JP3899057B2 - 大気中の黒色炭素を光学的に測定する方法およびこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気中に含まれる黒色炭素を光学的に測定する方法、およびこの方法を実施するための装置に関する。

黒色炭素（煤）は不完全燃焼の結果放出される粒子状物質の主要成分である。これまでドイツ国において空気中の黒色炭素を測定するために使用されてきた標準規格は、ＶＤＩ２４６５のシート１および２である。このガイドラインでは黒色炭素の放出量測定の基準としての熱的分析方法を定め、これを用いてフィルタデータを毎日あるいは毎週分析するように求めている。しかし、この方法では測定データを適時に分析して提供することができない。

黒色炭素の光学的測定は、大気中エアロゾルを単一のフィルタまたはフィルタテープの上に堆積させて行う。粒子を負荷したフィルタ基質と粒子を負荷していないフィルタ基質との光学的性質の変化を透過（ＡＴＮ）または反射（ＲＥＦ）の何れかにおいて測定する。粒子負荷によるフィルタの黒色化部分における変化は、下記ランバート・ベールの法則から導かれる簡単な関係式を適用することによって、吸収性物質の負荷質量を示すものである。

上記式中、Ｔ、Ｔ_０およびＲ、Ｒ_０は粒子を負荷したフィルタ基質（添字なし）と粒子を負荷しないフィルタ基質（添字０）のそれぞれ透過率と反射率を示す。Ｓ_ＢＣはフィルタ捕集領域の単位表面積あたりの黒色炭素負荷量（単位μｇｃｍ^−２）、σ_ＡＴＮとσ_ＲＥＦは、それぞれ透過光（σ_ＡＴＮ）と反射光（σ_ＲＥＦ）におけるフィルタ負荷量Ｓ_ＢＣと粒子を負荷したことによる光の減衰量との比例定数を示す。エアロゾル内または粒子間での多重散乱効果は無視している。

特許文献１には、光源と単独の光検出器、および光源から光検出器までを結ぶ２本の光路を備えたエサロメータ（aethalometer）について記載されている。捕集領域を一方の光路に配置した石英ファイバフィルタも設けられており、他方の光路は基準領域の働きをするように構成されている。周辺空気をフィルタの捕集領域を通して送り込むことによって、エアロゾル粒子がフィルタ上に堆積される。

上記エサロメータのハウジング内において、回転ディスクに開口部が設けられ、光源からの光が２本の光路を交互に通過するように構成されている。フィルタの下方に配置した光検出器の出力電圧が電圧制御発振器（ＶＣＯ）に印加される。２本の光路を別個に通る光の透過量を測定するためのパルスを数えて比較することにより、堆積されたエアロゾル粒子の吸収係数が求められる。

上記公知のエサロメータの場合、フィルタまたはフィルタテープの上に粒子を堆積することにより、濃度によっては数ヶ月にも及ぶ長期間をかけて黒色炭素の質量濃度を測定する。この公知のエサロメータでは、式（１ａ）のような多重散乱効果が無視されるため、このシステムを用いて測定した黒色炭素の質量濃度は光散乱性のエアロゾル成分による影響を受けることとなる。このような交差感度の結果、測定値に大きな誤りが生じるおそれがある。また、空気の取り入れ方についても粒径が大きい場合には不適当である。

大気中エアロゾル試料に含まれる黒色炭素量を測定する目的で、透過光線と反射光線の同時測定を可能にする光学アセンブリが提案されている（非特許文献１参照）。このアセンブリでは、エアロゾルをフィルタテープ上に堆積し、エアロゾル粒子捕集領域に発光ダイオードによって光を照射する。照射光源としてのフォトダイオードとフィルタテープとの間と、フィルタテープの下方の両方に光検出器が配置されて、透過された光成分だけでなくフィルタテープにより反射された光成分についても同時に測定することができる。
米国特許第４，８９３，９３４号明細書 Ａ．ペゾルド（Ａ．Ｐｅｔｚｏｌｄ）、Ｈ．クレイマー（Ｈ．Ｋｒａｍｅｒ）著、「大気中黒色炭素測定用の改良型エアロゾル吸光光度計」（"Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｅｒｏｓｏｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ"）、ジャーナル・オブ・エアロゾル・サイエンス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）、３２、３７〜３８頁、２００１年 Ｇ．ハネル（Ｇ．Ｈａｅｎｅｌ）著、「境界層の放射収支、第ＩＩ部、太陽光による粒子の平均体積吸収係数と消失係数の同時測定について」（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｂｕｄｇｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ， Ｐａｒｔ ＩＩ， Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅａｎ ｓｏｌａｒ ｖｏｌｕｍｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）、環境物理（Ｐｈｙｓ． Ａｔｍｏｓｐｈ．）、６０、２４１〜２４７頁、１９８７年

本発明の目的は、大気中に含まれる黒色炭素を光学的に測定するための光の透過成分および反射成分の測定方法、ひいてはその決定方法を改良し、広範な領域に亘ってより優れた信号平均を達成できるようにすることにある。

本発明によると、この目的およびその他の目的が、大気中の黒色炭素を光学的に測定する方法であって、空気流からエアロゾルをフィルタテープ上に堆積させる工程と、前記フィルタテープのエアロゾル粒子捕集領域に光源によって１つまたは複数の波長の光を連続的に照射する工程と、前記光源に関してそれぞれの測定角度について最大分解能で反射光と拡散散乱光とを区分することが可能となる対称性をもつように厳密に定められた複数の角度または角度範囲で配設された複数の光検出器と、前記光源に関して透過光を検出することが可能となるように厳密に定められた角度または角度範囲で配設された光検出器とを用いて、前記フィルタを通して透過された光成分とフィルタから反射された光成分の両方を同時に測定する工程と、前記フィルタテープ捕集領域の光吸収性エアロゾル物質負荷量を、検出した各透過率および反射率から公知のアルゴリズムを用いて前記エアロゾル粒子負荷により生じる前記捕集領域の光学的性質の変化に基づいて連続的に決定する工程とを含む方法によって達成される。

本発明によると、前記透過光成分と反射光成分を測定する目的で、光検出器が０°、１２０〜１４０°、および１６５〜１８０°と厳密に決められた定められた角度または角度範囲において相互に対向するように、かつ好ましくは少なくとも１つの光源の光軸と同軸的に配設された環状取付装置内に配設される。この結果、本発明の多角測定アセンブリにおいては測定角度範囲について最大限の対称性が得られるため、測定ヘッドの形態をとる測定装置が非常に小型化された構造である割に広いフィルタ領域に亘って優れた信号平均を得ることが可能となっている。

散乱光を低減する目的で、光検出器が相互に対向するように配設される環状取付装置が好ましくは２つの異なる平面内に画定される。

公知のエサロメータに設けられているような基準路の代わりに、本発明では光源に光検出器を設けることによって光源の光強度が連続的に測定される。

また、測定ヘッドにダスト通路を設けて、フィルタテープのダスティングを連続的に行えるようにすると共に、このダスト通路を介して大きな粒子（＞１０μｍ）もフィルタテープに到達できるようにしている。さらに、粒子の大きさを分別する目的で、ダスト通路の上流側の外部に予備分別器を配設しても良い。

単一の波長の光のみで測定を行う場合、カラー発光ダイオードのような狭帯域光源を用いる。複数の波長を用いて測定を行う場合は、広帯域光源を使用すると共に帯域フィルタを個々の検出器の上流にそれぞれ配設する。

次に、添付図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。図１を参照すると、測定ヘッド１の形態をとる装置が概略的に示されている。測定ヘッド１の上側ハウジング部１０に、例えば波長λ＝６７０ｎｍの発光ダイオード２が光源として設けられている。また、発光ダイオード２には光の強度を監視する目的で光検出器３が設けられている。上側ハウジング部１０の中程に２つの光検出器４が、それよりやや下にさらに２つの光検出器５が設けられて、後方散乱（反射）光の測定を行うように構成されている。

上側ハウジング部１０と下側ハウジング部１１との間に、太線で示すフィルタテープ６が設けられている。フィルタテープ６下方の下側ハウジング部１１には透過光線を測定または検出するための光検出器９がさらに配置されている。また、上側ハウジング部１０の下部には、フィルタテープ６のダスティングを継続的に行えるように構成されたダスト通路１２が設けられている。

次に大幅に簡略化された斜視図である図２を参照すると、第１環状取付装置７_１の上に４つの光検出器４_１〜４_４が発光ダイオード２の形態をとる光源の下方に、好ましくは相互に角度的に等間隔に設けられており、後方散乱光線の検出を行うように構成されていると共に、それよりやや下方の第２取付装置７_２の上にも同様に４つの光検出器５_１〜５_４が設けられている。

図２を見ると、フィルタテープ６上のエアロゾル粒子を堆積した捕集領域８が明らかである。フィルタテープ６の下方には、透過光線を検出する光検出器９が設けられている。この斜視図では、反射光に関する角度として、角度θ＝０゜とθ_１＝１３０゜とθ_２＝１６５゜とが用いられている。

２つの環状取付装置７_１、７_２において、例えば第１取付装置７_１内では２つの光検出器４_１と４_３、４_２と４_４がそれぞれ相互に対向して配設され、その下の第２取付装置７_２においても光検出器５_１と５_３、５_２と５_４がそれぞれ対向して配置されている。図２から明らかなように、環状取付装置７_１と環状取付装置７_２は鎖線で示す測定ヘッド１の光軸に対して同軸的に配設されている。

このように、光検出器４および光検出器５のそれぞれを相互に対向して配設することにより、発光ダイオード２の形態をとる光源に対して、測定対象となる角度領域についての角度測定用アセンブリの対称性が最大限に得られるのである。測定ヘッドが非常に小型化された構造になっているが、フィルタテープ６上の広範な捕集領域８の全域においてより良い信号平均が獲得される。

透過光および反射光を全体的に検出する上で最適な光検出器４、５の位置は、エアロゾルを負荷したフィルタの角度分布を分析することによって導き出した。この角度分析の結果、拡散散乱した光線の成分と粗面で反射した光線の成分とを一次結合することによって角度分布を表せることが分かった。パラメータ化した角度分布を、θ＝０〜９０°の前方半スペースとθ＝９０〜１８０°の後方半スペースについて、それぞれ次式によって表すことができる。

式中、αは拡散散乱光成分、σはフィルタ表面の粗度を示す（図３参照）。

図３を参照すると、θ＝０〜９０°の前方半スペースとθ＝９０〜１８０°の後方半スペースにおける散乱光線の角度分布がそれぞれエアロゾルの組成と対応して示されている。ここでは、エアロゾルの組成はエアロゾル全体における光吸収性成分である黒色炭素（ＢＣ）が占める分率で示されている。また、このグラフにおいては、散乱角度θを、度を単位として横軸に、標準化した散乱強度を縦軸に示している。

θ_１＝１３０°として検出器の位置決めを行うことにより、最大分解能で反射光と拡散散乱光を区分することが可能となる（図４参照）。図４のグラフでは、左側の軸すなわち縦軸に散乱光線の拡散成分の関数としての観察角度θとθ＝１６５°の信号比を示し、右側のＹ軸すなわち縦軸に観察角度θの関数として全拡散光線の信号比と全反射光線の信号比との差を示している。

測定した信号比Ｓ（θ_１）／Ｓ（θ_２）と後方散乱光線の拡散成分との関係は直線的である（図５参照）。図５では、検出器の観察角度１３０°と１００°における信号と角度１６５°における信号の比を拡散散乱成分と対応させて、拡散散乱成分αを横軸に、信号比Ｓ（θ）／Ｓ（１６５°）を縦軸にとって示している。

この方法により、測定した信号比から拡散散乱成分αを確実に獲得することができる。こうしてパラメータαを決定したことにより、結論的に式（２ｂ）から後方半スペースにおける全散乱光線を算出することが可能となる。式（１）から前方半スペースにおける透過光線を求めるためには、θ＝０°での測定値だけでよい。

このようにして求めた全強度は、前方半スペースに関しては次式

であり、後方半スペースに関しては、

である。これらの放射強度から、堆積粒子による光の吸収が公知のアルゴリズム（非特許文献２参照）を用いて求められる。

結果として、このアルゴリズムから粒子を負荷したフィルタの光学的密度τ_Ｌと負荷フィルタ上での光の散乱係数と消失係数との比ＳＳＡ_Ｌ（単一散乱アルベド）が与えられる。結論としてこれらのパラメータから、次式（５）によりフィルタへの光吸収性エアロゾル負荷量Ｓ_ＢＣが求められる。

パラメータσ_ＡＢＳはこの方法をエアロゾル中の黒色炭素の化学的測定方法（例えばＶＤＩ ２４６５、パート１）と対照して較正することにより獲得することができる。

上記の方法を光散乱性成分（食塩ＮａＣｌ）と光吸収性成分（黒色炭素）との混合物における黒色炭素含有量を判定するために使用したところ、黒色炭素の質量百分率は１％から１００％の間で変化した。理想的な方法としては、フィルタへの粒子負荷によるフィルタの光学的性質（透過率、式（１ａ）、反射率、式（１ｂ）、吸収率、式（５））の変化をフィルタへの黒色炭素負荷量と正比例するようにし、それによって生じる直線で表せるようにすると良い。

図６は測定値ＡＴＮ、ＲＥＦおよびＡＢＳと、フィルタの黒色炭素負荷量をＶＤＩ ２４６５、シート１に従って独立して測定したものとの関係、すなわち透過率測定値（ＡＴＮ）と反射率測定値（ＲＥＦ）と上記の方法による測定値（ＡＢＳ）とに関して示している。

表１はそれぞれの相関関係分析結果を示したものである。上記のような多角度光吸収率測定は、回帰直線間の同時ゼロ交差について高い相関関係を示すことが分かる。今回用いた先行技術では、測定値に大きなばらつき（透過率）、あるいはゼロからの有意の逸脱（反射率）が見られる。このことは予測したとおり、上記の多角度光吸収率測定法による空気中の黒色炭素測定が優れていることを証明するものである。

透過率測定法による測定値（ＡＴＮ）、反射率測定法による測定値（ＲＥＦ）および多角度光吸収率測定法による測定値（ＡＢＳ）の間の関係、並びにＶＤＩ ２４６５、シート１に従って測定したフィルタの黒色炭素負荷量について相関関係分析を行った結果を表１に示す。

上記以外の産業上の利用可能性としては、環境ネットワークにおいて排気ガス中の黒色炭素質量濃度を継続的に監視する場合、燃焼工程（自動車エンジン、航空機エンジン、燃焼システム等）における黒色炭素排出量の測定、工場建物、トラック積載ランプ、埠頭等の作業場における監視、工場建物、トンネル等における換気の監視などを挙げることができる。

単波長用測定ヘッドの形態をとる本発明装置の縦断面図。 測定アセンブリを大幅に簡略化して示す斜視図。 ２つの半スペース内で散乱する光の角分布をエアロゾルの組成に対応させて示す図。 様々な観察角度θに関して信号比を示すグラフ。 観察角度θ＝１３０°と１００°における各検出器の信号比を拡散散乱光線の成分と対応させて示すグラフ。 フィルタの黒色炭素負荷量の測定値ＡＴＮ（透過）、ＲＥＦ（反射）およびＡＢＳ（多角度光吸収測定値）を表すグラフ。

符号の説明

１ 測定ヘッド
２ 光源（発光ダイオード）
３ 光検出器
４ 光検出器
４_１〜４_４ 光検出器
５ 光検出器
５_１〜５_４ 光検出器
９ 光検出器
６ フィルタテープ
７ 環状取付装置
７_１〜７_２ 環状取付装置
８ 捕集領域
１０ 上部ハウジング部
１１ 下部ハウジング部
１２ ダスト通路

Claims (11)

1. 大気中の黒色炭素を光学的に測定する方法であって、
   空気流からエアロゾルをフィルタテープ上に堆積させる工程と、
   前記フィルタテープのエアロゾル粒子捕集領域に光源によって１つまたは複数の波長の光を連続的に照射する工程と、
   前記光源に関してそれぞれの測定角度について最大分解能で反射光と拡散散乱光とを区分することが可能となる対称性をもつように厳密に定められた複数の角度または角度範囲で配設された複数の光検出器と、前記光源に関して透過光を検出することが可能となるように厳密に定められた角度または角度範囲で配設された光検出器とを用いて、前記フィルタを通して透過された光成分とフィルタから反射された光成分の両方を同時に測定する工程と、
   前記フィルタテープ捕集領域の光吸収性エアロゾル物質負荷量を、検出した各透過率および反射率から公知のアルゴリズムを用いて前記エアロゾル粒子負荷により生じる前記捕集領域の光学的性質の変化に基づいて連続的に決定する工程と
   を含む方法。
2. 前記透過光成分と反射光成分とを、それぞれ０°、１２０〜１４０°、および１６５〜および１８０°の角度または角度範囲において測定した後、平均化する、請求項１に記載の方法。
3. 単一の波長のみで測定する場合、狭帯域光源を用いる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記狭帯域光源としてカラー発光ダイオードを使用する、請求項３に記載の方法。
5. 複数の波長で測定する場合、広帯域光源を用いると共に、前記個別光検出器の上流側で帯域フィルタを使用する、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記光源の光強度を連続的に測定し決定する、請求項１に記載の方法。
7. フィルタテープ（６）の上方に配設された光源（２）と、
   前記フィルタテープ（６）の下方に配設されて透過された光成分を測定する光検出器（９）と、
   前記光源（２）と前記フィルタテープ（６）との間に配設されて反射された光成分を測定する光検出器と
   を含む測定ヘッド（１）の形態をとり、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置であって、
   いずれの場合でも前記光源（２）とフィルタテープ（６）との間に配設された前記光検出器のうち少なくとも２つが環状取付装置（７_１、７_２）において前記光源（２）の光軸に関して相互に対向するように設けられており、かつ前記フィルタテープの表面に対してそれぞれ０°、１２０〜１４０°、および１６５〜１８０°に厳密に定められた角度または角度範囲に配向されており、
   前記フィルタテープの光吸収性材料負荷量を決定するためのユニット（２０、２１）が前記フィルタテープ下方の前記光検出器および前記相互に対向して配設された光検出器の下流側に配設されている装置。
8. 散乱光を低減する目的で、前記相互に対向して設けられた光検出器は異なる２つの平面に位置する２つの環状取付装置（７_１、７_２）内に収容されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記光源（２）の前記光強度を監視するために光検出器（３）が設けられている、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記測定ヘッド（１）において、前記フィルタテープ（６）のダスティングを連続的に行うと共に、粗い粒子（＞１０μｍ）も前記フィルタテープに到達できるようにダスト通路（１２）が構成されている、請求項７に記載の装置。
11. 前記ダスト通路（１２）の上流側に前記粒子の大きさを分別するための予備分別器が設けられている、請求項１０に記載の装置。

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