(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気の質を測定するためのファイバオプチックプローブと、
広い波長範囲を有する光源と、
平行化レンズおよび反射器により定められる散乱ボリュームを有するプローブ先端部と、
光が上記ボリュームを通って移動し、且つ反射されて上記平行化レンズに戻るように光を上記光源から上記平行化レンズに送り出すための第１ファイバオプチックケーブルと、
上記平行化レンズによって収束された反射光を受けるための第２ファイバオプチックケーブルと、
上記第２ファイバオプチックケーブルから反射光を受け、これを複数のスペクトル線に分離するための回折格子と、
上記スペクトル線を受け、上記スペクトル線の各々において光の強さを表す電気出力信号を生じるためのフォトダイオード列と、
コンピュータと、
制御信号を上記コンピュータから上記光源に出力し、上記フォトダイオード列からの出力信号を上記コンピュータに出力するためのインターフェースモジュールとを備え、
上記光源、上記回折格子およびフォトダイオード列は上記プローブに設けられていることを特徴とするファイバオプチックプローブ装置。
【請求項２】
上記プローブは上記平行化レンズおよび反射器を加熱するためのヒータを有していることを特徴とする請求項１に記載のファイバオプチックプローブ装置。
【請求項３】
上記コンピュータ上記出力信号を処理し、且つ水蒸気の質を表す出力を与えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバオプチックプローブ装置。
【請求項４】
水蒸気の質は水蒸気の湿り度であることを特徴とする請求項３に記載のファイバオプチックプローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水蒸気タービン中の水蒸気の水分または質を測定するためのファイバオプチックプローブおよび装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
水蒸気タービンにおける種々の位置での水蒸気の質は、タービンの機械性能において大きな役割を果たすので、重要なパラメータである。また、水蒸気の質を診断目的および機能障害の検出のために使用することができる。
【０００３】
歴史的に、水蒸気の質を定めるのにコリメータが使用されていた。適切な等動水蒸気試料を得ることの困難さにより、この方法の実用を制限していた。１９８０年代初めに始まって、英国CEGBはサブミクロンの大きさの水滴のサイズ分布および濃度の両方を特徴化するために水滴の前方光散乱特性に依存した光横断プローブを開発した。光データを湿り度分率およびエンタルピーに変換するために分析技術が開発された。CEGBはデータ換算方法はミー散乱理論に基づいており、計算はサイズ分布を推論するために悪い状態のマトリックスの逆転を伴う。CEGBはにより、熱率試験と平行して行われた幾つかのＬＰ横行試験からの結果の比較は報告によれば非常に良好であり、ＬＰ円筒体効率の差は平均して１％未満であった。過去１５年の間、ヨーロッパおよび日本の両方における調査により、凝縮エアロゾルの光散乱特性に基づいて水蒸気の湿り度を測定する種々の同様の光学技術の説明を公表してきた。
【０００４】
米国特許第4,137,462号は水蒸気の質を測定するプローブを述べている。単色光源からの光はファイバオプチック束により測定帯域に送られる。この光は測定帯域を通過し、そして反射されて光検出器に戻される。光検出器は光の強さを測定する。この光の強さ対乾いた水蒸気についての光の強さの比は含水量の測定度である。
【０００５】
米国特許第4,497,577号は水蒸気湿り度測定装置を述べており、この装置は光源と、装置を湿った水蒸気の流れに挿入すると、測定空間を構成する部品と、入射光ビームを光源から測定空間に送る光ファイバ束と、入射光ビームを測定空間に照射することにより得られる異なる散乱角度の複数の散乱光ビームを光電コンバータに送る光ファイバ束とを備えている。
【０００６】
従来の湿り度プローブは広い波長範囲を有する光を用いる前方光散乱設計を呈しておらず、また異なる波長について散乱光の強さを測定しない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、広い波長範囲にわたって前方散乱による吸光度を測定するための改良ファイバオプチックプローブが提供される。分光透過率を分析してミー散乱理論に基づいた水滴サイズ分布および液体ボリュームを生じる。
【０００８】
本発明によるファイバオプチックプローブは広い波長範囲を有する光源と、平行化レンズおよび反射器により定められる散乱ボリュームを有するプローブ先端部と、平行化光が上記ボリュームを通って移動し、そして反射されてボリュームｗｐ通って上記平行化レンズに戻されるように、光を上記光源から上記平行化レンズへ送り出すためのファイバオプチックケーブルと、上記の広い波長範囲にわたって複数のスペクトル線または帯域を構成する回析格子へ反射光を送るためのファイバオプチックケーブルと、上記スペクトル線を受け、上記スペクトル線または帯域の各々において光の強さを表す電気出力信号を供給するフォトダイオード列とを備えている。
【０００９】
波長λの関数としての光の強さ(I/Io）の減小率を測定することによって水蒸気を凝縮する際の湿り度分率を算定する。この比は透過率と称し、２つの別々の測定値により形成されている。散乱の無いスペクトル強さ(Io）の測定値は基準測定値であり、プローブ先端部を乾いた水蒸気に入れて各波長における強さを得ることによって得られる。次いで、各波長における光の強さの測定値を得、これらの測定値は各波長について記憶された基準強さにより分割してスペクトル透過プロットI/Ioを生じる。ゼロの光条件下で生じられる信号を引き去ることによってフォトダイオード列のオフセット電圧を除去する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の水分測定装置は種々の位置で水蒸気の質を測定するために水蒸気タービンに挿入されるファイバオプチックプローブ１１（図１および図２）を有している。このプローブは波長の広帯域を有する光を感知ボリュームに出力する手段を有している。種々の波長の光は、２相水蒸気の流れにおける楕円面形水滴によって水滴の直径対入射光の波長の比に応じて異なって散乱される。前方散乱光は入射光の方向と整合された光である。しかしながら、一般に、光はマックスウエルの等式から得られるミー理論により正確に定められる。これらの特徴の散乱光の強さのパターンは光透過効率、簡単に言えば、水滴が存在しなくて透過された光の強さIoに対する水滴を懸濁状態で含有する媒体を通して透過された光の強さIの比の形で測定される。このスペクトル透過比は常に１より小さいか或いは１に等しく、また主として、光の波長対水滴の直径の比（水滴のサイズパラメータと称する）によって決まる。光の散乱は既知のサイズパラメータおよび比屈折率についてのミー理論に基づいて正確に定められるので、２相水蒸気の流れにおける測定は、(a）分光透過率を測定し、(b) ミー理論を用いて測定光透過データから水滴のサイズ分布を推論する方法となる。
【００１１】
プローブ１１はプローブ管１２と、アダプタ１６に連結されたカラー１４により保持された交換可能なプローブボディの先端部１３とを有している。プローブボディはファイバ束１８の端部と協動する平行化レンズ１７を有している（図２）。反射器１９がこのレンズから間隔を隔てられている。平行化レンズと反射器との間の距離は測定または散乱ボリューム２１を定める。プローブボディは所望の散乱長さを与えるように選択することができる。２０ｍｍと４０ｍｍとの間の散乱長さが良好な光信号を生じた。プローブ管１２は、以下に説明するように、散乱ボリュームを種々の位置に設定することができるように、水蒸気タービンの出入ポートを通って延びている。
【００１２】
図１を参照すると、プローブは脈動光源（pulsed light source）２２を有している。例として、光源２２は２３０９３０ナノメータの範囲の可視光および紫外線光をファイバオプチック束１８に与える。ファイバ束１８の端部から発せられる光はレンズ１７によって平行化され、測定ボリューム２１を通って移動し、反射され、或いは測定ボリュームを通って折り返され、そしてレンズによってファイバ束２４の端部に収束される。ファイバオプチック束２４の端部から発せられた光は屈折格子２６により屈折されて（図３）、フォトダイオード列２７に衝突する多数の離散波長のスペクトル線を形成する。フォトダイオード列２７は散乱光の各帯域における強さを測定するように位置決めされている。例えば、屈折格子は授入光を＋１０２４の離散波長に分割する。各離散波長のフォトダイオードからの電気出力は、反射器１９により反射され、且つファイバ束２４の端部に収束されてボリューム２１を通過した後のその波長における光の強さである。反射器１９およびレンズ１７は凝縮を防ぐためにプローブの内側で加熱される（図示せず）。光を透過し、受光するファイバ束１８、２４はレンズ１７の焦点が互いに隣接して位置決めされており、その結果、コンパクトなプローブになる。プローブの不可欠の部品のすべてはプローブの外側にあり、それにより、光源および屈折格子に対する可撓性ファイバオプチックケーブルの連結の必要を無くす。関連した処理および制御設備は電気ワイヤによりプローブに接続されている。
【００１３】
図４を参照すると、プローブ組立体は電気ケーブル３２を経てインターフェースモジュール３１に接続されている。ケーブルは脈動光源２２を制御するためのリード３４と、ヒーターの電力を印可するためのリード３６と、電力をダイオード列に印可し、且つダイオード列出力をインターフェースモジュール３１に伝達するためのリード３７とを有している。インターフェースモジュールは電源と、光源シャッタ制御部と、プローブヒーター温度制御部とを有している。インターフェースモジュールの作動はコンピュータワークステーション３８に存在するコストマイズドユーザインターフェースにより制御される。乾燥流れの基準データを得、記憶し、そして散乱光のすべての次々の測定値に分割して、散乱により生じる光の強さの減少率を得る（透過データ）。
【００１４】
フォトダイオード列は本来高周波数の応答性を有している。そね結果、散乱光の強さの変動を検出することができる。代表的には、散乱光の強さを時間にわたって積分することによってこれらの変動を平均化する。湿った水蒸気の流れの本来非定常の性質は正確且つ繰り返し可能な光透過データを生じるためにスペクトルデータを平均することを必要とする。コンピュータワークステーションと結合されたときのスペクトルフォトメータの速度は数秒程度の積分時間を生じる。多数の平均値を取って各時点における繰り返し可能な結果を確保し、一組の３つの平均値は代表的には３分未満の走査時間を必要とする。
【００１５】
スペクトルフォトメータ〔回析格子およびフォトダイオード列〕を制御するワークステーションはデータ記憶装置としても作用する。コンピュータの多機能性によりほぼ実時間でテストデータの処理を可能にする。
【００１６】
以下の説明は強さデータを処理するプログラム化コンピュータにより行われる方法を要約している。散乱による吸光を支配する基礎等式はボウガー法則であり、単一の光波長λにおける一分散（単一滴のサイズ）エアロゾル懸濁液について下記の式として書くことができる。
I/I0 = e-nAEt   (1)
上記式において、
Iは測定された光の強さである。
I0は散乱のない基準の光の強さである。
ｎは水滴濃度である。
Ａは水滴の横断面積〔πＤ2/４〕である。
Ｅはミー吸光係数、（Ｄ/λ）の関数であり、この式において、λは光の波長であり、ミー散乱データは液体と蒸気相との間の比屈折率の関数として誘導される。
ｔは散乱長さ（折り曲がった光の経路についてのプローブ先端の２ｘスロット長さ）である。
【００１７】
等式（１）は下記の式として書き変えることができる。
ｇ＝１/ｔ・Ｉｎ（I/I0 ）= ｎ・Ａ・Ｅ      （２）
上記式において、
ｇは濁度である。
【００１８】
多分散度（多滴のサイズ）または２属性（多分布）を示す実滴サイズ分布については、式（２）を特定の波長λについての積分形態で下記のように表さなければならない。
【００１９】
【数１】
0004515590.tif 000002
上記式において、
λは光の波長である。
ｆ(D)は水滴サイズ分布である。
【００２０】
代表的な光透過データについては、データ換算プログラムが下記に基づいて水滴サイズ分布に収束する。
Ａ．分布ｆ(D) の立体スプライン表示である。
Ｂ．分布の指数関数的に減衰された「テール」部分であり、このテール部分内において、D  につれて、ｆ(D)  ０である。
Ｃ．立体スプラインはスロープ連続がインターフェースで維持されるように指数関数的テール部分に結合されている。
Ｄ．波長の範囲を横切って一体の湾曲率を最小にすることによって定められるように、立体スプラインの滑らかさを最大にする。
【００２１】
無感覚性スキームは代表的には、１００２００の異なる水滴サイズ分布ｆ(D)の試みを繰り返す。最適化スキームは測定濁度プロットに対して最良の適合を生じる分布関数およびテール部分の組み合わせに収束するように使用される。収束溶液と測定濁度との最終差は最小平方化基準で１パーセント未満である。この光データ換算方法の強さは分布を特徴つけるのに使用される立体スプライン/最適化スキームの一般性質により広い範囲の多分散または２様相滴分布を直接評価することができることである。
【００２２】
次の工程は得られたサイズ分布ｆ(D)から全体の液体の質量流を評価することである。
【００２３】
【数２】
0004515590.tif 000003
上記式において、
Ｌは全体の液体の質量流である。
ν1 は液体相の特定容積である。
Ｍ3は滴サイズ分布の第３モーメントである。
【００２４】
最終的に、下記式になる。
Ｗ＝Ｌ/（Ｌ＋１/Ｖν）＝ １/（１＋ω）       （５）
上記式において、
Ｗは湿り度分率である。
Ｖνは局部静圧における蒸気相の比容積である。
ωは式、６・v1/π・Ｖv・Ｍ3に取って代わる。
【００２５】
かくして、広い光周波数帯域にわたって複数の波長において水蒸気を通る光の散乱光強さを測定するための改良光プローブが提供された。また、水蒸気の湿り度の度合いを得るために強さの情報を処理するための装置を述べた。
【００２６】
本発明の特定の実施例の上記説明は例示および説明のために示した。これらの説明は網羅的なものではなく、或いは本発明を開示した正確な形態に限定するものではなく、上記教示を考慮して明らかに多くの変更例および変形例が可能である。実施例は本発明およびその実際の応用の原理を最も良く説明するために選択して説明したものであり、それにより当業者は意図した特定の用途に適するように種々の変更例とともに本発明および種々の実施例を利用することができる。本発明の範囲は請求項およびそれらの均等なものにより定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるファイバオプチックプローブの斜視図である。
【図２】本発明によるプローブの光学要素を示す概略図である。
【図３】波長散乱データを得るための回析格子およびフォトダイオードを示す図である。
【図４】水蒸気タービンにおける水分の測定のためのファイバオプチックプローブおよび関連装置を示す図である。
【符号の説明】
１１     ファイバオプチックプローブ
１２     プローブ管
１３     プローブボディ先端部
１４     カラー
１６     アダプタ
１７     レンズ
１８     ファイバ束
１９     反射器
２１     散乱ボリューム
２２     光源
２４     ファイバ束
２６     回析格子
２７     フォトダイオード列
３２     電気ケーブル
【図１】
0004515590.tif 000004
【図２】
0004515590.tif 000005
【図３】
0004515590.tif 000006
【図４】
0004515590.tif 000007