JP3622696B2 - 浮遊粒子状物質の測定方法および測定装置 - Google Patents

浮遊粒子状物質の測定方法および測定装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中に存在する浮遊粒子状物質の粒度分布を測定する方法および装置に関し、更に詳しくは、浮遊粒子状物質の粒度分布を広い粒度範囲にわたって高分解能のもとに測定することのできる浮遊粒子状物質の測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中に浮遊している粉じんのうち、粒径が１０μｍ以下のものは浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と称される。この浮遊粒子状物質は、巻き上げられた土なども含まれるが、ディーゼル車が排出する黒煙や未燃焼燃料、硫黄化合物などが多くを占め（関東では３５％がディーゼル車からのもの）、これらは有害性もより高いと言われている。このディーゼル車からの排気ガスが原因の粒子状物質は、特にＤＥＰと称される。また、より粒径の小さい２．５μｍ以下のものは微小粒子状物質（ＰＭ２．５）と称され、欧米では調査・研究が盛んになってきている。このＰＭ２．５の場合、その排出原因はディーゼル車の排ガスである割合がより高くなると言われている。
【０００３】
以上のような大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や微小粒子状物質（ＰＭ２．５）の粒度分布を測定する装置として、従来、カスケードインパクタ方式に基づく装置が実用化されている。このカスケードインパクタ方式に基づく測定装置は、流体を捕集板に衝突させてその流れの方向を急変させることによって粒子を流体から分離するインパクタ法を利用したものであり、５０％捕集効率の粒径を順次変化させたインパクタを多段に直列接続して、各段における５０％捕集効率の粒径をそれぞれの段の代表径として、それぞれの段における捕集量の測定結果から、流体中の粒度分布を求めるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＰＭやＰＭ２．５の測定に供されているカスケードインパクタ方式に基づく測定装置においては、その原理上、粒径の測定上限値が１０μｍ程度に限定されてしまうという問題があるとともに、粒径の分解能が捕集板の数によって決まってしまうために、高い分解能で粒度分布を測定することは望めないという欠点もある。
【０００５】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたもので、大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や微小粒子状物質（ＰＭ２．５）の粒度分布を、粒子径１０μｍ以上を含むより広い粒径範囲において高い分解能のもとに測定することのできる浮遊粒子状物質の測定方法および装置の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の浮遊粒子状物質の測定方法は、大気中にに含まれる浮遊粒子状物質を測定する方法であって、大気をポンプにより容器内に吸引するとともに、その容器内の大気中に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させることにより電気的に捕集して透明板表面に順次付着させ、その浮遊粒子状物質が付着している透明板に対してレーザ光を照射して得られる回折・散乱光の空間強度分布を測定し、その測定結果から浮遊粒子状物質の粒度分布を求めることによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００７】
また、本発明の浮遊粒子状物質の測定装置は、大気中に含まれる浮遊粒子状物質を測定する装置であって、捕集容器と、その捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、その放電電極に対して電位差が与えられることにより上記捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を捕集する透明板を有する集塵電極と、その透明板に付着している浮遊粒子状物質にレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の浮遊粒子状物質による回折・散乱光の空間強度分布を測定する測定光学系と、その測定結果から捕集された浮遊粒子状物質の粒度分布を算出する演算手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項２）。
【０００８】
ここで、以上の請求項１および２で言うポンプとは、大気を吸引して圧送できる空気機械を言い、具体的には圧縮機もしくは送風機である。
【０００９】
本発明は、広い粒径範囲において高い分解能のもとに粒度分布を測定することのできるレーザ回折・散乱法に基づく粒度分布測定を、大気中の浮遊粒子状物質の粒度分布の測定に利用するとともに、その利用に当たって、レーザ光の照射時に十分な強度の回折・散乱光が得られるように、直接的に大気中の浮遊粒子状物質に対してレーザ光を照射するのではなく、浮遊粒子状物質を効率的に捕集して、十分な濃度のもとに分散した状態でレーザ光を照射することによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１０】
すわなち、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置においては、一般に、分散状態の被測定粒子群にレーザ光を照射して得られる回折・散乱光の空間強度分布を測定し、その光強度分布がミーの散乱理論ないしはフラウンホーファの回折理論に則ることを利用し、回折・散乱光の空間強度分布の測定結果からミーの散乱理論ないしはフラウンホーファの回折理論に基づく演算によって被測定粒子群の粒度分布を求める。このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置によれば、被測定粒子群を分散させるための媒体中における被測定粒子群の濃度を適正範囲とすることによって、広い粒径範囲において高い分解能で粒度分布を求めることができる。
【００１１】
しかしながら、大気中の浮遊粒子状物質に直接的にレーザ光を照射して回折・散乱光を測定しようとしても、大気中における浮遊粒子状物質の濃度が低すぎる関係上、粒度分布を求めるに十分な回折・散乱光を得ることができない。
【００１２】
そこで、本発明においては、大気を容器中に吸引するとともに、その容器内の大気中に含まれる浮遊粒子状物質を電気的に捕集し、つまり例えば請求項４に係る発明の装置のように、放電電極からの単極イオンにより浮遊粒子状物質を帯電させるとともに、その放電電極に対して所定の電位差が付与される集塵電極を設けることによって帯電した浮遊粒子状物質を捕集して透明板の表面に順次付着させることにより、透明板表面にレーザ回折・散乱式の粒度分布測定に適した濃度範囲のもとに浮遊粒子状物質を分散させ、レーザ光を照射して回折・散乱光の空間強度分布を測定する。これにより、通常のレーザ回折・散乱式の粒度分布測定と同等の広い粒子径範囲、つまりサブミクロンオーダーから１０μｍを越える広い粒子径範囲において、高い分解能のもとに浮遊粒子状物質の粒度分布を求めることができる。
【００１３】
また、本発明においては、大気をポンプによって容器内に吸引し、その容器内の大気中に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させて電気的に捕集するので、ポンプ流量と駆動時間によって容器内に送り込んだ大気の量を容易に把握することができ、かつ、容器内に送り込んだ大気中の浮遊粒子状物質をほぼ漏れなく捕集することができ、従って一定量の大気中に存在する浮遊粒子状物質の粒子径ごとの量を簡単に割り出すことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図であり、光学的構成並びに配管構成を表す模式図と、電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１５】
開閉自在の蓋１ａを備えた捕集容器１には、大気の流入口１ｂと、ポンプ（捕集用圧縮機）２の吸引口への連通口１ｃが形成されており、蓋１ａを閉じた状態でポンプ２の駆動により流入口１ｂを介して大気が捕集容器１内に吸引される。この捕集容器１内には、その上部に放電電極３が設けられているとともに、その放電電極３に対向してその下部には集塵電極４が配置されている。また、この集塵電極４の上に透明板２６が配置されている。放電電極３には高圧電源５によって高電圧が印加され、これによって放電電極３の近傍の空気が電離し、単極イオンが発生する。
【００１６】
一方、集塵電極４はこの例において接地電位６に接続され、この集塵電極４と放電電極３の電位差により、単極イオンは集塵電極４に向けて移動し、その過程で捕集容器１内の大気中に含まれている浮遊粒子状物質Ｐと接触してこれを帯電させる。帯電した浮遊粒子状物質Ｐは、同じく放電電極３と集塵電極４との電位差によって集塵電極４に向けて移動し、その上に配置されている透明板２６上に付着する。
【００１７】
透明板２６上に付着した浮遊粒子状物質は、落下を防止するために例えば他の透明板２７を用いて透明板２６との間に挟み込まれた状態で、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置による測定に供される。
【００１８】
レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０は、上記した透明板２６と２７で挟まれた浮遊粒子状物質Ｐに対してレーザ光を照射する照射光学系２２と、その照射光学系２２からのレーザ光の回折・散乱光の空間強度分布を測定する測定光学系２３と、その測定光学系２３の出力をサンプリングするデータサンプリング回路２４、およびそのデータサンプリング回路２４によりサンプリングされた回折・散乱光の空間強度分布データを用いて、透明板２６と２７の間に挟まれている粒子群の粒度分布を算出するコンピュータ２５を主体として構成されている。
【００１９】
照射光学系２２は、レーザ光源２２ａ、集光レンズ２２ｂ、空間フィルタ２２ｃ、コリメートレンズ２２ｄによって構成され、レーザ光源２２ａから出力されたレーザ光を平行光束として透明板２６と２７の間で分散している浮遊粒子状物質Ｐに照射する。この照射されたレーザ光は、浮遊粒子状物質Ｐにより回折・散乱を受ける。この回折・散乱光の空間強度分布は測定光学系２３によって測定される。
【００２０】
測定光学系２３は、照射光学系２２の光軸上に透明板２６，２７を挟んで配置され集光レンズ２３ａおよびリングディテクタ２３ｂと、その外側に配置された前方広角度散乱光センサ群２３ｃと、透明板２６，２７の側方および後方（照射光学系２２側）に配置された側方／後方散乱光センサ群２３ｄによって構成されている。リングディテクタ２３ｂは、互いに異なる半径のリング状または１／２リング状もしくは１／４リング状の受光面を有する光センサを同心上に配置した光センサアレイであって、集光レンズ２３ａにより集光された前方所定角度以内の回折・散乱光の強度分布を検出することができる。従って、これらのセンサ群からなる測定光学系２３により、透明板２６，２７の間で分散している浮遊粒子状物質Ｐによる回折・散乱光の空間強度分布が、前方微小角度から後方に至る広い範囲で測定される。
【００２１】
以上の測定光学系２３による各回折・散乱角度ごとの光強度検出信号は、それぞれのアンプ並びにＡ−Ｄ変換器を有してなるデータサンプリング回路２４によって増幅された上でデジタル化され、回折・散乱光の空間強度分布データとしてコンピュータ２５に取り込まれる。
【００２２】
コンピュータ２５では、その回折・散乱光の空間強度分布を用いて、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定において公知の、ミーの散乱理論およびフラウンホーファの回折理論に基づく演算手法により、レーザ光が回折・散乱した原因粒子である浮遊粒子状物質の粒度分布を算出する。
【００２３】
以上の構成において、ポンプ２の単位時間当たりの流量とその駆動時間から、捕集容器１内に送り込んだ大気の総量を把握することができ、その捕集容器１内に送り込む空気の総量を適宜に設定することにより、透明板２６上に捕集した浮遊粒子状物質Ｐの濃度を、測定光学系２２によって十分に回折・散乱光の空間強度分布を測定できる程度とすることができる。
【００２４】
このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０による粒度分布の測定によれば、サブミクロンオーダーから１０μｍを越える広い粒径範囲において高い分解能でその粒度分布の測定が可能である。
【００２５】
また、以上の集塵と測定を一定時間ごとに繰り返し行えば、連続的に大気中の浮遊粒子状物質の状況を監視することができる。
【００２６】
更に、各回の測定動作において集塵容器１内に送り込む大気の総量を一定とすると、その各回の測定において得られる回折・散乱光の絶対強度は、大気中の浮遊粒子状物質Ｐの濃度に相関するので、その絶対強度の変化から大気中の浮遊粒子状物質Ｐの濃度の経時的変化を監視することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ポンプによって大気を捕集容器中に吸引し、その捕集容器内に配置した放電電極によって大気中に含まれている浮遊粒子状物質を帯電させて集塵電極により捕集して透明板表面に付着させ、その捕集した浮遊粒子状物質が透明板上で適当な濃度で分散している状態でレーザ光を照射し浮遊粒子状物質による回折・散乱光の空間強度分布を測定し、その測定結果からレーザ回折・散乱式粒度分布測定の原理に基づいて浮遊粒子状物質の粒度分布を求めるので、従来のカスケードインパクタによる粒度分布の測定に比して、粒子径の分解能を大幅に向上させることができると同時に、１０μｍ以上の粒径範囲の粒度分布をも測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成図であり、光学的構成並びに配管構成を表す模式図と、電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【符号の説明】
１ 捕集容器
２ ポンプ
３ 放電電極
４ 集塵電極
５ 高圧電源
６ 接地電位
２０ レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置
２２ 照射光学系
２３ 測定光学系
２４ データサンプリング回路
２５ コンピュータ
２６，２７ 透明板
Ｐ 浮遊粒子状物質

Claims (2)

  1. 大気中に含まれる浮遊粒子状物質を測定する方法であって、
    大気をポンプにより容器内に吸引するとともに、その容器内の大気中に含まれる浮遊粒子状物質を帯電させることにより電気的に捕集して透明板表面に順次付着させ、その浮遊粒子状物質が付着している透明板に対してレーザ光を照射して得られる回折・散乱光の空間強度分布を測定し、その測定結果から浮遊粒子状物質の粒度分布を求めることを特徴とする浮遊粒子状物質の測定方法。
  2. 大気中に含まれる浮遊粒子状物質を測定する装置であって、
    捕集容器と、その捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、その放電電極に対して電位差が与えられることにより上記捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を捕集する透明板を有する集塵電極と、その透明板に付着している浮遊粒子状物質にレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光の浮遊粒子状物質による回折・散乱光の空間強度分布を測定する測定光学系と、その測定結果から捕集された浮遊粒子状物質の粒度分布を算出する演算手段を備えていることを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
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