特開 2023-142392 含水率計測装置及び含水率計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023142392

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】含水率計測装置及び含水率計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3554 20140101AFI20230928BHJP

   C02F 11/121 20190101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3554 ZAB

C02F11/121

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022049283

(22)【出願日】2022-03-25

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】藤央弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】尼崎 新平

(72)【発明者】

【氏名】加賀 祐介

(72)【発明者】

【氏名】菓子 未映子

(72)【発明者】

【氏名】神林 琢也

(72)【発明者】

【氏名】宮川 浩樹

(72)【発明者】

【氏名】北村 光太郎

(72)【発明者】

【氏名】宇田川 万規子

【テーマコード（参考）】

2G059

4D059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059BB20

2G059CC09

2G059DD01

2G059EE02

2G059HH01

2G059KK01

2G059MM01

2G059MM12

2G059NN02

2G059NN10

4D059AA03

4D059BB01

4D059BE10

4D059BE15

4D059BE16

4D059BE26

4D059BE27

4D059BE37

4D059BE43

4D059EA01

(57)【要約】

【課題】計測環境の変動にかかわらず脱水汚泥の含水率を高精度で計測することを目的とする。
【解決手段】プロセッサとメモリを有して汚泥の含水率を計測する含水率計測装置であって、前記汚泥に光を照射して光学情報を計測する光学センサと、温度情報を計測する温度センサと、湿度情報を計測する湿度センサと、前記光学情報と前記温度情報及び湿度情報のうちの少なくとも１以上を用いて予め設定された回帰モデルから前記汚泥の含水率を算出する回帰演算部と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセッサとメモリを有して汚泥の含水率を計測する含水率計測装置であって、
前記汚泥に光を照射して光学情報を計測する光学センサと、
温度情報を計測する温度センサと、
湿度情報を計測する湿度センサと、
前記前記光学情報と温度情報及び湿度情報のうちの少なくとも１以上を用いて予め設定された回帰モデルから前記汚泥の含水率を算出する回帰演算部と、
を有することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項2】

請求項１に記載の含水率計測装置であって、
前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正部をさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記温度情報及び前記光学情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正部は、
前記回帰演算部が算出した含水率を補正することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項3】

請求項１に記載の含水率計測装置であって、
前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正部と、
前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正部と、をさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記温度補正部で補正された前記光学情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正部は、
前記回帰演算部が算出した含水率を補正することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項4】

請求項１に記載の含水率計測装置であって、
前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記光学情報を補正する第２湿度補正部と、
前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正部と、をさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記温度補正部と前記第２湿度補正部で補正された前記光学情報を用いて前記含水率を算出することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項5】

請求項１に記載の含水率計測装置であって、
前記光学センサと前記汚泥の距離又は前記汚泥の色を計測してセンサ情報として出力するセンサをさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記光学情報と温度情報及び湿度情報に加えて前記センサ情報のうちの少なくとも１以上を用いて予め設定された回帰モデルから前記汚泥の含水率を算出することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項6】

請求項５に記載の含水率計測装置であって、
前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正部をさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記温度情報とセンサ情報及び前記光学情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正部は、
前記回帰演算部が算出した含水率を補正することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項7】

請求項５に記載の含水率計測装置であって、
前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正部と、
前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正部と、をさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記温度補正部で補正された前記光学情報と前記センサ情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正部は、
前記回帰演算部が算出した含水率を補正することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項8】

請求項５に記載の含水率計測装置であって、
前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記光学情報を補正する第２湿度補正部と、
前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正部と、をさらに有し、
前記回帰演算部は、
前記温度補正部と前記第２湿度補正部で補正された前記光学情報及びセンサ情報を用いて前記含水率を算出することを特徴とする含水率計測装置。

【請求項9】

プロセッサとメモリを有する計算機が汚泥の含水率を計測する含水率計測方法であって、
前記計算機が、光学センサから前記汚泥に照射した光学情報を取得し、温度センサから温度情報を取得し、湿度センサから湿度情報を取得するセンサ情報取得ステップと、
前記光学情報と温度情報及び湿度情報のうちの少なくとも１以上を用いて予め設定された回帰モデルから前記汚泥の含水率を算出する回帰演算ステップと、
を含むことを特徴とする含水率計測方法。

【請求項10】

請求項９に記載の含水率計測方法であって、
前記計算機が、前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正ステップをさらに含み、
前記回帰演算ステップでは、
前記温度情報及び前記光学情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正ステップでは、
前記回帰演算ステップで算出された含水率を補正することを特徴とする含水率計測方法。

【請求項11】

請求項９に記載の含水率計測方法であって、
前記計算機が、前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正ステップと、
前記計算機が、前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正ステップと、をさらに含み、
前記回帰演算ステップでは、
前記温度補正ステップで補正された前記光学情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正ステップでは、
前記回帰演算ステップで算出された含水率を補正することを特徴とする含水率計測方法。

【請求項12】

請求項９に記載の含水率計測方法であって、
前記計算機が、前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記光学情報を補正する第２湿度補正ステップと、
前記計算機が、前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正ステップと、をさらに含み、
前記回帰演算ステップでは、
前記温度補正ステップと前記第２湿度補正ステップで補正された前記光学情報を用いて前記含水率を算出することを特徴とする含水率計測方法。

【請求項13】

請求項９に記載の含水率計測方法であって、
前記センサ情報取得ステップでは、
前記光学センサと前記汚泥の距離又は前記汚泥の色を計測するセンサからセンサ情報をさらに取得し、
前記回帰演算ステップでは、
前記光学情報と温度情報及び湿度情報に加えて前記センサ情報のうちの少なくとも１以上を用いて予め設定された回帰モデルから前記汚泥の含水率を算出することを特徴とする含水率計測方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の含水率計測方法であって、
前記計算機が、前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正ステップをさらに含み、
前記回帰演算ステップでは、
前記温度情報とセンサ情報及び前記光学情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正ステップでは、
前記回帰演算ステップが算出された含水率を補正することを特徴とする含水率計測方法。

【請求項15】

請求項１３に記載の含水率計測方法であって、
前記計算機が、前記湿度情報を入力して湿度に応じて前記含水率を補正する第１湿度補正ステップと、
前記計算機が、前記温度情報を入力して温度に応じて前記光学情報を補正する温度補正ステップと、をさらに含み、
前記回帰演算ステップでは、
前記温度補正ステップで補正された前記光学情報と前記センサ情報を用いて前記含水率を算出し、
前記第１湿度補正ステップでは、
前記回帰演算ステップで算出された含水率を補正することを特徴とする含水率計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、下水又は排水処理施設から排出される汚泥の含水率を計測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

下水処理施設などで排出される汚泥は、焼却等の後処理のために含水率を一定に保持するため汚泥脱水機で水分を低減する脱水処理を行っている。汚泥脱水機から排出される脱水汚泥の含水率を計測する技術としては、例えば、特許文献１が知られている。

【0003】

特許文献１には、ベルトプレス型脱水機で脱水された汚泥である脱水ケーキ（脱水汚泥）の出口に赤外線水分計を配置して、脱水汚泥の含水率を赤外線水分計で計測する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６－２８１５７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記従来例では、赤外線水分計の計測結果をそのまま利用しているため、湿度や温度の変化に応じて計測精度が低下する、という問題があった。例えば、温度の変化と湿度の変化に応じて脱水汚泥の吸光度（又は反射率）は変化するため、赤外線水分計の計測結果をそのまま利用する場合は温度や湿度等の計測環境の変動によって計測精度が低下する場合があった。
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、計測環境の変動にかかわらず脱水汚泥の含水率を高精度で計測することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、プロセッサとメモリを有して汚泥の含水率を計測する含水率計測装置であって、前記汚泥に光を照射して光学情報を計測する光学センサと、温度情報を計測する温度センサと、湿度情報を計測する湿度センサと、前記前記光学情報と温度情報及び湿度情報のうちの少なくとも１以上を用いて予め設定された回帰モデルから前記汚泥の含水率を算出する回帰演算部と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

したがって、本発明は、温度や湿度を補正する回帰モデルや補正演算部を用いて脱水汚泥の含水率を算出することで計測環境の変動にかかわらず含水率を高精度で計測することが可能となる。

【0008】

本明細書において開示される主題の、少なくとも一つの実施の詳細は、添付されている図面と以下の記述の中で述べられる。開示される主題のその他の特徴、態様、効果は、以下の開示、図面、請求項により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施例１を示し、含水率計測システムの一例を示す構成図である。

【図2】本発明の実施例１を示し、赤外線計測部の構成の一例を示す図である。

【図3】本発明の実施例１を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図4】本発明の実施例１を示し、演算処理部の構成の一例を示すブロック図である。

【図5】本発明の実施例１を示し、入出力装置に表示される画面の一例を示す図である。

【図6】本発明の実施例２を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図7】本発明の実施例２を示し、湿度補正演算部の相対湿度と含水量補正値の関係の一例を示すグラフである。

【図8】本発明の実施例３を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図9】本発明の実施例３を示し、温度による補正前後の周波数と吸収率の関係を示すグラフである。

【図10】本発明の実施例４を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図11】本発明の実施例４を示し、湿度による補正前後の周波数と吸収率の関係を示すグラフである。

【図12】本発明の実施例５を示し、含水率計測システムの一例を示す構成図である。

【図13】本発明の実施例５を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図14】本発明の実施例５を示し、入出力装置に表示される画面の一例を示す図である。

【図15】本発明の実施例６を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図16】本発明の実施例７を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【図17】本発明の実施例８を示し、演算処理部の機能の一例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

【実施例0011】

図１は、本発明の実施例１を示し、含水率計測システムの一例を示す構成図である。本実施例の含水率計測システムは、下水又は排水処理施設から排出される汚泥の水分を低減する汚泥脱水機６に装着されて、脱水後の汚泥（以下、脱水汚泥）の含水率をリアルタイムで測定する。なお、含水率は、脱水汚泥の中に含まれる水分の重量比を百分率で示す。

【0012】

汚泥脱水機６は汚泥を受け入れて水分を排出する脱水部６１と、水分が低減された脱水汚泥を出力する汚泥排出部６２を含む。本実施例の含水率計測システムは、汚泥排出部６２に温度計３と湿度計４及び脱水汚泥の表面に光を照射して含水率を計測する赤外線計測部２を配置する。

【0013】

赤外線計測部２が出力する赤外線計測信号は、赤外線信号処理装置５へ入力されて赤外線反射率情報に変換されて演算処理部１へ入力される。赤外線信号処理装置５は、例えば、分光器などで構成される。温度計３の温度計測信号と、湿度計４の湿度計測信号は演算処理部１へ入力される。

【0014】

演算処理部１は、入力された赤外線反射率情報と温度計測信号及び湿度計測信号から計測環境の影響を抑制した含水率情報を算出して含水率表示部７に出力する。含水率表示部７は、汚泥排出部６２の脱水汚泥の含水率をリアルタイムで表示する。赤外線計測部２は汚泥排出部６２から排出される脱水汚泥に対向して配置され、温度計３及び湿度計４は赤外線計測部２の近傍に配置される。

【0015】

なお、汚泥脱水機としては、フィルタープレス、遠心脱水機、ベルトプレス、スクリュープレス、多重円板脱水機、電気浸透式脱水機等を採用することができる。

【0016】

図２は、赤外線計測部２の一例を示す図である。赤外線計測部２は、赤外線を脱水汚泥の表面に照射する照射光プローブ２１と、脱水汚泥の表面で反射された赤外線を受光する受光プローブ２２を含む。受光プローブ２２は、照射光プローブ２１の光軸に対して所定の角度θだけ傾斜して配置される。

【0017】

照射光プローブ２１の端面は、基準位置（例えば、脱水汚泥の表面）から所定の距離Ｌ１に配置され、受光プローブ２２の端面は、上記基準位置から所定の距離Ｌ２に配置される。

【0018】

図３は、演算処理部１の機能の一例を示すブロック図である。演算処理部１は、赤外線信号処理装置５からの赤外線反射率情報を赤外線情報として入力し、赤外線情報に所定の前処理を実施する前処理部３２と、前処理部３２が出力した前処理済の赤外線情報と、温度計３の温度計測信号である温度情報と、湿度計４の湿度計測信号である湿度情報を入力し、予め設定された回帰式を回帰式格納部４１から取得して、前処理済の赤外線情報と温度情報と湿度情報のうちの少なくとも１以上の入力から脱水汚泥の含水率を算出して含水率情報として出力する回帰演算部３３を含む。

【0019】

前処理部３２は、入力された赤外線情報のノイズを除去するために平滑化を行い、さらに、脱水汚泥の赤外線吸収率のピークを検出するためにベースとなるスペクトルの強度を補正するオフセット補正など、予め設定された処理を実施して前処理済の赤外線情報を出力する。

【0020】

回帰式格納部４１は、赤外線情報や温度情報や湿度情報を説明変数とし、含水率を目的変数とする回帰式（又は回帰モデル）を格納する。回帰式は予め設定されたものであり、例えば、赤外線情報と温度情報及び湿度情報を説明変数とした回帰式４２－１と、赤外線情報及び温度情報を説明変数とした回帰式４２－２と、赤外線情報及び湿度情報を説明変数とした回帰式４２－３が格納される。なお、以下の説明では回帰式４２－１～４２－１を特定しない場合には、「－」以降を省略した符号「４２」を用いる。

【0021】

説明変数が異なるこれらの回帰式４２は後述するように含水率計測システムの利用者（又は管理者）によって何れか一つが選択される。回帰演算部３３は選択された回帰式４２－１～４２－３を回帰式格納部４１から読み込んで説明変数から含水率を算出し、含水率情報として含水率表示部７に出力する。

【0022】

図４は、演算処理部１の機能の一例を示すブロック図である。演算処理部１は、プロセッサ１１と、メモリ１２と、記憶装置１３と、入出力装置１４と、インターフェース１５を含む計算機である。

【0023】

インターフェース１５には、温度計３と、湿度計４と、赤外線信号処理装置５と、含水率表示部７が接続される。入出力装置１４は図示しないキーボードやマウスやディスプレイやタッチパネルで構成される。記憶装置１３は、不揮発性の記憶媒体で構成されて、回帰式格納部４１等のデータを保持する。

【0024】

メモリ１２には、制御部３１と、前処理部３２と、回帰演算部３３がプログラムとしてロードされてプロセッサ１１によって実行される。制御部３１は、入出力装置１４から情報の入出力を行って演算処理を制御する。例えば、制御部３１が入出力装置１４から回帰式４２の選択結果を受け付けると回帰演算部３３に使用する回帰式４２を指令する。

【0025】

前処理部３２は、上述したように入力された赤外線反射率情報に対して平滑化やオフセット補正を実施して前処理済の赤外線情報を出力する。回帰演算部３３は指定された回帰式４２の説明変数を用いて含水率を算出する。

【0026】

プロセッサ１１は、各機能部のプログラムに従って処理することによって、所定の機能を提供する機能部として稼働する。例えば、プロセッサ１１は、回帰演算プログラムに従って処理することで回帰演算部３３として機能する。他のプログラムについても同様である。さらに、プロセッサ１１は、各プログラムが実行する複数の処理のそれぞれの機能を提供する機能部としても稼働する。計算機及び計算機システムは、これらの機能部を含む装置及びシステムである。

【0027】

図５は、入出力装置１４に表示される画面の一例を示す図である。入出力装置１４を構成するディスプレイには、測定開始ボタン５１と、測定停止ボタン５２と、補正パラメータ５３と、含水率５４と、測定結果５５が表示される。

【0028】

測定開始ボタン５１は、当該ボタンを操作（例えば、クリック）することで含水率の算出処理を開始する。また、測定停止ボタン５２を操作することで含水率の算出処理を停止する。

【0029】

補正パラメータ５３は、温度チェックボックス５３１と、湿度チェックボックス５３２を含み、チェックされたパラメータが回帰演算部３３の説明変数として指定される。本実施例では、温度又は湿度がパラメータとして指定可能な例を示す。

【0030】

含水率５４は、回帰演算部３３で算出された含水率を時系列で表示する。測定結果５５は、測定日時と含水率の値を表示する。なお、入出力装置１４のディスプレイを含水率表示部７としてもよい。

【0031】

以上の構成により、演算処理部１は、赤外線計測部２で計測された赤外線反射率情報（赤外線情報）を前処理部３２で所定の前処理を行った後、赤外線情報と温度情報又は湿度情報を説明変数とする回帰式４２によって脱水汚泥の含水率を算出する。

【0032】

湿度が増大すると脱水汚泥の表面へ吸着する水蒸気が増大することで赤外線反射率情報に影響を与え、温度の変動は赤外線計測部２が計測する赤外線のスペクトルの強度が変化する。このため、温度情報と湿度情報の回帰式４２を予め生成しておくことで、回帰演算部３３は温度と湿度の変動を抑制して含水率の算出を実現できる。これにより、季節変動や地域の違いによる含水率の誤差を抑制して高精度の含水率計測システムを提供することができる。

【0033】

なお、補正パラメータ５３は、温度チェックボックス５３１と湿度チェックボックス５３２の双方をチェックすることで回帰演算部３３が回帰式４２－１を選択して温度と湿度の影響を抑制した含水率を算出することができる。

【0034】

また、補正パラメータ５３では、温度チェックボックス５３１と湿度チェックボックス５３２の少なくとも一方をチェックすることで、温度又は湿度の影響を低減した含水率を算出することができる。

【0035】

すなわち、温度チェックボックス５３１と湿度チェックボックス５３２の双方をチェックして温度と湿度の影響を抑制した含水率を測定した後、温度チェックボックス５３１と湿度チェックボックス５３２の何れか一方のチェックを外して含水率を測定することにより、温度と湿度の影響を抑制した含水率と比較することで、温度と湿度の何れが脱水汚泥の現在の含水率に影響を与えているのかを把握することができる。

【0036】

なお、上記実施例１では回帰式格納部４１に回帰式４２を格納する例を示したが、上記に限定されるものではなく、回帰式格納部４１が予め設定されたモデルを格納して回帰演算部３３がこれらのモデルで含水率の演算を行うようにしてもよい。なお、以下の実施例についても同様である。

【0037】

また、上記実施例１では赤外線計測部２が赤外線を照射して汚泥の含水率を測定する例を示したが、赤外線以外の波長の光で含水率を測定してもよく、汚泥に照射した光学情報に基づいて汚泥の含水率を測定すればよい。

【実施例0038】

図６は、本発明の実施例２を示し、演算処理部１の機能の一例を示すブロック図である。前記実施例１では、湿度情報を回帰式４２－１、４２－３の説明変数とした例を示したが、本実施例では回帰演算部３３で算出された含水率を湿度情報で補正する湿度補正演算部Ａ３５を追加した例を示す。なお、湿度補正演算部Ａ３５は、プログラムとしてメモリ１２に格納される。

【0039】

回帰演算部３３は、赤外線情報と温度情報が入力され、回帰式格納部４１の回帰式４２－２で赤外線情報と温度情報を説明変数として含水率を算出する。回帰演算部３３は、温度の影響を抑制した含水率を出力する。

【0040】

湿度補正演算部Ａ３５は湿度計４からの湿度情報を入力して湿度補正式格納部Ａ４３に予め設定された湿度補正式Ａを読み込んで湿度補正値（湿度補正情報）を算出する。そして、湿度補正演算部Ａ３５は、回帰演算部３３から入力された温度の影響を抑制した含水率を湿度補正値で補正し、補正後の値を含水率表示部７に出力する。

【0041】

これにより、湿度補正演算部Ａ３５は、回帰演算部３３が出力した温度の影響を抑制した含水率を湿度情報に基づいて補正することで、温度と湿度の双方の影響を抑制した脱水汚泥の含水率を算出することができる。

【0042】

図７は、湿度補正演算部Ａ３５の相対湿度と含水量補正値の関係の一例を示す湿度補正式Ａのグラフである。湿度補正式Ａは、相対湿度に応じた含水率の補正値が予め設定されている。

【0043】

湿度補正演算部Ａ３５は、湿度情報に応じた含水率補正値を湿度補正式Ａから算出し、入力された回帰演算部３３の含水率から含水率補正値を減算（又は加算）することで補正後の含水率情報を算出する。

【0044】

以上のように、本実施例では、演算処理部１が回帰式４２－２によって赤外線情報と温度情報を説明変数として含水率を算出し、その後、湿度情報に応じた含水率補正値で回帰演算部３３が出力した含水率を補正することで、温度と湿度の双方の影響を抑制した含水率情報を算出することが可能となる。