JP2015210184A - Particle measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粒子測定装置に関する。 The present invention relates to a particle measuring apparatus.
光散乱式粒子測定装置は、投光素子と受光素子とを備えた光電式粒子検出センサを有する粒子測定装置であり、測定対象の気体を取り込んで投光素子の光を当該気体に照射し、その散乱光によって気体に含まれる粒子の有無及び粒径等を検出するものである。例えば、大気中に浮遊するホコリ・花粉・煙等の粒子を検出することができる。 The light scattering particle measuring device is a particle measuring device having a photoelectric particle detection sensor provided with a light projecting element and a light receiving element, takes in a gas to be measured and irradiates the light of the light projecting element to the gas, The presence / absence and particle size of particles contained in the gas are detected by the scattered light. For example, particles such as dust, pollen, and smoke floating in the atmosphere can be detected.
この種の光散乱式粒子検出センサとして、迷光の発生を低減するために、投光素子又は受光素子と対向する位置に光トラップが設けられたものが知られている(例えば特許文献1参照)。 As this type of light scattering type particle detection sensor, a sensor provided with a light trap at a position facing a light projecting element or a light receiving element is known in order to reduce the generation of stray light (see, for example, Patent Document 1). .
近年、より粒径の小さい微粒子を検出するために粒子検出センサのさらなる高感度化が要望されており、例えば、ファンやヒータ抵抗によって気流を発生させて粒子検出センサ内に沢山の粒子を取り込むことで高感度化することが考えられている。 In recent years, there has been a demand for further enhancement of the sensitivity of particle detection sensors in order to detect fine particles having a smaller particle diameter. For example, a large amount of particles are taken into the particle detection sensor by generating an air flow using a fan or heater resistance. It is considered to increase the sensitivity.
しかしながら、単にファンやヒータ抵抗を設けただけでは気流の流速を一定に保つことができず、粒径などの測定精度にばらつきが発生する。 However, simply providing a fan or heater resistor cannot keep the airflow velocity constant, and the measurement accuracy such as particle size varies.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、微粒子の粒径等を高精度で測定できる粒子測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a particle measuring apparatus capable of measuring the particle diameter of fine particles with high accuracy.
上記目的を達成するために、本発明に係る粒子測定装置の一態様は、投光素子と、粒子を含む大気を流す粒子流路と、前記粒子流路内の前記粒子による前記投光素子の光の散乱光を受光する受光素子と、電流が流れることで大気の一部を加熱して前記粒子流路に気流を発生させる加熱部と、外気温を計測する温度センサと、前記温度センサにより計測された外気温に基づいて、前記加熱部に流す電流を調整する電流調整部と、前記受光素子から出力された電流を電圧信号に変換するIV変換部と、前記電圧信号を増幅し、当該電圧信号を前記粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する増幅部と、前記パルス波形を含む電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算する演算部とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an aspect of the particle measuring apparatus according to the present invention includes a light projecting element, a particle flow path for flowing an atmosphere containing particles, and the light projecting element by the particles in the particle flow path. A light-receiving element that receives scattered light, a heating unit that heats a part of the atmosphere by an electric current to generate an air flow in the particle flow path, a temperature sensor that measures an outside air temperature, and the temperature sensor Based on the measured outside air temperature, a current adjustment unit that adjusts the current flowing through the heating unit, an IV conversion unit that converts the current output from the light receiving element into a voltage signal, amplifies the voltage signal, and An amplification unit that converts a voltage signal into a voltage signal including a pulse waveform corresponding to the particles, and an arithmetic unit that calculates the particle size of the particles based on the voltage signal including the pulse waveform are provided. .
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、前記電流調整部は、前記温度センサにより計測された外気温が基準温度より高い場合、前記加熱部に流す電流を所定値よりも大きくし、前記外気温が前記基準温度より低い場合、前記加熱部に流す電流を前記所定値よりも小さくしてもよい。 Moreover, in one aspect of the particle measuring apparatus according to the present invention, when the outside air temperature measured by the temperature sensor is higher than a reference temperature, the current adjusting unit increases a current flowing through the heating unit to be larger than a predetermined value. When the outside air temperature is lower than the reference temperature, the current flowing through the heating unit may be smaller than the predetermined value.
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、前記電流調整部は、前記温度センサにより計測された外気温と前記加熱部の温度との温度差が一定となるよう、前記加熱部に流す電流を調整してもよい。 Moreover, in one aspect of the particle measuring apparatus according to the present invention, the current adjustment unit is caused to flow through the heating unit so that a temperature difference between the outside air temperature measured by the temperature sensor and the temperature of the heating unit is constant. The current may be adjusted.
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、前記加熱部は、抵抗素子であってもよい。 In the aspect of the particle measuring apparatus according to the present invention, the heating unit may be a resistance element.
また、本発明に係る粒子測定装置の一態様において、さらに、前記パルス波形を含む電圧信号をサンプリング及び量子化するAD変換部を備え、前記演算部は、前記AD変換部によりサンプリング及び量子化された前記電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算してもよい。 In one aspect of the particle measuring apparatus according to the present invention, the particle measuring apparatus further includes an AD conversion unit that samples and quantizes the voltage signal including the pulse waveform, and the arithmetic unit is sampled and quantized by the AD conversion unit. The particle size of the particles may be calculated based on the voltage signal.
本発明によれば、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to measure the particle size and the like of fine particles with high accuracy.
以下では、本発明の実施の形態に係る粒子測定装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Below, the particle | grain measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention is demonstrated in detail using drawing. Note that each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Therefore, the numerical values, shapes, materials, components, component arrangements, connection forms, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、同じ構成部材については同じ符号を付している。 Each figure is a mimetic diagram and is not necessarily illustrated strictly. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the same structural member.
(実施の形態)
[1.粒子測定装置の全体構成]
まず、本発明の実施の形態に係る粒子測定装置の全体構成について説明する。
(Embodiment)
[1. Overall configuration of particle measuring apparatus]
First, the whole structure of the particle | grain measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention is demonstrated.
図1は、実施の形態に係る粒子測定装置の構成の一例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a particle measuring apparatus according to an embodiment.
同図に示すように、粒子測定装置100は、粒子検出センサ110、アナログ信号処理部120、電源部130、電流調整部170、及び温度センサ180を含むセンサモジュール150と、汎用MPU(Micro Processing Unit)160とを備え、大気に含まれる粒子の粒径を測定する。
As shown in the figure, the
以下、粒子測定装置100の各構成について、具体的に説明する。
Hereinafter, each structure of the particle |
[1−1.粒子検出センサの構成]
粒子検出センサ110は、投光素子111と受光素子112とを備える光電式センサであり、検知領域DAにおける粒子による投光素子111からの光の散乱光を受光素子112で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出するものである。本実施の形態における粒子検出センサ110は、さらに、反射面を有する反射体114と、大気を加熱する加熱部115とを有する。
[1-1. Configuration of particle detection sensor]
The
投光素子111は、所定の波長の光を発する光源(発光部)であり、例えば、LEDや半導体レーザ等の固体発光素子である。投光素子111としては、赤外光、青色光、緑色光、赤色光又は紫外光を発する発光素子を用いることができる。
The
なお、投光素子111の発光波長が短いほど、粒径の小さな粒子を検出しやすくなる。また、投光素子111の発光制御方式は特に限定されるものではなく、投光素子111から出射する光は、DC駆動による連続光又はパルス光等とすることができる。また、投光素子111の出力の大きさは、時間的に変化していてもよい。
In addition, it becomes easy to detect a particle | grain with a small particle size, so that the light emission wavelength of the
受光素子112は、光を受ける受光部であり、例えば、フォトダイオード、フォトICダイオード、フォトトランジスタ、又は、光電子倍増管等、光を受けて電気信号に変換する素子(光検出器)である。具体的には、受光素子112は、電気信号として電流信号を生成する。つまり、受光素子112は、受光した光強度に応じた電流信号を出力する。
The light receiving
これら投光素子111及び受光素子112は、電源部130から供給された電源によって動作する。
The
図1に示すように、投光素子111及び受光素子112は、筐体113内に配置される。筐体113は、投光素子111及び受光素子112を保持する。本実施の形態において、投光素子111及び受光素子112は、それぞれの光軸を交差させる形で筐体113内に配置されている。
As shown in FIG. 1, the
筐体113には、粒子を含む大気(気体)が流れる筒状の空間領域である粒子流路33が設けられている。
The
検知領域DAは、測定対象の気体に含まれる粒子(エアロゾル)を検知するための領域であるエアロゾル検知領域(エアロゾル測定部)であり、投光素子111の光が投光される空間領域と投光素子111の光が粒子に当たって発生した散乱光を受光素子112に導くための空間領域とが重なる空間領域である。また、検知領域DAは、粒子流路33内に存在するように配置されており、測定対象の気体は、粒子流路33を通って検知領域DAに導かれる。
The detection area DA is an aerosol detection area (aerosol measurement unit) that is an area for detecting particles (aerosol) contained in the gas to be measured. The detection area DA is projected with a space area where light from the
なお、本実施の形態において、粒子流路33の流路方向(測定対象の気体が流れる方向)は、図1の紙面上下方向としているが、図1の紙面垂直方向としてもよい。つまり、本実施の形態では、粒子流路33の流路軸は、投光素子111及び受光素子112の各光軸が通る平面上に存在するように配置されているが、当該平面と直交するように配置されていてもよい。
In the present embodiment, the flow channel direction of the particle flow channel 33 (the direction in which the gas to be measured flows) is the vertical direction on the paper surface of FIG. 1, but may be the vertical direction on the paper surface of FIG. That is, in the present embodiment, the flow path axis of the
反射体114(反射板)は、検知領域DAにおける粒子による投光素子111の光の散乱光を反射して当該散乱光を受光素子112に導く反射部材である。本実施の形態において、反射体114は、粒子の散乱光を反射して受光素子112に集光させている。より具体的には、反射体114は、粒子の散乱光を受光素子112に向けて反射している。
The reflector 114 (reflecting plate) is a reflecting member that reflects scattered light of the
図1に示すように、本実施の形態では、反射体114は、受光領域32に設けられている。具体的には、反射体114は、受光領域32における筐体113の内面に沿って設けられた集光ミラーであり、反射面である内面が曲面となっている。図1に示すように、反射体114の内面は、回転楕円体の回転面の一部である。つまり、反射体114は、内面(反射面)の形状が回転楕円面の一部の形状をなす楕円ミラーであり、反射体114の内面の断面形状は楕円の一部である。
As shown in FIG. 1, the
反射体114としては、ベース部材の表面そのものが反射面となるようにベース部材そのものが金属等の反射材料で形成されてもよいし、樹脂や金属のベース部材の表面に反射面となる反射膜が形成されてもよい。
As the
反射膜としては、アルミニウム、金、銀や銅等の金属反射膜、鏡面反射膜、又は、誘電体多層膜等を用いることができる。反射膜としては、吸収率が小さく、高い反射率を有するものがよい。また、反射膜として、蒸着等で形成したアルミニウム膜の表面に当該アルミニウム膜よりも薄い薄膜を積層したものを用いてもよい。アルミニウム膜に積層する薄膜としては、例えば、MgF膜、SiO2膜、SiO膜、AlN膜、アルミナ膜、又は、増反射膜等が用いられる。このように、アルミニウム膜にこれらの薄膜を積層することによって、アルミニウム膜の劣化(腐食等)を抑制したり光増幅による光学特性を向上させたりすることができる。 As the reflection film, a metal reflection film such as aluminum, gold, silver or copper, a mirror reflection film, a dielectric multilayer film, or the like can be used. As the reflective film, a film having a low absorptance and a high reflectance is preferable. Moreover, you may use as a reflecting film what laminated | stacked the thin film thinner than the said aluminum film on the surface of the aluminum film formed by vapor deposition. As the thin film laminated on the aluminum film, for example, an MgF film, a SiO 2 film, a SiO film, an AlN film, an alumina film, an enhanced reflection film, or the like is used. Thus, by laminating these thin films on the aluminum film, it is possible to suppress deterioration (corrosion and the like) of the aluminum film and improve optical characteristics by optical amplification.
加熱部115は、粒子を含む大気を検知領域DAに導入するために大気を加熱するものであり、粒子流路内に流れる気体の流れを促進させるための気流を発生させる気流発生装置として機能する。具体的には、加熱部115は、例えば、ヒータ抵抗等の抵抗素子であり、本実施の形態では、粒子流路の入口付近に配置されている。
The
例えば、加熱部115がヒータ抵抗である場合、電流調整部170からヒータ抵抗に電流が供給されると、ヒータ抵抗が加熱される。これにより、ヒータ抵抗の周囲の大気は、加熱されて密度が小さくなり、重力と逆方向の上方向に移動する。つまり、加熱部115によって粒子流路の入口付近の大気を加熱すると、上方向の気流(上昇気流)を発生させることができる。なお、ヒータ抵抗の温度は、電流調整部170から供給される電流が大きいほど高くなる。また、上昇気流の速度は、加熱部115が設置された粒子流路の入口付近である下端部と粒子流路の出口付近である上端部との温度差が大きいほど速くなる。これより、例えば、粒子検出センサ110の外部の温度が一定の場合、電流調整部170から供給される電流が大きいほど上昇気流の速度は大きくなる。
For example, when the
このように、加熱部115によって粒子流路付近の大気の一部を加熱することによって、筐体113(粒子流路)内に測定対象の気体(大気)を容易に引き込むことができる。これにより、加熱部115を設けない場合と比べて、粒子検出センサ110内に多くの粒子を取り込むことができる。したがって、粒子流路に含まれる検知領域DAにおける単位体積あたりの粒子の量を大きくすることができるので、感度を高くすることができる。
In this way, by heating a part of the atmosphere near the particle flow path by the
また、加熱部115は、上昇気流を発生させるので、図1に示すように、粒子流路33の下方部分に設置するとよい。なお、加熱部115が動作していない状態でも、大気は粒子流路内を通過することができる。つまり、加熱部115が動作していない場合でも、大気中に含まれる粒子を検出することは可能である。
Further, since the
[1−2.粒子検出センサの動作]
次に、本実施の形態における粒子検出センサ110の動作について、図2A、図2B、図2C及び図3を用いて説明する。
[1-2. Operation of particle detection sensor]
Next, the operation of the
図2A〜図2Cは、それぞれ、大気中に粒子が存在しない場合、大気中に粒径の小さい粒子が存在する場合及び大気中に粒径の大きい粒子が存在する場合における粒子検出センサの動作を説明するための断面図である。また、図3は、図2A〜図2Cに示す状態において受光素子112で検出される光強度のパルス波形を示すグラフである。
2A to 2C show the operation of the particle detection sensor when there are no particles in the atmosphere, when particles with a small particle diameter exist in the atmosphere, and when particles with a large particle diameter exist in the atmosphere, respectively. It is sectional drawing for demonstrating. FIG. 3 is a graph showing a pulse waveform of the light intensity detected by the
加熱部115を動作させて粒子流路に気流を発生させると、大気導入孔35から粒子検出センサ110内に大気が引き込まれ、当該大気は、粒子流路を経由して検知領域DAに導かれる。
When the
この場合、図2Aに示すように、粒子検出センサ110内に導入された大気に粒子(エアロゾル)が存在しない場合、つまり、検知領域DAに粒子が流入しない場合は、投光素子111から出射した光は検知領域DAを通過してそのまま直進するので、粒子による散乱光が発生しない。したがって、この場合、基本的には受光素子112の反応がないので、粒子検出センサ110内に導入された大気中に粒子が存在しないことが分かる。
In this case, as shown in FIG. 2A, when there is no particle (aerosol) in the atmosphere introduced into the
なお、この場合、検知領域DAを通過して直進した光が筐体113の中で反射して迷光となって受光素子112に入射する場合がある。しかしながら、この場合、受光素子112で検出される光強度は、検知領域DAに粒子が存在する場合と比べて小さい。したがって、粒子検出センサ110内に導入された大気中に粒子が存在しないことが分かる。
In this case, light traveling straight through the detection area DA may be reflected in the
また、図2Bに示すように、粒子検出センサ110内に導入した大気に粒径の小さい粒子(エアロゾル)P1が存在する場合、つまり、検知領域DAに粒径の小さい粒子P1が流入した場合は、投光素子111の光は検知領域DAに存在する粒子P1に当たって散乱し、当該散乱光は直接又は反射体114で反射して受光素子112に入射する。
In addition, as shown in FIG. 2B, when there is a particle (aerosol) P1 having a small particle size in the atmosphere introduced into the
具体的には、この場合、図3中の「粒径:小」で示すような光強度を持つ散乱光が受光素子112に入射する。ここで、上述したように、受光素子112は、受光した光強度に応じた電流信号を出力する。よって、この場合、受光素子112から出力される電流信号は比較的小さくなる。これにより、粒子検出センサ110内に導入した大気中には粒径の小さい粒子が存在することが分かる。
Specifically, in this case, scattered light having a light intensity as indicated by “particle size: small” in FIG. Here, as described above, the
また、図2Cに示すように、粒子検出センサ110内に導入した大気に粒径の大きい粒子(エアロゾル)P2が存在する場合、つまり、検知領域DAに粒径の大きい粒子P2が流入した場合も、投光素子111の光は検知領域DAに存在する粒子P2に当たって散乱し、当該散乱光は直接又は反射体114で反射して受光素子112に入射する。
In addition, as shown in FIG. 2C, when particles (aerosol) P2 having a large particle size exist in the atmosphere introduced into the
具体的には、この場合、図3中の「粒径:大」で示すような光強度を持つ散乱光が受光素子112に入射する。よって、この場合、受光素子112から出力される電流信号は比較的大きくなる。これにより、粒子検出センサ110内に導入した大気中には粒径の大きい粒子P2が存在することが分かる。
Specifically, in this case, scattered light having a light intensity as indicated by “particle size: large” in FIG. Therefore, in this case, the current signal output from the
このように、粒子検出センサ110は、当該粒子検出センサ110内に導入された大気に粒子が含まれるか否か(粒子の有無)を検知することができる。つまり、大気中の粒子を検出することができる。また、当該大気に粒子が含まれる場合、当該粒子の粒径に応じた電流信号を出力する。
In this way, the
[1−3.アナログ信号処理部の構成]
アナログ信号処理部120は、粒子検出センサ110から出力された電流信号に対して各種の信号処理を施すことにより、当該電流信号に基づくアナログ電圧信号を出力する。ここで、各種の信号処理とは、例えば、電流(I)を電圧(V)に変換するI/V変換、入力された信号の所望の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタ処理、及び、入力された信号を増幅して出力する増幅処理である。
[1-3. Configuration of analog signal processor]
The analog
なお、アナログ信号処理部120は、ここに例示した各処理に限らず、さらに他の信号処理(例えば、ハイパスフィルタ処理、ローパスフィルタ処理、及び、減衰処理等)を行うものであってもよい。
The analog
このアナログ信号処理部120は、図1に示すように、IV変換部121と、増幅部122とを含む。
As illustrated in FIG. 1, the analog
[1−3−1.IV変換部]
IV変換部121は、受光素子112から出力された電流を電圧に変換(IV変換)する。つまり、IV変換部121は、粒子検出センサ110から出力された電流信号を電圧信号に変換する。このように電圧信号に変換することにより、IV変換部121の後段に接続された増幅部122の設計が容易になる。
[1-3-1. IV conversion unit]
The
[1−3−2.増幅部]
増幅部122は、IV変換部121で変換された電圧信号の所定の帯域を増幅する。具体的には、当該電圧信号に含まれる周波数成分のうち所定の帯域の周波数成分を、他の帯域の周波数成分よりも高い増幅率で増幅する。ここで、所定の帯域とは、例えば、粒子検出センサ110の粒子流路33内に流れる大気の流速v1に対応する周波数f1を中心周波数、帯域幅をfbwとする帯域である。なお、fbwは所定の周波数であってもよいし、電圧信号のノイズフロアに応じて適宜調整された周波数であってもよい。言い換えれば、増幅部122は、IV変換部121で変換された電圧信号を増幅し、粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する。
[1-3-2. Amplification unit]
The
この増幅部122は、例えば、図1に示すように、IV変換部121から出力された電圧信号に含まれる周波数成分のうち所定の帯域の周波数成分を通過するバンドパスフィルタ122aと、バンドパスフィルタ122aを通過した周波数成分からなる信号を増幅する増幅器122bとを含む。なお、バンドパスフィルタ122a及び増幅器122bの接続順はこれに限らず、増幅器122bがバンドパスフィルタ122aよりも前段に設けられていてもよい。
For example, as illustrated in FIG. 1, the amplifying
このような構成により、アナログ信号処理部120は、粒子検出センサ110から出力された電流信号に基づく電圧信号を出力する。
With such a configuration, the analog
[1−4.電源部]
電源部130は、センサモジュール150が備える構成のうち、当該電源部130以外の各構成(粒子検出センサ110、アナログ信号処理部120、電流調整部170及び温度センサ180)に対して、電源を供給する。この電源部130は、例えば、センサモジュール150の外部から供給された電圧を所望の電圧に変換するレギュレータ等を含む。
[1-4. Power supply part]
The
[1−5.温度センサ]
温度センサ180は、外気温を計測するセンサであり、例えば、筐体113の外面部または粒子流路33の上端部である大気排出口に設置され、計測データを電流調整部170へ出力する。
[1-5. Temperature sensor]
The temperature sensor 180 is a sensor that measures the outside air temperature. For example, the temperature sensor 180 is installed in the air outlet that is the outer surface of the
[1−6.電流調整部]
電流調整部170は、温度センサ180により計測された外気温に基づいて、加熱部115に流す電流を調整する。より具体的には、電流調整部170は、温度センサ180により計測された外気温と加熱部115の温度との温度差が一定となるよう、加熱部115に流す電流を調整する。電流調整部170の電流調整動作の詳細については後述する。
[1-6. Current adjustment unit]
The
[2.汎用MPUの構成]
汎用MPU160は、アナログ信号処理部120から出力されたアナログ電圧信号を用いて、粒子検出センサ110の粒子流路内に流れる大気に含まれる粒子の粒径を算出する。この汎用MPU160は、例えば、集積回路であるシステムLSIにより実現され、以下で説明する構成毎に個別に1チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように1チップ化されてもよい。
[2. General-purpose MPU configuration]
The general-
また、汎用MPU160は、システムLSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)、又はLSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
The general-
このような汎用MPU160は、図1に示すように、AD変換部161と演算部162とを有する。演算部162は、AD変換部161で生成されたデジタルデータを用いて、粒子検出センサ110の粒子流路内に流れる大気に含まれる粒子についての種々の分析を行うことができる。この種々の分析とは、例えば、当該粒子の粒径の算出、又は、当該粒子の同定等である。
Such a general-
なお、本実施の形態に係る粒子測定装置100において、AD変換部161は必須の構成要素ではなく、演算部162は、増幅部122から出力されたアナログデータを用いて粒子の粒径等を算出してもよい。以下、汎用MPU160の各構成について説明する。
Note that in the
[2−1.AD変換部]
AD変換部161は、増幅部122で増幅された電圧信号をサンプリング(標本化)及び量子化する。言い換えると、当該AD変換部161は、アナログ信号処理部120から出力されたアナログの電圧信号をAD(Analog to Digital)変換することにより、当該電圧信号に対応する時系列のデジタルデータを生成する。つまり、AD変換部161は、粒子検出センサ110から出力された電流信号に基づく時系列のデジタルデータを生成する。
[2-1. AD converter]
The
具体的には、AD変換部161は、汎用MPU160に予め組み込まれたAD変換モジュールであり、当該汎用MPU160のアナログ入力端子に入力された電圧信号をデジタル信号に変換する。例えば、AD変換部161は、汎用MPU160においてアナログ入力用に配置された端子に入力された0.0〜5.0Vの範囲の電圧信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリングされた電圧信号の電圧を10ビットのデジタル値に変換する。
Specifically, the
なお、汎用MPU160のアナログ入力端子に入力される電圧の範囲は、上記例に限らず、例えば、当該入力される電圧の最大値は、汎用MPU160の外部から指定される電圧(例えば3.3V)であってもよい。また、AD変換部161で生成されるデジタル値のビット数は、上記例に限らず、例えば8ビットであっても12ビットであってもよい。
The range of the voltage input to the analog input terminal of the general-
[2−2.演算部]
演算部162は、AD変換部161で生成されたデジタルデータを用いて、粒子検出センサ110の粒子流路33内に流れる大気に含まれる粒子の粒径を算出する。
[2-2. Calculation unit]
The
ここで、演算部162による粒子の粒径の算出処理について説明する。
Here, the calculation process of the particle diameter of the particle | grains by the calculating
上述したように、粒子検出センサ110から出力される電流信号は、粒子検出センサ110の粒子流路33内に流れる大気に含まれる粒子の粒径に応じた信号である。よって、AD変換部161から演算部162に入力されるデジタルデータも粒子の粒径に応じた大きさとなる。具体的には、電流信号は、当該粒子の粒径が大きいほど大きくなるので、デジタルデータも、当該粒子の粒径が大きいほど大きくなる。
As described above, the current signal output from the
したがって、演算部162は、時系列のデジタルデータのピークを検出し、検出したピークの値を用いて当該粒子の粒径を算出する。つまり、演算部162は、AD変換部161によるサンプリング及び量子化された電圧信号である時系列のデジタルデータを用いて、当該デジタルデータのピーク値を求め、求めたピーク値を用いて粒子の粒径を演算する。
Therefore, the
また、粒子検出センサ110から出力される電流信号のピークの1つ1つ、つまり、粒子による散乱光の光強度のピーク1つ1つは、粒子の1つ1つに対応する。よって、演算部162は、粒子検出センサ110内に導入された大気の中の粒子の個数(量)も算出することができる。
Further, each of the peaks of the current signal output from the
また、演算部162は、上述したデジタルデータのピークを検出する演算(ピークサーチ)を、常時行っていてもよいし、所定の条件を満たしている場合のみに行っていてもよい。
In addition, the
例えば、演算部162は、粒子の粒径を算出するための複数の閾値(例えば、10段階の閾値Vth1〜Vth10)を有し、AD変換部161で生成されたデジタルデータが当該複数の閾値のうち最低の閾値(例えば、Vth1)より大きい場合に、ピークサーチを行ってもよい。言い換えると、演算部162は、当該デジタルデータが最低の閾値を超えた場合に、ピークサーチを開始してもよい。
For example, the
このように、演算部162は、所定の条件を満たしている場合のみにピークサーチを行うことにより、常時ピークサーチを行う場合と比較して、演算量(処理量)を低減することができる。つまり、汎用MPU160として高性能なデバイスを用いることなく、粒子の粒径を算出することができる。
As described above, the
ここで、粒子の粒径を算出するための複数の閾値のうち最低の閾値は、AD変換部161に入力された電圧信号のノイズフロアに対応するデジタル値より大きい値であってもよい。
Here, the lowest threshold value among the plurality of threshold values for calculating the particle size of the particles may be a value larger than a digital value corresponding to the noise floor of the voltage signal input to the
これにより、演算部162がノイズのピークを算出することにより生じる各種の誤検知を低減できる。なお、各種の誤検知とは、例えば、粒子の粒径の誤検知、及び、粒子の個数の誤検知等である。
Thereby, the various misdetections which arise when the calculating
また、本実施の形態に係る粒子測定装置100において、AD変換部161がない構成の場合、演算部162は、増幅部122から出力されたアナログデータを用いて粒子の粒径を演算することが可能である。
In addition, in the
図4は、アナログデータを用いた粒径測定方法の一例を説明する図である。この場合、汎用MPUは、例えば、コンパレータを有する。コンパレータは、アナログ信号処理部120から出力された電圧信号と所定の閾値電圧Vthとを比較し、電圧信号の電圧が閾値電圧Vth以下の場合にハイレベル電圧を出力する。一方、コンパレータは、電圧信号の電圧が閾値電圧Vthより大きい場合にローレベル電圧を出力する。
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of a particle size measuring method using analog data. In this case, the general-purpose MPU has, for example, a comparator. The comparator compares the voltage signal output from the analog
例えば、図2Bに示すような粒径の小さな粒子P1が検知領域DAにある場合、電圧信号は図4の(a)の「粒径:小」で示すようなグラフになる。また、図2Cに示すような粒径の大きな粒子P2が検知領域DAにある場合、電圧信号は図4の(a)の「粒径:大」で示すようなグラフになる。このとき、コンパレータの出力がローレベル電圧となっている期間は、粒径の小さな粒子P1が検知領域DAにある場合(期間Pa)より粒径の大きな粒子P2が検知領域DAにある場合(期間Pb)のほうが長くなる。 For example, when a particle P1 having a small particle size as shown in FIG. 2B is in the detection area DA, the voltage signal is a graph as shown by “particle size: small” in FIG. Further, when the particle P2 having a large particle size as shown in FIG. 2C is in the detection area DA, the voltage signal becomes a graph as shown by “particle size: large” in FIG. At this time, the period during which the output of the comparator is at the low level voltage is when the particle P2 having a larger particle diameter is in the detection area DA than when the particle P1 having a smaller particle diameter is in the detection area DA (period Pa) (period). Pb) is longer.
よって、コンパレータの出力がローレベル電圧となっている期間は、検知領域DAに位置する粒子の粒径が大きくなるほど長くなる。 Therefore, the period during which the output of the comparator is at the low level voltage becomes longer as the particle size of the particles located in the detection area DA becomes larger.
したがって、アナログデータから上記期間を算出することにより、検知領域DAに存在する粒子の粒径を推定できる。つまり、演算部162は、増幅部122で変換された電圧信号に対応した信号のパルス幅を求めることにより、粒子の粒径を演算する。
Therefore, by calculating the period from the analog data, the particle size of the particles existing in the detection area DA can be estimated. That is, the
[3.粒径の高精度測定]
ここでは、本実施の形態に係る粒子測定装置100が、大気に含まれる粒子の粒径を高精度に測定できることを説明する。まず、比較例に係る粒子測定装置の課題について説明する。
[3. Highly accurate measurement of particle size]
Here, it will be described that the
図5は、比較例に係る粒子測定装置の課題を説明する図である。より具体的には、図5の(a)には、気体の流速が小さい(気体が遅い)場合の粒子検出センサ110の状態が模式的に示されている。また、図5の(b)には、気体の流速が大きい(気体が速い)場合の粒子検出センサ110の状態が模式的に示されている。また、図5の(c)には、(a)及び(b)に示した状態において、アナログ信号処理部120から出力された電圧信号が示されている。なお、図5の(a)及び(b)では、同じ粒径を有する粒子による散乱光の状態が示されている。
FIG. 5 is a diagram for explaining the problem of the particle measuring apparatus according to the comparative example. More specifically, FIG. 5A schematically shows the state of the
同図の(a)に示すように、粒子検出センサ110内に導入した気体の流速が小さい場合、粒子P3からの散乱光が受光素子112で受光される期間が長くなる。
As shown to (a) of the figure, when the flow velocity of the gas introduced into the
これに対して、同図の(b)に示すように、粒子検出センサ110内に導入した気体の流速が小さい場合、粒子P3からの散乱光が受光素子112で受光される期間が短くなる。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the flow velocity of the gas introduced into the
したがって、検知領域DAに存在する粒子の粒径が実質的に同じ場合であっても、流速が互いに異なる場合には、アナログ信号処理部120から出力される電圧信号の波形が互いに異なる虞がある。
Therefore, even if the particle diameters of the particles existing in the detection area DA are substantially the same, if the flow velocities are different from each other, the waveform of the voltage signal output from the analog
具体的には、同図の(c)に示すように、粒子検出センサ110内に導入した気体の流速が小さい場合の電圧信号は、当該流速が大きい場合の電圧信号と比較して、ピーク電圧が同じ、かつ、長時間に亘って出現する波形となる。言い換えると、当該流速が小さい場合の電圧信号は、当該流速が大きい場合の電圧信号と比較して、ピーク電圧が同じ、かつ、半値幅が大きい波形となる。
Specifically, as shown in (c) of the figure, the voltage signal when the flow velocity of the gas introduced into the
図5の(c)に示された電圧信号が、アナログ信号処理部から汎用MPUへ出力された場合、汎用MPUは、同じ粒径を有する粒子であっても気流速度の相違により、電圧信号の電圧が閾値電圧Vthより大きい期間が変動する。この結果、気流速度の相違により、粒径の算出値にばらつきが生じてしまい、粒径測定の精度が低下するという課題が発生する。 When the voltage signal shown in (c) of FIG. 5 is output from the analog signal processing unit to the general-purpose MPU, the general-purpose MPU has the same signal size even if the particles have the same particle size. The period during which the voltage is greater than the threshold voltage Vth varies. As a result, due to the difference in the air velocity, the calculated value of the particle size varies, causing a problem that the accuracy of particle size measurement is reduced.
上記課題は、汎用MPUがアナログ電圧信号を処理する場合に限られず、アナログ電圧信号がAD変換されたデジタル電圧信号を処理する場合であっても発生する虞がある。例えば、AD変換されたデジタル電圧信号からピーク値を算出する場合、AD変換器の精度及びビット数によっては、誤差を含むピーク値をパルス幅で校正することが想定される。 The above-described problem is not limited to the case where the general-purpose MPU processes an analog voltage signal, and may occur even when the analog voltage signal is processed as a digital voltage signal obtained by AD conversion. For example, when a peak value is calculated from an AD-converted digital voltage signal, it is assumed that the peak value including an error is calibrated with a pulse width depending on the accuracy of the AD converter and the number of bits.
これに対して、本実施の形態に係る粒子測定装置100では、(1)温度センサ180が外気温を計測し、(2)電流調整部170が温度センサ180により計測された外気温に基づいて、加熱部115に流す電流を調整し、(3)加熱部115に調整電流が流れることで大気の一部を加熱して粒子流路33に一定速度の気流を発生させる。より具体的には、粒子測定装置100は、以下のように粒子流路33の気流速度を調整する。
On the other hand, in the
図6は、実施の形態に係る粒子測定装置における粒子流路の流速制御を説明する動作フローチャートである。 FIG. 6 is an operation flowchart for explaining flow velocity control of the particle flow path in the particle measuring apparatus according to the embodiment.
まず、温度センサ180は、外気温を計測する(S10)。 First, the temperature sensor 180 measures the outside air temperature (S10).
次に、電流調整部170は、温度センサ180で計測された外気温の計測データを取得し、取得された外気温Taと基準温度Trとを比較する(S20)。
Next, the
ステップS20において、外気温Taが基準温度Trよりも高い場合(S20でY)、電流調整部170は、加熱部115へ供給する電流値を所定値よりも増加させる(S30)。ここで、所定値とは、例えば、電流調整部170が加熱部115へ現在供給している電流値である。
In step S20, when the outside air temperature Ta is higher than the reference temperature Tr (Y in S20), the
また、外気温Taが基準温度Trよりも高くない場合(S20でN)、かつ、外気温Taが基準温度Trよりも低い場合(S40でY)、電流調整部170は、加熱部115へ供給する電流値を所定値よりも減少させる(S50)。
When the outside air temperature Ta is not higher than the reference temperature Tr (N in S20) and when the outside air temperature Ta is lower than the reference temperature Tr (Y in S40), the
上述したステップS10〜S50を、連続的あるいは定期的に実行することにより、外気温の変動があっても、外気温と加熱部115の温度との温度差を一定に保つことが可能となる。
By executing steps S10 to S50 described above continuously or periodically, the temperature difference between the outside air temperature and the temperature of the
粒子流路33内の気流速度は、上記温度差により変化する。粒子測定装置100の上記構成及び動作によれば、温度センサ180の出力により、電流調整部170が加熱部115に供給する電流を調整し、上記温度差を一定に保つことが可能となる。つまり、外気温の変動があっても気流速度を一定に保つことが可能となる。これにより、センサモジュール150から出力される電圧信号が、外部環境により変動することを抑制できるので、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
The airflow velocity in the
なお、上述した気流速度の制御において、上記温度差と気流速度とは一意に決まらない場合が想定される。 In the airflow velocity control described above, a case where the temperature difference and the airflow velocity are not uniquely determined is assumed.
図7は、温度差と気流速度との関係を表すグラフである。同図において、横軸は加熱部115の温度と外気温との温度差ΔTを示し、縦軸は粒子流路33内の気流速度を示している。同図のグラフは、温度差ΔTが大きいほど気流速度は大きくなることを表しているが、さらに、外気温により気流速度の温度差依存性が変動することも表している。例えば、温暖地(外気温A)と寒冷地(外気温B)とでは、適用すべき気流速度の温度差依存性が異なる。よって、電流調整部170は、想定される外気温に応じて、参照すべき気流速度の温度差依存性データを複数保持していることが好ましい。これにより、微粒子の粒径等を、より高精度で測定することが可能となる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature difference and the airflow velocity. In the figure, the horizontal axis represents the temperature difference ΔT between the temperature of the
[4.まとめ]
以上説明したように、本実施に係る粒子測定装置100は、投光素子111と、粒子流路33と、受光素子112と、電流が流れることで大気の一部を加熱して粒子流路33に気流を発生させる加熱部115と、外気温を計測する温度センサ180と、外気温に基づいて加熱部115に流す電流を調整する電流調整部170と、受光素子112から出力された電流を電圧信号に変換するIV変換部121と、当該電圧信号を増幅し、粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する増幅部122と、当該パルス波形を含む電圧信号に基づいて、粒子の粒径を演算する演算部162とを備える。
[4. Summary]
As described above, the
これによれば、温度センサ180の出力により電流調整部170が加熱部115に供給する電流を調整し、外気温と加熱部115の温度との温度差を一定に保つことが可能となる。よって、センサモジュール150から出力される電圧信号が、外部環境により変動することを抑制でき、演算部162は、当該パルス波形を含む電圧信号に基づいて、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
According to this, the current supplied from the
また、電流調整部170は、温度センサ180により計測された外気温が基準温度より高い場合、加熱部115に流す電流を所定値よりも大きくし、外気温が基準温度より低い場合、加熱部115に流す電流を所定値よりも小さくしてもよい。つまり、電流調整部170は、温度センサ180により計測された外気温と加熱部115の温度との温度差が一定となるよう、加熱部115に流す電流を調整してもよい。
In addition, when the outside air temperature measured by the temperature sensor 180 is higher than the reference temperature, the
これにより、外気温の変動があっても、外気温と加熱部115の温度との温度差を一定に保つことが可能となる。
Thereby, even if the outside air temperature varies, the temperature difference between the outside air temperature and the temperature of the
また、加熱部115は、抵抗素子であってもよい。
Further, the
これにより、粒子流路33付近の大気の一部を加熱することが可能となる。よって、小型かつ簡素化された構造により、粒子検出センサ110内に多くの粒子を取り込むことができる。したがって、粒子流路に含まれる検知領域DAにおける単位体積あたりの粒子の量を大きくすることができるので、感度を高くすることができる。
This makes it possible to heat part of the atmosphere near the
また、さらに、当該パルス波形を含む電圧信号をサンプリング及び量子化するAD変換部161を備え、演算部162は、AD変換部161によりサンプリング及び量子化された電圧信号に基づいて、粒子の粒径を演算してもよい。
Furthermore, the
これにより、パルス波形を含む電圧信号を高精度にデジタル変換することが可能となる。 As a result, the voltage signal including the pulse waveform can be digitally converted with high accuracy.
なお、演算部162は、上記パルス波形を含む電圧信号をアナログデータとして取得した場合であっても、上述した電流調整部170及び温度センサ180により、当該電圧信号が外部環境により変動することを抑制できるので、当該パルス波形を含む電圧信号のパルス幅を求めることにより、微粒子の粒径等を高精度で測定することが可能となる。
Note that, even when the
(その他変形例等)
以上、本発明に係る粒子測定装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
(Other variations)
As mentioned above, although the particle | grain measuring apparatus which concerns on this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment.
また、上記説明において、粒子を含む媒体は、大気(空気)としたが、大気以外の媒体(水等の液体)であってもよい。 In the above description, the medium containing particles is the atmosphere (air), but may be a medium other than the atmosphere (liquid such as water).
また、粒子検出センサ110の構成は、上記説明に示す構成に限らず、少なくとも、投光素子と受光素子とを備え、検知領域DAにおける粒子による投光素子の光の散乱光を受光素子で受光することにより大気中に含まれる粒子を検出すればよい。このような構成であっても、当該粒子検出センサを備える粒子測定装置は、気体に含まれる粒子の粒径を精度良く測定できる。
The configuration of the
例えば、上記実施の形態において、反射体は、回転楕円体又は回転放物線の一部としたが、これに限るものではなく、円錐曲線の回転体の一部とすることができる。この場合、円錐曲線としては、円よりも、楕円、放物線及び双曲線の中から選ぶとよい。つまり、反射体は、球体よりも、回転楕円体や回転放物線、回転双曲線の一部にするとよい。反射体が球体である場合、積分球のように拡散反射を利用すると、散乱光が何回も反射(多重反射)して減衰して、受光素子112に光があまり入らなくなる。例えば、回転楕円体の場合と比べて、球体の場合は、1/100程度しか受光しなくなる。
For example, in the above-described embodiment, the reflector is a spheroid or a part of a rotating parabola, but is not limited thereto, and may be a part of a conic-curved rotator. In this case, the conic curve may be selected from an ellipse, a parabola and a hyperbola rather than a circle. That is, the reflector is preferably a part of a spheroid, a parabola, or a hyperbola rather than a sphere. When the reflector is a sphere, if diffuse reflection is used like an integrating sphere, scattered light is reflected many times (multiple reflection) and attenuated, so that light does not enter the
また、増幅部の構成は、上記説明に示す構成に限らず、少なくともIV変換部121から出力された電圧信号を所定の帯域で増幅すればよい。つまり、増幅部はバンドパスフィルタ122aを含まなくてもよく、ハイパスフィルタ又はローパスフィルタ等を含んでもよい。また、増幅器122bは1段であっても複数段であってもよい。
The configuration of the amplifying unit is not limited to the configuration described above, and at least the voltage signal output from the
また、上記説明において、汎用MPU内の各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、CPUまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。 In the above description, each component in the general-purpose MPU may be configured by dedicated hardware or may be realized by executing a software program suitable for each component. Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。 In addition, the embodiment can be realized by arbitrarily combining the components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention, or a form obtained by subjecting each embodiment to various modifications conceived by those skilled in the art. Forms are also included in the present invention.
33 粒子流路
100 粒子測定装置
111 投光素子
112 受光素子
115 加熱部
121 IV変換部
122 増幅部
161 AD変換部
162 演算部
170 電流調整部
180 温度センサ
33
Claims (5)
粒子を含む大気を流す粒子流路と、
前記粒子流路内の前記粒子による前記投光素子の光の散乱光を受光する受光素子と、
電流が流れることで大気の一部を加熱して前記粒子流路に気流を発生させる加熱部と、
外気温を計測する温度センサと、
前記温度センサにより計測された外気温に基づいて、前記加熱部に流す電流を調整する電流調整部と、
前記受光素子から出力された電流を電圧信号に変換するIV変換部と、
前記電圧信号を増幅し、当該電圧信号を前記粒子に対応したパルス波形を含む電圧信号に変換する増幅部と、
前記パルス波形を含む電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算する演算部とを備える
粒子測定装置。 A light emitting element;
A particle flow path for flowing air containing particles;
A light receiving element for receiving scattered light of the light projecting element by the particles in the particle flow path;
A heating unit that heats a part of the atmosphere by causing an electric current to flow and generates an air flow in the particle channel;
A temperature sensor that measures the outside temperature;
Based on the outside air temperature measured by the temperature sensor, a current adjustment unit that adjusts the current flowing through the heating unit;
An IV converter that converts the current output from the light receiving element into a voltage signal;
An amplifying unit for amplifying the voltage signal and converting the voltage signal into a voltage signal including a pulse waveform corresponding to the particles;
A particle measuring apparatus comprising: a calculation unit that calculates the particle size of the particles based on a voltage signal including the pulse waveform.
請求項1に記載の粒子測定装置。 When the outside air temperature measured by the temperature sensor is higher than a reference temperature, the current adjusting unit makes a current flowing through the heating unit larger than a predetermined value, and when the outside air temperature is lower than the reference temperature, the heating unit The particle measuring apparatus according to claim 1, wherein a current flowing through the first electrode is made smaller than the predetermined value.
請求項1または2に記載の粒子測定装置。 The particle measurement according to claim 1, wherein the current adjustment unit adjusts a current flowing through the heating unit such that a temperature difference between an outside air temperature measured by the temperature sensor and a temperature of the heating unit is constant. apparatus.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の粒子測定装置。 The particle measuring apparatus according to claim 1, wherein the heating unit is a resistance element.
前記パルス波形を含む電圧信号をサンプリング及び量子化するAD変換部を備え、
前記演算部は、前記AD変換部によりサンプリング及び量子化された前記電圧信号に基づいて、前記粒子の粒径を演算する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の粒子測定装置。 further,
An AD conversion unit that samples and quantizes the voltage signal including the pulse waveform,
The particle measuring apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a particle size of the particles based on the voltage signal sampled and quantized by the AD conversion unit.
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