JPS62123334A

JPS62123334A - 粒径測定装置

Info

Publication number: JPS62123334A
Application number: JP26300985A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Umeda; 梅田　利也
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-11-22
Filing date: 1985-11-22
Publication date: 1987-06-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕この発明は、微小な粒子の粒径および粒子速度から粒子
の数密度および蒸気の湿り度を測定するようにした粒径
測定装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

蒸気タービンの低圧最終段落付近では、水滴を多く含ん
だ湿り蒸気中で翼が作動しており、それらの微小な水滴
は、翼面に付着、集積することによって粗大水滴の発生
を招き、動翼の浸蝕やタービン効率の低下をＪＢ　＜原
因となっている。

これらの理由から、タービン内の蒸気湿り度を知ること
は、ターごンの効率を知り、動画の浸蝕を防止するのに
非常に有効であり、湿り蒸気中に含まれる水滴の粒径を
測定するための装置が種々開発されている。

一般に、水滴のような球状粒子による散乱光は、Ｍｉｅ
散乱理論から求めることができるため、従来開発されて
いる粒径測定装置は、この理論を応用したものが多い。

その中の一つにフォトカウント法と呼ばれる方法を採用
したものがある。

この方法を採用した粒径測定装置を、第８図に示す。す
なわら、光源１からの光を測定視野Ｐに導くように集光
レンズ２、照射側光ファーイバ３、スリン１−４おＪ−
び照射側しノンズ５を設けるとともに、これら照射側光
学系の光軸と９０°の角度をなして測定視野Ｐに対向す
るように受光側レンズ６、スリット７および受光側光フ
ァイバ８を配置する。スリット４．７には角形開口が形
成されており、照射側レンズ５によってスリット４の開
口像を測定視野Ｐに作り、それとともに受光側レンズ６
でスリット７の開口像を測定視野Ｐに作ると、測定視野
Ｐは直方体に整形される。

この測定視野ρ内を被測定粒子りが通過すると、照射側
レンズ５から上記粒子りに光が照射され、照射方向と９
０°の方向に散乱された散乱光パルスが受光側レンズ６
、スリット７を介して受光側光ファイバ８に導かれる。

そして、この受光側光ファイバ８に導かれた散乱光パル
スを光電子増倍管９で電気信号に変換し、増幅器１ｏで
増幅する。

この電気信号はパルス信号であり、このパルス信号の波
高値から、第９図に示す予めＭｉｅ散乱理論より求めて
おいた粒径と散乱光パルス波高値との関係に基づき、波
高分析器１１により被側定粒子りの粒径を求めることが
できる。

ところが、上記の従来のフォトカウント法では、粒子の
径、個数を求めることは可能であったが、粒子の数密度
、蒸気の湿り度を求めることができず、例えば蒸気ター
ごン内の湿り蒸気を正確にモニタリングすることができ
なかった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような問題に基づきなされたものであり
、その目的とするところは、粒子の径、ｇ数のみならず
、粒子の数密度、蒸気湿り度も同時に求めることのでき
る粒径測定装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、散乱光パルスの波高値から粒子の粒径を求め
るとともに散乱光パルスのパルス幅から粒子の速度を求
め、これらの値から粒子の数密度および蒸気湿り度を求
めるようにしたものであり、次のように構成したことを
特徴としている。

すなわち、光源と、この光源から出射された光を測定視
野に導く光伝送系と、前記測定視野内に被測定液体粒子
が一つずつ入ってきたときに前記光伝送系の光軸に対し
て所定の角度をなす光軸上で観測される散乱光パルスを
検出する手段と、この手段で検出された前記散乱光パル
スから該パルスの波高値とパルス幅とを測定する手段と
、この手段で得られた前記散乱光パルスの波高値から前
記粒子の粒径を算出するとともに前記散乱光パルスのパ
ルス幅から前記粒子の速度を算出し、算出された前記粒
子の粒径および速度分布から特定の速度で飛翔する粒子
の全体積を算出した後、この体積を粒子速度と測定時間
と測定視野の断面積との積で除して単位体積に含まれる
上記特定の速度の粒子の体積を算出し、さらにこの値を
全ての粒子速度について加痒しで単位体積に含まれる粒
子の全体積を求め、この値に基づいて粒子の数密度およ
び蒸気の湿り度を算出する信号処理）！ｉ置とを具備し
たことを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、粒子の粒径と個数のみならず、粒子の
数密度、蒸気の湿り度をも同時に求めることができるの
で、例えば蒸気タービンのモニタリング、すなわち水滴
による動翼の浸蝕、タービン効率の損失等の問題の解明
と対策を行なうことができる。

また、このように粒子の速度を散乱光パルスのパルス幅
から求めるようにすれば、比較的簡単な回路構成で済む
ことになる。このため、装置の小形化、コストの低減を
図ることもできる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら、本発明の〜実施例について
説明する。

第１図は、本実流例に係る粒径測定装置の概略的な構成
を示すもので、図中２１は、レーザあるいはキセノンラ
ンプなどの光源である。この光源２１からの光は集光レ
ンズ２２、照射側光ファイバ２３、スリブ１−２４およ
び照射側レンズ２５を介して測定視野Ｐに導かれる。こ
の測定視野Ｐからの散乱光は、上記照射側の光伝送系の
光軸とθの角度をなして測定視野Ｐに対向配置された受
光側レンズ２６、スリブ１へ２７および受光側光ファイ
バ２８を介して光電子増倍管２９に導かれる。

スリブ１−２４．２７には角形開口が形成されており、
照射側レンズ２５によってスリット２４の開口像を測定
視野Ｐに作り、それとともに受光側レンズ２６でスリッ
ト２７の開口像を測定視野Ｐに作ると、六面体からなる
測定視野Ｐが形成される。

このような測定視野Ｐに微小な被測定粒子が一つずつ通
過すると、その粒子の粒径に応じた強さの散乱光が発生
する。この散乱光は、受光側の光学系を介して光電子増
倍管２９に導かれ、ここで光電変換されて第２図に示す
散乱光パルスとして出力される。この散乱光パルスは増
幅器３０で増幅された後、微分回路３１と比較回路３２
とに入力される。微分回路３１では、第２図に示すよう
に上記散乱光パルスの前縁部で正のトリガパルスを、ま
た後縁部で負のトリガパルスをそれぞれ出力する。正の
トリガパルスは、単安定マルチバイブレータ３３に入力
され、第２図に示す所定パルス幅のスタート信号に変換
される。また、負の１へリガパルスは、単安定マルチバ
イブレータ３４に入力され、第２図に示す所定パルス幅
のストップ信号に変換される。これらスタート信号およ
びストップ信号は、それぞれカウンタ３５，３６に入力
されている。第１のカウンタ３５は、スタート信号でク
ロック発振器３７からのクロックパルスのカウントを開
始し、ストップ信号でカウントを停止するもので、散乱
光パルスのパルス幅を測定するために設けられている。

第２のカウンタ３６は、スタート信号でクロック発振器
３８からのクロック信号のカウントを開始し、後述する
カウント禁止信号が入力されたら、そのカウント動作を
停止するもので、散乱光パルスの波高値を測定するため
に設けられている。この第２のカウンタ３６の出力はＤ
／Ａ変換器３９でＤ／Ａ変換された後、前述した比較回
路３２の他方の入力に与えられている。比較回路３２は
、カウンタ３６の出力が散乱光パルスのレベルに達した
時にカウント禁止信号をカウンタ３６に出力する。この
カウント禁止信号の出力タイミングは、散乱光パルスの
波高値に依存するので、カウンタ３６の出力は散乱光パ
ルスの波高値に比例する。カウンタ３５゜３６の出力は
ストップ信号が入力された後、インターフェース４０を
介して信号処理装置４１内のメモリに格納される。この
信号処理装置４１は、例えばマイクロコンピュータで構
成され、所定期間の観測によって得られた複数の散乱光
パルスの波高（直データおよびパルス幅データから粒子
の数密度と蒸気湿り度とを篩出し、その算出結束を表示
器４２に出力する。

信号処理装置４１の内部の処理を第３図において説明す
ると、　先ずパルス波高値データＨｐ（ｋ）、パルス幅
データｎ　（ｋ）が、ｋ＝１〜ｒｎについて入力される
と（５１）、信号処理＠置４１はこれらデータから粒径
データＤ（ｋ）、粒子速度データｖ　（ｋ）を算出し、
これをメモリに格納する（５２）。

これら粒径りおよび粒子速度Ｖは次のように求めること
ができる。すなわち、予めＭｉｅ敗乱叩論に基づいて求
めておいた第９図に示すような粒径と散乱光パルスとの
関係を示すテーブルが信号処理装置４１の内部に格納さ
れており、このテーブルによって粒径りが得られる。い
ま、第４図に示す測定視野Ｐにおいて光の強度が一定で
あるとすると、粒子速度■は、次式で表わすことができ
る。

ｖ＝　（Ｌ−Ｄ）／　（ｎＴ）　　　　　　　・（１）
ここでＬは測定視野Ｐの長さ、ｎはカウンタ３５のカウ
ント数、■はクロック発振器３７のクロック周期である
。このような計算を信号処理装′ａ４１内に格納されて
いるに一１〜ｍのデータに対して行ない、その計算結果
が別のメモリに格納される。

粒子の数密度Ｎを求めるには、次式を用いれば良い。

Ｎ−Ａ／Ｖ　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
ここで、Ａは単位体積当りの水の体積、■は１粒子の体
積である。（２）式によれば、粒径りが既に求まってい
るので、１粒子の体積Ｖは容易に求めることができる。

ここでは単位体積当りの水の体積Ａが重要になってくる
。単位体積当りの水の体積Ａは、次のように求められる
。

先ず、信号処理装置４１の内部のメ王りに格納された粒
径データＤ（ｋ）、粒子速度データｖ　（ｋ）からそれ
ぞれ最大値ＤＩＩｌａ×およびＶ　ｌａＸを求める〈５
３）。次に、粒子速度の最大値ｖ　ｍａｘをに１分割し
て、 Δｖ　−ｖ　ｍａｘ　／　ｋｌ　　　　　　　　　　−
（３）を求め、ざらに粒径の最大値Ｄｗａｘをに２分割
して、ΔＤ　−Ｄｌａｘ　／に２　　　　　　　　　　
・（４）を求める〈５４）。

特定の粒径および粒子速度の粒子がいくつ観測されたか
を格納する配列Ｎ　（１，Ｊ）を設定し、これをクリア
する（５５）。

メモリに格納された粒子速度データｖ　（ｋ）および粒
径データＤ　（ｋ）はそれぞれ、（１−１）Δ■≦ｖ　
（ｋ）＜　ｌΔ■　・・・（５）（Ｊ−１）ΔＤ≦Ｄ　
（ｋ）＜ＪΔＤ　・・・（６）（ｋ−１〜ｍ、１．Ｊは
正の整数）で示されるから、ｋ＝１〜ｍについて順次ｖ　（ｋ）　
、Ｄ　（ｋ）を読み出し、上記（５）、（６）式を満足
するＩ、Ｊを求め、Ｎ（１，Ｊ）に加算してい＜（５６
）。

この結果、Ｎ（１，Ｊ）には、第５図に示すように、粒
子速度をＸ軸、粒径をｙ軸、粒子の数を２軸とする三次
元的な粒子分布が得られる。したがって、水の体ｆｉＡ
は、次式によって求めることができる（５７）。

なお、ここで、ＴＭは測定時間、Ｓは測定視野Ｐの断面
積である。

このように水の体積Ａが求まったら、前記（２）式に基
づいて粒子の数密度Ｎ、蒸気の湿り度Ｙを求めることが
できる（５８）。蒸気の湿り度Ｙは、水の重さＷｔと蒸
気の重さＷ、とから、Ｙ＝Ｗｔ　／　（Ｗｚ　＋Ｗ、）
　　　　　　　・・・Ｂ）なる式で求めることができる
。ここで、Ｗ　ｔ　＝　Ａ　７’ｔｐ４．Ｗｑ−（１−
Ａ）ρ　であり、ざらにρ６は水の密度、ρ９　は蒸気
の密度であり、ρ４、ρ、は飽和蒸気衣から求めること
ができる。

このように、本実施例によれば、散乱光パルスの波高値
から粒径りを、散乱光パルスのパルス幅から粒子速度Ｖ
を求めるという至って簡単な測定で、これらのデータか
ら粒子の数密度Ｎと蒸気の湿り度Ｙとを同時に求めるこ
とができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、上記実施例では光学系として光ファイバを
用いたが、例えば第６図に示すような光フアイババンド
ル４３を用いても良い。この場合には、上記実施例のよ
うに光学系にスリットを用いる必要がなく、光源からの
光を損失なく測定視野Ｐに導くことができる。

また、上記実施例では信号処理系に、微分回路、比較回
路、単安定マルチバイブレータ、カウンタ、クロック発
振器等を用いたが、例えば第７図に示すようにウェーブ
メモリを用いるようにしても良い。

すなわち、光電子増倍管２９で充電変換された散乱光パ
ルス（８号を、入力アテネータ４４、入力アンプ４５を
介して入力する。そして散乱光パルスをトリガ回路４６
に与え、上記散乱光パルスの前縁部および後縁部でトリ
ガ回路４６から発せられるトリガパルスによってタイミ
ング回路４７が動作をする。このタイミング回路４７は
、王の周期でサンプリング信号をＡ／Ｄコンバータ４８
、記憶＠置４９および出力コントロール回路５０に出力
する。従って、散乱光パルスは、上記サンプリング信号
に従って、Ｔ周期でＡ／Ｄ変換され、記１１！装置４９
に記憶される。そして、この波形データを出力コントロ
ール回路５０を介して信号処理回路４１に出力し、粒径
と粒子速度の計算が行われる。

このように、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種
々変更して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る粒径測定装置の構成を
示すブロック図、第２図は同装置の動作を説明するため
の波形図、第３図は同装置における信＠りα浬装置内部
の処理の流れを示す流れ図、第４図は同装置における測
定視野を示す図、第５図は同装置で算出された粒子速度
と粒径とに対する粒子の数の分布を示す図、第６図およ
び第７図は本発明のそれぞれ他の実施例を示す図、第８
図は従来の粒径測定装置を示すブロック図、第９図はＭ
　ｌ　ｅ散乱理論から求められる粒径と散乱光パルスと
の関係を示す図である。１．２２・・・光源、２，２２・・・集光レンズ、３゜
２３・・・照射側光ファイバ、４．７，２４．２７・・
・スリン１−１５，２５・・・照射側レンズ、６，２６
・・・受光側レンズ、８．２８・・・受光側光ファイバ
、４３・・・光フアイババンドル、Ｐ・・・測定視野。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦ｔ＋’　　　ｔｚ第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と、この光源から出射された光を測定視野に
導く光伝送系と、前記測定視野内に被測定液体粒子が一
つずつ入ってきたときに前記光伝送系の光軸に対して所
定の角度をなす光軸上で観測される散乱光パルスを検出
する手段と、この手段で検出された前記散乱光パルスか
ら該パルスの波高値とパルス幅とを測定する手段と、こ
の手段で得られた前記散乱光パルスの波高値から前記粒
子の粒径を算出するとともに前記散乱光パルスのパルス
幅から前記粒子の速度を算出し、算出された前記粒子の
粒径および速度分布から特定の速度で飛翔する粒子の全
体積を算出した後、この体積を粒子速度と測定時間と測
定視野の断面積との積で除して単位体積に含まれる上記
特定の速度の粒子の体積を算出し、さらにこの値を全て
の粒子速度について加算して単位体積に含まれる粒子の
全体積を求め、この値に基づいて粒子の数密度および蒸
気の湿り度を算出する信号処理装置とを具備したことを
特徴とする粒径測定装置。
（２）前記散乱光パルスの波高値とパルス幅とを測定す
る手段は、前記散乱光パルスを入力して該パルスの前縁
部および後縁部においてトリガパルスを出力する微分回
路と、この微分回路から出力される前縁部のトリガパル
スでカウントを開始し同後縁部のトリガパルスでカウン
トを停止する第１のカウンタと、前記微分回路から出力
される前縁部のトリガパルスでカウントを開始しカウン
ト禁止信号でカウントを停止する第２のカウンタと、こ
の第２のカウンタの出力値が前記散乱光パルスの波高値
を超えた時に前記第２のカウンタに前記カウント禁止信
号を出力する比較器とを具備してなることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の粒径測定装置。