(57)【要約】【課題】【解決手段】遠隔センサ及びこれと関連するデータ処理装置は、輸送パイプ（２）又はチャネルの内壁に対して位置決めされたマルチビーム（６〜１０）音響ドップラー送信器／受信器（１）からの後方散乱信号の同時分析を行う。戻り信号の距離ゲーティングにより、水及び浮遊固形物（４）の小さな個別の容積部分即ちビンの分布、濃度及び移動速度に対応した後方散乱信号の個別の容積部分の独立した分析が可能となる。各ビンについて測定されたドップラー周波数シフトから速度が導き出される。相対的な固形物濃度は、後方散乱信号の測定強度の関数として推定される。温度、塩分濃度、音響系定数、濃度と粒径との間の後方散乱信号の割り当て比率などの場所特有の環境情報と、物理的なサンプルの集合及び事前の研究室での分析から得た同時に測定された濃度値を分析コンピュータプログラムに入力することにより強度データが較正される。プログラムは、連続的自己補正プロセスにおいて、隣接する層についての前回の測定から得られたデータを用いて較正パラメータを調整する冗長な繰り返しルーチンを使用する。本装置及び方法は、パイプ又はチャンネルを流れる液体（３）中の浮遊固形物の分布、濃度及び速度の履歴的及びリアルタイムでの測定を可能にする。【選択図】図１
2007513341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れる液体中に浮遊する固形物の濃度、分布及び速度を測定するための装置であって、  音響波形の少なくも一本の方向性ビームを発する送信器と、
前記固形物から後方散乱する前記波形のエコー信号を受信する少なくとも１個の検出器と、
前記エコー信号の測定強度値を集める手段と、
前記エコー信号のドップラー周波数シフトを測定する手段と、
前記強度値を前記固形物の濃度値に変換する手段と前記周波数シフトを前記固形物の速度測定値として解釈する手段とを備えたデータ処理装置とを含む装置。
【請求項２】
前記流れる液体は、流れ方向が一定の導管内に含まれ、前記送信器と検出器は前記導管内に位置決めされている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記送信器は、第１の対を成す前記ビームを実質的に同一の位置から発し、前記対内の第２ビームが第１のビームに対して下流方向に、前記第１のビームに対して或る長手方向角度で向けられている、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記第１の対のビームに対して或る横断方向角度に向けられた第２の対のビームを更に含む、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記ビームに沿って分布している前記液体の別個の（discrete）容積部分に対応して前記エコー信号を抽出する手段を更に含む、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記変換手段は、場所特有の環境情報を考慮する（impute）ことによって前記強度値を較正する手段を含む、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記変換手段は、前回の測定から得られた浮遊固形物濃度値を入力する手段を更に含む、請求項５記載の装置。
【請求項８】
前記場所特有の環境情報は、水温、塩分濃度及び音響系定数、並びに濃度と粒径との間のエコー信号割り当て比を含む、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記データ処理装置は、前記容積部分の内の一容積部分からの強度値を変換する際に、同じビームに沿った他の容積部分から得た値を用いて少なくも１個の較正パラメータを調整するプログラム手段を更に含む、請求項６記載の装置。
【請求項１０】
前記較正手段は、自動的に情報を入力する手段と手動で情報を入力する手段とを含む、請求項６記載の装置。
【請求項１１】
前記変換手段は、距離ｒにおける単位容積あたりの固形物の質量濃度Ｍ（ｒ）を式
【数１】
2007513341.tif 000013
（式中、ＫSは場所・測定器定数、
Ｓは固形物濃度と粒径との間の関係を定義する相対後方散乱係数、
ｄＢは測定相対後方散乱強度、
αwは水の減衰係数
αsは固形物ほ存在による減衰係数）
に従って計算する手段を含む、請求項５記載の装置。
【請求項１２】
前記変換手段は、
前記容積部分の一個に関連して得たＭ（ｒ）値を用いて前記減衰係数αsを計算する手段と、
前記強度値を前記送信器から更に離れた前記容積部分の次のものについてのＭ（ｒ）値に変換する際に前記αsの値を考慮する手段と
を更に含む、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記ビームに沿って分布している前記液体の別個の容積部分に対応して前記エコー信号を抽出する手段を更に含む、請求項４記載の装置。
【請求項１４】
前記変換手段は、場所特有の環境情報を考慮することによって前記強度値を較正する手段をむ、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記変換手段は、前回の測定から得られた濃度値を入力する手段を更に含む、請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記場所特有の環境情報は、水温、塩分濃度及び音響系定数、並びに濃度と粒径との間のエコー信号割り当て比を含む、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記データ処理装置は、前記容積部分の内の一容積部分からの強度値を変換する際に、同じビームに沿った他の容積部分から得た値を用いて少なくも１個の較正パラメータを調整するプログラム手段を更に含む、請求項１４記載の装置。
【請求項１８】
前記較正手段は、自動的に情報を入力する手段と手動で情報を入力する手段とを含む、請求項１４記載の装置。
【請求項１９】
前記変換手段は、距離ｒにおける単位容積あたりの固形物の質量濃度Ｍ（ｒ）を式
【数２】
2007513341.tif 000014
（式中、ＫSは場所・測定器定数、
Ｓは固形物濃度と粒径との間の関係を定義する相対後方散乱係数、
ｄＢは測定相対後方散乱強度、
αwは水の減衰係数
αsは固形物ほ存在による減衰係数）
に従って計算する手段を含む、請求項１３記載の装置。
【請求項２０】
前記変換手段は、
前記容積部分の一個に関連して得たＭ（ｒ）値を用いて前記減衰係数αsを計算する手段と、
前記強度値を前記送信器から更に離れた前記容積部分の次のものについてのＭ（ｒ）値に変換する際に前記αsの値を考慮する手段と
を更に含む、請求項２０記載の装置。
【請求項２１】
流れる液体中に浮遊する固形物の濃度、分布及び速度を測定するための方法であって、  前記液体を横切って音響波形の少なくも一本の方向性ビームを発する段階と、
前記固形物から後方散乱する前記波形のエコー信号を受信する検出器と、
前記エコー信号の測定強度値を集める段階と、
前記エコー信号のドップラー周波数シフトを測定する段階と、
前記強度値を前記固形物の濃度値に変換する段階と、
前記周波数シフトを前記固形物の速度測定値として解釈する段階とを含む方法。
【請求項２２】
前記流れる液体は、流れ方向が一定の導管内に含まれ、前記送信器と検出器は前記導管内に位置決めされている、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記発する段階は、第１の対を成す前記ビームを実質的に同一の位置から発することを含み、前記対内の第２ビームは第１のビームに対して下流方向に、前記第１のビームに対して或る長手方向角度で向けられている、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の対のビームに対して或る横断方向角度に向けられた第２の対のビームを発することを更に含む、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記ビームに沿って分布している前記液体の別個の容積部分に対応して前記エコー信号を抽出することを更に含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
前記変換段階は、場所特有の環境情報を考慮することによって前記強度値を較正することを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記変換段階は、前回の測定から得られた浮遊固形物濃度値を入力することを更に含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
前記場所特有の環境情報は、水温、塩分濃度及び音響系定数、並びに濃度と粒径との間のエコー信号割り当て比を含む、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記容積部分の内の一容積部分からの強度値を変換する際に、同じビームに沿った他の容積部分から得た値を用いて少なくも１個の較正パラメータを調整することを更に含む、請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
前記較正段階は、自動的に情報を入力すること、及び手動で情報を入力することを含む、請求項２６記載の方法。
【請求項３１】
前記変換段階は、距離ｒにおける単位容積あたりの固形物の質量濃度Ｍ（ｒ）を式
【数３】
2007513341.tif 000015
（式中、ＫSは場所・測定器定数、
Ｓは固形物濃度と粒径との間の関係を定義する相対後方散乱係数、
ｄＢは測定相対後方散乱強度、
αwは水の減衰係数
αsは固形物ほ存在による減衰係数）
に従って計算する手段を計算することを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項３２】
前記変換段階は、
前記容積部分の一個に関連して得たＭ（ｒ）値を用いて前記減衰係数αsを計算することと、
前記強度値を前記送信器から更に離れた前記容積部分の次のものについてのＭ（ｒ）値に変換する際に前記αsの値を考慮すること
を更に含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記ビームに沿って分布している前記液体の別個の容積部分に対応して前記エコー信号を抽出することを更に含む、請求項２４記載の方法。
【請求項３４】
前記変換段階は、場所特有の環境情報を考慮することによって前記強度値を較正することを含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記変換段階は、前回の測定から得られた濃度値を入力することを更に含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
前記場所特有の環境情報は、水温、塩分濃度及び音響系定数、並びに濃度と粒径との間のエコー信号割り当て比を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記データ処理装置は、前記容積部分の内の一容積部分からの強度値を変換する際に、同じビームに沿った他の容積部分から得た値を用いて少なくも１個の較正パラメータを調整するプログラムを更に含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３８】
前記較正段階は、自動的に情報を入力すること、及び手動で情報を入力することを含む、請求項３４記載の方法。
【請求項３９】
前記変換段階は、距離ｒにおける単位容積あたりの固形物の質量濃度Ｍ（ｒ）を式
【数４】
2007513341.tif 000016
（式中、ＫSは場所・測定器定数、
Ｓは固形物濃度と粒径との間の関係を定義する相対後方散乱係数、
ｄＢは測定相対後方散乱強度、
αwは水の減衰係数
αsは固形物ほ存在による減衰係数）
に従って計算する手段を計算することを含む、請求項３３記載の方法。
【請求項４０】
前記変換段階は、
前記容積部分の一個に関連して得たＭ（ｒ）値を用いて前記減衰係数αsを計算することと、
前記強度値を前記送信器から更に離れた前記容積部分の次のものについてのＭ（ｒ）値に変換する際に前記αsの値を考慮すること
を更に含む、請求項３９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水質測定、より具体的には、導管を流れる液体中の浮遊固形物の濃度を測定するために使用する測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
安全な下水処理及び水処理を行うためには、処理パイプ、暗きょ及びその他の導管における浮遊固形物の濃度を測定する必要がある。
【０００３】
浮遊固形物が少ない下水の場合、簡素化した処理が施されるか、或いは全く処理が施されない。幾つかの自治体からの下水を扱う処理場では、各自治体からの取水管で測定される容積流量及び総浮遊固形物濃度に応じて各自治体に対して請求を行う。
【０００４】
これまでは、固形物を含む水が侵襲的に（intrusive）定期的に採取されると共に研究室において分析され、水の固形物含有量に関する必要な情報が提供されていた。
【０００５】
液体中の総固形物濃度を電子的に測定する種々の方法が提案されてきたが、流量と浮遊固形物濃度を同時に、連続的にリアルタイムで測定する測定装置は提供されていなかった。
【０００６】
本発明は、下水及び水処理場で使用するための、より実用的な測定装置を提供しようとする試みから生まれたものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の第１及び第２の目的は、パイプ内の種々の層の流速と共に、パイプを流れる液体中の総固形物濃度を連続的に測定するための、非侵襲的（non-intrusive）な方法及び装置を提供することである。
【０００８】
上記及びその他の価値ある目的は、音響発信器をパイプ或いはその他の導管の内壁に配置することにより達成される。上述の発信器は２組の斜めに発散するビームを発し、各組の一方のビームは同じ組の他方のビームより下流に向けられる。発せられた波形のエコー信号は、各ビームに沿って分布したパイプ内の液体の個別の（discrete）容積部分群（即ちポケット群）に対応する抽出部分（samplings）に分割される。ビームから得たドップラー周波数シフトは、パイプ内の多数の流れの層における固形物の速度を表すものと解釈される。後方散乱エコー信号の強度は、簡略化したアルゴリズムを用いて固形物濃度値に変換されるが、このアルゴリズムは、連続的自己補正プロセスにおいて、隣接する層での前回の測定で得られたデータを使用して較正パラメータを調整する冗長な繰り返しルーチンと組み合わされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下図面を参照する。図１及び図２に示されるように、浮遊固形物速度・濃度変換器１が、浮遊固形物４を含み図１の矢印５で示される方向に流れる下水３を通すパイプ２の底部に取り付けられている。変換器内の圧電セラミックスは、其々異なる方向を向いている４本の幅狭のビーム６、７、８、９に沿って、短パルスから成る音響波形を発する。ビームは２組に分けられ、各組の第１ビーム６、８は、垂直線に対して約２０度の角度Ｌで上流方向に傾いており、第２ビーム７、９も、第１ビームと同じ角度で下流方向に傾いている。図２により詳細に示されているように、各ビーム対の平面は、垂直方向及び他のビーム対に対して所定の横断方向角度で延在している。パルスのエコー信号は、浮遊固形物４から後方散乱する。これらの固形物は変換器に対して相対に運動しているので、エコー信号の周波数はドップラー効果によりシフトする。５番目のセラミック製変換器１０は、変換器の中央に設置され、垂直方向を向き、流れの深さを測定するために使用される。図３及び４に示されているように、システムは変換器１から入力信号ＲＣＶＳ−ＳＩＧを受け取り、デジタルデータＤ−ＯＵＴに変換する電子処理ユニット１１を組み込んでいる。デジタルデータＤ−ＯＵＴは、データ処理装置１２に送られる。システムは、エコー信号を、流れている液体の異なる個別の容積部分に対応する抽出部分のための個別の一定の間隔に分割する。速度は各抽出部分で測定された周波数シフトから算出される。その結果、図２において速度プロファイルライン１３によって示されている、ビームに沿った速度の線形分布のプロファイルが得られる。図２のビーム９上に示されている各小区分１４は、深度セル或いは深度ビンとして知られている個別の容積部分における個々の速度測定を表している。速度プロファイルライン１３は、各組の上流側ビームと下流側ビームによって測定される速度データから発生される。即ち、１組のビームからのデータを平均してプロファイルラインを発生する。
【００１０】
ドップラー測定は指向性を有するため、送受信方向に沿った速度成分のみが測定される。幅の狭い音響ビームを利用し、流れの水平方向の速度を精密に決定する。測定精度は、長さ及び直径が約５センチメートルの小容積部分に対応する抽出部分群のためのゲート時間を利用することによっても向上する。距離（range）依存性の変数に起因する戻りエネルギースペクトルの偏りが生じる可能性が避けられる。その結果、流速の垂直及び横断方向分布が正確に測定される。２組のビームから得られる速度データをアルゴリズムに入力し、液体の断面全体に亘る流速を数学的に記述する。アルゴリズムは実データに対してパラメトリックモデルの基本関数をフィットさせる。その結果、液体中の全ての位置について流速が予測される。これらの結果は断面全体に亘って積算され、排出量が決定される。このアプローチの主要な利点は、システムが、異なる液圧条件下で正確に作動することである。液圧条件が変化すると、流れの深さ方向全体に亘る速度分布にその変化が現れる。速度分布を直接測定している時、システムは、液圧の変化に適合し、新たな液圧条件を表す流れパターンを発生し、これにより流量の正確な推定が確実に行えるようにする。ほぼ一定の入力電圧を受信する電子処理ユニット１１内の周波数測定回路の要求により、浮遊固形物４の分布及び濃度が測定される。変換器１から発せられる音響パルスは特定の初期強度を有しているが、液体中を進み浮遊粒子で散乱するにつれて次第に減衰していく。変換器により検出される反射エネルギーは、元々発せられたものの極く一部である。更に、後方散乱の戻り強度は、エネルギー反射点までの距離、反射粒子の濃度、水温（これらに限定されないが）によって大きく変化する。受信した減衰信号ＲＣＶ−ＳＩＧは増幅器ＲＣＶ−ＡＭＰを通過し、周波数測定回路が要求するレベルまで増幅される。信号強度の減衰が大きいほど、高い増幅度が求められる。このため、要求される増幅度は信号強度の減衰度の尺度となり、逆に言えば、後方散乱の強度の尺度となる。要求される増幅量は、受信信号強度表示器ＲＳＳＩにより提供される。この測定こそ、水柱における浮遊固形物濃度の推定を容易にするものである。言い換えれば、後方散乱信号の強度値は、浮遊固形物の濃度値に換算され、受信信号の周波数シフトは液体の流れにおける固形物の速度を示すものとして解釈される。
【００１１】
変換器出力信号ＲＣＶ−ＳＩＧは、分離及びインピーダンス整合を行う受信結合変成器ＲＣＶ−ＸＦＭＲに出力される。高ゲイン選択型ログアンプＲＣＶ−ＡＭＰによって信号が更に増幅され、バンド幅が制限される。増幅された受信信号は、１組の周波数ミキサＦＭＩＸに送信され、ここで、局部発振器からの信号周波数ＬＯと複製的（replicatively）に混合される。受信信号や局部発振器と周波数が異なる所望のベースバンド信号が、ミキサが出力する信号を１組の低域通過フィルタＬＰＦを通過させることによって得られる。こうして得られたベースバンド信号は、搬送信号を除く全てのドップラースペクトルを含んでいる。前述のミキサは直交ミキサで、同相及び直角位相の信号が得られる。両信号は相関器ＣＯＲＲで必要とされるが、この相関器は基本的なデジタル信号処理を行う。同相及び直角位相の信号は１組の先入れ／先出しバッファＦＩＦＯでバッファ処理され、データ処理装置１２に出力されるデータＤ−ＯＵＴの一部となる。エコー信号も低域通過フィルタＲＳＳＩ−ＬＰＦに、次にバッファＲＳＳＩ−ＢＵＦＦに送信され、アナログ−デジタル変換器ＲＳＳＩ−ＡＤＣによってデジタル化される。最終的に、出力信号Ｄ−ＯＵＴの一部としてデータ処理装置に送られる。
【００１２】
タイミング発生器ＴＭＧ−ＧＥＮは、送信器及び受信器に必要な信号、例えば送信信号、送信可能信号、ミキサに送られる局部発振器直角位相信号等、を全て発生する。変換器が発するパルスの周波数は、１．２２８８ＭＨｚである。送信増幅器ＸＭＴ−ＡＭＰは、タイミング発生器が発生した論理レベル信号をバッファ処理し、送信出力変成器ＸＭＴ−ＸＦＭＲを駆動するパワードライバとして働く。送信変成器は、電子処理ユニットと変換器との間の分離も行う。
【００１３】
送信電流は電流変成器ＣＵＲＲ−ＸＦＭＲにより監視される。その出力信号はアナログ−デジタル変換器ＣＵＲＲ−ＡＤＣによりスケーリングされると共にデジタル化され、データ処理装置により組み込み自己診断機能の一部として使用される。タイミング発生器の全セットアップは完全にプログラム化可能であり、データ処理装置によりタイミング発生器の内蔵ＲＡＭにダウンロードされる。
【００１４】
前記データ処理装置は、タイミングセットアップデータやデジタル化した電流検出データを読み返すこと（read back）が可能である。
【００１５】
図５に示されている変換器は、電子処理ユニットにより制御される信号送受信マルチプレクサを備えている。電子処理ユニットのタイミング発生器ＴＭＧ−ＧＥＮにより発生された送信信号は、分離及びインピーダンス整合を行う結合変成器ＸＦＭＲを通過する。結合変成器ＸＦＭＲを通過した信号は、選択可能な送信／受信スイッチＴ／Ｒ−ＳＷ６〜Ｔ／Ｒ−ＳＷ１０により、５本あるビームの内の１本に多重伝送される。送信フェーズの終わりで、マルチプレクサは非選択となる。エコー信号は圧電セラミックスＰ−６〜Ｐ−１０から受信されると、前述のスイッチ及び、バンドパスフィルタＢＰＦ−６〜ＢＰＦ−１０の内の選択されたものを通過し、前置増幅器ＰＡ−６〜ＰＡ−１０へと送られる。更に、電子処理ユニットに送信される前に広帯域信号変成器ＸＦＭＲにより差動信号に変換される。サーミスタＴ−ＳＥＮＳＥは、変換器の周囲温度を測定するために使用される。温度信号は、増幅器Ｓ−ＡＭＰによってスケーリングされると共にバッファ処理され、変換器制御ＸＤＣＲ−ＣＴＬによりデジタル化され、電子制御ユニットに送られる。
【００１６】
水柱に浮遊している粒子からの後方散乱に適用される音響理論を簡略化した下記の式は、強度データから浮遊固形物の濃度を決定するのに貢献する主なファクターを特定する。
【００１７】
【数１】
2007513341.tif 000003
【００１８】
式中：    Ｅ    ＝  エコー強度
ＳＬ  ＝  送信パワー
ＳＶ  ＝  水柱の浮遊粒子による後方散乱強度
αw  ＝  水によるエネルギー吸収を表す係数
Ｒ    ＝  変換器から測定ビンまでの距離
【００１９】
システムにより測定されたエコー強度Ｅは相対的な強度であり、戻り信号の圧力振幅を直接測定することから得られる。システムはエコー強度の変化を明確に認識できるが、固形物の存在だけによる後方散乱強度の正確な量を決定することは出来ない。最終的な強度に影響を与える他の要因を取り除かなくてはならない。
【００２０】
２０ｌｏｇ（Ｒ）の項は、ビームの球状拡散を説明するシンプルな幾何学的関数である。この項は球状拡散の想定に近距離補正（near-field correction）を加えることで更に改良し得る。音速が正確に分かっていることが、所定の測定ビンまでの距離を決めるのに不可欠である。システムは実測した時間と音速に基づいて距離を計算する。音速は、ユーザが定義した塩分濃度（下水環境では、０と想定される）とセンサーヘッドで測定された温度を使用して計算される。本明細書に示されている方法では、音速は水柱の全域に亘って一定であると想定されている。流れの深さに限りがあり、流れが十分に混ざっている下水環境において、この想定は信頼度が高いと言える。
【００２１】
異なる測定器による測定値同士を直接比較することは、それらの測定器を現場或いは研究室で較正してそれらの性能特性を確定しない限り不可能である。ＳＬ項及び定数項は、これらの差異を表すと共に浮遊物（suspended load）の特性に対処するものである。測定器の性能特性がデータに対してどの様に影響を及ぼすかを理解し、現場での較正によってこれらの差異を補正することは、本測定法において重要である。本方法は相対的な後方散乱強度の実測値を利用し、また、このようなばらつきを補正する場所特有の較正を使用し、浮遊固形物の濃度を決定する。
【００２２】
最後の２項であるαw及びＳＶは、其々音響エネルギーの水による吸収及び相対的な後方散乱強度を表している。音響エネルギーは水の中を通過するに連れて水に吸収されるが、αwはこの過程で失ったエネルギー量の測定値である。ＳＶは、我々が関心を寄せる項であるが、水柱に存在する固形物により後方散乱されたエネルギー量である。固形物の量の増減がＳＶ値に影響を及ぼす。式１に含まれていない更なる項についても考慮する必要がある。それは、浮遊物による散乱や吸収に起因する音響信号の減衰を記述する項である。
【００２３】
測定した強度から水に含まれる総浮遊固形物ＴＳＳの質量濃度を実際に導き出すためには、固形物の存在に起因する真の後方散乱音響強度を決定しなくてはならない。２個のパラメータ間の関係は次のように示すことができる。
【００２４】
【数２】
2007513341.tif 000004
【００２５】
式中：      Ｍ(ｒ)  ＝  エコー強度
Ｋ      ＝  送信パワー
Ｐrms  ＝  水柱の浮遊粒子に起因する後方散乱強度
ａs    ＝  粒子半径
ρs    ＝  粒子密度
αw    ＝  水によるエネルギー吸収を表す係数
αs    ＝  水によるエネルギー吸収を表す係数
【００２６】
この式において、予測質量濃度Ｍ（ｒ）は、固形物の存在がどのように戻り信号を減衰させるかを説明する澱（おり；sediment）減衰係数αsの関数である。これら両パラメータは未知である。この関数の解を得るためには、数値法を用いる必要がある。質量濃度を求める演算は、αsの値を用いずに実行される。演算の結果得られるＭ（ｒ）値は、αsの値を算出するのに使われる。この演算プロセスは、澱減衰係数及び質量濃度の両方の最終値を導き出すためにセンサに最も近いビンにおいて繰り返される。この方法は更に、プロフィルの連続するビンに沿って階段的に適用される。
【００２７】
現場での固形物濃度の測定を可能にするために本明細書で提案されている方法は、前述の式を簡略化した次式を用いることによりこれを達成する。
【００２８】
【数３】
2007513341.tif 000005
【００２９】
ここでｄＢは、相対後方散乱強度の測定値であり、球状拡散及び適用可能な近距離効果に対する補正が施されている。Ｓは、固形物濃度と粒子サイズとの関係を説明する相対後方散乱係数である。Ｋsは、所定の現場での特定の測定器の個々の特性に対して補正を施す、場所・測定器定数である。その他の項は式２の場合と同様に、固形物の存在による強度減衰（αs）及び、水の吸収による強度減衰（αw）を表す。
【００３０】
水による吸収に起因した音響エネルギーの損失や減衰の量は、次に示すように、音波の（即ち、測定器の）周波数、塩分濃度及び水温に依存することがわかった。
【００３１】
【数４】
2007513341.tif 000006
【００３２】
式中：      αw  ＝  水による吸収係数（Ｎｅｐｅｒｓ／ｍ）
ｆ    ＝  測定器周波数（ＭＨｚ）
Ｓ    ＝  塩分濃度（ｐｐｔ）
【００３３】
ｆT項は緩和周波数と呼ばれるもので次に示す式で与えられる。
【００３４】
【数５】
2007513341.tif 000007
【００３５】
式中：      Ｔは水温（摂氏）
【００３６】
これらの式を用いれば、水による吸収に起因する１メートル当たりの信号減衰が算出される。従って、ビンの斜めの長さを用いれば、各測定区間、即ち「ビン」での音響の総減衰量を導き出すことができる。
【００３７】
水柱を通過している音響が浮遊固形物の粒子にぶつかるとき、エネルギーは固形物媒体による散乱及び吸収により減衰する。散乱度は周波数と粒子の大きさとの関係に依存する。周波数は次式の通り波数ｋによって表される。
【００３８】
【数６】
2007513341.tif 000008
【００３９】
式中：      ｆ    ＝  測定器の周波数（Ｈｅｒｔｚ）
Ｖs  ＝  塩分濃度（ｐｐｔ）
【００４０】
積ｋａs（ここでａsは粒子の半径）の値が、０．５をかなり下回るとき、レイリー散乱が起こる。これは、浮遊澱の測定状態で通常見られる範囲である。澱定数ζ1は次の式により与えられる。
【００４１】
【数７】
2007513341.tif 000009
【００４２】
式中：      ρs  ＝  澱密度（ｋｇ／ｍ3）
Ｋα  ＝  圧縮性及び密度に関する項（標準値０．１８）
【００４３】
距離（range）ｒの領域中の固形物による散乱に起因する、１メートル当たりの実際の澱減衰α1（Ｎｅｐｅｒｓ／ｍ）は、質量濃度Μr（ｋｇ／ｍ3）を用いて次のように与えられる。
【００４４】
【数８】
2007513341.tif 000010
【００４５】
音響エネルギーは水柱の澱によっても吸収される。次の式（ウリック（Urick）、１９４８）は、該吸収に起因した１メートル当たりの澱減衰α2（Ｎｅｐｅｒｓ／ｍ）を求めるために用いられる。
【００４６】
【数９】
2007513341.tif 000011
【００４７】
式中：
【００４８】
【数１０】
2007513341.tif 000012
【００４９】
式中：    ρs  ＝  固形物粒子の密度
ρw  ＝  水の密度
νw  ＝  水の動粘度
【００５０】
前述の式は、積ｋａsの値が１よりかなり小さい時に有効である。散乱に起因する減衰は無視できるほどになり、粘性吸収が優位になり始める領域である。
【００５１】
前述の方法は、散乱や吸収に起因する減衰をまとめて１個の澱減衰係数ＳＡＣとしている。ＳＡＣは、ユーザが定義することも可能であるし、粒子の公称、即ち「有効」サイズを粒子比重推定値（２．７）や圧縮性推定値（０．１８）と組み合わせて用いる処理ソフトウェアにより計算することもできる。どちらの場合も、入力値は必然的に推定値であり、ソフトウェアの較正モジュールでの反復処理により改良されなくてはならない。
【００５２】
実際には、澱の自然母集団についての澱減衰係数を公理から計算するのは殆ど不可能である。前述のソフトウェアが採用している手法は実際的なものであり、該係数の使用可能値を実際の観測データを用いて定めている。それ故、前述した、例えば粒子の大きさや圧縮性等の入力値が正確かどうか等は、どちらかといえば学問領域の事項である。
【００５３】
データ処理装置を制御するコンピュータプログラムＣＰは、簡略化された式３及び較正により導き出された澱減衰値に基づいて、測定された後方散乱強度から澱濃度を導き出すのに必要な全ての計算を実行する。該プログラムは後方散乱データ（測定器カウントで表示される）や追加情報（例えば、温度、塩分濃度等）をシステム生データファイルからインポートする。ユーザは特定の場所の較正値（例えば、ＳやＫｓに対する値）をキーボードから入力してもよいし、プログラムによって入力データからこれらのデータを決定してもよい。ユーザは、水を採取すると共にこれを研究室で分析することにより測定されたＴＳＳの値を入力してもよい。これらのサンプルデータはシステムデータと同時に取り込まれ、これにより、システムにより測定されたデータと実際のデータとの間の直接較正値を決定できる。
【００５４】
次に、前述プログラムは、各変換器下の最初の有効な測定ビンから測定された生データを取り込む。そして、繰り返しルーチンを用いて、必要な各種パラメータを計算すると共に式３を解き、最初のビン全体及び変換器と最初のビンとの間の間隙（ここではシステムはデータを得ることのできない）の浮遊澱濃度を求める。計算された固形物濃度及び澱減衰は、次のビンで関連した補正を行うために再びシステムに送られ、ここでも同様な繰り返し処理を用いて解かれる。この手続きは最後のビンについて解かれるまで繰り返される。そしてソフトウェアは次の組のデータに移る。
【００５５】
これに続き、プログラムは算出した濃度を表示し、実際に測定した濃度と比較する。２個のデータセット、即ち計算されたデータと実測データと間の誤差も深さ及び濃度の関数として表示される。ユーザは、種々のパラメータ（Ｓ、Ｋs及びＳＡＣ）を調整し、データセット間の相関関係を改善する。これは繰り返し処理であり、パラメータによっては初めにシード値が与えられ、ユーザは、それらのアクションの結果をリアルタイムで観測しながら、２個のデータセット間の相関関係を強め、誤差がゼロになるようにパラメータを調整する。
【００５６】
本方法は、汚水環境で利用することができ、流量測定に加えてＴＳＳの履歴測定及びリアルタイム測定を提供できる。これにより、ユーザは水の体積輸送量だけでなく、汚水システム中の固形物の総質量輸送量を測定することができる。本明細書で説明した方法は、これを実現するために複数のビームからのデータを使用する。本方法により、総固形物濃度だけでなく、流れの深さ方向における固形物濃度の空間分布を見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】流れ及び濃度変換器を装備した導管の概略斜視図である。
【図２】上記導管の概略断面図である。
【図３】濃度、分布及び流速を測定する測定器のブロック図である。
【図４】電子処理ユニットのブロック図である。
【図５】変換器回路のブロック図である。
【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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【国際調査報告】
2007513341.tif 000023