JP4079374B2

JP4079374B2 - 特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法

Info

Publication number: JP4079374B2
Application number: JP2004261432A
Authority: JP
Inventors: 正成庄司; ジャックドロネージャン
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2024-09-08
Also published as: JP2006078281A

Description

本発明は特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法に係る。

特開平５−２４０７６８号公報（特許第３１１３７２０号）

従来、光散乱式自動粒子計測器を用いると大気中に浮遊する粒子の個数濃度の粒径分布（粒子径とその個数濃度の関係)は比較的簡単に計測することができていた。しかしながら、この種の装置は、例えば屋外大気中に浮遊する例えば特定の花粉のような特定粒径の粒子の個数濃度を計測しようとした場合、対象粒子の個数濃度が環境に通常存在する同程度の粒径のバックグラウンドノイズ粒子濃度に比べて大きな場合を除いて、その濃度を精度良く計測することは不可能であり、粒径分布の他に別の物理量を計測し、評価する必要があった。例えば、特許文献１には、粒径分布の測定とともに偏光度という別の物理量も同時に計測し、これら２つの計測データを同時にもちいることによって花粉粒子をバックグラウンドノイズ粒子から識別する屋外大気中の花粉粒子濃度を計測する装置について記載されている。このように従来の技術では粒径分布のみで対象粒子濃度を評価することはできず、装置、データ処理ともに通常の光散乱式自動粒子計測器と比べて複雑となり、結果としてシステム全体として高価なものにならざるを得なかった。

本発明は上記の問題に鑑み、屋外等バックグランドノイズ粒子の存在する環境下において、特定の粒径をもつ粒子の個数濃度を測定評価する場合に、既存の光散乱式粒子計数器あるいはそれと同等の計数原理を有する粒子計数器の測定データをもちいて、バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて特定粒径の粒子の個数濃度を簡便に精度良く評価する方法を提供することを目的とする。

従来、光散乱式粒子計測原理を用いた屋外での特定粒子計側では、個数濃度の粒径分布データからは対象粒径程度の粒径をもつ粒子の濃度、すなわち、対象粒子とバックグラウンドノイズ粒子とを合わせた濃度という情報しか利用されていなかった。

本発明では、全体の粒経分布からバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布を評価してこの影響を取り除くことによって、対象粒子の個数濃度を高精度に評価する。具体的には次のような手順をとる。
（１）バックグラウンドノイズ粒子の個数濃度粒径分布の関数形を仮定する。（但し、場所、時間依存性を考慮していくつかの変数を含む関数とする）
（２）全粒径分布データから（１）の関数を決定する。
（３）（２）の関数をもちいて測定対象粒子の粒径範囲のバックグラウンドノイズ粒子濃度を評価する。
（４）（３）の評価を測定対象粒子の粒径範囲の個数濃度データから差し引く。

本発明はさらに、全粒径分布データ値をもちいて、バックグラウンドノイズ粒子粒経分布の関数形及び測定対象粒子粒径分布の関数形を同時に決定し、バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて測定対象粒子の個数濃度を評価することも可能である。

以上の手段をもちいることによって、バックグラウンドノイズ粒子の存在する環境下においても、光散乱式の計測原理による個数濃度の粒径分布データのみから対象粒子の個数濃度を精度良く評価することができる。

バックグラウンドノイズ粒子の個数濃度粒径分布の関数形を全粒子粒径分布データより決定することにより、バックグラウンドノイズ粒子の浮遊している環境下においても測定対象粒子の粒径領域におけるバックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除き、これによって測定対象粒子の個数濃度を精度良く評価することができる。

以下に本発明の実施例を示す。

大気中におけるスギ花粉粒子の計測に適用する例を示す。大気中におけるバックグラウンドとしての浮遊粒子の個数濃度の粒径分布ｄＮ／ｄｒは、半径ｒが０．１μｍよりも大きな範囲において、典型的には

と表されることが知られている（Jungeの指数分布則）。ここではこれをバックグラウンドノイズ粒子の粒径濃度分布関数として用いる。なお、ａ、ｂは環境に応じて決まる定数であり、同一地点であっても一般に時間によって変動する。

図１にこの分布を模式的に示す。また、図2にスギ花粉が少量浮遊する環境における粒径分布図を示す。日本のスギ花粉は直径２５〜３５μｍ程度の範囲の粒径分布を持つので、ｒ＝１２．５〜１７．５μｍ程度の範囲に分布が出現することとなる。このようにバックグラウンドノイズ粒子に対してスギ花粉濃度の十分高くない場合、スギ花粉程度の粒径の粒子数濃度を計測してもバックグラウンドノイズ粒子の影響によって精度の高いスギ花粉濃度計測を行うことは不可能である。光散乱式粒子計測においては，チャンバー内に導入した大気にレーザー光等を照射し一個一個の粒子からの散乱光を電気変換して出力パルスを生成し、この出カパルスを計数することによって計測データを得る。実際には、閾値Ｖ_ｔを設定し、ある一定時間にその閾値以上のパルス数が何個であるかを計数することとなる。ここで、粒径とパルス高さの値との関係は事前に決定してあるため、ある閾値Ｖ_ｔ以上のパルスの個数はある半径ｒ以上の粒子の個数に対応し、その時間内に計測している大気の体積値で除すことによってある半径ｒ以上の粒子の個数濃度がデータとして得られることとなる。

ここで、図３のように３つの閾値Ｖ_ｔ１、Ｖ_ｔ２、Ｖ_ｔ３をスギ花粉粒子の粒径範囲外に、またＶ_ｔ４、Ｖ_ｔ５、をスギ花粉の粒径分布範囲に設定することによって、５種類の粒子数濃度Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_３、Ｎ_４、Ｎ_５（個／ｍ^３）を測定する。閾値Ｖ_ｔ１〜Ｖ_ｔ５に対応する粒径をｒ_１〜ｒ_５とすると、Ｎ_２−Ｎ_３は粒径がｒ_２とｒ_３との間の範囲に入る粒子数濃度、Ｎ_１−Ｎ_２は粒径がｒ_１とｒ_２との間の範囲に入る粒子数濃度となる。数１式をｒ_１からｒ_２まで積分したものと、ｒ_２からｒ_３まで積分したものはこれらに等しいため、

なる関係を得る。これらから未知数ａ、ｂを決定し、この測定環境におけるバックグラウンド特性の関数を決定することができる。次に決定したａ、ｂをもちいてスギ花粉の粒径分布範囲ｒ_４からｒ_５で数１式右辺を積分することによって、スギ花粉粒径分布範囲のバックグラウンドノイズ粒子濃度Ｎ_ｂを求めて、

これをスギ花粉粒径分布範囲の全粒子数密度計測結果Ｎ_４、Ｎ_５から差し引くことによってバックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて正確なスギ花粉濃度Ｎ_ｃを決定することができる。

大気中におけるスギ花粉粒子の計測に適用する例を示す。測定した値が狭い粒径範囲に分布しているのであれば、大気中におけるバックグラウンドとしての浮遊粒子の個数濃度の粒径分布ｄＮ／ｄｒを測定範囲で

と仮定できる。ここでａ、ｂは環境に応じて決まる定数であり、同一地点であっても一般に時間の関数となる。

図４にこの分布を模式的に示す。また、図５にスギ花粉が少量浮遊する環境における粒径分布図を示す。日本のスギ花粉は直径２５〜３５μｍ程度の範囲の粒径分布を持つので、ｒ＝１２．５〜１７．５μｍ程度の範囲に分布が出現することとなる。このようにバックグラウンドノイズ粒子に対してスギ花粉濃度の十分高くない場合、スギ花粉程度の粒径の粒子数濃度を計測してもバックグラウンドノイズ粒子の影響によって精度の高いスギ花粉濃度計測を行うことは不可能である。光散乱式粒子計測においては、チャンバー内に導入した大気にレーザー光等を照射し一個一個の粒子からの散乱光を電気変換して出力パルスを生成し、この出力パルスを計数することによって計測データを得る。実際には、閾値Ｖ_ｔを設定し、その閾値以上のパルス数が何個であるかを計数することとなる。ここで、粒径とパルス高さの値との関係は事前に決定してあるため、ある閾値Ｖ_ｔ以上のパルスの個数はある半径ｒ以上の粒子の個数に対応し、計測している大気の体積値で除すことによってある半径ｒ以上の粒子の個数濃度が決定されることとなる。ここで、図５のように４つの閾値を設定する。（Ｖ_ｔ２、Ｖ_ｔ３，をスギ花粉の粒径分布範囲程度に、またＶ_ｔ１、Ｖ_ｔ４をその外側に設定する。）４種類の粒子数濃度Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_３、Ｎ_４（個／ｍ^３）が計測データとして得られるが、閾値Ｖ_ｔ１〜Ｖ_ｔ４に対応する粒径をｒ_１〜ｒ_４とすると、Ｎ_１−Ｎ_２は粒径がｒ_１とｒ_２との間の範囲に入る粒子数濃度、Ｎ_３−Ｎ_４は粒径がｒ_３とｒ_４との間の範囲に入る粒子数濃度となる。数６式をｒ_１からｒ_２まで積分したものと、ｒ_３からｒ_４まで積分したものはこれらに等しいため、

なる関係を得る。これらから未知数ａ、ｂを決定し、この測定環境におけるバックグラウンド特性を決定することができる。次に決定したａ、ｂをもちいてスギ花粉の粒径分布範囲ｒ_２からｒ_３で数６式右辺を積分することによって、スギ花粉粒径分布範囲のバックグラウンドノイズ粒子濃度Ｎ_ｂを求めて、

これをスギ花粉粒径分布範囲の全粒子数密度計測結果Ｎ_２〜Ｎ_３から差し引くことによってバックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて正確なスギ花粉濃度Ｎ_ｃを決定することができる。

と表されることが知られている（Jungeの指数分布則）。ここではこれをバックグラウンドノイズ粒子の粒径濃度分布関数として用いる。なおａ、ｂは環境に応じて決まる定数であり、同―地点であっても一般に時間によって変動する。

図７にこの分布を模式的に示す。また、スギ花粉の粒径にバラツキがある場合、スギ花粉の粒径分布ｄＮ_ｐ／ｄｒとしてガウス分布をもちいて

と、表すことができる。ここで、ｒ_ｍは平均値、σは標準偏差である。従って、計測される全粒子数濃度ｄＮ_ｔ／ｄｒは、

となる。

図８にスギ花粉が少量浮遊する環境における粒径分布図を示す。日本のスギ花粉は直径２５〜３５μｍ程度の範囲の粒径分布を持つので、ｒ＝１２．５〜１７．５μｍ程度の範囲に分布が出現することとなる。このようにバックグラウンドノイズ粒子に対してスギ花粉濃度の十分高くない場合、スギ花粉程度の粒径の粒子数濃度を計測してもバックグラウンドノイズ粒子の影響によって精度の高いスギ花粉濃度計測を行うことは不可能である。光散乱式粒子計測においては、チャンパー内に導入した大気にレーザー光等を照射し一個一個の粒子からの散乱光を電気変換して出カパルスを生成し、この出力パルスを計数することによって計測データを得る。実際には、閾値Ｖ_ｔを設定し、ある一定時間にその閾値以上のパルス数が何個であるかを計数することとなる。ここで、粒径とパルス高さの値との関係は事前に決定してあるため、ある閾値Ｖ_ｔ以上のパルスの個数はある半径ｒ以上の粒子の個数に対応し、その時間内に計測している大気の体積値で除すことによってある半径ｒ以上の粒子の個数濃度がデータとして得られることとなる。ここで、図９のように３つの閾値Ｖ_ｔ３、Ｖ_ｔ４、Ｖ_ｔ５をスギ花粉粒子の粒径範囲内に、またＶ_ｔ１、Ｖ_ｔ２、Ｖ_ｔ６、をスギ花粉の粒径分布範囲外に設定することによって、６種類の粒子数濃度Ｎ_ｉ（ｉ＝１〜６）（個／ｍ^３）を測定する。閾値Ｖ_ｔ１〜Ｖ_ｔ６に対応する粒径をｒ_１〜ｒ_６とすると、Ｎ_ｉ（ｉ＝１〜６）は粒径がｒ_ｉ（ｉ＝１〜６）以上である粒子数濃度である。数１３式をｒ_ｉ（ｉ＝１〜５）からｒ_６の範囲で積分したものは、Ｎ_ｉ−Ｎ_６（ｉ＝１〜５）に等しいため、

なる５つの式を得る（ｉ＝１〜５）。これらの式から未知数ａ，ｂ，ｃ，ｒ_ｍ，σを決定し、この測定環境におけるバックグラウンド特性の粒子濃度分布関数及びスギ花粉粒子濃度分布の関数を決定することができる。決定したｃ，ｒ_ｍ，σをもちいてスギ花粉の粒径分布範囲を含む範囲で数１２式右辺を積分することによって、バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いた正確なスギ花粉濃度Ｎ_ｃを決定することができる。

以上説明したように、従来の光散乱式粒子計数器等をもちいて、適切な閾値レベルを設定することによってバックグラウンドノイズ粒子の存在する環境下においてもその影響を簡便に取り除いて精度良く特定粒径をもつ対象粒子の個数濃度を評価することができる。

本発明の実施例１における、大気中のバックグラウンドノイズ粒子粒径分布図である。本発明の実施例１における、スギ花粉及びバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布図である。本発明の実施例１における、スギ花粉及びバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布図に閾値を設定した図である。本発明の実施例２における、大気中のバックグラウンドノイズ粒子粒径分布図である。本発明の実施例２における、スギ花粉及びバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布図である。本発明の実施例２における、スギ花粉及びバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布図に閾値を設定した図である。本発明の実施例３における、大気中のバックグラウンドノイズ粒子粒径分布図である。本発明の実施例３における、スギ花粉及びバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布図である。本発明の実施例３における、スギ花粉及びバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布図に閾値を設定した図である。

Claims

測定対象となる特定の粒径をもつ測定対象粒子とバックグラウンドノイズとなるバックグラウンドノイズ粒子が存在する環境下において、空気中の浮遊粒子に光を照射して散乱光を受光素子によって受信し、浮遊粒子の個数濃度を計測する方法において、
測定対象粒子の粒径分布範囲外における浮遊粒子の粒径分布データ値に基づいて、測定対象粒子粒径分布範囲でのバックグラウンドノイズ粒子の影響を評価することを特徴とする特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法。
測定対象となる特定の粒径をもつ測定対象粒子とバックグラウンドノイズとなるバックグラウンドノイズ粒子が存在する環境下において、空気中の浮遊粒子に光を照射して散乱光を受光素子によって受信し、浮遊粒子の個数濃度を計測する方法において、
全粒径分布データ値をもちいて、バックグラウンドノイズ粒子粒径分布の関数形及び測定対象粒子粒径分布の関数形を同時に決定し、バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて測定対象粒子の個数濃度を評価することを特徴とする特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法。
測定対象となる特定の粒径をもつ測定対象粒子とバックグラウンドノイズとなるバック
グラウンドノイズ粒子が存在する環境下において、空気中の浮遊粒子に光を照射して散乱光を受光素子によって受信し、浮遊粒子の個数濃度を計測する方法において、
適切に設定したｎ個の粒径に関する閾値によって最低閾値粒径以上の粒径範囲をｎ個の粒径範囲に分割し、前記ｎ個の閾値の各々について当該閾値よりも粒径の大きな浮遊粒子の個数濃度を計測して近接する閾値間に含まれる粒径の粒子の個数濃度を得ることによって、前記ｎ個の粒径範囲の各々に含まれる粒子の個数濃度であるｎ個の粒径分布データ値を求め、
全浮遊粒子に対する前記ｎ個の粒径分布データ値のみに基づいて、その環境に依存したバックグラウンドノイズ粒子の粒径分布を評価し、前記全浮遊粒子の粒径分布データ値から前記バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて測定対象粒子の個数濃度を評価することを特徴とする特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法。
ｎ個の粒径分布データ値をもちいて、測定対象粒子の粒径分布範囲外の粒径分布データ値のみに基づき、測定対象粒子の粒径分布範囲におけるバックグラウンドノイズ粒子の個数濃度を評価することによって、バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて測定対象粒子の個数濃度を評価することを特徴とする請求項３に記載の特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法。
ｎ個の粒径分布データ値をもちいて、バックグラウンドノイズ粒子粒径分布の関数形及び測定対象粒子粒径分布の関数形を同時に決定し、バックグラウンドノイズ粒子の影響を取り除いて測定対象粒子の個数濃度を評価することを特徴とする請求項３に記載の特定粒径をもつ浮遊粒子の個数濃度の評価方法。