水処理プロセスにおける超音波レベル伝達器の応用: 生水から再生水まで,全プロセスモニタリングの課題に対処する

I. 原水取水段階：濁度と極端な環境でのレベル監視

(I) 運用上の問題点

• 濁った媒体: 原水には大量の沈殿物や藻類が含まれています（例：洪水期には河川の濁度が500 NTUを超える）。従来の潜水型レベルトランスミッタのプローブは汚れやすく、測定ドリフトが大きくなります。
• 極端な気象干渉: 大雨や台風などの気象現象は、原水レベルの急激な上昇と下降を引き起こします。乱流も波を発生させ、測定の安定性に影響を与えます。
• 過酷な屋外環境: 取水地点はほとんどが屋外にあり、-20℃から40℃までの温度変化、高湿度、および落雷のリスクに直面しています。機器は高い保護性能と耐雷性能を備えている必要があります。

(II) 超音波レベルトランスミッタの技術的適応ソリューション

ハードウェアの選択

• 実際の取水深度より30％高い空負荷範囲のモデルを選択します（例：10メートルの取水地点には15メートルの範囲）。これにより、波や沈殿物による信号減衰のための冗長性を確保します。
• IP68保護等級の316Lステンレス鋼製のプローブを使用します（屋外腐食に強い）。一部のモデルには、落雷干渉に耐えるための雷保護モジュール（GB/T 17626.5規格に準拠）が装備されています。
• 屋外発電機または太陽光発電システムからの電圧変動に対応するために、24V DCの広電圧電源設計を採用します。

アルゴリズムの最適化

• 「波フィルタリングアルゴリズム」を有効にします：10秒以内に10セットのデータを平均化することにより、波によるレベル変動を平滑化し、データ変動範囲を±10cmから±2cmに縮小します。
• 動的しきい値調整：原水の濁度に基づいてエコー検出のしきい値を調整します（取水地点の現場濁度計と連動）。濁度が上昇すると、沈殿物による散乱信号による誤判断を避けるために、しきい値が自動的に上昇します。

設置設計

• プローブを取水地点の水の流れの影響を受けない位置（例：取水塔プラットフォーム）に設置し、その下に波シールド（金属またはPVC製）を追加して、水の流れの乱れが音波ビームに与える影響を軽減します。
• 深井戸取水地点には、「プローブ+導波管」の組み合わせを使用します。導波管の内径は100〜150mmで、井戸壁の反射と水の流れの干渉を回避し、10メートルの範囲で誤差を±1cm以内に制御します。

(III) 適用事例：貯水池原水取水地点でのレベル監視

• 動作条件: 貯水池の取水深度は8メートル、洪水期には濁度が800 NTUに達し、冬の最低気温は-15℃です。従来のフロートレベルトランスミッタは、沈殿物の絡まりにより月に2回の清掃が必要であり、大雨時には±15cmの測定誤差が発生します。
• ソリューション: 12メートルの範囲、IP68保護、および雷保護モジュールを備えた超音波レベルトランスミッタを選択し、波シールドと波フィルタリングアルゴリズムを組み合わせます。
• 結果: 測定精度は±2cmで安定的に維持され、18ヶ月間のメンテナンスフリー運転が可能です。大雨時にもデータジャンプは発生せず、冬季の低温下でも正常に動作し、メンテナンスコストを90％削減します。

II. 浄水処理段階：沈殿槽とろ過槽の正確なレベル制御の確保

(I) 典型的なシナリオ、運用上の問題点、および従来の機器の問題点

(II) 超音波レベルトランスミッタのカスタマイズされたアプリケーション

1. 沈殿槽のレベル監視

• 技術的適応: 25kHzの低周波プローブ（薄い浮遊スラッグ層を通過する強力な浸透性）を使用し、「浮遊スラッグフィルタリングアルゴリズム」を有効にする—浮遊スラッグエコー（振幅が弱く、持続時間が長い）と液面エコー（振幅が強く、立ち上がりが急峻）の違いを識別することにより、浮遊スラッグ干渉を自動的に除去します。
• 実際の結果: 水道の8メートルの沈殿槽に適用した後、浮遊スラッグの厚さが10cmに達しても、測定誤差は±1cm以内に制御されます。沈殿効果は安定しており、流出水の濁度は0.5 NTUから0.3 NTUに減少しました。

2. ろ過槽逆洗のレベル制御

• 技術的適応: 「2点レベルトリガー」モードを採用—ろ過槽のレベルが1メートルに低下したとき（ろ過抵抗が増加）、逆洗プロセスをトリガーします。逆洗が完了した後、レベルが3メートルに上昇したときに逆洗を停止します。プロセス全体は、超音波レベルトランスミッタによってリアルタイムでフィードバックされます。
• 実際の結果: 浄水プラントのろ過槽に適用した後、逆洗トリガーの応答時間は10秒から1秒に短縮され、逆洗水の消費量は15％減少し、ろ材の耐用年数は2年延長されました。

3. 清水槽のレベル監視

• 技術的適応: 水供給スケジューリングシステムに統合するために、Modbus-RTU通信をサポートする高精度モデル（精度±0.2％FS）を選択します。リアルタイムのレベルデータは、ウォーターポンプにリンクするために送信され、「低レベルでの水補充と高レベルでのポンプ停止」の自動制御を可能にします。
• 実際の結果: ある郡の15メートルの清水槽に適用した後、水供給圧力の変動は±0.2MPaから±0.05MPaに減少し、住民の水利用体験が大幅に向上し、オーバーフロー事故率は年間3回からゼロに減少しました。

III. 排水処理段階：泡、腐食、および浮遊固形物の監視の課題を克服

(I) 主要なシナリオにおける技術的ブレークスルー

1. 曝気槽における泡干渉の解決

• 問題点: 曝気中に20〜30cmの安定した泡層が液面に形成されます。従来のレベルトランスミッタは、誤って泡の表面を実際の液面として識別し、±15cmの誤差が生じます。
• ソリューション:
  • ハードウェア: 15Wの高出力送信プローブを使用（音波浸透を強化するため）、プローブ表面にポリテトラフルオロエチレン（PTFE）をコーティングして泡の付着を防ぎます。
  • アルゴリズム: 「強化泡フィルタリングモード」を有効にする—エコー検出時間を100msに延長して、泡の下の実際の液面エコーをキャプチャし、温度補償（曝気槽の温度は5〜10℃変動）を介して音速を修正します。
• 結果: 化学工業団地排水処理プラントの10メートルの曝気槽に適用した後、測定誤差は±15cmから±2cmに減少し、±5cmのプロセス制御要件を完全に満たしています。

2. 工業廃水槽の腐食保護

• 問題点: 工業廃水（例：電気めっき廃水、酸洗い廃水）には、強酸と強アルカリ（pH=1〜13）および重金属イオンが含まれています。従来の金属プローブは3〜6ヶ月以内に腐食します。
• ソリューション:
  • プローブ材料: ISO 10289規格に準拠した耐腐食性を備えた、完全にPTFEコーティングされたプローブ（ハウジングとケーブルインターフェースを含む）を使用し、pH=1〜14の極端な条件に耐えることができます。
  • 防爆設計: 化学工業団地での防爆要件については、油ガス混合物による安全事故を防ぐために、Ex d IIC T6防爆等級の超音波レベルトランスミッタを選択します。
• 結果: 電気めっき工場の5メートルの酸洗い廃水槽に適用した後、プローブは24ヶ月間腐食損傷なしで動作します。その耐用年数は従来の機器の4倍であり、メンテナンスコストは80％削減されます。

3. 汚泥濃縮槽における浮遊固形物干渉の解決

• 問題点: 汚泥濃度が10,000mg/Lを超え、浮遊固形物が音波を容易に散乱させ、エコー信号が弱くなり、測定が失敗します。
• ソリューション:
  • 導波管の補助: プローブの下に316Lステンレス鋼の導波管（内径120mm）を取り付けます。音波は導波管に沿って伝送され、浮遊固形物による散乱を回避します。
  • 動的電力調整: 汚泥濃度に基づいて送信電力を自動的に増加させます（現場濃度計と連動）。濃度が高いほど、電力（最大20W）が大きくなり、エコー信号の強度を確保します。
• 結果: 市町村排水処理プラントの8メートルの汚泥濃縮槽に適用した後、有効測定率は60％から99.8％に増加し、誤差は±3cm以内に制御され、汚泥脱水効率は10％向上しました。

(II) 適用事例：工業団地排水処理プラントでの全プロセス監視

• 対象シナリオ: 5メートルの均等化槽、10メートルの曝気槽、8メートルの二次沈殿槽、6メートルの汚泥濃縮槽。
• 統一ソリューション: 同じブランドの超音波レベルトランスミッタを使用し、Modbus-RTUプロトコルを介してプラントのSCADAシステムに統合して、全プロセスレベルデータの可視化と連動制御を実現します。
• 総合的な結果:
  • 各段階の測定精度は≤±2cmであり、プロセスの安定性は30％向上します。
  • 機器の平均故障間隔（MTBF）は18ヶ月に達し、メンテナンスコストは92％削減されます。
  • 水の流入、曝気、および排水システムと連携することにより、排水処理能力は20％増加し、流出水のコンプライアンス率は95％から100％に向上します。

IV. 再利用水再利用段階：貯水と供給のためのインテリジェントなレベル管理の実現