JP5690144B2 - 粒子測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、エアロゾル内の粒子濃度を測定するための方法に関するものである。また、本発明は、そのような方法を実施する装置に関するものである。本方法及び装置は、たとえば燃焼機関の排気システムの粒子濃度を測定する際に使用することができる。

様々な理由で、微粒子、とりわけ、燃焼機関において生じる微粒子を測定することができるということは重要である。健康に対する微粒子の潜在的な影響についての懸念が高まりつつあるので、測定活動が推進されている。そして、健康に対する懸念は、微粒子排出制限につながっている。将来、粒子排気制限は、引き続き厳しくなるであろう。微粒子測定の別の必要性が、燃焼機関の開発から生じており、また、燃焼機関、とりわけディーゼル機関をリアルタイムに監視することから生じている。微粒子測定のさらに別の必要性が、工業プロセスにおいてナノサイズ粒子の生産及び使用が増大しつつあることから生じている。この粒子は、典型的には１００ｎｍ未満の直径を有する。工業プロセス監視のために、並びに業務上の健康及び安全の問題のために、確実な微粒子測定が求められている。

ディーゼル機関の排気粒子の粒度分布は、概して次の３つの異なるモードを示す。すなわち、核モード（ｎｕｃｌｅｉ ｍｏｄｅ）は、約５０ｎｍ未満の直径を有する粒子からなる。蓄積モード（ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）は、５０ｎｍ〜１μｍの直径を有する粒子からなる。粗大粒子モード（ｃｏａｒｓｅ ｍｏｄｅ）では、粒径が１μｍを超える。ディーゼル機関の排気粒子の大部分は、排気ガスが排気管から排出された後に生じ、これらの粒子は、一般に核モードに属する。

一般に、微粒子濃度を排気制限未満に保つために、粒子トラップが燃焼機関の排気管に設置される。このトラップは、頻繁に再生される必要がある。トラップの温度を上昇させ、同時に過剰空気をトラップへ供給することによって、捕捉された粒子を燃焼させる。それによって、粒子を含有する炭素が燃焼させられる。

フィンランド特許ＦＩ １１８２７８ Ｂ、Ｄｅｋａｔｉ Ｏｙ、２００４年１２月２５日は、実質的に排気管システム又は対応する排気ガス・ダクトにおいて使用される、燃焼機関の排気ガスからの粒子排出物を判定するための方法及びセンサ・デバイスに関するものである。この方法では、排気ガスに含有される排出粒子が帯電され、前記排気ガス・ダクト内の排出粒子によって担持されている電荷を測定することによって粒子排出が判定される。この発明によれば、排出粒子は、帯電の方法、又は帯電電力を時間に対して変化させることによって帯電され、前記帯電の結果として、少なくとも２つの異なる電荷状態にされた排出粒子が存在するようにされる。さらに、排出粒子の電荷は、前記少なくとも２つの異なる電荷状態にされた排出粒子から測定された差の値として決定される。上述の方法の問題は、粒子が排気ガス・ダクト内に配置された帯電器によって帯電されるが、帯電器が容易に汚れ、この汚れによって、帯電器の寿命及び信頼性が低下することである。粒子濃度及び一定のイオン生成が変動することによって、たとえば一定の粒子帯電を維持する上で問題が生じる。排気ダクト内における微粒子の形成は複雑なプロセスであり、大きく変動する質量の流れを伴う環境内で測定を行うことは、非常に困難である。たとえば、Ｈｅｅｊｕｎｇ Ｊｕｎｇらの「Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｏｉｌ ｏｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ」、ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２００３−０１−３１７９、２００３年に記載されている通り、たとえば、異なる燃料、及び異なる潤滑剤が、排気ガス・ダクト内の粒子濃度及び粒子特性に影響を及ぼす。

Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ Ｊ．Ｒｏｍａｙらの「Ａ Ｓｏｎｉｃ Ｊｅｔ Ｃｏｒｏｎａ Ｉｏｎｉｚｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．２０（１９９４年）、３１〜４１頁には、相異なる極性の１対の音速噴流イオナイザを使用する双極コロナ・イオナイザの設計について記載されている。このイオナイザは、いくつかの電極、オリフィス・プレート材料、及びイオナイザ動作条件に対するイオン出力及び粒子生成の点で特徴付けられている。音速噴流イオナイザは、典型的なフリー・コロナ・イオナイザ（ｆｒｅｅ ｃｏｒｏｎａ ｉｏｎｉｚｅｒｓ）より多くの粒子を生成するように思われた。これは、より強い、反応性のより高いコロナ放電になるように思われた。音速噴流イオナイザ内でシリコン電極を使用すると、許容できないレベルの粒子が形成される。より低い粒子生成は、炭化タングステン電極、及びモリブデン・オリフィス・プレートを使用することによって達成することができる。

米国特許第６，５４４，４８４号、ＴＳＩ Ｉｎｃ．、２００３年４月８日には、エアロゾルを分析するためのシステムについて記載されている。このシステムは、白金又は白金合金から形成された正又は負に帯電したコロナ放電針を有するコロナ放電イオン発生器を組み込んでいる。高速（４０〜２１０メートル毎秒）の空気流により、イオンがコロナ放電から吹き飛ばされる。イオンは、乱流噴流によって混合チャンバ内に噴射される。この乱流噴流はエアロゾルに合流する。エアロゾルもまた、混合チャンバに送られる。イオン発生器の１つのバージョンでは、イオンは、正又は負にバイアスされたプレート内に形成されたオリフィスを介して混合チャンバ内に搬送される。他の代替例では、エアロゾル飛沫が静電気的に生成され、混合チャンバ内にエアロゾル噴流として噴射され、このエアロゾル噴流は、イオン噴流に対向し、帯電した飛沫とイオンの混合を向上させる。このバージョンでは、飛沫が中和され、大部分の一価の正及び負の粒子が残されることが有利である。このシステムに伴う問題は、たとえばフィルタの汚染により、エアロゾルと清浄な空気との流量比が、測定中に変化する可能性があるということである。逆方向の噴流によるイオン化空気とエアロゾルとの対向混合（ｃｏｎｆｒｏｎｔ ｍｉｘｉｎｇ）は難しい。何故なら、そのセットアップは、噴流方向や噴流速度のような噴流特性に対して非常に敏感であり、したがって噴流が不安定になりやすいからである。そのようなセットアップのイオン損失は非常に高く、典型的には９９％を超え、さらには９９．９％を超えることもある。

米国特許第３，４１３，５４５号、Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ、１９６８年１１月２６日には、０．０１〜２ミクロンの粒子範囲についての、電気エアロゾル粒子計数及び粒度分布システムについて記載されている。ガス・イオン化デバイス及び拡散チャンバを有するエアロゾル・チャンバ・ユニットが、エアロゾル粒子に対して、粒子のサイズに比例して単極の電荷を与える。帯電した粒子が、細長いチャンバを備えるハウジングを有する移動度分析器に送られる。粒子収集電極が、電位計に接続された集電器及びセンサ・フィルタの上方において、軸方向へチャンバ内に突出している。このシステムでは３０ｋＶまでの収集電圧が使用される。このシステム内での混合は非効率であり、イオン損失は、おそらく非常に高く、典型的には９９．９％を超える。

米国特許出願公開第２００６／０１４４１２４号、Ｔａｋｅｓｈｉ Ｋｕｓａｋａら、２００６年７月６日には、可溶性有機成分（ｓｏｌｕｂｌｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｒａｃｔｉｏｎ）、すなわちＳＯＦを連続的に測定することができるＳＯＦ測定システムと、すすを連続的に測定することができるすす測定システムとが、排気ガス・ラインに接続されたものについて記載されている。すす測定システムは、エゼクタ希釈装置を含んでいる。エゼクタ希釈装置は、排気ガスと炭化水素濃度が既知である標準ガスとのうちのいずれか一方を、希釈ガスを用いて選択的に希釈し、それを抽出する。希釈比調整デバイスが、希釈装置の希釈比を調整することができる。すす検出器が、希釈装置によって希釈された排気ガス又は標準ガス内のすすを連続的に検出する。ＳＯＦ測定システムを希釈装置に接続することができ、その結果、排気ガス分析機器が、希釈装置によって希釈された標準ガス内の炭化水素濃度を測定することができる。この公開公報は、希釈空気を帯電させることについて述べていない。

従来技術のシステムに伴う問題は、帯電器の汚れ、イオン化空気とエアロゾルの不十分な混合、変動するサンプル流、及び高いイオン損失である。これらの問題はすべて、特に燃焼機関排気ガス粒子のオンライン測定に関して、従来技術のシステムを不安定にしている。また、現行のシステムは大型であり、たとえばディーゼル車両からの粒子排出物を測定する際に使用することができない。また、いくつかの従来技術のシステムにおける大型の混合チャンバでは、測定結果の時間応答が遅い。

フィンランド特許ＦＩ １１８２７８号 米国特許第６，５４４，４８４号明細書 米国特許第３，４１３，５４５号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１４４１２４号明細書

Ｈｅｅｊｕｎｇ Ｊｕｎｇらの「Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｏｉｌ ｏｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ」、ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２００３−０１−３１７９、２００３年 Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ Ｊ．Ｒｏｍａｙらの「Ａ Ｓｏｎｉｃ Ｊｅｔ Ｃｏｒｏｎａ Ｉｏｎｉｚｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．２０（１９９４年）、３１〜４１頁

本発明の目的は、従来技術の問題を解決する方法及び装置を導入することである。

本方法及び装置の重要な構成要素を下記で定義する。

「エゼクタ」は、ガス１の噴流を使用し、ある空間からガス２を引き出すデバイスである。噴流ガス１の流れは、「主流（ｍａｉｎ ｆｌｏｗ）」と呼ばれ、ガス２の流れは、「側流（ｓｉｄｅ ｆｌｏｗ）」と呼ばれる。

「渦（ｓｗｉｒｌ）」は、ねじり運動又は回転運動を伴ってガスを移動させるためのプロセスである。

「イオン・トラップ」は、電場、磁場又は拡散の組合せを使用して、イオンをある領域内で捕らえるデバイスである。

いくつかの問題を解決するために本発明の解決策を組み合わせることが有利である。したがって、ガス流を使用することによって汚れを防止することができ、イオン化されたとき、同じガスをエゼクタの主流として使用することができる。エゼクタによって効率的な混合を実現することができ、高速のイオン化ガス流を使用することによって、短い混合時間を実現することができる。高速のイオン化ガス流をエゼクタの主流内で使用することが有利である。高い流速及び効率的な混合により、イオン損失が格段に低減される。排気ダクト内において燃焼機関の排気粒子の排出量を測定するのではなく、一定のサンプル流が使用される。これによって、測定プロセスがより安定になる。本発明において述べられている解決策すべてが、測定プロセスをより安定にする。

噴流の対向混合において渦噴流が使用されると、最終結果として、非渦噴流が使用される場合と比べて安定でないことが知られている。したがって、そのようなシステム、たとえば米国特許第６，５４４，４８４号に記載されているシステムでは、渦噴流が回避される。しかし、驚くべきことに、エゼクタ内の主流として渦ガス流が使用される場合、組み合わされた流れは、より安定になる傾向があることを本発明者は見出した。したがって、本発明の方法においては渦主流が有利である。

ガス内の粒子濃度を監視するための方法は、従来技術のシステムの問題を解決するために、エゼクタ内での効率的な混合を使用する。エゼクタの主流は、本質的に清浄なイオン化ガス流からなる。「本質的に清浄」という用語は、イオン化ガス内の粒子濃度が非常に低く、監視プロセスに悪影響を及ぼさないことを意味する。清浄な空気の速さは、音速、又は音速に近いことが好ましいが、それより低い速さを使用することもできる。主流は、側流チャネルに対して吸引力を引き起こす。したがって、粒子含有ガスからのサンプル流が監視用装置に吸い込まれる。イオン化された清浄なガスが主流を形成し、サンプル流が側流を形成する。主流は、有利には、可能な限り細くすべきである。本発明者は、驚くべきことに、好ましくは、主流と側流との比１：１、さらにより好ましくは、主流と側流との比１：３で、側流チャネルに対する適切な吸引圧力を実現することができることを見出した。また、本発明者は、驚くべきことに、本発明に述べられている通り、エゼクタを使用すると、２つの異なる現象、すなわち効率的な運動量移動及び効率的な粒子帯電が単一のプロセス・ステップで発生することを見出した。これは、プロセス時間を短縮し、したがってイオン損失を低減する上で有利である。効率的な混合は、速い応答時間を有する小型の測定装置を設計することを可能とする。これは、車両の排ガスを測定するとき非常に有利である。

ガスの粒子濃度を監視するとき、測定装置全体にわたって本質的に一定のガス流を生成させることが有利である。一般に、たとえば燃焼機関の排気ダクト内の質量流量は、典型的にはエンジンの回転速度に依存しており、決して一定ではない。サンプル流を排気ダクトから吸い込むためにエゼクタを使用すると、本質的に一定の側流がもたらされる。この流れは、典型的には脈動がない、すなわち一定である。次いで、そのような流れを、制御された形で、たとえば調節する（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）、又は切り替える（ｓｗｉｔｃｈｅｄ）ことができる。

従来技術の問題の１つは、清浄な空気と粒子含有ガスの非効率な混合である。本発明者は、主流と側流とを混合するにはエゼクタが効率的であることを見出した。とりわけ、渦主流を使用することが効果的である。エゼクタ内において、主流と側流とが互いに近接して供給されることが有利である。これによって、従来技術のシステムと比べて、混合の均質性及び混合速度が大きく改善される。従来技術のシステムに存在する不安定性の問題は、驚くべきことに、エゼクタを用いて回避される。驚くべきことに、主流の高いガス速度、及び効率的な混合によってイオン損失が低減され、粒子帯電前のイオン損失は、好ましくは９９％未満、より好ましくは９０％未満であることも見出された。イオン損失が従来技術のシステムと比べてかなり低くなるので、イオナイザ電源もより小さくする必要があり、経済的な利益がもたらされる。効率的な測定のためには、主流量を切り替え、又は調節すること、したがってＤＣモードではなくＡＣモードで測定を実施することが有利となり得る。ＡＣモードを実現するための他の実施例では、一定のガス流に対してチャンバを平行に接続すること、及び脈動流を生み出すようにそのチャンバの容積を変化させる。

粒子に付着していないイオンは、混合後に除去されなければならない。これらのイオンはイオン・トラップによって除去される。この除去装置は、電場若しくは磁場又は拡散であり、これらの装置を組み合わせることもできる。トラップ電圧を適切な値に増大すると、核モード粒子もイオン・トラップに捕捉させることができる。絶対電圧は、たとえばイオン・トラップの幾何形状、ガス流速などに依存する。捕捉される粒子のサイズは、トラップ電圧を増大することによってさらに増大させることができる。したがって、たとえば蓄積モード粒子の粒度分布を示す３つの異なる電圧でトラップを実施することが可能である。この粒度分布は、たとえば質量濃度又は粒子数濃度を推定する際に使用することができ有利である。異なるイオン・トラップ電圧に対応する電流を測定することにより、核モード及び蓄積モードの様々なパラメータ、たとえば粒子濃度及び平均粒径を推定することができる。イオン・トラップ電圧は、少なくとも２つの異なる電圧間で切り替える、又は調節することができる。

とりわけ、燃焼機関の排気ガスのような高温のガス流を監視するとき、粒子濃度は、測定装置内で変化する可能性があり、また冷却ガスは、核モード粒子を生成する。上述のように、イオン・トラップは、これらの核モード粒子を捕捉するのに十分に高い電圧に調整することができる。したがって、測定装置自体の中で形成される粒子は、測定結果に悪影響を及ぼさない。しかし、場合によっては、測定装置内で生じる核モードは、排気ガスが排気ダクトを出た後で生じる粒子を示すので、これらの核モードを除去しないことが有利なこともある。そのような核の発生は、エゼクタ主流量を冷却することによって増大させることができる。したがって、イオン・トラップ電圧の切り替え又は調節を使用して、燃焼機関の排気ガスからの様々なパラメータを分析することができる。

清浄なガスをイオン化するための好ましい実施例は、コロナ放電器を使用することである。コロナ針又は同等物が清浄なガスの流れによって保護されるように、清浄なガスが、コロナ放電器の近くから高速で供給されることが有利である。また、高速ガス流は、自由空間コロナ放電に比べてイオン生成を増大させ、装置壁などに対するイオン損失を低減させる。

コロナ放電は、測定ガス内の粒子濃度が低いときに測定を乱す粒子を生成する可能性がある。たとえば、典型的にはディーゼル燃焼機関の排気ダクト内にある粒子トラップの前後において、粒子濃度を監視するためにこのプロセスが使用される場合がそうである。そのような測定は、粒子トラップの濾過容量又は保守の必要性を示すことがあり得る。コロナ放電による粒子生成を最小限に抑えるために、コロナ針、及びコロナ針を囲むノズルを、タングステン、レニウム、タンタル、モリブデン、イリジウム、ニオブ、ルテニウム、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、クロム、合金Ｃ−１０３、合金ＫＢＩ−３、ニッケル・クロム合金、炭化タングステンなど、耐熱金属又は金属合金から製造することが有利である。また、コロナ放電内の粒子生成を最小限に抑えるために、乾燥した清浄なガスの流れを使用することも有利である。

清浄なガスのイオン化は、火花発生、熱放射、表面帯電、又は電離放射によって実施することもできる。

測定装置の側流は本質的に一定に保つことができるので、粒子含有ガスの質量流量値と共に測定値を処理することができる。したがって、たとえば燃焼機関からの排出物を計算することができる。

粒子によって担持されている電荷は、粒子と共に排出される電流を測定することによって監視される。この電流測定法は従来技術から知られている。本発明の場合、帯電した粒子を捕らえる必要性をなくすことによって、利益がもたらされる。

燃焼機関監視に加えて、本発明は、たとえば換気システム、ナノサイズ粒子を使用する工業プロセス、及び個人用粒子測定装置において、粒子を測定する際に使用することができる。

以下では、本発明について、添付の原理図面を参照してより詳細に述べる。

ガス内の粒子濃度を監視するための、本発明の方法及び装置を明らかにする実施例の図である。 エゼクタの詳細図である。 主流及び側流が同じ方向に流れるように導かれている実施例の図である。 清浄な空気流を調節するための実施例の図である。 本方法の様々な機能モジュールの図である。

見やすくするために、図は、本発明を理解するために必要な詳細だけを示している。本発明を理解するために必要でなく、また当業者にとって自明である構造及び詳細は、本発明の特徴を強調するために図では省略されている。

図５は、本発明の方法を、異なる機能ブロックに分離して示している。サンプル流ＮＶは、粒子含有ガスが流れているダクト又はチャネルからエゼクタＥを介して吸い込まれる。加圧空気流ＰＩが主流を形成する。イオナイザＩＧが使用され、その加圧空気流がイオン化される。イオナイザＩＧは、コロナ放電に基づくものであることが好ましい。コロナ放電に必要な高電圧は、トランスＭと電気的に絶縁された高電圧源ＨＶを用いて生成される。イオン化された空気流は、サンプル流と混合される。サンプル流の粒子は、帯電チャンバＶＫ内において帯電される。帯電チャンバは確かに一つの機能ブロックではあるが、帯電は、エゼクタ内において、本質的に主流と側流が互いに出会う点で行われることが好ましいということを理解されたい。流れＰＶが測定装置から排出される前に、粒子に付着していないイオンは、イオン・トラップＩＬによって除去される。測定装置から排出する電流が、電位計ＥＭによって測定される。

図１は、一実施例を示している。ここでは、本方法が使用され、燃焼機関の排気ダクトからの粒子濃度が監視されている。そして、ディーゼル機関からの微粒子排出を監視するために本装置を使用することができる。測定装置１は、サンプル流を測定チャネル４に導くための手段３と、本質的に清浄なイオン化ガスを測定チャネル４に導くための手段５と、清浄なガス流とサンプル流とを混合するための手段６と、清浄なガスをイオン化するための手段７と、粒子を帯電させるための少なくとも１つの帯電チャンバ８と、少なくとも１つのイオン・トラップ９と、粒子によって流される電流を測定するための少なくとも１つの電流測定ユニット１０とを含んでいる。さらに、装置１は、本質的に清浄なガス流を切り替える、又は調節するための手段１６と、清浄なガスの温度を調整するための手段１７とを含んでいる。また、図１には、装置１を排気ダクトに接続するための手段２０と、この装置を加圧空気ライン、加圧空気チャンバ、又は同様のガス流生成ユニットに接続するための手段２１とが示されている。また、この実施例は、清浄な空気流を制御するための手段２２と、加圧空気を濾過するための手段２３と、加圧空気を測定装置１に導くための手段２４とを含んでいる。

加圧空気は、空気源Ｐから温度調整器１７へ供給される。温度調整器１７は、空気を加熱又は冷却することができる。電磁弁１６が切り替えられ、空気が流量コントローラ２２へ供給される。それによって、流量を所望の値に設定することができる。流量コントローラ２２は、たとえば調整弁、臨界開口（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）、流量計、マス・フロー・コントローラなどとすることができる。流量コントローラ２２は、フィルタ２３に接続されている。フィルタ２３は、加圧空気から粒子を本質的に除去する。それによって、加圧空気内の粒子濃度がサンプル流内の粒子濃度より著しく低くなる。次いで、清浄な空気が、コネクタ２４を介して測定装置１へ供給される。加圧空気は、測定装置の中央チャネル１８に流入し、その流れは、リストリクタ・プレート２６で安定化させられる。流れが強制的に渦巻くように、中央チャネル１８を設計及び構築することもできる。これは、上述の様々な目的に対して有利である。次いで、その流れはノズル２７を通って排出される。イオン化デバイス７が、ノズル２７から排出されるガスをイオン化する。ガス流が本質的にコロナ針２８の近くから排出されるようにノズル２７が構築されることが有利である。これによって、コロナ針２８が清浄な状態に保たれ、イオン生成が改善される。ノズル２７内の速い流速によって、イオン損失が低減される。高電圧が、電極２９を介してコロナ針２８に接続される。この高電圧源３４は、トランス３５及び絶縁体３３を介して他のシステムから電気的に絶縁されている。電極２９は、電極シールド３０と同じ電位にある。コロナ針と対電極の極性を切り替えることができることは明らかである。イオン化されたガス流は、測定チャネル４内へ供給される。また、ダクト２からのサンプル流は、サンプリング手段３を介して測定チャネル４へ供給される。サンプリング手段３は、図２に示されているエゼクタ１１の側流１４であることが好ましい。イオン化された清浄なガス流１３は、エゼクタ１１の主流を形成し、側流チャネル１４に対して吸引力を生み出す。側流の流量は、本質的にエゼクタ１１の幾何形状、及び主流の流量だけによって決まる。好ましい実施例では、側流に対する主流の比は小さい。主流チャネル１３の幾何形状及びその作用は、たとえば電極シールド３０の設計によって調整することができる。たとえば、ガス速度又は電場強度を、局所的に、又は測定チャネル全体にわたって変化させることができる。イオン化された清浄なガス流とサンプル流とは、測定チャネル４の混合セクション６において混合される。混合セクション６は、一つの機能ブロックであるが、測定チャネル４から物理的に分離されていても分離されていなくてもよいということを理解されたい。混合セクション６は、清浄なガスと粒子含有ガスとが最小限の時間で共に効果的に混合されるように設計されている。したがって、たとえば、効果的かつ安定した混合プロセスのために、流れを渦運動に設定することができる。粒子は混合中に帯電される。したがって、イオン化チャンバ８も一つの機能ブロックと考えるべきであるが、混合チャンバとイオン化チャンバは、機能が重複していてもよい。粒子に付着していないイオンは、イオン・トラップ９によって除去される。電極シールド３０の設計、又は装置の外壁３１の設計のような、装置１の機械構造に応じて、またパラメータの中でもとりわけ質量の流れの値及びイオン・トラップ９の電圧に応じて、イオン・トラップ９を、核モード粒子、さらには蓄積モードの最小粒子を捕捉するように調整することもできる。好ましい実施例は、イオン・トラップ電圧を調整することであり、電圧が高いほどより大きな粒子を捕捉する。イオン・トラップの実際の電圧は、他の設計、及びガス流パラメータによって決まるが、典型的には、イオン・トラップの電圧範囲は、１〜３０ｋＶである。

イオン化デバイス７から排出される正味の電流を測定することによって、測定チャネル４を流れるイオン化粒子３２によって担持されている電荷を測定することができる。典型的にはｐＡレベルの小電流を測定することができるように、イオン化デバイス７は、絶縁体３３及び絶縁トランス３５によって他のシステムから電気的に絶縁されている。電位計１０は、イオン化デバイス７と、測定チャネル４の壁３１とガルバニック接触（ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）する点との間に取り付けられている。高電圧源３４の第１の接点は、手段２５を介してイオン化デバイス７の電極に接続され、第２の接点は、電流測定デバイス１０の増幅器に接続されている。電位計１０の他方の入力は、やはりイオン・トラップ９に対するガルバニック接触を有する測定チャネル４の壁３１に接続されている。そのような構成によって、電位計１０は、イオン化粒子を介して測定チャネルから排出される電荷を測定し、たとえば排出される電流を測定する。

ネットのような電極３６によって、測定チャネル４内に存在する自由イオンがダクト２から排出されることが防止される。好ましい実施例では、ネットのような電極３６は、２重外皮構造の測定装置１の両方の流量開口に取り付けられている。これは、そこを流通する粒子によって容易に遮断されないように十分大きなネット開口を有するように、ネットのような電極が設計されているにもかかわらず、イオンが排出されることを防止する上で有益である。しかし、ネットのような電極３６は、装置１内に絶対に必要なものではない。というのは、イオン排出は、たとえば適切なガス流を用いても防止することができるからである。

たとえば電磁弁１６を脈動させるなど、エゼクタ１１の主流を切り替えたり、又は調節したりすることによって、測定チャネル４内の流れを脈動させることができる。主流の切り替え又は調節によって、側流の切り替え又は調節も同様に引き起こされる。したがって、総流量が、十分に制御された形で、切り替えられ、又は調節される。これによって、電位計１０が仮想ＡＣモードで機能することが可能である。このモードは、ＤＣモードより確実な測定を実現する。また、測定流量も、切り替え、又は調節することができる。図２は、サンプル流チャネル１４に取り付けられた回転円板１５によってサンプル流を調節することができる一実施例を示している。

図３は、一実施例の詳細を示しており、本発明の装置内において、サンプル・ガス流、及びイオン化された清浄なガス流を組み合わせる方法について説明している。イオン化デバイス７は、コロナ針２８を使用して、中央チャネル１８内を流れる清浄なガス流をイオン化する。ガスはノズル２７から排出される。ノズル２７は、エゼクタ１１の主チャネル１３を本質的に形成している。主流と、チャネル１４を通って吸い込まれたサンプル流とは、混合ゾーン８において効果的に混合される。中央チャネル１８は、強制的にガスを渦運動させるように設計することができ、この渦運動が混合効率をさらに高める。イオン化デバイス７内のガス滞留時間は短く、効率的な混合はエゼクタ１１内で実施されるため、装置内のイオン損失は、好ましくは９９％未満、より好ましくは９０％未満、最も好ましくは８０％未満である。これは、従来技術のシステムに対するかなりの改善を意味し、たとえば電源３４に対して大きな経済的利益をもたらす。

図４は、一実施例の原理図面を示しており、一定の清浄な空気流に対して平行に可変容量チャンバを接続することによって、ガス流量調節が行われることが示されている。この構造の本質的な部分は、ピストン又はダイアフラム３９であり、その移動又は位置をある範囲で変動させることができる。図４ａは、原則として構造を示している。一方、図４ｂは、一定の流れ３８と移動するピストン３９の和関数として、周期的な流れ３７が形成されることを示している。この図は、方形波によるピストンの調節を示している。調節の振幅は、周期的な流れの最小値がゼロになるように設定されている。波形又は流れの振幅は、様々な形で異なることがあることは明らかである。他の実施例では、移動部分は、オーディオエレメント（ａｕｄｉｏ ｅｌｅｍｅｎｔ）と同様のダイアフラムとすることができる。この単純な構造は、本質的にメンテナンスフリーであるという利点を有し、コイル３８によって波形をほぼ自由に選択することができる。往復ピストン３９は、様々な形で実現することができることは明らかである。

当業者には明らかであるが、絶縁体、特にその漏れ電流が測定の電流信号に合計されることになる絶縁体に対して、厳しい清浄度が要求される。燃焼機関の排気ダクト内のような高温環境においては、絶縁体温度の上昇により、それらの電気的絶縁能力が減少する。電流値が低いので、測定電子機器は、本質的に測定電極の近くに取り付けられる必要がある。したがって、システムが高温となると、測定電子機器の温度も上昇する。これによって、たとえば測定電子機器のノイズが増大する。本発明の一実施例では、同じガス流を使用して、絶縁体が汚れて過熱されることを防止し、測定電子機器を冷却することによって、これらの問題が解決される。

本発明の精神に従って本発明の様々な実施形態を作り出すことが可能である。したがって、上記の実施例は、本発明を制限するものと解釈してはならない。本発明の実施形態は、以下の特許請求の範囲に提示されている本発明の特徴の範囲内で自由に変えることができる。

Claims (24)

1. ガス内の粒子濃度を監視するための方法であって、前記方法は、粒子含有ガスの少なくとも一部分を、本質的に粒子のない、イオン化するための手段（７）によってイオン化された別のガスと混合することによって、また粒子によって担持されている電荷を監視することによって、粒子の少なくとも一部分を帯電させることを含む方法において、前記方法は、イオン化された清浄な前記ガスが主流を形成し、サンプル流が側流を形成するエゼクタによって、前記サンプル流を前記粒子含有ガスから吸い込むことを含み、前記イオン化するための手段（７）が、システムの残りの部分から電気的に絶縁されており、イオン化された清浄な前記ガスと前記サンプル流が、前記粒子の少なくとも一部分を帯電させるために、装置の一部としての測定チャネル（４）の中で混合され、次いで、前記測定チャネル（４）から排出され、少なくとも１つの電荷測定手段（１０）が、前記イオン化するための手段（７）からの、放出された粒子によって搬送された放電電流を測定することによって、放出された粒子によって得られた正味の電荷を決定するように構成されており、前記放電電流が、前記手段（７）と、前記測定チャネル（４）の壁とガルバニック接触する点との間で測定される、ことを特徴とする方法。
2. 主流と側流との比が１：１未満であることを特徴とする、請求項１に記載された方法。
3. 主流と側流との比が１：３未満であることを特徴とする、請求項１に記載された方法。
4. 粒子帯電前のイオン損失が９９％未満であることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された方法。
5. 粒子帯電前のイオン損失が９０％未満であることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された方法。
6. どの粒子にも付着していないイオンが、イオン・トラップによって除去されることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された方法。
7. 粒子と共に排出される電流を測定することによって、粒子によって担持されている電荷を監視することを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された方法。
8. 本質的に清浄なガス流が、切り替えられ、又は調節されることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された方法。
9. 前記イオン・トラップが、核モードに属する粒子も捕捉することを特徴とする、請求項６に記載された方法。
10. 核モード粒子を、前記イオン・トラップの電圧を増大することによって除去することを特徴とする、請求項９に記載された方法。
11. ａ．前記イオン・トラップの電圧を、少なくとも２つの異なる値の間で切り替え、又は調節し、
    ｂ．前記少なくとも２つの異なる値に対応する電流を使用し、核モード濃度、又は蓄積モード濃度、又は質量濃度、又は粒子数濃度、又は粒度分布、又は排気ダクト後に生じる粒子の濃度、又はそれらの任意の組合せを計算することを特徴とする、請求項９又は請求項１０に記載された方法。
12. 前記粒子含有ガスの総流量及び側流の粒子濃度に対応する測定信号を使用し、前記粒子含有ガス内の粒子濃度を計算することを含む、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載された方法。
13. 本質的に清浄な前記ガスを、コロナ放電によってイオン化することを特徴とする、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載された方法。
14. 粒子トラップの前後で粒子監視に使用されることを特徴とする、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載された方法。
15. ダクト又はチャネル（２）内の粒子を監視するための装置（１）において、
    ａ．本質的に粒子のないガスをイオン化するための手段（７）と、
    ｂ．サンプル流を粒子含有ガスから吸い込むための少なくとも１つのエゼクタ（１１）と、
    ｃ．本質的に清浄なイオン化ガスを前記エゼクタ（１１）の主流チャネル（１３）へ供給するための手段（１２）と、
    ｄ．本質的に清浄な前記イオン化ガスと粒子含有ガスとを混合するための手段（６）と
    を含み、
    前記イオン化するための手段（７）が、システムの残りの部分から電気的に絶縁されており、イオン化された清浄な前記ガスと前記サンプル流が、前記粒子の少なくとも一部分を帯電させるために、装置の一部としての測定チャネル（４）の中で混合され、次いで、前記測定チャネル（４）から排出され、少なくとも１つの電荷測定手段（１０）が、前記イオン化するための手段（７）からの、放出された粒子によって搬送された放電電流を測定することによって、放出された粒子によって得られた正味の電荷を決定するように構成されており、前記放電電流が、前記手段（７）と、前記測定チャネル（４）の壁とガルバニック接触する点との間で測定される装置。
16. 混合するための前記手段（６）の前のイオン損失が、９９％未満であることを特徴とする、請求項１５に記載された装置。
17. 混合するための前記手段（６）の前のイオン損失が、９０％未満であることを特徴とする、請求項１６に記載された装置。
18. イオン・トラップ（９）を含む、請求項１５から請求項１７までのいずれか一項に記載された装置（１）。
19. イオン・トラップ電圧を少なくとも２つの異なる値の間で切り替える、又は調節するための手段を含む、請求項１８に記載された装置（１）。
20. 本質的に粒子のないガス流を切り替える、又は調節するための手段（１６）を含む、請求項１５から請求項１９までのいずれか一項に記載された装置（１）。
21. 本質的に粒子のないガス流の温度を制御するための手段（１７）を含む、請求項１５から請求項２０までのいずれか一項に記載された装置（１）。
22. 本質的に粒子のない前記ガスをイオン化するためのコロナ放電器（７）を含む、請求項１５から請求項２１までのいずれか一項に記載された装置（１）。
23. 本質的に粒子のないガス流を前記コロナ放電器の近くに導くための手段（１８）を含む、請求項２２に記載された装置（１）。
24. 前記少なくとも１つのイオン化デバイス（７）を本質的に粒子のないガス流によって冷却するための手段を含む、請求項１５から請求項２３までのいずれか一項に記載された装置（１）。

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