JP5877529B2 - エアロゾルの検出 - Google Patents

Description

本発明は、エアロゾル検出のための装置及び方法に関し、とりわけ大気中の灰、塵、氷、雪、雨又は汚染物質の粒子のような、固体粒子の検出に関する。

大気圏の広い領域において、典型的には、飛行機に搭載された複雑な粒子感知器具類を用いて、浮遊粒子が検出され、分析されている。例えば、飛行機にエアロゾル分光計を搭載することができ、そしてそれから、真空ポンプにより空気を前記分光計に引き込みながら、飛行機は大気中を通過する。Ｇｒｉｍｍ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ ＫＧにより製造されるモデル１．１２９ Ｓｋｙ−ＯＰＣのような、いくつかの商業的に利用できるエアロゾル分光計は、特に大気の調査のために設計され、時間及び／又は前記分光計が、搭載された飛行機の位置に応じて、粒子サイズ及び粒子密度に関するデータを総合データ蓄積カードに記録することができるようになっている。しかしながら、このような装置は複雑で高価である。このような装置を飛行機に搭載するためには、かなりの時間と労力を要する。このような装置における粒子の分析は、典型的には、光学散乱測定により行われる。光学散乱測定においては、レーザー又はＬＥＤからの光が粒子により散乱され、散乱光の測定により、粒子の存在、サイズ及び密度が推測される。これを行うためには、複雑な検出器の準備や、複雑なコンピュータ処理力が必要となる。また、一般的には、飛行機の安全性認定の規制のために、専用の調査用飛行機が必要となる。このことは、大気中の所定の領域を飛行し、ポテンシャル的に領域の中における位置に応じて浮遊粒子に関するデータを収集できる商業用飛行機は、このようなデータ収集には利用できないことを意味する。

本発明は、専用の調査用飛行機に光学分光計のような装置を搭載したり、飛行機の外側に静電気モニターを搭載したりするよりも、より簡単にエアロゾル粒子を検出しマッピングすることができる、エアロゾル検出装置及びその方法を提供することを課題とする。

本発明の第一の態様は、誘電性部材を有する飛行機を含むエアロゾル検出装置であって、前記誘電性部材の表面が前記飛行機の外側表面の一部を形成するように、前記誘電性部材が前記飛行機の本体に含まれ、そして検出手段が前記飛行機の内側に配置され、当該検出手段は前記誘導性材料の分極の結果生じる電界を検出するために設けられる、エアロゾル検出装置を提供する。

例えば塵や灰のような浮遊粒子を含む空域を前記飛行機が通過した場合、前記誘電性部材が分極し、それにより、前記飛行機の外側表面の一部を形成する側とは反対側の、前記誘電性部材の表面には、誘導電荷が生じる。この誘導電荷の結果生じる前記飛行機の中の電界を検出することにより、大気中における粒子の存在が推測される。飛行機の本体は典型的には金属製であるため、以前は、仮に何らかの理由により飛行機が帯電するようになったとしても、当該飛行機の内側に電界が存在することにはならないと考えられてきた。当該飛行機はファラデーの籠として機能すると考えられていたためである。例えば、以前からＲ．Ｃ．Ｒｏｂｅｒｔｓ ＆ Ｇ．Ｗ．Ｂｒｏｃｋの"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ， ｖｏｌｕｍｅ２（１９４５）"の２０５−２１３頁や、Ｒ．Ｃ．Ｗａｄｄｅｌ， Ｒ．Ｃ．Ｄｒｕｔｏｗｓｋｉ＆Ｗ．Ｎ．Ｂｌａｔｔの"Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ｖｏｌｕｍｅ３４（１９４６）"の１６１−１６６頁では、飛行機が帯電することが指摘されていたが、この場合の帯電は、器具を飛行機の外側に取り付けて検出するのであった。前記誘電性部材の分極化は、一つ又は複数の異なるメカニズムにより生じる。既に帯電しているエアロゾル粒子は、前記飛行機がエアロゾルを通過するときに、前記飛行機の外側の一部を形成している誘電性部材の表面に、その電荷を移行することができる。また、帯電していないエアロゾル粒子の場合も、摩擦のメカニズムにより、前記表面を帯電させることができる。また、前記飛行機の外側表面のその他の部分も、エアロゾルの中を飛行中に帯電し得るのであり、そうすることにより、前記誘電性部材を分極化させる電界を生じさせたり、或いは当該誘電性部材の分極化を促進したりする。

当該誘電性部材は、前記飛行機の窓とすることができ、その場合、あらゆる汎用の飛行機を用いることができる。他の言葉で言うと、本発明を実行するに際しては、飛行機に改装して取り付けるために特別な誘電性部材が要求されることはなく、また新しい飛行機の構造の中で用いられることが要求されることもない。例えば、ＢＡｅ'１４６'飛行機の窓は、アクリルの外層を含んで構成されており、これは誘電性部材としても機能する。

前記検出手段は、前記飛行機の中に搭載される静電気モニターとすることができる。例えば電気機械回転集電器のような静電電圧計を用いることができる。適切な電気機械回転集電器としては、英国サウサンプトンのＣｈｉｌｗｏｒｔｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄで製造されるＪＣＩ １４０静電気モニターがある。

前記装置は、前記静電気モニターの出力をモニタリングし、当該出力があらかじめ定められた閾値を超えたら警報を発するための警報手段をさらに備えるものとしてもよい。当該警報は、一人又はそれ以上の航空機乗組員に知らせるための視覚的な及び／又は可聴式のシグナルである。付加的に又はこれに代えて、これは航空機制御システムへの制御シグナルとすることができ、このシグナルにより、前記航空機を特定の領域の空域から脱出させることができる。

好ましくは、前記装置はデータ収集システムをさらに備えるものとすることができる。当該データ収集システムは、前記飛行機の位置に応じて、前記静電気モニターの出力又は当該静電気モニターの出力の変化率を記録するために設けられる。前記飛行機が粒子を含む空域を通過するときに、誘電体表面の蓄積電荷の結果生じる電界は、エアロゾルの存在を示唆する。位置に応じて、前記静電気モニターの出力（又はその変化率）を記録することにより、エアロゾル粒子の存在をマッピングすることができる。

飛行機の位置は、様々な方法により取得することができる。例えば、一定の速度で飛行している場合には、合計の経過飛行時間が飛行機の位置の評価基準となる。しかしながら、正確で詳細な位置情報（緯度、経度及び標高）を取得し、そして大気中における粒子の存在のマッピングをより正確に詳細に行うためには、前記装置は全地球測位システム（ＧＰＳ）をさらに備えるものとするのが好ましい。ＧＰＳは、前記データ収集システムに前記飛行機の位置情報を出力するために設けられる。

前記誘電性部材の分極の結果生じる電界の値（つまり、前記静電気モニターの出力の値）は、エアロゾルの粒子密度に応じたものとなる。また、前記電界の変化率（つまり、前記静電気モニターの出力の変化率）も、エアロゾルの粒子密度に応じたものとなる。それ故に、前記装置は処理手段をさらに備えるものとするのが好ましい。当該処理手段は、前記静電気モニターの出力、又は場合によっては出力の変化率に応じて、エアロゾルの粒子密度のための想定された関数形式に基づいて、前記静電気モニターの出力の記録値、又は場合によっては前記静電気モニターの出力の変化率の記録値を、エアロゾルの粒子密度の値へと変換するために設けられるものである。これにより、エアロゾルの粒子密度をマッピングすることができる。すなわち、飛行機の位置に応じてエアロゾルの粒子密度が決定される。想定される関数形式は、例えば大気中の粒子の種類等の状況によって決まり、線形又は非線形となり得る。

データ収集システムに蓄積された前記静電気モニターの出力値又は当該静電気モニターの出力の変化率をエアロゾルの粒子密度の値へと変換するための処理手段に代えて、前記装置は次の処理手段を備えるものとしてもよい。すなわち、当該処理手段は、前記静電気モニターの出力、又は場合によっては前記静電気モニター出力の変化率に応じて、エアロゾルの粒子密度のための想定された関数形式に基づいて、前記静電気モニターの出力又は当該静電気モニターの出力の変化率を、直接的に（すなわち、リアルタイムで）エアロゾルの粒子密度の値へと変換する。この場合、前記装置はデータ収集システムをさらに備えるものとすることができる。当該データ収集システムは、前記飛行機の位置に応じて、前記処理手段により出力されたエアロゾルの粒子密度の値を記録するために設けられ、それにより前記データ収集システムはエアロゾルの粒子密度のマッピングを格納する。この場合においても、前記装置は好ましくは全地球測位システム（ＧＰＳ）をさらに備える。当該ＧＰＳは、前記飛行機の位置情報を、上記の理由のために前記データ収集システムへと出力するために設けられる。

本発明の第二の態様は、エアロゾルの中の粒子を検出するための方法であって、本発明の装置を、粒子を含む大気中の領域を通過させる過程を含む、方法を提供する。

本発明に係る装置の第一の例の一部を示している。 図１の誘電性部材の部分についてより詳細に示している。 本発明に係る装置の第二の例の一部を示している。 比濁計を用いて取得されたエアロゾルの粒子密度のトレースと、本発明に係る装置に含まれる静電気モニターの出力のトレースと、を示している。 光学分光計を用いて取得されたエアロゾルの粒子密度のトレースと、本発明に係る装置に含まれる静電気モニターの出力のトレースと、を示している。 専用の器具を用いて取得されたエアロゾルの質量密度のトレースと、本発明に係る装置に含まれる静電気モニターの出力の変化率のトレースと、を示している。

本発明の実施の形態を以下に説明するが、これは例示に過ぎない。そして、添付の図面を参照されたい。

図１は、本発明に係る装置の第一の例の一部を示している。当該装置には、ＢＡｅ'１
４６'飛行機が含まれる。この飛行機は、窓１０を有する金属製の機体１２から成る。窓
１０の外側表面は、前記飛行機の外側の一部を形成する。機器パッケージ２０が前記飛行機の内側に搭載される。機器パッケージ２０には電気機械電界センサー１６（例えば、英国サウサンプトンのＣｈｉｌｗｏｒｔｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄで製造されるＪＣＩ１４０型静電気モニター）が含まれる。当該センサー１６の出力は、データ収集システム１８に繋がれる。当該データ収集システム１８は、前記センサー１６の出力を等間隔で記録するために設けられ、当該センサー１６の出力の各値は、その出力が記録される時の前記飛行機の位置と共に、記録される。全地球測位システム（ＧＰＳ）ユニット２２は、前記飛行機に関する位置情報をデータ収集システム１８へと供給するために設けられる。データ収集システム１８と接続された処理装置２４は、データ収集システム１８に蓄積された情報を処理するために設けられる。

図２は、前記飛行機の窓１０をより詳細に示したものである。窓１０は、二つのアクリ
ルの構造層１０Ａ・１０Ｂと、三つ目のアクリルの内側層１０Ｃと、で構成され、当該内側層１０Ｃは薄いスクラッチパネルとして機能する。前記層１０Ａの外側表面は、前記飛行機の外側の一部を形成する。

前記装置の使用に際しては、前記飛行機は、塵、灰、汚染物質等の粒子が含まれる大気の領域（他の言葉で言うならば、エアロゾルである大気の領域）を飛行する。窓１０の外側表面に衝突する帯電したエアロゾル粒子は、その電荷を窓１０の外側表面に移行することができる。また、窓１０に衝突する電荷を帯びていない粒子は、摩擦のメカニズムにより、窓１０に電荷を付加することができる。また、帯電している粒子及び帯電していない粒子は、窓１０の外側表面以外の前記飛行機の外側部分にも帯電を生じさせることができる。前記飛行機がエアロゾルを飛行すると、一つ又はそれ以上の上記メカニズムにより発生した電界によって、窓１０が分極化する。この分極により、窓１０の内側に誘導電荷が生じ、この誘導電荷に起因する電界が前記センサー１６により検出される。一連の時間の各瞬間における前記センサー１６の出力が、ＧＰＳ２２により決定される前記飛行機の位置と共に、データ収集システム１８により記録される。

処理装置２４は、データ収集システム１８に蓄積されたデータを処理するために設けられる。処理装置２４は、前記飛行機に持ち込まれ、リアルタイムでデータを処理することとしてもよく、又は前記飛行機が飛行中に蓄積されたデータのみについて、オフラインでデータを処理するように用いてもよい。処理装置２４は、窓１０の内側の誘導電荷に起因する電界（これは、静電気モニター１６の出力に相当する）と、前記飛行機が飛行するエアロゾルの粒子密度と、の想定される関数関係に基づいて、前記センサー１６の出力の記録値を、粒子密度の値へと変換するために、設けられている。いくつかの状況においては、前記関係はとても簡単である。例えば、電界（つまり前記センサー１６の出力）が、エアロゾルの粒子密度に直接的に比例する場合である。他の場合においては、前記センサー１６の出力は、粒子密度のより複雑な関数となり得る。さらに他の場合においては、前記センサー１６の出力の変化率は、エアロゾルの粒子密度の線形関数又はより複雑な関数となり得る。特定の種類のエアロゾルにおける関数関係は、他の機器又は測定を用いた過去の実験によりあらかじめ推測され、又は発見される。こうして、処理装置２４により、存在する位置に応じて、エアロゾルの粒子密度を取得することができ、言い換えればエアロゾルの粒子密度をマッピングすることができる。

図３は、本発明に係る装置の第二の例の一部を示している。図３に示した前記装置の部材のうち、図１に示した前記装置に対応する部分については、図１中の対応箇所にラベルされた参照符号とは１００異なる参照符号を付している。第二の例に係る装置においては、電気機械電界センサー１１６の出力は処理装置１１７に接続される。当該処理装置１１７は、前記センサー１１６の出力に応じて（あるいは前記センサー１１６の出力の変化率に応じて）、エアロゾルの粒子密度用に想定された関数形式に基づいて、前記センサー１１６の出力（又はセンサー１１６の出力の変化率）をリアルタイムでエアロゾルの粒子密度の値へと変換する。処理装置１１７からの出力は、エアロゾルの粒子密度に直接的に対応し、これは、ＧＰＳ１２２によって示される飛行機の位置と共に、データ収集システム１１８により、一連の各時間について記録される。したがって、データ収集システム１１８は、位置の関数としてエアロゾルの粒子密度をマッピングする情報を蓄積する。

図４は、調査用飛行機に搭載された積分比濁計の出力の、前記飛行機が火山灰雲の中を飛行している間の四時間にわたる、トレース２１０を示したものである。この火山灰雲は、２０１０年３月２０日に始まったアイスランドのエイヤフィヤトラヨークトル火山の噴火によって生じたものである。トレース２００は垂直軸２１１を参照している。積分比濁計は、三種類の可視波長について光減衰を測定するが、その出力はエアロゾルの粒子密度を表すものである。また、図４には、上記と同じ時間に及ぶ電気機械電界センサーの出力のトレース２００（垂直軸２０１を参照する。）が示されている。当該センサーは、図１及び３に示したのと同様の態様で、同じ調査用飛行機の中に搭載される。図４は、電気機械電界センサーの出力と、比濁計により測定される減衰により示唆されるエアロゾルの粒子密度と、が密接に関連することを示している。

図５においてトレース２２０（垂直軸２２１を参照する。）は、図４におけるトレース２００と同じである。また、図５には、受動キャビティエアロゾル分光プローブ（ＰＣＡＳＰ）の出力のトレース２３０も示してある。当該ＰＣＡＳＰも、調査用飛行機に搭載される。トレース２３０の時間は、トレース２２０が記録された時間と同じく、４時間に及ぶ。（トレース２３０は、垂直軸２３１を参照する。）ＰＣＡＳＰは、エアロゾルを検出し分析するための光学分光計である。図５は、ＰＣＡＳＰで測定されたエアロゾルの粒子密度と、前記調査用飛行機の中に搭載された電気機械電界センサーの出力と、の間に密接な相関関係があることを示している。

図６には、同じ電気機械電界センサーの出力の変化率を３．５時間（垂直軸２４１を参照のこと。）にわたって追跡したトレース２４０が示してある。また、図６には、火山灰の質量濃度を上記と同じ時間にわたって追跡したトレース２５０が示してある。火山灰の質量濃度は、前記調査用飛行機に固定された専用の粒子密度測定機器により決定される。図６は、前記センサーの出力の変化率と、前記調査用飛行機が飛行した火山灰雲のエアロゾルの粒子密度と、の間に密接な相関関係があることを示している。

いくつかの実施形態においては、前記検出手段の出力がモニタリングされ（例えば、比較器にインプットされ）、そうすることにより、出力が閾値を超えたら警報シグナルが発生されるようになっている。当該閾値は、何らかの事情（例えば、エンジンの破損）により前記飛行機が破損することとなり得るエアロゾルの粒子密度と関係する値である。前記警報シグナルは、前記飛行機のパイロットに視覚的な及び／又は可聴式のシグナルを与えるのに用いることができる。これに代えて、または付加的に、前記警報シグナルは、前記飛行機の飛行制御システムを自動的に制御するのに用いることができる。そうすることにより、前記飛行機をエアロゾルの粒子密度がより低い空域内で飛行するように操縦することができる。

Claims (15)

1. 誘電性部材を有する飛行機を含むエアロゾル検出装置であって、前記誘電性部材の表面が前記飛行機の外側表面の一部を形成するように、前記誘電性部材が前記飛行機の本体に含まれ、検出手段が前記飛行機の内部に配置され、当該検出手段は前記飛行機の中の電界を検出するために設けられ、当該電界は、前記誘電性部材が分極化して、それにより前記飛行機の外側表面の一部を形成する側とは反対側の前記誘導性部材の表面に誘導電荷が生じる結果、発生するものである、エアロゾル検出装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記誘電性部材は、前記飛行機の窓である、装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の装置であって、前記検出手段は、前記飛行機の中に搭載された静電気モニターである、装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記静電気モニターは静電電圧計である、装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記静電電圧計は電気機械回転集電器である、装置。
6. 請求項３から５のいずれかに記載の装置であって、前記静電気モニターの出力をモニターリングし、当該出力があらかじめ定められた閾値を超えたら発生させる警報を発するための警報手段をさらに備える、装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、前記警報が視覚的および／または聴覚的に、１人以上の飛行機乗務員に、注意を促す警報であり、さらに／もしくは、前記警報が、前記飛行機の制御システムに、該飛行機を大気圏の一定領域外に移動させる制御信号である、装置。
8. 請求項３から７のいずれかに記載の装置であって、前記飛行機の位置に応じて、前記静電気モニターの出力又は当該静電気モニターの出力の変化率を記録するためのデータ収集システムをさらに備える、装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、当該装置は、前記飛行機の位置情報を前記データ収集システムへと出力するための全地球測位システム（ＧＰＳ）をさらに備える、装置。
10. 請求項８又は請求項９に記載の装置であって、処理手段をさらに備え、当該処理手段は、前記静電気モニターの出力、又は出力の変化率に応じて、エアロゾルの粒子密度のための想定された関数形式に基づいて、前記静電気モニターの出力の記録値、又は前記静電気モニターの出力の変化率の記録値を、エアロゾルの粒子密度の値へと変換するために設けられるものである、装置。
11. 請求項３から７のいずれかに記載の装置であって、処理手段をさらに備え、当該処理手段は、前記静電気モニターの出力、又は前記静電気モニター出力の変化率に応じて、エアロゾルの粒子密度のための想定された関数形式に基づいて、前記静電気モニターの出力又は当該静電気モニターの出力の変化率を、エアロゾルの粒子密度の値へと変換するために設けられるものである、装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、データ収集システムをさらに備え、当該データ収集システムは、前記飛行機の位置に応じて変換手段から出力されるエアロゾルの粒子密度の値を記録するために設けられるものである、装置。
13. 請求項１２に記載の装置であって、前記飛行機の位置情報を前記データ収集システムへと出力するための全地球測位システムをさらに備える、装置。
14. エアロゾルの中の粒子を検出するための方法であって、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の装置を、粒子を含む大気中の領域を通過させる過程を含む、方法。
15. 前記請求項１４に記載の方法であって、前記大気中の領域が、塵もしくは灰粒子を含む、方法。

Images