濁度センサーのサプライヤーとして、私は、特に乱流条件下でリアルタイムの水データを見つめるエンジニア、処理施設のオペレーター、現場技術者と数え切れないほどの時間を費やし、同じ質問をしてきました。洗濯機の回転サイクルのように周囲の水がかき混ぜ、混合し、沈殿物をまき散らしているときに、この小さなデバイスはどのようにして濁度を正確に測定するのでしょうか?それは些細な質問ではありません。濁度（水中の浮遊粒子によって散乱される光の尺度）は、都市の飲料水から工業用排水、水産養殖に至るまで、水質モニタリングの基礎です。しかし、水が速く動いているとき、粒子はただ静止しているわけではありません。衝突したり、サイズが変化したり、センサー面で跳ね返ったりします。測定を誤ると、規制制限に違反したり、処理化学物質を無駄にしたり、公衆衛生を危険にさらしたりする可能性があります。乱流の混乱の下で濁度センサーがどのように機能するのか、そして水濁度センサーやインライン濁度センサーなどの当社のソリューションが乱流に対処するために構築されている理由を詳しく見てみましょう。
まず、濁度測定の基本原理を復習しましょう。これは乱流の課題を理解するための基礎となるからです。最新の濁度センサーのほとんどは、固定光源に対して 90 度の角度で散乱した光 (比濁散乱と呼ばれる) を測定する米国 EPA および ISO によって標準化された方法である比濁測定を使用します。その散乱は水中の粒子の濃度に比例します。つまり、粒子が多い = 散乱が多い = 濁度が高くなります (NTU (比濁濁度単位で測定))。濁度測定などの古い方法では、180 度での吸光度を測定しますが、比濁法は微生物汚染のシグナルとなる小さな光散乱粒子に敏感であるため、ゴールドスタンダードです。これは、飲料水の安全性に関して私たちが非常に重視しているものです。
さて、乱気流を導入します。乱流は単なる「速い水」ではありません。水が不規則で混沌とした渦、渦、速度の変動で動く流れの状態です。水が乱流になると、濁度の測定に支障をきたすいくつかのことが起こります。まず、粒子は均一に浮遊したままではありません。それらはクラスターに再分散され、個々の粒子はセンサーに対して異なる速度で移動します。第二に、流れ自体が物理的な乱れを引き起こす可能性があります。小さな泡（処理施設の曝気や堰の上での水の撹拌によるもの）が光を散乱させ、堆積物を模倣する可能性があります。第三に、せん断力があります。高速で移動する水は既存の粒子クラスターを侵食したり、新しい粒子クラスターを作成したりして、測定中に粒度分布を変化させる可能性があります。そして 4 番目に、センサー自体が設置されていても乱流を増幅する可能性があります。不適切に設置されたセンサーがパイプや水路に突き刺さると、結果を歪める独自の渦が発生する可能性があります。
では、濁度センサーはこれらの乱流関連の課題をどのように克服するのでしょうか?水濁度センサーやインライン濁度センサーなどのセンサーをこれらの状況で効果的にするための設計上の選択について見ていきましょう。
まず、センサーハウジングと流量調整です。これは大きなことです。乱流の場合は、センサーをパイプに叩き込んで最善の結果を期待するだけでは済みません。ハウジングの設計では、過剰な渦を減らし、センサーの光学面全体に一貫した流路を作成する必要があります。たとえば、当社のインライン濁度センサーは、パイプと同軸になるように精密加工されたフロー チャンバーを備えたフルパイプ (2 インチから 12 インチのラインが一般的) に直接設置できるように設計されています。同軸流とは、水がセンサー面の周りで渦を巻くのではなく、センサー チャンバー内をまっすぐに移動することを意味します。渦巻きがない = 光学窓上で粒子が不均一に分布しない。また、ハウジングには緩やかな入口ポートと出口ポートがあり、圧力降下を軽減し、水がチャンバーに入るときに水が泡を形成するのを防ぎます。泡は乱流システムにおける濁度データの悪化の主な原因の 1 つであるため、これは大きな利点です。私たちはこの設計を、流れが毎秒 10 フィートに達する下水処理プラントの排水パイプでテストしました。同じ条件下で最大 15% 変動する一般的なセンサーと比較して、当社のインライン センサーは 2% 以内の安定した読み取り値を維持します。
次に、可変粒子に最適化した光学系設計。乱流によって粒子サイズは常に変化します。激しい流れのイベント中に砂の山が砕けて小さなシルト粒子になったり、有機物が凝集したりする可能性があります。優れた濁度センサーは、総散乱をカウントするだけでなく、さまざまな粒子サイズを考慮する必要があります。当社の水濁度センサーは、880 nm 赤外線 LED (タンニンなどの有色有機物質による干渉を避けるため、比濁分析の標準) と 660 nm 赤色 LED の二重波長光学系を使用しています。なぜ？より大きな粒子はより多くの赤色光を散乱し、より小さな粒子はより多くの赤外光を散乱するためです。粒子サイズが急速に変化する乱流では、赤色散乱と赤外線散乱の比率を相互参照して、濁度の読み取り値を動的に調整できます。たとえば、嵐によって粘土粒子 (大きくて密度が高い) の波がセンサーを通過した場合、比率が変化し、センサーはそれらの大きな粒子からの光散乱を過大評価しないように自動的に調整されます。単一の光源を備えた一般的なセンサーではこれができないため、大きな粒子が乱流で飛び交う場合、センサーの読み取り値は人為的に高くなります。
もう 1 つの重要な機能は、可変サンプリング周波数です。乱流では、測定値は分ごとではなく、秒ごとに変化する可能性があります。当社の濁度センサーは、1 分あたり 1 サンプルから 1 秒あたり最大 10 サンプルまでサンプリング レートを調整できます。これは、動きの速い水のデータを捕捉するのに重要です。しかし、それは周波数だけではなく、データの平均化も重要です。スマート センサーはすべてのサンプルを平均するわけではありません。単一の気泡や乱流による突然の粒子の破裂によって引き起こされる異常なスパイクをフィルターで除去します。このアルゴリズムでは異常値を無視する移動ウィンドウ平均を使用するため、小さな気泡がセンサー ウィンドウを通過するたびに誤った高い測定値が得られることはありません。電力会社の顧客がこの機能を使用して、ピーク流量イベント中の誤った濁度警報を 70% 削減し、不必要な処理調整にかかる時間と費用を節約しているのを見てきました。
次に、防汚技術と耐摩耗技術があります。乱流水には、堆積物だけでなく、時間の経過とともにセンサーの光学窓に傷を付ける可能性がある砂、シルト、砂利などの研磨粒子や、窓に蓄積して光を遮断する有機物も含まれていることがよくあります。当社のセンサーはサファイアの光学面を使用しています。サファイアはダイヤモンドとほぼ同じ硬度であるため、研磨剤を多く含む水の中でも傷がつきにくくなっています。また、インライン アプリケーションには内蔵ワイパー システムも使用しています。小型の電動ワイパーは定期的に (1 時間ごとから 24 時間ごとに調整可能) 作動し、連続的な乱流の中でも窓に付着したバイオフィルムや堆積物を拭き取ります。これは、水が浮遊堆積物で満たされ、高速で移動する原水取水口では特に重要です。窓が汚れているセンサーでは、窓が水中の粒子に光を届かせるのを妨げるため、実際の濁度よりも低い値が読み取られます。ワイパー システムは、荒れた乱流の原水中で数週間稼働した後でも、正確な測定値を維持します。
ちょっと待ってください、ここでよくある俗説に対処しましょう。「乱流を減らすにはセンサーの上流に真っ直ぐなパイプが必要だ」と考える人もいます。これは一般的なセンサーにも当てはまりますが、最新の設計ではその必要はありません。層流には直線流路 (上流のパイプ直径の 10 倍など) が理想的ですが、長い直線流路を追加できない改修パイプ設備などの多くの用途では、短い乱流スパンで動作するセンサーが必要です。当社のインライン濁度センサーは、上流のパイプ直径の 2 倍のみで動作するように校正されており、スペースが限られている古い処理プラントに最適です。これは、配管を変更するためにラインを停止する余裕がない施設にとっては状況を一変させるものです。
これを状況に合わせて実際のアプリケーションについて話しましょう。昨年、私たちは太平洋岸北西部にある自治体の水処理施設と協力しましたが、この施設は嵐の際に問題を抱えていました。大雨で川の取水口が増水したとき、原水の流れは穏やかな 1 フィート/秒から乱流の 8 フィート/秒に達し、古い一般的な濁度センサーでは、実際の濁度がわずか 6 NTU であるにもかかわらず、10 NTU (飲料水処理の規制値) にまで急増していました。そのため、凝固剤の化学薬品を過剰に追加し、不必要な化学薬品のコストで月に 12,000 ドルを無駄にし、測定値が高すぎると凝固ステップを一時的に停止するため、処理プロセスが遅れることもありました。当社は取水口に水濁度センサーを設置し、6 インチのパイプに合わせてフロー チャンバーを調整しました。1 か月以内に、その測定値は、嵐の際に手動で取得した実験室測定値の 0.5 NTU 以内の正確さになりました。化学薬品のコストを 18% 削減し、誤った高濁度測定値によって処理を停止する必要がなくなりました。これは、乱流に適した濁度センサー設計の影響です。
別の例: 養殖水を再循環する南東部の養殖場。魚の健康を保つために、レースウェイには毎秒 3 フィートの水が流れており、穏やかな乱流が発生します。彼らは毎日手動の濁度検査を行っていましたが、それは魚にストレスを与え、病気につながる可能性がある魚の糞便や食べ残した餌からの有機性廃棄物のリアルタイムのスパイクを見逃すことを意味していました。各レースウェイにインライン濁度センサーを設置し、濁度が 2 NTU を超えた場合にアラートを設定しました。センサーの適応アルゴリズムは、乱流のレースウェイ水を支配する小さな有機粒子を考慮し、アラートにより給餌量を自動的に調整できます。彼らは、水質問題が深刻になる前に発見できたため、6か月後に魚の死亡率が25%減少したと報告した。
ここで、単に機能について話しているのではなく、科学について話していることを確認するために、乱流がセンサーの光路と具体的にどのように相互作用するかについて、核心を見ていきましょう。水が乱流になると、光源、粒子、センサー内の検出器間の距離がミリメートル単位で変化する可能性があり、それによって検出される散乱光の量が変化します。粒子サイズの変化による散乱パターンの変化は距離の変化によるパターンとは異なるため、当社の二波長システムはこれを補償します。単一波長センサーでは距離の変化が濁度の変化として認識されますが、当社のクロス波長補正はそれを打ち消します。また、センサーのフロー チャンバーは、粒子が蓄積する可能性のある端に沿ってではなく、チャンバーの中心を流れが強制的に通過するため、乱流の中でもウィンドウ全体の粒子密度が均一になるように設計されています。これは、光が窓の片側に付着した粒子の薄い層だけではなく、水の代表的なサンプルによって散乱されることを意味します。
乱気流の一般的な副作用である気泡がある場合はどうなるでしょうか?気泡は堆積物粒子とは異なる散乱特性を持っています。気泡は側方光 (比濁法で測定する 90 度の角度) よりも前方光 (180 度の角度) をより多く散乱します。当社のセンサーのキャリブレーションには、気泡干渉に対する事前にプログラムされた補正が含まれているため、小さな気泡が窓を通過すると、ソフトウェアはそれを一時的なアーティファクトとしてフラグを立て、そのノイズを除去するために読み取り値を調整します。一般的なセンサーにはこの補正がないため、すべての気泡に対して人為的に高い値が読み取られます。これは、気泡が常に存在する曝気処理プロセスでは大きな問題になります。
濁度センサーのサプライヤーとして、私たちは乱流に対して「万能の」ソリューションは存在しないことを長年にわたって学んできました。生の川の取水口 (堆積物が多く、流量が多い) で動作するセンサーは、下水流出ラインで動作するセンサー (有機物が多く、流量が頻繁に変動する) とは異なり、また、水産養殖の流路で動作するセンサー (有機粒子が小さく、乱流が中程度) とも異なります。だからこそ、当社はセンサーを販売するだけではなく、お客様と協力して、特定の用途に適切なセンサーを適合させます。乱流で時々スポットチェックするためのポータブルセンサーが必要な場合でも、パイプ全体を継続的に監視するためのインラインセンサーが必要な場合でも、当社はお客様の流れの状況に合わせてセットアップを調整できます。
待ってください。もう一度核心的な質問に戻って、明確に答えているかどうかを確認しましょう。乱流水流の中で濁度センサーはどのように機能するのでしょうか?これは 3 つの重要な要素の組み合わせです。1) 渦を低減し、光学面上に均一な流れを生成するフロー コンディショニング、2) 可変粒子サイズ、一時的な気泡、フロー ノイズを補償する高度な光学設計およびアルゴリズム設計、3) センサー上の研磨粒子や有機物が磨耗しても精度を維持する耐久性のある防汚構造。これらすべてが連携して、混沌とした撹拌水データを信頼性が高く実用的な濁度測定値に変換します。
さて、これを読んでいるあなたが、飲料水の取水口、工業用排水、水産養殖システム、または廃水処理プロセスを監視しているかどうかに関係なく、乱流に取り組んでいるなら、おそらく、ある時点で不正確な濁度の測定値に苦労したことがあるでしょう。幸いなことに、誤ったスパイク、イベントの見逃し、不良データによる不必要なコストで妥協する必要はありません。私たちのチームは、さまざまな業界の何百ものお客様が乱流条件に合わせて濁度モニタリングを最適化できるよう支援してきました。また、お客様もお手伝いできます。屋外の原水用途向けの頑丈な水濁度センサーをお探しの場合でも、パイプの継続監視用の高精度インライン濁度センサーをお探しでも、当社は最も乱流の水環境に対応するように構築されたソリューションをご用意しています。当社のチームに連絡して、お客様の特定の用途についてご相談ください。流れがどれほど荒くても、水質データを正確に保つための適切な濁度センサーを見つけるお手伝いをいたします。
参考文献
- アメリカ公衆衛生協会 (APHA)。 （2022年）。上下水の検査の標準方法、第 23 版。比濁濁度測定セクション 2130 B.
- 米国環境保護庁 (EPA)。 （2019年）。方法 180.1: 比濁法による濁度の測定。 EPA-821-R-19-005。
- ISO 7027-1:2016。水質 – 濁度の測定 – パート 1: 定量的方法。国際標準化機構。
- クリッテンデン、JC、他。 （2012年）。水処理: 原理と設計、第 2 版。 John Wiley & Sons、第 9 章: 濁度と粒子状物質のモニタリング。
- バーンズ、DA、ロス、JS (2021)。原水取水口の光学式濁度センサーに対する乱流の影響。水プロセス工学ジャーナル、42、102187。
