JP5443787B2 - 空気中の繊維を高精度でカウントする装置 - Google Patents

Description

本願は、２００８年１０月６日に出願された米国仮特許出願シリアルナンバー６１／１０３１２４号を参照しこれに基づく優先権を主張するものであり、その開示全部を参照によって本願明細書に援用する。

本開示は、肺に吸込むと健康に害を及ぼす可能性のある、例えばアスベスト繊維やその他の自然の繊維又は人工の繊維などの繊維状物質の存在を検知するために、空気又はその他の気体中に浮遊する繊維をカウントする方法及び装置に関する。

数々の自動繊維カウント装置が開発されてきたが（特許文献１）、これらのように以前に開発されたものは、その設計に大きな問題があり実用的なものではなかった。

米国特許第４９４０３２７号

本発明は、従来の繊維カウント装置の欠点を克服し、職場環境で自動で繊維をカウントするための、信頼性があり精度が高く最新鋭の装置を提供することを目的としている。

本開示は、選択された環境中における繊維の濃度を判定するために、気体（空気）中の繊維を自動的に及び正確に検出するための装置に関する。図示のとおり、一つの実施形態では、光源、通常は固体レーザー光源によって、気体及び繊維が流れる流路に、実質的に平行な光線が投射される。気体に含まれる繊維は、レーザー光線からの光を散乱させる。そして検出領域の散乱された光を検出する光検出器が配備されている。検出領域で繊維を振動させるために振動電界を生成する電極システム、好ましくは四重極電極システムが配備されている。流路の断面面積は、光線の断面面積よりも実質的に広い。

光検出器の出力は回路に入力され、回路は流路を流れる気体に含まれる繊維の濃度を示すパルス列を出力する。本開示の装置によって、従業員・作業員が立ち入る可能性のある環境における繊維の濃度を判定するために、正確に確実に繊維をカウントすることができる。浮遊する繊維の有害となり得るレベルを検出したら、浮遊する繊維を吸入する危険を回避するためにフェイスマスクなどの呼吸保護装置を必要とするように、装置が視覚的又は聴覚的警告を従業員・作業者に対して出力してもよい。本開示の装置は、使用者の最小限の操作及び介入によって自動的に動作できる。

図１は、本開示の繊維検出モジュールを示す縦断面図である。 図２は、図１の繊維検出モジュールを図１の線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図であり、四重極電極と透明な窓とを有する取り外し可能なサブアセンブリを示している。 図３は、繊維検出領域において繊維を整列させ振動させるために、繊維検出領域にて電極に印加される電圧の通常の電圧波形を示す略図である。 図４は、照射された検出領域を流れる繊維を振動させることによって散乱される光を受けて光検出器が出力する出力パルス列を示す略図である。 図５は、繊維検出モジュールの斜視外観図である。 図６は、本開示の装置又はシステムを示す略システム図である。

図１は、本開示の繊維検出モジュール１００の縦断面図で、浮遊する繊維を運ぶ空気（気体）が流れる、管状の円筒流路１１０を示している。繊維検出モジュール１００には、源２００（図６）から試料空気流が流入してくる入口１２０と、この空気流が出ていく出口１２２とが設けられている。モジュール１００の一端部に取り付けられた通常は固体レーザー光源１３０である光源が、円筒流路１１０に光線１３５を投射する。レーザー光線１３５の行く手に設置されたレンズ１４０が光線の角度発散を減少させており、これによってレーザー光のほぼ平行なビームが、繊維検出のために、円筒流路１１０に投射されるようになっている。流路１１０の検出領域１５０内で繊維検出が実行される。検出領域１５０は流路の一部であり、別体である円筒体１６０内に設けられている。円筒体１６０は、モジュール１００の本体１９５の穴部に挿入された取り外し可能なサブアセンブリであり、モジュールの取り外し可能な端キャップ部１１５によって適所に保持されている。サブアセンブリつまり円筒体１６０は、四重極電極と、窓１６５によって覆われる側面開口１６２とを備えている。側面開口１６２は本体１９５の開口１６４と位置合わせされており、検出領域において繊維によって散乱した光が、本体１９５に取り付けられた光検出器に到達するようになっている。窓１６５が光検出器と流路１１０とを隔てている。四重極電極システムの４つの電極のうちの２つに参照番号１、２が付されており、図１の縦断面図で確認できるようになっている。

検出領域１５０に絶えず照明を当てておくために、レーザー光線１３５の角度発散は、低度、通常は２度以下に保たれている。光吸収材１９０が、表面に衝突するレーザー光を吸収し、検出領域１５０に光が反射して戻ることを防ぐために、気体流路１１０の端部に設置されている。光が反射して戻ると、光検出器によって感知される背景光レベルが上昇してしまう。予備清浄空気入口１２４が設置されており、これによって源２１０（図６）から清浄で粒子の無い空気が少量システムに取り込まれ、検出のためにシステムの流路１１０へ入る空気流によって運ばれる繊維や他の浮遊する粒子などによってレンズ１４０が汚染されることがないようになっている。

円筒体１６０は、繊維検出モジュール１００の本体１９５に挿入できる自己完結型のサブアセンブリとして設計されている。円筒体１６０には、周囲の大気へ気流が漏れることを防ぐためにＯリングシール（図示せず）が配備されている。この円筒体は、電極１と２とを含む四重極電極システムを有しており、さらに、光検出器１７０に繊維から散乱した光を伝達するための窓１６５を有している。

図２は、繊維検出モジュール１００を図１の線Ａ−Ａに沿って切り取った断面図であり、円筒体であるサブアセンブリ１６０の電極と窓アセンブリと、流路１１０の円形断面と、検出領域１５０のレーザー光線１３５の断面の詳細を示している。図ではレーザー光線断面は円形となっている。実際には、円形または楕円形となり得る。本開示の実施形態で使用される楕円形レーザーの断面の寸法は、長い方の軸が約２．５ｍｍで短い方の軸が約１．５ｍｍである。流路１１０の円形断面の直径は、約６．０ｍｍである。

光線１３５は流路１１０の断面の一部しか照射しないため、流路で気流によって運搬される繊維全てが光線で照射されることはなく、よって、それらは光学検出システム１７０による検出を逃れることになる。流路１１０の全断面面積Ａ１の、レーザー光線として開示される光線１３５の断面面積Ａ２に対する比率は、レーザー光線１３５によって照射される気体流路１１０の面積の割合に反比例する。つまり、面積比率Ａ１／Ａ２が１０であるということは、気体流路の１０%が光線で照射されるということになり、面積比率Ａ１／Ａ２が１００であるということは、気体流路の１%が光線１３５で照射されるということになる。

図示の装置の一つの実施形態では、面積比率Ａ１／Ａ２は約１０である。これに対して、米国特許第４９４０３２７号の設計を基にしたガラス管電極システムでは、面積比率は約２００となっている。つまり、本開示の設計によって、面積比率が２００から１０へと改善されたことになり、照射される感知面積を２０倍増加させたことになる。照射される感知面積が２０倍増加したことによって、照射される検出領域を通過する気流が２０倍となり、２０倍の繊維が検出されカウントされることになる。従来のガラス管設計の装置では計測に２０分かかった浮遊する繊維の濃度レベルが、この新しい設計ではたった１分で計測できる。６０分の計測時間は今や３分にまで短縮できる。職場に浮遊する繊維濃度が危険なレベルに達したとき従業員に警告するために早い反応が必要とされる装置にとっては、検出及び計測速度のこの違いは大きい。面積比率のさらなる縮小も可能である。これは、流路の直径を縮小する、光線の断面面積を拡大する、またはその両方を行うことによって達成できる。レーザー光源を使用するときに光線の断面を拡大するには、レーザー光線の照度を大幅に下げずに済むように、レーザーの出力を上げることが必要となる可能性がある。面積比率Ａ１／Ａ２の好適な範囲は、実用的な装置では、２〜５０である。

図２の断面図には、図１の円筒体１６０に収容された窓―電極アセンブリの設計の詳細が示されている。この円筒体１６０の本体は、非導電性の物質から形成されており、好ましくは、正確に機械加工されたプラスチックから形成されている。この本体には、円筒形のプラスチックのブロックまたは一片である円筒体１６０に細い金属片が埋め込まれるようにして、４つの電極１、２、３、４から構成される四重極電極が埋め込まれている。図１の電極１，２で示すとおり、４つの電極を形成する各金属片は流路１１０に沿って軸方向に延在している。４つの別体としての電極接触１１、１２、１３及び１４が配備されており、個々の電極にＡＣ又はＤＣ電圧が印加できるようになっている。さらに、円筒ブロック又は円筒体１６０には、細い透明な窓１６５が埋め込まれている。窓１６５は、レーザー照射検出領域１５０で繊維によって散乱される光が光検出器１７０の感知面１７２まで通過して到達できるように、高品質の精密光学ガラスから形成されている。光検出器１７０は、光ダイオードまたは光電子倍増管でもよい。

図２に示す４つの電極は、流路の周囲で環状に離間して配置されている。図２の電極１及び４は互いに隣接しており、電極１と２との間の角度を二分するブロック１６０の長手方向の軸方向に延在する区分け平面の同じ側に位置している。電極１と４はそれぞれ、正・負ＤＣ電圧を出力する２つの独立したＤＣ電圧源２１・２４に接続されている。正・負電圧を印加されたこれらの電極がモジュール１００の検出領域１５０に着実なＤＣ電界を作成し、これによって、検出領域１５０を流れる空気内の繊維が極性を持つようになる。これによって、各繊維は電界の方向に沿って縦に整列するようになる。対照的に、図２の電極２及び３は、互いに隣接しており、区分けする平面を挟んで電極１及び４と対向する側に配置されている。電極２及び３はそれぞれ、時間によって変化する正・負電圧を出力するＡＣ電圧源２２・２３に接続されている。このような変化するＡＣ電圧がＤＣ電圧源２１及び２４からのＤＣ電圧界と組み合わさって、検出領域１５０に振動ＡＣ電界が作成される。この振動ＡＣ電界によって、繊維が検出領域を通過するとき、各繊維は変化するＡＣ電界に合わせて前後に振動するようになる。電圧源によって、電極の励振が引き起こされる。

本発明のある特定の実施形態では、ＤＣ電圧源２１及び２４はそれぞれ、正極性及び負極性の７５０Ｖ ＤＣを出力するようになっている。一方、ＡＣ電圧源２２及び２３はそれぞれ、０〜１５００Ｖ＋に変化する、及び０〜−１５００Ｖに変化する正弦波ＡＣ電圧を出力するようになっている。ＡＣ電圧の周波数は通常７００Ｈｚである。図３は、各電極における電圧の波形と、正及び負のＡＣ電圧の位相関係とを示している。図示のＤＣ及びＡＣ電圧が印加された四重極電極システムによって、繊維がＤＣ界の方向に沿って整列するようになる。同時に、繊維は、繊維が検出領域１５０を通り過ぎるのにかかる見積もり時間１４ミリ秒中、前後に２０回振動する。光散乱は光検出器１７０の光軸に対する繊維の向きによって異なるため、光検出器の出力が図４に示すような電圧パルス列を作成するように、光パルス列が光検出器に到着する。

繊維の検出には、適切な電子回路によって光検出器１７０の出力を分析するステップが含まれている。球状の液滴及び小さいが球状ではない鉱物粉末の粒子がシステムの流路１１０を通り過ぎる場合は、粒子が検出領域を一端から他端へと通り過ぎるにつれて徐々に変化する光パルスが生成される。これに対して、ＤＣ／ＡＣ四重極電界において繊維粒子は、速い速度で前後に振動し、これによって検出領域を通る繊維は、光検出器に対して、印加されたＡＣ電界と同期をとって生成される光パルス列を散乱させるようになる。このパルス列は、小型で繊維状ではない粒子と繊維粒子とを区別するのに利用できる。

繊維の確実な識別と、検出された繊維のカウントとでは、（１）散乱光信号中にパルス列があるかどうか確認するために信号を検査することと、（２）列中の個々のパルスがはっきりとカウントでき、そのパルス列が、ランダムノイズからのパルスや、検出領域を同時に通過するいくつかの粒子によって生成される偽の信号ではなく、印加されたＡＣ四重極界において振動する繊維粒子からのものであると確実に識別することとが必要である。繊維として識別するためにパルス列からの２０パルスの全てをカウントしてもよいが、実際には、繊維の識別及びカウントのためには、カウントするのは数個のパルスだけでよい。１０パルスを数えるのは多すぎであり、５パルスも数えれば正確な繊維カウントができることが分かった。実際は、２パルス〜パルス列で生成されたパルスの５０%以下を計測すれば、繊維の正確な識別には十分である。

図５は、モジュールの外側の形状を示す繊維検出モジュール１００の３次元図である。レーザー光源１３０と、清浄空気入口１２４と、光電子倍増管検出器１７０と、電極端末１１、１２、及び１３と、光吸収体１９０とが、外側から確認できる。

図６は、本開示の繊維カウント装置の概要システム図である。繊維検知モジュール１００が、カウント対象である繊維を含有する気体源２００に接続された入口１２０と、気体源２００からの繊維及び粒子によってレンズが汚染されないように清浄で粒子のない空気又は気体を提供するための清浄空気源２１０に接続された入口１２４とともに示されている。システムに一定速の空気流が流れるようにポンプ２４０を使用する。システムを流れる空気の流速は、通常２．０リットル／分である。フィルター２２０と気体流センサー２３０とが、出口１２２とポンプ２４０との間の流路に配置されている。

続いて行われる、別個の方法による分析のため、繊維試料を収集するためにフィルター２２０が使用される。収集した繊維が、有害なアスベスト繊維であるのか又はもっと害の無い繊維なのか確認するために、例えば光学顕微鏡などによって総繊維数をカウントするためにフィルターで捉えられた試料が使用される。接続されている流管又は流路の壁への堆積による繊維の損失を最小限に抑えるために、フィルターはモジュール１００の出口１２２に接続されている。また、流量センサー２３０及びポンプ２４０などの下流側の部品を汚染してしまう気体の中の粒子が、フィルター２２０によって除去される。

図６に示すとおり、本開示の繊維カウント装置はさらに、信号処理、データ収集、各種システムの制御、各動作実行のために電子回路２５０を備えている。通常、回路２５０は、四重極電極と、レーザー光源１３０と、光検出器１７０と、ポンプ２４０とが必要とする所用ＤＣ及びＡＣ電圧を提供するために、一つ以上の電子回路ボードを備えている。フィードバック制御信号として流量センサー２３０の出力を使用してポンプ速度をフィードバック制御することを通して、ポンプ２４０によってシステム中の試料の流れが維持される。そして、流量センサーからのフィードバック信号がその流れに望ましい設定値と一致するまで、ポンプ速度が自動的に調節される。電子回路２５０は通常コンピュータを基にしたマイクロプロセッサを備えており、これによって、特定の計測プロトコルを実行するためのソフトウェアを含む様々なシステム制御機能を実装し自動的に実行できるようになっている。コンピュータには通常、装置をユーザーフレンドリーにして操作しやすくなるようにグラフィカル・ユーザー・インタフェースが配備されている。現代の計測機器に一般的にみられるその他の機能は、自動機器設計の技術分野の当業者には既知である。

以上、好適な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の趣旨と範囲から逸脱せずにその形状や詳細を変更できることは、当業者は理解できよう。

１、２、３、４ 電極
１１、１２、１３、１４ 電極接触
２１、２４ ＤＣ電圧源
２２、２３ ＡＣ電圧源
１００ 繊維検出モジュール
１１０ 円筒流路
１１５ 端キャップ部
１２０ 入口
１２２ 出口
１２４ 清浄空気入口
１３０ 光源
１３５ 光線
１４０ レンズ
１５０ 検出領域
１６０ 円筒体
１６２ 側面開口
１６４ 開口
１６５ 窓
１７０ 光検出器
１７２ 感知面
１９０ 光吸収材
１９５ 本体
２００ 気体源
２１０ 清浄空気源
２２０ フィルター
２３０ 気体流センサー
２４０ ポンプ
２５０ 電子回路

Claims (13)

1. 気体中の繊維を検出するための装置であって、
   気体が流れる流路に沿って平行な光線を生成する光源と、
   気体中の繊維によって光線から散乱された光を検出する光検出器と、
   を備え、
   前記流路は、別体にすることが可能な本体ブロック中に形成されており、
   前記装置は、繊維の振動を引き起こすように振動電界を生成する電極システムであって、前記別体にすることが可能な本体ブロック中に配置され保持されるサブアセンブリを形成する非導電性のプラスチックの筐体に埋め込まれた電極を有する、電極システムを備え、
   前記電極システムは、ＤＣ電源だけに結合され前記流路の第１の側で当該流路に開放された第１の電極対と、当該第１の電極対から離間しＡＣ電源だけに接続され当該流路の第２の側で当該流路に開放された第２の電極対と、を備えており、
   前記流路の断面面積がＡ１であり、光線の断面面積がＡ２であるとすると、面積の比率Ａ１／Ａ２が２〜５０の範囲である、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   分析のために気体中に浮遊する繊維の試料を収集するフィルターをさらに備えていることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、
   ポンプと、
   前記流路を通過する気体流を感知する機構と、
   気体中の繊維の濃度を計測するための装置内で一定な気体流が維持されるように前記ポンプの速度を変えるために、気体流を感知する前記機構に反応する制御機構と、をさらに有することを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、
   散乱された光を示す、前記光検出器からの信号を検出及び分析する電子回路をさらに有することを特徴とする装置。
5. 流路に沿って流れる気体流中の繊維を検出するための装置であって、
   前記流路を流れる気体流の一部を照射するために当該流路に沿った平行な光線を生成する光源と、
   前記流路の第１の側上に配置された第１の電極対と、当該流路の当該第１の側と対向する側上に配置された第２の電極対とを備えた電極システムであって、当該流路が当該電極に位置合わせされた検出領域を有し、当該第１の電極対がＤＣ電源だけに接続され、当該第２の電極対が当該第１の電極対から離間してＡＣ電源だけに接続されて、気体流で運搬される繊維の振動を引き起こす、電極システムと、
   前記検出領域と位置合わせされた、前記流路の横方向開口と、
   前記検出領域における繊維の振動を基に信号を生成するように、前記横方向開口を通過する光を受け取る光検出器と、を備えている、装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、
   前記流路の断面面積と気体流の前記照射される部分の断面面積との比率が２〜５０であることを特徴とする装置。
7. 請求項５に記載の装置であって、
   前記流路の前記横方向開口に透明な窓が配備されており、
   前記光検出器が前記窓を挟んで前記流路と対向する側に位置している
   ことを特徴とする装置。
8. 請求項５に記載の装置であって、
   前記ＤＣ電源はＤＣ電界を生成し前記ＤＣ電界の方向に沿って繊維を整列させるようになっており、また、前記ＡＣ電源はＡＣ電界を生成して繊維が前記検出領域を通過するときに前後に振動させるようになっている、ことを特徴とする装置。
9. 請求項５に記載の装置であって、
   前記光源が、前記流路の外側端部に配置されたレーザー光源と、当該流路を閉鎖するレンズとを備え、当該レーザー光源が当該レンズを通して光を放出する、ことを特徴とする装置。
10. 気体中に浮遊する繊維を検出する方法であって、
    光源からの光線によって気体中に浮遊する繊維を照射する工程と、
    検出領域と当該検出領域に位置合わせされた電極システムとを提供する工程と、
    前記検出領域の第１の側でＤＣ電源だけに接続される第１の電極対を提供する工程と、
    前記第１の電極対から離間し、前記検出領域を挟んで当該第１の電極対と対向する側でＡＣ電源だけに接続される第２の電極対を提供する工程と、
    それによって、光線に照射された繊維の振動を引き起こす四重極振動電界を形成して光パルス列を生成させる工程と、
    前記振動電界に同期して生成される光パルスを光検出器で検出する工程と、
    検出された各パルス列中のパルスの２パルス以上であって、検出されたパルス数が５パルス以上の場合はそのうちの５０％未満の数をカウントする工程と
    を有する、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記気体が通る流路を提供する工程と、
    前記流路を流れる気体流の横方向に前記光検出器を配備する工程と、
    をさらに有することを特徴とする方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記検出領域中で繊維によって散乱された光を受け取るように前記検出領域の横方向に前記光検出器を配備する工程を有することを特徴とする方法。
13. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記照射する工程には、レーザー光源からの光線によって繊維を照射することが含まれていることを特徴とする方法。