JP2020109405A

JP2020109405A - 微粒子を測定できるシステム

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Publication number: JP2020109405A
Application number: JP2019235531A
Authority: JP
Inventors: クリンダーカイ; Klinder Kai; シュラディッツアレクサンダー; Schladitz Alexander; チョンジェー．ケー．; K Chung J
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-07-16
Also published as: KR20200084984A; CN111398101A; EP3677895A1; KR102222298B1; US20200217770A1

Abstract

【課題】大気又は排ガスから抽出された微粒子の特性、例えば微粒子の濃度、サイズ分布、粒子等級等を連続的にモニタリング微粒子測定システムを提供する。【解決手段】管状のノズル１と、光源３０及び光検出器３２により構成され、前記ノズルに隣接して設けられた光測定部と、中空状であって内部に前記ノズルの一端が挿入されているプローブ１０と、前記ノズルを通じて導入される微粒子を測定するために前記光測定部に隣接して設けられた粒子測定部ＰＭＵと、ソフトウェアに基づいて微粒子の体積を評価するために前記粒子測定部に接続された評価モデル部Ｂ２と、前記評価モデル部に接続された評価処理部と、前記プローブ内にパージを供給するために該プローブの外側端と接続されたパージ供給部と、前記プローブ内に供給されるパージの速度を制御するためにプローブに隣接して設けられた速度制御部２３とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子を測定できるシステム（以下、「微粒子測定システム」と呼ぶ）に関し、特に、大気又は排ガスから抽出された微粒子の特性、例えば微粒子の濃度、サイズ分布、粒子等級等を連続的にモニタリングできるため微粒子のモニタリングの信頼性を高めることができる微粒子測定システムに関する。

一般に、船舶用燃焼施設や石油化学関連製品を扱う陸上プラントでは、各工程を通過し、人体に害のある様々な有害物質が燃焼工程において発生し、排ガスとして排出される。

有害物質には硫黄酸化物、窒素酸化物、一酸化炭素、亜硫酸ガス、塩化水素及びアンモニアが含まれる。これらの有害物質は人体に害があるだけでなく環境にも多大な影響を及ぼすため、排ガスの放出は世界中で法的及び行政的に規制されている。

そのため、排気ダクトを通じて放出される排ガスの一部を取り出して該排ガスの様々な成分を連続的に分析するための分析装置が船舶用燃焼施設や陸上プラント等、大量の排ガスが発生する場所に設けられ、その分析結果に応じて適切な措置が講じられている。

排気ダクトを通じて放出される排ガスの成分を分析及び測定する方法として、排気ダクトから放出される排ガスの一部をサンプルとして取り出し、サンプリング管路を通じてそのサンプルを特定の場所に設置された測定装置へ送り、その成分を測定するというサンプリング測定法と、現場でプローブを直接排気ダクトに差し込み、排ガスの成分をリアルタイムで測定及び分析するという現地測定法がある。

近年は、現地測定法が好まれる傾向にある。これは排ガスの適合性が該排ガスから直接、非常に精確に測定されるからである。

しかし、プローブに導入される排ガスの一部には水分や灰等の他の夾雑物が混ざっている可能性があり、それがガスの分析精度を損なう要因となる。

また、不便なことに、プローブ内に残る水分や灰等の夾雑物を取り除くために別のパージ装置を設ける必要があるため、装置の構成が複雑になるとともに、設置コストが増大するという問題がある。

関連する先行技術に含まれるものとして特許文献１（発明の名称：排ガス成分分析システム及び排ガス成分分析方法、２０１７年１０月３０日登録）及び特許文献２（発明の名称：排ガスサンプリングシステム及び該型式の排ガスサンプリングシステムの運転方法、２０１７年８月２日公開）がある。

韓国特許第１０−１７９３５５０号韓国特許公開１０−２０１７−００８８９２９号

本発明の課題は前述のような関連技術の問題を解決するために成されものである。本発明の目的は、大気又は排ガスから抽出された微粒子の特性、例えば微粒子の濃度、サイズ分布、粒子等級等を連続的にモニタリングできるため微粒子のモニタリングの信頼性を高めることができる微粒子測定システムを提供することである。

本発明のその他の目的は本発明の各特徴を通じて理解することができ、本発明の実施形態を通じてより明確に理解することができる。それらの目的は各請求項に記載の手段及び組み合わせにより実現することができる。

本発明は、上述のような本発明により解決すべき問題を解決するために以下のような技術的特徴を有している。

本発明に係る微粒子測定システムは、管状のノズルと、エネルギーとして供給される光源及び光検出器により構成され、前記ノズルに隣接して設けられた光測定部と、中空状であって内部に前記ノズルの一端が挿入されているプローブと、前記ノズルを通じて導入される微粒子を測定するために前記光測定部に隣接して設けられた粒子測定部と、ソフトウェアに基づいて微粒子の体積を評価するために前記粒子測定部に接続された評価モデル部と、前記微粒子の体積サイズ分布、各微粒子のサイズ及び時間についての積分、並びに前記微粒子の体積濃度をそれぞれ評価するために前記評価モデル部に接続された評価処理部と、前記プローブ内にパージを供給するために該プローブの外側端と接続されたパージ供給部と、前記プローブ内に供給されるパージの速度を制御するためにプローブに隣接して設けられた速度制御部とを含んでいる。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、前記プローブは内部にあるパージ管とサンプリング管により構成されており、パージ管はプローブの内部に設けられ、サンプリング管はパージ管の内部に設けられている。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、前記サンプリング管内の流量を測定し、測定された流量の信号を前記測定制御部へ送るために速度センサがサンプリング管の内部に設けられている。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、速度センサヘッドが、プローブの外側に露出したサンプリング管の表面に該サンプリング管の外周面を取り囲むように設けられ、前記速度制御部と接続されている。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、前記プローブ内に供給されるパージは前記パージ供給部に隣接して設けられたコンプレッサ又はブロワを用いて生成される。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、バイパス弁が前記コンプレッサに接続され、該バイパス弁が前記プローブ内に供給される前記パージの流れを制御する。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、流量を測定し、測定された流量に関する情報を前記速度制御部へ供給するために、煙突測定用流量計が前記プローブの入口に隣接して設けられている。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、前記プローブの外側に露出した前記サンプリング管の表面に質量流量センサが設けられ、流路と温度を送るために前記速度制御部に接続されている。

本発明に係る微粒子測定システムにおいて、前記光源と前記光検出器の間に測定体積が形成されていることで前記光源と前記光検出器が前記微粒子による汚染を防ぐエアクッションを生じさせる。

本発明によれば、上述のように問題を解決する手段を用いて微粒子のモニタリングの信頼性を高めることができる。これは大気又は排ガスから抽出された微粒子の特性、例えば微粒子の濃度、サイズ分布、粒子等級等を連続的にモニタリングできるからである。

本発明のその他の効果は本発明の各特徴を通じて理解することができ、本発明の実施形態を通じてより明確に理解することができる。それらの効果は各請求項に記載の手段及び組み合わせによって発揮することができる。

本発明に係る微粒子測定システムの一実施形態の図。図１に係る流路速度測定方法及びパージガス制御方法の一実施形態の図。図１に係るパージガス制御方法の別の実施形態の図。図１に係るパージガス制御方法の更に別の実施形態の図。図１に係る流路速度測定方法の別の実施形態の図。図１に係る流路速度測定方法の更に別の実施形態の図。図１に係る流路速度測定方法の更に別の実施形態の図。

以下に記載する本発明の詳細な説明では、本発明を実装することができる具体的な実施形態を示す添付図面を例として参照する。これらの実施形態は当業者が本発明を実装することができるように十分に詳しく説明されている。なお、本発明の様々な実施形態には違いがあるものの、互いに排他的である必要はないと理解すべきである。例えば、ここで記載される具体的な形状、構造及び特徴は、ある実施形態に関する本発明の技術的な精神及び範囲から逸脱することことなく他の実施形態において実装することができる。また、開示された各実施形態における個々の構成要素の位置又は配置は本発明の技術的な精神及び範囲から逸脱することことなく変更することができると理解すべきである。それ故、以下の詳細な説明は限定的な意味にとるべきではなく、本発明の範囲は添付の各請求項並びに該請求項が主張するもののあらゆる等価物によってのみ定まるものである。いくつかの形態を通して図中の同じ参照符号は同一又は類似の機能を指している。

図１は本発明に係る微粒子測定システムの一実施形態の図、図２は図１に係る流路速度測定方法及びパージガス制御方法の一実施形態の図、図３は図１に係るパージガスの制御方法の別の実施形態の図、図４は図１に係るパージガスの制御方法の更に別の実施形態の図、図５は図１に係る流路速度測定方法の別の実施形態の図、図６は図１に係る流路速度測定方法の更に別の実施形態の図、図７は図１に係る流路速度測定方法の更に別の実施形態の図である。

本発明に係る微粒子測定システムは、図１〜７に示したように、ノズル（１）、光測定部（３）、プローブ（１０）、粒子測定部（ＰＭＵ）、評価モデル部（Ｂ２）、評価処理部（Ｐ）、パージ供給部（４）及び速度制御部（２３、ＶＣＵ）を含んでいる。

環境空気中の微粒子の粒径が小さくなればなるほど人体に対する生物学的な影響が大きくなる。そこで、粒径１に対する分級操作（これは一般にＰＭ１０、ＰＭ２．５又はＰＭ１．０というＰＭ等級で与えられる）を用いて健康への悪影響を特徴付けたり、評価したり、回避したりする。

本発明の目的は、排ガス流、機械、建物又は大気中のガス粒子のエアロゾルに含まれる微粒子の濃度及び／又は微粒子のサイズ分布を連続的にモニタリングする完全なモニタリングシステムを提供することである。本発明の重要な目的は信頼できるＰＭ等級の測定データを提供することである。

図１を見ると、本発明は質量濃度、粒径分布曲線あるいはＰＭ等級等、微粒子の数多くの特性を提供する。

本発明は主として以下の要素で構成されている。
・エネルギーとして供給される数個の発光器と、管の外側にあるプローブ（１０）と、プローブパージ管（１１）と、プローブサンプリング管（１２）と呼ばれ、散乱光の画像を受け取って送る散乱光受光器とで構成された光学測定システムを備えるノズル（１）
・評価プロセッサとデータバッファを有する入出力インターフェイスを備える電子式粒子測定装置ＰＭＵ（＃Ａ）
・ソフトウェアに基づいた評価モデル（＃Ｂ２）
・評価処理Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１及びＧ１
・速度制御部ＶＣＵ（＃Ｇ）
・一定速度を測定するための速度センサ
・電動モータが取り付けられた吸引ポンプ
プローブ（１０）に組み込まれ、吸引ポンプ又は真空ポンプで駆動されるエジェクタ（４４）が好ましい。
・プローブ（１０）内にはパージ供給部（４）を通じてパージが供給される。

エジェクタ（４４）は、ガス及び微粒子のエアロゾルがプローブ内へ吸引され、発光器と受光器の間の測定体積を通って案内されるように、流路圧との関係で負圧を発生させる。

パージ供給部（４）からプローブ（１０）に流入するパージガス流中では、光源（３０）と光検出器（３２）がプローブパージ管（１１）とプローブサンプリング管（１２）の間で微粒子によって汚染されることを防ぐために、測定体積（３１）の周囲にエアクッションを生じさせる受光器微粒子が後方散乱反射を発生させ、粒径及び粒子の有無に比例した形で多重信号画像（Ａ２）に変換される。

粒子測定部（ＰＭＵ）は発光器及び受光器のための電子式制御装置を含んでいる。粒子測定部（ＰＭＵ）の主な仕事は多重信号画像（Ａ２）をソフトウェアに基づいて評価することであり、評価モデル部（数学モデル、Ｂ２）と最初に生成された較正データとを用いて微粒子の体積を分析する。

評価処理部（Ｐ）は以下の複数のステップから成る。

評価処理ステップ（Ｃ１）では個々の微粒子体積の恒久的な測定値を使用し、該測定値を所定の時間（例えば５分）維持して、粒子体積サイズ分布、すなわち微粒子のサイズ（横座標）に対する粒子体積濃度（縦座標）の分布を計算する。微細な塵埃の典型的なサイズは例えば０．１μｍから２０μｍ｜ｍであるが、これより小さい又は大きいサイズもあり得る。

評価処理ステップ（Ｄ１）では、所望のＰＭ等級（一般にはＰＭ１０、ＰＭ”又はＰＭ１）に相当する１つ又は数個のサイズ等級を全体の粒子体積サイズ分布から切り離す。

また評価処理ステップ（Ｄ１）では、ＰＭ等級と関連付けられた微粒子体積の積分値に設置工程の間に測定された粒子密度を乗ずる。その結果、ＰＭ質量濃度（単位ｐｇ／ｍ３）が一般に得られる。

評価処理ステップ（Ｅ１）では、全微粒子体積サイズ分布（Ｃ１）が所定の時間（例えば５分）を有している。

評価処理ステップ（Ｆ１）では、ステップＥ１の全微粒子体積に粒子密度を乗じて前記時間における微粒子の全質量濃度を求める。その濃度は一般にｍｇ／ｍ３のオーダーである。

速度制御部（２３、ＶＣＵ）はステップ（Ｇ）で定められた時間、すなわち５分間のダクト中における平均ガス体積流量に関する情報を供給する。評価処理ステップ（Ｇ１）では全質量濃度にガス体積流量を乗じて、排出された微粒子の質量流を生じさせる。より多く積分すればより長い時間に対するより大きな出力が得られる。毎月あるいは過去１年に１回にするとＭｇ／ａで表される値になるのが普通である。

光学的な測定に加えて、ノズル（１）を通じて粒子ガスエアロゾルを正しく抽出することも重要である。個々の微粒子の質量が大きければ大きいほど、吸引管の下流にある湾曲部に蓄積される微粒子が多くなる。また、サンプリングの損失を避けるため、速度Ｖｎと速度Ｖｃが等しくなる状態を維持することが好ましい。

この原理は等速サンプリングとして知られている。ＶｎがＶｃと大きく違っていると、特定の粒子含量が速度差により影響される恐れがある。

小さくて軽い微粒子は動的で効率的な表面を持つため、等速性の低い抽出でも問題はない。つまり、粒子分子がガス分子のように小さいほど粒子は小さくなり、また粒子は正確にガス流１に沿って流れるため、粒子の分離はそれ以上起きない。本発明の場合、高い微粒子濃度及び／又は重い微粒子には吸着がとりわけ好適に用いられる。

本発明は、速度Ｖｃを測定し、第２にノズルにおける速度Ｖｎを制御し、第３に測定体積（３１）における速度とガス流量の測定及び制御を行うための様々な方法を提案する。

図２に示したように、流路内の速度Ｖｃを測定するために別体のピトー型又は超音波型が流路速度測定方法１及びパージガス制御方法として用いられている。速度制御部（２３、ＶＣＵ）が、コンプレッサ（４６）又はブロワ（４３）を駆動するための電動モータ（４２）の回転速度を制御するために必要な電力を計算する。エジェクタ（４４）の駆動に用いられる圧縮ガスを生成することで部分真空を作り出し、プローブ（１０）と測定セルを通じて流路からその部分真空の中にエアロゾルを抽出する。

例えば差圧センサである内部の質量流量センサ（２５）がサンプリング管（１２）内の流量を測定する。流量信号が速度制御部（２３、ＶＣＵ）に送られ、速度制御部（２３、ＶＣＵ）においてモータ（４２）を用いて速度Ｖｎと流路内の速度Ｖｃとが等しくなるように制御ループを閉じるために用いられる。

速度制御部（２３、ＶＣＵ）はまた測定体積（３１）の手前におけるパージガスの速度がプローブサンプリング管（１２）内の速度と同じになるようにパージガス弁（４０）を用いてパージガス流を制御する。

図３では、１つのブロワ（４３）若しくはコンプレッサ（４６）又は複数のブロワ（４３）及びコンプレッサ（４６）を用いてパージガスが生成される。

パージガス制御の別の変形ではバイパス弁（４７）を用いてパージガス流を制御する。

図４に示したパージガス制御の付加的な変形では速度制御部（２３、ＶＣＵ）が第２のブロワ／コンプレッサ（４６）の直接的な速度制御によってパージガス流を直接制御する。

図５では、本発明は抽出プローブの上流部に速度センサヘッド（２）を統合することを提案している。速度センサヘッド（２）はプローブサンプリング管（１２）を取り囲んでおり、静圧入口（２０）として用いられる、流路の流れ方向に垂直な少なくとも１つの開口と、前記流れ方向に向いた少なくとも１つの開口部と、用いられる全圧吸引孔（２１）とを含む回転構造を備えている。差圧が差圧圧力計（２２）を通って速度制御部（２３、ＶＣＵ）に供給される。速度制御部（２３、ＶＣＵ）は速度、ダクト流量値、等速制御及び質量流量の計算に用いられる。

図６では、本発明は煙突測定用流量計（２６）をシステムに統合することを提案している。煙突測定用流量計（２６）は少なくとも２つのセンサヘッドにより構成されており、流量を測定し、測定された流量情報を速度制御部（２３、ＶＣＵ）に供給する。

煙突測定用流量計（２６）は双方向パルスの時間遅延から速度及びダクト流量値を計算する。前記時間遅延はガス流によって変化し、速度制御部（２３）において等速制御と質量流量の計算に用いられる。

この発明は煙突測定用流量計（２６）をシステムに統合することを例示しているが、状況によってはピトー型又は超音波型を選ぶことができる。

図７を見ると、本発明では質量流量センサ（２５）が抽出プローブとして設けられている。質量流量センサ（２５）は空気流のモニタリングに広く用いられている。

燃焼エンジンに応用する場合は、質量流量センサ（２５）が速度制御部（２３、ＶＣＵ）に流路と温度を送る。速度制御部（２３、ＶＣＵ）は速度とダクト流量を計算する。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の技術的精神はそれに限定されず、本発明が属する技術における当業者にとって明らかな各請求項の範囲内で修正又は変更が可能であり、そのような修正および変形は添付の請求項に属すべきものである。

１…ノズル
２…速度センサヘッド
２０…静圧入口
２１…全圧吸引孔
２２…差圧圧力計
２３…速度制御部
２５…質量流量センサ
２６…煙突測定用流量計
３…光測定部
３０…光源
３１…測定体積
３２…光検出器
４…パージ供給部
４０…パージガス弁
４２…モータ
４３…ブロワ
４４…エジェクタ
４６…コンプレッサ
４７…バイパス弁
７…速度センサ
１０…プローブ
１１…パージ管
１２…サンプリング管
Ｂ２…評価モデル部
ＰＭＵ…粒子測定部
Ｐ…評価処理部
Ｖｃ…流路
Ｖｎ…ノズル

Claims

管状のノズルと、
エネルギーとして供給される光源及び光検出器により構成され、前記ノズルに隣接して設けられた光測定部と、
中空状であって内部に前記ノズルの一端が挿入されているプローブと、
前記ノズルを通じて導入される微粒子を測定するために前記光測定部に隣接して設けられた粒子測定部と、
ソフトウェアに基づいて微粒子の体積を評価するために前記粒子測定部に接続された評価モデル部と、
前記微粒子の体積サイズ分布、各微粒子のサイズ及び時間についての積分、並びに前記微粒子の体積濃度をそれぞれ評価するために前記評価モデル部に接続された評価処理部と、
前記プローブ内にパージを供給するために該プローブの外側端と接続されたパージ供給部と、
前記プローブ内に供給されるパージの速度を制御するためにプローブに隣接して設けられた速度制御部と
を備えることを特徴とする、微粒子を測定できるシステム。
前記プローブが、内部にあるパージ管とサンプリング管により構成されており、前記パージ管が前記プローブの内部に設けられ、前記サンプリング管が前記パージ管の内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微粒子を測定できるシステム。
前記サンプリング管内の流量を測定し、測定された流量の信号を前記測定制御部へ送るために速度センサが前記サンプリング管の内部に設けられていることを特徴とすることを特徴とする請求項２に記載の微粒子を測定できるシステム。
速度センサヘッドが、前記プローブの外側に露出した前記サンプリング管の表面に該サンプリング管の外周面を取り囲むように設けられ、前記速度制御部と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の微粒子を測定できるシステム。
前記プローブ内に供給されるパージが前記パージ供給部に隣接して設けられたコンプレッサ又はブロワを用いて生成されること特徴とする請求項１に記載の微粒子を測定できるシステム。
バイパス弁が前記コンプレッサに接続され、該バイパス弁が前記プローブ内に供給される前記パージの流れを制御すること特徴とする請求項５に記載の微粒子を測定できるシステム。
流量を測定し、測定された流量に関する情報を前記速度制御部へ供給するために、煙突測定用流量計が前記プローブの入口に隣接して設けられていること特徴とする請求項１に記載の微粒子を測定できるシステム。
前記プローブの外側に露出した前記サンプリング管の表面に質量流量センサが設けられ、流路と温度を送るために前記速度制御部に接続されていること特徴とする請求項１に記載の微粒子を測定できるシステム。
前記光源と前記光検出器の間に測定体積が形成されていることで前記光源と前記光検出器が前記微粒子による汚染を防ぐエアクッションを生じさせること特徴とする請求項１に記載の微粒子を測定できるシステム。