JP2014528582A - クランプオン型超音波濃度測定システム及び方法 - Google Patents

クランプオン型超音波濃度測定システム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】クランプオン型超音波濃度測定システム及び方法を提供すること。
【解決手段】測定対象流体が流れる配管の外壁に取り付けられ、壁面を透過して超音波を送受信する超音波センサー部と、前記超音波センサー部で超音波が配管、測定対象流体、配管を通過して受信される超音波の強さに基づいて濃度を測定する濃度測定装置とを含んでなり、 現場の運転パターンに従って前記超音波センサー部と前記濃度測定装置を用いて実時間にて濃度の変化を測定するRTモード段階と、工程診断モニタリング結果に基づいて、工程が運転中のときにのみ自動的に前記超音波センサー部と前記濃度測定装置を用いて濃度の変化を測定するPMモード段階で行われる。超音波送信用センサーと超音波受信用センサー間の時間差を用いた流速の測定が可能であり、センサーをスラッジから保護して誤作動なしで長期間使用可能であり、センサーのメンテナンスの際に使用されるバイパス管が不要であって設計費が節減されるうえ、工程を中断することなく製品の設置及びメンテナンスが可能であり、PCMアルゴリズムを介して配管内の工程運転状態に応じて周辺機器を制御することにより自動運転が可能であって、工程運転効率を極大化させながら現場の運転パターンに従って濃度測定の自動制御が可能である。
【選択図】図3

Description

本発明は、クランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法に係り、さらに詳しくは、配管の外壁に超音波センサー部を取り付け、工程診断モニタリング(PCM)機能を搭載した濃度測定装置を介して工程の運転状態及び流動環境の変化に応じて信頼性のある濃度測定が可能なクランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法に関する。

一般に、超音波濃度測定装置は、各種水処理現場、たとえば浄水場、下水処理場、汚廃水処理場などで沈澱し或いは配管内を液体と共に流動する各種スラッジの濃度を実時間で測定する計測器である。
図1は従来の技術によって配管の内部に挿入される超音波濃度測定装置の構成を示す図である。
図1に示すように、従来の超音波濃度測定装置10は、測定に用いられる超音波センサーが配管1の内部に挿入されるもので、超音波送信用センサー11から放射された超音波が、流体(試料水)を通過しながら、流体に含まれた不純物や異物、浮遊物質などによる散乱、吸収などにより減衰を経た状態で超音波受信用センサー12で受信され、この受信された超音波の強さに基づいて濃度を測定する。
ところが、従来の超音波濃度測定装置10は、超音波送信用センサー11及び超音波受信用センサー12のメンテナンス(センサーの取替或いは洗浄)を目的としてセンサーを分離しなければならない場合、濃度測定装置10の前後端に設置されたバルブを閉め、バイパスバルブを開くことにより流体が濃度測定装置10を迂回して流れるようにした後に取り替えなければならない。
それ故に、濃度測定装置10以外にも、さらにバイパス配管とバルブなどを共に設置しなければならないため、設置費用が高くなるうえ、設置空間にも制約があるという問題点がある。

また、超音波送信用センサー11及び超音波受信用センサー12の全面が、内部を流れる流体に直接接触するから、長期間流速が非常に遅い場合または濃度が非常に高い場合、センサーの全表面に固形物の種類及び特性によってスラッジが付着する現象が発生してセンサーの感度が低下するので、周期的にセンサーを洗浄しなければならないという煩わしさがある。
これは、測定対象流体には濃度測定の対象となる浮遊固形物の他に各種汚物が共存することにより、挿入された超音波送信用センサー11及び受信用センサー12の毀損可能性が高くなるためである。

そこで、本発明の目的は、配管の外壁に高感度の超音波センサーを取り付けることにより、超音波センサーにスラッジが固着して発生する誤作動を防止し、超音波センサーをスラッジから保護して誤作動なしで長期間使用可能であり、超音波センサーのメンテナンスの際に使用されるバイパス管が不要であって設計費が節減されるうえ、工程を中断することなく製品の設置またはメンテナンスが可能なクランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、工程運転状態及び流動環境の変化を感知することが可能なPCMアルゴリズムを搭載して配管内の工程状態に応じて周辺機器を制御するので、自動運転が可能であって工程運転効率を極大化することが可能なクランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るクランプオン型超音波濃度測定システムは、測定対象流体が流れる配管の外壁に取り付けられ、壁面を透過して超音波を送受信する超音波センサー部と、前記超音波センサー部で超音波が配管、測定対象流体、配管を通過して受信される超音波の強さに基づいて濃度を測定する濃度測定装置とを含んでなることを特徴とする。

この際、前記超音波センサー部は、前記配管の一側の外壁に設置され、流体を透過する超音波を送信する超音波送信用センサーと、前記配管の他側の外壁に設置され、前記超音波送信用センサーで送信する超音波を受信する超音波受信用センサーとから構成されたことを特徴とする。
前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーは、超音波を送信/受信する圧電素子と、前記センサーの残余振動を減少させる吸音材と、前記圧電素子を保護しながら測定対象流体とのインピーダンスマッチングを介して媒質(センサーと配管)間の超音波伝達特性を極大化させる音響窓と、前記センサーの外部環境に対する保護、防水及びノイズ遮蔽構造に形成された外部ハウジングと、前記濃度測定装置に電気的に接続されるコネクターとから構成されたことを特徴とする。
前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーは、前記センサーを収容するセンサーホルダーと、前記センサーホルダーを収容しながら配管に設置される外部ケーシングとを含むことを特徴とする。
前記外部ケーシングは、前記センサーの位置が固定される手錠型、前記センサーの位置 が固定されるクランプ型、及び前記センサーの位置が可変するサドル型のうちいずれか一つのタイプであることを特徴とする。
前記外部ケーシングは、前記配管に最初設計時の外部ケーシングを整列させるケーシングガイドを使用することを特徴とする。
前記センサーホルダーは前記外部ケーシングに枢支され、前記センサーは回転可能であり、センサーの放射面の形態に応じて配管に対して任意の角度をなすように形成されたことを特徴とする。
一方、前記濃度測定装置は、濃度測定時の運転、メニュー設定及び結果出力のために操作される操作スイッチと、前記超音波センサー部で送受信される超音波信号を増幅して高出力送信及び高利得受信が可能なセンサー送受信部と、PCM(Process Condition Monitoring)アルゴリズムを搭載して現場に合う濃度測定モードを実現し、工程の異常有無を判断すると同時に濃度の測定に関連した操作及び制御を行う制御部と、前記制御部及び前記センサー送受信部で必要とする電源を供給する電源部と、前記制御部で測定された濃度を外部へ出力する外部出力部とから構成されたことを特徴とする。
ここで、前記外部出力部は、ディスプレイ手段に接続され、数字型ディスプレイ機能、工程ディスプレイ機能、診断ディスプレイ機能及びデータトレンドディスプレイ機能を提供することを特徴とする。

また、前記PCMアルゴリズムは、測定対象流体の音速を測定し、前記音速の変化を判断する音速フィルターと、測定対象流体の温度を測定し、前記温度の変化を判断する温度フィルターと、前記超音波信号を受信して信号の大きさ及び変化量を判断する信号フィルターとを含むことを特徴とする。
この際、前記PCMアルゴリズムは、前記音速フィルターを介して工程状態をチェックし、前記温度フィルターを介して工程状態及び配管状態をチェックし、前記信号フィルターを介して濃度測定の対象となる浮遊固形物(Suspended Solids、SS)の分布均一度をチェックした後、各フィルターの結果を総合して工程の運転状態を決定し、SSの分布均一度を判断して運転中に有効SS濃度の計測、工程の運転状態及び配管の充填度に関する情報を運転者に提供することを特徴とする。
また、前記PCMアルゴリズムは、現場の運転パターンに従って実時間にて濃度の変化を測定するRT(Real Time)モード、及び工程診断モニタリング(Process Condition Monitoring、PCM)結果に基づいて、工程が運転中のときにのみ自動的に濃度の変化を測定するPM(Process Monitoring)モードで測定モードを実現することを特徴とする。

一方、上記目的を達成するために、本発明に係るクランプオン型超音波濃度測定方法は、測定対象流体が流れる配管の外部に設置されて超音波を送受信する超音波センサー部を介して超音波の強さに基づいて濃度を測定する濃度測定装置で行われる超音波濃度測定方法において、現場の運転パターンに従って前記超音波センサー部と前記濃度測定装置を用いて実時間にて濃度の変化を測定するRT(Real Time)モード段階と、工程診断モニタリング(Process Condition Monitoring、PCM)結果に基づいて、工程が運転中のときにのみ自動的に前記超音波センサー部と前記濃度測定装置を用いて濃度の変化を測定するPM(Process Monitoring)モード段階とを含んでなることを特徴とする。

この際、前記PMモード段階は、前記測定対象流体の温度及び音速、濃度測定の対象となる浮遊固形物(SS)の分布均一度(EEA)を測定する段階と、前記超音波センサー部で受信される超音波信号と温度信号をフィルタリングし、現在測定されている測定値の有効性を判断し、前記測定値が有効でない場合には温度、音速及びEEA値を測定する段階と、前記段階で測定された現在の音速測定値が基準音速を超えかつ現在の温度測定値が第1基準温度を超える場合には、非満管及び工程中断と測定する段階と、前記段階で測定された現在の音速測定値が基準音速を超えかつ現在の温度測定値が第1基準温度以下である場合には、満管及び工程中断と測定する段階と、前記段階で測定された現在の音速測定値が基準音速以下でありかつ現在の温度測定値が第1基準温度以下である場合には、工程運転の判定回数をカウントする段階と、前記工程運転の判定回数が工程運転の判定基準数以上である場合には有効な過去の測定値を維持し、前記工程運転の判定回数が工程運転の判定基準数未満でありかつ現在の温度測定値が第2基準温度を超える場合には、有効な過去の測定値を維持する段階と、前記工程運転の判定回数が工程運転の判定基準数未満でありかつ現在の温度測定値が第2基準温度以下でありかつPMの状態変数が「0」でない場合には、満管及び工程運転と測定する段階と、前記で測定されたEEA値をリセットし、測定EEA間の変化程度(d(EEA))が基準EEA未満である場合には有効な過去の測定値を維持し、前記d(EEA)が基準EEA以上である場合にはPMモードを終了する段階とから構成されたことを特徴とする。

上述したようなクランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法によれば、配管の外壁に取り付ける超音波センサー部を用いて超音波送信用センサーと超音波受信用センサー間の時間差を用いた流速測定が可能であり、センサーをスラッジから保護して誤作動なしで長期間使用可能であり、センサーのメンテナンスの際に使用されるバイパス管が不要であって設計費が節減されるうえ、工程を中断することなく製品の設置及びメンテナンスが可能であるという効果がある。
また、本発明によれば、超音波送信用センサーと超音波受信用センサーは現場設置及び移設が簡便であり、設置構造が安定的であり、外部ノイズのセンサーへの伝達遮断及び製品の機能拡大ができるフレキシブルな構造的設計によって使用者の便宜性を極大化するうえ、周辺配管の振動に影響されない安定な測定が可能であるという効果もある。
また、本発明によれば、配管内の工程運転状態に応じて周辺機器を制御することにより自動運転が可能であって工程の運転効率を極大化することが可能なPCMアルゴリズムを介して現場の運転パターンに従って濃度測定の自動制御が可能となり、それによりスラッジ排出量の減少、無駄なスラッジ処理ポンプ使用の減少による省エネルギーに寄与することができ、処理過程で正確なスラッジ濃度の測定によって剰余の化学的処理を予防することができるという効果がある。
また、本発明によれば、排出された汚染物質の濃度測定によって汚染物質の正確な総量測定も可能であって、汚染物質の実質有害程度を考慮した管理システムの構築を可能とするという効果もある。

従来の技術によって配管の内部に挿入される超音波濃度測定装置の構成を示す説明図 本発明の実施形態に係るクランプオン型超音波濃度測定システムの設置状態を示す説明図 本発明の実施形態に係るクランプオン型超音波濃度測定システムの全体構成を示す説明図 本発明の実施形態に係る超音波センサー部のセンサーの内部構成を示す説明図 本発明の実施形態に係る超音波センサー部の信号伝送経路を示す説明図 本発明の実施形態に係る外部ケーシングの様々な形態を示す説明図 本発明の実施形態に係る超音波センサー部のセンサー取付構造を示す説明図 本発明の実施形態に係る濃度測定装置の内部構成を示すブロック図 本発明の実施形態に係るPCMアルゴリズムの動作原理を示す概念図 本発明の実施形態に係るクランプオン型超音波濃度測定方法を示すフローチャート 本発明の実施形態に係る数字型ディスプレイの表示画面を示す説明図 本発明の実施形態に係る工程ディスプレイの表示画面を示す説明図 本発明の実施形態に係るデータトレンドディスプレイの表示画面を示す説明図 本発明の実施形態に係る診断ディスプレイの表示画面を示す説明図

本発明は、様々な変更を加えることができ、様々な実施形態を有することができるもので、以下、本発明の特定の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、これらの実施形態は本発明を限定するためのものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる変更、均等物及び代替物はいずれも本発明に含まれる。各図面を説明しながら、類似した参照符号を類似した構成要素に対して使用した。
本出願において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味を表さない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はそれらの組み合わせが存在することを示すものであり、1つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はそれらの組み合わせの存在又は付加の可能性を予め排除するものではない。
別途定義されていない限り、技術的又は科学的な用語を含めてここで使用される全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に一般的に理解されるものと同様の意味を有する。一般に使用される辞書に定義されている用語は、関連技術の文脈上持つ意味と同じ意味を持ち、本出願において明らかに定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味には解釈されない。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態をより詳細に説明する。
図2〜11を参照すると、本発明の実施形態に係るクランプオン型超音波濃度測定システムは、測定対象流体が流れる配管50の外壁に取り付けられ、壁面を透過して超音波を送受信する超音波センサー部100と、前記超音波センサー部100で超音波が配管50、測定対象流体、配管50を通過して受信される超音波の強さに基づいて濃度を測定する濃度測定装置200とを含んでなるが、これに限定されるものではない。
また、前記超音波センサー部100は、前記配管50の一側の外壁に設置され、流体を透過する超音波を送信する超音波送信用センサー110と、前記配管50の他側の外壁に設置され、前記超音波送信用センサー110で送信される超音波が流体を通過するとそれを受信する超音波受信用センサー120とから構成される。

この際、前記超音波送信用ンサー110及び超音波受信用センサー120はセンサー搭載キット115に安定的に搭載できる。
また、前記超音波送信用センサー110及び超音波受信用センサー120は、センサーの核心要素であって感度決定主因子であり、超音波を送信/受信する圧電素子101と、リンギング(ringing)特性、使用周波数幅及びセンサーの感度に影響を与え、前記センサーの残余振動を減少させる吸音材102と、前記圧電素子101を保護しながら測定対象流体とのインピーダンスマッチングを介して媒質(センサーと配管)間の超音波伝達特性を極大化させる音響窓103と、前記センサー110、120の外部環境に対する保護、防水及びノイズ遮蔽構造に形成された外部ハウジング104と、前記濃度測定装置200に電気的に接続されるコネクター105とから構成される。
特に、前記音響窓103は、音響整合に影響を与え、センサー110、120の運用効率を決定する要素であるから、耐腐食性及び伝達効率などの運用環境を考慮して選定しなければならない。そして、前記コネクター105は防止構造を持つように設計されることが好ましい。
このように、前記超音波送信用センサー110及び超音波受信用センサー120は、挿入式センサーに比べて感度に多く影響されるので、一般な圧電素子とは異なり、高感度の圧電体或いは高性能のセンサー送受信部210の開発が求められる。

すなわち、図5に示すように、一般な超音波センサーは、PZT圧電体を主に使用して空気中または水中で所望の物理量を測定するが、クランプオン式の前記超音波送信用センサー110及び超音波受信用センサー120は、超音波送信用センサー110で送信された超音波が配管50→測定対象流体→配管50を通過した後、超音波受信用センサー120に伝達される特性を持っているので、経路を構成する物質が多様であり、それぞれの経路を通過する過程中の信号の減衰も激しいから、安定な測定のために高感度の圧電体或いは高性能のセンサー送受信部210の開発が求められる。
このような前記超音波送信用センサー110及び超音波受信用センサー120の取付構造は、測定の信頼性を保障するために配管50に安定的に設置されればならず、設置及び移設が簡便でなければならないうえ、外部ノイズのセンサーへの伝達を遮断し、設置構造が安定的でなければならない。
このようなセンサー110、120の取付構造を満足することができるように設置が容易でセンサーの位置が固定式である手錠型、設置固定の信頼性が高くセンサーの位置が固定式であるサドル型、及び設置が容易で設置固定の信頼性が高くセンサーの位置が可変式であるクランプ型のうちいずれか一つのタイプの取付構造を持つ。

特に、サドル型取付構造は、図7に示すように、前記センサーを収容するセンサーホルダー106と、前記センサーホルダー106を収容しながら配管50に設置される外部ケーシング107と、最初設計時の外部ケーシング107を整列させるケーシングガイド108とから構成される。
また、前記センサーホルダー106及び前記外部ケーシング107は、水処理現場で存在する腐食性ガスまたは汚水による汚染及び腐食を防止することができるようにステンレス鋼で製作され、軽量設計によって保管または運搬の便宜性を極大化する。
この際、前記センサー110、120と配管50との円滑な接触のために、外部ケーシング107にセンサーホルダー106を枢着し、配管の平滑度、及び追加装備の取付を可能とする機能拡張を考慮して設計される。また、前記センサーホルダー106は、回転可能に製作され、挿入されるセンサー110、120の放射面の形態に応じて自動的に配管に対して任意の角度をなすようになっており、設置の便宜性を極大化する。

一方、前記外部ケーシング107は、図6に示すように、センサーの取付構造によって手錠型、クランプ型及びサドル型のうちいずれか一つのタイプになる。
前記濃度測定装置200は、図8に示すように、前記超音波センサー部100で送受信される超音波信号を増幅して高出力送信及び高利得受信が可能なセンサー送受信部210と、PCM(Process Condition Monitoring)アルゴリズムを搭載して現場に合う測定モードを実現し、工程の異常有無を判断すると同時に濃度の測定に関連した操作及び制御を行う制御部220と、前記制御部220及び前記センサー送受信部210で必要とする電源を供給する電源部230と、前記制御部220で測定された濃度を外部へ出力する外部出力部240と、前記外部出力部240を介して連結され、数字型ディスプレイ機能、工程ディスプレイ機能、診断ディスプレイ機能及びデータトレンドディスプレイ機能を提供するディスプレイ手段250と、各種システムの状態を表示するLED260とから構成されるが、これに限定されない。
すなわち、前記濃度測定装置200は、運転、メニュー設定及び結果出力のために管理者により操作される操作スイッチ(図示せず)が備えられ、前記超音波センサー部100で送信/受信される信号の増幅及びフィルタリングのための信号増幅機能と、最大400日間の測定値をデータ格納部225に格納することが可能なデータロギング機能などを含む。
また、前記制御部220は、PCMアルゴリズムの他にも、受信信号定量化のためにエンベロープエネルギー平均化法(EEAM)アルゴリズムを搭載する。

一方、図9を参照すると、前記PCMアルゴリズムは、測定対象流体の音速を測定し、前記音速の変化を判断する音速フィルター310と、測定対象流体の温度を測定し、前記温度の変化を判断する温度フィルター320と、前記超音波信号を受信して信号の大きさ及び変化量を判断する信号フィルター330とを含む。
したがって、前記PCMアルゴリズムは、前記音速フィルター310を介して工程状態をチェックし、前記温度フィルター320を介して工程状態及び配管状態をチェックし、前記信号フィルター330を介して濃度測定の対象となる浮遊固形物(SS)の分布均一度をチェックした後、各フィルターの結果を総合して工程の運転状態(run/stop)を決定し、SSの分布均一度を判断して運転中に有効SS濃度の計測、工程の運転状態(Run/Stop)及び配管の充填度(Full/Empty)に関する情報を運転者に提供することができる。
このように、前記PCMアルゴリズムは、受信される超音波信号と温度信号を各種フィルター310、320、330を介してフィルタリングすることにより、現在測定されている値の有効性有無を判断し、基準に符合する値のみを選択的に測定に使用することにより、工程状態に適した濃度を測定して製品の信頼性及び安定性を極大化することができる。
また、前記PCMアルゴリズムは、現場の運転パターンに従って実時間にて濃度の変化を測定するRT(Real Time)モード段階と、工程診断モニタリング(Process Condition Monitoring、PCM)結果に基づいて、工程が運転中のときにのみ自動的に濃度の変化を測定するPM(Process Monitoring)モード段階で濃度測定モードを実現する。

このようなPMモード段階は、図10に示すように、前記音速フィルター310、温度フィルター320及び信号フィルター330を介して前記測定対象流体の温度及び音速、濃度測定の対象となる浮遊固形物(SS)の分布均一度(EEA)値を測定する(S101)。
前記超音波センサー部100で受信される超音波信号と温度信号をフィルタリングすることにより、現在測定されている測定値の有効性を判断し(S102)、前記測定値が有効である場合は非満管(Empty)及び工程中断(Stop)と測定されるが(S103)、前記測定値が有効でない場合は温度(Ti)、音速(Si)及びEEAiを測定する(S104)。
前記段階(S104)で測定されたSiが基準音速(S基準)を超えかつTiが第1基準温度(T基準1)を超える場合は、非満管及び工程中断と測定する(S105、S106、S107)。
ところで、前記段階(S104)で測定されたSiが基準音速(S基準)を超えかつTiが第1準温度(T基準1)以下である場合は、満管及び工程中断と測定する(S105、106、108)。

一方、前記段階(S104)で測定されたSiが基準温度(S基準)以下でありかつTiが第1基準温度(T基準1)以下である場合は、工程運転の判定回数(Count_R)をカウントし(S109、S110)、前記工程運転の判定回数(Count_R)が工程運転の判定基準数(CR)以上である場合は、有効な過去の測定値を維持する(S111、S112)。
ところで、前記工程運転の判定回数(Count_R)が工程運転の判定基準数(CR)未満でありかつ現在Tiが第2基準温度(T基準2)を超える場合は、有効な過去の測定値を維持する(S113、S112)。
ところが、前記Tiが第2基準温度(T基準2)以下でありかつPMの状態変数が「0」でない場合は、満管及び工程運転と測定し、PMの状態変数を「1」に変更する(S114、S115)。
そして、前記で測定された工程モード上のEEA値をリセットし、測定EEA間の変化程度(d(EEA))が基準EEA未満である場合は、有効な過去の測定値を維持するが(S116、S117)、前記d(EEA)が基準EEA以上である場合は、PMモードを終了する。
この際、前記S基準は工程の運転/中断(Run/Stop)判定の基準音速であって、工程の運転パターンに従って自動調整される。前記T基準1は工程の運転/中断、配管の満管/非満管判定の基準温度であり、前記T基準2は有効EEA選定の基準温度であり、前記T基準1及びT基準2は工程の運転パターンに従って自動調整される。
前記EEA基準はEEAの過度な変化を防止する基準であって、現場経験値を活用し、PM_IDはPM状態変数(1:運転、0:中断)を示す。

一方、前記ディスプレイ手段250は、図11a〜11dに示すように、使用者の便宜のためにグラフィックLCDを使用して4種のビジュアルスクリーンモード(Visual Screen Mode)、すなわち数字型ディスプレイ、工程ディスプレイ、診断ディスプレイ及びデータトレンドディスプレイを提供している。
まず、前記数字型ディスプレイは、測定に関連した基本的な情報、たとえば現在時間、濃度(SS)、濃度単位(%)、温度及び電流出力値などを提供する。前記工程ディスプレイは、現在の濃度値(SS%)と現在の測定モードを表示する。現在の測定モードを、RTモードの場合にはR、PMモードの場合にはPとそれぞれ表示し、工程の状態に関する情報である工程運転中(Run)、工程中断(Stop)を示し、配管内の充填度に関する情報である満管状態(Full)、非満管状態(Empty)を示す。
前記データトレンドディスプレイは、制御部220の内部に格納された測定値(時間/スラッジ密度)を現場で直ちにグラフとして示すが、グラフで表示する値はデータロギング間隔によって定められる時間軸と濃度軸である。
また、前記診断ディスプレイでは、送信パルス数、センサー送受信強度、基準EEA値、実時間及び工程EEA値、測定モード、配管状態、並びに工程現況などを一括的に示す。
この際、前記診断ディスプレイで表示される情報のうち、送受信強度は現在センサー110、120の送受信強度(N:送信パルス数、Tx:送信強度、Rx:受信強度)を表示し、基準EEAは設定されたEEA値(0%EEA:0%のEEA値、8%EEA:8%または20%のEEA値)を表示し、測定EEAは測定モード別の現在のEEA値(P.EEA:工程モード上のEEA値、R.EEA:実時間モード上のEEA値)を表示し、現在適用されている測定モード(RT:実時間モード、PM:工程診断モード)を表示し、配管状態は配管内の充填度(Full:満管、Empty:非満管)を表示し、工程現況は工程の運転状態(Run:工程運転、Stop:工程中断)を表示する。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るクランプオン型超音波濃度測定システムの動作についてより具体的に説明する。

本発明の実施形態に係るクランプオン型超音波濃度測定システムは、濃度測定用超音波センサー部100が配管50の外壁に取り付けられ、運転者及び使用者の便宜性が極大化される。前記超音波センサー部100は構造的雑音を絶縁し、軽量化設計を行う。
また、濃度測定装置200は、ハードウェア的に超音波信号の送信及び受信増幅、高出力送信及び高利得受信が可能であり、高利得低雑音受信増幅が可能なセンサー送受信部210と、濃度の測定に関連した操作及び制御、センサーの送受信制御、メニュー方式の操作、パラメータのセット及び測定値データロギングのための制御部220と、電源部230と、データ貯蔵部225とを含んでなる。
この際、前記制御部220は、測定対象流体を介して受信された超音波信号を活用して濃度を測定し、これをPCMアルゴリズムで分析して制御可能な有効測定値を計算し、外部出力部240を介して外部へ出力する。
したがって、前記制御部220は、信号の送受信増幅、信号の有効性判断及び最終濃度を計算して使用者所望の出力形態(アナログ出力、デジタル出力及びリレー出力)に測定結果を加工する機能も行う。

前記濃度測定装置200は、ソフトウェア的に現場に合う測定モードを実現して工程異常有無を判断し、信頼性のある濃度測定を可能とするPCMアルゴリズムを搭載する。
前記PCMアルゴリズムは、工程の進行状態(Run/Stop)、配管の充填度(満管/非満管)を判断して工程が進行中のときにのみ濃度を測定し、現場で必要とする信頼性のある濃度を測定することができるようにする役割を果たし、運転者及び使用者に配管50の充填度を判断し、警報を知らせることにより、工程の異常有無の判断に活用するようにする。
このように、超音波濃度測定システムにPCMアルゴリズムを適用すると、現場の運転パターンに適した最適な濃度の測定が可能であり、一般な水処理現場の場合、工程は周期性を有する現場(日単位で運転時間と停止時間が定められた現場)、24時間運転する現場、及び工程の周期性がない現場(必要に応じて短時間のみ運転する現場)に区分することができ、個別現場の特性に合う測定モードを実現することができる。
すなわち、前記PCMアルゴリズムは、実時間測定モード(RT)と工程診断運転モード(PM)の中から、現場に適した測定モードを選択する。
一方、前記超音波センサー部100は、配管50の外壁に取り付けるために既存の挿入式超音波センサーより高い感度を持つようにPMNPT単結晶を適用し、既存の超音波センサーに使用されるPZTより4〜5倍の感度向上を実現することができる。
また、前記超音波センサー部100は、現場設置及び移設が簡便な取付構造を手錠型、サドル型及びクランプ型のうちいずれか一つのタイプに選択することにより、使用者の便宜性を極大化し、周辺配管の振動に影響されない安定的な測定を可能とする。

したがって、本発明は、水処理関連環境事業の成長に伴って環境改善が世界的な問題として台頭している状況で、総体的な廃水、下水の汚染を減らすことができるように水質浄化において非常に核心的な部分たる超音波濃度測定システムを開発することにより、水処理過程で正確なスラッジ濃度測定によって剰余の化学的処理を予め防止することができる。
その上、本発明は、現場の運転パターンに従って濃度測定の自動制御が可能となることにより工程の運用効率性を極大化させることができ、スラッジ排出量の減少、無駄なスラッジ処理ポンプ使用の減少による省エネルギーに寄与することができ、排出された汚染物質の濃度測定によって汚染物質の正確な総量測定も可能であって汚染物質の実質有害程度を考慮した管理システムを構築することができる。

以上、実施形態を参照して説明したが、該当技術分野における当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から外れない範疇内において、本発明に様々な修正及び変更を加え得る。

本発明は、クランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法に係り、さらに詳しくは、配管の外壁に高感度の超音波センサー部を取り付け、工程診断モニタリング(PCM)機能を搭載した濃度測定装置を介して工程の運転/中断及び配管の充填度を判断することにより、流動環境の変化に応じて信頼性のある濃度測定が可能であるうえ、設置及びメンテナンスが容易なクランプオン型超音波濃度測定システム及びその方法に寄与する。

50 配管
100 超音波センサー部
101 圧電素子
102 吸音材
103 音響窓
104 外部ハウジング
105 コネクター
106 センサーホルダー
107 外部ケーシング
108 ケーシングガイド
110 超音波送信用センサー
115 センサー搭載キット
120 超音波受信用センサー
200 濃度測定装置
210 センサー送受信部
220 制御部
225 データ格納部
230 電源部
240 外部出力部
250 ディスプレイ手段
310 音速フィルター
320 温度フィルター
330 信号フィルター

Claims (14)

  1. 測定対象流体が流れる配管の外壁に取り付けられ、壁面を透過して超音波を送受信する超音波センサー部と、
    前記超音波センサー部で、超音波が配管、測定対象流体、配管を通過して受信される超音波の強さに基づいて濃度を測定する濃度測定装置とを備える
    ことを特徴とするクランプオン型超音波濃度測定システム。
  2. 前記超音波センサー部は、前記配管の一側の外壁に設置され、流体を透過する超音波を送信する超音波送信用センサーと、前記配管の他側の外壁に設置され、前記超音波送信用センサーで送信する超音波を受信する超音波受信用センサーを備える
    請求項1に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  3. 前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーは、
    超音波を送信/受信する圧電素子と、
    前記センサーの残余振動を減少させる吸音材と、
    前記圧電素子を保護しながら測定対象流体とのインピーダンスマッチングを介して媒質間の超音波伝達特性を極大化させる音響窓と、
    前記センサーの外部環境に対する保護、防水及びノイズ遮蔽構造に形成された外部ハウジングと、
    前記濃度測定装置に電気的に接続されるコネクターとを備える
    請求項2に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  4. 前記超音波送信用センサー及び前記超音波受信用センサーは、
    前記センサーを収容するセンサーホルダーと、前記センサーホルダーを収容しながら配管に設置される外部ケーシングとを備える
    請求項2に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  5. 前記外部ケーシングは、前記センサーの位置が固定される手錠型、前記センサーの位置 が固定されるクランプ型、及び前記センサーの位置が可変するサドル型のうちいずれか一つのタイプである
    請求項4に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  6. 前記外部ケーシングは、前記配管に最初設計時の外部ケーシングを整列させるケーシングガイドを使用する
    請求項4に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  7. 前記センサーホルダーは前記外部ケーシングに枢支され、前記センサーは回転可能であり、センサーの放射面の形態に応じて配管に対して任意の角度をなすように形成された
    請求項4に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  8. 前記濃度測定装置は、
    濃度測定時の運転、メニュー設定及び結果出力のために操作される操作スイッチと、
    前記超音波センサー部で送受信される超音波信号を増幅して高出力送信及び高利得受信が可能なセンサー送受信部と、
    PCM(Process Condition Monitoring)アルゴリズムを搭載して現場に合う濃度測定モードを実現し、工程の異常有無を判断すると同時に濃度の測定に関連した操作及び制御を行う制御部と、
    前記制御部及び前記センサー送受信部で必要とする電源を供給する電源部と、
    前記制御部で測定された濃度を外部へ出力する外部出力部とを備える
    請求項1に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  9. 前記外部出力部は、ディスプレイ手段に接続され、数字型ディスプレイ機能、工程ディスプレイ機能、診断ディスプレイ機能及びデータトレンドディスプレイ機能を提供する
    請求項8に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  10. 前記PCMアルゴリズムは、
    測定対象流体の音速を測定し、前記音速の変化を判断する音速フィルターと、測定対象流体の温度を測定し、前記温度の変化を判断する温度フィルターと、前記超音波信号を受信して信号の大きさ及び変化量を判断する信号フィルターとを含む
    請求項8に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  11. 前記PCMアルゴリズムは、前記音速フィルターを介して工程状態をチェックし、前記温度フィルターを介して工程状態及び配管状態をチェックし、前記信号フィルターを介して濃度測定の対象となる浮遊固形物(SS)の分布均一度をチェックした後、各フィルターの結果を総合して工程の運転状態を決定し、SSの分布均一度を判断して運転中に有効SS濃度の計測、工程の運転状態及び配管の充填度に関する情報を運転者に提供する
    請求項10に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  12. 前記PCMアルゴリズムは、現場の運転パターンに従って実時間にて濃度の変化を測定するRT(Real Time)モード、及び工程診断モニタリング(Process Condition Monitoring、PCM)結果に基づいて、工程が運転中のときにのみ自動的に濃度の変化を測定するPM(Process Monitoring)モードで測定モードを実現する
    請求項8に記載のクランプオン型超音波濃度測定システム。
  13. 測定対象流体が流れる配管の外部に設置されて、超音波を送受信する超音波センサー部を介して超音波の強さに基づいて濃度を測定する濃度測定装置で行われる超音波濃度測定方法において、
    現場の運転パターンに従って、前記超音波センサー部と前記濃度測定装置を用いて実時間にて濃度の変化を測定するRT(Real Time)モード段階と、
    工程診断モニタリング(Process Condition Monitoring、PCM)結果に基づいて、工程が運転中のときにのみ自動的に前記超音波センサー部と前記濃度測定装置を用いて濃度の変化を測定するPM(Process Monitoring)モード段階とを含む
    ことを特徴とするクランプオン型超音波濃度測定方法。
  14. 前記PMモード段階は、
    前記測定対象流体の温度及び音速、濃度測定の対象となる浮遊固形物(SS)の分布均一度(EEA)を測定する段階と、
    前記超音波センサー部で受信される超音波信号と温度信号をフィルタリングし、現在測定されている測定値の有効性を判断し、前記測定値が有効でない場合には温度、音速及びEEA値を測定する段階と、
    前記段階で測定された現在の音速測定値が基準音速を超えかつ現在の温度測定値が第1基準温度を超える場合には、非満管及び工程中断と測定する段階と、
    前記段階で測定された現在の音速測定値が基準音速を超えかつ現在の温度測定値が第1基準温度以下である場合には、満管及び工程中断と測定する段階と、
    前記段階で測定された現在の音速測定値が基準音速以下でありかつ現在の温度測定値が第1基準温度以下である場合には、工程運転の判定回数をカウントする段階と、
    前記工程運転の判定回数が工程運転の判定基準数以上である場合には有効な過去の測定値を維持し、前記工程運転の判定回数が工程運転の判定基準数未満でありかつ現在の温度測定値が第2基準温度を超える場合には、有効な過去の測定値を維持する段階と、
    前記工程運転の判定回数が工程運転の判定基準数未満でありかつ現在の温度測定値が第2基準温度以下でありかつPMの状態変数が「0」でない場合には、満管及び工程運転と測定する段階と、
    前記で測定されたEEA値をリセットし、測定EEA間の変化程度(d(EEA))が基準EEA未満である場合には有効な過去の測定値を維持し、前記d(EEA)が基準EEA以上である場合にはPMモードを終了する段階とを含む
    請求項13に記載のクランプオン型超音波濃度測定方法。
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