JPS5848063B2 - 超音波懸濁液濃度測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波懸濁液濃度測定方法に関する。

超音波を利用して懸濁液濃度（懸濁液に対する懸濁物質
の重量比）を測定する場合、従来から、懸濁液中におけ
る超音波の減衰量を検出して、この減衰量から濃度を求
める手段が用いられている。

しかし懸濁液中における超音波の減衰率は懸濁物質の粒
度、密度、体積弾性率などの影響を受けるので、従来装
置においては一般に測定濃度のバラツキが大きく（最大
目盛の±１０φ程度またはそれ以上）、頻繁に較正する
必要があった。

また較正に際しては懸濁液を採取して分析し、かつその
結果に基づいて装置の調節または較正曲線の作製などを
行なわなければならないので、多くの手数を必要として
いた。

したがって懸濁物質の状態がほぼ安定している場合を除
き、濃度制御に適用することは実質的に不可能であり、
また記録データもその修正がきわめて困難ないし不可能
であるため信頼し得ないなどの難点があった。

上述のような問題点を解決するために、本発明者は共同
発明者らと共に、懸濁液を分析して得られた実濃度に応
じて濃度一超音波減衰量特性を選択的に設定することに
より、簡単な較正で信頼度の高いデータが得られる濃度
測定方法および装置を先に提案した。

すなわち、汚泥水などの懸濁液においては懸濁物質が比
較的長い周期で相異なる複数の状態に交互に転移すると
いうことに着目し、上記相異なる複数の状態にそれぞれ
対応する表示領域あるいは検量線を予め設定しておくと
ともに、懸濁液の分析を周期的または定時に小数のサン
プルについて行ない、分析によって得られた実濃度と表
示値との差異が許容誤差範囲を超える場合に表示領域を
選択的に設定するようにしたものである。

上述のような手段によれば懸濁物質の濃度が比較的大き
い場合、すなわち表示領域の相互に重畳する部分が少な
い場合にはその選択を容易に行ない得るが、相互重畳部
分が多い場合にはその選択が困難になるという不具合が
ある。

本発明は上記事情に基づいてなされたもので、上記手段
をさらに改良し、懸濁物質の濃度が小さい場合にも容易
に正しい表示領域あるいは検量線を設定可能な、超音波
懸濁液濃度測定方法を提供しようとするものである。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

第１図はＳ下水処理場における返送汚泥水（終沈槽から
曝気槽に返送される汚泥水）の約１年間にわたる実測結
果（１４９点）を示し、横軸には分析による汚泥水の実
濃度Ｄ （ ｐｐｍ ）を、縦軸には従来同様１つの検
量線が設定された装置における表示値ｄ（最大目盛に対
する％）をとってある。

この測定例では最大目盛に対する精度が約±１２％（±
２ ４ ０ ０ ｐｐｍ ）であって、このままでは実
用に供し得ない。

よって、上記測定結果を解析した結果、各測定点の大部
分は第２図に示すように２つの領域ＡおよびＢのいずれ
かに属することがわかった。

すなわち゛、第２図において実線で示す検量線ａ。

，ｂｏは領域Ａ，Ｈにそれぞれ対応するものである。

また破線で示す許容限界線ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、
上記最大実濃度（ ２ ０ ０ ０ ０ ｐｐｍ ）の
±５％に対応するものであるが、領域Ａ，Ｂの実質的な
境界線をなしていることがわかる。

したがって、検量線ａｏおよびｂ。

のうちいずれか一方を設定することにより±５％の精度
で測定することができる。

そして、懸濁液中における超音波の減衰量（ｄＢ）は実
濃度Ｄにほぼ比例するので、後述するように超音波受信
回路における可変減衰器の設定値を検量線ａ。

またはｂ。の傾斜角に関連して定めることにより、実濃
度Ｄに±５％の精度テ対応する値ｄを表示させることが
できる。

すなわち、検量線ａ。

，ｂｏは相互に異なる状態における懸濁液の濃度一超音
波減衰特性を示すものである。

なお、第２図Ａは４月下旬から約６ケ月間の高温期にお
ける測定結果３９点を示し、また同図Ｂは前年１０月上
旬から約６ケ月間の寒冷期における測定結果１１０点を
示す。

つぎに、上記領域ＡおよびＢを選択する手段について説
明する。

第３図に上記領域ＡおよびＢを重合して示すように、領
域Ａの下側許容限界線ａ２ と領域Ｂの上側許容限界線
ｂ１ との交点ＰＡＢは、図示例においてはｄ中５３
％、Ｄ中１０４００ｐｐｍと比較的大きく、これを超え
るようなサンプルは高温期に僅か得られるに過ぎない。

また、第３図に例示する領域Ｃと上記領域Ｂとに区分さ
れるような懸濁液においては、上下の許容限界線ｃ１
とｂ２の交点Ｐｂｃがさらに大きな値となる。

このように領域が相互に近接している場合には、上述し
たように小数サンプルについての実濃度測定によって領
域の選択設定が困難である。

そこで、本発明者は超音波の減衰に影響を及ぼす諸要因
について研究した結果、返送汚泥水から採取した乾物中
における全強熱残分Ｘ（乾物を６００±２５℃で３０分
間電気炉中で灼熱した残留分の乾物に対する重量百分比
）と、超音波の減衰量ｙ（ｄＢ）との間に第４図に示す
ような相関があることを見出した。

すなわち、同図はこれら両者ｘ，ｙの関係を回帰分析に
よって求めた結果であり、回帰曲線Ｒはｙ二０．２９ｘ
＋５、１７で表わされ、相関係数は０．９３６１と大き
な値が得られた。

また、同図においてＸ＝Ｏの場合のｙの値５．１７は、
上記返送汚泥水中における有機物のみによる超音波減衰
量に対応するものと考えられるので、全強熱残分のみに
よる減衰量（ｙ−５．１７）のＸに対する比について中
央値の上下の連を用いる検定法により、減衰量ｙがそれ
ぞれ１７ｄＢおよび１４ｄＢである群ＡおよびＢの同一
性を検定した結果、その同一性を確認することができた
。

さらに、Ｍ汚水処理場において，５月上旬から約４ケ月
にわたって採取したデータ（第５図参照）を加味して上
述とほぼ同様に全強熱残分Ｘと超音波減衰量ｙとの関係
を求めると第６図に示すような回帰曲線Ｗが得られた。

この場合には曲線Ｒ′はｙ＝ｏ．２ ６ ｘ＋６．３
９と表わされ、相関係数は０． ９ ７ １ ６である
。

また、１７ｄＢの群Ａ，１４ｄＢの群Ｂおよび１２ｄＢ
の群Ｃの同一性も上述同様の検定法によって確認されて
いる。

以上のことから、第４図または第６図を用いることによ
り強熱残分Ｘの値によって上記返送汚泥水における懸濁
物質の状態がいずれの群、したがっていずれの表示領域
に属するかを判別することができる。

すなわち汚泥水から適宜に採取した小数サンプルにつき
全強熱残分Ｘを測定し、所望測定精度にもよるが、その
平均値がたとえば３７〜４５％程度であれば減衰量が１
７ｄＢに対応する検量線を選択すればよい。

同様に、上記平均値が２５〜３３％程度の場合には１４
ｄＢ，１８〜２５％程度の場合には１２ｄＢにそれぞれ
対応する検量線を選択するようにすればよく、その他の
場合にも同様にして懸濁物質の状態に適合する検量線を
設定することができる。

したがって、たとえば検量線ａ。

ｓ ｂＯを画いた較正曲線図を用意シテおくか、または
検量線ａ。

，ｂｏ にそれぞれ対応する目盛を表示部に設けておく
か、あるいは検量線ａ。

，ｂｏに応じて出力信号を選択的に設定し得るようにし
ておくなどにより、常に高精度（上述の場合約±５饅）
の濃度測定を行なうことができる。

また上記返送汚泥水のように懸濁物質の状態変化がほぼ
周期的に生ずる場合には、その周期ないしは時期を把握
しておくことにより較正すべき時期を選定できるので、
従来のように無作為にかつ頻繁な分析を行なう必要がな
く、通常は下水処理場において一般に行なわれている定
期的（毎月１回）な分析結果を利用する程度で充分であ
って、較正のために特に分析を行なう必要がない。

なお、上記返送汚泥水においては、夏季と冬季とにおい
て懸濁物質の状態が異なるものと認められるが、これは
曝気槽における細菌の増殖や汚泥消化効率等が温度の影
響を受けるためと考えられる。

第１図に本発明を適用した装置を例示する。

同図Ａにおいて懸濁液１はたとえば配管２に沿って流動
しているものとする。

配管２には所定距離を隔てて相対向する送波器３および
受波器４が配設されている。

送波器３は送信部５に接続され、受波器４は可変減衰器
６、増幅器７、主制御部８およびＤ／Ａ変換器９を介し
て表示部１０に導かれている。

また可変減衰器６０匍脚端は、切換スイッチ１１を介し
て主制御部８およびデジタルスイッチなどのような副制
御部１２と選択的に接続可能に構成されている。

通常の測定状態においては、可変減衰器６０制御端が主
制御部８がわに接続され、従来装置におけるとほぼ同様
な構成となる。

送信部５の出力により送波器３を駆動して所定周波数の
超音波パルスを発生させると、懸濁液１により減衰され
た超音波パルスが受波器４に受信され、この受信信号が
可変減衰器６、増幅器７を介して主制御部８に供給され
る。

主制御部８は、これに予め設定されたしきい値と増幅器
７の出力とが等しくなるように可変減衰器６に制御信号
を供給するとともに、この制御信号に対応する出力信号
をＤ／Ａ変換器９を介して表示部１０に供給する。

したがって表示部１０には懸濁液１における超音波パル
スの減衰量に比例する表示がなされる。

この場合、第８図に示すように実濃度Ｄの最大値Ｄｍに
対応して表示値ｄの最大値ｄｍが定められているとすれ
ば、Ｄ二０ ，ｄ＝０およびＤ＝Ｄｍ，ｄ−ｄｍの２点
を通る直線ａ。

の傾斜ｄｍ／Ｄｍが超音波減衰量ｙの値ｙ１ に対応し
、装置はこの値ｙ１ に対応する検量線ａ。

に設定されていることになる。換言すれば、上述したよ
うに減衰量ｙは強熱残分Ｘに対応して定まるから、強熱
残分Ｘが判れば検量線、すなわち濃度一超音波減衰特性
を設定することができる。

？述のように設定されたのちに改めて較正を行なう場合
には、サンプル採取に先立って配管２、送波器３、受波
器４等を洗浄し、かつ配管２に清浄水を流通させて表示
部１０における表示値が零となるように零点調節をして
おくことが望ましい。

そして、表示部１０がほぼ安定した表示をなしていると
き懸濁液１から複数のサンプルを採取するとともに各サ
ンプルを分析し、強熱残分Ｘの平均値を算出する。

この際、各サンプルの実濃度およびサンプル採取時にお
ける表示値の各平均値も同時に求めておくのがよい。

そして、得られた強熱残分からこれに対応する減衰量ｙ
１（検量線ａ′ｏの傾斜）を求め、上記設定された検量
線ａ。

に対応する減衰量ｙ と比較する。

これらの差異が許容限界内であれば較正の必要がないこ
とはいうまでもない。

このことは、実濃度分析平均値Ｄ１トこれに対応する表
示値の平均値ｄ１ との関係位置Ｐ１ が領域Ａ内に
存在することによっても裏付けられる。

また、強熱残分に対応する減衰量ｙ２が上記ｙ１に比し
無視し得ない程度の差異（たとえば１ｄＢ）を有する場
合には、この減衰量ｙ２に対応する検量線ｂ。

を設定する。この場合、実濃度の平均分析値Ｄ２ とこ
れに対する平均指示値ｄ２との関係位置Ｐ２は、図示の
ように領域Ａ，Ｂの重畳部分に存在していても、領域Ｂ
に属するものと判断する。

そして以後は検量線ｂ。を基準として測定すればよい。

また上記主制御部８ないしＤ／Ａ変換部９から実濃度に
対応する信号を取出したり、表示部１０におげる表示値
ｄ２を実濃度Ｄ２に対応させたりするためには、懸濁液
１の最大実濃度に対応する超音波減衰量ｙが上記ｙから
検量線ｂ。

に対応するｙ２ に転移したのであるから、減衰量がｙ
２のとき表示部１０が最大値ｄｍを表示するように較正
すればよい。

換言すれば、検量線ｂ。においては最大実濃度Ｄｍに対
応する表示値がｄ３であるから、これが最大表示値ｄｍ
と等しくなるようにスパン調整をすればよい。

このような調整を行なう場合は、切換スイッテ１１を操
作して可変減衰器６０制御端を副制御部１２に接続し、
副匍脚部１２を操作して可変減衰器６に上記減衰量ｙ２
を設定し、これによるＤ／Ａ変換部９からの疑似信号を
表示部１０に供給するとともに、表示部１０が最大値ｄ
ｍを表示するようにスパン調整すればよい。

この調整が完了したのち切換スイツテ１１を主制御部８
がわに切換えれば、表示部１０は検量線ｂ。

に対応する表示をなす。上述のように、たとえば２つの
検量線ａ。

，ｂｏが確認されているような場合には、その後の較正
に際してはサンプルの採取数は僅かであってよく、強熱
残分の分析結果に応じていずれの検量線を用いるべきか
を選択し、上述のようにして当該領域へ転移させるよう
に表示部１０のスパン調整を行なえばよい。

また懸濁物質の状態が転移する時期が予測される場合に
は、その時期に較正すればその他の期間は較正の必要が
ない。

以上においては表示部１０における目盛様式を一定にし
てスパン調整を行ない、検量線ａ。

，ｂｏを用いて測定する場合について説明したが、出力
信号を他に利用することがなく、単に濃度表示をさせる
場合には、表示部１０において検量線ａｏ，ｂｏに対応
するそれぞれの目盛を設け、スパン調整を行なう代りに
サンプル分析の結果に応じて用うべき目盛を選択するよ
うにしてもよい。

第７図Ｂにおいては、送波器３、受波器４および正帰還
増幅器１３がループ接続された連続波方式による場合を
示す。

正帰還増幅器１３の出力端は検波増幅器１４および対数
増幅器１５を介して表宗部１０に導かれている。

また受波器４と正帰還増幅器１３０入力端との間には、
常閉スイッチ１６と減衰器１７とが並列接続されている
。

要すれば常閉スイッチ１６に代えて２連切換スイッチを
用いるようにしてもよい。

このものにおいてヲチ測定時にはスイッチ１６を閉とし
、また較正時にはスイッチ１６を開として減衰器１７に
上記減衰量ｙ２を設定し、表示部１０のスパン調整を行
なってからスイッチ１６を閉じればよく、同図Ａに示す
ものとは測定機構を異にしているが較正操作はほぼ同等
に行なわれ、かつ同等の効果を奏することができる。

本発明によれば、上述したように懸濁液を分析して得ら
れた強熱残分の割分に応じて濃度一超音波減衰特性を選
択的に設定するようにしたので、懸濁物質の状態の差異
が僅かでも特性の識別が可能で、かつ従来に比し較正が
簡単でかつその回数が少なくてよく、しかも常に高い信
頼性を有する測定データが得られ、特に汚泥水等の濃度
測定に好適な超音波懸濁液濃度測定方法を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は濃度表示値の分布状態を例示する図、第２図Ａ
およびＢは第１図に示す測定データを２つの領域に区分
して示す図、第３図は第２図ＡおよびＢの２つ領域を重
合して示す説明図、第４図は第１図に示す測定データに
対応する強熱残分と減衰量との関係を例示する線図、第
５図は濃度表示値の他の分布状態を例示する図、第６図
は第１図および第５図に示す測定データに対応する強熱
残分と減衰量との関係を示す線図、第１図ＡおよびＢは
本発明を適用した装置のそれぞれ異たる実施例を示す系
統図、第８図は較正方法を説明するための線図である。 １・・・懸濁液、３・・・送波器、４・・・受波器、６
・・・可変減衰器、８・・・主制御部、１０・・・表示
部、１２・・・副制御部、１７・・・減衰器、Ａ，Ｂ・
・・領域、ａｏｂ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 懸濁液中における超音波の減衰量に対応する信号に
   より上記懸濁液の濃度を検出する方法において、上記懸
   濁液を分析して含有乾物中における強熱残分の割合を検
   出するとともに上記強熱残分の割合に応じて濃度一超音
   波減衰量特性を選択的に設定するようにしたことを特徴
   とする超音波懸濁液濃度測定方法。