JP2005502044A - 粒子分布の特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

粒子の移動度に関連するパラメータを１つの測定点（３０２）で測定し、粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを第２の測定点（３０５）で測定する、粒子分布の特性を測定するための方法および装置。測定パラメータを用いて、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの特性が決定される（３０６）。

Description

【０００１】
本発明は、粒子分布の特性を測定するための、請求項１および１４に記載の方法ならびに請求項１５に記載の装置に関する。
【０００２】
環境規制の厳格化に伴い、放出粒子を測定する要望が高まっている。特に、ろ過方法の開発、種々の燃焼法の研究および現実の放出監視過程において測定の要望がある。
【０００３】
放出粒子の測定のために、たとえば種々のインパクタと光学的計数器を含む種々の測定装置が開発されている。分析すべき粒子を検出し、検出された粒子の特性に関する結果を得るための情報を生成するために測定装置が使用される。種々の空気力学的寸法を有する粒子が種々の収集基板上に収集される従来のインパクタにおいて、種々の収集基板上に収集された粒子の質量を測定することによって分析すべき粒子の粒子径分布についての情報が得られる。
【０００４】
電気低圧インパクタなどの、より洗練されたインパクタでは、粒子径の分布に関する電気的情報が実時間で得られ、粒子分布の変動を実時間で示す。電気低圧インパクタは、たとえば、Keskinen, PietarinenおよびLehtimakiによって“Journal of Aerosol Science”に発表された科学論文“Electrical low pressure impactor”[J. Aerosol Sci. Vol.23, No.4, pp.353-360, 1992]にさらに詳しく記述されている。当該論文のコピーを本件特許出願の付録として提出した。
【０００５】
実際の測定装置に加え、たとえばＤＭＡ装置（Differential Mobility Analyzer：微分型電気移動度測定装置）を含む種々の分級器もまた知られている。分級器は分析中の粒子流から実際の測定装置に導かれる所与の一部の分流を選択するために使用することができる。
【０００６】
W. P. KellyおよびP. H. McMurryによる論文“Measurement of Particle Density by Inertial Classification of Differential Mobility Analyzer-Generated Monodisperse Aerosol”[Aerosol Science and Technology 17: 199-212, 1992]は、ＤＭＡとインパクタとを用いる粒子分布特性の測定方法に関する先行技術を開示している。図１は、この方法の操作原理を示している。
【０００７】
論文に開示された方法で、分析される粒子分布を運搬している流れ１３ａはＤＭＡ装置１１とインパクタ１２とから成る装置１０に導かれる。流れは、まずＤＭＡ装置１１に導かれ、ＤＭＡ装置は電界を用いて、その流れから移動度の狭い電気範囲の粒子を、インパクタ１２に導かれる流れ１３ｂに分離する。電気移動度がこの狭い範囲内にない粒子は、流れ１３ｃと流れ１３ｄとで測定装置１０から出るように導かれる。
【０００８】
ＤＭＡ装置を用いて、所与の狭い電気移動度分布１４ｂを有する単分散エアゾル流１３ｂを、電気移動度分布１４aを有し、測定装置１０に導かれる多分散エアロゾル流１３aから分離することが可能になった。
【０００９】
この単分散エアロゾル流は、それから空気力学的粒子径に基づき、粒子を分級するインパクタ１２に導かれる。このことに基づいて、インパクタ内に入れられた流れ１３ｂに含まれる粒子の空気力学的粒子径分布１５を決定することが可能である。ＤＭＡ装置１１の調整が既知となると、それを通過した流れ１３ｂ中に含まれる単分散移動度分布１４ａの移動度中央値を見出すことが可能である。
【００１０】
前記論文は、インパクタ１２によって測定された空気力学的粒子径分布１５をインパクタに導かれた単分散粒子流１３ｂの電気移動度の中央値についての情報と組合せることによって、どのようにして単分散粒子流１３ｂの平均密度を決定することができるかということについて開示している。
【００１１】
先行技術の上述の解決手段は、一度に狭い電気移動度範囲に関してのみしか、密度を測定できないという問題を含んでいる。言い換えれば、この方法を用いて、ＤＭＡ装置１１で選択された単分散流１３ｂに関して密度を計算することができる。多分散流１３ａの特性を測定するためには、先行技術に示された解決手段に従って、スキャンニングによって、すなわち、まず、ある電気移動度範囲で測定し、それから別の電気移動度範囲で測定するようにＤＭＡ装置の調整を変更することによってこれが実行されなければならない。この手法は、所望の全範囲で密度が決定されるまで繰り返して行われる。
【００１２】
上述のスキャニング測定に関して信頼性のある結果を得るためには、分析される流れ１３ａは、全測定操作の間、不変にしておくべきである。現実の測定条件では、分析される流れに時間的変化があるかもしれず、その理由で先行技術の上述の解決手段は、現実の測定条件下において多分散粒子を含んでいる流れの実時間測定には適さない。
【００１３】
先行技術の他の解決手段が、科学雑誌“American Industrial Hygiene Association Journal”[Am. Ind. Hyg. Assoc. J 49(8), 396-400(1988)]に発表されたLehtimaekiおよびKeskinenによる論文“A method of modifying the sensitivity function of an aerosol photometer”に開示されている。この論文も本件特許出願とともに提出した。この論文は、分析中の粒子流から大小の粒子径を有する粒子を別個の流れに分離するために、実際のインパクタが光学的粒子計数器の前にどのように設置されるかということを示している。分離された流れから、大きな粒子径の粒子を含む流れは実際に測定するために、光学的計数器に導かれる。
【００１４】
またこの先行技術の解決手段は、現実の測定操作が分析される現実の流れに関係しておらず、分析される流れが測定操作の前に修正されているという問題点を含んでいる。したがって、完全な流れ中の粒子分布特性の全体的な概念を得ることが不可能である。
【００１５】
本願記載の方法の目的は、先行技術の上述の問題点をなくし、粒子分布特性を測定するためのより簡単な方法を提供することである。
【００１６】
本発明の方法および装置を用いて、第１測定点で粒子の移動度に関連するパラメータを測定し、第２測定点で粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定することによって、粒子分布の少なくとも１つの特性が決定される。本発明によれば、第１測定点を通過した少なくとも一部分は、第２測定点に導かれる。測定されたパラメータを用いて、元の流れに含まれる粒子分布の少なくとも１つの特性が決定される。測定される特性は、好ましくは粒子分布の平均密度である。
【００１７】
本発明の実施の一形態では、第１の測定点で検出された粒子が第２測定点へ入ることは、たとえば、第１の測定点で、分析される流れから検出された粒子を除去するという測定法を使用することによって制限される。このことで、計算する必要性が簡単になる。
【００１８】
本発明の実施の他の形態では、移動度チャネル検出器と電気低圧インパクタとが、粒子の移動度に関するパラメータと、空気力学的粒子径に関するパラメータとを測定するためにそれぞれ使用される。電気低圧インパクタの使用は、単一値だけでなく全粒子径分布を同時にかつ実時間で決定することができるという利点を有する。
【００１９】
次に添付図を参照して本発明を詳細に説明する。
図１については、先行技術との関係において上述した。
【００２０】
図２は、本発明の測定装置の実施の一形態を示している。本実施形態では、流れ１３ａで運ばれた分析される粒子分布は、第１検出器２１に導かれ、そこで粒子分布の特性決定に関連する少なくとも１つのパラメータＰ１が粒子分布から測定される。以下に述べる第２パラメータＰ２と同様にパラメータＰ１は、単に単一変数または他の単一値であるばかりでなく、変数または値の所与のセットであってもよい。したがって、たとえば、粒子分布の特性に関連するパラメータを見いだすために、測定点で測定することによって生成された３つの異なる変数のセットが、この関係において１つのパラメータであるとみなすことができる。言い換えれば、当該パラメータＰ１もまた、好ましくはパラメータのセットであってもよい。
【００２１】
パラメータＰ１は、好ましくは、粒子の電気的または機械的移動度についての情報を運ぶ。本発明の有利な実施形態では、検出器２１で検出された粒子は、検出器内に収集されるかまたは他の方法で流れから分離される。測定された粒子の除去によって、後のステップで行われる計算が簡単になり、また特に第２検出器２２に導かれる全流１３ｂが第１検出器２１を通過した場合には、より融通の利く計算が可能となる。言い換えれば、第１検出器２１から流出する流れ１３ｂが、第１検出器２１によって検出された有意量の粒子を含まないことが、本発明の方法の観点から有利である。
【００２２】
第１検出器２１を通過した流れ１３ｂは、第２検出器２２に導かれる。好ましくは、このために、両方の測定装置が、少なくとも検出に必要な部分で、流れを導く同一の構造、たとえばダクト内に据え付けられるようにする。図４はこのような有利な実施形態を示している。
【００２３】
第１検出器２１を通過した流れ１３ｂの一部は、必要であれば、第２検出器２２を通り越して導くこともできる。図２でこれは流れ１３ｅで示されている。第２検出器２２に導かれる流れ１３ｆは好ましくは、分析される粒子分布のために、第１検出器２１を通過した流れ１３ｂの代表的サンプルである。対応する流れもまた図４内に描かれている。
【００２４】
第２検出器２２に導かれるべき流れ１３ｆが、たとえ第１検出器２１から来た流れ１３ｂの代表的サンプルを含んでいなかったとしても、第２検出器２２に導かれるべき流れ１３ｆと分析される流れ１３ａとの差を決定することができる限り、本発明に従う測定を行うことができる。したがって、分析される流れ１３ａの一部が第１検出器２１を通り越して導かれ、第１検出器２１を通過した流れ１３ｂと第２検出器２２の前で混合した状況においても、本発明に従う測定は可能である。しかしながらこの種の状況は計算によって管理することが困難で装置のキャリブレーションを一層複雑にする。
【００２５】
第２検出器２２は粒子分布の特性に関連する第２測定信号Ｐ２を発生する。第２検出器２２に導かれた流れ１３ｆ中に含まれる粒子の空気力学的粒子径分布は、好ましくは測定信号Ｐ２から決定できる。分析される流れ１３ａ中に含まれる粒子分布の特性は、それぞれ第１検出器と第２検出器からの測定信号Ｐ１，Ｐ２に基づいて計算することによって決定することができる。
【００２６】
本発明の有利な実施形態では、第１検出器２１がオンとなったときに、第２信号Ｐ２の挙動を、分析される流れが第２検出器２２に直接入る状況と比較することができる。このような比較に基づいて、第１検出器２１の効率曲線を見つけ出すことが可能である。このような解決手段によって、いっそう簡単で、安上がりな検出器を使用することができるが、一方、このことによって装置は実時間測定に不適となるであろう。
【００２７】
本発明の有利な実施形態によれば、分析される粒子分布の有効密度は、移動度粒子径（Ｄｍ）の粒子径中央値および空気力学的粒子径（Ｄａ）の粒子径中央値を決定することによって計算することができる。これらの因子が既知となると、有効密度は次の式から計算することができる。
【００２８】
【数１】

【００２９】
この式において、下付き文字ａは、空気力学的粒子径を示し、下付き文字ｍは移動度粒子径を示す。Ｃは、Cunningham slip補正係数でありρａは、空気力学的粒子径に対応する密度、すなわち単位密度（１０００ｋｇ／ｍ^３）であり、ρeffは有効密度である。
【００３０】
本発明の実施形態で、上述の第１検出器２１は、粒子径中央値を移動度粒子径（Ｄｍ）に従って、得られた第１信号Ｐ１から決定できるように選ばれ、第２検出器は、粒子径中央値を空気力学的粒子径（Ｄａ）に従って第２信号から決定できるように選ばれる。Cunningham slip補正係数は、たとえば、テーブルブックなどの当業者によく知られたいずれの方法からでも決定することができる。したがって、前記式で未知のまま残っている唯一の変数は分析すべき分布の有効密度であり、それは解くことができる。
【００３１】
図３は、上述の分子分布特性の決定を実行する、本発明の方法のフローチャートを示したものである。この方法の第１ステップ３０１において、分析される流れは第１の測定点に導かれ、そこで、ステップ３０２において、粒子分布に関連する第１パラメータが第１測定点で測定される。このパラメータは、たとえば、検出器による電流出力の大きさＩ２であってもよく、これは移動度粒子径（Ｄｍ）の粒子径中央値の値を求めるために使用できる。
【００３２】
ステップ３０３において、第１測定点で測定された粒子が第２測定点に流入することが制限される。これは好ましくは、測定の収集方法を用いることによって達成され、それによって検出された粒子は、検出過程と関連している分析中の流れから除かれる。
【００３３】
ステップ３０４では、第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ、そこで粒子分布に関連する第２パラメータがステップ３０５で測定される。このパラメータは、たとえば検出器による電流出力の大きさＩ１であってもよく、これは空気力学的粒子径（Ｄｍ）の粒子径中央値の値を求めるために使用できる。
【００３４】
ステップ３０６では、粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータは、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの粒子分布の特性を決定するために使用される。たとえば、粒子分布の有効密度を決定するために、上述の式が好適に使用される。
【００３５】
図４は本発明の解決手段の実施の一形態を示すものである。図において分析される流れ１３ａは、煙道４９中を流れる。その流れはまず煙道内に設置された移動度チャネル検出器４１を通って導かれる。まず、流れ１３ａは、流れ１３ａ中の粒子を帯電させるコロナ帯電装置４３を通過する。この後、流れは電極４３ａ，４３ｂ間に誘導された電界Ｅ中に導かれる。電界Ｅの影響によって帯電した粒子はその電荷によって逆符号の電極に運ばれる。電極に衝突したとき粒子は放電する。このことが、測定すべき粒子分布の電気移動度に比例した電流Ｉ２をもたらすであろう。好ましくは、電極で集められた粒子の少なくともかなりの部分は、たとえば電極に付着することによって流れから除かれる。
【００３６】
さらに、煙道４９には、既知の方法で移動度チャネル検出器４１を通過した粒子を収集する第２検出器２２が設けられている。検出器で蓄積すると粒子は電流Ｉ１を発生する。好ましくは第２検出器もまた、たとえば先行技術の電気低圧インパクタであってもよい。電気低圧インパクタの利点は、それが粒子径分布を実時間で測定するために使用できるということであり、この理由で上述した粒子径分布の中央値は容易に計算される。
【００３７】
検出器４１，２２から得られる電流信号Ｉ１，Ｉ２は、元の流れ１３ａ中に含まれる粒子分布の少なくとも１つの特性についての情報を生成するために、これら電気信号を使用する別個の計算ユニット４８に導かれる。
【００３８】
図５は、検出された粒子分布に及ぼす本発明の方法の影響を示している。図２または図４の装置中で第２検出器２２が、上述したような電気低圧インパクタなどの、粒子径分布を測定する検出器である場合、その検出器は図５の粒子径分布を生成するために使用でき、この図中、空気力学的粒子径は、横軸に示され、検出され粒子量は縦軸に示されている。第１検出器が稼動しておらず、粒子径分布を測定するために分析される流れがこの検出器に導かれる場合、図５中、実線で示された包絡線５１の分布が得られる。
【００３９】
図２中の第１検出器２１または図４中の移動度検出器４１が稼動し始めると、破線５２で限定された領域によって示される粒子量は、第２検出器で検出された粒子径分布から除去される。したがって、第２検出器は破線５３の分布を検出するであろう。
【００４０】
上述のように、使用されたいずれの検出器が粒子径分布を現実に計算をする能力があるかということは必要ではない。検出器は、要求される特性の計算に使用される、粒子径分布に関連するパラメータを生成することで充分である。このような状況下で、第１検出器は第１検出器によって検出される粒子分布に比例した信号を生成することができる。たとえば、第１検出器は図５の破線曲線５２の下に残っている縦ハッチング領域に比例した電流信号を生成することができる。さらに、第２の検出器は、図５の破線下に残っている横ハッチング領域に比例した電流信号を生成することができる。
【００４１】
本発明の実施の他の形態では、粒子分布に関連する測定されたパラメータのうちの少なくとも１つは、少なくとも第２測定点で測定された粒子分布の形状についての情報を含んでいる。このようなパラメータは、標準偏差または、たとえば上述の空気力学的粒子径中央値と移動度粒子径中央値とを含む。
【００４２】
上述の本発明を用いて、粒子流中に含まれる粒子径分布の特性は、粒子径の大きな範囲で同時に測定することができる。したがって、本発明は、先行技術の分級プロセスを測定ステップで置き換えることによって、先行技術のいわゆる走査測定の必要性を減じている。このことによって実時間測定が可能になるであろう。
【００４３】
以上、本発明の方法および装置のいくつかの実施形態を記載したが、本発明はこれら実施形態にのみに限定されるわけではなく、記載された請求項の範囲内で変更することができる。特に、第１検出器は移動度分析器であり、第２検出器は電気低圧インパクタであることを上述した。しかしながら、この構成は単に一例として示されたものであり、本発明の操作原理を説明することを意図するものである。 実際には、いくつかの条件下では、たとえば検出器が異なる順序にあることが有利であることができる。したがって、第１測定点で粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを、第２測定点で粒子の移動度に関連するパラメータを有利に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】粒子分布を測定するための先行技術の解決手段を示す。
【図２】本発明の測定装置の実施の一形態を示す。
【図３】フローチャートで本発明の方法を示す。
【図４】本発明の測定装置の実施の他の形態を示す。
【図５】種々の装置で検出された分布間の関係を示す。

Claims (17)

1. 分析される粒子流が第１測定点に導かれ、
   粒子分布が第１測定点で測定され、
   第１測定点で測定された粒子分布が、粒子の移動度に関連するパラメータを生成するために使用され（３０２）、
   第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ（３０４）、
   粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータが第２測定点で測定され（３０５）、
   移動度に関連する前記パラメータおよび空気力学的粒子径に関連するパラメータが、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの特性を決定するために使用される（３０６）ことを特徴とする粒子分布の特性の測定方法。
2. 該測定方法が実時間で実行されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
3. 第１測定点で検出された粒子の第２測定点への流入が制限される（３０３）ことを特徴とする請求項１記載の測定方法。
4. 第１測定点で検出された粒子の第２測定点への流入が、第１測定点での測定の収集方法を用いることによって制限されることを特徴とする請求項３記載の測定方法。
5. 元の流れに含まれる粒子分布の少なくとも１つの有効密度が計算されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
6. 移動度に関連する前記パラメータが移動度チャネル検出器を使用して測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
7. 移動度に関連する前記パラメータが、粒子の電気移動度に関連していることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
8. 移動度に関連する前記パラメータが、粒子の機械的移動度に関連していることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
9. 粒子径に関連する前記パラメータが電気低圧インパクタを使用して測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
10. 粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、測定された粒子分布のうちの少なくとも１つの形状についての情報を含んでいることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
11. 粒子の移動度に関連する前記パラメータが、移動度粒子径に関して粒子径の中央値を決定するために使用されることを特徴とする請求項１０記載の測定方法。
12. 粒子の空気力学的粒子径に関連する前記パラメータが、空気力学的粒子径に関して粒子径の中央値を決定するために使用されることを特徴とする請求項１０記載の測定方法。
13. 粒子の空気力学的粒子径に関連する前記パラメータが、空気力学的粒子径に関して粒子径分布を決定するために使用されることを特徴とする請求項１０記載の測定方法。
14. 分析される粒子流が第１測定点に導かれ、
    粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータが第１測定点で測定され（３０２）、
    第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ（３０４）、
    粒子分布が第２測定点で測定され、
    第２測定点で測定された粒子流が、粒子の移動度に関連するパラメータを生成するために使用され（３０５）、
    移動度に関連する前記パラメータおよび空気力学的粒子径に関連する前記パラメータが、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの特性を決定するために使用される（３０６）ことを特徴とする粒子分布の特性の測定方法。
15. 第１または第２測定点で粒子分布を測定する手段（２１，４１）と、
    該粒子分布に基づき粒子の移動度に関連するパラメータを生成するための手段（２１，４１）と、
    第１または第２測定点で、粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定する手段（２２）と、
    粒子の移動度に関連する前記パラメータおよび空気力学的粒子径に関連する前記パラメータを使用して、元の粒子分布の少なくとも１つの特性を計算する手段（４８）とを含むことを特徴とする粒子分布の特性を測定する装置。
16. 粒子の移動度に関連するパラメータを測定する手段が移動度検出器を含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定する手段が、電気低圧インパクタを含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。

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