JP2008232969A - 浮遊粒子状物質測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】浮遊粒子状物質測定装置は、直線偏光を射出する光源3と、粒子1に直線偏光が入射したことによる散乱光を検出して電気信号に変換する受光手段4と、直線偏光の偏光面を散乱平面5の法線方向から任意の角度だけ所定の周波数で繰り返し変動させる偏光面回転手段6と、粒子1を散乱平面5の法線方向に向ける粒子配向手段2と、受光手段4から出力された信号に基づいて粒子の形状を識別する粒子識別手段とを有し、光源3は、直線偏光の偏光面を散乱平面5の法線方向に偏光させ、受光手段4は、光源3から粒子1に向かう方向に対して粒子1を中心とする散乱角が略10度の散乱光を検出する。
【選択図】 図2
Description
一方、第2の方式の装置では、静電場を利用することで、粒子を長時間にわたって分極させることができ、曲がった繊維状粒子も一直線状に伸ばすことができるので、第1の方式の装置に比べて、伸張不足による繊維状粒子の数え落としは少ない。
このように、第2の方式の装置では、気体レーザを光源として用いていること、識別方式の原理として散乱光の垂直偏光成分と水平偏光成分を分離して計測することが要求されるため、光学系の構成が複雑になり、装置が大型になるという問題点があった。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記光源から射出される直線偏光の波長の最小値は、識別対象とする球状微小粒子の半径よりも長く、かつ円柱状微小粒子の長さよりも短い。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記偏光面回転手段は、前記所定の周波数の制御信号に応じて前記直線偏光の偏光面の回転角を制御する偏光面回転角可変型ファラデー回転子からなるものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記偏光面回転手段は、前記直線偏光の偏光面の回転角が固定された偏光面回転角固定型ファラデー回転子と、前記所定の周波数の制御信号に応じて前記偏光面回転角固定型ファラデー回転子を機械的に回転させるモータとからなるものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記粒子配向手段は、前記散乱平面の法線方向を向いた静電場を前記観測視野の近傍に形成する手段である。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記粒子識別手段は、前記受光手段から出力された信号の強度が前記所定の周波数で変調されている場合は、前記粒子が円柱状粒子であると識別し、前記信号の強度が変調されていない場合は、前記粒子が球状粒子であると識別するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記粒子識別手段は、前記受光手段から出力された信号のパルスの数から前記粒子の個数を検出し、前記粒子が球状粒子であると識別した場合は前記パルスの最大強度から粒径を検出し、前記粒子が円柱状粒子であると識別した場合は前記パルスの最大強度から粒子の長さを検出するものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記導入手段は、前記流体を導入する流路であるフロー管からなり、このフロー管は、前記直線偏光の導入用及び前記散乱光の検出用の開孔を有し、この開孔の上下部分に前記粒子配向手段を構成する金属電極を配設することを特徴とするものである。
また、本発明の浮遊粒子状物質測定装置の1構成例において、前記中空ディスク状絶縁ブロックと2枚の蓋とは、プラスティック、マシナブル・セラミックス、あるいはエンジニアリング・セラミックスの何れかからなり、前記散乱室の壁面及び前記第1、第2、第3の貫通孔の壁面は、前記光源の波長の光を吸収する材料で被覆されることを特徴とするものである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、特定の散乱角で散乱光を検出することにより、形状の異なる粒子の識別を可能にする本発明の原理を説明するための図であり、球状粒子及び円柱状粒子による散乱光の偏光度(偏光の大きさ)と粒子半径との関係を示す図である。図1において、Sは球状粒子の特性、Cは円柱状粒子の特性である。
さらに、検出器7の組み立てに際しては、上側の蓋7aの下面及び下側の蓋7aの上面には、それぞれシール用Oリング9が配設される。これらのシール用Oリング9は、組み立て時に中空ディスク状絶縁ブロック7bの挿入用溝9bの内部に埋め込まれる。
すなわち、光源3(図4、図5では不図示)からの射出光は、照射光導入用貫通孔11aから検出器7に入射し、試料流体18a(被検出対象粒子1を含む空気)は、採気用貫通孔13aから検出器7に流入する。被検出対象粒子1は、検出器7内部の静電場によって散乱平面5(ブロック7bの上面及び下面に平行な面)に対して鉛直な方向に揃えられる。そして、被検出対象粒子1による散乱光のうち散乱角θ=10度での散乱光は受光手段4に入射し、照射光導入用貫通孔11bに向かって進んだ散乱光はオプティカル・トラップ11cによって減衰される。
上述の第1の実施形態においては、中空ディスク状絶縁ブロック7bの採気用貫通孔13a及び排気用貫通孔13b(試料流体導流路)の上下に金属電極8を配設することによって平行平板電極を形成し、粒子配向手段2を実現した。この金属電極8の間に1kV近い高電圧を印加して、電場強度1kV/cmもの配向用静電場を形成した。
このような構成にした場合、採気用貫通孔13aより導入された試料流体18aは、貫通孔13aの閉鎖空間を流れた後に、散乱室7cに導かれて広い空間へと導かれ、さらに前進して排気用貫通孔13bを通って排気される。
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の検出器の概略構成を示す図である。本実施の形態の検出器7は、大別して、絶縁材料からなる試料流体導流路であるフロー管14aと、2枚の粒子配向用電極16と高圧安定化電源20からなる粒子配向手段と、受光手段(図6では不図示)とから構成される。
こうして、本実施の形態では、試料流体導流路の断面積が変化しないようにすることができ、乱流の発生による被検出対象粒子1の対称軸方向の撹乱を抑えることができる。
第2の実施の形態の構成では、フロー管には、ガラスやプラスティック等の絶縁材料を用いる。ただし、一般に、微小粒子が絶縁材料で形成された流路中を通過すると、管壁との衝突や摩擦などによって粒子が帯電することがあり、帯電した粒子が静電場中に導入されると、フロー管の管壁に粒子が付着することが懸念される。
図7(A)、図7(B)は、本発明の第3の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の検出器の概略構成を示す図であり、図6と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図7(A)、図7(B)の左半分は検出器の外観を示し、右半分は検出器の断面構造を示している。
本実施の形態においても、光源3(図7(A)、図7(B)では不図示)からの射出光は、照射光・散乱光導入・導出用開孔15からフロー管14b,14cの内部に入射する。被検出対象粒子1による散乱光は、照射光・散乱光導入・導出用開孔15から射出され、フロー管14b,14cを挟んで光源3と反対側にある受光手段4(図7(A)、図7(B)では不図示)に入射する。
図8は、本発明の第4の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の偏光面回転手段の概略構成を示す斜視図である。図8は、第1〜第3の実施の形態に適用する偏光面回転手段6を説明するための図であり、偏光面回転手段6を構成する偏光面回転角可変型ファラデー回転子21を示す図である。
φ=β・H・D ・・・(1)
比例定数βは、波長と温度に依存する。図8に示すような形態で偏光面回転角可変型ファラデー回転子21を構成した場合、偏光面の回転角φは、コイル23に流す電流の強さで制御できるので、本発明のように偏光面を周波数fで変調するような構成にする場合には非常に有効である。
図9(A)は、本発明の第5の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の偏光面回転手段の概略構成を示す斜視図であり、第1〜第3の実施の形態に適用する別の偏光面回転手段6を説明するための図である。本実施の形態の偏光面回転手段6は、中空円筒状永久磁石によって偏光面の回転角が固定された偏光面回転角固定型ファラデー回転子24を利用するものである。図9(B)は中空円筒状永久磁石25を切断した図であり、回転子24の構造を示す斜視図である。
なお、第4、第5の実施の形態では、偏光面回転手段6を構成する光磁気効果を利用した素子として、ファラデー素子を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、磁気カー効果を利用した素子を用いてもよい。
図10は本発明の第6の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の信号処理系の概念を示す図、図11は信号処理系の構成を示すブロック図である。この図10、図11は、第1〜第5の実施の形態に適用する信号処理系を説明するための図である。
粒子形状識別を行う本実施の形態の信号処理系は、信号増幅手段27と、変調手段28と、位相弁別検知手段29と、演算手段30と、通信手段31とを有する。位相弁別検知手段29と演算手段30とは、粒子識別手段を構成している。そして、演算手段30は、波高分析部30aと、制御・計数部30bとを有する。
図12は、本発明の第7の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の流体フロー系の構成を示す図であり、第3〜第6の実施の形態に適用する流体フロー系を説明するための図である。
試料流体18aは、採気管17から、第3の実施の形態で説明した検出器7へと導かれる。検出器7の受光手段4により検出された信号は、第6の実施の形態で説明した信号処理系へと出力される。
バルブ35は、試料流体18aの流量(吸引量)を調節する。流量計36は、試料流体18aの流量を常時検出する。そして、演算手段30の制御・計数部30bは、流量計36で検出された試料流体18aの流量に基づいて、ポンプ33及びバルブ35を制御することで、試料流体18aの流量を例えば2リットル/minに調整する。
図13は、本発明の第8の実施の形態に係る浮遊粒子状物質測定装置の光源の構成を示す図であり、第1〜第7の実施の形態に適用する光源を説明するための図である。
光源3は、白熱ランプ40と、波長フィルタ41と、直線偏光板42と、コリメート光学系43とを有する。
Claims (11)
- 直線偏光を射出する光源と、
流体中に浮遊している被検出対象粒子を観測視野内に導入する導入手段と、
前記観測視野内に導入された粒子に前記直線偏光が入射したことによる散乱光を検出して電気信号に変換する受光手段と、
前記直線偏光が前記粒子に入射する前に、前記光源と前記粒子と前記受光手段とを含む散乱平面に対して、前記直線偏光の偏光面を前記散乱平面の法線方向から任意の角度だけ所定の周波数で繰り返し変動させる偏光面回転手段と、
前記直線偏光が前記粒子に入射する前に、前記粒子を前記散乱平面の法線方向に向ける粒子配向手段と、
前記受光手段から出力された信号に基づいて前記粒子の形状を識別する粒子識別手段とを有し、
前記光源は、前記直線偏光の偏光面を前記散乱平面の法線方向に偏光させ、
前記受光手段は、前記光源から前記粒子に向かう方向に対して前記粒子を中心とする散乱角が略10度の散乱光を検出することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項1記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記光源から射出される直線偏光の波長の最小値は、識別対象とする球状微小粒子の半径よりも長く、かつ円柱状微小粒子の長さよりも短いことを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項1記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記偏光面回転手段は、光磁気効果を利用した素子からなることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項3記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記偏光面回転手段は、前記所定の周波数の制御信号に応じて前記直線偏光の偏光面の回転角を制御する偏光面回転角可変型ファラデー回転子からなることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項3記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記偏光面回転手段は、前記直線偏光の偏光面の回転角が固定された偏光面回転角固定型ファラデー回転子と、前記所定の周波数の制御信号に応じて前記偏光面回転角固定型ファラデー回転子を機械的に回転させるモータとからなることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項1記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記粒子配向手段は、前記散乱平面の法線方向を向いた静電場を前記観測視野の近傍に形成する手段であることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項1記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記粒子識別手段は、前記受光手段から出力された信号の強度が前記所定の周波数で変調されている場合は、前記粒子が円柱状粒子であると識別し、前記信号の強度が変調されていない場合は、前記粒子が球状粒子であると識別することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項7記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記粒子識別手段は、前記受光手段から出力された信号のパルスの数から前記粒子の個数を検出し、前記粒子が球状粒子であると識別した場合は前記パルスの最大強度から粒径を検出し、前記粒子が円柱状粒子であると識別した場合は前記パルスの最大強度から粒子の長さを検出することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項1記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記導入手段は、絶縁材料からなる中空ディスク状絶縁ブロックと、その上下から前記中空ディスク状絶縁ブロックを挟む絶縁材料からなる二枚の蓋とからなり、
前記中空ディスク状絶縁ブロックは、このブロックの中心を通る前記直線偏光の導入用の第1の貫通孔と、前記ブロックの中心を通り、かつ前記第1の貫通孔と直交する前記流体の導入用の第2の貫通孔と、前記第1の貫通孔の軸に対して略10度の方向に、かつその延長線が前記ブロックの中心を通るように形成された前記散乱光の検出用の第3の貫通孔と、前記第1、第2、第3の貫通孔と繋がる中央部に設けられた光の散乱室となる空間とを有し、
上側の前記蓋と前記中空ディスク状絶縁ブロックとの間、及び下側の前記蓋と前記中空ディスク状絶縁ブロックとの間に、それぞれ前記粒子配向手段を構成する金属電極を前記第2の貫通孔に沿って配設することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項1記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記導入手段は、前記流体を導入する流路であるフロー管からなり、
このフロー管は、前記直線偏光の導入用及び前記散乱光の検出用の開孔を有し、
この開孔の上下部分に前記粒子配向手段を構成する金属電極を配設することを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。 - 請求項9記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記中空ディスク状絶縁ブロックと2枚の蓋とは、プラスティック、マシナブル・セラミックス、あるいはエンジニアリング・セラミックスの何れかからなり、
前記散乱室の壁面及び前記第1、第2、第3の貫通孔の壁面は、前記光源の波長の光を吸収する材料で被覆されることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
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