JP2016118459A - 微小粒子状物質質量濃度測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】吸引流量を緻密に制御することにより、排ガス中に含まれるＰＭ２．５濃度を精度良く測定することができる煙道用微小粒子状物質質量濃度測定システムを提供する。【解決手段】煙道内を流れる排ガスのデータを取得するためのセンサ１と、排ガスのデータを演算処理することにより出力データを算出するデータ処理部２と、口径可変式吸引ノズル５を備えた多段階バーチャルインパクタ７と口径可変式吸引ノズル５の口径５１を変化させる口径可変制御部３と上記多段階バーチャルインパクタ７が備えている各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させる吸引流量制御部４０とを備えた微小粒子状物質質量濃度測定システムである。【選択図】図１

Description

本発明は、微小粒子状物質質量濃度測定システムに関する。更に詳しくは、煙道内に設置されたバーチャルインパクタに導入される排ガスの吸引流量及び流速を一定に制御することによって、微小粒子状物質の質量濃度を精度良く測定することができる微小粒子状物質質量濃度測定システムに関する。

大気中に浮遊する微小粒子状物質が人体に著しく悪影響を及ぼすことが明らかとなっている。例えば、従来から喘息などの原因物質とされていた粒子径が10μm以下の粒子状物質（以下、「ＰＭ１０」という。）に加え、粒子径が２．５μｍ以下の微小粒子状物質（以下、「ＰＭ２．５」という。）は、喘息、肺がん等の呼吸器系疾患の原因物質であることが判明している。

ＰＭ２．５は、微小な粒子状物質であり、人の毛髪の直径の約１／３０と非常に小さく、肺内胞まで侵入することができる性質を有しているため、呼吸器系疾患の有力な原因物質と考えられている。ＰＭ２．５の濃度と人体に与える影響との高い関連性が数多く報告されている。

ＰＭ２．５の人為起源となる発生源は、ディ−ゼル自動車等の車両等の移動発生源と、工場、廃棄物処理場、発電所等の固定発生源とに大別される。ＰＭ２．５に対する環境基準が設けられている。移動発生源から発生されるＰＭ２．５に対する対応は、進んでいるのに対して、固定発生源から発生されるＰＭ２．５に対する排出規制及びその対応は、現在のところ十分なものとなっていない。その理由は、固定発生源から発生されるＰＭ２．５の濃度を精度良く測定することができる信頼性のあるシステムが存在していないからである。

ところで、工場、廃棄物処理場、発電所等の固定発生源に設置されている煙突等の煙道内に存在するＰＭ２．５の質量濃度を測定する方法として、主に２つの方法が提案されている。

第１の方法は、カスケードインパクタ法である。カスケードインパクタ法は、捕集板を用いた２段インパクタにより、排ガス中のＰＭ２．５の質量濃度を測定する方法である。カスケードインパクタ法は、高速ガス流にて捕集板に粒子を衝突させ分級する手法である。この手法は、装置の構造も簡易であり、操作も容易であるため大気に含まれるＰＭ２．５を測定する際には、好ましい方法である。しかしながら、カスケードインパクタ法は、捕集板を用いて排ガス中のＰＭ２．５を捕集する際に粒子の跳ね返り、再飛散してしまうという問題がある。

このため、カスケードインパクタ法は、ＰＭ２．５が低い濃度で存在する排ガスに対して適用する場合にのみ効力を発揮することができる。また、カスケードインパクタ法をＰＭ２．５が高い濃度で存在する排ガスに対して適用する場合には、再飛散防止用グリースが必要となり、排ガスが高温であり、腐食性ガスである場合には、上記、再飛散防止用グリースが変質するという問題がある。

第２の方法は、バーチャルインパクタ法である。バーチャルインパクタ法は、捕集板を用いない２段インパクタを用いて、排ガス中のＰＭ２．５の質量濃度を測定する方法である。バーチャルインパクタ法は、ＰＭ２．５が低い濃度で存在する排ガスからＰＭ２．５が高い濃度で存在する排ガスまで幅広く適用することができる（例えば、非特許文献１及び２）。さらに、バーチャルインパクタ法は、ＰＭ２．５が存在する排ガスの温度雰囲気の影響を受けにくい。バーチャルインパクタ法は、また排ガスに含まれるガス成分の影響を受けにくい（例えば、非特許文献３）。

バーチャルインパクタ法において、この方法で精度よく分級するためには、2段ある分級部にそれぞれ設置されたノズルに流れるガス流速を最適に制御する必要がある。そのためには、3ラインによって吸引される排ガス流量（以下、「吸引流量」という。）をそれぞれ一定制御する必要がある。この理由は、分粒部での流量の違いが分級される粒子径が（本来、10μmと2.5μmにする）変わってしまうからである。そして、吸引流量の変動は、ＰＭ２．５濃度の測定誤差となる。様々な条件下において煙道内を通過する排ガスを作業者が観測し、手動にて対応しなければならないという不都合があった。一方、バーチャルインパクタ法において、煙道中を流れる排ガスの流速と上記インパクタによって吸引される排ガスの流速とを等しく制御する必要がある。この理由は、煙道中を流れる排ガスの流速と上記インパクタによって吸引される排ガスの流速とを等しく制御することによって、煙道中を流れる排ガス中に含まれるＰＭ２．５を精度良く測定することができるからである。

このような観点から、排ガス流速の変化に応じ、吸引ノズルを煙道やダクト内に挿入したままで、測定装置内の吸引流量を一定に維持しながら、吸引ノズルの入り口口径を瞬間的に自在に変化させ、再び等速吸引状態を可能とする口径可変式吸引ノズルを備えたダスト試料採取装置が開示されている（例えば、特許文献１）。また、煙道内で粒子状物質を捕集する吸引するノズルにおいて、ノズル吸引口内に円錐状の制御錐を軸方向に出し入れ自在に設けることにより吸引口の吸引面積を可変とすることを特徴とする吸引口可変ノズルが提案されている（例えば、特許文献２）。

また、上記吸引口可変ノズルは、ノズルの入り口部の断面積を排ガスの速度ｖに応じた断面積となるように制御錐の出し入れを制御器によって制御されているに過ぎず、排ガスの速度以外のファクターを考慮して制御することで、より高度な制御ができる。なお、本件特許出願人は、上記文献公知発明が記載された刊行物として、以下の刊行物を提示する。

和田匡司、塚田まゆみ、近藤光、小暮信行、W.Lenggoro、W.W.Szymanski、内藤牧男、金岡千嘉男、神谷秀博、「固定発生源煙道内ＰＭ１０／ＰＭ２．５質量濃度測定用multi-stage VIS-impactorの分級特性」、紛体工学会誌，第４６巻、第４６７−第４７５頁（２００９） 「ＪＥＴＩ」煙道用ＰＭ２．５濃度測定装置「バーチャルインパクタＶＩ−ＰＭ２．５」第６１巻 第１４号 第１００〜第１０３頁（２０１３年 発行） 「東京ダイレック株式会社（ＴＯＫＹＯ ＤＹＬＥＣ ＣＯＲＰ．）バーチャルインパクタＶＩ−２．５ 製品カタログ」（２０１４年４月発行）

特開２００２−３４０７４７号公報 特開２００４−１９１２０４号公報

このように現在提案されているバーチャルインパクタ法を採用した煙道用ＰＭ２．５濃度測定装置は、ＰＭ２．５を測定する装置として有望である。しかしながら、上記濃度測定装置は、依然として手動により吸引流量を常に確認しつつ、バルブを調整することによって吸引流量を制御しなければならない。また、排ガスにＰＭ２．５が高い濃度で含まれている場合には、粒子、水分等が付着することで、粒子を捕集するフィルタの圧損が高くなる場合がある。また、煙道内の条件は変動している。このため、吸引流量を一定に制御することが困難であるという問題点がある。一方、吸引ノズルは測定前に本体に設置してしまうため、測定中に最適値が変化したとしても吸引速度を変えることはできないという問題点がある。

また、現在提案されている上記煙道用ＰＭ２．５濃度測定装置は、２段バーチャルインパクタを採用して、排ガス中に含まれる粒子状物質を粒子径に対応して３つに分類している。このため、排ガス中に含まれる粒子状物質を粒子径に対応して３つに分類された３つのラインそれぞれについて吸引流量を制御しなければならないという不都合が生じる。将来、バーチャルインパクタ法を採用したＰＭ２．５濃度測定装置をさらに普及させるためには、ＰＭ２．５濃度の測定値の精度を確保しつつ、ＰＭ２．５濃度をリアルタイムで測定することができるＰＭ２．５濃度測定システムを構築することが望ましい。また、作業者及び監視者の負担をかけることなく、メンテナンスフリーで遠隔監視、操作可能なＰＭ２．５濃度測定システムを提案することが期待されている。

本発明は、かかる技術的事情に鑑みてなされたものであって、吸引流量を緻密に制御することにより、排ガス中に含まれるＰＭ２．５濃度を精度良く測定することができる微小粒子状物質質量濃度測定システムを提供することを課題とする。また、本発明は、吸引流量の制御を簡易に行うことができ、監視者の負担をかけることなく、メンテナンスフリーで遠隔監視、操作可能な測定システムを提供することを課題とする。さらに、本発明は、上記測定システムにより取得される情報を蓄積し、かつ遠隔操作用サーバと相互に通信可能な測定システム用電子機器と、遠隔操作用サーバと相互に通信可能な遠隔監視用電子機器とを備えた微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステムを提供することを課題とする。

本件発明者等は、鋭意検討を行った結果、煙道内を流れる排ガスの圧力、温度、排ガスに含まれるＰＭ２．５の組成及び含有量等のデータから吸引流量及びノズル吸引速度の最適化を図ることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は、以下の技術的事項から構成される。

（１） 煙道内を流れる排ガスのデータを取得するためのセンサと、
前記排ガスのデータを演算処理することにより出力データを算出するデータ処理部と、
口径可変式吸引ノズルを備えた多段階バーチャルインパクタと、
前記口径可変式吸引ノズルの口径を変化させる口径可変制御部と、
前記多段階バーチャルインパクタが備えている各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させる吸引流量制御部と、を備えた微小粒子状物質質量濃度測定システムであって、
前記データ処理部は、前記口径可変式吸引ノズルによって吸引される前記排ガスの吸引速度が一定となるように前記口径を制御するために必要な出力データＸと、
前記各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を制御するために必要な出力データＹと、を算出することを特徴とする微小粒子状物質質量濃度測定システム。

（２） 前記多段階バーチャルインパクタが２段階バーチャルインパクタであることを特徴とする（１）に記載の微小粒子状物質質量濃度測定システム。

（３） 遠隔操作用サーバと、
（１）又は（２）に記載の微小粒子状物質質量濃度測定システムにより取得される情報を蓄積し、かつ前記遠隔操作用サーバと相互に通信可能な測定システム用電子機器と、
前記遠隔操作用サーバと相互に通信可能な測定作業者確認用携帯端末と、を備えた微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステム。

本発明によれば、バーチャルインパクタによって吸引される排ガス流量を煙道内の排ガスの条件に応じて最適化を図ることにより、ＰＭ２．５濃度を精度良く測定することができる微小粒子状物質質量濃度測定システムが提供される。また、本発明によれば、作業者及び監視者の負担を大幅に軽減してＰＭ２．５濃度測定を行うことができ、しかもリアルタイムにて固定発生源から遠隔監視、及び遠隔操作によりＰＭ２．５濃度を精度良く測定することができる微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステムが提供される。

微小粒子状物質質量濃度測定システムの概略を示したモデル図である。 データ処理部の構成を示した図である。 口径可変式吸引ノズルの拡大図である。 口径可変式吸引ノズルを装備したバーチャルインパクタ内部を示した図である。 バーチャルインパクタの原理を示したモデル図である。 微小粒子状物質濃度モニタリングシステムの概略を示したモデル図である。

＜微小粒子状物質質量濃度測定システム＞
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の実施形態１は、微小粒子状物質質量濃度測定システムである。まず、微小粒子状物質質量濃度測定システムの概略を説明する。

図１は、微小粒子状物質質量濃度測定システムの概略を示したモデル図である。微小粒子状物質質量濃度測定システムは、煙道内を流れる排ガスのデータを取得するためのセンサ１と、排ガスのデータを演算処理することにより出力データを算出するデータ処理部２と、口径可変式吸引ノズルを備えた多段階バーチャルインパクタ７と、口径可変式吸引ノズルの口径を変化させる口径可変制御部３と、多段階バーチャルインパクタ７が備えている各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させる吸引流量制御部４とを備えている。以下、本発明の微小粒子状物質質量濃度測定システムを構成する各部材について説明する。

微小粒子状物質質量濃度測定システムＳは、煙道内を流れる排ガスのデータを取得するためのセンサ１を備えている。センサ１は、煙道内を流れる排ガスのデータを取得する役割を有している。微小粒子状物質質量濃度測定システムＳは、工場、廃棄物処理場、発電所等の固定発生源から排出される排ガスを測定対象としている。このため、煙道内とは、主に固定発生源から発生される排ガスが流れる煙道内部を煙道内として想定している。

センサ１は、煙道内を流れる排ガスの温度、流速を測定する。センサ１には、微小粒子状物質質量濃度測定システムＳが適用される煙道内に設置された熱電対温度計１０が含まれる。熱電対温度計１０により排ガスの温度ｔが測定される。また、煙道内に設置された特殊ピトー管１２によって、排ガスの圧力p、流速ｖが測定される。

さらに、センサ１は、排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）、水分（Ｈ_２０）等のガス成分を測定する。センサ１には、排ガスに含まれる各ガス成分の吸着センサ等１４（図示せず）が含まれる。吸着センサ１４は、吸着センサ１４に含まれる吸着材に対する、排ガスに含まれる各ガス成分の吸着量の違いを利用して、排ガスに含まれる各ガス成分を分離する。分離された各ガス成分の吸着量を用いて、排ガスに含まれる各ガス成分が測定される。このように吸着センサ１４によって、排ガスに含まれるガス成分とガス成分の量が測定される。なお、センサ１は、予め決定した時間ごとに排ガスのデータを取得する。吸着センサ１４としては、例えば、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）を測定することができるガス分析装置、水分（Ｈ_２０）を測定することができる水分量測定装置を挙げることができる。

図１に示されるように微小粒子状物質質量濃度測定システムＳは、データ処理部２を備えている。データ処理部２は、上記センサ１によって取得された排ガスのデータを用いて演算処理することによって出力データを算出する。データ処理部２によって算出された出力データは、出力データＸと出力データＹからなる。データ処理部２によって算出された出力データＸは、微小粒子状物質質量濃度測定システムＳが備えている口径可変式吸引ノズルの口径を変化させる口径可変制御部３に送信される。また、データ処理部２によって算出された出力データＹは、多段階バーチャルインパクタが備えている各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させる吸引流量制御部４に送信される。

図２は、データ処理部２の構成を示した図である。データ処理部２は、上記センサ１に
よって取得された排ガスのデータを入力及び格納する入力部２０を備える。また、データ
処理部２は、上記センサ１によって取得された排ガスのデータを用いて最適な口径可変式
吸引ノズルの口径及び最適な排ガスの吸引流量を算出するための最適条件決定部２２を備
える。さらに、データ処理部２は、最適条件決定部２２によって算出された最適な吸引ノズルの口径及び最適な排ガスの吸引流量に加え入力データを記憶する記憶部２４を備えている。

データ処理部２が備えている最適条件決定部２２は、微小粒子状物質質量濃度測定システムＳが備えている口径可変式吸引ノズルの口径を変化させるために必要なパラメーターを設定する。最適条件決定部２２は、微小粒子状物質質量濃度測定システムＳは、上記パラメーターを算出するために必要な排ガスのデータを入力部２０から抽出し、抽出された当該排ガスを用いて必要なパラメーターの値を算出する。

データ処理部２が備えている最適条件決定部２２は、微小粒子状物質質量濃度測定システムＳが備えている多段階バーチャルインパクタが有する各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させるに必要なパラメーターを設定する。最適条件決定部２２は、上記パラメーターを算出するために必要な排ガスのデータを入力部２０から抽出し、抽出された当該排ガスを用いて必要なパラメーターの値を算出する。

最適条件決定部２２は、記憶部２４に予め設定された口径可変式吸引ノズルの口径を変化させるための最適条件となるパラメーターの値と、実際に測定された煙道内の排ガスのデータを基礎として算出された口径可変式吸引ノズルの口径を変化させるためのパラメーターの値を比較する。さらに、最適条件決定部２２は、多段階バーチャルインパクタが有する各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させるに必要な最適条件となるパラメーターの値と、実際に測定された煙道内の排ガスのデータを基礎として算出された上記パラメーターの値を比較する。

最適条件決定部２２は、実際に算出された２つのパラメーターの値を最適条件となる２つのパラメーターの値に近づくように、口径可変式吸引ノズルの口径及び多段階バーチャルインパクタが有する各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を制御する。最適条件決定部２２は、口径可変式吸引ノズルの口径及び多段階バーチャルインパクタが有する各分粒部が吸引する排ガスの吸引流量の２つの条件（以下「吸引条件」ということがある。）を煙道内に流れる排ガスの流量、圧力、温度、排ガス（二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）、水分（Ｈ_２０）等）の組成に応じて制御することができる。

最適条件決定部２２によって算出された口径可変式吸引ノズルの口径の値に関するデータは、口径可変式吸引ノズル５の口径を変化させる口径可変制御部３に送信される。口径可変制御部３は、口径可変式吸引ノズル５と連動している。口径可変制御部３によって、口径可変式吸引ノズル５の口径が変化する。口径可変式吸引ノズル５の口径５１を変化させるための部材は、特に限定されるものではなく、適宜公知の部材を採用することができる。例えば、口径可変制御部３と口径可変式吸引ノズル５をチェーン６と連動させ、当該チェーン６の動作に伴い駆動するギアによって、口径５１を変化させることができる。

例えば、口径可変式吸引ノズル５は、図３に示すようなものを使用する。図３は、口径可変式吸引ノズル５の拡大図を示す。図３に示されるように口径可変式吸引ノズル５は、下部の固定ノズル部５２及び上部の滑りノズル部５３からなる。滑りのノズル部５３は、その後部の一部が後方まで延びた延長部５４を備えている。

延長部５４には、駆動ギア受歯５５が刻設されて回転軸５６に設けられたノズル部駆動ギア５７とかみ合うことにより滑りノズル部５３を前後に移動させるようになっている。滑りノズル部５３が前後に移動すると固定ノズル部５２との接合部前端が前後に移動する。このように、口径可変式吸引ノズル５の口径５１は、最適条件決定部２２によって算出された口径可変式吸引ノズルの口径の値となるように変化させることができる。

口径可変式吸引ノズル５の口径５１は、バーチャルインパクタ７に排ガスを等速吸引となるように制御される。この理由は、バーチャルインタクタ本体に煙道内から含塵ガスを取り込む際に煙道内よりも高速若しくは低速にて吸引してしまうと、口径可変式吸引ノズル５に入る流線が曲がるため、慣性力により流線から外れた粒子濃度が口径可変式吸引ノズル５に取り込めなかったり、入り込んだりしてしまうことを回避するためである。

また、バーチャルインパクタに排ガスを等速吸引となるようにするためには、口径可変式吸引ノズル５の口径５１を制御して変化させることが重要である。この理由は、バーチャルインパクタによって、粒子の粒子径が１０μｍよりも大きい粒子、粒子径が１０μｍ以下のPM１０、及び粒子径が２．５μｍ以下のＰＭ２．５を分粒するための排ガス流量は、煙道内の条件によって決定され、排ガスの吸引流量は一定となるためである。このため、排ガスの吸引流量を一定とし、かつ排ガスの流速を変えるためには、排ガスの流路となる口径可変式吸引ノズル５の口径５１を制御して変化させる必要がある。なお、口径可変式吸引ノズル５は、当該ノズルの口径を変化させることができるものであれば、特に限定されるものではなく、公知のノズルを採用することができる。

図４は、口径可変式吸引ノズル５を装備した多段階バーチャルインパクタ７の内部を示
した図である。煙道内を流れる排ガスは、口径可変式吸引ノズル５を通過して多段階バー
チャルインパクタ７の内部を流れる。多段階バーチャルインパクタ７が有する段階数は排ガスの種類、条件等により適宜調整することができる。なお、多段階バーチャルインパクタ７は、耐熱性、耐腐食性を有する金属材料によって構成される。上記金属材料としては、チタニウム、ステンレスを例示することができる。また、多段階バーチャルインパクタ７全体を加熱するためにヒータを設けていてもよい。

例えば、煙道内を流れる排ガスに含まれるＰＭ２．５濃度を測定の対象とする場合には、多段階を２段階とすることが好ましい。さらに、排ガスに含まれるＰＭ２．５等よりも粒径がさらに小さい微粒子状物質濃度を測定する場合には、３段階以上とすることが好ましい。

図４に示されるように多段階バーチャルインパクタ７は、２段階バーチャルインパクタ
であり、分粒部７０、分粒部７２からなる２つの分粒部を備えている。分粒後の粒子を捕
集するために、捕集部７１、捕集部７３、捕集部７４からなる３つの捕集部を備えている。分粒部７０、７２からなる各分粒部は、共軸上備えられた粒子加速ノズル７６と粒子捕集ノズル７８とから構成されている。このように多段階バーチャルインパクタ７は、複数の分粒部によって区画されており、口径可変式吸引ノズル５から吸収された排ガスを複数の分粒部によって、排ガスに含まれる粒子状物質の粒径に応じて、特定の粒子状物質を分離して、捕集することができる。

例えば、多段階バーチャルインパクタ７は、分粒部７０が粒子径が１０μｍよりも大きい粒子状物質を分離して、捕集部７１で捕集する。その後、分粒部７２が粒子径が２．５μｍよりも大きい粒子状物質を分離して、捕集部７３で捕集する。最後に捕集部７４は、粒子径が２．５μｍよりも小さい微小粒子状物質を捕集する。

図５は、バーチャルインパクタの原理を示したモデル図である。具体的には、排ガスに含まれているＰＭ２．５を分離して、捕集するメカニズムを示したモデル図である。図５に示されたように、分粒部７２は、共軸上備えられた粒子加速ノズル７６と粒子捕集ノズル７８とから構成されている。上部より吸収された排ガスＱ０は、粒子加速ノズル７６によって加速される。排ガスＱ０は、副流となる排ガスＱ１と、主流となる排ガスＱ２と分流する。主流となる排ガスＱ２は、粒子捕集ノズル７８を迂回して、排ガスの流れの方向を変える。副流となる排ガスＱ１は、直進して粒子捕集７８ノズルに流れ込む。

副流となる排ガスＱ１には、粒子径が大きい粒子状物質Ｐ１が含まれている。また、主流となる排ガスＱ２には、粒子径が小さい微小粒子状物質Ｐ２が含まれている。排ガスが多段階バーチャルインパクタによって、分離されることによって、同時に排ガスに含まれる微小粒子状物質が分離される。

副流となる排ガスＱ１は、粒子捕集ノズル７８を通過した後、捕集部７３の底部に設けられた粒子捕集フィルタ７９を通過する。副流となる排ガスＱ１に含まれている粒子状物質Ｐ１は、粒子捕集フィルタ７９によって、捕集される。一方、主流となる排ガスＱ２は、粒子捕集ノズル７８を迂回した後、バーチャルインパクタの下部に設けられた捕集部７４に流れる。

このように各分粒部において、排ガスが分離され、粒子捕集ノズル７８を通過した排ガスに含まれる微小粒子状物質が捕集される。微小粒子状物質は、捕集フィルタ７９によって捕集される。得られたＰＭ２．５の質量を秤量する。かかるＰＭ２．５の質量と、口径可変式吸引ノズルが吸収した排ガスの体積から最終的にＰＭ２．５濃度が算出される。

本発明の微小粒子状物質質量濃度測定システムは、排ガスに含まれるＰＭ２．５が低濃度から高濃度の排ガスを対象としており、工場、廃棄物処理場、発電所等の大規模な固定発生源から排出される排ガスを測定対象としている。微小粒子状物質質量濃度測定システムは、多段階バーチャルインパクタを採用していることから、バーチャルインパクタの段階数に対応して、複数の分粒部を備えることとなる。このため、微小粒子状物質質量濃度測定システムが備えている複数の捕集部に吸引される吸引流量を精度良く制御することが必要となる。

例えば、多段階バーチャルインパクタ７が２段階バーチャルインパクタである場合には、バーチャルインパクタ７は、捕集部７１、７３、７４の３つを備えている。２つの分粒部７０、７２でそれぞれ１０μm、２．５μmで精度よく分粒するためには、３つの各捕集部に吸収される吸引流量を制御しなければならない。捕集部７１、７３、７４は、ドレインポット８を介して、吸引流量制御部４に接続されている。吸引流量制御部４は、捕集部７１、７３、７４にそれぞれ対応して、接続されている吸引流量制御部４０、吸引流量制御部４２、吸引流量制御部４４を備えている。なお、吸引流量制御部４０、吸引流量制御部４２、吸引流量制御部４４は、ポンプ９に接続されている。ポンプ９は、吸引流量制御部４からの指令によって、ポンプの吸引量を決定し、各捕集部の吸引流量を制御する。
る。

既に説明したように、吸引流量制御部４には、各分粒部が吸引する排ガスの吸引流量が最適値となるように出力データが送信される。吸引流量制御部４０に送信された出力データを基礎として捕集部７１に吸引される排ガスの流量が決定される。また、吸引流量制御部４２に送信された出力データを基礎として捕集部７３に吸引される排ガスの流量が決定される。さらに、吸引流量制御部４４に送信された出力データを基礎として捕集部７４に吸引される排ガスの流量が決定される。吸引流量制御部４０、吸引流量制御部４２、吸引流量制御部４４は、相互に出力データを相互に交換することにより、各分粒部の間の吸引流量とのバランスを考慮しながら、吸引量を制御することができる。

多段階バーチャルインパクタ７が多段階バーチャルインパクタを採用して、捕集部が４個以上となっても、各捕集部に対応した吸引流量制御部に送信される出力データによって、捕集部に吸引される吸引流量を制御することができる。また、各捕集部に送信された各出力データ間の相互の関係を考慮して、各捕集部の吸引流量を制御することができる。

各捕集部の吸引流量を制御するために、粒子加速ノズル付近の排ガスに含まれている粒子状物質の慣性を表わすストークス数から算出してもよい。ストークス数（粒子状物質の慣性）を考慮しながら、各捕集部に吸収される吸引流量を制御することができる。

このように、本発明の微小粒子状物質質量濃度測定システムは、固定発生源から排出される種々の排ガスを測定対象とすることができ、排ガスの温度、圧力、ガス成分組成等の諸条件に対応し、口径可変式吸引ノズルの口径及び多段階バーチャルインパクタが有する各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量の２つの条件（以下、「吸引条件」とうことがある。）を緻密に制御することができる。このように、本発明の微小粒子状物質質量濃度測定システムは、各分粒部の吸引流量を排ガスが流れる煙道内の条件に合せた適切な吸引条件によって、流量値を制御し、各分粒部において分離される微小粒子状物質の測定濃度の誤差が発生することを回避することができる。

さらに、本発明の微小粒子状物質質量濃度測定システムは、多段階バーチャルインパクタを備える場合であっても、複数のデータを演算処理することにより、吸引条件の最適化することができる。本発明の微小粒子状物質質量濃度測定システムは、従来法のバーチャルインパクタ法において、手動で行っていた排ガスの吸引条件の最適化をシステマチックかつ、簡易に行うことができる。

＜微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステム＞
本発明の実施形態２は、微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステムである。実施形態２のＰＭ２．５モニタリングシステムは、測定部、データ処理部を備えている。測定部とデータ処理部とは、無線通信ネットワークを形成して接続され、本発明の微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステムを構成している。

図６は、本発明の微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステムの概要を示したモデル図である。測定部は、実施形態１の微小粒子状物質質量濃度測定システムを実行することにより取得される測定データを、無線通信ネットワークを介してデータ処理部へと送信する。上記取得される測定データは、センシングデータとして、上記微小粒子状物質質量濃度測定システムから取得されるデータである。

測定部は、煙道内を流れる排ガスの温度、排ガスの圧力、排ガスの流量、排ガスの流速等を測定データとして取得する。さらに、測定部は、煙道内を流れる排ガスに含まれるガス成分、及びガス成分の量を測定データとして取得する。さらに、測定部は、多段階バーチャルインパクタのノズルの口径、各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量、吸引速度を測定データとして取得する。また、測定部は、微小粒子状物質質量濃度測定システムが稼働している状態を視覚的に認識するための画像データを取得することもできる。例えば、煙道内を流れる排ガスの状態、多段階バーチャルインパクタが備えているノズル、各分粒部の状態等の画像データを測定データとして取得することもできる。

次に、測定部から無線通信ネットワークを介して送信された測定データを受信し、多段階バーチャルインパクタを制御するために必要な指標を算出するために必要な測定データを選出し、かかる指標を算出する。データ処理部は、取得された測定データによって算出された指標と、予め定められた指標の基準値とを比較して、上記測定データが理想値となるように制御を行うために無線通信ネットワークを介して制御信号を測定部に送信する。かかる制御は、データ処理部のプログラムにより多段階バーチャルインパクタのノズルの口径、各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量、吸引速度を所望の値となるようにリアルタイムに調整が行われるが、後に説明するデータ処理部と無線通信ネットワークによって繋がれた測定作業者確認用タブレット端末等の測定作業者確認用携帯端末を用いることによって手動で行うこともできる。

測定部は、測定システム用電子機器に内蔵されている。測定システム用電子機器としては、測定データをデジタル信号に変換できるD/A変換機能をもつ汎用のプログラマブルマイコンを用いる。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｎａｎｏ、Ｒａｓｐｈｂｅｒｙ Ｐｉ等のマイコンを例示することができる。

測定システム用電子機器に内蔵された測定部は、無線通信ネットワークにより遠隔監視部と無線通信ネットワークを形成している。上記測定部は、無線LANルータによってデータ処理部と繋がれている。

データ処理部は、遠隔操作用サーバと測定作業者確認用携帯端末から構成される。遠隔操作用サーバのハードウェア構成は、測定システム用電子機器及び測定作業者確認用携帯端末と無線通信機能を有するものであればよく、公知技術により実現可能であるため図示及び説明を省略する。測定作業者確認用携帯端末として、携帯電話、タブレット、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、無線モデム、ラップトップコンピュータ、パーソナルコンピュータ、その他各所の携帯端末を例示することができる。

測定作業者確認用携帯端末は、構成部材として無線通信モジュールを搭載してもよい。このため、遠隔操作用サーバは、測定システム用電子機器及び測定作業者確認用携帯端末のそれぞれと無線通信ネットワーク（図示せず）を経由して接続される。したがって、本発明の微小粒子状物質濃度モニタリングシステムにおいては、測定システム用電子機器が備えている測定部は、データ処理部が備えている遠隔操作用サーバを介して測定作業者確認用携帯端末に測定データ、制御データ、及び操作データを送信することができる。

一方、測定作業者確認用携帯端末は、データ処理部が備えている遠隔操作用サーバを介して測定システム用電子機器が備えている測定・制御部に多段階バーチャルインパクタのノズルの口径、各分粒部が吸引する排ガスの吸引流量、吸引速度を所望の値となるように調整するために必要な測定データ、制御データ、及び操作データに関する信号を送信することができる。

多段階バーチャルインパクタが備えているノズルの口径は、口径可変制御部によって、制御される。口径可変制御部は、遠隔操作用サーバもしくは測定作業者確認用携帯端末に入力された信号に基づいて、ノズルの口径を排ガスのデータに応じて変化させることができる。また、上記吸引流量制御部は、遠隔操作用サーバもしくは測定作業者確認用携帯端末に入力された信号に基づいて、多段階バーチャルインパクタが備えている各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を排ガスのデータに応じて変化させることができる。

このように、本発明の微小粒子状物質濃度モニタリングシステムにおいては、上記測定作業者確認用携帯端末を採用することができるので、排ガスが排出される固定源から物理的に離れた地点からでも微小粒子状物質濃度をモニタリングすることができる。しかも、本発明の微小粒子状物質濃度モニタリングシステムにおいては、上記携帯端末を採用することができるので、固定源から排出される排ガスに含まれる微小粒子状物質の濃度をリアルタイムにモニタリングすることができる。

本発明の微小粒子状物質濃度測定システムは、排ガス中に含まれている微小粒子状物質濃度を精度良く測定することができるため、現在国際規格となっているバーチャルインパクタ法をさらに発展させた測定システムということができる。したがって、本発明の微小粒子状物質濃度測定システムは、環境技術の発展に大きく貢献することができる。また、微小粒子状物質濃度測定システムは、工場、廃棄物処理場、発電所等の固定発生源に適用される煙突等を対象としているため、極めて汎用性が高い。しかも、微小粒子状物質濃度測定システムは、簡易な通信手段採用することにより、リアルタイムでの遠隔監視及び遠隔操作が可能となっている。したがって、本発明の微小粒子状物質濃度測定システムは、エネルギー供給・廃棄物処理・各種製造業の持続発展、金属・半導体などの多様な材料の開発において、精度と汎用性を兼ね備えた全く新しい微小粒子状物質濃度測定システムとして発展する可能性がある。

Ｓ 微小粒子状物質質量濃度測定システム
１ センサ
１０ 熱電対温度計
１２ 特殊型ピトー管
２ データ処理部
２０ 入力部
２２ 最適条件決定部
２４ 記憶部
３ 口径可変用制御部
４ 吸引流量制御部（全体）
４０ 吸引流量制御部（ＰＭ１０≦）
４２ 吸引流量制御部（２．５＜ＰＭ＜１０）
４４ 吸引流量制御部（ＰＭ２．５≧）
５ 口径可変式ノズル
５１ 口径
５２ 固定ノズル部
５３ 滑りノズル
５４ 延長部
５５ 駆動ギア受歯
５６ 回転軸
５７ ノズル部駆動ギア
６ チェーン
７ 多段階バーチャルインパクタ
７０ 分粒部（ＰＭ１０≦）
７１ 捕集部
７２ 分粒部（２．５＜ＰＭ＜１０）
７３ 捕集部
７４ 捕集部（ＰＭ２．５≧）
７６ 粒子加速ノズル
７８ 粒子捕集ノズル
７９ 粒子捕集フィルタ
８ ドレインポット
９ ポンプ

Claims (3)

1. 煙道内を流れる排ガスのデータを取得するためのセンサと、
   前記排ガスのデータを演算処理することにより出力データを算出するデータ処理部と、
   口径可変式吸引ノズルを備えた多段階バーチャルインパクタと、
   前記口径可変式吸引ノズルの口径を変化させる口径可変制御部と、
   前記多段階バーチャルインパクタが備えている各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を変化させる吸引流量制御部と、を備えた微小粒子状物質質量濃度測定システムであって、
   前記データ処理部は、前記口径可変式吸引ノズルによって吸引される前記排ガスの吸引速度が一定となるように前記口径を制御するために必要な出力データＸと、
   前記各捕集部が吸引する排ガスの吸引流量を制御するために必要な出力データＹと、を算出することを特徴とする微小粒子状物質質量濃度測定システム。
2. 前記多段階バーチャルインパクタが２段階バーチャルインパクタであることを特徴とする請求項１に記載の微小粒子状物質質量濃度測定システム。
3. 遠隔操作用サーバと、
   請求項１又は２に記載の微小粒子状物質質量濃度測定システムにより取得される情報を蓄積し、かつ前記遠隔操作用サーバと相互に通信可能な測定システム用電子機器と、
   前記遠隔操作用サーバと相互に通信可能な測定作業者確認用携帯端末と、を備えた微小粒子状物質質量濃度モニタリングシステム。