(57)【要約】  水中の汚れをろ過するろ過膜に第１の超音波振動子から所定の周波数を有する第１の超音波を放射してろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置であって、第１の超音波振動子から第１の超音波を放射させ、ろ過膜を透過した第１の超音波を第２の超音波として受信し、第１の超音波及び第２の超音波に基づいて、ろ過膜の蓄積物の状態を判定する判定回路を備える。
2017002411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中の汚れをろ過するろ過膜に第１の超音波振動子から所定の周波数を有する第１の超音波を放射して上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置であって、
上記第１の超音波を放射するように上記第１の超音波振動子を制御し、上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を第２の超音波として受信し、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定する判定回路を備え、
上記判定回路は、
上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記第１の超音波が上記ろ過膜を透過した超音波を第２の超音波として受信する信号処理部と、
上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定する制御判定部とを備え、
上記信号処理部は、上記第１の超音波の周波数スペクトルと上記第２の超音波の周波数スペクトルとを乗算することにより取得される第１クロススペクトルに基づいて、上記第１の超音波と上記第２の超音波との第１相関値を算出し、当該算出された第１相関値を判定相関値として出力し、
上記制御判定部は、上記判定相関値の時間変化に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とするろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項２】
上記ろ過膜を透過することなしに上記第１の超音波を第３の超音波として受信する第３の超音波振動子をさらに備え、
上記信号処理部は、上記第１の超音波の周波数スペクトルと上記第３の超音波の周波数スペクトルとを乗算することにより取得される第２クロススペクトルに基づいて、上記第１の超音波と上記第３の超音波との第２相関値を算出し、上記第１相関値から上記第２相関値を減算し、当該減算結果を上記判定相関値として出力することを特徴とする請求項１記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項３】
上記制御判定部は、複数の経過時間ごとの周波数スペクトルの各周波数に対する判定相関値の差分を算出することにより上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とする請求項２記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項４】
上記信号処理部は、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記第１の超音波を放射してから上記第２の超音波として受信されるまでの伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間から上記超音波振動子から放射された超音波の第１伝搬速度を算出し、当該算出された第１伝搬速度を判定伝搬速度として出力し、
上記制御判定部は、上記判定伝搬速度の時間変化に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とする請求項１記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項５】
上記ろ過膜を透過することなしに上記第１の超音波を第３の超音波として受信する第３の超音波振動子をさらに備え、
上記信号処理部は、上記第１の超音波及び上記第３の超音波に基づいて、上記第１の超音波を放射してから上記第３の超音波として受信されるまでの伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間から上記超音波振動子から放射された超音波の第２伝搬速度を算出し、
上記第１伝搬速度から上記第２伝搬速度を減算し、当該減算結果を上記判定伝搬速度として出力することを特徴とする請求項４記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項６】
上記制御判定部は、複数の経過時間ごとの周波数スペクトルの各周波数に対する判定伝搬速度の差分を算出することにより上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とする請求項４または５記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項７】
上記制御判定部は、上記各周波数の差分の合計が所定のしきい値以上となったときに上記ろ過膜に蓄積物が存在すると判定することを特徴とする請求項３または６記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項８】
上記第２の超音波を受信する第２の超音波振動子と、
上記第１の超音波振動子と第２の超音波振動子との間に上記ろ過膜が位置するように上記ろ過膜の可動範囲を制限する治具とを備え、
上記ろ過膜は１本以上の中空糸膜から構成されることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項９】
上記第１の超音波振動子を固定する第１の支柱と、
上記第２の超音波振動子を固定する第２の支柱とを備え、
上記ろ過膜の可動範囲を制限する治具は、上記第１の支柱及び上記第２の支柱に固定されることを特徴とする請求項８に記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項１０】
上記ろ過膜の可動範囲は、上記第１の超音波の音圧強度が所定値以上である範囲となるように設定されることを特徴とする請求項８または９記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項１１】
上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を反射する反射板をさらに備え、
上記第１の超音波振動子は、上記反射板からの反射波を上記第２の超音波として受信することを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項１２】
水中の汚れをろ過するろ過膜に第１の超音波振動子から所定の周波数を有する第１の超音波を放射して上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置のためのろ過膜蓄積物判定方法であって、当該方法は、
上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を第２の超音波として受信し、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するステップを含み、
上記判定するステップは、
上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記第１の超音波が上記ろ過膜を透過した超音波を第２の超音波として受信するステップと、
上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するステップと、
上記第１の超音波の周波数スペクトルと上記第２の超音波の周波数スペクトルとを乗算
することにより取得される第１クロススペクトルに基づいて、上記第１の超音波と上記第２の超音波との第１相関値を算出し、当該算出された第１相関値を判定相関値として出力するステップと、
上記判定相関値の時間変化に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するステップとを含むことを特徴とするろ過膜蓄積物判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を用いてろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置及びろ過膜蓄積物判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば下水処理に用いられるバイオリアクターなどに使用されるろ過膜に蓄積物が蓄積されると、ろ過膜を透過する処理水に対して抵抗が増大する。従来、処理水を引くポンプ内の水圧や配管内の水圧の上昇を検出してろ過膜の処理水に対する抵抗の増大を間接的に判定していた。しかしながら、ろ過膜の蓄積物の状態を直接的に判定しておらず、ろ過膜の蓄積物の状態の判定精度は低かった。この問題を解決するために、近年、ろ過膜の蓄積物の状態を直接的に判定する方法が開示されている。【０００３】
例えば、非特許文献１には、超音波振動子から超音波パルスを送信し、ろ過膜および蓄積物で反射する超音波パルスを受信し、受信した超音波パルスからろ過膜および蓄積物の反射時間及び反射強度を算出することで、ろ過膜の蓄積物の状態を直接的に判定するろ過膜蓄積物判定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Elmira Kujundzic, ph.D., Keith Cobry, Alan R. Greenberg, ph.D. , and Mark Hernandez, ph.D., ”USE OF ULTRASONIC SENSORS FOR CHARACTERIZATION OF MEMBRANE FOULING AND CLEANING”, Journal of Engineered Fibers and Fabrics, [online], 2008年, [2015年4月8日検索], インターネット〈URL:http://www.jeffjournal.org〉
【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、非特許文献１のろ過膜蓄積物判定装置では、ろ過膜が水中に固定されず自由に動き回るので、超音波振動子とろ過膜の位置関係が常に変化する。従って、超音波パルスの反射時間や反射強度が常に変化し、ろ過膜の蓄積物の状態の判定精度が低下するという問題があった。【０００６】
また、ろ過膜の蓄積物は必ずしもろ過膜表面だけに蓄積されるわけではなく、ろ過膜内にも留まり、ろ過膜の処理水に対する抵抗の増大を招く。従って、例えろ過膜の表面に蓄積物が蓄積されなくても、ろ過膜内に蓄積物が蓄積されてろ過膜が目詰まりを起こす場合もあり、技術文献１記載のろ過膜蓄積物判定装置では、ろ過膜内の蓄積物の状態を精度良く判定することができないという問題があった。【０００７】
また、下水は砂、泥、微生物、汚物などで混濁しているため、透光性や絶縁性が低い。従って、光センサや電波センサを用いることができないという問題があった。【０００８】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、ろ過膜の蓄積物の状態を精度良く判定できるろ過膜蓄積物判定装置及びろ過膜蓄積物判定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るろ過膜蓄積物判定装置は、
水中の汚れをろ過するろ過膜に第１の超音波振動子から所定の周波数を有する第１の超音波を放射して上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置であって、上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を第２の超音波として受信し、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定する判定回路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るろ過膜蓄積物判定装置によれば、水中に設置されたろ過膜の蓄積物を透過する超音波の送受信信号の変化に基づいて、ろ過膜の蓄積物の有無などのろ過膜の蓄積物の状態を精度良く判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１に係るろ過膜蓄積物判定装置１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ａの下水処理システム９の構成を示す概略図である。
【図２】図１Ａの超音波振動子２，４及びろ過膜３の構成を示す斜視図である。
【図３】は図１Ａの超音波振動子２から水中で放射される超音波の音圧強度分布を示すシミュレーション図である。
【図４Ａ】図１Ａの信号処理部７により算出される、周波数に対する相関値の変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ａの時間変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
【図６Ａ】図５の信号処理部７Ａにより算出される、周波数に対する伝搬速度の変化を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ａの時間変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態３に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｃ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｄ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
【図１０Ａ】本発明の実施の形態１の変形例１に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施の形態１の変形例２に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施の形態１の変形例３に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。
【図１１】発明の実施の形態１の変形例４に係る図２の治具１２（１３）の斜視図である。
【図１２】発明の実施の形態１の変形例５に係る図２の治具１２（１３）の斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態６に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｅ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。
【図１４】図１３の超音波振動子２，４及びろ過膜３Ａの構成を示す斜視図である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態６の変形例１に係る図１４のサポート材７０Ａの上面図である。
【図１５Ｂ】図１５ＡのＡ−Ａ線に沿って切断したときの縦断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態６の変形例２に係る、図１３の超音波振動子２，４及びろ過膜３Ａの構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施の形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１Ａは本発明の実施の形態１に係るろ過膜蓄積物判定装置１及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１Ａのろ過膜蓄積物判定装置１は、超音波を送受信可能な一対の超音波振動子２，４と、水中の汚れをろ過するろ過膜３と、送信部５と、受信部６と、判定回路６０とを備えて構成される。また、判定回路６０は、信号処理部７と、制御判定部８とを備えて構成される。ここで、超音波振動子２から所定の周波数を有し、パルス状に放射される超音波は、１本〜複数本の中空糸膜から形成されたろ過膜３を透過し、超音波振動子４に入力される。すなわち、一対の超音波振動子２，４は、ろ過膜３を挟んで一定の距離をおいてそれぞれ配置され、超音波振動子２から放射された超音波はろ過膜３を透過して超音波振動子４で受信される。なお、超音波振動子２から放射される超音波は、連続波であってもよい。
【００１４】
図１Ａの判定回路６０は、第１の超音波を放射するように超音波振動子２を制御し、ろ過膜３を透過した第１の超音波を第２の超音波として受信し、第１の超音波及び第２の超音波に基づいて、ろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。すなわち、判定回路６０は、ろ過膜３を透過する前の超音波と透過後の超音波の相互相関に基づいてろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。なお、判定回路６０の機能の一部または全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。すなわち、判定回路６０の機能の一部または全部は、メモリに記憶されたプログラムを計算機で実行することで実現されてもよい。
【００１５】
図１Ａの信号処理部７は、超音波振動子２から超音波を放射するための送信信号を生成して送信部５に出力する。ここで、送信信号は、超音波振動子２を駆動する一定周期を有する電圧波形を有する。また、信号処理部７は、超音波振動子２から放射される超音波の送信波形情報を制御判定部８に出力する。
【００１６】
送信部５は、信号処理部７から入力される送信信号に基づいて、超音波振動子２から超音波を放射させる。ここで、超音波振動子２から放射される超音波は、所定の振幅電圧、位相及び周波数を有する。さらに、送信部５は、当該受信された送信信号を増幅し、当該増幅された送信信号から所定の周波数を除去するフィルタリング機能を有する。
【００１７】
受信部６は、超音波振動子４を介して超音波振動子２から放射される超音波を受信し、当該受信した超音波を受信信号として信号処理部７に出力する。さらに、受信部６は、当該受信された超音波を増幅する増幅機能と、当該増幅された超音波から所定の周波数を除去するフィルタリング機能と、所定の周波数が除去されたデータをサンプリング処理してデジタルデータに変換するサンプリング機能と、を有する。
【００１８】
信号処理部７は、送信信号の周波数スペクトルと受信信号の周波数スペクトルとを乗算することにより取得されるクロススペクトルに基づいて、送信信号と受信信号との判定相関値を算出して制御判定部８に出力する。
【００１９】
制御判定部８は、信号処理部７から入力される判定相関値の時間変化に基づいて、例えばろ過膜３の蓄積物の有無などのろ過膜３の蓄積物の状態を判定し、当該判定結果を下水処理システム９に出力する。ここで、制御判定部８は、ろ過膜３の蓄積物の状態と相関がある波形情報を抽出し、当該抽出された波形情報の時間変化から過膜３の蓄積物の状態を判定してその結果を下水処理システム９に出力する。詳細には、制御判定部８は、複数の経過時間ごとにろ過膜３の蓄積物の状態と相関がある周波数スペクトルの各周波数の波形情報の差分を抽出（算出）することによりろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。例えば、制御判定部８は、各周波数ごとの差分の合計が所定のしきい値以上となったときにろ過膜３に蓄積物が所定の量だけ存在すると判定し、その判定結果を下水処理システムに出力する。
【００２０】
図１Ｂは図１Ａの下水処理システム９の構成を示す概略図である。図１Ｂの下水処理システム９は、制御盤９ａ、下水ポンプ９ｂ、無酸素漕９ｃ、攪拌機９ｄ、攪拌モータ９ｅ、バブラー９ｆ、空気流量計９ｇ、好気漕９ｈ、バブラー９ｉ、空気流量計９ｊ、膜分離漕９ｋ、空気ポンプ９ｌ、処理水流量計９ｍ、処理水ポンプ９ｎ、中空糸膜モジュール９ｏを含む。
【００２１】
図１Ｂに示すように、下水道から下水ポンプ９ｂを用いて無酸素漕９ｃに下水を投入し、攪拌機９ｄで下水を攪拌しながら微生物により下水の汚れを分解除去する。次に分解除去された下水を好気漕９ｈに投入し、バブラー９ｆで空気を漕内に送りながら微生物により下水の汚れを分解除去する。次に分解除去された下水を膜分離漕９ｋに投入し、中空糸膜が束になった中空糸膜モジュール９ｏを用いて処理水ポンプ９ｎを吸水しながら下水の汚れをろ過し、処理水とする。この一連の動作について制御盤９ａは、下水ポンプ９ｂ、攪拌モータ９ｅ、空気流量計９ｇ、空気流量計９ｊ、空気ポンプ９ｌ、処理水流量計９ｍ、処理水ポンプ９ｎ、ろ過膜蓄積物判定装置１を計測制御しながら下水処理を行う。下水から分解除去する汚れに応じて、漕構成、ポンプ、モータ、バブラー、センサは構成が異なる。
【００２２】
図２は図１Ａの超音波振動子２，４及びろ過膜３の構成を示す斜視図である。ここで、ろ過膜蓄積物判定装置１が設置される水槽内の座標系について説明する。図２において、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有し、当該Ｚ軸は重量方向と逆向きの方向であると仮定する。
【００２３】
図２において、超音波振動子２，４は円筒形状をそれぞれ有し、平板状の支柱１０，１１の中央部に形成される円筒形状の貫通穴に貫通させてそれぞれ固定される。また、超音波振動子２はケーブル２０を介して送信部５に接続され、超音波振動子４はケーブル３０を介して受信部６に接続される。また、支柱１０及び支柱１１は下水が入る水槽内でＸＹ平面に対して垂直となるように内部で固定される。詳細には、ろ過膜３の端部３ａを固定する部材を設け、この部材を用いて支柱１０及び支柱１１が固定される。この場合には、ろ過膜３の側面（表面）からろ過膜３の内部に浸水した下水（汚水）はＺ軸方向の上側へと例えばポンプなどを用いて引き上げられ処理水としてろ過膜３の外部に排水される。なお、支柱１０及び支柱１１は下水が入る水槽内でＸＹ平面に対して垂直となるように内部で固定されたとして説明したが、支柱１０及び支柱１１は水槽の外部から固定されてもよい。
【００２４】
ろ過膜３は複数の中空糸膜から構成され、複数本の中空糸膜がまとめられて端部に固定され、ろ過膜３の長手方向がＺ軸方向に一致するように水中に設置される。この場合には、ろ過膜３は水流によりＸ方向及び／又はＹ方向に動いてしまうという問題がある。この問題を解決するために、ろ過膜３は、支柱１０及び支柱１１に支持されて固定される治具１２，１３により超音波振動子２，４の超音波が受信できる範囲（後述する可動範囲４０）内で移動できるように支持される。ここで、ろ過膜３が移動できる可動範囲４０において水流が発生する。従って、水中の汚れが治具１２，１３に蓄積されることを防止することができる。なお、本実施の形態では、ろ過膜３の長手方向がＺ軸方向に一致するように設置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、送信用超音波振動子と受信用超音波振動子との間に位置し、送信用超音波振動子からの超音波を受信し、当該ろ過膜３を透過して受信用超音波振動子で受信されるように構成されるのであれば、ろ過膜３の長手方向がどの方向に向くように設置されてもよい。
【００２５】
治具１２は一端１２ａで支柱１０に固定され、他端１２ｂで支柱１１に固定される。また、治具１３は一端１３ａで支柱１０に固定され、他端１３ｂで支柱１１に固定される。ここで、治具１２，１３は互いに同様の形状を有し、一端１２ａと一端１３ａとは距離Ｄだけ離れ、他端１２ｂと他端１３ｂとは距離Ｄだけ離れる。また、超音波振動子２と超音波振動子４とは距離Ｌだけ離れる。治具１２及び治具１３は支柱１０と支柱１１との間のほぼ中央に円形状の円形部１３ｃ，１２ｃをそれぞれ備え、それぞれの円形部１３ｃ及び円形部１２ｃにろ過膜３を通してろ過膜３が水流で動くのを防止する。ここで、各円形部１３ｃ，１２ｃの所定の可動範囲４０を有し、この可動範囲４０内でろ過膜３は移動することが可能となるように構成される。なお、治具１２及び治具１３は例えば鋼材や樹脂などで形成される。
【００２６】
次に、可動範囲４０について以下に説明する。
【００２７】
図３は図１Ａの超音波振動子２から水中で放射される超音波の音圧強度分布を示すシミュレーション図である。ここで、超音波振動子２は直径ΦＤの円形状の断面を有する円筒形状とし、図３の中心線Ｃを円筒形状の中心軸とし、距離Ｌを２０ｍｍ以内の距離とし、超音波振動子２の振動周波数は約１５ＭＨｚと仮定する。超音波振動子２の水中での音圧強度分布は、音圧強度が大きいことを示す薄い色の部分（所定値以上の音圧強度を有する部分）を超音波振動子２の直径ΦＤの範囲に設定する。すなわち、ろ過膜３の可動範囲４０を超音波振動子２の直径ΦＤに設定する。従って、水流でろ過膜３が水中で移動したとしてもろ過膜３は可動範囲４０内に位置するので、超音波振動子２からの超音波を十分な強度で受信することができる。
【００２８】
上述したように、ろ過膜３の可動範囲４０を超音波振動子２から放射される超音波を受信できる範囲に制限する。この構成により、ろ過膜３を透過する超音波を用いて、ろ過膜３の蓄積物による超音波の変化を検出することにより、ろ過膜３の蓄積物の状態を判別することが可能となる。
【００２９】
以上のように構成されたろ過膜蓄積物判定装置１の動作について以下に説明する。
【００３０】
信号処理部７では、複数Ｎ個の周波数ｆ１〜ｆＮを有する超音波を用いたときの相関値Ｃｏｒｒ（１）〜Ｃｏｒｒ（Ｎ）をそれぞれ算出する。ここで、周波数ｆ１〜ｆＮは一定の周波数間隔Δｆで設定される。
【００３１】
超音波振動子２は一定の周波数Ｔｆｎ（ｎ＝１，２，３，４，…，Ｎ）及び一定の振幅ＴＡｎを有する例えばハミング窓などの窓関数で処理した周波数の広がりを考慮したパルス状の超音波をろ過膜３に向かって放射する。放射されたパルス状の超音波はろ過膜３を透過し、ろ過膜３の状態変化を受けて一定の周波数Ｒｆｎ及び一定の振幅ＲＡｎを有するパルス状の超音波として超音波振動子４で受信される。
【００３２】
周波数Ｔｆｎを有する超音波がろ過膜３を透過した後に周波数Ｒｆｎを有する超音波に変化すると仮定すると、相関値Ｃｏｒｒ（ｎ）は次式で算出できる。
【００３３】
【数１】
2017002411.tif 000003
【００３４】
ここで、ＦＦＴ（Ｔｆｎ）は送信信号の周波数スペクトルを示し、ＦＦＴ（Ｒｆｎ）は受信信号の周波数スペクトルを示す。なお、相関値Ｃｏｒｒ（ｎ）は０以上１以下の実数であり、相関値Ｃｏｒｒ（ｎ）が０であればろ過膜３の状態が大きく変化していることを示し、相関値Ｃｏｒｒ（ｎ）が１であればろ過膜３の状態が変化していないことを示す。
【００３５】
図４Ａは図１Ａの信号処理部７により算出される、周波数に対する相関値の変化を示すグラフであり、図４Ｂは図４Ａの時間変化を示すグラフである。図４Ａでは周波数ｆ１を有する超音波を放射した場合には相関値Ｃｏｒｒ（１）が取得され、周波数ｆｎを有する超音波を放射した場合には相関値Ｃｏｒｒ（ｎ）が取得され、周波数ｆＮを有する超音波を放射した場合には相関対Ｃｏｒｒ（Ｎ）が取得される。ここで、相関値Ｃｏｒｒ（１）は１に近く、相関値Ｃｏｒｒ（Ｎ）は０に近い。
【００３６】
図４Ｂでは周波数−相関値のプロファイルの時間変化が図示される。ここで、経過時間ｔ１〜ｔ４の各プロファイルＰ１〜Ｐ４間の差分を算出することにより、ろ過膜３の蓄積物の有無を判定する。例えば、プロファイルＰ１の各周波数の相関値とプロファイルＰ２の各周波数の相関値との差分のそれぞれの合計が所定のしきい値を超えたかどうかを判定することにより、ろ過膜３の蓄積物の有無などが判定される。なお、上述したように、超音波の周波数を変えることで水中の波長が異なる。従って、ろ過膜３の蓄積物の種類によって、超音波の波長による応答が異なる。従って、超音波の周波数の変化を示す相関値とろ過膜３の蓄積物の種類との対応付けを予め記憶しておけば、超音波の周波数の変化に基づいてろ過膜３の蓄積物の種類を分類できる。
【００３７】
以上の実施の形態に係るろ過膜蓄積物判定装置１によれば、水中に設置されたろ過膜の蓄積物を透過する超音波の周波数の変化を示す相関値を算出し、この算出結果の時間変化に基づいて、ろ過膜の蓄積物の状態を判定することができる。
【００３８】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ａ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図５のろ過膜蓄積物判定装置１Ａは、図１Ａのろ過膜蓄積物判定装置１と比較すると、図１Ａの判定回路６０の代わりに判定回路６０Ａを備えたことを特徴とする。また、図５の判定回路６０Ａは、図１Ａの判定回路６０と比較すると、信号処理部７の代わりに信号処理部７Ａを備え、制御判定部８の代わりに制御判定部８Ａを備えたことを特徴とする。ここで、判定回路６０Ａは、第１の超音波を放射するように超音波振動子２を制御し、ろ過膜３を透過した第１の超音波を第２の超音波として受信し、第１の超音波及び第２の超音波に基づいて、ろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。すなわち、判定回路６０Ａは、ろ過膜３を透過する前の超音波と透過後の超音波の相互相関に基づいてろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。
【００３９】
図５の信号処理部７Ａは、超音波振動子２から超音波を放射するための送信信号を生成して送信部５に出力する。ここで、送信信号は、超音波振動子２を駆動する一定周期を有する波形（電圧）である。また、信号処理部７Ａは、超音波振動子２から放射される超音波の送信波形情報を制御判定部８Ａに出力する。さらに、信号処理部７Ａは、送信信号のピーク値と受信信号のピーク値とに基づいて、超音波振動子２から放射された超音波がろ過膜３を透過して超音波振動子４で受信されるまでの伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間から伝搬速度を算出して制御判定部８Ａに出力する。
【００４０】
図５の制御判定部８Ａは、図１Ａの制御判定部８と比較すると、相関値の時間変化に基づいてろ過膜３の蓄積物の状態を判定することの代わりに信号処理部７Ａから入力される伝搬速度の時間変化に基づいてろ過膜３の蓄積物の状態を判定することが相違する。
【００４１】
以上のように構成されたろ過膜蓄積物判定装置１Ａの動作について以下に説明する。
【００４２】
信号処理部７Ａでは、複数Ｎ個の周波数ｆ１〜ｆＮを有する超音波を用いたときの相関値Ｃｏｒｒ（１）〜Ｃｏｒｒ（Ｎ）をそれぞれ算出する。ここで、周波数ｆ１〜ｆＮは一定の周波数間隔Δｆで設定される。
【００４３】
超音波振動子２は一定の周波数Ｔｆｎ（ｎ＝１，２，３，４，…，Ｎ）及び一定の振幅ＴＡｎを有する例えばハミング窓などの窓関数で処理した周波数の広がりを考慮したパルス状の超音波をろ過膜３に向かって放射する。放射されたパルス状の超音波はろ過膜３を透過し、ろ過膜３の状態変化を受けて一定の周波数Ｒｆｎ及び一定の振幅ＲＡｎを有するパルス状の超音波として超音波振動子４で受信される。
【００４４】
支柱１０に固定された超音波振動子２と支柱１１に固定された超音波振動子４とは、一定の距離Ｌをもって水中に設置される。従って、超音波振動子２から送信された超音波が超音波振動子４に受信される伝搬時間Ｔｎを計測することにより、伝搬速度Ｃｎは次式で算出できる。ここで、伝搬速度Ｃｎは水中温度が測定できれば計算できるが、たとえ水中温度が測定できなくても次式を用いて伝搬速度Ｃｎを算出できる。
【００４５】
【数２】
2017002411.tif 000004
【００４６】
また、水中の超音波の伝搬速度Ｃｎは、ろ過膜３の体積弾性率Ｋ及び水中密度ρを用いて次式により算出することができる。
【００４７】
【数３】
2017002411.tif 000005
【００４８】
ろ過膜３に汚れが蓄積すると、ろ過膜３全体の体積弾性率が変化する。ろ過膜３内の空隙に蓄積物が充填されることによる密度変化により、体積弾性率Ｋが変化する。従って、水中の伝搬速度Ｃｎを算出することにより、ろ過膜３の蓄積物の状態を判定することができる。
【００４９】
図６Ａは図５の信号処理部７Ａにより算出される、周波数に対する伝搬速度の変化を示すグラフであり、図６Ｂは図６Ａの時間変化を示すグラフである。図６Ａでは周波数ｆ１を有する超音波を放射した場合には伝搬速度Ｃ１が取得され、周波数ｆｎを有する超音波を放射した場合には伝搬速度Ｃｎが取得され、周波数ｆＮを有する超音波を放射した場合には伝搬速度ＣＮが取得される。
【００５０】
図６Ｂでは周波数−伝搬速度のプロファイルの時間変化が図示される。ここで、経過時間ｔ１〜ｔ４の各プロファイルＰ１〜Ｐ４間の差分を算出することにより、ろ過膜３の蓄積物の有無を判定する。例えば、プロファイルＰ１の各周波数の相関値とプロファイルＰ２の各周波数の相関値との差分のそれぞれの合計が所定のしきい値を超えたかどうかを判定することにより、ろ過膜３の蓄積物の有無などが判定される。なお、上述したように、超音波の周波数を変えることで水中の波長が異なる。従って、ろ過膜３の蓄積物の種類によって、超音波の波長による応答が異なるので、予めろ過膜３の蓄積物の種類ごとの相互相関を記憶することにより、ろ過膜３の蓄積物の種類を分類することが可能となる。従って、超音波の周波数の変化を示す伝搬速度とろ過膜３の蓄積物の種類との対応付けを予め記憶しておけば、超音波の周波数の変化に基づいてろ過膜３の蓄積物の種類を分類できる。
【００５１】
以上の実施の形態に係るろ過膜蓄積物判定装置１によれば、水中に設置されたろ過膜の蓄積物を透過する超音波の周波数の変化を示す伝搬速度を算出し、この算出結果の時間変化に基づいて、ろ過膜の蓄積物の状態を判定することができる。
【００５２】
実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｂ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図７のろ過膜蓄積物判定装置１Ｂは、図１Ａのろ過膜蓄積物判定装置１と比較すると、図１Ａの判定回路６０の代わりに判定回路６０Ｂを備え、図２の支柱１０及び支柱１１に支持されて固定され、一対の超音波振動子２、４と同様の一対の超音波振動子２２，２４をさらに備えたことを特徴とする。また、図７の判定回路６０Ｂは、図１Ａの判定回路６０と比較すると、信号処理部７の代わりに信号処理部７Ｂを備え、制御判定部８の代わりに制御判定部８Ｂを備えたことを特徴とする。また、超音波振動子２，４の配置と同様に、超音波振動子２２と超音波振動子２４とは距離Ｌだけ離れてそれぞれ水中に設置される。ここで、一対の超音波振動子２，４はその間にろ過膜３が存在するのに対して、一対の超音波振動子２２，２４はその間にろ過膜３が存在しないことが相違する。この構成により、同一の周波数及び振幅を有する超音波を超音波振動子２及び超音波振動子２２からそれぞれ放射し、ろ過膜３を透過した超音波及びろ過膜３を透過しない超音波が超音波振動子４及び超音波振動子２４でそれぞれ受信する。ここで、超音波振動子２４は、ろ過膜３を透過することなしに超音波振動子２から放射された第１の超音波を第３の超音波として受信することと同じである。
【００５３】
図７の判定回路６０Ｂは、図１Ａの判定回路６０と比較すると、ろ過膜３を透過しない第１の超音波を第３の超音波として受信することが相違する。さらに、判定回路６０Ｂは、第１〜第３の超音波に基づいて、ろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。ここで、判定回路６０Ｂは、ろ過膜３周辺の水中の混濁物の影響による誤差を除去し、当該除去された相関値に時間変化に基づいて、ろ過膜３の蓄積物の状態を判定する。
【００５４】
図７の信号処理部７Ｂは、図１Ａの信号処理部７と比較すると、超音波振動子２，２２からそれぞれ同一の周波数及び同一の振幅を有する超音波を放射するための送信信号を生成して送信部５に出力することが相違する。ここで、送信信号は、超音波振動子２及び超音波振動子２２を駆動する一定周期を有する電圧波形である。また、信号処理部７Ｂは、図１Ａの信号処理部７と比較すると、超音波振動子２の送信信号の周波数スペクトルと超音波振動子４の受信信号の周波数スペクトルとを乗算することにより取得されるクロススペクトルに基づいて、超音波振動子２の送信信号と超音波振動子４の受信信号との第１相関値を算出し、超音波振動子２２の送信信号の周波数スペクトルと超音波振動子２４の受信信号の周波数スペクトルとを乗算することにより取得されるクロススペクトルに基づいて、超音波振動子２２の送信信号と超音波振動子２４の受信信号との第２相関値を算出し、第１相関値から第２相関値を減算し、当該減算結果の値を判定相関値として制御判定部８に出力することが相違する。
【００５５】
以上の実施の形態に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｂによれば、上述した実施の形態１と同様の動作及び作用効果を得ることができる。また、上述した実施の形態１と比較すると、ろ過膜３周辺の水中の混濁物の影響による誤差を除去できるので、ろ過膜３の蓄積物の状態をさらに精度良く判定することが可能となる。
【００５６】
実施の形態３の変形例．
上述した実施の形態では、ろ過膜３周辺の水中の混濁物の影響による相関値の誤差を除去した。これに対して、実施の形態２に示すように伝搬速度を算出することによりろ過膜３の蓄積物の状態を判定する場合において、ろ過膜３周辺の水中の混濁物の影響による伝搬速度の誤差を除去し、当該誤差が取り除かれた伝搬速度の値を用いてろ過膜３の蓄積物の状態を判定してもよい。
【００５７】
ここで、信号処理部７Ｂは、第１の超音波及び第３の超音波に基づいて、第１の超音波を放射してから第３の超音波として受信されるまでの伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間から超音波振動子２から放射された超音波の第２伝搬速度を算出し、第１伝搬速度から第２伝搬速度を減算し、当該減算結果を判定伝搬速度として制御判定部８に出力する。この場合においても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
実施の形態４．
図８は本発明の実施の形態４に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｃ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図８のろ過膜蓄積物判定装置１Ｃは、図５のろ過膜蓄積物判定装置１Ａと比較すると、超音波振動子４の代わりに平板状の金属で形成される反射板１６を備えたことを特徴とする。ここで、超音波振動子２は超音波振動子４の機能も有し、超音波振動子２と反射板１６とは距離Ｌだけ離れて位置する。
【００５９】
本実施の形態では、超音波がろ過膜３を透過して反射板１６に反射されて超音波振動子２で受信する。従って、図５のろ過膜蓄積物判定装置１Ａと比較すると、伝搬する距離が２倍となるので、伝搬時間も２倍となる。従って、伝搬時間の２ｍ（ｍは自然数）倍の時間分の信号を積分して平均化処理を行うことにより伝搬速度を算出できる。
【００６０】
以上の実施の形態に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｃによれば、上述した実施の形態１と同様の動作及び作用効果を得ることができる。
【００６１】
実施の形態５．
図９は本発明の実施の形態５に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｄ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図９のろ過膜蓄積物判定装置１Ｄは、図７のろ過膜蓄積物判定装置１Ｂと比較すると、超音波振動子４の代わりに平板状の金属で形成される反射板１６を備えたことを特徴とする。ここで、超音波振動子２は超音波振動子４の機能も有し、超音波振動子２と反射板１６とは距離Ｌだけ離れて位置する。
【００６２】
本実施の形態では、超音波がろ過膜３を透過して反射板１６に反射されて超音波振動子２で受信する。従って、図７のろ過膜蓄積物判定装置１Ｂと比較すると、伝搬する距離が２倍となるので、伝搬時間も２倍となる。従って、伝搬時間の２ｍ（ｍは自然数）倍の時間分の信号を積分して平均化処理を行うことにより伝搬速度を算出できる。
【００６３】
以上の実施の形態に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｃによれば、上述した実施の形態１と同様の動作及び作用効果を得ることができる。
【００６４】
変形例１．
図１０Ａは本発明の実施の形態１の変形例１に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。図１０Ａにおいて、治具１２及び治具１３は支柱１０に固定された刺叉状の第１の部材１２０と、支柱１１に固定された刺叉状の第２の部材１２１とで構成され、それぞれのＵ字型の部分が対向するように位置させてろ過膜３を挟み込む。ここで、ろ過膜３は超音波振動子２からの超音波を受信できる範囲である可動範囲４０から逸脱されないように支持される。
【００６５】
変形例２．
図１０Ｂは本発明の実施の形態１の変形例２に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。図１０Ｂにおいて、治具１２及び治具１３は支柱１０に固定された刺叉状の第１の部材１２０と、支柱１１に固定された刺叉状の第２の部材１２１とで構成され、それぞれの四角型の部分が対向するように位置させてろ過膜３を挟み込む。ここで、ろ過膜３は超音波振動子２からの超音波を受信できる範囲である可動範囲４０から逸脱されないように
支持される。
【００６６】
変形例３．
図１０Ｃは本発明の実施の形態１の変形例３に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。図１０Ｃにおいて、治具１２及び治具１３は図１０Ａ及び図１０Ｂに図示される刺叉状の構造を取らず、線複数の線材５０を等間隔で並列に配置し、中央部の線材５０を切り取ることにより可動範囲４０を形成する。この構成により、上述した実施の形態と比較すると、治具１２及び治具１３に水中の汚れが蓄積することをさらに防止することができる。なお、線材４０の代わりに例えば金属などで形成される網目状板を用いてもよい。この場合には、網目状板の中央部に穴を空けて可動範囲４０を形成する。
【００６７】
変形例４．
図１１は発明の実施の形態１の変形例４に係る図２の治具１２（１３）の斜視図である。図１１において、治具１２及び治具１３は、支柱１０及び支柱１１に固定される線状の部材と、当該部材の中央部において一対の挟み込み部１２ｄ、１３ｄとをそれぞれ備える。一対の挟み込み部１２ｄ，１３ｄでろ過膜３を挟み込む。なお、ろ過膜３は中空糸膜を複数本束ねて形成され、束ねられた中空糸膜を１〜数本を引っ張り出し、引っ張り出された中空糸膜を用いて水槽内に固定する。本変形例では、ろ過膜３はろ過膜３の上下で固定する。従って、ろ過膜３の上下に張力がかかるため、治具１２及び治具１３は、図２の治具１２及び治具１３と異なり、いずれか一方のみに隙間が形成される。
【００６８】
なお、上述した実施の形態及びその変形例では、治具１２及び治具１３の両方でろ過膜３を水槽内に固定したが、本発明はこれに限らない。例えば、治具１２もしくは治具１３のいずれか一方でろ過膜３を固定してもよい。
【００６９】
また、上述した実施の形態及びその変形例では、１本のろ過膜３の蓄積物の状態を判定するように構成されたが、本発明はこれに限らない。例えば、複数本のろ過膜３の蓄積物の状態をそれぞれ判定するように構成されてもよい。
【００７０】
変形例５．
図１２は本発明の実施の形態１の変形例５に係る図２の治具１２Ａ（１３Ａ）の斜視図である。図１２において、治具１２Ａ及び治具１３Ａは、支柱１０及び支柱１１に固定される板状の部材と、当該部材の中央部において一対の挟み込み部１２Ａｄ、１３Ａｄとをそれぞれ備える。コの字状の挟み込み部１２Ａｄ，１３Ａｄで、ろ過膜が可動する領域を確保し、ろ過膜３を挟み込む。なお、変形例４と同様にろ過膜３は中空糸膜を複数本束ねて形成され、束ねられた中空糸膜を１〜数本を引っ張り出し、引っ張り出された中空糸膜を用いて水槽内に固定する。本変形例では、ろ過膜３はろ過膜３の上下で所定の固定部材により固定する。
【００７１】
実施の形態６．
上述した実施の形態ではろ過膜として中空糸膜を用いたが、本実施の形態では中空糸膜の代わりに平膜を用いたことを特徴とする。
【００７２】
図１３は本発明の実施の形態６に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｅ及びその周辺の構成要素を示すブロック図である。図１３のろ過膜蓄積物判定装置１Ｅは、図１のろ過膜蓄積物判定装置１と比較すると、ろ過膜３の代わりにろ過膜３Ａを備え、該ろ過膜３Ａを固定するためのサポート材７０をさらに備えたことを特徴とする。
【００７３】
図１４は図１３の超音波振動子２，４及びろ過膜３Ａの構成を示す斜視図である。ここで、ろ過膜３Ａは、下水が入る水槽内でＸＹ平面に対して垂直となるように水槽の外部から固定され、ＡＢＳなどのプラスチック材から形成されたサポート材７０によって固定されている。すなわち、超音波振動子２と超音波振動子４とは超音波送受信方向が一直線上に一定間隔をもって設置され、ろ過膜３Ａは非常に薄いため容易に移動しないようにろ過水の通路を形成したサポート材７０によって固定されている。
【００７４】
以上の実施の形態に係るろ過膜蓄積物判定装置１Ｅによれば、上述した実施の形態１と同様の動作及び作用効果を得ることができる。
【００７５】
実施の形態６の変形例１．
上述した実施の形態では、図１４のサポート材７０に厚みがある場合、材質により超音波の透過損失が大きい場合がある。これに対して、本実施の形態では、サポート材７０において超音波が透過する超音波透過範囲にメッシュ状の穴加工が施されたサポート材７０Ａを備えたことを特徴とする。これにより、超音波の透過損失を低減させることが可能となる。
【００７６】
図１５Ａは本発明の実施の形態６の変形例１に係る図１４のサポート材７０Ａの上面図であり、図１５Ｂは図１５ＡのＡ−Ａ線に沿って切断したときの縦断面図である。図１５Ａのサポート材７０Ａには、サポート材７０Ａの点線で表示された超音波透過範囲を含むように複数の凹部７１が形成されている。ここで、複数の凹部７１はＹ方向に等間隔で５列配置され、Ｚ方向に等間隔で５行配置される。また、凹部７１の底部の形状は、四角形状である。なお、本実施の形態では、凹部７１がＹ方向に等間隔で５列配置され、Ｚ方向に等間隔で５行配置されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の凹部７１はＹ方向に等間隔で複数列配置され、Ｚ方向に等間隔で複数行配置されてもよい。さらに、本実施の形態では、凹部７１の底部の形状を四角形状としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、凹部７１の底部の形状は円形状もしくは四角形状以外の多角形状であってもよい。
【００７７】
以上の変形例に係るろ過膜蓄積物判定装置によれば、上述した実施の形態６と同様の動作及び作用効果を得ることができる。さらに、実施の形態６のろ過膜蓄積物判定装置と比較すると、超音波の透過損失を低減させることが可能となる。
【００７８】
実施の形態６の変形例２．
図１６は本発明の実施の形態６の変形例２に係る、図１３の超音波振動子２，４及びろ過膜３Ａの構成を示す斜視図である。図１６に示すように、サポート材７０に固定されたろ過膜３ＡがＸ方向（厚み方向）に各凹部７１がそれぞれ対向するように複数個配列される。この構成により、複数のろ過膜３Ａの蓄積物の状態を同時に検知することができる。
【００７９】
また、上述した実施の形態及びその変形例では、送信機と受信機とはそれぞれ別の構成として説明したが、送受信機として１つの構成としてもよい。その場合には、送受信機は上述した送信機としての機能と受信機としての機能とを備える。
【００８０】
さらに、下水処理システム９において上述した制御判定部８，８Ａでの動作を行うように構成してもよい。この場合には、信号処理部７〜７Ｂから下水処理システム９へのデータの伝達手段は、電圧や電流などを用いたアナログデータとして当該データを入出力する
ように構成されてもよいし、もしくは有線ＬＡＮ、無線ＬＡＮ、ＵＡＲＴ、ＣＡＮなどの通信手段を用いてデータを入出力するように構成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上詳述したように、本発明に係るろ過膜蓄積物判定装置によれば、水中に設置されたろ過膜の蓄積物を透過する超音波の送受信信号の変化に基づいて、ろ過膜の蓄積物の有無などのろ過膜の蓄積物の状態を精度良く判定することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  ろ過膜蓄積物判定装置、２，４，２２，２４  超音波振動子、３，３Ａ  ろ過膜、５  送信部、６  受信部、７，７Ａ，７Ｂ  信号処理部、８，８Ａ  制御判定部、９  下水処理システム、９ａ  制御盤、９ｂ  下水ポンプ、９ｃ  無酸素漕、９ｄ  攪拌機、９ｅ  攪拌モータ、９ｆ，９ｉ  バブラー、９ｇ  空気流量計、９ｈ  好気漕、９ｊ  空気流量計、９ｋ  膜分離漕、９ｌ  空気ポンプ、９ｍ  処理水流量計、９ｎ  処理水ポンプ、９ｏ  中空糸膜モジュール、１０，１１  支柱、１２，１３  治具、１６  反射板、２０，３０  ケーブル、４０  可動範囲、６０，６０Ａ，６０Ｂ  判定回路、７０，７０Ａ  サポート材、７１  凹部。
【図１Ａ】
2017002411.tif 000006
【図１Ｂ】
2017002411.tif 000007
【図２】
2017002411.tif 000008
【図３】
2017002411.tif 000009
【図４Ａ】
2017002411.tif 000010
【図４Ｂ】
2017002411.tif 000011
【図５】
2017002411.tif 000012
【図６Ａ】
2017002411.tif 000013
【図６Ｂ】
2017002411.tif 000014
【図７】
2017002411.tif 000015
【図８】
2017002411.tif 000016
【図９】
2017002411.tif 000017
【図１０Ａ】
2017002411.tif 000018
【図１０Ｂ】
2017002411.tif 000019
【図１０Ｃ】
2017002411.tif 000020
【図１１】
2017002411.tif 000021
【図１２】
2017002411.tif 000022
【図１３】
2017002411.tif 000023
【図１４】
2017002411.tif 000024
【図１５Ａ】
2017002411.tif 000025
【図１５Ｂ】
2017002411.tif 000026
【図１６】
2017002411.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成29年6月19日(2017.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中の汚れをろ過するろ過膜に第１の超音波振動子から所定の周波数を有する第１の超音波を放射して上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置であって、
上記第１の超音波を放射するように上記第１の超音波振動子を制御し、上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を第２の超音波として受信し、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定する判定回路を備え、
上記判定回路は、
上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記第１の超音波が上記ろ過膜を透過した超音波を第２の超音波として受信する信号処理部と、
上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定する制御判定部とを備え、
上記信号処理部は、上記第１の超音波の周波数スペクトルと上記第２の超音波の周波数スペクトルとを乗算することにより取得される第１クロススペクトルに基づいて、上記第１の超音波と上記第２の超音波との第１相関値を算出し、当該算出された第１相関値を判定相関値として出力し、
上記制御判定部は、上記判定相関値の時間変化に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とするろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項２】
上記ろ過膜を透過することなしに上記第１の超音波を第３の超音波として受信する第３の超音波振動子をさらに備え、
上記信号処理部は、上記第１の超音波の周波数スペクトルと上記第３の超音波の周波数スペクトルとを乗算することにより取得される第２クロススペクトルに基づいて、上記第１の超音波と上記第３の超音波との第２相関値を算出し、上記第１相関値から上記第２相関値を減算し、当該減算結果を上記判定相関値として出力することを特徴とする請求項１記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項３】
上記制御判定部は、複数の経過時間ごとの周波数スペクトルの各周波数に対する判定相関値の差分を算出することにより上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とする請求項２記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項４】
上記信号処理部は、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記第１の超音波を放射してから上記第２の超音波として受信されるまでの伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間から上記第１の超音波振動子から放射された超音波の第１伝搬速度を算出し、当該算出された第１伝搬速度を判定伝搬速度として出力し、
上記制御判定部は、上記判定伝搬速度の時間変化に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とする請求項１記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項５】
上記ろ過膜を透過することなしに上記第１の超音波を第３の超音波として受信する第３の超音波振動子をさらに備え、
上記信号処理部は、上記第１の超音波及び上記第３の超音波に基づいて、上記第１の超音波を放射してから上記第３の超音波として受信されるまでの伝搬時間を算出し、当該算出された伝搬時間から上記第３の超音波振動子から放射された超音波の第２伝搬速度を算出し、
上記第１伝搬速度から上記第２伝搬速度を減算し、当該減算結果を上記判定伝搬速度として出力することを特徴とする請求項４記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項６】
上記制御判定部は、複数の経過時間ごとの周波数スペクトルの各周波数に対する判定伝搬速度の差分を算出することにより上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定することを特徴とする請求項４または５記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項７】
上記制御判定部は、上記各周波数の差分の合計が所定のしきい値以上となったときに上記ろ過膜に蓄積物が存在すると判定することを特徴とする請求項３または６記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項８】
上記第２の超音波を受信する第２の超音波振動子と、
上記第１の超音波振動子と第２の超音波振動子との間に上記ろ過膜が位置するように上記ろ過膜の可動範囲を制限する治具とを備え、
上記ろ過膜は１本以上の中空糸膜から構成されることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項９】
上記第１の超音波振動子を固定する第１の支柱と、
上記第２の超音波振動子を固定する第２の支柱とを備え、
上記ろ過膜の可動範囲を制限する治具は、上記第１の支柱及び上記第２の支柱に固定されることを特徴とする請求項８に記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項１０】
上記ろ過膜の可動範囲は、上記第１の超音波の音圧強度が所定値以上である範囲となるように設定されることを特徴とする請求項８または９記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項１１】
上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を反射する反射板をさらに備え、
上記第１の超音波振動子は、上記反射板からの反射波を上記第２の超音波として受信することを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載のろ過膜蓄積物判定装置。
【請求項１２】
水中の汚れをろ過するろ過膜に第１の超音波振動子から所定の周波数を有する第１の超音波を放射して上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するろ過膜蓄積物判定装置のためのろ過膜蓄積物判定方法であって、当該方法は、
上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記ろ過膜を透過した上記第１の超音波を第２の超音波として受信し、上記第１の超音波及び上記第２の超音波に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するステップを含み、
上記判定するステップは、
上記第１の超音波振動子から上記第１の超音波を放射させ、上記第１の超音波が上記ろ過膜を透過した超音波を第２の超音波として受信するステップと、
上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するステップと、
上記第１の超音波の周波数スペクトルと上記第２の超音波の周波数スペクトルとを乗算
することにより取得される第１クロススペクトルに基づいて、上記第１の超音波と上記第２の超音波との第１相関値を算出し、当該算出された第１相関値を判定相関値として出力するステップと、
上記判定相関値の時間変化に基づいて、上記ろ過膜の蓄積物の状態を判定するステップとを含むことを特徴とするろ過膜蓄積物判定方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
変形例３．
図１０Ｃは本発明の実施の形態１の変形例３に係る図２の治具１２（１３）の上面図である。図１０Ｃにおいて、治具１２及び治具１３は図１０Ａ及び図１０Ｂに図示される刺叉状の構造を取らず、線複数の線材５０を等間隔で並列に配置し、中央部の線材５０を切り取ることにより可動範囲４０を形成する。この構成により、上述した実施の形態と比較すると、治具１２及び治具１３に水中の汚れが蓄積することをさらに防止することができる。なお、線材５０の代わりに例えば金属などで形成される網目状板を用いてもよい。この場合には、網目状板の中央部に穴を空けて可動範囲４０を形成する。
【国際調査報告】
2017002411.tif 000028
2017002411.tif 000029