JP6175370B2 - 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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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。
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。
また、特許文献２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。
特開平８−３１２９０８号公報 特開２０１３−０９２４５７号公報
上記特許文献１や特許文献２に記載された発明は、配管の中を流れる湿り蒸気が均一の密度で分布していることを理論的な前提として湿り蒸気の乾き度を演算により測定している。しかしながら、本願発明者が実際に配管を流れる湿り蒸気の状態と測定される乾き度との関係を鋭意検証したところ、湿り蒸気の流速、流量等（状態）によっては、特定の部位における湿り蒸気の状態に基づいて演算された乾き度が、湿り蒸気全体の適正な乾き度を代表していないという問題があることを見いだした。
例えば、配管を流れる湿り蒸気が噴霧流（湿り蒸気の気相部分に液相部分が分散している状態）の場合、配管の壁面の影響を受けないため、湿り蒸気の流速、流量等によらず、液相部分と気相部分の流速はほぼ同等であると考えられる。しかし、湿り蒸気が波状流（湿り蒸気の気相部分と液相部分とが分離し液相部分が配管に壁面に沿って流れている状態）等の場合、液相部分は配管の壁面の影響を受けるため、湿り蒸気の流速、流量等によっては、液相部分と気相部分との流速が大きく異なることになる。このように気相部分と液相部分との流速の比が湿り蒸気の流速、流量等によって変化することにより、乾き度計測が正確に行えない可能性がある。
そこで、本発明は、湿り蒸気の状態に応じた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、本発明の一実施形態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光の強度または吸光度を計測する計測部と、前記湿り蒸気の気相部分の第１流速と前記湿り蒸気の液相部分の第２流速とを測定する第１センサと、測定された前記湿り蒸気の前記第１流速および前記第２流速に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する計測値補正部と、補正された前記光の強度または前記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部と、を備える。
また、本発明の一実施形態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光の強度または吸光度を計測する計測部と、前記湿り蒸気の気相部分の第１流量と前記湿り蒸気の液相部分の第２流量とを測定する第１センサと、測定された前記湿り蒸気の前記第１流量及び前記第２流量に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する計測値補正部と、補正された前記光の強度または前記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部と、を備える。
また、上記課題を解決するために、本発明の一実施形態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光の強度または吸光度を計測することと、前記湿り蒸気の気相部分の第１流速と前記湿り蒸気の液相部分の第２流速とを測定することと、測定された前記湿り蒸気の前記第１流速および前記第２流速に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正することと、補正された前記光の強度または前記吸光度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。
また、本発明の一実施形態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光の強度または吸光度を計測することと、前記湿り蒸気の気相部分の第１流量と前記湿り蒸気の液相部分の第２流量とを測定することと、測定された前記湿り蒸気の前記第１流量および前記第２流量に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正することと、補正された前記光の強度または前記吸光度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。
本発明によれば、湿り蒸気の流速や流量に基づいて補正された、湿り蒸気の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、湿り蒸気の流速に応じた正確な乾き度を測定することができる。
本発明の第１実施形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第４実施形態に係る乾き度測定装置の模式図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。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。
（第１実施形態）
第１実施形態は、湿り蒸気の流速や流量の影響を考慮した光の強度または吸光度に基づく乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。
（構成）
図１に、第１本実施形態における乾き度測定装置１ａの構成を示す。図１に示すように、第１実施形態に係る乾き度測定装置１ａは、例示的に、光入射部１１、受光部１２、流速センサ３０（第１センサ）、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、計測値補正部１０１ａ、及び乾き度測定部１０２ａを備えて構成される。
光入射部１１は、所定の波長の光を射出する発光手段である。例えば、光入射部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。
光入射部１１には、入射側筒２１を接続してもよい。入射側筒２１は、配管２０の側壁を貫通して設けられ、配管２０の側壁に設けられた光透過性のガラス窓（不図示）に接続される。例えば、入射側筒２１により伝搬された光は、入射側筒２１の端部から入射開口Ａ１を介して光経路Ｌに沿って配管２０の内部に進入する。入射側筒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、光入射部１１が発した光を伝搬可能であれば、これに限定されない。
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。配管２０には、入射側筒２１から照射され、配管２０の内部の湿り蒸気を透過又は反射した光が射出開口Ａ２を介して進入する射出側筒２２を接続してもよい。射出側筒２２は、配管２０の側壁を貫通して設けられ、配管２０の側壁に設けられた光透過性のガラス窓（不図示）に接続される。射出側筒２２の端部は、配管２０の径方向での入射側筒２１の端部と対向している。射出側筒２２は、配管２０のガラス窓を介して光経路Ｌに沿って配管２０内部の湿り蒸気を透過又は反射した光を受光部１２に導くことが可能に構成されている。
なお、配管２０の側壁に入射側筒２１を設けずに光入射部１１を接近させて設けてもよく、配管２０の側壁に射出側筒２２を設けずに受光部１２を接近させて設けてもよい。
受光部１２は、配管２０内の湿り蒸気を透過又は反射した光を受けて、光の強度及び／又は吸光度を計測する計測手段である。例えば、受光部１２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。受光部１２は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度に応じた光強度信号Ｓｄをコンピュータ装置１００に出力する。
また、受光部１２として、分光光度計など、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、分光光度計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をコンピュータ装置１００に出力する。
受光部１２として分光光度計を用いる場合、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（１）のように定義される。

吸光度Ａ＝−ｌｏｇ10（Ｉ／Ｉ0） …（１）

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。
なお、受光部１２に吸光度Ａを出力させる代わりに、コンピュータ装置１００が光の強度を含む光強度信号Ｓｄを入力し、式（１）に基づいて吸光度Ａを計算するように構成してもよい。
また、本実施形態においては、受光部１２は一つのみ設けられているが、受光部１２は二つ以上あってもよく、受光部１２の数に特に制限はない。さらに、受光部１２については、湿り蒸気を透過又は反射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。
流速センサ３０（第１センサ）は、配管２０に配置されている。配管２０内の湿り蒸気の流速ｆｖを検出して流速ｆｖに応じた流速信号Ｓｆｖとしてコンピュータ装置１００に出力する。また、流速センサ３０は、湿り蒸気の液相部分と気相部分のそれぞれの流速を検出することができる。さらに、流速センサ３０は、湿り蒸気の液相部分と気相部分の一方の相の流速を検出し、その検出結果に基づいて他の相の流速を演算により求めることができるように構成されていてもよい。
また、上述した構成要素のうち、計測値補正部１０１ａ、乾き度測定部１０２ａ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。
計測値補正部１０１ａは、測定対象の湿り蒸気を透過又は反射した光の強度及び／又は吸光度の値を補正する補正手段である。具体的には、計測値補正部１０１ａは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。そして、流速信号Ｓｆｖに基づいて生成される補正係数αに基づいて、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖに基づいて生成される補正係数αに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
乾き度測定部１０２ａは、補正された光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する測定手段である。具体的に、通常、乾き度は、気相部分の光の強度ＩＶ、液相部分の光の強度ＩＷを用いて、以下の式（２）のような関係式として記述することができる。また、乾き度は、気相部分の光の吸光度ＡＶ、液相部分の光の吸光度ＡＷを用いて、以下の式（３）のような関係式として記述することができる。

乾き度χ＝ＩＶ／（ＩＶ＋ＩＷ） …（２）
乾き度χ＝ＡＶ／（ＡＶ＋ＡＷ） …（３）

一方で、受光部１２により計測された光の強度の補正後の乾き度は、気相部分の光の強度ＩＶ、液相部分の光の強度ＩＷ、及び流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖに基づいて生成される補正係数αを用いて、以下の式（４）のような関係式として記述することができる。また、受光部１２により計測された光の吸光度の補正後の乾き度は、気相部分の光の吸光度ＡＶ、液相部分の光の吸光度ＡＷ、及び補正係数αを用いて、以下の式（５）のような関係式として記述することができる。

乾き度χ'＝ＩＶ／（ＩＶ＋α・ＩＷ） …（４）
乾き度χ'＝ＡＶ／（ＡＶ＋α・ＡＷ） …（５）

したがって、乾き度測定部１０２ａは、式（４）を用いる場合には、気相部分の光の強度、液相部分の光の強度、及び補正係数αを代入し、湿り蒸気の流速に応じた乾き度χ'を求めることができる。また、乾き度測定部１０２ａは、式（５）を用いる場合には、気相部分の光の吸光度、液相部分の光の吸光度、及び補正係数αを代入し、湿り蒸気の流速に応じた乾き度χ'を求めることができる。
なお、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖは、単一の信号である必要はなく、複数の信号を有するように構成されていてもよい。例えば、湿り蒸気の気相部分及び液相部分の各々の流速値に対応する二つ以上の信号を有するように構成されていてもよく、乾き度測定部１０２ａは、該二つ以上の信号に基づいて補正係数αを得るように構成されていてもよい。この場合は、補正係数αは、気相部分及び液相部分の流速差などのパラメータが考慮されて、生成されるように構成されていてもよい。
また、補正係数αは、上記で説明したように、流速信号Ｓｆｖに基づいて演算されることで得られるが、その他の様々な方法によって得ることができる。例えば、流速値と補正係数αとの対応関係をデータテーブルとして不図示の記憶部に予め格納し、計測値補正部１０１ａが、検出された流速値に対応する補正係数αを記憶部から読み出して取得するように構成してもよい。
（動作）
次に第１実施形態の動作を説明する。
まず、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において光を発する。光入射部１１から入射側筒２１を伝播した光は、配管２０内部の湿り蒸気に照射される。
湿り蒸気を透過又は反射した光は、射出側筒２２に入射して伝播する。次に、受光部１２は射出側筒２２から射出された光を受け、光の強度及び／又は吸光度を計測する。次に、受光部１２は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度に対応した光強度信号Ｓｄを出力する。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。
また、流速センサ３０は、配管２０内の湿り蒸気の流速ｆｖを検出して流速ｆｖに応じた流速信号Ｓｆｖとしてコンピュータ装置１００に出力する。
次いで、計測値補正部１０１ａは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。また、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖを入力する。そして、計測値補正部１０１ａは、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖに基づいて生成される補正係数αに基づいて、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、計測値補正部１０１ａは、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖに基づいて生成される補正係数αに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
次いで、乾き度測定部１０２ａは、補正された、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する。
（効果）
以上説明した第１実施形態によれば、湿り蒸気の流速に基づいて補正された、湿り蒸気の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、湿り蒸気の流速に応じた正確な乾き度を測定することができる。
（実施形態２）
実施形態２は、湿り蒸気の流速に代えて、流量の影響を考慮した光の強度または吸光度に基づく乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。
（構成）
図２に、第２本実施形態における乾き度測定装置１ｂの構成を示す。図２に示すように、第２実施形態に係る乾き度測定装置１ｂは、例示的に、光入射部１１、受光部１２、流量センサ３２（第１センサ）、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、計測値補正部１０１ｂ、及び乾き度測定部１０２ｂを備えて構成される。
本実施形態では、第１実施形態の流速センサ３０の代わりに流量センサ３２を備えている点において相違する。他の構成要素について、第１実施形態と同様な部分については、同じ符号を付してその説明を省略する。
流量センサ３２（第１センサ）は、配管２０に配置されている。配管２０内の湿り蒸気の流量ｆｒを検出して流量ｆｒに応じた流速信号Ｓｆｒとしてコンピュータ装置１００に出力する。また、流量センサ３２は、湿り蒸気の液相部分と気相部分のそれぞれの流速を検出することができる。さらに、流量センサ３２は、湿り蒸気の液相部分と気相部分の一方の相の流量を検出し、その検出結果に基づいて他の相の流量を演算により求めることができるように構成されていてもよい。なお、第１センサは、第１実施形態の流速センサ３０及び本実施形態の流量センサ３２の双方（の機能）を備えているように構成されていてもよい。
計測値補正部１０１ｂは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。そして、計測値補正部１０１ｂは、流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数βに基づいて、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、計測値補正部１０１ｂは、流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数βに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
乾き度測定部１０２ｂは、補正された光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する測定手段である。例えば、受光部１２により計測された光の強度の補正後の乾き度は、気相部分の光の強度ＩＶ、液相部分の光の強度ＩＷ、及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数βを用いて、以下の式（６）のような関係式として記述することができる。また、受光部１２により計測された光の吸光度の補正後の乾き度は、気相部分の光の吸光度ＡＶ、液相部分の光の吸光度ＡＷ、及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数βを用いて、以下の式（７）のような関係式として記述することができる。

乾き度χ'＝ＩＶ／（ＩＶ＋β・ＩＷ） …（６）
乾き度χ'＝ＡＶ／（ＡＶ＋β・ＡＷ） …（７）

したがって、乾き度測定部１０２ｂは、式（６）を用いる場合には、気相部分の光の強度、液相部分の光の強度、及び補正係数βを代入し、湿り蒸気の流量に応じた乾き度χ'を求めることができる。また、乾き度測定部１０２ｂは、式（７）を用いる場合には、気相部分の光の吸光度、液相部分の光の吸光度、及び補正係数βを代入し、湿り蒸気の流量に応じた乾き度χ'を求めることができる。
なお、流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒは、単一の信号である必要はなく、複数の信号を有するように構成されていてもよい。例えば、湿り蒸気の気相部分及び液相部分の各々の流量値に対応する二つ以上の信号を有するように構成されていてもよく、乾き度測定部１０２ｂは、該二つ以上の信号に基づいて補正係数βを得るように構成されていてもよい。この場合は、補正係数βは、気相部分及び液相部分の流量差などのパラメータが考慮されて、生成されるように構成されていてもよい。
また、補正係数βは、上記で説明したように、流量信号Ｓｆｒに基づいて演算されることで得られるが、その他の様々な方法によって得ることができる。例えば、流量値と補正係数βとの対応関係をデータテーブルとして不図示の記憶部に予め格納し、計測値補正部１０１ｂが、検出された流量値に対応する補正係数βを記憶部から読み出して取得するように構成してもよい。
（動作）
次に第２実施形態の動作を説明する。
まず、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において光を発する。光入射部１１から入射側筒２１を伝播した光は、配管２０内部の湿り蒸気に照射される。
湿り蒸気を透過又は反射した光は、射出側筒２２に入射して伝播する。次に、受光部１２は射出側筒２２から射出された光を受け、光の強度及び／又は吸光度を計測する。次に、受光部１２は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度に対応した光強度信号Ｓｄを出力する。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。
また、流量センサ３２は、配管２０内の湿り蒸気の流量ｆｒを検出して流量ｆｒに応じた流量信号Ｓｆｒとしてコンピュータ装置１００に出力する。
次いで、計測値補正部１０１ｂは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。また、計測値補正部１０１ｂは、流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒを入力する。そして、計測値補正部１０１ｂは、流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数βに基づいて、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、計測値補正部１０１ｂは、流量センサ３０から出力される流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数βに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
次いで、乾き度測定部１０２ｂは、補正された、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する。
（効果）
以上説明した第２実施形態によれば、湿り蒸気の流量に基づいて補正された、湿り蒸気の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、湿り蒸気の流量に応じた正確な乾き度を測定することができる。
（実施形態３）
実施形態３は、湿り蒸気の流速及び流量の少なくとも一方に加えて圧力の影響を考慮した光の強度または吸光度に基づく乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。
（構成）
図３に、第３本実施形態における乾き度測定装置１ｃの構成を示す。図３に示すように、第３実施形態に係る乾き度測定装置１ｃは、例示的に、光入射部１１、受光部１２、流速センサ３０（第１センサ）、流量センサ３２（第１センサ）、圧力センサ３４（第２センサ）、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、計測値補正部１０１ｃ、及び乾き度測定部１０２ｃを備えて構成される。
本実施形態では、第１実施形態及び／又は第２実施形態に圧力センサ３４をさらに備えている点において相違する。他の構成要素について、第１実施形態と同様な部分については、同じ符号を付してその説明を省略する。
圧力センサ３４（第２センサ）は、配管２０に配置されている。配管２０内の湿り蒸気の圧力ｐを検出して圧力ｐに応じた圧力信号Ｓｐとしてコンピュータ装置１００に出力する。また、圧力センサ３４は、湿り蒸気の液相部分と気相部分のそれぞれの圧力を検出することができる。さらに、圧力センサ３４は、湿り蒸気の液相部分と気相部分の一方の相の圧力を検出し、その検出結果に基づいて他の相の圧力を演算により求めることができるように構成されていてもよい。
計測値補正部１０１ｃは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。そして、圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γに基づいて、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
乾き度測定部１０２ｃは、補正された光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する測定手段である。例えば、受光部１２により計測された光の強度の補正後の乾き度は、気相部分の光の強度ＩＶ、液相部分の光の強度ＩＷ、及び圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γを用いて、以下の式（８）のような関係式として記述することができる。また、受光部１２により計測された光の吸光度の補正後の乾き度は、気相部分の光の吸光度ＡＶ、液相部分の光の吸光度ＡＷ、及び圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γを用いて、以下の式（９）のような関係式として記述することができる。

乾き度χ'＝ＩＶ／（ＩＶ＋γ・ＩＷ） …（８）
乾き度χ'＝ＡＶ／（ＡＶ＋γ・ＡＷ） …（９）

したがって、乾き度測定部１０２ｃは、式（８）を用いる場合には、気相部分の光の強度、液相部分の光の強度、及び補正係数γを代入し、湿り蒸気の圧力に応じた乾き度χ'を求めることができる。また、乾き度測定部１０２ｃは、式（９）を用いる場合には、気相部分の光の吸光度、液相部分の光の吸光度、及び補正係数γを代入し、湿り蒸気の圧力に応じた乾き度χ'を求めることができる。
なお、圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐは、単一の信号である必要はなく、複数の信号を有するように構成されていてもよい。例えば、湿り蒸気の気相部分及び液相部分の各々の圧力に対応する二つ以上の信号を有するように構成されていてもよく、乾き度測定部１０２ｃは、少なくとも該二つ以上の信号に基づいて補正係数γを得るように構成されていてもよい。この場合は、補正係数γは、気相部分及び液相部分の圧力差などのパラメータが考慮されて、生成されるように構成されていてもよい。
また、補正係数γは、上記で説明したように、圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて演算されることで得られるが、その他の様々な方法によって得ることができる。例えば、圧力センサ３４により検出される圧力と流速センサ３０により検出される流速及び流量センサ３２により検出される流量の少なくとも一方と、補正係数γと、の対応関係をデータテーブルとして不図示の記憶部に予め格納し、計測値補正部１０１ｃが、検出された圧力と流速及び流量の少なくとも一方とに対応する補正係数γを記憶部から読み出して取得するように構成してもよい。
（動作）
次に第３実施形態の動作を説明する。
まず、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において光を発する。光入射部１１から入射側筒２１を伝播した光は、配管２０内部の湿り蒸気に照射される。
湿り蒸気を透過又は反射した光は、射出側筒２２に入射して伝播する。次に、受光部１２は射出側筒２２から射出された光を受け、光の強度及び／又は吸光度を計測する。次に、受光部１２は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度に対応した光強度信号Ｓｄを出力する。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。
また、圧力センサ３４は、配管２０内の湿り蒸気の圧力ｐを検出して流速ｐに応じた圧力信号Ｓｐとしてコンピュータ装置１００に出力する。
次いで、計測値補正部１０１ｃは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。また、圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐを入力する。そして、圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γに基づいて、受光部１２により出力された光強度Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、圧力センサ３４から出力される圧力信号Ｓｐと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
次いで、乾き度測定部１０２ｃは、補正された、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する。
（効果）
以上説明した第３実施形態によれば、湿り蒸気の圧力と流速及び流量の少なくとも一方とに基づいて補正された、湿り蒸気の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、湿り蒸気の圧力と流速及び流量の少なくとも一方とに応じた正確な乾き度を測定することができる。
（実施形態４）
実施形態４は、湿り蒸気の流速及び流量の少なくとも一方に加えて温度の影響を考慮した光の強度または吸光度に基づく乾き度を測定する乾き度測定装置に関する。
（構成）
図４に、第４実施形態における乾き度測定装置１ｄの構成を示す。図４に示すように、第４実施形態に係る乾き度測定装置１ｄは、例示的に、光入射部１１、受光部１２、流速センサ３０（第１センサ）、流量センサ３２（第１センサ）、温度センサ３６（第３センサ）、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、計測値補正部１０１ｄ、及び乾き度測定部１０２ｄを備えて構成される。
本実施形態では、第１実施形態及び／又は第２実施形態にさらに温度センサ３６を備えている点において相違する。他の構成要素について、第１実施形態と同様な部分については、説明を省略する。
温度センサ３６（第３センサ）は、配管２０に配置されている。配管２０内の湿り蒸気の温度ｔを検出して温度ｔに応じた温度信号Ｓｔとしてコンピュータ装置１００に出力する。また、温度センサ３６は、湿り蒸気の液相部分と気相部分のそれぞれの温度を検出することができる。さらに、温度センサ３６は、湿り蒸気の液相部分と気相部分の一方の相の温度を検出し、その検出結果に基づいて他の相の温度を演算により求めることができるように構成されていてもよい。
計測値補正部１０１ｄは、受光部１２から出力される光強度Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。そして、温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数σに基づいて、受光部１２により出力された光強度Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数σに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
乾き度測定部１０２ｄは、補正された光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する測定手段である。例えば、受光部１２により計測された光の強度の補正後の乾き度は、気相部分の光の強度ＩＶ、液相部分の光の強度ＩＷ、及び温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数σを用いて、以下の式（１０）のような関係式として記述することができる。また、受光部１２により計測された光の吸光度の補正後の乾き度は、気相部分の光の吸光度ＡＶ、液相部分の光の吸光度ＡＷ、及び温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数γを用いて、以下の式（１１）のような関係式として記述することができる。

乾き度χ'＝ＩＶ／（ＩＶ＋σ・ＩＷ） …（１０）
乾き度χ'＝ＡＶ／（ＡＶ＋σ・ＡＷ） …（１１）

したがって、乾き度測定部１０２ｄは、式（１０）を用いる場合には、気相部分の光の強度、液相部分の光の強度、及び補正係数σを代入し、湿り蒸気の温度に応じた乾き度χ'を求めることができる。また、乾き度測定部１０２ｄは、式（１１）を用いる場合には、気相部分の光の吸光度、液相部分の光の吸光度、及び補正係数σを代入し、湿り蒸気の温度に応じた乾き度χ'を求めることができる。
なお、温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔは、単一の信号である必要はなく、複数の信号を有するように構成されていてもよい。例えば、湿り蒸気の気相部分及び液相部分の各々の温度に対応する二つ以上の信号を有するように構成されていてもよく、乾き度測定部１０２ｄは、少なくとも該二つ以上の信号に基づいて補正係数σを得るように構成されていてもよい。この場合は、補正係数σは、気相部分及び液相部分の圧力差などのパラメータが考慮されて、生成されるように構成されていてもよい。
なお、補正係数σは、上記で説明したように、温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて演算されることで得られるが、その他の様々な方法によって得ることができる。例えば、温度センサ３６により検出される温度と流速センサ３０により検出される流速及び流量センサ３２により検出される流量の少なくとも一方と、補正係数σと、の対応関係をデータテーブルとして不図示の記憶部に予め格納し、計測値補正部１０１ｄが、検出された温度と流速及び流量の少なくとも一方とに対応する補正係数σを記憶部から読み出して取得するように構成されていてもよい。
（動作）
次に第４実施形態の動作を説明する。
まず、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において光を発する。光入射部１１から入射側筒２１を伝播した光は、配管２０内部の湿り蒸気に照射される。
湿り蒸気を透過又は反射した光は、射出側筒２２に入射して伝播する。次に、受光部１２は射出側筒２２から射出された光を受け、光の強度及び／又は吸光度を計測する。次に、受光部１２は、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度に対応した光強度信号Ｓｄを出力する。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。
また、温度センサ３６は、配管２０内の湿り蒸気の温度ｔを検出して温度ｔに応じた温度信号Ｓｔとしてコンピュータ装置１００に出力する。
次いで、計測値補正部１０１ａは、受光部１２から出力される光強度信号Ｓｄ及び／又は吸光度信号Ｓａを入力する。また、温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔを入力する。そして、温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数σに基づいて、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正する。また、温度センサ３６から出力される温度信号Ｓｔと、流速センサ３０から出力される流速信号Ｓｆｖ及び流量センサ３２から出力される流量信号Ｓｆｒの少なくとも一方と、に基づいて生成される補正係数σに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正する。
次いで、乾き度測定部１０２ａは、補正された、湿り蒸気を透過又は反射した光の強度又は吸光度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する。
（効果）
以上説明した第４実施形態によれば、湿り蒸気の温度と流速及び流量の少なくとも一方とに基づいて補正された、湿り蒸気の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、湿り蒸気の温度と流速及び流量の少なくとも一方とに応じた正確な乾き度を測定することができる。
（他の実施形態）
本発明は、上記第１実施形態〜第４実施形態に限定されることなく、種々に組み合わせることができ、変形して適用することが可能であり、各実施形態が有する各構成要素についても、種々に組み合わせることができ、変形して適用することが可能である。例えば、上記第１実施形態の計測値補正部１０１ａは、流速センサ３０の流速信号Ｓｆｖ及び上記第２実施形態の流量センサ３２の流量信号Ｓｆｒに基づいて生成される補正係数に基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正してもよいし、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正してもよい。そして、上記第１実施形態の乾き度測定部１０２ａは、それらの補正された光の強度又は吸光度に基づいて乾き度を測定してもよい。
また、飽和蒸気は圧力と温度の比が一定であることを考慮して、上記第３実施形態の圧力センサ３４で計測された圧力に基づいて、温度を算出することもできる。そして、上記第３実施形態の計測値補正部１０１ｃは、上記第４実施形態の温度信号Ｓｔに基づいて生成される補正係数σに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正してもよいし、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正してもよい。そして、上記第３実施形態の乾き度測定部１０２ｃは、それらの補正された光の強度又は吸光度に基づいて乾き度を測定してもよい。
さらに、上記第２実施形態の流量センサ３２で計測された流量及び上記第３実施形態の圧力センサ３４で計測された圧力に基づいて、流速を算出することもできる。そして、上記第１実施形態の計測値補正部１０１ａは、算出された流速に基づく補正係数αに基づいて、受光部１２により出力された吸光度信号Ｓａに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の吸光度を補正してもよいし、受光部１２により出力された光強度信号Ｓｄに基づく湿り蒸気を透過又は反射した光の強度を補正してもよい。そして、上記第１実施形態の乾き度測定部１０２ａは、それらの補正された光の強度又は吸光度に基づいて乾き度を測定してもよい。
またさらに、各実施形態で説明した以外にも、各実施形態の各計測値補正部１０１ａ〜１０１ｄは、各センサにより検出された流速、流量、圧力および温度の群より選ばれる１又は２以上（の様々な組み合わせ）に基づいて、光の強度または吸光度を補正するように構成されていてよく、各実施形態の各乾き度測定部は、該補正された光の強度または吸光度に基づいて乾き度を測定するように構成されていてもよい。
さらにまた、各実施形態の各乾き度測定部１０２ａ〜１０２ｄは、光の強度又は吸収度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。
各実施形態における乾き度測定装置１ａ〜１ｄは、相関関係記憶部（不図示）を備えるように構成されていてもよい。例えば、相関関係記憶部は、検出された湿り蒸気の流速、流量、圧力および温度の群より選ばれる１又は２以上に基づいて、補正された光の強度または吸光度に基づいて測定された乾き度と、流速、流量、圧力および温度の影響を考慮せず測定された乾き度と、の相関関係をデータテーブルとして格納する。そして、この相関関係記憶部に格納されている相関関係のデータを参照することで、乾き度を測定することもできる。
１１ 光入射部
１２ 受光部
２０ 配管
３０ 流速センサ
３２ 流量センサ
３４ 圧力センサ
３６ 温度センサ
１００ コンピュータ装置
１０１ａ、ｂ、ｃ、ｄ 計測値補正部
１０２ａ、ｂ、ｃ、ｄ 乾き度測定部

Claims (8)

  1. 測定対象の湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度を計測する計測部と、
    前記湿り蒸気の気相部分の第１流速と前記湿り蒸気の液相部分の第２流速とを測定する第１センサと、
    測定された前記湿り蒸気の前記第１流速および前記第２流速に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する計測値補正部と、
    補正された前記光の強度または前記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部と、を備える、
    乾き度測定装置。
  2. 前記湿り蒸気の圧力を測定する第２センサをさらに備え、
    前記計測値補正部は、測定された前記湿り蒸気の圧力に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する、
    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測定する第３センサをさらに備え、
    前記計測値補正部は、測定された前記湿り蒸気の温度に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する、
    請求項１又は２に記載の乾き度測定装置。
  4. 前記計測値補正部は、前記第１流速と前記第２流速との比または差に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の乾き度測定装置。
  5. 測定対象の湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度を計測する計測部と、
    前記湿り蒸気の気相部分の第１流量と前記湿り蒸気の液相部分の第２流量とを測定する第１センサと、
    測定された前記湿り蒸気の前記第１流量および前記第２流量に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する計測値補正部と、
    補正された前記光の強度または前記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部と、を備える、
    乾き度測定装置。
  6. 前記計測値補正部は、前記第１流量と前記第２流量との比または差に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正する、
    請求項５に記載の乾き度測定装置。
  7. 測定対象の湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度を計測することと、
    前記湿り蒸気の気相部分の第１流速と前記湿り蒸気の液相部分の第２流速とを測定することと、
    測定された前記湿り蒸気の前記第１流速および前記第２流速に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正することと、
    補正された前記光の強度または前記吸光度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。
  8. 測定対象の湿り蒸気を透過または反射した光の強度または吸光度を計測することと、
    前記湿り蒸気の気相部分の第１流量と前記湿り蒸気の液相部分の第２流量とを測定することと、
    測定された前記湿り蒸気の前記第１流量および前記第２流量に基づいて、計測された前記光の強度または前記吸光度を補正することと、
    補正された前記光の強度または前記吸光度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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