JP2019132628A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】広い濃度範囲で微小粒子状物質を高精度で測定可能な測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】測定槽内１１を吸気口１１Ａから排気口１１Ｂへ流れる微小粒子状物質を個々に検出する第１の回路１３と、微小粒子状物質の微小粒子群を検出する第２の回路１４と、光検出器２４の出力を第１の回路１３に入力する第１の状態と、第２の回路１４に入力する第２の状態のうち一方の状態に切り換えられる切換器１２と、ファン２２の駆動及び停止と、光源２３の点灯及び消灯と、切換器１２の状態の切り換えとを制御する制御器１６と、を備える。制御器１６は、ファン２２を駆動中に光源２３を点灯し、第１の回路の出力から算出した微小粒子状物質の濃度が閾値以上であると切換器１２を第２の状態に切り換えるように制御すると共に、第２の回路の出力から算出した微小粒子状物質の濃度が閾値未満であると切換器１２を第１の状態に切り換えるように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、微小粒子状物質の濃度を測定する測定装置及び測定方法に関する。
大気汚染の指標の一つとして、大気に含まれる微小粒子状物質の濃度が使われている。最近では、健康への影響との関連から、例えばＰＭ２．５等の微小粒子状物質の濃度を測定するために、多くの大気測定局等が設置されている。大気測定局では、微小粒子状物質の濃度を、例えばベータ（β）線吸収方式の測定装置、又は、ＴＥＯＭ（Tapered Element Oscillating Microbalance）方式の測定装置を用いて測定する。しかし、これらの測定装置は、高価、且つ、大型であるため、例えば個人が使用するのには適さない。
一方、光散乱法を用いる簡便な測定装置が提案されている。このような測定装置は、微小粒子に光を照射して得られる散乱光を測定することで、微小粒子状物質の濃度を測定する。光散乱法を用いる測定装置は、大気測定局で用いる測定装置と比較すると、安価、且つ、小型であり、より手軽に使用できるので、例えば個人が使用するのにも適している。このため、光散乱法を用いる測定装置は、例えば作業環境等の、ユーザの周囲の環境を測定するのに多用されている。
光散乱法を用いる測定装置は、長期間使用していると、光源、光検出器等の光学系の表面が汚染されるため、測定値が不正確になる。汚染の原因は、光源、光検出器等の光学系の表面に付着する、主に測定対象である微小粒子状物質である。しかし、微小粒子状物質による汚染を防ぐ目的で測定装置に何らかのフィルタを設けたのでは、測定対象である微小粒子状物質の測定値に影響を及ぼしてしまう。このため、測定装置にフィルタを設けることは、好ましくない。一方、光学系を清掃すれば、測定装置の測定精度は回復するが、清掃に伴う工数が増加する。例えば長期間無人で連続運転する測定装置の場合、清掃に伴う工数が増加することは、好ましくない。ところが、清掃に伴う工数を増加させることなく光学系の汚染の影響を抑えて、微小粒子状物質の濃度を高精度で測定することは難しい。
また、光散乱法により散乱光を測定する方式としては、以下に説明するカウンティング検出方式、アナログ検出方式等の、複数の方式が提案されている。
カウンティング検出方式は、光検出器の視野内を微小粒子状物質が通過する際に発生する光パルスを検出することにより、個々の微小粒子を計数する。このため、カウンティング検出方式は、低濃度の微小粒子状物質の測定精度が高いが、高濃度の微小粒子状物質の測定精度は低濃度の場合と比較すると低い。それは高濃度の微小粒子状物質をカウンティング検出方式で測定する場合、微小粒子数が多い場合には微小粒子の数え落としによる飽和が発生するためである。
一方、アナログ検出方式は、微小粒子群に光を照射して得られる反射光の光強度を測定する。このため、アナログ検出方式は、高濃度の微小粒子状物質の測定精度が高いが、低濃度の微小粒子状物質の測定精度は高濃度の場合と比較すると低い。低濃度の微小粒子状物質をアナログ検出方式で測定する場合、光源が出射する光の光強度のふらつき等に起因して、測定精度が高濃度の場合と比較すると相対的に低下する。
従って、光散乱法を用いる簡便な測定装置では、低濃度の微小粒子状物質から高濃度の微小粒子状物質までを連続して高精度で測定することは難しい。
特開２００９−３０９８８号公報 特開２００６−１０３５３号公報
従来の光散乱法を用いる簡便な測定装置では、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲で微小粒子状物質を高精度で測定することは難しい。
そこで、１つの側面では、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲で微小粒子状物質を高精度で測定できる測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
１つの案によれば、吸気口及び排気口を有する測定槽と、前記排気口に設けられたファンと、前記測定槽内の微小粒子状物質に光を照射する光源と、前記測定槽内の前記微小粒子状物質からの散乱光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力に基づいて、前記測定槽内を前記吸気口から前記排気口側へ流れる前記微小粒子状物質の個々の微小粒子を検出する第１の回路と、前記光検出器の出力に基づいて、前記測定槽内を前記吸気口から前記排気口側へ流れる前記微小粒子状物質の微小粒子群を検出する第２の回路と、前記光検出器の出力を前記第１の回路に入力する第１の状態と、前記第２の回路に入力する第２の状態のうち一方の状態に切り換えられる切換器と、前記ファンの駆動及び停止と、前記光源の点灯及び消灯と、前記切換器の状態の切り換えとを制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記ファンを駆動中に前記光源を点灯し、前記第１の回路の出力から算出した前記微小粒子状物質の濃度が閾値以上であると前記切換器を前記第２の状態に切り換えるように制御すると共に、前記第２の回路の出力から算出した前記微小粒子状物質の濃度が前記閾値未満であると前記切換器を前記第１の状態に切り換えるように制御する測定装置が提供される。
一態様によれば、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲で微小粒子状物質を高精度で測定することができる。
一実施例における測定装置を示す図である。 微小粒子状物質の濃度とＡＤＣのデジタル出力値との関係の一例を説明する図である。 検量線の傾きとゼロ点の移動量との関係の一例を模式的に示す図である。 カウンティング検出方式を説明する図である。 アナログ検出方式により検出した光学系の汚染の程度をカウンティング検出方式に反映する一例を説明する図である。 微小粒子状物質の濃度の測定結果の一例を説明する図である。 微小粒子状物質の粒径分布の測定結果の一例を説明する図である。 コンピュータの一例を示すブロック図である。 測定装置の動作の一例を説明するフローチャートである。 測定装置の動作の一例を説明するフローチャートである。 一実施例における環境測定装置の一例を示すブロック図である。
開示の測定装置及び測定方法では、測定槽内で光を照射された微小粒子状物質からの散乱光の検出方式を、微小粒子状物質の濃度に応じて切り換え、低濃度の場合は微小粒子状物質の個々の微小粒子を検出する方式を採用し、高濃度の場合は微小粒子状物質の微小粒子群を検出する方式を採用することで、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲で微小粒子状物質を測定する。
以下に、開示の測定装置及び測定方法の各実施例を図面と共に説明する。
図１は、一実施例における測定装置を示す図である。図１に示す測定装置１は、測定槽１１と、切換器１２と、第１の回路１３と、第２の回路１４と、切換器１５と、制御器１６と、出力装置１７とを有する。
測定槽１１の吸気口１１Ａには、バーチャルインパクタ２１が設けられている。バーチャルインパクタ２１は、測定対象の粒径以下の微小粒子状物質を通過させる。測定槽１１の排気口１１Ｂには、ファン２２が設けられている。また、この例では、測定槽１１内に、光源２３及び光検出器２４が設けられている。ファン２２が駆動されて回転すると、吸気口１１Ａからバーチャルインパクタ２１を通して微小粒子状物質が測定槽１１内に導入され、光源２３からの光が微小粒子状物質に照射され、光検出器２４が微小粒子状物質からの散乱光で受光する。光検出器２４は、受光した散乱光の光強度に対応する信号強度の電気信号出力に変換する。
測定槽１１の形状は、特に限定されず、例えば図１に示す吸気口１１Ａから排気口１１Ｂへの大気等の気流が円滑に保たれる形状であることが好ましい。また、測定槽１１の形状は、光源２３が測定槽１１内の微小粒子状物質へ光を円滑に照射でき、且つ、光検出器２４が測定槽１１内の微粒子状物質からの散乱光を円滑に検出できる形状であることが好ましい。
なお、光源２３の位置は、測定槽１１内の微小粒子状物質に光を照射可能な位置であれば特に限定されない。例えば、測定槽１１に設けられた窓を介して光を照射する場合には、光源２３は測定槽１１の外部に配置されていても良い。また、光検出器２４の位置も、測定槽１１内の微小粒子状物質からの散乱光を検出可能な位置であれば特に限定されない。例えば、測定槽１１に設けられた窓を介して散乱光を受光する場合には、光検出器２４は測定槽１１の外部に配置されていても良い。
第１の回路１３は、カウンティング検出方式で微小粒子状物質からの散乱光を測定する回路の一例である。第１の回路１３は、光検出器２４の電気信号出力に基づいて、測定槽１１内を吸気口１１Ａから排気口１１Ｂ側へ流れる微小粒子状物質の個々の微小粒子を計数する。第１の回路１３は、時定数τ１を有する増幅器１３１と、波高弁別器１３２と、計数器１３３とを有する。波高弁別器１３２は、増幅器１３１により増幅された光検出器２４の電気信号出力のうち、波高閾値以上の高さ（又は、振幅）を有するパルス状波形（以下、単に「パルス」とも言う）を弁別する。具体的には、波高弁別器１３２は、増幅器１３１により増幅された光検出器２４の電気信号出力の信号パルスの高さが波高閾値以上であると信号を出力する。計数器１３３は、波高弁別器１３２が弁別した波高閾値以上の高さのパルス数を計数した計数値を出力する。
一方、第２の回路１４は、アナログ検出方式で微小粒子状物質からの散乱光を測定する回路の一例である。第２の回路１４は、光検出器２４の電気信号出力に基づいて、測定槽１１内を吸気口１１Ａから排気口１１Ｂ側へ流れる微小粒子状物質の微小粒子群を検出する。第２の回路１４は、時定数τ２を有する増幅器１４１と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog-to-Digital Converter）１４２とを有する。この例では、第１の回路１３の増幅器１３１の時定数τ１は、第２の回路１４の増幅器１４１の時定数τ２よりも小さい。ＡＤＣ１４２は、増幅器１４１により増幅された光検出器２４の電気信号出力をデジタル値に変換して出力する。ＡＤＣ１４２は、増幅器１４１により増幅された光検出器２４の電気信号出力を、例えばデジタル電圧値等のデジタル出力値に変換する。
切換器１２は、第１の状態では端子ａ側に接続されて光検出器２４の電気信号出力を第１の回路１３に入力し、第２の状態では端子ｂ側に接続されて光検出器２４の電気信号出力を第２の回路１４に入力する。また、切換器１５は、第１の状態では端子ａ側に接続されて第１の回路が出力する計数値を制御器１６に入力し、第２の状態では端子ｂ側に接続されて第２の回路が出力するデジタル出力値を制御器１６に入力する。
制御器１６は、ファン２２の駆動（即ち、回転）及び停止と、光源２３の点灯及び消灯と、切換器１２，１５の状態の切り換えとを制御する。制御器１６は、切換器１２の状態と同期して、切換器１５の状態を第１の状態又は第２の状態に制御する。また、制御器１６は、第２の回路１４からデジタル出力値が入力されると、デジタル出力値に基づいて微小粒子状物質の濃度を算出する。制御器１６は、第１の回路１３から計数値が入力されると、計数値に基づいて微小粒子状物質の濃度を算出する。
制御器１６は、ファン２２を駆動中（即ち、回転中）に光源２３を点灯し、第１の回路１３から入力された計数値に基づき算出された濃度が閾値以上であると、切換器１２，１５を第２の状態に切り換えるように制御する。また、制御器１６は、第２の回路１４から入力されたデジタル出力値に基づき算出された濃度が閾値未満であると、切換器１２，１５を第１の状態に切り換えるように制御する。また、制御器１６は、第１の回路１３の波高弁別器１３２が、増幅器１３１により増幅された光検出器２４の電気信号出力からノイズを除去するための波高閾値を設定する。制御器１６は、後述するように、例えばＣＰＵ等のプロセッサとメモリ等の記憶装置を含むコンピュータにより形成しても良い。
出力装置１７は、制御器１６が算出した微小粒子状物質の濃度等を出力する。出力装置１７は、微小粒子状物質の濃度等を表示する表示装置、音声出力するスピーカ等で形成可能である。
なお、この例では、第１の回路１３と第２の回路１４は、物理的に別々の回路で形成されているが、第１の回路と第２の回路１４は、単一の回路装置（又は、モジュール）内に設けられていても良い。また、単一の回路装置（又は、モジュール）が、切換器１２，１５と、第１の回路１３と、第２の回路１４と、制御器１６とを有しても良い。更に、第１の回路１３の波高弁別器１３２及び計数器１３３は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）等で形成しても良い。波高弁別器１３２及び計数器１３３を形成する単一のＤＳＰが、制御器１６をも形成する構成であっても良い。
次に、第２の状態での測定装置１の動作を説明する。第２の状態では、切換器１２，１５が端子ｂ側に接続されている。第２の状態において、制御器１６がファン２２を駆動して回転すると、吸気口１１Ａからバーチャルインパクタ２１を通して微小粒子状物質が測定槽１１内に導入される。光源２３からの光は、微小粒子状物質で散乱され、光検出器２４で受光される。測定槽１１内の微小粒子状物質の濃度は、散乱光の光強度に比例するため、光検出器２４の電気信号出力の信号強度は、微小粒子状物質の濃度を反映している。従って、ＡＤＣ１４２の出力に基づいて、微小粒子状物質の濃度を測定できる。
図２は、微小粒子状物質の濃度とＡＤＣ１４２のデジタル出力値との関係の一例を説明する図である。図２中、縦軸はＡＤＣ１４２のデジタル出力値を任意単位で示し、横軸は微小粒子状物質の濃度を任意単位で示す。ＡＤＣ１４２のデジタル出力値は、図２中、細い実線Ｉで示すように、微小粒子状物質の濃度と比例関係にあるが、光源２３、光検出器２４等の光学系における迷光のため、図２中、細い破線ＩＩで示すようなオフセット値を含んでいる。このオフセット値は、微小粒子状物質の濃度に依存しない。このため、微小粒子状物質の濃度は、制御器１６が、ＡＤＣ１４２のデジタル出力値に基づいて次のようなステップＳＴ１〜ＳＴ４を実行することで算出できる。
ステップＳＴ１では、制御器１６がファン２２を駆動して吸気口１１Ａからバーチャルインパクタ２１を通して微小粒子状物質が測定槽１１内に導入される状態にして、ＡＤＣ１４２のデジタル出力値を読み取る。この場合、微小粒子状物質による散乱光と迷光の合計に相当する光強度が測定される。
ステップＳＴ２では、制御器１６がファン２２を停止し、測定槽１１内の微小粒子状物質が沈降又は内壁に吸着するまでの一定時間後に、ＡＤＣ１４２のデジタル出力値を読み取る。これにより、迷光の光強度が測定される。測定槽１１内の微小粒子状物質が沈降又は内壁に吸着するまでの一定時間は、測定槽１１の大きさ、形状等に応じて設定可能であり、経験値に設定しても良い。
ステップＳＴ３では、制御器１６がステップＳＴ１で読み取ったデジタル出力値から、ステップＳＴ２で読み取ったデジタル出力値を差し引いた差分を直線Ｉの傾きで除算する。これにより、微小粒子状物質の濃度が算出される。
ステップＳＴ４では、制御器１６が上記のステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理を繰り返すことで、連続した測定が可能となる。ただし、上記のステップＳＴ１〜ＳＴ３のループ動作中で、制御器１６は毎回ステップＳＴ２の処理を実行する必要はなく、光源２３、光検出器２４等の光学系の汚染が進行すると経験的に予測される時期まで適宜省略しても良い。
測定装置１による測定を長期間続けると、光源２３、光検出器２４等の光学系が汚染されるため、図２中、太い破線ＩＶで示すように迷光は増加する。逆に、微小粒子状物質による散乱光は、光源２３、光検出器２４等の光学系の汚染によって遮蔽されるため、図２中、太い実線ＩＩＩで示すように光検出器２４への到達量が減少する。図２からもわかるように、光学系の汚染進行時における太い実線ＩＩＩの傾きは、光学系の清浄時における細い実線Ｉの傾きよりが小さくなる。
つまり、迷光の光強度は、光源２３、光検出器２４等の光学系の汚染の程度を表す指標となり、微小粒子状物質の濃度とＡＤＣ１４２のデジタル出力値との関係を示す検量線の傾きは、迷光の光強度の関数とみなすことができる。図３は、検量線の傾きと、汚染量に相当するゼロ点の移動量との関係の一例を模式的に示す図である。図３中、縦軸は検量線の傾きを任意単位で示し、横軸は汚染量に相当するゼロ点の移動量を任意単位で示す。図３に示すように、光源２３、光検出器２４等の光学系の汚染は、測定装置１の使用時間に応じて徐々に蓄積されるため、汚染量は連続的に変化する。
迷光の光強度と検量線の傾きの関係は、実際の光学系の設計や付着する物質の成分に依存する。そこで、一実施例における測定装置１による実際の測定に先立って、微小粒子状物質の濃度測定装置と、一実施例における測定装置１とで、並行して同時に濃度測定を行う。微小粒子状物質の濃度測定装置と、一実施例における測定装置１の夫々により測定された微小粒子状物質の濃度から、経験的に、迷光の光強度と検量線の傾きの関係を表す式を求めておくこともできる。
なお、第２の状態では、微小粒子状物質の微小粒子群を検出するので、制御器１６は、光源２３をパルス点灯するように制御しても良い。この場合、光源２３からの光パルスを検出する光検出器２４の電気信号出力は、第２の回路１４の増幅器１４１を介してＡＤＣ１４２に入力される。このため、ＡＤＣ１４２は、パルス点灯に合わせた同期検出を行うことで、光源２３を常時点灯する場合と比較すると、より低消費電力で精度の高い微小粒子状物質の濃度測定が可能となる。
次に、第１の状態での測定装置１の動作を説明する。第２の回路１４から入力されたデジタル出力値に基づき算出された微小粒子状物質の濃度が閾値未満であると、制御器１６は切換器１２，１５を制御して端子ａ側に切り換え、第１の状態とする。第１の状態において、制御器１６がファン２２を駆動して回転すると、吸気口１１Ａからバーチャルインパクタ２１を通して微小粒子状物質が測定槽１１内に導入される。光源２３からの光は、微小粒子状物質で散乱され、光検出器２４で受光される。測定槽１１内の微小粒子状物質の濃度は、散乱光の光強度に比例するため、光検出器２４の電気信号出力の信号強度は、微小粒子状物質の濃度を反映している。従って、増幅器１３１により増幅された光検出器２４の電気信号出力のうち、波高弁別器１３２が弁別した波高閾値以上の高さのパルス数を計数器１３３で計数した計数値に基づいて、微小粒子状物質の濃度を測定できる。
図４は、第１の回路１３が用いるカウンティング検出方式を説明する図である。また、図５は、第２の回路１４が用いるアナログ検出方式により検出した光学系の汚染の程度を、第１の回路１３が用いるカウンティング検出方式に反映する一例を説明する図である。図４及び図５において、縦軸は光検出器２４の電気信号出力の信号強度を任意単位で示し、横軸は時間を任意単位で示す。光検出器２４の電気信号出力が表す信号強度は、検出された光強度に相当する。
図４に示すように、光検出器２４の視野の中を微小粒子状物質が横切ると、光検出器２４の電気信号出力には、散乱光に相当するパルス状波形が現れる。散乱光に相当する波高値、即ち、パルス状波形の高さ（又は、振幅）は、微小粒子状物質の粒径、粒子の形状、粒子の反射率等に応じて変わる。そこで、ノイズと区別して、測定対象の粒径以下の微小粒子状物質を測定対象から除外するために、波高弁別器１３２に波高閾値Ｔ１を設定する。増幅器１３１により増幅された光検出器２４の電気信号出力のうち、波高弁別器１３２が弁別したこの波高閾値Ｔ１以上の高さのパルス数を計数器１３３で計数することで、測定対象の粒径以下の微小粒子状物質の濃度を測定できる。
図６は、微小粒子状物質の濃度の測定結果の一例を説明する図である。図６中、縦軸は微小粒子状物質の濃度を任意単位で示し、横軸は微小粒子状物質の粒径を任意単位で示す。図６中、クロスハッチングは、測定対象の粒径がｒ１〜ｒｎの範囲内である微小粒子状物質の濃度を示す。
微小粒子状物質の粒径分布を求める場合は、例えば波高弁別器１３２と計数器１３３の対を複数対用意し、複数の閾値Ｔ２，...，Ｔｎ（ここで、ｎは３以上の自然数）毎に波高弁別器１３２が弁別したパルス数を計数しても良い。この場合、制御器１６は、切換器１２，１５を制御して第１の状態に切り換え、第１の回路１３の複数の波高弁別器１３２に対して複数の閾値Ｔ２，...，Ｔｎを決定し、複数の計数器１３３は、各閾値Ｔ２，...，Ｔｎ毎に複数の波高弁別器１３２が弁別したパルス数を計数する。波高弁別器１３２と計数器１３３の複数対が単一のＤＳＰで形成される場合、制御器１６は、複数の閾値Ｔ２，...，Ｔｎを決定し、各閾値Ｔ２，...，Ｔｎ毎に波高弁別器１３２が弁別したパルス数を計数器１３３が計数するようにＤＳＰを制御すれば良い。このように波高弁別器１３２及び計数器１３３を制御する制御器１６自体の処理を、ＤＳＰにより実行しても良い。制御器１６は、各閾値Ｔ２，...，Ｔｎ毎の計数値に基づいて、微小粒子状物質の粒径分布を算出する。
図７は、微小粒子状物質の粒径分布の測定結果の一例を説明する図である。図７中、縦軸は微小粒子状物質の濃度を任意単位で示し、横軸は微小粒子状物質の粒径を任意単位で示す。図７中、ハッチングは、測定対象の粒径の微小粒子状物質の粒径分布ｒ１〜ｒ２，...，ｒｎ−１〜ｒｎを示す。
ところで、第１の状態での測定装置１の動作中も、光源２３、光検出器２４等の光学系の汚染は進行する。このため、図５に示すように、光検出器２４への入射光に含まれる、迷光によるオフセットは増大し、波高値（即ち、パルス状波形の高さ）は減少する。そこで、波高弁別器１３２に設定する閾値Ｔ１，Ｔ２，...，Ｔｎを、光学系の汚染の程度に合わせて閾値Ｔ'１，Ｔ'２，...，Ｔ'ｎに補正することが望ましい。具体的には、波高弁別器１３２に設定する閾値は、次のようなステップＳＴ１１〜ＳＴ１５を実行することで補正できる。
ステップＳＴ１１では、制御器１６がファン２２を駆動することで、吸気口１１Ａからバーチャルインパクタ２１を通して微小粒子状物質が測定槽１１内に導入される状態で、切換器１２，１５を端子ａ側の第１の状態に制御して、測定対象の粒径以下の微小粒子状物質が正しく検出されるように閾値Ｔ１，Ｔ２，...，Ｔｎを決定する。
ステップＳＴ１２では、制御器１６が切換器１２，１５を端子ｂ側の第２の状態に制御して、ファン２２を停止させる。測定槽１１内の微小粒子状物質が沈降又は内壁に吸着するまでのある一定時間後に、ＡＤＣ１４２のデジタル出力値を読み取り、迷光の強さを測定する。
ステップＳＴ１３では、制御器１６が実際の測定に先立って第２の回路１４を用いて測定しておいた、図３に示すような迷光の強さと検量線の傾きの関係に基づき、閾値Ｔ'１，Ｔ'２，...，Ｔ'ｎを算出し、第１の回路１３の波高弁別器１３２に設定する。
ステップＳＴ１４では、制御器１６がファン２２を駆動することで吸気口１１Ａからバーチャルインパクタ２１を通して微小粒子状物質が測定槽１１内に導入される状態で、切換器１２，１５を端子ａ側の第１の状態に制御して、第１の回路１３の計数器１３３の計数値を読み取る。
ステップＳＴ１５では、制御器１６がステップＳＴ１２〜ＳＴ１４の処理を繰り返す。
ただし、ステップＳＴ１２〜ＳＴ１４のループ動作中で、制御器１６は毎回ステップＳＴ１２の処理を実行する必要はなく、光学系の汚染が進行すると予測される時期まで適宜省略しても良い。
従って、光学系の汚染の程度を第２の状態時の光検出器２４の電気信号出力のドリフト量から見積もり、汚染量に対応した検量線を用いて第２の状態時の濃度測定精度を維持することができる。また、第１の状態時の波高閾値の設定に汚染量を反映させることで、第１の状態時にも汚染の影響を抑えた濃度測定を行うことができる。
図８は、コンピュータの一例を示すブロック図である。図８に示すコンピュータ５０は、プロセッサの一例であるＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、記憶装置の一例であるメモリ５２と、出力装置の一例であるディスプレイ５３とを有する。メモリ５２は、ＣＰＵ５１が実行するプログラムを記憶するコンピュータ読取可能な記憶媒体の一例を形成可能である。コンピュータ読取可能な記憶媒体又は記憶装置は、例えばＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk-Read Only Memory）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等の可搬型記録媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク等を用いるディスクドライブ等により形成可能である。メモリ５２は、ＣＰＵ５１が実行する演算で用いるパラメータ、演算の中間結果及び最終結果等の各種データを記憶可能である。ＣＰＵ５１は、メモリ５２記憶されたプログラムを実行し、上記制御器１６の処理を実行可能である。ディスプレイ５３は、ＣＰＵ５１が算出した微小粒子状物質の濃度、微小粒子状物質の粒径分布、メンテナンス警告を含むユーザへのメッセージ等を表示可能である。
次に、測定装置１の動作の一例を、図９及び図１０と共に説明する。図９及び図１０は、測定装置の動作の一例を説明するフローチャートである。図９及び図１０に示す処理は、例えば測定装置１の制御器１６、又は、図８に示すＣＰＵ５１により実行可能である。説明の便宜上、以下では、ＣＰＵ５１が図９及び図１０の処理を実行する例を説明する。
図９に示すステップＳ１では、ＣＰＵ５１が、ファン２２を停止する。ステップＳ２では、ＣＰＵ５１が、切換器１２，１５を制御して第２の状態に切り換える。ステップＳ３では、ＣＰＵ５１が、光源２３をパルス点灯する。ステップＳ４では、ＣＰＵ５１が、第２の回路１４からのデジタル出力値を読み取り光強度を測定する。ステップＳ５では、ＣＰＵ５１が、測定した光強度が設定値以下であるか否かを判定し、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ６へ進む、判定結果がＹＥＳであると処理はステップＳ７へ進む。ステップＳ６では、ＣＰＵ５１がメンテナンス警告を出力し、光学系の清掃等の、測定装置１のメンテナンスが必要であることをユーザに通知する。メンテナンス警告の出力方法は特に限定されず、例えば測定装置１が有する図８に示すコンピュータ５０のディスプレイ５３に表示しても良い。
一方、ステップＳ７では、ＣＰＵ５１が、第２の回路１４用の検量線、第１の回路１３用の検量線、及び第１及び第２の状態間の状態切り換えに用いる閾値を算出する。ステップＳ８では、ＣＰＵ５１が、ファン２２を駆動して回転する。ステップＳ９では、ＣＰＵ５１が、第２の回路１４からのデジタル出力値を読み取り光強度を測定する。ステップＳ１０では、ＣＰＵ５１が、第２の回路１４用の検量線を用いてデジタル出力値を微小粒子状物質の濃度に換算する。ステップＳ１１では、ＣＰＵ５１が、微小粒子状物質の濃度が閾値以上であるか否かを判定し、判定結果がＹＥＳであると処理はステップＳ１２へ進む。一方、ステップＳ１１の判定結果がＮＯであると、処理は後述する図１０に示すステップＳ１６へ進む。
ステップＳ１２では、ＣＰＵ５１が、微小粒子状物質の濃度を出力装置１７へ出力する。ステップＳ１３では、ＣＰＵ５１が、出力した微小粒子状物質の濃度値を時間積分する。ステップＳ１４では、ＣＰＵ５１が、前回の濃度測定からの積分値が所定値を超えたか否かを判定し、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ１５へ進み、判定結果がＹＥＳであると処理はステップＳ１へ戻る。ステップＳ１５では、ＣＰＵ５１が、前回の濃度測定から一定時間が経過したか否かを判定し、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ９へ戻り、判定結果がＹＥＳであると処理はステップＳ１へ戻る。
図１０に示すステップＳ１６では、ＣＰＵ５１が、切換器１２，１５を制御して第１の状態に切り換える。ステップＳ１７では、ＣＰＵ５１が、第１の回路１３の波高弁別器１３２に波高閾値を設定する。ステップＳ１８では、ＣＰＵ５１が、光源２３を常時点灯する。ステップＳ１９では、ＣＰＵ５１が、第１の回路１３の計数器１３３が計数した、第１の回路１３の波高弁別器１３２が弁別したパルス数の計数値を読み取る。ステップＳ２０では、ＣＰＵ５１が、第１の回路１３用の検量線を用いて読み取った計数値を微小粒子状物質の濃度に換算する。ステップＳ２１では、ＣＰＵ５１が、微小粒子状物質の濃度が閾値以上であるか否かを判定し、判定結果がＹＥＳであると処理はステップＳ２２へ進む。一方、ステップＳ２１の判定結果がＮＯであると、処理は後述するステップＳ２３へ進む。ステップＳ２２では、ＣＰＵ５１が、切換器１２，１５を制御して第２の状態に切り換え、処理は図９に示すステップＳ９へ戻る。
ステップＳ２３では、ＣＰＵ５１が、微小粒子状物質の濃度を出力装置１７へ出力する。ステップＳ２４では、ＣＰＵ５１が、出力した微小粒子状物質の濃度値を時間積分する。ステップＳ２５では、ＣＰＵ５１が、前回の濃度測定からの積分値が所定値を超えたか否かを判定し、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ２６へ進み、判定結果がＹＥＳであると処理は図９に示すステップＳ１へ戻る。ステップＳ２６では、ＣＰＵ５１が、前回の濃度測定から一定時間が経過したか否かを判定し、判定結果がＮＯであると処理はステップＳ１９へ戻り、判定結果がＹＥＳであると処理は図９に示すステップＳ１へ戻る。
ところで、光学系の汚染は、光源２３、光検出器２４等への直接的な汚染に限定されない。例えば、光源２３が測定槽１１の外部に配置されており、測定槽１１に設けられた窓を介して光を照射する場合には、窓に設けられた透明部材が汚染される。同様に、光検出器２４が測定槽１１の外部に配置されており、測定槽１１に設けられた窓を介して散乱光を受光する場合には、窓に設けられた透明部材が汚染される。
上記の実施例によれば、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲で微小粒子状物質を高精度で測定することができる。また、光散乱法を用いるため、大気測定局で用いるベータ線吸収方式やＴＥＯＭ方式の測定装置と比較すると、安価、且つ、小型の測定装置を提供できる。更に、長期間にわたる測定装置の使用により発生する測定値のずれを補正して、微小粒子状物質を高精度で測定することができる。このため、清掃に伴う工数を増加させることなく光学系の汚染の影響を抑えて、微小粒子状物質の濃度を高精度で測定することができる。
図１１は、一実施例における環境測定装置の一例を示すブロック図である。図１１に示す環境測定装置２００は、上記の実施例における測定装置１と、センサ部２０１とを有する。センサ部２０１は、温度、湿度、気圧、ガス、及び放射線のうち少なくとも１つを測定する周知のセンサを含む。このような環境測定装置２００によれば、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲で測定環境における微小粒子状物質を高精度で測定すると共に、測定環境における温度、湿度、気圧、ガス、及び放射線のうち少なくとも１つを測定可能であり、複数種類の環境情報を並行して測定できる。また、測定装置１は、清掃に伴う工数を増加させることなく、光学系の汚染の影響を抑えて微小粒子状物質の濃度を高精度で測定できるので、適切なセンサ部２０１を用いることで、長期間複数種類の環境情報を高精度で測定できる。
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
吸気口及び排気口を有する測定槽と、
前記排気口に設けられたファンと、
前記測定槽内の微小粒子状物質に光を照射する光源と、
前記測定槽内の前記微小粒子状物質からの散乱光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて、前記測定槽内を前記吸気口から前記排気口側へ流れる前記微小粒子状物質の個々の微小粒子を検出する第１の回路と、
前記光検出器の出力に基づいて、前記測定槽内を前記吸気口から前記排気口側へ流れる前記微小粒子状物質の微小粒子群を検出する第２の回路と、
前記光検出器の出力を前記第１の回路に入力する第１の状態と、前記第２の回路に入力する第２の状態のうち一方の状態に切り換えられる切換器と、
前記ファンの駆動及び停止と、前記光源の点灯及び消灯と、前記切換器の状態の切り換えとを制御する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記ファンを駆動中に前記光源を点灯し、前記第１の回路の出力から算出した前記微小粒子状物質の濃度が閾値以上であると前記切換器を前記第２の状態に切り換えるように制御すると共に、前記第２の回路の出力から算出した前記微小粒子状物質の濃度が前記閾値未満であると前記切換器を前記第１の状態に切り換えるように制御することを特徴とする、測定装置。
（付記２）
前記第１の回路は、前記切換器を介して前記光検出器の出力が入力される波高弁別器と、前記波高弁別器の出力が入力される計数器とを有し、
前記第２の回路は、前記切換器を介して前記光検出器の出力が入力されるアナログ・デジタル変換器を有し、
前記制御器は、前記波高弁別器が前記光検出器の出力からノイズを除去するための波高閾値を設定し、
前記計数器は、前記波高弁別器が弁別した前記波高閾値以上のパルス数を計数することを特徴とする、付記１記載の測定装置。
（付記３）
前記制御器は、前記切換器を制御して前記第２の状態に切り換え、
前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の前記アナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記アナログ・デジタル変換器の出力を前記微小粒子状物質の濃度へ変換する変換関数を決定し、
前記光源を点灯中に前記ファンを駆動し、前記アナログ・デジタル変換器の出力と、前記変換関数とに基づいて前記微小粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする、付記２記載の測定装置。
（付記４）
前記制御器は、前記切換器を制御して前記第２の状態に切り換え、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の前記アナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記波高弁別器の前記波高閾値を決定し、
前記制御器は、前記切換器を制御して前記第１の状態に切り換え、前記光源を点灯中に前記ファンを駆動し、前記波高閾値を前記波高弁別器に設定し、前記計数器の計数値に基づいて前記微小粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする、付記２又は３記載の測定装置。
（付記５）
前記制御器は、前記切換器を制御して前記第２の状態に切り換え、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の前記アナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記波高閾値を補正することを特徴とする、付記２乃至４のいずれか１項記載の測定装置。
（付記６）
前記制御器は、前記切換器を制御して前記第１の状態に切り換え、前記波高弁別器の複数の波高閾値を決定し、
前記計数器は、各波高閾値毎に前記波高弁別器が弁別したパルス数を計数し、
前記制御器は、前記各波高閾値毎の計数値に基づいて、前記微小粒子状物質の粒径分布を算出することを特徴とする、付記２乃至５のいずれか１項記載の測定装置。
（付記７）
前記制御器は、前記第２の状態では、前記光源の点灯時に前記光源をパルス点灯するように制御することを特徴とする、付記１乃至６のいずれか１項記載の測定装置。
（付記８）
前記第１の状態では前記第１の回路の出力を前記制御器に入力し、前記第２の状態では前記第２の回路の出力を前記制御器に入力する別の切換器を更に備え、
前記制御器は、前記切換器の状態と同期して、前記別の切換器の状態を前記第１の状態又は第２の状態に切り換えることを特徴とする、付記１乃至７のいずれか１項記載の測定装置。
（付記９）
前記吸気口に設けられ、測定対象の粒径以下の微小粒子状物質を通過させて前記測定槽内に導入するバーチャルインパクタを更に備えたことを特徴とする、付記１乃至８のいずれか１項記載の測定装置。
（付記１０）
請求項１乃至９のいずれか１項記載の測定装置と、
温度、湿度、気圧、ガス、及び放射線のうち少なくとも１つを測定するセンサ部と、
を備えたことを特徴とする、環境測定装置。
（付記１１）
測定槽内で、吸気口からファンが設けられた排気口側へ流れる微小粒子状物質に光源からの光を照射して、光検出器が前記微小粒子状物質からの散乱光を検出し、
第１の状態では、第１の回路が、前記光検出器の出力に基づき前記微小粒子状物質の個々の微小粒子を検出し、
第２の状態では、第２の回路が、前記光検出器の出力に基づき前記微小粒子状物質の微小粒子群を検出し、
制御器が、前記ファンを駆動中に前記光源を点灯し、前記第１の回路の出力に基づき算出された濃度が閾値以上であると前記第２の状態に制御すると共に、前記第２の回路の出力に基づき算出された濃度が前記閾値未満であると前記第１の状態に制御することを特徴とする、測定方法。
（付記１２）
前記制御器が、前記第１の状態で前記光検出器の出力が入力される波高弁別器と、前記波高弁別器の出力が入力される計数器とを有する前記第１の回路のうち、前記波高弁別器が前記光検出器の出力からノイズを除去するための波高閾値を設定し、前記計数器が、前記波高弁別器が弁別した前記波高閾値以上のパルス数を計数することを特徴とする、付記１１記載の測定方法。
（付記１３）
前記制御器が、前記第２の状態で、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の、前記第２の回路が有するアナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記アナログ・デジタル変換器の出力を前記微小粒子状物質の濃度へ変換する変換関数を決定し、
前記制御器が、前記第２の状態で、前記光源を点灯中に前記ファンを駆動し、前記アナログ・デジタル変換器の出力と、前記変換関数とに基づいて前記微小粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする、付記１２記載の測定方法。
（付記１４）
前記制御器が、前記第２の状態で、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の、前記第２の回路が有するアナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記波高弁別器の前記波高閾値を決定し、
前記制御器が、前記第１の状態で、前記光源を点灯中に前記ファンを駆動し、前記波高閾値を前記波高弁別器に設定し、前記計数器の計数値に基づいて前記微小粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする、付記１２又は１３記載の測定方法。
（付記１５）
前記制御器が、前記第２の状態で、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の、前記第２の回路が有するアナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記波高閾値を補正することを特徴とする、付記１２乃至１４のいずれか１項記載の測定方法。
（付記１６）
前記制御器が、前記第１の状態で、前記波高弁別器の複数の波高閾値を決定し、
前記計数器が、各波高閾値毎に前記波高弁別器が弁別したパルス数を計数し、
前記制御器が、前記波高閾値毎の計数値に基づいて、前記微小粒子状物質の粒径分布を算出することを特徴とする、付記１２乃至１５のいずれか１項記載の測定方法。
（付記１７）
前記制御器が、前記第２の状態では前記光源の点灯時に前記光源をパルス点灯するように制御することを特徴とする、付記１１乃至１６のいずれか１項記載の測定方法。
以上、開示の測定装置及び測定方法を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。
１ 測定装置
１１ 測定槽
１１Ａ 吸気口
１１Ｂ 排気口
１２，１５ 切換器
１３ 第１の回路
１４ 第２の回路
１６ 制御器
１７ 出力装置
２１ バーチャルインパクタ
２２ ファン
２３ 光源
２４ 光検出器
１３１，１４１ 増幅器
１３２ 波高弁別器
１３３ 計数器
１４２ ＡＤＣ
２００ 環境測定装置
２０１ センサ部

Claims (7)

  1. 吸気口及び排気口を有する測定槽と、
    前記排気口に設けられたファンと、
    前記測定槽内の微小粒子状物質に光を照射する光源と、
    前記測定槽内の前記微小粒子状物質からの散乱光を検出する光検出器と、
    前記光検出器の出力に基づいて、前記測定槽内を前記吸気口から前記排気口側へ流れる前記微小粒子状物質の個々の微小粒子を検出する第１の回路と、
    前記光検出器の出力に基づいて、前記測定槽内を前記吸気口から前記排気口側へ流れる前記微小粒子状物質の微小粒子群を検出する第２の回路と、
    前記光検出器の出力を前記第１の回路に入力する第１の状態と、前記第２の回路に入力する第２の状態のうち一方の状態に切り換えられる切換器と、
    前記ファンの駆動及び停止と、前記光源の点灯及び消灯と、前記切換器の状態の切り換えとを制御する制御器と、
    を備え、
    前記制御器は、前記ファンを駆動中に前記光源を点灯し、前記第１の回路の出力から算出した前記微小粒子状物質の濃度が閾値以上であると前記切換器を前記第２の状態に切り換えるように制御すると共に、前記第２の回路の出力から算出した前記微小粒子状物質の濃度が前記閾値未満であると前記切換器を前記第１の状態に切り換えるように制御することを特徴とする、測定装置。
  2. 前記第１の回路は、前記切換器を介して前記光検出器の出力が入力される波高弁別器と、前記波高弁別器の出力が入力される計数器とを有し、
    前記第２の回路は、前記切換器を介して前記光検出器の出力が入力されるアナログ・デジタル変換器を有し、
    前記制御器は、前記波高弁別器が前記光検出器の出力からノイズを除去するための波高閾値を設定し、
    前記計数器は、前記波高弁別器が弁別した前記波高閾値以上のパルス数を計数することを特徴とする、請求項１記載の測定装置。
  3. 前記制御器は、前記切換器を制御して前記第２の状態に切り換え、
    前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の前記アナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記アナログ・デジタル変換器の出力を前記微小粒子状物質の濃度へ変換する変換関数を決定し、
    前記光源を点灯中に前記ファンを駆動し、前記アナログ・デジタル変換器の出力と、前記変換関数とに基づいて前記微小粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする、請求項２記載の測定装置。
  4. 前記制御器は、前記切換器を制御して前記第２の状態に切り換え、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の前記アナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記波高弁別器の波高閾値を決定し、
    前記制御器は、前記切換器を制御して前記第１の状態に切り換え、前記光源を点灯中に前記ファンを駆動し、前記波高閾値を前記波高弁別器に設定し、前記計数器の計数値に基づいて前記微小粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする、請求項２又は３記載の測定装置。
  5. 前記制御器は、前記切換器を制御して前記第２の状態に切り換え、前記光源を点灯中に前記ファンを停止してから一定時間後の前記アナログ・デジタル変換器の出力に基づいて、前記波高閾値を補正することを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか１項記載の測定装置。
  6. 前記制御器は、前記切換器を制御して前記第１の状態に切り換え、前記波高弁別器の複数の波高閾値を決定し、
    前記計数器は、各波高閾値毎に前記波高弁別器が弁別したパルス数を計数し、
    前記制御器は、前記各波高閾値毎の計数値に基づいて、前記微小粒子状物質の粒径分布を算出することを特徴とする、請求項２乃至５のいずれか１項記載の測定装置。
  7. 測定槽内で、吸気口からファンが設けられた排気口側へ流れる微小粒子状物質に光源からの光を照射して、光検出器が前記微小粒子状物質からの散乱光を検出し、
    第１の状態では、第１の回路が、前記光検出器の出力に基づき前記微小粒子状物質の個々の微小粒子を検出し、
    第２の状態では、第２の回路が、前記光検出器の出力に基づき前記微小粒子状物質の微小粒子群を検出し、
    制御器が、前記ファンを駆動中に前記光源を点灯し、前記第１の回路の出力に基づき算出された濃度が閾値以上であると前記第２の状態に制御すると共に、前記第２の回路の出力に基づき算出された濃度が前記閾値未満であると前記第１の状態に制御することを特徴とする、測定方法。
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