(57)【要約】【課題】被測定液の濁質成分の濃度測定に最も適した演算式を選択できるようにして、容易にかつ的確に精度良く濃度を測定できるようにした濃度測定装置を提供する。【解決手段】被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いた演算式で演算することにより測定し、かつ、複数種の演算式を予め記憶しておき、該複数種の演算式の中から測定対象となる被測定液に応じて使用する演算式を選択することを特徴とする濃度測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いた演算式で演算することにより測定し、かつ、複数種の演算式を予め記憶しておき、該複数種の演算式の中から測定対象となる被測定液に応じて使用する演算式を選択することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記複数種の演算式について、各々、前記被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められている、請求項１の濃度測定装置。
【請求項３】
前記複数種の演算式が、少なくとも、前記両受光信号を重回帰演算法によって演算処理する重回帰式を含む、請求項１または２の濃度測定装置。
【請求項４】
前記複数種の演算式が、少なくとも、光学系の理論式またはその補正式を含む、請求項１または２の濃度測定装置。
【請求項５】
前記複数種の演算式が、少なくとも、実験によって求められた経験式を含む、請求項１または２の濃度測定装置。
【請求項６】
被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いた重回帰式により演算することにより測定することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項７】
前記重回帰式による演算結果と、前記被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められている、請求項６の濃度測定装置。
【請求項８】
被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いて光学系の理論式またはその補正式により演算することにより測定することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項９】
前記光学系の理論式またはその補正式による演算結果と、前記被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められている、請求項８の濃度測定装置。
【請求項１０】
被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いて、実験によって求められた経験式により演算することにより測定することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項１１】
前記経験式による演算結果と、前記被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められている、請求項１０の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上水、下水、し尿、排水処理などの施設から発生する汚泥の濃度や、処理過程における懸濁物質の濃度などを測定する装置に関し、特に光を使用して拡散反射方式で濁質成分の濃度を測定するようにした濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定液中の濁質成分の濃度を測定する装置として、超音波方式、赤外線方式、マイクロ波方式、乾燥重量方式などが知られている。これらの測定方式においては、測定対象となる濁質成分の性状が変化する、あるいは、その濃度変動などがある場合、乾燥重量方式を除いて出力値が不安定になるという問題がある。不安定な濃度情報を周辺の設備あるいは制御機器へ伝達、入力すると監視システムや処理システムに誤動作を招く恐れがある。そこで、特許文献１や特許文献２には、光、とくにレーザー光を被測定液中に向けて発光し、その拡散反射光を受光することにより、被測定液中の濁質成分の濃度を測定する濃度測定装置が提案されている。これらの濃度測定装置においては、濃度出力値は、現実には、基本的に、濃度出力値＝（濃度計測値×補正係数）−補償信号値（例えば、温度補償信号値）として求められている。しかし、これらの特許文献には、濃度測定値及び補正係数の算出の具体的な方法が詳細には記載されておらず、実際の測定においては、一定の演算式で、性状や濃度がまちまちの被測定液中の濁質成分を精度良く算出することは困難である。また、演算式の精度を担保するため、定期的に、あるいは被測定液の種類が大きく変化する場合等には、装置出力の０点調整を行っており、測定の便利さに欠けるという問題も残されている。
【特許文献１】特開２００２−９８６３７号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明の課題は、上記のような光学系の拡散反射光方式の濃度測定において、濃度測定信号と補正信号の少なくとも２系統の受光信号が得られるように構成された濃度測定装置とするとともに、両受光信号を用いて濃度を演算するに際し、被測定液の濁質成分の濃度測定に最も適した演算式を選択できるようにして、容易にかつ的確に精度良く濃度を測定できるようにした濃度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明に係る濃度測定装置は、被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いた演算式で演算することにより測定し、かつ、複数種の演算式を予め記憶しておき、該複数種の演算式の中から測定対象となる被測定液に応じて使用する演算式を選択することを特徴とするものからなる。
【０００５】
この濃度測定装置においては、上記複数種の演算式について、各々、被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法（例えば、ＪＩＳあるいは下水試験法に定められた方法）による測定結果との相関（例えば、相関係数）が求められていることが好ましい。すなわち、上記演算式は、以下のようなデータベースを構築しておくことで、実際の使用に供することのできる形態として確立される。
【０００６】
上記濃度測定のために、例えば、ある被測定液の濃度において、上記の如く少なくとも２種類の受光信号を受信し、この信号値と、さらに濃度が異なる複数の被測定液における同様の少なくとも２種類の信号を受信し、その値を記録する（好ましくは、全体として５種類以上の濃度における信号値群があることが好ましい）。それぞれの被測定液の濁質成分濃度を、別途、ＪＩＳあるいは下水試験法に定められた方法で測定する。先に記録した少なくとも２種類の信号の組合せと、別途求めた濁質成分濃度を１組としたデータベースができ、濃度や被測定液が異なる同様の組合せが完成し、１式のデータベースができる。このデータベースを基本に、以下のような重回帰演算式、光学系理論式、あるいは経験あるいは実験で得られた経験式に当てはめて、被測定液の濃度を現すにふさわしい演算式を選択するようにする。
【０００７】
上記複数種の演算式としては、少なくとも、前記両受光信号を重回帰演算法によって演算処理する重回帰式を含むことが好ましい。重回帰式とすることにより、後述の如く、広い濃度範囲にわたって高い直線性をもった演算式となり、望ましい形態で精度良く測定すべき濃度を演算できるようになる。
【０００８】
また、上記複数種の演算式として、少なくとも、光学系の理論式またはその補正式を含むこともできる。さらに、少なくとも、実験によって求められた経験式を含むこともできる。
【０００９】
本発明はまた、被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いた重回帰式により演算することにより測定することを特徴とする濃度測定装置を提供する。重回帰式としては複数準備することもできる。
【００１０】
この濃度測定装置においても、上記重回帰式による演算結果と、被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いて光学系の理論式またはその補正式により演算することにより測定することを特徴とする濃度測定装置を提供する。光学系の理論式またはその補正式としては複数準備することもできる。
【００１２】
この濃度測定装置においても、上記光学系の理論式またはその補正式による演算結果と、被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められていることが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、被測定液の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光された光の拡散反射光を少なくとも２つの受光部で受光し、一方の受光信号を濃度検知主信号、他方の受光信号をその補正信号として、両受光信号を用いて、実験によって求められた経験式により演算することにより測定することを特徴とする濃度測定装置を提供する。実験によって求められた経験式としては複数準備することもできる。
【００１４】
この濃度測定装置においても、上記経験式による演算結果と被測定液に対して別途行われたＪＩＳ等に規定の方法による測定結果との相関が求められていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る濃度測定装置によれば、光学式拡散反射方式を用いて、少なくとも２種類の受光信号を得るようにした装置において、低濃度から高濃度まで広い測定範囲にわたって高精度の濃度測定が可能になる。また、０点あるいはその近傍を通る、高い直線性の演算式を確立し、その演算式により濃度を的確に高精度で演算できるようになる。これによって、装置の測定精度が飛躍的に向上すると共に、０点校正即ち、機器を取り外し、清水に浸漬させダイアル調節で０点を合わせるといった面倒な作業から解放されることもできる。さらに、本発明に係る濃度測定装置を用いると、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）に過去のデータを蓄積することができるため、季節変動や例えば下水道での使用例で、新しい管路が敷設された場合や、処理方式が異なるなどの濁質成分濃度や性状が変化した場合であっても、過去のデータに新しいデータを追加し、再演算することで過去を学習し確立していた演算式を逐次更新させることも可能であり、常時最適な演算式を用いて濃度測定を行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明に係る濃度測定装置の機械的な基本構成について説明する。図１に示すように、受光素子を有する濃度計１を、例えば濁質成分としての汚泥粒子２を含有する、被測定液としての汚泥３が流れている配管４に接続し、濃度計１からレーザー光等の照射光５を配管４内の汚泥３中に向けて発光し、散乱反射した反射光６を受光し、受光信号を専用ケーブル７等を介して変換器８に送る。変換器８からの信号は、例えば図２に示すように、通信ケーブル９を介してコンピュータ１０（例えば、パーソナルコンピュータＰＣ）に送り、コンピュータ１０で後述するような各種の演算式により濃度を演算し、測定データを出力する。演算式は、例えば、ＣＤソフト１１として組み込んでおき、必要に応じて適宜更新できるようにしておくことが好ましい。
【００１７】
濃度計１は、例えば図３に示すようなレーザー光を用いた濃度計１に構成できる。この濃度計１は、レーザーダイオード駆動回路１２、レーザーダイオード１３、レーザーダイオード１３で発光された照射光１４を導光する照射光側光ファイバ１５、測定面（センサー面）を形成する接液ガラス１６、前記のような被測定汚泥粒子２からの拡散反射光１７を受光し導光する反射光側光ファイバ１８、導光されてきた反射光を電気信号からなる受光信号に変換するフォトダイオード１９、その受光信号を信号処理に適切な信号に増幅する増幅回路２０、前記レーザーダイオード駆動回路１２に必要なパルス状電力を供給するとともに増幅回路２０からの信号を出力する電源／出力部２１、および、コネクタ部２２を備えている。
【００１８】
このような基本構成を有する濃度計１の、上記接液ガラス１６におけるセンサー面においては、例えば図４に示すように、中央部に、発光用光ファイバ端面２３と受光用光ファイバ端面２４（受光用光ファイバＮｏ．１の端面）とがランダムに配置されており、ランダム部２５を形成している。このランダム部２５における受光用光ファイバ端面２４で受光された拡散反射光の受光信号が濃度検知主信号として用いられる。センサー面におけるランダム部２５の周囲には、別の受光用光ファイバ端面２６（受光用光ファイバＮｏ．２の端面）が環状に配置されており、補正部２７を形成している。この補正部２７の受光用光ファイバ端面２６で受光された拡散反射光の受光信号が、検知濃度の補正用受光信号として用いられる。これら２種類の受光信号が、後述の演算式による濃度演算に用いられる。
【００１９】
次に、本発明における演算式を用いた濃度演算、その演算による濃度測定について説明する。表１は、上記のような汚泥の濃度測定において、異なる濃度における受光信号（上記ランダム部２５における受光信号〔「ランダム信号」と表記〕と上記補正部２７における受光信号〔「補正信号」と表記〕）と、別途行ったＪＩＳあるいは下水試験法に定められた方法で測定した分析濃度〔「分析値」と表記）を表したものである。表１では、信号の値を電圧値（ボルト（Ｖ））で示しているが、濃度計の形態によっては、電流値や抵抗値であってもよい。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
まず、表１に示した分析値を従属変数、ランダム信号および補正信号の２種類の信号を従属変数として重回帰演算方法を用いて濃度推定値を求める。演算式および演算結果を図示するためのＰＣソフトによる関係図を図５に示す。
【００２２】
ここで得られた、汚泥濃度推定演算式は、
Ｙ＝1.4721（Ｍ）−1.7455（Ｓ）−0.975 （相関係数ｒ：0.9951）・・・（１）
となる。ここで得られた濃度推定演算式を濃度測定装置のＲＯＭに書き込むことによって濃度測定装置による濃度測定が可能になる。ここで、
Ｙ：演算濃度
Ｍ：ランダム信号
Ｓ：補正信号
ｒ：分析値との相関度合を表す相関係数
である。
【００２３】
図５に示したように、重回帰演算式による濃度推定演算式では、略原点を通る式が得られ、低濃度から高濃度まで幅広い範囲で直線関係が得られ、相関係数も高いことから、信頼性の高い高精度の測定データが得られることがわかる。このように、重回帰演算式による濃度推定演算式を用いると、実質的に原点を通るため、従来の濃度計で一定頻度にて行っていた「０点校正」作業が不要になり、それによって、装置のメンテナンスが楽になるという効果が生じる。
【００２４】
また、本発明では、光学系の理論式またはその補正式により濃度演算することもできる。光学系の理論式による演算方法は以下のように行われる。
Ｉ＝α・Ｉ0 ・Ｓ・ｅｘｐ（−β・Ｌ・Ｓ）
Ｍ2＝αR Ｉ02・S2・exp （−β・2LR ・Ｓ）
Ｓ＝αC ・Ｉ0 ・S ・exp （−β・ＬC ・Ｓ）
ここで2LR ＝ＬC とすると、
(２αR ・Ｉ02・S2)/( αC ・Ｉ0 ・S)＝ａ・Ｉ0 ・Ｓ
となる。ここで、
Ｉ：散乱光量
Ｉ0 ：照射光量
Ｓ：汚泥濃度
α：光学系定数
β：汚泥色などの性状でことなる定数
Ｌ：光照射部から受光部までの光路長
添字Ｒ：ランダム部２５
添字Ｃ：補正部２７
をそれぞれ示している。即ち、光学系の理論式では、Ｍ2 ／Ｓが濃度と比例関係があるといわれている。
【００２５】
この光学系理論式を当てはめて、表１のデータを用いて演算すると図６に示すようになる。ここで得られた濃度推定演算式は、
Ｙ＝0.1968（Ｍ2 ／Ｓ）−0.5560（相関係数ｒ：0.9748）・・・（２）
である。これを先の（１）式と比較すると、相関係数は0.9 以上で、比較的相関があるようにみられるが、実用上不都合が２点存在する。第１は、濃度推定演算式が原点「０点」を通っていないことである。即ち「０」点を通らないと希薄な懸濁物質濃度を測定しようとする場合はその近辺の濃度範囲の濃度推定演算式を別途用意して、濃度範囲によって使い分けしなければならないことである。第２点目は、図６の関係式が見た目は直線関係にあるようにみえるが、図６に示したように、実際は湾曲した関係式になっている。即ち実際は２次曲線式で表されるものを、無理に１次式で表していることになる。これは、高濃度範囲あるいは低濃度範囲で実際の濃度からかけ離れた推定値を表示する、即ち測定誤差を生じることになる。
【００２６】
そこで、このような高濃度範囲あるいは低濃度範囲での測定も求められる場合に対し、図６に光学系理論式の演算式の補正方法を提供することができる。例えば、（Ｍ2 ／Ｓ）で示される式の分母に（Ｓ＋ｃ）といった、ｃという演算補正項を加えることによって、直線性を改善することができる。この演算補正項を考慮した関係式の例を図７に示す。
【００２７】
ここで得られた濃度推定演算式は、
Ｙ＝0.4414（Ｍ2 ／（Ｓ＋1.0)）−0.0961（相関係数ｒ：0.9995）・・・（３）
演算補正項ｃ＝1.0 とすると、相関係数は重回帰演算式と実質的に同じ値になり、関係式の直線性も改善された。しかし、関係式は原点を通るものとはならず、０点校正の不必要とまでは改善されていない。さらに、演算補正項を試行錯誤で求めなければならず、ＰＣの使用に精通したものでなければ、最もふさわしい演算補正項に到達することは困難であるという問題は残される。
【００２８】
したがって、以上の各演算式を総合的に勘案すると、取扱いの便利性、測定精度、０点校正の不要化の点から、重回帰式による演算、測定が最も好ましいと言える。
【００２９】
また、上述の演算式以外に、実験等によって求められた経験式を組み込むことも可能である。例えば、被測定液の種類や性状に応じて複数の経験式を組み込んでおけば、被測定液の種類や性状と採用する経験式との対応が適切に採られると、極めて高い精度の濃度測定が可能になる。
【００３０】
実際の測定に際しては、上記のような各演算式を複数組み込み、あるいは複数種の演算式を複数組み込んでおき、複数種の演算式の中から、測定対象となる被測定液の種類や性状に応じて使用する演算式を選択すればよい。このようにすれば、そのときの状況に応じた最適な濃度測定を、高精度をもって行うことが可能になる。
【００３１】
例えば、表２に示すような各種演算式を記憶しておき、これらの中から最適な式を選択し、前述の変換器に係数を書き込むようにすることができる。また、被測定液の種類や性状が狭い範囲に限定されており、最適な演算式が予め判明している場合には、重回帰演算式、光学系理論式に基づく演算式、経験式の中から最適な１種の演算式のみを使用して濃度測定を行うこともできる。
【００３２】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る濃度測定装置は、あらゆる被測定液中の濁質成分の濃度測定に適用でき、とくに広い濃度範囲にわたって高精度な測定が求められ、かつメンテナンスの容易性が求められる場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る濃度測定装置の機械的な基本構成の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１の濃度測定装置の概略機器系統図である。
【図３】図１の濃度測定装置の濃度計部分の構成の一例を示す概略断面図である。
【図４】図３の濃度計のセンサー面における光ファイバの配置例を示す概略正面図である。
【図５】本発明に係る濃度測定装置において演算式として重回帰式を用いた場合の濃度特性線を示すグラフであり、横軸に演算濃度、縦軸に分析濃度を示す。
【図６】本発明に係る濃度測定装置において演算式として光学系理論式を用いた場合の濃度特性線を示すグラフであり、横軸に演算濃度、縦軸に分析濃度を示す。
【図７】本発明に係る濃度測定装置において演算式として光学系理論式の補正式を用いた場合の濃度特性線を示すグラフであり、横軸に演算濃度、縦軸に分析濃度を示す。
【符号の説明】
【００３５】
１  濃度計
２  濁質成分としての汚泥粒子
３  被測定液としての汚泥
４  配管
５  照射光
６  反射光
７  専用ケーブル
８  変換器
９  通信ケーブル
１０  コンピュータ（パーソナルコンピュータＰＣ）
１１  ＣＤソフト
１２  レーザーダイオード駆動回路
１３  レーザーダイオード
１４  照射光
１５  照射光側光ファイバ
１６  測定面（センサー面）を形成する接液ガラス
１７  反射光
１８  反射光側光ファイバ
１９  フォトダイオード
２０  増幅回路
２１  電源／出力部
２２  コネクタ部
２３  発光用光ファイバ端面
２４  受光用光ファイバ端面（濃度検知主信号用）
２５  ランダム部
２６  受光用光ファイバ端面（補正信号用）
２７  補正部
【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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