DPDとアンペロメトリックセンサーの比較

オンライン試薬供給（DPD）

TRO（Total Residual Oxidant）の測定には、2つの方法があります。酸化還元電位（ORP）センサーとアンペロメトリックセンサーです。これまで、バラスト水アプリケーションで実用化されたアンペロメトリックセンサーはありませんでした。この論文では、両方式の相対的な利点と限界について検討します。

浄水場では一般的に、塩素供給量の制御と監視にオンライン試薬供給（DPD）とアンペロメトリック機器の2つの方法のいずれかを使用しています。このシステムでは、毎月高価な試薬の交換が必要です。アンペロメトリックセンサーは試薬を必要としませんが、頻繁な校正が必要です。また、流量依存性があり、わずかな変化で校正ができなくなる、pH依存性がある、膜が汚れるなどの問題がある。

「水道事業者は、塩素のモニタリングにおいて、さらに4つの水パラメータを測定し、わずかなコストでより良い情報を提供する、より良い選択肢を手に入れることができました。NSF61の認証により、センサーを配管に直接挿入することができます。MP-5は事実上どのような場所にも設置することができます。廃棄物ラインは必要なく、メンテナンスが少ないため省力化が図れ、試薬不要で動作し、水の節約によりコストを削減できます。このセンサーは、水処理の問題に対する新しい選択肢となります。"- マイケル・シルヴェリ - HSI社社長

ハロゲン・システムズは、一貫性のある正確な測定値と最小限のメンテナンスで、ケータリングの苦労をすべて解決するセンサーを開発しました。当社の流量に依存しないセンサー技術は、既存の古いアンペロメトリックシステムの多くの制限を克服し、メンテナンスがはるかに少なくなっています。このセンサーはアンペロメトリック塩素測定の他に、pH、導電率、温度、ORP（酸化還元電位）の測定も可能です。

既存のアンペロメトリック・センサー

既存の」アンペロメトリック・センサーは、その精度と校正を維持するために、通常は廃棄物の流れを利用した一定の流量を必要とします。圧力スパイクや流量の変化があると、校正が完全に失われてしまいます。これらのセンサーは、機器1台あたり年間65,000ガロンもの廃液を発生させます。温度変動の影響は、膜の特性による非線形の信号変化を引き起こし、結果として校正を失うことになります。カリフォルニア州レイクウッド市の処理場では、過去に使用したアンペロメトリック塩素センサーについて、頻繁な（毎週または半週ごとの）校正が必要であると伝えています。さらに、電解液が希釈された場合は、センサーの再校正、電解液の補充、膜の交換が必要です。pH7.5より高い値は飲料水システムでしばしば見られます。また、導電率の変化もセンサに影響を及ぼします。(オーストラリア、2010年)

オールドテック」アンペロメトリック・センサーの限界

流量依存性が高く、配管に直接設置することができない。廃棄物の流れを利用した精巧なフローカラムが必要となる。
メンブレンと電解質の交換が必要
頻繁なキャリブレーション
pH依存性
温度依存性

測色技術

比色法では、試料に添加した化学物質が塩素と反応して色が出る。色の濃さは塩素の量に比例します。これらの機器はオンラインDPD機器（DPD）と呼ばれています。色を測定し、その結果をppmの塩素測定値に換算します。これは水道局で最も広く使われている塩素測定器ですが、欠点もあります。一つは試薬のコストです。試薬は通常30日間使用できます。あるウェブサイトによると、1台のシステムのための試薬は、送料を含めて年間750ドルから1000ドルかかるとのことです。ほとんどの水道局はこのようなシステムを多数保有しているため、年間の試薬コストはかなりのものになります。これらのシステムは複雑で、サービスマンによる毎月のメンテナンスが必要です。

「古い "アンペロメトリック塩素センサー技術

アンペロメトリック塩素センサーは、すべて電気化学デバイスで、この反応に依存して塩素を測定する：電子は、陰極で次亜塩素酸が塩化物に還元される際に流れます。この電子の流れがセンサーによって測定されます。基本的なデザインは2種類あります：裸電極式と膜式です。裸電極式では、3電極式アンペロメトリック測定法（下記参照）が使用されます。溶液の抵抗を補正するポテンショスタットを使用して、2つの電極間に電圧を印加します。測定された電流は、塩素濃度に比例します。

WE= Working Electrode
RE= Reference Electrode
CE= Counter Electrode

メンブレンスタイルシステムでは、2電極方式が採用されています。基本的には3電極方式と同じですが、対極と参照電極が組み合わされ、膜によって溶液から分離されています。電解液は溶液中にゆっくりと拡散していくので、定期的に補充する必要があります。アンペロメトリックセンサーは、マンガン、鉄、硝酸塩など、比色法を妨害する多くの干渉物質から解放されます。

ユニークな特徴は以下の通りです。

流量に依存しない塩素測定- このセンサーは、0～12m/sの流速の変化に影響されません(HSI 06, 2020)。当社の塩素センサーはポンプを内蔵しており、長寿命のブラシレスモーターを使用して電極に一定の流速を供給することで、電極の感度と信号対雑音比を左右する高速流を実現し、流量に依存しない指標となっています。
SCADAシステムに直接接続可能：センサーはModbus経由でSCADA（Supervisory Control and Data Acquisition System）やProgrammable Logic Controllerに直接接続できるため、別途オプションで用意するディスプレイモジュールのコストを削減できます。
セルフクリーニング- 電気化学的な洗浄方法で、分極や有機物の吸着に抵抗します。内蔵されたクリーニングビーズがセンサーを連続的にクリーニングし、pHセンサーを含む電極表面を硬度やバイオファウリングの蓄積から解放することができます。固体金属電極はシステムの寿命を延ばします。
長期間の校正間隔：これらの機能を組み合わせることで、長期間の校正間隔を実現しています。淡水でのテストでは、3ヶ月以上にわたって安定した校正が行われました。

ハロゲン・システムズ社 - MP5TM

このセンサーはNSF61の認証が必要な水道管に設置されるためです。このセンサーは、一般的な湿式設置方法と構成部品を使用しています。このセンサーは、他のアンペロメトリックDPD機器と同様に、コンプライアンスに適合しています。このセンサーのサイドストリームバージョンは、浄水場の一時的または恒久的なモニタリングのために設置することができます。このセンサーは、0～0.5GPHのわずかな流量で作動します。12VDCまたは24VDCの電源を使用することができます。また、このセンサーはSCADAシステムに接続し、リアルタイムで監視することもできます。水のサンプリングには、内径1/4インチのチューブを使用します。センサーは流量を必要としないため、タンク内に設置することができます。

総所有コスト（Total Cost Of Ownership）の削減

塩素を測定するオンラインDPD装置では、毎月補充する化学試薬が必要です。どちらの方法も流量調節が必要で、1分あたり約500mLの流量の廃棄物が発生し、計1台あたり年間69,204ガロンの廃棄物が発生します。(Emerson, 2018）水源にもよりますが、これには機器1台あたり年間191ドル（MWDレート時）のコストがかかります。これらのシステムには、この廃棄物の流れを排出するためのインフラも必要です。多くの場所で、これは現実的ではありません。当社の流量無依存型塩素分析計は、インフラを整備することなく各所に塩素分析計を設置することができ、その結果、はるかに高い信頼性と公衆の保護が可能になります。以下に、比色式と流量に依存しないセンサーの相対的なコストの概要を示す。

イージーオブサービス

NSF-61認証を取得した当社の塩素センサーは、ウェットタップ設置方式に対応しています。これにより、電力会社はインフラを整備することなく、配水管に直接塩素測定器を挿入することができます。高度に統合された設計により、コストとサイズを削減し、信頼性を向上させることができます。

パラメータを追加することでより良い情報を提供

多項目塩素計は、1つのコンパクトなパッケージの中で、さらに4つのパラメータを測定します。合計5つの測定値により、遊離塩素レベルをはるかに超える情報をユーティリティに提供します。また、水質が変わっても再校正の必要がありません。従来のディスクリートセンサーシステムは、同じような数のパラメーターを持つ場合、ハロゲンシステム社の5倍から6倍のコストがかかることがよくあります。MP5™です。

測定されたパラメータ

アンペロメトリック遊離塩素 - 特許取得済みのセンサーが55秒ごとに遊離塩素を測定します。測定値は、pH、温度、導電率で補正されます。
pHセンサーを内蔵：MP-5の寿命は2年で、業界平均は6カ月です。当社のセンサーカートリッジは、センサーと一体化した部品です。このため、塩素センサーは継続的に自浄作用が働くように設計されています。150PSIまでの圧力に耐える独自のpHセンサーを使用しています。pHセンサーは乾燥した状態で出荷され、数分で洗い流され、頻繁な校正は必要ありません。
導電率センサーを内蔵：水の導電率の変化は、水道事業者が水質を判断するために不可欠な方法です。この変化は、水質汚染、汚染事象、またはその他の問題を示すことがあります。
酸化還元電位（ORP）：飲料水中のORPを測定することは、汚染や配管の故障の可能性を示すもう一つの指標です。当社の塩素センサーは、独自の方法でORPを測定し、電極を清潔に保つことができます。

参考資料です：

オーストラリア、W. Q. (2010).流通システム内の消毒管理を改善するためのツールの開発。WQRA.

DoDです。(2020年、7月07日)に発表されました。SBIR-STTR-Sucess：ハロゲンシステムズ、Inc.sbir.govから取得： https://www.sbir.gov/node/1704083

エマソンです。(2018). https://www.emerson.com/documents/automation/white-paper-effective-chlorine-analysis-for-disinfection-en-5463798.pdf. Emerson.comから取得： https://www.emerson.com/documents/automation/white-paper-effective-chlorine-analysis-for-disinfection-en-5463798.pdf

HSI 04. (2020).ハロゲンISO15839フィールドテスト。ホワイトペーパー04

HSI 06. (2020).アンペロメトリックフローセンサーテストレポート。ホワイトペーパー06