JP2016050888A - 大気中浮遊微粒子濃度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測手段の汚染を防止できると共に、耐振動性が高く、吸引と計測とを一体の装置内で行える大気中浮遊微粒子濃度測定方法及び装置、更に、測定時間を短縮でき、小型軽量で携行容易な装置を提供すること。【解決手段】 大気中における浮遊微粒子の濃度を測定する装置であって、大気を吸引する吸引手段と、その吸引手段によって吸引した大気を流入させて大気中に含まれる浮遊微粒子を捕集する捕集用フィルターと、その捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置させる捕集用フィルター設置部と、大気中の浮遊微粒子を捕集した捕集済みフィルターの分光測定を行う分光器と、その捕集済みフィルターを分光器に対応する位置に設置させる捕集済みフィルター設置部と、分光器による分光測定データから大気中における浮遊微粒子の濃度を求める演算手段とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、大気中における浮遊微粒子の濃度を測定する方法と、その方法を実施する装置に関する。

近年、浮遊微粒子（たとえば、PM2.5粒径 2.5μm 以下の粒子）など、大気汚染の問題が顕在化している。それに伴い、様々なPM2.5 の濃度を計測する方法が提案されている。一方、光を被測定物に照射して、透過量の変化および分光情報から被測定物分の濃度を測定する方法は、高精度・高分解能・高速測定を特徴とするため、様々な分析に利用されている。浮遊微粒子の大気中濃度の測定も例外ではなく、PM2.5 の濃度を測定する手法として光計測法が利用されている。大気汚染モニタリングに関連する従来技術には、特許文献１〜７などがある。

光計測を利用して、大気中における浮遊微粒子の濃度を測定するには、大気を吸引するポンプ等の吸引手段と、その吸引手段によって吸引した大気中の浮遊微粒子を測定する分光器等の計測手段とが必要である。
可搬性を高めるためには、吸引と分光計測とを一体の装置内に具備し、軽量化を図ることが課題である。しかし、吸引と分光計測とを一体の装置内に構成すると、吸引時に使用する吸引ポンプの振動が光学系に影響を与えてしまい、分光測定の測定精度に悪影響を与えてしまう難点がある。例えば、FTIRのような光学干渉計を用いる分光器は、光軸の精度やモーター駆動精度を高く維持する必要があるので振動に脆弱である。また、プリズムやグレーティング機構を用いる分光法では、波長を分光するための広い光路を確保する必要があり、広い空間を暗室に保つ必要があるため小型化が困難である。
また、その吸引と計測とを一連に行う装置は、経時的に計測手段が汚染される問題があった。このようなことから、従来の分光器では振動に脆弱であることと、原理的に広い空間を確保することが求められる。そのため、吸引と分光計測とを一体にした構成で、高い耐振動性と高精度を両立することが困難であった。

非特許文献１には、金属メッシュのフィルターでPM2.5を捕集して測定することが開示されているが、依然として上記の問題点は払拭困難である。

特開２０１３−２４６３９「被測定物の測定方法」 特開２０１２−１５４６２０「空気汚染センサシステム」 特開２００６−８４２９９「環境汚染監視システム」 特開２００５−１８９２４０「浮遊粒子状物質測定装置」 特開２００５−４４２５「大気汚染物質の排出量推定装置、および交通公害低減装置」 特開２０００−２４１３１３「ガス分光分析装置」 特開平８−９４５２７「大気汚染測定装置及び定量採取装置」

Novel Detection Technique for Particulate Matter in Air Using Metal Mesh Device Sensors: Hirokazu Seto, Seiji Kamba, Takashi Kondo, Yuichi Ogawa, Yu Hoshino, and Yoshiko Miura: Advance Publication on the web November 27, 2013 by J-STAGE doi:10.1246/cl.131040

そこで、本発明は、吸引部と計測部が一体の装置内に構成され携行が可能であること、バッテリー駆動が可能であること、浮遊微粒子が捕集可能であること、耐振動性が高い光学系を有していることを特徴とする装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の大気中浮遊微粒子濃度測定装置は、次の構成を備える。すなわち、大気中における浮遊微粒子の濃度を測定する装置であって、大気を吸引する吸引手段と、その吸引手段によって吸引した大気を流入させて大気中に含まれる浮遊微粒子を捕集する捕集用フィルターと、その捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置させる捕集用フィルター設置部と、大気中の浮遊微粒子を捕集した捕集済みフィルターの分光測定を行う分光器と、その捕集済みフィルターを分光器に対応する位置に設置させる捕集済みフィルター設置部と、分光器による分光測定データから大気中における浮遊微粒子の濃度を求める演算手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、バッテリーを設けて可搬型としてもよい。

捕集用フィルターとしては、金属製のメッシュまたは樹脂製のメンブレンフィルターが好適である。

分光器に、捕集済みフィルターを透過した検出光を受けるリニア波長可変バンドパスフィルターと、そのリニア波長可変バンドパスフィルターを透過した検出光を受ける一次元アレイ光検出器とを設けて、耐振動性や、測定時間の短縮や、小型軽量化に寄与させてもよい。

演算手段としては、捕集済みフィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つから成る分光測定データを、予め求めておいた捕集用フィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つと大気中浮遊微粒子の捕集重量との関係式に当てはめ、大気中浮遊微粒子の捕集重量を求めることを介して、大気中における浮遊微粒子の濃度を求める演算装置が好ましい。

また、本発明の大気中浮遊微粒子濃度測定方法は、大気中における浮遊微粒子の濃度を測定する方法であって、捕集用フィルター設置部によって、捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置するステップと、吸引手段によって、大気を吸引するステップと、捕集用フィルターによって、吸引手段で吸引した大気を流入させて大気中に含まれる浮遊微粒子を捕集するステップと、捕集済みフィルター設置部によって、大気中の浮遊微粒子を捕集した捕集済みフィルターを分光器に対応する位置に設置するステップと、分光器によって、捕集済みフィルターの分光測定を行うステップと、演算手段によって、分光器による分光測定データから大気中における浮遊微粒子の濃度を求めるステップと、を有することを特徴とする。

ここで、捕集用フィルター設置部によって捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置する前に、捕集済みフィルター設置部によって、大気中の浮遊微粒子を捕集する前の捕集用フィルターを分光器に対応する位置に設置するステップと、分光器によって、その捕集用フィルターの分光測定を予め行うステップとを設けて、捕集用フィルター毎の特性の校正に寄与させてもよい。

本発明によると、捕集用フィルター設置部と捕集済みフィルター設置部とが別個であるので、計測手段の汚染を防止できる。また、耐振動性が高いので吸引と計測とを一体の装置内で行え、小型軽量化及び携行性に寄与し、更に測定時間を短縮できる利点もある。

本発明による大気中浮遊微粒子濃度測定装置の概要を示す説明図 大気中浮遊微粒子濃度計測部の実施例を示す正面説明図及び側面説明図 大気中浮遊微粒子濃度計測部の別実施例を示す説明図 大気中浮遊微粒子濃度計測部の別実施例を示す説明図 金属メッシュ製捕集用フィルターの透過スペクトルの例を示すグラフ 樹脂製メンブレンの一例であるテフロン製捕集用フィルターの透過スペクトルの例を示すグラフ 大気中浮遊微粒子の捕集に伴う金属メッシュ製捕集済みフィルターの受光強度変化の例を示すグラフ 大気中浮遊微粒子の捕集重量と金属メッシュ製捕集済みフィルターの透過強度の関係の例を示すグラフ 本発明による大気中浮遊微粒子濃度測定装置の演算手段に含まれる検量線データの例を示すグラフ

以下に、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記の例示に限らず、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、前記特許文献など従来公知の技術を用いて適宜設計変更可能である。
ここでは、計測対象の大気中浮遊微粒子として、PM2.5を例示して説明するが、分光器の波長などの計測手段を変えれば、特定のサイズの微粒子や特定の成分元素などにも同様に適用可能である。

図１は、本発明による大気中浮遊微粒子濃度測定装置の概要を示す説明図である。
大気中浮遊微粒子濃度測定装置には、操作スイッチやキーボード等の入力手段と、液晶モニター等の表示手段と、ＣＰＵやメモリーやハードディスク等から成る制御手段と、バッテリーと、大気中浮遊微粒子捕集部と、大気中浮遊微粒子濃度計測部とが備わる。
なお、バッテリーは、充電可能なものを内蔵することが好ましいが、必ずしも必須ではなく、外部電源を使用する形態でもよい。

大気中浮遊微粒子捕集部には、大気を吸引するポンプ等の吸引手段と、吸引した大気中浮遊微粒子のうち計測対象のサイズの大気中浮遊微量粒子を所定の割合で通過させるプレフィルターと捕集用フィルターで構成される分級手段と、捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置させる捕集用フィルター設置部とが備わる。
捕集用フィルターは、吸引手段によって吸引した大気を流入させて大気中に含まれる浮遊微粒子を吸着して捕集する部材である。
捕集用フィルターは、大気中浮遊微粒子濃度測定装置の筐体に備わる開口部を介して、捕集用フィルター設置部に出入される。すなわち、大気中浮遊微粒子を捕集する際に、外部から挿入され、捕集後には、外部へ排出される。なお、捕集用フィルターを、大気中浮遊微粒子濃度測定装置の筐体へ出入させる構成は、スライドテーブルなど従来公知の部材が使用できる。

大気中浮遊微粒子濃度計測部には、大気中浮遊微粒子を捕集した捕集済みフィルターの分光測定を行う分光器と、その捕集済みフィルターを分光器に対応する位置に設置させる捕集済みフィルター設置部とが備わる。
捕集済みフィルターは、大気中浮遊微粒子濃度測定装置の筐体に備わる開口部を介して、捕集済みフィルター設置部に出入される。すなわち、捕集した結果の分光測定を行う際に、外部から挿入され、測定後には、外部へ排出される。
このように、捕集用フィルターと捕集済みフィルターの設置箇所が分かれているので、常に清浄な分光測定が可能である。

ここで、捕集用フィルターの設置部を捕集済みフィルターの設置部へ移動させるスライドテーブルや回転テーブル等の移送手段を設置して、吸引と分光測定を一連の動作で行えるようにしてもよい。吸引ステップから分光測定ステップまでを連続して実施すると、捕集量の継時変化を測定することも可能になる。また、吸引しながら分光測定するので、吸引時に発生する振動があっても正確に分光測定ができ、リニア波長可変バンドパスフィルターを用いる優位性がある。

図２は、大気中浮遊微粒子濃度計測部の実施例を示す正面説明図及び側面説明図である。
光源（１０）から発せられた中赤外域等の検出光は、捕集済みフィルター（３０）を透過し、円形アパーチャー（１１）及び集光素子（１２）を介し、リニア波長可変バンドパスフィルター（１３）を透過した成分が、一次元アレイ光検出器（１４）で計測される。
なお、光源は、パルス駆動が好ましく、シリンドリカルレンズやフレネルレンズや放物面鏡から成る集光素子はなくてもよい。

リニア波長可変バンドパスフィルターは、波長2.5‐3.5μmを含む所定の波長域を通過させる部材であり、機械的駆動が不要なため、耐振動性が高く安定した測定に寄与する。
一次元アレイ光検出器は、複数個の光検出器が１列に並んだ部材であり、測定時間の短縮化に寄与する。光検出器としては、例えば、光の強度に比例した電圧を出力する部材が使用できる。
これらの部材は、部品点数の簡素化や軽量化にも寄与し、特に、耐振動性が高いので、吸引ポンプを同一筐体内に設けても支障ないので、大気中浮遊微粒子捕集部と大気中浮遊微粒子濃度計測部との併設が可能となる。

図３は、大気中浮遊微粒子濃度計測部の別実施例を示す説明図である。
図２の実施例との差異は、リニア波長可変バンドパスフィルター（１３）の代わりに、所定の波長域を通過させるバンドパスフィルター（１５）を用い、一次元アレイ光検出器（１４）の代わりに、バンドパスフィルター（１５）を透過した光を検出する単一の光検出素子（１６）を用いている点である。

図４は、大気中浮遊微粒子濃度計測部の別実施例を示す説明図である。
図３の実施例との差異は、光源（１０）と捕集済みフィルター（３０）との間に、ハーフミラー（１７）を配設し、ハーフミラー（１７）による反射光を、レンズ（１８）を介して光強度変動検出器（１９）に導いている点である。光強度変動検出器（１９）は、光源（１０）の光強度の時間変化をモニターして、そのモニター結果を大気中浮遊微粒子濃度の算出に勘案することで、精確な計測に寄与させるものである。

図５は、金属メッシュ製捕集用フィルターの透過スペクトルの例を示すグラフであり、図６は、樹脂製の例であるテフロン製メンブレンフィルター捕集用フィルターの透過スペクトルの例を示すグラフである。
PM2.5 を測定するための構成として捕集用フィルターは、少なくとも２．５‐３．５μｍ、好ましくは波長域２‐５μｍの波長域で、１０％以上の透過率を有する波長帯域が、３０％以上存在する部材が望ましく、金属製メッシュまたは樹脂製メンブレンが好適に使用できる。ただし、異なる粒子サイズに対しては、上記の波長帯域である必要はない。

図７は、大気中浮遊微粒子の捕集に伴う金属メッシュ製捕集済みフィルターの受光強度変化の例を示すグラフであり、図８は、大気中浮遊微粒子の捕集重量と金属メッシュ製捕集済みフィルターの透過強度の関係の例を示すグラフである。
捕集用フィルターに大気中浮遊微粒子が付着するにつれて、その受光強度は減少し、大気中浮遊微粒子の捕集重量と金属メッシュ製捕集済みフィルターの透過強度とは線型関係を示した。

図９は、本発明による大気中浮遊微粒子濃度測定装置の演算手段に含まれる検量線データの例を示すグラフである。捕集済みフィルターに付着した大気中浮遊微粒子の捕集重量と、本発明装置による計測推計値とが一致した。
大気中浮遊微粒子濃度測定装置の制御手段には、分光器による分光測定データから大気中における浮遊微粒子の濃度を求める演算手段が備わる。演算手段は、捕集済みフィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つから成る分光測定データを、予め求めておいた捕集用フィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つと大気中浮遊微粒子の捕集重量との関係式に当てはめ、大気中浮遊微粒子の捕集重量を求めることを介して、大気中における浮遊微粒子の濃度を求める。具体的には、下記関係式を利用できる。

（式１）

ここで、捕集効率は、計測対象のサイズの大気中浮遊微量粒子をプレフィルターが透過させる割合と、補集用フィルターが計測対象のサイズの大気中浮遊微量粒子を捕集する割合の積できまる。係数は、大気中浮遊微量粒子が捕集用フィルターに付着することで、捕集用フィルターの光透過強度を減衰させる割合を、補集された粒子の重量に換算するための係数である。

捕集用フィルターの特性が均一であるとは限らない場合は、使用する捕集用フィルター毎に予め分光測定を行って、捕集用フィルター毎の特性の校正に寄与させてもよい。そのためには、捕集用フィルター設置部によって捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置する前に、捕集済みフィルター設置部によって、大気中の浮遊微粒子を捕集する前の捕集用フィルターを分光器に対応する位置に設置し、分光器によって、その捕集用フィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つを測定し、演算手段での大気中浮遊微粒子の捕集重量算出に反映させる。

制御手段には、下記のアルゴリズムの実行プログラムも搭載することが好ましい。
大気を捕集用フィルターに流入させる時間、流量、圧力を調整可能とするソフトウェアを具備させてもよい。
また、光検出器で測定する波長域を調節し、繰返し測定回数や計算回数を調整する、ソフトウェアを具備させてもよい。

本発明によると、大気中浮遊微粒子濃度の測定が容易になるので、大気汚染の検知の機会が増し、産業上利用価値が高い。

１０ 光源
１１ 円形アパーチャー
１３ リニア波長可変バンドパスフィルター
１２ 集光レンズ
１４ 一次元アレイ光検出器
１５ バンドパスフィルター
１６ 光検出素子
１７ ハーフミラー
１８ レンズ
１９ 光強度変動検出器
３０ 捕集済みフィルター

Claims (7)

1. 大気中における浮遊微粒子の濃度を測定する装置であって、大気を吸引する吸引手段と、その吸引手段によって吸引した大気を流入させて大気中に含まれる浮遊微粒子を捕集する捕集用フィルターと、その捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置させる捕集用フィルター設置部と、大気中の浮遊微粒子を捕集した捕集済みフィルターの分光測定を行う分光器と、その捕集済みフィルターを分光器に対応する位置に設置させる捕集済みフィルター設置部と、分光器による分光測定データから大気中における浮遊微粒子の濃度を求める演算手段と、を備えることを特徴とする大気中浮遊微粒子濃度測定装置。
2. バッテリーを備え可搬型である請求項１に記載の大気中浮遊微粒子濃度測定装置。
3. 捕集用フィルターが、金属製メッシュまたは樹脂製メンブレンフィルターである
   請求項１または２に記載の大気中浮遊微粒子濃度測定装置。
4. 分光器が、捕集済みフィルターを透過した検出光を受けるリニア波長可変バンドパスフィルターと、そのリニア波長可変バンドパスフィルターを透過した検出光を受ける一次元アレイ光検出器とを備える
   請求項１ないし３のいずれかに記載の大気中浮遊微粒子濃度測定装置。
5. 演算手段が、捕集済みフィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つから成る分光測定データを、予め求めておいた捕集用フィルターの光透過率、光透過強度、スペクトル形状のうちの少なくとも一つと大気中浮遊微粒子の捕集重量との関係式に当てはめ、大気中浮遊微粒子の捕集重量を求めることを介して、大気中における浮遊微粒子の濃度を求める
   請求項１ないし４のいずれかに記載の大気中浮遊微粒子濃度測定装置。
6. 大気中における浮遊微粒子の濃度を測定する方法であって、
   捕集用フィルター設置部によって、捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置するステップと、
   吸引手段によって、大気を吸引するステップと、
   捕集用フィルターによって、吸引手段で吸引した大気を流入させて大気中に含まれる浮遊微粒子を捕集するステップと、
   捕集済みフィルター設置部によって、大気中の浮遊微粒子を捕集した捕集済みフィルターを分光器に対応する位置に設置するステップと、
   分光器によって、捕集済みフィルターの分光測定を行うステップと、
   演算手段によって、分光器による分光測定データから大気中における浮遊微粒子の濃度を求めるステップと、を有する
   ことを特徴とする大気中浮遊微粒子濃度測定方法。
7. 捕集用フィルター設置部によって捕集用フィルターを吸引手段に対応する位置に設置する前に、捕集済みフィルター設置部によって、大気中の浮遊微粒子を捕集する前の捕集用フィルターを分光器に対応する位置に設置するステップと、分光器によって、その捕集用フィルターの分光測定を予め行って捕集用フィルター毎の特性の校正に供するステップと、を有する
   請求項６に記載の大気中浮遊微粒子濃度測定方法。

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