(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を用いた汚泥濃度測定方法において、
ある帯域の選択された周波数における反射強度の加算値を積分値とした測定データを得、その測定データが被測定物の誘電率もしくは誘電率のべき乗を反映している時に、被測定物の汚泥濃度を算出する際に、被測定物の汚水の導電率が変化しても積分値が変化しない不動点温度を用いて、以下に示す濃度算出式で濃度を算出したことを特徴とする汚泥濃度算出方法。
濃度＝（実測した積分値−濃度０％で予測される積分値）／濃度係数
但し、
濃度０％で予測される積分値＝不動点温度積分値＋温度係数×（実測した温度−不動点温度）
【数１】
0003932745.tif 000004
濃度係数＝第１定数−第２定数×温度
【請求項２】
前記汚泥濃度の算出に際しては、温度変化が±１０℃程度のときに、第２定数を「０」に近似させたことを特徴とする請求項１記載の汚泥濃度算出方法。
【請求項３】
前記汚泥濃度の算出に際しては、濃度０％で予測される積分値と濃度係数が広い範囲で正比例していることを特徴とする請求項１記載の汚泥濃度算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、下水処理プラント、排水処理プラント、上水処理プラントやそれらの汚泥処理プラントの処理行程における汚泥中の固形物濃度や浮遊物濃度を測定するプロセス用汚泥濃度計において、その濃度計にマイクロ波を利用して測定したデータから固形物濃度を求める汚泥濃度算出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水処理プラント、排水処理プラントや汚泥処理プラント等において、各工程から発生する、又は一つの行程から他の行程へ輸送する汚泥の固形物量を常時監視し把握することは、プラントの運転管理上非常に重要である。汚泥の固形物量は、汚泥流量と汚泥濃度の二つの値から演算によって算出できる。汚泥流量の計測は、電磁流量計や超音波ドプラー式流量計等が市販されており、比較的信頼性の高い測定が実現されている。
【０００３】
一方、汚泥濃度の計測については、超音波の減衰を原理としたもの、光の透過光量や反射光量を検出原理としたもの等が市販されている。しかしながら、これらの汚泥濃度計は、測定に対する妨害因子や保守作業が煩雑であることなどから流量計と比較して信頼性などにおいて劣っているのが現状である。近年、マイクロ波を利用し、従来の汚泥濃度計の短所を解決しようとしたマイクロ波式汚泥濃度計が開発され、市販されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したマイクロ波式汚泥濃度計では、測定したデータが、固形物濃度、温度、導電率の影響を同時に受けるので、導電率や温度の影響を補正した後に、固形物濃度を算出して求めないと濃度測定に誤差が生じる恐れがある。
【０００５】
まず、始めに、水の誘電率は約８０と他の物質と比較して非常に大きい。一方、汚水では、他の物質が微粒子やコロイドとなって浮遊している。このため、コロイド物質の誘電率は、約１〜３程度と水の誘電率より小さい。したがって、水の誘電率は、浮遊している物質の濃度に応じて減少する。
【０００６】
次に、汚水の誘電率と濃度との間に成立する関数について述べる。一般に汚水中の固形物濃度は、通常０〜６％と小さいので、誘電率の変化も０〜６％程度と小さい。したがって、関数の形がどうであれ、テーラー展開による近似が有効である。これを式で示すと次式のようになる。
【０００７】
f(1-ｘ)=f(1)-ｘ×f(1)+0.5×ｘ2×f(1)+（３次以上）  …（１）
上記（１）式で関数ｆは水の誘電率を示す。ｘは固形物濃度を意味する。上記（１）式でf(1)は、100％の水（つまり、真水）の誘電率を示す。具体的にはｘが0.06とすると、ｘの２乗は0.00036となり、２乗の項は、ほとんど無視しても構わなくなる。
【０００８】
同時に、測定データが誘電率のべき乗を反映している場合にも、同じ問題がある。ここで、ｘを固形物濃度、ｎを定数のべき乗数とすると、次に示す（２）式のｎが小さいときにテーラー展開で近似できる。この場合、ｎが定数であれば、固形物濃度ｘを求めることができる。
【０００９】
f((1-ｘ)n=f(1-ｎｘ)=f(1)-ｎｘ×f(1)  …（２）
次に、水の誘電率は、固形物濃度だけでなく、水の導電率や水の温度にも依存している。これらについても、上記（１）式や（２）式と同様な問題がある。例えば、標準温度T0、標準の温度との差をΔT、導電率をσとし、誘電率に対応する測定データをf(1-x，T0+ΔT，σ)で表すと、真水の参照データは、濃度0％で、導電率0mS/cmなので、測定データにｘ=0，ΔT=0、σ=0を代入すると、測定データはf(1,T0,0)となる。すると、テーラー展開で次の（３）式が成立する。なお、（３）式でＡ，Ｂ，Ｃは定数である。
【００１０】
f(1-x,T0+ΔT,σ)=f(1,T0+ΔT,σ)-A×ｘ+B×ΔT＋C×σ  …（３）
実際には、導電率、濃度、温度は互いに独立ではなく、つまり上記のA，B，Cは理想的な定数ではなく相乗効果が働いていて、正確な汚泥濃度を算出できない問題がある。
【００１１】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、正確な汚泥濃度を精度良く算出できるようにした汚泥濃度算出方法を提供することを課題とする。
【００１２】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、マイクロ波を用いた汚泥濃度測定方法において、
ある帯域の選択された周波数における反射強度の加算値を積分値とした測定データを得、その測定データが被測定物の誘電率もしくは誘電率のべき乗を反映している時に、被測定物の汚泥濃度を算出する際に、被測定物の汚水の導電率が変化しても積分値が変化しない不動点温度を用いて、以下に示す濃度算出式で濃度を算出したことを特徴とするものである。
【００１４】
濃度＝（実測した積分値−濃度0％で予測される積分値）／濃度係数
但し、
濃度0％で予測される積分値＝不動点温度積分値＋温度係数×（実測した温度−不動点温度）
【００１５】
【数２】
0003932745.tif 000002
【００１６】
濃度係数＝第１定数−第２定数×温度
第２発明は、温度変化が±１０℃程度のときに、第２定数を「０」に近似したことを特徴とするものである。
【００１７】
第３発明は、濃度０％で予測される積分値と濃度係数が広い範囲で正比例していることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明するに当たり、マイクロ波式汚泥濃度計の概略構成説明と汚泥濃度計の検出プローブの詳細を述べる。図１はマイクロ波式汚泥濃度計の概略構成説明図、図２はマイクロ波式汚泥濃度計の検出プローブ部位の要部拡大断面図である。
【００１９】
まず、図１のマイクロ波式汚泥濃度計（以後この汚泥濃度計を絞り方式マイクロ波反射検出型濃度計と称す）の概略構成について述べる。図１において、１は汚泥輸送管で、この汚泥輸送管１の所定部位に窓を形成し、その窓にマイクロ波反射強度検出プローブ２を設ける。
【００２０】
前記プローブ２からは、マイクロ波が汚泥輸送管１内に発信され、プローブと汚泥混合液（固形物を含んだ汚泥総体）の境界面で反射したマイクロ波を同じプローブで受信して、発信強度に対する受信強度の比を検出する。
【００２１】
３はマイクロ波発／受信器で、このマイクロ波発／受信器３で発信、受信強度の比を検出して、その検出信号を汚泥濃度変換器４に入力し、ここで汚泥中の固形物濃度を測定する。なお、プローブ２には、同軸ケーブルや導波管などのデバイスが用いられる。
【００２２】
次に、図１で述べたプローブ２の詳細を図２により述べる。図２において、１１は同軸−導波管変換器からなるプローブ本体で、このプローブ本体１１の一方の端部は閉塞され、他方の端部は開放されている。開放されているプローブ本体１１の端部には、中央部に貫通孔を有する板状の第１導体部１２が取り付けられる。
【００２３】
第１導体部１２の貫通孔には、セラミック部材からなる高周波窓部１３が挿入固定され、高周波窓部１３は、プローブ本体１１の軸方向（図１に示す汚泥輸送管内）に突出されている。また、高周波窓部１３は、先端部に図示しない溝が形成された部材１４を設けた筒状の第２導体部１５内に密着して設けられる。部材１４に形成される溝は、汚水が通過可能なように汚泥輸送管内を汚水が流れる方向に形成される。１６は汚泥輸送管に設けられたフランジで、このフランジ１６に第１導体部１２が取り付けられる。
【００２４】
前記プローブ本体１１内には、アンテナ１７が設けられ、このアンテナ１７は、図１に示すマイクロ波発／受信器３に同軸ケーブルを介して接続される。１８は同軸ケーブルのコネクタ、１９はプローブ本体１１の中空部である。
【００２５】
上記のように構成された汚泥濃度計の動作について述べる。図１に示すマイクロ波発／受信器３からの発信信号は、図示しない同軸ケーブルを介してアンテナ１７に供給される。アンテナ１７から発信されたマイクロ波は、セラミック部材からなる高周波窓部１３から汚泥輸送管１内に放射されると、汚泥混合液の境界面で反射されて、再び高周波窓部１３を通してプローブ本体１１のアンテナ１７で受信される。受信された信号は、マイクロ波発／受信器３で受信された後、汚泥濃度計変換器４で汚泥濃度に変換されて汚泥濃度計に表示される。
【００２６】
次に、この発明の実施の形態について述べるに、この実施の形態には、上記のように構成された絞り方式マイクロ波反射検出型濃度計を使用して濃度測定を行い、ある帯域の選択された周波数における反射強度を加算した値（以後、積分値と称す）を測定データとして用いる。
【００２７】
図３は上記絞り式マイクロ波反射検出型濃度計を用いたときの反射特性の様子を示す共鳴曲線の特性図である。この特性図では、具体的には、ｆ1を2.1GHz，ｆ2を2.2GHzとし、周波数を1MHzおきに101点とって加算させると、共鳴曲線で変化の大きい部分の面積に比例する値が得られる。ここで、前述した積分値とは、図３に示す斜線部の面積を反映させた値である。
【００２８】
図４はこの発明の実施の第１形態を示す工程図で、４１は暫定的な汚泥濃度をマイクロ波で計測する計測処理手段で、この計測処理手段４１で計測した暫定的な汚泥濃度から、ある帯域の選択された周波数における反射強度の積分値を反射強度加算処理手段４２で得る。その後、温度と導電率の処理手段４３で、汚水の導電率が変化しても積分値が変化しない温度と、温度による積分値の変化率（以下、温度係数と称す）に与える導電率の影響を後述のように求める。
【００２９】
前記温度と導電率の処理手段４３では、不動点温度という概念を用いる。この不動点温度とは、濃度が0％のときに、汚水の導電率が変化しても、積分値が変化しない温度の事で、検出プローブの形状に依存する。
【００３０】
また、導電率が大きくなるにつれて、前記温度係数は指数的に減少することが実験的に確認されている。温度係数に与える導電率の影響は、下記（４）式から得られる。（４）式において、導電率係数は、定数係数であり、具体的には、（４）式で導電率の単位を、mS/cmとすると、導電率係数の値は、無次元の量で0.035〜0.04程度の値になる。
【００３１】
【数３】
0003932745.tif 000003
【００３２】
上記温度と導電率の処理手段４３での処理が済んだなら、次に温度と濃度の処理手段４４を行う。この処理手段４４では、温度が上昇しても、濃度が上昇しても汚水の誘電率は減少するために行われる。例えば、濃度による積分値の変化率（以下、濃度係数と称す）は、次式（５）で示される。具体的には、定数Ｂは定数Ａの３０分の１程度である。
【００３３】
濃度係数＝定数Ａ−定数Ｂ×温度  …（５）
次に、導電率と濃度の処理手段４５を行った後に、汚泥濃度を算出する。しかし、導電率と濃度の処理手段４５で汚水の導電率は、特殊な場合を除いてせいぜい10mS/cm程度であるから、この範囲で導電率が変化しても濃度係数はわずかに減少するだけであるから、処理に影響がでない場合には、この処理手段４５は別に行わなくてもよい。
【００３４】
上記第１形態による実験を元に考察し、以下の３種類の第２形態〜第４形態を作成した。
【００３５】
第２形態は、次の（６）式から濃度が算出される。但し、（６）式で濃度を算出する際には、前記（４）式、（５）式および下記（７）式が用いられる。なお、下記（７）式中の不動点温度積分値とは、導電率0mS/cm、濃度0％、温度は不動点温度（例えば21.5℃）のときの積分値で定数値となる。
【００３６】
濃度＝（実測した積分値−濃度0％で予測される積分値）／濃度係数  …（６）  濃度0％で予測される積分値＝不動点温度積分値＋温度係数×（実測した温度  −不動点温度）  …（７）
第３形態は、上記第２形態における（６）式，（７）式，（４）式を第３形態でも使用し、第３形態では、第２形態と下記に示す（８）式だけが異なる。第３形態は、上記第２形態の（５）式において、定数Ｂを「０」に近似したもので、温度変化が±10℃程度と大きくないときに有効である。
【００３７】
濃度係数＝定数Ｃ  …（８）
この第３形態は、第２形態より精度が劣るが、校正のとき定数Ｂを求める手間が省ける利点がある。
【００３８】
第４形態は、上記第２形態における（６）式，（７）式，（４）式を第４形態でも使用し、第４形態では上記第２形態と下記に示す（９）式だけが異なる。第４形態では、濃度0％で予測される積分値と濃度係数が、広い範囲で正比例していることが実験で確認されたことを利用したものである。
【００３９】
濃度係数＝定数Ｄ×濃度0％で予測される積分値    …（９）
ここで、導電率を0〜7mS/cm、濃度0〜3％、温度20〜40℃でマイクロ波測定データである積分値から、第２形態〜第４形態を用いて求めた濃度を縦軸に、実際の濃度を横軸にした第２形態〜第４形態の評価をそれぞれ図５〜図７のグラフに示す。
【００４０】
図５〜図７のグラフにおいて、いずれも標準偏差（70％信頼区間）が、濃度で0.1〜0.14％程度である。また、実用上の汚泥濃度計の精度は±0.2％の範囲であるから、第２形態から第４形態の有用性は十分である。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、マイクロ波を用いた濃度測定において、ある帯域の選択された周波数における反射強度を加算した値（積分値）を測定データとし、この測定データが、被測定物である汚水の誘電率もしくは誘電率のべき乗を反映しているときに、汚水の導電率が変化しても前記積分値が変化しない温度を用いることにより、汚泥濃度を正確に算出することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ波式汚泥濃度計の概略構成説明図。
【図２】マイクロ波式汚泥濃度計の検出プローブ部位の要部拡大断面図。
【図３】マイクロ波反射検出型濃度計を用いたときの反射特性の様子を示す共鳴曲線の特性図。
【図４】この発明の実施の第１形態を示す工程図。
【図５】第２形態の評価を示すグラフ。
【図６】第３形態の評価を示すグラフ。
【図７】第４形態の評価を示すグラフ。
【符号の説明】
１…汚泥輸送管
２検出プローブ
３…マイクロ波発／受信器
４…汚泥濃度計変換器
４１…計測処理手段
４２…反射強度処理手段
４３…温度と導電率の処理手段
４４…温度と濃度の処理手段
４５…導電率と濃度の処理手段
【図１】
0003932745.tif 000005
【図２】
0003932745.tif 000006
【図３】
0003932745.tif 000007
【図４】
0003932745.tif 000008
【図５】
0003932745.tif 000009
【図６】
0003932745.tif 000010
【図７】
0003932745.tif 000011