JP2006226904A - 音響式懸濁物質濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波の水中での減衰・散乱特性を用いて懸濁物質濃度を測定する。
【解決手段】測定用音波を被測定媒質中に出力する送信器として機能するトランスデューサ１０１ａと、被測定媒質による測定用音波の反射波を入力とする受信器として機能するトランスデューサ１０１ａとを含み、両者が分離して構成する（ａ）。このように、送信器と受信器とを分離した構成を採用することにより、両者を一体化した構成（ｂ）に比べて、反射波を捕らえることができないブランク領域を小さくすることができる。このため、装置直近をも測定でき、計測範囲を広くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は音響式懸濁物質濃度測定装置に関し、特に超音波の減衰・散乱を用いて水中の懸濁物質濃度を測定する音響式懸濁物質濃度測定装置に関する。

河川水系において総合土砂管理を計画する際には、当該河川の土砂移動状況を把握する必要がある。土砂は流送形態によって掃流砂と浮遊砂（ｓｗｉｍｍｉｎｇ ｓａｎｄ）、ウォッシュロード（ｗａｓｈ ｌｏａｄ）に分類されるが、このうち掃流砂を現場でモニタリングする実用的な方法は存在しない。浮遊砂とウォッシュロード（以後、ＳＳと総称する）に関しては様々な方法が提案されている。

ＳＳモニタリングの基本的手法は採水であるが、観測と分析に多大な労力を要し、特に感潮域や貯水池など流れが複雑な水域ではＳＳの時空間分布も複雑であるため、採水点数が莫大になる。
濁度計は懸濁水中の光の透過率や反射率によって濁りを計測しており、現在のところＳＳモニタリングの最も有効な手法である。濁度計を使用する場合、粒度分布に関する情報を得られないものの、事前に河川ごとにＳＳと濁度との相関関係を調べておけば、濁度からＳＳを推定できることが知られている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。

ただし、濁度計はセンサの周囲数センチの範囲しか計測しておらず、またカオリン換算で５０００ｍｇ／Ｌを越える濃度レンジを持つ測定機がほとんど無い。洪水中の河川や排砂中のダム貯水池の下流、高濁度水塊の出入りが激しい感湖城などでは濃度の鉛直分布を計測することが望ましいが、これを濁度計で行うのは濃度レンジやコストの面で難しい。
こうした問題を考慮して、超音波流速計によるＳＳモニタリングが提案されている（例えば、非特許文献３、非特許文献４参照）。超音波流速計では、水中の懸濁質により音波が反射する性質を利用してドップラー効果から流速を推定している。

ところで、この超音波流速計を使用して、反射強度からＳＳ濃度を推定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、音響ドップラー流速計（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｆｉｌｅｒ；以後、ＡＤＣＰと称する）を用いている。このＡＤＣＰは、水中の懸濁物からの反射波の周波数が、移動速度に応じて発射音波の周波数とのずれが生ずる（ドップラー効果）原理を応用した流速計である。このＡＤＣＰによって得られた反射波の強さ（反射強度）は、濁りの強さと相関がある。

水中を音波が伝搬する際には、エネルギーが伝搬損失によって減衰する。伝搬損失は、拡散損失と減衰損失との和として表される。拡散損失は距離の対数に比例して変化する幾何学的効果、減衰損失は吸収、散乱、その他の影響によるもので距離に比例する効果、として説明される。そのため、基本的には音の反射強度は、距離とＳＳ濃度とによって決まる。
特許文献１においては、反射波の強さ（Ｅｃｈｏ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）に基づいて濁度を求めている。このＥｃｈｏ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙは、超音波出力、距離減衰、ビームの広がりによる減衰、吸収による減衰（水温、伝導度）、濁りの特性に関係する。

ＡＤＣＰは超音波を送受信するためのトランスデューサを有している。ＡＤＣＰから発射された超音波は、図１１に示されているように、懸濁物質により反射される。この反射波には、距離減衰、ビームの広がりによる減衰、吸収による減衰（水温、伝導度）、があって、ＡＤＣＰによってＥｃｈｏ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙとして計測される。この場合、懸濁物質による後方散乱があり、懸濁物質の量に応じた強さで、超音波が反射される。そのＥｃｈｏ ＩｎｔｅｎｓｉｔｙのＥＩ（実測値）は、次の式に表すことができる。すなわち、
ＥＩ＝ＳＬ＋ＳＶ＋定数−２０ｌｏｇＲ−２αＲ
である。なお、ここで、ＥＩ＝Ｅｃｈｏ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（実測値）、ＳＬ＝超音波出力、ＳＶ＝後方散乱強度（濁りの強さ）、α＝吸収係数（ｄＢ／ｍｅｔｅｒ）、Ｒ＝トランスデューサからの距離、である。上記の関係式から濁度を求め、ＡＤＣＰによる濁度の計測を行うことで、濁水のモニタリングが可能となる。

また、特許文献２には、ＳＳ濃度とＡＤＣＰ信号反射強度との相関から、反射波の反射強度をＳＳ濃度に換算する点が記載されている。
特開２０００−１１１３７５号公報 特開２００３−３２２６０４号公報 横山勝英、「濁度計の粒径依存特性と現地使用方法に関する考察」、土木学会論文集、Ｎｏ．６９８／II−５８、ｐｐ９３−９８、２００２． 横山勝英、石川忠晴、梅田信、「濁質生産量の推定方法に関する研究」ダム工学論文集、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．４、ｐｐ．３１１−３２２、２０００ 横山勝英、藤田光一、「多摩川感湖域の土砂動態に関する研究」、水工学論文集、第４５巻、ｐｐ．９３７−９４２、２００１． 横山勝英、宇野誠高、森下和志、河野史郎、「超音波流速計による浮遊土砂移動量の推定方法」、海岸工学論文集、第４９巻、ｐｐ．１４８６−１４９０、２００２．

上述した特許文献１では、超音波を送受信するために送受信一体型のトランスデューサを利用している。このため、超音波を発振している時間帯にトランスデューサ直近すなわち測定装置直近から返ってくる反射波を捕らえることができないブランク領域が大きいという問題がある。特許文献２においても、同様な問題がある。
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は超音波の減衰・散乱を用いて水中の懸濁物質濃度を測定する場合において、自装置直近から返ってくる反射波をも捕らえて濁度を測定することのできる音響式懸濁物質濃度測定装置を提供することである。

本発明の請求項１による音響式懸濁物質濃度測定装置は、測定用音波を被測定媒質中に出力する送信器と、前記被測定媒質による前記測定用音波の反射波を入力とする受信器とを含み、前記受信器に入力される反射波の強度によって前記被測定媒質中の懸濁物質の濃度を測定する音響式懸濁物質濃度測定装置であって、前記送信器と前記受信器とが分離して構成されていることを特徴とする。このように、送信器と受信器とを分離した構成を採用することにより、反射波を捕らえることができないブランク領域を小さくすることができる。このため、装置直近をも測定でき、計測範囲を広くすることができる。

本発明の請求項２による音響式懸濁物質濃度測定装置は、請求項１において、前記送信器は水中に超音波を送信する送信器として機能するトランスデューサであり、前記受信器は水中からの反射波を受信する受信器として機能するトランスデューサであることを特徴とする。超音波送信用のトランスデューサと反射波受信用のトランスデューサとを分離した構成を採用することにより、装置直近をも測定でき、計測範囲を広くすることができる。

超音波の減衰・散乱を用いて水中の懸濁物質濃度を測定する場合において、超音波送信用の送信器と反射波受信用の受信器とを分離した構成を採用することにより、装置直近をも測定でき、計測範囲を広くすることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（送受一体型と送受分離型）
上述したように、送受信一体型では超音波を発振している時間帯にトランスデューサ直近から返ってくる反射波を捕らえることができないため、「ブランク領域」が大きくなってしまう。そこで、発明者は、送信器と受信器とが一体化された（送受一体型）トランスデューサと、送信器と受信器とが分離された（送受分離型）トランスデューサとを用いてそれぞれ測定し、ブランク領域の短縮化について比較を行った。

図１（ａ）は送受分離型の音響式懸濁物質濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。同図において、送受分離型の音響式懸濁物質濃度測定装置は、水中に超音波を送信する送信器として機能するトランスデューサ１０１ａと、水中からのエコーを受信する受信器として機能するトランスデューサ１０１ｂと、トランスデューサ１０１ａを駆動するトランスデューサ駆動回路１０２と、トランスデューサ１０１ｂで受信したエコーを電気信号に変換するトランスデューサ受信回路１０３と、トランスデューサ受信回路１０３の出力信号をディジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータ１０４と、装置各部を制御するマイクロコンピュータ（マイコン）１０５と、測定データなどを記憶するデータメモリ（ＲＡＭ）１０６と、装置を制御するプログラムなどが予め記憶されているプログラムメモリ（ＲＯＭ）１０７と、測定データを表示する表示装置１０８とを含んで構成されている。

一方、同図（ｂ）は送受一体型の音響式懸濁物質濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。同図に示されている送受一体型の音響式懸濁物質濃度測定装置の構成が同図（ａ）に示されている送受分離型の音響式懸濁物質濃度測定装置と異なる点は、単一のトランスデューサ１０１が設けられており、このトランスデューサ１０１が送信用及び受信用に共通に用いられる点である。送信用及び受信用に用いられるため、図示せぬ切替器が設けられることもある。

（計測時の設定値）
計測の際に設定した、トランスデューサの出力、パルス数の値が、図２に示されている。すなわち、送受一体型トランスデューサの発振周波数は２００ｋＨｚ、出力は１３６Ｗ、４５Ｗ、１５Ｗ、４．２Ｗ、１．５Ｗ、０．５５Ｗ、０．１８Ｗ、パルスは２２波（０．１１ｍｓ）、として測定した。また、送受分離型トランスデューサの発振周波数は２００ｋＨｚ、出力は４．３Ｗ、パルスは１２８波（０．６４ｍｓ）、６４波（０．３２ｍｓ）、３２波（０．１６ｍｓ）、１６波（０．０８ｍｓ）、として測定した。
発明者は、音響式懸濁物質濃度測定装置を船舶に取り付けて測定した。最初に、ＳＳと濁度との相関図を作成するための採水を実施し、以後は濁度計測によりＳＳを推定することとした。ＳＳと濁度との相関関係が図３に示されている。以後は、同図中の相関式により濁度をＳＳに換算して解析に用いた。

（ブランク領域）
図４は、送受一体型のトランスデューサを用いた実験結果の一例を示す図であり、（ａ）は低濃度時の反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図、（ｂ）は高濃度時反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図である。図５は送受分離型のトランスデューサを用いた実験結果の一例を示す図であり、（ａ）は低濃度時の反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図、（ｂ）は高濃度時反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図である。

これらの図において、反射強度が５〜７ｍ付近で急上昇しているのは、河床からの反射である。また、超音波が捉えた河床とＳＳ（濁度計）の最深部の位置が一致していないが、計測中に船が流されるとすぐに水深が１ｍ程度ずれてしまうためである。図４（ａ）を参照すると、ＳＳが全層でほぼ一様の１００ｍｇ／Ｌ程度となっており、反射強度も弱い。これに対して図４（ｂ）を参照すると、ＳＳが５０００ｍｇ／Ｌになっており反射強度も強くなっている。また反射強度の鉛直分布は、表層で飽和状態であるが一旦０Ｖまで低下し、水深２．５ｍでピークを迎えてから距離減衰が生じている。一方、図５を参照すると、反射強度が水面付近で飽和してそのまま距離減衰している。
以上より、２００ＫＨｚの超音波はＳＳ濃度に反応しており、送受一体型ではブランク領域が水深２．５ｍまでとなっているのに対して、送受分離型では水深０．５ｍである。したがって、送信器と受信器とを分離した構成を採用することで水面付近まで計測が可能になることが確かめられた。

（発振出力がＳＳ応答特性に及ぼす影響）
最初にパルス数を２２波に固定して、出力を１３６Ｗから０．１８Ｗまで７段階に変化させて測定した。水深は２．５ｍとした。反射強度とＳＳ濃度との関係を出力別に整理した結果が図６に示されている。同図においては、式（１）を用いて、反射強度を、ある電圧を基準にして相対的なデシベル値（ｄＢ）で表している。
Ｅｃｈｏ＝２０ｌｏｇ（ＭＶ／ＢＶ） （１）
式（１）において、Ｅｃｈｏは反射強度（ｄＢ）、ＭＶは測定電圧（ｍＶ）、ＢＶは基準電圧（ｍＶ）であり、送受一体型では基準電圧を５０ｍＶ、送受分離型では基準電圧を１０ｍＶとした。なお、以後の表示は全てデシベル値である。

同図を参照すると、出力１５Ｗ以上ではＳＳが１０００ｍｇ／Ｌを越える状態で反射強度が飽和していることがわかる。出力が強すぎると水中の懸濁物が多い状況ではノイズと化してしまい、反射強度の差異を判別できなくなる。出力４．２Ｗ以下ではそれぞれに相関性が見られるが、出力が下がると相関性がグラフの左側にシフトしてゆく。これは低出力では低濃度時の反応が弱く、検出が困難になることを示している。
したがって、２０００ｍｇ／Ｌを下回る低濃度状態を判別するには高出力が適しており、高濃度状態を判別するには低出力が適している。ただし、２０００ｍｇ／Ｌを越える超高濃度状態では出力が低すぎると音波が透過しない。これらを総合して考えると、数百〜数万ｍｇ／ＬのＳＳを検出するには、１〜５Ｗ程度が適していると考えられる。

（パルス幅がＳＳ応答特性に及ぼす影響）
上記の結果を受けて、出力を４．３Ｗに固定し、パルス数を可変とした実験を行った。水深は２．５ｍとした。反射強度とＳＳとの関係をパルス数別に整理した結果が図７に示されている。同図を参照すると、パルス数が１６波の場合は分散が大きく、逆に１２８波では傾きが切り立っていることが分かる。これはわずかな反射強度の差が大きなＳＳの差になることであり、分解能が荒いことを表している。
他の水深でも同様の傾向が見られたが、３２波と６４波は比較的分散が小さく、距離減衰も見られており相関性が高い。ただし、２００００ｍｇ／Ｌを越える状態で相関性が線形性を保っていない。
３２波は空間分解能が約１２ｃｍ、６４波は空間分解能が約２４ｃｍであり、河川や貯水池のＳＳ鉛直分布構造を把握するには充分な分解能であるといえる。

（ＳＳ濃度の推定）
（Ａ）基礎式
水中の伝搬損失は拡散損失と減衰損失との和として表される。この点については、Robert.J.Urickによる文献「水中音響の原理」（共立出版株式会社、ＰＰ．９９〜１１０、１９７８）に記載されている。
Ｔ＝ｋｌｏｇｒ＋２αｒ （２）
式（２）において、Ｔは伝搬損失（ｄＢ）、ｒはセンサからの距離、αは吸収係数である。吸収係数は周波数が２００ｋＨｚの場合に、α＝０．０５（ｄＢ／ｍ）となる。この点については、実吉淳一、菊池喜充、能本乙彦による文献「超音波技術便覧」（日刊工業新聞社、ＰＰ．１６８、１９６０）に記載されている。
また、音響反射強度とＳＳ濃度の関係について、伝搬損失を考慮した式は次のようになる。
１０ｌｏｇＣ＝Ｉ−Ｂ＋Ｔ （３）
式（３）において、ＣはＳＳ濃度、Ｉは反射強度、Ｂは基準音圧である。

（Ｂ）計算結果
先述した分析結果から、超音波センサとして次の組み合わせを選定した。すなわち、送受分離型のトランスデューサを用い、その周波数は２００ｋＨｚ、出力は４．３Ｗ、パルス数は３２波、とした。
この条件におけるＳＳと反射強度との関係を距離別にプロットしたものが図８に示されている。同図により、相関式は次のようになった。
１０ｌｏｇＣ＝Ｉ＋８＋３０ｌｏｇｒ＋２×０．０５ｒ （４）
この式（４）を用いて、実験で得た反射強度の全データをＳＳに換算した結果、反射強度によるＳＳの推定結果として図９及び図１０が得られた。図９は時系列図に相当するものである。同図には、およそ１５分間隔で計測した結果が並べられている。なお、水深は２．８５ｍである。図１０は、鉛直分布図であり、様々な濃度の例が示されている。

いずれも多少の例外を除けば１０００〜２５０００ｍｇ／Ｌの広い範囲で再現性が良い。ただし、ＳＳ換算値の鉛直分布は実測値に比べて変動が大きい、実測値は、濁度計表示部の数値を約１分間目視して平均しているため大雑把であるが、音響計測は１０秒の機械的な平均であるから、むしろ反射強度による換算値が実際の濃度変動をよく表していると考えられる。
（まとめ）
以上により、送受信一体型ではブランク領域は２．５ｍある。これに対し、分離型ではブランク領域は０．５ｍであり、ブランク領域を小さくすることができる。

本発明は、超音波の減衰・散乱を用いて水中の懸濁物質濃度を測定する場合に利用できる。

（ａ）は送受分離型の音響式懸濁物質濃度測定装置の構成例を示すブロック図、（ｂ）は送受一体型の音響式懸濁物質濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。 計測の際に設定した、トランスデューサの出力、パルス数の値を示す図である。 ＳＳと濁度との相関関係を示す図である。 送受一体型のトランスデューサを用いた実験結果の一例を示す図であり、（ａ）は低濃度時の反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図、（ｂ）は高濃度時反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図である 送受分離型のトランスデューサを用いた実験結果の一例を示す図であり、（ａ）は低濃度時の反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図、（ｂ）は高濃度時反射強度及びＳＳの鉛直分布の例を示す図である。 反射強度とＳＳ濃度との関係を出力別に整理した結果を示す図である。 反射強度とＳＳとの関係をパルス数別に整理した結果を示す図である。 ＳＳと反射強度との関係を距離別にプロットした結果を示す図である。 反射強度によるＳＳの推定結果を時系列に並べて示した図である。 反射強度によるＳＳの推定結果の鉛直分布を示した図である。 ＡＤＣＰの原理を示す図である。

符号の説明

１０１、１０１ａ、１０１ｂ トランスデューサ
１０２ トランスデューサ駆動回路
１０３ トランスデューサ受信回路
１０４ Ａ／Ｄコンバータ
１０５ マイクロコンピュータ
１０６ データメモリ
１０７ プログラムメモリ
１０８ 表示装置

Claims (2)

1. 測定用音波を被測定媒質中に出力する送信器と、前記被測定媒質による前記測定用音波の反射波を入力とする受信器とを含み、前記受信器に入力される反射波の強度によって前記被測定媒質中の懸濁物質の濃度を測定する音響式懸濁物質濃度測定装置であって、前記送信器と前記受信器とが分離して構成されていることを特徴とする音響式懸濁物質濃度測定装置。
2. 前記送信器は水中に超音波を送信する送信器として機能するトランスデューサであり、前記受信器は水中からの反射波を受信する受信器として機能するトランスデューサであることを特徴とする請求項１記載の音響式懸濁物質濃度測定装置。

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