JP2005207956A

JP2005207956A - 浮遊粒子状物質測定装置

Info

Publication number: JP2005207956A
Application number: JP2004016322A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Shinohara; 政良篠原
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】単一の装置を用いてＳＰＭの質量濃度とＴＨＣの濃度を同時かつリアルタイムに測定して高い分析精度を実現することができるようにする。
【解決手段】大気からＳＰＭを含むサンプルガスＳＧを吸引するサンプルガスライン３が二つに分岐され、一方の分岐サンプルガスライン３Ａには、サンプルガスＳＧ中のＳＰＭを捕集しその捕集されたＳＰＭにβ線を照射してそのβ線の透過量を検出することでＳＰＭの質量濃度を測定するβ線吸収方式のＳＰＭ質量濃度測定部４が設けられているとともに、他方の分岐サンプルガスライン３Ｂには、水素炎を形成しその水素炎中にサンプルガスＳＧとＳＰＭ捕集後の排気ガス等の基準ガスＢＧとを交互に切り換え導入して両ガス中のＴＨＣ濃度を測定し、それら両測定値の差を演算してサンプルガスＳＧ中のＴＨＣ濃度を測定するＦＩＡ式のＴＨＣ濃度測定部８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車の排気管や工場の煙突等からの排煙、飛散粉塵などのように、大気中に存在して人の健康、特に呼吸器官に悪影響を及ぼす浮遊粒子状物質（ＳｕｓｐｅｎｄｅｄＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：以下、ＳＰＭと略称する）の質量濃度及び大気中の含有成分のうち大気汚染等の原因となる全炭化水素（以下、ＴＨＣと略称する）の濃度を同時に測定するための浮遊粒子状物質測定装置に関する。

大気中のＳＰＭの質量濃度を測定する装置として、従来より、大気からＳＰＭを含むサンプルガスを連続的に吸引し、この吸引したサンプルガス中のＳＰＭをフィルタなどの捕集手段を用いて捕集し、その捕集によって形成された測定スポットにβ線を照射してそのβ線の透過量を検出することにより、ＳＰＭの質量濃度を測定するようにしたβ線吸収方式の浮遊粒子状物質測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、上述したものと同様な構成を有するβ線吸収方式の浮遊粒子状物質測定装置において、捕集手段によるＳＰＭ捕集部にサンプルガス中の花粉量を検出する花粉検出部を組み込み、ここで検出された花粉量から花粉質量濃度をＳＰＭ質量濃度とリアルタイムで同時に測定できるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−３４３３１９号公報特開２００２−３５７５３２号公報

ところで、近年においては、大気中に存在する物質の分析精度を高める上で、ＳＰＭの質量濃度測定だけに止まらず、サンプルガス中の含有成分のうち、特に大気汚染物質の一つで近年において排出規制が強化される状態にあるＴＨＣの濃度を測定することが要望されている。

しかしながら、上記した従来の測定装置は、あくまでもＳＰＭの質量濃度の測定に用いられるものであって、ＴＨＣの濃度測定には別の装置を準備して、ＳＰＭの質量濃度測定とは装置的にも時間的あるいは場所的にも別々に行う必要があり、装置全体としてのコストアップを免れ得ないとともに、ＴＨＣの測定濃度情報も含めた総合的な分析により分析精度を高めるためには、両装置間に亘る測定データの転送なども当然必要となり、高い分析精度を実現するには多大な手数及び時間を要するという問題があった。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、単一の装置を用いてＳＰＭの質量濃度とＴＨＣの濃度を同時かつリアルタイムに測定して高い分析精度を実現することができる浮遊粒子状物質測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る浮遊粒子状物質測定装置は、大気から浮遊粒子状物質を含むサンプルガスを吸引するサンプルガスラインを二つに分岐し、一方の分岐サンプルガスラインには、サンプルガス中の浮遊粒子状物質を捕集する捕集手段及び捕集された浮遊粒子状物質にβ線を照射してそのβ線の透過量を検出するβ線検出手段を有し、この検出手段によるβ線の透過量により浮遊粒子状物質の質量濃度を測定するβ線吸収方式の浮遊粒子状物質の質量濃度測定部が設けられているとともに、他方の分岐サンプルガスラインには、水素炎を形成する手段及びその水素炎中にサンプルガスと浮遊粒子状物質を含まない、もしくは、その含有率が小さい基準ガスとを交互に切り換え導入して両ガス中の炭化水素濃度を測定する手段及びそれら両測定値の差を演算してサンプルガス中の炭化水素濃度を測定する手段を有する水素炎イオン化方式の炭化水素濃度測定部が設けられていることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明によれば、サンプルガスラインに吸引されたＳＰＭを含むサンプルガスは二つの分岐サンプルガスラインに分流され、そのうち一方の分岐サンプルガスラインに分流された一部のサンプルガスはβ線吸収方式の浮遊粒子状物質の質量濃度測定部に導入され、ここでＳＰＭの質量濃度が測定されるとともに、他方の分岐サンプルガスラインに分流された残部のサンプルガスと基準ガスとは水素炎イオン化方式の炭化水素濃度測定部に交互に切り換え導入され、ここで基準ガス中の炭化水素濃度をバックグランド値としてサンプルガス中のＴＨＣの濃度が測定されるといったように、単一の装置を用いて、同一箇所から吸引したサンプルガス中のＳＰＭの質量濃度とＴＨＣ濃度を同時かつリアルタイムに測定することができる。したがって、ＳＰＭの質量濃度測定とＴＨＣの濃度測定とを各別の装置で時間的、場所的に別々に行う必要がなく、装置全体のコストダウンが図れるとともに、測定データの転送なども不要であり、ＳＰＭの測定質量濃度及びＴＨＣの測定濃度情報も含めた総合的な分析により高精度な分析を効率よく行うことができるという効果を奏する。

本発明に係る浮遊粒子状物質測定装置において、水素炎イオン化方式の炭化水素濃度測定部の水素炎中にサンプルガスと交互に切り換え導入される基準ガスとしては、大気から吸引されるサンプルガスとは別にＳＰＭを含まない、あるいは、その含有率が小さくなるように精製されたガス（クリーンガス等）を使用してもよいが、特に、請求項２に記載のように、β線吸収方式の浮遊粒子状物質の質量濃度測定部から排出される浮遊粒子状物質捕集後の排気ガスを使用するように構成することが望ましい。この場合、β線吸収方式の浮遊粒子状物質の質量濃度測定部における捕集手段として、ＳＰＭの捕集効率（約９９．９９９％）が高い四フッ化エチレン樹脂製フィルタを用いれば、測定精度の低下等の問題を生じることなく、ＳＰＭ捕集後の排気ガスをサンプルガス中のＴＨＣ測定の基準ガスとして活用することが可能であり、これによって、クリーンガス及びそれを導入するための設備等を別途準備する必要もなく、一方の分岐サンプルガスラインのＳＰＭ質量濃度測定部の下流側から分岐させた排気ガスラインを水素炎イオン化方式の炭化水素濃度測定部（以下、ＦＩＡ式ＴＨＣ測定部と略称するものを含む）に接続するだけの簡単かつ安価な構成で、ＳＰＭの質量濃度とＴＨＣ濃度を同時かつリアルタイムに測定することができる。

また、本発明に係る浮遊粒子状物質測定装置において、請求項３に記載のように、大気から浮遊粒子状物質を含むサンプルガスを吸引するサンプルガスラインの入口部に、例えば遠心分離を利用したサイクロン式や、サンプルガスの衝突によって小粒径の粒子状物質を選択的にサンプリングするインパクト式などの分粒手段を設けることが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る浮遊粒子状物質測定装置（以下、ＳＰＭ測定装置という）の第１実施例を示す概略構成図であり、この第１実施例のＳＰＭ測定装置１は、大気からＳＰＭを含むサンプルガスＳＧをサンプリングポンプ２を介して吸引するサンプルガスライン３が二つに分岐されている。このサンプルガスライン３の入口部には、例えば、サンプルガスＳＧの渦流による遠心分離を利用してＳＰＭを分粒するサイクロン式や、サンプルガスＳＧの衝突によって小粒径の粒子状物質を選択的にサンプリングするインパクト式（一般にインパクタと呼ばれている）の分粒器７が設けられている。

一方の分岐サンプルガスライン３Ａには、後述するβ線吸収方式のＳＰＭ質量濃度測定部４と、この分岐サンプルガスライン３Ａ中のサンプルガスＳＧの流量を差圧制御するための圧力センサ５ａ，５ｂ及びオリフィスプレート６が設けられている。

他方の分岐サンプルガスライン３Ｂには、後述するＦＩＡ式のＴＨＣ測定部８と、このＦＩＡ式ＴＨＣ測定部８にサンプルガスＳＧと基準ガスＢＧとを交互に切り換え導入するための三方電磁弁９とが介在されている。ここで、前記基準ガスＢＧとしては、一方の分岐サンプルガスライン３ＡのＳＰＭ質量濃度測定部４の下流側から分岐され、前記三方電磁弁９における一つのガス導入口部に接続された排気ガスライン３Ｃを介してＦＩＡ式のＴＨＣ測定部８に導入されるＳＰＭ捕集後の排気ガスを使用するように構成されている。

一方の分岐サンプルガスライン３Ａ中に設けられているＳＰＭ質量濃度測定部４は、図２に明示するように、サンプルガスＳＧ中のＳＰＭ１０を捕集する捕集手段１１と、捕集されたＳＰＭ１０の質量を測定する質量測定手段１２とを備えている。捕集手段１１は、テープ状フィルタ１３と、このテープ状フィルタ１３を保持するフィルタ保持機構１４と、このフィルタ保持機構１４に保持されたテープ状フィルタ１３の一部分にサンプルガスＳＧを通過させることにより、サンプルガスＳＧ中のＳＰＭ１０を捕集させて測定スポット１５を形成するサンプルガス供給機構１６とから構成されている。

テープ状フィルタ１３は、図２中に拡大して示すように、多孔質層１３ａと補強層１３ｂとを積層した構造であり、多孔質層１３ａは、フッ素系樹脂、例えば四フッ化エチレン樹脂によって形成された多孔質フィルムよりなり、補強層１３ｂは、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ホリエステル、ポリアミドなどの吸湿性の低い不織布により形成されており、これら多孔質層１３ａと補強層１３ｂとは、貼付けや縫い付け等の適宜手段により積層一体化されている。

フィルタ保持機構１４は、テープ状フィルタ１３をロール状に巻回する供給リール１４ａと、この供給ロール１４ａから送り出されたテープ状フィルタ１３を巻き取る巻取リール１４ｂと、テープ状フィルタ１３に適宜の緊張力を付与する２つのリール１４ｃ，１４ｄとからなり、テープ状フィルタ１３を一定時間毎（例えば１時間毎）に所定長さだけ送るように構成されている。

サンプルガス供給機構１６は、内部にテープ状フィルタ１３を走行させるように構成されたチャンバ１６ａと、このチャンバ１６ａに対して一定流量のサンプルガスＳＧを供給するサンプルガス導入管１６ｂと、前記チャンバ１６ａ内に導入されたサンプルガスＳＧを外部に導出するサンプルガス導出管１６ｃとを備え、これらサンプルガス導入管１６ｂ及びサンプルガス導出管１６ｃが、既述した一方の分岐サンプルガスライン３Ａに接続されている。

質量測定手段１２は、β線吸収方式を用いてテープ状フィルタ１３の測定スポット１５に捕集されたＳＰＭ１０の質量及び濃度を測定するように構成されており、図２に示すように、前記テープ状フィルタ１３に形成された測定スポット１５に対してその一方側からβ線を照射するβ線源１２ａと、測定スポット１５の他方側に配置されて測定スポット１５を透過したβ線を検出してその強度に応じた信号を出力する、例えば比例計数管よりなるβ線検出器１２ｂとを備えている。この質量測定手段１２は、β線検出器１２ｂの検出出力を適宜演算処理することにより、ＳＰＭ１０の質量を算出するとともに、その質量とサンプルガス供給機構１６によりチャンバ１６ａに供給されるサンプルガスＳＧの流量とによってＳＰＭ１０の濃度を算出するように構成されている。

また、他方の分岐サンプルガスライン３Ｂに設けられているＦＩＡ式のＴＨＣ測定部８は、図３に明示するように、ジェットノズル１７の先端で水素Ｈと助燃ガス（酸素または空気）の混合気の燃焼によって形成される水素炎１８中に炭化水素を含むガスを導入して複雑なイオン化を生起させ、その水素炎１８を挟んで対向する箇所に配置した電極１９間に直流電源２０から直流電圧を印加することにより、炭化水素の水素数に比例して流れる微少なイオン電流を高抵抗２１及びアンプ２２を介して電圧に変換しＴＨＣを測定するものであり、分岐サンプルガスライン３Ｂに分流されたサンプルガスＳＧと排気ガスライン３Ｃに分流されたＳＰＭ捕集後の排気ガス（基準ガス）ＢＧとを三方電磁弁９の短い周期での流路切換え動作に伴いＦＩＡ式ＴＨＣ測定部８に交互に導入して両ガスＳＧ，ＢＧのＴＨＣ濃度を測定し、それら両測定値の差を演算部２３で演算することによって、サンプルガスＳＧ中の瞬時のＴＨＣ濃度を測定し、この瞬時測定データをＳＰＭ質量濃度測定部４でのＳＰＭ質量濃度の測定時間に同期させて積算することにより測定スポット１５中のＴＨＣ濃度を測定するように構成されている。

次に、上記構成からなる第１実施例のＳＰＭ測定装置１の作動について説明する。

サンプリングポンプ２の作動に伴い大気から吸引されたＳＰＭ１０を含むサンプルガスＳＧは分粒器７内に導入され、この分粒器７によって測定対象とする粒子径よりも大きなダストが排除される。測定対象外のダストが排除されてサンプルガスライン３に吸引されたサンプルガスＳＧの一部は一方の分岐サンプルガスライン３Ａに、残部のサンプルガスＳＧは他方の分岐サンプルガスライン３Ｂに分流される。

一方の分岐サンプルガスライン３Ａに分流されたサンプルガスＳＧは、ＳＰＭ質量濃度測定部４におけるサンプルガス供給機構１６のサンプルガス導入管１６ｂを経てチャンバ１６ａ内に入り、このチャンバ１６ａ内で送り停止されているテープ状フィルタ１３の上面側から下面側へと通過した後、サンプルガス導出管１６ｃからチャンバ１６ａの外部へ導出される。このサンプルガスＳＧが前記テープ状フィルタ１３内を通過する状態を一定時間、例えば１時間保つことにより、測定スポット１５が形成される。

この測定スポット１５の形成と並行して、そこに捕集されたＳＰＭ１０の質量及び濃度の測定が行われる。すなわち、ＳＰＭ質量濃度測定部４における質量測定手段１２のβ線源１２ａから測定スポット１５に対してβ線を照射して、その測定スポット１５を透過したβ線の強度を比例計数管などの検出器１２ｂで検出し、その検出したβ線強度と所定の演算式とを用いて演算を行うことにより、測定対象とするＳＰＭ１０の質量を算出することが可能であるとともに、その質量とサンプルガス供給機構１６によりチャンバ１６ａに供給されるサンプルガスＳＧの流量とによってＳＰＭ１０の濃度を算出することが可能である。

そして、上記のようにしてＳＰＭ１０がテープ状フィルタ１３に捕集された後にサンプルガス導出管１６ｃからチャンバ１６ａの外部へ導出されるＳＰＭ１０を殆ど含有しない（因みに、テープ状フィルタ１３として、四フッ化エチレン樹脂製フィルタを用いた場合のＳＰＭの捕集効率は約９９．９９９％である）サンプルガスＳＧの一部はサンプリングポンプ２を経て装置外部に排出される一方、残部はＦＩＡ式ＴＨＣ測定部８における基準ガスＢＧとして使用されるように、ＳＰＭ質量濃度測定部４の下流側から分岐された排気ガスライン３Ｃに分流される。

この排気ガスライン３Ｃに分流されたＳＰＭを殆ど含まないサンプルガス、つまり、ＳＰＭ捕集後の排気ガス（基準ガス）ＢＧと他方の分岐サンプルガスライン３Ｂに分流されたサンプルガスＳＧとは、三方電磁弁９の短い周期での流路切換え動作に伴いＦＩＡ式ＴＨＣ測定部８に形成されている水素炎１８中に交互に導入され、両ガスＢＧ，ＳＧ中に含まれている炭化水素の水素数に比例して流れるイオン電流が電圧に変換されそれら両ガスＢＧ，ＳＧのＴＨＣ濃度ｂ，ｓが交互に測定される。

そして、排気ガス（基準ガス）ＢＧのＴＨＣ濃度測定値ｂをバックグランド値として、それら両測定値の差（ｓ−ｂ）を演算部２３で演算することによって、サンプルガスＳＧ中の瞬時のＴＨＣ濃度を測定し、この瞬時測定データを既述したＳＰＭ質量濃度測定部４でのＳＰＭ質量濃度の測定時間に同期させて積算することにより測定スポット１５中のＴＨＣ濃度の積算値を測定することが可能である。

以上のように、単一の測定装置１を用いて、同一箇所から吸引したサンプルガスＳＧ中のＳＰＭの質量濃度とＴＨＣ濃度を同時かつリアルタイムに測定することができるので、ＳＰＭの質量濃度測定とＴＨＣの濃度測定とを各別の装置で時間的、場所的に別々に行う必要がなく、装置全体のコストダウンが図れるとともに、測定データの転送なども不要であり、ＳＰＭの測定質量濃度及びＴＨＣの測定濃度情報も含めた総合的な分析により高精度な分析を効率よく行うことができる。

特に、第１実施例の測定装置１のように、β線吸収方式のＳＰＭ質量濃度測定部４におけるテープ状フィルタ１３として、ＳＰＭの捕集効率（約９９．９９９％）が高い四フッ化エチレン樹脂製フィルタを用いることにより、ＳＰＭ質量濃度測定部４から排出される排気ガスを、測定精度の低下等を招くことなく、サンプルガスＳＧ中のＴＨＣ測定の基準ガスとして有効に利用することが可能であり、これによって、クリーンガス及びそれを導入するための設備等を別途準備する必要もなく、一方の分岐サンプルガスライン３ＡのＳＰＭ質量濃度測定部４の下流側から分岐させた排気ガスライン３ＣをＦＩＡ式ＴＨＣ測定部８に接続するだけの簡単かつ安価な構成で、ＳＰＭの質量濃度とＴＨＣ濃度を同時かつリアルタイムに測定することができる。

図４は、本発明に係るＳＰＭ測定装置１の第２実施例を示す概略構成図であり、この第２実施例の測定装置１は、三方電磁弁９の流路切換え動作に伴いＦＩＡ式ＴＨＣ測定部８に対して分岐サンプルガスライン３Ｂに分流されたサンプルガスＳＧと交互に切り換え導入される基準ガスＢＧとして、ＳＰＭ捕集後の排気ガスを用いるのではなく、大気から吸引されるサンプルガスとは別にＳＰＭを含まない、あるいは、その含有率が非常に小さくなるように精製されたクリーンガス等を使用するもので、第１実施例における排気ガスライン３Ｃに代えて、精製ガスの導入ライン３Ｄを設けており、その他の構成は第１実施例と同様であるため、同一部材に同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

この第２実施例の測定装置１においても、第１実施例と同様に、同一箇所から吸引したサンプルガスＳＧ中のＳＰＭの質量濃度とＴＨＣ濃度を同時かつリアルタイムに測定することができるので、ＳＰＭの質量濃度測定とＴＨＣの濃度測定とを各別の装置で時間的、場所的に別々に行う必要がなく、装置全体のコストダウンが図れるとともに、測定データの転送なども不要であり、ＳＰＭの測定質量濃度及びＴＨＣの測定濃度情報も含めた総合的な分析により高精度な分析を効率よく行うことができる。

本発明に係る浮遊粒子状物質測定装置の第１実施例を示す概略構成図である。第１実施例の要部であるβ線吸収方式のＳＰＭ質量濃度測定部の構成を示す概略断面図である。第１実施例の要部であるＦＩＡ式のＴＨＣ測定部の概略構成図である。本発明に係る浮遊粒子状物質測定装置の第２実施例を示す概略構成図である。

符号の説明

３サンプルガスライン
３Ａ一方の分岐サンプルガスライン
３Ｂ他方の分岐サンプルガスライン
３Ｃ排気ガスライン
４ β線吸収方式のＳＰＭ質量濃度測定部
７分粒器
８ＦＩＡ式のＴＨＣ濃度測定部
９三方電磁弁
１０ＳＰＭ（浮遊粒子状物質）
１１捕集手段
１２質量測定手段
１２ａ β線源
１２ｂ β線検出器
１８水素炎
ＳＧサンプルガス
ＢＧ基準ガス

Claims

大気から浮遊粒子状物質を含むサンプルガスを吸引するサンプルガスラインを二つに分岐し、一方の分岐サンプルガスラインには、サンプルガス中の浮遊粒子状物質を捕集する捕集手段及び捕集された浮遊粒子状物質にβ線を照射してそのβ線の透過量を検出するβ線検出手段を有し、この検出手段によるβ線の透過量により浮遊粒子状物質の質量濃度を測定するβ線吸収方式の浮遊粒子状物質の質量濃度測定部が設けられているとともに、他方の分岐サンプルガスラインには、水素炎を形成する手段及びその水素炎中にサンプルガスと浮遊粒子状物質を含まない、もしくは、その含有率が小さい基準ガスとを交互に切り換え導入して両ガス中の炭化水素濃度を測定する手段及びそれら両測定値の差を演算してサンプルガス中の炭化水素濃度を測定する手段を有する水素炎イオン化方式の炭化水素濃度測定部が設けられていることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
水素炎イオン化方式の炭化水素濃度測定部の水素炎中にサンプルガスと交互に切り換え導入される基準ガスとして、β線吸収方式の浮遊粒子状物質の質量濃度測定部から排出される浮遊粒子状物質捕集後の排気ガスを使用するように構成してある請求項１に記載の浮遊粒子状物質測定装置。
大気から浮遊粒子状物質を含むサンプルガスを吸引するサンプルガスラインの入口部には、浮遊粒子状物質を分粒する分粒手段が設けられている請求項１または２に記載の浮遊粒子状物質測定装置。