(57)【要約】【課題】所定の空間の乾き度をより正確に、且つ、低コストで判定することができる乾き度判定装置及び乾き度判定方法を提供することができる。【解決手段】乾き度判定装置１は、所定の空間に光を入射させる光入射部と、所定の空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方を介して入射する光を射出させる光射出部と、射出された光の強度に基づいて所定の空間における乾き度を判定する判定部１０１と、を備え、光射出部は、気体及び液体の少なくとも一方との接触面Ｓ上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように接触面Ｓが加工されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の空間に光を入射させる光入射部と、
前記空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方を介して入射する光を射出させる光射出部と、
射出された前記光の強度に基づいて前記空間における乾き度を判定する判定部と、
を備え、
前記光射出部は、前記気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように前記接触面が加工されている、
乾き度判定装置。
【請求項２】
前記判定部は、前記光射出部から射出された前記光の強度と、過去に前記光射出部から射出された前記光の強度と、の差又は比に基づいて前記乾き度を判定する、
請求項１に記載の乾き度判定装置。
【請求項３】
前記光射出部の前記接触面が磨り加工されている、
請求項１又は２に記載の乾き度判定装置。
【請求項４】
前記光の波長領域が２００ｎｍ〜１０００ｎｍである、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の乾き度判定装置。
【請求項５】
所定の空間に光を入射させる工程と、
光射出部により、前記空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方を介して入射する光を射出させる工程と、
射出された前記光の強度に基づいて前記空間における乾き度を判定する工程と、
を備え、
前記光射出部は、前記気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように前記接触面が加工されている、
乾き度判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾き度判定装置及び乾き度判定方法に関する。
【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】
特許文献１記載の発明は、乾き度を高速に測定するため、湿り蒸気に光を照射する発光体と、湿り蒸気を透過した光を受光する受光素子と、湿り蒸気の温度又は圧力を測定する環境センサと、湿り蒸気を透過した光の強度と、湿り蒸気の乾き度と、の関係を、温度又は圧力毎に保存する関係記憶部と、受光素子による光の強度の測定値と、環境センサによる温度又は圧力の測定値と前記関係とに基づき、湿り蒸気の乾き度の値を特定する乾き度特定部とを備える乾き度測定装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０９２４５７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記載の乾き度測定装置においては、パイプを流れる蒸気の状態が湿り蒸気か飽和蒸気かを判定するためには、例えば、蒸気の圧力値、及び、パイプにおいて光の経路上に配置される光透過性窓のそれぞれの間の距離等の様々なパラメータを考慮して吸光係数を測定する必要があった。このように、上記乾き度測定装置においては、測定条件によって随時変化する様々なパラメータを考慮して蒸気の乾き度を判定しなければならず、例えば蒸気の圧力を正確に検出できなかった場合は、蒸気の乾き度も正確に判定することができないおそれがあった。また、蒸気の圧力を検出するための圧力センサを備える必要があり、装置全体として高コストになるおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、空間における乾き度をより正確に、且つ、低コストで判定することができる乾き度判定装置及び乾き度判定方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る乾き度判定装置は、所定の空間に光を入射させる光入射部と、前記空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方を介して入射する光を射出させる光射出部と、射出された前記光の強度に基づいて前記空間における乾き度を判定する判定部と、を備え、前記光射出部は、前記気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように前記接触面が加工されている。
【０００８】
光射出部は、気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように接触面が加工されているので、気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量が所定量に到達した場合に、光の散乱率が急激に変化する。よって、光の散乱率が急激に変化することに対応して、光射出部から射出された光の強度が急激に変化する。したがって、判定部は、光射出部から射出された光の強度の変化に基づいて、飽和水（湿り蒸気の液相部分）の存在を的確に判定できる。また、蒸気の圧力又は温度を検出するためのセンサを備える必要がないので、空間における乾き度を低コストで判定することができる。
【０００９】
上記乾き度判定装置において、前記判定部は、前記光射出部から射出された前記光の強度と、過去に前記光射出部から射出された前記光の強度と、の差又は比に基づいて前記乾き度を判定してもよい。
【００１０】
上記乾き度判定装置において、前記光射出部の前記接触面が磨り加工されてもよい。
【００１１】
上記乾き度判定装置において、前記光の波長領域が２００ｎｍ〜１０００ｎｍであってもよい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る乾き度判定方法は、所定の空間に光を入射させる工程と、光射出部により、前記空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方を介して入射する光を射出させる工程と、射出された前記光の強度に基づいて前記空間における乾き度を判定する工程と、を備え、前記光射出部は、前記気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように前記接触面が加工されている。
【００１３】
なお、本発明において、「部」とは、単に物理的手段を意味するものではなく、その「部」が有する機能をソフトウェアによって実現する場合も含む。また、１つの「部」や装置が有する機能が２つ以上の物理的手段や装置により実現されても、２つ以上の「部」や装置の機能が１つの物理的手段や装置により実現されても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方との接触面上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように当該接触面が加工されている光射出部から射出された光の強度に基づいて空間における乾き度を判定する。よって、飽和水（湿り蒸気の液相部分）の存在を的確に判定できるので、空間における乾き度をより正確に判定することができ、且つ、蒸気の圧力又は温度を検出するためのセンサを備える必要がないので、空間における乾き度を低コストで判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る乾き度判定装置の模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る配管の一部の断面図の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る配管の一部の断面図の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るガラス窓の表面上の水分量と、ガラス窓における光の散乱率と、の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る光の波長と、水における光の吸光係数と、の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る空間における乾き度を判定する乾き度判定処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
（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、気相部分と液相部分との二相状態となり得る物質の蒸気であればよく、水蒸気に限定されない。
「乾き度」：蒸気中の気相部分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Ｘ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。
「光の強度」（光強度）：光（電磁波）の強さを表す物理量をいい、その称呼や単位に限定はない。例えば、放射強度、光度、光量子束密度など、それぞれ単位が異なるが相互に換算可能な物理量である。
「吸光度」：光が湿り蒸気中を通過した際に光の強度がどの程度弱まるかを示す無次元量であり、光学密度ともいう。吸光度といっても光の吸収のみならず、散乱や反射により光の強度が弱まる場合も含む。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１本実施形態に係る乾き度判定装置の模式図である。図１に示すように、乾き度判定装置１は、例示的に、蒸気が流れる配管２０と、所定の波長の光を射出する発光部１１と、配管２０を流れる蒸気に光を入射させるガラス窓４１（光入射部）と、蒸気を透過し又は反射した光を射出させるガラス窓４２（光射出部）と、配管２０内の蒸気を透過又は反射した光を受けて、光の強度及び吸光度の少なくとも一方を計測する受光部１２と、コンピュータ装置１００と、配管２０における乾き度を判定するための乾き度判定処理に用いられる情報を記録する記録部２００と、を備えて構成される。
【００１９】
コンピュータ装置１００は、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として、空間における乾き度を判定する判定部１０１を備えて構成される。
【００２０】
発光部１１には、例えば入射側筒２１を接続する。入射側筒２１は、配管２０の側壁を貫通して設けられ、配管２０の側壁に設けられたガラス窓４１に接続される。入射側筒２１により伝搬された光は、光経路Ｌに沿って配管２０の内部に進入する。
【００２１】
例えば、発光部１１としては、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、及び半導体レーザ等が使用可能である。入射側筒２１及び後述する射出側筒２２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、発光部１１が発した光を伝搬可能であれば、これに限定されない。
【００２２】
配管２０には、ガラス窓４１から射出され、配管２０の内部の蒸気を透過又は反射した光が進入する射出側筒２２を接続する。射出側筒２２は、配管２０の側壁を貫通して設けられ、配管２０の側壁に設けられたガラス窓４２に接続される。例えば、射出側筒２２の端部は、配管２０の径方向での入射側筒２１の端部と対向している。射出側筒２２は、配管２０のガラス窓４２を介して光経路Ｌに沿って配管２０内部の蒸気を透過し又は蒸気で反射した光を受光部１２に導くことが可能に構成されている。
【００２３】
なお、配管２０の側壁に入射側筒２１を設けずに発光部１１を接近させて設けてもよく、配管２０の側壁に射出側筒２２を設けずに受光部１２を接近させて設けてもよい。
【００２４】
受光部１２は、蒸気を透過し又は蒸気で反射した光の強度に応じた光強度信号Ｓｄをコンピュータ装置１００に出力する。また、受光部１２として、分光光度計など、光の強度及び吸光度の少なくとも一方に対応する出力が得られる光学的計測機器を適用することも可能である。この場合、分光光度計は蒸気を透過し又は蒸気で反射した光の吸光度に応じた吸光度信号Ｓａをコンピュータ装置１００に出力する。受光部１２としては、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ等の光電変換素子を使用可能である。
【００２５】
なお、本実施形態においては、受光部１２は一つのみ設けられているが、受光部１２は二つ以上あってもよく、受光部１２の数に特に制限はない。さらに、受光部１２については、蒸気を透過し又は蒸気で反射する光の強度又は吸光度に対応する物理量を出力可能であれば、任意の構成が適用可能である。
【００２６】
判定部１０１は、ガラス窓４２（光射出部）により射出された光の強度又は吸光度に基づいて空間における乾き度を判定する。判定部１０１は、例えば、受光部１２から出力された、光の強度に応じた光強度信号Ｓｄ、又は、光の吸光度に応じた吸光度信号Ｓａに基づいて空間における乾き度を判定する。以下では、図２〜図５を用いて、空間における乾き度の判定原理について説明する。
【００２７】
図２及び図３は、配管の一部の断面図の一例を示す模式図であって、図１に楕円で囲んだ部分を拡大した模式断面図である。特に、図２は、配管を流れる蒸気が気相部分（飽和蒸気）（気体）のみを含む場合の、ガラス窓を透過する光の様子を示す図である。図３は、配管を流れる蒸気が気相部分（飽和蒸気）（気体）と液相部分（飽和水）（液体）とを含む場合の、ガラス窓を透過する光の様子を示す図である。図４は、本発明の一実施形態に係るガラス窓の表面上の水分量と、ガラス窓における光の散乱率と、の関係を示すグラフである。
【００２８】
ここで、図２及び図３に示すように、ガラス窓４２は、気体及び液体の少なくとも一方との接触面Ｓ上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように接触面Ｓが加工されている。具体的に、図２に示すように、配管２０を流れる蒸気が気相部分（飽和蒸気）のみを含む場合は、接触面Ｓが加工されているガラス窓４２を透過する光は、接触面Ｓにおいて、強く散乱する。
【００２９】
他方で、図３に示すように、配管２０を流れる蒸気が気相部分（飽和蒸気）と液相部分（飽和水）とを含む場合には、所定量の水が接触面Ｓを覆うことで当該接触面Ｓが平滑状態となるため、光は、接触面Ｓにおいて散乱せず、ガラス窓４２を透過する。よって、図１に示す受光部１２においては、ガラス窓４２により射出された光を受光することができるので、判定部１０１において空間における乾き度を判定することができる。
【００３０】
このように、ガラス窓４２においては、蒸気との接触面Ｓ上における水分量が所定量に到達した場合には、光の散乱率が非線形的に、例えば図４に示すように、急激に減少するように接触面Ｓが加工されている。
【００３１】
なお、ガラス窓４２の接触面Ｓは、蒸気との接触面Ｓ上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように加工されていればよく、例えば、磨り加工、エンボス加工、凸凹加工等様々な加工形態を採用可能である。
【００３２】
ここで、図１に示す受光部１２における受光強度は、ガラス窓４２による散乱以外にも、水相部分による光の吸収率によっても変化し得る。つまり、水相部分において吸収されやすい性質を持つ波長領域の光を採用すると、受光部１２における受光強度は低下する。よって、本実施形態においては、水相部分において吸収されにくい性質を持つ波長領域の光を採用することが好ましい。
【００３３】
図５は、本発明の一実施形態に係る光の波長と、水における光の吸光係数と、の関係を示すグラフである。図５に示すように、波長領域が２００ｎｍ〜１０００ｎｍである光は、吸光係数が１／１００（ｃｍ-1）以下であるので、水に吸収されにくいことがわかる。よって、本実施形態においては、波長領域が２００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を採用することで、蒸気が飽和蒸気のみを含む場合と、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む場合と、を判別しやすくなるので、空間における乾き度をより正確に判定することができる。
【００３４】
図１に示す判定部１０１は、ガラス窓４２から射出された光の強度と、記録部２００に記録された、過去にガラス窓４２から射出された光の強度と、の差又は比に基づいて空間における乾き度を判定する。
【００３５】
判定部１０１は、算出された差に基づいて、光の強度が増加したと判断する場合は、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む湿り蒸気であると判定し、湿り蒸気の乾き度を判定する。また、判定部１０１は、算出された差（増加量）が、所定の閾値を上回る場合に、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む湿り蒸気であると判定し、湿り蒸気の乾き度を判定してもよい。他方で、判定部１０１は、算出された差に基づいて、光の強度が減少したと判断する場合は、蒸気が飽和蒸気のみを含むと判定し、蒸気の乾き度を判定する。また、判定部１０１は、算出された差（減少量）が、所定の閾値を上回る場合に、蒸気が飽和蒸気のみを含むと判定し、蒸気の乾き度を判定してもよい。
【００３６】
判定部１０１は、算出された比に基づいて、光の強度が増加したと判断する場合は、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む湿り蒸気であると判定し、湿り蒸気の乾き度を判定する。また、判定部１０１は、算出された比（増加率）が、所定の閾値を上回る場合に、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む湿り蒸気であると判定し、湿り蒸気の乾き度を判定してもよい。他方で、判定部１０１は、算出された比に基づいて、光の強度が減少したと判断する場合は、蒸気が飽和蒸気のみを含むと判定し、蒸気の乾き度を判定する。また、判定部１０１は、算出された比（減少率）が、所定の閾値を上回る場合に、蒸気が飽和蒸気のみを含むと判定し、蒸気の乾き度を判定してもよい。
【００３７】
なお、判定部１０１は、ガラス窓４２から射出された光の吸光度と、記録部２００に記録された、過去に前記光射出部から射出された光の吸光度と、の差又は比に基づいて空間における乾き度を判定してもよい。
【００３８】
また、判定部１０１は、ガラス窓４２から射出された光の強度が所定の閾値を上回る場合に、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む湿り蒸気であると判定してもよい。他方で、判定部１０１は、ガラス窓４２から射出された光の強度が所定の閾値を下回る場合に、蒸気が飽和蒸気のみを含むと判定してもよい。
【００３９】
さらに、判定部１０１は、ガラス窓４２から射出された光の吸光度が所定の閾値を下回る場合に、蒸気が飽和蒸気と飽和水とを含む湿り蒸気であると判定してもよい。他方で、判定部１０１は、ガラス窓４２から射出された光の吸光度が所定の閾値を上回る場合に、蒸気が飽和蒸気のみを含むと判定してもよい。
【００４０】
（乾き度判定処理）
図６は、本発明の一実施形態に係る空間における乾き度を判定する乾き度判定処理の一例を示すフローチャートである。
【００４１】
（ステップＳ１）
まず、図１に示すように、蒸気が配管２０の内部を流れている状態で蒸気の状態を判定する場合、発光部１１において光を発する。発光部１１から入射側筒２１を伝播した光は、ガラス窓４１を介して配管２０内部の蒸気に照射される。
【００４２】
（ステップＳ３）
そして、蒸気を透過又は反射した光は、ガラス窓４２を介して射出側筒２２に入射して伝播する。
【００４３】
（ステップＳ５）
受光部１２は射出側筒２２から射出された光を受け、光の強度及び吸光度の少なくとも一方を計測する。次に、受光部１２は、蒸気を透過又は反射した光の強度に対応した光強度信号Ｓｄをコンピュータ装置１００に出力する。
【００４４】
また、受光部１２は、蒸気を透過又は反射した光の吸光度に対応した吸光度信号Ｓａをコンピュータ装置１００に出力してもよい。そして、判定部１０１は、受光部１２から出力された、光の強度に応じた光強度信号Ｓｄ、又は、光の吸光度に応じた吸光度信号Ｓａに基づいて蒸気の状態を判定し、配管２０における乾き度を判定する。
【００４５】
（効果）
以上説明した実施形態によれば、空間に存在する気体及び液体の少なくとも一方との接触面Ｓ上における水分量に応じて光の散乱率が非線形に変化するように当該接触面Ｓが加工されているガラス窓４２から射出された光の強度又は吸光度に基づいて蒸気の状態を判定し、空間における乾き度を判定する。よって、飽和水（湿り蒸気の液相部分）の存在を的確に判定できるので、空間における乾き度をより正確に判定することができ、且つ、蒸気の圧力又は温度を検出するためのセンサを備える必要がないので、空間における乾き度を低コストで判定することができる。
【００４６】
また、波長領域が２００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を採用する。よって、水に吸収されにくい波長の光を採用することで、飽和水（湿り蒸気の液相部分）の存在を判定しやすくなるので、空間における乾き度をより正確に判定することができる。
【００４７】
（他の実施形態）
上記各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更／改良（例えば、各実施形態を組み合わせること、各実施形態の一部の構成を省略すること）され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、本発明においては、上記実施形態において、配管を流れる蒸気の湿り状態を検知する形態について説明したが、これに限られず、所定の空間における湿り具合や乾き度を検知する形態を含んでもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１：乾き度判定装置、１１：発光部、１２：受光部、２０：配管、２１：入射側筒、２２：射出側筒、４１，４２：ガラス窓、１００：コンピュータ装置、１０１：判定部、２００：記録部、Ｓ：接触面
【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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