JP5935451B2

JP5935451B2 - 界面レベル計

Info

Publication number: JP5935451B2
Application number: JP2012080410A
Authority: JP
Inventors: 埜村　誠; 誠埜村
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013210272A

Description

本発明は、水中の懸濁物堆積層とその上澄水との界面の位置を測定する界面レベル計に関する。

工場における排水処理設備や、下水処理施設には、一般に排水（汚水）を沈降処理することで汚泥とその上澄水とを固液分離する沈殿槽（又は沈殿池）が設けられている。沈殿槽における汚泥の堆積量を監視するために、例えば超音波センサを用いて沈殿槽の底面に向けて超音波を送信し、反射波の受信タイミング及び受信強度を解析して、汚泥と上澄水との界面の位置（深度）を検出することが行われている（例えば特許文献１参照）。界面位置は、反射強度が所定の閾値以上となった反射波の受信タイミング（伝播時間）によって求めることができる。

しかし、このような界面位置の検出方法では、超音波センサと界面との間の超音波の伝播経路上に気泡、浮遊汚泥、パイプ等の異物が存在した場合に、異物からの反射波の強度が閾値以上となり、界面位置を正確に検出することができないという問題があった。

特開２０１１−１３０８４号公報

本発明は、汚泥と上澄水との界面の位置を正確に検出することができる界面レベル計を提供することを目的とする。

本発明の界面レベル計は、超音波又は光を送出し、懸濁物堆積層を含む水中で反射した超音波又は光を受信するセンサと、前記センサによる受信信号に基づいて、前記懸濁物堆積層と上澄水との界面の位置を算出する算出部と、を備え、前記算出部は、前記受信信号の強度を時間方向に積算し、積算値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出するものである。

この界面レベル計においては、前記センサは、超音波又は光の送出及び反射波の受信を複数回行い、前記算出部は、複数の受信信号の強度の平均値を時間方向に積算し、積算値と前記所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することが好ましい。

また、この界面レベル計においては、前記算出部は、前記積算値を所定値で除す除算処理を行い、除算結果と前記所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することが好ましい。

また、この界面レベル計においては、前記算出部は、前記積算値から所定値を減じる減算処理を行い、減算結果と前記所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することが好ましい。

本発明の界面レベル計においては、前記算出部により算出された前記界面の位置を表示する表示部をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、センサと界面との間に気泡、浮遊汚泥、パイプ等の異物が存在する場合でも、界面からの反射波に基づいて界面の位置を正確に検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係る界面レベル計の概略構成図である。同第１の実施形態に係る超音波センサの概略構成図である。超音波反射強度分布の一例を示すグラフである。超音波反射強度分布の一例を示すグラフである。超音波センサと界面との間にパイプが設けられている状態を示す図である。超音波反射強度分布の一例を示すグラフである。超音波反射強度の積算値分布の一例を示すグラフである。超音波反射強度の積算値分布の一例を示すグラフである。超音波反射強度の積算値分布の一例を示すグラフである。超音波反射強度の積算値分布の一例を示すグラフである。変形例による界面レベル計の概略構成図である。デジタル信号値と色調との対応関係の一例を示す図である。変形例による界面レベル計の概略構成図である。画像データの一例を示す図である。表示部による表示の一例を示す図である。メモリに設けられる複数の記憶領域の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
図１に第１の実施形態に係る界面レベル計の概略構成を示す。界面レベル計は、信号生成回路１、超音波センサ２、増幅回路３、アナログデジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と称する）４、表示部５、及び界面レベル算出部６を備えている。

図２に示すように、超音波センサ２は送信部２１及び受信部２２を有し、汚泥等の懸濁物堆積層２３とその上澄水２４とを貯留する処理槽２５の所定の高さに図示しない取付機構によって取り付けられている。送信部２１は、信号生成回路１により生成された電気信号を超音波振動子に与え、処理槽２５の底面に向かって超音波を送信する。

送信部２１から送信された超音波は、懸濁物堆積層２３とその上澄水２４との界面２６や、界面２６下の懸濁物、処理槽２５の底面等によって反射される。反射波は受信部２２によって受信される。受信部２２は受信信号を増幅回路３へ出力する。

図１に示すように、超音波センサ２の受信部２２による受信信号は増幅回路３によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器４によりデジタル信号に変換された後、表示部５及び界面レベル算出部６へ出力される。

表示部５は、Ａ／Ｄ変換器４から受け取ったデジタル信号に基づいて、超音波送信からの時間経過に伴う反射強度（受信強度）の変化を示すグラフを表示領域５１に表示する。表示領域５１は、例えば図３に示すように、縦軸に経過時間、横軸に反射強度をとるグラフを表示する。なお、超音波送信から受信までの時間は、超音波の反射位置の深さに対応するため、縦軸を深さとして表示することもできる。このように、表示部５の表示領域５１は、処理槽２５内の最新の超音波反射強度分布を表示することができる。

また、表示部５の表示領域５２は、後述する方法により界面レベル算出部６が算出した懸濁物堆積層２３と上澄水２４との界面２６（図２参照）の位置を表示する。表示領域５２は、界面２６の位置を数値表示してもよいし、トレンドグラフとして表示してもよい。

界面レベル算出部６は、Ａ／Ｄ変換器４から受け取ったデジタル信号に基づいて、懸濁物堆積層２３と上澄水２４との界面２６の位置（深さ）を算出する。界面レベル算出部６による界面２６の位置の算出方法について説明する。

まず、図２に示すように、超音波センサ２と界面２６との間に気泡、浮遊汚泥、パイプ等の異物が存在しない場合について説明する。この場合、超音波の反射強度は、超音波送信からの時間経過に伴って図４に示すように変化する。界面レベル算出部６は、反射強度が所定の閾値Ｒｔｈを超えて急激に大きくなったタイミングまでの経過時間（ｔ１）に基づいて、界面２６までの距離（界面２６の位置）を算出する。

また、界面レベル算出部６は、時間ｔ１以後に反射強度が急激に大きくなったタイミングまでの経過時間（ｔ２）から、処理槽２５の底面までの距離を算出することができる。界面レベル算出部６は、超音波センサ２の取り付け位置と、処理槽２５の底面までの距離との対応関係を示すテーブルを保持しておき、このテーブルを参照して底面までの距離を求めてもよい。

次に、超音波センサ２と界面２６との間に気泡、浮遊汚泥、パイプ等の異物が存在する場合について説明する。図５に示すように、超音波センサ２と界面２６との間にパイプＰが存在する場合、超音波の反射強度は、超音波送信からの時間経過に伴って図６に示すように変化する。パイプＰは金属やプラスチック等の固体で形成されているため、パイプＰからの反射信号の強度は大きい。そのため、パイプＰからの反射信号の強度が、界面２６を検出するための閾値Ｒｔｈより大きくなり、界面２６の位置を誤検出するおそれがある。

本実施形態において、界面レベル算出部６は、パイプＰからの反射信号によって界面２６の位置を誤検出することを防止するために、超音波送信から所定時間Ｔを経過するまでの受信信号を、界面位置の検出に使用する信号から除外する。これにより、界面レベル算出部６は、実際の界面２６からの反射信号に基づいて界面２６を正確に検出することができる。

界面位置の算出に使用されない信号の受信時間である所定時間Ｔは、様々な方法で決定することができる。例えば、処理槽２５内に設置されているパイプＰの位置（深さ）が予め分かっている場合は、パイプＰの位置と超音波の伝播速度から所定時間Ｔを決定することができる。

また、表示領域５１に表示されるグラフを参照して、ユーザが、図示しない入力手段を介して、所定時間Ｔを入力・設定できるようにしてもよい。入力手段は、例えばマウスやキーボードである。また、表示部５をタッチパネルで構成し、ユーザがタッチパネルを介して入力した所定時間Ｔが界面レベル算出部６に通知されるようにしてもよい。

界面レベル算出部６は、このようにして算出した界面２６の位置を表示部５に出力して、表示領域５２に表示させる。これにより、表示領域５２は、処理槽２５内での懸濁物堆積層２３と上澄水２４との界面２６の位置の最新情報を表示することができる。なお、界面２６の位置は、上澄水の水面２７からの距離、超音波センサ２からの距離、処理槽２５の底面からの距離のいずれでもよく、またその他の基準点からの距離でもよい。

また、界面レベル算出部６は、算出した界面２６の位置情報を、外部ディスプレイ、外部メモリ、外部コンピュータ等の外部装置１０へ出力してもよい。

上述したように、本実施形態では、超音波送信から所定時間Ｔを経過するまでの受信信号を界面位置の検出に使用する信号から除外し、所定時間Ｔに対応する深さ領域を界面位置検出領域から除外する。言い換えれば、超音波送信から所定時間Ｔ経過以降に受信した受信信号を用いて界面位置を検出する。そのため、超音波センサ２と界面２６との間に気泡、浮遊汚泥、パイプ等の異物が存在する場合でも、実際の界面２６からの反射波に基づいて界面２６の位置を正確に検出することができる。

上記第１の実施形態において、懸濁物や粒子の堆積量や展開率が高くなり、界面２６がパイプＰ等の異物よりも上方に位置する場合は、所定時間Ｔを短くすることで、界面２６の位置を検出できる。

上記第１の実施形態において、処理槽２５内の懸濁物や粒子の径が小さい場合、沈降速度や堆積・圧密濃縮速度が低下し、界面２６近傍の堆積状況が一定せず、また、濃度が薄く不均一になることがある。このような場合は、反射信号を所定時間又は所定数取得して平均化し、平均化した反射信号と閾値Ｒｔｈとを比較して界面２６の位置を検出することが好ましい。ここで、反射信号の平均化とは、送信部２１からの超音波送信をトリガにした反射信号の受信を所定時間内に複数回行って複数の反射信号を取得するか、又は送信部２１からの超音波送信をトリガにした反射信号の受信を所定回数行って複数（所定数）の反射信号を取得し、これら複数の反射信号の平均値を求めることである。

例えば、複数の反射信号の平均化処理を行う平均化処理部を、受信部２２と増幅回路３との間に設けることで、受信部２２から増幅回路３に与えられる信号に対して平均化処理を行うことができる。また、平均化処理部を増幅回路３とＡ／Ｄ変換器４との間に設け、増幅回路３からＡ／Ｄ変換器４に与えられる信号に対して平均化処理を行ってもよい。あるいはまた、Ａ／Ｄ変換器４から出力されるデジタル信号に対して平均化処理を行うように平均化処理部を設けてもよいし、界面レベル算出部６が平均化処理を行ってもよい。

なお、平均化する反射信号の取得時間を長くする程、言い換えれば、平均化する反射信号の取得数を多くするほど、界面位置の検出精度は向上するが、検出に要する時間が長くなるため、界面位置の変化に対する追従性は低下する。界面位置の変化に即した値を検出するという観点から、１〜６０秒の間に取得する５個以上の反射信号を平均化することが好ましい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る界面レベル計は、図１に示す第１の実施形態に係る界面レベル計と同様の構成であるため、図示を省略する。本実施形態は、上記第１の実施形態と比較して、界面レベル算出部６による界面２６の位置の検出方法が異なる。

本実施形態では、界面レベル算出部６は、受信信号強度を時間方向（すわなち処理槽２５の底面へ向かう方向）に積算し、積算値と閾値とを比較して界面の位置を検出する。

例えば、図５に示すように、超音波センサ２と界面２６との間にパイプＰが存在し、図６に示すような超音波の反射強度の変化が起こっている場合、反射強度の積算値は図７のようになる。界面レベル算出部６は、積算値と閾値Ｒｔｈ１とを比較し、積算値が閾値Ｒｔｈ１を超えた位置を界面２６の位置として検出する。

パイプＰのような反射強度の大きい異物が界面２６より上方に存在する場合、界面２６への入射波が小さくなるため、界面２６からの反射波も小さくなる。本実施形態では、反射強度の積算処理を行うことで、界面２６からの反射強度が、異物からの反射強度に上乗せされるため、閾値Ｒｔｈ１との比較により界面２６の位置を正確に検出することができる。

界面レベル算出部６が、反射強度の積算値を表示部５に出力し、表示領域５２に図７のような反射強度の積算値分布が表示されるようにしてもよい。

上記第２の実施形態において、処理槽２５内の懸濁物や粒子の径が小さい場合、沈降速度や堆積・圧密濃縮速度が低下し、界面２６近傍の堆積状況が一定せず、また、濃度が薄く不均一になることがある。このような場合は、反射信号を所定時間又は所定数取得して平均化し、平均化した反射信号の積算値と閾値Ｒｔｈ１とを比較して界面２６の位置を検出することが好ましい。

例えば、界面レベル算出部６が複数の反射信号の平均化処理を行い、平均化した反射信号の積算値を求める。あるいはまた、界面レベル算出部６が複数の反射信号の各々について積算処理を行い、複数の積算値に対して平均化処理を行った後に閾値Ｒｔｈ１と比較してもよい。

このような反射信号の平均化処理及び積算処理を行うことで、懸濁物堆積層２３内の層変化が曲率の変化となって現れるため、懸濁物堆積層２３内での層界面を検出することができる。例えば、図８に示すように、閾値Ｒｔｈ１により干渉沈降層の上面（界面２６）位置を検出することができ、閾値Ｒｔｈ２より干渉沈降層と堆積濃縮層との界面位置を検出することができる。

上記第２の実施形態において、界面レベル算出部６は、受信強度の積算値を所定値（１より大きい値）で除算する除算処理を行ってもよい。この除算処理により、積算値に含まれているパイプＰ等の異物からの反射波成分を低減することができる。例えば、図７に示す反射強度の積算値は、除算処理により図９に示すようなものになる。異物からの反射波成分を低減することで、懸濁物堆積層２３からの反射波に着目した界面判定が容易になり、界面位置の検出精度をさらに向上させることができる。上述した平均化処理及び積算処理を行った値に対して、この除算処理を行ってもよい。

また、上記第２の実施形態において、界面レベル算出部６は、受信強度の積算値から所定値を減算し、積算値をシフトさせる減算処理（シフト処理）を行ってもよい。この減算処理により、積算値に含まれているパイプＰ等の異物からの反射波成分を低減することができる。例えば、図７に示す反射強度の積算値は、減算処理により図１０に示すようなものになる。異物からの反射波成分を低減することで、懸濁物堆積層２３からの反射波に着目した界面判定が容易になり、界面位置の検出精度をさらに向上させることができる。上述した平均化処理及び積算処理を行った値に対して、この減算処理を行ってもよい。

また、上記第２の実施形態において、界面レベル算出部６は、受信強度の積算値に対して所定の係数ａを乗算し、乗算結果に所定値ｂを加算し、算出結果と閾値とを比較して界面の位置を検出してもよい。係数ａ及び所定値ｂは、懸濁物堆積層２３内の濃度分布を簡易的に表示するための任意の実数である。このような乗算処理及び加算処理を施した受信信号強度の積算値を表示することで、処理槽２５内の状態をより詳細に把握することができる。

［さらに別の実施形態］
第１及び第２の実施形態に係る界面レベル計においては、超音波反射強度をグレースケール又はカラーで表示するために、図１１に示すように、上記第１及び第２の実施形態に係る界面レベル計にグラフィック変換部７を設けてもよい。グラフィック変換部７は、Ａ／Ｄ変換器４から受け取ったデジタル信号の値を、ディスプレイの階調に対応した値（画素データ）に変換する。例えば、カラー画像では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色それぞれがｋビット（＝２^ｋ階調、ｋは２以上の整数）で表現され、図１２に示すような対比により、２５６色を表現することができる。

グラフィック変換部７は、生成した画素データを外部装置１０へ出力する。外部装置１０がディスプレイである場合は、超音波反射強度がグレースケール又はカラーで表示される。

また、図１３に示すように、界面レベル計に、グラフィック変換部７により生成された画素データを記憶するメモリ８を設けてもよい。メモリ８は、図１４に示すように、１つの反射信号に対応するｍ個（ｍは２以上の整数）の画素データ６０を１列に並べて１画素列とし、ｎ個（ｎは２以上の整数）の反射信号の画素列を取得時間順に並べて画像データを作成する。メモリ８は、この画像データを表示部５に出力し、表示領域５３に表示させる。これにより、ユーザは、処理槽２５内の状態変化を、図１５に示すようなカラー画像で監視することができる。深さ表示（目盛）は、水面を基準としてもよいし、センサ下面や水槽の底面を基準としてもよい。メモリ８は、このような画像データを外部装置１０へ出力してもよい。

図１６に示すように、メモリ８に複数の記憶領域Ｓ１〜Ｓｙを設けてもよい。記憶領域Ｓ１〜Ｓｙは、グラフィック変換部７からｍ＋ｗ個（ｗは０以上の整数）の画素データを受け取ると、表示領域５３の１画素列分の表示データ（画素列データ）ｄとして格納する。記憶領域Ｓ１〜Ｓｙは、新しいデータｄ１の格納に伴い、今まで記憶していたデータのうち一番古いデータｄ２を廃棄（消去）する。

記憶領域Ｓ１〜Ｓｙはそれぞれ表示データｄをｎ＋ｘ個分（ｘは０以上の整数）格納することができる。また、図１６に示すように、表示データｄにはグラフィック変換部７から受け取ったカラー表示用のｍ＋ｗ個の画素データだけでなく、界面レベル算出部６から受け取った界面レベルＬＶ、図示しない水温センサから受け取った水温Ｔ、時刻Ｃを含めてもよく、これらを表示部５に出力してもよい。

記憶領域Ｓ１〜Ｓｙは、設定されたインターバル（時間間隔）を空けて、次の新しい表示データｄをグラフィック変換部７から受け取り、格納する。記憶領域Ｓ１〜Ｓｙに格納されているｎ＋ｘ個の表示データ（画素列データ）ｄのうち、新しい方からｎ個を用いることで、表示領域５３に超音波受信強度分布の変遷をカラー表示することができる。また、表示データに界面レベルＬＶや水温Ｔが含まれている場合、表示領域５３は、カラー画像と併せてあるいは単独で（画像データは消す）、界面レベルや水温の変遷を表示することができる。

記憶領域Ｓ１〜Ｓｙはそれぞれ異なるインターバルが設定されている。例えば、記憶領域Ｓ１は１秒、記憶領域Ｓ２は３秒、記憶領域Ｓｙ−１は５０分、記憶領域Ｓｙは１００分のインターバルが設定され、表示領域５３の画素列が２００列ある（ｎ＝２００）場合を考える。

この時、記憶領域Ｓ１のデータを用いると、表示領域５３には表示幅２００秒（＝１秒×２００）の変遷を表示できる。同様に、記憶領域Ｓ２のデータを用いると表示幅１０分（＝３秒×２００）、記憶領域Ｓｙ−１のデータを用いると表示幅約７日（≒５０分×２００）、記憶領域Ｓｙのデータを用いると表示幅約１４日（≒１００分×２００）の変遷を表示できる。

従って、どの記憶領域に格納されている表示データを用いるかによって、表示部５の表示領域５３にカラー表示する超音波受信強度分布の変遷（図１５参照）の時間幅を変更することができる。制御部９は、表示する時間幅の切り替え指示に基づいて、指示された時間幅に対応する記憶領域に格納されている表示データが表示部５に出力されるように制御する。

長い時間幅の強度分布の変遷を表示部５に表示する場合も、データサンプリングのインターバルを長くとって表示データｄをｎ個もしくはｎ＋ｘ個保持していれば良く、すべての時間に渡るデータを保持する必要がないため、メモリ８の記憶容量を削減できる。

また、表示画面の時間幅を切り替える際は、メモリ８内の複数の記憶領域Ｓ１〜Ｓｙのうちの表示データ取り出し先を切り替えるだけでよく、データの間引き抽出等が不要となるため、切り替えに要する時間を短縮し、表示エラーの発生を防止することができる。

記憶領域Ｓ１〜Ｓｙのデータサンプリングのインターバルを、表示領域５３に表示される時間幅に対応させるようにしてもよい。例えば、ｎ＝２００で時間幅３分の表示データを記憶領域Ｓ１に格納させたい場合、データサンプリングのインターバルは０．９秒（＝１８０秒÷２００）となる。同様に、時間幅３０分の表示データを記憶領域Ｓ３に格納させたい場合、データサンプリングのインターバルは９秒（＝１８００秒÷２００）となる。記憶領域Ｓ１〜Ｓｙの各々のデータサンプリングのインターバルを制御部９が制御するようにしてもよい。

上記実施形態及び変形例において、界面レベル計は、超音波センサでなく、反射型の光学式濁質濃度測定器を用いてもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１信号生成回路
２超音波センサ
３増幅回路
４Ａ／Ｄ変換器
５表示部
６界面レベル算出部
７グラフィック変換部
８メモリ
９制御部

Claims

超音波又は光を送出し、懸濁物堆積層を含む水中で反射した超音波又は光を受信するセンサと、
前記センサによる受信信号に基づいて、前記懸濁物堆積層と上澄水との界面の位置を算出する算出部と、
を備え、
前記算出部は、前記受信信号の強度を時間方向に積算し、積算値と所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することを特徴とする界面レベル計。
前記センサは、超音波又は光の送出及び反射波の受信を複数回行い、
前記算出部は、複数の受信信号の強度の平均値を時間方向に積算し、積算値と前記所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の界面レベル計。
前記算出部は、前記積算値を所定値で除す除算処理を行い、除算結果と前記所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の界面レベル計。
前記算出部は、前記積算値から所定値を減じる減算処理を行い、減算結果と前記所定の閾値とを比較し、比較結果に基づいて前記界面の位置を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の界面レベル計。
前記算出部により算出された前記界面の位置を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の界面レベル計。