JP5968241B2 - 乾き度測定装置及び乾き度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は湿り蒸気の測定技術に係り、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。

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、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った。このため、湿り状態が定常状態にあるときの乾き度を測定することは可能であったが、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。

そこで、本発明は、湿り蒸気が過渡状態である場合でも乾き度を測定することを目的の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。

本願発明者は、湿り蒸気が安定していない過渡状態において乾き度を測定する技術を鋭意研究したところ、湿り蒸気を透過した光の強度または吸光度のばらつきと湿り蒸気の乾き度とが強い相関関係を有するという知見を得て、この相関関係を利用した乾き度の測定技術を発明するに至った。具体的には、上記課題を解決するために、本発明は以下の構成要件を備えるものである。

（１−１）本発明の乾き度測定装置は、測定対象の湿り蒸気を透過した光の強度または吸光度のばらつき量を測定するばらつき量測定部と、前記光の強度または吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係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部と、を備えている。

（１−２）また本発明の乾き度測定方法は、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を受光することと、前記光の強度または吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、を含む。

本発明は、所望により、以下の構成を備えていてもよい。
（２）上記発明において、前記湿り蒸気の圧力を計測する圧力計測部を備え、前記相関関係は、前記湿り蒸気の圧力に対応した前記光の強度または吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係であり、前記乾き度測定部は、計測された前記湿り蒸気の圧力に対応する前記相関関係に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する。

（３）上記発明において、前記湿り蒸気の温度を計測する温度計測部を備え、前記相関関係は、前記湿り蒸気の温度に対応した前記光の強度または前記吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係であり、前記乾き度測定部は、計測された前記湿り蒸気の温度に対応する前記相関関係に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する。

（４）上記発明において、前記測定対象の湿り蒸気に光を照射する発光部と、前記湿り蒸気を透過した光を受光する受光部と、受光した前記光の強度を計測する光強度計測部と、前記光の強度または前記吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係を記憶する相関関係記憶部と、をさらに備え、前記ばらつき量測定部は、前記光の強度または前記吸光度のばらつき量を測定し、前記乾き度測定部は、測定された前記光の強度または前記吸光度のばらつき量を参照値として前記相関関係記憶部に格納された前記相関関係を参照し、前記湿り蒸気の乾き度を測定する。

本発明によれば、光の強度または吸光度のばらつき量と乾き度の相関関係に基づき、湿り蒸気が過渡状態であったとしても湿り蒸気の乾き度を測定可能である。

本発明の実施形態１に係る乾き度測定装置の模式図。 時間に応じて変化する、湿り蒸気を透過する光の強度の標準偏差と、それに対応する湿り蒸気の乾き度を示すとの相関関係を示す図。 本発明の実施形態１に係る湿り蒸気の乾き度と光の強度の標準偏差との相関関係を示す図。 湿り蒸気の液相部分が比較的多い場合の管路断面の模式図。 湿り蒸気の液相部分が比較的少ない場合の管路断面の模式図。 本発明の実施形態２に係る乾き度測定装置の模式図。 本発明の実施形態２に係る湿り蒸気の圧力と乾き度と光の強度の標準偏差との相関関係を示す図。 本発明の実施形態３に係る乾き度測定装置の模式図。 本発明の実施形態３に係る湿り蒸気の温度と乾き度と光の強度の標準偏差との相関関係を示す図。 本発明の実施形態４に係る乾き度測定装置の模式図。 本発明の実施形態４に係る湿り蒸気の乾き度と吸光度の標準偏差との相関関係を示す図。

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。
「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。

「ばらつき量」：母集団となる光の強度または吸光度の測定値の差異を定量化した値であり限定はないが、本実施形態では、母集団の分散の平方根で表される「標準偏差」で表すものとする。

（原理説明）
まず本発明の原理を、図２−図５を参照しながら説明する。
上述したように、本願発明者は、湿り蒸気が安定していない過渡状態において乾き度を測定する技術を鋭意研究し、湿り蒸気を透過した光の強度または吸光度のばらつきと湿り蒸気の乾き度とが強い相関関係を有するという知見を得るに至った。

湿り蒸気がパイプ（配管）を流れると、湿り蒸気の液相部分（飽和水）と気相部分（飽和蒸気）とが湿り蒸気の流速に応じてパイプ内で偏在するようになる。このようなパイプの側壁に光の透過路を設け、湿り蒸気の流通方向に交差する横方向から光を透過させ、湿り蒸気を透過する光の強度を測定したところ、光の強度のばらつき量がパイプ内部の湿り蒸気の乾き度と強い相関関係を有することを発見するに至った。

図２は、時間に応じて変化する、湿り蒸気を透過する光の強度の標準偏差と、それに対応する湿り蒸気の乾き度を示すとの相関関係を示す図である。図２において、特性ｆ１は、標準偏差である。当該標準偏差は、所定の単位期間、例えば約３００ｍｓｅｃごとに連続１００サンプルを取得して、合計約３０秒間の期間を1単位として標準偏差を計算し、湿り蒸気を透過した光の強度のばらつき量としてプロットしたものである。図２に示されるように、光の強度のばらつき量（標準偏差）は、パイプ内部の湿り蒸気の状態に依存して刻一刻と変動する。一方、図２の特性ｆ２は、同じ時間軸について、パイプ内部の湿り蒸気の乾き度を測定してプロットしたものである。

光の強度のばらつき量に係る特性ｆ１と湿り蒸気の乾き度に係る特性ｆ２とを比べると、光の強度のばらつき量が多い（標準偏差が大きい）ほど、湿り蒸気の乾き度が小さく、光の強度のばらつき量が少ない（標準偏差が小さい）ほど、湿り蒸気の乾き度が大きくなることが判る。また光の強度のばらつき量の変化に対応する湿り蒸気の乾き度の変化は、対応しているように見える。

そこで、湿り蒸気の乾き度と光の強度のばらつき量との関係を調べるために、これら２つのパラメータを直交軸にプロットすると、図３に示されるような関係があることが判った。

図３は、湿り蒸気の乾き度と光の強度の標準偏差との相関関係を示す図である。図３では、乾き度に対する光強度のばらつき量（標準偏差）に係る特性ｆ１が点の集合で示され、この光強度のばらつき量に係る特性ｆ１を直線近似した特性ｆ２が直線で示されている。図３に示すように、湿り蒸気の乾き度が下がると光の強度のばらつき量（標準偏差）が大きくなり、湿り蒸気の乾き度が上がると光の強度のばらつき量が小さくなるという関係にあることが示されており、湿り蒸気の乾き度は、湿り蒸気を透過した光の強度のばらつき量と線形的な一次相関関係があることが判明した。

なお、図３では、湿り蒸気の乾き度と光の強度のばらつき量との間に一次相関関係があることが示されているが、これに限らない。湿り蒸気の状態や光の検出方法等の測定条件によって、一次相関とは異なる相関関係を有することも考えられる。本発明は、湿り蒸気の乾き度と光の強度のばらつき量との関係が、実験等で確認可能な一定の相関関係（例えば、多次相関、指数対数的相関等）を有していれば、適用することが可能である。

この現象は、湿り蒸気の乾き度が上昇し、湿り蒸気のうち液相部分（飽和水）の量が増えると光の強度のばらつき量が増え、湿り蒸気の乾き度が下降し、湿り蒸気のうち液相部分の量が減少すると光の強度のばらつき量が減るということであり、図４および図５のようなモデルから理解することができる。

図４は湿り蒸気の液相部分が比較的多い場合のパイプ（管路）断面の模式図であり、図５は湿り蒸気の液相部分が比較的少ない場合のパイプ（管路）断面の模式図である。図４および図５に示すように、湿り蒸気がある程度の速さで流れている場合、湿り蒸気のうちの液相部分（飽和水）は、パイプ２０の内壁に沿って流れ、パイプ２０の軸芯近くに集まって流れるようになる。

ここで、図４に示すように、湿り蒸気の液相部分が比較的多くなると、すなわち湿り蒸気の乾き度が低くなると、パイプ２０の内壁面に形成される液相部分の厚み（内壁面から見た高さ）が大きくなる。液相部分の厚みが大きくなると、図４に示されるように、液相部分の表面が相対的に大きく波打つようになって、液相部分の高さの最大値ｈｍａｘと最小値ｈｍｉｎとの差も大きくなる。このような状態の湿り蒸気にパイプ２０の直径方向から光を照射した場合、湿り蒸気を透過する光の強度は、液相部分の高さに対応して変化するため、液相部分の高さの最大値ｈｍａｘと最小値ｈｍｉｎとの差が大きいと、それに連れて光の強度のばらつき量も大きくなると考えられる。

一方、図５に示すように、湿り蒸気の液相部分が比較的少なくなると、すなわち湿り蒸気の乾き度が高くなると、パイプ２０の内壁面に形成される液相部分の厚みが小さくなる。液相部分の厚みが小さくなると、図５に示されるように、液相部分の表面に生ずる波が小さくなって、液相部分の高さの最大値ｈｍａｘと最小値ｈｍｉｎとの差が小さくなる。このような状態の湿り蒸気をパイプ２０の直径方向から透過する光の強度は、比較的小さな液相部分の高さの最大値ｈｍａｘと最小値ｈｍｉｎとの差に対応したものとなり、光の強度のばらつき量が小さくなると考えられる。

なお、図４および図５で示した断面図は、現象を理解するための簡略したモデルにすぎず、これらの図に限定されるものではない。パイプを流れる湿り蒸気の相状態はその流速や乾き度、温度や圧力によって種々に変化するものである。湿り蒸気の相状態がどのように変動しても、湿り蒸気の乾き度と光の強度のばらつき量との間に相関関係があるものと理解すべきである。

また、湿り蒸気の相状態は、一般に、湿り蒸気の圧力に影響を受けるものであるため、湿り蒸気の圧力に応じて、光の強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との相関関係も影響を受けると考えられる。

さらに、湿り蒸気の相状態は、一般に、湿り蒸気の温度にも影響を受けるものであるため、湿り蒸気の温度に応じて、光の強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との相関関係も影響を受けると考えられる。

さらにまた、上記説明では、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に言及したが、湿り蒸気により光は吸収、反射、散乱させられるため、光の強度が変化するのに対応して、吸光度も変化する。よって、吸光度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との間にも、上記同様の相関関係があるものと考えるべきである。

以下、上記原理に鑑み本願発明者が鋭意考案した本発明の実施形態を説明する。実施形態１では、湿り蒸気の圧力および温度の影響を考慮しなくてよい状況における光の強度のばらつき量に基づく乾き度測定装置を説明する。実施形態２では、湿り蒸気の圧力を考慮する場合における乾き度測定装置を説明する。実施形態３では、湿り蒸気の温度を考慮する場合における乾き度測定装置を説明する。実施形態４では、吸光度のばらつき量に基づく乾き度測定装置を説明する。

（実施形態１）
本実施形態１は、湿り蒸気を透過した光の強度のばらつきと乾き度との相関関係に基づいて乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。特に本実施形態１は、湿り蒸気の圧力および温度の影響を考慮しなくてよい場合、例えば、湿り蒸気の圧力および温度とも、光の強度のばらつき量に大きな影響を与えないような条件で実施される乾き度測定について説明する。

（構成）
図１に、本実施形態１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、実施形態１に係る乾き度測定装置１は、測定対象の湿り蒸気を透過した光の強度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する装置であり、例示的に、発光部１１、受光部１２、ばらつき量測定部１０１、乾き度測定部１０２、および記憶装置２００を備えて構成される。

上記の構成のうち、発光部１１および受光部１２については、湿り蒸気を透過する光の強度に対応する物理量を出力可能であれば、任意の構成が適用可能であるため、オプショナルな構成である。

また、上記した構成要素のうち、ばらつき量測定部１０１および乾き度測定部１０２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。コンピュータ装置１００は、例示として、入力装置１０４、出力装置１０６、プログラム記憶装置１０８、一時記憶装置１１０、および記憶装置２００を備える。

入力装置１０４は、オペレータが所定の指示を操作する入力手段である。入力装置１０４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。出力装置１０６は、オペレータに対しコンピュータ装置１００の処理結果を示す出力手段である。出力装置１０６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１０６は、例えば、乾き度測定部１０２が算出したパイプ２０内部の湿り蒸気の乾き度χ等を表示する。プログラム記憶装置１０８は、コンピュータ装置１００を上記機能ブロックとして機能させるためのソフトウェアプログラムを格納するメモリである。一時記憶装置１１０は、コンピュータ装置１００がソフトウェアプログラムを実行するに際に一時的にデータを記憶するメモリである。

記憶装置２００は、コンピュータ装置１００から参照可能に接続されているメモリであり、相関関係記憶部２０１を備える。相関係記憶部２０１は、乾き度測定部１０２が演算処理を実行するにあたり必要な、光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係を示す相関関係テーブルを格納する記憶領域である。相関関係記憶部２０１は、後述する関係式で代替可能であり、よってオプショナルな構成であるといえる。

発光部１１は、所定の波長の光を射出する発光手段である。例えば、発光部１１としては、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。

発光部１１には、光導波路２１を接続してもよい。光導波路２１は、パイプ２０の側壁を貫通して設けられたり、パイプ２０の側壁に設けられた光透過性の窓に接続されたりする。例えば、光導波路２１により伝搬された光は、光導波路２１の端部からパイプ２０の内部に進入する。光導波路２１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、発光部１１が発した光を伝搬可能であれば、これに限定されない。

パイプ２０は、測定対象となる湿り蒸気が流通する配管である。パイプ２０には、上記した光導波路２１から照射され、パイプ２０の内部の湿り蒸気を通過した光が進入する光導波路２２を接続してもよい。光導波路２２は、パイプ２０の側壁を貫通して設けられたり、パイプ２０の側壁に設けられた光透過性の窓に接続されたりする。光導波路２２の端部は、パイプ２０の径方向で光導波路２１の端部と対向している。光導波路２２は、パイプ２０の内部の湿り蒸気を透過した光を受光部１２に導くことが可能に構成されている。

受光部１２は、パイプ２０内の湿り蒸気を透過した光を受ける受光手段である。例えば、受光部１２としては、には、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。受光部１２は、湿り蒸気を透過した光の強度に応じた受光信号Ｓｄを出力する。

なお、パイプ２０の側壁に光導波路２１を設けずに発光部１１を接近させて設けてもよく、パイプ２０の側壁に光導波路２２を設けずに受光部１２を接近させて設けてもよい。また図１では、発光部１１と受光部１２とが対向して設けられているが、この代わりに、発光部と受光部との双方が一体化された発光受光素子を用いてもよい。発光受光素子を用いる場合、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もよい。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、再びパイプ内を進行して発光受光素子に受光される。さらに、発光部１１および受光部１２に代えて、公知の分光計など、光の強度に対応する出力が得られる分光計等の光学的計測機器を適用することも可能である。

ばらつき量測定部１０１は、測定対象の湿り蒸気を透過した光の強度のばらつき量を測定する測定手段である。具体的には、ばらつき量測定部１０１は、受光部１２から受光信号Ｓｄを入力し、所定の間隔で所定のサンプル数だけ、例えば、３００ｍｓｅｃ間隔で１００サンプルだけ、受光信号Ｓｄが示す光の強度をサンプリングし、そのサンプル数分の光の強度の標準偏差を、光の強度のばらつき量σとして算出する。このサンプリング間隔およびサンプル数は、乾き度測定部１０２が参照する光の強度のばらつき量と乾き度との相関関係の測定時と同じか、または、対応関係にある必要がある。

乾き度測定部１０２は、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１に記憶された光の強度のばらつき量と乾き度との相関関係に基づいて湿り蒸気の乾き度χを測定する測定手段である。具体的には、乾き度測定部１０２は、ばらつき量測定部１０１が測定したばらつき量σを参照値として、記憶装置２０の相関関係記憶部２０１を参照し、ばらつき値σ（標準偏差）に対応する乾き度χを取得し、出力値として出力する。

相関関係記憶部２０１には、例えば、図３に示すような、光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係がデータテーブルとして格納される。この相関関係は、当該乾き度測定装置１が想定している湿り蒸気について、予め規定された圧力と温度における、光強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との関係を示すものである。

なお、光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係は、ある一定の相関関係を有するため、当該関係を以下の式（１）のような関係式として記述することもできる。光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係が、図３に示したような一次相関関係であれば、式（１）は一次関数の近似式として記述することが可能である。

乾き度χ＝ｆ（σ） …（１）

したがって、関係式を用いる場合には、乾き度測定部１０２は、光の強度のばらつき量σを式（１）に代入し、乾き度χを演算して出力する。

（動作）
次に本実施形態１の動作を説明する。
まず、湿り蒸気がパイプ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、発光部１１に光を発光させる。発光部１１から光導波路２１を伝播した光は、パイプ２０内部の湿り蒸気に照射される。

湿り蒸気を透過した光は、パイプ２０の反対側にある光導波路２２に入射して伝播し、受光部１２にて受光される。受光部１２は、湿り蒸気を透過した光の強度に対応した受光信号Ｓｄを出力する。

ばらつき量測定部１０１は、受光信号Ｓｄを参照して、予め規定されたサンプルの間隔およびサンプル数の光の強度からばらつき量（標準偏差）σを演算する。もしも、乾き度測定部１０２が参照する光の強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との相関関係を示すデータテーブルまたは関係式を作成した時のサンプルの間隔および／またはサンプル数が異なる場合には、所定の変換演算をしてばらつき量σを演算する。

次いで、乾き度測定部１０２は、演算されたばらつき量σを参照値として記憶装置２００の相関関係記憶部２０１を参照するか、上記式（１）のような関係式に基づく演算をして、対応する湿り蒸気の乾き度χを出力する。出力された湿り蒸気の乾き度χは、例えば、出力装置１０６に表示される。

（効果）
以上説明した実施形態１によれば、湿り蒸気の相状態に影響を受けない光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係に基づき乾き度χを演算可能なので、湿り蒸気が過渡状態であったとしても湿り蒸気の乾き度を確実に測定することが可能である。

（実施形態２）
上記実施形態１は、湿り蒸気の圧力および温度の影響を考慮しなくてよい場合における乾き度測定装置を説明したが、本実施形態２では、湿り蒸気の圧力を考慮する場合における乾き度測定装置に関する。

（構成）
図６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６に示すように、実施形態２に係る乾き度測定装置１ｂは、測定対象の湿り蒸気の圧力に対応した、湿り蒸気の光の強度のばらつき量に基づいて乾き度を測定する装置であり、例示的に、発光部１１、受光部１２、ばらつき量測定部１０１、乾き度測定部１０２ｂ、および相関関係記憶部２０１ｂを含む記憶装置２００を備えて構成される。

本実施形態２では、さらに圧力センサ２３を備えている。圧力センサ２３は、パイプ２０に配置されており、パイプ２０内部の湿り蒸気の圧力ｐを計測して圧力信号Ｓｐとしてコンピュータ装置１００に出力する。

上記の構成のうち、発光部１１、受光部１２、および相関関係記憶部２０１ｂがオプショナルな構成であり、ばらつき量測定部１０１および乾き度測定部１０２ｂが、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点は、上記実施形態１と同じである。

本実施形態２では、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１ｂが、湿り蒸気の圧力ｐに対応した光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係を示す相関関係テーブルを格納し、乾き度測定部１０２ｂが、相関関係記憶部２０１ｂに記憶された、湿り蒸気の圧力に対応した光の強度のばらつき量と乾き度との相関関係に基づいて湿り蒸気の乾き度χを測定する点で、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。

具体的には、乾き度測定部１０２ｂは、圧力センサ２３が検出した湿り蒸気の圧力ｐを示す圧力信号Ｓｐ、および、ばらつき量測定部１０１が測定したばらつき量σを参照値として、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１ｂを参照し、当該圧力ｐに対応した相関関係からばらつき値σ（標準偏差）に対応する乾き度χを取得し、出力値として出力する。

相関関係記憶部２０１ｂには、例えば、図７に示すような、湿り蒸気の圧力ｐの大きさに対応させた光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの複数の相関関係ｆｐ１〜ｆｐ４がデータテーブルとして格納される。この相関関係ｆｐ１〜ｆｐ４は、当該乾き度測定装置１ｂが想定している湿り蒸気について、湿り蒸気の圧力ごとに光強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との関係を例示したものである。

なお、湿り蒸気の圧力ｐに対応した光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係は、ある一定の相関関係を有するため、当該関係を以下の式（２）のような関係式として記述することもできる。圧力ｐごとの光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係が、図７に示したような一次相関関係であれば、式（２）は一次関数の近似式として記述することが可能である。

乾き度χ＝ｆ（σ、ｐ） …（２）

したがって、関係式を用いる場合には、乾き度測定部１０２ｂは、湿り蒸気の圧力ｐに対応した光の強度のばらつき量σを式（２）に代入し、乾き度χを演算して出力する。

（動作）
次に本実施形態２の動作を説明する。
まず、湿り蒸気がパイプ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、発光部１１に光を発光させる。発光部１１から光導波路２１を伝播した光は、パイプ２０内部の湿り蒸気に照射される。

湿り蒸気を透過した光は、パイプ２０の反対側にある光導波路２２に入射して伝播し、受光部１２にて受光される。受光部１２は、湿り蒸気を透過した光の強度に対応した受光信号Ｓｄを出力する。

また圧力センサ２３は、パイプ２０内を流れる湿り蒸気の圧力ｐを計測して圧力信号Ｓｐとしてコンピュータ装置１００に出力する。

ばらつき量測定部１０１は、受光信号Ｓｄを参照して、予め規定されたサンプルの間隔およびサンプル数の光の強度からばらつき量（標準偏差）σを演算する。もしも、乾き度測定部１０２が参照する光の強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との相関関係を示すデータテーブルまたは関係式を作成した時のサンプルの間隔および／またはサンプル数が異なる場合には、所定の変換演算をしてばらつき量σを演算する。

次いで、乾き度測定部１０２ｂは、計測された湿り蒸気の圧力ｐ、および、演算されたばらつき量σを参照値として相関関係記憶部２０１ｂを参照するか、上記式（２）のような関係式に基づいて演算し、対応する湿り蒸気の乾き度χを出力する。出力された湿り蒸気の乾き度χは、例えば、出力装置１０６に表示される。

（効果）
以上説明した実施形態２によれば、湿り蒸気の相状態に影響を受けない光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係に基づき乾き度χを演算可能なので、湿り蒸気が過渡状態であったとしても湿り蒸気の乾き度を確実に測定することが可能である。

特に本実施形態２によれば、湿り蒸気の圧力ｐに対応して用意された光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係を用いるので、湿り蒸気の圧力が乾き度に影響を与えるような条件下でも正確な湿り蒸気の乾き度を測定可能である。

（実施形態３）
上記実施形態２では、湿り蒸気の圧力を考慮したが、本実施形態３では、湿り蒸気の温度を考慮する場合における乾き度測定装置に関する。

（構成）
図８に、本実施形態３における乾き度測定装置１ｃの構成を示す。図８に示すように、実施形態３に係る乾き度測定装置１ｃは、測定対象の湿り蒸気の温度に対応した、湿り蒸気の光の強度のばらつき量に基づいて乾き度を測定する装置であり、例示的に、発光部１１、受光部１２、ばらつき量測定部１０１、乾き度測定部１０２ｃ、および相関関係記憶部２０１ｃを含む記憶装置２００を備えて構成される。

本実施形態３では、さらに温度センサ２４を備えている。温度センサ２４は、パイプ２０に配置されており、パイプ２０内部の湿り蒸気の温度ｔを計測して温度信号Ｓｔとしてコンピュータ装置１００に出力する。

上記の構成のうち、発光部１１、受光部１２、および相関関係記憶部２０１ｃがオプショナルな構成であり、ばらつき量測定部１０１および乾き度測定部１０２ｃが、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点は、上記実施形態１と同じである。

本実施形態３では、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１ｃが、湿り蒸気の温度ｔに対応した光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係を示す相関関係テーブルを格納し、乾き度測定部１０２ｃが、相関関係記憶部２０１ｃに記憶された、湿り蒸気の温度に対応した光の強度のばらつき量と乾き度との相関関係に基づいて湿り蒸気の乾き度χを測定する点で、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。

具体的には、乾き度測定部１０２ｃは、温度センサ２４が検出した湿り蒸気の温度ｔを示す温度信号Ｓｔ、および、ばらつき量測定部１０１が測定したばらつき量σを参照値として、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１ｃを参照し、当該温度ｔに対応した相関関係からばらつき値σ（標準偏差）に対応する乾き度χを取得し、出力値として出力する。

相関関係記憶部２０１ｃには、例えば、図９に示すような、湿り蒸気の温度ｔの大きさに対応させた光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの複数の相関関係ｆｔ１〜ｆｔ４がデータテーブルとして格納される。この相関関係ｆｔ１〜ｆｔ４は、当該乾き度測定装置１が想定している湿り蒸気について、湿り蒸気の温度ごとに光強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との関係を示すものである。

なお、湿り蒸気の温度ｔに対応した光の強度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係は、ある一定の相関関係を有するため、当該関係を以下の式（３）のような関係式として記述することもできる。温度ｔごとの光の強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係が、図９に示したような一次相関関係であれば、式（３）は一次関数の近似式として記述することが可能である。

乾き度χ＝ｆ（σ、ｔ） …（３）

したがって、関係式を用いる場合には、乾き度測定部１０２ｃは、湿り蒸気の温度ｔに対応した光の強度のばらつき量σを式（３）に代入し、乾き度χを演算して出力する。

（動作）
次に本実施形態３の動作を説明する。
まず、湿り蒸気がパイプ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、発光部１１に光を発光させる。発光部１１から光導波路２１を伝播した光は、パイプ２０内部の湿り蒸気に照射される。

湿り蒸気を透過した光は、パイプ２０の反対側にある光導波路２２に入射して伝播し、受光部１２にて受光される。受光部１２は、湿り蒸気を透過した光の強度に対応した受光信号Ｓｄを出力する。

また温度センサ２４は、パイプ２０内を流れる湿り蒸気の温度ｔを計測して温度信号Ｓｔとしてコンピュータ装置１００に出力する。

ばらつき量測定部１０１は、受光信号Ｓｄを参照して、予め規定されたサンプルの間隔およびサンプル数の光の強度からばらつき量（標準偏差）σを演算する。もしも、乾き度測定部１０２が参照する光の強度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との相関関係を示すデータテーブルまたは関係式を作成した時のサンプルの間隔および／またはサンプル数が異なる場合には、所定の変換演算をしてばらつき量σを演算する。

次いで、乾き度測定部１０２ｃは、計測された湿り蒸気の温度ｔ、および、演算されたばらつき量σを参照値として相関関係記憶部２０１ｃを参照するか、上記式（３）のような関係式に基づいて演算し、対応する湿り蒸気の乾き度χを出力する。出力された湿り蒸気の乾き度χは、例えば、出力装置１０６に表示される。

（効果）
以上説明した実施形態３によれば、湿り蒸気の相状態に影響を受けない光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係に基づき乾き度χを演算可能なので、湿り蒸気が過渡状態であったとしても湿り蒸気の乾き度を確実に測定することが可能である。

特に本実施形態３によれば、湿り蒸気の温度ｔに対応して用意された光の強度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係を用いるので、湿り蒸気の温度が乾き度に影響を与えるような条件下でも正確な湿り蒸気の乾き度を測定可能である。

（実施形態４）
上記実施形態１〜実施形態３は、光の強度のばらつき量に基づいて湿り蒸気の乾き度を計測していたが、本実施形態４では、吸光度のばらつき量に基づいて湿り蒸気の乾き度を計測する乾き度測定装置に関する。

（構成）
図１０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１０に示すように、本実施形態４に係る乾き度測定装置１ｄは、湿り蒸気の吸光度のばらつき量に基づいて乾き度を測定する装置であり、例示的に、発光部１１、分光光度計１３、ばらつき量測定部１０１ｂ、乾き度測定部１０２ｄ、および記憶装置２００を備えて構成される。

本実施形態４では、まず受光部１２に代えて分光光度計１３を備える点で、上記実施形態と異なる。分光光度計１３は、湿り蒸気を透過した光の強度に基づき吸光度を計測する計測手段であり、その構成に限定はない。

また、ばらつき量測定部１０１ｂは、吸光度のばらつき量σを測定し、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１ｄが吸光度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係を示す相関関係テーブルを格納し、乾き度測定部１０２ｄが、相関関係記憶部２０１ｄに記憶された、吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係に基づいて湿り蒸気の乾き度χを測定する点で、上記実施形態１と異なる。

なお、上記の構成のうち、ばらつき量測定部１０１ｂおよび乾き度測定部１０２ｄが、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点は、上記実施形態１と同じである。

具体的に、分光光度計１３は、湿り蒸気を透過する光の強度に基づいて、吸光度を演算し、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（４）のように定義される。

吸光度Ａ＝−ｌｏｇ₁₀（Ｉ／Ｉ₀） …（４）

以上より、湿り蒸気を透過する光の強度を計測できれば、一義的に吸光度Ａが特定される。したがって、コンピュータ装置１００が上記実施形態１〜３のように光の強度を含む受光信号Ｓｄを入力し、式（４）に基づいて吸光度Ａを計算するように構成してもよい。

ばらつき量測定部１０１ｂは、分光光度計１３から吸光度信号Ｓａを入力し、所定の間隔で所定のサンプル数だけ、例えば、３００ｍｓｅｃ間隔で１００サンプルだけ、吸光度信号Ｓａが示す吸光度をサンプリングし、そのサンプル数分の吸光度の標準偏差を、吸光度のばらつき量σとして算出する。

乾き度測定部１０２ｄは、ばらつき量測定部１０１ｂが測定した吸光度のばらつき量σを参照値として、記憶装置２００の相関関係記憶部２０１ｄを参照し、吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係から、吸光度のばらつき値σ（標準偏差）に対応する乾き度χを取得し、出力値として出力する。

相関関係記憶部２０１ｄには、例えば、図１１に示すような、吸光度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの複数の相関関係ｆ３がデータテーブルとして格納される。吸光度のばらつき量σ（標準偏差）と湿り蒸気の乾き度χとの相関関係についても、ある一定の相関関係を有するため、当該関係を以下の式（５）のような関係式として記述することもできる。吸光度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係が、図１１に示したような一次相関関係であれば、式（５）は一次関数の近似式として記述することが可能である。

乾き度χ＝ｇ（σ） …（５）

したがって、関係式を用いる場合には、乾き度測定部１０２ｄは、吸光度のばらつき量σを式（５）に代入し、乾き度χを演算して出力する。

（動作）
次に本実施形態４の動作を説明する。
まず、湿り蒸気がパイプ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、発光部１１に光を発光させる。発光部１１から光導波路２１を伝播した光は、パイプ２０内部の湿り蒸気に照射される。

湿り蒸気を透過した光は、パイプ２０の反対側にある光導波路２２に入射して伝播し、分光光度計１３にて受光される。分光光度計１３は、湿り蒸気を透過した光の強度に対応した吸光度を示す吸光度信号Ｓａを出力する。

ばらつき量測定部１０１ｂは、吸光度信号Ｓａを参照して、予め規定されたサンプルの間隔およびサンプル数の吸光度からばらつき量（標準偏差）σを演算する。もしも、乾き度測定部１０２ｄが参照する吸光度のばらつき量と湿り蒸気の乾き度との相関関係を示すデータテーブルまたは関係式を作成した時のサンプルの間隔および／またはサンプル数が異なる場合には、所定の変換演算をしてばらつき量σを演算する。

次いで、乾き度測定部１０２ｄは、演算された吸光度のばらつき量σを参照値として相関関係記憶部２０１ｄを参照するか、上記式（５）のような関係式に基づいて演算し、吸光度のばらつき量に対応する湿り蒸気の乾き度χを出力する。出力された湿り蒸気の乾き度χは、例えば、出力装置１０６に表示される。

（効果）
以上説明した実施形態４によれば、湿り蒸気の相状態に影響を受けない吸光度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係に基づき乾き度χを演算可能なので、湿り蒸気が過渡状態であったとしても湿り蒸気の乾き度を確実に測定することが可能である。

（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。

（１）例えば、上記実施形態２および上記実施形態３において、上記実施形態４に記載されているように、吸光度のばらつき量と湿り蒸気の圧力ｐまたは／および温度ｔに基づき、湿り蒸気の乾き度χを測定するように構成してもよい。すなわち、測定された圧力ｐや温度ｔごとの吸光度のばらつき量σと湿り蒸気の乾き度χとの相関関係をデータテーブルとして相関関係記憶部２０１に格納しておき適宜読み出して出力するか、式（６）で記述して演算することが可能である。

乾き度χ＝ｇ（σ、ｐ、ｔ） …（６）

（２）また、本発明は、上記実施形態２と実施形態３とを組み合わせて実施することも可能である。すなわち、圧力ｐおよび温度ｔの双方に対応させて、光の強度のばらつき量と乾き度との相関関係を保持するように乾き度測定装置を構成してもよい。そして、湿り蒸気の圧力ｐと温度ｔとをともに計測し、計測された圧力ｐおよび温度ｔに対応した相関関係を記録したデータテーブルを相関関係記憶部２０１から適宜読み出して出力するか、式（７）で記述して演算することが可能である。

乾き度χ＝ｆ（σ、ｐ、ｔ） …（７）

（３）また、上述した実施形態では、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。

本願発明によれば、湿り蒸気の乾き度を測定できるようになるから、過渡状態における乾き度に基づき制御を行うようなシステムやプラントに適用可能である。

さらに本発明は、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蒸気の安定を待つことなくリアルタイムに計測（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。

１１ 発光部
１２ 受光部
１３ 分光光度計
２０ パイプ（配管）
２１、２２ 光導波路
１００ コンピュータ装置
１０１ ばらつき測定部
１０２ 乾き度測定部
１０４ 入力装置
１０６ 出力装置
１０８ プログラム記憶装置
１１０ 一時記憶装置
２００ 記憶装置
２０１ 相関関係記憶部

Claims (5)

1. 測定対象の湿り蒸気を透過した光の強度または吸光度のばらつき量を測定するばらつき量測定部と、
   前記光の強度または吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係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部と、を備えた、
   乾き度測定装置。
2. 前記湿り蒸気の圧力を計測する圧力計測部をさらに備え、
   前記相関関係は、前記湿り蒸気の圧力に対応した前記光の強度または前記吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係であり、
   前記乾き度測定部は、計測された前記湿り蒸気の圧力に対応する前記相関関係に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する、
   請求項１に記載の乾き度測定装置。
3. 前記湿り蒸気の温度を計測する温度計測部をさらに備え、
   前記相関関係は、前記湿り蒸気の温度に対応した前記光の強度または前記吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係であり、
   前記乾き度測定部は、計測された前記湿り蒸気の温度に対応する前記相関関係に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定する、
   請求項１または２に記載の乾き度測定装置。
4. 前記測定対象の湿り蒸気に光を照射する発光部と、
   前記湿り蒸気を透過した光を受ける受光部と、
   受けた前記光の強度を計測する光強度計測部と、
   前記光の強度または前記吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係を記憶する相関関係記憶部と、
   をさらに備え、
   前記ばらつき量測定部は、前記光の強度または前記吸光度のばらつき量を測定し、
   前記乾き度測定部は、測定された前記光の強度または前記吸光度のばらつき量を参照値として前記相関関係記憶部に格納された前記相関関係を参照し、前記湿り蒸気の乾き度を測定する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の乾き度測定装置。
5. 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を受光することと、
   前記光の強度または吸光度のばらつき量と乾き度との相関関係に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、を含む、
   乾き度測定方法。

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