WO2002025254A1

WO2002025254A1 - Dispositif de mesure de concentration

Info

Publication number: WO2002025254A1
Application number: PCT/JP2001/008222
Authority: WO
Inventors: Toshio Harada; Tomoyuki Hayashi; Saihei Yano; Shigeo Sato; Tsuneo Imazu; Takahiro Sakai; Yuzo Miyazawa; Kinichiro Kono
Original assignee: Organo Corporation; Tomoe Engineering Co., Ltd.; Shibaura Systems Co., Ltd.; Tokyo Metropolitan Government
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2002-03-28
Also published as: KR20020063577A; EP1319939A4; EP1319939A1; US20030020030A1; AU2001288088A1

Description

糸田 »

濃度測定装置

技術分野

本発明は、下水、排水、し尿処理などの施設から発生する汚水の汚泥濃度や、処理水中の固形物濃度等の、被測定液中の濁質成分の濃度を測定する装置に関し、とくにレーザ一光を使用して拡散反射方式で濁質成分の濃度を測定するようにした濃度測定装置に関する。

背景技術

従来の被測定液中の濁質成分の濃度を測定する方法として、超音波方式、赤外線方式、マイクロ波方式、乾燥重量方式等が知られている。しかし、これら各測定法においては、測定対象となる濁質成分の性状が変化したり、その濃度変動等がある場合、乾燥重量方式を除いて出力値が不安定になるという問題がある。不安定な濃度情報を周辺設備あるいは機器類に伝達、入力すると、監視システムや処理システムの誤動作を招くおそれがある。また、乾燥重量方式には、測定時間が長い、乾燥条件の設定が必要である、測定後に廃棄物が発生する、等の問題がある。

また、超音波方式、赤外線方式、マイクロ波方式の濃度測定装置においては、極力出力値を安定させるために、通常、測定対象物の被測定液中の粒子の量に比例して減量する測定波の発信部と受信部が一体化された構造、つまり、一つの濃度測定装置内にこれら受発信部が収納された構造に構成されている。このように一体化された構造では、濃度測定装置のサイズ、とくに長手方向の寸法が大きくなるので、設置場所が限定されるばかりでなく、周囲のメンテナンス用スペースを広く設計しなければならないという問題がある。とくに、設置可能なスペースが狭い場所や、設置環境が悪い場所（たとえば、腐食が激しい場所や雰囲気の悪い場所等）において問題が顕著になる。

一方、別の方式として、レーザー光を被測定液中に照射し、被測定液中を透過するレーザー光の光量を検知する透過光方式が知られている。しかしこの測定法では、とくに濁質成分の濃度が 1 %以上の高濃度、特に 3 %程度以上の濃度の場合、光学的に高感度で濃度を測定することが困難であり、高精度の測定が困難である。これは、濁質成分（たとえば、汚泥）の色が黒色系等であることが多く、光を吸収してしまうことが多いので、光の減衰が激しくなって高感度の測定が困難になるからである。 - このような高濃度測定の場合の透過光方式における問題を解消するためには、被測定液中に照射されたレーザ一光の反射光を検知する方法が有効であると考えられる。この方法は、被測定液中に照射されたレーザー光の大半は、被測定液中の濁質成分に当たって拡散し、拡散された後に反射されてくるので、拡散反射方式とも呼ばれている。このように拡散反射光を検知するようにすれば、濁質成分の色の影響を受けにくくなるので、比較的濁質成分濃度の高い被測定液に対しても測定が可能になる。

しかし従来のレーザー光を用いた拡散反射方式の濃度測定装置においては、たとえば図 1 7に模式的に示すように、濃度検知部におけるレーザ一光発光用のラィトガイド先端面 1 0 1および受光用のライトガイド先端面 1 0 2が比較的大きく形成されているので（たとえば、 3 m m 程度）、両者間の光学的なライトスパン Lも比較的大きくなつてしまう（たとえば、 5 m m程度）。そのため、拡散反射光を、減衰の少ない状態で十分な光量をもって検知することが難しく、測定感度を光学的に高めることが難しい。

発明の開示

そこで、本発明の目的は、レーザー光を使用した拡散反射方式の利点を活かしつつ、高い濁質成分濃度まで（たとえば、 1 %以上の濃度まで、特に 3 %以上の濃度まで）高感度で測定可能な濃度測定装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、レーザー光の拡散反射方式における利点を活かしつつ- 望ましくは、前述の濃度測定装置の設置場所の制約おょぴメンテナンス用スぺ一スに関する問題等を解消することにあり、高い濁質成分濃度まで高感度で測定可能で、かつ、狭い場所や悪環境の場所にも直接濃度を検知する濃度検知部を容易に設置することのできる、汚泥濃度の測定等に好適な濃度測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る濃度測定装置は、被測定液中の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光されたレーザー光の拡散反射光を検知することにより測定する装置において、レーザー光発光用の光ファイバ一と受光用の光ファイバ一を、それぞれ複数束ねて一つの濃度検知部に構成したことを特徴とするものからなる。

発光用光ファイバ一と受光用光ファイバ一は、ともに比較的多数束ねられ、たとえば両方の総数として、 1 0 0本以上の光ファイバ一が束ねられる。光フアイバーの総数としては、濃度測定対象となる被測定液中の濁質成分の性状や濃度範囲、および使用する光フアイバ一 1本のフアイバー径ゃセンサ一面のサイズ等に応じて適宜決めればよく、 1 0 0〜5 0， 0 0 0本程度の範囲から選定すればよい。個々の光ファイバ一の径は、たとえば 2 0〜8 0 の範囲から決定すればよい。センサー面の径は、通常センサ一部を配管等に取り付けるため機械的に最大値は大体決まってしまうが、たとえば 3〜1 5 m m程度の範囲から適宜決定すればよい。個々の光ファイバ一の径とセンサー面の大きさが決まると、束ねられる光ファイバ一の本数の最大値はほぼ決まってしまう。

束ねられる発光用光ファイバ一と受光用光ファイバ一の配置形態としては、とくに直接受発光を行うセンサー面での配置が重要となる。この配置については、各種の形態を採り得るが、後述の実施例に示すように、探用した配置形態によつて得られる濃度測定のため特性は若干異なってくる。

採り得る配置形態として、たとえば、濃度検知部のセンサ一面において、発光用光ファイバ一と受光用光フアイバーがランダムに配置されている形態とすることができる。受光されたレ一ザ一光の出力値、つまり受光光量としては、このランダム配置形態の場合最も大きくなるので、この形態が最も好ましい。しかしこのランダム配置形態に限らず、濃度検知部のセンサー面において、中央部に発光用光ファイバ一が配置され、その周囲に受光用光ファイバ一が配置されている形態でもよい。また、濃度検知部のセンサー面において、中央部に受光用光フアイバーが配置され、その周囲に発光用光ファイバ一が配置されている形態でもよい _c さらに、濃度検知部のセンサー面において、一方の半面に発光用光ファイバ一が配置され、他方の半面に受光用光ファイバ一が配置されている形態を採用することもできる。

発光用光ファイバ一に供給されるレニザ一光としては、連続的に供給されるレ一ザ一光とすることも可能であるが、パルス駆動によるレーザー光とすることにより、消費電力の大幅な低減が可能になる。また、レーザ一光源としては、通常の発光ダイオード（L E D ) を使用することも可能であるが、レーザー光発光に好適な波長域を有し、その特定波長域における強度が高いレーザー発光ダイォ一ドを用いることがより好ましい。このようなレーザー発光ダイオードは、他の光源と比較して、小型で光源の強度が非常に強く、光の波長が単色光で、ある波長に基づく選択性が高いので、濃度測定における優れた再現性を確保でき、しかも寿命が長い。また、パルス駆動する際に、そのレーザ一光発光の周波数の設定や制御について、容易にかつ良好にしかも正確に目標とする特性に設定、制御可能となる。

また、本発明に係る濃度測定装置は、高い性能を維持しつつ、とくに装置の設置場所の制約およびメンテナンス用スペースに関する問題を解消するために、次のような構成を採ることができる。すなわち、少なくともレーザ一光の発光器と受光器を有する本体部と、被測定液中に直接レーザー光を照射し被測定液中から直接反射光を受光する上記濃度検知部とが、分離されて構成され、本体部と濃度検知部が可撓性の光ファイバ一により連結されている構成を採用できる。可撓性の光ファイバ一としては、前述の複数束ねられたレーザ一光発光用の光ファイバ一と受光用の光ファイバ一をそのまま使用すればよい。

このような形態においては、可撓性の光ファイバ一は、可撓性チューブ内に収容され、該チューブで被覆されたケ一プル構成とすることが好ましい。このようにすれば、可撓性の光ファイバ一を、悪環境中に延設する場合にも、被覆チューブによって保護することができる。

また、本体部には、発光器および受光器とともに、発光器に接続されたレーザ一光発光回路ゃ受光器に接続された受光増幅回路等を収容することができる。すなわち、可撓性の光ファイバ一を介して連結される濃度検知部以外の部分を、本体部として分離するのである。

上記のような本発明に係る濃度測定装置においては、レーザ一光の拡散反射光方式よる濃度測定を前提としているから、透過光方式に比べ濁質成分の色の影響を受けにくく、基本的に比較的高濃度まで高感度で測定することが可能である。そして、多数のレーザー光発光用光ファイバ一と受光用光ファイバ一が束ねられて一つの濃度検知部が構成されるので、個々の光ファイバ一は細くかつ受発光量の小さいものであっても、トータルとして十分に大きな発光量、受光量を達成することができる。また、個々の光ファイバ一は細いので、たとえばランダム配置の場合のセンサー面における接する発光用光ファイバ一と受光用光ファイバ一間のライトスパンは極めて小さくなり、光学的に濃度に対する感度が大幅に向上される。その結果、低濃度から 1 %以上、さらには 3 %以上の高濃度まで、高感度で精度良く濃度測定することが可能になり、濁質成分の性状や濃度が変動する場合にあっても追従性良く、安定して精度良く測定することが可能となる。

また、濃度検知部が本体部から分離された構成とすることにより、濃度検知部自身はごく小さく構成することが可能になる。たとえば、レ一ザ一光の受発光面を形成するガラス面やレンズ面として、直径 1 0〜2 0 m m程度のもので済み、濃度検知部の長さも、 2 0〜3 0 m m程度のもので済む。このような小型の濃度検知部であれば、極めて狭いスペースや、従来取付が困難であったような場所にも、容易に設置できるようになる。

そして、この濃度検知部へのレーザ一光の導光、濃度検知部からの反射光の導光は、可撓性の光ファイバ一を介して本体部との間で行われる。光ファイバ一が可撓性であるので、本体部の設置場所や設置姿勢には特に制約はなくなる。また、可撓性の光ファイバ一の長さを適切に設定すれば、本体部は、濃度検知部が悪臭等を放つ悪環境場所に設置される場合等にあっても、それとは別の離れた良好な環境の場所に設置できる。したがって、電子 ·電気機器や光学機器を含む本体部の作動環境が良好に保たれるとともに、本体部用のメンテナンススペースも容易に確保される。濃度検知部については、最小の点検スペースを確保すればよい。さらに、本体部と濃度検知部を分離構成とすることで、装置全体の重量の大半を本体部に担わせることができ、濃度検知部の設置作業が大幅に容易化され、作業の安全性も向上される。本体部の設置については、実質的に制約がなくなるから、何ら問題の生じる要因はなくなる。

そして濃度測定装置全体として、高感度検出が可能な拡散反射方式の装置に構成できるから、上記分離構成に基づく利点を活かしつつ、高感度濃度測定装置としての望ましい性能も同時に達成される。

このように、本発明の濃度測定装置によれば、レーザー光の拡散反射方式の利点である濁質成分の色に影響されにくいという利点を活かしつつ、濁質成分の低濃度から 1 %以上、さらには 3 %以上の高濃度まで、極めて高感度で精度良く濃度測定することができる。また、高感度測定が可能となる結果、濁質成分の性状や濃度の変動に対しても良好に追従でき、長期間にわたって安定した濃度測定が可能になる。また、センサ一面と受発光素子との間が多数の光ファイバ一で接続されるので、その間における形状を光ファイバ一の可撓性を利用して実質的に自由な形状に設定でき、容易に、設置場所に応じた最適な装置形態を実現できる。とくに本体部と濃度検知部を分離した構成とすることにより、高感度の測定性能を達成しつつ、従来設置が困難であった悪環境場所や作業が困難な狭いスぺ一スの場所であっても、小さく構成された濃度検知部を容易に取り付けることが可能になり、かつ、比較的大きく、光学機器や電子 ·電気機器を内蔵する本体部を、安全な、環境の良好な離れた場所に設置することが可能になり、装置の優れた性能を長期間安定して維持することができる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1実施態様に係る濃度測定装置の概略構成図である。

図 2は、図 1の装置をセンサー形態に構成した一例を示す概略断面図である。図 3は、本発明における光ファイバ一の配置形態の一例を示すセンサ一面の概略構成図である。

図 4は、本発明における光フアイバーの別の配置形態を示すセンサ一面の概略構成図である。

図 5は、本発明における光ファイバ一のさらに別の配置形態を示すセンサー面の概略構成図である。

図 6は、本発明における光ファイバ一のさらに別の配置形態を示すセンサー面の概略構成図である。

図 7は、本発明の一例に係るライトスパンを示す説明図である。

図 8は、本発明におけるレーザ一パルス駆動の一例を示す説明図である。

図 9は、本発明による効果を確認すために行つた実験で得られた出力特性図である。

図 1 0は、本発明の第 2実施態様に係る濃度測定装置の概略構成図である。図 1 1は、図 1 0の装置を.より具体的に構成した一例を示す概略断面図である _c 図 1 2は、本発明に係る濃度測定装置の配置例（第 1実施例）を示す概略構成図である。

図 1 3は、本発明に係る濃度測定装置の別の配置例（第 2実施例）を示す概略構成図である。

図 1 4は、本発明に係る濃度測定装置の光ファイバ一に関する別の配置例（第 3実施例）を示す概略構成図である。

図 1 5は、本発明に係る濃度測定装置のさらに別の配置例（第 4実施例）を示す概略構成図である。

図 1 6は、本発明に係る濃度測定装置のさらに別の配置例（第 5実施例）を示す概略構成図である。

図 1 7は、従来装置のライトスパンの一例を示す説明図である。

発明を実施するた'めの最良の形態

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図 1は、本発明の第 1実施態様に係る濃度測定装置の基本構成、図 2はそれを具体的な濃度センサ一に構成した場合の一例を、図 3ないし図 6は、光ブアイバ一のセンサー面における各配置形態例を、それぞれ示している。

図 1において、 1は濃度測定装置全体を示しており、濃度測定装置 1は、センサ一の形態に構成され、その先端部がたとえば配管 2内を臨むように取り付けられる。濃度測定装置 1は、配管 2内を流れる被測定液 3中の濁質成分 4 (たとえば、汚泥粒子）に向けて発光されたレーザー光 5の拡散反射光 6を検知することにより、被測定液 3中の濁質成分 4の濃度を測定する、拡散反射光方式の濃度測定装置に構成されている。

本実施態様では、レーザー光源として、レーザー光発光に好適な特定の波長域で強度の高いレーザー光を発光するレーザー発光ダイォ一ド 7 (レーザーダイォ一ドと略称されることもある。）が使用され、発振器を備えた駆動回路 8によるパルス駆動により、所定のパルスの形態でレーザ一光が発光されるようになっている。レーザー発光ダイオード 7で発光されたレーザー光は、レーザ一光拡散板 9を介して、光ファイバ一固定金具.1 0で束ねられて保持された多数の発光用光ファイバ一 1 1の入射端に入射される。レーザ一光拡散板 9により、レーザ一光は、均一に拡散された状態で発光用光ファイバ一 1 1の入射端に照射される。多数の発光用光ファイバ一 1 1と、実質的に同数の多数の受光用光ファイバ一 1 2とが束ねられて、一つの濃度検知部 1 3に構成されている。束ねられた発光用光ファイバ一 1 1および受光用光ファイバ一 1 2は、たとえば固定金具 1 4内に相対位置が固定された状態で保持され、各光フアイパーの先端面の位置が揃えられてセンサー面 1 5に形成されている。センサー面 1 5からは、発光用光ファィバー 1 1中を導光され、発光用光ファイバ一 1 1の出射端から発光されたレ一ザ一光が被測定液 3中に向けて照射され、被測定液 3中の濁質成分 4に当たって拡散、反射してきたレーザー光は、受光用光ファイバ一 1 2の入射端に受光される。本実施態様では、このセンサ一面 1 5におけるレーザー光の受発光は、センサ一面 1 5上に設けたガラス板 1 6を通して行われるようになつている。ガラス板 1 6の材質としては、特に限定しないが、硬くて傷が付きにくく、化学的に安定で、耐酸性、耐アルカリ性、耐溶剤性に優れ熱的にも安定なサファイアガラスが好ましい。また、このガラス板 1 6の被測定液 3側の面を鏡面仕上げしておくと、汚泥による汚れが付着しにくくなり、また、スラッジ等による傷も付きにくくなるので、好ましい。なお、図 1には平板状のガラス板 1 6として図示したが、このようなガラス板 1 6に代えて、適当な焦点距離を有するレンズを採用することも可能である。レンズとしては、センサー面側が平面で、他面側を凸面に形成してレンズ機能をもたせた平凸レンズ等が好ましい。 .

受光用光ファイバ一 1 2の入射端から受光されたレーザ一光の拡散反射光は、受光用光ファイバ一 1 2中を導光されて、反対側の端部である出射端から出射される。受光用光ファイバ一 1 2の出射端側の端部においても、多数の受光用光フアイバー 1 2が光ファイバ—固定金具 1 7により束ねられた状態で保持されている。

受光用光ファイバ一 1 2の出射端から出射された拡散反射光は、本実施態様では可視光力ッ卜フィルタ一 1 8を通して、反射光受光素子としてのフォトダイォード 1 9に受光され、その光量が検知される。この可視光力ットフィルター 1 8 を配置しておくことで、外乱光（たとえば、蛍光灯等からの外乱光）による濃度測定への影響を小さく抑えることができる。フォトダイオード 1 9の受光量信号は、本実施態様では、増幅回路 2 0で増幅されることにより、濃度測定に適切な大きさの信号として出力される。

図 2は、上記のような基本構成を有する濃度測定装置 1を、一つの濃度測定センサ一の形態に組み込んだ場合の一例を示している。図 2に示す濃度測定センサ ― 2 1においては、センサ一本体ケース 2 2内に、センサ一用電源としての安定化電源 2 3と、レーザーダイォ一ド駆動回路と光フィ一ドバック捕償回路を含むレーザ一光発光回路 2 4と、図 1の増幅回路 2 0と同等の機能を有する受光增幅回路 2 5と、レーザ一発光ダイォード 2 6と、受光用のフォトダイオード 2 7とが設けられており、本実施態様ではさらに、レーザー発光ダイオード 2 6の温度補償を行うためのサ一ミスタ 2 8が設けられている。信号の入出力は、本体ケース 2 2の一端に設けられたコネクタ一 2 9を介して行われる。

レーザ一発光ダイオード 2 6からのレ一ザ一光を導光する多数の発光用光ファィバー 3 0と、フォトダイオード 2 7へ受光反射光を導光する受光用光ファイバ一 3 1とは、光ファイバ一保護管 3 2で所定の配置形態に束ねられて固定、保持され、所定の配置形態にてセンサー先端部 3 3にて先端が揃えられてセンサ一面に形成されている。光ファイバ一保護管 3 2は、本実施態様では直管状に形成されているが、内部に束ねられる多数の光ファイバ一は可撓性を有しているので、必要に応じて曲管や、さらに長さの長い管に構成することも可能である。センサ一先端部 3 3は、ねじにより着脱可能なキヤップ 3 4を備え、この部分に図 1に示したようなガラス板 1 6が装着されている。ねじキヤップ方式とすることで、必要に応じて（たとえば、万一ガラス板等に傷付きが生じた場合等に）簡単に交換できるようになる。また、光ファイバ一は振動によって歪みを生じ光伝導性が変化してノイズの発生原因となることがあるので、これを防止するために、光フアイバー保護管 3 2に発泡性ゴム（たとえば、発泡性シリコンゴム）を充塡することにより、光ファイバ一の振動が防止されている。光ファイバ一保護管 3 2内でエポキシ樹脂ゃァクリル樹脂等を充¾して固定すると、樹脂の熱膨張により光ファイバーが影響を受け、温度ドリフトの原因となるので、上記のように弾力性、柔軟性の高く、熱膨張を自身の体積範囲内で吸収可能な発泡性ゴムにより保持することが好ましい。センサー先端部 3 3においては、多数の極細光フ.アイバ一が多芯に束ねられることになるが、この部分では、たとえば耐熱性等に優れた特殊のエポキシ樹脂で固定金具に接着固定し、先端面を鏡面研磨してセンサー面に形成すればよい。

濃度検知部のセンサー面における発光用光ファイバ一と受光用光ファイバ一の配置としては、図 3ないし図 6に示すように種々の形態を採り得る。図 3に示す配置形態は、円形のセンサー面 4 1において、発光用光ファイバ一 4 2 (白丸印）と受光用光ファイバ一 4 3 (黒丸印）が、ランダムに配置されたもので、望ましくは図 3に示すように均一に、つまり、各発光用光ファイバ一 4 2と受光用光フアイパー 4 3が交互に隣接するように配置されるのが好ましい。このランダム配置形態が、後述の実験から判るように、濃度測定のための出力特性、出力の大きさからは、最も好ましい。

図 4に示す配置形態は、センサ—面 4 1において、中央部に発光用光ファイバ

— 4 2が、その周囲に受光用光ファイバ一 4 3が同心円状に配置されたものである。図 5に示す配置形態は、センサー面 4 1において、中央部に受光用光フアイバ一 4 3が、その周囲に発光用光ファイバ一 4 2が同心円状に配置されたものである。図 6に示す配置形態は、センサ一面 4 1において、一方の半面、つまり一方の半円部に発光用光ファイバ一 4 2が配置され、他方の半面、つまり他方の半円部に受光用光ファイバ一 4 3が配置されたものである。図 3ないし図 6に示すいずれの配置形態においても、後述の実験結果に示すように、本発明で目的とした十分に優れた濃度測定用の特性が得られる。

なお、図 3ないし図 6は模式的に示したものであり、センサー面における光フアイバーの総数は、図に示したものよりもはるかに多い本数とされ、総数 1 0 0 〜5 0 , 0 0 0本程度の範囲内から適宜設定される。 1本 1本の光ファイバ一が極細光ファイバ一であり、単芯では光量が不足し測定が不能である場合であつても、たとえば発光用光ファイバ一を 1 5 0 0本、受光用光ファイバ一を 1 5 0 0 本、合計 3 0 0 0本程度とすることで、' 十分に大きな発光量および受光量が得られる。

上記のように構成された本発明に係る濃度測定装置の作用、効果について、図

1に示した構成を参照しながら説明する。 - 多数の発光用光ファイバ一 1 1と受光用光ファイバ一 1 2が束ねられて一つ,の濃度検知部 1 3を構成し、これらがセンサー面 1 5において所定の形態で配置されているので、 1本 1本の光ファイバ一は細く受光光量が小さくても、多数本を束ねることにより、トータルとしては、十分に大きな発光量、受光量を得ることができる。その結果、濃度測定に対し、発光、受光ともに、光量不足が生じることは回避され、高感度を得るために必要かつ十分な光量が得られることになる。より具体的には、 1 0 0〜 5 0， 0 0 0本、とくにトータルで 1 0 0 0本以上、より好ましくは 3 0 0 0本程度の本数とすることにより、十分な光量が得られる c また、多数束ねられた発光用光ファイバ一 1 1および受光用光ファイバ一 1 2 は、それぞれ極細の光ファイバ一からなるから、濃度測定におけるライトスパンも極限に近くまで低減することができる。たとえば前述の図 3に示したランダム配置の形態についてみると、たとえば光ファイバ一の径が 3 0 〃mの場合、図 7 に示すように、互いに隣接する発光用光ファイバ一 5 1と受光用光ファイバ一 5 2間のライトスパン Lは 3 0 / m程度となり、極めて小さいライトスパンが得られる。その結果、図 1 7に示したような、 5 m m程度のライトスパンをもつ形態に比べ、ライトスパンの比率は、実に、 3 0 : 5 0 0 0 = 1 : 1 6 7となる。すなわち、光学的に濃度測定に対する感度として、 1 6 7倍も高い感度が得られることになる。感度が大幅に高められる結果、濁質成分が低濃度である場合はもちろんのこと、 1 %を超える高濃度、中でも 3 %を超える高濃度、さらには 5 %を超える高濃度まで高感度で測定することが可能になる。また、高感度であるから、濁質成分の性状や濃度の変化にも良好に追従でき、安定した高精度の濃度測定が可能になる。

また、レーザ一光の光源として、通常の L E Dではなく特定の波長域で高強度のレーザー光を発光するレーザー発光ダイォード了を使用しているから、他の光源に比べ、光源としても十分な強度が得られ、かつ、優れた再現性が得られるとともに、パルス駆動の際に目標とする^波数特性が正確に得られ、しかもシヤープに所望の発光を行うことができる優れたパルス駆動特性も得られる。

レーザー光のパルス駆動は、たとえば図 8に示すように制御される。図示例では、 2 m s e cのハ。ルスで駆動され、パルス間隔が 1 5 0 m s e cとされている。したがって、デューティ一比は 1 ： 7 5となり、連続点灯した場合に比較して、消費電力は 1 . 3 3 %となって、省電力化が図られる。ただしこの図 8に示した例はあくまで一例であって、これらパルス幅やパルス間隔、デューティー比は、目標とするパルス駆動特性に応じて自由に設定可能なものである。

また、レーザー発光ダイオード 7を、そのパルス光フィードバック方式を併用して制御すれば、レーザーパルス光の安定化を図ることができる。半導体レ一ザ一ダイオードの場合には、外境の温度変動に対し光強度が大きく変動するので、温度補償を行わなければならないが、レーザー発光ダイオード 7の場合には、上記光フィ一ドバック方式だけで安定したパルス発光が可能となる。ただし、さらなる安定化を目指す場合において、光フィ一ドバック方式だけでは捕償不足となる場合には、サ一ミスタ等による温度補償を行えばよい。

このように、本発明に係る濃度測定装置では、極めて高い感度を実現でき、低濃度域から 1 %を超える高濃度域、さらには 3 %を超える高濃度域まで、被測定液中の濁質成分の濃度を高精度で測定することが可能になる。

本発明に係る濃度測定装置の性能を調べるために、次のような実験を行った。図 2に示したのと同等の装置を用い、センサー面における光ファイバ一の配置形態を図 3〜図 6に示した各種の形態のものに設定し、被測定液として疑似汚泥を含有させその濃度を各種濃度に調整した試料を用いて、その濃度測定における特性（測定濃度に対応する出力〔出力電圧〕の特性）を調べた。疑似汚泥には、本実験ではイースト菌体を使用したが、疑似汚泥としてはこれに限らず、ホルマジン、ソルカフロック、カオリン等を使用することもできる。センサ一面は外径を 1 0 m m とし、センサー面の上に厚さ 1 m mのサファィァガラス平板を取り付けて測定した。結果を表 1と図 9に示す。なお、表 1、図 9における「ランダム」が図 3に示した配置形態、「二重丸（中心光）」が図 4に示した配置形態、「二重丸（外円光）」が図 5に示した配置形態、「半丸」が図 6に示した配置形態に、それぞれ対応している。また、表 1、図 9における出力のデータは、出力増幅回路後におけるフルスケールに対する比率（フルスケールを 1 0 0 %としたときの比率を％で表示したもの）で表し、表 1、図 9は、その出力と疑似汚泥濃度（％) との関係を表示したものである。

表 1

表 1、図 9に示すように、各配置形態のいずれのものにあっても、低濃度から高濃度まで高精度測定に必要な十分なリニアリティを有しており、高濃度まで測定可能な濃度測定装置として十分に実用に供し得ることが実証された。とくにランダム配置形態のものにおいては、高い出力が得られるとともに、より高い濃度まで測定可能なリニアリティの特性が得られ、従来装置では実現し得なかった極めて優れた高濃度測定のための特性が得られた。

なお、上記実験においては、センサ一面上にガラス板を装着したが、前述の如く、ガラス板に代えて、ある焦点距離を有する平凸レンズ等の使用も可能であり、その場合にも、図 9に示した特性と同等の優れた特性が得られる。

図 1 0は本発明の第 2実施態様に係る濃度測定装置の基本構成、図 1 1はそれを具体的に構成した場合の一例を、図 1 2は、濃度測定装置の濃度検知部と本体部の配置例を、それぞれ示している。光ファイバ一の濃度検知部における各配置形態は、前述の図 3ないし図 6に示した各種形態を採り得る。

図 1 0、図 1 1に示す、本実施態様に係る濃度測定装置 3 5は、基本的には図

1、図 2に示したものと同等の構成を有しているので、対応する部分には図 1、図 2におけるのと同一の符号を付してある。本実施態様に係る濃度測定装置 3 5においては、レーザー光発光用の各要素およびレーザー光受光用の各要素を含む本体部 3 6と、濃度検知部 3 7とが分離されて構成されており、両者が、可撓性の光ファイバ一としての、多数本束ね.られた発光用光ファイバ一 3 8と受光用光ファイバ一 3 9によって連結されている。この発光用光ファイバ一 3 8と受光用光ファイバ一 3 9は、本体部 3 6と濃度検知部 3 7との間を長く延びている。そして、図 1 1に示すように、これら可撓性の発光用光ファイバ一 3 8と受光用光ファイバ一 3 9は、本体部 3 6と濃度検知部 3 7との間において、可撓性の保護チューブ 4 0内に収容されており、長く延びる可撓性の光フアイバ一ケ一プルの形態に形成されている。レーザ一光の発光器部分、レーザー光発光回路、レーザー光の受光器部分、受光増幅回路は図 2に示したのと同じ構成を有している。

図 1 2は、たとえば図 1 1のように構成された濃度測定装置 3 5を、汚泥の濃度測定に使用する場合の配置例を概略示したものである（第 1実施例）。汚泥配管 6 1の管壁に、上記の小型の濃度検知部 3 7が取り付けられ、それとは分離された本体部 3 6が、環境が良好で安全な離れた場所に配置されている。濃度検知部 3 7と本体部 3 6 との間が、長く延びる可撓性の光ファイバ一ケーブル 6 2によって連結されている。この光ファイバ一ケーブル 6 2は、内部の光ファイバ一による伝送の損失が所定レベル以下であれば、相当長いものまで使用できる。光ファイバ一の伝送損失は、一般に極めて小さいので、光フアイバーケーブル 6 2 の長さとしては、 1 0 0 m程度であれば濃度測定上全く問題なく、場合によつては数 k mまで延設することも可能である。

上記のように構成された濃度測定装置 3 5においては、濃度検知部 3 7と本体部 3 6が完全に分離構成とされている。濃度検知部 3 7は、光ファイバ一の先端を所定の配置形態に揃えたセンサ一面さえ形成できればよく、ごく小さな部材に構成できるから、図 1 2に示したように、汚泥配管 6 1等の悪環境で取付に手間がかかるような場所にも、かつ作業スペースが狭い場合にあっても、簡単に取り付けることが可能である。一旦取り付けた後には、調整機器等を有していないことから、頻繁なメンテナンスは不要であり、場合によってはメンテナンスフリ一とすることも可能である。 ' また、この濃度検知部 3 7で検知された信号を光ファイバ一ケーブル 6 2で伝送できればよく、光ファイバ一ケーブル 6 2は可撓性で比較的複雑な経路であつても自由に延設することができ、しかも長尺に構成しても性能上問題ないから、濃度検知部 3 7は、従来配置が困難であった場所、たとえば地下貯水槽やスラリ一貯槽、汚泥の沈澱槽等に対しても所望の部位に容易に設置することができるようになる。

一方、本体部 3 6は、可撓性でかつ長尺の光ファイバ一ケーブル 6 2を介して上記濃度検知部 3 7に連結されているので、設置場所や設置姿勢に何ら制約がない。したがって、良好な環境の下に設置でき、光学機器や電子 ·電気回路を含む本体部 3 6を、安全で調整ゃメンテナンスを容易に行うことのできる場所に自由に設置することができる。したがって、本体部 3 6の各機器や回路の良好な作動が確実に保証され、濃度測定装置 3 5全体としての測定感度、性能が長期間にわたって確保される。

なお、図 1 2に示した第 1実施例では、濃度検知部 3 7と本体部 3 6とを光フアイバーケーブル 6 2で直接接続したが、図 1 3に第 2実施例を示すように、光フアイバーケープル 6 2の両端に光コネクタ一 6 3 a、 6 3 bを用い、該光コネクタ一 6 3 a、 6 3 bを介して濃度検知部 3 7と本体部 3 6とに接続するようにしてもよい。このように構成すれば、現場での設置作業を低減できる効果がある _c 光コネクタ一は、光ファイバ一ケーブル 6 2のいずれか一端側のみに設ける構成とすることもできる。

また、光ファイバ一の配置に関して、作業軽減ゃコスト低減をはかることも可能である。たとえば、図 1 4に示す第 3実施例は、発光用光ファイバ一 7 1と受光用光ファイバ一 7 2がランダムに配置されたランダム配置部 7 3を有する濃度検知部 7 4を、光コネクター 7 5を介して光ファイバ一ケーブル 7 6に接続した場合を示している。発光用光ファイバ一 7 1と受光用光ファイバ一 7 2のランダム配置は、濃度検知部 7 4内におけるセンサ—面 7 7側の必要最小限の短い領域のみに限ってランダム配置部 7 3を構成し、そこからは発光用光フアイバ一 7 1 と受光用光ファイバ一 7 2を分岐して別々に引き出すようにしている。光フアイバーをランダムに配置するには、別々 'こ配置する場合に比べ、配置作業が煩雑であり、その分製作コストも増大する。したがって、図 1 4に示すように、ランダム配置部 7 3を極力少なくすることにより、配置作業を軽減でき、製作コストを低減できる。この方法は、図 4〜図 6に示したような同心円状や半円配置の場合にも適用できる。

さらに、図 1 0、 1 1、 1 2、 1 3、 1 4に示した各態様では、濃度検知部と本体部とを 1対 1に対応させたが、本発明においては、必要に応じて、異なる塲所に設置された複数の濃度検知部からの信号を一つの本体部で検知することも可能である。たとえば、各濃度検知部から本体部に並列に光ファイバ一ケーブルを配設するか、あるいは一本の主光ファイバ一ケーブルから光セレクタ一を介して各濃度検知部に分岐光ファイバ一ケーブルを接続し、各濃度検知部での測定波の波長を互いに異なる波長に設定しておけば、各濃度検知部に対応した濃度測定が可能になる。

たとえば、図 1 5に第 4実施例を示すように、複数の汚泥配管 8 1 a · · · 8 1 nにそれぞれ濃度検知部 8 2 a · · · 8 2 nを設け、各濃度検知部 8 2 a · · - 8 2 nに光フアイバーケーブル 8 3 a « · · 8 3 nを並列に接続し、これら光ファイバーケーブル 8 3 a · · · 8 3 nを一つの本体部 8 4に接続するようにすることができる。複数の本体部を設置する場合に比べて、一つの本体部 8 4で各汚泥配管 8 1 a · · · 8 1 n内の汚泥濃度を集中管理できるので管理が容易であり、また、本体部 8 4の設置の容易化や設置スペースの低減、本体部 8 4の製作コストの低減をはかることもできる。

また、図 1 6に第 5実施例を示すように、複数の汚泥配管 9 1 a · · · 9 1 n にそれぞれ濃度検知部 9 2 a · · · 9 2 nを設け、各濃度検知部 9 2 a · · · 9 2 nに分岐光フアイバーケーブル 9 3 a · · · 9 3 nを並列に接続し、これら分岐光フアイバ一ケーブル 9 3 a · · · 9 3 nを光セレクタ一 9 4に接続して一旦検知光信号を集約し、光セレクタ一 9 4から、 1本の主光ファイバ一ケーブル 9 5、あるいは分岐光ファイバ一ケーブルの数よりは少ない複数の主光ファイバ一ケーブルを介して本体部 9 6に接続するようにすることができる。各濃度検知部 9 2 a · · · 9 2 nでの測定波の波長を互いに異なる波長に設定しておき、本体部 9 6に送る信号を光セレクタ一 9 で切り換えることにより、本体部 9 6で各濃度検知部に対応した濃度測定が可能になる。汚泥の濃度測定の頻度はそれほど高くなくてもよい場合が多いので、このような構成を採用することにより、必要な濃度測定機能を確保しつつ、システム全体のコスト低減が可能になる。

産業上の利用可能性

本発明の濃度測定装置は、高い濁質成分濃度まで高感度で測定できるので、とくに汚泥濃度の測定等に好適に用いることができる。また、濃度検知部と本体部を分離した構成とし、その間を可撓性の長い光ファイバ一ケーブルで連結すれば、狭い場所や悪環境の場所にも濃度を直接検知する濃度検知部を容易に設置することができるようになり、汚泥濃度の測定等に好適なシステムを構成できる。

Claims

請求の範囲

1 . 被測定液中の濁質成分の濃度を、被測定液中に向けて発光されたレーザー光の拡散反射光を検知することにより測定する装置において、レーザ—光発光用の光ファイバ一と受光用の光ファイバ一を、それぞれ複数束ねて一つの濃度検知部に構成したことを特徴とする濃度測定装置。

2 . 総数 1 0 0本以上の光ファイバ一が束ねられている、請求項 1の濃度測定装

3 . 濃度検知部のセンサー面において、発光用光ファイバ一と受光用光ファイバ一がランダムに配置されている、請求項 1の濃度測定装置。

4 . 濃度検知部のセンサー面において、中央部に発光用光ファイバ一が配置され、その周囲に受光用光ファイバ一が配置されている、請求項 1の濃度測定装置。

5 . 濃度検知部のセンサー面において、中央部に受光用光ファイバ一が配置され、その周囲に発光用光ファイバ一が配置されている、請求項 1の濃度測定装置。

6 . 濃度検知部のセンサ—面において、一方の半面に発光用光ファイバ一が配置され、他方の半面に受光用光ファイバ一が配置されている、請求項 1の濃度測定

7 . レーザ一光が発光用光ファイバ一にパルス駆動により供給される、請求項 1 の濃度測定装置。

8 . 少なくともレーザ一光の発光器と受光器を有する本体部と、被測定液中に直接レーザー光を照射し被測定液中から直接反射光を受光する前記濃度検知部とが、分離されて構成され、本体部と濃度検知部が可撓性の光フアイバーにより連結されている、請求項 1の濃度測定装置。 '

9 . 可撓性の光ファイバ一が、可撓性チューブ内に収容されている、請求項 8の濃度測定装置。 -

1 0 . 本体部が、前記発光器に接続されたレーザ—光発光回路と、前記受光器に接続された受光増幅回路を有する、請求項 8の濃度測定装置。