JPH04191639A

JPH04191639A - 塵埃粒子の質量濃度の計測方法

Info

Publication number: JPH04191639A
Application number: JP32436490A
Authority: JP
Inventors: Norio Isahaya; 諌早　典夫
Original assignee: SHIBATA KAGAKU KIKAI KOGYO KK
Current assignee: SHIBATA KAGAKU KIKAI KOGYO KK
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1992-07-09
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0830673B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（＾）産業上の利用分野この発明は主として種々の作業・生産・生活の諸環境あ
るいは固定および移動発生源における空気、大気あるい
は排ガス中の浮遊塵埃粒子等の質量濃度を近リャルタイ
ムで連続計測できる、取り扱いが簡便で、比較的、安価
なモニターを提供し、高度の環境・労働衛生管理あるい
は生産工程における品質管理等を可能にすることを目的
とするものである。

（Ｂ）従来の技術とその問題点従来、このような目的で、種々の環境空気中あるいは排
ガス中の浮遊塵埃粒子の質量濃度を１測する方法として
、（１）濾紙法（２）β線減衰法（以下、ＢＡＭ法と略称する）（３）
水晶振動子質量マイクロ・バランス法（以下、ＱＣＭ法
と略称する）（４）テーパー付棒状振動子マイクロ・バランス法（以
下、ＴＥＯＭ法と略称する）等が主として用いられている。

（１）のへ紙法は錨紙に大気あるいはガ、ス中の浮遊塵
埃粒子を濾過採取した後、その重量増加を天秤で秤量し
て質量濃度を算出するものであるが、採取と秤量に時間
と人手を要し、連続的なリアルタイム自動計測は不可能
な欠点がある。

（２）のＢＡＭ法はテープ状カセット濾紙に浮遊塵埃粒
子を濾過採取した後、そのβ線の減衰率の変化を計測し
質ｆｆｉ濃度を算出するものであるが、安全性を考慮し
て放射性同位元素ＣＩ４等の低放射線線量（一般に約１
００μＣ４以下）の密封線源が使用されるので、一般に
サンプリング時間を約０．５〜１．　Ｏｈｒと長くしな
いと必要な測定精度の減衰率を得るための濾紙への浮遊
塵埃の捕集量が得られないことおよび減衰率の放射線計
測時間を数分間以上かけないと統計的な計測誤差が大き
くなるという理由のため、０．５〜１．　Ｏｈｒ程度の
長時間の平均濃度を間欠的に自動計測することは可能で
あるが、質量濃度の時間的変動を近リャルタイムで連続
計測することは難しいという欠点がある。また、β線の
減衰率の変化を極力、高くして測定精度を向上させるた
めには、濾過面積を小さくして（一般には、Ｉｃｍ’前
後）、そこに採取気体を集中的に濾過させる（一般には
、１５１７ｍ１ｎ程度）必要があるために、その気体濾
過速度が公式適正澁過速度のｌＯ〜３０ｃｍ／ｓの１０
倍程度に達してしまい、濾紙の圧力損失が異常に高くな
り、その結果、採取気体のバイパス漏洩や粉塵の濾紙か
らの吹き抜は等の異常現象による測定誤差が生じ易い欠
点がある。

（３）のＱＣＭ法はＡＴカットの円板状水晶振動子の厚
みすべり振動モードを利用し、その固有振動数が電気集
塵法によりその電極面上に静電的に付着させた浮遊塵埃
の質量増加により変化するので、これを検出してその質
量濃度を算出するものである。

ただし、この測定法の原理が正しく成立するためには、
塵埃粒子の電極面上への付着層の厚さが均一な薄膜状に
なることが前提になっているが、実際には電気集塵法を
利用しているために、塵埃の粒子径分布や電気抵抗率等
の物性の変動によりその付着層の厚さが不均一になった
り、水晶振動子の高周波振動（数Ｍｌ（ｚ）加速度が常
時、付着層に作用しているため剥離再飛散が発生する等
により大きな測定誤差が生ずる欠点がある。また、電極
への付着塵埃量の上限（ホールディング・キャパシティ
）はｌＯμｇ程度で極めて小さく、そのために電極の清
浄操作を頻繁に行う必要があり繁雑であり、さらには、
このために電極が損耗し高価な水晶振動子を頻繁に取り
替える必要があり、また電気集塵用の針端電極もコロナ
放電による電気的摩耗により性能劣化を招くのでこれも
頻繁に取り替える必要がある等の欠点がある。

（４）のＴＥＯＭ法は、軸方向断面積の異なるテーパー
状中空棒の太い方を固定端とし、細い方を自由端とした
振動子の自由端に集中質量としての濾紙ホルダーを装着
し、これに浮遊塵埃を濾過捕集し、その質量増加による
振動子の固有振動数の減少を検出して質量濃度を算出す
るものである。これは近リャルタイムで質量濃度を連続
自動的にモニター計測できる優れた方法ではあるが、振
動子の径の細い自由端（一般に、１ｍｍ直径前後の肉薄
の円管）に濾過ホルダー（有効径的１３ｍｍ程度）が直
接、装着されているために、給紙全面に均等に濾過せず
その中心点付近に採取塵埃粒子が集中的に偏って捕集さ
れたり、その交換操作時に振動子や濾紙ホルダーが破損
し易い等の構造的に弱点があり、また、濾紙の有効濾過
直径が約１３１１１ｍ程度の比較的、小型で軽量な濾紙
ホルダーしか装着できないので、所定の採取気体流量に
対して公式に認められている適正濾過速度範囲（１０〜
３０ｃ＋ｅ／ｓ）を超過してしまう欠点がある。

（Ｃ）本発明が解決しようとしている問題点比較的、大
量の採取気体を適正な濾過速度（１０〜３０ｃｍ／ｓ程
度）で、かつその採取塵埃粒子が濾過面に均等に採取出
来るように、比較的、濾過面積が大きく、さらに、濾紙
の下流側に十分に広い気体分配機能・をもつ空間を有す
る、比較的、大型の濾紙ホルダーを装着しても、安定で
鋭い共振振動が得られる簡単な構造で、機械的にも強固
であり、強い外力にも十分に耐えられる理想的な振動子
として音叉型を利用するもので、その振動梁の片方もし
くは両方の中心付近のほぼ軸方向に気体の流通孔を設け
、その自由端に浮遊塵埃を捕集サンブルするための前述
のような濾紙ホルダーを装着し、その梁の一部にピエゾ
圧電素子を接着して共振振動を行わせることを特徴とす
るものである。これにより、浮遊粉塵を濾紙に濾過採取
すると、その重量増加に伴っ°Ｃ音叉型振動子の固有振
動数が比例的に減少するので、その振動数の変化から浮
遊粉塵の質量濃度を近リャルタイムで連続的に計測モニ
ター出来ることを特徴とするものである。

（Ｄ）問題点を解決するための手段本発明の手段を第１図に示す外観斜視図（Ａ）およびそ
の断面図（Ｂ）、　（Ｃ）、　（Ｄ）および第２図に示
す気体採取、共振振動駆動および振動周波数計測システ
ムのブロック・ダイヤグラム（＾）および（Ｂ）、第３
図の計測結果の一例の具体例を使用して以下、説明する
。第１図（＾）の外観斜視図に示されているように、（
１）は音叉型振動子でその二つの振動梁（２）の長さは
、濾紙ホルダー（４）を装着した方に比べて、もう−・
方のそれは濾紙ホルダーの質量に対応してやや長くし、
両者の固有振動数がほぼ等しくなるようにして容易に共
振するようにしてあり、かつ気体流通孔（１３）がその
中心付近の軸方向に設けられている。この振動子（１）
は気体流通孔を有する支持棒（６）で防振あるいは除振
弾性体（８）を介して気体排出口（９）を有する支持台
（７）に固定されている。浮遊塵埃粒子を含んだ空気あ
るいはガス（１１）は気体排出口（９）に接続された気
体容積流量制御器するいはマス・フロー・コントロー５
−　（１ｇ）を介してポンプ（１９）により所定量が吸
引されると、濾紙ホルダー（４）に装着された濾紙（５
）に浮遊塵埃が捕集され、気体のみが（１０）を通って
（２０）へ排出される。第１図（Ｂ）、　（Ｃ）および
（Ｄ）はその断面を示すもので、（Ｂ）は音叉型振動子
（１）をその軸対称部で支持棒（６）で支持する方法、
（Ｃ）は圧力損失を低減するために気体流通孔（１３）
が直線的になるように支持棒（６）で音叉型振動子（１
）を非対称支持する方法および（Ｄ）はより大量の気体
を採取出来るように音叉型振動子（１３）の双方の振動
梁（２）に気体流通孔（１３）を設け、それぞれに濾紙
ホルダー（４）を装着し、支持棒（６）でほぼ軸対称に
支持する（この場合には音叉型振動子の二つの振動梁（
２）の軸方向長さはほぼ等しくする）方法をそれぞれ示
したものである。

第２図（＾）はこのような音叉型振動子により気体中の
浮遊粉塵の質量濃度を近リャルタイムで連続計測するシ
ステムを示したもので、自動利得調整増幅器（ＡＧＣＡ
＋ｎｐ）（１４）の入力側に接続されている一方のピエ
ゾ圧電素子（］２）は最初、静止状態の音叉型振動子の
極めて微弱な自然共振振動を検出して微弱な交流正弦波
電気信号を発生しているので、これがＡＧＣＡ＋ａｐ（
１４）に入力されると高い増幅度で増幅されて出力側に
接続されている他方のピエゾ圧電振動子（１２）に加え
られると音叉振動子（１）はその固有共振周波数で励振
し始め、その振幅が大きくなるにつれて、ピエゾ圧電素
子の出力電圧も大きくなると、それに応じてＡＧＣＡｍ
ｐ（１４）の増幅度は自動的に低下するようになってい
るので、音叉型振動子（１）は常に一定の振幅で共振す
るようになり、同時にＡＧＣＡｍｐ（１４）からも常に
一定出力の共振周波数に等しい正弦波信号が発生される
。

この共振周波数の電気信号は周波数計数器（１５）に送
られ計数され、さらにこれがデータプロセッサー（１６
）で次式（１）にもとずいて質量に換算される。

Ａｆ−に＋　（ｌ／Ｋｔ”’−１／（Ｋｔ＋Δ＋ｎ）”
”ｌ　　　（１）ここで、Δｆは所定のサンプリング時
間間隔（例えば、数秒〜数分毎）における濾紙の重量増
加Δｍに対応する振動子の共振周波数の減少幅、ＫＩ＋
　Ｋｘは振動子およびの濾紙ホルダーの弾性率、密度、
幾何学的形態や寸法等で決まる定数である。また、この
Δｍとサンプリング時間間隔に対応する採取気体流量と
から浮遊塵埃粒子濃度が求められる。

このような演算結果はデータプロセッサー（１６）を通
して記録装置（１７）で記録表示される。なお、（１８
）は常に所定の一定気体流ｆｆｉ　（Ｉｆ）をポンプ（
１９）で吸引排気（２０）するための定容積流並制御器
あるいはマス・フロー・コントローラーである。

第２図（Ｂ）は基準周波数を発信する音叉型振動子（１
′）と前述のような濾紙ホルダーを装着した音叉型振動
子（１）の共振周波数との差を計測するコムバレーター
（２１）を加え−Ｃより高い測定精度が得られるように
したものである。

第３図は本方法による計測結果の一例を示したもので、
マイクロダラム程度の微量な質量からダラム程度の比較
的大きい質量までの広い範囲にわたって計測可能なこと
を示している。

なお、以」二の説明においては、音叉型振動子の振動梁
の断面形状は矩形状のものについて行ったが、その他、
正方形、円形、楕円形等の異形であってもよい。また、
振動梁の共振励振の駆動及び検出にはピエゾ圧電素子の
他に、電磁力により伸縮する磁歪素子、あるいは電磁力
や静電力自体を利用することもできる。振動子の素材と
しては一般に恒弾性合金が使用されるが、その他、鉄、
ステンレス、アルミ合金、チタン合金、水晶、セラミッ
クス、エンジニャリング・プラスチック等の一般工業用
弾性材料も使用できる。

（Ｅ）本発明の効果生活、作業あるいは生産環境等においては、その生活者
や作業者の健康・衛生管理のために、あるいは製品の品
質管理のために、それぞれに応じた大気あるいは排ガス
中の浮遊粉塵の質量濃度、個数′ａ度および粒子径分布
についての許容値あるいは管理基準が定められているの
で、それらの旧制管理が日常的に行なわれる必要がある
。−・般にそれらの諸量は比較的、短い時間（数秒〜数
分間移変の周期）で不確定な変動を示す場合が多い。

従来のＢＡＭ法では前述のような理由によりそのサンプ
リング時間が数十分〜数時間と長く、その期間の質量濃
度の平均値は計測できるが、その間の変動状況は把握で
きなかった。そのために、たとえ、その平均値が許容値
あるいは管理基準以下であっても短時間ではあるが許容
値あるい管理基準を太き（超え、好ましくない状態が生
じているにもかかわらず、その実態を正確に把握するこ
とができなかった。また、ＢＡＭ法もＴＥＯＭ法も濾紙
の適正濾過速度範囲（１０〜３０ｃｍ／ｓ）を大きく上
回った状態で使用しているので、その測定結果は公式デ
ータとして取り扱えずに参考値に止められている場合が
ある。

本発明によれば、公式に定められている濾紙の適正濾過
速度範囲で計測が行えるので、質量濃度の時間的変化が
公式値として刻々と近リャルタイムで計測でき、従来法
に比べて浮遊粉塵の低減・抑制のための適切で合理的な
技術的あるいは管理的な判断や対策が速やかにとれるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の音叉型振動子式マイクロ・バランス質
量濃度計の外観斜視図および断面図第２図は本発明の計
測システムを示すブロック・ダイヤグラム第３図は本発明の測定器による測定結果の一例１は音叉
型振動子２は工の振動梁３は１の自由端４は３に固定された濾紙ホルダー　　′５は４に装着さ
れた濾紙６は１を支持する気体流通孔ををする支持棒７はｌを支
持する気体流通部をもつ支持台８は７に設けられた防振
あるいは除振体９は７に設けられた排気孔１０は排気１１は採取気体１２は２を共振励振および振動周波数を検出するピエゾ
圧電素子１３は２に設けられた気体流通孔１４は１の共振振動により１２で発生する交流電気信号
を増幅しその出力を１２へ戻して１を励振させる自動利
得調整増幅器１５は１４の出力信号の周波数を計測する計数器１６は
１４の周波数を質量に演算する等のデータ・プロセッサ
ーＩ７は１６の記録表示装置１８は気体のサンプリング流量を所定量に制御するため
の定容積流量制御器あるいはマス・フロー礫フントロラ
ー１９はポンプ２０は排気２１は周波数差を計測するコンパレーター第３図 △ｍ８手続補正ｌｆ！ｊ（方式）１、事件の表示　　　　　　　平成２年特許願第３２４
３６４号２、発明の名称　　　　　　　音叉型振動子式
質量マイクロ・バランス３、補正をする者 °Ｆ件との関係　　　　　特許出願人

Claims

【特許請求の範囲】

音叉型振動子の二つの振動梁の片方もしくは両方の軸方
向に気体の通気孔を設け、その振動梁の片方もしくは両
方の自由端に気体サンプル用濾紙ホルダーを装着したも
のにおいて、これをピエゾ圧電素子等によりその固有振
動数で共振駆動させ、この状態において自由端に装着さ
れた濾紙ホルダーから固定端の方に気体を吸引すると、
気体中の浮遊塵埃粒子（エアロゾル）は濾紙に捕集付着
され、その質量増加に伴って音叉型振動子の共振振動数
が比例的に減少する特性を利用して、その振動数をピエ
ゾ圧電素子等により検出して電気信号に変換し、その周
波数変化を計測することにより濾紙に捕集された塵埃粒
子の質量を近リャルタイムで連続的に計測する方法。