(57)【要約】      （修正有）【課題】精度よく蒸気の乾き度を測定する、乾き度測定装置および乾き度測定方法を提供する。【解決手段】乾き度測定装置１は、蒸気が流入する測定管１０の外側に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部２０と、マイクロ波照射部２０と対をなして測定管１０の外側に設けられ、マイクロ波照射部２０より照射されたマイクロ波を受信するマイクロ波受信部３０と、マイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部３０にて受信されるマイクロ波との位相差を測定する位相測定部４１と、位相測定部４１の測定結果から蒸気の乾き度を算出する乾き度算出手段と、を具備している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気が流入する測定管の外側に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
前記マイクロ波照射部と対をなして前記測定管の外側に設けられ、前記マイクロ波照射部より照射されたマイクロ波を受信するマイクロ波受信部と、
前記マイクロ波照射部から照射されるマイクロ波と前記マイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差を測定する位相測定部と、
前記位相測定部の測定結果から前記蒸気の乾き度を算出する乾き度算出手段と、
を具備した乾き度測定装置。
【請求項２】
前記測定管内の前記蒸気の温度を測定する温度測定部をさらに備え、
前記乾き度算出手段は前記温度測定部の測定結果と前記位相測定部の測定結果とから前記蒸気の乾き度を算出する、
請求項１に記載の乾き度測定装置。
【請求項３】
前記マイクロ波照射部と前記マイクロ波受信部とは、複数の対をなして前記測定管の外側に設けられている、請求項１または請求項２に記載の乾き度測定装置。
【請求項４】
前記位相測定部は複数の対をなす前記マイクロ波照射部と前記マイクロ波受信部ごとに複数の位相差を測定し、
前記乾き度算出手段は前記複数の位相差の平均値に基づいて前記蒸気の乾き度を算出する、請求項３に記載の乾き度測定装置。
【請求項５】
前記複数対の前記マイクロ波照射部と前記マイクロ波受信部とは、前記測定管の軸方向に並んで設けられている、請求項３または請求項４に記載の乾き度測定装置。
【請求項６】
前記複数対の前記マイクロ波照射部と前記マイクロ波受信部とは、前記測定管の円周方向に並んで設けられている、請求項３または請求項４に記載の乾き度測定装置。
【請求項７】
前記マイクロ波照射部は照射するマイクロ波の周波数を変調して連続波とする、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の乾き度測定装置。
【請求項８】
蒸気が流入する測定管の外側に設けられたマイクロ波照射部から照射されるマイクロ波と前記マイクロ波照射部と対をなして前記測定管の外側に設けられたマイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差の測定及び温度測定部が前記測定管内の蒸気の温度の測定をするステップと、
前記位相差の値と前記温度の値とに基づいて前記蒸気の乾き度を算出するステップと、
を有する乾き度測定方法。
【請求項９】
前記位相差の測定は、
前記マイクロ波照射部よりマイクロ波を照射し、
前記マイクロ波受信部が前記マイクロ波照射部より照射されたマイクロ波を受信し、
前記マイクロ波照射部から照射されるマイクロ波と前記マイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差を測定する、
請求項８に記載の乾き度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、乾き度測定装置および乾き度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、火力発電所や工場などでは蒸気を熱エネルギーとして用いられている。蒸気のエネルギー変換の効率性には蒸気の乾き度が影響することが知られている。蒸気には液相と気相が混在する状態があり、乾き度は蒸気中の液相と気相との割合を表している。乾き度は０〜１の範囲で表され、液相の割合が大きいと乾き度は０に近くなり、液相の割合が小さいと１に近くなる。
【０００３】
しかし、蒸気の乾き度については液相、気相いずれも水であるため、乾き度を精度よく測定することが困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１２２９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、精度よく蒸気の乾き度を測定する、乾き度測定装置および乾き度測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、実施形態の乾き度測定装置は、蒸気が流入する測定管の外側に設けられ、マイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、前記マイクロ波照射部と対をなして前記測定管の外側に設けられ、前記マイクロ波照射部より照射されたマイクロ波を受信するマイクロ波受信部と、前記マイクロ波照射部から照射されるマイクロ波と前記マイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差を測定する位相測定部と、前記位相測定部の測定結果から前記蒸気の乾き度を算出する乾き度算出手段と、を具備している。
【０００７】
上記課題を解決するため、実施形態の乾き度測定方法は、蒸気が流入する測定管の外側に設けられたマイクロ波照射部から照射されるマイクロ波と前記マイクロ波照射部と対をなして前記測定管の外側に設けられたマイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差の測定及び温度測定部が前記測定管内の蒸気の温度の測定をするステップと、前記位相差の値と前記温度の値とに基づいて前記蒸気の乾き度を算出するステップと、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態である乾き度測定装置の構成図。
【図２】水の比エンタルピーと温度との関係図。
【図３】マイクロ波照射部から照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差の図。
【図４】乾き度に対するマイクロ波の位相差の相関図。
【図５】第２の実施形態である乾き度測定装置の構成図。
【図６】記憶部に格納される位相差のテーブルの図。
【図７】水の温度と圧力に対応する状態図。
【図８】マイクロ波の位相差の変化に対応する温度ごとの乾き度の相関図。
【図９】第３の実施形態である乾き度測定装置の構成図。
【図１０】第３の実施形態の変形例である乾き度測定装置の構成図。
【図１１】周波数変調をしたときのマイクロ波照射部から照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部にて受信されるマイクロ波との位相差の図。
【図１２】乾き度測定装置の乾き度測定方法のフローチャートの図。
【図１３】乾き度測定装置の乾き度測定方法のフローチャートの図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、乾き度測定装置の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態である乾き度測定装置について図面を用いて説明する。
【００１１】
図１は第１の実施形態である乾き度測定装置１の構成図である。本実施形態の乾き度測定装置１は、蒸気が流入する測定管１０の外側に設けられマイクロ波を照射するマイクロ波照射部２０と、マイクロ波照射部２０と対をなして測定管１０の外側に設けられマイクロ波照射部２０より照射されたマイクロ波を受信するマイクロ波受信部３０と、乾き度演算部４０とを有している。
【００１２】
乾き度演算部４０はマイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部３０にて受信されるマイクロ波との位相差を測定する位相測定部４１と、位相測定部４１の測定結果から蒸気の乾き度を算出する乾き度算出手段４２と、記憶部４３とを有している。即ち、本実施形態の乾き度測定装置１は蒸気にマイクロ波を照射し、マイクロ波の位相の変化に基づいて蒸気の乾き度を測定する。
【００１３】
図２は水の比エンタルピー（単位質量あたりの熱エネルギー）と温度との関係を示した図である。横軸は比エンタルピーであり、縦軸は温度である。
【００１４】
液相状態の水について比エンタルピーが増加すると水の温度が上昇し、沸点に達する。大気圧（１気圧）の環境下では沸点は１００℃である。さらに水の比エンタルピーが増加すると液相と気相が混在した状態となる。この状態の蒸気の乾き度は以下の式（１）のようになる。
【００１５】
乾き度  ＝  気相の質量／（気相の質量＋液相の質量）  …式（１）
沸点に達したときの乾き度は液相から気相へと変化する境界のため、乾き度は０となり、比エンタルピーが増加すると液相から気相へ変化するため、乾き度は１に近づいていく。比エンタルピーをさらに増加させていくと蒸気は気相のみの状態となり、蒸気の温度は沸点よりも大きくなる。
【００１６】
沸点については蒸気の圧力によって変化する。圧力が大気圧よりも大きい環境では、沸点は１００℃よりも大きくなる。火力発電所や工場などに用いられる蒸気の圧力は大気圧よりも大きい。そのため、本実施形態の乾き度測定装置１は大気圧に限定されない。
【００１７】
図３は測定管１０に蒸気が流入しているときにマイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部３０にて受信されるマイクロ波との位相差を表したものである。図３（ａ）の波形は測定管１０内の蒸気内を通過し、マイクロ波受信部３０にて受信されたマイクロ波の波形である。図３（ｂ）の波形はマイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波の波形である。これらの波形の位相差をθとする。即ち、マイクロ波は測定管内の蒸気を通過することでθの位相差が発生したことになる。
【００１８】
乾き度演算部４０の位相測定部４１は図３（ａ）の波形および（ｂ）の波形から、位相差θを測定する。
【００１９】
図４は蒸気の乾き度に対するマイクロ波の位相差の相関図である。乾き度０のときの位相差をθ０とし、乾き度１のときの位相差をθ１とする。乾き度が０に近づくと蒸気は液相を多く含むため、マイクロ波の伝搬速度は遅くなり、位相差θは大きくなる。乾き度が１に近づくと蒸気は気相を多く含むため、マイクロ波の伝搬速度は速くなり、位相差θは小さくなる。
【００２０】
本実施形態の乾き度測定装置１は乾き度０のときの位相差θ０と乾き度１のときの位相差θ１とを予め測定し、乾き度演算部４０の記憶部４３に記憶している。
【００２１】
乾き度演算部４０の乾き度算出手段４２は位相測定部４１により測定された位相差θと、記憶部４３に記憶されている乾き度と位相差の相関図とに基づいて乾き度を算出する。乾き度の算出は一例として位相差θ０と位相差をθ１とを線形補完して当該位相差θの乾き度を算出する。
【００２２】
以上により、本実施形態の乾き度測定装置１はマイクロ波を用いた位相差θの測定により、精度よく蒸気の乾き度を測定することができる。
【００２３】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態である乾き度測定装置について図５を用いて説明する。
【００２４】
本実施形態の乾き度測定装置２は図５に示すように第１の実施形態にさらに温度測定部５０を設け、測定管１０内の蒸気の温度を測定し、温度変化による乾き度の変化について考慮した測定装置である。
【００２５】
本実施形態の乾き度測定装置３は予めサンプルとして複数の温度における乾き度０と１のときの位相差θ０、θ１をそれぞれ求め、乾き度演算部４０の記憶部４３にテーブルを作成し、記憶する。図６は記憶部４３に格納される位相差θ０、θ１のテーブルの図である。図６では例えば、温度を１００、２００、３００．．．℃と変化させ、このときの位相差θ０、θ１をそれぞれ記憶している。ただし、温度のサンプルは図６の温度に限定はされない。
【００２６】
また、本実施形態の乾き度測定装置３は圧力を変化させて複数のテーブルを有している。図６では圧力が５ＭＰａ、１０ＭＰａ、１５ＭＰａのときの各温度の位相差θ０、θ１をそれぞれ格納している。ただし、圧力テーブルのサンプルは図６の圧力に限定はされない。
【００２７】
測定管１０内の蒸気が図７のＡ０（９ＭＰａ、３８０℃）の状態から温度が低下し、Ａ１（９ＭＰａ、３４０℃）の状態になったとする。この場合、蒸気は気相のみであるため、乾き度は１である。
【００２８】
温度が更に低下しＡ２（９ＭＰａ、３００℃）の状態になったとする。この場合は図７の水の状態遷移の曲線上にあり、蒸気中に液相と気相が混在する状態である。本実施形態の乾き度測定装置３は記憶部４３から９ＭＰａにもっとも近い１０ＭＰａの圧力テーブルを選択する。その後、Ａ２の位相差θを１０ＭＰａの位相差θ０、θ１を用いて線形補完して乾き度を測定する。なお、テーブルの値の選択方法については近似する圧力テーブル１つに限定されない。例えば、９ＭＰａの場合、５ＭＰａと１０ＭＰａとの圧力テーブルを選択し、各圧力テーブルの位相差θ０、θ１に基づいて導出しても良い。
【００２９】
蒸気の温度が更に低下し２６０℃となったとする。圧力が９ＭＰａのままであれば、Ａ３（９ＭＰａ、２６０℃）の状態であり、液相のみの状態となり、乾き度は０である。しかし、圧力が低下した場合は、２６０℃の場合でも液相と気相が混在するＡ４（５ＭＰａ、２６０℃）の状態がある。Ａ４は図７の水の状態遷移の曲線上にある。
【００３０】
Ａ４の場合、圧力を測定して５ＭＰａの状態であることを外部より本実施形態の乾き度測定装置３に入力する。その後、乾き度演算部４０の乾き度算出手段４２は位相測定部４１により測定された位相差θと、記憶部４３に記憶されている５ＭＰａの圧力テーブルから位相差θ０、θ１に基づいて線形補完により乾き度を算出する。
【００３１】
上述の例では蒸気の温度が低下し、かつ圧力が低下した場合について説明しているが、蒸気の温度が上昇した場合、圧力が上昇した場合も同様である。
【００３２】
図７より乾き度０のときの水の誘電率は温度変化に伴い大きく変化する。図７において、温度Ｔ２における水の誘電率をε２とする。
【００３３】
図８はマイクロ波の位相差の変化に対応する温度Ｔ１、Ｔ２ごとの乾き度の相関図である。乾き度０のときの温度Ｔ１とＴ２との位相差は誘電率ε１、ε２を用いて、α（ε２／ε１）となる。αは定数である。
【００３４】
測定対象の水について、位相差がθＸ１であり、温度がＴ１であるとすると、乾き度はＸ１となる。位相差がθＸ１の状態からθＸ３の状態に変化したとする。温度が一定であったとすると、図８より位相差がθＸ３のときの乾き度はＸ２となる。
【００３５】
本実施形態の乾き度測定装置３は温度変化を考慮して、乾き度の変動を測定することができる。水の位相差がθＸ１の状態からθＸ３の状態に変化したとき、水の温度がＴ２℃に変化したとする。この場合、位相差がθＸ３に変化した場合の乾き度は図８よりＸ３となる。即ち本実施形態の乾き度測定装置３は温度変化を考慮することで、水の位相差がθＸ１の状態からθＸ３の状態に変化したとき、乾き度はＸ１からＸ３に変化したことを測定する。
【００３６】
火力発電所のボイラー内の蒸気について乾き度を測定する場合、図７より５００℃以上では水の誘電率はほとんど変化しないため、誘電率を一定値として近似しても良い。この場合、臨界点（２２．１ＭＰａ、３７４℃）近傍における乾き度０のときの位相差θ０と乾き度１のときの位相差θ１とを予め測定し、記憶部４３に格納する。その後、ボイラー内の水について位相差θを測定し、予め測定した位相差θ０、θ１の線形補完より乾き度を算出する。
【００３７】
以上により、本実施形態の乾き度測定装置３は温度変化を考慮し、マイクロ波を用いた位相差θの測定により、精度よく蒸気の乾き度を測定することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
第３の実施形態である乾き度測定装置および第３の実施形態を用いた乾き度測定方法は、第１の実施形態乃至第２の実施形態の乾き度測定装置の測定管１０の外側に複数対のマイクロ波照射部２０およびマイクロ波受信部３０が設けられた測定装置である。
【００３９】
図９は本実施形態の乾き度測定装置３（３Ａ）の図である。図９は第１の実施形態の乾き度測定装置１の測定管１０に、測定管の軸方向（図９の破線方向）に向かって、２つのマイクロ波照射部２０（２０ａ、２０ｂ）が配置され、マイクロ波照射部２０ａ、２０ｂそれぞれと対をなして２つのマイクロ波受信部３０（３０ａ）、３０（３０ｂ）が配置されている。
【００４０】
マイクロ波照射部２０ａより照射されたマイクロ波は測定管１０内を伝搬し、マイクロ波受信部３０ａに受信される。また、マイクロ波照射部２０ｂより照射されたマイクロ波は測定管１０内を伝搬し、マイクロ波受信部３０ｂに受信される。即ち、図９の乾き度測定装置３Ａは２対の乾き度測定手段を有している。
【００４１】
以下、２対の乾き度測定手段を有した乾き度測定装置３Ａについて詳述する。ただし、本実施形態において、乾き度測定手段は２対に限定されない。乾き度測定装置３Ａは３対以上の乾き度測定手段を有していても良い。
【００４２】
乾き度演算部４０の位相測定部４１は、マイクロ波照射部２０ａから照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部３０ａにて受信されるマイクロ波との位相差θ（θａ）と、マイクロ波照射部２０ｂから照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部３０ｂにて受信されるマイクロ波との位相差θ（θｂ）とを測定する。
【００４３】
乾き度演算部４０の乾き度算出手段４２はそれぞれの乾き度測定手段から測定された位相差θａとθｂとに基づいて測定管１０内の乾き度を算出する。位相差θに基づいた、乾き度の算出方法は第１の実施形態の乾き度測定装置１と同様である。
【００４４】
乾き度算出手段４２はそれぞれの位相差θａ、θｂそれぞれについて乾き度を算出した後、当該乾き度を平均する。ただし、位相差θａとθｂとを平均し、平均の位相差を用いて乾き度を計算しても良い。
【００４５】
（第３の実施形態の変形例）
図１０は本実施形態の乾き度測定装置３（３Ｂ）の図である。図１０は第１の実施形態の乾き度測定装置１の測定管１０に、円周方向に向かって、マイクロ波照射部２０（２０ａ、２０ｃ）が配置され、マイクロ波照射部２０ａ、２０ｃそれぞれと対をなして対向するマイクロ波受信部３０（３０ａ）、３０（３０ｃ）が配置されている。
【００４６】
マイクロ波照射部２０ａより照射されたマイクロ波は測定管１０内を伝搬し、マイクロ波受信部３０ａに受信される。また、マイクロ波照射部２０ｃより照射されたマイクロ波は測定管１０内を伝搬し、マイクロ波受信部３０ｃに受信される。即ち、図１０の乾き度測定装置３Ｂは２対の乾き度測定手段を有している。ただし、本実施形態において、乾き度測定手段は２対に限定されない。乾き度測定装置３Ｂは３対以上の乾き度測定手段を有していても良い。
【００４７】
乾き度の算出方法は第３の実施形態の乾き度測定装置３Ａと同様である。
【００４８】
第３の実施形態の乾き度測定装置３（３Ａ）と、その変形例である乾き度測定装置３（３Ｂ）について、第１の乾き度測定装置１のマイクロ波照射部２０およびマイクロ波受信部３０が複数対配置されたものとして説明したが、第２の実施形態の乾き度測定装置２のように測定管１０に温度測定部５０を設けたものに複数対のマイクロ波照射部２０およびマイクロ波受信部３０を配置しても良い。
【００４９】
以上により、本実施形態の乾き度測定装置３はマイクロ波を用いた位相差θの測定を複数のマイクロ波照射部２０およびマイクロ波受信部３０を用いることにより、精度よく蒸気の乾き度を測定することができる。
【００５０】
（第４の実施形態）
第４の実施形態である乾き度測定装置は、第１の実施形態乃至第３の実施形態の乾き度測定装置のマイクロ波照射部２０が周波数を変調して乾き度を測定する測定装置である。
【００５１】
図１１は蒸気に照射するマイクロ波の周波数を変調したときのマイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波とマイクロ波受信部３０にて受信されるマイクロ波との位相差を表したものである。図１１（ａ１）の波形と（ｂ１）の波形とは図３の（ａ）（ｂ）の波形と同様である。このときマイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波の波形をｂ１、周波数をｆ１とし、位相差をθｆ１とする。
【００５２】
本実施形態の乾き度測定装置４はマイクロ波照射部２０から照射する周波数をｆ１からｆ２に変調する。周波数がｆ２のときの波形をｂ２とする。周波数がｆ２のときのマイクロ波照射部２０の波形が（ｂ２）であり、測定管１０を伝搬しマイクロ波受信部３０にて受信したときの波形が（ａ２）である。周波数ｆ２における位相差をθｆ２とする。
【００５３】
乾き度演算部４０の乾き度算出手段４２はそれぞれの乾き度測定手段から測定された位相差θｆ１とθｆ２とに基づいて測定管１０内の乾き度を算出する。位相差θに基づいた、乾き度の算出方法は第１の実施形態の乾き度測定装置１と同様である。
【００５４】
乾き度算出手段４２はそれぞれの位相差θｆ１、θｆ２それぞれについて乾き度を算出した後、当該乾き度を平均する。ただし、位相差θｆ１とθｆ２とを平均し、平均の位相差を用いて乾き度を計算しても良い。
【００５５】
第３の実施形態の乾き度測定装置３Ａ、３Ｂのように複数の対をなす乾き度測定手段を有している場合は対ごとに周波数変調をしても良い。
【００５６】
以上により、本実施形態の乾き度測定装置４はマイクロ波を用いた位相差θの測定を周波数変調により位相差を複数測定し、精度よく蒸気の乾き度を測定することができる。
【００５７】
（乾き度測定方法）
図１２は上述の実施形態である乾き度測定装置の乾き度測定方法のフローチャートの図である。以下の乾き度測定方法では第２の実施形態である、乾き度測定装置２を用いて詳述するが、他の乾き度測定装置についても同様の乾き度測定方法である。
【００５８】
測定管１０の内部に乾き度を測定する蒸気がある場合、マイクロ波照射部２０からマイクロ波受信部３０へマイクロ波を照射する（ステップＳ１００）。マイクロ波受信部３０はマイクロ波を受信し（ステップＳ１０１）、波形情報を乾き度演算部４０に伝送する。乾き度演算部４０内の位相測定部４１は図３のようにマイクロ波照射部２０から照射されるマイクロ波の波形（ｂ）とマイクロ波受信部３０にて受信されたマイクロ波の波形（ａ）とから位相差θを測定する（ステップＳ１０２）。
【００５９】
次に温度測定部５０によって測定管１０内の温度を測定し（ステップＳ１０３）乾き度演算部４０に伝送する。その後、乾き度演算部４０内の乾き度算出手段４２は記憶部４３から予め記憶しておいた測定した温度に対応する位相差θ０、θ１のときの乾き度を読み出し、これら乾き度に基づいて蒸気の乾き度を算出する（ステップＳ１０４）。
【００６０】
なお、乾き度測定方法は図１３のように温度を測定し（ステップＳ１０３）、その後にマイクロ波照射部２０からマイクロ波受信部３０へマイクロ波を照射し（ステップＳ１００）、マイクロ波受信部３０がマイクロ波を受信し（ステップＳ１０１）、位相差θを測定（ステップＳ１０２）するようにしても良い。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、そのほかの様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１０‥‥測定管、
２０‥‥マイクロ波照射部、
３０‥‥マイクロ波受信部、
４０‥‥乾き度演算部、
４１‥‥位相測定部、
４２‥‥乾き度算出手段、
４３‥‥記憶部、
５０‥‥温度測定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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