WO2017073256A1 - 乾き度測定装置 - Google Patents

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wet steam
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泰明 松儀
康博 五所尾
志功 田邉
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light

Definitions

  • the present invention relates to a measurement technique and relates to a dryness measuring apparatus.
  • dryness is also defined as the ratio of the difference between the specific enthalpy of wet steam and the specific enthalpy of saturated liquid to the specific enthalpy of latent heat.
  • the dryness is 0.5.
  • the dryness is 1.0.
  • the wet steam dryness is controlled. It is desired to be in a state close to 1.0. Therefore, various methods for measuring the dryness have been proposed.
  • Patent Document 1 uses a saturated steam table based on the wet steam flow rate and pressure before and after the pressure control valve, using the fact that there is no change in the total enthalpy before and after the pressure control valve provided in the pipe.
  • a technique for calculating dryness by obtaining saturated water enthalpy and saturated steam enthalpy is disclosed.
  • Patent Document 1 needs to change the wet vapor of the measurement object from the two-phase state to the gas phase state and further stabilize the measurement object in the gas phase state, measurement of dryness There is a problem that it takes time.
  • Patent Document 2 discloses a technique for optically measuring the dryness.
  • an object of the present invention is to provide a dryness measuring apparatus capable of accurately measuring the dryness.
  • an inspection light emitter that emits inspection light having at least a wavelength that is absorbed by a saturated liquid
  • an inspection tube that allows wet steam to flow therein, the inspection light emitter
  • An inspection tube provided with a first window into which the inspection light generated from the light enters and a second window through which the inspection light transmitted through the inspection tube exits; and (c) the inspection tube passes through the inspection tube.
  • a light receiver that receives the inspection light; and (d) a dryness specifying unit that specifies the dryness of the wet steam based on the light intensity of the received inspection light, and (e) the first and second windows.
  • a dryness measuring apparatus in which at least one of these is hydrophilically treated.
  • At least one of the first and second windows may be subjected to ultraviolet irradiation treatment.
  • at least one of the first and second windows may be covered with a photocatalyst.
  • the first window may be disposed above the gravity direction
  • the second window may be disposed below the gravity direction
  • the first window may be hydrophilically treated.
  • an inspection light emitter that emits inspection light having at least a wavelength that is absorbed by a saturated liquid
  • an inspection tube that flows wet steam inside, the inspection light
  • An inspection tube provided with a first window into which the inspection light generated from the light emitter enters; and a second window from which the inspection light transmitted through the inspection tube exits; and (c) an inspection tube.
  • a receiver that receives the inspection light that has passed, (d) a dryness specifying unit that specifies the dryness of the wet steam based on the light intensity of the received inspection light, and (e) the first and second windows.
  • a dryness measuring apparatus including an ultraviolet irradiator that irradiates at least one with ultraviolet rays.
  • the ultraviolet irradiator may be opposed to the outer surface of the first window. Further, an ultraviolet reflecting film may be provided on the inner surface of the second window.
  • the first window may be arranged on the upper side in the gravity direction
  • the second window may be arranged on the lower side in the gravity direction
  • At least one of the first and second windows may be previously subjected to ultraviolet irradiation treatment.
  • at least one of the first and second windows may be covered with a photocatalyst.
  • the dryness measuring apparatus may further include a multiplexer that combines inspection light and ultraviolet light, and a combined optical waveguide that propagates the combined inspection light and ultraviolet light to the first window. .
  • the dryness measuring apparatus includes an inspection light emitter 11 that emits inspection light having at least a wavelength absorbed by a saturated liquid, and wet steam inside.
  • An optical receiver 12 that receives the inspection light that has passed through the inspection tube 21, and a dryness specifying unit 301 that specifies the dryness of the wet steam based on the light intensity of the received inspection light.
  • At least one of the first and second windows 121A and 121B is subjected to a hydrophilic treatment.
  • the dryness specifying unit 301 is included in a central processing unit (CPU) 300.
  • the test tube 21 can pass wet steam in which saturated steam and saturated liquid are combined.
  • saturated steam under standard atmospheric pressure, water reaches a boiling point (100 ° C.), and then water as droplets and steam are mixed to form wet steam in a coexisting state.
  • the pressure is constant, since the latent heat of wet steam changes due to heating and cooling, the saturation temperature is constant.
  • dryness the mass ratio of saturated steam to the total amount of wet steam. Therefore, the dryness of the saturated steam is 1, and the dryness of the saturated liquid is 0.
  • z m vapor / (m vapor + m water ) (1) z represents the degree of dryness, m vapor represents the mass of saturated vapor, and m water represents the mass of saturated liquid.
  • the mass of the saturated vapor is proportional to the absorbance of the saturated vapor.
  • the mass of the saturated liquid is proportional to the absorbance of the saturated liquid. Therefore, the following equation (2) is derived from the above equation (1).
  • a Vapor absorbance of saturated steam a water is the absorbance
  • k is the following (3) the molar extinction coefficient ratio given by the formula of the saturated liquid.
  • k e vapor / e water (3)
  • e vapor represents the extinction coefficient of saturated vapor
  • e water represents the extinction coefficient of saturated liquid.
  • a s of wet steam as given by the following equation (4), and the absorbance of the saturated vapor, and the absorbance of the saturated liquid, is given by the sum of.
  • a s a vapor + a water (4)
  • the absorbance of the wet vapor is given by the logarithm of the ratio of the light intensity of the light after passing through the wet steam to the light intensity of the light before passing through the wet steam as given by the following equation (5).
  • a s -ln (I steam1 / I steam0 ) (5)
  • I steam0 represents the light intensity of light before the wet steam is transmitted or when there is no wet steam
  • I steam1 represents the light intensity of the light after transmitted through the wet steam.
  • the absorption spectra of the saturated vapor and the saturated liquid are different, and when the dryness changes, the absorption spectrum of the saturated liquid changes.
  • the absorbance A s of wet steam at the peak wavelength of the absorption spectrum of the saturated liquid Decrease.
  • the wavelength at the peak of the absorption spectrum of the saturated liquid is around 1880 nm.
  • the absorbance of saturated steam can be regarded as constant if the pressure is constant.
  • the dryness of the wet steam is also given by the following equation (6) derived from the above equations (2), (4), and (5).
  • z 1 / (1-k + (k / a vapor ) ⁇ A S ) (6)
  • the molar extinction coefficient ratio k is a constant.
  • the absorbance a Vapor saturated steam can be considered a constant under constant pressure
  • the absorbance a Vapor saturated steam can be derived from the pressure of the wet steam. Therefore, by measuring the absorbance A S of wet steam, it is possible to calculate the dryness fraction z of wet steam from (6).
  • the inspection light emitter 11 shown in FIG. 1 emits inspection light including a wavelength band absorbed by the saturated liquid.
  • the inspection light is, for example, near infrared light having a wavelength region of 800 nm to 2500 nm. As shown in FIG. 4, the inspection light may have the peak wavelength of the absorption spectrum of the saturated liquid as the center wavelength. In the wavelength region, the absorption spectra of the saturated vapor and the saturated liquid overlap.
  • a light-emitting diode or the like can be used for the inspection light emitter 11 shown in FIG.
  • the first window 121A and the second window 121B provided in the inspection tube 21 face each other.
  • the first and second windows 121A and 121B are made of quartz glass such as heat-resistant glass. At least one of the first and second windows 121A and 121B is subjected to hydrophilic treatment by ultraviolet (UV) irradiation treatment with a wavelength of 10 nm to 400 nm. Alternatively, at least one of the first and second windows 121A and 121B is covered with a photocatalyst such as titanium oxide (TiO 2 ) or zinc oxide (ZnO) to be hydrophilic.
  • a photocatalyst such as titanium oxide (TiO 2 ) or zinc oxide (ZnO) to be hydrophilic.
  • a low pressure plasma treatment As a method for hydrophilic treatment of at least one of the first and second windows 121A and 121B, a low pressure plasma treatment, an atmospheric pressure plasma treatment, an ozone treatment, a surfactant coating treatment, a hydrophilic resin coating treatment, etc.
  • a low pressure plasma treatment As a method for hydrophilic treatment of at least one of the first and second windows 121A and 121B, a low pressure plasma treatment, an atmospheric pressure plasma treatment, an ozone treatment, a surfactant coating treatment, a hydrophilic resin coating treatment, etc.
  • a low pressure plasma treatment As a method for hydrophilic treatment of at least one of the first and second windows 121A and 121B, a low pressure plasma treatment, an atmospheric pressure plasma treatment, an ozone treatment, a surfactant coating treatment, a hydrophilic resin coating treatment, etc.
  • the first window 121A when the first window 121A is disposed on the upper side in the gravity direction and the second window 121B is disposed on the lower side in the gravity direction, liquid water easily flows on the inner surface of the second window 121B. Only the inner surface of one window 121A may be subjected to a hydrophilic treatment. However, the outer surface of the first window 121A, the inner surface of the second window 121B, and the outer surface of the second window 121B may be subjected to hydrophilic treatment.
  • the heat-resistant inspection tube 21 provided with the first and second windows 121A and 121B is, for example, a sight glass.
  • a collimator lens may be disposed between the inspection light emitter 11 and the outer surface of the first window 121A.
  • the inspection light emitted from the inspection light emitter 11 is absorbed by the saturated liquid contained in the wet steam inside the inspection tube 21.
  • the saturated liquid contained in the wet steam decreases as the dryness approaches from 0 to 1. Therefore, as the dryness of the wet steam in the test tube 21 approaches 0 to 1, the absorbance of the wet steam with respect to the test light tends to decrease.
  • the light receiver 12 that receives the inspection light that has passed through the inside of the inspection tube 21 faces the outer surface of the second window 121B of the inspection tube 21.
  • a light intensity detection element such as a photodiode can be used for the light receiver 12.
  • a lens that allows the inspection light to enter the light receiver 12 may be disposed between the outer surface of the second window 121 ⁇ / b> B and the light receiver 12.
  • the dryness measuring apparatus may further include a pressure sensor 16 that measures the pressure of the wet steam in the test tube 21.
  • the pressure information may be obtained from upstream or downstream of the inspection tube 21.
  • the light receiver 12 and the pressure sensor 16 are connected to the CPU 300.
  • a related storage device 400 is connected to the CPU 300.
  • the relation storage device 400 stores a relational expression between the absorbance of wet steam and the dryness of wet steam, for example, the above formulas (5) and (6).
  • the dryness specifying unit 301 receives from the light receiver 12 a measurement value of the light intensity of the inspection light transmitted through the wet steam inside the inspection tube 21. Further, the dryness specifying unit 301 reads the relational expression from the relation storage device 400. Furthermore, the dryness specifying unit 301, based on the light intensity I Steam1 of inspection light receiving device 12 has received, for example, according to the above (5), to identify the absorbance A S of wet steam in the test tube 21. Note that the light intensity I steam0 of the inspection light before passing through the wet steam or when there is no wet steam in the inspection tube 21 may be a value measured in advance. Further, the dryness specifying unit 301 receives the measured value of the pressure of the wet steam in the test tube 21 from the pressure sensor 16.
  • the dryness specifying unit 301 calculates the absorbance a vapor of saturated vapor depending on the pressure. Further, the dryness specifying unit 301 substitutes, for example, the value of the absorbance A S of the wet vapor and the value of the absorbance a vapor of the saturated vapor in the above equation (6) into the test tube 21. The dryness z of the wet steam inside is calculated. However, if the pressure is constant, the absorbance a vapor of the saturated vapor can be regarded as constant. Therefore, if the pressure in the test tube 21 is constant, a constant may be used for the absorbance a vapor of the saturated vapor. In this case, the dryness measuring apparatus according to the first embodiment may not include the pressure sensor 16.
  • an input device 321, an output device 322, a program storage device 323, and a temporary storage device 324 are connected to the CPU 300.
  • a switch, a keyboard, and the like can be used.
  • the relational expression stored in the relation storage device 400 is input using the input device 321, for example.
  • an optical indicator, a digital indicator, a liquid crystal display device, or the like can be used.
  • the output device 322 outputs, for example, the dryness value of the wet steam inside the test tube 21 specified by the dryness specifying unit 301.
  • the program storage device 323 stores a program for causing the CPU 300 to execute data transmission / reception between devices connected to the CPU 300.
  • the temporary storage device 324 temporarily stores data in the calculation process of the CPU 300.
  • At least one of the first and second windows 121A and 121B provided in the test tube 21 is subjected to a hydrophilic treatment. This makes it difficult for water droplets to adhere to at least one of the first and second windows 121A and 121B. If at least one of the first and second windows is not hydrophilically treated, water droplets easily adhere to the first and second windows, and the inspection light is refracted and scattered by the water droplets and received by the light receiver. The amount of inspection light that can be generated can be reduced.
  • the inspection light is prevented from being refracted or scattered by water droplets, and the amount of the inspection light that can be received by the light receiver is suppressed from decreasing. It becomes possible. Therefore, it becomes possible to measure the dryness of the wet steam with high accuracy based on the absorbance of the inspection light in the wet steam.
  • the dryness measuring apparatus includes an inspection light emitter 11 that emits inspection light having at least a wavelength absorbed by a saturated liquid, and wet steam inside.
  • An optical receiver 12 that receives the inspection light that has passed through the inspection tube 21, and a dryness specifying unit 301 that specifies the dryness of the wet steam based on the light intensity of the received inspection light.
  • an ultraviolet irradiator 111 that irradiates at least one of the first and second windows with ultraviolet rays.
  • the ultraviolet irradiator 111 irradiates ultraviolet rays
  • at least one of the first and second windows 221A and 221B is subjected to a hydrophilic treatment.
  • the ultraviolet irradiator 111 faces, for example, the outer surface of the first window 221A.
  • at least the outer surface and the inner surface of the first window 221A are subjected to hydrophilic treatment by ultraviolet irradiation.
  • the outer surface and the inner surface of the second window 221B are also subjected to hydrophilic treatment by the ultraviolet rays transmitted through the first window 221A.
  • an ultraviolet lamp that emits ultraviolet light having a wavelength of 184.9 nm or 253.7 nm can be used.
  • the first window 221A when the first window 221A is arranged on the upper side in the gravity direction and the second window 221B is arranged on the lower side in the gravity direction, liquid water easily flows on the inner surface of the second window 221B.
  • the inner surface of one window 221A may be subjected to hydrophilic treatment.
  • an ultraviolet reflecting film is provided on the inner surface of the second window 221B, and the ultraviolet light transmitted through the first window 221A is reflected on the second window 221B and is incident on the inner surface of the first window 221A. May be. Thereby, the effective use of ultraviolet rays becomes possible.
  • each of the inner surface of the first window 221A, the outer surface of the first window 221A, the inner surface of the second window 221B, and the outer surface of the second window 221B is:
  • the hydrophilic treatment may be performed in advance by a method different from the ultraviolet irradiation by the ultraviolet irradiator 111 or may not be hydrophilic.
  • an inspection optical waveguide 30 that propagates inspection light is disposed facing the inspection light emitter 11. Further, an ultraviolet waveguide 130 for propagating ultraviolet rays is disposed opposite to the ultraviolet irradiator 111.
  • a multiplexer 14 is connected to the inspection optical waveguide 30 and the ultraviolet waveguide 130.
  • a multiplexer optical waveguide 31 for propagating the inspection light and the ultraviolet light combined by the multiplexer 14 to the inside of the inspection tube 21 is connected to the multiplexer 14.
  • the combined optical waveguide 31 is connected to, for example, the outer surface of a window 221 ⁇ / b> A provided in the test tube 21.
  • a collimator lens may be disposed between the end of the multiplexed optical waveguide 31 and the outer surface of the window 221A.
  • the light receiving waveguide 51 into which the inspection light that has passed through the inside of the inspection tube 21 enters is connected to the outer surface of the window 221B of the inspection tube 21.
  • the end of the light receiving waveguide 51 is opposed to the end of the combined optical waveguide 31.
  • a lens that allows inspection light to enter the light receiving waveguide 51 may be disposed between the outer surface of the window 221 ⁇ / b> B and the end of the light receiving waveguide 51.
  • the light receiving waveguide 51 guides the inspection light transmitted through the inside of the inspection tube 21 to the light receiver 12.
  • the inspection optical waveguide 30, the ultraviolet waveguide 130, the multiplexing optical waveguide 31, and the light receiving waveguide 51 include a single-core optical fiber made of plastic such as polymethyl methacrylate resin (PMMA: Poly (methyl methacrylate)), and A single core optical fiber made of glass such as quartz glass can be used, but is not limited thereto.
  • PMMA Polymethyl methacrylate resin
  • quartz glass glass
  • the first window 221A when the first window 221A is arranged on the upper side in the gravity direction and the second window 221B is arranged on the lower side in the gravity direction, liquid water easily flows on the inner surface of the second window 221B.
  • the inner surface of one window 221A may be subjected to hydrophilic treatment.
  • an ultraviolet reflecting film is provided on the inner surface of the second window 221B, and the ultraviolet light transmitted through the first window 221A is reflected on the second window 221B and is incident on the inner surface of the first window 221A. May be. Thereby, the effective use of ultraviolet rays becomes possible.
  • each of the inner surface of the first window 221A, the outer surface of the first window 221A, the inner surface of the second window 221B, and the outer surface of the second window 221B is The hydrophilic treatment may be performed by a method different from the ultraviolet irradiation by the ultraviolet irradiator 111, or the hydrophilic treatment may not be performed.
  • the relationship between the intensity of light received by the receiver and the dryness of the wet steam is measured by measuring the dryness of the wet steam using a conventional dryness measurement method while heating the wet steam with a boiler or the like.
  • it may be acquired in advance by measuring the intensity of the inspection light that has passed through.
  • the relationship between the light reception intensity by the light receiving element and the dryness of the wet steam may be stored as a table.
  • the dryness measuring device is a visualization of the latent heat increase effect by the pressure reducing valve, dryness measurement to obtain the optimum boiler efficiency, wet loss measurement of the steam turbine, optimal dryness control of the heat exchanger, It can be used for the control of food production processes such as a noodle-making process and the control of chemical processes.

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Abstract

飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器１１と、内部に湿り蒸気を流す検査管２１であって、検査光発光器１１から発生された検査光が入射する第１の窓１２１Ａと、当該検査管２１の内部を透過した検査光が出射する第２の窓１２１Ｂと、が設けられた検査管２１と、検査管２１を通過した検査光を受光する受光器１２と、受光された検査光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部３０１と、を備える乾き度測定装置。第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方は、親水性処理されている。

Description

乾き度測定装置
　本発明は測定技術に係り、乾き度測定装置に関する。
　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。
　本発明の態様によれば、（ａ）飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器と、（ｂ）内部に湿り蒸気を流す検査管であって、検査光発光器から発生された検査光が入射する第１の窓と、当該検査管の内部を透過した検査光が出射する第２の窓と、が設けられた検査管と、（ｃ）検査管を通過した検査光を受光する受光器と、（ｄ）受光された検査光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、を備え、（ｅ）第１及び第２の窓の少なくとも一方が、親水性処理されている、乾き度測定装置が提供される。
　上記の乾き度測定装置において、第１及び第２の窓の少なくとも一方が、紫外線照射処理されていてもよい。あるいは、第１及び第２の窓の少なくとも一方が、光触媒で覆われていてもよい。
　上記の乾き度測定装置において、第１の窓が重力方向上側、第２の窓が重力方向下側に配置され、第１の窓が、親水性処理されていてもよい。
　また、本発明の態様によれば、（ａ）飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器と、（ｂ）内部に湿り蒸気を流す検査管であって、検査光発光器から発生された検査光が入射する第１の窓と、当該検査管の内部を透過した検査光が出射する第２の窓と、が設けられた検査管と、（ｃ）検査管を通過した検査光を受光する受光器と、（ｄ）受光された検査光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、（ｅ）第１及び第２の窓の少なくとも一方に紫外線を照射する紫外線照射器と、を備える、乾き度測定装置が提供される。
　上記の乾き度測定装置において、紫外線照射器が第１の窓の外表面と対向していてもよい。また、第２の窓の内表面に紫外線反射膜が設けられていてもよい。
　上記の乾き度測定装置において、第１の窓が重力方向上側、第２の窓が重力方向下側に配置されてもよい。
　上記の乾き度測定装置において、第１及び第２の窓の少なくとも一方が、予め紫外線照射処理されていてもよい。あるいは、第１及び第２の窓の少なくとも一方が、光触媒で覆われていてもよい。
　上記の乾き度測定装置が、検査光と紫外線を合波する合波器と、合波された検査光と紫外線を第１の窓に伝搬する合波光導波路と、をさらに備えていてもよい。
　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３の実施の形態に係る乾き度測定装置の模式図である。
　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、飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器１１と、内部に湿り蒸気を流す検査管２１であって、検査光発光器１１から発生された検査光が入射する第１の窓１２１Ａと、当該検査管２１の内部を透過した検査光が出射する第２の窓１２１Ｂと、が設けられた検査管２１と、検査管２１を通過した検査光を受光する受光器１２と、受光された検査光の光強度に基づき、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。第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方は、親水性処理されている。乾き度特定部３０１は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００に含まれている。
　検査管２１には、飽和蒸気と、飽和液と、が合わさった湿り蒸気が通過しうる。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、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）式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。
   z=mvapor/(mvapor+mwater)   (1)
　ｚは乾き度、ｍvaporは飽和蒸気の質量、ｍwater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。
   z=mvapor/(mvapor+mwater)
    =avapor/(avapor+k×awater)   (2)
　ａvaporは飽和蒸気の吸光度、ａwater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=evapor/ewater   (3)
　ｅvaporは飽和蒸気の吸光係数、ｅwaterは飽和液の吸光係数を表す。
　湿り蒸気の吸光度Ａs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。
   As=avapor+awater   (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、湿り蒸気を透過した後の光の光強度の比の対数で与えられる。
   As=-ln(Isteam1/Isteam0)   (5)
　Ｉsteam0は湿り蒸気を透過する前、あるいは湿り蒸気が存在しない場合の光の光強度、Ｉsteam1は湿り蒸気を透過した後の光の光強度を表す。
　図３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４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Ａs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。
   z=1/(1-k+(k/avapor)×AS)   (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ａvapor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ａvapor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ＡSを測定することにより、（６）式から湿り蒸気の乾き度ｚを算出することが可能である。
　図１に示す検査光発光器１１は、飽和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８００ｎｍから２５００ｎｍの近赤外光である。図４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に示す検査光発光器１１には、発光ダイオード等が使用可能である。
　検査管２１に設けられた第１の窓１２１Ａと、第２の窓１２１Ｂと、は、対向している。第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂは、例えば耐熱ガラス等の石英ガラスからなる。第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方が、波長が１０ｎｍから４００ｎｍの紫外線（ＵＶ）照射処理により、親水性処理されている。あるいは、第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方が、酸化チタン（ＴｉＯ2）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の光触媒で覆われることにより、親水性処理されている。他に、第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方を親水性処理する方法としては、減圧プラズマ処理、大気圧プラズマ処理、オゾン処理、界面活性剤コーティング処理、及び親水性樹脂コーティング処理等があるが、これらに限定されない。
　例えば、第１の窓１２１Ａが重力方向上側、第２の窓１２１Ｂが重力方向下側に配置される場合は、第２の窓１２１Ｂの内表面上には液体の水が流れやすくなるため、第１の窓１２１Ａの内表面のみが、親水性処理されてよい。ただし、第１の窓１２１Ａの外表面、第２の窓１２１Ｂの内表面、及び第２の窓１２１Ｂの外表面も親水性処理されてよい。
　第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂが設けられた耐熱性の検査管２１は、例えば、サイトグラスである。検査光発光器１１と、第１の窓１２１Ａの外面の間に、コリメータレンズを配置してもよい。
　検査光発光器１１から発せられた検査光は、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、検査光に対する湿り蒸気の吸光度は低下する傾向にある。
　検査管２１の第２の窓１２１Ｂの外面に、検査管２１の内部を通過した検査光を受光する受光器１２が対向している。受光器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２の窓１２１Ｂの外面と、受光器１２の間に、受光器１２に検査光を入射させるレンズを配置してもよい。
　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１６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。
　受光器１２及び圧力センサ１６は、ＣＰＵ３００に接続されている。ＣＰＵ３００には、関係記憶装置４００が接続されている。関係記憶装置４００は、例えば、上記（５）式及び（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、受光器１２から、検査管２１の内部の湿り蒸気を透過した検査光の光強度の測定値を受信する。また、乾き度特定部３０１は、関係記憶装置４００から関係式を読み出す。さらに、乾き度特定部３０１は、受光器１２が受光した検査光の光強度Ｉsteam1に基づき、例えば上記（５）式に従って、検査管２１内の湿り蒸気の吸光度ＡSを特定する。なお、湿り蒸気を透過する前、あるいは検査管２１内に湿り蒸気が存在しない場合の検査光の光強度Ｉsteam0は、予め測定した値を定数として用いてもよい。また、乾き度特定部３０１は、圧力センサ１６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、圧力センサ１６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ａvapor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の内部における湿り蒸気の吸光度ＡSの値と、飽和蒸気の吸光度ａvaporの値と、を代入し、検査管２１内の湿り蒸気の乾き度ｚ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ａvapor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ａvapor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１６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。関係記憶装置４００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出力する。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。
　以上説明した第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に設けられた第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方が、親水性処理されている。そのため、第１及び第２の窓１２１Ａ、１２１Ｂの少なくとも一方に水滴が付着しにくくなる。仮に第１及び第２の窓の少なくとも一方が親水性処理されていない場合、第１及び第２の窓に水滴が容易に付着し、検査光が水滴により屈折や散乱して、受光器で受光できる検査光の光量が減少しうる。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、検査光が水滴により屈折や散乱することを抑制し、受光器で受光できる検査光の光量が減少することを抑制することが可能となる。そのため、湿り蒸気における検査光の吸光度に基づき、高い精度で、湿り蒸気の乾き度を測定することが可能となる。
　（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５に示すように、飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器１１と、内部に湿り蒸気を流す検査管２１であって、検査光発光器１１から発生された検査光が入射する第１の窓２２１Ａと、当該検査管２１の内部を透過した検査光が出射する第２の窓２２１Ｂと、が設けられた検査管２１と、検査管２１を通過した検査光を受光する受光器１２と、受光された検査光の光強度に基づき、湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部３０１と、第１及び第２の窓の少なくとも一方に紫外線を照射する紫外線照射器１１１と、を備える。
　紫外線照射器１１１が紫外線を照射することにより、第１及び第２の窓２２１Ａ、２２１Ｂの少なくとも一方が親水性処理される。紫外線照射器１１１は、例えば、第１の窓２２１Ａの外表面と対向している。これにより、少なくとも、第１の窓２２１Ａの外表面と内表面が、紫外線照射により、親水性処理される。また、第１の窓２２１Ａを透過した紫外線により、第２の窓２２１Ｂの外表面と内表面も、親水性処理される。紫外線照射器１１１としては、例えば波長１８４．９ｎｍ又は２５３．７ｎｍの紫外線を発する紫外線ランプ等が使用可能である。
　例えば、第１の窓２２１Ａが重力方向上側、第２の窓２２１Ｂが重力方向下側に配置される場合は、第２の窓２２１Ｂの内表面上には液体の水が流れやすくなるため、第１の窓２２１Ａの内表面のみが、親水性処理されればよい場合もある。この場合、第２の窓２２１Ｂの内表面に紫外線反射膜を設けて、第１の窓２２１Ａを透過した紫外線を第２の窓２２１Ｂ上で反射させ、第１の窓２２１Ａの内表面に入射させてもよい。これにより、紫外線の有効利用が可能となる。
　また、第２の実施の形態において、第１の窓２２１Ａの内表面、第１の窓２２１Ａの外表面、第２の窓２２１Ｂの内表面、及び第２の窓２２１Ｂの外表面のそれぞれは、予め、紫外線照射器１１１による紫外線照射とは別の方法で親水性処理されていてもよいし、親水性処理されていなくともよい。
　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３の実施の形態）
　第３の実施の形態に係る乾き度測定装置においては、図６に示すように、検査光発光器１１に対向して、検査光を伝搬する検査光導波路３０が配置されている。また、紫外線照射器１１１に対向して、紫外線を伝搬する紫外線導波路１３０が配置されている。検査光導波路３０と紫外線導波路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紫外線を、検査管２１の内部に伝搬するための合波光導波路３１が接続されている。合波光導波路３１は、例えば、検査管２１に設けられた窓２２１Ａの外面に接続されている。合波光導波路３１の端部と、窓２２１Ａの外面の間に、コリメータレンズを配置してもよい。
　検査管２１の窓２２１Ｂの外面には、検査管２１の内部を通過した検査光が進入する受光用導波路５１が接続されている。受光用導波路５１の端部は、合波光導波路３１の端部と対向している。窓２２１Ｂの外面と、受光用導波路５１の端部の間に、受光用導波路５１に検査光を入射させるレンズを配置してもよい。受光用導波路５１は、検査管２１の内部を透過した検査光を、受光器１２に導く。
　検査光導波路３０、紫外線導波路１３０、合波光導波路３１、及び受光用導波路５１には、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ））等のプラスチックからなるシングルコア光ファイバ、及び石英ガラス等のガラスからなるシングルコア光ファイバ等が使用可能であるが、これらに限定されない。
　例えば、第１の窓２２１Ａが重力方向上側、第２の窓２２１Ｂが重力方向下側に配置される場合は、第２の窓２２１Ｂの内表面上には液体の水が流れやすくなるため、第１の窓２２１Ａの内表面のみが、親水性処理されればよい場合もある。この場合、第２の窓２２１Ｂの内表面に紫外線反射膜を設けて、第１の窓２２１Ａを透過した紫外線を第２の窓２２１Ｂ上で反射させ、第１の窓２２１Ａの内表面に入射させてもよい。これにより、紫外線の有効利用が可能となる。
　第３の実施の形態において、第１の窓２２１Ａの内表面、第１の窓２２１Ａの外表面、第２の窓２２１Ｂの内表面、及び第２の窓２２１Ｂの外表面のそれぞれは、予め、紫外線照射器１１１による紫外線照射とは別の方法で親水性処理されていてもよいし、親水性処理されていなくともよい。
　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。
　（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、受光器による受光強度と、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、熱交換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   検査光発光器
１２   受光器
１４   合波器
１６   圧力センサ
２１   検査管
３０   検査光導波路
３１   合波光導波路
５１   受光用導波路
１１１ 紫外線照射器
１２１Ａ      第１の窓
１２１Ｂ      第２の窓
１３０ 紫外線導波路
２２１Ａ      第１の窓
２２１Ｂ      第２の窓
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 関係記憶装置

Claims (11)

  1. 　飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器と、
    　内部に湿り蒸気を流す検査管であって、前記検査光発光器から発生された前記検査光が入射する第１の窓と、当該検査管の内部を透過した前記検査光が出射する第２の窓と、が設けられた検査管と、
    　前記検査管を通過した前記検査光を受光する受光器と、
    　前記受光された前記検査光の光強度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、
    　を備え、
    　前記第１及び第２の窓の少なくとも一方が、親水性処理されている、
    　乾き度測定装置。
  2. 　前記第１及び第２の窓の少なくとも一方が、紫外線照射処理されている、請求項１に記載の乾き度測定装置。
  3. 　前記第１及び第２の窓の少なくとも一方が、光触媒で覆われている、請求項１に記載の乾き度測定装置。
  4. 　前記第１の窓が重力方向上側、前記第２の窓が重力方向下側に配置され、
    　前記第１の窓が、親水性処理されている、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
  5. 　飽和液で吸収される波長を少なくとも有する検査光を発する検査光発光器と、
    　内部に湿り蒸気を流す検査管であって、前記検査光発光器から発生された前記検査光が入射する第１の窓と、当該検査管の内部を透過した前記検査光が出射する第２の窓と、が設けられた検査管と、
    　前記検査管を通過した前記検査光を受光する受光器と、
    　前記受光された前記検査光の光強度に基づき、前記湿り蒸気の乾き度を特定する乾き度特定部と、
    　前記第１及び第２の窓の少なくとも一方に紫外線を照射する紫外線照射器と、
    　を備える、
    　乾き度測定装置。
  6. 　紫外線照射器が前記第１の窓の外表面と対向している、請求項５に記載の乾き度測定装置。
  7. 　前記第２の窓の内表面に紫外線反射膜が設けられている、請求項６に記載の乾き度測定装置。
  8. 　前記第１の窓が重力方向上側、前記第２の窓が重力方向下側に配置される、請求項５から７のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
  9. 　前記第１及び第２の窓の少なくとも一方が、予め紫外線照射処理されている、請求項５から８のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
  10. 　前記第１及び第２の窓の少なくとも一方が、光触媒で覆われている、請求項５から８のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
  11. 　前記検査光と前記紫外線を合波する合波器と、
    　前記合波された検査光と紫外線を前記第１の窓に伝搬する合波光導波路と、
    　を更に備える、請求項５から１０のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
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