JP2019533172A - 水質検出 - Google Patents
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Abstract
試料のＢＯＤ濃度に対する値を得るためにその出力が併用されている、蛍光強度を測定するように操作可能である蛍光センサー装置（１６）と、温度センサー（２２）と、濁度センサー（２４）とを含む水質センサーであって、温度センサー（２２）の出力は、式（Ｉ’）（但し、Ｆは、蛍光強度信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、検出蛍光強度値に補正を加えるために使用されている、水質センサー。【数１】
Description
この発明は、水質センサーに関し、特に、水質に関する情報を実質的にリアルタイムで提供する際の使用に適しているセンサー、及びセンサーの使用方法に関する。特に、本発明は、水中の生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）濃度を検出するように操作可能であるセンサーに関する。本発明を、水流又は静水に適用してもよい。
廃水を、水路に排出する前に水処理プラントで処理する場合、水路を形成する自然環境への被害の可能性を確実に最小限にするために、処理水の水質が十分良いことが重要である。
処理プラントの操作の失敗により、処理プラントから排出された水が、十分高い基準を満たすことができない場合があり、水路の中の又は水路に近い野生生物（例えば、魚）の健康が危険に晒される。水質が悪い排水、若しくは魚又は他の野生生物が死ぬ排水を引き起こす事故が起きた場合、処理プラントの所有者は、罰金又は他の罰則を科せられることがある。
排水が所要の水質を満たすか否かを判定するのに使用される１つのパラメータは、ＢＯＤ濃度である。このＢＯＤ濃度は、水中の反応性溶存有機物の量の表示を与えるからである。
典型的に、ＢＯＤは、５日間の試験を用いて実験室条件下で測定される。このような試験は、試料のＢＯＤ濃度の表示値を与えるが、試験結果を出すのにかかる時間の長さは、試験を完了するのにかかる時間中にかなりの量の水が水路に排出されてしまうのに十分である。
ＢＯＤ濃度が排出に対して不適切であることを試験の結果が示す場合、更なる排出を回避することができるが、所要のＢＯＤ濃度を満たすことができないかなりの量の水が既に排出されてしまい、その結果、野生生物などの健康が既に危険に晒されていることがある。
本発明の目的は、試験試料の水質を実質的にリアルタイムで判定することができるセンサーを提供することにある。
本発明によれば、試料のＢＯＤ濃度に対する値を得るためにその出力が併用されている、蛍光センサー装置と、温度センサーと、濁度センサーとを含む水質センサーであって、温度センサーの出力は、次式
（但し、Ｆは、蛍光信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、検出蛍光信号値に補正を加えるために使用されている、水質センサーを提供する。
（但し、Ｆは、蛍光信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、検出蛍光信号値に補正を加えるために使用されている、水質センサーを提供する。
適切な通電又は励起電磁放射線を試料に照射すると、試料内のＢＯＤのレベルに大きさが関連している、試料内に含まれる特定の分子の蛍光を発することが分かっている。しかし、蛍光とＢＯＤ濃度との間の関係は、試料の温度及び濁度を含む他の要因にも左右される。これらの要因を考慮することができないと、測定精度が減少する。従って、蛍光だけでなくこれらのパラメータ値も測定し、蛍光読取値を補正して検出温度及び濁度レベルを考慮することによって、試験用の試料内のＢＯＤ濃度の良い表示値又は近似値を得ることができる。
好ましくは、蛍光センサー装置は、２６０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲にある波長の光を試料に照射して、２９５ｎｍ〜４０５ｎｍの範囲にある波長の蛍光を検出するように配置されている。このような装置は、試料内のＢＯＤ濃度に対して感受性がある。
試料内のＢＯＤ濃度の表示器として、温度及び濁度の影響を考慮するように補正された蛍光を使用することによって、試料内のＢＯＤ濃度を示す結果は、非常に速く、実質的にリアルタイムで利用できることが分かる。従って、センサーを水処理プラントで使用して、自然水路に排出されようとしている水に関する試験を行う場合、ＢＯＤ濃度が許容範囲に入らないことをセンサーが検出した場合、適切な警報を作動させて、作業者が、プラントの操作を変更して、不適切なＢＯＤ濃度を有する水がプラントから継続的に排出されるのを回避することができる。一例として、プラントからの水の排出を一時的に遮断して、所要の基準を満たすことができない水が、プラントから排出されるのを防止してもよい。
更に、本発明は、励起波長の電磁放射線の試料への照射に応じて試料の蛍光を測定するために蛍光センサー装置を使用するステップと、試料の温度及び濁度を測定するステップと、補正蛍光強度を得るために測定温度及び濁度を使用するステップと、試料のＢＯＤ濃度の表示値を得るために補正蛍光強度を使用するステップとを含む水試験方法であって、次式
（但し、Ｆは、蛍光信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、検出蛍光強度値に補正を加えるために、測定温度を使用する、水試験方法に関する。
（但し、Ｆは、蛍光信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、検出蛍光強度値に補正を加えるために、測定温度を使用する、水試験方法に関する。
一例として、添付図面を参照して、本発明を更に説明する。
添付図面について説明する。水試料内でＢＯＤ濃度を検出するように操作可能であるセンサー１０を例示する。本発明のセンサーを様々な用途で使用することができるが、図１では、ライン１２に沿って廃水処理プラントから排出されようとしている水を試験するような方法で、センサー１０を使用する。例示のように、試験ライン１４は、ライン１２の一部と平行に延びており、センサー１０は、試験ライン１４に沿って進む水の試料に関する試験を開始するように操作する。センサー１０を、試験ライン１４内に完全に浸してもよい。代わりに、必要ならば、センサーのセンサープローブだけを浸してもよい。他の装置において、センサー１０を、ライン１２内に直接配置してもよい。これは、センサー１０を使用し得るほんの１つの用途を表し、この点で本発明は限定されないことが分かる。
センサー１０は、３つの試験モジュールを含む。最初に、センサー１０は、蛍光センサー装置１６を含む。蛍光センサー装置１６は、透明窓１８ａを介して、２６０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にある励起波長の電磁放射線を試験用の試料に照射する光源１８（例えば、一連のＬＥＤなどの形で）を含む。一例として、励起周波数は、約２８５ｎｍ（例えば、±１０ｎｍ）の波長であってもよい。この周波数の光を照射した場合、人間又は動物の***物中に典型的に存在する多くの遊離アミノ酸、ペプチド及びタンパク質及び溶存有機物分子は、２９５ｎｍ〜４０５ｎｍの波長範囲で検出可能な蛍光の出力をもたらす蛍光を発することが分かっている。この蛍光を検出するために、センサー装置１６は、透明窓２０ａを介してこのような蛍光を検出するように配置されている光センサー２０（例えば、適切な光検出器の形で）を更に含む。好都合なことに、光検出器は、３５０ｎｍ（例えば、±５５ｎｍ）の範囲にある波長の蛍光を検出するように操作可能である。好都合なことに、光センサー２０及び光源１８は、試験用の試料に対して互いに傾斜されている。好ましくは、光センサー２０が、直接入射した光源１８からの出力を有するのではなく、蛍光を単に検出するように、光センサー２０及び光源１８を互いに垂直に配置する。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、他の構成も可能である。
装置１６は、例えば、２つの直交軸に沿って設置された光学構成要素を有するステンレス製ケースに収容されたパイレックスフローセルを含むことができる。このような装置の計装は、（ｉ）励起部（ＬＥＤ、フィルター及びコンデンサーレンズ）、及び（ｉｉ）この励起部に垂直な検出部（レンズ、フィルター及びフォトダイオード）を含んでもよい。しかし、この計装は単に１つの選択肢を表し、装置１６は実際に、本発明の範囲から逸脱することなくこの計装と実質的に異なってもよいことが分かる。ＬＥＤ、フィルター及びフォトダイオード、又は他の同様な構成要素を選択して、対象である蛍光ピークのスペクトル特性を一致させる。ピーク蛍光の場合、選択励起波長（２８５ｎｍ）は、２７０ｎｍ〜２８０ｎｍの範囲にあると一般的にみなされるピークに対する通常報告される最大励起と異なった。（ｉ）２８２±３ｎｍにおけるピークの（都市河川における）重要性を強調する都市河川系に関する過去の研究、（ｉｉ）より低い波長の紫外線（ＵＶ）ＬＥＤの寿命の減少及び低光出力、高電流引き込み、及び（ｉｉｉ）他の現場蛍光光度計との比較可能性のために、波長を選択した。
第２の試験モジュールは、温度センサー２２（例えば、好都合なことに装置１６と一体化したサーミスタの形で）の形をとる。好ましくは、サーミスタは、例えば０．０１℃の範囲の感度を有する高い精度を有する。サーミスタを、パイレックスセルの内側に装着して試料の温度を監視してもよく、蛍光信号の熱消失の定量化を可能にし、これによって、その後の補正を可能にする。
第３に、センサー１０は、試験用の試料の濁度を検出又は検知するように操作可能である濁度センサー２４を含む。
不図示であるが、センサー１０のモジュールの中の幾つかは光学的に基づいているので、好都合なことに、センサーハウジングは、測定を行うことによって窓１８ａ、２０ａを洗浄するように操作可能である洗浄機構（例えば、ワイパーの形で）を含む。窓の上にゴミが蓄積するのを回避することによって測定を行うことができる精度をワイパーの提供が高めることが分かる。ワイパーは洗浄装置の１つの形を表すが、洗浄装置の他の形を提供してもよいことが分かる。例えば、適切なガス又は洗浄水の噴流を窓の上に周期的に向けて窓からゴミを除去する装置を使用してもよい。実際には、センサー１０を使用する用途によって、いかなる形の洗浄装置を提供する必要がないこともある。
温度変動及び濁度変動を補正する装置１６を用いて検出された測定蛍光レベルへの補正を行うことによって、試料のＢＯＤ濃度と補正蛍光レベルとの間に実質的に直線関係が存在することが分かっている。図１に示すように、センサー１０は、制御ユニット２６を含む。制御ユニット２６は、センサーモジュールの出力を受信し、装置１６の出力を補正して検出温度及び濁度を考慮し、補正蛍光値を用いて検出ＢＯＤ濃度を示す信号を出力するように操作可能である。出力信号を、必要ならば、無線で伝送してもよく、又は有線接続部を介して出力してもよい。
図２は、関係が実質的に直線であることが明らかである、様々な試料に存在するＢＯＤ濃度（ｍｇ／ｌで表わされる）と補正蛍光との間の関係を示す幾つかの実験結果を例示する。従って、装置１６によって検出された蛍光に適切な補正を加えて補正蛍光レベルを得るために温度及び濁度センサー２２、２４の出力を用いて、試験用の水試料のＢＯＤ濃度の表示値を、制御ユニット２６によって得て出力することができる。
次式：
（但し、Ｆは、蛍光信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数であり、対象である分子に対する温度対蛍光強度の回帰を生成してから、その回帰の切片に対する傾きの比を計算することによって計算される）を用いて、温度補正を達成してもよい。
（但し、Ｆは、蛍光信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数であり、対象である分子に対する温度対蛍光強度の回帰を生成してから、その回帰の切片に対する傾きの比を計算することによって計算される）を用いて、温度補正を達成してもよい。
濁度、蛍光強度、及び濁度と蛍光強度との間の相互作用という用語を含む経験的回帰モデルから得られる係数を用いて、濁度補正を達成してもよい。例えば、水処理作業又は制御産業プロセスで、試料の平均粒径が既知である場合、平均粒径をモデルに含めて、データ補正手順を最適化することができる。堆積粒径が未知である自然河川系において、対象である河川系から収集された堆積物を用いて、特定の場所のためのモデルを開発することができる。
上述において、試料に対するＢＯＤ濃度値を得るために信頼される蛍光効果は、２８５ｎｍの範囲にある波長の励起照射の用途によって生じる３５０ｎｍの範囲にある蛍光に関するが、この点で本発明は限定されず、他の蛍光ピークを使用してもよいことが分かる。一例として、４９０ｎｍの範囲にある励起放出に応じた３６５ｎｍの範囲にある蛍光を使用してもよい。当然、センサーは、試験用の試料における他の材料の存在及び／又はＤＯＣ濃度を検出するように操作可能であり、ＢＯＤ濃度を検出するように操作可能でもある。
上述のように、本発明は、水質試験が開始され、実質的にリアルタイムで結果を生成し得るという点で有利である。従って、試験結果を使用して、例えば廃水処理プラントの操作を監視してもよく、水質が所定の条件を満たすことができないことをセンサーが検出した場合に措置を講じることができる。
本発明の特定の実施形態を上述しているが、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正及び変更を行うことができる。
Claims (7)
- 試料のＢＯＤ濃度に対する値を得るためにその出力が併用されている、蛍光強度を測定するように操作可能である蛍光センサー装置と、温度センサーと、濁度センサーとを含む水質センサーであって、
前記温度センサーの前記出力は、次式
（但し、Ｆは、蛍光強度信号であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、前記検出蛍光強度値に補正を加えるために使用されている、水質センサー。 - 前記蛍光センサー装置は、２６０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲にある波長の光を前記試料に照射して、２９５ｎｍ〜４０５ｎｍの範囲にある波長の蛍光を検出するように配置されている、請求項１に記載のセンサー。
- 前記蛍光センサー装置は、２８５ｎｍの範囲にある波長の光を前記試料に照射して、３５０ｎｍの範囲にある波長の蛍光を検出するように配置されている、請求項２に記載のセンサー。
- 前記蛍光センサー装置は、３６５ｎｍの範囲にある波長の光を前記試料に照射して、４９０ｎｍの範囲にある波長の蛍光を検出するように配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサー。
- 前記センサーの少なくとも一部を洗浄するように操作可能である洗浄デバイスを更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサー。
- 前記洗浄デバイスはワイパーを含む、請求項５に記載のセンサー。
- 励起波長の電磁放射線の試料への照射に応じて前記試料の蛍光強度を測定するために蛍光センサー装置を使用するステップと、
前記試料の温度及び濁度を測定するステップと、
補正蛍光強度を得るために前記測定温度及び濁度を使用するステップと、
前記試料のＢＯＤ濃度の表示値を得るために前記補正蛍光強度を使用するステップと
を含む水試験方法であって、
次式
（但し、Ｆは、蛍光強度であり、Ｔは、温度（℃）であり、添字ｍｅｓ及びｒｅｆは、それぞれ測定値及び基準値を表し、ρは、温度補償係数である）を用いて、前記検出蛍光強度値に補正を加えるために、前記測定温度を使用する、
水試験方法。
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