JP3850403B2 - 粒子検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、環境上問題となる粒子径が10μm以下の浮遊粒子の粒子濃度を測定する粒子検出装置に関する。
近年、環境問題として浮遊粒子状物質が注目され、特にPM10(10μm以下の微小粒子)やPM2.5(2.5μm以下の微小粒子)の抑制が強く求められている。中でもディーゼル車が排出するナノオーダの微小粒子は、人体への悪影響が著しく、その測定も重要となってきている。
従来、浮遊微小粒子の測定器としては、光散乱式自動粒子計数器(JIS-B-9921)が代表される。また、粒子を大きさ別に分ける分級装置と凝縮核計数器を組み合わせたもの、インパクタで分級してフィルタなどで捕集し、電荷や重量を測定する装置が知られている。
更に、分級と凝縮を用い、検出部をレーザ光散乱式カウンタとした気体中の超微粒子濃度計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平5−312710号公報
しかし、光散乱式自動粒子計数器(JIS-B-9921)は粒子1個ずつ光散乱により検出するもので、ディーゼル車排ガスのような高濃度粒子の直接測定には適さず、検出下限粒径も0.1μm程度である。
分級装置と凝縮核計数器を組み合わせたものは、凝縮性気体により粒子を肥らせた後に1個ずつ光散乱により計数するもので、高濃度粒子の測定に適さず、構成が複雑で高価であるという欠点がある。
更に、分級と凝縮を用いた気体中の超微粒子濃度計測装置は、光散乱式自動粒子計数器(JIS-B-9921)と同様に高濃度粒子の測定には適さない。
また、インパクタで分級してフィルタなどで捕集する装置は、高価で取扱いやメンテナンスが面倒などの欠点がある。
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高濃度の微粒子濃度を短時間で簡便に測定することができる粒子検出装置を提供しようとするものである。
上記課題を解決すべく請求項1に係る発明は、浮遊粒子の粒子濃度を測定する粒子検出装置であって、粒子を浮遊させた状態で、ある大きさの範囲の粒子を取り出す分級器と、この分級器により取り出され、粒子検出領域に導かれた複数の粒子に同時に光を照射してそれらの粒子が発する散乱光を検出する粒子検出部と、この粒子検出部の出力信号から粒子濃度を求める演算処理部からなり、前記分級器は、粒子を複数段の大きさの範囲に分ける分級手段を備えて前記複数段をある時間間隔で切り替え、前記演算処理部は、前記粒子検出部のアナログ出力信号を所定時間だけ積分し、この積分値を前記所定時間の間に粒子検出領域を通過した試料流体の体積で除して前記分級器の各段毎に粒子濃度を求める。
以上説明したように請求項1に係る発明によれば、分級器である大きさの範囲の粒子を取り出した後、複数個の粒子が同時に散乱光を発するようにしたため、粒子数に等しい倍数の大きな感度が得られ、より微小な粒子の検出が可能になる。
また、複数段階の粒子区分の粒子濃度を能率よく測定することができる。
更に、粒子検出部のアナログ出力信号を所定時間だけ積分し、この積分値を所定時間の間に粒子検出領域を通過した試料流体の体積で除して粒子濃度を求めるので、散乱光強度が高まりS/N比が向上すると共に、特異な粒子濃度を排除した平均的な粒子濃度を求めることができる。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図1は本発明に係る粒子検出装置の概要構成図、図2は粒子検出部と演算処理部の構成図である。
本発明に係る粒子検出装置は、図1に示すように、試料流体を導いて粒子を浮遊させた状態で、ある大きさの範囲の粒子を取り出す分級器1と、分級器1により取り出された複数の粒子に同時に光を照射してそれらの粒子が発する散乱光を検出する粒子検出部2と、粒子検出部2の出力信号から粒子濃度を求める演算処理部3からなる。
分級器1には、電気移動度を利用した静電式粒度分級器、慣性力を利用したバーチャルインパクタ、同じく慣性力を利用したサイクロン分級器などを用いることができる。分級器1が粒子を分級する範囲は、例えば10nm〜100nmを等間隔(10nm)で10段階とし、夫々をある時間間隔で切り替えて粒子を粒子検出部2に導く。
粒子検出部2は、図2に示すように、レーザビームLaを発生するレーザ発振器5と、試料流体6を流すと共にレーザビームLaにより粒子検出領域7を形成するフローセル8と、粒子による散乱光Lsを集光する集光レンズと、集光レンズ9が集光した散乱光Lsを光電変換するフォトダイオード10からなる。
粒子検出部2では、複数の粒子の散乱光Lsを同時に検出するため、粒子検出領域7が大きくなるようにレーザビームLaと試料流体6の交わる体積を拡大し、そこから発せられる散乱光Lsを集光レンズ9によりフォトダイオード10に集光させている。粒子による散乱光Lsは、粒子検出領域7に存在する粒子数Nに比例した強度を有する。
演算処理部3は、図2に示すように、フォトダイオード10の出力信号を増幅する増幅器11と、増幅器11の出力信号を所定時間積分する積分回路12と、積分回路12の出力信号と予め設定した基準信号とを比較して粒子濃度を求めるレベル判定部13と、レベル判定部13の判定結果を表示する表示処理部14からなる。なお、積分回路12の積分時間は任意に設定することができる。
以上のように構成した本発明に係る粒子検出装置の動作について説明する。
フローセル8に試料流体6を流す。試料流体6の流量をF(m3/分)とすると、時間t(分)の間に粒子検出領域7を通過する試料流体6の体積は、F・t(m3)となる。試料流体6に存在する粒子は、粒子検出領域7を通過する際に照射されるレーザビームLaにより散乱光Lsを発する。
散乱光Lsはフォトダイオード10により電気信号に変換され、増幅器11により所定のレベルに増幅される。増幅器11により増幅された電気信号の強度をI=f(t)とすると、時間tの間に粒子検出領域7を通過した粒子数Nは、強度Iを時間tだけ積分した値(∫f(t)dt)に比例することになる。
次いで、レベル判定部13において、積分回路12の出力信号(∫f(t)dt)を、予め既知の粒子濃度の試料流体で求めておいた値と比較し、そのレベルを判定することにより、測定した試料流体6の粒子濃度(N/(F・t))を求めることができる。求めた粒子濃度(N/(F・t))は、表示処理部14により表示される。
そして、分級器1が粒子を分級する範囲(例えば、10nm〜100nmを等間隔(10nm)で10段階)を全て切り替えることによって、10段階の粒径区分の粒子濃度を全て測定することができる。
例えば、粒子検出領域7に粒径が100nmの粒子が1個導かれた時、その散乱光Lsを検出できるだけのS/N比を粒子検出部2が有していたとする。一般に、粒径が50nmの粒子1個の散乱光強度は、粒径が100nmの粒子1個のおよそ1/60である。しかし、粒径が50nmの粒子が60個同時に粒子検出領域7に導かれると、その散乱光強度は粒径が100nmの粒子1個の散乱光強度と同じになり、高濃度であれば粒径が50nmの粒子であっても測定可能になる。
従って、粒子検出領域7に同時に存在する粒子数Nによる散乱光強度が、粒子検出部2の検出下限レベルを超えると、その粒子濃度に比例して散乱光強度が高まるため、粒子濃度を求めることが可能になる。
そこで、粒子検出領域7の大きさと検出感度は、測定対象となる、例えばディーゼル車排ガス中の粒子の大きさと粒子濃度に合せて決定すればよい。
本実施の形態における分級器1は浮遊粒子を複数段の大きさに分級するが、ある1つの大きさの範囲に限定し、その範囲の粒子濃度を求めても、ディーゼル車排ガス中などの粒子濃度の測定に役立てることができる。
近年、環境問題として注目されている浮遊粒子状物質、特にPM10(10μm以下の微小粒子)やPM2.5(2.5μm以下の微小粒子)の測定を簡便に行うことが可能になる。特に、抑制が強く求められているディーゼル車が排出する高濃度のナノオーダの微小粒子を短時間で簡便に測定することができる。
本発明に係る粒子検出装置の概要構成図 粒子検出部と演算処理部の構成図
符号の説明
1…分級器、2…粒子検出部、3…演算処理部、5…レーザ発振器、6…試料流体、7…粒子検出領域、8…フローセル、9…集光レンズ、10…フォトダイオード、11…増幅器、12…積分回路、13…レベル判定部、14…表示処理部、La…レーザビーム、Ls…散乱光。

Claims (1)

  1. 浮遊粒子の粒子濃度を測定する粒子検出装置であって、粒子を浮遊させた状態で、ある大きさの範囲の粒子を取り出す分級器と、この分級器により取り出され、粒子検出領域に導かれた複数の粒子に同時に光を照射してそれらの粒子が発する散乱光を検出する粒子検出部と、この粒子検出部の出力信号から粒子濃度を求める演算処理部からなり、前記分級器は、粒子を複数段の大きさの範囲に分ける分級手段を備えて前記複数段をある時間間隔で切り替え、前記演算処理部は、前記粒子検出部のアナログ出力信号を所定時間だけ積分し、この積分値を前記所定時間の間に粒子検出領域を通過した試料流体の体積で除して前記分級器の各段毎に粒子濃度を求めることを特徴とする粒子検出装置。
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