JP2004301689A - Wide-range particle counter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure aerosol with high accuracy and with high reliability over a wide particle size range. <P>SOLUTION: This wide-range particle counter 10 has partitions for separately detecting bulky particles and minute particles in the aerosol. Bulky particles are counted by an optical particle counter to determine their sizes. Minute particles are classified by a differential mobility analyzer to determine their sizes, then passed through an evaporator and a condenser, and counted. The use of the different partitions makes it possible to count and measure the wide ranging particle sizes with high accuracy and with high reliability in a single device. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、幅広い範囲の粒子サイズに亘ってエーロゾルの粒子分布を測定するための方法及び装置に関する。詳しくは、本発明は、エーロゾルと称されているガス中に浮遊した粒子の測定に関する。最もありふれた運搬ガスは空気であるが、これ以外のガス、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン、COや他のガス等も粒子浮遊の媒体であり得る。粒子は、固体、液体又はそれらの混合物であり得る。
【0002】
【従来技術】
周囲の大気中には、粒子は、直径にして約2ナノメートル(nm)から50,000nmを超えるサイズ範囲に亘って存在し得る。10nm乃至10,000nmまでの範囲の粒子が、健康及び安全性の見地から最も重要である。現在のところ、この範囲に亘って粒子を測定することができる単一装置は存在していない。本明細書に記載された幅広い範囲の粒子カウンター(WPC)は、これを可能にする。
【0003】
今のところ市販されている粒子カウンターは、作動範囲のサイズが限定されており、エーロゾルを適切に分析するためには、幾つかの異なる粒子カウンターが必要とされる。
【0004】
エーロゾルは、自然環境及び人工環境の両方で発生する。それらは、科学的研究及び技術的応用において重要である。大気中のエーロゾル粒子は、光を散乱することができ、大気の可視性に影響を及ぼすことができる。浮遊粒子は、吸い込まれたとき、肺内に堆積し、人間の健康に影響を及ぼす可能性がある。粒子源を制御することができるように、或いは該源を制御することができない場合には事前の予備措置を取ることができるように、エーロゾル粒子を測定することがしばしば必要となる。
【0005】
エーロゾルは、科学的及び技術的応用のために故意に発生されることがある。実験的な研究では、例えば、制御されたサイズ分布を備えたエーロゾルが、フィルター及び他の粒子コレクターをテストしてそれらの効率を決定するために必要とされる。医療用途では、薬品混合物は、病気治療のため肺に分配するべくエーロゾル形態で度々発生される。このとき粒子サイズ分布が重要となる。該粒子サイズは、吸引された粒子が堆積するであろう肺の特定領域を決定し、吸引されたドラッグの効果及び有効性を決定するからである。この明細書の全ての場合において、浮遊粒子を含むガスを、エーロゾルと称し、粒子の化学的性質、ガスの化学的性質、及び、それらの各々の物理的状態に関しては限定を加えない。
【0006】
現在、最も普及して使用されるエーロゾル測定器具の一つは、米国特許番号2,732,753(O’コンスキー)で最初に記載されている光学粒子カウンター(OPC)である。OPCでは、エーロゾルは、光学的散乱を引き起こすため光のビームを通過させられる。次に、各粒子から散乱された光信号は、検出され、粒子サイズに関連付けられる。OPCは、直径にして約100nmの、より低いサイズ制限までの粒子を検出することができる。このとき、幾つかの特殊なOPCは、直径にして60nm程度即ち特徴的寸法の粒子を検出するように設計された。
【0007】
別の粒子測定器具は、凝結核カウンター(CNC)であり、これは、凝結粒子カウンターとも称される。最も普及して使用されているCNCは、米国特許番号4,790,650号に基づくCNCである。このCNCでは、エーロゾルは、最初に上昇した温度で作用流体の蒸気で飽和される。典型的な作用流体は、ブチルアルコールであり、典型的な飽和器の温度は、35℃である。次に、ガスを冷却し、蒸気を粒子上に凝結させて液滴を形成するため、蒸気付着エーロゾルが、典型的に5℃に維持された凝結器を通過する。液滴は、従来のOPCと同様に、光学的散乱によりカウントされる。CNCは、OPCのより低いサイズ制限より更に小さい粒子を検出することができる。蒸気凝結により形成された液滴は、粒子それ自体よりもかなり大きく、かくして、それらを光散乱により検出することがより容易となるからである。
【0008】
CNCは、粒子をカウントすることができるだけであり、粒子サイズを測定することができないので、サイズ及び粒子カウント数の両方を決定するためには、CNCは、例えば移動度分析器等のサイズ分析装置と組み合わせられなければならない。差動移動度分析器(DMA;differential mobility analyzer)が、通常、サイズ決定のため使用される。サイズ分類のDMA法は、単一荷電粒子即ち単一電子の電荷単位を担う粒子の電気的移動度に基づいている。リウ及びピュイ(1974度)、並びに、ナトソン及びフィトビー(1975年度)は、この用途のためのDMAの開発者であった。このDMA法を説明している刊行物は、1974年4月に、コロイド及び界面化学ジャーナルの第47巻、第1号において、ベンジャミンY.H.リウ、ディビッドY.H.ピュイにより記載された、「サブミクロンのエーロゾル基準、及び、凝結核カウンターの主要絶対校正」、並びに、1975年度の「エーロゾル科学ジャーナル」の443〜451頁に、W.O.ナットソン及びK.T.フィッツビーにより記載された「電気的移動度によるエーロゾル分類:装置、理論及び応用」である。
【0009】
DMAにおける最近の改善点は、チェンらにより1999年度発行されたエーロゾル科学ジャーナル第30巻、第8番の983〜999頁に掲載された、ダ−レンチェン、ディビッドY.H.ピュイ、ジョージ W.ムルホランド及びマルコ フェルナンデスによる「DMAを用いた高解像測定のためのエーロゾル/シース入口の設計及びテスト」という記事(1995年)に記載されている。粒子直径にして50nmより小さい粒子測定のためのナノDMAの開発は、米国特許番号6,230,572号B1においてピュイらにより開示されている。これらの最近の開発は、DMA装置の精度及び範囲を更に改善した。
【0010】
サイズの分類のDMA法は、単一荷電粒子の電気的移動度が粒子サイズに逆壮観されているという事実に依拠している。単一荷電粒子を含む、あるサイズに亘る多分散系エーロゾルは、電場中でサイズに従って分類することができ、狭い範囲の電気的移動度内で、ほとんど単一分散系のエーロゾルを発生することができる。このようにして発生されたエーロゾルは、ほぼ同じサイズの粒子を含んでいる。DMAは、一般に、直径にして約500nmより小さい粒子に限定される。
【0011】
全てのエーロゾル測定器具は、それに固有のサイズ制限を確実に持っている。DMAの場合には、その制限は、大きな粒子の低い電気的移動度に起因している。粒子サイズが増加するとき、電気的移動度により粒子を分類するため必要とされる電圧も増大する。差動移動度分析で使用される通常の流量では、10,000ボルト程度の電圧が、500nmの直径で粒子を分類するために必要とされ得る。この理由のために、移動度分析は、約500nmの上限サイズを超えて使用されることはめったにない。
【0012】
他方では、OPCは、それが、減少する粒子サイズと共に一般に減少する粒子からの散乱光信号に起因して、該光信号を満足に検出することができる粒子サイズに限定される。約100nm以下では、散乱される光信号は、所謂レイリー散乱領域に移行し始める。この領域では、信号は、粒子サイズの6乗で略変動する。かくして、粒子サイズで2の減少因子は、散乱された光信号において64倍の減少をもたらす。100nmより小さい小粒子を検出することは、光源として高出力レーザー、高い開口数を備えた光学系、及び、感度の高い光検出器を使用したときでさえ、益々難しくなる。光粒子カウンターは、直径にして60nm程度の粒子を検出するため設計されたが、必要とされる設備は、一般に大きく高価である。この理由のため、高感度光学粒子カウンターは広く普及していない。
【0013】
原理的には、光学粒子カウンターを、60nmより小さい粒子を検出するため更に改善することができる。更に進歩した場合、より小さい粒子でさえ検出可能となり得る。しかし、光学粒子カウント技術における進歩は、当該技術を、幅広いサイズ範囲に亘るエーロゾル測定のためには、より有用とはさせなかった。光学粒子カウンターの設計者は、幅広い範囲の粒子カウント、及び、幅広いサイズ範囲に亘って粒子を測定するため満足されなければならない特殊な要求に関連した問題を認識してこなかった。その要求を、次の例を用いて説明する。
【0014】
周囲の大気では、エーロゾルサイズ分布は、一般にユングの法則に従う。この法則は、一定サイズより大きいエーロゾル粒子の濃度は、粒子サイズの3乗に逆比例することを規定している。50nmより大きい大気粒子濃度が、例えばcc当たり30,000粒子である場合、500nmより大きい粒子の濃度は、1,000より低い因子となり、即ちcc当たり30粒子のオーダーとなる。5,000nmより大きい粒子に対しては、その濃度は、100万倍低下し、即ち、cc当たり0.03粒子のオーダーとなる。
【0015】
大気中の大きな粒子の鋭く下降した濃度は、たとえ幅広いサイズ範囲、例えば直径にして50nmから10,000nmに亘って粒子を検出することのできる単一検出器が開発されたとしても、該検出器は、特定のサンプル流量で作動されたとき、小さな粒子範囲で非常に高い粒子カウント率、大きな粒子範囲で非常に低いカウント率を生じさせるであろうことを示している。
【0016】
例えば、毎分1リットル(lpm)即ち毎分1,000ccのサンプル流量では、毎分当たりに、50nmから500nmの直径範囲で30,000,000個の粒子を生じさせることになり、これらをカウントする必要がでてくる。そのようなカウント率は、一般に、非常に高過ぎて、現在の光学カウンター技術のカウント率限界を超えることになるであろう。他方では、検出器によりサンプリングされているとき、5,000nmより大きい範囲の粒子に対しては、毎分30カウントのみしか与えないであろう。そのような粒子カウント数は、通常、統計的な精度といった目的に対して非常に低過ぎる。
【0017】
より合理的な率で、50nm乃至500nmの範囲にある大気中の細かい粒子をカウントするためには、検出器の流量は、各分に、3,000,000個の粒子のみをカウントするだけで済むように、例えば、0.1(lpm)にまで減少させることができる。そのようなサンプリングの流量では、検出器は、5,000nmより大きい範囲の粒子を毎分3個しかカウントしないことになり、かくして、大きな粒子のカウントの統計的精度を悪化させる。他方、大きな粒子に対する統計的カウント精度を改善するため、5,000nmより大きい範囲の粒子を毎分300個カウントすることができるように、サンプリングの流量を例えば10(lpm)まで増大させた場合、50nm乃至500nmの範囲で300,000,000個の粒子をカウントすることが必要となり、かくして、細かい粒子のためのカウンターのカウント率要求を悪化させる。
【0018】
この例は、何故、OPCが幅広いサイズ範囲に亘ってエーロゾルを測定することができないか、及び、何故、従来のOPCそれ自身が、エーロゾルで関心のある全粒子サイズ範囲に亘って精度良くそのような測定することが本質的にできないかを示している。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、幅広いサイズ範囲、典型的には直径にして10nm乃至10,000nm、より広くは2nm乃至50,000nmに亘ってエーロゾル粒子を検出し測定するため適切な流量を形成して、多数のセンサーを使用する、共通のシャシ又は単一のプラットフォーム上に構築された単一の測定装置である。10nm乃至10,000nmの粒子サイズを測定する装置区分は、ワイドレンジの粒子カウンター(WPC)と称され、2nm乃至50,000nmの範囲の装置区分は、ウルトラワイドレンジ粒子カウンター(UWPC)と称される。これらの装置は、現在利用可能な装置編成を用いては可能とはならない測定を実行することを可能にする。
【0020】
本明細書で説明されたWPCは、幅広い粒子サイズ範囲を網羅する単一装置を形成するため電気的移動度分析と光学的検出とを組み合わせた、多数のセンサー又は検出器の新規な組み合わせに基づいている。各センサーは、粒子測定範囲、エーロゾル流量、サンプリングライン中の粒子損失の減少、光学的及び電気的設計の観点で最適化される。
【0021】
本発明の測定装置は、設計上単一であるが、それでもなお幅広いサイズ範囲に亘って自動的な測定を実行することができる。
下限は、好ましくは、2nm乃至20nmであり、上限は、5,000nm乃至50,000nmの間の任意箇所であり得る。
【0022】
本装置は、信頼度の高い装置作動、測定精度及び使用の容易さを確保するように作動パラメータを制御するための制御手段を備えている。
センサー、流量計、ポンプ及び他の構成部品の数は、WPCのような複雑な装置を、簡単化し、リーズナブルなコストで製造することができるように最小化されている。
【0023】
その結果として作られた、本明細書で説明される装置は、約15.9Kg(35(lbs))より少ない重量であると推定され、当該装置を小型化し、使用に便利にする。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1では、典型的なワイドレンジ粒子カウンター10が示されている。図1及び図2で示された構成要素は、該構成要素を収容するシャシ又はプラットフォーム11上に設けられている。シャシ又はプラットフォームは、該構成要素のための支持構造を形成している。後述されるコントローラは、制御又は機能ボタン11Aからのオペレータの入力を受け取ることができる。ディスプレイスクリーン11Bは、コントローラを形成する内部プロセッサ又はコンピュータからのメッセージ又は読み出しデータを表示するため設けられている。
【0025】
入口ノズル又は入口管11Cも示されており、これは内部ライン及びカウンターへと導かれる。
図1Aは、第1の好ましい実施形態に係るワイドレンジの粒子カウンター10の概略図である。粒子カウンター10は、図1に示されたシャシ又はハウジング11上に設けられている。これは、2つの光散乱粒子センサー12及び14と、差動移動度分析器16と、飽和器18と、凝結器20と、イオン化器22と、これらと連係された、ポンプ24、26、28、流量計30、32及び33と、粒子フィルター34と、を備えている。飽和器18と、凝結器20と、光散乱粒子カウンター14とは、破線により示されたように、サブアッセンブリとして作ることができる。
【0026】
第1の粒子センサー12は、一定のサイズ、典型的には直径にして300nmより大きい粗大粒子を検出するための、光散乱粒子カウンター(LPC)である。エーロゾルは、ポンプ即ち流れ発生器24によって、入口管11Cからライン38を通って、及び、LPC12を通って、流量にして毎分Qリットル(lpm)で引き込まれる。このエーロゾルの流量を測定するため、該エーロゾルの空気流れは、流量計30も通過する。流量を指し示す、流量計30からの出力信号は、光散乱粒子カウンター12を通して一定の流量Qを維持するべくポンプ24の速度を変えるためコントローラ40と連係されて使用される。
【0027】
これと同時に、第2の空気流量Qがライン38内への分岐によりライン42に形成され、その結果、同じエーロゾル源が両方の支流に形成される。ライン42内の流れは、本発明の方法により、典型的には直径にして300nmの一定制限サイズ以下の粒子を検出するため粒子を運搬する。この流れは、ポンプ26により確立される。流れQは、イオン化器22を通って流れ、ライン42は、差動移動度分析器(DMA)16に接続される。DMA16からの出力ラインは、飽和器18、凝結器20、及び、光散乱液滴カウンター(LDC)として使用される光散乱粒子センサー14に接続される。流量計32の出力は、Qを所望の値に維持するようにポンプ26の速度を変更するため電子コントローラ40と連係されて使用される。電子コントローラ40は、電源、信号及びデータ処理可能出力及び制御電子装置を有する全体システム39の一部分であってもよい。システム39は、シャシ上に取り付けられる。
【0028】
DMA16のシースフロー出口に接続された第3のポンプ28は、DMAのため必要とされるクリーンシースガスフローを提供するためDMAへと至るライン50において定常的な空気流量Qを維持する。流れセンサーと、このフローを一定値に維持するため必要とされるコントローラとは、簡潔さ及び明瞭さを図るため図示されていない。シースフローは、高電圧電極53を取り囲む環状スペース49から引き込まれる。流量Qのフロー内の望ましくない微粒子汚染物質を、該フローがシースフロー入口チャンバー51内のDMA16内に戻って導入される前に除去するためライン50内で高効率の粒子フィルター34が使用される。DMAを通過した後、シースフローQは、流れが流れループを完成させるためポンプ28の入口に行く前に、流量計33を通過する。流量計33から出力された流量信号は、一定のシースフローQを維持するようにポンプ28の速度を変更するため、電子コントローラ40と連係して使用される。
【0029】
粗大粒子検出器又はカウンター12のためのライン38における流量Qは、一般に、細かい粒子検出器又はDMA16のための流量Qより高くなければならない。大気測定のためには、10対1のQ/Qの流量比が、合理的且つ完全に達成可能である。他の用途に対して、2対1又は1対1でさえの流量比で十分であり得る。
【0030】
大気サイズ分布のユングの法則に起因して、1対1より小さい流量比、即ちQ<Qの場合、本明細書で記載された多重センサーアプローチを使用したエーロゾルサイズ分布分析にとってはあまり有用ではないであろう。図1に示された好ましい実施形態では、流量率のための典型的な値は、Q=3(lpm)、Q=0.3(lpm)である。DMA16のための典型的なクリーンシースフローの流量は、典型的且つ好ましくは、Q=3(lpm)である。
【0031】
細かい粒子検出器及び粗大粒子検出器のいずれによっても正確に測定される粒子サイズの中間範囲が存在する。この中間サイズ範囲は、90nmから600nmであり得る。それにより、200nmの公称下限を有する粗大粒子検出器に対しては、該粗大検出器は、この中間範囲内で作動していることになる。300nmの上限を有する細かい粒子検出器も、この中間範囲内で作動している。
【0032】
図1Aの実施形態に加えて、他の実施形態も使用可能である。図2は、10nmから10,000nmの粒子直径範囲に亘るエーロゾル測定のために図1に示されるようにシャシ11上に取り付けられている。この実施形態では、2つの光散乱粒子カウンター60及び62は、各々、1,000nm乃至10,000nmの直径範囲、及び、100nm乃至1,000nmの直径範囲を網羅するため使用される。光散乱液滴カウンター64として示されているCNCから構成された細かい粒子カウンターは、DMA66からライン78を通った流れを受け取る。この流れは、ライン72で直列に接続された、飽和器68及び凝結器70を通過する。細かい粒子カウンター64は、10nm乃至100nmの直径範囲を網羅するため使用される。再び、細かい粒子カウンター及び粗大粒子カウンター両方の2つのカウンターアッセンブリが、中間サイズ範囲で重複している。
【0033】
システム59への導入フローは、ライン76を通って、源77から光散乱粒子カウンター60の入口へと流量Qを運搬する。ライン76を、図1の入口管11Cに連結することができる。その出力部分は、流量計80を介してライン78に接続され、更にポンプ82の入口側に接続されている。流量計80からの流量信号は、コントローラ84に提供され、この信号は、適切な流量Qがライン76で確立されるように、ポンプ82を制御するため使用される。ポンプ82は、ライン76の入口から離れたところで大気へと戻る流れを吐出する。コントローラ84は、必要とされる機能を制御するためコンピュータに基づいて全体的な制御システム85の一部分となり得る。
【0034】
ライン86は、ライン76に接続され、カウンター60に提供される流量Qより低い流量Qを担う粒子を運搬する。流量Qが、第2の光散乱粒子カウンター62に提供される。光散乱カウンター62からの出力流れは、ポンプ90の入口に流量計88を介して接続されている。流量計88も、コントローラ84に流量信号を提供するため接続され、該コントローラは、ライン86で適切な流量Qを確立するためポンプ90を調整する。ポンプ90の出力は、入口ライン76から離れたところで再び大気に吐出される。
【0035】
ライン94は、光散乱粒子カウンター62の入力側のライン85に接続され、イオン化器96を介して差動移動度分析器66に流量Qを運搬する。流量Qは、カウンター64の出力側にあるポンプ98により確立される。該ポンプは、ライン72、カウンター64からの出力ライン100、及び、流量計102を介して、ポンプ98に流量Qを運搬する。凝結器70は、飽和器68Aにより発生された蒸気を、粒子核上に凝結させ、光散乱カウンター64によりカウントされる液滴を形成する。
【0036】
流量計102は、ライン72及び94を通る流れの所望のレベルを提供するようにポンプ98を制御するためコントローラ84に信号を提供する。ポンプ98からの流れは、大気中に吐出される。
【0037】
図2では、3つの別々のポンプ82、90及び98が示され、ガス流量Q、Q及びQをそれらの夫々の定数値に維持するため、個々の流れセンサー及びコントローラが使用される。一定ガス流量を維持する別の方法は、単一の真空ポンプにより維持されている共通の真空源に接続されている臨界オリフィスを使用することである。大気圧からガスをサンプリングするとき当該真空が大気の約1/2の圧力であるとき、当該流れは、閉塞されるようになり、一定値に達する。適切なオリフィスサイズを選択することによって、当該流量Q、Q及びQを、別々のセンサー及び可変速度ポンプ無しに、一定値に維持することができる。
【0038】
差動移動度分析器のため必要とされるシースフローは、ライン104に沿って提供され、流量Qで表される。シースフローは、DMAのチャンバー103に入り、環状シースフロー通路107を通して差し向けられ、中央高電圧電極105の回りを流れ下りる。
【0039】
流れライン104は、差動移動度分析器のシースフロー環状通路107から流量計110を通して導かれる入力ライン108を有するポンプ106の出力側から来ている。高効率フィルター112は、流量Qの流れが非常にクリーンな状態に維持されるように、ポンプ106の出力側のライン104に設けられている。流量計110も、適切な流量を確立するようにポンプ106を制御するためコントローラ84に信号を提供する。
【0040】
3つのセンサーの組み合わせ59のための夫々の粒子運搬流量は、Q、Q及びQで表され、これらの流れは、Q>Q>Qという関係を有する。本発明のこの特別の実施形態は、サイズ範囲全体に亘って統計的カウント精度を更に改善するという利点を有する。これと同時に、図2に示された実施形態の構成は、DMA66により分類されなければならない粒子のサイズ範囲を減少させ、後述されるように、DMAの中央電極105のための要求される高電圧、並びに、DMA66の物理的寸法及び重量の更なる減少をもたらす。
【0041】
図2と同じ概略図に組み立てられた粒子カウンターの更に別の実施形態では、2つの光散乱粒子カウンター60及び62を、5,000nm乃至50,000nmの直径範囲、及び、500nm乃至5,000nmの直径範囲の粒子を測定するため使用することができる。そして、細かい粒子のためのDMA−CNCの組み合わせを、10nm乃至500nmの直径範囲にある粒子を測定するため使用することができる。修正された超ワイドレンジの粒子カウンター(UWPC)のサイズ範囲は、10nm乃至50,000nmとなり、かくして、図2の特定例で示されたワイドレンジ粒子カウンターのサイズ範囲よりもっと広くすることさえできる。超ワイドレンジの図2の粒子カウンターの代替形態に関する可能となる流量は、Q=毎分30リットル(lpm)、Q=3(lpm)、及び、Q=0.3(lpm)である。シースフローQは、図2の特定形態におけるものと事実上同じままである。
【0042】
上記に加えて、他の粗大粒子及び細かい粒子センサーを、エーロゾル測定に適用されるときの個々のセンサーの基本的な制限を克服するように、組み合わせて使用することができる。このエーロゾル測定は、幾つかの場合には、ほとんど50倍、即ち、粒子サイズの直径が2nm乃至100nmのスパンに亘っており、濃度にして10倍以上、即ちcc当たり0,001粒子より少ない状態からcc当たり10を超える状態までのスパンに亘っている。本明細書で説明されたような粒子カウントセンサーを有する単一測定アッセンブリは、そのような測定を可能にする。
【0043】
組み合わせで使用されるセンサーの型式及び数を始めとする当該組み合わせを、本発明の基本的原理及びアプローチから実質的に逸脱すること無しに異なる目的及び/又は異なる用途のためにワイドレンジ粒子カウント技術の目的を達成するため、他に変更することができることがことは、粒子カウント技術の分野における当業者には明らかである。
【0044】
ワイドレンジ粒子カウンターで使用することができる、特定の光学粒子カウンターに関して、図3、図4及び図5は、2つの可能な設計を示している。図3では、当該光学センサーは、図1Aでは14、及び、図2では64で示されているもの等のCNCのための光散乱液滴カウンター(LDC)として使用される。LDCは、光源として、前方散乱光学系及びソリッドステートダイオードレーザー120を使用している。レーザー120は、ハウジング124の壁に取り付けられている、集光レンズ122を通して、コリメート光のほとんど平行なビームを投影するため、適切な投影レンズ(図示せず)を有する。レンズ122は、126で表されたレーザービームを、エーロゾルの入口ノズル128とエーロゾルの出口管130との軸線125上で合焦させる、シリンドリカルレンズである。ビーム126は、軸線125におけるその合焦点を通過した後に広がり、不透明な光吸収表面部分134を有するレンズ132に投影される。この不透明な光吸収表面部分134は、レーザービームを吸収し、かくして、レンズの中心におけるビーム停止部分として機能する。
【0045】
エーロゾルは、ノズル128を通ってLDCハウジング124内に通過される。ノズルは、その先端に向かって小さくなるようにテーパーが形成されており、エーロゾルがノズル先端に到達したとき、流れ断面積は、エーロゾルが高速度まで加速されるように、ラインの主要部分に亘って非常に小さくされている。この高速度エーロゾルは、検出されるべき粒子を含んだガスであり、合焦されたレーザービーム126を横断して通過し、出口管130を通って光散乱粒子カウンターハウジング124から流れ出る。各粒子が領域127で合焦されたレーザービームを通過するとき、該粒子は全ての方向に光を散乱する。集光レンズ132は、散乱された光を、フォトダイオード検出器136上にレンズ132により張られた該散乱光の角度範囲内に集束する。単一レンズ132が散乱光のための集光レンズとして示されているが、1より多いレンズ、即ち多数の要素レンズを、性能を改善するため集光手段として使用してもよい。
【0046】
図4及び図5では、90°の散乱光学系を使用した光学粒子センサー150が示されている。光学粒子センサー150は、散乱された光信号を検出することにより粒子のサイズを測定するため、図1A及び図2において12、60及び62で示されたもの等の光散乱粒子カウンターとして使用される。センサー150のハウジング152には、ダイオードレーザー158により生成されたビームの軸線に沿ってハウジング内のレーザービーム156を合焦させる、シリンドリカルレンズ154が取り付けられている。集光レンズ160は、ハウジング152の側壁に設けられたカラー又は管内に取り付けられており、レーザービーム合焦点164を横断して通過する粒子から散乱された光を収集する。エーロゾルは、それがレーザービーム156の合焦領域又は合焦点164を横断して通過する際には、該エーロゾルを狭い流れに狭める入口ノズル162を通してハウジング152内に運搬される。ガスの流れは、管166を通って流出する。入口ノズル162及び管166の共通軸は、集光レンズ160の軸に90°をなしている。
【0047】
粒子から散乱された光は、該粒子が合焦されたレーザービームを通過したときレーザービームから略90°の方向に光信号を提供する。これらの散乱された光の信号は、集光レンズ160により集光され、フォトダイオード検出器168により検出される。ハウジングの遠い方の端部壁にある円錐空洞部169が、レーザー光ビーム156を受け取るため開放しており、レーザー光を吸収するための光トラップとして機能する。各粒子が、レーザービーム156の合焦領域164を横切るとき、粒子から散乱された光信号は、フォトダイオード検出器168により検出される。なお、レンズ160は、レーザービームの合焦点を通過した粒子から散乱した光がフォトダイオード検出器168の検出表面に到達するべく差し向けられるように合焦されている。
【0048】
図3に示された前方散乱光学系、並びに、図4及び図5の90°散乱光学センサーの両方を備えた光学粒子センサーを、粒子から散乱された光を検出するため使用することができる。しかし、粒子のサイズ調整のために、レーザービームの光軸からの前方方向の一定の狭い角度内に散乱された光、換言すればレーザービームと略同じ方向に進行するか又はレーザービームの進行方向から小さい角度しか逸れていない散乱光を排除する光散乱光学系を使用することが一般には好ましい。
【0049】
前方方向に散乱された光信号の集光を最大にする前方散乱光学系を備えた光散乱粒子センサーは、より感度が高いが、粒子サイズの単価関数ではない散乱信号を引き起こす。ミー散乱として知られたこの現象は、測定された粒子サイズに曖昧さを引き起こしかねない。この理由のために、90°散乱光学系を備えた光散乱粒子センサー(図4及び図5)、又は、例えば30°、45°、60°等の有限角度に配置された集光レンズの光軸を備えた光散乱粒子センサーが好ましい。集光光学系が光ビームの前方方向近傍に散乱された光信号を排除するように設計されている場合には、レンズの代わりにミラーを使用した光散乱粒子センサーも使用することができる。
【0050】
図1Aに示す、ポンプ26により確立された流量Qの空気流れは、イオン化器22、DMA16、飽和器18、凝結器22及び光散乱液滴カウンター14を通過する。イオン化器22は、通常、例えば放射性クリプトン85又はポロニウム210等の小さな低レベルの放射性源を含んでいる。イオン化源から放出された、α線、β線又はγ線が、空気(ガス)分子をイオン化させる。次に、イオン化ガス分子は、低レベルの電荷を粒子上に現れさせるため、エーロゾル粒子と衝突する。
【0051】
荷電粒子が、ボルツマン平衡と称される、イオンとの電荷平衡の状態に達したとき、荷電粒子は、ガス中で総計した粒子(電荷を帯びた粒子及び電荷を帯びていない粒子)とある一定の関係を持っている。ボルツマン平衡では、特定サイズを持ち且つ例えば単一電荷を担う粒子は、ガス中の当該サイズを持つ粒子の合計数に対して固定した比率を占める。この比率は、理論から知られているので、当該サイズの単一荷電粒子を測定することによって、ガス中で当該サイズを持つ粒子の総数を決定することができる。
【0052】
電気的移動度によるエーロゾル分類のための差動移動度分析器には、様々な設計が存在している。DMAの作動の基本原理が周知されている。DMAのための好ましい設計の概略図が、図6の180において示されている。図6に示されたDMAは、図1A及び図2におけるDMAの16及び66の好ましい形態であることが理解されるべきである。この設計では、電極を形成している、中央金属シリンダー182は、外側管状主要シリンダー184と、その入れ子になったより短い外側シリンダー186と同心である。内側及び外側シリンダー182、184及び186は、内側シリンダー182と外側シリンダー184及び186との間に環状スペース200において径方向の電場を確立するため選択された、夫々異なる電位が形成されている。内側金属電極シリンダー182は、高電圧Vに保持され、それが入れ子にされている外側シリンダー184及び186は設置されている。外側シリンダー184及び186は、同じ内径を持ち、これにより、それらの内側表面は、均一な内側直径の単一シリンダー表面を形成している。内側シリンダー182は、上側絶縁支持部181及び下側絶縁支持部183に支持されている。かくして、中央高電圧電極は、外側金属シリンダーから絶縁されている。
【0053】
ボルツマン電荷平衡で粒子を運搬する多分散系エーロゾル源188は、DMA180の頂部でエーロゾル入口190内へと導入される。エーロゾル入口は、シースフロー入口から分離されている。この多分散系エーロゾルは、外側シリンダー184及び186の端部壁の間の通路を形成する、水平ギャップスペース192内で径方向外側に流れる。次に、エーロゾルは、短い外側シリンダー186と、主要外側シリンダー184の上側部分と、の間で短い上側環状スペース194を通過し、シリンダー186の下側端部と、主要外側シリンダー184の内部に形成された肩部198との間のギャップ即ちスペース196を通って現れる。エーロゾルは、シリンダー184の内側表面202と、内側高電圧電極シリンダー182の外側表面204との間の環状スペース200へと流れ込む。径方向の電場は、表面202及び204の間で確立され、移動度分類のため使用される。
【0054】
前述されたように、移動度分類のため必要とされるクリーンなシースガスの流れは、源206から主要外側シリンダー184の頂部壁210内のクリーンシースフロー入口管208を通ってDMA内へと導入される。管208は、チャンバー192を横切ってシースガスフローを運搬する。シースガスフローは、環状スペース200の断面領域に亘って均等に流れを分配する、細かいメッシュスクリーン212を通過し、スクリーン212の下方で層流を確立する。この層状のシースガスフローがスリット196を通って現れる多分散系エーロゾルフローと合流するとき、当該フローは、単一層流流れを形成するため結合し、高電圧中央電極シリンダー182と、接地されたシリンダー184及び186との間の環状スペース200を流れ下りる。
【0055】
環状スペース200内のフローの一部分は、中央電極182内のスリット即ち通路220を通って出ることができる。この通路220は、絶縁支持部182を通して開放されて粒子カウンターへと導く、中央電極内の出口ボア222に接続されている。加えて、支持部183のフランジ226内に幾つかの間隔を隔てた出口孔224が存在する。フランジ226は、孔224を除いて環状通路200を遮蔽するように機能する。次に、フローは、絶縁支持部183により形成された端部壁230内の開口228から出る。
【0056】
内側シリンダー182の高電圧の極性とは反対の電気極性を有する電荷を備えた、多分散系の源188からの粒子は、シリンダーに吸引される。中央電極が正の極性を備えている場合、内側高電圧電極シリンダー182の外側表面204に吸引される荷電粒子は、負に帯電されている。源188からの荷電粒子がシリンダー表面202及び204の間のスペース200内の層流を横切って移動し、通過するとき、これらの粒子は、分類され、即ち、電気的移動度に従って分離される。高い電気的移動度を備えた小さい粒子は、より大きい粒子より迅速に層状シースフローを通って移動し、小さい粒子は、出口スリット220の上方でシリンダー182の外側表面204上に堆積される。より低い移動度を備え、より低い速度で移動する、選択されたサイズより大きい粒子は、シリンダー198の外側表面204には到達しない。これらのより大きい粒子(設計のカットオフサイズより大きい)は、下側絶縁支持部183のフランジ226内のフロー分布孔224を通ってフロー充満室227へ過剰なフローの状態で運搬され、開口228を通して排出される。
【0057】
出口スリット220を通って引き込まれる、小さいエーロゾルガスフローが存在する。このフローは、流れ発生手段、図1A及び図2に示されたように、各々、ポンプ26及び98により発生される。電気的移動度の狭い範囲内の、かくして狭いサイズ範囲内にある粒子は、スリット220の付近に偏向され、発生された小さい空気フローにより単一分散系エーロゾルとして出口通路222へと運搬される。
【0058】
エーロゾルのサイズ分布分析のために、内側電極182上の高電圧は、電圧コントローラ234を用いて一連の電圧値を通して調整される。各高電圧のセッティングにおいて、出口における単一分散系の粒子は、図1A及び図2に示されたように、飽和器、凝結器及び光散乱液滴カウンターを備える、CNCによりカウントされる。次に、エーロゾルのサイズ分布を与えるため、その結果を分析することができる。
【0059】
CNC内の飽和器18及び68等の飽和器は、作用流体、通常は液体形態にあるブチルアルコールで飽和された多孔性材料から作られており、源240から取られるものとして示されている(図1A及び図2の両方)。多孔性材料は、ヒーター242を用いて典型的には35度の適切な高温度に維持される。図1及び図2の通路18A及び68A等の多孔性材料内の通路は、該通路を通過するエーロゾルが、通過時に作用流体の蒸気で加熱され、飽和されることを可能にする。
【0060】
凝結器20及び70は、クーラー244を用いて典型的には5℃の低温度に維持された個体金属ブロック内の1つ以上のフロー通路から構成されている。加熱され蒸気を帯びたエーロゾルが凝結器20又は70を通過するとき、ガスは冷却し、蒸気又はガスを過飽和状態にする。過飽和蒸気は、エーロゾル内の粒子上で凝結し、液滴を形成し、夫々の光散乱液滴カウンター114及び64により検出される。形成された液滴は、粒子より大きく、より容易にカウントされる。
【0061】
WPCを使用したワイドレンジの粒子分析の目的は、その全体的な粒子サイズ範囲のほとんどに亘ってエーロゾルを特徴付けることであるので、サイズ分布分析のためのWPCにより、引き込まれたサンプルは、分析されるべき大気の代表的サンプルであることが重要である。大気のエーロゾル測定のため、同じ共通の入口を通してエーロゾルサンプルの総合したフローを引き込み、この合計フローを、図1Aに示された夫々の粗大粒子及び細かい粒子の検出器によりサイズ分布分析のため、2つのサブ部分、Q及びQに分割することが通常は好ましい。分析されるべき大気が、均一に分布された空気で運搬される粒子を備えた部屋の内部空間である場合、2つの別々の粒子カウンターによる分析のため別々のサンプリング入口を通してサンプルフローQ及びQを引き込んでも差し支えない。大気は、部屋全体で略均一であるからである。
【0062】
粗大粒子の検出のため図1AのサンプルフローQは、分析用に直径にして10,000nmまでの粗大粒子を運搬するので、サンプリング入口と、粗大粒子カウンター内の粒子検出領域との間のフロー通路を比較的短くすることが好ましい。加えて、フローの方向が変化したとき起こり得る粒子慣性に起因したサンプリングライン内の粒子堆積を回避するため、サンプルフローがフロー方向にほとんど変化を受けないように、例えばライン38等のフロー通路を比較的直線に設計することが重要である。
【0063】
他方では、200nmの典型的な上限粒子サイズで、細かい粒子検出器による検出のため、粒子を運搬する空気フローQに関しては、サンプリング及び輸送の間における粒子損失に対する懸念がより少ない。Qのためのサンプリングライン42を比較的長くすることができ、1つ、2つ、又は、それ以上の90°の曲がり部分を含むことができる。好ましい実施形態を示す、図1の概略流れ図は、これを如何に達成することができるかを示している。粗大粒子フローQは、フロー方向への実質的な変化無しに、ライン38に沿って直接、粗大粒子検出器に流入することが示されている。これに対し、細かい粒子フローQは、ライン42で入口からサンプリングされ、DMA16を始めとする細かい粒子検出器の入口に入る前に2回の90°の曲がりを経験する。
【0064】
本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者ならば、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、これに対する変更を慣例的に詳細になし得ることを認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、シャシ又はハウジングを示すワイドレンジの粒子カウンター器具を現す概略図である。
【図1A】図1Aは、本発明の一実施形態の概略図である。
【図2】図2は、異なるセンサー構成を使用した、本発明の第2の実施形態の概略図である。
【図3】図3は、本発明の粒子カウンターで使用される光散乱液滴カウンターの一態様の断面図である。
【図4】図4は、レーザービームに対して90°をなす集光アダプターを使用する、本発明で使用される光学粒子センサーの断面図である。
【図5】図5は、図4のライン5−5に沿って取られた、図4の光学粒子カウンターの頂部断面図である。
【図6】図6は、本発明で使用される差動移動度分析器の断面図である。
【符号の説明】
10 ワイドレンジ粒子カウンター
11 シャシ又はプラットフォーム
11A 制御又は機能ボタン
11B ディスプレイスクリーン
11C 入口ノズル又は入口管
12、14 光散乱粒子センサー
16 差動移動度分析器
18、18A 飽和器
20 凝結器
22 イオン化器
24、26、28 ポンプ
30、32、33 流量計
34 粒子フィルター
38 ライン
39 電源、信号及びデータ処理可能出力及び制御電子装置を有する全体システム
40 コントローラ
42 ライン
49 環状スペース
50 ライン
51 シースフロー入口チャンバー
53 高電圧電極
59 システム
60、62 光散乱粒子カウンター
64 光散乱液滴カウンター
66 DMA
68、68A 飽和器
70 凝結器
72 ライン
76 ライン
77 エーロゾル源
78 ライン
80 流量計
82 ポンプ
84 コントローラ
85 全体的制御システム
86 ライン
88 流量計
90 ポンプ
94 ライン
96 イオン化器
98 ポンプ
100 出力ライン
102 流量計
103 チャンバー
104 ライン
105 中央高電圧電極
106 ポンプ
107 環状シースフロー通路
108 入力ライン
110 流量計
112 高効率フィルター
114 光散乱液滴カウンター
120 ソリッドステートダイオードレーザー
122 集光レンズ
124 ハウジング
125 軸線
126 レーザービーム
127 領域
128 エーロゾルの入口ノズル
130 エーロゾルの出口管
132 集光レンズ
134 不透明な光吸収表面部分
136 フォトダイオード検出器
150 光学粒子センサー
152 ハウジング
154 シリンドリカルレンズ
156 レーザービーム
158 ダイオードレーザー
160 集光レンズ
162 入口ノズル
164 レーザービーム合焦点
166 管
168 フォトダイオード検出器
169 円錐空洞部
180 DMA
181 上側絶縁支持部
182 中央金属シリンダー
183 下側絶縁支持部
184 外側管状主要シリンダー
186 外側シリンダー
188 多分散系エーロゾル源
190 エーロゾル入口
192 水平ギャップスペース
194 上側環状スペース
196 ギャップ/スリット
198 肩部
200 環状スペース
202 内側表面
204 外側表面
206 クリーンシースフロー源
208 クリーンシースフロー入口管
210 頂部壁
212 メッシュスクリーン
220 通路/出口スリット
222 ボア/出口通路
224 出口孔
226 フランジ
227 フロー充満室
228 開口
230 端部壁
234 電圧コントローラ
240 液体源
242 ヒーター
244 クーラー
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for measuring aerosol particle distribution over a wide range of particle sizes. In particular, the invention relates to the measurement of particles suspended in a gas called an aerosol. The most common carrier gas is air, but other gases such as nitrogen, helium, argon, CO 2 And other gases and the like may be a medium for particle suspension. The particles can be solids, liquids or mixtures thereof.
[0002]
[Prior art]
In the surrounding atmosphere, particles can be present in a size range from about 2 nanometers (nm) to over 50,000 nm in diameter. Particles in the range from 10 nm to 10,000 nm are most important from a health and safety point of view. At present, there is no single device capable of measuring particles over this range. The wide range of particle counters (WPCs) described herein make this possible.
[0003]
Currently, commercially available particle counters have a limited working range size, and several different particle counters are required to properly analyze aerosols.
[0004]
Aerosols occur in both natural and man-made environments. They are important in scientific research and technical applications. Aerosol particles in the atmosphere can scatter light and affect the visibility of the atmosphere. Suspended particles, when inhaled, accumulate in the lungs and can affect human health. It is often necessary to measure aerosol particles so that the source of the particles can be controlled or, if the source cannot be controlled, advance precautions can be taken.
[0005]
Aerosols can be generated intentionally for scientific and technical applications. In experimental studies, for example, aerosols with a controlled size distribution are needed to test filters and other particle collectors to determine their efficiency. In medical applications, drug mixtures are often generated in aerosol form for distribution to the lungs for treatment of disease. At this time, the particle size distribution is important. Because the particle size determines the specific area of the lung where the inhaled particles will accumulate, and determines the effectiveness and effectiveness of the inhaled drug. In all cases in this specification, a gas containing suspended particles is referred to as an aerosol, and there is no limitation as to the chemistry of the particles, the chemistry of the gas, and the physical state of each of them.
[0006]
Currently, one of the most widely used aerosol measuring instruments is the Optical Particle Counter (OPC) first described in US Pat. No. 2,732,753 (O'Consky). In OPC, an aerosol is passed through a beam of light to cause optical scattering. Next, the light signal scattered from each particle is detected and correlated to the particle size. OPC can detect particles down to lower size limits of about 100 nm in diameter. At this time, some special OPCs were designed to detect particles of about 60 nm in diameter or characteristic size.
[0007]
Another particle measurement instrument is a condensation nucleus counter (CNC), which is also referred to as a condensation particle counter. The most widely used CNC is that based on U.S. Pat. No. 4,790,650. In this CNC, the aerosol is initially saturated with the working fluid vapor at an elevated temperature. A typical working fluid is butyl alcohol and a typical saturator temperature is 35 ° C. The vapor-deposited aerosol then passes through a condenser, typically maintained at 5 ° C., to cool the gas and condense the vapor onto the particles to form droplets. Droplets are counted by optical scattering as in conventional OPC. The CNC can detect particles even smaller than the lower size limit of OPC. The droplets formed by vapor condensation are much larger than the particles themselves, thus making them easier to detect by light scattering.
[0008]
Since the CNC can only count particles and cannot measure the particle size, to determine both size and particle count, the CNC requires a size analyzer, such as a mobility analyzer. Must be combined with A differential mobility analyzer (DMA) is typically used for sizing. The DMA method of size classification is based on the electrical mobility of a single charged particle, ie, a particle that carries a single electron charge unit. Riu and Puy (1974 degrees), and Natson and Phytoby (1975) were developers of DMAs for this application. A publication describing this DMA method was published in April 1974 in the Journal of Colloids and Surface Chemistry, Vol. 47, No. 1 in Benjamin Y. H. Liu, David Y. H. See, "Submicron Aerosol Standard and Major Absolute Calibration of Condensation Nuclei Counters", described by Puy, and in the 1975 Journal of the Aerosol Science, pages 443-451. O. Natson and K.S. T. "Aerosol Classification by Electrical Mobility: Devices, Theory and Applications" described by Fitzby.
[0009]
Recent improvements in DMA can be found in Darrenchen, David Y., published in the Aerosol Science Journal Vol. 30, No. 8, pages 983-999, published by Chen et al. H. Puy, George W. An article by Murholand and Marco Fernandez, "Design and Testing of Aerosol / Sheet Entrance for High-Resolution Measurements Using DMA" (1995). The development of nano-DMA for particle measurements below 50 nm in particle diameter is disclosed by Puy et al. In US Pat. No. 6,230,572 B1. These recent developments have further improved the accuracy and range of DMA devices.
[0010]
The DMA method of size classification relies on the fact that the electrical mobility of a single charged particle is inversely related to particle size. Polydisperse aerosols over a certain size, including single charged particles, can be classified according to size in an electric field and can generate almost monodisperse aerosols within a narrow range of electrical mobilities. it can. The aerosol thus generated contains particles of approximately the same size. DMA is generally limited to particles smaller than about 500 nm in diameter.
[0011]
All aerosol measuring instruments do have their own size limitations. In the case of DMA, the limitation is due to the low electrical mobility of the large particles. As the particle size increases, the voltage required to sort the particles by electrical mobility also increases. At normal flow rates used in differential mobility analysis, voltages on the order of 10,000 volts may be required to classify particles with a diameter of 500 nm. For this reason, mobility analysis is rarely used above the upper limit size of about 500 nm.
[0012]
On the other hand, OPC is limited to the particle size at which it can be detected satisfactorily due to the scattered light signal from the particle which generally decreases with decreasing particle size. Below about 100 nm, the scattered light signal starts to shift to the so-called Rayleigh scattering region. In this region, the signal fluctuates approximately at the sixth power of the particle size. Thus, a reduction factor of 2 in particle size results in a 64-fold reduction in the scattered light signal. Detecting small particles smaller than 100 nm becomes increasingly difficult, even when using high power lasers, optics with high numerical apertures, and sensitive photodetectors as light sources. Light particle counters have been designed to detect particles of about 60 nm in diameter, but the equipment required is generally large and expensive. For this reason, high sensitivity optical particle counters are not widespread.
[0013]
In principle, the optical particle counter can be further improved to detect particles smaller than 60 nm. With further advances, even smaller particles may be detectable. However, advances in optical particle counting technology have made it less useful for aerosol measurements over a wide size range. Optical particle counter designers have not recognized the problems associated with a wide range of particle counts and the special requirements that must be met to measure particles over a wide range of sizes. The request will be described using the following example.
[0014]
In the surrounding atmosphere, the aerosol size distribution generally follows Jung's law. This law stipulates that the concentration of aerosol particles larger than a certain size is inversely proportional to the cube of the particle size. If the concentration of atmospheric particles greater than 50 nm is, for example, 30,000 particles per cc, the concentration of particles greater than 500 nm will be a factor below 1,000, ie on the order of 30 particles per cc. For particles larger than 5,000 nm, the concentration is reduced by a factor of one million, ie, on the order of 0.03 particles per cc.
[0015]
The sharply falling concentration of large particles in the atmosphere means that even if a single detector has been developed that can detect particles over a wide size range, for example from 50 nm to 10,000 nm in diameter, Shows that when operated at a particular sample flow rate, it will produce a very high particle count rate for small particle ranges and a very low count rate for large particle ranges.
[0016]
For example, a sample flow rate of 1 liter per minute (lpm) or 1,000 cc per minute would result in 30,000,000 particles per minute in the 50 nm to 500 nm diameter range, which would be counted. You need to do it. Such count rates will generally be too high and exceed the count rate limits of current optical counter technology. On the other hand, particles sampled over 5,000 nm will only give 30 counts per minute when sampled by the detector. Such particle counts are usually too low for purposes such as statistical accuracy.
[0017]
At a more reasonable rate, to count fine particles in the atmosphere in the range of 50 nm to 500 nm, the detector flow rate only needs to count 3,000,000 particles per minute. For example, it can be reduced to 0.1 (lpm). At such a sampling flow rate, the detector will only count three particles per minute in the range greater than 5,000 nm, thus degrading the statistical accuracy of large particle counting. On the other hand, in order to improve the statistical counting accuracy for large particles, if the sampling flow rate is increased, for example to 10 (lpm), so that 300 particles per minute in the range greater than 5,000 nm can be counted It is necessary to count 300,000,000 particles in the range of 50 nm to 500 nm, thus exacerbating the counting rate requirement of the counter for fine particles.
[0018]
This example illustrates why OPC cannot measure aerosols over a wide size range, and why conventional OPCs themselves do so accurately over the entire particle size range of interest in aerosols. It shows whether it is essentially impossible to make any measurements.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides multiple flow rates by forming suitable flow rates for detecting and measuring aerosol particles over a wide size range, typically 10 nm to 10,000 nm in diameter, and more broadly 2 nm to 50,000 nm. A single measurement device built on a common chassis or single platform using sensors. Devices that measure particle sizes from 10 nm to 10,000 nm are referred to as wide-range particle counters (WPCs), and devices that range from 2 nm to 50,000 nm are referred to as ultra-wide-range particle counters (UWPCs). You. These devices make it possible to perform measurements that are not possible with currently available device configurations.
[0020]
The WPC described herein is based on a novel combination of multiple sensors or detectors that combines electrical mobility analysis and optical detection to form a single device covering a wide range of particle sizes. ing. Each sensor is optimized in terms of particle measurement range, aerosol flow rate, reduction of particle loss in the sampling line, optical and electrical design.
[0021]
The measurement device of the present invention is single in design, but can still perform automatic measurements over a wide size range.
The lower limit is preferably between 2 nm and 20 nm, and the upper limit may be anywhere between 5,000 nm and 50,000 nm.
[0022]
The device is provided with control means for controlling operating parameters to ensure reliable device operation, measurement accuracy and ease of use.
The number of sensors, flow meters, pumps and other components is minimized so that complex devices such as WPCs can be manufactured at a simplified and reasonable cost.
[0023]
The resulting device described herein is estimated to weigh less than about 35 pounds, making the device compact and convenient to use.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In FIG. 1, a typical wide-range particle counter 10 is shown. The components shown in FIGS. 1 and 2 are provided on a chassis or platform 11 that accommodates the components. The chassis or platform forms the support structure for the component. The controller described below can receive an operator input from the control or function button 11A. The display screen 11B is provided for displaying a message or read data from an internal processor or a computer forming the controller.
[0025]
An inlet nozzle or tube 11C is also shown, which leads to internal lines and counters.
FIG. 1A is a schematic diagram of a wide-range particle counter 10 according to the first preferred embodiment. The particle counter 10 is provided on the chassis or housing 11 shown in FIG. This includes two light scattering particle sensors 12 and 14, a differential mobility analyzer 16, a saturator 18, a condenser 20, an ionizer 22, and pumps 24, 26, 28 associated therewith. , Flow meters 30, 32 and 33 and a particle filter 34. The saturator 18, condenser 20 and light scattering particle counter 14 can be made as a sub-assembly, as indicated by the dashed lines.
[0026]
The first particle sensor 12 is a light scattering particle counter (LPC) for detecting coarse particles of a certain size, typically larger than 300 nm in diameter. The aerosol is pumped by the pump or flow generator 24 from the inlet line 11C through line 38 and through the LPC 12 at a flow rate of Q / min. 1 Pulled in liters (lpm). To measure the aerosol flow, the aerosol air flow also passes through a flow meter 30. The output signal from the flow meter 30, which indicates the flow rate, passes through the light scattering 1 Used in conjunction with the controller 40 to change the speed of the pump 24 to maintain
[0027]
At the same time, the second air flow rate Q 2 Is formed in line 42 by branching into line 38, so that the same aerosol source is formed in both tributaries. The flow in the line 42 carries particles according to the method of the present invention to detect particles below a certain restricted size, typically 300 nm in diameter. This flow is established by the pump 26. Flow Q 2 Flows through the ionizer 22 and the line 42 is connected to the differential mobility analyzer (DMA) 16. The output line from DMA 16 is connected to a saturator 18, a condenser 20, and a light scattering particle sensor 14 used as a light scattering droplet counter (LDC). The output of the flow meter 32 is Q 2 Is used in conjunction with the electronic controller 40 to change the speed of the pump 26 to maintain the desired value. The electronic controller 40 may be part of an overall system 39 having power, signal and data capable output and control electronics. System 39 is mounted on the chassis.
[0028]
A third pump 28 connected to the sheath flow outlet of DMA 16 provides a constant air flow Q in line 50 to DMA to provide the required clean sheath gas flow for DMA. 3 To maintain. The flow sensor and the controllers required to maintain this flow at a constant value are not shown for brevity and clarity. The sheath flow is drawn from an annular space 49 surrounding the high voltage electrode 53. Flow Q 3 A high efficiency particle filter 34 is used in line 50 to remove unwanted particulate contaminants in the flow before the flow is introduced back into the DMA 16 in the sheath flow inlet chamber 51. After passing through DMA, sheath flow Q 3 Passes through flow meter 33 before the flow goes to the inlet of pump 28 to complete the flow loop. The flow signal output from the flow meter 33 has a constant sheath flow Q 3 Used in conjunction with the electronic controller 40 to change the speed of the pump 28 to maintain
[0029]
Flow Q in line 38 for coarse particle detector or counter 12 1 Is generally the flow rate Q for a fine particle detector or DMA 16 2 Must be higher. For atmospheric measurements, a 10 to 1 Q 1 / Q 2 Is reasonably and completely achievable. For other applications, a flow ratio of 2: 1 or even 1: 1 may be sufficient.
[0030]
Due to Jung's law of the atmospheric size distribution, the flow ratio less than 1 to 1, ie Q 1 <Q 2 Would not be very useful for aerosol size distribution analysis using the multiple sensor approach described herein. In the preferred embodiment shown in FIG. 1, a typical value for the flow rate is Q 1 = 3 (lpm), Q 2 = 0.3 (lpm). A typical clean sheath flow rate for DMA 16 is typically and preferably Q 3 = 3 (lpm).
[0031]
There is an intermediate range of particle sizes that can be accurately measured by both fine and coarse particle detectors. This intermediate size range can be from 90 nm to 600 nm. Thereby, for a coarse particle detector having a nominal lower limit of 200 nm, the coarse detector will be operating in this intermediate range. Fine particle detectors with an upper limit of 300 nm also operate within this intermediate range.
[0032]
In addition to the embodiment of FIG. 1A, other embodiments can be used. FIG. 2 is mounted on a chassis 11 as shown in FIG. 1 for aerosol measurement over a particle diameter range of 10 nm to 10,000 nm. In this embodiment, two light scattering particle counters 60 and 62 are used to cover a diameter range of 1,000 nm to 10,000 nm and a diameter range of 100 nm to 1,000 nm, respectively. A fine particle counter composed of a CNC, shown as a light scattering droplet counter 64, receives the flow from DMA 66 through line 78. This stream passes through a saturator 68 and a condenser 70 connected in series by line 72. A fine particle counter 64 is used to cover the diameter range from 10 nm to 100 nm. Again, the two counter assemblies, both the fine and coarse particle counters, overlap in the mid-size range.
[0033]
The inlet flow to the system 59 passes through line 76 from source 77 to the entrance of light scattering particle 1 Transport. Line 76 can be connected to inlet tube 11C of FIG. The output portion is connected to a line 78 via a flow meter 80, and further connected to the inlet side of a pump 82. The flow signal from the flow meter 80 is provided to the controller 84, which signals the appropriate flow rate Q 1 Is used to control the pump 82 so that is established at line 76. The pump 82 discharges a flow returning to the atmosphere away from the inlet of the line 76. The controller 84 can be part of an overall control system 85 based on a computer to control the required functions.
[0034]
Line 86 is connected to line 76 and provides a flow rate Q provided to counter 60. 1 Lower flow rate Q 2 To carry the particles. Flow Q 2 Is provided to the second light scattering particle counter 62. The output flow from the light scattering counter 62 is connected to the inlet of a pump 90 via a flow meter 88. A flow meter 88 is also connected to provide a flow signal to a controller 84, which controls the appropriate flow rate Q on line 86. 2 Adjust pump 90 to establish The output of the pump 90 is discharged to the atmosphere again at a distance from the inlet line 76.
[0035]
The line 94 is connected to a line 85 on the input side of the light scattering particle counter 62, and is connected to a differential mobility analyzer 66 via an ionizer 96 to obtain a flow rate Q. 3 Transport. Flow Q 3 Is established by the pump 98 at the output of the counter 64. The pump provides a flow rate Q to pump 98 via line 72, output line 100 from counter 64, and flow meter 102. 3 Transport. Condenser 70 condenses the vapor generated by saturator 68A onto the particle nuclei to form droplets counted by light scattering counter 64.
[0036]
Flow meter 102 provides a signal to controller 84 to control pump 98 to provide the desired level of flow through lines 72 and 94. The flow from the pump 98 is discharged into the atmosphere.
[0037]
In FIG. 2, three separate pumps 82, 90 and 98 are shown and the gas flow Q 1 , Q 2 And Q 3 To maintain their respective constant values, individual flow sensors and controllers are used. Another way to maintain a constant gas flow is to use a critical orifice connected to a common vacuum source maintained by a single vacuum pump. When sampling the gas from atmospheric pressure, when the vacuum is at about half the pressure of the atmosphere, the flow becomes blocked and reaches a constant value. By selecting an appropriate orifice size, the flow rate Q 1 , Q 2 And Q 3 Can be maintained at a constant value without a separate sensor and variable speed pump.
[0038]
The required sheath flow for the differential mobility analyzer is provided along line 104 and the flow rate Q 4 Is represented by Sheath flow enters the DMA chamber 103 and is directed through the annular sheath flow passage 107 and flows down the central high voltage electrode 105.
[0039]
The flow line 104 comes from the output of a pump 106 having an input line 108 leading from a sheath flow annular passage 107 of the differential mobility analyzer through a flow meter 110. The high efficiency filter 112 has a flow rate Q 4 Is provided in the line 104 on the output side of the pump 106 so that the flow of the air is kept very clean. Flow meter 110 also provides a signal to controller 84 to control pump 106 to establish an appropriate flow rate.
[0040]
The respective particle delivery flow rate for the three sensor combination 59 is Q 1 , Q 2 And Q 3 These flows are represented by Q 1 > Q 2 > Q 3 It has the relationship This particular embodiment of the invention has the advantage of further improving the statistical counting accuracy over the entire size range. At the same time, the configuration of the embodiment shown in FIG. 2 reduces the size range of particles that must be classified by the DMA 66 and, as described below, the required high voltage for the central electrode 105 of the DMA. , And further reduces the physical size and weight of DMA66.
[0041]
In yet another embodiment of a particle counter assembled in the same schematic diagram as FIG. 2, two light scattering particle counters 60 and 62 are provided with a diameter range of 5,000 nm to 50,000 nm and a diameter range of 500 nm to 5,000 nm. It can be used to measure particles in the diameter range. The DMA-CNC combination for fine particles can then be used to measure particles in the diameter range from 10 nm to 500 nm. The size range of the modified ultra-wide-range particle counter (UWPC) is between 10 nm and 50,000 nm, and thus can even be much wider than the size range of the wide-range particle counter shown in the specific example of FIG. The possible flow rates for the ultra wide range alternative to the particle counter of FIG. 1 = 30 liters per minute (lpm), Q 2 = 3 (lpm) and Q 3 = 0.3 (lpm). Sheath flow Q 4 Remains virtually the same as in the particular embodiment of FIG.
[0042]
In addition to the above, other coarse and fine particle sensors can be used in combination to overcome the fundamental limitations of individual sensors when applied to aerosol measurements. This aerosol measurement is, in some cases, almost 50 times, ie, particle size diameter spans a span of 2-100 nm, and more than 10 times concentration, ie, less than 0.001 particles per cc. From 10 per cc 7 Over the span up to the state exceeding. A single measurement assembly with a particle count sensor as described herein allows for such a measurement.
[0043]
The combination, including the type and number of sensors used in the combination, can be used to provide wide-range particle counting techniques for different purposes and / or different applications without substantially departing from the basic principles and approaches of the present invention. It will be apparent to one skilled in the art of particle counting technology that other modifications may be made to achieve the purpose of
[0044]
For certain optical particle counters that can be used in wide-range particle counters, FIGS. 3, 4 and 5 show two possible designs. In FIG. 3, the optical sensor is used as a light scattering droplet counter (LDC) for the CNC, such as that shown at 14 in FIG. 1A and at 64 in FIG. LDC uses forward scattering optics and a solid state diode laser 120 as the light source. The laser 120 has a suitable projection lens (not shown) to project an almost parallel beam of collimated light through a condenser lens 122 mounted on the wall of a housing 124. The lens 122 is a cylindrical lens that focuses the laser beam represented by 126 on the axis 125 between the aerosol inlet nozzle 128 and the aerosol outlet tube 130. Beam 126 expands after passing through its focal point at axis 125 and is projected onto lens 132 having opaque light absorbing surface portion 134. This opaque light absorbing surface portion 134 absorbs the laser beam and thus acts as a beam stop at the center of the lens.
[0045]
The aerosol is passed through nozzle 128 and into LDC housing 124. The nozzle is tapered so that it tapers toward its tip, and when the aerosol reaches the tip of the nozzle, the flow cross-section increases over a major portion of the line so that the aerosol is accelerated to high velocities. Have been very small. This high velocity aerosol is a gas containing the particles to be detected, passes across the focused laser beam 126 and flows out of the light scattering particle counter housing 124 through an outlet tube 130. As each particle passes through the focused laser beam at region 127, it scatters light in all directions. The condenser lens 132 focuses the scattered light within the angular range of the scattered light stretched by the lens 132 onto the photodiode detector 136. Although a single lens 132 is shown as a focusing lens for scattered light, more than one lens, i.e., multiple element lenses, may be used as a focusing means to improve performance.
[0046]
4 and 5, an optical particle sensor 150 using a 90 ° scattering optical system is shown. Optical particle sensor 150 is used as a light scattering particle counter, such as those shown at 12, 60 and 62 in FIGS. 1A and 2 to measure the size of the particles by detecting the scattered light signal. . Mounted on the housing 152 of the sensor 150 is a cylindrical lens 154 that focuses the laser beam 156 in the housing along the axis of the beam generated by the diode laser 158. The collecting lens 160 is mounted in a collar or tube provided on the side wall of the housing 152 and collects light scattered from particles passing across the laser beam focus 164. The aerosol is conveyed into the housing 152 through an inlet nozzle 162 that narrows the aerosol to a narrow flow as it passes across the focused area or focus 164 of the laser beam 156. The gas flow exits through tube 166. The common axis of the inlet nozzle 162 and the tube 166 is at 90 ° to the axis of the condenser lens 160.
[0047]
Light scattered from the particles provides an optical signal in a direction approximately 90 ° from the laser beam as the particles pass through the focused laser beam. These scattered light signals are collected by the condenser lens 160 and detected by the photodiode detector 168. A conical cavity 169 in the far end wall of the housing is open for receiving the laser light beam 156 and functions as an optical trap for absorbing the laser light. As each particle traverses the focused region 164 of the laser beam 156, the light signal scattered from the particle is detected by a photodiode detector 168. Note that the lens 160 is focused so that light scattered from particles that have passed through the focal point of the laser beam is directed to reach the detection surface of the photodiode detector 168.
[0048]
An optical particle sensor with both the forward scattering optics shown in FIG. 3 and the 90 ° scattering optical sensors of FIGS. 4 and 5 can be used to detect light scattered from the particles. However, due to particle size adjustment, light scattered within a certain narrow angle in the forward direction from the optical axis of the laser beam, that is, traveling in the same direction as the laser beam or the traveling direction of the laser beam It is generally preferred to use light scattering optics that reject scattered light that deviates only a small angle from the light.
[0049]
Light scattering particle sensors with forward scattering optics that maximize the collection of light signals scattered in the forward direction are more sensitive, but cause a scattering signal that is not a unit price function of particle size. This phenomenon, known as Mie scattering, can cause ambiguity in the measured particle size. For this reason, light scattering particle sensors with 90 ° scattering optics (FIGS. 4 and 5) or light from a focusing lens arranged at finite angles, for example 30 °, 45 °, 60 °, etc. A light scattering particle sensor with an axis is preferred. If the collection optics is designed to reject light signals scattered near the forward direction of the light beam, a light scattering particle sensor using a mirror instead of a lens can also be used.
[0050]
1A, the flow rate Q established by the pump 26 2 Passes through the ionizer 22, the DMA 16, the saturator 18, the condenser 22 and the light scattering droplet counter 14. The ionizer 22 typically includes a small, low level radioactive source such as, for example, radioactive krypton 85 or polonium 210. The α-rays, β-rays, or γ-rays emitted from the ionization source ionize air (gas) molecules. The ionized gas molecules then collide with the aerosol particles to cause a low level of charge to appear on the particles.
[0051]
When a charged particle reaches a state of charge equilibrium with ions, called the Boltzmann equilibrium, the charged particle becomes a certain amount of particles (charged and uncharged) in the gas. Have a relationship. In Boltzmann equilibrium, particles of a particular size and carrying, for example, a single charge occupy a fixed ratio to the total number of particles of that size in the gas. Since this ratio is known from theory, by measuring a single charged particle of that size, the total number of particles of that size in the gas can be determined.
[0052]
Different designs exist for differential mobility analyzers for aerosol classification by electrical mobility. The basic principles of operation of DMA are well known. A schematic of the preferred design for DMA is shown at 180 in FIG. It should be understood that the DMA shown in FIG. 6 is a preferred form of DMAs 16 and 66 in FIGS. 1A and 2. In this design, the central metal cylinder 182 forming the electrode is concentric with the outer tubular main cylinder 184 and its nested shorter outer cylinder 186. The inner and outer cylinders 182, 184 and 186 are each formed with a different electrical potential selected to establish a radial electric field in the annular space 200 between the inner cylinder 182 and the outer cylinders 184 and 186. The inner metal electrode cylinder 182 has a high voltage V 1 And the outer cylinders 184 and 186 into which they are nested are installed. Outer cylinders 184 and 186 have the same inner diameter such that their inner surfaces form a single cylinder surface of uniform inner diameter. The inner cylinder 182 is supported by the upper insulating support 181 and the lower insulating support 183. Thus, the central high voltage electrode is insulated from the outer metal cylinder.
[0053]
A polydisperse aerosol source 188 carrying particles at Boltzmann charge balance is introduced into aerosol inlet 190 at the top of DMA 180. The aerosol inlet is separate from the sheath flow inlet. This polydisperse aerosol flows radially outward within the horizontal gap space 192, forming a passage between the end walls of the outer cylinders 184 and 186. The aerosol then passes through a short upper annular space 194 between the short outer cylinder 186 and the upper portion of the main outer cylinder 184 to form a lower end of the cylinder 186 and the interior of the main outer cylinder 184. Appears through the gap or space 196 between the shoulder 198 and the shoulder 198. The aerosol flows into the annular space 200 between the inner surface 202 of the cylinder 184 and the outer surface 204 of the inner high voltage electrode cylinder 182. A radial electric field is established between surfaces 202 and 204 and is used for mobility classification.
[0054]
As described above, the clean sheath gas flow required for mobility classification is introduced from the source 206 into the DMA through the clean sheath flow inlet tube 208 in the top wall 210 of the main outer cylinder 184. You. Tube 208 carries a sheath gas flow across chamber 192. The sheath gas flow passes through a fine mesh screen 212, which distributes the flow evenly across the cross-sectional area of the annular space 200, establishing a laminar flow below the screen 212. When this laminar sheath gas flow merges with the polydisperse aerosol flow emerging through slit 196, the flows combine to form a single laminar flow, and a high voltage central electrode cylinder 182 and a grounded cylinder It flows down the annular space 200 between 184 and 186.
[0055]
A portion of the flow in the annular space 200 can exit through a slit or passage 220 in the central electrode 182. This passage 220 is connected to an outlet bore 222 in the central electrode that opens through the insulating support 182 and leads to the particle counter. In addition, there are several spaced outlet holes 224 in the flange 226 of the support 183. Flange 226 functions to block annular passage 200 except for hole 224. Next, the flow exits through the opening 228 in the end wall 230 formed by the insulating support 183.
[0056]
Particles from a polydisperse source 188 with a charge having an electrical polarity opposite to the high voltage polarity of the inner cylinder 182 are drawn into the cylinder. When the center electrode has a positive polarity, the charged particles attracted to the outer surface 204 of the inner high voltage electrode cylinder 182 are negatively charged. As charged particles from the source 188 move and pass across laminar flow in the space 200 between the cylinder surfaces 202 and 204, they are classified, ie, separated according to electrical mobility. Small particles with high electrical mobility move through the laminar sheath flow more quickly than larger particles, and the small particles are deposited on the outer surface 204 of the cylinder 182 above the exit slit 220. Particles larger than the selected size that have a lower mobility and move at a lower speed do not reach the outer surface 204 of the cylinder 198. These larger particles (greater than the design cutoff size) are transported in excess flow through flow distribution holes 224 in the flange 226 of the lower insulating support 183 to the flow plenum 227 and the openings 228. Is discharged through.
[0057]
There is a small aerosol gas flow drawn through the outlet slit 220. This flow is generated by the flow generating means, pumps 26 and 98, respectively, as shown in FIGS. 1A and 2. Particles within the narrow range of electrical mobilities, and thus within the narrow size range, are deflected near the slit 220 and are conveyed as a monodisperse aerosol to the outlet passage 222 by the generated small airflow.
[0058]
For aerosol size distribution analysis, the high voltage on inner electrode 182 is adjusted through a series of voltage values using voltage controller 234. At each high voltage setting, the monodisperse particles at the outlet are counted by the CNC, as shown in FIGS. 1A and 2, with a saturator, condenser and light scattering droplet counter. The results can then be analyzed to give the size distribution of the aerosol.
[0059]
Saturators, such as saturators 18 and 68 in the CNC, are made from a porous material saturated with a working fluid, usually butyl alcohol in liquid form, and are shown as being taken from source 240 ( 1A and 2). The porous material is maintained at a suitably high temperature using a heater 242, typically 35 degrees. The passages in the porous material, such as passages 18A and 68A of FIGS. 1 and 2, allow the aerosol passing therethrough to be heated and saturated with the working fluid vapor as it passes.
[0060]
The condensers 20 and 70 consist of one or more flow passages in a solid metal block maintained at a low temperature, typically 5 ° C., using a cooler 244. As the heated vaporized aerosol passes through the condenser 20 or 70, the gas cools and supersaturates the vapor or gas. The supersaturated vapor condenses on the particles in the aerosol to form droplets, which are detected by respective light scattering droplet counters 114 and 64. The droplets formed are larger than the particles and are more easily counted.
[0061]
Since the purpose of wide-range particle analysis using WPC is to characterize the aerosol over most of its overall particle size range, the sample withdrawn by WPC for size distribution analysis is analyzed. It is important that this is a representative sample of the atmosphere to be obtained. For atmospheric aerosol measurements, the combined flow of the aerosol sample was drawn through the same common inlet and this total flow was analyzed for size distribution analysis by the respective coarse and fine particle detectors shown in FIG. 1A. Two subparts, Q 1 And Q 2 Is usually preferred. If the atmosphere to be analyzed is the interior space of a room with uniformly distributed airborne particles, the sample flow Q through separate sampling inlets for analysis by two separate particle counters 1 And Q 2 Can be pulled in. This is because the atmosphere is substantially uniform throughout the room.
[0062]
Sample flow Q of FIG. 1A for detection of coarse particles 1 Transports coarse particles up to 10,000 nm in diameter for analysis, it is preferred that the flow path between the sampling inlet and the particle detection area in the coarse particle counter be relatively short. In addition, to avoid particle accumulation in the sampling line due to particle inertia that can occur when the flow direction changes, flow paths such as line 38, for example, should be provided so that the sample flow is hardly changed in the flow direction. It is important that the design be relatively straight.
[0063]
On the other hand, with a typical upper particle size of 200 nm, the air flow Q carrying the particles for detection by a fine particle detector Q 2 For, there is less concern for particle loss during sampling and transport. Q 2 Can be relatively long and can include one, two, or more 90 ° bends. The schematic flow diagram of FIG. 1, which shows a preferred embodiment, shows how this can be achieved. Coarse particle flow Q 1 Is shown entering the coarse particle detector directly along line 38 without substantial change in flow direction. On the other hand, fine particle flow Q 2 Is sampled from the entrance at line 42 and undergoes two 90 ° bends before entering the entrance of the fine particle detector, including DMA16.
[0064]
Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be routinely made in detail without departing from the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram depicting a wide-range particle counter device showing a chassis or housing.
FIG. 1A is a schematic diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the present invention using a different sensor configuration.
FIG. 3 is a cross-sectional view of one embodiment of a light-scattering droplet counter used in the particle counter of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an optical particle sensor used in the present invention using a focusing adapter at 90 ° to the laser beam.
FIG. 5 is a top cross-sectional view of the optical particle counter of FIG. 4, taken along line 5-5 of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a differential mobility analyzer used in the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Wide range particle counter
11 Chassis or platform
11A control or function button
11B display screen
11C Inlet nozzle or inlet pipe
12,14 Light scattering particle sensor
16 Differential mobility analyzer
18, 18A Saturator
20 condenser
22 ionizer
24, 26, 28 pump
30, 32, 33 flow meters
34 Particle Filter
38 lines
39 Overall System with Power, Signal and Data Processable Output and Control Electronics
40 Controller
42 lines
49 annular space
50 lines
51 Sheath flow inlet chamber
53 High voltage electrode
59 system
60, 62 light scattering particle counter
64 light scattering droplet counter
66 DMA
68, 68A Saturator
70 condenser
72 lines
76 lines
77 aerosol source
78 lines
80 flow meter
82 pump
84 Controller
85 Overall Control System
86 lines
88 flow meter
90 pump
94 lines
96 ionizer
98 pump
100 output lines
102 flow meter
103 chamber
104 lines
105 Central high voltage electrode
106 pump
107 Annular sheath flow passage
108 input line
110 flow meter
112 High efficiency filter
114 Light Scattering Droplet Counter
120 solid state diode laser
122 Condensing lens
124 housing
125 axis
126 laser beam
127 areas
128 Aerosol inlet nozzle
130 Aerosol outlet pipe
132 condenser lens
134 Opaque light absorbing surface
136 Photodiode detector
150 Optical Particle Sensor
152 housing
154 cylindrical lens
156 laser beam
158 diode laser
160 condenser lens
162 inlet nozzle
164 laser beam focusing
166 tubes
168 Photodiode detector
169 Conical cavity
180 DMA
181 Upper insulating support
182 Central metal cylinder
183 Lower insulating support
184 outer tubular main cylinder
186 outer cylinder
188 Polydisperse aerosol source
190 aerosol entrance
192 horizontal gap space
194 Upper annular space
196 gap / slit
198 shoulder
200 annular space
202 inside surface
204 outer surface
206 Clean sheath flow source
208 Clean sheath flow inlet tube
210 Top Wall
212 mesh screen
220 Passage / Exit slit
222 bore / exit passage
224 exit hole
226 flange
227 Flow filling room
228 opening
230 End Wall
234 Voltage Controller
240 liquid source
242 heater
244 cooler

Claims (8)

幅広い粒子サイズ範囲に亘ってガス中の粒子を検出する装置であって、
前記幅広い粒子サイズ範囲は、上限及び下限と、該上限及び下限の間の中間粒子サイズと、を含んでおり、
前記装置は、
前記上限及び前記中間粒子サイズの間の粗大粒子範囲にある粗大粒子を検出する、粗大粒子検出器と、
前記下限及び前記中間粒子サイズの間の細かい粒子範囲にある細かい粒子を検出する、細かい粒子検出器と、
前記粗大粒子検出器及び前記細かい粒子検出器からの電気信号を処理するための信号処理手段と、
を備え、
前記粗大粒子検出器及び前記細かい粒子検出器と、前記信号処理手段とは、共通のシャシ上に取り付けられている、装置。
An apparatus for detecting particles in a gas over a wide range of particle sizes,
The broad particle size range includes upper and lower limits, and intermediate particle sizes between the upper and lower limits,
The device comprises:
Detecting a coarse particle in the coarse particle range between the upper limit and the intermediate particle size, a coarse particle detector,
Detecting a fine particle in the fine particle range between the lower limit and the intermediate particle size, a fine particle detector,
Signal processing means for processing an electrical signal from the coarse particle detector and the fine particle detector,
With
The apparatus, wherein the coarse particle detector and the fine particle detector, and the signal processing means are mounted on a common chassis.
前記下限は、2ナノメートルから20ナノメートルの粒子サイズ範囲にある、請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein the lower limit is in a particle size range from 2 nanometers to 20 nanometers. 前記上限は、5,000ナノメートルから50,000ナノメートルの間の粒子サイズ範囲にある、請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein the upper limit is in a particle size range between 5,000 nanometers and 50,000 nanometers. 前記粗大粒子検出器により検出されるべき粒子を含むガスフローと、前記細かい粒子検出器により検出されるべき粒子を含むガスフローと、を提供するガスフロー発生器を備え、
前記粗大粒子検出器のためのガスフローの容積率は、最低でも前記細かい粒子検出器のためのガスフローの容積率程度の大きさである、請求項1に記載の装置。
A gas flow generator that provides a gas flow containing particles to be detected by the coarse particle detector, and a gas flow containing particles to be detected by the fine particle detector,
The apparatus of claim 1, wherein a volume fraction of gas flow for the coarse particle detector is at least as large as a volume fraction of gas flow for the fine particle detector.
前記粗大粒子検出器のためのガスフローの容積率は、前記細かい粒子検出器のためのガスフローの容積率の少なくとも2倍である、請求項4に記載の装置。5. The apparatus of claim 4, wherein the volume fraction of gas flow for the coarse particle detector is at least twice the volume fraction of gas flow for the fine particle detector. エーロゾルフロー内の幅広いサイズ範囲に亘って多分散系エーロゾルを測定するための装置であって、
粒子を有するエーロゾル内の粒子を検出し、粒子サイズを示す出力を生成する、第1の光学検出器と、
前記エーロゾルの少なくとも一部分を受け取り、ほぼ均一の電気的移動度を持つ粒子を有するように修正されたエーロゾル出力を生成する分類器と、
作用流体を受け取り、該作用流体の蒸気を前記分類器により分類された粒子上に凝結させて前記修正されたエーロゾルに液滴を形成する、凝結器と、
前記凝結器から前記修正されたエーロゾル内の液滴を受け取って検出する、第2の光学検出器と、
を備える、装置。
An apparatus for measuring a polydisperse aerosol over a wide range of sizes in an aerosol flow,
A first optical detector for detecting particles in the aerosol having the particles and producing an output indicative of the particle size;
A classifier that receives at least a portion of the aerosol and produces an aerosol output modified to have particles having substantially uniform electrical mobility;
A condenser for receiving a working fluid and condensing a vapor of the working fluid on the particles classified by the classifier to form droplets in the modified aerosol;
A second optical detector for receiving and detecting droplets in the modified aerosol from the condenser;
An apparatus comprising:
ガス中の粒子を検出するための装置であって、
シャシと、
粗大粒子検出器と、
細かい粒子検出器と、
前記粗大粒子検出器及び前記細かい粒子検出器からの電気信号を処理するための信号処理手段と、
を備え、
前記粗大粒子検出器及び前記細かい粒子検出器と、前記信号処理手段とは、同じシャシ上に取り付けられており、
前記粗大粒子検出器を通過するガスフローの容積率は、最低でも前記細かい粒子検出器を通過するガスフローの容積率程度の大きさであるように、該粗大粒子検出器及び該細かい粒子検出器を通るガスフローを維持するための手段を更に備えている、装置。
An apparatus for detecting particles in a gas,
With the chassis,
A coarse particle detector,
A fine particle detector,
Signal processing means for processing an electrical signal from the coarse particle detector and the fine particle detector,
With
The coarse particle detector and the fine particle detector, and the signal processing means are mounted on the same chassis,
The coarse particle detector and the fine particle detector so that the volume ratio of the gas flow passing through the coarse particle detector is at least as large as the volume ratio of the gas flow passing through the fine particle detector. The device further comprising means for maintaining gas flow through the device.
前記粗大粒子検出器を通過するガスフローの流量を所望値に維持するための第1のポンプと、
前記細かい粒子検出器を通過するガスフローの流量を所望値に維持するための第2のポンプと、
前記細かい粒子検出器及び粗大粒子検出器を通過するガスフローの流量を検出するためのセンサーと、
前記ガスフローの流量を夫々の所望値に維持するように前記ポンプの速度を調整するための手段と、
を更に備える、請求項7に記載の装置。
A first pump for maintaining a flow rate of the gas flow passing through the coarse particle detector at a desired value;
A second pump for maintaining the flow rate of the gas flow passing through the fine particle detector at a desired value;
A sensor for detecting a flow rate of a gas flow passing through the fine particle detector and the coarse particle detector,
Means for adjusting the speed of the pump to maintain the flow rate of the gas flow at a respective desired value;
The apparatus of claim 7, further comprising:
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KR20200017517A (en) * 2017-06-20 2020-02-18 펜타곤 테크놀로지 그룹 인코포레이티드 High Resolution Surface Particle Detector
CN113720750A (en) * 2021-08-31 2021-11-30 北京航空航天大学 Optical particle counter

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013002947A (en) * 2011-06-16 2013-01-07 Fuji Electric Co Ltd Particle measuring device
KR20200017517A (en) * 2017-06-20 2020-02-18 펜타곤 테크놀로지 그룹 인코포레이티드 High Resolution Surface Particle Detector
KR102312658B1 (en) * 2017-06-20 2021-10-15 펜타곤 테크놀로지 그룹 인코포레이티드 High Resolution Surface Particle Detector
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