JP5506128B2 - エアゾール粒子の数濃度と平均直径を測定する方法と装置 - Google Patents

Description

この発明は、キャリアガスに浮遊する粒子の数濃度と平均直径を測定する方法と装置に関する。この発明はエアゾールの遊離炭素全量を測定する方法にも関する。

キャリアガスに浮遊する粒子（エアゾール）は大気、呼吸空気や多くの技術的処理、例えば内燃機関からの放出において重要な役割を演じる。この粒子はしばしば浮遊塵或いは浮遊粒子と呼ばれる。重要な役割は、粒子の濃度を測定技術的に検出することである。１０マイクロメータより僅かに小さい大きさ領域の粒子は人間により吸い込まれ、健康にはマイナスに作用し得る。最も新しい研究成果は、人間の通常の保護メカニズムが特に１００ｎｍ未満のナノ粒子のためにもはや有効でないことを示す。ナノ粒子は主として自動車、石炭発電所、木材暖房などの燃焼処理において生じる。

従来の規格や基準は粒子濃度を大抵はエアゾールの容積単位当たりの粒子質量の形態で、例えば立方メータ当たりのマイクログラムで或いは自動車の放出では走行区間或いは出力されたエネルギー当たりの質量（μｇ／ｋｍ，μｇ／ｋＷｈ）で与える。そのように与えられた粒子負荷は実際にはおよそ０．１マイクロメータより大きい粒子のみを検出する、というのは確かにより高い数濃度に生じ得る小さい粒子が質量的には重要ではないからである。それ故に、小さい粒子を適切な重量で検出できる測定方法は現実に重要である。この場合には、前提に粒子数濃度の測定がある。これは例えばジーゼルエンジンの放出の限界値用の欧州専門家委員会の新たな提案にも求められている。興味のある大きな領域は数ナノメータから数百ナノメータまでのジーゼル粒子の場合で足りる。なお、より大きい粒子は数濃度において本質的影響を有しない。

今日は粒子数濃度を測定するためにほとんど専ら凝縮核メーターが使用される（例えば「エアゾール測定、原理、技術と応用」Ｐ．Ａ．バルコンとＫ．ビルケ、ビリーの共著、ニューヨーク、２００１年［非特許文献１］を参照）。この場合には、粒子は飽和した蒸気（ブタノール蒸気）を伴う環境にもたらされる。蒸気は粒子上に凝縮し、それによってこの粒子はそれが引き続いて容易に光散乱の測定によって検出され得る限りは成長する。個々の粒子の閃光の算出は直接的濃度決定を可能とする。この方法は、非常に敏感であり。極めて低い濃度も測定され得るが、しかしこの方法は特に飽和蒸気の発生や凝縮における温度の非常に正確な維持を必要とする。それはこの方法が一方では費用がかかり、他方では環境条件に依存している。

大きさ情報が必要であるならば、主として流動性分析を基礎とするシステムが使用され、このシステムでは荷電した粒子の偏流速度が電界で測定される。最も普及したものには、走査可動粒子寸法測定器（ＳＭＰＳ，ヴァング，Ｓ．Ｃ．とＲ．Ｃ．フラガンの共著：「走査電気可動スペクトルメーター」エアゾール科学技術１３、１９９０年、２３０−２４０頁［非特許文献２］）がある。この測定器はかなり良好な精度を有するが、しかし大きさスペクトル測定はおよそ１−２分持続する。１−２年前から、同様な原理に基づいているが、しかし〜０．１−１ｓの時間分解を有する（ＴＳＩのＥＥＰＳ，燃焼のＤＭＳ）新たな装置が存在する。しかしこの装置は大きく、重く、高い。

大きさ分布を測定するための拡散に基づいている装置は短く紹介されていた（欧州特許出願公開第１１５６３２０号明細書［特許文献１］）。ここでは粒子はまず最初に拡散荷電器により荷電され、引き続いて大きさに基づいて拡散分離器の複数段に分離され、電気的に測定される。この原理によって、粒子の大きさ分布とそれに伴う粒子数に関する情報が各大きさクラスに判定される。しかし、この装置は比較的に高価であり、測定の評価が扱いにくい。

健康障害の査定にとって同様に重要なパラメータは浮遊炭素値、即ち粒子内に存在する浮遊炭素の全量である。それ故に、これは、健康障害性が特に大抵は多周期的芳香族炭化水素の形態で存在する浮遊炭素に帰されるからである。表面における多周期的炭化水素による荷電粒子の数の測定のために光電荷電の原理を使用することは既に提案されていた。しかし、その原理から浮遊炭素の全量が簡単には推論できない。
欧州特許出願公開第１１５６３２０号明細書 「エアゾール測定、原理、技術と応用」Ｐ．Ａ．バルコンとＫ．ビルケ、ビリーの共著、２００１年。 ＳＭＰＳ，ヴァング，Ｓ．Ｃ．とＲ．Ｃ．フラガンの共著：「走査電気可動スペクトルメーター」エアゾール科学技術１３、１９９０年、２３０−２４０頁

本発明の課題は、現行の方法の欠点を克服し且つ特に比較的僅かな複雑な装置による迅速な測定を可能とする粒子濃度或いは粒子数及び／又は平均粒子大きさを測定する方法と装置を提供することである。この発明の別の課題は、浮遊炭素値の測定を可能とする方法を提供することである。

この発明によると、エアゾールの粒子はまず最初に拡散荷電器に或いは単極的に荷電される。引き続いて粒子は拡散分離器によって案内され、その分離器では粒子の一部が分離される。分離された電流は測定されて、この電流から数濃度の値が検出される。

拡散分離器で荷電されたエアゾール粒子により発生された電流は、次に「拡散分離電流」と呼ばれる。

この発明の知識は、比較的簡単に測定すべき拡散分離電流が粒子数濃度用の質量を意味することである。これは次の理由である。

拡散荷電器内の粒子を得る平均荷電ｑ^- は粒子の堆積横断面Ｋに比例している：
ｑ^- ∝Ｋ
ここでＫは粒子大きさの関数である。

拡散分離器内の粒子が分離されるという確率は、粒子の拡散定数Ｄに依存している。この確率は更により良い近所で堆積係数Ｋに逆比例している（Ａ．ケラー，Ｍ．フィーリツ，Ｋ．ジィークマン，Ｈ．Ｃ．ジィークマン，とＡ．フィリポフの共著、「Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｏ．」Ａ１９．１、２００１年１−８頁）
Ｄ∝Ｋ^-1

分離された粒子が拡散分離器内で引き起こす拡散分離電流Ｉが測定される。その拡散分離電流は分離確率、粒子荷電と粒子濃度Ｎから成る積によって決定される、即ち：
Ｉ∝Ｄ・ｑ^- ・Ｎ∝Ｋ・Ｋ^-1・Ｎ∝Ｎ

大きさ依存型両係数が補償され、拡散分離電流は粒子濃度にのみ依存して、それでこの発明によると、粒子濃度用の質量として使用されることができる。

拡散荷電器は例えば単極性拡散荷電器であり得る。拡散荷電器は高電界をもつ電気的に篩分けされた領域を有し得て、この高電界ではイオンが発生される。このイオンは電気的篩分けの開口（これは例えば格子として形成される）を通してエアゾールにより貫流された領域に流れる。

この発明の特に好ましい実施態様では、唯一の拡散分離器が使用される。そのような場合には、粒子が分離され、その際に拡散電流に寄与する表面は互いに電気的に接続されている。更に、拡散電流を検出する電流測定装置のみが必要である。僅かな好ましい別手段として、複数の電気的に平行に接続された表面領域（即ち、表面領域が例えば電気メーターを備えて、これによって検出された測定値が場合によっては測定適合に基づいて付加される）或いは平行に（即ち、異なるエアゾールの割合により）貫流された表面領域は、電気メーターと接続されている。数濃度に関する情報が場合によっては間接に大きさ分布によって決定される特許文献１から知られた先行技術とは違って、この発明による方法は複数の連続的に相前後して配置された拡散分離器なしで実施される。それ故に、この発明による措置は数濃度を決定するために比較的簡単な装置の使用を可能とする。

拡散分離器はそれ自体が公知であるように、板状分離器、格子分離器或いは管状分離器として形成され得る。この原理の組合せも考慮できる、例えば拡散分離器は最初に板状構造であって、引き続いてそれと電気的に接続した格子配列或いは管状配列を有し；そして他の組合せも考慮できる。

通過した経過では、粒子濃度及び／又は大きさが強力に変わるときに、拡散分離器に到達する荷電された粒子の電流も、対応して不安定になる。分離された粒子の所望の電流の外に、この不安定性は測定を妨害する誘導電流を惹起する。これを補償するために、拡散分離器に追加して、誘導を測定する装置が使用され得る。このときに、誘導電流のみが測定される。これは必要なときに粒子が両ユニットに流入する遅延の修正と、異なる感度を補償する修正係数による乗算とに基づいて、拡散分離器の信号により引き算される。この形式で誘導電流が補償され得る。

誘導を測定する装置は拡散分離器に連続的配列において前或いは後に接続され得る。別の手段として、その装置は平行に配置されている、即ちエアゾールの定義された割合が拡散分離器と誘導測定装置を供給される。

「平行」とはこの明細書と全書類にて当然に幾何学的に把握すべきではなく、むしろ互いの関係において個々の装置が流れに関連して配置されるか、或いはどのように個々の装置が電気的に接続されているかの種類に適用される。

誘導測定装置は拡散分離器自体と同様に見做されるが、しかし、分離板、分離管或いは分離格子を含有しない。誘導測定装置は例えば拡散分離器と同じ幾何学的形状を有し、寸法測定（例えば貫流方向における拡張或いは絶対的大きさ）は等しくないにちがいない。誘導測定装置の電極は実質的に零電圧に設置され得るか、或いは拡散分離器と同じ電気電圧を有する。

変移過程（つまり非静止測定値をもつ過程）において荷電されたエアゾール粒子の分離によって電極にて発生した電流が測定される限り、前記種類の誘導電流測定は他の測定との関係において拡散分離によって粒子数濃度の検出として使用され得る。そのための例は特許文献１に開示されるような粒子大きさ分布の測定、衝撃による測定或いは異なる柔軟性分析器ＤＭＡによる測定である。そのような装置は、荷電された粒子を伴うエアゾールがガス案内配列を貫流し、場合によっては物理的及び／又は化学的作用の影響の下で荷電された粒子の一部が第一電極と接続した分離面において分離されることに基づいている。それらは、特に第一電極と同様に構成される第二電極が存在し、しかし、分離面を有しないことを特徴としている。この第二電極は第一電極と流れ方向において前或いは後に接続されるか、又は電極が前記に説明されるように平行に配置されている。この場合に、この発明の前記実施態様におけるように、第二電極が特殊電圧であることは必要ない；この第二電極は例えば零電圧に設定できるか、或いは第一電極と同じ電圧を有する。

この発明の好ましい実施態様によると、粒子数濃度用の近似値の並んで、粒子大きさに関する情報も検出される。すなわち、平均粒子荷電はｄ^x と比例するより良い近似における幅広い大きさ領域にあり、ここでｄは粒子直径であり、指数ｘはおよそ１．２である。即ち、粒子を支持する全電荷濃度ｑ_tot がＮｄ^x と比例している。この全電荷濃度は、すべての粒子がフィルタにおいて分離されて、粒子がそこで引き起こす電流Ｉ_tot が測定されるときに、決定され得る。

拡散分離器並びにフィルタが使用されるならば、Ｎに比例する電流ＩとＮｄ^x に比例する電流Ｉ_tot とを得る。それで、両電流の商から粒子直径ｄが決定され得る。即ち適用される：
┌Ｉ_tot ┐^1/x
ｄ＝ｃ・│───│
└ Ｉ ┘

比例性定数ｃは寸法測定によって決定され得るか、或いは公知装置の幾何学形状では近似的に算出され得る。単に粒子大きさではなく、むしろ多少幅広い大きさ分布が存在するときに、ｄの決定によって平均粒子直径を得る。フィルタがＩ_tot の測定のために拡散分離器の後で運転されるならば（即ちエアゾール或いはエアゾールの一部が連続的配列で相前後して拡散分離器とフィルタを貫流する）、全電流Ｉ_tot を得るために、フィルタで測定された電流に対して拡散分離器で測定された拡散分離電流Ｉが付加されなければならない。この配列によって数濃度と平均直径が決定され得る。択一的に、平行な配列も考慮できる、ここで特徴すべきエアゾールの定義された一部が拡散分離器或いはフィルタを通して誘導される。

既に記載されたように、上記関係は近似的に適用される。より正確な考察では、或る大きさの依存性が存在する。電流ＩとＩ_tot からの大きさの決定はこの大きさの依存性の少なくとも部分的な補償を可能とする。補助的大きさ情報の外に、Ｉ_tot も測定されるときに、数濃度決定の精度も改良され得る。例えば実験的に決定された大きさの依存性が考慮されることができる。

この発明の特別の構成によると、測定方法で得られた平均直径は浮遊炭素全量を検出するために使用される。このために、特徴とすべきエアゾールの一部が拡散荷電、拡散分離と全荷電濃度測定を備えるこの発明の測定に追加してなお光電的に荷電され、時間単位当たり光電的荷電が測定される。これは、平行な測定ストランド（Messstrang) で行われる。特徴をなしているエアゾール電流から、部分電流が拡散荷電器と拡散分離器を備える測定ストランドによって、場合によっては例えば誘導を測定する別の測定装置によって伝えられる一方、別の部分電流が光電的荷電器と全荷電濃度を測定する装置を備える第二測定ストランドによって伝えられる。

第一測定ストランドにおける測定によって前記のように平均直径が決定される。この平均直径は光放射測定の結果から浮遊炭素値を決定するために使用され得る。これは次の考察と関係に基づく：

・それ自体公知であるように、光放射荷電係数はまず第一に現存の炭素量により決定される。それ故に、光放射荷電は良好に浮遊炭素量により訂正される。
・一定炭素量が粒子形状に表示され、キャリアガスに浮遊されるときに、荷電率が粒子大きさに依存することが実験的に見出された。粒子大きさの依存性は単調である。

それ故に、エアゾール内の浮遊炭素全量を決定する方法は工程ＡーＤを包含する：
Ａ．エアゾール内に浮遊された粒子の平均粒子直径の決定、
Ｂ．エアゾール粒子の光電的荷電、
Ｃ．光電的に荷電されたエアゾール粒子の全荷電の決定、
Ｄ．粒子平均直径と全荷電とから浮遊炭素全量の検出。

この場合に、次のことが適用される：
・方法工程Ａは方法工程ＢとＣの前に必ずしも行われる必要がない。むしろ特別に好ましい措置によって方法工程Ａは第一測定ストランドで実施され、そして方法工程ＢとＣは第二測定ストランドで実施され、この場合には、特徴すべきエアゾール電流により第一部分電流は第一測定ストランドによってそして第二部分電流は第二測定ストランドによって案内される。
・方法工程Ａは特に粒子の数濃度及び／又は平均直径を測定する前記方法によって実施される。しかし、これは必要な前提ではない。むしろ方法工程は或る一つの他の公知或いはなお開発すべき方法により平均粒子大きさの決定のために実施され得る。

第一工程において公知量の浮遊炭素が粒子形状に表示され、キャリアガス内で浮遊されるので、粒子大きさ、光電的荷電と浮遊炭素全量の間の関係は例えば検出され得て、ここではそれによって形成されたエアゾールでは前記方法工程ＡーＣが実施される。これは異なる粒子大きさのために繰り返される。そのような測定は粒子特性化の他の方法によって補足され得る。多数の測定に基づいて生じる関数Ｍ＝Ｍ（PE,d) （Ｍ＝浮遊炭素全量，例えばμｇで、PE＝光電的荷電、ｄ＝平均粒子直径）は、光電的荷電器の配置に依存する。しかし、この関数はＭ＝ｃＭ_univによって近似され得れ、この場合にＭ_univは一度決定された普遍妥当の関数であり、ｃは装置依存型測定係数である。

この発明による装置はガスを案内する配列を有し、この配列ではエアゾールが拡散荷電器を貫流し、次にその少なくとも一部が拡散分離器を貫流する。偶発的誘電電流測定装置は流れ方向において拡散分離器の前或いは後に接続されており、全荷電の測定用の偶発的フィルタは拡散分離器並びに誘電電流測定装置の後に接続されている。前述のように、択一的にこの連続的配列に対して平行な配列が使用され、この配列ではエアゾールが種々のストランドに案内され、その一つが拡散分離器と少なくとも一つの他の例えば誘電電流測定装置及び／又は全電流測定用のフィルタを有する。装置は搬送手段、例えばポンプを有し、それによってエアゾール流束が惹起されて制御される。そのための択一的に搬送は外部手段によって惹起される、例えば排ガス測定ではエンジンにより発生された流れ推進によって惹起される。

発明を実施するための最良の態様

次に、この発明の実施例は図面に基づいて正確に記載される。図には、すべてが概略的に示される：図１はこの発明の装置の拡散荷電器を示し、図２はこの発明の装置の拡散分離器を示し、図３は誘電電流を測定する測定配列を示し、図４は全電流、即ち時間単位当たり全荷電を測定する測定配列を示し、図５は全体図を示し、図６は全炭素量測定する測定配列を示し、図７は図６による好ましい実施態様を示す。

荷電は電気コロナ放電によって発生されるイオンによって行われることができる。荷電器１０の可能な構成は図１において示される。エアゾール入口１９とエアゾール出口１１２を備える円筒状ハウジング１１には、軸方向に配置された細い針金１２があり、この針金には高電圧１３が当接して、この高電圧は針金に静止電気放電（コロナ）を発生するために十分な大きさである。格子配列１４は高電界が支配される領域をエアゾールを貫流された容積１５から電気的に遮断する。格子を通して空間１５へ到達するイオンの数はこの格子に設定された僅かな電圧によって（電源１６によって）変更され、アンペアメーター１７によってエアゾールを貫流された容積１５を包囲する外部電極１８には零電位に測定される。格子に隣接する電圧１６の選択によって荷電の効率が決定されることができる。記載された用途のために、電圧が出来るだけ高いが、しかし電圧が大き過ぎて選定されなく、そうでなければ荷電された粒子が既に荷電器で分離される。典型的には、電圧が５Ｖと３０Ｖの間の値である。荷電器の出口では、測定を粗悪にし得た粒子に堆積されたイオンがイオントラップ（Ionenfalle) によって分離されない。これは棒１１０であり、この棒は供給部１１１を介してイオンを分離するために十分に高い電圧に設定される。僅かな活発性に基づいて、荷電された粒子は棒の電位を適切に選択する際には測定に影響する百分率で棒に堆積されない。

図２による拡散分離器２０は板状パケット２３として形成され、そのパケットは絶縁体２２を介してハウジング２１内に遮断されて組み立てられる（板状分離器）。アンペアメーター２４によって、板上に分離された荷電された粒子が引き起こす電流が測定され得る。板状パケットの代わりに、種々の他の解決態様が可能である。この拡散分離器は例えば管状パケット（管状分離器）として或いは蜂巣構造として形成され得る。一つ或いは複数の格子（格子分離器）から成る配列も使用され得る。文献には、拡散分離器の多様の実施例を見出すべきである。

図３は誘電電流３０を測定する配列を示す。機密で電気的に伝導するハウジング３１には、エアゾールが絶縁されて（絶縁体３２）組み立てられた電極３３を貫通し、その電極はアンペアメーター３４と接続している。誘電電流を測定する配列は、例えば実質的に拡散分離器と等しい円筒状（或いは非円筒状も）形状と例えば同じ寸法も有し、この場合に当然に分離面（板、管、蜂巣、格子など）が欠けている。そのような構成には、電極３３に分離された粒子の量は誘電電流と比較して僅かであり、その誘電電流はこの電極に全粒子荷電の変更に基づいて遷移された過程にて惹起される。

全荷電測定の実施はそれ自体公知の形式でエアゾール電気メーターの原理に基づいて行われる。ここでは粒子が電気的に絶縁されて組み立てられたフィルタ内に収集され、そこに生じる電流が測定される、これは更に前記センサーにて既に行われる。エアゾール電気メーター４０の例は図４を示す。エアゾール入口４６と出口４７を備える機密で電気伝導ハウジング４１には、エアゾール粒子がフィルタ４３内に補集される。フィルタは自己電気的伝導性である、或いは伝導性であり、流れのために透過性ハウジング４５（ファラデースクリーン）が取り付けられる。フィルタは絶縁されて（絶縁体４２）組み立てられ、アンペアメーター４４と接続している。測定された電流が時間単位当たり全荷電と一致する。

図１−４における部分システムの起こり得る組合せは図５において示され、この場合に図１−４において使用された参照図は図５に対応する要素を示す。拡散荷電器１０に引き続いて、列の流れ方向において誘導電流３０を測定する装置の後に、拡散分離器２０とエアゾール電気メーター４０が配置されている。他の配列は既に述べたように同様に考慮できる。

ここに記載された実施態様と共に、この発明が実現され得るように、多くの別の種類が考慮できる。例えば拡散荷電器は前記実施態様より他の実施態様に存在し得る；先行技術は例えば拡散荷電器を実現する多くの可能性を維持する。誘導修正用の電極は実質的に拡散分離器と同じ形状を有しないにちがいないし、むしろ重要な分離をもたらさない或る形状を有し得る。例えば電極は拡散分離器に堆積された大きな格子の形状を有し得て、この格子は極端な場合に単に二つの棒から成り立つ。

図６には、浮遊炭素全量の決定を可能とする測定配列が示される。この配列により二つの測定ストランドに特徴とすべきエアゾール電流の部分電流が供給される。第一電流では、エアゾールは平均粒子大きさ５０を測定する装置によって特性化される。第二測定ストランドには粒子が光電的荷電器６０によって電気的に荷電され、引き続いて時間単位当たり全荷電がエアゾール電気メーター４０’で測定される。光電的荷電器は荷電室６１内に配置されたＵＶ光源６２を有する。装置５０に決定された平均粒子大きさとエアゾール電気メーター４０’により測定された全荷電は浮遊炭素全量の値を決定するための（示されない）評価ユニットにより使用される。

図７には、図６による測定配列の実施態様が図示され、図５による平均粒子大きさ５０を測定する装置が形成されている。これら組合せは特に好ましい。

この発明の装置の拡散荷電器を示す。 この発明の装置の拡散分離器を示しす。 誘電電流を測定する測定配列を示す。 全電流、即ち時間単位当たり全荷電を測定する測定配列を示す。 全体図を示す。 全炭素量測定する測定配列を示す。 図６による好ましい実施態様を示す。

符号の説明

１０．．．．拡散荷電器
１１．．．．円筒状ハウジング
１２．．．．細い針金
１３．．．．高電圧
１４．．．．格子配列
１５．．．．容積
１６．．．．電源
１７．．．．アンペアメーター
１８．．．．外部電極
１９．．．．エアゾール入口
２０．．．．拡散分離器
２１．．．．ハウジング
２２．．．．絶縁体
２３．．．．板状パケット
２４．．．．アンペアメーター
３０．．．．誘導電流
３１．．．．ハウジング
３２．．．．絶縁体
３３．．．．電極
３４．．．．アンペアメーター
４０．．．．エアゾール電気メーター
４１．．．．ハウジング
４２．．．．絶縁体
４３．．．．フィルタ
４４．．．．アンペアメーター
４５．．．．ハウジング
４６．．．．エアゾール入口
４７．．．．出口
５０．．．．平均粒子大きさ
６０．．．．光電的荷電器
６１．．．．荷電室
１１２．．．．エアゾール出口

Claims (1)

1. エアゾール内の粒子の数濃度を測定する方法において、
   エアゾールを拡散荷電によって電気的に荷電させ、荷電に引き続いて、唯一の拡散分離器２０内で、或いは代わりに、多数の電気的に平行に接続された拡散分離器内で、或いは代わりに、多数の平行に貫流された拡散分離器内で分離されて荷電されたエアゾール粒子が引き起こす拡散分離電流を測定し、そして唯一の拡散分離電流としてのこの拡散分離電流から数濃度の数値を検出させる工程から成ることと、
   拡散分離器内の電流に追加して拡散荷電したエアゾールの全電流が測定され、この全電流と拡散分離器内の電流とから粒子の平均直径が検出されることと、
   を特徴とする方法。

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