor+k×a_water) (2)
ａ_vaporは飽和蒸気の吸光度、ａ_waterは飽和液の吸光度、ｋは下記（３）式で与えられるモル吸光係数比を表す。
k=e_vapor/e_water (3)
ｅ_vaporは飽和蒸気の吸光係数、ｅ_waterは飽和液の吸光係数を表す。

湿り蒸気の吸光度Ａ_sは、下記（４）式で与えられるように、飽和蒸気の吸光度と、飽和液の吸光度と、の和で与えられる。
A_s=a_vapor+a_water (4)
また、湿り蒸気の吸光度は、下記（５）式で与えられるように、湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の光の光強度に対する、湿り蒸気を透過した後の光の光強度の比の対数で与えられる。
A_s=-ln(I_steam1/I_steam0) (5)
Ｉ_steam0は湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の光の光強度、Ｉ_steam1は湿り蒸気を透過した後の光の光強度を表す。

図３に示すように、飽和蒸気と飽和液の吸収スペクトルは異なり、乾き度が変化すると、飽和液の吸収スペクトルが変化する。例えば、乾き度が０から１に向かって変化するにつれて湿り蒸気における飽和液の含有量は減少するので、図４に示すように、飽和液の吸収スペクトルのピーク波長における湿り蒸気の吸光度Ａ_sも減少する。飽和液の吸収スペクトルのピークにおける波長は、１８８０ｎｍ付近である。なお、湿り蒸気においては、飽和蒸気の体積が飽和液の体積より非常に大きいため、圧力が一定であれば、飽和蒸気の吸光度は一定とみなすことができる。

湿り蒸気の乾き度は、上記（２）式、（４）式及び（５）式から導かれる下記（６）式でも与えられる。
z=1/(1-k+(k/a_vapor)×A_S) (6)
モル吸光係数比ｋは定数である。上述したように、飽和蒸気の吸光度ａ_vaporは一定圧力下では一定とみなせるため、飽和蒸気の吸光度ａ_vaporは湿り蒸気の圧力から導くことができる。そのため、湿り蒸気の吸光度Ａ_Sを測定することにより、（６）式から湿り蒸気の乾き度ｚを算出することが可能である。

図１に示す検査光発光素子１１は、飽和液によって吸収される波長帯域を含む検査光を発する。検査光は、例えば、波長領域８００ないし２５００ｎｍの近赤外光である。図４に示すように、検査光は、飽和液の吸収スペクトルのピーク波長を中心波長としてもよい。当該波長領域において、飽和蒸気と飽和液の吸収スペクトルは重なりあっている。図１に示す検査光発光素子１１には、発光ダイオード等が使用可能である。

検査光発光素子１１に対向して、検査光を伝搬する測定用検査光ファイバ３０と、検査光を伝搬するモニタ用検査光ファイバ４０と、が配置されている。少なくとも検査光発光素子１１に対向する側において、測定用検査光ファイバ３０と、モニタ用検査光ファイバ４０とは、バンドルされて、検査光用バンドルファイバ３５を構成している。図５に示すように、検査光用バンドルファイバ３５において、測定用検査光ファイバ３０の側面と、モニタ用検査光ファイバ４０の側面とは、樹脂５０で覆われている。

検査光用バンドルファイバ３５の端部において、測定用検査光ファイバ３０の端部は、例えば、図１に示す検査光発光素子１１から発せられた検査光の光軸上に位置している。あるいは、検査光用バンドルファイバ３５の端部において、測定用検査光ファイバ３０の端部は、モニタ用検査光ファイバ４０の端部よりも、検査光発光素子１１から発せられた検査光の光軸近くに位置している。なお、検査光の進行方向に対して垂直方向において、検査光の光強度は、光軸上において最も強くなる。

断面形状が円である検査光用バンドルファイバ３５の端部において、測定用検査光ファイバ３０の端部が検査光用バンドルファイバ３５の中心に位置していてもよい。これにより、検査光用バンドルファイバ３５の中心が検査光の光軸と交わるよう検査光用バンドルファイバ３５を配置すれば、測定用検査光ファイバ３０が検査光の光軸と交わる。検査光用バンドルファイバ３５の端部において、モニタ用検査光ファイバ４０の端部は、測定用検査光ファイバ３０の端部に隣接している。ただし、検査光用バンドルファイバ３５の端部において、測定用検査光ファイバ３０の端部が、モニタ用検査光ファイバ４０の端部よりも、強い検査光を受光する範囲内において、これらの配置は任意である。

例えば、検査管２１の側壁には、光透過性の窓１２１Ａ、１２１Ｂが設けられている。検査管２１に設けられた窓１２１Ａと、窓１２１Ｂと、は、対向している。窓１２１Ａ、１２１Ｂは、例えば耐熱ガラスからなる。窓１２１Ａ、１２１Ｂが設けられた耐熱性の検査管２１は、例えば、サイトグラスである。測定用検査光ファイバ３０は、例えば、検査管２１に設けられた窓１２１Ａの外面に接続されている。測定用検査光ファイバ３０の端部と、窓１２１Ａの外面の間に、コリメータレンズを配置してもよい。

測定用検査光ファイバ３０の端部から発せられた検査光は、検査管２１の内部において、湿り蒸気に含まれる飽和液によって吸収される。上述したように、湿り蒸気に含まれる飽和液は、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、検査管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、検査光に対する湿り蒸気の吸光度は低下する傾向にある。

検査管２１の窓１２１Ｂの外面には、検査管２１の内部を通過した検査光が進入する受光用合波光ファイバ５１が接続されている。受光用合波光ファイバ５１の端部は、測定用検査光ファイバ３０の端部と対向している。窓１２１Ｂの外面と、受光用合波光ファイバ５１の端部の間に、受光用合波光ファイバ５１に検査光を入射させるレンズを配置してもよい。受光用合波光ファイバ５１は、検査管２１の内部を透過した検査光を、測定用受光素子１２に導く。測定用受光素子１２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。

モニタ用検査光ファイバ４０は、検査光をモニタ用受光素子１３に導く。モニタ用受光素子１３で受光される検査光は、検査管２１を通過していない。モニタ用受光素子１３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。

測定用検査光ファイバ３０、モニタ用検査光ファイバ４０、及び受光用合波光ファイバ５１には、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））等のプラスチックからなるシングルコア光ファイバ、及び石英ガラス等のガラスからなるシングルコア光ファイバ等が使用可能であるが、検査光を伝搬可能であれば、これらに限定されない。

第１の実施の形態に係る乾き度測定装置は、検査管２１内の湿り蒸気の圧力を測定する圧力センサ１６をさらに備えていてもよい。ただし、圧力の情報は、検査管２１の上流や下流から得てもよい。

測定用受光素子１２、モニタ用受光素子１３、及び圧力センサ１６は、ＣＰＵ３００に接続されている。ＣＰＵ３００には、関係記憶装置４００が接続されている。関係記憶装置４００は、例えば、上記（６）式のような、湿り蒸気の吸光度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係式を保存する。

ＣＰＵ３００に含まれる乾き度特定部３０１は、測定用受光素子１２から、検査管２１の内部の湿り蒸気を透過した検査光の光強度の測定値を受信する。乾き度特定部３０１は、測定用受光素子１２が受光した検査光の光強度Ｉ_steam1に基づき、例えば上記（５）式に従って、検査管２１内の湿り蒸気の吸光度Ａ_Sを特定する。なお、湿り蒸気を透過する前、あるいは検査管２１内に湿り蒸気が存在しない場合の検査光の光強度Ｉ_steam0は、予め測定した値を定数として用いてもよい。

また、乾き度特定部３０１は、圧力センサ１６から、検査管２１内の湿り蒸気の圧力の測定値を受信する。乾き度特定部３０１は、圧力センサ１６から受信した検査管２１内の湿り蒸気の圧力の測定値に基づき、圧力に依存する飽和蒸気の吸光度ａ_vaporを算出する。さらに、乾き度特定部３０１は、例えば上記（６）式に、検査管２１の内部における湿り蒸気の吸光度Ａ_Sの値と、飽和蒸気の吸光度ａ_vaporの値と、を代入し、検査管２１内の湿り蒸気の乾き度ｚを算出する。ただし、圧力が一定であれば、飽和蒸気の吸光度ａ_vaporは一定であるとみなせるため、検査管２１内の圧力が一定であれば、飽和蒸気の吸光度ａ_vaporに定数を用いてもよい。この場合、第１の実施の形態に係る乾き度測定装置は、圧力センサ１６を備えていなくてもよい。

モニタ部３０２は、例えば、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度が変動した場合、警告を発する。

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。関係記憶装置４００に保存される関係式は、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、乾き度特定部３０１が特定した検査管２１内部の湿り蒸気の乾き度の値を出力する。また、出力装置３２２は、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度が変動した旨の警告を出力する。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。

検査光発光素子１１が発する検査光の光強度が、検査管２１内部の乾き度とは無関係に、検査光発光素子１１の周囲環境の変化や、検査光発光素子１１の経時劣化によって変化した場合、乾き度を正確に測定できない場合が生じうる。

これに対し、第１の実施の形態に係る乾き度測定装置は、検査管２１を通過していない検査光の光強度をモニタ用受光素子１３で受光することにより、検査管２１内部の乾き度とは無関係に、検査光の光強度が変化しているか否かを確認することが可能となる。また、例えば、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度から、検査光発光素子１１の寿命を予測したり、故障を検知したりすることも可能となる。

さらに、第１の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査光用バンドルファイバ３５の端部においては、測定用検査光ファイバ３０の端部が、モニタ用検査光ファイバ４０の端部よりも、強い検査光を受光する。そのため、検査管２１に透過させる検査光の強度を、検査管２１に透過させないモニタ用の検査光の強度よりも強くすることが可能となる。これにより、高い精度で検査管２１内部の吸光度を測定しつつ、省電力で検査管２１を透過しない検査光の強度をモニタすることが可能となる。

（第１の実施の形態の変形例）
図１に示す乾き度特定部３０１は、測定用受光素子１２で受光した検査光の光強度、及びモニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定してもよい。

具体的には、上記（５）式の湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の光の光強度Ｉ_steam0の変数に、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度の値を代入し、湿り蒸気を透過した後の光の光強度Ｉ_steam1の変数に、測定用受光素子１２で受光した検査光の光強度の値を代入してもよい。

これにより、検査管２１内部の乾き度とは無関係に、検査光の光強度が変化しても、検査管２１内部の乾き度を正確に測定することが可能となる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る乾き度測定装置は、図６に示すように、検査光と比較して飽和液で吸収されにくい参照光を発する参照光発光素子１１１と、参照光発光素子１１１に対向して配置された、参照光を伝搬する測定用参照光ファイバ１３０、及び参照光を伝搬するモニタ用参照光ファイバ１４０を含む参照光用バンドルファイバ１３５と、をさらに備える。

第２の実施の形態に係る乾き度測定装置の参照光用バンドルファイバ１３５の端部において、測定用参照光ファイバ１３０の端部が、モニタ用参照光ファイバ１４０の端部よりも、強い参照光を受光する。

測定用検査光ファイバ３０と測定用参照光ファイバ１３０には、測定用検査光ファイバ３０を通過した検査光、及び測定用参照光ファイバ１３０を通過した参照光を合波する測定用合波器１４が接続されている。測定用合波器１４には、測定用合波器１４で合波された検査光と参照光を、検査管２１の内部に伝搬するための測定用合波光ファイバ３１が接続されている。測定用合波光ファイバ３１は、例えばシングルコア光ファイバである。

第２の実施の形態において、測定用合波光ファイバ３１を通過した検査光及び参照光が検査管２１を通過する。測定用合波光ファイバ３１の端部から発せられた検査光及び参照光の一部は、検査管２１内部の飽和液の層状流又は波状流によって、反射、散乱、及び屈折等されうる。検査管２１の内部における反射、散乱、及び屈折、並びに窓１２１Ａ、１２１Ｂの汚れ等による検査光の損失は、参照光の損失と略同一である。

第２の実施の形態において、測定用受光素子１２は、検査管２１を通過した検査光及び参照光を受光する。

参照光発光素子１１１は、図７に示すように、乾き度の全範囲において、湿り蒸気に吸収されにくい波長帯域の参照光を発する。湿り蒸気に吸収されにくい波長帯域とは、例えば１３００ｎｍ未満である。図６に示す参照光発光素子１１１には、発光ダイオード等が使用可能である。

参照光発光素子１１１に対向して、参照光を伝搬する測定用参照光ファイバ１３０と、参照光を伝搬するモニタ用参照光ファイバ１４０と、が配置されている。少なくとも参照光発光素子１１１に対向する側において、測定用参照光ファイバ１３０と、モニタ用参照光ファイバ１４０とは、バンドルされて、参照光用バンドルファイバ１３５を構成している。図８に示すように、参照光用バンドルファイバ１３５において、測定用参照光ファイバ１３０の側面と、モニタ用参照光ファイバ１４０の側面とは、樹脂１５０で覆われている。

参照光用バンドルファイバ１３５の端部において、測定用参照光ファイバ１３０の端部は、例えば、図６に示す参照光発光素子１１１から発せられた参照光の光軸上に位置している。あるいは、参照光用バンドルファイバ１３５の端部において、測定用参照光ファイバ１３０の端部は、モニタ用参照光ファイバ１４０の端部よりも、参照光発光素子１１１から発せられた参照光の光軸近くに位置している。なお、参照光の進行方向に対して垂直方向において、参照光の光強度は、光軸上において最も強くなる。

断面形状が円である参照光用バンドルファイバ１３５の端部において、測定用参照光ファイバ１３０の端部が参照光用バンドルファイバ１３５の中心に位置していてもよい。これにより、参照光用バンドルファイバ１３５の中心が参照光の光軸と交わるよう参照光用バンドルファイバ１３５を配置すれば、測定用参照光ファイバ１３０が参照光の光軸と交わる。参照光用バンドルファイバ１３５の端部において、モニタ用参照光ファイバ１４０の端部は、測定用参照光ファイバ１３０の端部に隣接している。ただし、参照光用バンドルファイバ１３５の端部において、測定用参照光ファイバ１３０の端部が、モニタ用参照光ファイバ１４０の端部よりも、強い参照光を受光する範囲内において、これらの配置は任意である。

モニタ用検査光ファイバ４０とモニタ用参照光ファイバ１４０には、モニタ用検査光ファイバ４０を通過した検査光、及びモニタ用参照光ファイバ１４０を通過した参照光を合波するモニタ用合波器１５が接続されている。モニタ用合波器１５には、モニタ用合波器１５で合波された検査光と参照光を、モニタ用受光素子１３に伝搬するためのモニタ用合波光ファイバ４１が接続されている。モニタ用合波光ファイバ４１は、例えばシングルコア光ファイバである。

第２の実施の形態において、モニタ用受光素子１３は、モニタ用合波光ファイバ４１を通過した検査光及び参照光を受光する。モニタ用受光素子１３で受光される検査光及び参照光は、検査管２１を通過していない。

第２の実施の形態に係る乾き度測定装置において、乾き度特定部３０１は、測定用受光素子１２で受光した参照光の光強度に基づき、測定用受光素子１２で受光した検査光の光強度を補正する。例えば、乾き度特定部３０１は、例えば下記（７）式に従って、検査光に対する湿り蒸気の吸光度Ａ_Sから、参照光に対する湿り蒸気の吸光度を引き、検査管２１内部における反射、散乱、及び屈折等、並びに窓１２１Ａ、１２１Ｂの汚れ等による検査光の損失を補正した吸光度Ａ_SCを算出する。
A_SC=A_S-(-ln(I_ref1/I_ref0)) (7)
Ｉ_ref0は湿り蒸気を透過する前、あるいは検査管２１内に湿り蒸気が存在しない場合の参照光の光強度を表し、Ｉ_ref1は湿り蒸気を透過した後の測定用受光素子１２が受光した参照光の光強度を表す。湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の参照光の光強度は、予め測定した値を定数として用いてもよい。

第２の実施の形態において、乾き度特定部３０１は、補正した吸光度Ａ_SCを用いて、乾き度を特定する。

第２の実施の形態において、モニタ部３０２は、モニタ用受光素子１３で受光した検査光及び参照光の光強度をモニタする。また、モニタ部３０２は、モニタ用受光素子１３で受光した検査光及び参照光の少なくとも一方の光強度が変動した場合、警告を発してもよい。

第２の実施の形態に係る乾き度測定装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。

以上説明した第２の実施の形態に係る乾き度測定装置によれば、検査管２１等における検査光の損失が補正されるため、検査管２１の内部の乾き度を正確に測定することが可能である。

また、ここで、参照光発光素子１１１が発する参照光の光強度が、検査管２１内部における損失とは無関係に、参照光発光素子１１１の周囲環境の変化や、参照光発光素子１１１の経時劣化によって変化した場合、乾き度を正確に測定できない場合が生じうる。

これに対し、第２の実施の形態に係る乾き度測定装置は、検査管２１を通過していない参照光の光強度をモニタ用受光素子１３で受光することにより、検査管２１内部における損失とは無関係に、参照光の光強度が変化しているか否かを確認することが可能となる。さらに、例えば、モニタ用受光素子１３で受光した参照光の光強度から、参照光発光素子１１１の寿命を予測したり、故障を検知したりすることも可能となる。

またさらに、第２の実施の形態に係る乾き度測定装置によれば、検査光及び参照光が合波された後、測定用合波光ファイバ３１の端部から検査管２１の内部に照射される。そのため、検査管２１の内部における、検査光の光路と、参照光の光路と、が、ほぼ同じとなる。検査管２１の内部における検査光の光路と、参照光の光路と、が、異なる場合、検査管２１の内部の乾き度を正確に測定できないことがありうる。これに対し、第２の実施の形態に係る乾き度測定装置によれば、検査管２１の内部の乾き度を正確に測定することが可能である。

（第２の実施の形態の変形例）
図６に示す乾き度特定部３０１は、測定用受光素子１２で受光した検査光の光強度、測定用受光素子１２で受光した参照光の光強度、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度の光強度、及びモニタ用受光素子１３で受光した参照光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定してもよい。

具体的には、上記（５）式の湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の光の光強度Ｉ_steam0の変数に、モニタ用受光素子１３で受光した検査光の光強度の値を代入し、湿り蒸気を透過した後の光の光強度Ｉ_steam1の変数に、測定用受光素子１２で受光した検査光の光強度の値を代入してもよい。

また、上記（７）式の湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の参照光の光強度Ｉ_ref0の変数に、モニタ用受光素子１３で受光した参照光の光強度の値を代入し、湿り蒸気を透過した後の参照光の光強度Ｉ_ref1の変数に、測定用受光素子１２で受光した参照光の光強度の値を代入してもよい。

これにより、検査管２１内部の乾き度とは無関係に、検査光の光強度が変化したり、検査管２１内部における損失とは無関係に、参照光の光強度が変化したりしても、検査管２１内部の乾き度を正確に測定することが可能となる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態における乾き度測定装置においては、図９に示すように、測定用合波光ファイバ３１の端部と、受光用合波光ファイバ５１の端部の両方が、検査管２１の一方の側壁に設けられた窓１２１に対して並列に配置されている。また、測定用合波光ファイバ３１の端部及び受光用合波光ファイバ５１の端部と対向する検査管２１内部の側壁に、反射板１３１が配置されている。測定用合波光ファイバ３１の端部から発せられた検査光及び参照光は、検査管２１内部を進行し、反射板１３１で反射され、受光用合波光ファイバ５１に入射する。ここで、測定用合波光ファイバ３１の端部から発せられる検査光及び参照光の角度は、検査管２１に設けられた光透過性の窓１２１で検査光及び参照光が全反射する臨界角以下、及び検査管２１内部の飽和液の層状流又は波状流表面で検査光が全反射する臨界角以下であれば、特に限定されない。

第３の実施の形態に係る乾き度測定装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。

（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、第１の検査光を発する第１の検査光発光素子と、第１の検査光とは波長帯域の異なる第２の検査光を発する第２の検査光発光素子を設けて、第１及び第２の検査光と、参照光と、を合波させてもよい。あるいは、第１の参照光を発する第１の参照光発光素子と、第１の参照光とは波長帯域の異なる第２の参照光を発する第２の参照光発光素子を設けて、検査光と、第１及び第２の参照光と、を合波させてもよい。したがって、検査光発光素子及び参照光発光素子の数は、それぞれ複数あってもよい。

また、受光素子による受光強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係は、ボイラ等で湿り蒸気を加熱しながら、従来の乾き度測定方法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検査光の強度を測定することによって、予め取得してもよい。従来、種々の乾き度測定方法があるが、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。また、受光素子による受光強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係は、表として保存されてもよい。このように、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、熱交換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 検査光発光素子
１２ 測定用受光素子
１３ モニタ用受光素子
１４ 測定用合波器
１５ モニタ用合波器
１６ 圧力センサ
２１ 検査管
３０ 測定用検査光ファイバ
３１ 測定用合波光ファイバ
３５ 検査光用バンドルファイバ
４０ モニタ用検査光ファイバ
４１ モニタ用合波光ファイバ
５０、１５０ 樹脂
５１ 受光用合波光ファイバ
１１１ 参照光発光素子
１２１、１２１Ａ、１２１Ｂ 窓
１３０ 測定用参照光ファイバ
１３１ 反射板
１３５ 参照光用バンドルファイバ
１４０ モニタ用参照光ファイバ
３００ 中央演算処理装置
３０１ 乾き度特定部
３０２ モニタ部
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 関係記憶装置

Claims (19)

1. 飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光素子と、
   前記検査光発光素子に対向して配置された、前記検査光を伝搬する測定用検査光ファイバ、及び前記検査光を伝搬するモニタ用検査光ファイバを含む検査光用バンドルファイバと、
   内部に湿り蒸気を流す検査管であって、前記測定用検査光ファイバを通過した前記検査光が通過する検査管と、
   前記検査管を通過した前記検査光を受光する測定用受光素子と、
   前記測定用受光素子が受光した前記検査光の光強度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、
   前記モニタ用検査光ファイバを通過した前記検査光を受光するモニタ用受光素子と、
   を備え、
   前記検査光用バンドルファイバの端部において、前記測定用検査光ファイバの端部が、前記モニタ用検査光ファイバの端部よりも、強い前記検査光を受光する、
   乾き度測定装置。
2. 前記検査光用バンドルファイバの端部において、前記測定用検査光ファイバの端部が中心に位置している、請求項１に記載の乾き度測定装置。
3. 前記検査光用バンドルファイバの端部において、前記モニタ用検査光ファイバの端部が前記測定用検査光ファイバの端部に隣接している、請求項１又は２に記載の乾き度測定装置。
4. 前記モニタ用受光素子で受光される前記検査光が、前記検査管を通過していない、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
5. 前記モニタ用受光素子で受光した前記検査光の光強度をモニタするモニタ部を更に備える、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
6. 前記モニタ用受光素子で受光した前記検査光の光強度が変動した場合、前記モニタ部が警告を発する、請求項５に記載の乾き度測定装置。
7. 前記検査光と比較して前記飽和液で吸収されにくい参照光を発する参照光発光素子と、
   前記参照光発光素子に対向して配置された、前記参照光を伝搬する測定用参照光ファイバ、及び前記参照光を伝搬するモニタ用参照光ファイバを含む参照光用バンドルファイバと、
   を更に備え、
   前記測定用検査光ファイバを通過した前記検査光、及び前記測定用参照光ファイバを通過した前記参照光が前記検査管を通過し、
   前記測定用受光素子が、前記検査管を通過した前記検査光及び前記参照光を受光し、
   前記モニタ用受光素子が、前記モニタ用検査光ファイバを通過した前記検査光、及び前記モニタ用参照光ファイバを通過した前記参照光を受光し、
   前記参照光用バンドルファイバの端部において、前記測定用参照光ファイバの端部が、前記モニタ用参照光ファイバの端部よりも、強い前記参照光を受光する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
8. 前記参照光用バンドルファイバの端部において、前記測定用参照光ファイバの端部が中心に位置している、請求項７に記載の乾き度測定装置。
9. 前記参照光用バンドルファイバの端部において、前記モニタ用参照光ファイバの端部が前記測定用参照光ファイバの端部に隣接している、請求項７又は８に記載の乾き度測定装置。
10. 前記モニタ用受光素子で受光される前記参照光が、前記検査管を通過していない、請求項７ないし９のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
11. 前記モニタ用受光素子で受光した前記検査光及び前記参照光の光強度をモニタするモニタ部を更に備える、請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
12. 前記モニタ用受光素子で受光した前記検査光及び前記参照光の少なくとも一方の光強度が変動した場合、前記モニタ部が警告を発する、請求項１１に記載の乾き度測定装置。
13. 前記乾き度特定部が、前記測定用受光素子で受光した前記参照光の光強度に基づき、前記測定用受光素子で受光した前記検査光の光強度を補正する、請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
14. 前記乾き度特定部が、前記測定用受光素子で受光した前記検査光の光強度、前記測定用受光素子で受光した前記参照光の光強度、前記モニタ用受光素子で受光した前記検査光の光強度、及び前記モニタ用受光素子で受光した前記参照光の光強度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を特定する、請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
15. 前記測定用検査光ファイバを通過した前記検査光、及び前記測定用参照光ファイバを通過した前記参照光を合波する測定用合波器と、
    前記測定用合波器で合波された前記検査光及び前記参照光が伝播する測定用合波光ファイバと、
    を更に備え、
    前記測定用合波光ファイバを通過した前記検査光及び前記参照光が前記検査管を通過する、
    請求項７ないし１４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
16. 前記測定用合波光ファイバが、シングルコア光ファイバである、請求項１５に記載の乾き度測定装置。
17. 前記モニタ用検査光ファイバを通過した前記検査光、及び前記モニタ用参照光ファイバを通過した前記参照光を合波するモニタ用合波器と、
    前記モニタ用合波器で合波された前記検査光及び前記参照光が伝播するモニタ用合波光ファイバと、
    を更に備え、
    前記モニタ用合波光ファイバを通過した前記検査光及び前記参照光が前記モニタ用受光素子で受光される、
    請求項７ないし１６のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
18. 前記モニタ用合波光ファイバが、シングルコア光ファイバである、請求項１７に記載の乾き度測定装置。
19. 前記乾き度特定部が、前記湿り蒸気の吸光度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を特定する、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。