JP6156617B2 - 浮遊物質解析方法、並びに、これを用いた浮遊物質解析装置及び超音波減衰スペクトル解析装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川又は貯水池等の浮遊砂（浮遊物質）の濃度や粒度分布をリアルタイムで自動的に連続的に解析する解析（観測）方法、並びに、この方法を用いた浮遊物質解析装置（観測装置）及び超音波減衰スペクトル解析装置に関する。

浮遊砂（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ−ｓｅｄｉｍｅｎｔ）（以下ＳＳと略称することがある）とは、洪水時に上流河川から海岸まで流水とともに移動する粒子径０．２ｍｍ以下の土砂をいう。洪水時の河川では上流からの土砂供給量、流量・流速及び水位が時間とともに変化するため浮遊砂濃度と粒度分布は常に変化する。また、貯水池では流速が急激に遅くなるために比較的大きな粒子は貯水池に沈降して堆積し、ダムから下流に流れる土砂は比較的粒径の小さいものとなる。

浮遊砂の粒度分布曲線の一例を図１７に示す。図１７において、粒度分布曲線１７Ａは貯水池上流部で測定した浮遊砂の粒度分布の例を、粒度分布曲線１７Ｂは貯水池下流部（ダム地点）で測定した浮遊砂の粒度分布の例を、それぞれ示している。また、粒度分布曲線１７Ｃ、１７Ｄは粒度分布曲線１７Ａ、１７Ｂの差分値（相対粒子量）を示している。浮遊砂の粒子径は０．１ミクロンから２００ミクロンの範囲に幅広く分布しており、そのメディアン径は数ミクロンから数１０ミクロンの範囲で変動する。
浮遊砂の密度は一般的な河川では２．５〜２．７ｇ／ｃｍ^３の範囲にある。また、洪水期間中のダムの排砂操作によって下流河川において最大約５ｗｔ．％の浮遊砂濃度が観測された事例がある。（例えば非特許文献１）

河川又は貯水池の浮遊砂濃度の測定装置としては、角、森田らが開発を進めているＳＭＤＰ（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｅｄｉｍｅｎｔ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）がある。この装置は差圧センサーにより浮遊砂濃度を計測するもので、５ｗｔ．％以上の浮遊砂濃度の測定を可能としている（例えば非特許文献１参照）。

特許文献１は、広帯域で集束性のある超音波を発信するプラノコンケーブ型超音波振動子をトランスデューサーに採用した浮遊砂濃度測定装置である。微粒子濃度がゼロの水中エコーパルス波におけるスペクトルの最大値を基準として正規化した超音波減衰率から濃度を算出する。

特許文献３は、プラノコンケーブ型超音波振動子（図３参照）を用いて計測した広帯域の減衰スペクトルから浮遊砂濃度を算出する方法を提案している。

特許文献４記載の装置は、特許文献５記載の装置等の先行技術を改良してプラントの懸濁液中の粒子の粒度分布測定装置を提案したものである。この装置においては、プラントの配管にフローセルと呼ばれる検出器を設けて、ここにトランスデューサーとその対面に反射体を設置してトランスデューサーから発信した超音波を同一のトランスデューサーで受信し、第１反射波と第２反射波を測定して減衰率を計算する方法を採用している。この測定装置はサブミクロンの微粒子を対象にして粒度分布のリアルタイムでオンライン計測を実現している。

特開２００４−２７１３４８号公報 特開２００９−０２５０２７号公報 特開２０１０−２６１７１９号公報 特開２００４−５１６４６８号公報 特表平４−５０５３６８号公報（特公平６−２７６９５号公報） 米国特許６９１０３６７号公報

角哲也、森田佐一郎、小宮秀昭著「水中型ＳＭＤＰを用いた黒部川ダム排砂時の高浮遊砂濃度連続計測」、水工学論文集、第５４巻、２０１０年２月、１１１１〜１１１６。 Ｄ．Ｊ．ＭｃＣｌｅｍｅｎｔｓ著「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｒｏｐｌｅｔ Ｓｉｚｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｍｕｌｓｉｏｎｓ」、Ｌａｎｇｍｕｉｒ １９９６、１２、３４５４〜３４６１。 Ｌ．Ｅ．Ｗａｇｎｅｒ、Ｄ．Ｄｉｎｇ著「Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ Ａｇｇｒｅｇａｔｅ Ｓｉｚｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｓ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｌｏｇｎｏｒｍａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ」、Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＡＥ、１９９４、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、８１５〜８２１ ＩＳ０ ２０９９８−１，「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｙ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ−Ｐａｒｔ．１：Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｉｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」，２００６． ＩＳ０ ２０９９８−２，「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｙ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ−Ｐａｒｔ．２：Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｌｉｎｅｒ ｔｈｅｏｒｙ」，２０１２

しかしながら、従来の装置、方法においては以下の課題がある。
例えば、非特許文献１記載の装置では、装置の設置及びメンテナンスを容易にするためにさらなる小型化、測定精度の向上などの課題があると報告されている。また、この装置は浮遊砂濃度の測定装置であり、粒度分布については採水して別途計測しなければならない。

特許文献１に記載の装置においては、粒子径によって超音波減衰率が変化する特性があるため、濃度と粒度分布が同時に変化する浮遊砂の測定に使用することはできない。

また、特許文献３に記載の方法においては、サンプル微粒子のメディアン径が１０ミクロンから１００ミクロンの範囲にあり、この領域の超音波減衰は散乱損失（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｏｓｓｅｓ）によるもので、サブミクロンからミクロンオーダーの微粒子の超音波減衰の要因である粘性損失（ｖｉｓｃｏｕｓ ｌｏｓｓｅｓ）が全く考慮されていないため、浮遊砂を測定するためには粘性損失を考慮したシステムに改良する必要がある。

洪水時の浮遊砂観測は、一般的な方法として増水した河川に採水容器を入れて採水したサンプルを用いて試験室でＳＳ測定とレーザー回折式粒度分布測定装置による粒度分析が行われる。浮遊砂濃度が最大となる河川流量のピーク時を含む時間帯において採水することは危険を伴うことから、これまで土砂の量（濃度）と質（粒度）が連続観測された事例はない。

浮遊砂濃度のその他の測定方法として、散乱光方式の濁度計の計測値とＳＳ濃度の相関関係を求めてこの関係式から濁度計の連続計測値をＳＳあるいは浮遊砂濃度に換算することが行われている。しかしながら、この方法は浮遊砂の粒度分布が変化するために測定誤差が大きく、また、高濃度の場合は濁度計の測定限界を超えるため計測ができない。

浮遊砂の粒度分布は、通常採水したサンプルを必要に応じて希釈してレーザー回折式粒度分布測定装置などによって計測する。しかし、従来の技術では河川又は貯水池等の水中で浮遊砂の粒度分析ができる装置はない。

また、特許文献４に記載の装置は、フローセルに検出器を取り付けた計測装置であり、貯水池あるいは河川水中に設置するよう設計されたシステムではない。

そこで本発明は、水中において濃度と粒度分布が同時に変化する浮遊砂（浮遊物質）について、その濃度及び粒度分布をリアルタイムで自動的に連続的に解析する浮遊物質解析方法、並びに、これを用いた浮遊物質解析装置及び超音波減衰スペクトル解析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の浮遊物質解析方法は、以下の工程により液体中の浮遊物質の濃度及び粒度分布を算出することを特徴としている。
（ａ）次式（１ａ）、（１ｂ）により計測データから音速と波長を算出する工程と、

本発明の浮遊物質解析方法は、超音波減衰特性試験の計測データから、次式（６）により、単位体積濃度当たりの減衰係数を算出することが好ましい。

本発明の浮遊物質解析方法は、次式（７ａ）、（７ｂ）、（７ｃ）により、単位体積濃度当たりの減衰係数の粘性損失成分を算出し、次式（８ａ）、（８ｂ）、（８ｃ）、（８ｄ）により、単位体積濃度当たりの減衰係数の散乱損失成分を算出することが好ましい。

本発明の浮遊物質解析装置は、上述の浮遊物質解析方法を用い、液体中の浮遊物質の濃度及び粒度分布関数を算出することを特徴としている。

本発明の超音波減衰スペクトル解析装置は、上述の浮遊物質解析方法を用い、液体中の浮遊物質の超音波スペクトル特性を解析することを特徴としている。

本発明によると、水中において濃度と粒度分布が同時に変化する浮遊砂（浮遊物質）について、その濃度及び粒度分布をリアルタイムで自動的に連続的に観測・解析する方法及び装置を提供することができる。
より具体的には、本発明の浮遊物質解析方法、浮遊物質解析装置、及び超音波減衰スペクトル解析装置においては、特許文献１記載のφ２０ｍｍのプラノコンケーブ型超音波振動子をトランスデューサーに採用している。このトランスデューサーにパルス電圧を印加して広帯域の超音波を発生させ、浮遊砂中を伝播させて、トランスデューサーの対向面に反射板を設けてその反射波を同一のトランスデューサーで受信し、この反射波を周波数スペクトルに変換する。この周波数スペクトルと水固有の周波数スペクトルから減衰スペクトルを求め、単分散微粒子の単位体積濃度当たりの減衰係数と適切な粒度分布モデルを用いて浮遊砂の濃度と粒度分布を逆計算することができる。

本発明においては、粒子径がサブミクロンから１００ミクロンの単分散微粒子を用いた超音波減衰特性試験から単位体積濃度当たりの減衰係数を解析する方法を提案し、特許文献２及び特許文献３に記載の解析方法、解析システムを改良することができる。

本発明によれば、装置の一部もしくは全部を貯水池又は河川水中に設置して浮遊砂を直接計測することができ、次の性能を有する装置を提供できる。
（１）時間とともに変化する浮遊砂の濃度と粒度分布を１分間隔で連続測定できる。
（２）浮遊砂濃度の計測可能範囲の上限は５．０ｗｔ．％程度である。
（３）０．２ミクロンから２００ミクロンの粒子径の粒度分布が計測できる。
（４）水温５〜２５℃の河川又は貯水池において計測が可能である。
（５）対数正規分布だけでなくその他の適切な粒度分布モデルを用いて浮遊砂の粒度分布をより正確に測定できる。
（６）リアルタイムでオンライン測定が可能である。

本発明の浮遊物質解析装置及び超音波減衰スペクトル解析装置を定置式にする場合、現地での設置が容易であり、低コストであり、メンテナンスが容易である。懸垂式にする場合、取扱が容易であり、貯水池での計測を行うため水深５０ｍ以上で計測可能であり、流水中で計測可能である。

検出器が受信した周波数スペクトルの一例を示すグラフである。 懸濁液の周波数スペクトルの一例を示すグラフである。 浮遊砂濃度及び粒度分布の計測プログラムの演算の流れを示すフローチャートである。 単分散微粒子の単位体積濃度当たりの減衰係数の一例を示すグラフである。 基準スペクトル計測試験結果（周波数スペクトル）の一例を示すグラフである。 基準スペクトル計測試験結果（水温と周波数スペクトルの振幅）の一例を示すグラフである。 超音波減衰特性試験および性能確認試験用の超音波減衰スペクトル解析装置の構成を示す図である。 ＩＷＲ領域の単分散微粒子の超音波減衰特性試験結果を示すグラフである。 ＬＷＲ領域の単分散微粒子の超音波減衰特性試験結果を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る超音波減衰スペクトル解析装置の構成を示す図である。 性能確認試験に用いたシリカパウダーの粒度分布を示すグラフである。 性能確認試験結果（濃度測定）を示すグラフである。 性能確認試験結果（粒度分析）を示すグラフである。 循環式実験水路の計測試験を実施する場合の超音波減衰スペクトル解析装置の構成を示す図である。 水路試験結果（濃度測定）を示すグラフである。 水路試験結果（粒度分析）を示すグラフである。 只見川で測定した浮遊砂の粒度分布の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る浮遊物質解析方法、並びに、これを用いた浮遊物質解析装置及び超音波減衰スペクトル解析装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。本発明が解析対象とする浮遊物質は、上述の浮遊砂（ＳＳ）（粒子径０．２ｍｍ以下の土砂）のほか、粒子径が浮遊砂と同程度の物質を含みうる。
超音波減衰スペクトル解析装置は、図１０に例示される構成を備える。この解析装置においては、プラノコンケーブ型超音波振動子であるトランスデューサー１０を用いており、河川又は貯水池等の水（清水〜濁水）中に本体カプセル１７と、超音波検出器２１と、水温計１２と、を設置し、陸上部に測定制御機１８と、浮遊物質解析装置としての浮遊砂自動観測ユニット１９（例えば汎用パソコン）を設置している。水中の本体カプセル１７と陸上にある測定制御機１８は防水コネクタ付ケーブル２０で接続されている。
また、図１０の超音波減衰スペクトル解析装置については、後で詳しく説明する。

浮遊物質の解析や超音波減衰特性解析において、正確で信頼できる測定値を得るには超音波検出器の設計・製作が重要となる。この超音波検出器は１個のトランスデューサーで超音波の送受信を行うもので、トランスデューサーの対向面には、例えば厚さ５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４（商標））の反射体を設ける。トランスデューサーは、市販の円形チタン酸鉛振動子の一面を、例えば曲率半径３０ｍｍで凹面状に加工しその加工面と裏面に電極をつけたプラノコンケーブ型超音波振動子である。このトランスデューサーは、広帯域（１〜１０ＭＨｚ）の超音波を発生することができるように設計されたものである。トランスデューサーと反射体との距離はプラノコンケーブ型振動子の焦点距離（Ｌ＝４４．３３ｍｍ）に調整する。さらに、絶縁を目的として、この超音波振動子の加工面と側面は、例えば厚さ数１０μｍのフッ素樹脂コーティング加工を施している。このように設計されたトランスデューサーに印加するパルス電圧は３〜６Ｖ、パルス幅は６０〜８０ｎｓである。

トランスデューサーの面と反射体の対向面の調整は特に重要であり、反射波の波形のリンギングが最小となるように調整する。この調整を行った検出器が受信した周波数スペクトルの一例を図１に示す。

トランスデューサーで受信した第１反射波は、アナログ・デジタル変換器によってデジタル信号に変換されたのち、ＣＰＵでＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理された周波数スペクトルデータが測定制御機に伝送される。この計測データが周波数スペクトル（１０２４組の周波数帯とその振幅）（数３参照）である。図２に濃度が０、０．２、０．４、１．０、２．０、３．０及び５．０ｗｔ．％のシリカパウダー（竹折鉱業所：ＳＰ＃３００）の懸濁液の周波数スペクトルの一例を示す。
また、基準スペクトルを算出するために水温θを、音速と波長を計測するためにトランスデューサーが超音波を発信した時から反射波を同じトランスデューサーで受信するまでの時間（エコータイム）ｔを計測する。

次に浮遊砂濃度及び粒度分布の計測、すなわち浮遊物質の解析方法について説明する。
図３に浮遊砂濃度及び粒度分布の計測プログラムの演算（解析）フローを示す。
ここで、測定データ（計測データ）は、水温（ステップＳ１１）、及び周波数スペクトル（ステップＳ１２）である。計測プログラムの演算フローは第１ステップＳ１００と第２ステップＳ２００に大別される。第１ステップＳ１００は、測定データ（Ｓ１１〜Ｓ１２）から減衰スペクトルの計測値を計算（ステップＳ１０２）するまでのステップであり、第２ステップＳ２００は、第１ステップＳ１００で計測された減衰スペクトルに一致するスペクトルを持つ浮遊砂の濃度と粒度分布を算出（ステップＳ２０５）するまでのステップである。
以下、図３を参照しつつ、より具体的に説明する。

第１ステップＳ１００では、計測データ（Ｓ１１〜Ｓ１２）から、次式（２）により基準スペクトル（基準スペクトルの振幅）を算出する（ステップＳ１０１）。

次に、ステップＳ１０１で算出した基準スペクトルの振幅を用いて、減衰係数を次式（３）により算出する（ステップＳ１０２）。

なお、超音波の減衰係数（Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ）の単位について、上記特許文献４と特許文献５はＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ［ｄＢ／ｉｎｃｈ］、特許文献６はＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ［ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ］、非特許文献２はＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｐｅｒ ｃｙｃｌｅ［Ｎｐ］あるいはＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ［Ｎｐ／ｍ］、非特許文献４ではＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ［ｄＢ／ｃｍ］もしくは［Ｎｐ／ｃｍ］を用いている。本実施形態の説明においてはＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ［Ｎｐ／ｍ］を用いる。

第２ステップにおいては、減衰スペクトルの推定値を次式（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）により算出する（ステップＳ２０１）。

浮遊砂の粒度分布は、図１７の粒度分布曲線１７Ｃ、１７Ｄに示すように対数正規分布ではない非対称の粒度分布となっていることから、粒度分布関数ｇ（ｄ_ｊ）は、（ａ）Ｓｔａｎｄａｒｄ ２−ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｌｏｇｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、又は、（ｂ）Ｍｏｄｉｆｉｅｄ ３−ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｌｏｇｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎを採用する（例えば、非特許文献３参照）。ここで、後者のＭｏｄｉｆｉｅｄ ３−ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｌｏｇｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎモデルを決定するパラメータは、粒子径の上限値、メディアン径、標準偏差の３パラメータである。

浮遊砂濃度と粒度分布は次式（４）を用いて算出する（ステップＳ２０２〜Ｓ２０５）。具体的には、まず、式（３ａ）の濃度と式（３ｂ）の粒度分布関数のパラメータを変更し（ステップＳ２０３）、パラメータを特定する（Ｓ２０４）。ここで、パラメータとしては、例えば、最大粒径、平均粒径、標準偏差、濃度がある。
つづいて、減衰係数の計測値と推定値が一致するか否かを判断し（ステップＳ２０２）、一致した場合には濃度及び粒度分布を出力する（ステップＳ２０５）。すなわち、減衰係数の計測値（式（２））と推定値（式（３ａ））の偏差の分散ｓ（次式（４））が最小となる濃度（体積パーセント濃度）及び粒度分布パラメータを求めることによって、浮遊砂濃度と粒度分布を算出する（ステップＳ２０５）。

次に、基準スペクトル計測試験方法について説明する。
水中の微細な気泡は超音波を散乱させるので、基準スペクトル計測試験は十分脱気した蒸留水を使用する。図５、図６に水温が１０℃、１５℃、２０℃及び２５℃の脱気蒸留水で計測した場合の基準スペクトルの一例を示す。図６に示すように基準スペクトルの振幅は水温から求めることができるため、各周波数帯の基準スペクトルの振幅は上式（２）により水温の関数として算出する。

次に、市販の単分散微粒子を用いた超音波減衰特性試験結果から単分散微粒子の周波数に依存する減衰特性を決定する方法について説明する。
非特許文献２によれば、一般に超音波と懸濁液中の微粒子との相互作用は非常に複雑であるため、実際に解析する際は粒子の半径ｒと超音波の波長λの関係に基づいて懸濁液中の超音波の伝播を次の三種類に分けることができる。
（ａ）ｒ＜＜λの場合：Ｌｏｎｇ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｇｉｍｅ（ＬＷＲ）
（ｂ）ｒ≒λの場合 ：Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｇｉｍｅ（ＩＷＲ）
（ｃ）λ＜＜ｒの場合：Ｓｈｏｒｔ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｇｉｍｅ（ＳＷＲ）

粒径が１０μm未満の懸濁液の超音波測定は、そのほとんどがＬＷＲの領域に属する。ＬＷＲでは超音波と微粒子の相互作用で重要なものは粘性損失（ｖｉｓｃｏｕｓ ｌｏｓｓｅｓ）による減衰である。
一方、粒径が１０μm以上の懸濁液の超音波測定はＩＷＲに属する傾向があり、ＩＷＲでは散乱損失（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｌｏｓｓｅｓ）による減衰が支配的になる。したがって、市販の単分散微粒子を用いた超音波減衰特性試験の測定結果はＬＷＲの領域とＩＷＲの領域に区分して解析するとよい。

超音波減衰特性解析装置の概略構成の一例を図７に示す。図７に示す装置は、微粒子を均一に分散させるために計測容器４０を用いている。
この解析装置は、計測容器４０と、カプセル収納容器５０と、測定制御機１８と、浮遊砂自動観測装置１９（浮遊物質解析装置）と、を備える。
計測容器４０（撹拌容器）は、例えば内径３００ｍｍ×高さ５００ｍｍの円筒状の透明アクリル製容器であって、底部は断面が円弧状になるように特殊な加工を施されている。計測容器４０内には、所定高さ位置４３まで、微粒子を含む水が収容されており、水中に超音波検出器２１、水温計１２、インペラ４１が配置されている。超音波検出器２１はトランスデューサー１０と反射体１１で構成される。

インペラ４１は、計測容器４０の底部の略中央に配置され、計測容器４０の外部に配置した駆動部４２から延びるシャフト４４の先端に固定されている。シャフト４４は、円筒状の計測容器４０の中心軸に沿って延びている。これにより、駆動部４２を動作させてインペラ４１を回転させると水中の微粒子が均一に分散するように攪拌される。

収納容器５０は、透明アクリル製の容器であって、所定高さ位置５１まで水が収容されており、その水中に本体カプセル１７が設置されている。本体カプセル１７内には、アナログ・デジタル変換器１３、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１４、パルス発信機１５、データ送受信機１６、及び温度計２３が配置されている。ここで、本体カプセル１７と測定制御機１８は、防水コネクタ付ケーブル２０で相互に通信可能に接続されている。

アナログ・デジタル変換器１３は、トランスデューサー１０からの出力をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。パルス発信機１５は、トランスデューサー１０に対して所定のパルス信号を出力する。データ送受信機１６は、水温計１２、ＣＰＵ１４、測定制御機１８、温度計２３との間でデータの送受信を行う。データ送受信機１６は、水温計１２及び温度計２３による測定結果を受信する。

カプセル収納容器５０内の水温を一定にして試験を行う。計測は測定制御機１８から手動で行い、計測データは浮遊砂自動観測装置１９に記録する。

単分散微粒子の超音波減衰特性を解析するため、超音波減衰特性試験の計測データから単位体積濃度当たりの減衰係数を次式（６）で算出する。

ＩＷＲ領域の超音波減衰特性試験結果の一例を図８に示す。試験に用いた市販の単分散微粒子は、粒子径２０μmのシリカ（宇部日東化成：ＴＳ−Ｎ３Ｎ−２０）、粒子径３０、４０、６０及び１００μmのガラスビーズ（日本粉体工業技術協会：ＪＩＳ Ｚ ８９０１）である。図８において、横軸X_IWR は次式（７ａ）、縦軸Y_IWRは次式（７ｂ）で算出した値をプロットしている。図８の減衰特性曲線から単位体積濃度当たりの減衰係数の散乱損失成分は次式（７ｃ）で算出することができる。

図９にＬＷＲ領域の超音波減衰特性試験結果の一例を示す。試験に用いた市販のシリカの単分散微粒子の粒子径は、０．２（宇部日東化成：ＦＲ−Ｎ２Ｎ−０．２）、０．５（同：ＦＲ−Ｎ２Ｎ−０．５）、１．０（扶桑化学工業：ＳＰ−１Ｂ）、２．０（宇部日東化成：ＴＳ−Ｎ３Ｎ−２．０）、４．０（同：ＴＳ−Ｎ３Ｎ−４．０）、８．０（同：ＴＳ−Ｎ３Ｎ−８．０）、１２．０（同：ＴＳ−Ｎ３Ｎ−１２）および２０．０（同：ＴＳ−Ｎ３Ｎ−２０）μmである。図９はＭｃＣｌｅｍｅｎｔｓの方法（非特許文献２）に基づく減衰特性曲線を示す。横軸X_LWRは次式（８ａ）、縦軸Y_LWRは次式（８ｂ）、（８ｃ）で算出した値をプロットしたものである。図９の減衰特性曲線から単位体積濃度当たりの減衰係数の粘性損失成分は次式（８ｄ）で算出することができる。

減衰係数は散乱損失成分と粘性損失成分の総和であることから、上式（４ａ）中のカーネル係数は次式（９）で求められる。上式（４）から算出したカーネル関数の一例を図４に示す。図４は５．００MHｚから８．０１MHｚまでの１１周波数帯の超音波による単位体積濃度当たりの減衰係数を示す。

図１０は本発明の実施形態に係る超音波減衰スペクトル解析装置の構成を示す図である。以下の説明において、図７と同様の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
この解析装置は、河川又は貯水池等の測定対象の水２２の中に本体カプセル１７と、超音波検出器２１と、水温計１２と、を設置し、陸上に測定制御機１８と、浮遊砂自動観測装置１９（浮遊物質解析装置）と、を設置した構成である。

本体カプセル１７との干渉を避けるため超音波検出器２１は本体カプセル１７の底部から一定の距離をおいて取り付ける。超音波検出器２１はトランスデューサー１０と反射体１１で構成される。
トランスデユーサー１０は、市販の円形チタン酸鉛振動子の一面を、例えば曲率半径３０ｍｍで凹面状に加工し、その加工面と裏面に電極をつけたプラノコンケーブ型振動子である。トランスデューサー１０の加工面と側面には、例えば厚さ数１０μｍのフッ素樹脂コーティング加工を施している。
反射体１１は、例えば厚さ５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）であって、プラノコンケーブ型振動子であるトランスデューサー１０の焦点距離（Ｌ＝４４．３３ｍｍ）に設置する。また、本体カプセル１７内の温度を一定とするため、本体カプセル１７は常時水２２の中に設置する。

基準スペクトルは水温の変化に対して非常に感度が高く、水温の測定精度が本解析装置の計測精度を大きく左右するため、水温計１２は高精度の温度計を使用する。
水２２の中の本体カプセル１７には、陸上部の測定制御機１８との間で各種信号やデータの送受信を行うデータ送受信機１６と、計測したデータの高速フーリエ変換を行うＣＰＵ１４と、トランスデューサー１０にパルス電圧を印加するパルス発信機１５と、トランスデューサー１０が受信した信号をデジタルデータに変換するアナログ・デジタル変換器１３と、カプセル内の温度計２３と、を収納する。

測定制御機１８は、定時自動観測、手動随時観測等の測定制御と状態表示及び計測データの収録を行う装置であり、本体カプセル１７と防水コネクタ付ケーブル２０で接続する。定時自動観測は、例えば１０、３０、６０分間隔から任意に設定できる。

浮遊砂自動観測装置１９は、例えば、計測プログラムをインストールした市販の汎用パソコンであって、測定制御機１８から送信した水温、周波数スペクトル等のデータから浮遊砂濃度と粒度分布を算出、表示、記憶する装置である。

浮遊砂濃度及び粒度分布の測定は測定制御機１８から自動又は手動で行う。測定制御機１８から計測開始の信号がデータ送受信機１６を経由してＣＰＵ１４に送信され、ＣＰＵ１４がパルス発信機１５を起動させてトランスデューサー１０に電気パルスを印加する。トランスデューサー１０はこの電気パルスを超音波に変換し、超音波は水中を伝播して反射体１１で反射し、この反射波はトランスデューサー１０が受信機となって受信して電気信号に変換される。この電気信号は、アナログ・デジタル変換器１３でデジタル変換されて計測データとしてＣＰＵ１４に送信される。ＣＰＵ１４で計測データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した周波数スペクトルデータが、データ送受信機１６、測定制御機１８を経由して浮遊砂自動観測装置１９に伝送され、浮遊砂自動観測装置１９で、計測プログラムを起動して、浮遊砂濃度と粒度分布が算出される。

ここで、性能確認試験について説明する。
図１０に示す超音波減衰スペクトル解析装置の性能確認試験は図７に示す装置を用いて行った。ここでは、浮遊砂の密度、粒度分布（洪水時）と同程度の密度と粒度分布をもつシリカパウダーを用いて性能確認試験を実施した。図１１に性能確認試験に用いたシリカパウダー（竹折鉱業所：ＳＰ＃３００）の粒度分布を示す。図１１において、粒度分布曲線１１Ａはシリカパウダーの通過質量百分率を示し、分布曲線１１Ｂは分布曲線１１Ａの差分値（相対粒子量）を示している。シリカパウダーのメディアン径は１０μm程度、非対象の粒度分布を持つ。

図１２と図１３に性能確認試験の結果を示す。図１２は濃度測定結果を示すもので、横軸に本計測装置の計測値を、縦軸に平均濃度を示すもので、最大５．０ｗｔ．％までの濃度を計測できることを確認した。シリカパウダーの粒子の密度ρ_２は２．６５［ｇ／ｃｍ^３］である。本計測装置の計測値と平均濃度はほぼ一致する。図１３は粒度分布の測定結果の一例を示すもので、曲線１３Ａは浮遊砂自動観測装置１９によって算出した粒度分布を、曲線１３Ｂはレーザー粒度分析装置で測定した粒度分布を示すもので、両者に大きな違いは認められない。

次に循環式実験水路を利用した計測試験について説明する。図１４は、この試験における超音波減衰特性解析装置の概略構成を示す。以下の説明において図７と同様の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

水路６０内には所定高さ位置６１まで水が満たされ、その水中に超音波検出器２１と水温計１２が設置される。本体カプセル１７を収容したカプセル収納容器５０、測定制御機１８、及び浮遊砂自動監視装置１９は、水路６０の外側（水路脇）に設置する。

カプセル収納容器５０は、内部の温度上昇を抑制するために、所定高さ位置５１まで水を入れたアクリル製の容器である。本体カプセル１７は、カプセル収納容器５０の中に設置されている。

水路６０は、例えば幅０．８０ｍ、長さ１２．００ｍ、水深０．３０ｍ、流速は約２０ｃｍ／ｓである。水路６０の下流端に設けた貯留槽（不図示）と水路上流の給水槽（不図示）との間は、例えばφ１５０の給水管（不図示）で接続する。
ここでは、循環ポンプで運転しながら１時間間隔でシリカパウダーのスラリーを貯留槽に投入して濃度を変化させて、約２分間隔で懸濁液の濃度と粒度分布を測定した。また、３０分間隔で２リットルの懸濁液を採水して濃度と粒度分布を計測した。採水した懸濁液濃度の測定方法はＪＩＳ−Ｋ０１０２、粒度分析はレーザー回折式粒度分布測定装置を用いた。

図１４に示す装置を用いた水路試験により計測した懸濁液の濃度の経時変化を図１５に示す。１５Ａは本計測装置の計測値を、１５Ｂは懸濁液を採水してＪＩＳ−Ｋ０１０２の方法で測定したＳＳ［ｍｇ／l］を濃度［ｗｔ．％］に換算した値を示す。図１５によると、時間の経過とともに粒子の沈降によって懸濁液の濃度が低下する傾向が見られるとともに、採水して測定した濃度の値と計測値はほぼ一致している。

図１４に示す装置を用いた水路試験により計測した懸濁液の粒度分布（メディアン径、９０％粒径及び１０％粒径）の経時間変化を図１６に示す。線１６Ａは９０％粒径を、線１６Ｂはメディアン径を、線１６Ｃは１０％粒径を、それぞれ示す。また、１６ａは採水してレ−ザー回折式粒度分布測定装置で測定した９０％粒径、１６ｂは採水して同装置で測定したメディアン径、１６ｃは同様に測定した１０％粒径を示す。

図１６によると、粒度分布の測定データは、粒子の沈降によって時間の経過とともに粒子径が小さくなっている状況が明らかになっており、また、採水して分析した粒度分布とほぼ一致する結果となっている。

以上のように構成されたことから、上記実施形態によれば、次の効果を奏する。
（１）従来、個別に測定していた浮遊砂濃度と粒度分布の計測が同一サンプルで同時に測定できる。これによって浮遊砂の量（濃度）と質（粒度）を同時に計測することが可能となる。
（２）貯水池あるいは河川の水中に検出器（解析装置）を入れて直接計測することができるので、採水、希釈等の作業を行うことなく測定ができる。
（３）浮遊砂濃度と粒度分布のリアルタイム、オンライン計測が可能となる。
（４）貯水池の流入部とダム地点に上記実施形態の装置を設置し、貯水池に流入する浮遊砂量、ダムから下流に流出する浮遊砂量及び貯水池で捕捉される浮遊砂量を定量的に測定することが可能となり、より効率的なダムの排砂操作を行うことができる。
（５）河川の上流から河口までの必要地点に上記実施形態の装置を設置し、各地点の浮遊砂濃度、粒度分布を計測することによって洪水期間中の浮遊砂濃度と粒度分布の連続計測が可能となる。これまで測定データが乏しいなかで実施してきた河床変動解析等の浮遊砂の数値シミュレーションの精度を大きく向上させる可能性を有する。
（６）貯水池において水面から湖底までの解析装置を昇降させて計測を行うことによって、これまで実施してきた水温、濁度に加えて濃度及び粒度分布の計測が可能となり、密度流解析、濁水挙動解析の再現性と予測精度を大きく向上させる可能性がある。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。

以上のように、本発明に係る浮遊物質解析方法、並びに、これを用いた浮遊物質解析装置及び超音波減衰スペクトル解析装置は、水中において濃度と粒度分布が同時に変化する浮遊物質について、その濃度及び粒度分布をリアルタイムで自動的に連続的に解析する場合に有用である。

１０ トランスデューサー
１１ 反射体
１２ 水温計
１３ アナログ・デジタル変換器
１４ ＣＰＵ
１５ パルス発信機
１６ データ送受信機
１７ 本体カプセル
１８ 測定制御機
１９ 浮遊砂自動観測装置（浮遊物質解析装置）
２０ 防水コネクタ付ケーブル
２１ 超音波検出器
２２ 水（懸濁液）
２３ 温度計
４０ 計測容器
４１ インペラ
４２ 駆動部
４４ シャフト
５０ カプセル収納容器
６０ 水路

Claims (5)

1. （ａ）次式（１ａ）、（１ｂ）により計測データから音速度と波長を算出する工程と、
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. 超音波減衰特性試験の計測データから、次式（６）により、単位体積濃度当たりの減衰係数を算出することを特徴とする請求項１に記載の浮遊物質解析方法。
   
   
   
   
   
3. 次式（７ａ）、（７ｂ）、（７ｃ）により単位体積濃度当たりの減衰係数の散乱損失成分を算出し、
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の浮遊物質解析方法を用い、液体中の浮遊物質の濃度及び粒度分布関数を算出することを特徴とする浮遊物質解析装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の浮遊物質解析方法を用い、液体中の浮遊物質の超音波減衰特性を解析することを特徴とする超音波減衰スペクトル解析装置。