JP3885407B2 - 汚泥濃度計 - Google Patents

Description

【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、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汚泥中の固形物濃度や浮遊物濃度を測定するプロセスに使用する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、浄水処理プラントやそれらの汚泥処理プラント等において、各工程から発生する、又は一つの工程から他の工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。
【０００３】
汚泥流量の計測には、電磁流量計や超音波ドプラー式流量計等が使用されている。これら流量計は比較的信頼性の高い測定が実現されている。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が使用されている。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繁雑であることなどから、電磁流量計と比較して信頼性等において劣っているのが現状である。
【０００４】
近年、従来の汚泥濃度計の短所を解決しょうとしたマイクロ波利用の透過位相差検出型マイクロ波式汚泥濃度計が開発され、使用されるようになって来た。このマイクロ波利用のマイクロ波式汚泥濃度計は、図５に示すように構成されている。図５において、５１は汚泥輸送管で、この汚泥輸送管５１の所定部位に対向して窓を形成する。この窓にマイクロ波発信側の濃度計検出プローブ５２と、マイクロ波受信側の濃度計検出プローブ５３を設ける。５４は両プローブ５２、５３に接続されるマイクロ波発／受信器、５５はマイクロ波の発信、受信波の位相差から、汚泥濃度を得る汚泥濃度計変換器である。
【０００５】
図５に示したマイクロ波式汚泥濃度計は、清水（濃度０％）でのマイクロ波透過波の位相遅れと、汚泥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６に示すように汚泥濃度と直線関係にあることを利用して濃度を計測するものである。なお、濃度は定数×Δθから求める。
【０００６】
図７は、上述したマイクロ波式汚泥濃度計とは検出手段が異なる反射強度検出型マイクロ波式汚泥濃度計を示す概略構成図で、図７において、７１は汚泥輸送管で、この汚泥輸送管７１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型プローブ７２を設ける。このプローブ７２は、一組のプローブからマイクロ波を発信し、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。７３はマイクロ波発／受信器で、このマイクロ波発／受信器７３で検出され発信、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７４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７２には、同軸ケーブルや導波管などのデバイスを用いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
（１）図５に示した２つのマイクロ波式汚泥濃度計は、汚泥中でのマイクロ波の透過成分の位相差を検出して汚泥濃度を計測する原理であるため、例えば、大口径の輸送管（例えばφ３５０以上）に設置した場合に、次のような問題が生じる。
【０００８】
これは輸送管を大口径にすると、受信側に到達するマイクロ波の減衰が大きくなり、位相差を検出できなくなるため、（ａ）口径を小さくしたり、（ｂ）配管を一部小口径の管で分岐（バイパス）したり、（ｃ）マイクロ波の発信出力を大きくするなどの対策が必要となる。
【０００９】
（ａ）については、ある程度までは可能であるが、限度があり、プラント設計上の許容圧力損失を越えないことが条件になる。
【００１０】
（ｂ）については、広い設置スペースが必要となり、スペースに余裕がないと設置できない場合が生じる。
【００１１】
（ｃ）については、一定の限度を超えると電波法違反になり、発信の大出力化に伴う価格上昇に加え電波法に準拠するための費用が必要となり、トータルとして高価格になる。
【００１２】
（２）図５に示したマイクロ波式汚泥濃度計は、汚泥中でのマイクロ波の透過成分の位相差を検出して汚泥濃度を計測する原理であるため、発信器、受信器が汚泥輸送管を挟んで対向配置される構成になっている。
【００１３】
このため、濃度計に故障が発生したときの対応を考慮して、発信器、受信器部分を汚泥輸送管ごと取り外すことができるように、バイパス管を設ける必要がある。従って、広い設置スペースが必要となり、スペースに余裕がないと設置できない場合が生じてしまう。また、濃度計本体の他にバイパス管の工事費用等が必要になり、トータル価格が高騰する。
【００１４】
（３）図５に示したマイクロ波式汚泥濃度計では、汚泥輸送管に発信器と受信器が対向配置されるために、送受信器を簡単に取り外すことができない。従って、汚泥濃度の化学分析値と濃度計出力の比較校正を行う場合も汚泥管内で行わざるを得ない。例えば、清水でのゼロ点校正については、汚泥をバイパス側に流し、濃度計両端のバルブを閉じ、濃度計内の汚泥を水に置き換えて測定することで、比較的校正が正確に行うことができる。
【００１５】
しかし、ある汚泥濃度でのスパン測定の校正を行う場合、ゼロ点と同様な方法では、汚泥が沈降してしまうので、正確な校正ができない。従って、スパン側の校正は、通常測定時と同様に濃度計に汚泥を流し、ある時点で採泥した汚泥を化学分析し、そのときの濃度計出力と比較校正する方法を採らざるを得ない。しかしながら、通常汚泥輸送管内の汚泥濃度は、時々刻々変化しているため、採泥した汚泥と濃度計出力を時間的に、現物として一致させることは難しい。従って、濃度計の出力校正が正確にできない場合が多く、測定精度に大きく影響する問題がある。
【００１６】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、汚水の流れに沿って溝を形成したので、測定感度及び測定精度の向上を図るとともに、プローブ本体の取り外し、取り付けが簡易であるため、保守点検が容易にできる汚泥濃度計を提供することを課題とする。
【００１７】
【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や浮遊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突出させ、 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導体部を設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
第２発明は、前記マイクロ波が透過可能な部材が、その部材の形状の厚み、横幅、縦幅が以下の（ａ），（ｂ），（ｃ）式から求めた値からなり、これら式から得られた値の１割以内の値を含むことを特徴とするものである。
【００１９】
厚み＝｛光速×(1+2n)｝／（部材のε_sの平方根×共振周波数×４） …（ａ） 横幅＝光速／（部材のε_sの平方根×遮断周波数×２） …（ｂ）
縦幅＝横幅／２ …（ｃ）
ただし、ε_sは比誘電率、nは0以上の整数（n=0.1.2.…）である。
【００２０】
第３発明は、前記被測定試料を導く溝の形状が、縦幅、横幅が以下の（ｄ），（ｅ）式から求めた値からなり、これら式から得られた値の１割以内の値を含むことを特徴とするものである。
【００２１】
溝の縦幅＞マイクロ波が透過可能な部材の縦幅 ……（ｄ）
溝の横幅＝光速／（汚水のεの平方根×部材の共振周波数×２） …（ｅ）
ただし、εは誘電率である。
【００２２】
第４発明は、前記被測定試料を導く溝の深さが、以下の（ｆ）式を満たす値からなることを特徴とするものである。
【００２３】
溝の深さ＞＝溝の横幅／４ ……（ｆ）
【００２４】
【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。図１はこの発明の実施の第１形態を示す反射強度検出型マイクロ波式汚泥濃度計のプローブ部位の要部拡大断面図で、図１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。プローブ本体１１の開放されている端部には、中央部に角状の貫通孔を有する板状の第１導体部１２が取り付けられる。第１導体部１２の角状の貫通孔には、角棒状のセラミック部材からなる高周波窓部１３が挿入固定され、その高周波窓部１３は、プローブ本体１１の軸方向（図示しない汚泥輸送管内）に突出されている。
【００２５】
高周波窓部１３は、図２及び図３に示すように先端部に後述する溝を形成する部材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。部材１４は、２つの部材からなり、両部材を図示のように配置させて、図２及び図３に示すように汚水が通過可能な汚水通し溝１６が、汚泥輸送管内を汚水が流れる方向に形成される。１７は図示しない汚泥輸送管に設けられたフランジで、このフランジ１７に第１導体部１２が取り付けられる。
【００２６】
前記プローブ本体１１内には、アンテナ１８が設けられ、このアンテナ１８は、図７に示すマイクロ波発／受信器７３に同軸ケーブルを介して接続される。なお、１９は同軸ケーブルのコネクタである。２０はプローブ本体１１の中空部である。 次に上記実施の形態の動作を述べる。図７に示すマイクロ波発／受信器７３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１８に供給される。アンテナ１８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から図示しない汚泥輸送管内に放射されると、汚泥混合液の境界面で反射されて、再び窓部１３を通してプローブ本体１１のアンテナ１８で受信される。受信された信号はマイクロ波発／受信器７３で受信された後、汚泥濃度計変換器７４で汚泥濃度に変換されて汚泥濃度計に表示される。
【００２７】
なお、上記実施の形態において、第２導体部１５の直径を50mm、長さを300mm程度に構成して、プローブ本体を汚泥輸送管に取り付けて汚泥濃度を計測する際にも、汚水の水圧が10kg/cm²と高い汚泥輸送管でもプローブ本体の着脱が可能となる。
【００２８】
ここで、反射強度測定型マイクロ波式汚泥濃度計の検出プローブについて述べるに、この検出プローブに要求される性能のうち、必要条件となるのは、次の二つである。
【００２９】
必要条件１：負荷である汚泥と十分なマッチングが取れていること、
必要条件２：負荷である汚泥の性状の変化に応じて、マイクロ波の反射特性が変化すること。
【００３０】
上記のような必要条件を満たすために、この発明では、図１から図３に示す実施の形態のように構成した。このように構成した実施の形態を電子回路で、たとえてみると、高周波窓部１３は共振周波数の発信回路、汚水通し溝１６と、この溝１６に存在する汚泥が共振周波数に対するフィルタ回路の機能をなしている。従って、汚泥の濃度、導電率に応じて、絞りのフィルタとしての特性が変化し、マッチングの状態が変動する。この変動をマイクロ波の反射量から測定して汚水の濃度や導電率の情報を得ることが出来るようになる。
【００３１】
次に高周波窓部１３と汚水通し溝１６の具体的な形状について述べるに、まず、高周波窓部１３の形状について述べる。
【００３２】
高周波窓部１３は、厚み（マイクロ波が透過可能な部材の厚み）が1/4、3/4、5/4波長など、一般に0以上の整数ｎを用いて、(1+2n)/4波長のときに共振する。そのときの共振周波数は、次の（１）式を用いて、使用する共振周波数に対する高周波窓部１３の厚みが計算できる。
【００３３】
厚み＝光速×(1+2n)／（高周波窓部のε_sの平方根×共振周波数×４）…（１） ただし、ε_sは比誘電率である。
【００３４】
ここで、具体的な値として、高周波窓部１３に比誘電率が「９」のアルミナを用いたとき、共振周波数2.2GHzで、厚みはｎ＝0で11.4mm、ｎ＝1で34.2mm、ｎ＝2で57mmとなる。
【００３５】
次に、横幅については、接続する同軸−導波管変換器とマイクロ波の特性を一致させるのが望ましい。これは、遮断周波数を一致させることで可能である。次の（２）式を用いて高周波窓部の横幅を計算する。
【００３６】
横幅＝光速／（高周波窓部のε_sの平方根×遮断周波数×２） ……（２）
ただし、ε_sは比誘電率である。
【００３７】
ここで、仮の値として、高周波窓部に比誘電率が「９」のアルミナを用い、遮断周波数が1.37GHzの同軸−導波管変換器を用いたとき、横幅は36.5mm程度になる。なお、縦幅については、横幅の半分の値にするのが慣例であるから、縦幅は（３）式から求められる。
【００３８】
縦幅＝横幅／２ ……（３）
ただし、（１）式、（２）式、（３）式により得られた値は、その値の１割以内程度なら、特性に大きな影響を与えない。
【００３９】
次に、汚水通し溝１６の形状について述べるに、汚水通し溝１６の縦幅（溝の長さ）については、高周波窓部１３の縦幅より長ければ問題はない。しかし、短い場合は不要なキャパシタンスが影響してしまうので、好ましくない。従って、溝の縦幅と高周波窓部の縦幅との関係が次式（４）式を満足するようにする。
【００４０】
溝の縦幅＞高周波窓部の縦幅 ……（４）
次は、汚水通し溝１６の横幅について述べる。溝１６の横幅は、溝の遮断周波数と高周波窓部１３の共振周波数が一致するように形成する。この溝は共振し、共振の仕方は、出口側、入口側とも開放端である。溝１６の横幅は、次式で与えられる。
【００４１】
溝の横幅＝光速／（汚水のεの平方根×高周波窓部の共振周波数×２）…（５） ただし、εは誘電率である。
【００４２】
仮の値として、共振周波数に2.2GHz、水の誘電率に76を（５）式に代入すると、溝の横幅は7.8mmになる。
【００４３】
溝の深さについては、浅すぎると常にマイクロ波が素通りしてしまい、フィルタにならない。論理的には、溝の横幅を3.14で割った程度がマイクロ波を押し戻せる目安となる。ただし、汚泥は粘性が高いので、溝がつまる可能性があるので、できるだけ溝の深さは浅い方が良い。そこで、設計の下限値を横幅の１／４とした。
【００４４】
溝の深さ＞＝溝の横幅／４ ……（６）
ただし、（５）式により得られた値は、その値の１割以内程度なら、特性に大きな影響を及ぼさない。
【００４５】
図４は、上記で示した高周波窓部と汚水通し溝の形状に基づいて構成した第１導体部等の具体的な正面図及び断面図である。
【００４６】
ここで、プローブ本体１１を構成する導波管と導波管型共振器について説明する。導波管とは、電気の導体部で作成された中空の管であり、数千MHz以上の高い周波数のマイクロ波を伝送するのに用いられる。マイクロ波は、管の内部を伝送されて行く。使用するマイクロ波の周波数に応じて管内部の大きさが設計される。管の断面が四角形のときを矩形導波管、円形のときを円形導波管という。また、管の内部に空気の代わりに誘電体を詰めたタイプのものを誘電体導波管という。誘電体導波管の大きさは、同じ周波数を用いるとき、誘電体の比誘電率の平方根に反比例して小さくなる。
【００４７】
導波管共振器とは、導波管の両端もしくは片端を閉じて管の内部に定在波を生じさせることができるようにしたマイクロ波回路デバイスである。小型化を図るために、空気の代わりに誘電体を充填することも多い。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、汚水の流れに沿って溝を形成したので、測定感度及び測定精度の向上を図るとともに、プローブ本体の取り外し、取り付けが簡易であるため、保守点検も容易にできる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示すプローブ部位の要部拡大断面図。
【図２】第２導体部の正面図。
【図３】第２導体部の平面図。
【図４】第２導体部の構成を示すもので、請求項２の（ａ）式でｎ＝１のときの例で、ａは正面図、ｂ、ｃは断面図。
【図５】従来例の透過位相差検出型のマイクロ波式汚泥濃度計の概略構成説明図。
【図６】従来例の透過位相差検出型のマイクロ波式汚泥濃度計の位相差−濃度特性図。
【図７】従来例の反射強度検出型のマイクロ波式の汚泥濃度計の概略構成説明図。
【符号の説明】
１１…プローブ本体
１２…第１導体部
１３…高周波窓部
１４…部材
１５…第２導体部
１６…汚水通し溝
１７…フランジ
１８…アンテナ
１９…コネクタ
２０…中空部

Claims (4)

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や浮遊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突出させ、 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導体部を設けたことを特徴とする汚泥濃度計。
2. 前記マイクロ波が透過可能な部材は、その部材の形状の厚み、横幅、縦幅が以下の（ａ），（ｂ），（ｃ）式から求めた値からなり、これら式から得られた値の１割以内の値を含むことを特徴とする請求項１記載の汚泥濃度計。
   厚み＝｛光速・・・・・・・｝／（部材の蛩_sの平方根・共振周波数・４） ・（ａ） 横幅＝光速／（部材の蛩_sの平方根・遮断周波数・２） ・（ｂ）
   縦幅＝横幅／２ ・（ｃ）
   ただし、蛩_sは比誘電率、nは0以上の整数（・・・・・・・・・）である。
3. 前記被測定試料を導く溝の形状は、縦幅、横幅が以下の（ｄ），（ｅ）式から求めた値からなり、これら式から得られた値の１割以内の値を含むことを特徴とする請求項１記載の汚泥濃度計。
   溝の縦幅＞マイクロ波が透過可能な部材の縦幅 ・（ｄ）
   溝の横幅＝光速／（汚水の蛩の平方根・部材の共振周波数・２） ・（ｅ）
   ただし、蛩は誘電率である。
4. 前記被測定試料を導く溝の深さは、以下の（ｆ）式を満たす値からな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＞＝溝の横幅／４ ……（ｆ）

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