JP2002116134A - 浮遊粒子状物質の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）の粒度分
布を、従来のカスケードインパクタによる場合に比し
て、１０μｍ以上の粒子径を含むより広い範囲で、か
つ、粒子径の分解能をより高くして測定することのでき
る浮遊粒子状物質の測定装置を提供する。 【解決手段】 大気中の浮遊粒子状物質を液体Ｌに捕集
して分散させた状態で、レーザ回折・散乱式粒度分布測
定装置８のフローセル８１に流し、そのフローセル８１
にレーザ光を照射して得られる回折・散乱光を測定して
粒度分布を算出する。大気中の浮遊粒子状物質の濃度
は、回折・散乱光を測定できる程度に高くはないが、液
体Ｌ中に大気を送り込んで浮遊粒子状物質を捕集するこ
とで、液体に対して送り込む大気の量を適宜に設定して
液体中の浮遊粒子状物質の濃度を適宜の濃度とすること
ができ、回折・散乱光の測定を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気中の浮遊粒子
状物質の粒度分布を測定する装置に関し、更に詳しく
は、浮遊粒子状物質の粒度分布を広い粒度範囲において
高分解能のもとに測定することのできる浮遊粒子状物質
の測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大気中に浮遊している粉じんのうち、粒
径が１０μｍ以下のものは浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と
称される。この浮遊粒子状物質は、巻き上げられた土な
ども含まれるが、ディーゼル車が排出する黒煙や未燃焼
燃料、硫黄化合物などが多くを占め（関東では３５％が
ディーゼル車からのもの）、これらは有害性もより高い
と言われている。このディーゼル車からの排気ガスが原
因の粒子状物質は、特にＤＥＰと称される。また、より
粒径の小さい２．５μｍ以下のものは微小粒子状物質
（ＰＭ２．５）と称され、欧米では調査・研究が盛んに
なってきている。このＰＭ２．５の場合、その排出原因
はディーゼル車の排ガスである割合がより高くなると言
われている。

【０００３】以上のような大気中の浮遊粒子状物質（Ｓ
ＰＭ）や微小粒子状物質（ＰＭ２．５）の粒度分布を測
定する装置として、従来、カスケードインパクタ方式に
基づく装置が実用化されている。このカスケードインパ
クタ方式に基づく測定装置は、流体を捕集板に衝突させ
てその流れの方向を急変させることによって粒子を流体
から分離するインパクタ法を利用したものであり、５０
％捕集効率の粒径を順次変化させたインパクタを多段に
直列接続して、各段における５０％捕集効率の粒径をそ
れぞれの段の代表径として、それぞれの段における捕集
量の測定結果から、流体中の粒度分布を求めるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＳＰＭやＰ
Ｍ２．５の測定に供されているカスケードインパクタ方
式に基づく測定装置においては、その原理上、粒径の測
定上限値が１０μｍ程度に限定されてしまうという問題
があるとともに、粒径の分解能が捕集板の数によって決
まってしまうために、高い分解能で粒度分布を測定する
ことは望めないという欠点もある。

【０００５】本発明はこのような実状に鑑みてなされた
もので、大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や微小粒子
状物質（ＰＭ２．５）の粒度分布を、粒子径１０μｍ以
上を含むより広い粒径範囲において高い分解能のもとに
測定することのできる浮遊粒子状物質の測定装置の提供
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の浮遊粒子状物質の測定装置は、大気中に含
まれる浮遊粒子状物質を測定する装置であって、大気中
の浮遊粒子状物質を液体中に補修して分散させる捕集・
分散手段と、その浮遊粒子状物質が捕集されて分散され
た液体が流されるフローセルと、そのフローセルに対し
てレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の液
体中の物質による回折・散乱光の空間強度分布を測定す
る測定光学系と、その測定された回折・散乱光の空間強
度分布から液体中に捕集・分散された浮遊粒子状物質の
粒度分布を算出する演算手段を備えていることによって
特徴づけられる（請求項１）。

【０００７】ここで、本発明においては、上記捕集・分
散手段の具体的構成として、液体を収容するとともに、
攪拌機構および超音波照射手段を備えた分散槽と、大気
を吸引するポンプと、そのポンプにより吸引された大気
を上記分散槽中に導いて開放する配管によって構成した
もの（請求項２）を好適に採用することができる。

【０００８】ここで、請求項２で言うポンプとは、大気
を吸引して圧送できる空気機械を言い、具体的には圧縮
機もしくは送風機である。

【０００９】また、本発明において好適に用いることの
できる液体としては、蒸留水等の清浄な水、または有機
溶媒、あるいはこれらに界面活性剤等の分散剤を添加し
たものを挙げることができる。

【００１０】本発明は、広い粒径範囲において高い分解
能のもとに粒度分布を測定することのできるレーザ回折
・散乱法に基づく粒度分布測定装置を、大気中の浮遊粒
子状物質の粒度分布測定に利用することによって、所期
の目的を達成しようとするものである。

【００１１】すなわち、レーザ回折・散乱式の粒度分布
測定装置においては、一般に、液体（湿式）もしくは気
体（乾式）を媒体としてそこに分散している被測定粒子
群にレーザ光を照射して得られる回折・散乱光の空間強
度分布を測定し、その光強度分布がミーの散乱理論ない
しはフラウンホーファの回折理論に則ることを利用し、
回折・散乱光の空間強度分布の測定結果からミーの散乱
理論ないしはフラウンホーファの回折路輪に基づく演算
によって被測定粒子群の粒度分布を求める。このレーザ
回折・散乱式粒度分布測定装置によれば、媒体中の被測
定粒子群の濃度を適正範囲とすることによって、広い粒
径範囲において高い分解能で粒度分布を求めることがで
きる。

【００１２】しかしながら、大気中の浮遊粒子状物質に
直接的にレーザ光を照射して回折・散乱光を測定しよう
としても、大気中における浮遊粒子状物質の濃度が低す
ぎる関係上、粒度分布を求めるに十分な回折・散乱光を
得ることができない。

【００１３】そこで、本発明においては、大気中の浮遊
粒子状物質を液体中に捕集して分散させ、液体中の浮遊
粒子状物質の濃度が適正範囲にまで上昇した状態でレー
ザ光を照射して回折・散乱光の空間強度分布を測定す
る。これにより、通常の湿式のレーザ回折・散乱式粒度
分布測定装置と同等の広い粒子径範囲、つまりサブミク
ロンオーダーから１０μｍを越える広い粒子径範囲にお
いて、高い分解能のもとに浮遊粒子状物質の粒度分布を
求めることができる。

【００１４】本発明の浮遊粒子状物質の測定装置におい
て大気中の浮遊粒子状物質を液体中に捕集・分散させる
捕集・分散手段は、請求項２に係る発明のように、攪拌
機構および超音波照射手段を備え、液体を収容する分散
槽、大気を吸引するポンプ、およびそのポンプにより吸
引された大気を分散槽内に導いて開放する配管を用いた
比較的簡単な装置によって実現することができ、この捕
集・分散手段を用いることにより、ポンプの流量を一定
にした状態においては、その駆動時間と液体中に送り込
まれた大気の量とが相関するので、液体に送り込んだ大
気の総量を容易に把握することができる。

【００１５】そして、本発明によれば、一定量の大気を
液体中に送り込んで回折・散乱光の空間強度分布の測定
を一定時間ごとに繰り返し行うことにより、連続的に大
気中の浮遊粒子状物質の状況を監視することができ、ま
た、各測定時における回折・散乱光の絶対強度を用いる
と、大気中の浮遊粒子状物質の濃度変化を監視すること
もできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形
態の構成図で、光学的構成並びに配管構成を表す模式図
と、電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図で
ある。

【００１７】例えば蒸留水もしくは有機溶媒、もしくは
これらに界面活性剤等の分散剤を添加した液体Ｌを収容
する分散槽１は、攪拌機２および超音波振動子３を備え
ている。この分散槽１の内部には、大気を吸引する捕集
用圧縮機４の吐出口に連通する捕集用配管５の先端が開
口しているとともに、底部には循環用配管６の一端が連
通しており、この循環用配管６は循環用ポンプ７を介し
てレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置８のフローセル
８１の入口に連通し、更にそのフローセル８１の出口か
ら分散槽１の上方にまで至って開口している。また、こ
の分散槽１の底部には、内容物を排出するための排水バ
ルブ１ａが設けられている。

【００１８】分散槽１には、捕集用配管５の先端の開口
部よりも高いレベルにまで液体Ｌが投入され、この状態
で捕集用圧縮機４を駆動することにより、吸引された大
気は液体Ｌ中に送り込まれ、その大気中に含まれる浮遊
粒子状物質はこの液体Ｌ中に捕集される。そして、この
液体Ｌ中に捕集された浮遊粒子状物質は、攪拌機２およ
び超音波振動子３を駆動することによって液体Ｌ中に均
一に分散するとともに、液体Ｌ中に含まれている気泡が
取り除かれる。

【００１９】液体Ｌおよびそこに分散している浮遊粒子
状物質は、循環用ポンプ７の駆動により循環用配管６を
介してレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置８のフロー
セル８１中を流された後、分散槽１内に戻される。

【００２０】レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置８
は、上記したフローセル８１と、そのフローセル８１に
対してレーザ光を照射する照射光学系８２と、その照射
光学系８２からのレーザ光の回折・散乱光の空間強度分
布を測定する測定光学系８３と、その測定光学系８３の
出力をサンプリングするデータサンプリング回路８４、
およびそのデータサンプリング回路８４によりサンプリ
ングされた回折・散乱光の空間強度分布データを用い
て、液体Ｌ中に含まれる粒子群の粒度分布を算出するコ
ンピュータ８５を主体として構成されている。

【００２１】照射光学系８２は、レーザ光源８２ａ、集
光レンズ８２ｂ、空間フィルタ８２ｃ、コリメートレン
ズ８２ｄによって構成され、レーザ光源８２ａから出力
されたレーザ光を平行光束としてフローセル８１に照射
する。このフローセル８１に照射されたレーザ光は、そ
の内部を流れる液体Ｌ中の浮遊粒子状物質により回折・
散乱を受ける。この回折・散乱光の空間強度分布は測定
光学系８３によって測定される。

【００２２】測定光学系８３は、照射光学系８２の光軸
上にフローセル８１を挟んで配置され集光レンズ８３ａ
およびリングディテクタ８３ｂと、その外側に配置され
た前方光角度散乱光センサ群８３ｃと、フローセル８１
の側方および後方（照射光学系８２側）に配置された側
方／後方散乱光センサ群８３ｄによって構成されてい
る。リングディテクタ８３ｂは、互いに異なる半径のリ
ング状または１／２リング状もしくは１／４リング状の
受光面を有する光センサを同心上に配置した光センサア
レイであって、集光レンズ８３ａにより集光された前方
所定角度以内の回折・散乱光の強度分布を検出すること
ができる。従って、これらのセンサ群からなる測定光学
系８３により、フローセル８１内の液体Ｌ中に分散して
いる浮遊粒子状物質による回折・散乱光の空間強度分布
が、前方微小角度から後方に至る広い範囲で測定され
る。

【００２３】以上の測定光学系８３による各回折・散乱
角度ごとの光強度検出信号は、それぞれのアンプ並びに
Ａ−Ｄ変換器を有してなるデータサンプリング回路８４
によって増幅された上でデジタル化され、回折・散乱光
の空間強度分布データとしてコンピュータ８５に取り込
まれる。

【００２４】コンピュータ８５では、その回折・散乱光
の空間強度分布を用いて、レーザ回折・散乱式の粒度分
布測定において公知の、ミーの散乱理論およびフラウン
ホーファの回折理論に基づく演算手法により、レーザ光
が回折・散乱した原因粒子である浮遊粒子状物質の粒度
分布を算出する。

【００２５】以上の構成において、捕集用圧縮機４の単
位時間当たりの吐出口量と、その駆動時間とから、液体
Ｌに送り込んだ大気の総量を把握することができる。そ
の液体Ｌに送り込む大気の総量を適宜に設定することに
より、液体Ｌ中の浮遊粒子状物質の濃度を、測定光学系
８によって十分に回折・散乱光の空間強度分布を測定で
きる程度とすることができ、ひいては粒度分布の測定が
可能となる。このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置
による粒度分布の測定によれば、サブミクロンオーダー
から１０μｍを越える粒径範囲で高い分解能でその粒度
分布の測定が可能である。

【００２６】また、以上のように所定量の大気を吸引し
て浮遊粒子状物質を液体Ｌ中に捕集・分散し、その回折
・散乱光の空間強度分布を測定して粒度分布を求めた後
に、排出バルブ１ａを開放して内部の液を排出し、あら
たに清浄な液体Ｌを分散槽１内に注入した上で、その液
体Ｌ内に新たに大気を吸引して浮遊粒子状物質を捕集・
分散させ、次の測定動作を開始する、という動作を一定
時間ごとに繰り返し行えば、連続的に大気中の浮遊粒子
状物質の状況を監視することができる。

【００２７】更に、各回の測定動作において液体Ｌに送
り込んむ大気の総量を一定とすると、その各回の測定に
おいて得られる回折・散乱光の絶対強度は、大気中の浮
遊粒子状物質の濃度に相関するので、その絶対強度の変
化から大気中の浮遊粒子状物質の濃度の経時的変化を監
視することができる。

【００２８】更にまた、液体Ｌの単位体積中に含まれる
個数が既知の標準粒子を用いてキャリブレーションを行
っておけば、液体Ｌ中に取り込まれた大気の総量と、そ
のときに得られた回折・散乱光の絶対強度とから、単位
体積の大気中に含まれる浮遊粒子状物質の粒度分布と、
その各粒子径の粒子の個数との関係を計算することもで
きる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、大気中
の浮遊粒子状物質を液体中に捕集して分散させ、液体中
の浮遊粒子状物質の濃度が適当濃度となった状態でその
液をレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置のフローセル
に流し、レーザ光を照射して得られる回折・散乱光の空
間強度分布を測定して粒度分布を求めるので、従来のカ
スケードインパクタによる粒度分布の測定に比して、粒
子径の分解能を大幅に向上させることができるととも
に、１０μｍ以上の粒径範囲の粒度分布をも測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構成図で、光学的構成お
よび配管構成を表す模式図と、電気的構成を表すブロッ
ク図とを併記して示す図である。

【符号の説明】

１ 分散槽 ２ 攪拌機 ３ 超音波振動子 ４ 捕集用圧縮機 ５ 捕集用配管 ６ 循環用配管 ７ 循環用ポンプ ８ レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置 ８１ フローセル ８２ 照射光学系 ８２ａ レーザ光源 ８２ｂ 集光レンズ ８２ｃ 空間フィルタ ８２ｄ コリメートレンズ ８３ 測定光学径 ８３ａ 集光レンズ ８３ｂ リングディテクタ ８３ｃ 前方広角度散乱光センサ群 ８３ｄ 側方／後方散乱光センサ群 ８４ データサンプリング回路 ８５ コンピュータ Ｌ 液体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 三千郎 京都市中京区西ノ京桑原町１番地 株式会 社島津製作所内 Ｆターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AB07 AC01 AD02 BA05 DB05 DC07 2G059 AA01 AA05 BB09 CC19 DD01 DD05 EE02 FF04 GG01 JJ11 KK04 MM09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大気中に含まれる浮遊粒子状物質を測定
   する装置であって、大気中の浮遊粒子状物質を液体中に
   捕集して分散させる捕集・分散手段と、その浮遊粒子状
   物質が捕集されて分散された液体が流されるフローセル
   と、そのフローセルに対してレーザ光を照射する照射光
   学系と、そのレーザ光の液体中の物質による回折・散乱
   光の空間強度分布を測定する測定光学系と、その測定さ
   れた回折・散乱光の空間強度分布から液体中に捕集・分
   散された浮遊粒子状物質の粒度分布を算出する演算手段
   を備えていることを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装
   置。
2. 【請求項２】 上記捕集・分散手段が、液体を収容する
   とともに、攪拌機構および超音波照射手段を備えた分散
   槽と、大気を吸引するポンプと、そのポンプにより吸引
   された大気を上記分散槽中に導いて開放する配管によっ
   て構成されていることを特徴とする請求項１に記載の浮
   遊粒子状物質の測定装置。