(57)【要約】【課題】懸濁物質混合液に向けて照射するマイクロ波の反射強度又は透過強度を検出して懸濁物質の濃度測定を行うのでは、懸濁物質混合液の温度や導電率を基に濃度測定値を補正する方法は、これら温度や導電率の計測器を必要とし、計測器自体で測定誤差が発生し易い。また、温度計は、懸濁物質混合液の温度変化を高い応答性で検出するのが難しく、懸濁物質混合液の流れが速い場合に検出遅れが測定誤差を招く。【解決手段】懸濁物質混合液の温度又は導電率の変化に対して反射強度又は反射位相差が変化しない領域の周波数を使用して濃度を測定する。  懸濁物質混合液の温度を既知のものとし、反射強度が懸濁物質の濃度変化に影響を受けない周波数にしたマイクロ波を懸濁物質混合液に照射し、そのときの反射強度から導電率を求める。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
懸濁物質混合液に向けて照射するマイクロ波の反射強度又は反射位相差を検出して懸濁物質の濃度測定を行うマイクロ波式濃度測定方法において、
懸濁物質混合液の導電率の変化に対して反射強度又は反射位相差がほぼ一定になる周波数にしたマイクロ波を照射、又は懸濁物質混合液の温度の変化に対して反射位相差がほぼ一定になる周波数にしたマイクロ波を照射して懸濁物質の濃度測定を行うことを特徴とするマイクロ波式濃度測定方法。
【請求項２】
懸濁物質混合液に向けて照射するマイクロ波の反射強度又は透過強度もしくは反射位相差を検出して懸濁物質の濃度測定を行うマイクロ波式濃度測定方法において、
懸濁物質混合液の濃度変化に対して反射強度がほぼ一定になる周波数のマイクロ波を懸濁物質混合液に照射し、
懸濁物質混合液の一定温度での前記マイクロ波照射における前記反射強度と導電率の比例関係から懸濁物質混合液の導電率を求め、
前記導電率から懸濁物質混合液の濃度測定値を補正することを特徴とするマイクロ波式濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理プラント、排水処理プラント、浄水処理プラントやそれらの汚泥処理プラントの処理工程における懸濁物質混合液中の懸濁物質の濃度をマイクロ波を利用して測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
懸濁物質混合液中の懸濁物質の濃度測定方法には、主に、以下の方法がある。
【０００３】
（１）散乱光式測定方法…懸濁物質混合液に向けて照射する光が懸濁物質で散乱することで受光器に濃度に応じた受光量を得る。
【０００４】
（２）超音波式測定方法…懸濁物質混合液に向けて放射する超音波が懸濁物質で反射又は減衰することで超音波受信器に濃度に応じた受信量を得る。
【０００５】
（３）マイクロ波式測定方法…懸濁物質混合液に向けてマイクロ波を照射し、照射波と透過波の位相差又は透過強度もしくは反射強度に濃度に応じた値を得る（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
上記の散乱光式測定方法は、懸濁物質の色による影響を受け易いため測定対象物の色が濃い場合に測定濃度範囲が小さくなる。また、懸濁物質混合液に対する光照射と受光のための検出窓の汚れが測定精度に影響し易くなる。
【０００７】
超音波式測定方法は、懸濁物質混合液中の気泡の影響を受け易い。この気泡の除去のため、加圧脱泡装置等の機械的な気泡除去装置を設ける方式があるが、この方式では大掛かりな測定装置になるし、メンテナンス性の問題がある。
【０００８】
マイクロ波式測定方法の透過方式の構成を図１９に示す。同図において、懸濁物質混合液輸送管１の所定部位に対向してガラスやセラミック製の窓を設ける。この窓にマイクロ波送信側の濃度計検出プローブ２と、マイクロ波受信側の濃度計検出プローブ３を設ける。４は両プローブ２、３に接続されるマイクロ波送受信器、５はマイクロ波の送信、受信波の位相差又は透過強度から、懸濁物質の濃度を得る濃度計変換器である。
【０００９】
位相差を利用したマイクロ波式濃度計は、清水（濃度０％）でのマイクロ波透過波の位相遅れと、懸濁物質混合液中の懸濁物質におけるマイクロ波透過波の位相遅れとの差（位相差）が、図２０に示すように懸濁物質の濃度と比例関係になることを利用して濃度を計測する。また、マイクロ波の照射強度に対する透過強度の比を検出して濃度を測定することができる。
【００１０】
他のマイクロ波式測定方法として、反射方式になる図２１に示す構成のものがある。同図においては、輸送管１内の懸濁物質混合液に対して１つのプローブ６からマイクロ波を照射すると共に懸濁物質からの反射波を検出し、この照射波と反射波との強度の比から濃度を測定する。
【００１１】
上記のプローブ２や６は、例えば、反射方式による測定方法での構造を図２２に示す。懸濁物質混合液輸送管１にフランジ７によってガラスやセラミック製の窓８を設け、この外側に設ける導波管９内にマイクロ波アンテナ１０を突出させ、マイクロ波送受信器４から同軸ケーブル１１を通したマイクロ波をアンテナ１０から放射又はマイクロ波を受信する。１２は、導波管９のマイクロ波周波数特性を決定するスタブである。
【００１２】
以上のような方式にされるマイクロ波式濃度測定方法は、懸濁物質の色の影響を受けにくく、濃度の測定範囲も広いとされている。さらに、マイクロ波電極になるアンテナ等は、懸濁物質と非接触にできること及び窓の汚れの影響が少ないため、メンテナンス性も高めることができる。さらにまた、マイクロ波は懸濁物質混合液中の気泡の影響も他の方法に比べて少ない。
【特許文献１】特開平０５−３２２８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
（第１の課題）
従来の測定方法において、マイクロ波周波数は、導波管の構造で決まる周波数帯域に合わせた固定周波数とするため、導波管の伝送特性の微妙な変化で導波管におけるマイクロ波の透過・反射特性が変化して測定誤差が大きくなることがある。
【００１４】
（第２の課題）
マイクロ波式測定方法は、懸濁物質混合液の温度や導電率の変化が濃度測定精度に影響を及ぼす。
【００１５】
そこで、これら要因による測定誤差を少なくするため、温度計や導電率計を使って懸濁物質混合液の温度や導電率を測定し、この測定値を基に濃度測定値を補正することが考えられるが、温度や導電率の変化に対するマイクロ波の透過・反射特性が不安定であるため、適正な補正特性を得て高い精度で補正するのが難しい。
【００１６】
（第３の課題）
上記の懸濁物質混合液の温度や導電率を基に濃度測定値を補正する方法は、これら温度や導電率の計測器を必要とし、計測器自体で測定誤差が発生し易い。
【００１７】
例えば、導電率計は、懸濁物質混合液による汚れや腐食により測定値が大きく変動するため、この測定値による濃度測定値の精度よい補正が困難になるし、メンテナンスや校正も難しくなる。
【００１８】
また、温度計は、懸濁物質混合液の温度変化を高い応答性で検出するのが難しく、懸濁物質混合液の流れが速い場合に検出遅れが測定誤差を招く。
【００１９】
本発明の目的は、懸濁物質混合液の温度や導電率を基にした濃度測定値の補正を不要にして測定精度を高めた濃度測定方法を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、導電率を測定して濃度補正を行うのを容易にする濃度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
（第１の発明）
本発明は、マイクロ波式濃度測定方法において、懸濁物質混合液の温度又は導電率の変化に対して反射強度又は反射位相差が変化しない領域の周波数を使用して濃度を測定することにより、懸濁物質混合液の温度や導電率の変化による濃度測定値の補正を不要にしたもので、以下の方法を特徴とする。
【００２２】
懸濁物質混合液に向けて照射するマイクロ波の反射強度又は反射位相差を検出して懸濁物質の濃度測定を行うマイクロ波式濃度測定方法において、
懸濁物質混合液の導電率の変化に対して反射強度又は反射位相差がほぼ一定になる周波数にしたマイクロ波を照射、又は懸濁物質混合液の温度の変化に対して反射位相差がほぼ一定になる周波数にしたマイクロ波を照射して懸濁物質の濃度測定を行うことを特徴とする。
【００２３】
（第２の発明）
本発明は、マイクロ波式濃度測定方法において、懸濁物質混合液の温度を既知のものとし、反射強度が懸濁物質の濃度変化に影響を受けない周波数にしたマイクロ波を懸濁物質混合液に照射し、そのときの反射強度から導電率を求めることで導電率計を不要にしてその測定を簡単にするもので、以下の方法を特徴とする。
【００２４】
懸濁物質混合液に向けて照射するマイクロ波の反射強度又は透過強度もしくは反射位相差を検出して懸濁物質の濃度測定を行うマイクロ波式濃度測定方法において、
懸濁物質の濃度変化に対して反射強度がほぼ一定になる周波数のマイクロ波を懸濁物質混合液に照射し、
懸濁物質混合液の一定温度での前記マイクロ波照射における前記反射強度と導電率の比例関係から懸濁物質混合液の導電率を求め、
前記導電率から懸濁物質混合液の濃度測定値を補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
以上のとおり、本発明によれば、懸濁物質混合液の温度又は導電率の変化に対して反射強度が変化しない領域の周波数を使用して濃度を測定するようにしたため、懸濁物質混合液の温度や導電率の変化による濃度測定値の補正が不要になる。
【００２６】
また、懸濁物質混合液の温度を既知のものとし、反射強度が懸濁物質の濃度変化に影響を受けない周波数のマイクロ波を懸濁物質混合液に照射し、そのときの反射強度から導電率を求めるようにしたため、導電率計を不要にしてその測定が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態を示すマイクロ波式濃度測定方法のデータ処理フローである。なお、マイクロ波の検出は、透過方式又は反射方式の何れかに限定されるものでない。
【００２８】
（Ｓ１）濃度測定に際して、マイクロ波の照射にはマイクロ波送受信器４が発生するマイクロ波周波数を導波管の周波数帯域内で走査（スキャン）させる。
【００２９】
（Ｓ２）上記の周波数走査による各周波数でのマイクロ波の反射強度又は透過強度をマイクロ波送受信器４で検出し、この検出値を基に懸濁物質濃度計変換器５等によって反射特性又は透過特性を求める。
【００３０】
（Ｓ３）上記の反射又は透過特性から各周波数における反射強度又は透過強度の特性の和を求める。この特性の和の演算は、反射強度又は透過強度の積分値又は平均値を求める。
【００３１】
（Ｓ４）上記の積分値又は平均値をそのときの検量線（マイクロ波照射量）と比較することにより、マイクロ波の照射強度に対する反射強度又は透過強度の相対値を求める。
【００３２】
（Ｓ５）上記の相対値から懸濁物質混合液の測定濃度を決定する。
【００３３】
以上までの処理において、処理Ｓ１におけるマイクロ波の走査について説明する。導波管は、図２に矩形導波管の周波数帯と内外径寸法例を示すように、その形状によって周波数帯が決まり、遮断周波数以上の周波数の電磁波を通過させることができる。しかし、高周波になると高次のモードが発生するため、一般に主モード帯域内で余裕をもって下記式の範囲になる波長λを持つ周波数が使われる。なお、下記式のａは、導波管の横幅寸法（ｍｍ）である。
【００３４】
［数１］
（ａ／0.95）＜λ＜（2ａ／1.3）
したがって、送受信器４は、この式で決まる周波数ｆ1〜ｆ2の範囲を含む周波数でマイクロ波を走査させる。
【００３５】
次に、処理Ｓ２，Ｓ３における反射又は透過特性及びその積分値又は平均値演算について説明する。
【００３６】
図３は、マイクロ波周波数の走査による反射強度又は透過強度の特性Ａを示す。この特性Ａに対して、反射又は透過強度の積分は、上記の式で決定した周波数ｆ1〜ｆ2（主モード帯全体）の範囲での反射又は透過強度の積分演算により求める。この積分は、図３の斜線部分の面積に相当する。
【００３７】
この積分演算は、アナログ積分回路を使って周波数ｆ1〜ｆ2までの反射・透過強度を連続的に積分演算する方法、又は各走査周波数における離散的な反射・透過強度をディジタル演算によって積算する方法で実現できる。また、平均値を求める場合には、アナログ演算では積分値を積分時間で割算することで求められ、ディジタル演算ではサンプル数で割算することで求められる。
【００３８】
図４は、反射・透過強度特性Ａのピークの半値幅の周波数範囲ｆａ〜ｆｂにおける反射又は透過強度の積分演算により求める場合を示す。導波管から懸濁物質混合液まで電気的にマッチングがとれていれば、周波数−反射・透過強度特性Ａには、ある周波数（マッチング周波数）付近で反射又は透過強度の急峻又は緩やかなピークが発生する。このピークにおける反射又は透過強度Ｓの半分の値Ｓ／２をとる周波数をｆａ，ｆｂとすると、この周波数ｆａ〜ｆｂの範囲で反射又は透過強度を積分する。この積分は、図４の斜線部分の面積に相当する。
【００３９】
この積分演算及び平均値演算は、上記の場合と同様に、反射・透過強度をアナログ演算又はディジタル演算すること及び割算によって実現できる。
【００４０】
図５は、複数の周波数（マッチング周波数付近に選択した周波数）における反射又は透過強度の和をとる場合を示す。同図では、特性Ａに対して、３つの周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃにおける反射又は透過強度Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを積算する。これら積算結果は、上記の積分演算を簡略化したものになるが、従来の１つの周波数に固定した方法とは異なる。なお、平均値の演算には各強度を加算した数で割算することで求められる。
【００４１】
以上のように、本実施形態では、ある周波数範囲又は複数の固定周波数におけるマイクロ波の反射強度又は透過強度をそれぞれ検出し、これら検出値の積分値又は平均値から濃度測定値を得る。これにより、懸濁物質の濃度測定に際して、導波管の伝送特性の微妙な変化で反射又は透過強度の特性が変化するも、その積分値又は平均値をとることで特性変化分の影響を少なくすることができ、濃度測定誤差の発生を少なくすることができる。
【００４２】
図６は、反射強度のみから測定した濃度と、反射強度の積分値から測定した濃度とを示すと共に、その垂下特性と相関度を示し、反射強度のみからの測定では相関度Ｒ2＝0.7677であるのに対して、積分値からの測定では相関度Ｒ2＝0.9518の高い相関度を呈した。したがって、反射強度からの測定に比べて積分値からの測定の方が濃度との相関がよく、従来の固定周波数による反射又は透過強度からの測定に比べて測定精度を高めることができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の実施形態を示すマイクロ波式濃度測定方法のデータ処理フローであり、同図が図１と異なる部分は、温度及び導電率の変化による濃度測定値の補正処理を追加した点にある。
【００４４】
温度・導電率補正処理Ｓ６では、懸濁物質混合液の温度や導電率の測定により濃度測定値を補正するのに、処理Ｓ１〜Ｓ４の処理と同様に、温度又は導電率の変化に対して、ある周波数範囲又は複数の固定周波数におけるマイクロ波の反射強度又は透過強度の積分値又は平均値を求め、これらから温度又は導電率の変化に対する補正特性を得ておき、この補正特性と温度又は導電率の測定値から濃度測定値を補正する。
【００４５】
すなわち、温度又は導電率の補正特性を得るのに、温度変化に対する反射又は透過強度の変化を測定して補正特性とするのではなく、温度変化に対する反射又は透過強度の積分値又は平均値の変化を測定して補正特性として求めておく。なお、積分値や平均値の演算は、第１の実施形態における濃度測定方法での演算と同様にできる。
【００４６】
図８は、温度変化に対する反射強度の変化と、反射強度積分値の変化を測定した場合を示し、その垂下特性（又は補正特性）及び相関度も併せて示す。図示のように、懸濁物質混合液の温度変化に対して、反射強度は相関度Ｒ2＝0.4582であるのに対し、反射強度積分値は相関度Ｒ2＝0.9822と高くなり、反射強度の積分値から補正特性を求める方が補正精度を高めることができる。
【００４７】
図９は、導電率変化に対する反射強度の変化と、反射強度積分値の変化を測定した場合を示し、その垂下特性（又は補正特性）及び相関度も併せて示す。図示のように、懸濁物質混合液の導電率変化に対して、反射強度は相関度Ｒ2＝0.7829であるのに対し、反射強度積分値は相関度Ｒ2＝0.9524と高くなり、反射強度の積分値から補正特性を求める方が補正精度を高めることができる。
【００４８】
これら温度又は導電率に対する相関性は、反射強度に限らず、透過強度に対しても同様に高いものを得ることができるし、積分値に代えて平均値とすることでも高い相関性を得ることができる。
【００４９】
以上のように、本実施形態では、温度又は導電率の変化に対して、マイクロ波の反射強度又は透過強度の積分値又は平均値から補正特性を得、この補正特性を使用して濃度測定値を補正することにより、濃度測定値の補正を適正にすることができる。
【００５０】
（第３の実施形態）
図１０は、温度Ｔ、導電率Ｃの懸濁物質混合液の濃度を変えたときの周波数−反射強度特性を示す。この特性では、反射強度は２つの周波数で極小になる。この２つの周波数はマッチング周波数と呼ばれ、この周波数α1，α2の近辺では濃度が変わると反射強度も大きく変化する。図１１はマッチング周波数α1における濃度−反射強度特性を示し、濃度が反射強度とほぼ比例関係にある。
【００５１】
したがって、懸濁物質混合液の温度及び導電率が一定であれば反射強度を測定することによって濃度を求めることができる。しかし、実際の懸濁物質混合液は温度及び導電率が変化するため、それによって反射強度も変化し、測定精度を低下させる。この対策として、従来から温度及び導電率の変化による補正を行っているが、温度や導電率の計測自体に測定誤差が発生すると、結果的に濃度の測定精度を低下させてしまう。
【００５２】
本実施形態は、懸濁物質混合液の温度又は導電率の変化に対して反射強度が変化しない領域のマイクロ波周波数を使用して濃度を測定することにより、懸濁物質混合液の温度や導電率を基にした濃度測定値の補正を不要にした測定方法である。以下、各測定方法を説明する。
【００５３】
（Ａ）導電率補正を不要にした測定方法
図１２は、懸濁物質混合液の温度Ｔが一定で、導電率ＣをＣ1〜Ｃ4に変化させたときの周波数−反射強度特性を示し、周波数βでは各特性曲線が一点で交差している。すなわち、この周波数βでは、懸濁物質混合液の導電率が変化しても反射強度が変わらないことを示している。
【００５４】
また、図１３には、周波数βにおける温度Ｔのときの濃度−反射強度特性を示し、濃度と反射強度はほぼ比例関係にあり、相関性が高い。
【００５５】
したがって、懸濁物質混合液の温度Ｔの濃度測定には、マイクロ波の周波数をβに固定して反射強度を測定することで、導電率Ｃの補正を不要にしながら精度を高めた濃度測定ができる。
【００５６】
（Ｂ）導電率補正を不要にした測定方法
図１４は、懸濁物質混合液の温度Ｔが一定で、導電率ＣをＣ1〜ＣNに変化させたときの周波数−反射位相差特性を示し、周波数γでは各特性曲線がほぼ等しくなっている。すなわち、この周波数γでは懸濁物質混合液の導電率が変化しても反射位相差が変わらないことを示している。
【００５７】
また、図１５には、周波数γにおける温度Ｔのときの濃度−反射位相差特性を示し、濃度と反射位相差はほぼ比例関係にあり、相関性が高い。
【００５８】
したがって、懸濁物質混合液の温度Ｔの濃度測定には、マイクロ波の周波数をγに固定して反射位相差を測定することで、導電率Ｃの補正を不要にしながら精度を高めた濃度測定ができる。
【００５９】
（Ｃ）温度補正を不要にした測定方法
図１６は、懸濁物質混合液の導電率Ｃが一定で、温度ＴをＴ1〜ＴKに変化させたときの周波数−反射位相差特性を示し、周波数δでは各特性曲線がほぼ等しくなっている。すなわち、この周波数δでは懸濁物質混合液の温度が変化しても反射位相差が変わらないことを示している。
【００６０】
また、図１７には、周波数δにおける導電率Ｃのときの濃度−反射位相差特性を示し、濃度と反射位相差はほぼ比例関係にあり、相関性が高い。
【００６１】
したがって、懸濁物質混合液の導電率Ｃの濃度測定には、マイクロ波の周波数をδに固定して反射位相差を測定することで、温度Ｔの補正を不要にしながら精度を高めた濃度測定ができる。
【００６２】
（第４の実施形態）
前記の図１０に示すように、周波数αでは懸濁物質混合液の濃度が変化しても反射強度はほとんど変化しない。したがって、懸濁物質混合液の温度Ｔが一定で、周波数αのマイクロ波を用いて測定した反射強度に変化が現れるのは、導電率の変化に因ることになる。
【００６３】
そこで、懸濁物質混合液の温度Ｔが一定にあり、かつ濃度変化に影響を受けない周波数αのマイクロ波を照射し、そのときの反射強度と導電率の関係を求めておき、この関係から反射強度の測定で導電率を求めることができる。
【００６４】
図１８は、周波数αにおける反射強度−導電率特性を示し、反射強度と導電率はほぼ比例関係にあり、相関性が高い。
【００６５】
したがって、懸濁物質混合液の導電率の測定には、温度Ｔでの懸濁物質混合液に周波数αのマイクロ波を照射したときの反射強度と導電率の比例関係を求めておけば、濃度測定に際しての導電率測定には周波数αの照射に対する反射強度の測定で温度Ｔでの導電率を求めることができる。この導電率の求め方による濃度測定では従来の導電率計が不要になるし、そのメンテナンス等も不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すマイクロ波式測定方法のデータ処理フロー。
【図２】矩形導波管の寸法例。
【図３】第１の実施形態における反射・透過強度特性と積分範囲。
【図４】第１の実施形態における反射・透過強度特性と積分範囲。
【図５】第１の実施形態における反射・透過強度特性と積算位置。
【図６】第１の実施形態における反射強度と積分値の濃度との相関の比較。
【図７】本発明の第２の実施形態を示すマイクロ波式測定方法のデータ処理フロー。
【図８】第２の実施形態における反射強度と積分値の温度との相関の比較。
【図９】第２の実施形態における反射強度と積分値の導電率との相関の比較。
【図１０】第３の実施形態における濃度を変えたときの周波数−反射強度特性。
【図１１】図１０の周波数α１における濃度−反射強度特性。
【図１２】第３の実施形態における導電率Ｃを変えたときの周波数−反射強度特性。
【図１３】図１２の周波数βにおける濃度−反射強度特性。
【図１４】第３の実施形態における導電率Ｃを変えたときの周波数−反射位相差特性。
【図１５】図１４の周波数γにおける濃度−反射位相差特性。
【図１６】第３の実施形態における温度Ｔを変えたときの周波数−反射位相差特性。
【図１７】図１６の周波数δにおける濃度−反射位相差特性。
【図１８】第４の実施形態における反射強度と導電率の関係。
【図１９】マイクロ波式濃度測定方法における透過方式の測定原理。
【図２０】マイクロ波の位相差−濃度特性図。
【図２１】マイクロ波式濃度測定方法における反射方式の測定原理。
【図２２】マイクロ波式濃度測定方法におけるプローブの構成例。
【符号の説明】
【００６７】
１…懸濁物質混合液輸送管
２、３、６…プローブ
４…マイクロ波送受信器
５…濃度計変換器
９…導波管
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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