DE102018117016A1

DE102018117016A1 - Analysiervorrichtung, System, Analysierverfahren und Programm

Info

Publication number: DE102018117016A1
Application number: DE102018117016.5A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Mizuno; Tomoki Aoyama; Kyoko KASSAI; Eiichi Nagaoka; Shunsuke Murata
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2019-01-17
Also published as: CN109253954A; US10876950B2; JP7246871B2; CN109253954B; US20190017916A1; JP2019020411A; CN208607123U

Abstract

Um Daten in Bezug auf einen Gehalt farbiger partikelförmiger Stoffe zu erhalten, umfasst eine Analysiervorrichtung (100) einen Sammelfilter (1), einen zweidimensionalen Sensor (3) und eine Berechnungseinheit (4). Der Sammelfilter (1) sammelt in der Luft (A) enthaltene feine partikelförmige Stoffe (FP). Der zweidimensionale Sensor (3) erhält Sammelbilddaten (IM), die Bilddaten eines Sammelbereichs des Sammelfilters (1) umfassen, in dem die feinen partikelförmigen Stoffe (FP) gesammelt werden. Die Berechnungseinheit (4) berechnet Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe, die in dem Sammelbereich enthalten sind, basierend auf den Sammelbilddaten (IM).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Analysiervorrichtung zum Analysieren von Feinstaub bzw. partikelförmigen Stoffen, ein System zum Identifizieren einer Quelle von partikelförmigen Stoffen, dessen Analysierverfahren und ein Programm, das einen Computer veranlasst, das Verfahren durchzuführen.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren sind in der Atmosphäre enthaltene partikelförmige Schwebstoffe (z.B. PM2.5) ein großes Umweltproblem. Um die Erzeugung von partikelförmigen Schwebstoffen zu reduzieren, ist es notwendig, eine Quelle von partikelförmigen Schwebstoffen zu identifizieren, und zu diesem Zweck werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einschätzen bzw. Bewerten einer Quelle von partikelförmigen Schwebstoffen entwickelt.
Beispielsweise ist eine Vorrichtung bekannt, die eine Massenkonzentration von partikelförmigen Schwebstoffen basierend auf der Intensität von β-Strahlung misst, die durch auf einem Sammelfilter gesammelte partikelförmige Schwebstoffe durchgeht, und in den partikelförmigen Schwebstoffen enthaltene Elemente basierend auf Fluoreszenz-Röntgenstrahlen analysiert, die von den partikelförmigen Schwebstoffen erzeugt werden (siehe zum Beispiel Patent-Zitat 1).
Diese Vorrichtung kann eine kontinuierliche Analyse von partikelförmigen Schwebstoff durchführen, indem partikelförmige Schwebstoffe zu jeder vorbestimmten Zeit gesammelt werden.
ZITATE NACH DEM STAND DER TECHNIK
PATENT-ZITAT
Patent-Zitat 1: JP-A-2015-219197
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Partikelförmige Schwebstoffen können partikelförmige Stoffe mit einer Farbe (worauf im Folgenden auch als farbige partikelförmige Stoffe verwiesen wird) wie etwa eine Ruß genannte Substanz enthalten, deren Hauptkomponente Kohlenstoff ist und beispielsweise durch eine offene Verbrennung oder dergleichen erzeugt wird. Man ist der Ansicht, dass einige farbige Feinstäube bzw. partikelförmige Stoffe eine Hauptursache der globalen Erwärmung sind und/oder sich aufgrund ihrer Karzinogenität oder dergleichen auf den menschlichen Körper auswirken. Dementsprechend wächst der Bedarf an einer Analysiervorrichtung, die Daten in Bezug auf einen Gehalt farbiger partikelförmiger Stoffe in der Atmosphäre wie etwa eine Konzentration farbiger partikelförmiger Stoffe analysieren kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Daten in Bezug auf farbige partikelförmige Stoffe zu erhalten.
TECHNISCHE LÖSUNG
Im Folgenden wird eine Vielzahl von Aspekten als Mittel zum Lösen des Problems beschrieben. Diese Aspekte können nach Bedarf beliebig kombiniert werden.
Eine Analysiervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Sammelfilter, einen zweidimensionalen Sensor und eine Berechnungseinheit. Der Sammelfilter sammelt in der Atmosphäre enthaltenen Feinstaub bzw. enthaltene partikelförmige Stoffe. Der zweidimensionale Sensor erhält zweidimensionale Sammelbilddaten, die Bilddaten eines Sammelbereichs des Sammelfilters umfassen, in dem die partikelförmigen Stoffe gesammelt werden. Die Berechnungseinheit berechnet Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe, die in dem Sammelbereich enthalten sind, basierend auf den Sammelbilddaten.
Auf diese Weise können Daten, die genutzt werden, um die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen Stoffteichen zu berechnen, mit hoher Geschwindigkeit erhalten werden, und daher können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe mit hoher Geschwindigkeit berechnet werden.
Die Analysiervorrichtung kann ferner ein plattenförmiges Bauteil enthalten, das auf einer Seite des Sammelfilters, die einer dem zweidimensionalen Sensor zugewandten Seite gegenüberliegt, angeordnet ist. Auf diese Weise können die Sammelbilddaten deutlicher sein.
Die Analysiervorrichtung kann ferner eine eine Sammelmenge messende Einheit enthalten, die dafür eingerichtet ist, Daten zu messen, die genutzt werden, um Daten in Bezug auf eine Sammelmenge der auf dem Sammelfilter gesammelten partikelförmigen Stoffe zu berechnen. Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf eine Sammelmenge des Feinstaubs bzw. der partikelförmigen Stoffe erhalten werden.
Die Analysiervorrichtung kann ferner eine Elementanalyseeinheit enthalten, die dafür eingerichtet ist, ein in den auf dem Sammelfilter gesammelten partikelförmigen Stoffen enthaltenes Element zu analysieren. Auf diese Weise kann eine Elementanalyse des Feinstaubs bzw. der partikelförmigen Stoffe durchgeführt werden.
Die Berechnungseinheit kann die Sammelbilddaten in einer visuell erkennbaren Form ausgeben. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob der Sammelbereich an einer geeigneten Position platziert ist oder nicht.
Die Berechnungseinheit kann die Sammelbilddaten und ein Analyseergebnis der partikelförmigen Stoffe, die in dem in den Sammelbilddaten angegebenen Sammelbereich gesammelt wurden, zusammen mit der Zeit speichern, zu der die Sammelbilddaten erhalten werden. Auf diese Weise können die Sammelbilddaten und/oder das Analyseergebnis, die zu einer bestimmten vergangenen Zeit erhalten wurden, überprüft werden.
Die Sammelbilddaten können zweidimensionale erste Bilddaten enthalten, die den Sammelbereich angeben. In diesem Fall berechnet die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf einer ersten Helligkeit bzw. Luminanz von Bildpunkten bzw. Pixeln in den ersten Bilddaten. Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe mit hoher Geschwindigkeit berechnet werden.
Die Berechnungseinheit kann die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf einem integrierten Wert einer Luminanz von Pixeln in den ersten Bilddaten berechnen. Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe genau berechnet werden.
Die Sammelbilddaten können zweidimensionale zweite Bilddaten enthalten, die einen Nicht-Sammelbereich des Sammelfilters angeben, in der die partikelförmigen Stoffe nicht gesammelt werden. Auf diese Weise berechnet die Berechnungseinheit erste Hintergrunddaten, die einen Hintergrund einer Luminanz von Pixeln in den Sammelbilddaten angeben, unter Verwendung einer Luminanz von Pixeln in den zweiten Bilddaten und berechnet die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf den korrigierten Daten, die auf der Basis der Sammelbilddaten und der ersten Hintergrunddaten berechnet werden.
Auf diese Weise kann der Hintergrund einer Luminanz, der in den Sammelbilddaten enthalten ist, durch einfache Berechnung entfernt werden.
Die Sammelbilddaten können ferner zweidimensionale zweite Bilddaten enthalten, die einen Nicht-Sammelbereich des Sammelfilters angeben, in der die partikelförmigen Stoffe nicht gesammelt werden. In diesem Fall berechnet die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf der ersten Luminanz und einer zweiten Luminanz von Pixeln in den zweiten Bilddaten.
Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe genauer berechnet werden.
Die Berechnungseinheit kann die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf der ersten Luminanz, bei der eine erste Spitze in einer Verteilung einer Luminanz von Pixeln, die in den ersten Bilddaten enthalten sind, auftritt, und der zweiten Luminanz berechnen, bei der eine zweite Spitze in einer Verteilung einer Luminanz von Pixeln in den zweiten Bilddaten erscheint.
Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe auf eine verhältnismäßig einfache Weise mit hoher Geschwindigkeit berechnet werden.
Der zweidimensionale Sensor kann zweite Hintergrunddaten als zweidimensionale Bilddaten erhalten, die erhalten werden, wenn der Feinstaub bzw. die partikelförmigen Stoffe auf einer Oberfläche des Sammelfilters, die zumindest einem Teil eines Sichtfeldes des zweidimensionalen Sensors entspricht, nicht gesammelt werden. In diesem Fall berechnet die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf korrigierten Bilddaten, die auf der Basis der Sammelbilddaten und der zweiten Hintergrundbilddaten berechnet werden.
Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe genauer berechnet werden.
Ein System gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt die oben beschriebene Analysiervorrichtung und eine eine Quelle identifizierende Einrichtung ein. Die eine Quelle identifizierende Einrichtung ist dafür eingerichtet, eine Quelle der partikelförmigen Stoffe basierend auf Daten zu identifizieren, die genutzt werden, um eine Quelle der partikelförmigen Stoffe zu identifizieren, und Daten, die durch die Analysiervorrichtung erhalten werden. Auf diese Weise kann eine Quelle der farbigen partikelförmigen Stoffe identifiziert werden.
Ein Analysierverfahren gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte:

Sammeln von in der Atmosphäre enthaltenen partikelförmigen Stoffen auf einem Sammelfilter;
Erhalten zweidimensionaler Sammelbilddaten, die Bilddaten eines Sammelbereichs des Sammelfilters umfassen, in dem die partikelförmigen Stoffe gesammelt werden; und
Berechnen von Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe, die in dem Sammelbereich enthalten sind, basierend auf den Sammelbilddaten.

Die Sammelbilddaten, die genutzt werden, um die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe zu berechnen, werden in zweidimensionaler Weise erhalten, und daher werden die Daten, die genutzt werden, um die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe zu berechnen, mit hoher Geschwindigkeit erhalten, so dass die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe mit hoher Geschwindigkeit berechnet werden können.
Ein Programm gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Programm, das einen Computer veranlasst, ein oben beschriebenes Analysierverfahren durchzuführen. Das Programm kann in einem Speichermedium, das der Computer lesen kann, gespeichert sein.
VORTEILHAFTE EFFEKTE
Die Daten, die genutzt werden, um die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe zu berechnen, können mit hoher Geschwindigkeit erhalten werden, und die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe können mit hoher Geschwindigkeit gemessen werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Analysiervorrichtung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Bilddaten in einem Sichtfeldbereich zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Berechnungseinheit zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen Sammelbilddaten und einem Rußgehalt in einem Sammelbereich zeigt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer integrierten Luminanzverteilung zeigt.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Abhängigkeit der integrierten Luminanzverteilung vom Rußgehalt zeigt.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Rußgehalt und einem integrierten Wert einer Luminanz von Pixeln zeigt, die in den ersten Bilddaten enthalten sind.
8 ist ein Flussdiagramm, das die gesamte Operation der Analysiervorrichtung zeigt.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Operation zum Analysieren feiner partikelförmiger Stoffe in einer ersten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Diagramm, das eine Erzeugung korrigierter Daten schematisch darstellt.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem Luminanz-Histogramm und dem Rußgehalt in dem Sammelbereich zeigt.
12 ist ein Flussdiagramm, das eine Operation zum Analysieren feiner partikelförmiger Stoffe in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Luminanz-Histogramms korrigierter Bilddaten zeigt.
14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Sammelbilddaten zeigt, in dem die ersten Bilddaten teilweise fehlen.
15 ist ein Diagramm, das eine Struktur eines Systems gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
16 ist ein Diagramm, das ein anderes strukturelles Beispiel der Analysiervorrichtung zeigt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Allgemeine Skizzen einer Analysiervorrichtung
Eine Analysiervorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben. Die Analysiervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist in einer Quelle gefährlicher partikelförmiger Stoffe oder deren Nähe platziert und analysiert Feinstaub bzw. partikelförmige Stoffe, die von der Quelle oder dergleichen erzeugt werden. Beispielsweise ist sie entlang einer stark befahrenen Straße (einer Hauptstraße oder einer Autobahn) oder deren Nähe oder in einem Industriegebiet, das partikelförmige Stoffe erzeugen kann, oder deren Nähe platziert.
Die Analysiervorrichtung 100 misst Daten in Bezug auf farbige partikelförmige Stoffe mit einer Farbe. Ungefähr 90 % der farbigen partikelförmigen Stoffe sind Teilchen mit großem Kohlenstoffgehalt wie etwa Ruß schwarzer Farbe oder brauner Kohlenstoff. Daher kann die Messung von Daten in Bezug auf farbige partikelförmige Stoffe als eine Messung von Daten in Bezug auf einen Rußgehalt umformuliert werden.
Die oben beschriebenen Daten können zum Beispiel eine absolute Menge (Gewicht) von Ruß, der in einem (später beschriebenen) Sammelbereich gesammelt wird, und/oder eine Konzentration von Ruß in der Atmosphäre (z.B. µg/m³ oder mg/m³) sein.
Struktur der Analysiervorrichtung
Bezug nehmend auf 1 wird eine Struktur der Analysiervorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das eine Struktur der Analysiervorrichtung zeigt.
Die Analysiervorrichtung 100 enthält einen Sammelfilter 1. Der Sammelfilter 1 ist zum Beispiel ein weißes Bandbauteil, das eine Verstärkungsschicht und eine Sammelschicht umfasst, die auf der Verstärkungsschicht ausgebildet und laminiert ist. Die Verstärkungsschicht ist beispielsweise ein Vliesstoffgewebe aus einem Polymermaterial (wie etwa Polyethylen). Die Sammelschicht weist Poren auf, die feine partikelförmige Stoffe FP (mit einem Teilchendurchmesser von 2,5 µm oder weniger) (ein Beispiel des Feinstaubs bzw. der partikelförmigen Stoffe) sammeln können. Die Sammelschicht ist zum Beispiel aus einem Fluorkohlenstoffharzmaterial geschaffen. Im Sammelfilter 1 wird eine Fläche bzw. ein Bereich, worin feine partikelförmige Stoffe FP gesammelt werden, als eine „Sammelfläche“ bzw. ein „Sammelbereich“ bezeichnet. Ein einschichtiger Glasfilter, ein einschichtiger Filter aus einem Fluorkohlenstoffharzmaterial oder dergleichen kann ebenfalls als der Sammelfilter 1 genutzt werden.
Der Sammelfilter 1 wird von einer Abwickelrolle 1a abgewickelt und mittels einer Aufwickelrolle 1b aufgewickelt, so dass er sich in der Längenrichtung (der durch einen dicken Pfeil in 1 dargestellten Richtung) bewegen kann.
Die Analysiervorrichtung 100 enthält eine Sammeleinheit 2. Die Sammeleinheit 2 ist an der einer ersten Position P1 in der Längenrichtung des Sammelfilters 1 entsprechenden Stelle angeordnet. Die Sammeleinheit 2 umfasst eine Saugpumpe 21, eine Auslassöffnung 23 und eine Ansaugöffnung 25. Wenn die Saugpumpe 21 eine Saugkraft in der Ansaugöffnung 25 erzeugt, wird die Luft A aus der Auslassöffnung 23 zur ersten Position P1 des Sammelfilters 1 ausgestoßen, und der Sammelbereich sammelt die feinen partikelförmigen Stoffe FP.
Wie oben beschrieben wurde, ist die erste Position P1 eine Position in der Längenrichtung des Sammelfilters 1, bei der die feinen partikelförmigen Stoffe gesammelt werden, und daher kann sie auch als eine „Sammelposition“ bezeichnet werden.
Die Analysiervorrichtung 100 enthält einen zweidimensionalen Sensor 3. Der zweidimensionale Sensor 3 ist zum Beispiel ein CCD-Bildsensor, in welchem ladungsgekoppelte Einrichtungen (CCDs) in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, oder ein CMOS-Bildsensor, in welchem lichtempfangende Elemente in einem Array angeordnet sind. Außerdem enthält der zweidimensionale Sensor 3 ein optisches Bauteil wie etwa eine Weitwinkellinse, um Bilddaten eines breiteren Sichtfeldbereichs VA zu erhalten.
Der zweidimensionale Sensor 3 ist an einer zweiten Position P2 der Längenrichtung des Sammelfilters 1 angeordnet, so dass dessen lichtempfangende Oberfläche der Oberfläche des Sammelfilters 1, der die feinen partikelförmigen Stoffe FP sammelt, zugewandt ist. Wie später beschrieben wird, ist die zweite Position P2 eine Position, zu der sich der Sammelbereich bewegt, so dass der zweidimensionale Sensor 3 Sammelbilddaten IM, die Bilddaten des Sammelbereichs umfassen, erhält, und daher kann sie auch als eine „Bilderfassungsposition“ bezeichnet werden.
Außerdem ist der zweidimensionale Sensor 3 in einer vorbestimmten Höhe von der Oberfläche des Sammelfilters 1 angeordnet. Die zweite Position P2 ist zum Beispiel ein Mittelpunkt zwischen der ersten Position P1 und einer dritten Position P3, an der eine Elementanalyse durchgeführt wird.
Mit dem oben beschriebenen zweidimensionalen Sensor 3 können die Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA, der die zweite Position P2 und die dritte Position P3 wie in 2 gezeigt umfasst, erhalten werden. 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Bilddaten des Sichtfeldbereichs zeigt. Es sollte besonders erwähnt werden, dass, obwohl der Sichtfeldbereich VA ein Bild einer Analyseeinheit 8 wie etwa einer Röntgenstrahlenquelle 81 und usw. (später beschrieben) enthält, die in der Nähe der dritten Position P3 vorhanden ist, für ein einfacheres Verständnis von 2 das Bild der Analyseeinheit 8 (die Röntgenquelle 81 und usw.) in 2 weggelassen ist.
Die Sichtfeldbereich VA kann ausgedehnt werden, indem die Anzahl von Pixeln des zweidimensionalen Sensors 3 erhöht wird und/oder indem die Höhe der lichtempfangenden Oberfläche des zweidimensionalen Sensors 3 soweit wie möglich vergrößert wird. Außerdem kann durch Ausdehnen des Sichtfeldbereichs VA der Sichtfeldbereich VA die erste Position P1 (Sammelposition) einschließen.
Wenn sich der Sammelbereich zur zweiten Position P2 bewegt, erhält der zweidimensionale Sensor 3 die Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA. Danach werden, wie in 2 gezeigt ist, die Sammelbilddaten IM als den Sammelbereich umfassende zweidimensionale Bilddaten aus den Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA ausgeschnitten bzw. freigestellt, die durch den zweidimensionalen Sensor 3 erhalten wurden. Alternativ dazu kann ein Teil der Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA, der die zweite Position P2 und dessen Umgebung enthält, als die Sammelbilddaten IM in der Analyse genutzt werden.
Wie in 2 gezeigt ist, umfassen die Sammelbilddaten IM erste Bilddaten Im1 und zweite Bilddaten Im2.
Die ersten Bilddaten Im1 sind Bilddaten des Sammelbereichs, die bei der zweiten Position P2 vorhanden ist. Die zweiten Bilddaten Im2 sind Bilddaten eines Nicht-Sammelbereichs, die um den Sammelbereich herum vorhanden und in dem Sichtfeldbereich VA enthalten ist.
Wie oben beschrieben wurde, schließt der Sichtfeldbereich VA nicht nur die zweite Position P2, sondern auch die dritte Position P3 ein. Daher kann, indem die Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA beispielsweise auf einer Anzeige 45 einer Berechnungseinheit 4 dargestellt werden, überprüft und überwacht werden, ob ein Fremdmaterial in dem Sammelbereich oder dem Nicht-Sammelbereich vorhanden ist, der an der dritten Position P3 vorhanden ist, und ob ein Fehler in der Analyseeinheit 8 und usw. aufgetreten ist oder nicht. Der Fehler kann beispielsweise auch gemeldet werden.
Zusätzlich können, da der zweidimensionale Sensor 3 die Sammelbilddaten IM beispielsweise in einer Periode von annähernd 1/60 Sekunden (entsprechend einer Frame-Anzeigeperiode eines bewegten Bildes) erhalten kann, die ersten Bilddaten Im1 des Sammelbereichs und die zweiten Bilddaten Im2 des Nicht-Sammelbereichs mit hoher Geschwindigkeit gleichzeitig erhalten werden.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass, wenn der Sammelbereich an der zweiten Position P2 nicht vorhanden ist, der zweidimensionale Sensor 3 die Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA, die Bilddaten des Nicht-Sammelbereichs umfassen, erhalten kann, und zweite Hintergrunddaten, die später beschrieben werden, aus den Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA freigestellt werden können.
Mit anderen Worten sind die zweiten Hintergrunddaten zweidimensionale Bilddaten, die erhalten werden, wenn die feinen partikelförmigen Stoffe FP nicht auf der Oberfläche des Sammelfilters 1 gesammelt werden, entsprechend zumindest einem Teil des Sichtfeldbereichs VA.
Die Analysiervorrichtung 100 enthält eine Berechnungseinheit 4. Die Berechnungseinheit 4 ist ein Computersystem, das zum Beispiel eine CPU 41, einen Speicher 43, der ein Teil oder eine Gesamtheit eines Speicherbereichs eines Speichers wie eines RAM oder eines ROM ist, eine Anzeige 45 (z.B. eine Flüssigkristallanzeige oder dergleichen) und verschiedene Schnittstellen 47 für Eingabe und Ausgabe von Daten und Signalen, eine Signalumwandlung und dergleichen mit einzelnen Teilen der Analysiervorrichtung 100 (z.B. einen I/O-Port, eine Kommunikationsschnittstelle und dergleichen) enthält, wie in 3 gezeigt ist. 3 ist ein Diagramm, das eine Struktur der Berechnungseinheit zeigt.
Verschiedene Steuerungen und eine Informationsverarbeitung, die von der Berechnungseinheit 4 ausgeführt werden, können durch ein Programm realisiert werden, das in der Speichereinheit 43 gespeichert ist und von einem Computersystem, das die Berechnungseinheit 4 bildet, ausgeführt werden kann.
Der Speicher 43 speichert verschiedene Einstellungen der Analysiervorrichtung 100. Konkret speichert der Speicher 43 eine Kalibrierungskurve SC. Die Kalibrierungskurve SC wird zum Berechnen von Daten in Bezug auf einen Rußgehalt unter Verwendung eines Parameters (z.B. einer Luminanz) von Pixeln in den Sammelbilddaten IM genutzt.
Außerdem speichert der Speicher 43 Zeitreihendaten TD. Die Sammelbilddaten IM und die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt, die aus den Sammelbilddaten IM berechnet werden, werden als die Zeitreihendaten TD in Zusammenhang mit der Zeit gespeichert, zu der die Sammelbilddaten IM erhalten werden (T1, T2 und so weiter).
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Zeitreihendaten TD ferner mit Daten in Bezug auf eine Sammelmenge der feinen partikelförmigen Stoffe FP in dem Sammelbereich und/oder einem Elementanalyseergebnis assoziiert sein.
Als Antwort auf eine Abfrage von einem Nutzer zeigt beispielsweise die Berechnungseinheit 4 die Sammelbilddaten IM, die mit einer durch den Nutzer bezeichneten Zeit assoziiert sind, und Daten in Bezug auf einen Rußgehalt (und das oben erwähnte Analyseergebnis feiner partikelförmiger Stoffe FP) in den Zeitreihendaten TD auf der Anzeige 45 an.
Auf diese Weise können die Sammelbilddaten IM und/oder das Analyseergebnis (wie etwa Daten in Bezug auf einen Rußgehalt) zu einer bestimmten vergangenen Zeit geprüft werden.
Die Analysevorrichtung 100 enthält ein plattenförmiges Bauteil 5. Das plattenförmige Bauteil 5 ist auf der Seite des Sammelfilters 1, die einer dem zweidimensionalen Sensor 3 zugewandten Seite gegenüberliegt, im Sichtfeldbereich VA angeordnet, wenn der zweidimensionale Sensor 3 die zweidimensionalen Bilddaten des Sammelbereichs und/oder Nicht-Sammelbereichs erhält. Falls das plattenförmige Bauteil 5 nicht übermäßig Licht durchlässt, kann das plattenförmige Bauteil 5 eine beliebige Dicke haben. Mit anderen Worten kann das plattenförmige Bauteil 5 beispielsweise eine dicke Platte oder ein dünner Film sein, der übermäßiges Licht nicht durchlässt.
Da der Sammelfilter 1 ein Bauteil mit einer geringen Dicke ist, gelangt, wenn eine Lichtquelle 6 Licht zum Sammelfilter 1 emittiert, ein Großteil des Lichts durch den Sammelfilter 1 und wird durch die in der Rückseite des Sammelfilters 1 vorhandenen Oberflächen reflektiert. Außerdem wird das Licht auch durch das auf der Rückseite des Sammelfilters 1 angeordnete plattenförmige Bauteil 5 reflektiert.
In diesem Fall kann, wenn das Bild des Sammelfilters 1 erhalten wird, der Zustand des Bildes durch Charakteristiken einer Oberflächenreflexion des plattenförmigen Bauteils 5 verändert sein. Die „Charakteristiken einer Oberflächenreflexion“ meint allgemeine Reflexionscharakteristiken einschließlich eines Reflexionsgrads zu spiegelndem Reflexionslicht und eines Reflexionsgrads, der den Einfluss einer diffusen Reflexion einschließt usw.
Um zu verhindern, dass das erhaltene Bild durch die Charakteristiken einer Oberflächenreflexion geändert wird, wurden die plattenförmigen Bauteile 5 mit verschiedenen Charakteristiken einer Oberflächenreflexion ausprobiert. Gemäß einem Ergebnis dieses Experiments wird bevorzugt, dass das plattenförmige Bauteil 5 im Wesentlichen die gleichen Charakteristiken einer Oberflächenreflexion wie der Sammelfilter 1 aufweist.
Mit dem plattenförmigen Bauteil 5 kann eine Differenz zwischen einer ersten Luminanz Br1 und einer zweiten Luminanz Br2 von Pixeln, die in den Sammelbilddaten IM enthalten sind, sichtbar sein.
Außerdem können, beispielsweise wenn der zweidimensionale Sensor 3 Farbbilddaten erhält, die Farbbilddaten in Bilddaten mit einer Luminanzverteilung genau umgewandelt werden, indem die Charakteristiken einer Oberflächenreflexion des plattenförmigen Bauteils 5 und die Charakteristiken einer Oberflächenreflexion des Sammelfilters 1 ausgeglichen werden.
Wie oben beschrieben wurde, kann das plattenförmige Bauteil 5 verhindern, dass ein Objekt hinter dem Sammelfilter 1 ein Hintergrund der Sammelbilddaten IM wird. Außerdem kann das plattenförmige Bauteil 5 eine Lichtintensität im Sichtfeldbereich VA ausgleichen, indem die Charakteristiken einer Oberflächenreflexion des Sammelfilters 1 ausgeglichen werden. Deshalb kann das plattenförmige Bauteil 5 als ein „Hintergrundkompensator“ bezeichnet werden, der eine Intensität eines Lichts vom Hintergrund der Sammelbilddaten IM ausgleicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Bauteil mit einer höheren Lichtabsorptionsrate (z.B. 99,99 %) wie etwa ein schwarzes nichtreflektierendes Blatt als das plattenförmige Bauteil 5 genutzt werden. Verwendet man das Bauteil mit einer höheren Lichtabsorptionsrate als das plattenförmige Bauteil 5, kann beispielsweise komplett verhindert werden, dass das Licht, das von der Lichtquelle 6, die später beschrieben wird, erzeugt wird, durch andere Bauteile der Analysiervorrichtung 100 reflektiert wird und das reflektierte Licht erzeugt wird. Als Folge wird ein Einfluss einer Mehrfachreflexion eliminiert, und eine Genauigkeit zum Detektieren des Sammelbereichs unter Verwendung der Sammelbilddaten IM kann weiter erhöht werden. Alternativ dazu kann eine Beschichtung einer höheren Lichtabsorptionsrate auf das plattenförmige Bauteil 5 aufgebracht werden.
Die Analysiervorrichtung 100 enthält eine Vielzahl von Lichtquellen 6. Die Lichtquelle 6 ist eine weiße LED vom Oberflächenmontagetyp. Die Vielzahl von Lichtquellen 6 ist so angeordnet, dass der Sichtfeldbereich VA des zweidimensionalen Sensors 3 gleichmäßig ausgeleuchtet werden kann. In dieser Ausführungsform ist, wie in dem Diagramm der Lichtquelle 6 von 1 dargestellt ist, die von der Seite des Sammelfilters 1 aus betrachtet wird (das durch eine gestrichelte Linie in 1 umschlossene Diagramm), die Vielzahl von Lichtquellen 6 auf einem Substrat mit vorbestimmten Intervallen auf einer Ellipse angeordnet, die eine Hauptachse parallel zur Längenrichtung des Sammelfilters 1 aufweist. Auf diese Weise kann das Licht in einem weiten Bereich in der Längenrichtung des Sammelfilters 1 gleichmäßig gestrahlt werden. Die Länge der Hauptachse und/oder Nebenachse der Ellipse, auf der die Vielzahl von Lichtquellen 6 angeordnet ist, kann gemäß einem Verhältnis zwischen vertikalen und horizontalen Lägen des Sichtfeldbereichs VA geeignet bestimmt werden.
Außerdem kann die Vielzahl von Lichtquellen 6 auf einem Umfang einer beliebigen anderen Form als der Ellipse gemäß einer Form des Sichtfeldbereichs VA angeordnet sein.
Da die Lichtquelle 6 der Oberflächenmontagetyp ist, kann außerdem eine Distanz zwischen der Lichtquelle 6 und der Oberfläche des Sammelfilters 1 vergrößert werden, und daher kann ein weiter Bereich der Oberfläche des Sammelfilters 1 mit einer geeigneten Lichtintensität gleichmäßig ausgeleuchtet werden, ohne vor der Lichtquelle 6 ein Bauteil wie etwa einen Diffusor, um das Licht von der Lichtquelle 6 zu zerstreuen, anzuordnen.
Das Substrat, auf dem die Lichtquelle 6 montiert ist, hat eine Öffnung, die kleiner als die Ellipse ist, auf der die Vielzahl von Lichtquellen 6 angeordnet ist. Der zweidimensionale Sensor 3 ist so angeordnet, dass dessen lichtempfangende Oberfläche aus der Öffnung vorragt.
Da die Analysiervorrichtung 100 die Lichtquelle 6 mit der oben beschriebenen Struktur enthält, kann der Sichtfeldbereich VA so ausgeleuchtet werden, dass klarere Sammelbilddaten IM erhalten werden können. Außerdem ist es, da der Sichtfeldbereich VA gleichmäßig ausgeleuchtet wird, möglich, zu vermeiden, dass Bilddaten erhalten werden, die durch die Intensitätsverteilung eines von der Lichtquelle 6 erzeugten Lichts beeinflusst werden.
Die Analysiervorrichtung 100 enthält eine eine Sammelmenge messende Einheit 7. Die eine Sammelmenge messende Einheit 7 enthält eine β-Strahlenquelle 71 und einen β-Strahlendetektor 73. Die β-Strahlenquelle 71 ist im Innern der Auslassöffnung 23 angeordnet und emittiert β-Strahlen zur ersten Position P1. Der β-Strahlendetektor 73 ist in der Ansaugöffnung 25 so angeordnet, dass er der β-Strahlenquelle 71 gegenüberliegt bzw. zugewandt ist, und misst die Intensität von durch den Sammelbereich durchgehenden β-Strahlen. Die durch den β-Strahlendetektor 73 gemessene Intensität der β-Strahlen wird zum Berechnen von Daten in Bezug auf die Sammelmenge der feinen partikelförmigen Stoffe FP genutzt, die in dem Sammelbereich gesammelt werden (Massenkonzentration der feinen partikelförmigen Stoffe FP).
Die Analysiervorrichtung 100 enthält eine Elementanalyseeinheit 8. Die Elementanalyseeinheit 8 ist an der dritten Position P3 angeordnet. Die Elementanalyseeinheit 8 enthält eine Röntgenstrahlenquelle 81 und einen Detektor 83. Die Röntgenstrahlenquelle 81 bestrahlt die feinen partikelförmigen Stoffe FP an der dritten Position P3 mit Röntgenstrahlen. Der Detektor 83 detektiert fluoreszierende Röntgenstrahlen, die von den mit Röntgenstrahlen von der Röntgenstrahlenquelle 81 bestrahlten feinen partikelförmigen Stoffe FP erzeugt werden. Die durch den Detektor 83 detektierten fluoreszierenden Röntgenstrahlen werden für eine Elementanalyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP genutzt.
Auf diese Weise ist die dritte Position P3 eine Position, zu der sich der Sammelbereich zum Durchführen der Elementanalyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP bewegt, und daher kann sie als eine „Analyseposition“ bezeichnet werden.
Prinzip zum Berechnen von Daten in Bezug auf einen Rußgehalt in einer ersten Ausführungsform
Im Folgenden wird ein Prinzip zum Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt basierend auf den Sammelbilddaten IM beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 4 eine Beziehung zwischen dem Rußgehalt und den Sammelbilddaten IM beschrieben. 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen den Sammelbilddaten und dem Rußgehalt in dem Sammelbereich zeigt.
Ein Zustand der Sammelbilddaten IM ändert sich gemäß dem Rußgehalt, wie in (1) bis (3) von 4 gezeigt ist. In 4 zeigt (1) einen Fall, in dem der Sammelbereich keinen oder wenig Ruß enthält, zeigt (3) einen Fall, in dem der Sammelbereich Ruß in einem hohen Gehalt zeigt, und (2) zeigt einen Fall, in dem der Sammelbereich einen mittleren Betrag eines Rußgehalts enthält. Auf diese Weise wird die Luminanz des Bildteils, der der Sammelbereich angibt, umso geringer, je größer der Rußgehalt in der Sammlung wird.
Außerdem werden, beispielsweise wenn eine Luminanz von Pixeln, die in der vertikalen Achsenrichtung der Sammelbilddaten IM vorhanden sind, integriert wird und die Luminanz, die integriert ist (worauf als integrierte Luminanz verwiesen wird), an jeder Koordinate auf der horizontalen Achse der Sammelbilddaten IM aufgetragen wird, die Daten, die eine Verteilung der integrierten Luminanz angeben, erhalten, wie im unteren Teil von 5 dargestellt ist. Im Folgenden werden die Daten, die die Verteilung der integrierten Luminanz, dargestellt in 5, angeben, als „integrierte Luminanzverteilung“ bezeichnet. In dieser Verteilung ändert sich die integrierte Luminanz an einer Grenze zwischen den ersten Bilddaten Im1 und den zweiten Bilddaten Im2 schnell. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der integrierten Luminanzverteilung zeigt.
Wie in 6 gezeigt ist, wurde außerdem festgestellt, dass die integrierte Luminanz dazu neigt, kleiner zu werden, während der Rußgehalt in dem Sammelbereich zunimmt. 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Abhängigkeit der integrierten Luminanzverteilung vom Rußgehalt zeigt. In 6 gibt eine durchgezogene Linie die integrierte Luminanzverteilung an, wenn der Rußgehalt C3 ist, gibt eine gestrichelte Linie die integrierte Luminanzverteilung an, wenn der Rußgehalt C2 ist, und eine strichpunktierte Linie gibt die integrierte Luminanzverteilung an, wenn der Gehalt C1 ist (C1 < C2 < C3).
Ferner wurde, wie in 7 gezeigt ist, festgestellt, dass es eine starke Korrelation zwischen dem integrierten Wert einer Luminanz von in den ersten Bilddaten Im1 enthaltenen Pixeln, der durch weiteres Integrieren der integrierten Luminanz erhalten wird, und dem Rußgehalt gibt.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Rußgehalt und dem integrierten Wert einer Luminanz von in den ersten Bilddaten enthaltenen Pixeln zeigt.
Daher werden Daten, die eine Beziehung zwischen dem Rußgehalt und dem integrierten Wert einer Luminanz von in den ersten Bilddaten Im1 enthaltenen Pixeln angeben, in dieser Ausführungsform als die Kalibrierungskurve SC genutzt.
Indem man beispielsweise diese Kalibrierungskurve SC zum Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt verwendet, können die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt in dem Sammelbereich mit einem geringen Einfluss einer Variation in der Sammelmenge des Rußes in dem Sammelbereich genau berechnet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Berechnungseinheit 4 die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt basierend auf dem integrierten Wert einer Luminanz von Pixeln an Positionen entlang einer vorbestimmten Richtung der ersten Bilddaten Im1 (diese ist nicht auf die horizontale Achse oder die vertikale Achse beschränkt) berechnen. Auf diese Weise kann die Berechnungskomplexität beim Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt reduziert werden.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform kann, falls es zum Beispiel eine Stelle in dem Sammelbereich gibt, an der die feinen partikelförmigen Stoffe FP aufgrund eines Bauteils der Sammeleinheit 2 nicht (oder schwerlich) gesammelt werden können, eine Luminanz von Pixeln der ersten Bilddaten Im1 entsprechend der Stelle nicht gezählt werden, wenn der integrierte Wert berechnet wird. Außerdem kann, falls eine durch die Stelle umgebene Fläche in dem Sammelbereich ausgebildet ist, eine Luminanz von Pixeln in der Fläche integriert werden.
Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt genau berechnet werden.
Analyseoperation
Bezug nehmend auf 8 und 9 wird eine Operation der Analysiervorrichtung 100 beschrieben, wenn die feinen partikelförmigen Stoffe FP analysiert werden. 8 ist ein Diagramm, das die gesamte Operation der Analysiervorrichtung zeigt. 9 ist ein Flussdiagramm einer Operation zum Analysieren feiner partikelförmiger Stoffe in der ersten Ausführungsform.
Die Sammeleinheit 2 sammelt zuerst die feinen partikelförmigen Stoffe FP auf dem Sammelfilter 1 für eine vorbestimmte Zeit in Schritten S1 bis S2 und, nachdem sich der Sammelbereich zu der Bilderfassungsposition (zweiten Position P2 in dieser Ausführungsform) in Schritt S3 bewegt, wird in Schritt S4 die Analyseoperation durchgeführt.
In Schritt S41 der Analyseoperation wird zuerst das plattenförmige Bauteil 5 genau unter dem Sammelfilter 1 positioniert, und dann strahlt die Lichtquelle 6 Licht auf die Oberfläche des Sammelfilters 1 innerhalb des Sichtfeldbereichs VA. Während Licht auf die Oberfläche des Sammelfilters 1 gestrahlt wird, erhält der zweidimensionale Sensor 3 die Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA. Die Berechnungseinheit 4 stellt dann die zweidimensionalen Bilddaten, die den Sammelbereich bzw. Bilddaten des Sammelbereichs umfassen, als die Sammelbilddaten IM aus den erhaltenen Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA frei.
Da die Position des zweidimensionalen Sensors 3 und die Bilderfassungsposition (zweite Position P2) festgelegt sind, ist auch die Position der Sammelbilddaten IM in den Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA festgelegt. Daher kann die Berechnungseinheit 4 zum Beispiel Pixel innerhalb des Bereichs vorbestimmter Koordinatenwerte in den Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA (Koordinatenwerte, die vorher als die Koordinaten definiert werden, bei denen die Sammelbilddaten IM existieren) als die Sammelbilddaten IM erhalten.
Die Berechnungseinheit 4 kann auch der Sammelbereich (dessen Bild), der in den Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA und des Sammelfilters 1 enthalten ist, unter Verwendung einer Bilderkennungsverarbeitung oder dergleichen erkennen und kann einen den Sammelbereich und den Sammelfilter 1 umfassenden Bereich als die Sammelbilddaten IM aus den Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA freistellen.
Nach Ausführen von Schritt S41 führt in Schritt S42 die Berechnungseinheit 4 einen Prozess einer Graustufen-Bearbeitung oder dergleichen an den Sammelbilddaten IM durch und erzeugt dann die integrierte Luminanzverteilung.
Beispielsweise wird die integrierte Luminanzverteilung erhalten, indem eine Integration einer Luminanz von Pixeln entlang der vertikalen Achse der Sammelbilddaten IM für einen Koordinatenwert auf der horizontalen Achse der Sammelbilddaten IM wiederholt wird, während der Koordinatenwert auf der horizontalen Achse geändert wird. Mit anderen Worten wird die integrierte Luminanzverteilung als eine Beziehung zwischen dem Koordinatenwert auf der horizontalen Achse und dem integrierten Wert einer Luminanz (integrierte Luminanz) erhalten.
Nach Berechnen der integrierten Luminanzverteilung entfernt in Schritt S43 die Berechnungseinheit 4 einen in der integrierten Luminanzverteilung enthaltenen Hintergrund, um die korrigierten Daten zu erzeugen. Ein spezifisches Verfahren zum Erzeugen der korrigierten Daten wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist ein Diagramm, das eine Erzeugung der korrigierten Daten schematisch darstellt.
Zuerst werden, wie in (a) von 10 dargestellt ist, erste Hintergrunddaten durch eine lineare Approximation oder dergleichen von Daten eines Teils entsprechend den zweiten Bilddaten Im2 (Bilddaten in dem Nicht-Sammelbereich) in der in Schritt S42 erzeugten integrierten Luminanzverteilung berechnet. Die ersten Hintergrunddaten sind Daten, die einen Hintergrund einer Luminanz von Pixeln in den Sammelbilddaten IM angeben. In (a) von 10 sind die ersten Hintergrunddaten durch eine strichpunktierte Linie dargestellt.
Danach wird eine Differenz δ zwischen einem vorbestimmten integrierten Luminanzwert im Hintergrund (z.B. dem maximalen Wert der integrierten Luminanz in den ersten Hintergrunddaten) und dem integrierten Luminanzwert in den ersten Hintergrunddaten bei jedem Koordinatenwert zu dem integrierten Luminanzwert bei dem Koordinatenwert entsprechend der integrierten Luminanzverteilung in den Sammelbilddaten IM addiert, um die korrigierten Daten (eine durchgezogene Linie) wie in (b) von 10 gezeigt zu erzeugen. In den korrigierten Daten weist ein den zweiten Bilddaten Im2 entsprechender Teil eine konstante integrierte Luminanz auf.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die korrigierten Daten eine Differenz zwischen der integrierten Luminanzverteilung der Sammelbilddaten IM und den ersten Hintergrunddaten sein. In diesem Fall wird die Kalibrierungskurve SC so erzeugt, dass der integrierte Wert der integrierten Luminanz zunimmt, während der Rußgehalt zunimmt.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform kann der Hintergrund der Sammelbilddaten IM korrigiert werden, indem Bilddaten, die nur den Nicht-Sammelbereich angeben, (auf die als Hintergrundbilddaten verwiesen wird) statt, oder in Kombination mit, der Hintergrundkorrektur unter Verwendung der ersten Hintergrunddaten korrigiert werden.
Beispielsweise können die korrigierten Daten erzeugt werden, indem ein Absolutwert einer Differenz zwischen einer Luminanz jedes Pixels in den Sammelbilddaten IM und einer Luminanz eines entsprechenden Pixels in den Hintergrundbilddaten für alle Pixel in den Sammelbilddaten IM berechnet wird.
Nachdem die korrigierten Daten erzeugt sind, wird die integrierte Luminanzverteilung, die zwischen Rändern in den korrigierten Daten existiert, als die integrierte Luminanzverteilung entsprechend den ersten Bilddaten Im1 in Schritt S44 extrahiert. Der Rand in den korrigierten Daten ist als ein Koordinatenwert definiert, wenn sich der Gradient des integrierten Luminanzwertes in den korrigierten Daten schnell ändert, und kann detektiert werden, indem beispielsweise ein Differential der korrigierten Daten berechnet wird.
Nach Ausführen von Schritt S44 wird in Schritt S45 der integrierte Luminanzwert in der integrierten Luminanzverteilung entsprechend den ersten Bilddaten Im1 weiter integriert, um den integrierten Wert einer Luminanz von Pixeln zu berechnen, die in den ersten Bilddaten Im1 enthalten sind.
Ein weiteres Integrieren des integrierten Luminanzwertes, der in der integrierten Luminanzverteilung enthalten ist, entspricht einem Berechnen des integrierten Werts einer Luminanz (integrierter Luminanzwert) von Pixeln entlang einer Achsenrichtung in den ersten Bilddaten Im1 und einem anschließenden Integrieren des integierten Luminanzwertes entlang einer zu der einen Achsenrichtung senkrechten anderen Achsenrichtung. Nach alldem ist ein Integrieren des integrierten Luminanzwertes, der in der integrierten Luminanzverteilung enthalten ist, äquivalent einem Integrieren von Luminanzwerten aller Pixel, die in den Bilddaten enthalten sind.
Als Nächstes werden in Schritt S46 unter Verwendung des integrierten Wertes einer Luminanz von Pixeln, die in den berechneten ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, und der Kalibrierungskurve SC Daten in Bezug auf einen in der Atmosphäre enthaltenen Rußgehalt berechnet.
Indem die oben beschriebenen Schritte S41 bis S46 durchgeführt werden, kann die Analysiervorrichtung 100 die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt mit einer hohen Geschwindigkeit basierend auf dem integrierten Wert der Luminanz von Pixeln in den ersten Bilddaten Im1 (der ersten Luminanz Br1) berechnen.
Nachdem die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt berechnet sind, wird der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition (zweiten Position P2) zur Analyseposition (dritten Position P3) bewegt, und die Elementanalyseeinheit 8 führt eine Elementanalyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP durch, die in dem Sammelbereich enthalten sind.
Nach Ausführen von Schritt 4 werden in Schritt S5 die Sammelbilddaten IM, die analysiert werden sollen, und das Analyseergebnis der feinen partikelförmigen Stoffe FP (die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt, die Daten in Bezug auf die Sammelmenge der feinen partikelförmigen Stoffe FP und/oder das Elementanalyseergebnis) der Zeit zugeordnet, zu der die Sammelbilddaten IM erhalten werden, um die Zeitreihendaten TD zu erzeugen und sie in der Speichereinheit 43 zu speichern.
Die oben beschriebenen Schritte S1 bis S5 werden wiederholt durchgeführt, bis die Analyse gestoppt wird. Mit anderen Worten wird die Analyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP kontinuierlich durchgeführt.
Wie oben beschrieben wurde, wird, nachdem die Sammelbilddaten IM durch Bewegen des Sammelbereichs zur Bilderfassungsposition erhalten wurden, die Elementanalyse durchgeführt, indem der Sammelbereich zur Analyseposition bewegt wird. Somit können die Sammlung der feinen partikelförmigen Stoffe FP, die Erfassung der Sammelbilddaten IM und die Elementanalyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP zur gleichen Zeit durchgeführt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann man den Sammelbereich für eine kurze Zeit (1/60 Sekunde am kürzesten) bei der Bilderfassungsposition (zweiten Position P2) belassen, um die Sammelbilddaten IM zu erhalten, und dann kann der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition (zweiten Position P2) zur Analyseposition (dritten Position P3) bewegt werden. Da der zweidimensionale Sensor 3 die Bilddaten mit einer hohen Geschwindigkeit erhalten kann, können die eine ausreichende Information enthaltenden Sammelbilddaten IM erhalten werden, indem der Sammelbereich nur für eine kurze Zeit bei der Bilderfassungsposition gehalten wird.
Außerdem kann der Prozess zum Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt aus den Sammelbilddaten IM durchgeführt werden, während der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition zur Analyseposition bewegt wird.
Auf diese Weise ist es möglich, zu verhindern, dass der Sammelbereich für eine übermäßig lange Zeit bei der Bilderfassungsposition verweilt, und somit kann die Analyseeffizienz der feinen partikelförmigen Stoffe FP gesteigert werden.
Zweite Ausführungsform
Skizze einer zweiten Ausführungsform
In einer zweiten Ausführungsform werden die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt unter Verwendung eines später beschriebenen Luminanz-Histogramms berechnet.
Es sollte besonders erwähnt werden, dass in der zweiten Ausführungsform nur ein Verfahren zum Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt unter Verwendung der Sammelbilddaten IM von demjenigen in der ersten Ausführungsform verschieden ist und die Struktur der Analysiervorrichtung 100 die gleiche wie diejenige in der ersten Ausführungsform ist. Daher wird eine Beschreibung der Struktur der Analysiervorrichtung 100 und Funktionen einzelner Strukturen weggelassen, und nur das Luminanz-Histogramm und die Analyseoperation in Schritt S4 werden beschrieben.
Luminanz-Histogramm
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 11 ein Luminanz-Histogramm beschrieben, das zum Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt genutzt wird. Das Luminanz-Histogramm sind Daten, worin eine Luminanz, die jedes Pixel in den Sammelbilddaten IM aufweisen kann, und die Anzahl von Pixeln mit einer bestimmten Luminanz, die in den Sammelbilddaten IM enthalten sind, miteinander assoziiert sind. Beispielsweise werden die Luminanz-Histogramme der Sammelbilddaten IM, die in (1) bis (3) von 4 dargestellt sind, berechnet und sind in (1) bis (4) von 11 dargestellt.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Luminanz-Histogramm und dem Rußgehalt in dem Sammelbereich zeigt. In 11 zeigt das Histogramm (1) das Luminanz-Histogramm in einem Fall, in dem der Sammelbereich keinen (oder wenig) Ruß enthält, zeigt das Histogramm (3) das Luminanz-Histogramm in einem Fall, in dem der Sammelbereich einen hohen Rußgehalt enthält, und das Histogramm (2) zeigt das Luminanz-Histogramm in einem Fall, in dem der Sammelbereich einen mittleren Betrag eines Rußgehalts enthält.
Es wird hier festgestellt, dass das in 11 dargestellte Luminanz-Histogramm die folgenden Charakteristiken aufweisen aufweist.

(i) Wenn der Sammelbereich keinen (oder wenig) Ruß enthält, sieht man bei der zweiten Luminanz Br2 nur eine zweite Spitze PE2.
(ii) Wenn eine Luminanzdifferenz zwischen dem Sammelbereich und dem Nicht-Sammelbereich erzeugt wird, indem in dem Sammelbereich Ruß enthalten ist, sieht man in dem Luminanz-Histogramm zwei Spitzen, d.h. eine erste Spitze PE1 und eine zweite Spitze PE2.
(iii) Eine Differenz (ΔBR in 11) zwischen der ersten Luminanz Br1, bei der die erste Spitze PE1 erscheint, und der zweiten Luminanz Br2, bei der die zweite Spitze PE2 erscheint, nimmt zu, während der Rußgehalt zunimmt.

In dem in 11 dargestellten Luminanz-Histogramm ist die erste Luminanz Br1 geringer als die zweite Luminanz Br2, und daher gibt die erste Luminanz Br1 eine typische Luminanz der Pixel an, die in den ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, und die zweite Luminanz Br2 gibt eine typische Luminanz der in den zweiten Bilddaten Im2 enthaltenen Pixel an.
Analyseoperation in der zweiten Ausführungsform
Da es wie oben dargestellt eine starke Korrelation zwischen der Differenz ΔBR in dem Luminanz-Histogramm und dem Rußgehalt gibt, wird in der zweiten Ausführungsform diese Korrelation als die Kalibrierungskurve SC zum Berechnen der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt verwendet, und so werden die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt berechnet.
Die Berechnungseinheit 4 erhält deshalb vorher die Sammelbilddaten IM, indem einige Sammelbereiche mit verschiedenen Rußgehalten oder Rußkonzentrationen abgebildet werden, misst oder berechnet theoretisch die Differenz ΔBR für jeden Gehalt oder jede Konzentration unter Verwendung der Sammelbilddaten IM, erzeugt die Kalibrierungskurve SC, indem die Rußgehalte oder - konzentrationen mit den Differenzen ΔBR assoziiert werden, und speichert die Kalibrierungskurve SC in der Speichereinheit 43.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 12 eine Operation zum Analysieren der feinen partikelförmigen Stoffe FP in der zweiten Ausführungsform beschrieben. 12 ist ein Flussdiagramm, das die Operation zum Analysieren der feinen partikelförmigen Stoffe FP in der zweiten Ausführungsform zeigt.
Zunächst werden in Schritt S41' die Sammelbilddaten IM erhalten.
Als Nächstes führt in Schritt S42' die Berechnungseinheit 4 den Luminanz-Korrekturprozess an den erhaltenen Sammelbilddaten IM durch. Konkret wird ein Absolutwert einer Differenz zwischen einer Luminanz jedes Pixels in den zweiten Hintergrunddaten als Bilddaten, die den Nicht-Sammelbereich angeben, und einer Luminanz eines entsprechenden Pixels in den Sammelbilddaten IM für alle Pixel, die in dem Sammelbilddaten IM enthalten sind, berechnet, und somit werden die Sammelbilddaten IM nach der Luminanz-Korrektur (korrigierte Bilddaten IM') berechnet.
Vor Durchführen des oben beschriebenen Luminanz-Korrekturprozesses führt die Berechnungseinheit 4 einen Tiefpass-Filterprozess an den zweiten Hintergrunddaten aus, die für den Luminanz-Korrekturprozess genutzt werden sollen, um ein Rauschen aus den zweiten Hintergrunddaten zu entfernen. Auf diese Weise kann der Luminanz-Korrekturprozess adäquat durchgeführt werden.
Außerdem wurden die durch den zweidimensionalen Sensor 3 erhaltenen Sammelbilddaten IM detailliert analysiert, und es wurde festgestellt, dass sich eine Luminanz der zweiten Bilddaten Im2, die in den Sammelbilddaten IM enthalten sind, gemäß dem Rußgehalt ändert.
Daher wird eine Luminanz der zweiten Bilddaten IM2 der Sammelbilddaten IM vor dem Luminanz-Korrekturprozess basierend auf dem Rußgehalt und/oder einer Luminanz der ersten Bilddaten Im1 korrigiert.
Konkret wird zuerst vorher eine Funktion oder dergleichen erhalten, die angibt, wie sich eine Luminanz der zweiten Bilddaten Im2 gemäß dem Rußgehalt (oder eine Luminanz der ersten Bilddaten Im1) ändert. Eine Luminanz der zweiten Bilddaten Im2, die in den Sammelbilddaten IM enthalten sind, wird dann unter Verwendung der obigen Funktion korrigiert, und die zweiten Bilddaten Im2 nach der Korrektur, welche durch den Ruß nicht beeinflusst sind, können somit erhalten werden.
Nach Berechnen der korrigierten Bilddaten IM' scannt in Schritt S43' die Berechnungseinheit 4 Pixel, die in den korrigierten Bilddaten IM' enthalten sind, beispielsweise um die Anzahl von Pixeln mit einer bestimmten Luminanz zu zählen, assoziiert die Luminanz mit der Anzahl von Pixeln mit dieser Luminanz und erzeugt das Luminanz-Histogramm, wie es in 13 gezeigt ist. 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Luminanz-Histogramms der korrigierten Bilddaten zeigt.
Das in 13 dargestellte Luminanz-Histogramm, das aus den in (3) von 4 gezeigten Sammelbilddaten IM berechnet wird, weist eine erste Spitze PE1' und eine zweite Spitze PE2' auf. Die zweite Spitze PE2' erscheint, wenn die Luminanz nahezu Null ist, und die erste Spitze PE1' erscheint, wenn die Luminanz ΔBR ist.
Wenn das Luminanz-Histogramm aus den korrigierten Bilddaten IM' erzeugt wird, können die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt einfach berechnet werden, indem nur eine Position (Luminanz) der ersten Spitze PE1' im Luminanz-Histogramm detektiert wird. Dies gilt, da die Position (Luminanz) der ersten Spitze PE1' im Luminanz-Histogramm der korrigierten Bilddaten IM' gleich der Differenz ΔBR zwischen der ersten Luminanz Br1 und der zweiten Luminanz Br2 ist.
Außerdem sind die korrigierten Bilddaten IM' Bilddaten, die erhalten werden, indem der Hintergrund wie etwa Rauschen aus den Sammelbilddaten IM entfernt wird, und daher können die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt genauer berechnet werden, indem das Luminanz-Histogramm verwendet wird, das aus den korrigierten Bilddaten IM' erzeugt wurde.
In Schritt S44' addiert dann die Berechnungseinheit 4 die Anzahl von Pixeln, die in jeder Luminanz enthalten sind, beispielsweise in der Reihenfolge von der Seite maximaler Luminanz im Luminanz-Histogramm der korrigierten Bilddaten IM' aus und detektiert den Luminanzwert, wenn die Summenanzahl von Pixeln die Hälfte der Anzahl von Pixeln wird, die in den ersten Bilddaten Im1 (nach der Luminanz-Korrektur) enthalten sind, als den Luminanzwert, wenn die erste Spitze PE1' erscheint.
Der oben erwähnte Luminanzwert, wenn die Summenanzahl der Pixel „die Hälfte der Anzahl von in den ersten Bilddaten Im1 enthaltenen Pixel“ wird, entspricht einem repräsentativen Wert in der Verteilung einer Luminanz von in den ersten Bilddaten Im1 enthaltenen Pixeln.
Nachdem die erste Spitze PE1' detektiert ist, berechnet in Schritt S45' die Berechnungseinheit 4 die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt in dem Sammelbereich unter Verwendung des detektierten Luminanzwerts und der in der Speichereinheit 43 gespeicherten Kalibrierungskurve SC.
Auf diese Weise können, wenn die Schritte S41' bis S45' durchgeführt werden, unter Verwendung des aus den Sammelbilddaten IM berechneten Luminanz-Histogramms die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt genau erhalten werden.
Das Verfahren, bei dem das Luminanz-Histogramm genutzt wird, ist insofern besonders vorteilhaft, als die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt entsprechend berechnet werden können, selbst wenn die Sammelbilddaten IM erhalten werden, in denen ein Teil der ersten Bilddaten Im1 fehlt, wie in 14 gezeigt ist. 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Sammelbilddaten zeigt, in denen ein Teil der ersten Bilddaten fehlt.
Dies gilt, da, wenn ein Teil der ersten Bilddaten Im1 in den Sammelbilddaten IM fehlt, ein Verhältnis zwischen einer Fläche der ersten Bilddaten Im1 und einer Fläche der zweiten Bilddaten Im2, die in den Sammelbilddaten IM enthalten sind, geändert wird, während die Luminanzwerte, bei denen die erste Spitze PE1 und die zweite Spitze PE2 erscheinen, nicht geändert werden.
Dritte Ausführungsform
Die oben beschriebene Analysiervorrichtung 100 kann auch für ein System genutzt werden, das eine Quelle der Ruß enthaltenden feinen partikelförmigen Stoffe FP identifiziert. Ein System 300 gemäß einer dritten Ausführungsform enthält die Analysiervorrichtung 100, eine eine Quelle identifizierende Daten erhaltende Einheit 120 und eine eine Quelle identifizierende Einrichtung 140, wie in 15 dargestellt ist. 15 ist ein Diagramm, das eine Struktur des Systems gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
Die eine Quelle identifizierende Daten erhaltende Einheit 120 ist zum Beispiel ein Anemoskop und/oder eine Gasanalysiervorrichtung, die in der Luft A enthaltene Gase (z.B. Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickoxid (NO_x), Ozon (O₃), Schwefeloxid (SO_x) usw.) analysiert und Daten erhält, die zum Identifizieren einer Quelle der feinen partikelförmigen Stoffe FP genutzt werden.
Die eine Quelle identifizierende Einrichtung 140 ist ein Computersystem, das eine Quelle der feinen partikelförmigen Stoffe FP basierend auf Daten identifiziert, die durch die Analysiervorrichtung 100 und die eine Quelle identifizierende Daten erhaltende Einheit 120 erhalten wurden (z.B. der Windrichtung, der Gaskomponente in der Luft A, der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt, der Konzentration feiner partikelförmiger Stoffe FP und/oder dem Elementanalyseergebnis der feinen partikelförmigen Stoffe FP).
Es sollte besonders erwähnt werden, dass die eine Quelle identifizierende Einrichtung 140 separat von der Berechnungseinheit 4 der Analysiervorrichtung 100 angeordnet sein kann oder deren Funktion in der Berechnungseinheit 4 eingebunden sein kann.
Quellen des Rußes und/oder der feinen partikelförmigen Stoffe FP, die ein spezifisches Element enthalten, sind gut bekannt. Beispielsweise wird der Ruß erzeugt, wenn ein Kraftstoff verbrannt wird. Falls die feinen partikelförmigen Stoffe FP beispielsweise Calcium (Ca), Aluminium (Al), Silizium (Si) und Kalium (K) enthalten, werden außerdem die feinen partikelförmigen Stoffe FP als Erde oder gelber Sand identifiziert. Außerdem sind beispielsweise Hauptquellen von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickoxid (NO_x) und Schwefeloxid (SO_x) Straßen mit starkem Verkehr.
Daher können, wenn das System 300 die oben beschriebene Struktur aufweist, Quellen der feinen partikelförmigen Stoffe FP, des Rußes und/oder von Gasen, die in der Luft A enthalten sind, aus dem Analyseergebnis der feinen partikelförmigen Stoffe FP und/oder des Rußes, die durch die Analysiervorrichtung 100 gesammelt wurden, und dem Gasanalyseergebnis identifiziert werden, das durch die eine Quelle identifizierende Daten erhaltende Einheit 120 erhalten wurde.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Vielzahl der oben beschriebenen Systeme 300, welche an verschiedenen Positionen angeordnet sind, über ein Netzwerk oder dergleichen miteinander verbunden sein, so dass ihre Daten übertragen werden können. Auf diese Weise können, indem Daten in Bezug auf Quellen der feinen partikelförmigen Stoffe FP genutzt werden, die von einem anderen System 300 erhalten wurden, Quellen der feinen partikelförmigen Stoffe FP und dergleichen genauer identifiziert werden.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform kann die Vielzahl von an verschiedenen Positionen angeordneten Systemen 300 mit einem Server verbunden sein. Auf diese Weise können Daten in Bezug auf die Quellen, die durch die Vielzahl von Systemen 300 erhalten wurden, durch den Server integral verwaltet werden.
Vierte Ausführungsform
Nach Durchführen einer Analyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP an der Analyseposition ist es möglich, den Sammelfilter 1 um eine kürzere Distanz als die Distanz zwischen der Sammelposition und der Bilderfassungsposition zu bewegen, um den Nicht-Sammelbereich zur Bilderfassungsposition zu bewegen. Wenn der Nicht-Sammelbereich die Bilderfassungsposition erreicht, kann der zweidimensionale Sensor 3 die Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA erhalten, die die Bilddaten des Nicht-Sammelbereichs umfassen.
Auf diese Weise können die den Nicht-Sammelbereich angebenden Bilddaten, die für eine Hintergrundkorrektur oder dergleichen genutzt werden, ohne Verwendung des separaten zweidimensionalen Sensors 3 oder dergleichen erhalten werden.
Nach Erhalten der Bilddaten des Sichtfeldbereichs VA, die die Bilddaten des Nicht-Sammelbereichs umfassen, indem der Nicht-Sammelbereich zur Bilderfassungsposition bewegt wird, bewegt die Berechnungseinheit 4 den Sammelfilter 1 weiter, so dass ein neuer zu analysierender Sammelbereich zur Analyseposition bewegt wird, und beginnt eine Analyse der in dem neuen Sammelbereich gesammelten feinen partikelförmigen Stoffe FP.
Wie oben beschrieben wurde, kann, da die Bilddaten-Erfassungszeit des zweidimensionalen Sensors 3 sehr kurz ist, eine Periode, während der der Nicht-Sammelbereich an der Bilderfassungsposition verbleibt, in der Bewegung des Sammelfilters 1, die oben beschrieben wurde, verkürzt werden. Als Folge können die Bilddaten, die den Nicht-Sammelbereich angeben (die Hintergrundbilddaten und die zweiten Hintergrunddaten) erhalten werden, ohne eine Effizienz einer Sammlung und Analyse der feinen partikelförmigen Stoffe FP in der Analysiervorrichtung 100 im Wesentlichen zu verringern.
Andere Ausführungsformen
Obgleich die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben sind, ist die vorliegende Erfindung nicht die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, welche innerhalb des Umfangs der Erfindung verschieden modifiziert werden können, ohne von deren Geist abzuweichen. Insbesondere kann die Vielzahl von Ausführungsformen und Variationen, die in dieser Patentschrift beschrieben sind, nach Bedarf beliebig kombiniert werden.
(A) Der zweidimensionale Sensor 3 kann eine Funktion aufweisen, um zu überprüfen, ob der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition oder der Analyseposition abweicht oder nicht. In diesem Fall zeigt die Anzeige 45 die durch den zweidimensionalen Sensor 3 erhaltenen Bilddaten in einer visuell erkennbaren Form an. Auf diese Weise ist es vor der Analyse möglich, zu überprüfen, ob der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition oder der Analyseposition abweicht oder nicht.
Falls der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition oder der Analyseposition abweicht, kann der Sammelfilter 1 manuell oder automatisch so bewegt werden, dass der Sammelbereich bei der Bilderfassungsposition oder der Analyseposition positioniert wird.
Außerdem ist es, indem die Bilddaten wie oben beschrieben visuell angezeigt werden, ebenfalls möglich, zu überprüfen, ob ein Fremdstoff an der Bilderfassungsposition oder der Analyseposition vorhanden ist oder nicht.
(B) Der Sensor zum Überprüfen, ob der Sammelbereich von der Bilderfassungsposition oder der Analyseposition abweicht oder nicht, (wie etwa ein Bildsensor oder eine Kamera) kann separat von dem zweidimensionalen Sensor 3 angeordnet sein.
(C) Solange eine Größe des plattenförmigen Bauteils 5 größer als der Sammelbereichs ist, kann das plattenförmige Bauteil 5 eine andere Fläche als die Bilderfassungsposition abdecken.
(D) Ein Sensor, der ein Farbbild erhalten kann, kann als der zweidimensionale Sensor 3 genutzt werden. Auf diese Weise können eine Information über einen Farbton der Sammelbilddaten IM und dergleichen und eine Ausgabedifferenz jeder Farbe erhalten werden.
Die Farbe der feinen partikelförmigen Stoffe FP wird gemäß dem Typ geändert. Beispielsweise tragen, falls die Hauptkomponente der feinen partikelförmigen Stoffe FP gelber Sand ist, die Sammelbilddaten IM eine gelbe Farbe. Falls die Hauptkomponente Eisenoxid, Kupfer oder brauner Kohlenstoff ist, tragen die Sammelbilddaten IM eine rote Farbe oder braune Farbe. Falls die Hauptkomponente durch eine offene Verbrennung erzeugte Achse oder Zement ist, tragen ferner die Sammelbilddaten IM eine weiße Farbe oder graue Farbe.
Daher können, falls ein Farbbild als die Sammelbilddaten IM erhalten werden kann, Daten in Bezug auf in den feinen partikelförmigen Stoffe FP enthaltene Komponenten basierend auf einem Farbton oder dergleichen der Sammelbilddaten IM erhalten werden.
Durch Verwenden des zweidimensionalen Sensors 3 wie etwa einer „Hyper-Spektrum-Kamera“ mit einem speziellen Farbfilter können außerdem detailliertere Daten in Bezug auf einen Farbton der Sammelbilddaten IM erhalten werden.
(E) Wenn die Bilddaten, die den Nicht-Sammelbereich angeben, erhalten werden, ist es möglich, die Bilddaten als die zweiten Hintergrunddaten zu verwenden und eine Differenz zwischen einem Luminanzwert jedes Pixels in den Sammelbilddaten IM und einem Luminanzwert eines entsprechenden Pixels in den Bilddaten, die den Nicht-Sammelbereich angeben, zu berechnen, um zum Beispiel die korrigierten Daten zu erzeugen.
(F) Es ist möglich, die ersten Bilddaten Im1 zu extrahieren, indem ein Bildverarbeitung an den Sammelbilddaten IM durchgeführt wird. Beispielsweise kann ein Laplace-Filter auf den Sammelbilddaten IM genutzt werden, um Ränder zu detektieren, und unter den detektierten Rändern kann ein Rand, der Charakteristiken des Sammelbereichs (kreisförmige Form) angibt, durch eine Hough-Umwandlung (oder einen ähnlichen Algorithmus) extrahiert werden, um die ersten Bilddaten Im1 (einen dazu entsprechenden Teil) aus den Sammelbilddaten IM zu extrahieren.
(G) Falls die Sammelbilddaten IM, in denen ein Teil des Sammelbereichs fehlt, wie in 14 gezeigt ist, erhalten werden, kann die Berechnungseinheit 4 den integrierten Wert einer Luminanz von Pixeln, die in den extrahierten ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, korrigieren.
Konkret werden zum Beispiel die Mitte und ein Radius eines Kreises aus dem Bild des Sammelbereichs mit einem fehlenden Teil berechnet, und der fehlende Teil wird „gepatched bzw. eingesetzt“, um eine komplette Form des Sammelbereichs virtuell zu erzeugen. Die tatsächlich berechnete integrierte Luminanzverteilung wird dann durch die integrierte Luminanzverteilung entsprechend dem fehlenden Teil vervollständigt, um die integrierte Luminanzverteilung zu korrigieren. Indem die integrierte Luminanzverteilung nach der Korrektur weiter integriert wird, kann der integrierte Wert einer Luminanz von Pixeln, die in den extrahierten ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, korrigiert werden.
Es ist auch möglich, den korrigierten Wert einer Luminanz von Pixeln, die in den ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, zu korrigieren, indem der integrierte Wert einer Luminanz von Pixeln, die in den ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, mit einem Verhältnis zwischen der Anzahl von Pixeln, die in dem kompletten Sammelbereich enthalten sein sollen, und der Anzahl von Pixeln, die in den tatsächlich erhaltenen ersten Bilddaten Im1 enthalten sind, multipliziert wird.
(H) Der Luminanzwert bei der ersten Spitze PE1' in den korrigierten Bilddaten IM' kann ein Luminanzwert sein, bei dem der maximale Wert der Anzahl von Pixeln in dem von einer Null-Luminanz verschiedenen Bereich oder dessen Umgebung (auf der Seite geringer Luminanz) erscheint, wenn das Luminanz-Histogramm in der Luminanzrichtung zum Beispiel gescannt wird.
(I) Das Berechnungsergebnis der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt unter Verwendung der Sammelbilddaten IM, der unter Verwendung von β-Strahlen gemessene Wert einer Sammelmenge und/oder das Elementanalyseergebnis der feinen partikelförmigen Stoffe FP, die in dem Sammelbereich gesammelt wurden, können kombiniert werden, um die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt neu zu berechnen.
Beispielsweise wird ein Datenwert in Bezug auf einen Gehalt der von Ruß verschiedenen schwarzen feinen partikelförmigen Stoffe FP, der aus dem Elementanalyseergebnis erhalten wurde, von dem Berechnungsergebnis der Daten in Bezug auf einen Rußgehalt unter Verwendung der Sammelbilddaten IM subtrahiert, und somit können die Daten in Bezug auf einen Rußgehalt genauer berechnet werden.
(J) Die Sammelbilddaten IM zum Berechnen von Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe ist nicht auf das in der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform beschriebene Reflexionsbild beschränkt, sondern kann ein Transmissionsbild sein.
Die Sammelbilddaten IM als das Transmissionsbild können zum Beispiel erhalten werden, indem der zweidimensionale Sensor 3 auf der gegenüberliegenden Seite zu der Seite des Sammelfilters 1, auf der die feinen partikelförmigen Stoffe FP gesammelt werden, angeordnet wird und indem Licht nach einen Durchgang durch den Sammelbereich und dessen Umgebung mit dem zweidimensionalen Sensor 3 empfangen wird.
(K) Wenn ein Kunststoff-Szintillatordetektor als der β-Strahlendetektor 73 der eine Sammelmenge messenden Einheit 7 verwendet wird, kann der β-Strahlendetektor 73 mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt werden, und die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe können basierend auf einer Transmissionsdifferenz ultravioletter Strahlen berechnet werden, die durch die farbigen partikelförmigen Stoffe (Ruß) absorbiert wurden. Auf diese Weise können die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe einfach erhalten werden, ohne die Analysiervorrichtung 100 groß zu modifizieren.
(L) Es ist auch möglich, eine Struktur der Analysiervorrichtung 100 wie in 16 veranschaulicht zu übernehmen. Beispielsweise kann der zweidimensionale Sensor 3 an einer vierten Position P4 in der Längenrichtung des Sammelfilters 1 angeordnet sein, so dass die „Bilderfassungsposition“ die vierte Position P4 ist und eine andere Lichtquelle als die weiße LED vom Oberflächenmontagetyp wie etwa eine allgemeine LED als die Lichtquelle 6 (ein Lichtbestrahlungselement 63) genutzt werden kann.
In diesem Fall wird genau vor dem Lichtbestrahlungselement 63 eine Diffusorscheibe 65 zum Zerstreuen von Licht vom auf einem Substrat 61 montierten Lichtbestrahlungselement 63 angeordnet. 16 ist ein Diagramm, das ein anderes strukturelles Beispiel der Analysiervorrichtung veranschaulicht.
Außerdem ist in der in 16 veranschaulichten Ausführungsform die vierte Position P4 über der Elementanalyseeinheit 8 angeordnet. Mit anderen Worten fällt die Bilderfassungsposition mit der Analyseposition zusammen. Es sollte besonders erwähnt werden, dass die vierte Position P4 aus der Analyseposition verschoben sein kann. Außerdem kann die vierte Position P4 die gleiche wie die in der ersten Ausführungsform beschriebene zweite Position P2 oder kann davon verschieden sein.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann auf eine Analysiervorrichtung zum Analysieren farbiger partikelförmiger Stoffe weithin angewendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Analysiervorrichtung
300: System
1: Sammelfilter
1a: Abwickelrolle
1b: Aufwickelrolle
2: Sammeleinheit
21: Saugpumpe
23: Auslassöffnung
25: Ansaugöffnung
3: zweidimensionaler Sensor
4: Berechnungseinheit
41: CPU
43: Speicher
45: Anzeige
47: Schnittstelle
5: Plattenförmiges Bauteil
6: Lichtquelle
61: Substrat
63: Lichtbestrahlungselement
65: Diffusorscheibe
7: Sammelmenge messende Einheit
71: β-Strahlenquelle
73: β-Strahlendetektor
8: Elementanalyseeinheit
81: Röntgenstrahlenquelle
83: Detektor
120: Quelle identifizierende Daten erhaltende Einheit
140: Quelle identifizierende Einrichtung
A: Luft
Br1: Erste Luminanz
Br2: Zweite Luminanz
FP: Feinstaub bzw. feine partikelförmige Stoffe
IM: Sammelbilddaten
Im1: erste Bilddaten
Im2: zweite Bilddaten
IM': korrigierte Bilddaten
SC: Kalibrierungskurve
TD: Zeitreihendaten
O1, O2: Öffnung
P1: erste Position
P2: zweite Position
P3: dritte Position
P4: vierte Position
PE1, PE1': erste Spitze
PE2, PE2': zweite Spitze
VA: Sichtfeldbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015219197 A [0005]

Claims

Analysiervorrichtung, umfassend: einen Sammelfilter, der in der Atmosphäre enthaltene partikelförmige Stoffe sammelt; einen zweidimensionalen Sensor, der zweidimensionale Sammelbilddaten erhält, die Bilddaten eines Sammelbereichs des Sammelfilters umfassen, in dem die partikelförmigen Stoffe gesammelt werden; und eine Berechnungseinheit, die dafür eingerichtet ist, Daten in Bezug auf einen Gehalt farbiger partikelförmiger Stoffe, die in dem Sammelbereich enthalten sind, basierend auf den Sammelbilddaten zu berechnen.
Analysiervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein plattenförmiges Bauteil, das auf einer Seite angeordnet ist, die einer dem zweidimensionalen Sensor zugewandten Seite des Sammelfilters gegenüberliegt.
Analysiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine eine Sammelmenge messende Einheit, die dafür eingerichtet ist, Daten zu messen, die genutzt werden, um Daten in Bezug auf eine Sammelmenge der durch den Sammelfilter gesammelten partikelförmigen Stoffe zu berechnen.
Analysiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend eine Elementanalyseeinheit, die dafür eingerichtet ist, ein Element zu analysieren, das in den durch den Sammelfilter gesammelten partikelförmigen Stoffen enthalten ist.
Analysiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Berechnungseinheit die Sammelbilddaten in einer visuell erkennbaren Form ausgibt.
Analysiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Berechnungseinheit die Sammelbilddaten und ein Analyseergebnis der partikelförmigen Stoffe, die in dem in den Sammelbilddaten angegebenen Sammelbereich gesammelt werden, zusammen mit einer Zeit speichert, zu der die Sammelbilddaten erhalten werden.
Analysiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Sammelbilddaten den Sammelbereich angebende zweidimensionale erste Bilddaten enthalten, und die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf einer ersten Luminanz von Pixeln in den ersten Bilddaten berechnet.
Analysiervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf die farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf einem integrierten Wert einer Luminanz von Pixeln in den ersten Bilddaten berechnet.
Analysiervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Sammelbilddaten zweidimensionale zweite Bilddaten enthalten, die einen Nicht-Sammelbereich des Sammelfilters angeben, in dem die partikelförmigen Stoffe nicht gesammelt werden, und die Berechnungseinheit erste Hintergrunddaten, die eine Hintergrundkomponente einer Luminanz von Pixeln in den Sammelbilddaten angeben, unter Verwendung einer Luminanz von Pixeln in den zweiten Bilddaten berechnet und die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf den korrigierten Daten berechnet, die basierend auf den Sammelbilddaten und den ersten Hintergrunddaten berechnet wurden.
Analysiervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Sammelbilddaten zweidimensionale zweite Bilddaten enthalten, die einen Nicht-Sammelbereich des Sammelfilters angeben, in dem die partikelförmigen Stoffe nicht gesammelt werden, und die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf der ersten Luminanz und einer zweiten Luminanz von Pixeln in den zweiten Bilddaten berechnet.
Analysiervorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf der ersten Luminanz, bei der eine erste Spitze in einer Verteilung einer Luminanz von Pixeln in den ersten Bilddaten erscheint, und der zweiten Luminanz berechnet, bei der eine zweite Spitze in einer Verteilung einer Luminanz von Pixeln in den zweiten Bilddaten erscheint.
Analysiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der zweidimensionale Sensor zweite Hintergrunddaten als zweidimensionale Bilddaten erhält, wenn die partikelförmigen Stoffe auf einer Oberfläche des Sammelfilters entsprechend zumindest einem Teil eines Sichtfeldes des zweidimensionalen Sensors nicht gesammelt werden, und die Berechnungseinheit die Daten in Bezug auf einen Gehalt der farbigen partikelförmigen Stoffe basierend auf korrigierten Daten berechnet, die basierend auf den Sammelbilddaten und den zweiten Hintergrunddaten berechnet wurden.
System, umfassend: die Analysiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12; und eine eine Quelle identifizierende Einrichtung, die dafür eingerichtet ist, eine Quelle der partikelförmigen Stoffe basierend auf Daten, die genutzt werden, um eine Quelle der partikelförmigen Stoffe zu identifizieren, und Daten, die durch die Analysiervorrichtung erhalten werden, zu identifizieren.
Analysierverfahren, umfassend die Schritte: Sammeln von in der Atmosphäre enthaltenen partikelförmigen Stoffen auf einem Sammelfilter; Erhalten zweidimensionaler Sammelbilddaten, die Bilddaten eines Sammelbereichs des Sammelfilters umfassen, in dem die partikelförmigen Stoffe gesammelt werden; und Berechnen von Daten in Bezug auf einen Gehalt farbiger partikelförmiger Stoffe, die in dem Sammelbereich enthalten sind, basierend auf den Sammelbilddaten.
Programm, um einen Computer zu veranlassen, ein Analysierverfahren durchzuführen, das die Schritte umfasst: Sammeln von in der Atmosphäre enthaltenen partikelförmigen Stoffen auf einem Sammelfilter; Erhalten zweidimensionaler Sammelbilddaten, die Bilddaten eines Sammelbereichs des Sammelfilters umfassen, in der die partikelförmigen Stoffe gesammelt werden; und Berechnen von Daten in Bezug auf einen Gehalt farbiger partikelförmiger Stoffe in der Atmosphäre basierend auf den Sammelbilddaten.