WO2016013113A1 - 粒子及びガスを測定する測定装置、測定システム及び測定方法 - Google Patents

粒子及びガスを測定する測定装置、測定システム及び測定方法 Download PDF

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measuring
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壷井　修
道雄 丑込
百瀬　悟
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富士通株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a measuring device, a measuring system, and a measuring method for measuring particles and gas.
  • each local government has established an environmental measurement station that measures air pollutants throughout the country, and monitors air pollution using a system connected to each environmental measurement station.
  • the specification of the measuring device used for measuring air pollutants is determined by the official method, and the accuracy of the measurement result is ensured.
  • a ⁇ -ray absorption type measuring device is used for measurement of loose particulate matter such as SPM or PM2.5.
  • the ⁇ -ray absorption measurement device has high measurement accuracy, the device is large and consumes a large amount of power, so a small and low power consumption measurement device is required.
  • the optical particle measuring device includes, for example, a flow path through which particles are carried by an air stream, a light emitting element that irradiates light to the flow path, and a light receiving element that receives scattered light scattered by the particles.
  • the optical particle measuring apparatus can measure the particle concentration and the particle size distribution by measuring the scattered light of the particles and the like.
  • a method for generating an air flow in a flow path it is used to generate an air flow by heating a gas with a pump or a heater.
  • a measurement device for measuring air pollutants it is required to simultaneously measure gases such as ozone as well as particles.
  • gases such as ozone as well as particles.
  • gaseous air pollutants include general ozone, sulfur or nitrogen oxide gas, hydrogen sulfide in hot springs or sewage pipes, and volatile organic compounds (VOC) such as indoor formaldehyde.
  • a gas measuring device that is formed of a semiconductor and has a gas sensing unit that changes its electric resistance by adsorbing a gas has been proposed as a gas measuring device that is small and has low power consumption.
  • the surface of the gas sensing unit is arranged so as to be exposed to the flow path through which the gas flows. And external air is supplied with respect to the surface of a gas detection part using a pump or a heater.
  • a pump when a pump is used, electric power for driving the heater is also required.
  • This specification makes it a subject to propose the measuring apparatus which measures the particle
  • an object of the present specification is to propose a measurement method for measuring particles and gas that can solve the above-described problems.
  • the first flow path the heating unit provided on one end side of the first flow path, and the above-described first flow path.
  • a gas sensing unit provided on one end side, which is capable of sensing gas by the heat received from the heating unit, and particles passing through the first channel above the heating unit of the first channel optically.
  • a particle measuring unit for measuring is provided on one end side, which is capable of sensing gas by the heat received from the heating unit, and particles passing through the first channel above the heating unit of the first channel optically.
  • the first flow path the heating unit provided on one end side of the first flow path, and the above-described first flow path.
  • a gas sensing unit provided on one end side, which is capable of sensing gas by the heat received from the heating unit, and particles passing through the first channel above the heating unit of the first channel optically.
  • a plurality of measuring devices including a server connected to be communicable with each measuring device.
  • the first flow path the heating unit provided on one end side of the first flow path, and the above-described first flow path.
  • a gas sensing unit provided on one end side, which is capable of sensing gas by the heat received from the heating unit, and particles passing through the first channel above the heating unit of the first channel optically.
  • a measuring device comprising: a particle measuring unit that measures the temperature of the gas sensing unit so that the temperature of the gas sensing unit differs between when the particle is measured and when the gas is measured. Control part.
  • the power consumption is small and the power consumption is small.
  • the system is formed using a small-sized measurement apparatus with low power consumption.
  • measurement can be performed using a small-sized measurement device with low power consumption.
  • FIG. 1 which shows 1st Embodiment of the measuring apparatus disclosed by this specification. It is a top view showing a 1st embodiment of a measuring device indicated to this specification. It is a figure which shows the relationship between the distance L2 and the flow volume of a 1st flow path. It is a figure (the 1) which shows the measurement result of a particle size distribution. It is a figure (the 2) which shows the measurement result of a particle size distribution. It is a figure (the 3) which shows the measurement result of a particle size distribution. It is a figure (the 4) which shows the measurement result of a particle size distribution. It is FIG. (1) explaining control of a heating part. It is FIG. (2) explaining control of a heating part.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a measuring apparatus disclosed in this specification.
  • FIG. 2 is a plan view showing a first embodiment of a measuring apparatus disclosed in this specification.
  • 1 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
  • the measuring device 10 of this embodiment measures particles and gas in the atmosphere.
  • the measuring apparatus 10 includes a particle measuring unit 10a that measures the concentration and particle size distribution of particles in the atmosphere, and a gas measuring unit 10b that measures a predetermined gas concentration in the atmosphere.
  • the particle measuring unit 10a optically measures particles passing through the first flow path F1. Specifically, the particle measuring unit 10a includes the light emitting element 12 that irradiates light to the first flow path F1 through which the particles P are carried by the air current, and the scattering in which the particles P that pass through the first flow path F1 are scattered. It has the light receiving element 13 which receives light.
  • the first flow path F 1, the light emitting element 12, and the light receiving element 13 are disposed inside the housing 11.
  • the first flow path F1 is a columnar space surrounded by a cylindrical inner wall 11c disposed inside the housing 11.
  • the measuring apparatus 10 is preferably arranged so that the first flow path F1 coincides with the vertical direction.
  • the light irradiated by the light emitting element 12 is refracted by the lens 14a, passes through the opening 11d, and converges to a predetermined region in the first flow path F1.
  • the particles P pass through a predetermined region in the first flow path F1
  • the particles P scatter light irradiated from the light emitting element 12.
  • the light passing through the opening 11 e is refracted by the lens 14 b and received by the light receiving element 13.
  • Each element is arranged so that the optical axis of light irradiated from the light emitting element 12 and passing through the lens 14a and the optical axis of light entering the light receiving element 13 through the lens 14b are orthogonal to each other.
  • the backscattered light may be reflected using a mirror and received by the light receiving element.
  • the light emitting element 12 and the lens 14a are disposed in a space surrounded by the casing 11, the inner wall 11c, and the like, and are prevented from being influenced by light from the outside.
  • the light receiving element 13 and the lens 14b are disposed in a space surrounded by the casing 11, the inner wall 11c, and the like, and are prevented from being affected by light from the outside.
  • the light emitting element 12 and the light receiving element 13 are controlled by a control unit (not shown), and the output signal of the light receiving element 13 is analyzed by the control unit to obtain the particle concentration and the particle size distribution.
  • the particle measuring unit 10a of the present embodiment obtains the particle diameter using the Mie scattering method.
  • the Mie scattering method is preferably used when the particle diameter is equal to or slightly larger than the wavelength of light.
  • the light receiving element 13 receiving scattered light scattered by the particles P passing through the first flow path F1 includes receiving diffracted light or reflected light by the particles P.
  • the peak intensity of the diffracted light or reflected light by the particles P increases in proportion to the square of the particle diameter.
  • the speed at which the particles P pass through the first flow path F1 is constant according to the flow velocity of the airflow, the time during which the electric signal from the light receiving element 13 exceeds the threshold value determined to have scattered light is the peak intensity. Will depend on.
  • the particle diameter can be estimated from the pulse width of the electric signal from the light receiving element 13.
  • the gas measuring unit 10b has a plurality of intake ports 11a for taking outside air into the second flow path F2.
  • the gas measuring unit 10b has a first surface 15a and a second surface 15b, the first surface 15a is exposed to the second flow path F2, and the gas is adsorbed to the first surface 15a by electric power. It has the gas sensing part 15 from which resistance changes.
  • the gas sensing unit 15 has a layered shape, and the first surface 15a of the gas sensing unit 15 is disposed so as to face the entrance F1a of the first flow path F1.
  • the entrance F1a of the first flow path F1 is connected to the second flow path F2 of the gas measurement unit 10b.
  • the second flow path F2 supplies outside air to the inlet F1a on one end side of the first flow path F1.
  • the gas measurement unit 10 b includes a heating unit 17 that heats the second surface 15 b of the gas sensing unit 15.
  • the heating unit 17 is formed using, for example, a resistor that is supplied with electric power and generates Joule heat.
  • the heating unit 17 is provided at the entrance F1a on one end side of the first flow path F1.
  • the electrical insulation unit 16 and the heating unit 17 also have a layered shape, and are laminated on the inner surface of the housing 11 in the order of the heating unit 17, the electrical insulation unit 16, and the gas sensing unit 15.
  • a heat insulating unit 18 is disposed inside the casing 11 on the opposite side of the heating unit 17 from the gas sensing unit 15.
  • the heat insulating unit 18 prevents the heat generated by the heating unit 17 from being conducted to the outside, and reduces the power consumed by the heating unit 17.
  • an air layer or a porous body can be used, for example.
  • the gas detection unit 15 can detect gas by the heat received from the heating unit 17.
  • the second surface 15b is heated by the heating unit 17, and the first surface 15a is maintained at a predetermined temperature (for example, 400 ° C.).
  • the heated oxygen molecules are activated to generate oxygen ions, and an adsorption equilibrium state of oxygen ions is formed on the first surface 15a.
  • the gas sensing unit 15 is formed of a semiconductor having n-type polarity, a depletion layer is formed near the surface of the semiconductor to which oxygen ions are adsorbed, and the concentration of electrons as carriers decreases, so that the electrical resistance increases. To do.
  • the gas sensing unit 15 when the gas sensing unit 15 is formed of a semiconductor having p-type polarity, holes serving as carriers are accumulated in the vicinity of the surface of the semiconductor to which oxygen ions are adsorbed. Decreases. Since the adsorption equilibrium state of oxygen ions on the first surface 15a changes depending on the presence of a gas such as ozone, the electrical resistance of the gas sensing unit 15 changes according to the gas concentration. Therefore, by examining the electric resistance of the gas sensing unit 15, the gas concentration existing in the vicinity of the first surface 15a can be measured. The output signal of the gas sensing unit 15 is analyzed by a control unit (not shown) to obtain the gas concentration.
  • the material for forming the gas sensing unit 15 for example, a semiconductor formed of tin, a metal oxide such as zinc or tungsten, a nitride, or a semiconductor such as carbon can be used.
  • a noble metal such as platinum may be included in the semiconductor.
  • the second flow path F2 of the gas measurement unit 10b is formed by a space between the first surface 15a of the gas sensing unit 15 and the entrance F1a of the first flow path F1.
  • the gas in the second flow path F2 is heated by the first surface 15a of the gas sensing section 15 heated by the heating section 17 to form an ascending air flow that rises in the first flow path F1.
  • the outside air flows through the intake port 11a toward the second flow path F2, which becomes negative pressure due to the rising air flow rising through the first flow path F1.
  • the outside air sucked from the intake port 11a passes through the second flow path F2 to the first flow path F1, and then is discharged to the outside from the exhaust port 11b.
  • the particle measuring unit 10a optically measures particles passing through the first channel F1 above the heating unit 17 of the first channel F1.
  • the airflow flowing in the first flow path F1 is formed based on the heat generated by the heating unit 17 of the gas measuring unit 10b. Further, the airflow flowing on the first surface 15a of the gas sensing unit 15 of the gas measurement unit 10b is also formed based on the heat generated by the heating unit 17.
  • a gas such as suspended particulate matter or ozone contained in the outside air is sucked into the casing 11 together with the outside air from the air inlet 11a.
  • a gas such as ozone is measured on the first surface 15a of the gas sensing unit 15 exposed in the second flow path F2.
  • the suspended particulate matter is measured by the particle measuring unit 10a in the middle of passing through the first flow path F1 by the ascending airflow.
  • a temperature / humidity measuring unit 19 for measuring the temperature and humidity of the outside air is arranged inside the one air inlet 11a.
  • a control unit controls the heating unit 17 based on the temperature and humidity measured by the temperature / humidity measuring unit 19.
  • a control unit reduces the amount of heat generated in the heating unit 17 and reduces the power consumption of the heating unit 17 when the temperature of the outside air is high. Further, when the humidity of the outside air is high, the moisture-containing particles expand. Therefore, a control unit (not shown) adjusts the heat generation amount of the heating unit 17 so that the humidity in the first flow path F1 is constant based on the humidity of the outside air so that the expanded state of the particles is constant. Also good.
  • the measurement apparatus 10 includes the temperature / humidity measurement unit 19 in which the temperature measurement unit and the humidity measurement unit are integrated.
  • the temperature measurement unit and the humidity measurement unit are separate from each other. May be.
  • the ascending airflow formed in the first flow path F1 is formed so as to have a flow rate capable of carrying particles having a particle diameter to be measured.
  • the distance L2 between the first surface 15a of the gas sensing unit 15 exposed in the second flow path F2 and the opposing portion of the second flow path F2 is a circular cross-sectional shape of the first flow path F1. Is preferably smaller than the first circle-equivalent diameter D1.
  • the cross section of the 1st flow path F1 means the surface which orthogonally crosses the longitudinal direction (direction where gas flows) of the 1st flow path F1.
  • the part which the 2nd flow path F2 opposes is the entrance F1a of the 1st flow path F1 in this embodiment.
  • the entrance F1a of the first flow path F1 is a part surrounded by the edge of the inner wall 11c.
  • the distance L2 or the first circle-converted diameter D1 is not a constant value, it is preferable that the relationship that the distance L2 is smaller than the first circle-converted diameter D1 is satisfied.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the distance L2 and the flow rate of the first flow path.
  • FIG. 3 is a result of measuring the flow rate of the gas flowing through the first flow path F1 when the distance L2 between the first surface 15a of the gas sensing unit 15 and the entrance F1a of the first flow path F1 is changed. .
  • the first flow path F1 has a cylindrical shape having a diameter of 9 mm
  • the first circle-converted diameter D1 was 9 mm.
  • the length of the first flow path F1 was 50 mm.
  • a power of 400 mW was supplied to the resistor forming the heating unit 17 to cause the heating unit 17 to generate heat.
  • the flow rate of the gas flowing through the first flow path F1 is 100 ml / flow rate when the distance L2 is 3 to 4 mm. A peak of about minutes was shown.
  • the reason why the flow rate decreases as the distance L2 increases is that the distance L2 is larger than the thickness of the temperature boundary layer, so that the heat of the first surface 15a of the gas sensing unit 15 is transmitted to the gas in the second flow path F2. It can be difficult.
  • the reason why the flow rate decreases as the distance L2 decreases is that the volume of the second flow path F2 decreases, so that the pressure loss of the second flow path F2 in the flow path from the intake port 11a to the first flow path F1. May increase. Therefore, when the distance L2 is small, the heat of the first surface 15a of the gas sensing unit 15 is transmitted to the gas of the second flow path F2, but the flow rate of the first flow path F1 is not increased.
  • the distance L2 is preferably about the thickness of the temperature boundary layer from the viewpoint of obtaining a large flow rate in the first flow path F1.
  • the distance L2 between the first surface 15a of the gas sensing unit 15 exposed in the second flow path F2 and the opposing portion of the second flow path F2 is defined as the first circle of the first flow path F1.
  • a range of 2/8 to 7/8 of the converted diameter D1 is preferable.
  • the distance L2 is preferably in the range of 3/8 to 5/8, more preferably in the range of 3/8 to 4/8, of the first circle equivalent diameter D1.
  • FIG. 4A the result of measuring the particle size distribution with the distance L2 set to 3.5 mm is shown in FIG. 4A.
  • the measurement apparatus 10 was operated under the same conditions as in FIG. 3, outside air was introduced into the casing 11, and the particle size distribution was measured.
  • FIG. 4A shows a distribution peak around a particle size of 1 to 2 ⁇ m. Therefore, it can be seen that the measuring apparatus 10 can measure particles of PM2.5.
  • a heater H (see the chain line H in FIG. 1) is arranged near the entrance F1a of the first flow path F1, and the heater A power of 400 mW was supplied to H to generate heat, and the particle size distribution was measured using the particle measuring unit 10a.
  • FIG. 4B shows the measurement results.
  • the arrangement of the heater in the first flow path F1 to form the rising airflow is a configuration that has been used in the conventional particle measuring apparatus.
  • the measurement result of FIG. 4B shows a distribution peak around the particle size of 1 to 2 ⁇ m, as in the measurement result of FIG. 4A, and shows the same particle size distribution as a whole. Therefore, it turns out that the heating part 17 can form the airflow for measuring a particle in the 1st flow path F1, similarly to the heater H arrange
  • the measurement result of FIG. 4A is different from the measurement result of FIG. 4B in that the particle size distribution is shifted by about 10%. The correction of this deviation will be described later.
  • FIG. 4C shows the measurement results.
  • no upward airflow is formed with respect to the first flow path F1.
  • the measurement result of FIG. 4C is completely different from the measurement result of FIG. 4A and FIG. 4B, and it can be seen that the particle size distribution cannot be measured normally. Therefore, in order to measure particles, it is necessary to arrange a heating part.
  • the measurement result of FIG. 4A As a reason for the difference in the particle size distribution between the measurement result of FIG. 4A and the measurement result of FIG. 4B, it is considered that the flow rate of the first flow path F1 was lower in the case of FIG. 4A.
  • the light receiving element In the measurement of particles using the Mie scattering method, the light receiving element outputs a pulse signal while receiving the scattered light of the particles.
  • the measurement result of FIG. 4A since the flow rate of the first flow path F1 is smaller and the moving speed of the particles is slower than the measurement of FIG. 4B, the time for receiving the light scattered from the particles having the same particle diameter is the measurement of FIG. Estimated to be longer than Therefore, the measurement result of FIG. 4A was corrected so as to reduce the time of the pulse signal output from the light receiving element.
  • the corrected result is shown in FIG. 4D.
  • the same particle size distribution as the measurement result shown in FIG. 4B is obtained.
  • the measuring apparatus 10 uses the heating unit 17 to generate an air flow in the first flow path F1, a heater or a pump arranged to form the air flow in the conventional particle measuring apparatus is not necessary. Therefore, the measuring apparatus 10 can reduce the electric power for driving these heaters or pumps.
  • the temperature of the first surface 15a of the gas sensing unit 15 was maintained at a predetermined temperature using the heating unit 17, and the concentration of ozone generated at a predetermined concentration was measured by an ozone generator prepared separately. As a result, it was confirmed that the gas measuring unit 10b can measure the ozone concentration in the range of 20 ppb to 200 ppb.
  • the gas containing ozone generated by the ozone generator is sucked into the housing 11 from the intake port 11a of the measuring device 10, flows into the second flow path F2, and is exposed to the second flow path F2. 15 first surfaces 15a are detected.
  • the airflow for measuring the gas is formed by heat by which the heating unit 17 heats the first surface 15a of the gas sensing unit 15.
  • the conventional gas measuring device has a pump for forming an air flow, but the measuring device 10 does not require such a pump.
  • the power consumption of a pump for forming an airflow is about 200 mW.
  • the electric power for driving a pump can be reduced.
  • the power consumption of the heater arranged to form the airflow in the conventional particle measuring apparatus is about 600 mW. Therefore, according to the measuring apparatus 10, the power of about 800 mW can be reduced.
  • the flow rate of the first flow path F1 when measuring particles is determined as a value suitable for measuring particles having a predetermined particle diameter.
  • the flow rate of the second flow path F2 when measuring gas is determined as a value suitable for measuring a predetermined gas.
  • the distance L2 is set in the range of 2/8 to 7/8 of the first circular equivalent diameter D1 of the first flow path F1
  • the flow rate of the first flow path F1 and the second flow path F2 Is substantially the same value.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating the control of the heating unit when the power supplied to the heating unit 17 is constant.
  • the heating value of the heating unit 17 can be a constant value.
  • the time for supplying power to the heating unit 17 can be appropriately determined according to the measurement time.
  • the heating value of the heating unit 17 is also different. And gas measurement are performed separately.
  • FIG. 5B is a diagram illustrating the control of the heating unit when the power supplied to the heating unit 17 is changed.
  • the flow rate of the second flow path F2 when measuring the particles is not a value suitable for measuring a predetermined gas, so the gas is not measured while the particles are being measured.
  • the flow rate of the first flow path F1 when measuring gas is not a value suitable for measuring particles having a predetermined particle diameter, measurement of particles is performed while measuring gas. Not performed.
  • the heating unit 17 can be controlled so as to alternately perform particle measurement and gas measurement.
  • the amount of heat generated by the heating unit 17 is controlled so that the flow rate of the first flow path F1 when measuring particles is a value suitable for measuring particles having a predetermined particle diameter.
  • the heat generation amount of the heating unit 17 is controlled so that the flow rate of the second flow path F2 when measuring the gas becomes a value suitable for measuring the predetermined gas. Therefore, when the particles are measured and when the gas is measured, the amount of heat generated by the heating unit 17 is controlled so that the temperature of the second surface 15b of the gas sensing unit 15 is different.
  • the heating unit 17 is controlled so that the temperature of the second surface 15b of the gas sensing unit 15 is different between when measuring particles and when measuring gas.
  • the measurement apparatus 10 for measuring particles and gas of the present embodiment is small and consumes little power. Moreover, according to the measuring apparatus 10 of this embodiment, it has a simple structure and can be formed at a low manufacturing cost.
  • the first flow path F1 has a constant cross-sectional area in the longitudinal direction, but the cross-sectional area of the first flow path F1 may not be constant from the entrance to the exit. Good. Even in this case, the distance L2 between the first surface 15a of the gas sensing unit 15 exposed in the second flow path F2 and the opposing portion of the second flow path F2 has a circular cross-sectional shape of the first flow path F1. It is preferable that the relationship is smaller than the first circle equivalent diameter D1. For example, the cross-sectional area of the first flow path F1 may be larger on the outlet side than on the inlet side.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the measuring apparatus disclosed in this specification.
  • FIG. 7 is a plan view showing a second embodiment of the measuring apparatus disclosed in this specification. 6 is a cross-sectional view taken along line YY of FIG.
  • the shapes of the gas measurement unit 10b and the second flow path F2 are different from those of the first embodiment described above.
  • the gas sensing unit 15, the electric insulation unit 16, and the heating unit 17 have a concentric cylindrical shape.
  • the gas measuring unit 10b is formed by overlapping the gas sensing unit 15, the electrical insulating unit 16, and the heating unit 17 in this order from the inside.
  • the heating part 17 is arrange
  • the second flow path F2 is disposed so as to extend the first flow path F1 outward from the entrance F1a.
  • the second flow path F2 is formed by a cylindrical space surrounded by the first surface 15a of the gas sensing unit 15.
  • the first surface 15a of the gas sensing unit 15 surrounds the second flow path F2.
  • a cylindrical heat insulating portion 18 is disposed inside the casing 11 on the opposite side of the heating unit 17 from the gas sensing unit 15.
  • the ascending airflow formed in the first flow path F1 is formed so as to have a flow rate capable of carrying particles having a particle diameter to be measured.
  • the second circular equivalent diameter D2 when the cross-sectional shape of the second flow path F2 is circular is smaller than the first circular equivalent diameter D1 when the cross-sectional shape of the first flow path F1 is circular.
  • the cross section of the 2nd flow path F2 means the surface orthogonal to the longitudinal direction (direction where gas flows) of the 2nd flow path F2.
  • the second circular equivalent diameter D2 when the cross-sectional shape of the second flow path F2 is circular is the cross-sectional shape of the first flow path F1. Is preferably in the range of 2/8 to 7/8 of the first circle-equivalent diameter D1 when the is made circular.
  • the distance D2 is preferably in the range of 3/8 to 5/8, more preferably in the range of 3/8 to 4/8, of the first circle equivalent diameter D1.
  • FIG. 8 is a plan view of Modification Example 1 of the measuring apparatus according to the second embodiment.
  • the shape of the second flow path F2 is different from that of the second embodiment described above.
  • the gas sensing unit 15, the electrical insulating unit 16, and the heating unit 17 have a concentric rectangular cylindrical shape.
  • the gas measuring unit 10b is formed by overlapping the gas sensing unit 15, the electrical insulating unit 16, and the heating unit 17 in this order from the inside.
  • the second flow path F2 is formed by a quadrangular prism-shaped space surrounded by the first surface 15a of the gas sensing unit 15.
  • the first surface 15a of the gas sensing unit 15 surrounds the second flow path F2.
  • the second circular equivalent diameter D2 when the cross-sectional shape of the second flow path F2 is circular is preferably smaller than the first circular equivalent diameter D1 when the cross-sectional shape of the first flow path F1 is circular.
  • FIG. 9 is a plan view of a second modification of the measuring apparatus according to the second embodiment.
  • the shapes of the gas measurement unit 10b and the second flow path F2 are different from those of the second embodiment described above.
  • the electrical insulating unit 16 has a rectangular cylindrical shape and is fitted around the heating unit 17.
  • the gas sensing unit 15 also has a rectangular cylindrical shape and is fitted around the electrical insulating unit 16.
  • the gas measuring unit 10b is formed by overlapping the heating unit 17, the electrical insulating unit 16, and the gas sensing unit 15 in this order from the inside.
  • the second flow path F2 is formed by a rectangular cylindrical space surrounded by the inner wall 11c of the housing 11 and the first surface 15a of the gas sensing unit 15.
  • the second flow path F2 surrounds the first surface 15a of the gas sensing unit 15.
  • the distance L2 between the first surface 15a of the gas sensing unit 15 exposed in the second flow path F2 and the opposing portion of the second flow path F2 is the value when the cross-sectional shape of the first flow path F1 is circular. It is preferably smaller than the first circle-equivalent diameter D1.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the measuring apparatus disclosed in this specification.
  • the measuring device 10 of the present embodiment includes a thermoelectric conversion unit 20 that absorbs external heat and supplies heat so as to heat the second surface 15b of the gas sensing unit 15 by supplying electric power.
  • the thermoelectric conversion unit 20 includes a first electrode layer 21, a second electrode layer 22, and a thermoelectric conversion element 23.
  • the thermoelectric conversion element 23 is disposed between the first electrode layer 21 and the second electrode layer 22, and moves the heat on the second electrode layer 22 side to the first electrode layer side when current is supplied.
  • a Peltier element can be used as the thermoelectric conversion element 23, for example, a Peltier element can be used.
  • thermoelectric conversion unit 20 is controlled by supplying power to the first electrode layer 21 and the second electrode layer 22 by a control unit (not shown).
  • the heat absorption part 11 f is arranged outside the second electrode layer 22. Between the 1st electrode layer 21 and the heating part 17, the thermal radiation part 11g is arrange
  • the thermoelectric conversion unit 20 absorbs external heat through the heat absorption unit 11 f and transmits the absorbed heat to the heating unit 17 through the heat dissipation unit 11 g.
  • the heating unit 17 heats the second surface 15b of the gas sensing unit 15 using the heat received from the heat radiation unit 11g and the heat generated by the heating unit 17 itself.
  • the heat insulation part 11h is arrange
  • the heat absorbing portion 11f absorbs external heat, but the heat absorbing portion 11f absorbs the heat of the inner wall 11c, the light emitting element 12, or the light receiving element 13 that is heated by the heated updraft. You may make it absorb heat.
  • the measurement system 50 includes a plurality of measurement devices 10 and a server 51 connected to be able to communicate with the plurality of measurement devices 10 via a network.
  • the measurement system 50 is a system that measures the state of air pollution at multiple points.
  • Each measuring device 10 includes a particle measuring unit 10a, a gas measuring unit 10b, a communication unit 10c, and a control unit 10d that controls each unit.
  • a particle measuring unit 10a As a configuration of the particle measuring unit 10a and the gas measuring unit 10b, the one of the measuring device of any of the above-described embodiments can be applied.
  • the communication unit 10c is controlled by the control unit 10d and communicates with the server 51 via a network using wired or wireless communication.
  • Each measuring device 10 measures the particle size distribution and particle concentration of fine particulate matter in the atmosphere at the place where it is placed, and the gas concentration such as ozone, and transmits the measured value to the server 51 via the network. .
  • Each measuring device 10 is arranged in the vicinity of an air pollutant source such as a factory or a road, for example, and measures the state of air pollution. Moreover, each measuring device 10 may be arranged in a building or site of a school or commercial facility to measure the environment. Moreover, each measuring apparatus 10 may be used for measuring outside air outside the building and controlling air conditioning inside the building based on the measurement result.
  • the server 51 inputs and stores the measurement result of each measuring device 10, processes the measured value, and outputs it as an air pollution state.
  • the server 51 may generate an alarm based on the air pollution state.
  • the server 51 may transmit the air pollution status to an upstream host server (not shown) or a data center (not shown).
  • a ⁇ -ray absorption type particle measurement device 52 or an ultraviolet absorption type gas concentration measurement device 53 with high measurement accuracy may be arranged so as to be connected to a network.
  • the measurement results of the ⁇ -ray absorption type particle measuring device 52 or the ultraviolet absorption type gas concentration measuring device 53 can be input to the server 51 via a network and used to correct the measurement results of each measuring device 10.
  • a system for measuring the air pollution state at multiple points can be constructed at low cost by using a plurality of measurement devices that are small in size and have low power consumption.
  • the measurement apparatus, measurement system, and measurement method for measuring particles and gas according to the above-described embodiments can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
  • the configuration requirements of one embodiment can be applied to other embodiments as appropriate.

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Abstract

　測定装置１０は、第１流路Ｆ１と、第１流路Ｆ１の一端側に設けられた加熱部１７と、第１流路Ｆａの一端側に設けられ、加熱部１７から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部１５と、第１流路Ｆ１の加熱部１７よりも上方で第１流路Ｆ１を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部１０ａと、を備える。

Description

粒子及びガスを測定する測定装置、測定システム及び測定方法
　本発明は、粒子及びガスを測定する測定装置、測定システム及び測定方法に関する。
　近年、産業の発展及び工業の多地点展開により世界規模の大気汚染が危惧されている。例えば、浮遊粒子状物質（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ：ＳＰＭ若しくは微小粒子状物質：ＰＭ２．５）又は地表オゾンによる呼吸器疾患が挙げられる。国際機関である経済協力開発機構（ＯＥＣＤ）が２０１２年に発表した環境アウトルック２０５０のシナリオによれば、子供の早期死亡原因として、これらの大気汚染物質による呼吸器疾患が、今後数十年間にわたってマラリア又は感染症を抜いて増加することが予測されている。即ち、世界的な健康被害の原因として、大気汚染が問題になることを示している。このような大気汚染は、中国又は南アジアなどの新興国で顕著になる見通しである。
　わが国においても浮遊粒子状物質及び光化学オキシダント（主要物質としてオゾン等が含まれる）に関して、環境基準を上回る地点が生じている。
　そこで、浮遊粒子状物質及び光化学オキシダント等の大気汚染物質を測定し、測定結果に基づいて、対策を行うことが求められる。
　例えば、わが国においては、各自治体が大気汚染物質を測定する環境測定局を全国に設置して、各環境測定局を接続したシステムを用いて、大気汚染を監視している。大気汚染物質の測定に用いる測定装置の仕様は、公定法により定められており、測定結果に対する精度が確保されている。
　例えば、ＳＰＭ又はＰＭ２．５といった遊粒子状物質の測定にはβ線吸収式の測定装置が用いられている。
特開２００２－５０１１８７号公報 特開２００７－１４７４３７号公報 特開２００６－３０９０号公報
　しかし、公定法に従ったβ線吸収式の測定装置は、高い測定精度を有するが、装置は大型であり消費電力が大きいので、小型で消費電力の低い測定装置が求められている。
　そこで、小型で消費電力の小さい粒子測定装置として、光学式の粒子測定装置を用いることが提案されている。光学式の粒子測定装置は、例えば、粒子が気流に運ばれて通過する流路と、この流路に光を照射する発光素子と、粒子が散乱した散乱光を受光する受光素子を備える。光学式の粒子測定装置は、粒子の散乱光等を測定することにより、粒子の濃度及び粒度分布を測定することができる。
　流路に気流を発生する方法としては、ポンプ、又はヒータにより気体を加熱して気流を発生させることが用いられている。
　ポンプを用いて気流を発生する場合には、例えば、１０μｍよりも大きな粒径を有する粒子を除外するフィルター又は分粒装置を設けることが求められる。
　一方、ヒータを用いる場合には、引力と反対の方向に向かって上昇気流を発生させるので、大きな粒径を有する粒子を運べるような流速を生成することが困難であるため、フィルター又は分粒装置を設けることは求められない。しかし、ヒータを駆動するために大きな電力が求められる。例えば、測定装置が消費する電力９００ｍＷの内の６００ｍＷがヒータの電力として使用される。
　また、大気汚染物質を測定する測定装置として、粒子の測定と共に、オゾン等のガスを同時に測定することが求められる。ガス状の大気汚染物質としては、例えば、一般的なオゾン、硫黄又は窒素の酸化物ガス、温泉地若しくは下水管における硫化水素、室内のホルムアルデヒド等の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が挙げられる。
　ガスの測定精度の高い装置として、例えば、紫外線吸収式のガス濃度測定装置があるが、この装置は大型であり消費電力が大きい。
　そこで、小型で消費電力が低いガス測定装置として、半導体により形成され、ガスを吸着することにより電気抵抗が変化するガス感知部を有するガス測定装置が提案されている。
　このガス測定装置では、ガス感知部の表面が、ガスが流れる流路に露出するように配置される。そして、ポンプ又はヒータを用いて、ガス感知部の表面に対して、外気が供給される。ここで、ポンプを用いる場合には、ヒータを駆動するための電力がまた求められる。
　ここで、ガス測定に用いられるガスが流れる流路と、粒子測定おいて粒子が気流に運ばれて通過する流路とは、互いの気流が干渉しないように、別々に設けることが求められるので、粒子及びガスを測定する測定装置の寸法が大きくなる問題が生じる。
　本明細書では、上述した問題を解決し得る粒子及びガスを測定する測定装置を提案することを課題とする。
　また、本明細書では、上述した問題を解決し得る粒子及びガスを測定する測定システムを提案することを課題とする。
　更に、本明細書では、上述した問題を解決し得る粒子及びガスを測定する測定方法を提案することを課題とする。
　本明細書に開示する粒子及びガスを測定する測定装置の一形態によれば、第１流路と、上記第１流路の一端側に設けられた加熱部と、上記第１流路の上記一端側に設けられ、上記加熱部から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部と、上記第１流路の上記加熱部よりも上方で上記第１流路を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部と、を備える。
　本明細書に開示する粒子及びガスを測定する測定システムの一形態によれば、第１流路と、上記第１流路の一端側に設けられた加熱部と、上記第１流路の上記一端側に設けられ、上記加熱部から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部と、上記第１流路の上記加熱部よりも上方で上記第１流路を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部と、を備える複数の測定装置と、各測定装置と通信可能に接続されたサーバと、を備える。
　本明細書に開示する粒子及びガスを測定する測定方法の一形態によれば、第１流路と、上記第１流路の一端側に設けられた加熱部と、上記第１流路の上記一端側に設けられ、上記加熱部から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部と、上記第１流路の上記加熱部よりも上方で上記第１流路を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部と、を備える測定装置の測定方法であって、粒子を測定する時と、ガスを測定する時とでは、上記ガス感知部の温度が異なる温度になるように、上記加熱部を制御する。
　上述した本明細書に開示する粒子及びガスを測定する測定装置の一形態によれば、小型で消費電力が小さい。
　上述した本明細書に開示する粒子及びガスを測定する測定システムの一形態によれば、小型で消費電力が小さい測定装置を用いてシステムが形成される。
　上述した本明細書に開示する粒子及びガスを測定する測定方法の一形態によれば、小型で消費電力が小さい測定装置を用いて測定ができる。
　本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
　前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
本明細書に開示する測定装置の第１実施形態を示す断面図である。 本明細書に開示する測定装置の第１実施形態を示す平面図である。 距離Ｌ２と、第１流路の流量との関係を示す図である。 粒度分布の測定結果を示す図（その１）である。 粒度分布の測定結果を示す図（その２）である。 粒度分布の測定結果を示す図（その３）である。 粒度分布の測定結果を示す図（その４）である。 加熱部の制御を説明する図（その１）である。 加熱部の制御を説明する図（その２）である。 本明細書に開示する測定装置の第２実施形態を示す断面図である。 本明細書に開示する測定装置の第２実施形態を示す平面図である。 第２実施形態の測定装置の変型例１の平面図である。 第２実施形態の測定装置の変型例２の平面図である。 本明細書に開示する測定装置の第３実施形態を示す断面図である。 本明細書に開示する測定システムの一実施形態を示す図である。
　以下、本明細書で開示する測定装置の好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
　図１は、本明細書に開示する測定装置の第１実施形態を示す断面図である。図２は、本明細書に開示する測定装置の第１実施形態を示す平面図である。図１は、図２のＸ－Ｘ線断面図である。
　本実施形態の測定装置１０は、大気中の粒子及びガスを測定する。
　測定装置１０は、大気中の粒子の濃度及び粒度分布を測定する粒子測定部１０ａ、及び、大気中の所定のガス濃度を測定するガス測定部１０ｂを備える。
　粒子測定部１０ａは、第１流路Ｆ１を通過する粒子を光学的に測定する。具体的には、粒子測定部１０ａは、粒子Ｐが気流に運ばれて通過する第１流路Ｆ１に光を照射する発光素子１２と、第１流路Ｆ１を通過する粒子Ｐが散乱した散乱光を受光する受光素子１３を有する。第１流路Ｆ１と、発光素子１２と、受光素子１３は、筐体１１の内部に配置される。
　第１流路Ｆ１は、筐体１１の内部に配置された円筒形の内壁１１ｃに囲まれた円柱形状の空間である。測定装置１０は、第１流路Ｆ１が、鉛直方向と一致するように配置されることが好ましい。
　発光素子１２が照射した光は、レンズ１４ａで屈折して、開口１１ｄを通り、第１流路Ｆ１内の所定の領域に収束する。粒子Ｐが、第１流路Ｆ１内の所定の領域を通過すると、粒子Ｐは、発光素子１２から照射された光を散乱する。粒子Ｐにより散乱された光の内、開口１１ｅを通った光は、レンズ１４ｂで屈折して、受光素子１３で受光される。
　発光素子１２から照射されてレンズ１４ａを通る光の光軸と、レンズ１４ｂを通って受光素子１３に入射する光の光軸とは、直交するように各素子が配置される。なお、本実施形態のように粒子Ｐにより後方散乱された光を受光する場合には、後方散乱された光を鏡を用いて反射して、受光素子で受光するようにしてもよい。
　発光素子１２及びレンズ１４ａは、筐体１１と内壁１１ｃ等により囲まれた空間に配置されて、外部からの光の影響を受けることが防止される。同様に、受光素子１３及びレンズ１４ｂは、筐体１１と内壁１１ｃ等により囲まれた空間に配置されて、外部からの光の影響を受けることが防止される。
　発光素子１２及び受光素子１３は、図示しない制御部によって制御されており、受光素子１３の出力信号は制御部で解析されて、粒子濃度及び粒度分布が求められる。
　本実施形態の粒子測定部１０ａは、ミー散乱法を用いて、粒子径を求めている。ミー散乱法は、粒子径が、光の波長に対して等しいか、又はやや大きいという場合用いることが好ましい。粒子径が、光の波長に対して十分に大きい場合には、レーザ回折法を用いて、粒子径を測定することが好ましい。本明細書において、受光素子１３が第１流路Ｆ１を通過する粒子Ｐが散乱した散乱光を受光することには、粒子Ｐによる回折光又は反射光を受光することが含まれる。
　このような形態に於いて、粒子Ｐによる回折光又は反射光のピーク強度は粒子径の２乗に比例して増大することが知られている。また、粒子Ｐが第１流路Ｆ１を通過する速度は、気流の流速に従って一定であるから、受光素子１３からの電気信号が、散乱光有と判断されるしきい値を超える時間はピーク強度に依存することとなる。以上より、受光素子１３からの電気信号のパルス幅から粒子径を推定することが可能となる。
　ガス測定部１０ｂは、外気を第２流路Ｆ２へ取り込むための複数の吸気口１１ａを有する。
　また、ガス測定部１０ｂは、第１面１５ａと第２面１５ｂとを有し、第１面１５ａを第２流路Ｆ２に露出しており、第１面１５ａにガスを吸着することにより電気抵抗が変化するガス感知部１５を有する。ガス感知部１５は、層状の形状を有し、ガス感知部１５の第１面１５ａは、第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａに対向するように配置される。
　第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａは、ガス測定部１０ｂの第２流路Ｆ２と接続している。第２流路Ｆ２は、外気を第１流路Ｆ１の一端側の入り口Ｆ１ａに供給する。
　ガス測定部１０ｂは、ガス感知部１５の第２面１５ｂを加熱する加熱部１７を有する。加熱部１７は、例えば、電力が供給されてジュール熱を発生する抵抗体を用いて形成される。加熱部１７は、第１流路Ｆ１の一端側の入り口Ｆ１ａに設けられる。
　ガス感知部１５と、加熱部１７との間には、両者を電気的に絶縁する電気絶縁部１６が配置される。電気絶縁部１６及び加熱部１７も層状の形状を有しており、筐体１１の内面に、加熱部１７、電気絶縁部１６及びガス感知部１５の順番に積層されている。
　加熱部１７のガス感知部１５とは反対側の筐体１１の内部には、断熱部１８が配置される。断熱部１８は、加熱部１７が生成した熱が外部へ伝導することを防止して、加熱部１７で消費される電力を低減する。断熱部１８としては、例えば、空気層、又は、多孔質体を用いることができる。
　ガス感知部１５は、加熱部１７から受けた熱によりガスを感知可能となる。ガス感知部１５は、第２面１５ｂが加熱部１７により加熱されて、第１面１５ａが所定の温度（例えば４００℃）に保たれる。第１面１５ａでは、加熱された酸素分子が活性化して酸素イオンを発生し、第１面１５ａにおいて酸素イオンの吸着平衡状態が形成される。ガス感知部１５がｎ型の極性を有する半導体により形成される場合には、酸素イオンが吸着した半導体の表面近傍に空乏層が形成されてキャリアである電子濃度が低下するので、電気抵抗が増加する。一方、ガス感知部１５がｐ型の極性を有する半導体により形成される場合には、酸素イオンが吸着した半導体の表面近傍にはキャリアであるホールを蓄積するので、ホール濃度が増加するため電気抵抗が低下する。第１面１５ａにおける酸素イオンの吸着平衡状態は、オゾン等のガスの存在によって変化するので、ガス濃度に応じてガス感知部１５の電気抵抗が変化する。従って、ガス感知部１５の電気抵抗を調べることにより、第１面１５ａ近傍に存在するガス濃度を測定することができる。ガス感知部１５の出力信号は図示しない制御部で解析されて、ガス濃度が求められる。
　ガス感知部１５の形成材料としては、例えば、すず若しくは亜鉛若しくはタングステン等の金属の酸化物、又は窒化物により形成される半導体、又は炭素等の半導体を用いることができる。ガス感知部１５のガス選択性を高めるために、白金等の貴金属を半導体に含ませても良い。
　本実施形態では、ガス測定部１０ｂの第２流路Ｆ２は、ガス感知部１５の第１面１５ａと、第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａとの間の空間により形成される。
　第２流路Ｆ２の気体は、加熱部１７に加熱されるガス感知部１５の第１面１５ａにより加熱されて、第１流路Ｆ１を上昇する上昇気流を形成する。第１流路Ｆ１を上昇する上昇気流により負圧となる第２流路Ｆ２に向かって、外気が、図１中の矢印に示すように、吸気口１１ａを通って流れていく。吸気口１１ａから吸入された外気は、第２流路Ｆ２を通って第１流路Ｆ１に進んだ後、排気口１１ｂから外部へ排出される。粒子測定部１０ａは、第１流路Ｆ１の加熱部１７よりも上方で第１流路Ｆ１を通過する粒子を光学的に測定する。
　このように、本実施形態の測定装置１０では、第１流路Ｆ１内を流れる気流は、ガス測定部１０ｂの加熱部１７が生成する熱に基づいて形成される。また、ガス測定部１０ｂのガス感知部１５の第１面１５ａ上に流れる気流も、加熱部１７が生成する熱に基づいて形成される。
　外気に含まれる浮遊粒子状物質又はオゾン等のガスは、外気と共に、吸気口１１ａから筐体１１内に吸入される。オゾン等のガスは、第２流路Ｆ２に露出しているガス感知部１５の第１面１５ａで測定される。また、浮遊粒子状物質は、第１流路Ｆ１を上昇気流に運ばれて通過する途中で、粒子測定部１０ａで測定される。
　一の吸気口１１ａの内側には、外気の温度及び湿度を測定する温湿度測定部１９が配置される。図示しない制御部は、温湿度測定部１９の測定した温度及び湿度に基づいて、加熱部１７を制御する。図示しない制御部は、外気の温度が高い時には、加熱部１７で発生する熱量を減らして、加熱部１７の消費電力を低減する。また、外気の湿度が高い時には、湿気を含んだ粒子は膨張する。そこで、図示しない制御部は、外気の湿度に基づいて第１流路Ｆ１内の湿度が一定になるように加熱部１７の発熱量を調節して、粒子の膨張状態が一定になるようにしてもよい。
　なお、本実施形態では、測定装置１０は、温度測定部と湿度測定部とが一体となった温湿度測定部１９を有しているが、温度測定部と湿度測定部とは別体であってもよい。
　第１流路Ｆ１に形成される上昇気流は、測定対象の粒子径を有する粒子を運び得る流量となるように形成されることが好ましい。この観点から、第２流路Ｆ２に露出しているガス感知部１５の第１面１５ａと、第２流路Ｆ２の対向する部分との距離Ｌ２は、第１流路Ｆ１の断面形状を円形とした時の第１円換算直径Ｄ１よりも小さいことが好ましい。ここで、第１流路Ｆ１の断面は、第１流路Ｆ１の長手方向（気体が流れる向き）を直交する面を意味する。また、第２流路Ｆ２の対向する部分は、本実施形態では、第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａである。第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａは、内壁１１ｃの端縁により囲まれる部分である。また、距離Ｌ２又は第１円換算直径Ｄ１が一定の値でない場合でも、距離Ｌ２が、第１円換算直径Ｄ１よりも小さいという関係が満たされることが好ましい。
　以下、上述した距離Ｌ２と第１円換算直径Ｄ１との関係について、図面を参照して、説明する。
　図３は、距離Ｌ２と、第１流路の流量との関係を示す図である。
　図３は、ガス感知部１５の第１面１５ａと第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａとの間の距離Ｌ２を変化させた時の第１流路Ｆ１を流れる気体の流量を測定した結果である。
　第１流路Ｆ１は直径９ｍｍを有する円柱形状であるので、第１円換算直径Ｄ１は９ｍｍであった。第１流路Ｆ１の長さは５０ｍｍであった。加熱部１７を形成する抵抗体に対して４００ｍＷの電力を供給して、加熱部１７を発熱させた。
　図３に示すように、距離Ｌ２を、１ｍｍ～７．５ｍｍの範囲で変化させた所、第１流路Ｆ１を流れる気体の流量は、距離Ｌ２が３～４ｍｍの所において、流量が１００ｍｌ／分程度となるピークを示した。
　距離Ｌ２が大きくなると流量が減少する理由として、距離Ｌ２が温度境界層の厚さよりも大きくなるので、第２流路Ｆ２の気体に対して、ガス感知部１５の第１面１５ａの熱が伝わり難くなることが考えられる。
　一方、距離Ｌ２が小さくなると流量が減少する理由として、第２流路Ｆ２の容積が低減するので、吸気口１１ａから第１流路Ｆ１へと流れる流路において、第２流路Ｆ２の圧力損失が増大することが考えられる。そのため、距離Ｌ２が小さい時には、第２流路Ｆ２の気体に対して、ガス感知部１５の第１面１５ａの熱は伝わるものの、第１流路Ｆ１の流量が増大しないと考えられる。
　このことから、第１流路Ｆ１に大きな流量を得る観点から、距離Ｌ２を、温度境界層の厚さ程度にすることが好ましいと考えられる。具体的には、第２流路Ｆ２に露出しているガス感知部１５の第１面１５ａと、第２流路Ｆ２の対向する部分との距離Ｌ２を、第１流路Ｆ１の第１円換算直径Ｄ１の２／８～７／８の範囲とすることが好ましい。特に、距離Ｌ２を、第１円換算直径Ｄ１の３／８～５／８の範囲、更には３／８～４／８の範囲とすることが好ましい。
　次に、距離Ｌ２を３．５ｍｍとして、粒度分布を測定した結果を、図４Ａに示す。
　図３と同じ条件で測定装置１０を動作させて、外気を筐体１１内に導入して、粒度分布を測定した。図４Ａは、粒子径が１～２μｍのあたりに分布のピークを示している。従って、測定装置１０は、ＰＭ２．５の粒子の測定を行えることが分かる。
　次に、加熱部１７を用いて第１流路Ｆ１に気流を発生させる代わりに、第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａの近傍にヒータＨ（図１の鎖線Ｈを参照）を配置して、ヒータＨに４００ｍＷの電力を供給して発熱させて、粒子測定部１０ａを用いて粒度分布の測定を行った。図４Ｂに測定結果を示す。このように、第１流路Ｆ１にヒータを配置して上昇気流を形成することは、従来の粒子測定装置においても用いられていた構成である。
　図４Ｂの測定結果は、図４Ａの測定結果と同様に、粒子径が１～２μｍのあたりに分布のピークを示しており、全体的に同様の粒度分布を示している。従って、加熱部１７は、第１流路Ｆ１の入り口Ｆ１ａの近傍に配置されたヒータＨと同様に、粒子を測定するための気流を第１流路Ｆ１に形成できることが分かる。更に詳細に比べると、図４Ａの測定結果は、図４Ｂの測定結果と比べて、粒子径の分布が１０％程度大きい方向にずれている点が異なっている。このずれを補正することについては、後述する。
　次に、第１流路Ｆ１に配置したヒータＨに電力を供給しないで、即ち、第１流路Ｆ１に上昇気流を形成しない状態で、粒子測定部１０ａを用いて粒度分布の測定を行った。図４Ｃに測定結果を示す。図４Ｃの測定では、第１流路Ｆ１に対して上昇気流を形成していない。図４Ｃの測定結果は、図４Ａ及び図４Ｂの測定結果とは全く異なっており、粒度分布の測定が正常に行えていないことが分かる。従って、粒子を測定するためには、加熱部を配置することが必要である。
　図４Ａの測定結果と図４Ｂの測定結果との間で、粒度分布に相違が生じた理由として、第１流路Ｆ１の流量が、図４Ａの場合の方が低かったことが考えられる。ミー散乱法を用いた粒子の測定では、受光素子は、粒子の散乱光を受光している間にパルス信号を出力する。図４Ａの測定では、図４Ｂの測定よりも第１流路Ｆ１の流量が少なく、粒子の移動速度が遅いので、同じ粒子径の粒子から散乱された光を受光する時間が、図４Ｂの測定の時よりも長くなると推定される。そこで、図４Ａの測定結果に対して、受光素子が出力するパルス信号の時間を減じるように補正を行った。補正した結果を図４Ｄに示す。図４Ｄに示す測定結果では、図４Ｂに示す測定結果とほぼ同じ一致する粒度分布が得られている。
　測定装置１０は、加熱部１７を用いて第１流路Ｆ１に気流が形成されるので、従来の粒子測定装置において気流を形成するために配置されていたヒータ又はポンプは不要となる。従って、測定装置１０は、これらのヒータ又はポンプを駆動するための電力を削減することができる。
　次に、図１に示す測定装置１０のガス測定部１０ｂを用いて、ガスを測定した結果を以下に説明する。
　加熱部１７を用いてガス感知部１５の第１面１５ａの温度を所定の温度に維持した状態で、別途用意したオゾン発生器により所定の濃度で発生させたオゾンの濃度を測定した。その結果、ガス測定部１０ｂは、２０ｐｐｂ～２００ｐｐｂの範囲のオゾン濃度を測定できることを確認した。
　オゾン発生器が発生したオゾンを含む気体は、測定装置１０の吸気口１１ａから筐体１１内部へ吸入され、第２流路Ｆ２に流れて、第２流路Ｆ２に露出しているガス感知部１５の第１面１５ａで感知される。このガスを測定するための気流は、加熱部１７がガス感知部１５の第１面１５ａを加熱する熱により形成される。
　従来のガス測定装置は、気流を形成するためのポンプを有していたが、測定装置１０では、このようなポンプが不要となる。例えば、従来のガス測定装置において、気流を形成するためのポンプの消費電力は２００ｍＷ程度である。本実施形態の測定装置１０では、ポンプを駆動するための電力を削減できる。
　また、従来の粒子測定装置において気流を形成するために配置されていたヒータの消費電力は６００ｍＷ程度である。従って、測定装置１０によれば、あわせて約８００ｍＷの電力を低減できることになる。
　次に、粒子を測定する時及びガスを測定する時の加熱部１７の制御について、図面を参照して、以下に説明する。
　粒子を測定する時の第１流路Ｆ１の流量は、所定の粒子径を有する粒子を測定するのに適した値として決定される。同様に、ガスを測定する時の第２流路Ｆ２の流量は、所定のガスを測定するのに適した値として決定される。
　測定装置１０では、距離Ｌ２を、第１流路Ｆ１の第１円換算直径Ｄ１の２／８～７／８の範囲にした場合には、第１流路Ｆ１の流量と第２流路Ｆ２の流量とは、ほぼ同様の値となる。
　そこで、粒子を測定する時の第１流路Ｆ１の流量と、ガスを測定する時の第２流路Ｆ２の流量とが同様の値である場合には、粒子の測定及びガスの測定を同時に行うことができる。
　図５Ａは、加熱部１７へ供給する電力が一定である場合の加熱部の制御を示す図である。
　粒子を測定する時の流量と、ガスを測定する時の流量とは、ほぼ同じなので、加熱部１７の発熱量は、一定の値を用いることができる。加熱部１７へ電力を供給する時間は、測定時間に応じて適宜決定され得る。
　一方、粒子を測定する時の第１流路Ｆ１の流量と、ガスを測定する時の第２流路Ｆ２の流量とが異なる場合には、加熱部１７の発熱量も異なるので、粒子の測定とガスの測定とを別々に行う。
　図５Ｂは、加熱部１７へ供給する電力を変更する場合の加熱部の制御を示す図である。
　粒子を測定する時の第２流路Ｆ２の流量は、所定のガスを測定するのに適した値ではないので、粒子を測定している間は、ガスの測定を行わない。同様に、ガスを測定する時の第１流路Ｆ１の流量は、所定の粒子径を有する粒子を測定するのに適した値ではないので、ガスを測定している間は、粒子の測定を行わない。
　例えば、図５Ｂに示すように、粒子の測定と、ガスの測定とを交互に行うように、加熱部１７を制御することができる。
　粒子を測定する時の第１流路Ｆ１の流量は、所定の粒子径を有する粒子を測定するのに適した値となるように、加熱部１７の発熱量が制御される。同様に、ガスを測定する時の第２流路Ｆ２の流量は、所定のガスを測定するのに適した値となるように、加熱部１７の発熱量が制御される。従って、粒子を測定する時と、ガスを測定する時とは、ガス感知部１５の第２面１５ｂの温度が異なる温度になるように、加熱部１７の発熱量が制御される。このように、粒子を測定する時と、ガスを測定する時とでは、ガス感知部１５の第２面１５ｂの温度が異なる温度になるように、加熱部１７が制御される。
　上述した本実施形態の粒子及びガスの測定する測定装置１０によれば、小型であり、消費電力が小さい。また、本実施形態の測定装置１０によれば、簡単な構成を有しており、低い製造コストで形成できる。
　上述した第１実施形態では、第１流路Ｆ１は、断面積が長手方向に亘って一定であったが、第１流路Ｆ１の断面積は、入り口から出口の亘って一定でなくてもよい。この場合でも、第２流路Ｆ２に露出しているガス感知部１５の第１面１５ａと、第２流路Ｆ２の対向する部分との距離Ｌ２が、第１流路Ｆ１の断面形状を円形とした時の第１円換算直径Ｄ１よりも小さい関係にあることが好ましい。例えば、第１流路Ｆ１の断面積は、入り口側よりも出口側の断面積が大きくなるようにしても良い。
　次に、上述した測定装置の他の実施形態を、図６～図１０を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
　図６は、本明細書に開示する測定装置の第２実施形態を示す断面図である。図７は、本明細書に開示する測定装置の第２実施形態を示す平面図である。図６は、図７のＹ－Ｙ線断面図である。
　本実施形態の測定装置１０は、ガス測定部１０ｂ及び第２流路Ｆ２の形状が、上述した第１実施形態とは異なっている。
　ガス感知部１５と電気絶縁部１６と加熱部１７は、同心の円筒形状を有する。ガス測定部１０ｂは、内側からガス感知部１５、電気絶縁部１６及び加熱部１７の順番に重ねられて形成される。加熱部１７は、第１流路Ｆ１を規定する内壁１１ｃの延長した部分の上に嵌合するように配置される。
　第２流路Ｆ２は、第１流路Ｆ１を入り口Ｆ１ａから外方に向かって延ばすように配置される。
　第２流路Ｆ２は、ガス感知部１５の第１面１５ａにより囲まれた円柱形状の空間により形成される。ガス感知部１５の第１面１５ａは、第２流路Ｆ２を囲んでいる。
　加熱部１７のガス感知部１５とは反対側の筐体１１の内部には、円筒形状の断熱部１８が配置される。
　第１流路Ｆ１に形成される上昇気流は、測定対象の粒子径を有する粒子を運び得る流量を有するように形成されることが好ましい。この観点から、第２流路Ｆ２の断面形状を円形とした時の第２円換算直径Ｄ２は、第１流路Ｆ１の断面形状を円形とした時の第１円換算直径Ｄ１よりも小さいことが好ましい。ここで、第２流路Ｆ２の断面は、第２流路Ｆ２の長手方向（気体が流れる向き）を直交する面を意味する。
　図３を用いて距離Ｌ２の好ましい範囲を説明したのと同様の理由から、第２流路Ｆ２の断面形状を円形とした時の第２円換算直径Ｄ２は、第１流路Ｆ１の断面形状を円形とした時の第１円換算直径Ｄ１の２／８～７／８の範囲にあることが好ましい。特に、距離Ｄ２を、第１円換算直径Ｄ１の３／８～５／８の範囲、更には３／８～４／８の範囲とすることが好ましい。
　上述した本実施形態の測定装置１０によれば、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
　次に、上述した第２実施形態の測定装置の変形例１及び変形例２を、図面を参照して、以下に説明する。
　図８は、第２実施形態の測定装置の変型例１の平面図である。
　変形例１の測定装置では、第２流路Ｆ２の形状が、上述した第２実施形態とは異なっている。
　本変型例のガス測定部１０ｂは、ガス感知部１５と電気絶縁部１６と加熱部１７は、同心の矩形の筒形状を有する。ガス測定部１０ｂは、内側からガス感知部１５、電気絶縁部１６及び加熱部１７の順番に重ねられて形成される。
　第２流路Ｆ２は、ガス感知部１５の第１面１５ａにより囲まれた四角柱形状の空間により形成される。ガス感知部１５の第１面１５ａは、第２流路Ｆ２を囲んでいる。
　第２流路Ｆ２の断面形状を円形とした時の第２円換算直径Ｄ２は、第１流路Ｆ１の断面形状を円形とした時の第１円換算直径Ｄ１よりも小さいことが好ましい。
　図９は、第２実施形態の測定装置の変型例２の平面図である。
　変形例２の測定装置では、ガス測定部１０ｂ及び第２流路Ｆ２の形状が、上述した第２実施形態とは異なっている。
　本変型例のガス測定部１０ｂでは、電気絶縁部１６は矩形の筒形状を有し、加熱部１７の周りに嵌合している。ガス感知部１５も矩形の筒形状を有し、電気絶縁部１６の周りに嵌合している。ガス測定部１０ｂは、内側から加熱部１７、電気絶縁部１６及びガス感知部１５の順番に重ねられて形成される。
　第２流路Ｆ２は、筐体１１の内壁１１ｃとガス感知部１５の第１面１５ａとにより囲まれた矩形の筒形状の空間により形成される。第２流路Ｆ２は、ガス感知部１５の第１面１５ａを囲んでいる。
　第２流路Ｆ２に露出しているガス感知部１５の第１面１５ａと、第２流路Ｆ２の対向する部分との距離Ｌ２は、第１流路Ｆ１の断面形状を円形とした時の第１円換算直径Ｄ１よりも小さいことが好ましい。
　図１０は、本明細書に開示する測定装置の第３実施形態を示す断面図である。
　本実施形態の測定装置１０は、電力を供給することにより、外部の熱を吸熱して、ガス感知部１５の第２面１５ｂを加熱するように放熱する熱電変換部２０を備える。
　熱電変換部２０は、第１電極層２１と、第２電極層２２と、熱電変換素子２３を有する。熱電変換素子２３は、第１電極層２１と、第２電極層２２との間に配置されて、電流が供給されることにより、第２電極層２２側の熱を第１電極層側に移動させる。熱電変換素子２３として、例えば、ペルチェ素子を用いることができる。
　第１電極層２１及び第２電極層２２に対しては、図示しない制御部が電力を供給することにより、熱電変換部２０が制御される。
　第２電極層２２の外側には、吸熱部１１ｆが配置される。第１電極層２１と加熱部１７との間には、放熱部１１ｇが配置される。熱電変換部２０は、吸熱部１１ｆを介して、外部の熱を吸熱し、放熱部１１ｇを介して、吸熱した熱を加熱部１７に伝える。加熱部１７は、放熱部１１ｇがから受け取った熱と、自身が発生した熱を用いて、ガス感知部１５の第２面１５ｂを加熱する。
　放熱部１１ｇ及び吸熱部１１ｆの外側には、断熱部１１ｈが配置されて、放熱部１１ｇ及び吸熱部１１ｆから熱が他方に伝わることを防止する。
　上述した説明では、吸熱部１１ｆは、外部の熱を吸熱しているが、吸熱部１１ｆは、加熱された上昇気流により加熱されている内壁１１ｃ、又は発光素子１２、又は受光素子１３の熱を吸熱するようにしてもよい。
　上述した本実施形態の測定装置１０によれば、加熱部１７での消費電力を低減することができる。また、本実施形態の測定装置１０によれば、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
　次に、上述した測定装置を備えた測定システムの一実施形態を、図１１を参照しながら以下に説明する。
　本実施形態の測定システム５０は、複数の測定装置１０と、複数の測定装置１０とネットワークを介して通信可能の接続されたサーバ５１を備える。測定システム５０は、多地点の大気汚染の状態を測定するシステムである。
　各測定装置１０は、粒子測定部１０ａと、ガス測定部１０ｂと、通信部１０ｃと、各部を制御する制御部１０ｄを有する。粒子測定部１０ａ及びガス測定部１０ｂの構成として、上述した実施形態の何れかの測定装置のものを適用できる。
　通信部１０ｃは、制御部１０ｄに制御されて、有線又は無線通信を用いて、ネットワークを介してサーバ５１と通信する。
　各測定装置１０は、配置された場所の大気中の微小粒子状物質の粒度分布及び粒子濃度、並びに、オゾン等のガス濃度を測定し、測定した値を、ネットワークを介してサーバ５１へ送信する。
　各測定装置１０は、例えば、工場又は道路等の大気汚染物質の発生源の近傍に配置されて、大気汚染の状態を測定する。また、各測定装置１０は、学校又は商業施設の建屋内又は敷地内に配置されて、環境を測定するようにしてもよい。また、各測定装置１０は、建屋外の外気を測定して、測定結果に基づいて建屋内の空調を制御するために用いてもよい。
　サーバ５１は、各測定装置１０の測定結果を入力して記憶すると共に、測定値を処理して、大気汚染の状態として出力する。また、サーバ５１は、大気汚染の状態に基づいて、警報を生成してもよい。また、サーバ５１は、上流のホストサーバ（図示せず）又はデータセンタ（図示せず）に対して、大気汚染の状態を送信してもよい。
　大気汚染物質の測定精度を高める観点から、測定精度の高いβ線吸収式の粒子測定装置５２又は紫外線吸収式のガス濃度測定装置５３を、ネットワークに接続するように配置してもよい。β線吸収式の粒子測定装置５２又は紫外線吸収式のガス濃度測定装置５３の測定結果を、ネットワークを介してサーバ５１に入力して、各測定装置１０の測定結果を補正するために使用できる。
　上述した本実施形態の測定システム５０によれば、小型で、消費電力が小さい複数の測定装置を用いて、多地点の大気汚染状態を測定するシステムを安価に構築できる。
　本発明では、上述した実施形態の粒子及びガスを測定する測定装置、測定システム及び測定方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
　ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
　１０　　センサ
　１０ａ　　粒子測定部
　１０ｂ　　ガス測定部
　１０ｃ　　通信部
　１０ｄ　　制御部
　１１　　筐体
　１１ａ　　吸気口
　１１ｂ　　排気口
　１１ｃ　　内壁
　１１ｄ　　開口
　１１ｅ　　開口
　１１ｆ　　吸熱部
　１１ｇ　　放熱部
　１１ｈ　　断熱部
　１２　　発光素子
　１３　　受光素子
　１４ａ、１４ｂ　　レンズ
　１５　　ガス感知部
　１５ａ　　第１面
　１５ｂ　　第２面
　１６　　電気絶縁部
　１７　　加熱部
　１８　　断熱部
　１９　　温湿度測定部
　２０　　熱電変換部
　２１　　第１電極層
　２２　　第２電極層
　２３　　熱電変換素子
　５０　　測定システム
　５１　　サーバ
　５２　　β線吸収式の粒子測定装置
　Ｆ１　　第１流路
　Ｆ１ａ　　第１流路の入り口
　Ｆ２　　第２流路
　Ｈ　　ヒータ

Claims (12)

  1. 　第１流路と、
    　前記第１流路の一端側に設けられた加熱部と、
    　前記第１流路の前記一端側に設けられ、前記加熱部から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部と、
    　前記第１流路の前記加熱部よりも上方で前記第１流路を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部と、
    を備える測定装置。
  2. 　外気を前記第１流路の前記一端に供給する第２流路を備え、
    　前記ガス感知部は、第１面と第２面とを有し、前記第１面を前記第２流路に露出しており、前記第１面にガスを吸着することにより電気抵抗が変化し、
    　前記加熱部は、前記ガス感知部の前記第２面を加熱する請求項１に記載の測定装置。
  3. 　前記第２流路の断面形状を円形とした時の第２円換算直径は、前記第１流路の断面形状を円形とした時の第１円換算直径よりも小さいか、又は、
    　前記第２流路に露出している前記ガス感知部の前記第１面と、前記第２流路の対向する部分との距離は、前記第１流路の前記第１円換算直径よりも小さい請求項２に記載の測定装置。
  4. 　前記第２流路の断面形状を円形とした時の第２円換算直径は、前記第１流路の断面形状を円形とした時の第１円換算直径の２／８～７／８の範囲にあるか、又は、
    　前記第２流路に露出している前記ガス感知部の前記第１面と、前記第２流路の対向する部分との距離は、前記第１流路の前記第１円換算直径の２／９～７／９の範囲にある請求項３に記載の測定装置。
  5. 　前記ガス感知部の前記第１面は、前記第１流路の前記一端側の入り口に対向するように配置され、
    　前記第２流路は、前記ガス感知部の前記第１面と、前記第１流路の前記一端側の入り口との間の空間により形成される請求項２～４の何れか一項に記載の測定装置。
  6. 　前記ガス感知部の前記第１面は、前記第２流路を囲んでいる請求項２～４の何れか一項に記載の測定装置。
  7. 　前記第２流路は、前記ガス感知部の前記第１面を囲んでいる請求項２～４の何れか一項に記載の測定装置。
  8. 　電力を供給することにより、熱を吸熱して、前記ガス感知部の前記第２面を加熱するように放熱する熱電変換部を備える請求項２～７の何れか一項に記載の測定装置。
  9. 　前記加熱部の前記ガス感知部とは反対側に、断熱部が配置される請求項１～８の何れか一項に記載の測定装置。
  10. 　前記粒子測定部は、前記第１流路に光を照射する発光素子と、前記第１流路を通過する粒子が散乱した散乱光を受光する受光素子と、を有する請求項１～９の何れか一項に記載の測定装置。
  11. 　第１流路と、
    　前記第１流路の一端側に設けられた加熱部と、
    　前記第１流路の前記一端側に設けられ、前記加熱部から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部と、
    　前記第１流路の前記加熱部よりも上方で前記第１流路を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部と、
    を備える複数の測定装置と、
    　各測定装置と通信可能に接続されたサーバと、
    を備える測定システム。
  12. 　第１流路と、
    　前記第１流路の一端側に設けられた加熱部と、
    　前記第１流路の前記一端側に設けられ、前記加熱部から受けた熱によりガスを感知可能となるガス感知部と、
    　前記第１流路の前記加熱部よりも上方で前記第１流路を通過する粒子を光学的に測定する粒子測定部と、
    を備える測定装置の測定方法であって、
    　粒子を測定する時と、ガスを測定する時とでは、前記ガス感知部の温度が異なる温度になるように、前記加熱部を制御する測定方法。
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