JP5177655B2 - ダスト計 - Google Patents

Description

本発明は、空気中に浮遊するダストの質量濃度を測定するダスト計に関するものである。

ダスト濃度の測定方法として、ＪＩＳ（Ｚ８８１４）や米国ＥＰＡのFederal Register(Vol.62, No.138/appendix L)に規定されている標準測定法（手分析法）が知られている。
この標準測定法では、円形の濾紙上に試料大気中のダストを捕集し、精密天秤によって捕集前後の濾紙の質量の変化分を測定し、その変化分と試料大気の捕集積算流量とからダストの質量濃度（単位：〜ｍｇ／ｍ^３）を算出している。また、この標準測定法では、ダストの捕集時間が２４〜４８時間と長時間であり、ダストの捕集前後に濾紙を温度２０℃、湿度５０％（調湿目標湿度，ＥＰＡでは３５％であるが、本明細書中では５０％とする。）の環境で調湿する点が特徴となっている。例えば、捕集時間が２４時間であった場合には、２４時間試料大気を流して捕集したときの質量濃度が測定値（２４時間値）として得られる。

一方、自動分析法の一つとして、β線吸収法を用いた測定方法（単にβ線吸収法という）も知られている。
このβ線吸収法では、試料大気をテープ状の濾紙に通過させて大気中のダストを濾紙上のスポットに捕集し、捕集前後の濾紙の質量の変化分をβ線厚み計（βゲージ）により測定すると共に、その質量の変化分と試料大気の捕集積算流量とからダストの質量濃度を算出している。
具体的には、特許文献１に開示されているように、浮遊粒子状物質が未捕集状態である最新の濾紙を通過させた場合のβ線強度Ｉｏと、浮遊粒子状物質を捕集した状態の濾紙を通過させた場合のβ線強度Ｉと、浮遊粒子状物質の単位質量当たりのβ線吸収断面積ｋと、濾紙の単位捕集面積当たりの粒子の質量ｍと、全捕集面積Ｓと、積算吸引流量Ｖとを用いて、浮遊粒子状物質濃度Ｍは、次式のようになる。
Ｍ＝（ｍ／Ｖ）＝（Ｓ／ｋＶ）ｌｎ（Ｉｏ／Ｉ）

β線吸収法は捕集時間や測定時間が短いために（測定時間は１時間の場合の例が多く、質量濃度の測定値は１時間値として得られる）、濾紙等の調湿を全く行わないか、あるいは行ったとしても簡易的な調湿処理であることに起因して、β線吸収法によるダスト濃度の測定値は、調湿を行う標準測定法の測定値に比べて１〜２割程度、高くなる傾向にある。
その理由としては、β線吸収法では標準測定法に比べて濾紙やダストに水分が過剰に吸着されているので、濾紙の質量が増加する傾向にあり、また、標準測定法では、ダストの捕集時間が長いためにその途中で揮発性ダストが飛散する結果、質量が減少することが考えられる。なお、試料大気の湿度が５０％以下である場合には、β線吸収法によるダスト濃度の測定値が標準測定法に比べて低くなるが、両測定値の誤差は僅かであり、湿度が高いときの誤差に比べて問題視されていない。

上記のようにβ線吸収法では、特に湿度が高い場合に標準測定法に対して測定値の誤差が大きくなるので、この誤差を低減するために、含有ダストがほぼゼロである乾燥空気や低湿度の調湿空気をダスト捕集後の濾紙に通過させるようにしたダスト計が、特許文献２によって公知となっている。

特開２００６−３０９０号公報（段落［０００８］〜［００１０］，数１等） 特開２００５−１１４５９６号公報（段落［０００９］〜［００１３］，図１〜図３等）

しかしながら、特許文献２に記載されたダスト計では乾燥または調湿時間が比較的短いため濾紙の湿度が５０％以上になっている場合もあり、標準測定法に比べて十分な測定精度が得られないと共に、試料大気に乾燥空気を加えて圧送するための圧力損失が大きくなるという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、標準測定法に近い測定値を高精度に得ることができ、また、濾紙の詰まりを防いで圧力損失の低減を可能にしたダスト計を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、試料大気が検出部に供給され、この検出部内の濾紙上のスポットにより試料大気中のダストを捕集すると共に、ダスト捕集前後の濾紙の質量変化をβ線吸収法により計測してダストの質量濃度を測定するダスト計において、
試料大気が交互に供給され、かつ、それぞれ個別に配置された濾紙上のスポットに対して、同一の測定周期内で、ダスト捕集前の調湿動作、β線計測動作、ダスト捕集動作、ダスト捕集後の調湿動作、β線計測動作を順次実行し、その後に濾紙送り動作を実行する検出部を二つ備え、
前記二つの検出部の測定周期を、一方の検出部のダスト捕集時間の始期が他方の検出部のダスト捕集時間の終期となり、かつ、前記一方の検出部のダスト捕集時間の終期が前記他方の検出部のダスト捕集時間の始期となるように一定時間ずらすと共に、前記二つの検出部のダスト捕集時間を等しくし、
前記一方の検出部によるダスト捕集期間において、
前記他方の検出部が、ダスト捕集後の調湿動作、β線計測動作、濾紙送り動作、ダスト捕集前の調湿動作、β線計測動作を順次実行するものである。

請求項２に係る発明は、試料大気が検出部に供給され、この検出部内の濾紙上のスポットにより試料大気中のダストを捕集すると共に、ダスト捕集前後の濾紙の質量変化をβ線吸収法により計測してダストの質量濃度を測定するダスト計において、
試料大気が交互に供給され、かつ、それぞれ個別に配置された濾紙上のスポットに対して、同一の測定周期内で、ダスト捕集前の調湿動作、β線計測動作、ダスト捕集動作、ダスト捕集後の調湿動作、β線計測動作を順次開始し、その後に濾紙送り動作を実行する検出部を二つ備え、
前記二つの検出部の測定周期を、一方の検出部のダスト捕集時間の始期が他方の検出部のダスト捕集時間の終期となり、かつ、前記一方の検出部のダスト捕集時間の終期が前記他方の検出部のダスト捕集時間の始期となるように一定時間ずらすと共に、前記二つの検出部のダスト捕集時間を等しくし、
前記一方の検出部によるダスト捕集期間において、
前記他方の検出部が、ダスト捕集後の調湿動作とβ線計測動作とを一部の期間、同時に実行し、その後、ダスト捕集前の調湿動作とβ線計測動作とを一部の期間、同時に実行するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載したダスト計において、二つの検出部におけるダスト捕集時間を何れも１時間とし、請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載したダスト計において、二つの検出部におけるダスト捕集時間を何れも２４時間とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載したダスト計において、ダスト捕集時間内の単位時間の始期及び終期にβ線計測動作を行って単位時間内のダストの質量濃度の測定値を単位時間値として求め、この単位時間値を試料大気の湿度検出値と調湿目標湿度との比や差を用いた補正係数により補正するものである。

請求項６に係る発明は、請求項４または５に記載したダスト計において、ダスト捕集時間内の前記単位時間値の平均値と、前記ダスト捕集時間でのダストの質量濃度の測定値との比を湿度補正係数として求め、当該湿度補正係数を前記単位時間値に乗じて前記単位時間値を補正するものである。

本発明によれば、ダスト捕集の前後において調湿を行うため、濾紙を所定の湿度に保った状態でダストを捕集することができる。このため、標準測定法に比べて遜色のない高精度な測定値を得ることができる。
また、試料大気等に調湿空気を加えないため、圧力損失を低減することが可能である。
更に、一方の検出部によりダスト捕集を行っている間に他方の検出部により調湿やβ線計測を行うことが可能であるから、見かけ上のダスト捕集時間を長くして標準測定法に近い測定値が得られると共に、１時間値等の単位時間値を得たい場合には、湿度検出値や補正係数を用いた補正処理によって正確な速報値を得ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は、本実施形態に係るダスト計の概略的な構成図であり、このダスト計は、β線吸収法によりダストの質量濃度を自動的に測定する二系統の検出部Ａ，Ｂを備えている。

すなわち、図１において、１０は試料大気が導入される配管、２０は試料大気の流路を切り替える流路切替器、１１〜１５は試料大気または調湿空気が流通する配管、Ａ，Ｂは配管１４，１５の途中にそれぞれ配置され、かつ、β線源３１及び検出部３２を備えると共にダスト捕集用の濾紙３３が供給される検出部、１６〜１９は試料大気または調湿空気が流通する配管、５１は調湿空気が流通する配管、４１は配管１３の途中に配置された流路切替弁、４２は配管１４，１６，１７の連結部に配置された流路切替弁、４３は配管１５，１６，１８の連結部に配置された流路切替弁、Ｈ１は配管１７に配置された第１の湿度センサ、Ｈ２は配管１９に配置された第２の湿度センサ、Ｐ１は配管１９に配置されたポンプ、ｆは配管５１に配置された粗フィルタ、Ｐ２はポンプ、Ｄはドライヤ、Ｒはキャピラリ抵抗、Ｖはニードル弁、Ｆは高性能フィルタである。
なお、二系統の検出部Ａ，Ｂには、図示されていない濾紙送り機構によってそれぞれ個別に濾紙３３（３３Ａ，３３Ｂ）が供給されるようになっている。また、ポンプＰ２、ドライヤＤ、ニードル弁Ｖの組合せにより、湿度５０％の調湿空気を作り出す。

次に、このダスト計の動作を、図２〜図５のフローと図６のタイムチャート１を参照しつつ説明する。ここで、図２〜図５のフローは、検出部Ａ，Ｂが１時間でダストを捕集する場合のものであり、図６（ａ）はそのときの検出部Ａ，Ｂの動作を示している。

まず、図２は、検出部Ａが濾紙の調湿を行い、検出部Ｂがダスト捕集を行う場合のフローを示している。なお、図２〜図５のフローでは、流路切替弁４１〜４３の開ポートを白抜きで表示してある。
図２のフローでは、流路切替弁４１の検出部Ａ側のポートを開き、ポンプＰ２を動作させ、ニードル弁Ｖを開き、調湿空気を配管５１、流路切替弁４１、配管１３，１４を介して検出部Ａに導入し、濾紙３３Ａを調湿すると共に、流路切替弁４２、湿度センサＨ１、配管１７を介して排気する。なお、この時の湿度は湿度センサＨ１により監視されている。同時に、流路切替器２０を配管１２，１５側に切り替えて検出部Ｂの濾紙３３Ｂにより試料大気中のダストを捕集し、流路切替弁４３、配管１６、ポンプＰ１、配管１９を介して排気する。このフローにおいて、検出部Ａは、まだダストを捕集する前の状態にあり、検出部Ｂは、ダスト捕集を行っている状態にある。
このフローは、図６におけるフロー番号「図２」の部分であり、例えば図６（ａ）の期間Ｔ１に相当する。

次に、図３は、ポンプＰ２を止めて検出部Ａへの調湿空気の供給を停止した状態でダスト捕集前にβ線計測を行い、検出部Ｂは引き続き濾紙３３Ｂにダスト捕集を行っている場合のフローである。
このフローは、図６におけるフロー番号「図３」の部分であり、例えば図６（ａ）の期間Ｔ２に相当する。

図４は、ポンプＰ２を動作させ、流路切替弁４１の検出部Ｂ側のポートを開き、調湿空気配管５１、流路切替弁４１、配管１３，１５を介して検出部Ｂに導入し、濾紙３３Ｂを調湿すると共に、流路切替弁４３、湿度センサＨ１、配管１７を介して排気する。同時に、流路切替器２０を配管１１，１４側に切り替えて検出部Ａにより試料大気中のダストを濾紙３３Ａに捕集し、流路切替弁４２、配管１６、ポンプＰ１、配管１９を介して排気する。すなわち、検出部Ａ，Ｂが図２とは逆の動作を行っている状態である。
このフローは、図６におけるフロー番号「図４」の部分であり、例えば図６（ａ）の期間Ｔ３に相当する。

図５は、ポンプＰ２を止めて検出部Ｂへの調湿空気の供給を停止した状態でダスト捕集後のβ線計測を行い、検出部Ａは引き続き濾紙３３Ａにダストを捕集している場合のフローである。
このフローは、図６におけるフロー番号「図５」の部分であり、例えば図６（ａ）の期間Ｔ４に相当する。
期間Ｔ４が経過した時点で、検出部Ｂは紙送りを行って濾紙３３Ｂの次のスポットにダストを捕集するように動作させる。

また、図６（ａ）の期間Ｔ４の次の期間Ｔ５では、再び図４のフローを実行し、その後、期間Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８では順次、図５，図２，図３のフローを実行する。そして、期間Ｔ８が経過した時点で、検出部Ａはダスト捕集前後のβ線計測が終了するため、濾紙の質量の変化分と試料大気の捕集積算流量からダスト濃度を測定することができる。この時点で、検出部Ａは紙送りを行って濾紙３３Ａの次のスポットにダストを捕集するように動作させる。
なお、この例において、検出部Ａ側の濾紙３３Ａの同一スポットに対する一測定周期（期間Ｔ１〜Ｔ８の合計）は２時間であり、検出部Ｂでは、期間Ｔ５以降に、検出部Ａにおける期間Ｔ１以降と同様の処理が実行される。
このように、検出部Ａ，Ｂは、一定の時間遅れを持って、調湿→β線計測→ダスト捕集→調湿→β線計測という動作を繰り返すことになる。

上記の動作により、検出部Ａ，Ｂでは、ダストの捕集前後に調湿を行うので、濾紙３３Ａ，３３Ｂの湿度を標準測定法と同様の５０％程度まで調湿することができ、標準測定法に対するダスト濃度の測定誤差を小さくすることができる。また、調湿空気や試料大気を同時に圧送しないので、圧力損失も少なくなる。
更に、ダストの捕集時間が短時間（１時間）であるため、揮発性ダストの飛散が少なく、測定精度が低下することもない。その反面、検出部Ａ，Ｂが交互にダストを捕集することができ、見かけ上は一つの検出部が連続的かつ長時間にわたってダストを捕集することになるので、測定精度を向上させることができる。

なお、図６（ｂ）は、図２〜図５のフローを実行する一測定周期（期間Ｔ１〜Ｔ８の合計）を４８時間とした場合のタイムチャートである。この場合のダスト捕集時間は、２４時間である。
図６（ｂ）における検出部Ａ，Ｂの動作は、図６（ａ）と実質的に同一であり、異なるのは各期間Ｔ１〜Ｔ８のスケールが延びている点である。

図６（ｂ）のようなタイムチャートで測定する場合、標準測定法と同様に長時間のダスト捕集時間及び調湿時間を確保することができ、揮発性ダストの飛散量も標準測定法に近付けることができる。

なお、この測定方法ではダスト捕集時間が２４時間であり、例えば１時間ごとの測定値（１時間値）を得ることができない。
従って、１時間値を得たい場合には、図６（ｂ）のダスト捕集期間において、単位時間を１時間としてその始期及び終期にβ線計測を行ってダストの質量濃度を測定し、この測定値を１時間値として求めることが考えられる。但し、この場合には濾紙の調湿が不十分であるから、図１の第２の湿度センサＨ２により試料大気の湿度を検出し、その湿度検出値と調湿目標湿度（例えば５０％）との比や差を用いた補正係数（理論値あるいは実験値）により１時間値を補正すればよい。

また、１時間値の精度を上げるための他の方法としては、図６（ｂ）のタイムチャートによりダストを２４時間捕集した時の測定値（２４時間値）が確定した段階で、前記のように求めた１時間値を２４時間分積算し、２４で除して平均した値が２４時間値に等しくなるように、以下の式によって湿度補正係数を求める。
２４時間値＝Σ（１時間値）／２４×湿度補正係数
こうして求めた湿度補正係数を１時間値にそれぞれ乗算することにより、速報値としての１時間値の精度を高めることができる。
更に、上記の湿度補正係数を過去数日間にわたり演算して記憶しておき、その平均値を求めて１時間値に乗算しても良い。
なお、速報値として１時間値以外の２時間値、３時間値、……等の単位時間値を求めたい場合にも、１時間値と同様な測定処理、補正処理を行えば良い。

次に、本実施形態における他の測定方法を、図７，図８のフロー及び図９のタイムチャート２を参照しつつ説明する。
前述した図２〜図６の測定方法では、β線計測を行う期間は調湿しないため、β線計測時に検出部Ａ，Ｂが所望の湿度になっていない場合もある。このため、図７〜図９の測定方法では、β線計測時にも調湿するようにして測定精度を一層向上させるようにした。

図９のタイムチャートは、図６と同様に検出部Ａ，Ｂの動作を示したものであり、図９（ａ）はダスト捕集時間が１時間の場合、図９（ｂ）はダスト捕集時間が２４時間の場合である。
まず、図９（ａ）において、期間Ｔ１１では、前述した図２と同様のフローを実行し、検出部Ａが調湿を、検出部Ｂがダスト捕集を行う。

次に、期間Ｔ１２では、検出部Ａが調湿及びβ線計測を同時に行い、検出部Ｂがダスト捕集を引き続き行う。この時のフローは図７に示す通りであり、調湿空気を配管５１，流路切替弁４１、配管１３，１４を介して検出部Ａに供給することにより濾紙３３Ａを調湿し、流路切替弁４２、湿度センサＨ１及び配管１７を介して排気すると同時に、検出部Ａにおいてダスト捕集前のβ線計測を行う。また、この間、流路切替器２０を配管１２側に切り替え、試料大気を配管１２，１５を介して検出部Ｂに供給することにより濾紙３３Ｂにダスト捕集を行い、流路切替弁４３、配管１６、ポンプＰ１及び配管１９を介して排気する。

次いで、期間Ｔ１３では、前述した図４と同様のフローを実行し、検出部Ａがダスト捕集を、検出部Ｂが調湿を行う。

期間Ｔ１４では、期間Ｔ１２と逆に、検出部Ａがダスト捕集を引き続き行い、検出部Ｂが調湿及びβ線計測を同時に行う。
この時のフローは図８に示す通りであり、流路切替器２０を配管１１側に切り替え、試料大気を配管１１，１４を介して検出部Ａに供給することにより濾紙３３Ａにダスト捕集を行い、流路切替弁４２、配管１６、ポンプＰ１及び配管１９を介して排気する。この間、調湿空気を配管５１，流路切替弁４１、配管１３，１５を介して検出部Ｂに供給することにより濾紙３３Ｂを調湿し、流路切替弁４３、配管１８、第１の湿度センサＨ及び配管１７を介して排気すると同時に、検出部Ｂにおいてダスト捕集後のβ線計測を行う。
期間Ｔ１４が経過した時点で、検出部Ｂは紙送りを行って濾紙３３Ｂの次のスポットにダストを捕集するように動作させる。

次の期間Ｔ１５では、再び図４のフローを実行し、その後、期間Ｔ１６，Ｔ１７，Ｔ１８では順次、図８，図２，図７のフローを実行する。そして、期間Ｔ１８が経過した時点で、検出部Ａはダスト捕集前後のβ線計測が終了するため、濾紙３３Ａの質量の変化分と試料大気の捕集積算流量からダスト濃度を測定することができる。この時点で、検出部Ａは紙送りを行って濾紙３３Ａの次のスポットにダストを捕集するように動作させる。
なお、濾紙３３Ａ，３３Ｂの同一スポットに対する一測定周期（期間Ｔ１１〜Ｔ１８の合計）は、この例でも２時間である。

一方、検出部Ｂでは、期間Ｔ１５以降に、検出部Ａにおける期間Ｔ１１以降と同様の動作を行う。
この測定方法において、検出部Ａ，Ｂは、一定の時間遅れを持って、調湿→調湿及びβ線計測→ダスト捕集→調湿→調湿及びβ線計測という動作を繰り返すことになる。

なお、図９（ｂ）は、図６（ｂ）と同様に、濾紙の同一スポットに対する一測定周期を４８時間として測定する場合のタイムチャートであり、この場合のダスト捕集時間は、２４時間である。
図９（ｂ）における検出部Ａ，Ｂの動作は、図９（ａ）と実質的に同一であり、異なるのは各期間Ｔ１１〜Ｔ１８のスケールが延びている点である。
図９（ｂ）のようなタイムチャートで測定する場合、標準測定法と同様に長時間のダスト捕集時間を確保できると共に、調湿時間が長くなるので測定精度を更に向上させることができる。

本発明の実施形態に係るダスト計の概略的な構成図である。 実施形態の動作を示すフロー図である。 実施形態の動作を示すフロー図である。 実施形態の動作を示すフロー図である。 実施形態の動作を示すフロー図である。 実施形態の動作を示すタイムチャートである。 実施形態の動作を示すフロー図である。 実施形態の動作を示すフロー図である。 実施形態の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０〜１９，５１：配管
２０：流路切替器
３１：β線源
３２：検出部
３３，３３Ａ，３３Ｂ：濾紙
４１〜４３：流路切替弁
ｆ：粗フィルタ
Ｆ：高性能フィルタ
Ｐ１，Ｐ２：ポンプ
Ｒ：キャピラリ抵抗
Ｈ１，Ｈ２：湿度センサ
Ｖ：ニードル弁

Claims (6)

1. 試料大気が検出部に供給され、この検出部内の濾紙上のスポットにより試料大気中のダストを捕集すると共に、ダスト捕集前後の濾紙の質量変化をβ線吸収法により計測してダストの質量濃度を測定するダスト計において、
   試料大気が交互に供給され、かつ、それぞれ個別に配置された濾紙上のスポットに対して、同一の測定周期内で、ダスト捕集前の調湿動作、β線計測動作、ダスト捕集動作、ダスト捕集後の調湿動作、β線計測動作を順次実行し、その後に濾紙送り動作を実行する検出部を二つ備え、
   前記二つの検出部の測定周期を、一方の検出部のダスト捕集時間の始期が他方の検出部のダスト捕集時間の終期となり、かつ、前記一方の検出部のダスト捕集時間の終期が前記他方の検出部のダスト捕集時間の始期となるように一定時間ずらすと共に、前記二つの検出部のダスト捕集時間を等しくし、
   前記一方の検出部によるダスト捕集期間において、
   前記他方の検出部が、ダスト捕集後の調湿動作、β線計測動作、濾紙送り動作、ダスト捕集前の調湿動作、β線計測動作を順次実行することを特徴とするダスト計。
2. 試料大気が検出部に供給され、この検出部内の濾紙上のスポットにより試料大気中のダストを捕集すると共に、ダスト捕集前後の濾紙の質量変化をβ線吸収法により計測してダストの質量濃度を測定するダスト計において、
   試料大気が交互に供給され、かつ、それぞれ個別に配置された濾紙上のスポットに対して、同一の測定周期内で、ダスト捕集前の調湿動作、β線計測動作、ダスト捕集動作、ダスト捕集後の調湿動作、β線計測動作を順次開始し、その後に濾紙送り動作を実行する検出部を二つ備え、
   前記二つの検出部の測定周期を、一方の検出部のダスト捕集時間の始期が他方の検出部のダスト捕集時間の終期となり、かつ、前記一方の検出部のダスト捕集時間の終期が前記他方の検出部のダスト捕集時間の始期となるように一定時間ずらすと共に、前記二つの検出部のダスト捕集時間を等しくし、
   前記一方の検出部によるダスト捕集期間において、
   前記他方の検出部が、ダスト捕集後の調湿動作とβ線計測動作とを一部の期間、同時に実行し、その後、ダスト捕集前の調湿動作とβ線計測動作とを一部の期間、同時に実行することを特徴とするダスト計。
3. 請求項１または２に記載したダスト計において、
   前記二つの検出部におけるダスト捕集時間を何れも１時間とすることを特徴とするダスト計。
4. 請求項１または２に記載したダスト計において、
   前記二つの検出部におけるダスト捕集時間を何れも２４時間とすることを特徴とするダスト計。
5. 請求項４に記載したダスト計において、
   ダスト捕集時間内の単位時間の始期及び終期にβ線計測動作を行って単位時間内のダストの質量濃度の測定値を単位時間値として求め、この単位時間値を試料大気の湿度検出値と調湿目標湿度との比や差を用いた補正係数により補正することを特徴とするダスト計。
6. 請求項４または５に記載したダスト計において、
   ダスト捕集時間内の前記単位時間値の平均値と、前記ダスト捕集時間でのダストの質量濃度の測定値との比を湿度補正係数として求め、当該湿度補正係数を前記単位時間値に乗じて前記単位時間値を補正することを特徴とするダスト計。
   

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