JP6392661B2 - 乾き度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は測定技術に係り、乾き度測定装置。

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）水平に配置され、内部に気液二相流である湿り蒸気を流す検査管と、（ｂ）検査管の側壁から検査管内部の気液二相流の気液界面の上下両方に向けて検査光を発する検査光発光部と、（ｃ）検査光を受光する受光部と、（ｄ）受光部が受光した検査光の強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、を備える乾き度測定装置であることを要旨とする。

本発明の態様に係る乾き度測定装置において、検査光発光部が、検査管の側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の発光用光導波路を備えていてもよい。検査光発光部が、検査光を発する検査光源と、検査光源が発した検査光を複数の発光用光導波路に分波する分波器と、をさらに備えていてもよい。あるいは、検査光発光部が、検査管の側壁の上から下の複数の箇所に配置された、検査光を発する複数の検査光源を備えていてもよい。

本発明の態様に係る乾き度測定装置において、検査光が平行光であり、気液二相流の気液界面の上下両方が平行光である検査光で照射されてもよい。また、検査光発光部が、検査光を発する検査光源と、検査光源から発せられた検査光を平行光にする平行光レンズと、を備えていてもよい。

本発明の態様に係る乾き度測定装置において、検査管の検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁に、受光部が設けられていてもよい。受光部が、検査管の検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光用光導波路を備えていてもよい。受光部が、複数の受光用光導波路で伝搬された検査光を合波する合波器と、合波器で合波された検査光を受光する受光素子をさらに備えていてもよい。あるいは、受光部が、検査管の検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光素子を備えていてもよい。またあるいは、受光部が、検査光を集光する集光レンズと、集光された検査光を受光する受光素子と、を備えていてもよい。

本発明の態様に係る乾き度測定装置において、検査管の検査光発光部が設けられた側壁に、受光部が設けられていてもよい。受光部が、検査管内部を往復した検査光を受光してもよい。あるいは、検査光発光部が検査管の側壁に設けられた透過窓に検査光を発し、受光部が、透過窓で反射された検査光を受光してもよい。

本発明の態様に係る乾き度測定装置において、受光部が、検査管の検査光発光部が設けられた側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光用光導波路を備えていてもよい。受光部が、複数の受光用光導波路で伝搬された検査光を合波する合波器と、合波器で合波された検査光を受光する受光素子をさらに備えていてもよい。あるいは、受光部が、検査管の検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光素子を備えていてもよい。またあるいは、受光部が、検査光を集光する集光レンズと、集光された検査光を受光する受光素子と、を備えていてもよい。

本発明の態様に係る乾き度測定装置において、乾き度特定部が、検査管内部における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管内の飽和液による層状流と波状流を示す模式図である。 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管と複数の発光用光導波路の模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る検査管と複数の発光用光導波路の模式図である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第１の実施の形態の第２の変形例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の実施の形態の変形例に係る乾き度測定装置の模式図である。 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。 本発明の第３の実施の形態の変形例に係る乾き度測定装置の模式図である。 本発明の第４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５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５の実施の形態に係る乾き度測定装置における検査光の進行方向を示す模式図である。 本発明の第５の実施の形態に係る乾き度測定装置における検査光の進行方向を示す模式図である。 本発明の第６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６の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査管と、検査管の上流の配管の模式的断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査管と、検査管の上流の配管の模式的断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査管と、検査管の上流の配管の模式的断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査管と、検査管の上流の配管の模式的断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る乾き度測定装置の検査管と、検査管の上流の配管の模式的断面図である。

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、水平に配置され、内部に気液二相流である湿り蒸気を流す検査管２１と、検査管２１の側壁の上から下の複数の箇所から検査管内部の気液二相流の気液界面の上下両方に向けて検査光を発する検査光発光部１００と、検査管の側壁の複数の箇所から発せられた検査光を受光する受光部２００と、受光部２００が受光した検査光の強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部３０１と、を備える。

検査管２１には、例えば湿り蒸気（飽和蒸気と、飽和液と、が合わさったもの）が通過する。図１は、検査管２１を湿り蒸気の進行方向に対向して見た模式的断面図である。検査管２１の重力方向底面においては、図２に示すような湿り蒸気における飽和液の層状流又は波状流が生じうる。また、表面張力や熱移動による凝縮により、検査管２１の両側面及び上面にも飽和液が付着しうる。

図３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）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。
ｘ＝ｍ_vapor／（ｍ_vapor＋ｍ_water） （１）
ｘ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。
ｘ＝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＝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の光の光強度に対する、湿り上記を透過した後の光の光強度の比で与えられる。
Ａ＝−ｌｎ（Ｉ_steam1／Ｉ_steam0） （５）
Ｉ_steam0は湿り蒸気を透過する前の光の光強度、Ｉ_steam1は湿り蒸気を透過した後の光の光強度を表す。

図４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５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。
ｘ＝１／（１−ｋ＋（ｋ／ａ_vapor）×Ａ） （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を測定することにより、（６）式から湿り蒸気の乾き度ｘを算出することが可能である。

図１に示す検査光発光部１００は、検査光を発する検査光源１１と、検査管２１の側壁の上から下に配置された複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉと、検査光源１１が発した検査光を複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉに分波する分波器１５Ａ−１５Ｉと、を備える。

検査光源１１は、飽和溶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６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に示す検査光源１１には、発光ダイオード等が使用可能である。

第１の実施の形態に係る乾き度測定装置は、参照光源１１１をさらに備える。図６に示すように、参照光源１１１は、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。参照光源１１１には、発光ダイオード等が使用可能である。

図１に示す検査光源１１には検査光を伝搬する光導波路３０が接続されており、参照光源１１１には参照光を伝搬する光導波路１３０が接続されている。光導波路３０と光導波路１３０には、合波器１４が接続されている。合波器１４には、合波器１４で合波された検査光と参照光を伝搬する光導波路３１が接続されている。光導波路３１で伝搬された検査光と参照光は、分波器１５Ａ−１５Ｉを介して複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉに分波される。

複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉの端部は、例えば図７に示すように、重力方向に沿って、等間隔又は任意の間隔で検査管２１の側壁に接続されている。あるいは複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉの端部は、例えば図８に示すように、重力方向に対して斜めの方向に沿って、等間隔又は任意の間隔で検査管２１の側壁に接続されている。例えば、図１に示す複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉは、検査管２１の側壁を貫通している。あるいは、検査管２１の側壁にサイトグラス等の光透過性の窓を設け、窓に複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉの端部を接続してもよい。また、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉの端部に、コリメータレンズを配置してもよい。

光導波路３０、３１、１３０、及び発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉ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、検査光源１１が発した検査光、及び参照光源１１１が発した参照光を伝搬可能であれば、これらに限定されない。

検査光は、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から、検査管２１の検査光発光部１００が設けられた側壁に対向する側壁に向けて、水平方向と略平行に発せられる。ただし、検査光が湿り蒸気を横切ることができれば、検査光の進行方向は特に限定されない。参照光も、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から、検査管２１の検査光発光部１００が設けられた側壁に対向する側壁に向けて、水平方向と略平行に発せられる。ただし、参照光が湿り蒸気を横切ることができれば、参照光の進行方向は特に限定されない。

近赤外光を含む検査光は、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、湿り蒸気の吸光度は低下する傾向にある。

検査光及び参照光の一部は、検査管２１内部の飽和液によって、反射、散乱、及び屈折等される。飽和液による反射、散乱、及び屈折、並びにサイトグラス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。

検査管２１の検査光発光部１００が設けられた側壁に対向する側壁に、受光部２００が設けられている。受光部２００は、検査管２１の検査光発光部１００が設けられた側壁に対向する側壁の上から下に配置された複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉを備える。複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉの端部は、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉの端部にそれぞれ対向している。そのため、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から発せられた検査光及び参照光は、検査管２１を横切って、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉの端部に入射する。

例えば、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉは、検査管２１の側壁を貫通している。あるいは、検査管２１の側壁に光透過性の窓を設け、窓に複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉの端部を接続してもよい。さらに、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉの端部に、光を入射させるレンズを配置してもよい。

受光部２００は、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉで伝搬された検査光及び参照光を合波する合波器１６Ａ−１６Ｈと、合波器１６Ａ−１６Ｈで合波された検査光及び参照光を、光導波路３４を介して受光する受光素子１２をさらに備える。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。

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１３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。

受光素子１２及び圧力センサ１３には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００が接続されている。ＣＰＵ３００には、関係記憶部４０１を含むデータ記憶装置４００が接続されている。関係記憶部４０１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。

乾き度特定部３０１は、ＣＰＵ３００に含まれている。乾き度特定部３０１は、受光素子１２から、検査管２１内部の湿り蒸気を透過した検査光及び参照光の受光強度の測定値を受信する。また、乾き度特定部３０１は、圧力センサ１３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、受光素子１２が受光した検査光の強度に基づき、例えば下記（７）式に従って、検査管２１内の湿り蒸気の吸光度Ａを特定する。
Ａ＝−ｌｎ（Ｉ_steam1／Ｉ_steam0） （７）
Ｉ_steam0は湿り蒸気を透過する前の検査光の光強度を表し、Ｉ_steam1は湿り蒸気を透過した後の検査光の光強度を表す。湿り蒸気を透過する前の検査光の光強度は、予め測定した定数を用いてもよい。

さらに、乾き度特定部３０１は、例えば下記（８）式に従って、検査光の吸光度から参照光の吸光度を引き、飽和液による反射、散乱、及び屈折等、並びにサイトグラスの汚れ等による検査光の損失を補正した補正された吸光度Ａ_Cを算出する。
Ａ_C＝Ａ−（−ｌｎ（Ｉ_ref1／Ｉ_ref0） （８）
Ｉ_ref0は湿り蒸気を透過する前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参照光の光強度を表す。湿り蒸気を透過する前の参照光の光強度は、予め測定した定数を用いてもよい。

また、乾き度特定部３０１は、圧力センサ１３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内の湿り蒸気の補正された吸光度Ａ_C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ｘ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１３を備えていなくてもよい。

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。関係記憶部４０１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表示する。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。

水平方向に配置された検査管２１内において、検査管２１の底部には飽和液の層状流又は波状流が生じ、局所的には乾き度は０に近づく。また、検査管２１内の飽和液の層状流又は波状流がないところは、飽和液の層状流又は波状流があるところと比較して乾き度は上昇する。さらに、側壁付近においては、表面張力により、飽和液の層状流又は波状流の厚みが増す。そのため、検査管２１内の湿り蒸気の乾き度を局所的に測定しても、検査管２１内の湿り蒸気全体の乾き度と乖離する場合がある。

これに対し、第１の実施の形態に係る乾き度測定装置によれば、検査管２１の側壁の上から下の複数の箇所から検査管内部の気液二相流の気液界面の上下両方に向けて検査光を発し、検査管２１内部を透過した検査光の受光強度に基づいて、検査管２１内の湿り蒸気の乾き度を計測する。そのため、検査管２１の底部における飽和液の層状流又は波状流の厚みにかかわらず、検査管２１内の気液二相流の重力方向における気液界面を挟んで上下に存在する気体部分と液体部分とを含む湿り蒸気全体の乾き度を正確に計測することが可能となる。

（第１の実施の形態の第１の変形例）
図９に示すように、検査光発光部１００は、検査光を発する検査光源１１と、参照光を発する参照光源１１１と、検査光源１１が発した検査光及び参照光源１１１が発した参照光を平行光にする平行光レンズ４０と、を備えていてもよい。平行光となった検査光及び参照光は、それぞれ、検査管２１内の気液二相流の重力方向における気液界面の上下両方を照射可能な幅を有する。

第１の実施の形態の第１の変形例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。

（第１の実施の形態の第２の変形例）
図１０に示すように、受光部２００は、気液二相流の重力方向における気液界面を挟んで上下に存在する気体部分及び液体部分の両方を透過した検査光及び参照光を集光する集光レンズ４１を備えていてもよい。この場合、受光素子１２は、集光レンズ４１で集光された検査光及び参照光を受光する。

第１の実施の形態の第２の変形例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。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る乾き度測定装置は、図１１に示すように、受光部２００が、検査管２１の検査光発光部１００が設けられた側壁に対向する側壁の上から下に配置された複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉを備える。複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉは、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉの端部にそれぞれ対向している。そのため、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から発せられた検査光及び参照光は、検査管２１を横切って、複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉで受光される。

第２の実施の形態において、乾き度特定部３０１は、複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉから、検査管２１内部の湿り蒸気を透過した検査光及び参照光の受光強度の測定値を受信する。さらに、乾き度特定部３０１は、複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉから受信した検査光の受光強度の測定値の和と、参照光の受光強度の測定値の和と、を算出する。例えば、乾き度特定部３０１は、受光強度の測定値の和を上記（７）式の湿り蒸気を透過した後の検査光の光強度の変数Ｉ_steam1に代入し、参照光の受光強度の測定値の和を上記（８）式の湿り蒸気を透過した後の参照光の光強度の変数Ｉ_ref1に代入する。

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。
（第２の実施の形態の変形例）
図１２に示すように、検査光発光部１００は、検査光を発する検査光源１１と、参照光を発する参照光源１１１と、検査光源１１が発した検査光及び参照光源１１１が発した参照光を平行光にする平行光レンズ４０と、を備えていてもよい。平行光となった検査光及び参照光は、それぞれ、検査管２１内の気液二相流の重力方向における気液界面の上下両方を照射可能な幅を有する。

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

（第３の実施の形態）
第２の実施の形態では、図１１に示す単一の検査光源１１が発した検査光及び単一の参照光源１１１が発した参照光を複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉに分波する例を示した。これに対し、第３の実施の形態では、図１３に示すように、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれに検査光源１１Ａ−１１Ｉ及び参照光源１１１Ａ−１１１Ｃを接続してもよい。検査光と参照光は、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれに接続された合波器１４Ａ−１４Ｉで合波される。

第３の実施の形態において、乾き度特定部３０１は、複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉから、検査管２１内部の湿り蒸気を透過した検査光及び参照光の受光強度の測定値を受信する。さらに、乾き度特定部３０１は、複数の受光素子１２Ａ−１２Ｉから受信した検査光の受光強度の測定値の平均値と、参照光の受光強度の測定値の平均値と、を算出する。例えば、乾き度特定部３０１は、受光強度の測定値の平均値を上記（７）式の湿り蒸気を透過した後の検査光の光強度の変数Ｉ_steam1に代入し、参照光の受光強度の測定値の平均値を上記（８）式の湿り蒸気を透過した後の参照光の光強度の変数Ｉ_ref1に代入する。

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２の実施の形態と同様である。

（第３の実施の形態の変形例）
図１４に示すように、受光部２００は、気液二相流の重力方向における気液界面を挟んで上下に存在する気体部分及び液体部分の両方を透過した検査光及び参照光を集光する集光レンズ４１を備えていてもよい。この場合、受光素子１２は、集光レンズ４１で集光された検査光及び参照光を受光する。

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

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る乾き度測定装置では、図１５に示すように、検査管２１の検査光発光部１００が設けられた側壁に、受光部２００も設けられている。また、第４の実施の形態に係る乾き度測定装置は、検査管２１の検査光発光部１００及び受光部２００が設けられた側壁と対向する側壁の内側に配置された反射鏡５０をさらに備える。反射鏡５０は、検査管２１の側壁が透明である場合は、検査管２１の外側に配置されてもよい。

検査光は、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から、反射鏡５０に向けて、水平方向に対して斜めに発せられる。検査光は反射鏡５０で反射され、検査管２１内を往復して、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉのそれぞれの端部に入射する。

また、参照光は、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から、反射鏡５０に向けて、水平方向に対して斜めに発せられる。参照光は反射鏡５０で反射され、検査管２１内を往復して、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉのそれぞれの端部に入射する。

第４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。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態に係る乾き度測定装置では、図１６に示すように、検査管２１の側壁に設けられた透過窓６０に、検査光発光部１００及び受光部２００が設けられている。

検査光は、図１７に示すように、透過窓６０の内側が飽和蒸気である場合に、透過窓６０と検査管２１内部の飽和蒸気の界面で全反射が起こるような角度で、複数の発光用光導波路３２Ａ−３２Ｉのそれぞれの端部から発せられる。透過窓６０と飽和蒸気の界面で全反射した検査光は、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉのそれぞれの端部に入射する。

ここで、図１８に示すように、透過窓６０の内側が飽和液である場合、透過窓６０の内側が飽和蒸気である場合と比べて、透過窓６０と、検査管２１内部と、の屈折率差が小さくなる。そのため、検査光の一部が、透過窓６０と飽和液の界面を透過するようになる。透過窓６０と飽和液の界面で反射した検査光の一部は、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉのそれぞれの端部に入射する。

したがって、複数の受光用光導波路３３Ａ−３３Ｉのそれぞれに入射する検査光の光強度は、透過窓６０の内側が飽和蒸気であれば高くなり、透過窓６０の内側が飽和液であれば低くなる。飽和液に透過した検査光は、飽和液に吸収されたとみなすことができるので、第５の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の方法で、図１６に示す乾き度特定部３０１は、受光素子１２が受光した検査光の強度に基づき、上記（７）式に従って、検査管２１内の湿り蒸気の吸光度Ａを特定し、さらに上記（８）式に従って、検査光の損失を補正した補正された吸光度Ａ_Cを算出して、上記（６）式より、検査管２１内の湿り蒸気の乾き度ｘを算出する。

第５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４の実施の形態と同様である。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態に係る乾き度測定装置においては、図１９に示すように、検査管２１の幅が、重力方向において、下方に向かうほど狭くなっている。検査管２１内部の湿り蒸気の進行方向に対向して見た断面図である図１９に示すように、検査管２１の側壁の少なくとも一部に段が設けられており、当該段によって、検査管２１の幅が下方に向かうほど狭くなっている。これにより、図２０及び図２１に示すように、検査管２１の上流に接続されている配管２２と比して、検査管２１の最も幅が狭い部分の幅Ｗ_DBが、配管２２の最も幅が狭い部分の幅Ｗ_Rよりも狭くなっている。なお、段の数は特に限定されない。

また、検査管２１の上流に接続されている配管２２と比して、検査管２１の最も幅が広い部分の幅Ｗ_DTが、配管２２の最も幅が広い部分の幅Ｗ_Rよりも広くなっていてもよい。

第６の実施の形態に係る乾き度測定装置によれば、図２２に示すように、検査管２１の最も幅が狭い部分の幅Ｗ_DBを、検査管２１の上流に接続されている配管２２の最も幅が狭い部分の幅Ｗ_Rよりも狭くすることにより、乾き度が１付近で、配管２２内部を流れる飽和液の層状流又は波状流の厚みが薄い場合に、検査管２１内部においては飽和液の層状流又は波状流の厚みを厚くすることが可能となる。そのため、例えば図１９に示す最も底辺側の発光用光導波路３２Ａから発せられる検査光が飽和液を横切ることができるようになり、乾き度１付近において、高い感度で、湿り蒸気の乾き度を測定することが可能となる。

なお、図１９ないし図２２においては、検査管２１の側壁の少なくとも一部に段が設けることにより、検査管２１の幅を下方に向かうほど狭くする例を示したが、図２３に示すように、検査管２１の側壁の少なくとも一部を傾斜させ、当該傾斜によって、検査管２１の幅が下方に向かうほど狭くなるようにしてもよい。あるいは、図２４に示すように、検査管２１の側壁の少なくとも一部を曲線状にし、当該曲線状の側壁によって、検査管２１の幅が下方に向かうほど狭くなるようにしてもよい。

（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、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、熱効果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、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｇ、１１Ｈ、１１Ｉ 検査光源
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇ、１２Ｈ、１２Ｉ 受光素子
１３ 圧力センサ
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ、１４Ｈ、１４Ｉ 合波器
１５Ａ、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ、１５Ｅ、１５Ｆ、１５Ｇ、１５Ｈ 分波器
１６Ａ、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、１６Ｆ、１６Ｇ、１６Ｈ 合波器
２１ 検査管
２２ 配管
３０、３１、３４、１３０ 光導波路
３２Ａ、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅ、３２Ｆ、３２Ｇ、３２Ｈ、３２Ｉ 発光用光導波路
３３Ａ、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅ、３３Ｆ、３３Ｇ、３３Ｈ、３３Ｉ 受光用光導波路
３４ 光導波路
４０ 平行光レンズ
４１ 集光レンズ
５０ 反射鏡
６０ 透過窓
１００ 検査光発光部
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅ、１１１Ｆ、１１１Ｇ、１１１Ｈ、１１１Ｉ 参照光源
２００ 受光部
３００ 中央演算処理装置
３０１ 乾き度特定部
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 データ記憶装置
４０１ 関係記憶部

Claims (19)

1. 水平に配置され、内部に気液二相流である湿り蒸気を流す検査管であって、少なくとも底部を飽和液が流れる検査管と、
   前記検査管の側壁から前記検査管内部の前記気液二相流の気液界面の上下両方に向けて検査光を発する検査光発光部と、
   前記前記気液界面を挟んで上下に存在する気体部分と液体部分を通過した検査光を受光する受光部と、
   前記受光部が受光した前記検査光の強度に基づき、前記検査管内の前記湿り蒸気全体の乾き度を特定する乾き度特定部と、
   を備える乾き度測定装置。
2. 前記検査光発光部が、前記検査管の側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の発光用光導波路を備える、請求項１に記載の乾き度測定装置。
3. 前記検査光発光部が、前記検査光を発する検査光源と、前記検査光源が発した前記検査光を前記複数の発光用光導波路に分波する分波器と、を更に備える、請求項２に記載の乾き度測定装置。
4. 前記検査光発光部が、前記検査管の側壁の上から下の複数の箇所に配置された、前記検査光を発する複数の検査光源を備える、請求項１に記載の乾き度測定装置。
5. 前記検査光が平行光であり、前記気液二相流の気液界面の上下両方が前記平行光である検査光で照射される、請求項１に記載の乾き度測定装置。
6. 前記検査光発光部が、前記検査光を発する検査光源と、前記検査光源から発せられた前記検査光を前記平行光にする平行光レンズと、を備える、請求項５に記載の乾き度測定装置。
7. 前記検査管の前記検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁に、前記受光部が設けられている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
8. 前記受光部が、前記検査管の前記検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光用光導波路を備える、請求項７に記載の乾き度測定装置。
9. 前記受光部が、前記複数の受光用光導波路で伝搬された前記検査光を合波する合波器と、前記合波器で合波された前記検査光を受光する受光素子を更に備える、請求項８に記載の乾き度測定装置。
10. 前記受光部が、前記検査管の前記検査光発光部が設けられた側壁に対向する側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光素子を備える、請求項８に記載の乾き度測定装置。
11. 前記受光部が、前記検査光を集光する集光レンズと、前記集光された検査光を受光する受光素子と、を備える、請求項８に記載の乾き度測定装置。
12. 前記検査管の前記検査光発光部が設けられた側壁に、前記受光部が設けられている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
13. 前記受光部が、前記検査管内部を往復した前記検査光を受光する、請求項１２に記載の乾き度測定装置。
14. 前記検査光発光部が前記検査管の側壁に設けられた透過窓に検査光を発し、前記受光部が、前記透過窓で反射された前記検査光を受光する、請求項１２に記載の乾き度測定装置。
15. 前記受光部が、前記検査管の前記検査光発光部が設けられた側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光用光導波路を備える、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
16. 前記受光部が、前記複数の受光用光導波路で伝搬された前記検査光を合波する合波器と、前記合波器で合波された前記検査光を受光する受光素子を更に備える、請求項１５に記載の乾き度測定装置。
17. 前記受光部が、前記検査管の前記検査光発光部が設けられた側壁の上から下の複数の箇所に配置された複数の受光素子を備える、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
18. 前記受光部が、前記検査光を集光する集光レンズと、前記集光された検査光を受光する受光素子と、を備える、請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
19. 前記乾き度特定部が、前記検査管内部における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。