JP2004053511A

JP2004053511A - イオン測定システムおよびその方法

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Publication number: JP2004053511A
Application number: JP2002213732A
Authority: JP
Inventors: Ikuko Shigihara; 鴫原　育子; Masatoshi Uchiyama; 内山　昌俊; Akihisa Takeyumi; 武弓　晃久; Kiyoshi Endo; 遠藤　清; Kazuhiro Morita; 森田　一弘
Original assignee: HITACHINAKA TECHNO CENTER KK; HITACHINAKA TECHNO CT KK; Ibaraki Corp For Small & Mediu; Ibaraki Corp For Small & Medium Enterprise Promotion; INTERSOCIO SYSTEM KK
Current assignee: HITACHINAKA TECHNO CENTER KK; HITACHINAKA TECHNO CT KK; Ibaraki Corp For Small & Mediu; Ibaraki Corp For Small & Medium Enterprise Promotion; INTERSOCIO SYSTEM KK
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】大気中のイオンクラスタの広範囲な粒径分布を高精度に測定するイオン測定システム及びその測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）１によって分級されるイオンクラスタは、高圧発生装置２によって印加される電圧値と排気ポンプ３によって排気されるガスの流量によってそのサイズが決定され、その濃度分布は電流計１０によって測定される。このときコントロールサーバコンピュータ７を用いて、印加電圧と流量の組み合わせを電流計１０の測定値に応じた一定のパターンテーブルに基づいて自動的に演算し、最適な測定条件を生成する事により、大気中のイオンクラスタの広範囲な粒径分布を高精度に測定することができる。また、コントロールサーバコンピュータ７とクライアントコンピュータ８を無線ＬＡＮユニット９で接続し、計測現場での測定者の活動による測定環境の微粒子による汚染を防止する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中のイオンクラスタの広範囲な粒径・分布を高精度に測定するイオン測定システム及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）によるイオンクラスタの電気移動度によるサイズの分級については、図２に示す原理のものが知られている。
【０００３】
この微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）を利用した従来の大気中クラスタ微粒子測定装置、例えば特開平１０−２８８６０２号公報記載の測定装置においては、シースガスの流量を一定、もしくは手動で調節し固定した流量とし、印加電圧を連続的に掃引して、特定サイズの粒径の分布ピークを２次元グラフ等で表示していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
大気中のイオンクラスタは、移動度の大きい小イオン（移動度１．０〜２．０ｃｍ／Ｓ）から移動度の小さい大イオン（移動度０．０００５〜０．００１ｃｍ／Ｓ）まで広範囲に分布し、それぞれが人体に与える効果が異なると言われている。このためイオン測定器においては、微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）によって、イオンクラスタを移動度による粒子サイズでの分級を行い、イオンサイズの粒径分布を求めることが効果的である。しかしながら、微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）の外筒径・内筒径・スリット間距離等の機械的設定値は固定であることから、シースガス流量を一定とし、印加電圧のみ可変させて大気中クラスタ微粒子を測定する従来の測定方法では、大気中の広い範囲の粒径で分布するイオンの測定及び出力結果を得ることが困難であるという問題がある。
【０００５】
また、測定環境の大気雰囲気が、測定者等の活動によって微粒子で汚染されると、大気中のイオンの存在寿命が短くなり、平均濃度も変化してしまうため、測定環境本来のイオン濃度が計測できないという問題点もある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、大気中のイオンクラスタの広範囲な粒径・分布を高精度に測定するイオン測定システム及びその測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、大気中に存在するナノメータサイズの帯電したイオンクラスタ（いわゆるマイナスイオン及びプラスイオン）の測定において、イオンクラスタを粒径ごとに分級する微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）と、微分型電気移動度分級器にガス（シースガス）を導入するための３相電源の排気ポンプと、前記排気ポンプに電源を供給する電源周波数を外部信号からの制御で変化することの出来る電源ユニットと、前記電源ユニットの電源周波数を制御するための信号を出力するコントロールサーバコンピュータとを備え、前記微分型電気移動度分級によって分級された粒径によるイオンクラスタの濃度分布分析を行うことによって達成される。
【０００８】
また前記目的は、コントロールサーバコンピュータが電源ユニットの電源周波数・電源電圧・電流値を制御し、排気ポンプの回転数を変化させて排気ガス流量を精密にコントロールし、イオンクラスタの粒径濃度分布測定を高精度に行うことによって達成される。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
【０００９】
図２は、微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）の動作原理を示す図である。この図をもとに微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）の動作原理を説明する。
【００１０】
微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）は、イオンクラスタ（帯電した微粒子）を電気移動度の違いによりサイズのそろった粒子にふるいわける装置であり、２重の円筒から構成され、内側の円筒に電圧をかけることによって、外筒と内筒間に電界を生じさせている。色々なサイズのイオンクラスタを含んだエアロゾルは、２重円筒の外筒側のスリットから導入され、イオンクラスタは２重円筒内部を流れているシースガスの共に、外内円筒間の電界の影響受けながら、中心部方向へ放物線を描きながら移動する。ここで、特定の電気移動度を持ったイオンクラスタのみが、内筒のスリットを通り抜けて取り出される。
【００１１】
内筒のスリットを通り抜けるイオンクラスタの電気移動度Ｚｐは、以下の式によって求められる。
Ｚｐ＝Ｑ・ｌｎ（Ｄ２／Ｄ１）／（２π・Ｖ・Ｌ）・・・（１）
上式（１）においてＱは微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）に導入されるシースガスの流量、Ｄ２は外筒の直径、Ｄ１は内筒の直径、Ｌは外筒スリット〜内筒スリット間の距離、Ｖは印加電圧である。
【００１２】
電気移動度Ｚｐとイオンクラスタの粒径Ｄｐとの間には次式（２）の関係がある。
Ｚｐ＝ｐ・ｅ・Ｃｃ／（３π・μ・Ｄｐ）・・・（２）
【００１３】
上式においてｐは粒子の帯電数、ｅは素電荷（１．６×１０−１９クーロン）、Ｃｃはカニンガムの滑り補正係数、μはシースガスの粘性係数である。
【００１４】
以上、式（１）、式（２）より、イオンクラスタの粒径Ｄｐがシースガスの流量Ｑおよび印加電圧Ｖにより求められる。
【００１５】
図１は本発明によるイオン測定システム及びその方法の一実施形態を示す図である。１は大気中に存在するナノメータサイズの帯電した微粒子（イオンクラスタ）を引き込み、その微粒子を電気移動度に応じて分級して取り出す装置、微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）である。微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）１は、高圧電圧を発生する高圧発生装置２によって印加された電圧値と、排気ポンプ３によって導入されたシースガスの流量の組み合わせによって特定のサイズの微粒子を分級することが出来る。ここで、高圧発生装置２により印加される電圧は、プラス側高圧・マイナス側高圧の両極を発生することができるため、この印加電圧の極性を切り替えることで、マイナスに帯電したナノメータサイズの微粒子（イオンクラスタ：いわゆるマイナスイオン）・プラスに帯電したナノメータサイズの微粒子（イオンクラスタ：いわゆるプラスイオン）どちらでも微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）１によって分級可能である。ここで、高圧発生装置２は、アナログもしくはデジタルデータによって、外部からその発生電圧をコントロールできる機能を具備している。
【００１６】
電源装置４は排気ポンプ３を駆動するための電源を供給する手段であり、供給する電源の電圧値、電流値、交流周波数を可変する機能を有し、排気ポンプ３の回転数を変化させることで排気流量を変化させることが出来る。同時に電源装置４はガス流量をおよびそれらを外部からアナログ、もしくはデジタルデータによって設定出来るようにするためのデータ入力機能を具備している。マスフローメーター５は、排気ポンプ３によるシースガス供給量を読み取りとるための手段であり、読み取られた値をアナログ、もしくはデジタルデータで外部へ出力する機能を有している。
【００１７】
電流計１０は、微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）１で分級され、内部で捕集されたイオンクラスタの帯電量を計測するための手段であり、計測値をアナログもしくはデジタルデータで外部へ出力する手段を具備している。この帯電量の大小によって大気中の特定サイズイオンクラスタの濃度分布が得られる。
【００１８】
システムコントローラ６は、マスフローメーター５と電流計１０から出力されたアナログもしくはデジタルデータをＵＳＢやＧＰ−ＩＢ等の一般的なコンピュータデータ入出力用フォーマットに変換し、外部に出力する機能を有している。同時にシステムコントローラ６は、入力されたＵＳＢやＧＰ−ＩＢ等の一般的なコンピュータ入出力用フォーマットのデータをアナログ、もしくはデジタルデータによって外部へ出力する機能を有している。システムコントローラ６から出力されるアナログ、もしくはデジタルデータは高圧発生装置２および電源装置４に入力される。ここで高圧発生装置２に入力されたデータは、高圧発生装置４から供給される発生電圧をコントロールするための手段となる。電源装置４に入力されたデータは、電源装置４から供給され排気ポンプ３を駆動し排気量を決定するための電源電圧値、電流値、電源周波数をコントロールするための手段となる。
【００１９】
コントロールサーバコンピュータ７は、ＵＳＢやＧＰ−ＩＢ等の一般的なコンピュータデータ入出力インターフェース、およびクライアントコンピュータとＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）で接続できるインターフェース、およびクライアントからの測定実行処理要求に対応するためのソフトウェアを具備し、ＵＳＢもしくはＧＰ−ＩＢ等の一般的なコンピュータデータ入出力インターフェースでシステムコントローラ６と接続されている。また、前述のコントロールサーバコンピュータ７は、測定対象のイオンクラスタ粒径に対するデータベース構造の印加電圧とガス流量の組み合わせての、測定の一連のシーケンスを示すパターンテーブルを具備し、クライアントコンピュータからの特定範囲におけるイオンクラスタ粒径濃度分布測定要求に対して、パターンテーブルを参照し、このパターンに基づいた演算をする事で測定対象となる粒径に応じて最適な印加電圧とガス流量を設定することができる。
【００２０】
以下、パターンテーブルによるイオンクラスタの濃度分布測定シーケンスの動作を示す。
【００２１】
コントロールサーバコンピュータ７によって設定された測定条件データは、システムコントローラ６を経由して、高圧発生装置２、電源装置４へセットされ、測定が開始され、測定された結果は電流計１０によって検出され、検出された値はアナログ、もしくはデジタルデータで出力され、システムコントローラ６へ入力される。システムコントローラ６は入力されたアナログ、もしくはデジタルデータを、ＵＳＢもしくはＧＰ−ＩＢ等の一般的なコンピュータデータに変換し、コントロールサーバコンピュータ７に出力する。コントロールサーバコンピュータ７は入力された値をもとに、イオンクラスタの濃度分布をプロットする。コントロールサーバコンピュータは、パターンテーブルの値に従い、次の測定条件を設定するが、プロットされた値を逐次判断することによって、場合によっては新たに別個のパターンテーブルを適用し、その値を測定条件として設定する。
【００２２】
以上のように、コントロールサーバコンピュータ７は、電流計１０の値を設定値にフィードバックさせながら、印加電圧とガス流量を総合的に制御することが出来るため、イオンクラスタが広範囲な粒径で分布している場合でも、適正なパターンテーブルにしたがって測定を行えば、精度良く濃度分布を求めることが出来る。また、パターンテーブルは、装置がデフォルトで有するテーブルを基に、測定者自身による編集で調整・保存することができるため、柔軟な運用が可能となる。
【００２３】
また、コントロールサーバコンピュータ７は、無線ＬＡＮユニット９によって、測定環境から離れた場所にあるクライアントコンピュータ８とオペレーションに関する通信を行うことが出来る。無線ＬＡＮは、その性能にもよるが、見通しのない環境、例えば屋内における１階と２階間でも通信を行うことが出来る。これにより、測定者が測定環境にいる必要が無いため、測定者による測定環境の汚染等の阻害要因が低減され、より高精度にその環境を測定することが可能となる。また、コントロールサーバコンピュータ７のサーバソフトにＷＷＷサーバ等を使用し、クライアントがＷＥＢベースでの通信が行えるように構成すると、クライアントコンピュータは特殊なソフトウェアを必要とせず、ＷＥＢブラウザのみで装置の制御、結果の出力を得ることが出来るようになるので、システムの利便性が増すことになる。
【００２４】
このように、本実施の形態をとることによって、広範囲な粒径で分布するイオンを効率的に検出するとともに、人的阻害要因を低減した環境で濃度分布測定を測定できるので、特定粒径のイオン濃度分布測定を高精度に行うことが出来る。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、大気中で広い範囲の粒径で分布するイオンクラスタの濃度分布測定を、容易かつ高精度に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオン測定システムの一実施の形態を示す図
【図２】微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）によるイオンクラスタの分級方法を示す図
【符号の説明】
１　微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）
２　高圧発生装置
３　排気ポンプ
４　電源装置
５　マスフローメータ
６　システムコントローラ
７　コントロールサーバコンピュータ
８　クライアントコンピュータ
９　無線ＬＡＮユニット
１０　電流計

Claims

大気中に存在するナノメータサイズの帯電したイオンクラスタ（いわゆるマイナスイオン及びプラスイオン）の測定において、イオンクラスタを粒径ごとに分級する微分型電気移動度分級器（ＤＭＡ）と、微分型電気移動度分級器にガス（シースガス）を導入するための３相電源の排気ポンプと、前記排気ポンプに電源を供給する電源周波数を外部信号からの制御で変化することの出来る電源ユニットと、前記電源ユニットの電源周波数を制御するための信号を出力するコントロールサーバコンピュータとを備え、前記微分型電気移動度分級によって分級された粒径によるイオンクラスタの濃度分布分析を行うことを特徴とするイオン測定システム。
前項同様、大気中に存在するナノメータサイズの帯電したイオンクラスタ（いわゆるマイナスイオン及びプラスイオン）の測定において、イオンクラスタの濃度分布分析を行う計測ユニット部と、計測ユニット部を制御するコントロールユニット部と、前記計測ユニットとコントロールユニットを無線ＬＡＮで接続する手段を具備することで、計測現場でのオペレータ操作による測定結果に対する人的阻害要因を軽減することが出来ることを特徴とするイオン測定システム。
コントロールサーバコンピュータが電源ユニットの電源周波数を制御し、排気ポンプの回転数を変化させて排気ガス流量を精密にコントロールし、イオンクラスタの粒径濃度分布測定を高精度に行うことを特徴とするイオンクラスタ（マイナスイオン及びプラスイオン）測定方法。
排気ポンプの電源を供給する電源ユニットの電源電圧または電流を制御し、排気ポンプの回転数を変化させてガス流量を精密にコントロールし、イオンクラスタの粒径濃度分布を高精度に行うことを特徴とするイオンクラスタ（マイナスイオン及びプラスイオン）測定方法。
コントロールサーバコンピュータによって、計測するイオンの粒径サイズに応じてガス流量と挿引電圧の組み合わせを自動的に演算し、組み合わせを選択する手段を有し、最適な測定条件を自動的に生成することによってイオンクラスタの粒径濃度分布を高精度に行えることを特徴とするイオンクラスタ（マイナスイオン及びプラスイオン）測定方法。