JPS5949530B2

JPS5949530B2 - 微粒子測定装置

Info

Publication number: JPS5949530B2
Application number: JP51097081A
Authority: JP
Inventors: 匡須田; 忍長谷; 勝己高見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-08-16
Filing date: 1976-08-16
Publication date: 1984-12-03
Also published as: JPS5322787A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は自動車等からの排出粉じん、環境浮遊粉じん、
クリーンルーム内粉じん、その他粉じんがかかわる作業
現場などでの粉じんのうち、０．１〜１０ミクロン領域
の微粒子の測定装置に関するものである。

従来、微小粒子測定装置として種々の装置が開発されて
きた。

たとえば、カスケードインパクタ−、光散乱法などがこ
れである。前者のカスケードインパクタ−はカスケード
の段数に対応した粒径の区分ごとの重量濃度が計れるが
、秤量するのに十分な粉塵を付着させるのに長時間を要
するという欠点がある。後者の光散乱法においては、全
粒子散乱法、単粒子散乱法などに分類され、それぞれに
市販品が出まわつている。全粒子散乱法に属する測定装
置は粒径分布がわからないことが最大の欠点である。単
粒子散乱法に属する測定装置は個数濃度および粒径分布
を測定でき、実時間計測を可能ならしめることができ、
現在ではむしろこの種の装置がユーザーにとつて重要な
部分を占めるに至つている。ところで、単粒子光散乱方
式を採用した市販測定装置の測定可能最小粒子は一般に
は０．５μｍ、高性能高価なもので０．３μｍどまりで
ある。

これに対して、本発明者等はレーザーを光源とし、種種
の工夫をこらすことによつて粒径範囲０．１〜０．５μ
ｍの微小粒子を測定可能ならしめた（この技術について
は、本発明者等が先に特開昭５０−１１７４８９号「粒
子検出器」、特開昭５１−６９６８３号「粒子検出装置
」などを出願した）。しかし、実用的には粒径範囲は０
．１〜１０μｍが要求される。この要求に対して上記の
レーザを光源とする単粒子光散乱方式の装置では粒径範
囲０．１〜０．５μｍの微粒子しか測れないため、実用
的に難点があつた。本発明の目的は、上述のような難点
を解決するためになされたもので、レーザを光源として
用いる単粒子散乱方式を用いる粒子測定装置の測定粒径
範囲を０．１〜１０１をｍと拡大された微粒子測定装置
を提供せんとするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、被測定粒子を
含む気体の層流に集光光学系を介して光ビームを照射し
、その散乱光を検出して被測定粒子を検知する微粒子測
定装置において、前記光ビームを上記気体の層流に照射
するための前記集光光学系を前記光ビームの光路から除
去し得る手段を付加して構成したもので、これにより測
定粒径範囲０．１〜１０μｍと拡大ならしめたものであ
る。

本発明の実施例の説明に先立ち、微小粒子の散乱断面積
の粒径依存性を説明し、測定粒径範囲を拡大する点での
問題を述べる。第１図に粒径とその散乱断面積（粒子に
よつて照射光が散乱される割合）の関係を、粒径０．１
〜２０μｍの範囲で実線で示す（この場合の計算の条件
は第１図中に示してある）。

この結果の特徴的な点は、（１）粒径約１．２μｍ以上
で、散乱断面積は粒径に対して振動的に変化している、
（２）粒径０．１〜１０μｍの範囲で、散乱断面積の変
化範囲は約５，５桁にわたつている、などである。

第１図中の黒点はポリスチレン（ＰＯｌｙｓｔｙｒｅｎ
ｅ）粒子を標準粒子とする実験結果であり、理論値とよ
く一致している。

従つて、第１図を基礎にして、微粒子測定装置を実現す
るに当つて考慮すべき点は、上記した二つの問題点であ
る。

まず、粒径と総粒子個数との関係を表わす粒径分布を測
定可能ならしめる点から考えると、上記（１）かられか
ることは、粒径約１．２μ以上では誤差を伴うことであ
る。

しかし、一般にこのような誤差を少くするために、例え
ば０．５μｍ以上の粒径範囲において、５μｍ以上の総
数、０．５μｍ以上の総数などと計数して粒径分布を測
定するいわゆるオーバーサイズ（０ｖｅｒｓｉｚｅ）方
式を採用している。そこで、この考え方を基にして、た
とえば１〜１０μｍの範囲を１〜２μｍ、２〜４μｍ、
４〜６μｍ、６〜１０μｍのように区分し、その各々の
範囲の粒径に対応するパルスを計数し、その各区間の平
均をとることにより、さらに誤差の少ない粒径分布を計
測するようにすることができる。一方、大気中、クリー
ンルームなどの環境において、粉塵の粒径が大きくなる
に従がい、その個数濃度が低下するのが普通である。

単粒子光散乱型粒子測定装置において、測定可能な最高
濃度は検出領域の体積（これをｓ（ｄ）とする）に依存
し、理想的にはＶｓに反比例する。したがつて、濃度が
低くなつても大きい粒子を測定できるようにするために
はｓを大きくする必要がある。また逆に濃度が高くなる
微小粒子を測定しやすくするにはｓを小さくすることが
必要となる。先に引用した本発明者らの出願では粒径範
囲０．１〜０．５μｍの微小粒子を測定するが、Ｓ／Ｎ
比を向上させるために（とくに散乱空間中の空気分子に
よるレーレ一（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）散乱光を減少させる
ために）、検出領域の縮小法を採用している。

すなわち、これはＶｓを小さくすることであり、濃度の
高い微小粒子を測定しやすくする方向と一致している。
そして、上述のＶｓを小にするために、（ｉ）レーザビ
ームを絞る、（Ｉｉ）スリツト（後述）の幅を狭くする
、などを行つている。従つて、濃度が低くなつても大き
い粒子を測定可能にするためには、これまでのいわゆる
縮小法を解除することによつて達成することができる。
上述した点を踏まえて、本発明における微小粒子測定装
置は以下のような考え方で構成した。

（ａ）測定粒径範囲０．１〜１０μｍを０．１〜０．５
μｍの測定範囲および０．５〜１０μｍの測定範囲に二
大区分する。（ｂ）第１の区分０．１〜０．５μｍの測
定範囲では既引用の出願そのままの構成とする。

従つて、この場合、検出領域は縮小法が採用される。（
ｃ）第二の区分０．５〜１０μｍの測定範囲では、上記
（ｂ）に新たに機能を付加するものとする。

この場合、第一の区分ではレーザビームを細く絞つてい
たのに対して上記縮小法を解除する。これを実現するた
めに、上記（ｂ）のための集光光学系を光軸から除去す
る。このような構成にすれば、前記の問題点（２）、言
い換えれば微粒子によつて散乱された光を電気信号に変
換するのに必要な光電変換素子たとえば光電増倍管と結
合されるいわゆる前置増幅器（ＰＡ）のダイナミツクレ
ンジの問題は、自然に解決できてしまうのである。

すなわち、散乱断面積はＰＡの出力パルス高さに比例す
るので、このＰＡのダイナミツクレンジを５．５桁にす
る必要がある。しかしながら、これについては、上述の
ように、検出領域Ｖｓを大きくするために光ビーム径を
太くするように構成するのであるから、そのために粒径
範囲０．５〜１０μｍの粒子による散乱光はその分弱ま
ることになる。従つて、もしか＼る粒径範囲において同
一の照射強度で照射した場合にはＰＡのダイナミツクレ
ンジを越えてしまう信号のレベルでも、ＰＡのダイナミ
ツクレンジ内に納まることとなり、かかるダイナミツク
レンジの問題は自然に解決し得ることがわかる。以下、
本発明を実施例を参照してさらに詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例を説明する図である。

図において、１はレーザー、２はミラー、３は照１射
（集光）光学系、４は光散乱セルと呼び、入射窓５、エ
アロゾロノズル６、クリーンエアノズル７、光トラツプ
ホーン８および９、エアロゾル導入口１０、クリーンエ
ア導入口１１、出射窓１２、などからなつているもの、
Ｉ３は粒子による散乱光の集光光学系、１４はスリツト
、１５は光電変換素子たとえば光電増倍管、１６はエア
ロゾルの吸引ポンプ、１７−１および１７−２はフイル
タ、１８は流量調節用バルブである。光散乱セルおよび
空気吸引系はエアロゾル流をクリーンエア：でカーテ
ンするように構成してある。この構成において、１９は
照射光学系３を光路２０からはずしたり入れたりするた
めの駆動機構であり、本発者等による特願昭５１−２９
９３５号「脱着装置」を用いると好適である。この構成
において、第一の区分０．１〜０．５μｍを測定すると
きは照射光学系３を光路２０に入れ、第二の区分０．５
〜１０μ．ｍを測定するときはこれを光路２０から出す
ものである。前者のときはビーム径が約１００ｔｔｍ、
後者のときはレーザの出力ビーム径そのまま（約８００
μｍ）、となつている。したがつて、粒子への照射光強
度は前者に対して後者は１／６４となる。スリツト幅は
１ｍｍＸ１００Ｉｔｍとしており、有効なのはビームに
対して直角方向の１００μｍであるから、検出領域の体
積Ｖｓは前者に対し後者は６４倍となる。次に、粒径分
布等を求めるための信号処理方法の概略を第３図および
第４図を参照して説明する。

第３図は、第２図の実施例において粒径分布を一挙に求
めるための信号処理回路を示すプロツク図である。粒径
分布を求めるために、粒径範囲０．１〜０．５μｍをｎ
１チヤネルに、粒径範囲０．５〜１０μｍをＮ２チヤネ
ルに、それぞれ分割する。

粒径範囲０．１〜０．５μｍしかなかつた従来の装置で
はｎ１チヤネル分のみを用意すれば十分であつた。本発
明においては、粒径範囲０．５〜１０Ｉｔｍ０）Ｎ２チ
ヤネル分の処理も可能なようにすることが必要となる。
第３図ではこれが可能な構成としている。以下、第３図
の構成と作用を説明する。１５は光電子増倍管（ＰＭＴ
）で、粒子からの散乱光を受けて電気信号に変換する。

変換された信号はパルスである。２１はＰＭＴに接続さ
れた前置増幅器ＰＡである。

２２と３２は（Ｎ，＋１）個または（Ｎ２＋１）個から
デスクリミネータ群、２４と３３および２５は上記と同
数からなるコンパレータ群およびチヤネルセパレータ群
である。

デイクミネータ、コンパレータおよびチヤネルセパレー
タの構成により、信号パルス高さをｎ１またはＮ２に分
離させる。デイスクリミネータ群２２とコンパレータ群
２４とは粒径範囲０．１〜０．５μｍを受け持ち、３２
と３３とは粒径範囲０．５〜１０μｍを受け持つ。２３
と３４は１個からなるコンパレータで、ＰＡからの信号
パルスをある一定のレベル以上で２値化する。

２３は粒径範囲０．１〜０．５μｍを、３４は粒径範囲
を０．５〜１０１ｔｍを、それぞれ受け持つ２６は雑音
パルス除去回路、２９は波形整形回路である。

２９はコンパレータ２３または３４からの２値信号を受
けて波形整形する。

２６はチヤネルセパータの出力に含まれているかも知れ
ない雑音パルスを除去するもので、２９の整形された波
形とＡＮＤをとることによつてなされる。

２７はパルスカウンタで、チヤネルごとにカウントする
とともに、全チヤネルの和も同時ｌとカウントする。

２８は表示部でカウンタの計数値を適当に定めた桁数で
表示する。

３０はクロツクパルス発生器である。

３１はクロツクパルスを受けて信号処理の各．部の作働
時間をシーケンシヤルに制御するための制御信号を発生
させる制御部である。

３５は照射光学系の駆動機構の制御回路で、制御回路３
１からの制御信号によつて作動する。

３６〜３８は切換スイツチで、すべて同期して切換わる
ように３１からの信号によつて制御される。

第４図は第３図に示した制御を要する部分の夕イミング
を示すためのタイムチヤートである。

第４図中の時間々隔の各々は以下の通りである。ＴＦＲ
：第一区分の粒径範囲０．１〜０．５μｍを計測する時
間。照射光学系は光路に入つている。ＴＲＭ：第一区分
から第二区分（粒径範囲０．５〜１０μｍ）への切換の
時間。この時間中に照射光学系を光路から除去する。

ＴＳＲ：第二区方の粒径を計測する時間。

照射光学系は光路から除去されている。ＴＦＭ：粒径範
囲０．１〜１０μｍを計測するに要する時間。

ｔ＝ＴＯにおいて、照射光学系が光路に入り、スイツチ
３６〜３８はすべて上方に接点じているとする。

この時間は第一区分の粒径をＮ，チヤネルに分割しつつ
、各チヤネルの計算値を表示する。時間が経過し、ｔ＝
Ｔ，の時刻において、第一区分の計測は終り、同時に、
照射光学系は光路より除去、スイツチ３６〜３８はすべ
て下方に接点される。ｔ：Ｔ２においてそれらの動作が
完了し、同時に第二区分の粒径の計測が行われる。ｔ＝
Ｔ２に至つてこの計測は終了する。以上が１回の計測で
、これを繰り返えせばＴＦＭを計測時間として連続計測
が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、従来不可能であ
つた０．１μｍの微小粒子から１０μｍの広範囲の粒径
にわたつて、個数濃度、粒径分布が測定可能な粒子測定
装置が実現できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は粒径対散乱断面積の理論と実験の対応図、第２
図は本発明の一実施例を説明する図、第３図は第２図の
信号処理回路の一例を示す、第４図は第３図の動作状況
を説明するタイムチヤートである。図中、１・・・・・・レーザ、３・・・・・・照射（集
光）光学系、４・・・・・・光散乱セル、６・・・・・
・エアロゾルノズル、７・・・・・・クリーンエアノズ
ル、８，９・・・・・・光トラツプホーン、１４・・・
・・・スリツト、１５・・・・・・光電変換素子、１７
−１，１７−２・・・・・・フイルタ一１９・・・・
・・駆動機構。

Claims

【特許請求の範囲】

１被測定粒子を含む気体の層流に集光光学系を介して
光ビームを照射し、その散乱光を検出して被測定粒子を
検知する微粒子測定装置において、前記光ビームを前記
気体の層流に照射するための前記集光光学系を前記光ビ
ームの光路から除去し得る手段を付加して構成したこと
を特徴とする微粒子測定装置。