(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚泥輸送管に反射強度検出型マイクロ波検出プローブ本体を設け、このプローブ本体からマイクロ波を汚泥輸送管内に向けて発信し、汚泥輸送管内の被測定試料である汚泥混合液の境界面で反射したマイクロ波を同じプローブ本体で受信し、発信強度に対する受信強度の比を検出して汚泥混合液中の固形物濃度を測定する汚泥濃度計において、  前記プローブ本体は、一端が閉塞され、他端が開口された導波管から構成され、その導波管の他端の開口部にマイクロ波が透過可能な部材を有する第１導体部を設けるとともに、その部材を前記汚泥輸送管内に向けて配設し、かつその部材を内部に収納するとともに、一端が前記第１導体部に固着され、他端に被測定試料を導く溝が形成された第２導体部を設け、
前記溝の幅と深さは、被測定試料の汚泥濃度を算出する際に、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用い、その測定データが被測定試料の誘電率もしくは誘電率のべき乗を反映している時に、被測定試料の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に応じて変更することを特徴とする汚泥濃度計。
【請求項２】
前記溝の幅を下記式により算出することを特徴とする請求項１記載の汚泥濃度計。
溝の幅＝マイクロ波の波長／２／使用する温度（水温）での水の誘電率の平方根
【請求項３】
前記溝の深さを下記式により算出することを特徴とする請求項１記載の汚泥濃度計。
溝の深さ＝溝の幅／４
【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、マイクロ波を利用して測定した測定データから汚水の導電率の影響を除去した汚泥濃度計に関する。
【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程度と水の誘電率が小さい。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ことになる。
【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、相乗効果が働いているのが問題となる。特に、汚水の導電率の変化は、濃度測定精度に大きく影響する問題がある。
【００１１】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、測定データから汚泥濃度を求める際に汚水の導電率を除去して濃度測定精度の向上を図るようにした汚泥濃度計を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、汚泥輸送管に反射強度検出型マイクロ波検出プローブ本体を設け、このプローブ本体からマイクロ波を汚泥輸送管内に向けて発信し、汚泥輸送管内の被測定試料である汚泥混合液の境界面で反射したマイクロ波を同じプローブ本体で受信し、発信強度に対する受信強度の比を検出して汚泥混合液中の固形物濃度を測定する汚泥濃度計において、  前記プローブ本体は、一端が閉塞され、他端が開口された導波管から構成され、その導波管の他端の開口部にマイクロ波が透過可能な部材を有する第１導体部を設けるとともに、その部材を前記汚泥輸送管内に向けて配設し、かつその部材を内部に収納するとともに、一端が前記第１導体部に固着され、他端に被測定試料を導く溝が形成された第２導体部を設け、
前記溝の幅と深さは、被測定試料の汚泥濃度を算出する際に、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用い、その測定データが被測定試料の誘電率もしくは誘電率のべき乗を反映している時に、被測定試料の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に応じて変更することを特徴とするものである。
【００１３】
第２発明は、前記溝の幅が下記式により算出されることを特徴とするものである。
溝の幅＝マイクロ波の波長／２／使用する温度（水温）での水の誘電率の平方根第３発明は、前記溝の深さが下記式により算出されることを特徴とするものである。
【００１４】
溝の深さ＝溝の幅／４
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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円盤状の第１導体部１２が取り付けられる。
【００２０】
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、この高周波窓部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、先端部に円盤状の部材１４が設けられた筒状の第２導体部１５内に密着して設けられる。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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
次に、この発明の実施の第１形態を図３、図４により述べる。図３、図４において、高周波窓部１３の先端部に設けられた部材１４には、両図に示すような汚水通し溝２０が形成される。この汚水通し溝２０には、高周波窓部１３の一部が露出され、この露出部から前述したマイクロ波が汚泥輸送管１内に放射されるとともに、汚泥混合液の境界面で反射されてきたマイクロ波が、前記露出部から高周波窓部１３を通してアンテナ１７で受信される。その後、前述のようにマイクロ波発／受信器３、汚泥濃度計変換器４を介して汚泥濃度に変換されて、その汚泥濃度が図示しない汚泥濃度計に表示される。
【００２４】
なお、汚水通し溝２０は、汚泥輸送管内を流れる汚水が通過され易いように、汚水の流れる方向に配置される。また、汚水通し溝２０は、その溝の横幅「前記高周波窓部１３の露出幅」（以下絞りの横幅と称す）と、溝の深さ（以下絞りの厚みと称す）が以下に述べる第２形態、第３形態のように決定される。
【００２５】
上述した実施の第１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。
【００２６】
図５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５に示す斜線部の面積を反映させた値である。
【００２７】
次に、絞り方式のマイクロ波反射検出型濃度計を用いて測定したデータに積分値を使用し、前記（３）式より精密な下記（４）式から（７）式を用いて濃度を求める。
【００２８】
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  …（４）  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）  …（５）
【００２９】
【数１】
0003899751.tif 000002
【００３０】
濃度係数＝定数Ｄ×濃度0％で予測される積分値  …（７）
ここで、（５）式に示す不動点温度という概念について説明する。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ある。この温度は検出部の形状（上記汚水通し溝２０）に依存し、絞りの横幅が8mmで厚み2mmのときには、22℃に不動点温度があることを実験的に確認した。また、不動点温度積分値とは、濃度0％のときの不動点温度での積分値のことである。
【００３１】
上記の様子を図６のグラフを用いて述べる。図６において、不動点温度と、その±10℃程度の範囲においては、導電率（mS/cm）が変化しても積分値に大きな変動がないことが明らかである。従って、上記プローブを用いるときは、22℃±10℃の温度範囲では、汚水の導電率の値を無視しても、さして大きな誤差をもたらすことなく濃度が測定できる。
【００３２】
上述した第１形態における絞りの横幅は8mm，厚みは2mmで不動点温度は22℃であった。通常、汚水のうち、消化汚泥と呼ばれる種類は、３５〜５５℃のお湯の状態になっている。このため、不動点温度が20℃のプローブよりも、不動点温度が45℃のプローブの方が、測定には好ましい。従って、絞りの横幅と厚みを変更することで不動点温度を上昇させるようにしたのが、次に述べる第２、第３形態である。
【００３３】
この発明の実施の第２形態は絞りの横幅を変更したもので、絞りの横幅の8mmは、20℃の水の誘電率77.8を元に次の（８）式から求めたものである。
【００３４】
絞りの横幅＝マイクロ波の波長／２／水の誘電率の平方根  …（８）
逆算すると、マイクロ波の周波数は2.13GHzで波長は141mmである。このとき、図５のピーク周波数は2.15GHzであった。絞りの横幅の加工精度を考慮すると、上記（８）式は高い精度を持っていることになる。ここで、45℃の水の誘電率は70.7であるから、この値と波長141mmを上記（８）式に代入して絞りの横幅を求めると、8.38mmとなった。そこで、横幅8.4mmで厚み2mmの絞りを用いて実験を行った結果を図７に示す。
【００３５】
図７から不動点温度は、絞りの横幅に応じて計算どおりに45℃となる。このため、45℃近辺の温度の汚水を測定するにあたって、測定データから導電率の影響を低減できるようになり、汚泥濃度を高精度に測定できるようになる。
【００３６】
この発明の実施の第３形態は、絞りの厚みを変更したもので、絞りの厚みは、マイクロ波を適度に通過させ、適度に押し戻すように次の（９）式を元に求めたものである。
【００３７】
絞りの厚み＝絞り横幅／４  …（９）
一般に絞りの厚みが薄くなると、マイクロ波が通過しやすくなる。そこで、絞りの厚みを次の（１０）式から設計した。
【００３８】
絞りの厚み＝絞りの横幅／5.33  …（１０）
上記（１０）式から絞りの横幅が8mmのときは、絞りの厚みは1.5mmとすると、マイクロ波が通過し易くなるので、横幅を広げるのと同じ効果が得られる。その実験結果を図８に示す。この図８の結果から不動点温度は、絞りの厚みを薄くすると上昇させることができ、導電率の変化の影響が小さく高精度の汚泥濃度の測定が可能となる。
【００３９】
【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その累乗またはそのべき根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絞りの横幅と厚みを変更するようにすることにより、使用温度に適合した不動点温度が得られるため、導電率の変化の影響が小さく、高精度に汚泥濃度の測定が可能となる利点がある。
【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】この発明の実施の第１形態から第３形態を示す検出プローブ部位先端部の正面図。
【図４】検出プローブ部位先端部の平面図。
【図５】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６】不動点温度の説明用グラフ。
【図７】絞りの横幅を変化させたときの導電率変更温度特性図。
【図８】絞りの厚みを変化させたときの導電率変更温度特性図。
【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
１１…ぷローブ本体
１２…第１導体部
１３…高周波窓部
１４…部材
１５…第２導体部
１６…フランジ
１７…アンテナ
１８…コネクタ
１９…中空部
２０…汚水通し溝
【図１】
0003899751.tif 000003
【図２】
0003899751.tif 000004
【図３】
0003899751.tif 000005
【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】
0003899751.tif 000010