JP2019060693A - 乾き度測定装置及び情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象である蒸気が過熱蒸気である場合に、過熱蒸気に関する情報を提供する。【解決手段】飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する発光素子１０２と、湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する発光素子１０３と、蒸気が流れ、検査光及び参照光が透過する配管１０１と、配管１０１を透過した検査光及び参照光を受光する受光素子１１０と、配管１０１の内部の蒸気温度Ｔｓを測定する温度センサ１１２と、受光された検査光及び参照光から蒸気の吸光度Ａｓを算出する吸光度算出部１１４１と、蒸気の吸光度Ａｓを飽和蒸気の吸光度ａｖａｐｏｒと比較し、蒸気が湿り蒸気又は過熱蒸気の何れかを判定する蒸気判定部１１４２と、蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、蒸気の吸光度Ａｓ及び蒸気温度Ｔｓから当該蒸気に関する情報を取得する過熱蒸気情報取得部とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、乾き度を測定する乾き度測定装置及び情報取得方法に関する。

従来から、近赤外光の光吸収により配管を流れる蒸気の乾き度を測定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１では、２つの発光素子を用いて、飽和液で吸収される波長を有する検査光と、湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光とを発光している。そして、配管の側壁に設けられた窓を介して検査光及び参照光を配管の内部に進入させ、配管を流れる蒸気を透過した検査光及び参照光を受光し、その光に基づいて乾き度を算出している。ここで、参照光を用いることで、配管の内部での反射、散乱及び屈折並びに配管の側壁に設けられた窓の汚れ等による検査光の損失を補正できる。
また、上記２つの発光素子により発光された検査光及び参照光（配管を流れる蒸気を透過する前の検査光及び参照光）をモニタし、その光も考慮して乾き度を補正することで、乾き度とは無関係に２つの発光素子の発光強度が変化した場合でも、乾き度を正確に測定可能となる。

特開２０１６−１５１５７２号公報

一方、図７に示すように、蒸気には湿り蒸気と過熱蒸気とがあり、使用目的によってどちらかを使い分けることが一般的である。しかしながら、蒸気はその圧力又は温度の変動によって容易に状態が変化してしまう。そのため、蒸気の状態を把握し、あるべき状態（基準状態）に制御することは蒸気の安定的な供給及び利用につながる。
一般的に、ある圧力における過熱蒸気の温度と飽和温度との差を「過熱度」という。この過熱度は、通常、蒸気の圧力及び温度を測定し、その圧力での飽和温度を蒸気表から求め、測定した温度との差を求めることで測定される。

一方、特許文献１に開示された技術では、測定対象が湿り蒸気に限定されている。また、特許文献１に開示された技術では、もし測定対象が乾き度１を超えて過熱蒸気になった場合には、０〜１ではない数値が計算される。そのため、その値をそのまま表示又は出力すると、ユーザを混乱させたり故障と間違えてしまう可能性がある。また、計算値が１を超えた場合は常に１を表示させる方法も考えられるが、この場合は、ユーザは過熱蒸気になっていることに気づくことが困難となる。
したがって、過熱蒸気に遷移した場合は、過熱蒸気であることをユーザに知らせ、さらに、基準状態に戻す必要がある場合にはその方法を提示できることが望ましい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、測定対象である蒸気が過熱蒸気である場合に、過熱蒸気に関する情報を提供可能な乾き度測定装置を提供することを目的としている。

この発明に係る乾き度測定装置は、飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する検査光発光素子と、検査光発光素子により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する参照光発光素子と、蒸気が流れ、検査光発光素子により発光された検査光及び参照光発光素子により発光された参照光が透過する配管と、配管を透過した検査光及び参照光を受光する受光素子と、配管の内部の蒸気温度を測定する蒸気温度測定部と、受光素子により受光された検査光及び参照光に基づいて、配管を流れる蒸気の吸光度を算出する吸光度算出部と、吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度を当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度と比較することで、配管を流れる蒸気が湿り蒸気又は過熱蒸気の何れであるかを判定する蒸気判定部と、蒸気判定部により配管を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度、及び、蒸気温度測定部により測定された蒸気温度に基づいて、当該蒸気に関する情報を取得する過熱蒸気情報取得部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、測定対象である蒸気が過熱蒸気である場合に、過熱蒸気に関する情報を提供可能となる。

この発明の実施の形態１に係る乾き度測定装置の構成例を示す模式図である。 標準大気圧における水の状態変化を示すグラフである。 飽和蒸気及び飽和液の吸光スペクトルと乾き度との関係の一例を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係る乾き度測定装置の動作例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係るおける蒸気判定部の動作を説明する図であり、蒸気温度と蒸気の吸光度と関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態１に係るおける遷移情報取得部の動作を説明する図であり、蒸気温度と蒸気の吸光度と関係を示すグラフである。 湿り蒸気及び過熱蒸気を説明する図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る乾き度測定装置１の構成例を示す模式図である。
乾き度測定装置１は、配管１０１を流れる蒸気（冷媒等）の乾き度ｚを測定する。また、乾き度測定装置１は、配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気である場合には、当該蒸気に関する情報（過熱蒸気情報）を取得する機能も有している。この乾き度測定装置１は、図１に示すように、配管１０１、発光素子（検査光発光素子）１０２、発光素子（参照光発光素子）１０３、駆動回路１０４、光導波路１０５、光導波路１０６、光合波器１０７、光導波路１０８、光導波路１０９、受光素子１１０、信号増幅分離回路１１１、温度センサ（蒸気温度測定部）１１２、データ記憶装置１１３、ＣＰＵ１１４、入力装置１１５、出力装置１１６、プログラム記憶装置１１７及び一時記憶装置１１８を備えている。また、データ記憶装置１１３は、演算情報記憶部１１３１を有している。また、ＣＰＵ１１４は、吸光度算出部１１４１、蒸気判定部１１４２、乾き度算出部１１４３、過熱度算出部１１４４及び遷移情報取得部１１４５を有している。

配管１０１は、耐熱性を有し、蒸気が流れる配管である。また、図１に示す配管１０１の側壁には、窓１０１１及び窓１０１２が設けられている。窓１０１１及び窓１０１２は対向配置されている。この窓１０１１及び窓１０１２は、例えば光透過性を有する耐熱ガラスから構成されたサイトグラスである。
なお、乾き度測定装置１が測定対象としている蒸気の流動様式は、配管１０１が水平配置の場合には層状流及び波状流であり、配管１０１が垂直配置の場合には環状流である。以下では、配管１０１が水平配置の場合を想定して説明を行うが、配管１０１が垂直配置の場合についても同様である。

発光素子１０２は、飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する。なお、検査光はパルス光である。発光素子１０２としては発光ダイオード等が使用可能である。

発光素子１０３は、発光素子１０２により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する。なお、参照光はパルス光である。また、発光素子１０３は、発光素子１０２の周辺に配置される。発光素子１０３としては発光ダイオード等が使用可能である。

なお、配管１０１と発光素子１０２及び発光素子１０３との間の距離は、一定の範囲内となるように設定されている。上記一定の範囲とは、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度Ｔ_Ｌが、配管１０１の内部の蒸気温度Ｔ_ｓに伴って変化する範囲である。

駆動回路１０４は、発光素子１０２及び発光素子１０３を駆動する。また、駆動回路１０４は、信号増幅分離回路１１１に対し、検査光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とを分離するための同期信号を出力する。この駆動回路１０４としては定電流駆動回路又は定電圧駆動回路等が使用可能である。
また、駆動回路１０４は、図１に示すように、温度センサ（周辺温度測定部）１０４１を有している。温度センサ１０４１は、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度Ｔ_Ｌを測定する。

光導波路１０５は、発光素子１０２により発光された検査光を光合波器１０７に伝搬する。光導波路１０５は、一端が発光素子１０２の出力部に対向配置され、他端が光合波器１０７の入力部に対向配置されている。

光導波路１０６は、発光素子１０３により発光された参照光を光合波器１０７に伝搬する。光導波路１０６は、一端が発光素子１０３の出力部に対向配置され、他端が光合波器１０７の入力部に対向配置されている。

光合波器１０７は、光導波路１０５により伝搬された検査光と光導波路１０６により伝搬された参照光とを合波する。

光導波路１０８は、光合波器１０７により合波された光（検査光及び参照光）を配管１０１に伝搬する。光導波路１０８は、一端が光合波器１０７の出力部に対向配置され、他端が配管１０１に設けられた窓１０１１の外面に対向配置されている。また、光導波路１０８の他端と窓１０１１の外面との間に、コリメータレンズを配置してもよい。

光導波路１０９は、一端が配管１０１を介して光導波路１０８の他端に対向配置され、配管１０１の内部からの光を受光素子１１０に伝搬する。光導波路１０９は、一端が配管１０１に設けられた窓１０１２の外面に対向配置され、他端が受光素子１１０の入力部に対向配置されている。また、光導波路１０９の一端と窓１０１２の外面との間に、光導波路１０９に配管１０１の内部からの光を入射させるレンズを配置してもよい。

なお、光導波路１０５、光導波路１０６、光導波路１０８及び光導波路１０９としては、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）等のプラスチックから成るシングルコア光ファイバ、又は、石英ガラス等のガラスから成るシングルコア光ファイバ等が使用可能であるが、光を伝搬可能であればよく、これらに限定されない。

受光素子１１０は、光導波路１０９により伝搬された光（検査光及び参照光）を受光する。そして、受光素子１１０は、受光した光の光強度に応じた信号を出力する。受光素子１１０として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。

信号増幅分離回路１１１は、受光素子１１０により出力された信号を増幅し、駆動回路１０４からの同期信号に基づいて、増幅した信号を検出光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とに分離する。この信号増幅分離回路１１１により分離された各信号はＣＰＵ１１４に出力される。

温度センサ１１２は、配管１０１の内部の蒸気温度Ｔ_ｓを測定する。

演算情報記憶部１１３１は、ＣＰＵ１１４で実施される演算で用いられる情報を記憶する。演算情報記憶部１１３１には、例えば、蒸気の吸光度Ａ_ｓと乾き度ｚとの関係を示す情報、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化を補正するための関数ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）を示す情報、飽和温度Ｔ_ｓａｔと蒸気の圧力Ｐとの関係を示す関数ｆ（Ｐ）を示す情報、及び、蒸気の圧力Ｐと蒸気温度Ｔ_ｓ及び蒸気の吸光度Ａ_ｓとの関係を示す関数ｆ（Ｔ_ｓ，Ａ_ｓ）を示す情報等が記憶される。

吸光度算出部１１４１は、受光素子１１０により受光された光に基づいて、配管１０１を流れる蒸気の吸光度Ａ_ｓを算出する。

蒸気判定部１１４２は、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓを当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}と比較することで、配管１０１を流れる蒸気が湿り蒸気又は過熱蒸気の何れであるかを判定する。この際、蒸気判定部１１４２は、蒸気の吸光度Ａ_ｓが飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}以上である場合（Ａ_ｓ≧ａ_{ｖａｐｏｒ}）には、配管１０１を流れる蒸気が湿り蒸気であると判定する。一方、蒸気判定部１１４２は、蒸気の吸光度Ａ_ｓが飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}未満である場合（Ａ_ｓ＜ａ_{ｖａｐｏｒ}）には、配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定する。

乾き度算出部１１４３は、蒸気判定部１１４２により配管１０１を流れる蒸気が湿り蒸気であると判定された場合に、当該蒸気の乾き度ｚを算出する。この際、乾き度算出部１１４３は、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、温度センサ１０４１により測定された周辺温度Ｔ_Ｌ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、配管１０１を流れる蒸気の乾き度ｚを算出する。

過熱度算出部１１４４は、蒸気判定部１１４２により配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、当該蒸気の過熱度ｓを算出する。この際、過熱度算出部１１４４は、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、配管１０１を流れる蒸気の過熱度ｓを算出する。

遷移情報取得部１１４５は、蒸気判定部１１４２により配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、当該蒸気の状態遷移に関する情報（遷移情報）を取得する。この際、遷移情報取得部１１４５は、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、配管１０１を流れる蒸気が基準状態から圧力Ｐの変動又は蒸気温度Ｔ_ｓの変動の何れにより過熱蒸気に遷移したのかを示す情報を取得する。なお、基準状態としては、理想的な乾き度ｚの蒸気の状態又は過熱蒸気に推移する直前の蒸気の状態等が採用できる。

なお、過熱度算出部１１４４及び遷移情報取得部１１４５は、蒸気判定部１１４２により配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、当該蒸気に関する情報（過熱蒸気情報）を取得する過熱蒸気情報取得部を構成する。
また上記では、過熱蒸気情報取得部が、過熱度算出部１１４４及び遷移情報取得部１１４５のうちの両方を有する場合を示した。しかしながら、これに限らず、過熱蒸気情報取得部は、過熱度算出部１１４４及び遷移情報取得部１１４５のうちの一方のみを有していてもよい。

入力装置１１５は、演算情報記憶部１１３１に記憶される情報のユーザ入力を受付ける。入力装置１１５としてはスイッチ及びキーボード等が使用可能である。
出力装置１１６は、乾き度算出部１１４３により算出された乾き度ｚを示す情報及び過熱蒸気情報取得部により取得された過熱蒸気情報を出力する。出力装置１１６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。
プログラム記憶装置１１７は、ＣＰＵ１１４に接続された装置間のデータ送受信等をＣＰＵ１１４に実行させるためのプログラムを記憶する。
一時記憶装置１１８は、ＣＰＵ１１４の演算過程でのデータを一時的に記憶する。

次に、実施の形態１に係る乾き度測定装置１による乾き度ｚ及び過熱度ｓの算出方法について説明する。
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、飽和蒸気（蒸気）と飽和液（水）とが混合した湿り蒸気となる。蒸気の圧力Ｐが一定である場合、蒸気の加熱及び冷却により潜熱が変化するため、飽和温度Ｔ_ｓａｔは一定となる。ここで、下式（１）のように、乾き度ｚは、湿り蒸気全量に対する飽和蒸気の質量比で表される。したがって、飽和蒸気の乾き度ｚは１となり、飽和液の乾き度ｚは０となる。
ｚ＝ｍ_{ｖａｐｏｒ}／（ｍ_{ｖａｐｏｒ}＋ｍ_{ｗａｔｅｒ}） （１）
なお、式（１）において、ｍ_{ｖａｐｏｒ}は蒸気中の飽和蒸気の質量を表し、ｍ_{ｗａｔｅｒ}は蒸気中の飽和液の質量を表す。

ここで、蒸気中の飽和蒸気の質量ｍ_{ｖａｐｏｒ}は、蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}に比例する。また、蒸気中の飽和液の質量ｍ_{ｗａｔｅｒ}は、蒸気中の飽和液の吸光度ａ_{ｗａｔｅｒ}に比例する。そのため、式（１）から下式（２）が導かれる。
ｚ＝ｍ_{ｖａｐｏｒ}／（ｍ_{ｖａｐｏｒ}＋ｍ_{ｗａｔｅｒ}）
＝ａ_{ｖａｐｏｒ}／（ａ_{ｖａｐｏｒ}＋ｋ×ａ_{ｗａｔｅｒ}） （２）
なお、式（２）において、ｋはモル吸光係数比を表す。

また、モル吸光係数比ｋは下式（３）で与えられる。
ｋ≒ｅ_{ｖａｐｏｒ}／ｅ_{ｗａｔｅｒ} （３）
なお、式（３）において、ｅ_{ｖａｐｏｒ}は蒸気中の飽和蒸気の吸光係数を表し、ｅ_{ｗａｔｅｒ}は蒸気中の飽和液の吸光係数を表す。

また、蒸気の吸光度Ａ_ｓは、下式（４）のように、蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}と蒸気中の飽和液の吸光度ａ_{ｗａｔｅｒ}との和で与えられる。
Ａ_ｓ＝ａ_{ｖａｐｏｒ}＋ａ_{ｗａｔｅｒ} （４）

一方、検査光を用いて蒸気の吸光度Ａ_ｓ’を求めることもできる。この蒸気の吸光度Ａ_ｓ’は、ランベルト・ベールの法則により、下式（５）のように、蒸気を透過する前又は蒸気が存在しない場合での検査光の光強度Ｉ_{ｓｔｅａｍ０}に対する、蒸気を透過した後の検査光の光強度Ｉ_{ｓｔｅａｍ１}の比の対数で与えられる。
Ａ_ｓ’＝−ｌｎ（Ｉ_{ｓｔｅａｍ１}／Ｉ_{ｓｔｅａｍ０}） （５）

図３に示すように、飽和蒸気の吸収スペクトル３０１と飽和液の吸収スペクトル３０２とは異なり、蒸気の乾き度ｚが変化すると蒸気中の飽和液の吸収スペクトル３０２が変化する。例えば、乾き度ｚが０から１に向かって変化するにつれて蒸気中の飽和液の含有量は減少するので、飽和液の吸収スペクトル３０２のピーク波長における蒸気の吸光度Ａ_ｓも減少する。なお図３において、符号３０３は、蒸気の吸光スペクトルを示している。飽和液の吸収スペクトル３０２のピーク波長は、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。よって、蒸気温度Ｔ_ｓ（又は圧力Ｐ）が一定であれば飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}は一定とみなすことができ、飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}を蒸気温度Ｔ_ｓ（又は圧力Ｐ）から導くことができる。

一方、図３に示すように、乾き度測定装置１から配管１０１の内部に進入した検査光３０４のうちの一部の光３０５は、配管１０１の内部における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、検査光３０４は損失する。また、配管１０１に設けられた窓１０１１及び窓１０１２が汚れている場合にも、上記検査光３０４の一部は損失する。よって、これらの損失の分、検査光３０４を用いて算出した蒸気の吸光度Ａ_ｓ’は、蒸気の吸光度Ａ_ｓからずれる。そこで、参照光３０６を用いて算出した蒸気の吸光度Ａ_ｒにより、上記反射、散乱及び屈折並びに窓１０１１及び窓１０１２の汚れ等による検査光３０４の損失を補正する。なお図３において、光３０７は、参照光３０６のうちの、配管１０１の内部における飽和液の層状流又は波状流によって反射、散乱及び屈折等した光を示している。また図３において、光３０４〜３０７の幅は、光強度の強弱を表している。

ここで、蒸気の吸光度Ａ_ｒは、ランベルト・ベールの法則により、下式（６）のように、蒸気を透過する前又は蒸気が存在しない場合での参照光の光強度Ｉ_ｒｅｆ０に対する、蒸気を透過した後の参照光の光強度Ｉ_ｒｅｆ１の比の対数で与えられる。
Ａ_ｒ＝−ｌｎ（Ｉ_ｒｅｆ１／Ｉ_ｒｅｆ０） （６）

そして、下式（７）のように、検査光を用いて算出した蒸気の吸光度Ａ_ｓ’から、参照光を用いて算出した蒸気の吸光度Ａ_ｒを差し引く。これにより、配管１０１の内部における反射、散乱及び屈折並びに窓１０１１及び窓１０１２の汚れ等による検査光の損失を補正でき、蒸気の吸光度Ａ_ｓを得ることができる。
Ａ_ｓ＝Ａ_ｓ’−Ａ_ｒ （７）

ここで、蒸気の吸光度Ａ_ｓが当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}以上である場合には、配管１０１を流れる蒸気が湿り蒸気であると判定できる。一方、蒸気の吸光度Ａ_ｓが当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}未満である場合には、配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定できる。

また、乾き度ｚは、式（２）及び式（４）から下式（８）のようにも導かれる。
ｚ＝１／（１−ｋ＋（ｋ／ａ_{ｖａｐｏｒ}）×Ａ_ｓ×ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）） （８）
なお、式（８）において、ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）は、周辺温度Ｔ_Ｌ及び蒸気温度Ｔ_ｓを変数とする関数であり、発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度の変化を補正するための関数である。この関数ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）は、事前に、周辺温度Ｔ_Ｌ及び蒸気温度Ｔ_ｓを変えながら発光素子１０２及び発光素子１０３の発光強度を測定する等して得ることができる。

また、式（８）において、モル吸光係数比ｋは定数である。また、上述したように、飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}は一定の蒸気温度Ｔ_ｓ（又は一定の圧力Ｐ）の下では一定とみなせるため、飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}は蒸気温度Ｔ_ｓ（又は圧力Ｐ）から導くことができる。そのため、蒸気の吸光度Ａ_ｓ及び関数ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）を算出することで、式（８）から乾き度ｚを算出できる。

また、過熱度ｓは、下式（９）のように、蒸気温度Ｔ_ｓと飽和温度Ｔ_ｓａｔとの差で与えられる。
ｓ＝Ｔ_ｓ−Ｔ_ｓａｔ （９）

なお、飽和温度Ｔ_ｓａｔは、圧力Ｐがわかれば、蒸気表から、又は下式（１０）のように蒸気表から作成した関数ｆ（Ｐ）を用いて求めることができる。
Ｔ_ｓａｔ＝ｆ（Ｐ） （１０）
また、圧力Ｐは、蒸気温度Ｔ_ｓ及び吸光度Ａ_ｓがわかれば、蒸気表から、又は下式（１１）のように蒸気表から作成した関数ｆ（Ｔ_ｓ，Ａ_ｓ）を用いて求めることができる。
Ｐ＝ｆ（Ｔ_ｓ，Ａ_ｓ） （１１）
そのため、蒸気温度Ｔ_ｓ及び算出した飽和温度Ｔ_ｓａｔを取得することで、式（９）から過熱度ｓを算出できる。

次に、実施の形態１に係る乾き度測定装置１の動作例について、図４を参照しながら説明する。
実施の形態１に係る乾き度測定装置１の動作例では、図４に示すように、まず、発光素子１０２が、飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する（ステップＳＴ４０１）。発光素子１０２により発光された検査光は、光導波路１０５を介して光合波器１０７に伝搬する。
ここで、発光素子１０２により発光される検査光は、例えば、波長領域が８００〜２５００ｎｍの近赤外光である。図３に示すように、検査光３０４の中心波長を、飽和液の吸収スペクトル３０２のピーク波長（１８８０ｎｍ付近）としてもよい。

また、発光素子１０３が、発光素子１０２により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する（ステップＳＴ４０２）。発光素子１０３により発光された参照光は、光導波路１０６を介して光合波器１０７に伝搬する。ここで、湿り蒸気に吸収され難い波長とは、例えば１３００ｎｍ未満の波長である（図３参照）。

なお、発光素子１０２及び発光素子１０３の駆動は、駆動回路１０４により制御される。また、駆動回路１０４は、信号増幅分離回路１１１に対し、検査光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とを分離するための同期信号を出力する。

次いで、光合波器１０７が、光導波路１０５により伝搬された検査光と光導波路１０６により伝搬された参照光とを合波する（ステップＳＴ４０３）。光合波器１０７により合波された光（検査光及び参照光）は、光導波路１０８を介して配管１０１の内部に進入し、配管１０１を流れる蒸気を透過した後、光導波路１０９を介して受光素子１１０に伝搬する。

ここで、光導波路１０８の他端から発せられた光に含まれる検査光は、配管１０１の内部において、蒸気中の飽和液によって吸収される。また上述したように、蒸気中の飽和液は、乾き度ｚが０から１に近づくにつれて減少する。したがって、乾き度ｚが０から１に近づくにつれて、蒸気の吸光度Ａ_ｓは低下する傾向にある。

また、光導波路１０８の他端から発せられた光のうちの一部は、配管１０１の内部における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、当該光は損失する。また、配管１０１に設けられた窓１０１１及び窓１０１２が汚れている場合にも、上記光の一部は損失する。ここで、上記反射、散乱及び屈折並びに窓１０１１及び窓１０１２の汚れ等による検査光の損失量は、参照光の損失量と略同一である。

次いで、受光素子１１０が、光導波路１０９により伝搬された光（検査光及び参照光）を受光する（ステップＳＴ４０４）。そして、受光素子１１０は、受光した光の光強度に応じた信号を出力する。そして、信号増幅分離回路１１１は、受光素子１１０により出力された信号を増幅し、駆動回路１０４からの同期信号に基づいて、増幅した信号を検出光の光強度を示す信号と参照光の光強度を示す信号とに分離する。

また、温度センサ１０４１が、発光素子１０２及び発光素子１０３の周辺温度Ｔ_Ｌを測定する（ステップＳＴ４０５）。
また、温度センサ１１２が、配管１０１の内部の蒸気温度Ｔ_ｓを測定する（ステップＳＴ４０６）。

次いで、吸光度算出部１１４１が、受光素子１１０により受光された光に基づいて、配管１０１を流れる蒸気の吸光度Ａ_ｓを算出する（ステップＳＴ４０７）。

この際、吸光度算出部１１４１は、まず、信号増幅分離回路１１１から、受光素子１１０により受光された検査光の光強度Ｉ_{ｓｔｅａｍ１}（測定値）を示す信号及び参照光の光強度Ｉ_ｒｅｆ１（測定値）を示す信号を受信する。
次に、吸光度算出部１１４１は、検査光の光強度Ｉ_{ｓｔｅａｍ１}に基づいて、例えば式（５）に従い、蒸気の吸光度Ａ_ｓ’を算出する。なお、蒸気を透過する前又は配管１０１に蒸気が流れていない場合での検査光の光強度Ｉ_{ｓｔｅａｍ０}は、事前に測定された値を定数として用いてもよい。

同様に、吸光度算出部１１４１は、参照光の光強度Ｉ_ｒｅｆ１に基づいて、例えば式（６）に従い、蒸気の吸光度Ａ_ｒを算出する。なお、蒸気を透過する前又は配管１０１に蒸気が流れていない場合での参照光の光強度Ｉ_ｒｅｆ０は、事前に測定された値を定数として用いてもよい。

次に、吸光度算出部１１４１は、例えば式（７）に従い、検査光を用いて算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ’から、参照光を用いて算出された蒸気の吸光度Ａ_ｒを差し引くことで、吸光度Ａ_ｓを算出する。

次いで、蒸気判定部１１４２が、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓが、蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}以上であるかを判定する（ステップＳＴ４０８）。なお、飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}は、蒸気温度Ｔ_ｓから導く。

このステップＳＴ４０８において、蒸気判定部１１４２が、蒸気の吸光度Ａ_ｓが飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}以上であると判定し、配管１０１を流れる蒸気が湿り蒸気であると判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ４０９へ移行する。
一方、ステップＳＴ４０８において、蒸気判定部１１４２が、蒸気の吸光度Ａ_ｓが飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}未満であると判定し、配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ４１０へ移行する。

図５は、蒸気温度Ｔ_ｓと蒸気の吸光度Ａ_ｓとの関係を示すグラフである。図５において、曲線５０１は、蒸気の吸光度Ａ_ｓと当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}とが等しい状態（Ａ_ｓ＝ａ_{ｖａｐｏｒ}）を示している。そして、図５において、曲線５０１よりも上側の領域が湿り蒸気の領域であり、曲線５０１よりも下側の領域が過熱蒸気の領域である。例えば、配管１０１を流れる蒸気が状態５０２である場合には、蒸気の吸光度Ａ_ｓが当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}以上である（曲線５０１よりも上側の領域に位置する）ため、当該蒸気は湿り蒸気である。また、配管１０１を流れる蒸気が状態５０３である場合には、蒸気の吸光度Ａ_ｓが当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}未満である（曲線５０１よりも下側の領域に位置する）ため、当該蒸気は過熱蒸気である。

ステップＳＴ４０９では、乾き度算出部１１４３が、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、温度センサ１０４１により測定された周辺温度Ｔ_Ｌ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、配管１０１を流れる蒸気の乾き度ｚを算出する。

この際、乾き度算出部１１４３は、まず、吸光度算出部１１４１から、蒸気の吸光度Ａ_ｓを示す情報を受信する。また、乾き度算出部１１４３は、温度センサ１０４１から周辺温度Ｔ_Ｌ（測定値）を示す情報を受信する。また、乾き度算出部１１４３は、温度センサ１１２から蒸気温度Ｔ_ｓ（測定値）を示す情報を受信する。

次に、乾き度算出部１１４３は、周辺温度Ｔ_Ｌ及び蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、関数ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）を算出する。
次に、乾き度算出部１１４３は、例えば式（８）に対し、蒸気の吸光度Ａ_ｓの値と、算出した関数ｆ（Ｔ_Ｌ，Ｔ_ｓ）の値とを代入して、乾き度ｚを算出する。なお式（８）における飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}は、蒸気温度Ｔ_ｓから導く。

また、ステップＳＴ４１０では、過熱度算出部１１４４が、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、配管１０１を流れる蒸気の過熱度ｓを算出する。

この際、過熱度算出部１１４４は、まず、吸光度算出部１１４１から、蒸気の吸光度Ａ_ｓを示す情報を受信する。また、過熱度算出部１１４４は、温度センサ１１２から蒸気温度Ｔ_ｓ（測定値）を示す情報を受信する。

次に、過熱度算出部１１４４は、蒸気の吸光度Ａ_ｓ及び蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、蒸気表から又は例えば式（１１）に従って関数ｆ（Ｔ_ｓ，Ａ_ｓ）を算出して、圧力Ｐを算出する。次に、過熱度算出部１１４４は、圧力Ｐに基づいて、蒸気表から又は例えば式（１０）に従って関数ｆ（Ｐ）を算出して、飽和温度Ｔ_ｓａｔを算出する。図５の矢印は、蒸気が状態５０３（過熱蒸気）の場合での飽和温度Ｔ_ｓａｔの算出を示している。
次に、過熱度算出部１１４４は、例えば式（９）に対し、蒸気温度Ｔ_ｓの値と、算出した飽和温度Ｔ_ｓａｔの値とを代入して、過熱度ｓを算出する。

また、遷移情報取得部１１４５が、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、配管１０１を流れる蒸気の状態遷移に関する情報（遷移情報）を取得する（ステップＳＴ４１１）。

この際、遷移情報取得部１１４５は、まず、吸光度算出部１１４１から、蒸気の吸光度Ａ_ｓを示す情報を受信する。また、遷移情報取得部１１４５は、温度センサ１１２から蒸気温度Ｔ_ｓ（測定値）を示す情報を受信する。

次に、遷移情報取得部１１４５は、蒸気の吸光度Ａ_ｓ及び蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、蒸気表から又は例えば式（１１）に従って関数ｆ（Ｔ_ｓ，Ａ_ｓ）を算出して、圧力Ｐを算出する。
次に、遷移情報取得部１１４５は、蒸気温度Ｔ_ｓ及び圧力Ｐに基づいて、配管１０１を流れる蒸気が基準状態から圧力Ｐの変動又は蒸気温度Ｔ_ｓの変動の何れにより過熱蒸気に遷移したのかを示す情報を取得する。

図６は、図５と同様に、蒸気温度Ｔ_ｓと蒸気の吸光度Ａ_ｓとの関係を示すグラフである。この図６において、基準状態６０１である蒸気が、状態６０２又は状態６０３へ遷移したとする。ここで、蒸気が状態６０２である場合での過熱度ｓ１の値と、蒸気が状態６０３である場合での過熱度ｓ２の値は、同一である（ｓ１＝ｓ２）。一方で、状態６０２の場合には蒸気が基準状態６０１から減圧されたことで過熱蒸気に遷移し、状態６０３の場合には蒸気が基準状態６０１から熱が加えられたことで過熱蒸気に遷移している。そこで、遷移情報取得部１１４５は、上記のような過熱蒸気への状態遷移の要因を検出する。そして、ユーザは、蒸気を状態６０２又は状態６０３から基準状態６０１に戻す場合、蒸気が状態６０２である場合には圧力を加え、蒸気が状態６０３である場合には冷却する制御を行う。

ここで、従来の乾き度測定装置では、測定対象である蒸気が湿り蒸気に限定されている。それに対し、実施の形態１に係る乾き度測定装置では、蒸気の吸光度Ａ_ｓと飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}とを比較することで蒸気が湿り蒸気であるか過熱蒸気であるかを判定し、過熱蒸気である場合にはその過熱蒸気に関する情報を取得している。これにより、ユーザに対し、測定対象である蒸気が過熱蒸気であることを通知でき、また、その過熱蒸気に関する情報を提示できる。また、過熱蒸気に関する情報として、遷移状態情報を提示する場合には、基準状態に戻すための情報を提示可能となる。

なお図１では、配管１０１に光透過性を有する窓１０１１を設け、窓１０１１の外面に光導波路１０８の他端が対向配置された場合を示した。しかしながら、これに限らず、配管１０１には窓１０１１を設けず、光導波路１０８の他端が配管１０１の側壁に貫通されてもよい。
また図１では、光導波路１０８の他端が窓１０１１の外面に対向配置された場合を示したが、これに限らず、光導波路１０８は用いず、光合波器１０７の出力部が窓１０１１の外面に対向配置されてもよい。

また図１では、配管１０１に光透過性を有する窓１０１２を設け、窓１０１２の外面に光導波路１０９の一端が対向配置された場合を示した。しかしながら、これに限らず、配管１０１には窓１０１２を設けず、光導波路１０９の一端が配管１０１の側壁に貫通されてもよい。
また図１では、光導波路１０９の一端が窓１０１２の外面に対向配置された場合を示したが、これに限らず、光導波路１０９は用いず、受光素子１１０の入力部が窓１０１２の外面に対向配置されてもよい。

また図１では、光導波路１０８と光導波路１０９とが対向配置された透過形の構成を示したが、これに限らず、反射形に構成されてもよい。この場合、窓１０１２に代えて、配管１０１の側壁における窓１０１１に対向する内面に反射板が配置される。また、光導波路１０９は一端が窓１０１１の外面に対向配置される。この場合、光導波路１０８により配管１０１の内部に伝搬された光は、配管１０１の内部を進行して反射板で反射され、光導波路１０９により受光素子１１０に伝搬される。

なお上記に示した蒸気の吸光度Ａ_ｓ及び乾き度ｚを算出するための構成及び算出方法は一例であり、蒸気の吸光度Ａ_ｓ及び乾き度ｚを算出できればどのような構成及び算出方法であってもよく、例えば特許文献１に開示された構成及び算出方法を用いてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する発光素子１０２と、発光素子１０２により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する発光素子１０３と、蒸気が流れ、発光素子１０２により発光された検査光及び発光素子１０３により発光された参照光が透過する配管１０１と、配管１０１を透過した検査光及び参照光を受光する受光素子１１０と、配管１０１の内部の蒸気温度Ｔ_ｓを測定する温度センサ１１２と、受光素子１１０により受光された検査光及び参照光に基づいて、配管１０１を流れる蒸気の吸光度Ａ_ｓを算出する吸光度算出部１１４１と、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓを当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度ａ_{ｖａｐｏｒ}と比較することで、配管１０１を流れる蒸気が湿り蒸気又は過熱蒸気の何れであるかを判定する蒸気判定部１１４２と、蒸気判定部１１４２により配管１０１を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、吸光度算出部１１４１により算出された蒸気の吸光度Ａ_ｓ、及び、温度センサ１１２により測定された蒸気温度Ｔ_ｓに基づいて、当該過熱蒸気に関する情報を取得する過熱蒸気情報取得部とを備えたので、測定対象である蒸気が過熱蒸気である場合に、過熱蒸気に関する情報を提供可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 乾き度測定装置
１０１ 配管
１０２ 発光素子（検査光発光素子）
１０３ 発光素子（参照光発光素子）
１０４ 駆動回路
１０５ 光導波路
１０６ 光導波路
１０７ 光合波器
１０８ 光導波路
１０９ 光導波路
１１０ 受光素子
１１１ 信号増幅分離回路
１１２ 温度センサ（蒸気温度測定部）
１１３ データ記憶装置
１１４ ＣＰＵ
１１５ 入力装置
１１６ 出力装置
１１７ プログラム記憶装置
１１８ 一時記憶装置
１０１１ 窓
１０１２ 窓
１０４１ 温度センサ（周辺温度測定部）
１１３１ 演算情報記憶部
１１４１ 吸光度算出部
１１４２ 蒸気判定部
１１４３ 乾き度算出部
１１４４ 過熱度算出部
１１４５ 遷移情報取得部

Claims (4)

1. 飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する検査光発光素子と、
   前記検査光発光素子により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する参照光発光素子と、
   蒸気が流れ、前記検査光発光素子により発光された検査光及び前記参照光発光素子により発光された参照光が透過する配管と、
   前記配管を透過した検査光及び参照光を受光する受光素子と、
   前記配管の内部の蒸気温度を測定する蒸気温度測定部と、
   前記受光素子により受光された検査光及び参照光に基づいて、前記配管を流れる蒸気の吸光度を算出する吸光度算出部と、
   前記吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度を当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度と比較することで、前記配管を流れる蒸気が湿り蒸気又は過熱蒸気の何れであるかを判定する蒸気判定部と、
   前記蒸気判定部により前記配管を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、前記吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度、及び、前記蒸気温度測定部により測定された蒸気温度に基づいて、当該蒸気に関する情報を取得する過熱蒸気情報取得部と
   を備えた乾き度測定装置。
2. 前記過熱蒸気情報取得部は、
   前記蒸気判定部により前記配管を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、前記吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度、及び、前記蒸気温度測定部により測定された蒸気温度に基づいて、当該蒸気の過熱度を算出する過熱度算出部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の乾き度測定装置。
3. 前記過熱蒸気情報取得部は、
   前記蒸気判定部により前記配管を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、前記吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度、及び、前記蒸気温度測定部により測定された蒸気温度に基づいて、当該蒸気の状態遷移に関する情報を取得する遷移情報取得部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の乾き度測定装置。
4. 飽和液で吸収される波長を有する検査光を発光する検査光発光素子と、前記検査光発光素子により発光される検査光に対して湿り蒸気に吸収され難い波長を有する参照光を発光する参照光発光素子と、蒸気が流れ、前記検査光発光素子により発光された検査光及び前記参照光発光素子により発光された参照光が透過する配管と、前記配管を透過した検査光及び参照光を受光する受光素子と、前記配管の内部の蒸気温度を測定する蒸気温度測定部とを備えた乾き度測定装置による情報取得方法であって、
   吸光度算出部が、前記受光素子により受光された検査光及び参照光に基づいて、前記配管を流れる蒸気の吸光度を算出し、
   蒸気判定部が、前記吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度を当該蒸気中の飽和蒸気の吸光度と比較することで、前記配管を流れる蒸気が湿り蒸気又は過熱蒸気の何れであるかを判定し、
   過熱蒸気情報取得部が、前記蒸気判定部により前記配管を流れる蒸気が過熱蒸気であると判定された場合に、前記吸光度算出部により算出された蒸気の吸光度、及び、前記蒸気温度測定部により測定された蒸気温度に基づいて、当該蒸気に関する情報を取得する
   ことを特徴とする情報取得方法。

Images