JP2011095060A

JP2011095060A - 流体中の粒子質量濃度測定装置及びその測定方法並びに流体中の粒子密度測定装置及びその測定方法

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Publication number: JP2011095060A
Application number: JP2009248116A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Koyama; 博巳小山
Original assignee: Shibata Kagaku KK
Current assignee: Shibata Kagaku KK
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP5326120B2

Abstract

【課題】被測定対象が流動する流体であっても、誤差の少ない測定を可能とする流体中の粒子密度測定装置及びその測定方法並びに流体中の粒子質量濃度測定装置及びその測定方法を提供する。
【解決手段】流体中の粒子の散乱光強度を測定する第１光散乱検出器１０と、第１光散乱検出器１０を通過した流体中の粒子を分粒させる分粒装置２０と、分粒装置２０を通過した流体中の分粒後通過粒子の散乱光強度を測定する第２光散乱検出器１０´と、第２光散乱検出器１０´を通過した流体中の分粒後通過粒子を捕集するフィルタ４０と、粒子質量濃度測定装置１の外部から被測定対象となる流体を第１光散乱検出器１０→分粒装置２０→第２光散乱検出器１０´→フィルタ４０と流動させる吸引装置５０と、流体中の粒子の密度の算出処理や吸引装置５０の制御などを行なう演算処理部６０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動する大気や液体などの流体中の粒子の質量濃度及び密度を正確に測定する流体中の粒子質量濃度測定装置及びその測定方法並びに流体中の粒子密度測定装置及びその測定方法に関するものである。

従来、大気や液体など流体中の粒子を捕集しないで粒子の質量濃度を測定する方法として、流体中に含まれる粒子に光を照射して粒子により生じた散乱光量を計測する光散乱法が知られている。この光散乱法は、粒子により生じた散乱光の総量が粒子の質量濃度に相関性を持つことを利用し、粒子の相対濃度を計測する装置に広く用いられている。このような光散乱法を用いた装置は、粒子を捕集せずに計測が可能であり、短時間で場の評価が可能なことから、粒子の質量濃度の変化や粒子の除去効率の測定に広く用いられている（特許文献１）。

このような装置を用いた粒子の質量濃度は、光散乱法によって計測された粒子径及び粒子径毎に区分した粒子個数、通過する大気の流量、並びに予め求められた質量濃度換算係数に基づいて算出されている。

特開２００８−２５６３６３号公報

しかしながら、流体中の粒子の質が同一であれば同じ質量濃度換算係数を用いることができるが、流動する流体に含まれている粒子は、粒子の径と密度が変化することで光散乱との相関性が悪化することから、質量濃度換算係数が大きく変動し、流体中の粒子の質量濃度測定の妨げになるという問題がある。

そこで、本発明は、被測定対象が流動する流体であっても、誤差の少ない測定を可能とする流体中の粒子密度測定装置及びその測定方法並びに流体中の粒子質量濃度測定装置及びその測定方法を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明に係る流体中の粒子質量濃度測定装置は、被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒装置と、該分粒装置によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出器と、前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出器と、前記分粒装置及び前記第２光散乱検出器を通過した流体の流量を測定する流量計と、前記第１光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出し、この粒子の密度の値と、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記流量計において測定された流体の流量の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度を算出する演算処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る流体中の粒子質量濃度測定装置において、前記演算処理部は、前記第１光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒装置の特有の分粒パラメータと、その粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、前記分粒装置を通過する仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出すると共に、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出し、算出したこれら分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出し、更に、算出したこれら前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）の値と、前記第２光散乱検出器において測定された分粒後通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値と、前記流量計において測定された流体の流量（Ｑ）の値とを式（４）に当て嵌めることにより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度（Ｃ）を算出することが好ましい。

本発明に係る流体中の粒子質量濃度測定方法は、被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒工程と、該分粒工程によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出工程と、前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出工程と、前記分粒工程及び前記第２光散乱検出工程後の流体の流量を測定する流量測定工程と、前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出し、この粒子の密度の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記流量測定工程において測定された流体の流量の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度を算出する演算処理工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る流体中の粒子質量濃度測定方法において、前記演算処理工程は、前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒工程の分粒パラメータとその粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、分粒される仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出する第１演算処理工程と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出する第２演算処理工程と、前記第１演算処理工程により算出された分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び前記第２演算処理工程により算出された分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出する第３演算処理工程と、前記第３演算処理工程により算出された前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された分粒後通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値と、前記流量測定工程において測定された流体の流量（Ｑ）の値とを式（４）に当て嵌めることにより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度（Ｃ）を算出する第４演算処理工程とを備えることが好ましい。

以上のように、本発明に係る流体中の粒子質量濃度測定装置及びその測定方法によれば、流体中の粒子の質量濃度を算出するにあたって、まず、光散乱法を利用して、分粒される前の状態の流体中の粒子の粒子径及び粒子径毎の粒子個数、並びに分粒された後の状態の流体中の分粒後通過粒子の粒子径及び粒子径毎の粒子個数を測定し、次いで、これら測定値から分粒される前の状態の流体中の仮想通過粒子の幾何学的平均径及び分粒された後の状態の流体中の分粒後通過粒子の幾何学的平均径を算出すると共に、これらの幾何学的平均径から被測定対象となる流体中の粒子の密度を算出し、これら粒子の密度の値と分粒された後の状態の流体中の分粒後通過粒子の粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と通過する流体の総量とから流体中の粒子の質量濃度を算出するため、被測定対象が流動する流体であっても、常に正確な粒子の質量濃度を算出することができる。

本発明に係る流体中の粒子密度測定装置は、被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒装置と、該分粒装置によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出器と、前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出器と、前記第１光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出する演算処理部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る流体中の粒子密度測定装置において、前記演算処理部は、前記第１光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒装置の特有の分粒パラメータと、その粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、前記分粒装置を通過する仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出すると共に、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出し、算出したこれら分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出することが好ましい。

本発明に係る流体中の粒子密度測定方法は、被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒工程と、該分粒工程によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出工程と、前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出工程と、前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出する演算処理工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る流体中の粒子密度測定方法において、前記演算処理工程は、前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒工程の分粒パラメータとその粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、分粒される仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出する第１演算処理工程と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出する第２演算処理工程と、前記第１演算処理工程により算出された分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び前記第２演算処理工程により算出された分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出する第３演算処理工程とを備えることが好ましい。

以上のように、本発明に係る流体中の粒子密度測定装置及びその測定方法によれば、流体中の粒子の密度を算出するにあたって、まず、光散乱法を利用して、分粒される前の状態の流体中の粒子の粒子径及び粒子径毎の粒子個数、並びに分粒された後の状態の流体中の分粒後通過粒子の粒子径及び粒子径毎の粒子個数を測定し、次いで、これら測定値から分粒される前の状態の流体中の仮想通過粒子の幾何学的平均径及び分粒された後の状態の流体中の分粒後通過粒子の幾何学的平均径を算出した上で、これらの幾何学的平均径から被測定対象となる流体中の粒子の密度を算出するため、被測定対象が流動する流体であっても、常に正確な粒子の密度を算出することができる。

以上のように、本発明によれば、被測定対象が流動する流体であっても、誤差の少ない測定を可能とする流体中の粒子密度測定装置及びその測定方法並びに流体中の粒子質量濃度測定装置及びその測定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る粒子密度測定装置の構成を示す模式図である。本実施形態に係る粒子密度測定装置の第１光散乱検出器における光散乱を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る粒子質量濃度測定装置の構成を示す模式図である。本発明の他の実施形態に係る粒子質量濃度測定装置の構成を示す模式図である。

次に、本発明の一実施形態に係る流体中の粒子密度測定装置について、図面に基づいて説明する。本実施形態に係る流体中の粒子密度測定装置１は、大気中の粒子の密度を測定するものであり、図１に示すように、大気中の粒子の散乱光強度を測定する第１光散乱検出器１０と、第１光散乱検出器１０を通過した大気中の粒子を分粒させる分粒装置２０と、分粒装置２０を通過した大気中の分粒後通過粒子の散乱光強度を測定する第２光散乱検出器１０´と、第２光散乱検出器１０´を通過した大気中の分粒後通過粒子を捕集するフィルタ４０と、粒子密度測定装置１の外部から被測定対象となる大気を第１光散乱検出器１０→分粒装置２０→第２光散乱検出器１０´→フィルタ４０と流動させる吸引装置５０と、大気中の粒子の密度の算出処理や吸引装置５０の制御などを行なう演算処理部６０とを備えている。

第１光散乱検出器１０は、図２に示すように、密閉された空間１１ｄを有するハウジング１１と、ハウジング１１内の空間１１ｄに設けられ、その空間１１ｄの中央に所定波長のレーザー光を発光するシート状の光源１２と、ハウジング１１の側面１１ｃ（図２の右側面）の内側に設けられ、散乱光１５を検出する光検出部１３と、空間１１ｄの光検出部１３と対向する位置に設けられ、粒子２が光源１２を通過する際に発せられた散乱光１５を反射して光検出部１３に集光させる球面状の反射鏡１４とを備えている。ハウジング１１の上面１１ａには、被測定対象となる大気をハウジング１１の空間１１ｄに流入可能な流入孔１６が形成され、ハウジング１１の下面１１ｂには、その空間１１ｄの大気を流出させるための流出孔１７が形成されている。この流入孔１６には、粒子密度測定装置１の外部と連通する吸引路１８が設けられている。光検出部１３は、検出した散乱光１５の散乱光強度が信号として増幅器（図示せず）を介して演算処理部６０に送信されるように構成されている。ここで、第１光散乱検出器１０は、球面状の反射鏡１４により散乱光１５を集光させる構成のものを用いたが、これに限定されず、例えば受光レンズにより集光させる構成のものなど、周知の光散乱検出器を用いることができる。

分粒装置２０は、慣性衝突式の分粒装置であり、図１に示すように、第１光散乱検出器１０の下流側に流動路７０ａを介して配置され、被測定対象となる大気中の粒子２を分粒し、粒径の小さい粒子が含まれた大気を下流に流動可能に構成されている。この分粒装置２０は、粒子の密度と幾何学的粒子径に反比例して通過する粒子の個数が増加するタイプのものであれば良く、例えば、慣性衝突式分粒装置の他に、重力沈降分粒装置や遠心分離式分粒装置などの周知の分粒装置を用いることができる。ここで、分粒装置２０の分粒特性を測定規格に適合させることにより、測定規格に合わせた粒子密度測定を行なうことが可能になる。

第２光散乱検出器１０´は、図１に示すように、分粒装置２０の下流側に流動路７０ｂを介して配置され、第１光散乱検出器１０と同様に構成されている。第２光散乱検出器１０´の光検出部１３´は、第１光散乱検出器１０の光検出部１３と同様に、検出した散乱光１５の散乱光強度が信号として増幅器（図示せず）を介して演算処理部６０に送信されるように構成されている。

吸引装置５０は、図１に示すように、流動路７０ｃ、フィルタ４０及び流動路７０ｄを介して分粒装置２０の下流側に配置されている。また、吸引装置５０は、密閉された空間を有するハウジングの内部にポンプ（図示せず）などの吸引手段が設けられていることにより、粒子密度測定装置１の外部から第１光散乱検出器１０、分粒装置２０、第２光散乱検出器１０´及びフィルタ４０を介して、被測定対象となる大気を吸引するように構成されている。

演算処理部６０は、第１光散乱検出器１０からの信号に基づいて、第１光散乱検出器１０を通過した大気中の粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ及び幾何学的粒子径ｄ_ｉ毎に区分した粒子個数ｎ_ｉを算出する第１演算処理部６１と、第２光散乱検出器１０´からの信号に基づいて、第２光散乱検出器１０´を通過した大気中の分粒後通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ´及び幾何学的粒子径ｄ_ｉ´毎に区分した粒子個数ｎ_ｉ´´を算出する第２演算処理部６２と、これら第１演算処理部６１及び第２演算処理部６２の演算結果から被測定対象となる大気中の粒子の密度ρを算出する第３演算処理部６３と、吸引装置５０の動作制御等を行なう制御部６４とを備えている。

次に、本実施形態に係る流体中の粒子密度測定装置１を用いて大気中の粒子の密度ρを測定する方法について説明する。まず、吸引装置５０を作動させ、粒子密度測定装置１の外部から被測定対象となる大気を第１光散乱検出器１０の吸引路１８から第１光散乱検出器１０の空間１１ｄに流入させる。第１光散乱検出器１０の空間１１ｄに流入した大気は、第１光散乱検出器１０の光源１２を通過した後、流動路７０ａを介して分粒装置２０に流出される。この際、第１光散乱検出器１０の光源１２を通過する際に大気中の粒子２から生じた散乱光強度Ｉ_θが光検出部１３により検出され、信号として増幅器を介して演算処理部６０に送信される。

演算処理部６０の第１演算処理部６１は、第１光散乱検出器１０から受信した散乱光強度Ｉ_θの値を式（５）に当て嵌めることにより、粒子のサイズパラメータαを算出し、このサイズパラメータαの値を式（６）に当て嵌めることにより、第１光散乱検出器１０を通過した大気中の粒子２の幾何学的粒子径ｄ_ｉを算出する。また、演算処理部６０の第１演算処理部６１は、受信した散乱光強度Ｉ_θ毎にパルスの数を計数することにより、第１光散乱検出器１０を通過した大気中の粒子２の幾何学的粒子径ｄ_ｉ毎に区分した粒子個数ｎ_ｉを求める。

ここで、Ｉ_Ｏは入射光強度、Ｒは粒子からの距離、ｉ_１及びｉ_２は垂直または水平偏向散乱光成分、ｍは粒子の屈折率、λは入射光の波長、θは入射光と散乱光のなす角度であり、いずれも光散乱検出器から得られる値である。

また、本実施形態に係る流体中の粒子密度測定装置１は、慣性衝突式の分粒装置を用いているので、演算処理部６０の第１演算処理部６１は、粒子の密度ρ_Ｐを１と仮定し、その密度ρ_Ｐの値と、第１光散乱検出器１０を通過した大気中の粒子２の幾何学的平均径ｄ_ｉとを式（７）に当て嵌めることにより、分粒装置の分粒特性である慣性パラメータψを算出し、算出された慣性パラメータψの値と、幾何学的粒子径ｄ_ｉ毎に区分した粒子個数ｎ_ｉの値とを式（８）に当て嵌めることにより、粒子の密度ρ_Ｐを１と仮定した場合に分粒装置２０を通過する粒子、すなわち、仮想通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ毎に区分した粒子個数ｎ_ｉ´を算出する。

ここで、Ｃ_Ｃはカニンガムの補正項、Ｖはノズル出口の気体平均流速、φ_Ｃは円形ノズルの直径、ηは気体の粘性係数であり、いずれも分粒装置から得られる値である。

分粒装置２０の内部に流入した大気中の粒子２は、分粒装置２０の内部において分粒され、粒径の小さい粒子が含まれた大気が流動路７０ｂを介して第２光散乱検出器１０´に流出される。第２光散乱検出器１０´の内部１１ｄ´に流入した大気は、第２光散乱検出器１０´の光源１２´を通過した後、流動路７０ｃを介してフィルタ４０に流出され、フィルタ４０において大気中の分粒後通過粒子が捕集された後に、流動路７０ｄを介して吸引装置５０に吸引される。この際、第２光散乱検出器１０´の光源１２´を通過する際に大気中の分粒後通過粒子から生じた散乱光強度Ｉ_θ´が光検出部１３´により検出され、信号として増幅器を介して演算処理部６０に送信される。

演算処理部６０の第２演算処理部６２は、第２光散乱検出器１０´から受信した散乱光強度Ｉ_θ´の値を式（９）に当て嵌めることにより、粒子のサイズパラメータα´を算出し、このサイズパラメータα´の値を式（１０）に当て嵌めることにより、第２光散乱検出器１０´を通過した大気中の分粒後通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ´を算出する。また、演算処理部６０の第２演算処理部６２は、受信した散乱光強度毎にパルスの数を計数することにより、第２光散乱検出器１０´を通過した大気中の分粒後通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ´毎に区分した粒子個数ｎ_ｉ´´を求める。

次に、演算処理部６０の第３演算処理部６３において、第１演算処理部６１により算出された大気中の仮想通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ及び幾何学的粒子径ｄ_ｉ毎に区分した粒子個数ｎ_ｉ´の値を式（１）に当て嵌めることにより、分粒される前の状態の大気に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径Ｄ_ｇを算出する。

また、演算処理部６０の第３演算処理部６３において、第２演算処理部６２により算出された大気中の分粒後通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ´及び幾何学的粒子径ｄ_ｉ´毎に区分した粒子個数ｎ_ｉ´´の値を式（２）に当て嵌めることにより、分粒された後の状態の大気に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径Ｄ_ｇ´を算出する。

次に、演算処理部６０の第３演算処理部６３は、分粒される前の状態の大気に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径Ｄ_ｇの値と、分粒された後の状態の大気に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径Ｄ_ｇ´の値とを式（３）に当て嵌めることにより、被測定対象となる大気中の粒子の密度ρを算出する。

次に、本発明の第１実施形態に係る流体中の粒子質量濃度測定装置について、図面に基づいて説明する。本実施形態に係る流体中の粒子質量濃度測定装置１００は、図３に示すように、上述した粒子密度測定装置１の構成に加え、分粒された後の状態の大気の流量を計測する流量計８０を更に備えている。なお、上述した粒子密度測定装置１と同様の構成に関する説明は省略し、異なる構成についてのみ説明する。

流量計８０は、流動路７０ｅを介してフィルタ４０の下流側に配置されると共に、流動路７０ｆを介して吸引装置５０の上流側に配置されている。また、流量計８０は、マスフローセンサなどの周知の流量計測手段（図示せず）を備えていることにより、通過する大気の流量を測定すると共に、測定した大気の流量が信号として演算処理部６０に送信されるように構成されている。

演算処理部６０は、上述した第１演算処理部６１、第２演算処理部６２、第３演算処理部６３及び制御部６４に加え、流量計８０からの信号に基づいて、第２光散乱検出器１０´を通過した大気の総量Ｑを演算する第４演算処理部６５と、これら第１演算処理部６１、第２演算処理部６２、第３演算処理部６３及び第４演算処理部６５の演算結果から大気中の粒子の質量濃度Ｃを算出する第５演算処理部６６とを更に備えている。

次に、本実施形態に係る流体中の粒子質量濃度測定装置１００を用いて大気中の粒子の質量濃度Ｃを測定する方法について説明する。まず、上述した粒子密度測定装置１と同様の方法により、第３演算処理部６３において大気中の粒子の密度ρを算出する。また、演算処理部６０の第４演算処理部６５において、流量計８０の測定値から評価に必要な時間内の大気の総量Ｑを算出する。

その後、演算処理部６０の第５演算処理部６６において、第２演算処理部６２により算出された分粒された後の状態の大気に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的粒子径ｄ_ｉ´及び幾何学的粒子径ｄ_ｉ´毎に区分した粒子個数ｎ_ｉ´´の値と、第３演算処理部６３により算出された大気中の粒子の密度ρの値と、第４演算処理部６５により算出された大気の総量Ｑの値とを式（４）に当て嵌めることにより、被測定対象となる大気中の粒子の質量濃度Ｃを算出する。

本実施形態に係る流体中の粒子密度測定装置１及び流体中の粒子質量濃度測定装置１００において、第１光散乱検出器１０は、分粒装置２０及び第２光散乱検出器１０´の上流側に配置したが、これに限定されず、分粒される前の状態の流体を測定可能に配置されていれば良く、例えば図４に示すように、第１光散乱検出器１０と分粒装置２０及び第２光散乱検出器１０´とを並列的に配置することもできる。

また、被測定対象となる流体を大気としたが、これに限定されず、例えば水やアルコール等の流動する液体であっても良い。

さらに、本実施形態に係る流体中の粒子密度測定方法及び流体中の粒子質量濃度測定方法において、慣性衝突式分粒装置以外の分粒装置を用いる場合には、例えば、重力沈降分粒装置では、ストークスの沈降速度を用いることができ、遠心分離式分粒装置では、遠心沈降速度を用いることができる。

以上のように、本実施形態に係る流体中の粒子密度測定装置１及び粒子質量濃度測定装置１００によれば、粒子の密度を１と仮定した場合に分粒装置２０を通過する仮想通過粒子の幾何学的平均径Ｄ_ｇと、実際に分粒装置２０を通過した流体中の分粒後通過粒子の幾何学的平均径Ｄ_ｇ´との比により、被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度ρを算出するため、被測定対象が流動する流体であっても、誤差の少ない測定が可能となる。

１粒子密度測定装置、１０第１光散乱検出器、１０´ 第２散乱検出器、２０分粒装置、４０フィルタ、５０吸引装置、６０演算処理部、８０流量計、１００粒子質量濃度測定装置

Claims

被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒装置と、
該分粒装置によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出器と、
前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出器と、
前記分粒装置及び前記第２光散乱検出器を通過した流体の流量を測定する流量計と、
前記第１光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出し、この粒子の密度の値と、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記流量計において測定された流体の流量の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度を算出する演算処理部と
を備えたことを特徴とする流体中の粒子質量濃度測定装置。
前記演算処理部は、前記第１光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒装置の特有の分粒パラメータと、その粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、前記分粒装置を通過する仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出すると共に、
前記第２光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出し、
算出したこれら分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出し、
更に、算出したこれら前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）の値と、前記第２光散乱検出器において測定された分粒後通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値と、前記流量計において測定された流体の流量（Ｑ）の値とを式（４）に当て嵌めることにより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度（Ｃ）を算出することを特徴とする請求項１記載の流体中の粒子質量濃度測定装置。
被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒工程と、
該分粒工程によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出工程と、
前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出工程と、
前記分粒工程及び前記第２光散乱検出工程後の流体の流量を測定する流量測定工程と、
前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出し、この粒子の密度の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記流量測定工程において測定された流体の流量の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度を算出する演算処理工程と
を備えたことを特徴とする流体中の粒子質量濃度測定方法。
前記演算処理工程は、前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒工程の分粒パラメータとその粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、分粒される仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出する第１演算処理工程と、
前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出する第２演算処理工程と、
前記第１演算処理工程により算出された分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び前記第２演算処理工程により算出された分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出する第３演算処理工程と、
前記第３演算処理工程により算出された前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された分粒後通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値と、前記流量測定工程において測定された流体の流量（Ｑ）の値とを式（４）に当て嵌めることにより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の質量濃度（Ｃ）を算出する第４演算処理工程と
を備えたことを特徴とする請求項３記載の流体中の粒子質量濃度測定方法。
被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒装置と、
該分粒装置によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出器と、
前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出器と、
前記第１光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出器において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出する演算処理部と
を備えたことを特徴とする流体中の粒子密度測定装置。
前記演算処理部は、前記第１光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒装置の特有の分粒パラメータと、その粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、前記分粒装置を通過する仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出すると共に、
前記第２光散乱検出器において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒装置によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出し、
算出したこれら分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出することを特徴とする請求項５記載の流体中の粒子密度測定装置。
被測定対象となる流体中の粒子を分粒する分粒工程と、
該分粒工程によって分粒される前の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第１光散乱検出工程と、
前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体にレーザー光をあて、該流体に含まれている複数の粒子の散乱光強度から前記複数の粒子のそれぞれの粒子径及びそれら粒子径毎の粒子個数を測定する第２光散乱検出工程と、
前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値と、前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径及び粒子径毎の粒子個数の値とから、前記被測定対象となる流体に含まれている複数の粒子の密度を算出する演算処理工程と
を備えたことを特徴とする流体中の粒子密度測定方法。
前記演算処理工程は、前記第１光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ）から算出される前記分粒工程の分粒パラメータとその粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ）の値とから、分粒される仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）を算出し、仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）の値及び算出された仮想通過粒子の粒子径（ｄ_ｉ）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´）の値を式（１）に当て嵌めることにより仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）を算出する第１演算処理工程と、
前記第２光散乱検出工程において測定された粒子径（ｄ_ｉ´）及び粒子径（ｄ_ｉ´）毎の粒子個数（ｎ_ｉ´´）の値を式（２）に当て嵌めることにより、前記分粒工程によって分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）を算出する第２演算処理工程と、
前記第１演算処理工程により算出された分粒される前の状態の流体に含まれている仮想通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ）の値及び前記第２演算処理工程により算出された分粒された後の状態の流体に含まれている分粒後通過粒子の幾何学的平均径（Ｄ_ｇ´）の値を式（３）に当て嵌めることより、前記被測定対象となる流体に含まれている粒子の密度（ρ）を算出する第３演算処理工程と
を備えたことを特徴とする請求項７記載の流体中の粒子密度測定方法。