JP4792611B2 - 粒子計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、粒子個数濃度が高い流体に含まれる粒子数を計測することができる粒子計測装置に関する。

空気に含まれる粒子の健康影響は、吸入された粒子が肺内に沈着することが原因である。粒子の大きさ、組成が一定の場合、個数濃度が高いほどヒトへの健康影響は大きくなるが、粒子が肺のどの部分に沈着するかによっても健康影響は大きく変化する。この呼吸器官内の粒子の沈着位置を決定するのが粒子の大きさである。従って、空気中に浮遊する粒子の健康影響を評価するためには、高い個数濃度において、粒子の大きさと個数の関係を求めることが要求される。

従来の浮遊粒子の測定方法に、粒子をフィルタに捕集して質量を量る方法もあるが、この方法では粒子の大きさと個数の関係は分からない。粒径と個数を測定する装置として、光散乱式粒子測定装置、微分型移動度分析法（ＤＭＡ）と凝縮核計数器（ＣＮＣ）を組合せた装置、電気式低圧インパクタ（ＥＬＰＩ）などがあるが、これらの装置は原理的に試料の粒子個数濃度が高くなると計測する個数の正確さが失われる。

この問題を解決するために、いくつかの方法が使われている。例えば、光散乱式粒子測定装置は、粒子が光ビーム中を通過した時の散乱光強度から粒子の大きさを測定し、この散乱光のパルスの数から粒子の個数を計数する方法である。故に、粒子個数濃度が高くなると光ビーム中を複数個の粒子が同時に通過する確率が高くなるため、正確な粒子個数の測定が困難となる。
高い粒子個数濃度の試料を測定する目的の光散乱式粒子測定装置には、粒子の検出領域（光ビームと散乱光の集光光学系で形成される領域）を非常に小さくして粒子が同時に複数個検出領域に入る確率を小さくする方法が使われている。あるいは、通常のクリーンルーム用粒子測定装置の試料空気入口に希釈装置（試料空気を清浄な空気で希釈する）を取り付け、粒子個数濃度を下げて測定する方法も使われている。

しかし、粒子検出領域を小さくした光散乱式粒子測定装置は、細い光ビームを使うので、粒子は光ビーム強度の様々な場所を通過するため、散乱光強度がばらつく。このばらつきは粒径分解能が低下する原因となる。また、この光散乱式粒子測定装置を粒子個数濃度が低いときに使用すると、検出対象の粒子数が少なくなるので、統計的な測定誤差が大きくなる。ＤＭＡとＣＮＣを組み合わせた装置、ＥＬＰＩでは、粒子を予め荷電する必要があるが、粒子個数濃度が高くなると荷電効率が低下することが知られている。一方、希釈装置では，希釈装置内の粒子損失が粒子の大きさによって異なるため希釈率が粒子の大きさによって変化したり、なおかつ希釈率を一定にするのが非常に難しいため、正確な粒子個数の測定は困難である。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、粒子個数濃度が高い流体に含まれる粒子数を高精度で計測することができる粒子計測装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、流体に含まれる粒子を所定の割合で除去する粒子除去手段と、この粒子除去手段を通過した粒子を計測する粒子計測手段を備えるものである。ここで、粒子除去手段とはフィルタ、メッシュ、細管、チューブ、拡散バッテリー、インパクタなどがある。または、これらを組合せて構成することもできる。

更に、前記粒子除去手段の粒子径に対する固有の除去特性を用いて前記粒子計測手段で計測した粒子径と各粒子径に対する粒子数を補正処理する粒子数補正手段を設けたものである。

以上説明したように請求項１に係る発明によれば、粒子除去手段を設けることで、測定対象物を光散乱又は遮蔽法の粒子計測器で測定するための適度な濃度にして計測することができる。例えば、除去効率９９％のフィルタであれば、このフィルタを通過する流体を計測すると、実際の１％の粒子個数濃度の計測となるので、この粒子計測器の適用濃度に対して１００倍の濃度環境下での計測が可能となる。また、フィルタ厚みを変えることでサンプリング流量が一定であっても容易にフィルタ出口濃度を変えたり、繊維径を変えたりすることで捕集粒径範囲を変えられるので、測定環境に合わせてフィルタを選択すれば、１台の粒子計測器で、いろいろな環境の粒子計測ができる。

また、例えば光散乱又は遮蔽法の粒子計測器にフィルタと粒子数補正手段を設けることで、いろいろな濃度環境下での測定を１台の粒子計測器で対応できるようになる。また、原理的に実個数を計測するので、規制などを作成する際の環境データ採取時におけるバラツキや誤差を低減できる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る粒子計測装置の構成図、図２は光源と照射用集光レンズと受光用集光レンズと光電変換素子の配置説明図である。

本発明に係る粒子計測装置は、図１に示すように、入力チューブ１、粒子除去部２、サンプリングチューブ３、センサ部４、排気チューブ５、ポンプ６、信号処理部７、表示部８により構成され、測定対象の気体に含まれる微粒子Ｐを検出し、粒子径毎の粒子数を表示する。

粒子除去部２は、ケース２１と粒子除去部材２２で構成される。粒子除去部材２２は、繊維でなるものが望ましい。粒子除去部材２２は、特有の粒子径−除去効率特性を有する。例えば、フィルタ、繊維、メッシュ、細管、チューブ、拡散バッテリー、インパクタなどを粒子除去部材に適用できる。または、これらを組合せて構成することもできる。粒子除去部材２２は、交換可能にケース２１に取り付けられている。ケース２１には、入力口２１ａと出力口２１ｂが形成されている。入力口２１ａには入力チューブ１が接続され、出力口２１ｂにはサンプリングチューブ３の一端が接続されている。粒子除去部２は、定期的に粒子除去部材２２を交換すれば、一定の除去効率を維持できる。

センサ部４は、ケース４１、光源４２、照射用集光レンズ４３、受光用集光レンズ４４、光電変換素子４５、インレットノズル４６、アウトレットノズル４７により構成される。ケース４１内には、インレットノズル４６とアウトレットノズル４７が所定の間隔を設け、対向して配設されている。光源４２と光電変換素子４５は、気体がインレットノズル４６からアウトレットノズル４７へ流れる流路の中心軸Ａに対して垂直な平面Ｂに配設されている。

また、インレットノズル４６がサンプリングチューブ３の他端に接続され、アウトレットノズル４７が排気チューブ５の一端に接続されている。そして、排気チューブ５の他端にはポンプ６が接続されている。ポンプ６の吸気動作により、微粒子を含んだ測定対象の気体が入力チューブ１から粒子除去部２へ流れ込む。

光源４２と光電変換素子４５は、図２に示すように、光源４２と光電変換素子４５の向きが、中心軸Ａと平面Ｂの交点Ｃに対し、互いに直角を成すように平面Ｂ上に配置されている。光源４２と交点Ｃの間には、照射用集光レンズ４３が配置され、光電変換素子４５と交点Ｃの間には、受光用集光レンズ４４が配置されている。また、照射用集光レンズ４３の焦点と受光用集光レンズ４４の焦点を、夫々交点Ｃと一致させている。交点Ｃが粒子検出領域となる。

信号処理部７は、増幅器７１、Ａ／Ｄ変換器７２、波高分析器７３、サンプルデータメモリ７４、特性データメモリ７５、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）７６により構成される。増幅器７１は、光電変換素子４５の出力信号を増幅して出力する。Ａ／Ｄ変換器７２は、増幅器７１の出力信号をデジタル信号に変換する。波高分析器７３は、Ａ／Ｄ変換器７２から出力されるパルス信号のピーク電圧値を計測し、その値をデータとして出力する。

サンプルデータメモリ部７４は、所定のサンプル期間の波高分析器７３から出力されるデータを保存すると共に、ＤＳＰ７６からの要求に従ったデータをＤＳＰ７６へ出力する。特性データメモリ部７５は、図３に示すような粒子除去部２の特性を表わす粒子径―除去効率特性データを保存すると共に、ＤＳＰ７６からの要求に従ったデータをＤＳＰ７６へ出力する。

ＤＳＰ７６は、特性データメモリ７５に保存されたデータを参照して、サンプルデータメモリ部７４に保存されたデータを補正処理する。このような特性データメモリ部７５とＤＳＰ７６で粒子数補正手段を構成する。粒子除去部材２２の粒子径−除去効率特性は、実測により求めることができるので、どのような粒子除去部材２２を用いても、補正処理が可能である。
表示部８は、図４に示すようなＤＳＰ７６による出力（粒子径毎の粒子数）を表示する。

以上のように構成した本発明に係る粒子計測装置の動作について説明する。先ず、ポンプ６により、微粒子Ｐを含んだ測定対象の気体が、入力チューブ１から粒子除去部２へ流れ込む。すると、粒子除去部２内で、測定対象の気体は粒子除去部材２２を通過する。例えば、粒子除去部材２２の粒子除去効率が９９．９％であったとすると、粒子除去部材２２を通過した気体に含まれる微粒子の濃度は、通過する前の１／１０００となる。

粒子除去部２を通過した測定対象の気体は、サンプリングチューブ３を経由して、センサ部４内部でインレットノズル４８から交点Ｃを通りアウトレットノズル４９へと流れる。アウトレットノズル４９に流れ込んだ気体は、排気チューブ５を経由してポンプ６により吸気され、ポンプ６から排気される。交点Ｃでは、光源４２から照射された光Ｌａが照射用集光レンズ４３により集光され、交点Ｃを粒子が通過したときに散乱光Ｌｓが発生する。

散乱光Ｌｓは、受光用集光レンズ４４により集光され、光電変換素子４５で受光される。１粒１粒の粒子が間隔をおいて交点Ｃを通過するので、散乱光Ｌｓは断続的に発生し、光電変換素子４５の電気信号出力はパルス状になる。また、散乱光Ｌｓの明るさは粒子径に依存し、粒子径が大きいほど明るさが強くなる。従って、粒子径が大きいほど、光電変換素子４５の出力信号のパルス波高値は大きくなる。

光電変換素子４５の出力信号は、信号処理部７に入力される。信号処理部７では、光電変換素子４５の出力信号が増幅器７１で増幅された後に、Ａ／Ｄ変換器７２でデジタル化され、更に波高分析器７３に取り込まれる。波高分析器７３では、サンプルしたパルス波形のピーク電圧を求め、その値をデータとしてサンプルデータメモリ７４に所定のサンプル期間分、例えば流量１Ｌ分のサンプルデータを保存する。

所定期間のサンプリングが終了したら、ＤＳＰ７６は、サンプルデータメモリ７４のデータから粒子径と各粒子径の粒子数を算出する。更に、ＤＳＰ７６は、特性データメモリ７５に保存してある粒子除去部２の粒子径―除去効率特性データを参照して、各粒子径の粒子数を粒子除去部２通過前の気体中の粒子数に補正処理する。例えば、粒子径１μｍの除去効率が９０％で、粒子径３μｍの除去効率が９９％であった場合、粒子径１μｍの１粒は実際の１０粒として、粒子径３μｍの１粒は１００粒として補正処理する。そして、ＤＳＰ７６で補正処理した粒子径―粒子数データを表示部８に表示する。

また、ＤＳＰ７６による補正処理は、サンプルデータをリアルタイム処理で行うこともできる。即ち、ＤＳＰ７６は、サンプルしたデータを逐次特性データメモリ７５に保存してある粒子除去部２の粒子径―除去効率特性データを参照して補正処理することができる。
以上に説明した実施例は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明要旨の範囲内において種種の変更が可能である。例えば、ＤＭＡとＣＮＣを組み合わせた装置やＥＬＰＩ、さらには液中粒子計測器など粒子計測器全般に、本発明を適用することが可能である。

測定環境に合わせて粒子除去部材を選択すれば、１台の粒子計測器で、いろいろな環境の粒子計測ができ、１台の粒子計測器の利用拡大が図れる。

本発明に係る粒子計測装置の構成図 光源と照射用集光レンズと受光用集光レンズと光電変換素子の配置説明図 粒子除去部の粒子径と除去効率の関係を示す一例図 粒子径と粒子数の関係を示す一例図

符号の説明

２…粒子除去部、４…センサ部、７…信号処理部、８…表示部、２１…ケース、２２…粒子除去部材、４２…光源、４３…照射用集光レンズ、４４…受光用集光レンズ、４５…光電変換素子、７１…増幅器、７２…Ａ／Ｄ変換器、７３…波高分析器、７４…サンプルデータメモリ、７５…特性データメモリ、７６…ＤＳＰ。

Claims (1)

1. 流体に含まれる粒子を所定の割合で除去する粒子除去手段と、この粒子除去手段を通過した粒子を計測する粒子計測手段を備え、前記粒子除去手段の粒子径に対する固有の除去特性を用いて前記粒子計測手段で計測した粒子径と各粒子径に対する粒子数を補正処理する粒子数補正手段を設けたことを特徴とする粒子計測装置。