JP2021047027A - Particle analysis device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光の照射領域を測定対象粒子が通過した時に発生する輻射光または散乱光を検知することにより、測定対象粒子に含まれる測定対象物質の量を分析する粒子分析装置に関する。
[先行技術文献]
[特許文献]
[Prior art literature]
[Patent Document]
粒子分析装置は、測定対象粒子の粒径が最大白熱限界粒径以上の場合でも、精度よく測定対象粒子に含まれる測定対象物質の量を計測できることが好ましい。 It is preferable that the particle analyzer can accurately measure the amount of the substance to be measured contained in the particles to be measured even when the particle size of the particles to be measured is equal to or larger than the maximum incandescent limit particle size.
本発明の第1の態様においては、粒子分析装置を提供する。測定対象粒子は、測定対象物質を含んでよい。粒子分析装置は、測定対象粒子がレーザ光を通過した際に発する輻射光と散乱光を受光して、測定対象物質を分析してよい。粒子分析装置は、輻射光受光部を備えてよい。輻射光受光部は、少なくとも2つの波長帯において輻射光の受光強度を測定してよい。粒子分析装置は、散乱光受光部を備えてよい。散乱光受光部は、散乱光の受光強度を測定してよい。粒子分析装置は、分析部を備えてよい。分析部は、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率に応じて、輻射光から測定対象物質の量を分析する第1分析モードで分析するか、散乱光から測定対象物質の量を分析する第2分析モードで分析するかを切り替えてよい。 In the first aspect of the present invention, a particle analyzer is provided. The particle to be measured may contain a substance to be measured. The particle analyzer may analyze the substance to be measured by receiving the radiated light and the scattered light emitted when the particles to be measured pass through the laser beam. The particle analyzer may include a radiant light receiving unit. The radiant light receiving unit may measure the light receiving intensity of radiated light in at least two wavelength bands. The particle analyzer may include a scattered light receiver. The scattered light receiving unit may measure the light receiving intensity of the scattered light. The particle analyzer may include an analyzer. The analysis unit analyzes the amount of the substance to be measured from the radiated light according to the intensity ratio of the received intensity of the radiated light in the first wavelength band and the received intensity of the radiated light in the second wavelength band. You may switch between analyzing in the mode and analyzing in the second analysis mode in which the amount of the substance to be measured is analyzed from the scattered light.
分析部は、強度比率が沸点範囲内である場合に、第1分析モードで分析してよい。分析部は、強度比率が沸点範囲外である場合に、第2分析モードで分析してよい。沸点範囲は、強度比率が測定対象物質の沸点に応じた値を含んでよい。 The analysis unit may analyze in the first analysis mode when the intensity ratio is within the boiling point range. The analysis unit may analyze in the second analysis mode when the intensity ratio is out of the boiling point range. The boiling point range may include a value whose intensity ratio corresponds to the boiling point of the substance to be measured.
分析部は、第1分析モードにおいて、輻射光の受光強度の波高値に基づいて、測定対象物質の量を分析してよい。 In the first analysis mode, the analysis unit may analyze the amount of the substance to be measured based on the peak value of the received intensity of the radiated light.
分析部は、第2分析モードにおいて、測定対象粒子の大きさと、測定対象粒子に占める測定対象物質の割合とから、測定対象物質の量を算出してよい。分析部は、第2分析モードにおいて、測定対象粒子の移動速度に基づいて、測定対象粒子の大きさを算出してよい。 In the second analysis mode, the analysis unit may calculate the amount of the substance to be measured from the size of the particle to be measured and the ratio of the substance to be measured to the particle to be measured. In the second analysis mode, the analysis unit may calculate the size of the measurement target particle based on the moving speed of the measurement target particle.
分析部は、第2分析モードにおいて、測定対象粒子に占める測定対象物質の比率が基準比率である場合の散乱光の波高値である基準波高値と、散乱光受光部が受光した散乱光の波高値である測定波高値とに基づいて、測定対象粒子に占める測定対象物質の割合を算出してよい。 In the second analysis mode, the analysis unit has a reference peak value, which is the peak value of scattered light when the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured is the reference ratio, and a wave of scattered light received by the scattered light receiving unit. The ratio of the substance to be measured to the particles to be measured may be calculated based on the high value of the measured wave, which is a high value.
分析部は、第2分析モードにおいて、測定対象粒子に占める測定対象物質の比率が基準比率である場合の輻射光である基準輻射光と、輻射光受光部が受光した輻射光である測定輻射光とに基づいて、測定対象粒子に占める測定対象物質の割合を算出してよい。分析部は、第2分析モードにおいて、基準輻射光から算出した基準温度と、測定輻射光から算出した測定温度とに基づいて、測定対象粒子に占める測定対象物質の割合を算出してよい。 In the second analysis mode, the analysis unit uses reference radiant light, which is radiant light when the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured is the reference ratio, and measurement radiant light, which is radiant light received by the radiant light receiving unit. Based on the above, the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured may be calculated. In the second analysis mode, the analysis unit may calculate the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured based on the reference temperature calculated from the reference radiant light and the measurement temperature calculated from the measurement radiant light.
分析部は、輻射光又は散乱光の受光強度の時間変化から、測定対象物質の量を分析してよい。 The analysis unit may analyze the amount of the substance to be measured from the time change of the light receiving intensity of the radiated light or the scattered light.
少なくとも1つの波長帯は、測定対象物質の沸点温度における測定対象物質のピーク波長以上の波長帯であってよい。少なくとも1つの波長帯は、ピーク波長以下の波長帯であってよい。少なくとも2つの波長帯は、測定対象物質の沸点温度における測定対象物質のピーク波長以上の波長帯であってよい。輻射光受光部は、輻射光受光部の受光強度の感度に応じて、少なくとも1つの波長帯を設定してよい。 At least one wavelength band may be a wavelength band equal to or higher than the peak wavelength of the substance to be measured at the boiling point temperature of the substance to be measured. At least one wavelength band may be a wavelength band below the peak wavelength. At least two wavelength bands may be wavelength bands equal to or higher than the peak wavelength of the substance to be measured at the boiling point temperature of the substance to be measured. The radiant light receiving unit may set at least one wavelength band according to the sensitivity of the light receiving intensity of the radiated light receiving unit.
輻射光受光部は、3つの波長帯において輻射光の受光強度を測定してよい。少なくとも1つの波長帯は、測定対象粒子に含まれる非測定対象物質の沸点温度における非測定対象物質のピーク波長を含んでよい。 The radiant light receiving unit may measure the light receiving intensity of radiated light in three wavelength bands. At least one wavelength band may include the peak wavelength of the non-measurement target substance at the boiling point temperature of the non-measurement target substance contained in the measurement target particle.
非測定対象物質は鉄であってよい。測定対象物質は、ブラックカーボンであってよい。 The non-measurement target substance may be iron. The substance to be measured may be black carbon.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 The outline of the above invention does not list all the necessary features of the present invention. Sub-combinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the inventions that fall within the scope of the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
図1は、本発明の一つの実施形態に係る粒子分析装置100の構成の一例を示す図である。本例の粒子分析装置100は、粒子導入ノズル1、分析部10、輻射光受光部20a、輻射光受光部20b、散乱光受光部30、レーザ照射部40およびミラー50を備える。粒子分析装置100は、粒子導入ノズル1から導入された測定対象粒子2がレーザ照射部40から照射されたレーザ光3の照射領域を通過した時に発生する輻射光と散乱光に基づいて、測定対象粒子2を分析する。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the
測定対象粒子2は、粒子導入ノズル1から導入され、測定の対象となる粒子である。測定対象粒子2は、気体中の微粒子であってよい。気体中の微粒子はエアロゾルと呼ばれる。測定対象粒子2の粒径は、1μm以上100μm以下であってよく、より具体的には5μm以上100μm以下であってよい。粒子の平均粒径が10μm程度であってよい。
The particle 2 to be measured is a particle introduced from the
測定対象粒子2は、測定対象物質を含んでよい。測定対象物質は、分析部10で量を測定する対象となる物質である。測定対象粒子2は、測定対象物質としてブラックカーボン(煤)を含んでよい。ディーゼルエンジンの排気ガス、石炭の燃焼、森林火災、薪等の燃料やバイオマス燃料の燃焼等、炭素を主成分とする燃料が不完全燃焼した際に発生するブラックカーボン(煤)の測定は、燃焼効率の指標として重要である。
The particle 2 to be measured may contain a substance to be measured. The substance to be measured is a substance to be measured by the
ブラックカーボンは光をよく吸収し加熱される性質がある。また、ブラックカーボンの沸点温度は約4000Kである。したがって、レーザキャビティやパルスレーザ等の強力なレーザ光3がブラックカーボンに照射されると、ブラックカーボンは、瞬間的に4000Kまで加熱されて気化する。加熱されたブラックカーボンは、黒体放射により輻射光として白熱光を発生する。白熱光とは、ブラックカーボンが沸点温度に到達した際に黒体放射により発生する輻射光である。白熱光を検出することで、ブラックカーボン量を定量することができる。ブラックカーボンの白熱光を検出する方法は、レーザ誘起白熱法(LII法)と呼ばれる。
Black carbon has the property of absorbing light well and being heated. The boiling point temperature of black carbon is about 4000 K. Therefore, when the black carbon is irradiated with a
LII法では、ブラックカーボンが沸点温度に到達した際の輻射光の光量が、粒径に応じて増加することによりブラックカーボン量を定量する。しかしながら、粒径が大きくなると熱容量も増加するため、ブラックカーボンがレーザを横断する際に吸収するエネルギーが、ブラックカーボンの熱容量に対して十分でない場合には、沸点温度まで加熱することができず、白熱光を発生しない場合がある。沸点温度である4000Kまで加熱できる最大のブラックカーボンの粒径を最大白熱限界粒径とすると、最大白熱限界粒径以上のブラックカーボンは輻射光で分析することが困難である。 In the LII method, the amount of black carbon is quantified by increasing the amount of radiated light when the black carbon reaches the boiling point temperature according to the particle size. However, as the particle size increases, the heat capacity also increases, so if the energy absorbed by the black carbon when crossing the laser is not sufficient for the heat capacity of the black carbon, it cannot be heated to the boiling point temperature. It may not generate incandescent light. Assuming that the maximum incandescent particle size is the particle size of the maximum black carbon that can be heated to the boiling point temperature of 4000 K, it is difficult to analyze black carbon having a maximum incandescent particle size or more by radiant light.
レーザ照射部40は、粒子分析装置100内に導入された測定対象粒子2を含む試料気体にLII法で使用する近赤外領域の波長でレーザ光3を照射する。レーザ照射部40は、Nd:YVO4レーザを用いた光源を含んでよい。レーザ照射部40は、YAGレーザを用いた光源を含んでよい。また、光源と反対側の端部には、レーザ共振器を構成するためのミラー50が設けられてよい。レーザ光3の波長は、例えば、1064nmである。
The
粒子導入ノズル1は、レーザ光3に、測定対象粒子2を含む試料気体を導入する。粒子導入ノズル1は、測定対象粒子2を搬送してもよい。粒子導入ノズル1において、導入される測定対象粒子2の粒径を選択するための分級装置が設けられていてもよい。図1においては、レーザ光3の光軸と平行な軸をX軸とする。また、X軸と垂直な2つの軸をY軸およびZ軸とする。本例では、輻射光受光部20aの輻射光受光素子7aおよびレーザ光3の光軸を含む面がXZ面である。輻射光受光部20bの輻射光受光素子7b、散乱光受光部30の散乱光受光素子8および速度検出部9も、XZ面に配置されてよい。図1においては、輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bの間において、Z軸方向に気体通路を延長しているが、気体通路はY軸方向に延長してもよい。すなわち、気体通路の中心軸方向21は、Y軸方向であることが望ましい。これは、輻射光及び散乱光の光路と粒子導入ノズル1との干渉を避けるためである。この場合、測定対象粒子2は、Y軸方向に沿った気流に含まれてレーザ光3の照射領域を通過する。
The
輻射光受光部20aは、測定対象粒子2がレーザ光3の照射領域を通過した時に発生する輻射光を受光する。輻射光受光部20aは、対物レンズ4a、集光レンズ5a、輻射光受光素子7aおよび光学フィルタ11を有する。輻射光は、対物レンズ4aでコリメートされた後、光学フィルタ11により特定の波長帯のみが通過し、集光レンズ5aによって輻射光受光素子7aに集光される。輻射光受光素子7aに受光された信号は、分析部10に送信される。輻射光受光素子7aの入射面とレーザ光3との間には、対物レンズ4a、集光レンズ5aおよび光学フィルタ11が設けられてよい。光学フィルタ11は、対物レンズ4aおよび集光レンズ5aの間に設けられてよい。輻射光受光素子7aは光電子増倍管(PMT)であってよい。
The radiant
光学フィルタ11は、特定の波長帯の輻射光のみを透過してよい。光学フィルタ11は、可視光の青色側の波長である400nm〜550nmの波長帯の輻射光のみを透過してよい。光学フィルタ11は、400nm〜550nmの波長帯の輻射光のみを透過するバンドパスフィルタであってよい。光学フィルタ11は、400nm以上の波長帯の輻射光のみを透過する光学フィルタと550nm以下の波長帯の輻射光のみを透過する光学フィルタの組み合わせであってよい。また、光学フィルタ11は、近赤外領域の波長範囲の散乱光を遮断してよい。 The optical filter 11 may transmit only radiated light in a specific wavelength band. The optical filter 11 may transmit only radiated light in the wavelength band of 400 nm to 550 nm, which is the wavelength on the blue side of visible light. The optical filter 11 may be a bandpass filter that transmits only radiated light in the wavelength band of 400 nm to 550 nm. The optical filter 11 may be a combination of an optical filter that transmits only radiant light in a wavelength band of 400 nm or more and an optical filter that transmits only radiant light in a wavelength band of 550 nm or less. Further, the optical filter 11 may block scattered light in the wavelength range in the near infrared region.
輻射光受光部20bは、測定対象粒子2がレーザ光3の照射領域を通過した時に発生する輻射光を受光する。輻射光受光部20bは、対物レンズ4a、集光レンズ5a、輻射光受光素子7bおよび光学フィルタ12を有する。輻射光は、対物レンズ4aでコリメートされた後、光学フィルタ12により特定の波長帯のみが通過し、集光レンズ5aによって輻射光受光素子7bに集光される。輻射光受光素子7bに受光された信号は、分析部10に送信される。輻射光受光素子7bの入射面とレーザ光3との間には、対物レンズ4a、集光レンズ5aおよび光学フィルタ12が設けられてよい。光学フィルタ12は、対物レンズ4aおよび集光レンズ5aの間に設けられてよい。輻射光受光素子7bは光電子増倍管(PMT)であってよい。輻射光受光部20bの構成は、光学フィルタ12以外は輻射光受光部20aと同一であってよい。輻射光受光素子7aと輻射光受光素子7bは同一であってよい。
The radiant light receiving unit 20b receives the radiated light generated when the measurement target particle 2 passes through the irradiation region of the
光学フィルタ12は、光学フィルタ11が透過する波長帯とは異なる波長帯の輻射光のみを透過してよい。光学フィルタ12は、可視光の赤色側の波長である550nm以上の波長帯の輻射光のみを透過してよい。光学フィルタ12は、550nm以上の波長帯の輻射光のみを透過する光学フィルタであってよい。さらに、550nm以上の波長帯では、レーザ光3の波長(808nmおよび1064nm)を除外できればよい。光学フィルタ12は、780nm以下の波長帯の輻射光のみを透過する光学フィルタをさらに用いてもよい。輻射光受光素子7bの特性でレーザ光3の波長を除外してもよい。また、光学フィルタ12は、近赤外領域の波長範囲の散乱光を遮断してよい。
The
輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bは、それぞれ異なる波長帯の輻射光を透過する光学フィルタを有するため、少なくとも2つの波長帯において輻射光の受光強度を測定することができる。それぞれの受光強度の結果は、分析部10に送信される。分析部10の分析内容については、後述する。
Since the radiant
図1において、輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bが、それぞれ別の対物レンズ4aを有しているが、対物レンズ4aを共通にしてもよい。この場合、ダイクロイックミラーを用いて、輻射光受光素子7aおよび輻射光受光素子7bに特定の波長帯の輻射光のみを集光してよい。ダイクロイックミラーを用いて、550nm以下の波長帯の輻射光のみを透過し、550nm以上の波長帯の輻射光のみを反射してよい。ダイクロイックミラーを用いて、550nm以下の波長帯の輻射光のみを反射し、550nm以上の波長帯の輻射光のみを透過してよい。
In FIG. 1, the radiant
散乱光受光部30は、測定対象粒子2がレーザ光3の照射領域を通過した時に発生する散乱光を受光する。散乱光受光部30は、対物レンズ4b、集光レンズ5b、光学フィルタ6、散乱光受光素子8および速度検出部9を有する。散乱光は、対物レンズ4bでコリメートされた後、光学フィルタ6により散乱光のみが通過し、集光レンズ5bによって散乱光受光素子8または速度検出部9に集光される。散乱光受光素子8または速度検出部9に受光された信号は、分析部10に送信される。散乱光受光素子8の入射面とレーザ光3との間には、対物レンズ4b、集光レンズ5bおよび光学フィルタ6が設けられてよい。速度検出部9の入射面とレーザ光3との間には、対物レンズ4b、集光レンズ5bおよび光学フィルタ6が設けられてよい。光学フィルタ6は、対物レンズ4bおよび集光レンズ5bの間に設けられてよい。
The scattered
光学フィルタ6は、近赤外領域の波長範囲の散乱光を透過させてよい。また、光学フィルタ6は、可視光の波長範囲の輻射光を遮断してよい。
The
散乱光受光素子8は、散乱光の受光強度を測定することができる。散乱光の受光強度の測定結果は分析部10に送信される。分析部10の分析内容については、後述する。散乱光受光素子8は、アバランシェフォトダイオード(APD)であってよい。
The scattered light receiving element 8 can measure the light receiving intensity of the scattered light. The measurement result of the light receiving intensity of the scattered light is transmitted to the
速度検出部9は、測定対象粒子2の移動速度を測定することができる。測定対象粒子2の移動速度の測定結果は分析部10に送信される。分析部10の分析内容については、後述する。速度検出部9は、公知の方法で測定対象粒子2の移動速度を測定してよい。速度検出部9は、測定対象粒子2を検出する検出部を2つ以上有してもよい。速度検出部9は、アバランシェフォトダイオード(APD)を2つ以上有してもよい。速度検出部9の構成については、後述する。
The
分析部10は、輻射光又は散乱光の受光強度の時間変化から、測定対象物質(ブラックカーボン)の量を分析する。輻射光の受光強度の時間変化は、輻射光受光素子7aまたは輻射光受光素子7bから送信される。散乱光の受光強度の時間変化は、散乱光受光素子8から送信される。
The
図2は、分析部10が測定対象物質の量を分析する処理の一例を示すフローチャートである。輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bは、それぞれ異なる波長帯の輻射光を透過する光学フィルタを有するため、少なくとも2つの波長帯において輻射光の受光強度を測定することができる。輻射光の受光強度とは、それぞれの波長帯で最大の信号強度である波高値であってよい。したがって、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率を算出することができる(ステップS101)。第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率は、分析部10で算出してよい。輻射光受光部20aは、第1の波長帯の輻射光の受光強度を測定し、かつ、輻射光受光部20bは、第2の波長帯の輻射光の受光強度を測定してよい。第1の波長帯は、光学フィルタ11が透過する波長帯であって、かつ、第2の波長帯は、光学フィルタ12が透過する波長帯であってよい。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a process in which the
全ての測定対象粒子2がビーム中心を通過し、測定対象粒子2が経験するレーザ強度が変化しないとすると、最大白熱限界粒径以下の粒子の場合は、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率は、測定対象物質(ブラックカーボン)固有の沸点に相当する値となるため、一定の値となる。一方で、最大白熱限界以上の粒子の場合には、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率は、最大白熱限界粒径以下の粒子の場合と比べて変化する。したがって、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率を分析することにより、測定対象粒子2がブラックカーボン固有の沸点に相当するかを判別できる。 Assuming that all the particles 2 to be measured pass through the center of the beam and the laser intensity experienced by the particles 2 to be measured does not change, in the case of particles having a maximum incandescent particle size or less, the light received by the radiant light in the first wavelength band. The intensity ratio between the intensity and the received intensity of the radiated light in the second wavelength band is a value corresponding to the boiling point peculiar to the substance to be measured (black carbon), and therefore is a constant value. On the other hand, in the case of particles above the maximum incandescent limit, the intensity ratio of the received intensity of radiant light in the first wavelength band to the received intensity of radiated light in the second wavelength band is equal to or less than the maximum incandescent particle size. It changes compared to the case of the particles of. Therefore, by analyzing the intensity ratio of the light receiving intensity of the radiant light in the first wavelength band and the light receiving intensity of the radiant light in the second wavelength band, does the particle 2 to be measured correspond to the boiling point peculiar to black carbon? Can be determined.
第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率が、ブラックカーボン沸点相当かを判別する(ステップS102)。判別は、分析部10で行われてよい。強度比率がブラックカーボン沸点相当かの判別結果に応じて、分析部10は、輻射光から測定対象物質の量を分析する第1分析モードで分析するか、散乱光から測定対象物質の量を分析する第2分析モードで分析するかを切り替えてよい。
It is determined whether the intensity ratio of the received intensity of the radiated light in the first wavelength band and the received intensity of the radiated light in the second wavelength band corresponds to the boiling point of black carbon (step S102). The determination may be performed by the
強度比率は、検出光学系及び信号処理等に起因して、誤差が生じる。したがって、強度比率がブラックカーボン沸点相当かの判別については、幅を持たせることが望ましい。強度比率がブラックカーボンの沸点に応じた値を含む沸点範囲内である場合に、第1分析モードで分析し、強度比率が沸点範囲外である場合に、第2分析モードで分析してよい。 The intensity ratio has an error due to the detection optical system, signal processing, and the like. Therefore, it is desirable to have a range for determining whether the strength ratio is equivalent to the boiling point of black carbon. When the intensity ratio is within the boiling point range including the value corresponding to the boiling point of black carbon, the analysis may be performed in the first analysis mode, and when the intensity ratio is outside the boiling point range, the analysis may be performed in the second analysis mode.
第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率が、ブラックカーボン沸点相当であった場合、輻射光から測定対象物質の量を分析する第1分析モードでブラックカーボン量を算出する。つまり、ブラックカーボンの加熱が十分だったと判断して、輻射光の受光強度の波高値に基づいて、ブラックカーボン量を分析してよい。 When the intensity ratio of the received intensity of the radiated light in the first wavelength band to the received intensity of the radiated light in the second wavelength band is equivalent to the black carbon boiling point, the amount of the substance to be measured is analyzed from the radiated light. The amount of black carbon is calculated in the first analysis mode. That is, it may be determined that the black carbon has been sufficiently heated, and the amount of black carbon may be analyzed based on the peak value of the light receiving intensity of the radiated light.
第1分析モードにおいて、まず、輻射光の受光強度の波高値を取得する(ステップS103)。輻射光の受光強度の波高値は、第1の波長帯および第2の波長帯のいずれで取得してもよい。S/N比の観点から、より強い受光強度の波長帯を用いるのが、望ましい。次に、輻射光の受光強度の波高値に基づいて、ブラックカーボン量を算出する(ステップS104)。輻射光の受光強度の波高値からブラックカーボン量への変換係数は、含有するブラックカーボン量が既知の標準粒子を用いて校正曲線を導きあらかじめ導出してよい。輻射光の受光強度の波高値に変換係数を乗算することにより、ブラックカーボン量を算出する。分析部10がブラックカーボン量を算出すると、測定は終了する。
In the first analysis mode, first, the peak value of the light receiving intensity of the radiated light is acquired (step S103). The peak value of the light receiving intensity of the radiated light may be acquired in either the first wavelength band or the second wavelength band. From the viewpoint of S / N ratio, it is desirable to use a wavelength band with a stronger light receiving intensity. Next, the amount of black carbon is calculated based on the peak value of the light receiving intensity of the radiated light (step S104). The conversion coefficient from the peak value of the received intensity of the radiated light to the amount of black carbon may be derived in advance by deriving a calibration curve using standard particles having a known amount of black carbon contained. The amount of black carbon is calculated by multiplying the peak value of the received intensity of the radiated light by the conversion coefficient. When the
第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率が、ブラックカーボン沸点相当ではない場合、散乱光から測定対象物質の量を分析する第2分析モードでブラックカーボン量を算出する。つまり、ブラックカーボンの加熱が不十分だったと判断して、散乱光に基づいて、ブラックカーボン量を分析してよい。 When the intensity ratio of the received intensity of the radiated light in the first wavelength band to the received intensity of the radiated light in the second wavelength band is not equivalent to the black carbon boiling point, the amount of the substance to be measured is analyzed from the scattered light. 2 Calculate the amount of black carbon in the analysis mode. That is, it may be determined that the heating of the black carbon is insufficient, and the amount of black carbon may be analyzed based on the scattered light.
第2分析モードにおいて、まず、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率が、鉄粒子沸点相当かを判別する(ステップS105)。鉄粒子沸点相当である場合は、鉄粒子とブラックカーボンの信号を分離することが難しいため、当該粒子の測定結果を除外して、測定を終了する。鉄粒子沸点相当でない場合は、ステップS106に移行し、散乱光に基づいて、ブラックカーボン量を分析する。測定対象粒子2に含まれる鉄粒子が計測精度に対し無視できる場合は、ステップS105は実装しなくてもよい。 In the second analysis mode, first, it is determined whether the intensity ratio of the light receiving intensity of the radiant light in the first wavelength band and the light receiving intensity of the radiant light in the second wavelength band corresponds to the boiling point of the iron particles (step S105). .. When it is equivalent to the boiling point of iron particles, it is difficult to separate the signals of iron particles and black carbon. Therefore, the measurement result of the particles is excluded and the measurement is terminated. If it is not equivalent to the boiling point of iron particles, the process proceeds to step S106, and the amount of black carbon is analyzed based on the scattered light. If the iron particles contained in the measurement target particle 2 are negligible with respect to the measurement accuracy, step S105 may not be mounted.
第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率が、鉄粒子沸点相当でない場合は、測定対象粒子2の移動速度を測定する(ステップS106)。速度検出部9は、測定対象粒子2の移動速度を測定し、その結果を分析部10に送信する。測定対象粒子2の移動速度と測定対象粒子の粒径は一定の相関がある。したがって、相関関係をあらかじめ取得しておけば、測定対象粒子2の移動速度から測定対象粒子2の粒径を変換し算出することができる。分析部10は、測定対象粒子2の移動速度から測定対象粒子2の粒径(大きさ)を算出する(ステップS107)。
When the ratio of the light receiving intensity of the radiant light in the first wavelength band to the light receiving intensity of the radiant light in the second wavelength band is not equivalent to the boiling point of the iron particles, the moving speed of the particle 2 to be measured is measured (step). S106). The
ステップS107で求めた測定対象粒子2の粒径に対し、測定対象粒子2に占めるブラックカーボンの割合(内部混合比率)を乗算すれば、より正確なブラックカーボン量の推定が可能となる。ここで、内部混合比率が100%とは、測定対象粒子2のすべてが測定対象物質であることを意味し、内部混合比率が0%とは、測定対象粒子2に測定対象物質が含まれないことを意味する。内部混合比率の算出は、測定対象の性状が排ガスや粉体工業製品等、比較的均質な場合にはほぼ変化しないと考え、あらかじめブラックカーボン量を測定できるその他の分析方法(サーマルオプティカルリフレクタンス)等により平均的な内部混合比率を実験的に求めて、一律に乗算してもよい。しかし、上記の方法では、測定対象粒子2の性状が変化する場合には、内部混合比率が一定とならず、計測精度が低下する恐れがある。 By multiplying the particle size of the measurement target particle 2 obtained in step S107 by the ratio of black carbon to the measurement target particle 2 (internal mixing ratio), a more accurate estimation of the amount of black carbon becomes possible. Here, when the internal mixing ratio is 100%, it means that all of the measurement target particles 2 are substances to be measured, and when the internal mixing ratio is 0%, the measurement target particles 2 do not contain the measurement target substances. Means that. The calculation of the internal mixing ratio is considered to be almost unchanged when the properties of the object to be measured are relatively homogeneous, such as exhaust gas and powder industrial products, and other analytical methods that can measure the amount of black carbon in advance (thermal optical reflection). The average internal mixing ratio may be experimentally obtained by such means and uniformly multiplied. However, in the above method, when the properties of the particle 2 to be measured change, the internal mixing ratio may not be constant and the measurement accuracy may decrease.
分析部10は、第2分析モードにおいて、内部混合比率を算出してもよい(ステップS108)。分析部10は、第2分析モードにおいて、散乱光受光部30が受光した散乱光の波高値である測定波高値に基づいて、内部混合比率を算出してよい。分析部10は、第2分析モードにおいて、輻射光受光部20が受光した輻射光である測定輻射光に基づいて、内部混合比率を算出してよい。分析部10は、第2分析モードにおいて、測定輻射光から算出した測定温度に基づいて、内部混合比率を算出してよい。分析部10は、第2分析モードにおいて、散乱光受光部30が受光した散乱光の波高値および輻射光受光部が受光した輻射光である測定輻射光の内どちらかまたは両方を用いて、内部混合比率を算出してもよい。
The
散乱光受光部30が受光した散乱光の波高値である測定波高値に基づいて、内部混合比率を算出する場合を説明する。ステップS107で求めた測定対象粒子2の粒径を元に、内部混合比率100%の場合の理論波高値、および、内部混合比率0%の場合の理論波高値を算出する。理論波高値と実際に測定された測定波高値を比較することで、内部混合比率を測定することが可能となる。測定波高値は、散乱光受光素子8から測定される。基本的に、測定対象粒子2の測定波高値は、内部混合比率100%の場合の理論波高値と内部混合比率0%の場合の理論波高値の間の波高値となることが考えられる。一例として、それぞれの波高値の比率により、測定対象粒子2の内部混合比率を推定することができる。
A case where the internal mixing ratio is calculated based on the measured peak value, which is the peak value of the scattered light received by the scattered
輻射光受光部20aおよび20bが受光した輻射光である測定輻射光に基づいて、内部混合比率を算出する場合を説明する。第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率から測定対象粒子2の温度である測定温度を算出する。また、ステップS107で求めた測定対象粒子2の粒径から想定される内部混合比率100%の場合の理論温度を算出する。理論温度は、測定対象粒子2の熱容量と、理論吸収エネルギー(熱量)から算出する。測定対象粒子2の熱容量は、測定対象粒子2の体積に応じて定まる。つまり、測定対象粒子2の熱容量は、粒径から算出できる。分析部10は、測定対象粒子2の粒径と熱容量との関係を示す数式またはテーブル等の情報を記憶していてよい。測定対象粒子2の理論吸収エネルギー(熱量)は、測定対象粒子2がレーザ光3から吸収する熱量である。理論吸収エネルギーは、レーザ光3の強度と、測定対象粒子2がレーザ光3の照射領域を通過するのに要する時間との積から算出できる。レーザ光3の強度は、レーザ照射部40の制御情報から検出できる。通過時間は、照射領域の幅と、測定対象粒子2の移動速度から検出できる。照射領域の幅は、分析部10に予め記憶されていてよい。分析部10は、レーザ光3の強度および通過時間の積と、吸収エネルギーとの関係を示す数式またはテーブル等の情報を記憶していてよい。測定温度と理論温度を比較することにより、内部混合比率を算出できる。一例として、それぞれの温度の比率により、測定対象粒子2の内部混合比率を推定することができる。また、理論温度としてさらに、内部混合比率0%の場合の理論温度を用いてもよい。
A case where the internal mixing ratio is calculated based on the measured radiant light which is the radiant light received by the radiant
ステップS107で算出した測定対象粒子2の粒径に対し、ステップS108で算出した内部混合比率を乗算し、ブラックカーボン量を算出する(ステップS109)。分析部10がブラックカーボン量を算出すると、測定は終了する。ステップS105からステップS109をまとめると、分析部10は、第2分析モードにおいて、測定対象粒子2の粒径(大きさ)と、内部混合比率とから、測定対象物質の量を算出してよい。
The amount of black carbon is calculated by multiplying the particle size of the particle 2 to be measured calculated in step S107 by the internal mixing ratio calculated in step S108 (step S109). When the
以上で述べた通り、第1の波長帯における輻射光の受光強度と、第2の波長帯における輻射光の受光強度との強度比率がブラックカーボン沸点相当かの判別結果に応じて、分析部10は、輻射光から測定対象物質の量を分析する第1分析モードで分析するか、散乱光から測定対象物質の量を分析する第2分析モードで分析するかを切り替える。このため、測定対象粒子2の粒径が最大白熱限界粒径以上の場合でも、精度よく測定対象粒子2に含まれる測定対象物質(ブラックカーボン)の量を計測できる。また、第2分析モードにおいて、内部混合比率を算出するため、測定対象粒子2の性状が変化する場合でも、測定対象物質の量を精度よく計測することができる。
As described above, the
図3は、異なる温度の輻射光信号と信号強度の関係の一例を示す図である。輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bにおいて、輻射光信号を受光する。実線は温度T=T1の時の輻射光信号の例である。例として、T1は4000Kである。点線は温度T=T2の時の輻射光信号の例である。例として、T2は4000Kより低く、3500Kである。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between radiated light signals at different temperatures and signal intensities. The radiant
T1は4000Kであり、ブラックカーボン沸点相当である。輻射光信号のピーク波長の波高値をIλとすると、Iλは、温度がブラックカーボン沸点相当である場合、粒径に応じて増加する。したがって、温度T1の時のIλを計測することにより、ブラックカーボン量を定量することができる。つまり、温度T1の時は、分析部10は、第1分析モードで分析を行う。
T 1 is 4000 K, which is equivalent to the boiling point of black carbon. Assuming that the peak value of the peak wavelength of the radiated light signal is I λ , I λ increases according to the particle size when the temperature is equivalent to the boiling point of black carbon. Therefore, the amount of black carbon can be quantified by measuring I λ at the temperature T 1. That is, when the temperature is T 1 , the
T2は、ブラックカーボン沸点には到達していない。したがって、温度T2の時のIλを計測しても、ブラックカーボン量を定量することができない。つまり、温度T2の時は、分析部10は、第2分析モードで分析を行う。また、温度T2の時の輻射光信号のピーク波長は、温度T1の時の輻射光信号のピーク波長よりも長波長側にシフトする。また、温度T2の時のIλは、温度T1の時のIλよりも低くなる。
T 2 has not reached the boiling point of black carbon. Therefore, even if I λ at the temperature T 2 is measured, the amount of black carbon cannot be quantified. That is, when the temperature is T 2 , the
図4は、2つの波長帯において輻射光の受光強度を測定する一例である。図4の輻射光信号は、T=T1(ブラックカーボン沸点相当)の時の輻射光信号の例である。輻射光の受光強度とは、それぞれの波長帯で最大の信号強度である波高値であってよい。境界波長λ1は、2つの波長帯を分ける境界の波長である。図4の例では、輻射光受光部20aは、境界波長λ1以下の波長帯の輻射光を受光し、輻射光受光部20bは、境界波長λ1以上の波長帯の輻射光を受光する。境界波長λ1は、一例として550nmである。輻射光受光部20aが受光する信号強度の波高値はIBlueであり、輻射光受光部20bが受光する信号強度の波高値はIRedである。図4において、IRedは、輻射光信号のピーク波長の波高値と一致する。
FIG. 4 is an example of measuring the light receiving intensity of radiated light in two wavelength bands. The radiated light signal in FIG. 4 is an example of a radiated light signal when T = T 1 (corresponding to the boiling point of black carbon). The received intensity of the radiated light may be the peak value which is the maximum signal intensity in each wavelength band. Boundary wavelength λ 1 is the wavelength of the boundary that separates the two wavelength bands. In the example of FIG. 4, the radiant
IBlueとIRedの比率は、温度がブラックカーボン固有の沸点に相当する値であれば輻射光信号のピーク波長はブラックカーボン固有であり、一定の値となる。したがって、IBlueとIRedの比率に基づいて、分析部10は、輻射光から測定対象物質の量を分析する第1分析モードで分析するか、散乱光から測定対象物質の量を分析する第2分析モードで分析するかを切り替えてよい。
As for the ratio of I Blue and I Red , if the temperature is a value corresponding to the boiling point peculiar to black carbon, the peak wavelength of the radiated light signal is peculiar to black carbon and becomes a constant value. Therefore, based on the ratio of I Blue and I Red , the
図4の例において、境界波長λ1は輻射光信号のピーク波長の短波長側である。したがって、少なくとも1つの波長帯は、測定対象物質の沸点温度における測定対象物質のピーク波長以上の波長帯であってよい。また、少なくとも1つの波長帯は、ピーク波長以下の波長帯であってよい。 In the example of FIG. 4, the boundary wavelength λ 1 is on the short wavelength side of the peak wavelength of the radiated light signal. Therefore, at least one wavelength band may be a wavelength band equal to or higher than the peak wavelength of the substance to be measured at the boiling point temperature of the substance to be measured. Further, at least one wavelength band may be a wavelength band equal to or lower than the peak wavelength.
また図3で示した通り、温度が低くなる場合は、ピーク波長が長波長側にシフトする。したがって、少なくとも2つの波長帯は、測定対象物質の沸点温度における測定対象物質のピーク波長以上の波長帯であってもよい。この場合、境界波長λ1を測定対象物質のピーク波長の長波長側にして、輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bに測定対象物質のピーク波長以下の波長帯をカットする光学フィルタを新たに追加してよい。
Further, as shown in FIG. 3, when the temperature becomes low, the peak wavelength shifts to the long wavelength side. Therefore, at least two wavelength bands may be wavelength bands equal to or higher than the peak wavelength of the substance to be measured at the boiling point temperature of the substance to be measured. In this case, the boundary wavelength λ 1 is set to the long wavelength side of the peak wavelength of the material to be measured, and a new optical filter is added to the radiant
図5は、2つの波長帯において輻射光の受光強度を測定する他の例である。図5の輻射光信号は、T=T1(ブラックカーボン沸点相当)の時の輻射光信号の他の例である。輻射光信号の波長−強度波形は、輻射光受光部20a、20bの波長−感度特性の影響を受ける。本例の輻射光受光部20a、20bは、低波長側の感度特性が低い。このため、図5の信号強度は、図4に比べて、ピーク波長以下の波長帯で急峻に変化している。したがって、輻射光受光部20aは、境界波長λ1以下の波長帯の輻射光を受光すると、IBlueは小さな値となる。IBlueが小さな値となると、ノイズに埋もれやすくなるため、高精度な測定できない。
FIG. 5 is another example of measuring the light receiving intensity of radiated light in two wavelength bands. The radiated light signal of FIG. 5 is another example of the radiated light signal when T = T 1 (corresponding to the boiling point of black carbon). The wavelength-intensity waveform of the radiated light signal is affected by the wavelength-sensitivity characteristics of the radiated
図5の例では、輻射光受光部20aは、境界波長λ2以下の波長帯の輻射光を受光し、輻射光受光部20bは、波長λ2以上の波長帯の輻射光を受光する。境界波長λ2は、境界波長λ1より長波長側である。図5の例では、信号強度がピーク波長以下の波長帯で急峻に変化しているため、境界波長を長波長側にシフトした方が高精度な測定ができる。輻射光受光部の受光強度の感度に応じて、少なくとも1つの波長帯を設定してよい。
In the example of FIG. 5, the radiant
図6は、3つの波長帯において輻射光の受光強度を測定する例である。図6の輻射光信号は、T=T1(ブラックカーボン沸点相当)の時の輻射光信号の他の例である。図6の輻射光信号は、2つのピーク波長を持つ。例として、短波長側のピーク波長は、ブラックカーボン固有のピーク波長であり、長波長側のピーク波長は、非測定対象物質固有のピーク波長である。図6の例では、IRed'>IRedであるため、境界波長をλ1のみにすると非測定対象物質固有のピークで強度比率を算出することになり、正確な測定ができない。 FIG. 6 is an example of measuring the light receiving intensity of radiated light in three wavelength bands. The radiated light signal of FIG. 6 is another example of the radiated light signal when T = T 1 (corresponding to the boiling point of black carbon). The radiated light signal of FIG. 6 has two peak wavelengths. As an example, the peak wavelength on the short wavelength side is the peak wavelength peculiar to black carbon, and the peak wavelength on the long wavelength side is the peak wavelength peculiar to the non-measurement target substance. In the example of FIG. 6, since I Red '> I Red , if the boundary wavelength is set to only λ 1 , the intensity ratio is calculated at the peak peculiar to the non-measurement target substance, and accurate measurement cannot be performed.
図6の例では、境界波長λ1に加えて、境界波長λ3を設定する。境界波長λ3は、例として、被測定対象物質固有のピーク波長よりも短波長側である。この場合、境界波長λ3以上の波長帯を受光する輻射光受光部を新たに追加して、3つの波長帯において輻射光の受光強度を測定してよい。3つの波長帯において輻射光の受光強度を測定することで、正確な測定が可能である。3つの波長帯の内少なくとも1つの波長帯は、測定対象粒子2に含まれる非測定対象物質の沸点温度における非測定対象物質のピーク波長を含んでよい。 In the example of FIG. 6 , the boundary wavelength λ 3 is set in addition to the boundary wavelength λ 1. The boundary wavelength λ 3 is, for example, on the shorter wavelength side than the peak wavelength peculiar to the substance to be measured. In this case, a radiant light receiving unit that receives a wavelength band having a boundary wavelength λ 3 or more may be newly added, and the light receiving intensity of the radiated light may be measured in the three wavelength bands. Accurate measurement is possible by measuring the light receiving intensity of radiated light in three wavelength bands. At least one of the three wavelength bands may include the peak wavelength of the non-measurement target substance at the boiling point temperature of the non-measurement target substance contained in the measurement target particle 2.
図7は、ブラックカーボンと標準粒子の粒径と散乱強度の関係を示す図である。最大白熱限界粒径以下のブラックカーボンは、一般的にLII法で使用される波長(1064nm)に対し、波長と同程度かそれ以下の粒子であり、主にレイリー散乱領域であるから、散乱光強度における屈折率の影響は大きくない。図7において、ブラックカーボン0.2μmと同じ散乱光強度の標準粒子は0.22μmとなる。したがって、最大白熱限界粒径以下のブラックカーボンは、散乱光強度で粒径を算出しても誤差は小さい。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the particle size of black carbon and standard particles and the scattering intensity. Black carbon having a maximum incandescent particle size or less is a particle having a wavelength equal to or less than the wavelength (1064 nm) generally used in the LII method, and is mainly a Rayleigh scattering region. The effect of the refractive index on the intensity is not large. In FIG. 7, the standard particle having the same scattered light intensity as black carbon 0.2 μm is 0.22 μm. Therefore, for black carbon having a maximum incandescent limit particle size or less, the error is small even if the particle size is calculated from the scattered light intensity.
しかし、最大白熱限界粒径の場合、波長と同程度かそれ以上の粒径であるため、Mie散乱領域から幾何光学散乱領域となる。したがって、散乱光強度における屈折率の影響が大きくなる。図7において、ブラックカーボン10μmと同じ散乱光強度の標準粒子は3.9μmとなる。したがって、最大白熱限界粒径のブラックカーボンは、散乱光強度で粒径を算出すると誤差が大きくなる。そのため、散乱光から測定対象物質の量を分析する場合、内部混合比率を正確に計測することが好ましい。 However, in the case of the maximum incandescent limit particle size, since the particle size is about the same as or larger than the wavelength, the Mie scattering region changes to the geometrical optics scattering region. Therefore, the influence of the refractive index on the scattered light intensity becomes large. In FIG. 7, the standard particle having the same scattered light intensity as 10 μm of black carbon is 3.9 μm. Therefore, the error of black carbon having the maximum incandescent limit particle size becomes large when the particle size is calculated based on the scattered light intensity. Therefore, when analyzing the amount of the substance to be measured from the scattered light, it is preferable to accurately measure the internal mixing ratio.
図8は、測定対象粒子102の一例を示す図である。測定対象粒子102は、測定対象物質103を含む。測定対象物質103は、例えば、ブラックカーボンである。図8の例では、測定対象粒子102がすべて、測定対象物質103である。図8の例では、内部混合比率は100%である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the
図9は、測定対象粒子202の一例を示す図である。測定対象粒子202は、測定対象物質203と非測定対象物質204を含む。測定対象物質203は、例えば、ブラックカーボンである。非測定対象物質204は、例えば、鉄である。図8の例では、内部混合比率はX%である。Xは、0から100の間の値である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the
図10は、測定対象粒子102が最大白熱限界粒径以下の場合の受光信号の一例である。図10において、輻射光信号の実測値を太線で、散乱光信号を細線で表している。また、散乱光信号の実測値を実線で、散乱光信号の理論値を点線で表している。
FIG. 10 is an example of a light receiving signal when the
図10において、輻射光信号のピーク波長の波高値をIλとすると、Iλを計測することにより、ブラックカーボン量を定量することができる。また、散乱光信号の実測値は、散乱光信号の理論値に比べて、波高値が低くなる。実測値の波高値が低くなるのは、白熱開始により粒径が減少するためである。 In FIG. 10, assuming that the peak value of the peak wavelength of the radiated light signal is I λ , the amount of black carbon can be quantified by measuring I λ. Further, the measured value of the scattered light signal has a lower crest value than the theoretical value of the scattered light signal. The peak value of the measured value becomes low because the particle size decreases due to the start of incandescence.
図11は、測定対象粒子202が最大白熱限界粒径以下の場合の受光信号の一例である。図11において、輻射光信号の実測値を太線で、散乱光信号を細線で表している。また、散乱光信号の実測値を実線で、散乱光信号の理論値を点線で表している。ブラックカーボンを除いた散乱光信号の理論値を一点鎖線で表している。
FIG. 11 is an example of a light receiving signal when the
図11において、図10の場合の例と同様にIλを計測することにより、ブラックカーボン量を定量することができる。また、散乱光信号の実測値は、散乱光信号の理論値に比べて、波高値が低くなる。実測値の波高値が低くなるのは、白熱開始により粒径が減少するためである。散乱光信号の実測値は、白熱開始により、ブラックカーボンを除いた散乱光信号の理論値に近い値となる。 In FIG. 11, the amount of black carbon can be quantified by measuring I λ in the same manner as in the case of FIG. Further, the measured value of the scattered light signal has a lower crest value than the theoretical value of the scattered light signal. The peak value of the measured value becomes low because the particle size decreases due to the start of incandescence. The measured value of the scattered light signal becomes a value close to the theoretical value of the scattered light signal excluding black carbon due to the start of incandescence.
図12は、測定対象粒子102が最大白熱限界粒径以上の場合の受光信号の一例である。図12において、輻射光信号の実測値を太線で、散乱光信号の実測値を細線で表している。
FIG. 12 is an example of a light receiving signal when the
図13は、測定対象粒子202が最大白熱限界粒径以上の場合の受光信号の一例である。図13において、輻射光信号の実測値を太線で、散乱光信号の実測値を細線で表している。測定対象粒子202の内部混合比率X%である場合を実線で、内部混合比率100%である場合を点線で、内部混合比率0%である場合を一点鎖線で、それぞれ表している。内部混合比率100%である場合は、図12に示す受光信号の例と同一である。
FIG. 13 is an example of a light receiving signal when the
輻射光信号において、内部混合比率が減少すると、波高値が低くなる。また、散乱光信号において、内部混合比率が減少すると、波高値が高くなる。散乱光信号の波高値の比率を計算することにより、内部混合比率を推定可能である。 In the radiated light signal, when the internal mixing ratio decreases, the crest value becomes low. Further, in the scattered light signal, when the internal mixing ratio decreases, the crest value increases. The internal mixing ratio can be estimated by calculating the ratio of the peak value of the scattered light signal.
図14は、分析部10が散乱光の測定波高値に基づいて内部混合比率を算出する処理の一例を示すフローチャートである。速度検出部9は、測定対象粒子2の移動速度を測定する(ステップS201)。分析部10は、測定対象粒子2の移動速度を元に、内部混合比率100%の場合、および、内部混合比率0%の場合の理論散乱強度を算出する(ステップS202)。分析部10は、散乱光受光素子8から測定した実測散乱強度と理論散乱強度を比較する(ステップS203)。分析部10は、比較結果から内部混合比率を算出する(ステップS204)。
FIG. 14 is a flowchart showing an example of a process in which the
図15は、分析部10が測定輻射光に基づいて内部混合比率を算出する処理の一例を示すフローチャートである。速度検出部9は、測定対象粒子2の移動速度を測定する(ステップS301)。分析部10は、測定対象粒子2の移動速度を元に、内部混合比率100%の場合の理論温度を算出する(ステップ302)。分析部10は、輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bから測定した実測温度と理論温度を比較する(ステップS303)。分析部10は、比較結果から内部混合比率を算出する(ステップS304)。
FIG. 15 is a flowchart showing an example of a process in which the
図16は、粒子温度とIBlue/IRedの関係を示す図である。図16に示すとおり、IBlueとIRedの比率が分かれば、粒子温度を測定することが可能である。輻射光受光部20aおよび輻射光受光部20bから実測温度を測定可能である。
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the particle temperature and I Blue / I Red. As shown in FIG. 16, if the ratio of I Blue and I Red is known, the particle temperature can be measured. The measured temperature can be measured from the radiant
図17は、速度検出部9の構成の一例を示す図である。速度検出部9は、検出領域41、差分演算部51および算出部61を有する。検出領域41は、2つの光電変換領域42および光電変換領域43と、不感帯44を有する。不感帯44は、2つの光電変換領域42および光電変換領域43に挟まれた不感帯である。光電変換領域42、43は、光を電気信号に変換する。光電変換領域42、43は、アバランシェフォトダイオード(APD)であってよい。換言すれば、検出領域41は、2つ以上の領域に分割されたAPD素子であってよい。一方、不感帯44は、光を電気信号に変換しない。一例において、検出領域41は、少なくとも2つ以上に分割された光電変換領域42、43を持つ領域である。
FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of the
本例において、不感帯44は、散乱光による測定対象粒子2のスポット像45が受光面において予め定められた距離を移動することを検出する検出領域である。測定対象粒子2のスポット像45の移動速度を取得することで、測定対象粒子2の移動速度を取得することができる。光電変換領域42、不感帯44、および光電変換領域43は、この並び順でY軸方向に配置されてよい。不感帯44は、測定対象粒子2のスポット像45の進行方向と交差する。Y軸方向における不感帯44の幅Δdは、10μm以上300μmであってよく、100μm以上300μmであってよい。
In this example, the
差分演算部51は、2つの光電変換領域における検出結果の差分を算出する。本例では、光電変換領域42における検出結果と光電変換領域43における検出結果との差分を算出する。差分演算部51は、IV変換部52、IV変換部53、非反転増幅回路54、反転増幅回路55および加算回路56を備えてよい。IV変換部52は、一方の光電変換領域42が受光した散乱光の光強度に応じた電流を電圧に変換する。IV変換部53は、他方の光電変換領域43が受光した散乱光の光強度に応じた電流を電圧に変換する。
The
非反転増幅回路54は、IV変換部52およびIV変換部53の出力の一方を反転しない。反転増幅回路55は、IV変換部52およびIV変換部53の出力の他方を反転する。加算回路56は、非反転増幅回路54と反転増幅回路55との出力を加算する。これによって、差分演算部51は、2つの光電変換領域42、43における検出結果の差分を算出する。算出された差分は、算出部61に出力される。IV変換部52およびIV変換部53の出力の一方を反転させた上で加えることによってコモンモードノイズをキャンセルすることができる。算出部61は、差分演算部51の出力に基づいて測定対象粒子2の移動速度を算出する。移動速度の算出結果は、分析部10に出力される。
The
図18は、差分演算部51の出力に基づいて測定対象粒子2の移動速度を算出する方法を示す図である。光電変換領域42からの出力を正とし、光電変換領域43からの出力を負として結合することで差分演算部51の出力が得られる。測定対象粒子2のスポット像45の進行方向であるY軸方向における不感帯44の幅Δdが存在することに起因して、差分演算部51の出力は、ゼロ点を有する。仮に受光面に対し測定対象粒子2の散乱光が拡大縮小なく、同じ大きさで結像する光学系であれば、光電変換領域42と光電変換領域43の間が不感帯44で分割されているとすると、差分演算部51の出力は、測定対象粒子2のスポット像45が不感帯44の幅Δdを通過する時点で正負が反転する。
FIG. 18 is a diagram showing a method of calculating the moving speed of the measurement target particle 2 based on the output of the
また、測定対象粒子2のスポット像45が不感帯44を通過するのに要する時間をΔtとすると、算出部61は、式 V=Δd/Δtを計算することによって、測定対象粒子2のY軸方向の移動速度Vを算出する。Δtは、差分演算部51の出力から取得される。具体的には、算出部61は、差分演算部51の出力における負のピークの時刻と正のピークの時刻との間の時間に基づいてΔtを取得する。一例において、算出部61は、差分演算部51の出力における負のピークの時刻と正のピークの時刻との間の時間に定数kを乗じてΔtを算出してよい。定数kは、実験または理論的に予め定められる。例えば、k=1として、算出部61は、差分演算部51の出力における負のピークの時刻と正のピークの時刻との間の時間をΔtとする。
Further, assuming that the time required for the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiments.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of operations, procedures, steps, steps, etc. in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specification, and drawings is particularly "before" and "prior to". It should be noted that it can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the scope of claims, the specification, and the operation flow in the drawings are explained using "first", "next", etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It's not a thing.
1・・粒子導入ノズル、2・・測定対象粒子、3・・レーザ光、4・・対物レンズ、5・・集光レンズ、6・・光学フィルタ、7・・輻射光受光素子、8・・散乱光受光素子、9・・速度検出部、10・・分析部、11・・光学フィルタ、12・・光学フィルタ、20・・輻射光受光部、21・・中心軸方向、30・・散乱光受光部、40・・レーザ照射部、41・・検出領域、42・・光電変換領域、43・・光電変換領域、44・・不感帯、45・・スポット像、50・・ミラー、51・・差分演算部、52・・IV変換部、53・・IV変換部、54・・非反転増幅回路、55・・反転増幅回路、56・・加算回路、61・・算出部、100・・粒子分析装置、102・・測定対象粒子、103・・測定対象物質、202・・測定対象粒子、203・・測定対象物質、204・・非測定対象物質 1 ... Particle introduction nozzle, 2 ... Particles to be measured, 3 ... Laser light, 4 ... Objective lens, 5 ... Condensing lens, 6 ... Optical filter, 7 ... Radiant light receiving element, 8 ... Scattered light receiver, 9 ... Speed detector, 10 ... Analysis unit, 11 ... Optical filter, 12 ... Optical filter, 20 ... Radiant light receiver, 21 ... Central axis direction, 30 ... Scattered light Light receiving part, 40 ... laser irradiation part, 41 ... detection area, 42 ... photoelectric conversion area, 43 ... photoelectric conversion area, 44 ... dead zone, 45 ... spot image, 50 ... mirror, 51 ... difference Arithmetic unit, 52 ... IV conversion unit, 53 ... IV conversion unit, 54 ... non-inverting amplification circuit, 55 ... inverting amplification circuit, 56 ... addition circuit, 61 ... calculation unit, 100 ... particle analyzer , 102 ... Particles to be measured, 103 ... Substances to be measured, 202 ... Particles to be measured, 203 ... Substances to be measured, 204 ... Non-measurement target substances
Claims (15)
少なくとも2つの波長帯において前記輻射光の受光強度を測定する輻射光受光部と、
前記散乱光の受光強度を測定する散乱光受光部と、
第1の波長帯における前記輻射光の受光強度と、第2の波長帯における前記輻射光の受光強度との強度比率に応じて、前記輻射光から前記測定対象物質の量を分析する第1分析モードで分析するか、前記散乱光から前記測定対象物質の量を分析する第2分析モードで分析するかを切り替える分析部と
を備える粒子分析装置。 A particle analyzer that analyzes the substance to be measured by receiving the radiated light and scattered light emitted when the particle to be measured including the substance to be measured passes the laser beam.
A radiant light receiving unit that measures the light receiving intensity of the radiated light in at least two wavelength bands, and a radiant light receiving unit.
A scattered light receiving unit for measuring the light receiving intensity of the scattered light,
A first analysis that analyzes the amount of the substance to be measured from the radiated light according to the intensity ratio of the received intensity of the radiant light in the first wavelength band to the received intensity of the radiant light in the second wavelength band. A particle analyzer including an analysis unit that switches between analyzing in a mode and analyzing in a second analysis mode that analyzes the amount of the substance to be measured from the scattered light.
請求項1に記載の粒子分析装置。 The analysis unit analyzes in the first analysis mode when the intensity ratio is within the boiling point range including the value corresponding to the boiling point of the substance to be measured, and when the intensity ratio is outside the boiling point range. The particle analyzer according to claim 1, wherein the analysis is performed in the second analysis mode.
請求項1または2に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to claim 1 or 2, wherein the analysis unit analyzes the amount of the substance to be measured based on the peak value of the light receiving intensity of the radiant light in the first analysis mode.
請求項1から3のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 The analysis unit calculates the amount of the measurement target substance from the size of the measurement target particle and the ratio of the measurement target substance to the measurement target particle in the second analysis mode according to claims 1 to 3. The particle analyzer according to any one item.
請求項4に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to claim 4, wherein the analysis unit calculates the size of the measurement target particle based on the moving speed of the measurement target particle in the second analysis mode.
請求項4または5に記載の粒子分析装置。 In the second analysis mode, the analysis unit has a reference peak value which is a peak value of the scattered light when the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured is a reference ratio, and the scattered light receiving unit. The particle analyzer according to claim 4 or 5, which calculates the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured based on the measured peak value which is the peak value of the scattered light received.
請求項4または5に記載の粒子分析装置。 In the second analysis mode, the analysis unit receives the reference radiant light, which is the radiant light when the ratio of the substance to be measured to the measurement target particles is the reference ratio, and the radiant light receiving unit receives the light. The particle analyzer according to claim 4 or 5, which calculates the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured based on the measured radiant light which is radiant light.
請求項7に記載の粒子分析装置。 In the second analysis mode, the analysis unit determines the ratio of the substance to be measured to the particles to be measured based on the reference temperature calculated from the reference radiation and the measurement temperature calculated from the measurement radiation. The particle analyzer according to claim 7, which is calculated.
請求項1から8のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to any one of claims 1 to 8, wherein the analysis unit analyzes the amount of the substance to be measured from the time change of the light receiving intensity of the radiated light or the scattered light.
少なくとも1つの前記波長帯は、前記ピーク波長以下の波長帯である
請求項1から9のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 At least one of the wavelength bands is a wavelength band equal to or higher than the peak wavelength of the substance to be measured at the boiling point temperature of the substance to be measured.
The particle analyzer according to any one of claims 1 to 9, wherein the at least one wavelength band is a wavelength band equal to or lower than the peak wavelength.
請求項1から9のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to any one of claims 1 to 9, wherein at least two of the wavelength bands are wavelength bands equal to or higher than the peak wavelength of the substance to be measured at the boiling point temperature of the substance to be measured.
請求項1から11のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to any one of claims 1 to 11, wherein the radiant light receiving unit sets at least one wavelength band according to the sensitivity of the light receiving intensity of the radiated light receiving unit.
3つの前記波長帯において前記輻射光の受光強度を測定し、
少なくとも1つの前記波長帯は、前記測定対象粒子に含まれる非測定対象物質の沸点温度における前記非測定対象物質のピーク波長を含む
請求項1から12のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 The radiant light receiving unit is
The light receiving intensity of the radiant light was measured in the three wavelength bands, and
The particle analyzer according to any one of claims 1 to 12, wherein the at least one wavelength band includes the peak wavelength of the non-measurement target substance at the boiling point temperature of the non-measurement target substance contained in the measurement target particle.
請求項13に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to claim 13, wherein the non-measurement target substance is iron.
請求項1から14のいずれか一項に記載の粒子分析装置。 The particle analyzer according to any one of claims 1 to 14, wherein the substance to be measured is black carbon.
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