JP3552389B2 - 浮遊粉塵測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エア中に浮遊している微小な粉塵の粒度分布を測定する装置に関し、例えば大気中の粉塵モニタ、あるいは工場内の作業環境モニタ等として用いることのできる浮遊粉塵測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エア中に浮遊している粉塵の粒径等を測定する装置として、従来、１個の粒子が光照射位置を通過したときに生じる散乱光等を検出することにより、単位体積当たりのエア中に含まれる粒子の数と個々の粒子の大きさを検出するダストカウンタや、レーザ光を用いて干渉縞を作るとともに、そこを１個の粒子が通過することによる干渉縞の変化を検出してその粒子の大きさを測定するフェーズドップラー方式の測定装置が知られている。
【０００３】
また、粒子群の粒度分布を測定する装置として、従来、分散状態の被測定粒子群にレーザ光を照射することによって生じる回折／散乱光の空間強度分布を測定し、その測定結果をフラウンホーファ回折理論やミー散乱理論に基づいて被測定粒子群の粒度分布に換算する、いわゆるレーザ回折／散乱式の粒度分布測定装置が知られている。なお、このレーザ回折／散乱式の粒度分布測定装置において被測定粒子群を分散させる方法としては、被測定粒子群を液体中に分散させて懸濁液とする液相法と、被測定粒子群を気体中に分散させてエアロゾルとする気相法とがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、大気中の粉塵のモニタや工場内の作業環境モニタに当たって、エア中に浮遊している粉塵の数ないしは量のほかに、浮遊粉塵の粒径ないしはその分布をも知ることができれば、その粉塵の種類や発生源等を特定するための重要なデータとなり得る。
【０００５】
このような浮遊粉塵の粒径ないしはその分布を測定して、その種類ないしは発生源等を特定するためのデータに供するには、浮遊粉塵は元来的に微小な粒径の粒子であるが故に、その粒径の測定下限は０．１μｍ程度まで正確に測定することが必要となる。
【０００６】
ところが、従来のダストカウンタは粉塵の数を正確にカウントすることができるものの、個々の粉塵の粒径の測定精度は悪く、また、フェーズドップラー方式の粉塵測定装置では、その粒径の測定下限は０．５μｍ程度であり、いずれも上記のような用途には適していない。
【０００７】
一方、レーザ回折／散乱式の粒度分布測定装置では０．１μｍ程度の粒径をも十分に測定可能であるが、浮遊粉塵を含む試料エアに対して直接的にレーザ光を照射したのでは、試料濃度（エア中の粉塵の濃度）が低すぎるため、得られる回折／散乱光は極めて微弱なものとなり、実質的に測定不能である。
【０００８】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、エア中の浮遊粉塵の粒径の分布を、測定下限０．１μｍ程度まで正確に測定することのできる浮遊粉塵測定装置の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための構成を、本発明の実施の形態を表す図１を参照しつつ説明すると、本発明の浮遊粉塵測定装置は、レーザビーム照射光学系１からの平行レーザビームが照射される測定部２と、その測定部２のレーザビーム照射領域を横切るように、浮遊粉塵が含まれる試料エアＡｓとクリーンエアＡｃとを交互に切り換えて供給するエア供給・切換手段３と、測定部２の浮遊粉塵によるレーザビームの回折／散乱光の空間強度分布を測定するための光センサ群４１，４２，４３を備え、上記測定部２のレーザビーム照射領域に、上記エア供給・切換手段３によって試料エアＡｓとクリーンエアＡｃとを交互に供給することにより、各光センサ４１，４２，４３の出力が、試料エアＡｓ中の浮遊粉塵により回折／散乱している状態での出力と、そのような回折／散乱を受けないバックグランド光のみの状態での出力（バックグランド出力）とが交互に現れる交流信号となるように構成されているとともに、その各光センサ群４１，４２，４３の出力をそれぞれ交流増幅した後に検波し、その検波結果をデジタル化する回路手段５と、そのデジタルデータを用いた演算によって試料エア中の浮遊粉塵の粒度分布を算出する演算手段６を備えていることによって特徴づけられる。

【００１０】
本発明は、０．１μｍ程度の粒径まで十分に測定可能であるレーザ回折／散乱式の粒度分布測定装置を利用するとともに、その回折／散乱光の測定の仕方に改善を加えることによって、数ｐｐｂ程度の極めて低濃度の試料エア中の浮遊粉塵の粒度分布の測定を可能とし、所期の目的を達成するものである。
【００１１】
すなわち、通常のレーザ回折／散乱式の粒度分布測定装置では、レーザビームの照射領域に対して分散状態の試料粒子群を連続的に供給しつつ、複数の回折／散乱角に対応して配置された光センサ群への入射光強度を測定し、その測定出力と、試料の存在しない状態（バックグランド光のみの状態）での光センサ群の出力との差から、被測定粒子群による回折／散乱光パターン（空間強度分布）を求めて、粒度分布に換算する。
【００１２】
このような装置において試料濃度が低くなると、前記したように得られる回折／散乱光強度が極めて小さくなってしまう。このような低濃度試料に対応するには、▲１▼照射レーザ光強度を強くして回折／散乱光強度を大きくする、▲２▼センサ用アンプの増幅率を増大させるなどの対策が考えられるが、これらの対策を施してもレーザ光源のドリフトやふらつき、あるいはセンサ用アンプのドリフトやノイズにより、実用的には数ｐｐｍ程度までしか対応できない。
【００１３】
そこで、本発明においては、浮遊粉塵が含まれる試料エアと、そのような粉塵の含まれないクリーンエアとを、照射レーザ光を横切るように交互に供給することにより、回折／散乱光を測定するためのセンサ群４１，４２，４３の出力を、それぞれ粉塵による回折／散乱状態と、非回折／散乱状態（バックグランド光のみの状態）との２状態の検出出力が交互に現れる交流信号とし、その交流信号をまず交流増幅する。これにより、レーザ光源やセンサアンプなどのドリフト、あるいは照射レーザ光強度のふらつきや光学部品への粉塵付着によるバックグランドの変化の影響を除去することができる。従って、バックグランドに対して微弱な回折／散乱光の信号成分が乗った状態のセンサ出力と、先に測定したバックグランド相当分との差を直流増幅する従来の方式に比して、信号成分の増幅率をより大きくすることが可能となる。
【００１４】
そして、このような交流増幅後の信号を検波することにより、試料エアとクリーンエアの切換周波数よりも高いノイズをも低減でき、交流増幅のための増幅器のゲインを上げてもそのようなノイズの影響の少ない正確な回折／散乱光測定結果を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の構成図で、光学的および機械的構成を示す模式図と、電気的構成を示すブロック図とを併記して示す図である。
【００１６】
レーザ光照射光学系１は、半導体レーザ１ａと、その出力光を平行ビームにするためのレンズ等からなるビーム成形光学系１ｂによって構成されている。このレーザ照射光学系１からの平行レーザビームは測定部２内に照射される。
【００１７】
測定部２はケース２ａによって外界に対して仕切られた空間であり、ケース２ａには互いに対向する位置に２つの窓２ｂ，２ｃが設けられている。レーザ光照射光学系１からのレーザビームは一方の窓２ｂを介して測定部２内に照射され、後述する回折／散乱光の一部（前方回折／散乱光）は他方の窓２ｃを介して測定部２外に出ていく。
【００１８】
そして、この測定部２内に、そのレーザビーム照射領域を横切るように、浮遊粉塵を含む試料エアＡｓ と、そのような粉塵を含まないクリーンエアＡｃ とが、エア供給・切換機構３によって交互に供給される。
【００１９】
すなわち、測定部２には、２つのエア入口と１つのエア出口を持つ流路切換器３ａが配置されているとともに、その流路切換器３ａの各エア入口には、それぞれ試料エアＡｓ の供給管３ｂとクリーンエアＡｃ の供給管３ｃとが接続されており、これらによってエア供給・切換機構３が構成されている。そして、この流路切換器３ａにより、試料エアＡｓ とクリーンエアＡｃ とが交互に切り換えられてエア出口に導かれ、これらのエアが交互にレーザビームを横切るように噴出するようになっている。なお、流路切換器３ａによるエアの切換周波数は、例えば１〜数Ｈｚ程度とすることができる。
【００２０】
また、測定部２のケース２ａには流路切換器３ａのエア出口に対向してエア排出口２ｄが設けられているとともに、このエア排出口２ｄには排気用ファン２ｅが設けられており、測定部２内に供給された試料エアＡｓ 中に含まれる浮遊粉塵はレーザビームを横切った後に直ちに測定部２外に排出されるように構成されている。
【００２１】
測定部２の窓２ｃの外側には、集光レンズ４０とリングデテクタ４１が配置されている。リングデテクタ４１は、互いに異なる半径を持つリング状ないしは半リング状の受光面を有する複数の光センサが同心円上に並べられた公知のもので、このリングデテクタ４１は集光レンズ４０の焦点面上に配置されているとともに、これらはともにレーザビームの光軸上に配置されている。
【００２２】
また、測定部２の内部には、側方散乱光センサ４２と後方散乱光センサ４３が配置されており、これらの各光センサ４２，４３と、上記したリングデテクタ４１によって、試料エアＡｓ 中に含まれる浮遊粉塵によるレーザビームの回折／散乱光の空間強度分布が検出される。
【００２３】
すなわち、浮遊粉塵がレーザビームの照射領域を横切ることにより、そのレーザビームは粉塵の粒径に応じた角度で回折／散乱するが、このうち、前方所定角度範囲への回折／散乱光は集光レンズ４０によってリングデテクタ４１の受光面上に導かれてそこに結像し、また、側方および後方への散乱光はそれぞれ側方散乱光センサ４２および後方散乱光センサ４３の受光面に入射する。従って、リングデテクタ４１内の各光センサの出力と、側方散乱光センサ４２および後方散乱光センサ４３の出力、および、これらの各光センサの配設位置とから、レーザビームの照射領域中に浮遊粉塵が存在している状態において生じる回折／散乱光の空間強度分布に係る情報を知ることができる。
【００２４】
ここで、測定部２内のレーザビーム照射領域には、エア供給・切換機構３によって試料エアＡｓ とクリーンエアＡｃ とが交互に供給されるため、上記した各光センサ出力は、試料エアＡｓ 中の浮遊粉塵により回折／散乱している状態での出力と、そのような回折／散乱を受けない状態での出力（このような非回折／散乱状態での出力を、以下、バックグランド出力と称する）とが交互に現れ、従ってこれらの各光センサ出力は、エア供給・切換機構３による試料エアＡｓ とクリーンエアＡｃ との切換周期に同期した交流信号となる。
【００２５】
さて、リングデテクタ４１内の各光センサの出力と、側方および後方散乱光センサ４２，４３の出力は、信号処理回路５によって以下に示すような処理を受けてデジタル化され、コンピュータ６に導入される。
【００２６】
すなわち、リングデテクタ４１内の各光センサの出力と、側方および後方散乱光センサ４２および４３の出力は、それぞれ個別にプリアンプ５ａに導入されて増幅された後、交流増幅器５ｂによって交流増幅され、更に検波回路５ｃによって検波される。そして、その各センサごとの検波出力がマルチプレクサ５ｄを介してＡ−Ｄ変換器５ｅによってデジタル化される。
【００２７】
そして、その各光センサの出力ごとのデジタルデータはコンピュータ６に取り込まれ、フラウンホーファ回折理論およびミー散乱理論に基づく公知のアルゴリズムによって、試料エアＡｓ 中に含まれる浮遊粉塵の粒度分布に換算される。
【００２８】
以上の本発明の実施の形態において、各光センサ出力は、前記したように浮遊粉塵による回折／散乱状態での出力と、バックグランド出力とが交互に現れる交流信号となっているため、試料エアＡｓ 中の浮遊粉塵濃度が数ｐｐｂオーダーの低濃度で、これによって回折／散乱光強度が極めて微弱であり、また、半導体レーザ１ａの出力のドリフトやふらつき、あるいはプリアンプ５ａおよび交流増幅器５ｂにドリフトがあっても、これらの影響を受けることなく交流増幅器５ｂの増幅率を上げることが可能となる。そして、その交流増幅の後に検波することによって、各光センサの交流出力の周波数、つまり試料エアＡｓ とクリーンエアＡｃ の切換周波数よりも高い周波数のノイズの影響をも低減することができる。
【００２９】
従って、コンピュータ６には試料エアＡｓ 中に含まれる浮遊粉塵による回折／散乱光の空間強度分布に関する正確なデータが取り込まれ、その粉塵の粒度分布を正確に算出することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、０．１μｍ程度の微小な粒径まで正確に測定することのできるレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置を利用して、そのレーザビームの照射領域に、浮遊粉塵を低濃度で含む試料エアとクリーンエアとを交互に供給して、回折／散乱光の空間強度分布を測定するための光センサ群の出力を交流化するとともに、その各光センサの出力を交流増幅の後に検波して、その検波結果をデジタル化して粒度分布の換算に供しているため、従来のレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置では測定不能であった、数ｐｐｂ程度の極めて低濃度の浮遊粉塵を含む試料エアであっても、その粒度分布を正確に測定することが可能となった。
【００３１】
従って本発明によれば、大気中に僅かに含まれる浮遊粉塵等の粒度分布を十分に正確に測定することが可能となり、大気の粉塵モニタや作業環境モニタとして用いることにより、従来のこの種の用途に用いられていたダストカウンタやフェーズドップラー方式の測定装置に比して、より細かい粒径まで正確に粉塵の粒度分布を測定することが可能となり、その粉塵の種類や発生源等の特定のためのデータとして供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、光学的および機械的構成を示す模式図と電気的構成を示すブロック図とを併記した図
【符号の説明】
１ レーザビーム照射光学系
１ａ 半導体レーザ
１ｂ ビーム成形光学系
２ 測定部
２ａ ケース
２ｂ，２ｃ 窓
２ｄ エア排気口
２ｅ 排気用ファン
３ エア供給・切換機構
３ａ 流路切換器
３ｂ 試料エア供給管
３ｃ クリーンエア供給管
４０ 集光レンズ
４１ リングデテクタ
４２ 側方散乱光センサ
４３ 後方散乱光センサ
５ 信号処理回路
５ａ プリアンプ
５ｂ 交流増幅器
５ｃ 検波回路
５ｅ Ａ−Ｄ変換器
６ コンピュータ

Claims (1)

1. レーザビーム照射光学系からの平行レーザビームが照射される測定部と、その測定部のレーザビーム照射領域を横切るように、浮遊粉塵が含まれる試料エアとクリーンエアとを交互に切り換えて供給するエア供給・切換手段と、上記測定部の浮遊粉塵によるレーザビームの回折／散乱光の空間強度分布を測定するための光センサ群を備え、上記測定部のレーザビーム照射領域に、上記エア供給・切換手段によって試料エアとクリーンエアとを交互に供給することにより、上記各光センサの出力が、試料エア中の浮遊粉塵により回折／散乱している状態での出力と、そのような回折／散乱を受けないバックグランド光のみの状態での出力とが交互に現れる交流信号となるように構成されているとともに、その各光センサ群の出力交流信号をそれぞれ交流増幅した後に検波し、その検波結果をデジタル化する回路手段と、そのデジタルデータを用いた演算によって試料エア中の浮遊粉塵の粒度分布を算出する演算手段を備えていることを特徴とする浮遊粉塵測定装置。

Images