(57)【要約】【課題】乾き度を高速に測定し、乾き度と湿り蒸気の質量流量とから湿り蒸気中の飽和蒸気および／または飽和水の流量を求めることを課題とする。【解決手段】測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて湿り蒸気の乾き度を測定する乾き度測定装置（１０）と、湿り蒸気の質量流量を測定する質量流量計（２０）と、測定した乾き度と測定した質量流量とに基づいて飽和蒸気および／または飽和水の質量流量を算出する質量流量算出部（３０）と、算出した飽和蒸気および／または飽和水の質量流量に基づいて飽和蒸気および／または飽和水の流量を算出する流量算出部（４０）とを備える。【選択図】図１
2014081214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強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装置と、
前記湿り蒸気の質量流量を計測する質量流量計と、
測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和蒸気の質量流量を算出する質量流量算出部と、
飽和蒸気の比体積と前記飽和蒸気の質量流量とに基づいて前記飽和蒸気の流量を算出する流量算出部と、を備えた、
蒸気流量測定装置。
【請求項２】
測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強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装置と、
前記湿り蒸気の質量流量を計測する質量流量計と、
測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和水の質量流量を算出する質量流量算出部と、
飽和水の比体積と前記飽和水の質量流量とに基づいて前記飽和水の流量を算出する流量算出部と、を備えた、
蒸気流量測定装置。
【請求項３】
前記乾き度測定装置は、
複数の波長の光を前記湿り蒸気に照射する発光体と、
前記湿り蒸気を透過した前記複数の波長の光を受光する受光素子と、
受光した前記複数の波長の光のそれぞれの受光強度に基づき前記乾き度を算出する乾き度算出部と、を備える、
請求項１または２に記載の蒸気流量測定装置。
【請求項４】
前記発光体が照射する複数の波長の光は、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる第１の波長と、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる第２の波長と、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長と、を含む、請求項３に記載の蒸気流量測定装置。
【請求項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の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、
前記湿り蒸気の質量流量を計測することと、
測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和蒸気の質量流量を算出することと、
飽和蒸気の比体積と前記飽和蒸気の質量流量とに基づいて前記飽和蒸気の流量を算出することと、を含む、
蒸気流量測定方法。
【請求項６】
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の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、
前記湿り蒸気の質量流量を計測することと、
測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和水の質量流量を算出することと、
飽和水の比体積と前記飽和水の質量流量とに基づいて前記飽和水の流量を算出することと、を含む、
蒸気流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、測定技術に係り、例えば湿り蒸気の流量を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３１２９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、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った。
【０００６】
そこで、本発明は、乾き度を高速に測定し、乾き度と湿り蒸気の質量流量とから飽和蒸気および／または飽和水の流量を求めることが可能な蒸気流量測定装置および蒸気流量測定方法を提供することを目的の１つとする。
【０００７】
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記課題を解決するために、第１の発明の蒸気流量測定装置は、測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強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装置と、前記湿り蒸気の質量流量を計測する質量流量計と、測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和蒸気の質量流量を算出する質量流量算出部と、飽和蒸気の比体積と前記飽和蒸気の質量流量とに基づいて前記飽和蒸気の流量を算出する流量算出部とを備える。
【０００９】
また第１の発明の蒸気流量測定方法は、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の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、前記湿り蒸気の質量流量を計測することと、測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和蒸気の質量流量を算出することと、飽和蒸気の比体積と前記飽和蒸気の質量流量とに基づいて前記飽和蒸気の流量を算出することとを含む。
【００１０】
（２）上記課題を解決するために、第２の発明の蒸気流量測定装置は、測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強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装置と、前記湿り蒸気の質量流量を計測する質量流量計と、測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和水の質量流量を算出する質量流量算出部と、飽和水の比体積と前記飽和水の質量流量とに基づいて前記飽和水の流量を算出する流量算出部とを備える。
【００１１】
また第２の発明の蒸気流量測定方法は、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の受光強度に基づいて前記湿り蒸気の乾き度を測定することと、前記湿り蒸気の質量流量を計測することと、測定した前記乾き度と計測した前記質量流量とに基づいて飽和水の質量流量を算出することと、飽和水の比体積と前記飽和水の質量流量とに基づいて前記飽和水の流量を算出することとを含む。
【００１２】
本発明は所望により以下の構成要素を備えていてもよい。
（３）前記乾き度測定装置は、複数の波長の光を前記湿り蒸気に照射する発光体と、前記湿り蒸気を透過した前記複数の波長の光を受光する受光素子と、受光した前記複数の波長の光のそれぞれの受光強度に基づき前記乾き度を算出する乾き度算出部とを備える。
【００１３】
（４）前記発光体が照射する複数の波長の光は、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる第１の波長と、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる第２の波長と、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係る蒸気流量測定装置の一例を示す図である。
【図２】標準大気圧における水の状態変化を示すグラフである。
【図３】水分子のクラスタの模式図である。
【図４】乾き度に依存する水分子の状態を示す模式図である。
【図５】水分子のクラスタが有する平均水素結合数と温度との関係の例を示すグラフである。
【図６】水分子の吸収スペクトルの例を示すグラフである。
【図７】単独で存在する水分子の模式図である。
【図８】１つの水素結合で結合している２つの水分子の模式図である。
【図９】２つの水素結合で結合している３つの水分子の模式図である。
【図１０】吸光スペクトルの例を示すグラフである。
【図１１】蒸気の比エンタルピーと吸光度との比の例を示すグラフである。
【図１２】実施形態２に係る蒸気流量測定装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（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であれば水の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。
「比体積」：単位質量の物質の体積をいう。比容（積）ともいう。
「質量流量」：単位時間当たりに流れる質量をいい、本実施形態では[ｋｇ／ｓ]で表す。
「流量」：体積流量、すなわち単位時間当たりに流れる体積をいい、本実施形態では[ｍ3／ｓ]で表す。
【００１７】
（実施形態１）
本実施形態１は、湿り蒸気を構成する飽和蒸気について、その流量を測定するための蒸気流量測定装置に関する。
【００１８】
（構成）
図１に示すように、実施形態１に係る蒸気流量測定装置（蒸気流量測定システムといってもよい。）１は、乾き度測定装置１０、質量流量計２０、質量流量算出部３０、および流量算出部４０を備えて構成される。
【００１９】
乾き度測定装置１０は、測定対象の湿り蒸気を透過した光の受光強度に基づいて湿り蒸気の乾き度χを測定する装置である。乾き度測定装置１０は、例示的に、光を配管２１中の湿り蒸気に照射する発光体１１と、湿り蒸気を透過した光を受光する受光素子１２と、受光した光の受光強度に基づき乾き度χを算出する乾き度算出部１３と、を備える。
【００２０】
発光体１１は、例えば、少なくとも２つの異なる波長の光を発する。一例を挙げると、少なくとも２つの異なる波長の１つは、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（例えば１８８０ｎｍ）であり、他の波長は、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（例えば１９１０ｎｍ）である。このように、発光体１１が発する光は、複数の波長のそれぞれにおける吸光度が、クラスタにおける水分子どうしが形成した水素結合の数と相関するように設定される。
【００２１】
複数の異なる波長の光を発生させるために、発光体１１は、異なる波長の光を発する複数の発光素子を備えたり、広波長帯域の光を発する発光素子を備えたりしてよい。発光体１１には、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。
【００２２】
発光体１１には、光導波路３１を接続してよい。光導波路３１は、発光体１１が発した光を、パイプ２１の内部に伝搬する。例えば、光導波路３１は、パイプ２１の側壁を貫通している。あるいは、パイプ２１の側壁に光透過性の窓を設け、窓に光導波路３１を接続してもよい。
【００２３】
光導波路３１で伝搬された光は、光導波路３１の端部からパイプ２１の内部に進入する。光導波路３１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、発光体１１が発した光を伝搬可能であれば、これに限定されない。
【００２４】
パイプ２１には、パイプ２１の内部を通過した光が進入する光導波路３２を接続してよい。光導波路３２は、パイプ２１の内部の湿り蒸気を透過した光を、受光素子１２に導く。光導波路３２の端部は、光導波路３１の端部と対向している。また、例えば、光導波路３２は、パイプ２１の側壁を貫通している。または、パイプ２１の側壁に光透過性の窓を設け、窓に光導波路３２を接続してもよい。
【００２５】
なお、発光体１１をパイプ２１の側壁に配置し、光導波路３１を設けないこととしてもよい。また、受光素子１２をパイプ２１の側壁に配置し、光導波路３２を設けないこととしてもよい。また、図１では、発光体１１と、受光素子１２と、が対向しているが、発光体と受光素子との両方が一体化した発光受光素子を用いてもよい。この場合、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、発光受光素子に受光される。
【００２６】
受光素子１２には、フォトダイオード等が使用可能である。なお、発光体１１が広波長帯域の光を発する場合は、少なくとも２つの異なる波長を透過させるフィルタを受光素子１２の前に配置してもよい。例えば受光素子１２は、少なくとも、水素結合数が０の場合の水分子が最も吸光する１８８０ｎｍの波長の光と、水素結合数が１の場合の水分子が最も吸光する１９１０ｎｍの波長の光と、を受光する。
【００２７】
乾き度算出部１３は、後述する測定原理に基づき、受光した１又は複数の波長の光のそれぞれの受光強度に基づき乾き度χを算出する。
【００２８】
質量流量計２０は、湿り蒸気の質量流量Ｍを計測する。
【００２９】
質量流量算出部３０は、本実施形態１では、測定した乾き度χと計測した質量流量Ｍとに基づいて飽和蒸気質量流量Ｗｄを算出するように構成されている。
【００３０】
流量算出部４０は、本実施形態１では、算出した飽和蒸気質量流量Ｗｄに基づいて飽和蒸気流量Ｑｄを算出するように構成されている。
【００３１】
上記した構成要素のうち、乾き度測定装置１０の乾き度算出部１３、質量流量算出部３０、および流量算出部４０は、演算装置３００が所定のソフトウェアプログラムを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。演算装置３００は、例示として、入力装置３２１、出力装置３２２、プログラム記憶装置３２３、一時記憶装置３２４、およびデータ記憶装置４００を備える。
【００３２】
入力装置３２１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３２１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。吸光度の比Ｒと乾き度χとの関係は、例えば、入力装置３２１を用いて入力できる。
【００３３】
出力装置３２２は、オペレータに対しコンピュータ装置３００の処理結果を示す出力手段である。出力装置３２２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３２２は、例えば、乾き度算出部１３が算出したパイプ２１内部の湿り蒸気の乾き度χ、質量流量算出部３０が算出した飽和蒸気質量流量Ｗｄ、流量算出部４０が算出した飽和蒸気流量Ｑｄ等を表示する。
【００３４】
プログラム記憶装置３２３は、コンピュータ装置３００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３２４は、コンピュータ装置３００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。
【００３５】
データ記憶装置４００は、演算部３００から参照可能に接続されているメモリであり、関係記憶部４０１を備える。関係記憶部４０１は、乾き度算出部１３、質量流量算出部３０、流量算出部４０が演算処理を実行するにあたり必要な関係テーブル等を格納する記憶領域である。関係記憶部４０１は、例えば、乾き度算出部１３が参照する、後述する式（１）乃至（４）のいずれかで表される吸光度の比Ｒと、乾き度χと、の予め取得された関係を記憶する。関係記憶部４０１は、また例えば、流量算出部４０が参照する、後述する温度および圧力に応じた飽和水の比体積ｖ′と飽和蒸気の比体積ｖ″の関係を記憶する。これらの値の関係は、式として記憶されてもよいし、テーブル形式のデータ（表データ）として記憶されてもよい。
【００３６】
温度センサ２２は、パイプ２１に配置されており、パイプ２１内部の湿り蒸気の温度を測定して演算装置３００に出力する。
【００３７】
圧力センサ２３は、パイプ２１に配置されており、パイプ２１内部の湿り蒸気の圧力を測定して演算装置３００に出力する。
【００３８】
（乾き度測定装置１０による乾き度χの光学的測定原理）
図２に示すように、水は沸点に達した後、液滴としての水(飽和水)と蒸気（飽和蒸気）とが混合して共存態となる。この共存態にある蒸気が湿り蒸気である。湿り蒸気全量に対する気相部分（飽和蒸気）の比が乾き度であるから、湿り蒸気全量が飽和蒸気のときの乾き度は１となり、湿り蒸気全量が飽和水のときの乾き度は０となる。
【００３９】
図３に示すように、水分子どうしは、水素結合を介して結合し、クラスタを形成しうる。水は、水分子どうしが形成する水素結合の数の違いにより、相が変化する。例えば、図４に示すように、乾き度が０の場合には、水分子どうしが多数結合した状態となっており、乾き度が１の場合には、水分子どうしが結合状態となっているクラスタが相対的に少ない。
【００４０】
図５に示すように、湿り蒸気においては、乾き度が０の湿り蒸気におけるクラスタが有する平均水素結合数は、大気圧下で、例えば２．１３である。クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が１に近づくにつれて減少し、単独で存在する水分子が増加する傾向にある。
【００４１】
図６に、水分子の水素結合の数に応じた吸収スペクトルの変化の一例を示す。図６に示すように、１８４０又は１８８０ｎｍにピークを有する吸収スペクトルを与える水分子は、図７に示すように単独で存在する。１９１０ｎｍにピークを有する吸収スペクトルを与える水分子は、図８に示すように１つの水素結合で結合している２つの水分子である。１９５０ｎｍにピークを有する吸収スペクトルを与える水分子は、図９に示すように２つの水素結合で結合している３つの水分子である。図６に示されるように、水分子が形成するクラスタに含まれる水素結合数が増えるほど、吸収スペクトルのピークの波長は長くなる傾向にある。
【００４２】
図１０は、第１乃至第４の比エンタルピーを有する湿り蒸気と、第５の比エンタルピーを有する過熱蒸気と、の吸光スペクトルの分光器による実測例である。第１の比エンタルピーが最も低く、ヒータによる加熱によって、第５の比エンタルピーに向かって蒸気の比エンタルピーを高くした。図１１は、図１０に示した波長が１７５０乃至１７７０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値をＩS0、波長が１８７０乃至１８９０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値をＩS1、波長が１９１０乃至１９３０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値をＩS2、とし、下記式（１）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピーに対してプロットしたものである。
【００４３】
Ｒ＝（ＩS1−ＩS0）／（ＩS2−ＩS0）  ・・・（１）
【００４４】
波長が１７５０乃至１７７０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値ＩS0は、水の分子吸光と無関係な部分であり、捉えようとしている吸光スペクトルの増減に影響を及ぼす。波長が１８７０乃至１８９０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値ＩS1は、単独で存在する水分子の濃度と相関する。波長が１９１０乃至１９３０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値ＩS2は、１つの水素結合で結合している２分子の水分子の濃度と相関する。
【００４５】
図１１に示すように、蒸気の比エンタルピーが高くなるほど、吸光度の比Ｒは高くなる傾向にある。したがって、蒸気の比エンタルピーが高くなるほど、１つの水素結合で結合している２分子の水分子の濃度に対する、単独で存在する水分子の濃度の比が高くなる傾向にあることが示された。
【００４６】
なお、積分値を用いず、波長が１７６０ｎｍの光の吸光度をＩ0、波長が１８８０ｎｍの光の吸光度をＩ1、波長が１９１０ｎｍの光の吸光度をＩ2、とし、下記式（２）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピーに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
【００４７】
Ｒ＝（Ｉ1−Ｉ0）／（Ｉ2−Ｉ0）  ・・・（２）
【００４８】
式（１）において、ＩS1とＩS0との差、並びにＩS2とＩS0との差をとった理由は、分光スペクトルのベースラインを一定にするためである。したがって、分光スペクトルのベースラインにばらつきが生じるおそれがない場合は、下記式（３）に示すように、波長が１９１０乃至１９３０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値ＩS2に対する、波長が１８７０乃至１８９０ｎｍの範囲の吸光スペクトルの積分値ＩS1の比Ｒを、蒸気の比エンタルピーに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
【００４９】
Ｒ＝ＩS1／ＩS2  ・・・（３）
【００５０】
さらに、積分値を用いず、波長が１８８０ｎｍの光の吸光度をＩ1、波長が１９１０ｎｍの光の吸光度をＩ2、とし、下記式（４）で与えられる比Ｒを、蒸気の比エンタルピーに対してプロットしても、同様の結果が得られる。
【００５１】
Ｒ＝Ｉ1／Ｉ2  ・・・（４）
【００５２】
上述したように、吸光度の比Ｒは、１つの水素結合で結合している２分子の水分子からなるクラスタに対する、水素結合を形成していない単独で存在する水分子の比、と相関する。クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が０から１に近づくにつれて減少し、単独で存在する水分子が増加する傾向にある。したがって、吸光度の比Ｒは、乾き度が０から１に近づくにつれて大きくなる傾向にある。
【００５３】
図１に示す発光体１１は、少なくとも２つの異なる波長を有する光として、例えば、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（例えば１８８０ｎｍ）の光と、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（例えば１９１０ｎｍ）の光と、を発する。このように、発光体１１が発する光は、複数の波長のそれぞれにおける吸光度が、クラスタにおける水分子どうしが形成した水素結合の数と相関するように設定される。
【００５４】
上述したように、水分子クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が０から１に近づくにつれて減少し、単独で存在する水分子が増加し、吸光度の比Ｒは、乾き度が０から１に近づくにつれて大きくなる傾向にある。したがって、パイプ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、単独で存在する水分子の吸収スペクトルがピークとなる波長が１８８０ｎｍの光はより多く吸収され、１つの水素結合で結合している２つの水分子の吸収スペクトルがピークとなる波長が１９１０ｎｍの光はより吸収されなくなる傾向にある。
【００５５】
乾き度算出部１３は、異なる波長のそれぞれにおける湿り蒸気を透過した光の強度の複数の測定値の大小関係に基づいて、湿り蒸気の乾き度χを算出する。例えば、乾き度算出部１３は、受光素子１２から、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過した光の強度スペクトルを受信する。さらに、乾き度算出部１３は、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過する前の光の強度スペクトルと、パイプ２１内部の湿り蒸気を透過した光の強度スペクトルと、に基づき、湿り蒸気による光の吸収スペクトルを算出する。またさらに、乾き度算出部１３は、吸収スペクトルに基づいて、上記式（１）乃至（４）のいずれかで表される吸光度の比Ｒの値を算出する。
【００５６】
乾き度算出部１３は、関係記憶部４０１から、吸光度の比Ｒと乾き度との関係を読み出す。乾き度算出部１３は、算出された吸光度の比Ｒの値、および、吸光度の比Ｒと乾き度との関係に基づき、パイプ２１内部の湿り蒸気の値を算出する。算出した湿り蒸気の乾き度χは、例えば、出力装置３２２に表示することができる。
【００５７】
（質量流量算出部３０による飽和蒸気質量流量Ｗｄの測定原理）
質量流量算出部３０は、乾き度算出部１３により測定された乾き度χと、質量流量計２０により測定された質量流量Ｍとに基づき、飽和蒸気質量流量Ｗｄを算出する。具体的に、飽和蒸気質量流量Ｗｄ、乾き度χ、および質量流量Ｍとの間には以下の式（５）で示される関係がある。
【００５８】
飽和蒸気質量流量Ｗｄ［ｋｇ／ｓ］＝乾き度χ  ×  質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］  …（５）
【００５９】
したがって、質量流量算出部３０は、上記式（５）により、測定された乾き度χと質量流量Ｍとから、飽和蒸気質量流量Ｗｄ［ｋｇ／ｓ］を算出することができる。算出した飽和蒸気質量流量Ｗｄは、例えば、出力装置３２２に表示することができる。
【００６０】
（流量算出部４０による飽和蒸気流量Ｑｄの測定原理）
流量算出部４０は、質量流量算出部３０により算出された飽和蒸気質量流量Ｗｄと、飽和蒸気の比体積ｖ″とに基づき、飽和蒸気流量Ｑｄを算出する。具体的に、飽和蒸気流量Ｑｄ、飽和蒸気質量流量Ｗｄ、および飽和蒸気の比体積ｖ″の間には以下の式（６）で示される関係がある。
【００６１】
飽和蒸気流量Ｑｄ［ｍ3／ｓ］＝飽和蒸気質量流量Ｗｄ［ｋｇ／ｓ］×飽和蒸気の比体積ｖ″  …（６）
【００６２】
したがって、流量算出部４０は、上記式（６）により、飽和蒸気質量流量Ｗｄと温度センサ２２により測定された温度および圧力センサ２３により測定された圧力に基づき関係記憶部４０１を参照して取得した飽和蒸気の比体積ｖ″とから、飽和蒸気流量Ｑｄ［ｍ3／ｓ］を算出することができる。算出した飽和蒸気流量Ｑｄは、例えば、出力装置３２２に表示することができる。
【００６３】
（効果）
以上説明した実施形態１によれば、光学的手法により、湿り蒸気の相状態を変化させることなく、高速に湿り蒸気の乾き度を測定し、測定された乾き度と湿り蒸気の質量流量とから飽和蒸気の流量を求めることが可能となる。すなわち、温度を安定化させるための時間を要することなく、湿り蒸気の乾き度χを精度良く測定し、当該乾き度χと質量流量計２０の測定した質量流量Ｍとに基づいて飽和蒸気流量Ｑｄを高い精度でかつ高速に測定することが可能となる。
【００６４】
また、実施形態１によれば、配管に絞り弁や分流配管を設ける必要がないため、低コストで設置することが可能である。
【００６５】
さらに、従来の乾き度測定では、測定レンジが狭く、例えば乾き度が０．９乃至１．０の範囲のみを測定可能であるのに対し、上述した実施形態１に係る乾き度測定では、光学的に水分子の状態を観察するため、乾き度を０乃至１．０の全範囲で測定することが可能である。
【００６６】
またさらに、超音波を用いた従来の乾き度計では、気相部分である飽和蒸気と液相部分である飽和水との境界面における音響インピーダンスの差が大きいため、超音波が境界面においてほとんど反射してしまい、乾き度を実用的に測定できる水準に至っていない。これに対し、実施形態１によれば、飽和蒸気と飽和水との境界面を透過可能な光を用いるので、超音波を用いる場合よりも乾き度を正確に測定することが可能である。
【００６７】
（実施形態２）
本実施形態２は、湿り蒸気を構成する飽和水について、その流量を測定するための蒸気流量測定装置に関する。
【００６８】
（構成）
図１２に示すように、実施形態２に係る蒸気流量測定装置（蒸気流量測定システムといってもよい。）１Ａは、乾き度測定装置１０、質量流量計２０、質量流量算出部３０Ａ、および流量算出部４０Ａを備えて構成される。乾き度測定装置１０および質量流量計２０については、上記実施形態１と同じ構成であるため、説明を省略する。
【００６９】
質量流量算出部３０Ａは、後述する測定原理に基づき、測定した乾き度χと測定した質量流量Ｍとに基づいて飽和水質量流量Ｗｗを算出するように構成されている。
【００７０】
流量算出部４０Ａは、後述する測定原理に基づき、算出した飽和水質量流量Ｗｗに基づいて飽和水流量Ｑｗを算出するように構成されている。
【００７１】
上記した構成要素のうち、乾き度測定装置１０の乾き度算出部１３、質量流量算出部３０Ａ、および流量算出部４０Ａは、演算装置３００Ａが所定のソフトウェアプログラムを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。演算装置３００Ａのハードウェア構成は、上記実施形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７２】
データ記憶装置４００では、関係記憶部４０１Ａが、乾き度算出部１３が参照する吸光度の比Ｒと乾き度χとの関係の他、流量算出部４０Ａが参照する、温度および圧力に応じた飽和水の比体積ｖ′と飽和蒸気の比体積ｖ″の関係を記憶する。
【００７３】
（質量流量算出部３０Ａによる飽和水質量流量Ｗｗの測定原理）
質量流量算出部３０Ａは、乾き度算出部１３により測定された乾き度χと、質量流量計２０により測定された質量流量Ｍとに基づき、飽和水質量流量Ｗｗを算出する。具体的に、飽和水質量流量Ｗｗ、乾き度χ、および質量流量Ｍとの間には以下の式 (７)で示される関係がある。
【００７４】
飽和水質量流量Ｗｗ［ｋｇ／ｓ］＝（１−乾き度χ)  ×  質量流量Ｍ［ｋｇ／ｓ］  …（７）
【００７５】
したがって、質量流量算出部３０Ａは、上記式（７）により、測定された乾き度χと質量流量Ｍとから、飽和水質量流量Ｗｗ［ｋｇ／ｓ］を算出することができる。算出した飽和水質量流量Ｗｗは、例えば、出力装置３２２に表示することができる。
【００７６】
（流量算出部４０Ａによる飽和水流量Ｑｗの測定原理）
流量算出部４０Ａは、質量流量算出部３０Ａにより算出された飽和水質量流量Ｗｗと、飽和水の比体積ｖ′とに基づき、飽和水流量Ｑｗを算出する。具体的に、飽和水流量Ｑｗ、飽和水質量流量Ｗｗ、および飽和水の比体積ｖ′の間には以下の式（８）で示される関係がある。
【００７７】
飽和水流量Ｑｗ［ｍ3／ｓ］＝飽和水質量流量Ｗｗ［ｋｇ／ｓ］×飽和水の比体積ｖ′  …（８）
【００７８】
したがって、流量算出部４０Ａは、上記式（８）により、飽和水質量流量Ｗｗと、温度センサ２２により測定された温度および圧力センサ２３により測定された圧力に基づき関係記憶部４０１Ａを参照して取得した飽和水の比体積ｖ′とから、飽和水流量Ｑｗ［ｍ3／ｓ］を算出することができる。算出した飽和水流量Ｑｗは、例えば、出力装置３２２に表示することができる。
【００７９】
（効果）
以上説明した実施形態２によれば、光学的手法により、湿り蒸気の相状態を変化させることなく、高速に湿り蒸気の乾き度を測定し、測定された乾き度と湿り蒸気の質量流量とから飽和水の流量を求めることが可能となる。すなわち、温度を安定化させるための時間を要することなく、湿り蒸気の乾き度χを精度良く測定し、当該乾き度χと質量流量計２０の測定した質量流量Ｍとに基づいて飽和水流量Ｑｗを高い精度でかつ高速に測定することが可能となる。
その他の効果については、上記実施形態１と同様である。
【００８０】
（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。
【００８１】
（１）例えば、上述した実施形態では、波長１８８０ｎｍにおける吸光度と、波長１９1０ｎｍにおける吸光度と、を比較する例を示したが、上記式（１）乃至（４）の右辺の分母と分子とを置き換えた関係に基づいて乾き度を算出するように構成してもよい。
【００８２】
（２）また、水素結合数０に相関する波長の吸光度と、水素結合数２に相関する波長の吸光度と、を比較してもよい。あるいは水素結合数０に相関する波長の吸光度と、水素結合数３に相関する波長の吸光度と、を比較してもよい。
【００８３】
（３）さらには、水素結合数１に相関する波長の吸光度と、水素結合数２に相関する波長の吸光度と、を比較してもよいし、水素結合数１に相関する波長の吸光度と、水素結合数３に相関する波長の吸光度と、を比較してもよいし、水素結合数２に相関する波長の吸光度と、水素結合数３に相関する波長の吸光度と、を比較してもよい。
【００８４】
このように、異なる水素結合数に相関する任意の複数の波長の吸光度の比に基づき、乾き度を算出してもよい。あるいは、異なる水素結合数に相関する任意の複数の波長の吸光度の差と、乾き度と、の相関を予め取得し、複数の波長の吸光度の差の測定値から乾き度の値を求めてもよい。
【００８５】
（４）また、上記実施形態では、複数の波長の光の受光強度に基づいて乾き度を算出していたが、これに限られない。例えば、測定対象の湿り蒸気に単一波長の光を照射し、当該湿り蒸気を透過した当該単一波長の光の受光強度と、湿り蒸気の温度又は圧力と、に基づいて、乾き度を求めるように構成することもできる。
【００８６】
この場合、発光体１１が発する光の波長を、水素結合数が０の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（別言すると、蒸気に大きく吸光がある波長）としたり、水素結合数が１の場合の水分子の吸光ピークが表れる波長（別言すると、液体水分に大きく吸光がある波長）としたりすることができる。前者の非限定的な一例は１８８０ｎｍであり、後者の非限定的な一例は１９１０ｎｍである。
【００８７】
既述のように、水分子クラスタが有する平均水素結合数は、乾き度が０から１に近づくにつれて減少する。例えば、発光体１１が１８８０ｎｍの波長の光を発した場合、パイプ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、波長が１８８０ｎｍの光はより多く吸収される傾向にある。また例えば、発光体１１が１９１０ｎｍの波長の光を発した場合、パイプ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、波長が１９１０ｎｍの光はより少なく吸収される傾向にある。さらに例えば、発光体１１が１９１０ｎｍの波長の光を発した場合、乾き度が０から１に近づくにつれて、湿り蒸気による吸収が低下し、受光素子１２による受光強度が上昇する。受光強度の大きさまたは光の吸光度と乾き度との関係は、使用する波長の光に応じて定まることになる。
【００８８】
したがって、受光強度または光の吸光度と乾き度との関係を予め記憶しておけば、測定対象の湿り蒸気の乾き度χを求めることができる。
【００８９】
（５）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。
【００９０】
（６）さらに、乾き度を光学的に測定した場合には、測定対象領域である蒸気の吸光度は非測定対象領域における吸光度に対して非常に大きいため、蒸気に含まれる微量の不純物による測定誤差は小さいか無視してよい。
【００９１】
ただし、蒸気の汚濁（濁度）が進んだ場合には、不純物による測定誤差が無視できなくなる場合がある。そのような場合には、不純物による影響を受けない波長を測定誤差補正用の基準（リファレンス）波長として設定することにより、より精度の高い測定が可能となる。
【００９２】
リファレンス波長は、相対的に蒸気に大きく吸光がある第１の波長（例えば、１８７５ｎｍ、１３８０ｎｍ、１１３５ｎｍ、９４０ｎｍ、９０５ｎｍ等）、及び、相対的に液体水分に大きく吸光がある第２の波長（例えば、１９４０ｎｍ、１４７０ｎｍ、１２００ｎｍ等）とは異なる第３の波長（例えば、１３００ｎｍ、２１００ｎｍ等）に設定することができる。なお、第１、第２及び第３の波長は、それぞれ１波長でもよいし複数波長でもよい。第３の波長（波長３）であるリファレンス波長は、例えば、乾き度の光学的測定に２以上の波長の光を用いる場合に設定してよい。例えば、リファレンス波長は、上記実施形態において設定してよい。
（産業上の利用分野）
【００９３】
本発明は、ボイラーに利用することが可能である。本願発明によれば、飽和蒸気の流量および飽和水の流量を測定できるようになるから、熱効率が改善し、過熱器の適正な制御が可能になる。また、より精度良く水位等を制御することが可能になる。別言すると、熱交換器の最適乾き度制御、最適ボイラー効率を実現することができる。したがって、乾き度の高い蒸気を安定供給する等、負荷に応じて精度良く、また、省エネルギーとなるような制御が可能である。
【００９４】
また本発明は、食品管理の指標としての活用することが可能である。例えば、蒸し工程や加硫工程等を含む食品製造工程や化学工程では、湿り蒸気の乾き度によって製造される製品等の品質が変動し得るからである。
【００９５】
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となる。
【符号の説明】
【００９６】
１、１Ａ  上記流量測定装置
１０  乾き度測定装置
１１  発光体
１２  受光素子
１３  乾き度算出部
２０  質量流量計
２１  パイプ
２２  温度センサ
２３  圧力センサ
３１，３２  光導波路
３００、３００Ａ  演算部
３０、３０Ａ  質量流量算出部
４０、４０Ａ  流量算出部
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、４０１Ａ  関係記憶部
【図１】
2014081214.tif 000003
【図２】
2014081214.tif 000004
【図３】
2014081214.tif 000005
【図５】
2014081214.tif 000006
【図６】
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【図７】
2014081214.tif 000008
【図８】
2014081214.tif 000009
【図９】
2014081214.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
2014081214.tif 000012
【図１２】
2014081214.tif 000013
【図４】
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