JP4793032B2 - 微粒子測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、クリーンルームなどの粉塵を管理する領域において、粉塵などの微粒子の数と大きさを計測する微粒子測定装置に関する。
従来の微粒子測定装置は、気体等の流体を当該微粒子測定装置の内部に吸引して外部に排気し、この際、内部に流れる流体に光源からのレーザ光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光するように構成されている。そして、その受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさ(粒径)を演算して求めるようになっている。
この種の従来の微粒子測定装置として、例えば特許文献1に記載のものがある。この文献1の微粒子測定装置は図8に示すように、ノズル101と、吸引ノズル102と、チャンバー103と、光源104と、真空ポンプ105などを備えて構成されている。
この微粒子測定装置は、真空ポンプ105が駆動されると、ノズル101から粉塵を含む流体が吸引されてチャンバー103へ噴射される。この噴出された流体は、チャンバー103内を通って更に吸引ノズル102を通り真空ポンプ105で吸引され、外部に排出される。この際、チャンバー103内において、光源104からの光が流体に照射され、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光が図示せぬ受光素子で受光される。そして、その受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数と大きさが演算によって求められる。
特開平1−265137号公報
上記の特許文献1の微粒子測定装置においては、微粒子を含む流体の吸引機構として真空ポンプ105を使用している。通常、この種のポンプはダイアフラム方式であり、連続動作させた場合には数千時間で寿命となる。したがって、微粒子の連続常時測定を実施することは困難となる。
一方、微粒子測定装置の長寿命化を目的に流体吸引機構にファンモータを使用する場合があるが、ファンモータの場合には吸引流量を大きくすることが困難である。一般的に、流体のサンプリング流量が多い方がより正確な測定が可能となるため、短時間で大流量を吸引できることが微粒子測定装置には求められている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、微粒子を含む流体を吸引する際に、長寿命で連続常時測定に耐えることができ、尚且つ、微粒子の高精度測定のために大流量吸引を行うことができる双方の性能を兼ね備えた微粒子測定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の請求項1による微粒子測定装置は、流体を吸引して排出する吸引手段によって流体を流路に流し、この流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算手段で演算して求める微粒子測定装置において、前記吸引手段として用いたファンモータ及びポンプと、
前記ファンモータと前記ポンプの吸引及び排出によって流れる流体の流量を計測する流量計と、前記ファンモータ及び前記ポンプの何れか一方を動作させ、前記流量計での計測流量に応じて、当該流量が一定となるように動作中のファンモータ又はポンプの流量を制御する流量制御手段と、前記演算された微粒子の粒子径が予め定められた粒子径より大きい場合、及び微粒子の数が予め定められた粒子数より多い場合の何れかの場合に、前記ファンモータ又は前記ポンプの吸引及び排出の処理動作を増大する指令を前記流量制御手段へ出力するパージ作業制御手段とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、吸引手段で吸引する流体の流量を、流量計で計測される流量が一定となるように流量制御手段で制御することにより微粒子を高精度に測定する際に、吸引手段としてファンモータ及びポンプを用い、流量制御手段で、それらファンモータとポンプの何れか一方を動作させる協調運転制御することによって、ファンモータの特長である長寿命と、ポンプの特長である大流量吸引の両立が可能となる。
また、上記構成によれば、流体の吸引流量が増大するので、流路内に留まっている挨の排気、流路内壁に付着した埃の剥がれが加速され、早期に流路内を清浄することができる。
また、本発明の請求項による微粒子測定装置は、請求項において、前記パージ作業制御手段は、前記演算された微粒子の粒子径が予め定められた粒子径以下となり、且つ、微粒子の数が予め定められた粒子数以下となるまで、前記ファンモータ又は前記ポンプの前記処理動作を更に増大する指令を前記流量制御手段へ出力することを特徴とする。
この構成によれば、ファンモータ又はポンプの吸引及び排出の処理動作を増大しても演算される微粒子の大きさが予め定められた粒子径以下となり、且つ、微粒子の数が予め定められた粒子数以下とならない場合、つまり流路内壁に予め定められた粒子径よりも大きく且つ所定数よりも多い数の微粒子が付着した状態では、ある程度処理動作を上げても、その付着した微粒子が取れない。そこで、更にファンモータ又はポンプの吸引及び排出の処理動作を増大させるようにしたので、付着微粒子を取ることが可能となる。また、このように制御した場合、流路内の清浄化を自動で行うことができる。
また、本発明の請求項による微粒子測定装置は、請求項またはにおいて、前記流体の流路の吸入口に取り付けられ、所定粒子径の微粒子を濾過するフィルタを更に備えたことを特徴とする。
この構成によれば、フィルタによって流体に含まれる塵や埃が取り除かれて微粒子測定装置の流路に吸入されるので、清浄化をより効率良く短時間で行うことができる。
また、本発明の請求項による微粒子測定装置は、請求項1からの何れか1項において、前記流量制御手段は、前記演算手段が前記受光素子から出力される電気信号がしきい値よりも大きい場合に微粒子を検出したと判定する処理を行う場合に、前記吸引手段での流体の吸引流量を検出し、この検出された吸引流量に基づき前記しきい値を設定変更することを特徴とする。
この構成によれば、様々な長さのサンプリングチューブを吸引手段に装着することによって発生する圧力損失により、吸引流量が変動しても、常に吸引流量に基づく適正なしきい値を設定することができるので、正しく微粒子の検出の判定を行うことができる。
また、本発明の請求項による微粒子測定装置は、請求項において、前記流量制御手段は、予め測定された吸引流量と前記電気信号との大きさの相関式と等しい傾きとされた当該吸引流量としきい値との相関式を保持し、この相関式から前記吸引手段での吸引流量に対応するしきい値を算出し、この算出されたしきい値を微粒子検出用のしきい値として新たに設定することを特徴とする。
この構成によれば、吸引流量と受光信号との大きさが略直線となる相関関係があるので、この相関式の傾きに等しくされた吸引流量としきい値との相関式を参照して、現在の吸引流量に対応するしきい値を求め、このしきい値を用いて微粒子検出の判定を行えば正確に判定することが可能となる。
以上説明したように本発明によれば、微粒子を含む流体を吸引する際に、長寿命で連続常時測定に耐えることができ、尚且つ、微粒子の高精度測定のために大流量吸引を行うことができるという効果がある。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る微粒子測定装置の構成を示す図である。
図1に示す微粒子測定装置10は、ノズル2と、微粒子検出部3と、チューブ4,6,51と、流量計11と、ファンモータ13と、ポンプ52と、フィルタ7,53と、流量制御部(流量制御手段)12と、微粒子演算部14とを備えて構成されている。
特徴構成は、ファンモータ13及びポンプ52を用い、ファンモータ13とポンプ52の協調運転により、ファンモータ13の特長である長寿命と、ポンプ52の特長である大流量吸引の両立を可能とした点にある。
このような構成の微粒子測定装置10は、クリーンルーム等の粉塵を管理する部屋に配置されて、次のような微粒子の測定動作を行う。
まず、ファンモータ13又はポンプ52が起動されると、ノズル2から部屋の粉塵を含む流体が吸引されて微粒子検出部3へ噴射される。この噴出された流体は、微粒子検出部3の内部を通過する。この際、微粒子検出部3の内部において、流体に光が照射され、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光が受光素子で受光される。そして、その受光に応じて受光素子から出力される電気信号18が微粒子演算部14に入力され、この微粒子演算部14において微粒子の数及び大きさが演算によって求められる。
このように微粒子検出部3を通過した流体は、流量計11で流量が計測されながらチューブ6を通過してファンモータ13又はポンプ52で吸引され、フィルタ7又はフィルタ53でろ過されて部屋へ排出される。この経路通過の際には、流量計11での流量の計測に応じて得られる流量信号15が流量制御部12へ出力される。
流量制御部12では、その流量信号15に応じて、流量計11で計測される流量が一定となるようにファンモータ13又はポンプ52を制御するための制御信号16が生成され、この制御信号16がファンモータ13又はポンプ52へ出力される。これによって、流量計11で計測される流量が一定となるように、ファンモータ13又はポンプ52が制御される。
この制御によって、微粒子検出部3の内部を流れる流体の流量が一定となるので、微粒子検出部3における微粒子の測定が高精度に実行される。
また、流量制御部12によって、上位システム又はユーザの指令に基づき、ファンモータ13とポンプ52の運転/停止を制御するようになっている。例えば、夜間など微粒子測定対象空間において発塵が少ないと考えられる時間帯にはファンモータ13を動作させてポンプ66を停止させる。この場合、ファンモータ13による吸引で上記微粒子検出動作が実行される。
一方、測定対象空問における微粒子測定を高精度、高速実施したい時間帯においてはポンプ52を動作させてファンモータ13を停止させる。この場合、ポンプ52による吸引で上記微粒子検出動作が実行される。
このように、本実施の形態の微粒子測定装置10によれば、吸引手段で吸引する流体の流量を、流量計11で計測される流量が一定となるように流量制御部12で制御することにより微粒子を高精度に測定する構成において、吸引手段としてファンモータ13及びポンプを用い、流量制御部12でファンモータ13とポンプ52の何れか一方を適時動作させる協調運転制御することによって、ファンモータ13の特長である長寿命と、ポンプ52の特長である大流量吸引の両立が可能となる。従って、微粒子の連続常時測定と、流体の短時間での大流量吸引による正確な微粒子測定との双方を実現することが可能となる。
(実施の形態の応用例1)
図2は、本発明の実施の形態の応用例1に係る微粒子測定装置の構成を示す図である。
図2に示す微粒子測定装置20は、図1に示した微粒子測定装置10の構成に、パージ作業制御部(パージ作業制御手段)21を更に備えた点にある。
パージ作業制御部21は、ノズル2、微粒子検出部3などの流体が通過する流路内部に付着している挨を清浄するためのパージ作業が自動で行われるように制御するものである。
このパージ作業制御は、微粒子演算部14で演算された微粒子の数及び大きさを示す微粒子測定結果情報23を参照し、予め定めた粒子径(所定粒子径とも称す)より大きい粒子を検出している状態{又は微粒子の数(所定粒子数とも称す)が予め定められた粒子数より多い数を検出している状態}であればファンモータ13又はポンプ52の回転速度を速くする指令の回転速度変更指令信号24を流量制御部12へ出力し、所定粒子径より大きい粒子(又は所定粒子数より多い数)を検出しない状態が予め定められた時間継続した場合はファンモータ13又はポンプ52の回転速度を通常の速度に戻す指令の回転速度変更指令信号24を出力するようになっている。
また、ファンモータ13又はポンプ52は、回転速度を速くするための回転速度変更指令信号24が入力された場合、その回転速度が、通常の微粒子を測定する状態と比較して2倍以上とされるようになっている。これは、ファンモータ13又はポンプ52の回転速度変化に応じて吸引流量が増大することにより、流路内に留まっている挨の排気、流路内壁に付着した埃の剥がれが加速され、早期に微粒子測定装置20の内部を清浄化することができる回転速度である。
このような構成の微粒子測定装置20による実運転前又は校正作業前に必要なパージ作業の動作を説明する。
まず、ファンモータ13又はポンプ52が起動されると、ノズル2から部屋の粉塵を含む流体が吸引されて微粒子検出部3へ導かれ、この流体への光照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光が受光素子で受光される。この受光に応じて受光素子から出力される電気信号18が微粒子演算部14に入力され、ここで微粒子の数及び大きさが演算によって求められ、この微粒子測定結果情報23がパージ作業制御部21へ出力される。
パージ作業制御部21では、その微粒子測定結果情報23が参照され、所定粒子径より大きい粒子(又は所定粒子数より多い数)を検出している状態であれば、ファンモータ13又はポンプ52の回転速度を速くするための回転速度変更指令信号24が流量制御部12へ出力される。これに応じて流量制御部12からファンモータ13又はポンプ52の回転速度を通常のn倍以上とするための制御信号16がファンモータ13又はポンプ52へ供給され、ファンモータ13が通常のn倍以上の速度で回転する。
これによって、吸引流量が増大するので、流路内に留まっている挨の排気、流路内壁に付着した埃の剥がれが加速され、早期に微粒子測定装置20の内部が清浄化される。
一方、その内部の清浄化が行われない場合、即ち、パージ作業制御部21において、所定粒子径より大きい粒子(又は所定粒子数より多い数)を検出している状態が継続している場合は、更に回転速度を速くするための回転速度変更指令信号24が出力され、これに応じてファンモータ13又はポンプ52が更に高速で回転する。
その後、パージ作業制御部21において、所定粒子径より大きい粒子(又は所定粒子数より多い数)を検出しない状態が予め定められた時間継続したことが検出された場合、ファンモータ13又はポンプ52の回転速度を通常の速度に戻すための回転速度変更指令信号24が流量制御部12へ出力される。
このような実施の形態の応用例1の微粒子測定装置20によれば、パージ作業制御部21によって、流路内に所定粒子径(又は所定粒子数)の粒子が存在する場合、ファンモータ13又はポンプ52の回転数を増大させてパージ作業を実施するようにしたので、実運転前や校正作業前に流路内の埃を短時間で除去して清浄化を行うことができる。
また、パージ作業制御部21を常時制御状態としておけば、その清浄化を行うパージ作業を自動で行うことができる。
更に、パージ作業制御部21にて、所定粒子径より大きい粒子(又は所定粒子数より多い数)を検出しない状態が予め定められた時間継続したことが検出された際にファンモータ13又はポンプ52の回転速度が通常速度に戻された場合に、ブザーやランプ点灯等によって利用者に報知可能なようにすれば、利用者が微粒子測定装置20の清浄化状態を認識することができる。
(実施の形態の応用例2)
図3は、本発明の実施の形態の応用例2に係る微粒子測定装置の構成を示す図である。
上記応用例2の他、図3に示す微粒子測定装置30のように、ノズル2の流体吸入口にフィルタ26を取り付ければ、フィルタ26によって流体に含まれる塵や埃が取り除かれてノズル2に吸入されるので、パージ作業制御部21によるパージ作業をより効率良く短時間で行うことができる。
更に、パージ作業制御部21は、流路内に存在する微粒子が、所定粒子径以下で且つ所定粒子数以下となるまで、流量制御部12への指令によりファンモータ13又はポンプ52の回転数を増大させてパージ作業を実施するようにしてもよい。
これによって、ファンモータ13又はポンプ52の回転速度を速くしても演算される微粒子の大きさが予め定められた粒子径以下となり、且つ、微粒子の数が予め定められた粒子数以下とならない場合、つまり流路内壁に予め定められた粒子径よりも大きく且つ所定数よりも多い数の微粒子が付着した状態では、ある程度回転速度を上げても、その付着した微粒子が取れない。
そこで、上記のように更に回転速度を上げて吸引流量を増大させるようにしたので、付着微粒子を取ることが可能となる。
(実施の形態の応用例3)
図4は、本発明の実施の形態の応用例3に係る微粒子測定装置の構成を示す図である。
図4に示す微粒子測定装置40は、図1に示した微粒子測定装置10の流量制御部12に代え、しきい値設定機能を有する流量制御部(流量制御手段)41を備えた点にある。
流量制御部41は、流量信号15から現在の吸引流量Q1を検知し、この吸引流量Q1に対応するしきい値Thを算出し、このしきい値Thを微粒子演算部14−1に設定するものである。また、微粒子演算部14−1が、その設定されたしきい値Thを用いて、所定の大きさの微粒子の検出を判定するようにした。
上記の吸引流量Q1としきい値Thとの関係を、次の微粒子測定装置40における微粒子の測定動作の説明中に合わせて説明する。但し、本微粒子測定装置40においては、ノズル2の流体吸込み口に、着脱自在なサンプリングチューブ42が装着されている状態を示す。また、微粒子測定装置40は、クリーンルーム等の粉塵を管理する部屋に配置されているとする。
まず、ファンモータ13又はポンプ52が起動されると、ノズル2から部屋の粉塵を含む流体が吸引されて微粒子検出部3へ噴射される。この噴出された流体は、微粒子検出部3の内部を通過する。この際、微粒子検出部3の内部において、流体に光が照射され、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光が受光素子で受光される。そして、その受光に応じて受光素子から出力される電気信号18が微粒子演算部14−1に入力され、この微粒子演算部14において、電気信号18のレベルがしきい値Thよりも大きければ、所定の大きさの微粒子が検出されたと判断される。
ここで、微粒子検出部3において、微粒子の散乱光によって得られる受光信号(=電気信号18)レベル(縦軸)の一例を図5に示す。
図5に示す受光信号レベルの波形は、同じ粒子径の粒子を吸引したときにサンプリングチューブ42が有る場合と、無い場合との2つの異なる条件で取得したデータを時間軸(横軸)に重ね合わせてグラフ化したものである。サンプリングチューブ42が有る場合の波形がa1、無い場合の波形がa2である。
この図5より、サンプリングチューブ42の有無で受光信号レベルの大きさが異なることがわかる。この受光信号レベルの差異の要因について説明する。
サンプリングチューブ42を装着した場合は、チューブ42による圧力損失が発生するためチューブ42の無いときと比較すると、吸引流量(流速)が減少する。この吸引流量の減少によって、ノズル2から吸引された流体内に含まれる微粒子の移動速度が低下する。このため、微粒子が微粒子検出部3内の光源の出射光で照射される時間が大きくなって、微粒子の散乱光量が大きくなるため受光素子から出力される受光信号(=電気信号18)も増大する。
このため、チューブ42を装着している場合には、チューブ42の無いときに微粒子演算部14−1に設定されたしきい値Thを、そのまま使用して微粒子を検出すると、想定している微粒子の大きさとは異なった大きさの粒子を検出することになるので、検出精度が悪化する。
例えば、図5に破線で示す位置にしきい値Thを設定していた場合は、同じ大きさの粒子であるにもかかわらず、a1のチューブ42が有る場合には検出されるが、a2のチューブ42が無い場合には受光信号レベルがしきい値Th以下となり検出されないことになる。
このチューブ42の有無で説明した現象は、チューブ42の長さの違いによっても同様に発生する。チューブ42の長さの変化は、チューブによる圧力損失の変化であって、微粒子検出部3からは流量計11により吸引流量Q1の変化として検知される。
この吸引流量Q1と受光信号レベルPとの関係を図6に示す。この図6より、吸引流量Q1が大きくなると受光信号レベルPが小さくなることがわかる。この両者の相関関係は、次式(1)で示すように、ほぼ直線近似される。
P=α×Q+β …(1)
P:受光信号レベル
Q:吸引流量
α:直線近似式の定数(傾き)
β:直線近似式の定数(切片)
このように、チューブ長に比例する吸引流量Qによって受光信号レベルPが変化することから、微粒子の有無を判断するしきい値Thも吸引流量Q1に応じて変更する必要がある。図7に、しきい値Thと吸引流量Q1との相関関係を示す。このとき、下式(2)で示される直線の傾きは、上式(1)で示した傾きαに等しくする。
Th=α×Q+Th0 …(2)
しきい値設定部41は、その式(2)のしきい値Thと吸引流量Q1との相関関係を予め保持しており、流量信号15から得た吸引流量Q1を、その相関式(2)に当てはめることによってしきい値Thを算出するようになっている。
つまり、しきい値設定部41は、流量計11から入力される流量信号15より現在の吸引流量Q1を検出し、次に、吸引流量Q1としきい値Thとの相関式(2)から、吸引流量Q1に対応するしきい値(例えばTh1)を算出し、このしきい値Thlを微粒子演算部14−1へ出力して設定する。
微粒子演算部14−1は、微粒子検出部3からの受光信号である電気信号18のレベルが、新たに設定されたしきい値Thよりも大きければ、所定の大きさの微粒子が検出されたと判定し、これに応じて微粒子の数と大きさを演算する。
このような微粒子測定装置40によれば、様々な長さのサンプリングチューブ42をノズル2に装着することによって発生する圧力損失により、吸引流量Q1が変動しても、常に吸引流量Q1に応じた適正なしきい値Thを設定することで正しく微粒子の測定を行うことができる。
本発明の実施の形態に係る微粒子測定装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態の応用例1に係る微粒子測定装置の構成を示すブロック図である。 本実施の形態の応用例2に係る微粒子測定装置の変形例の構成を示すブロック図である。 本実施の形態の応用例3に係る微粒子測定装置の変形例の構成を示すブロック図である。 上記応用例3の微粒子測定装置において、同径粒子の吸引時にサンプリングチューブ有無の2条件で取得した受光信号レベルを時間軸に重ね合わせたグラフである。 受光信号レベルと吸引流量との相関関係図である。 しきい値と吸引流量との相関関係図である。 従来の微粒子測定装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
2 ノズル
3 微粒子検出部
4,6,51 チューブ
7,26,53 フィルタ
10,20,30,40 微粒子測定装置
11 流量計
12 流量制御部
13 ファンモータ
14,14−1 微粒子演算部
15 流量信号
16 回転数制御信号
18 電気信号
23 微粒子測定結果情報
24 回転速度変更指令信号
41 しきい値設定部
42 サンプリングチューブ
52 ポンプ

Claims (5)

  1. 流体を吸引して排出する吸引手段によって流体を流路に流し、この流体に光源からの出射光を照射し、この照射時に流体中に含まれる微粒子での散乱光を受光素子で受光し、この受光に応じて受光素子から出力される電気信号から微粒子の数及び大きさを演算手段で演算して求める微粒子測定装置において、
    前記吸引手段として用いたファンモータ及びポンプと、
    前記ファンモータと前記ポンプの吸引及び排出によって流れる流体の流量を計測する流量計と、
    前記ファンモータ及び前記ポンプの何れか一方を動作させ、前記流量計での計測流量に応じて、当該流量が一定となるように動作中のファンモータ又はポンプの流量を制御する流量制御手段と
    前記演算された微粒子の粒子径が予め定められた粒子径より大きい場合、及び微粒子の数が予め定められた粒子数より多い場合の何れかの場合に、前記ファンモータ又は前記ポンプの吸引及び排出の処理動作を増大する指令を前記流量制御手段へ出力するパージ作業制御手段と
    を備えたことを特徴とする微粒子測定装置。
  2. 前記パージ作業制御手段は、前記演算された微粒子の粒子径が予め定められた粒子径以下となり、且つ、微粒子の数が予め定められた粒子数以下となるまで、前記ファンモータ又は前記ポンプの前記処理動作を更に増大する指令を前記流量制御手段へ出力する
    ことを特徴とする請求項1に記載の微粒子測定装置。
  3. 前記流体の流路の吸入口に取り付けられ、所定粒子径の微粒子を濾過するフィルタ
    を更に備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の微粒子測定装置。
  4. 前記流量制御手段は、前記演算手段が前記受光素子から出力される電気信号がしきい値よりも大きい場合に微粒子を検出したと判定する処理を行う場合に、前記吸引手段での流体の吸引流量を検出し、この検出された吸引流量に基づき前記しきい値を設定変更する
    ことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の微粒子測定装置。
  5. 前記流量制御手段は、予め測定された吸引流量と前記電気信号との大きさの相関式と等しい傾きとされた当該吸引流量としきい値との相関式を保持し、この相関式から前記吸引手段での吸引流量に対応するしきい値を算出し、この算出されたしきい値を微粒子検出用のしきい値として新たに設定する
    ことを特徴とする請求項4に記載の微粒子測定装置。
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