JP2000503405A - 空中浮遊繊維の濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 空中浮遊繊維の濃度を測定する装置（１００）及び方法が提供される。装置は、空気サンプル中の繊維（２０）の一部分に層流を提供する流れ手段（５及び６）と、散乱光を発生させるため、層状に流れる繊維（２０）に向けられた光ビーム（１２）を生成する光源（９）とを含む。この装置は、さらに、この散乱光の一部を検知し、呼吸可能な繊維濃度の推定値を測定することを可能とする出力信号を生成するセンサー（１４）を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 空中浮遊繊維の濃度測定装置 関連する出願への相互参照 本出願は、１９９６年１１月４日に出願され、”空中浮遊繊維の寸法測定装置 ”という名称が付与された出願番号０８／７４３，５５４の米国特許出願及び１ ９９６年、１１月４日に出願された出願番号０８／７４３，５５５の米国特許出 願を部分的に引き継いだものである。これらの出願は、本出願と同一の代理人が 指定され、これにより、これらを参照することによって本明細書に組み入れられ る。 発明の分野 本発明は、空中浮遊繊維の濃度を推定する方法及び装置に係り、特に、呼吸可 能繊維と非繊維質の呼吸不能繊維とを判別する装置に関する。 発明の背景 現在では、空中浮遊繊維の濃度を監視するための２つの主要な方法が存在して いる。第１の方法では、空中浮遊繊維は、フィルター上に集められる。このフィ ルターは、顕微鏡、又は、繊維の型を決定し空中浮遊繊維の濃度を推定するため の化学的方法によって分析される。この方法は、情報入手が遅延すること、単調 で退屈であること、不便であること、サンプル当たりのコストが高く、正確さが 欠如するといった欠点がある。また、繊維の同定は視覚による観察によりなされ るので、特別な種の空中浮遊繊維の測定に不確実さを与える。 第２の方法では、空中浮遊繊維の濃度が光学的技術を用いて実時間で決定され る。この技術では、光源を通り過ぎる繊維によって減衰された光が分析される。 しかしながら、これらの装置のほとんどは、空中浮遊繊維の異なる種間を識別で きず、特に、潜在的に呼吸に適した繊維、特に小さなガラス繊維の正確な測定を 提供することができない。 空中浮遊の石綿繊維により惹起された重大な健康問題のため、実時間の空中浮 遊繊維の監視は、典型的に、石綿及び他の繊維を含む空気サンプル中の石綿繊維 濃度を選択的に決定するのを目的としている。石綿繊維は常磁性を示すため、現 存する装置は、例えば時間変化する電気四重極子、電場／磁場の混成、又はその 両方を用いて石綿繊維を優先的に整列させた状態で振動させる。誘起された振動 は、入射光の特徴的な散乱を引き起こす傾向があり、かくして、振動繊維を石綿 として同定することができる。静電場の技術も用いられ得る。空中浮遊粒子を測 定するための、このような装置及び方法の例は、”浮遊粒子の分析装置”と題さ れ、チャッブ（Chubb；1972）に付与された米国特許番号３，６９２，４１２号 と、”実時間で石綿を監視するための方法及び装置”と題され、リリエンフェル ド（Lillienfeld；1990）に付与された米国特許番号４，９４０，３２７号と、 ”浮遊粒子の濃度を決定出力するためのシステム及び方法”と題され、同じくリ リエンフェルドに付与された米国特許番号５，３１９，５７５号と、の中に見出 される。ビレリカＭＡ(Billerica MA）、ミー(MIE)会社によるＭＩＥ繊維モニタ ーモデルＦＭ−７４００のユーザーズ・マニュアルもまた参照してください。 しかしながら、例えばガラス繊維を含む、潜在的に有害な呼吸可能な繊維は、 しばしば常磁性を示さないので、上記のような方法は適当でない。 そのとき、必要とされるものは、静電場、磁場或いはハイブリッドな電磁場成 分を必要とすることなく、実時間で、空気サンプル中に浮遊している呼吸可能な 繊維の濃度を正確に決定することができる、空中浮遊繊維の濃度測定装置である 。 さらに、リリエンフェルドの装置は、より複雑であり、与えられたサンプル中 の小さいパーセンテージの繊維のみを検知する。もしサンプル中の繊維濃度が低 く、或いは、それが空気流中の繊維濃度の代表を表すものでないならば、測定誤 差が発生し得る。従って、繊維集合の統計的に有意な標本化ができ、且つ、低濃 度の示度において正確である繊維濃度測定装置の必要性が存在している。 本発明の要約 本発明は、繊維を含む空気サンプルの空中浮遊繊維の濃度を測定する装置及び 方法を提供する。好ましい装置は、空気サンプル中の繊維の少なくとも一部分に 層流を提供する流れ手段を含んでいる。そのとき、これらの層状に流れている繊 維は、散乱光を生成するための光源により照明される。そのとき、散乱光の一部 分は検出されて出力信号が生成され、その出力信号に基づいて繊維濃度の推定値 を測定することができる。さらに加えて、例えば呼吸可能な繊維のみを測定する ため、特定のサイズを有する繊維を予め選択する分離装置を使用することができ る。本発明は、例えばガラス絶縁やマット製作の施設などのような仕事環境で呼 吸可能な繊維を測定する安価な方法を提供する。 本発明のより詳細な実施例では、呼吸可能な繊維と、非呼吸性の繊維若しくは 非繊維質の粒子状物質と、或いはその両方を含む空気を分析するための装置が提 供される。この装置は、整列された呼吸可能な繊維を含有する濾過された空気サ ンプルを生成するために、非呼吸性の繊維から呼吸可能な繊維を選択的に取り除 くための分離手段を含んでいる。そのとき、これらの整列された繊維は、照明さ れて散乱光を生成する。これらの散乱光は、光センサーによって集められ、電気 出力が生成される。さらに、この装置は、光センサーの出力に基づいて呼吸可能 な繊維の推定濃度を提供する処理手段を含んでいる。 図面の簡単な説明 本明細書で参照され、その一部分を構成している添付図面は、本発明に係る装 置の好ましい実施例を示している。この添付図面を参照した説明は、本発明の原 理を説明するのに役立つ。 図１は、本発明に係る空中浮遊繊維の濃度測定装置の図である。 図２は、本発明に係る、現在のところ好ましい一実施例のセンサーの図である 。 図３は、本発明に係る、現在のところ好ましい他の実施例のセンサーの図であ る。 本発明の詳細な説明 図１は、本発明の原理に従った空中浮遊繊維の濃度測定装置１００の一実施例 を示している。装置１００は、繊維を検知するセンサー１と、例えば呼吸不能の 繊維若しくは呼吸不能の粒子状物質から呼吸可能な繊維を分離するための仮想衝 撃装置２などの分離手段とを含んでいる。ここで述べられる”呼吸可能な繊維” とは、直径にして約３μＭより小さく、望ましくは、少なくとも約５：１（長さ ：直径）の相比率を持つ繊維を意味する。さらに、”光”という言葉は、可視光 及び不可視の光の両方に言及しており、Ｘ線や赤外線を含むものとする。 熟練者は、仮想の衝撃装置２が、非呼吸性の粒子から呼吸可能な粒子を分離す るための良く知られた技術を使用することができる。従って、熟練者ならば、非 呼吸性の繊維から呼吸可能な繊維を孤立させるための他の分離手段を用いること ができる。適当であることが分かっている仮想衝撃装置２の１つの例が図１に示 されている。この装置は、繊維を含有している周囲の空気を吸引し、ベンチュリ 管の口において、より小さい呼吸可能な繊維２０を外側に吐き出す。より大きな 繊維４１、約３μｍより大きいものは、仮想衝撃装置２の中心管内に引き込まれ る。 一般に、装置に入った空気は、呼吸可能な繊維、非呼吸性の繊維及びその中に 混合された他の粒子状物質を含んでいる。センサー１は、空気中の整列した呼吸 可能な繊維を検知するが、他の非呼吸性の粒子状物質を実質的に検知しないのが 望ましい。作動中において、空気中に存在する呼吸可能な繊維２０は、仮想衝撃 装置２をセンサー１に接続するホース３を通って仮想衝撃装置２から引き出され る。空気は、小さな真空ポンプ２２によって、システムを通って、より低い流れ 管６の出口４まで引き出される。上部及び下部の流れ管５，６の長さと直径と空 気流量率とは、空気貫通管５，６に層流を生成するようなものが選ばれる。この 層状の空気流は、管５，６内の空気中の繊維２０を、空気流の方向すなわち流れ 管５，６の長手方向の軸線３０に実質的に整列させる傾向がある。流れ管５，６ は、センサー１内で小さなギャップ７で分離されている。その代わりとして、そ の側壁を通って、軸線に垂直な１対のスロットを有する単一の管もまた、同様に 作用することができる。このギャップ７はセンサー１の軸８の回りに対照的に配 置するのが望ましい。流れ管５，６及びギャップ７は、本発明の本実施例では” 流れチャネル”を形成している。 センサー１内には、例えばダイオードレーザーなどのようなコヒーレントな光 源として構成することができる光源９がある。光源９は、ビーム１２を生成する ことができ、このビームは、ビーム行路に沿って予め選択された断面を備えるの が望ましい。光源９は、理想的にいえば光センサー１４に向けられた楕円断面を 有する平行光線を生成する。光センサー１４は、光子検知器であるのが好ましい 。ビーム１２は、流れ管５，６の間のギャップ８に好ましくは略平行である光の 楕円の主軸に、センサー１の軸線８に沿って方向付けることができる。ビーム１ ２の幅は流れ管５，６の直径と同じ幅広さである必要はない。 本実施例にとって適切な光源は、例えば、アーカンソー州、リトルロック市に あるパワーテクノロジー（Power Technology）社からのモデルＬＰＭ０３（６７ ０−５）のレーザーダイオードを用いることができる。同様に、適切な光子検知 器は、例えば、コネクチカット州のブリッジポート市、デーバー（Devar）モデ ル５０９−１である。熟練者ならば、光を提供し、また呼吸可能な繊維の存在を 示す光信号を検知するための、他の適当な光源及び光センサーを用いることがで きる。 図２は、好ましいセンサー１の断面図を示しており、該センサーは、一般に、 空気流に対し垂直に配置されている。ビーム１２は、ギャップ７を通過した後、 光学レンズアセンブリ１０に入射する。レンズアセンブリ１０は、例えば、一対 の集光レンズで構成することができる。このレンズの組み合わせは、短い焦点距 離を持つ傾向にあり、第２レンズ２５の後方表面２４に指向されるビーム１２の 一部分２３を許容している。ビームブロック１１は、平行光２３が光子検知器１ ４により検出されることを実質的に遮蔽するために使用される。ビームブロック １１は、検知される繊維の存在を示さない光から光検知器１４をビームブロック １１がシールドすることができるように、光検知器１４に対し陰をつくるように 配置されることが望ましい。 繊維２０が流れ管５、６の間でビーム１２を通過させるとき、繊維２０の中に は、図２に示すように、光を散乱するものがある。例えばガラス繊維などのよう な柱体が光によって通常の入射方向から照明されるとき、それは、典型的には、 流れチャネルの予め選択された方向すなわち柱体に直角な平面内で光を散乱する 。繊維２０は、層状の空気流によって整列されているので、これらの繊維２０は 、一般にビーム１２の方向と垂直方向に向いている。従って、ビーム１２は、流 れ管５，６の端部により形成された平面と一般に平行である平面内で散乱され 得る。かくして、散乱光２６は、流れ管５，６の間のギャップ７を通過すること が許容される。 本発明に係る層流に対して、２つの条件が合致されなければならないことが一 般に認識されている。これらの条件は、レイノルズ数が約２０００より小さくな ければならないこと及び流れが層流になるための十分な距離がなければならない ことである。注目する装置の場合では、流れが約４リットル／分で繊維の直径が ０．４４インチ（１．１ｃｍ）であり、レイノルズ数が約５００となる。これは 層流の領域を良好に形成する。繊維がレーザービームのところに達する前までの 流れ管の長さは、約５〜５０インチ（１２．７〜１２７ｃｍ）であり、望ましく は、繊維直径の２２倍以上である１０インチ（２５．４ｃｍ）であるのがよい。 層流は、装置の管の入口から１０直径以内で発達させなければならないので、装 置の流れは、層流の形成条件を仮定するための十分な時間を持つようにすべきで ある。 乱流と層流との間の遷移期間に繊維の整列状態を視覚的に確認することができ る。それは、次のようにしてわかる。すなわち、乱流中にガラス繊維がある場合 では、屈折したレーザービームが、ランダム方向に分離した光の点へと分散され る。これに対し、層流中にガラス繊維がある場合には、屈折したレーザービーム は概賂１方向（領域）に集められるので、繊維が流れに略平行な方向に整列され たということが示される。 前方方向１３に散乱された光は、レンズアセンブリ１０により集められ、光子 検知器に焦点を合わせることができる。典型的には、この光は、それがレンズア センブリ１０に入射したとき平行になっていないので、レンズアセンブリ１０を 通り越したある距離の点に焦点を合わせることができ、これによってビームブロ ック１１の回りを通過することができる。かくして、ビーム１２及び散乱光２６ の両方がレンズアセンブリ１０に入射するとき、散乱光２６がその大部分を光子 検知器１４の上に焦点を合わせる一方で、ビーム１２は、典型的には、光子検知 器１４への入射を遮蔽される。全体として、散乱光２６のうちごく僅かな光のみ がビームブロック１１により遮蔽される。 光子検知器１４は、散乱光２６を受け入れるのに十分広い有限幅を持つ検知領 域を有していることが好ましい。この幅以内では、それは、流れ管５，６の軸線 ３０から、いずれかの側部並びに前部及び後部まである程度の距離がある繊維２ ０によって散乱された光に応答するだろう。従って、繊維２０は、一列に並んで すなわち軸線３０に近接して整列した状態でビーム１２を通過するようには要求 されない。ビーム１２が繊維２０によって散乱されるとき、その散乱光は、光子 検知器１４上に当たるようにレンズアセンブリ１０を通過して焦点を合わせられ るので、そこから短い電気パルスが生成される。一般に、このパルス振幅は、繊 維により散乱された光の量に比例するように選ばれる。結果として生じたパルス は、パルスが記録される適当な電気測定回路３１に送ることができる。例えばセ ンサー１を通過する空気の流量率などのような他の定量的情報を使用し、パルス が受け取られる率を決定することによって、空気中の呼吸可能な繊維の濃度を決 定することができる。 センサー１は、非繊維質の粒子状物質を実質的に検知しないのが望ましい。本 発明に係る現在のところ好ましい実施例は、例えば、典型的に円柱状の呼吸可能 な繊維と他の形状を有する粒子状物質との間の光学的な相違を分析することによ って、この選別を達成できる。すなわち、球状又は不規則な形状の粒子がセンサ ー１に引き込まれたならば、粒子状物質もまたビーム１２からの光を散乱するだ ろう。しかしながら、そのような粒子は、球状の体積中に光を散乱する傾向にあ る。この散乱光の多くは、流れ管５，６の壁に当たって吸収されてしまうだろう 。 一般に、これらの粒子により散乱された光のうちごく僅かな光のみが流れ管５ ，６の間のギャップ７を通過する傾向にある。この僅かな量の散乱光は、光子検 知器１４に弱い信号のみを生成する傾向にある。光子検知器１４からのパルスを 受け取る回路３１は、粒子状物質から生じた低振幅のパルスを無視するように設 計することができる。従って、装置１００は、存在するかもしれない他の非繊維 状の粒子状物質を無視する一方で、呼吸可能な繊維にのみ反応するように作るこ とができる。先行技術の装置とは異なり、本明細書で開示された発明は、物質が 呼吸可能な繊維であるか否かを決定するために、空気中に浮遊する物質の運動を 誘起するための静電場又は電磁場成分の使用を要求しない。 実際、呼吸可能な繊維と他の粒子とを識別する装置１００の能力は、以下の原 理を用いることを自由に選択できる。第１に、空気がセンサー１に入る前に、非 呼吸性の繊維を、分離手段すなわち仮想衝撃装置２によって空気流から消去する ことができる。第２に、残存している繊維は、管５，６を通過する層状の空気流 によって流れ管の軸線３０に整列される傾向にある。第３に、ビーム１２は、一 般に、管５，６の軸線に直角となるように方向付けられる。第４に、繊維２０に よる散乱光は、流れ管５，６の端部の間を通過する平面内で散乱される傾向があ り、散乱光の一部は光子検知器１４上に焦点を合わせられる。第５に、他の粒子 による散乱光は、円柱状の繊維の場合よりもさらに全方向に散乱される傾向があ る。この光のほとんどは、流れ管５，６の壁に吸収され、僅かな量の光のみが光 子検知器１４上に焦点を合わせられる。第６に、光子検知器１４から受け取った 信号の振幅を識別することによって、装置１００は、繊維と他の粒子とを識別す ることができる。 図１及び図２において、レンズアセンブリ１０及び光子検知器１４は、実質的 に直列に並べられ、ビーム１２に向き合っている。本発明の教えるところによれ ば、レンズアセンブリ１０及び光子検知器１４が繊維２０からの散乱光の平面内 に存在する限り、それらを流れ管５，６の軸線３０の回りの任意箇所に配置する ことができることを熟練者は認知されよう。レンズアセンブリ１０により集めら れた光の量は、レンズアセンブリ１０の位置に依存することができ、センサー１ は、これらの代替となる配置によっても、呼吸可能な繊維と他の粒子とを識別す ることができる。 例えば、図３では、レンズアセンブリ１０と光子検知器１４とが方向を９０度 回転させたということ以外は、図１及び図２における装置１００の構成要素と実 質的に同じである。また、図３では、ビーム行路１２がもはや一直線上にはなく 、光子検知器１４と対向してもいないので、図１及び図２に示されたビームブロ ック１１が除去されている。 本明細書で言及されたすべての刊行物は、本発明が関連する分野における熟練 者の技能レベルを表している。そのすべての刊行物は、あたかも個々の刊行物が 固有ではあるが参照により組み入れられることを指示されているかのように、こ れらを参照することによって同じ範囲まで本明細書に組み入れられる。 本発明を実施した実施例が詳細に記載された一方で、開示された全範囲の教え に基づいて、それらの詳細に対し様々な変形及び代替を発展させることができる ことが当該分野における熟練者によって認識されよう。実際、本発明は空中浮遊 した呼吸可能な繊維の濃度を決定するという点において説明されているけれども 、本明細書で詳細に示された装置及び方法は、特定の光学特性を有する他のタイ プの粒子を探査し、特徴付け、視覚化するためにも使用することができることを 熟練者ならば認知されよう。従って、開示された方法及び装置の特別の構成は一 つの実例であることを意味し、本発明の範囲は、これのみに限定されるものでは なく、以下で述べる請求の範囲の全範囲及びその範囲内の任意の全実施例に与え られるべきものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＲ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＲ，ＮＯ，ＰＬ，ＳＥ，ＳＩ，ＴＲ， ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 繊維を含有する空気サンプル中の呼吸可能な空中浮遊繊維の濃度を測定す る装置（１００）であって、 ａ． 前記空気サンプル中の繊維の少なくとも一部分に層流を提供する流れ手 段と、 ｂ． 層状に流れる複数の繊維（２０）を受け入れる流れチャネル（５，６） と、 ｃ． 散乱光を発生させるため前記層状に流れる複数の繊維（２０）に射出さ れる光ビーム（１２）を生成する光源（９）と、 ｄ． 前記散乱光の一部分を検知し、前記空気サンプル中の呼吸可能な繊維濃 度の推定値を測定可能な出力信号を生成する光センサー（１４）と、 を有することを特徴とする、装置。 ２． 前記サンプル化された空気は、その中に非呼吸性の繊維及び非繊維質の粒 子状物質も含む、請求項１に記載の装置。 ３． 前記装置は、前記光センサーに散乱光を導くためのスロット開口を有する 、請求項１に記載の装置。 ４． 前記光源は、ビーム行路に沿って予め選択された断面を有する光ビームを 提供するコリメーション手段を含む、請求項１に記載の装置。 ５． 前記流れチャネルが、前記ビーム行路に実質的に垂直な長手方向の軸を有 する、請求項４に記載の装置。 ６． 前記スロット開口が、前記光センサーへの予め選択された方向を持たない 散乱光を除去する、請求項３に記載の装置。 ７． 予め定められた方向を有する散乱光の一部分を受け入れ、該散乱光の少な くとも一部分を前記光センサーに向ける光学レンズをさらに含む、請求項６に記 載の装置。 ８． 前記光ビームの行路上に配置されたビームブロックをさらに含み、前記ビ ームブロックは、前記光センサーに陰をつくるように配置され、前記光ビームを 前記光センサーから実質的に遮蔽する、請求項７に記載の装置。 ９． 前記光センサーは、呼吸可能な繊維を示す第１振幅を持つ第１光パルス及 び呼吸可能な繊維ではない粒子を示す第２振幅を持つ第２光パルスを生成する手 段を含み、 前記装置は、前記呼吸可能な繊維に対する前記第１振幅と前記粒子に対する前 記第２振幅とを識別し、呼吸可能な繊維の濃度を示す信号を提供する機能を有す る、請求項１に記載の装置。 １０． 前記粒子は非呼吸性の繊維である、請求項９に記載の装置。 １１． 呼吸可能な繊維と非呼吸性の繊維とを有する繊維含有性の空気サンプル 中における空中浮遊繊維の濃度を測定する方法であって、 ａ． 呼吸可能な繊維と非呼吸性の繊維とを含む、前記空気サンプル中の繊維 の少なくとも一部分に層流を提供し、 ｂ． 散乱光を発生させるため、前記層状に流れる呼吸可能な繊維及び非呼吸 性の繊維に光ビームを射出し、 ｃ． 前記散乱光の一部分を検知し、前記空気サンプル中の呼吸可能な繊維濃 度の推定値を測定可能とする出力信号を生成する、 ことを特徴とする、方法。 １２． 前記検知ステップは、呼吸可能な繊維及び非呼吸性の繊維からの光を検 出することに各々対応する第１及び第２のパルス信号を提供するステップを含み 、前記第１及び第２のパルス信号は、第１及び第２の振幅を有し、 前記方法は、前記空気サンプル中の呼吸可能な繊維の濃度を示す信号を提供す るため、前記第１及び第２の振幅を識別するステップをさらに含む、請求項１１ に記載の方法。