JP3961244B2

JP3961244B2 - 浮遊粒子状物質の測定方法および装置

Info

Publication number: JP3961244B2
Application number: JP2001229151A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎十時
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2003042932A

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吸引してフィルタに供給することによって当該フィルタに大気中の浮遊粒子状物質を付着させて捕集するとともに、その浮遊粒子状物質が付着したフィルタに対し、当該フィルタに液体を染み込ませて光学的に透明化した状態で、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、上記した本発明方法を用いて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、大気中の浮遊粒子状物質を付着させるためのフィルタと、大気を吸引してそのフィルタに供給するポンプと、大気の供給により浮遊粒子状物質が付着したフィルタに液体を染み込ませて透明化した状態で保持する保持手段と、その保持手段により保持されているフィルタに対してレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光のフィルタに付着している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、その測定された回折・散乱光の空間強度分布からフィルタに付着している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、以上の各請求項において言うポンプとは、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】
また、本発明において、浮遊粒子状物質を付着させるフィルタと、そのフィルタを光学的に透明化する液体としては、メンブレンフィルタと、そのメンブレンフィルタと略同等の屈折率を有するイマージョンオイルなどを好適に採用することができる。
【００１０】
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フィルタで捕集して付着させ、そのフィルタを液体を用いて光学的に透明化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。
【００１１】
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装置によれば、被測定粒子群を適度な濃度範囲で媒体中に分散させることによって、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。すなわち、濃度が低すぎると回折・散乱光の空間強度分布を正確に測定することができず、また、濃度が高すぎると多重散乱などを生じて正確な空間強度分布の測定ができない。
【００１２】
ここで、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。
【００１３】
そこで、本発明においては、大気をポンプによって吸引してフィルタに供給することにより、大気中に含まれている浮遊粒子状物質をそのフィルタに付着させて捕集し、その浮遊粒子状物質が付着したフィルタを、液体を用いて光学的に透明化した状態でレーザ光を照射して回折・散乱光を測定する。フィルタに付着する浮遊粒子状物質の密度を、レーザ回折・散乱光の空間強度分布の正確な測定が可能な範囲とすることによって、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。
【００１４】
また、本発明においては、大気をポンプで吸引してフィルタに供給することによって、このフィルタに大気中に含まれている浮遊粒子状物質を付着させて捕集するので、ポンプの流量とその駆動時間によってフィルタに供給した大気の量を容易に把握することができ、かつ、フィルタを適宜に選定することによって、ポンプから供給された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。
【００１５】
【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、光学的構成並びに機械的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。
【００１６】
フィルタ１は、この例においてサブミクロンの細孔径を有するメンブレンフィルタであって、基体２１とその基体２１に対して着脱自在の蓋体２２とからなるフィルタ保持部材２の内部に保持され、このフィルタ保持部材２の内部を上下に仕切っている。フィルタ保持部材２の基体２１および蓋体２２は、それぞれフィルタ１を保持する大径部２１ａ，２２ａと小径の開口部２１ｂ，２２ｂを備えた漏斗状の形状を有しており、基体２１の開口部２１ｂはポンプ（捕集用圧縮機）３の吸引口に連通しているとともに、蓋体２２の開口部２２ｂは大気に開放されて大気の流入口を形成している。
【００１７】
以上の構成において、ポンプ３を駆動すると、大気が開口部２２ｂを介してフィルタ保持部材２の内部に吸引され、フィルタ１を通過した後に開口部２１ｂを介してポンプ３の吸引口に吸引される。このとき、大気中に存在する浮遊粒子状物質Ｐは、細孔径がサブミクロンオーダーのメンブレンフィルタを用いたフィルタ１を通過する際に、ほぼその全量が付着して捕集される。
【００１８】
適宜量の浮遊粒子状物質Ｐが付着したフィルタ１は、フィルタ保持部材２から取り出されて、当該フィルタ１と同じ屈折率を持つイマージョンオイルが染み込まされ、これによってフィルタ１が透明化される。
【００１９】
浮遊粒子状物質Ｐが付着し、かつ、透明化されたフィルタ１は、例えば２枚の透明なガラス板４１ａ，４１ｂとその支持材４２からなるフィルタ保持具４０によって保持された状態で、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置５０の回折・散乱光の測定に供される。すなわち、浮遊粒子状物質Ｐが付着し、かつ、イマージョンオイルの染み込みにより透明化されたフィルタ１は、２枚のガラス板４１ａ，４１ｂの間に挟み込まれた状態で、その全体が鉛直方向に沿うように支持具４２で支持されて、水平方向からレーザ光が照射されるレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置５０の測定位置に配置される。
【００２０】
レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置５０は、フィルタ保持具４０によって鉛直方向に沿うように保持されたフィルタ１に対して水平の光軸に沿ったレーザ光を照射する照射光学系５１と、その照射光学系５１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５２と、その測定光学系５２の出力をサンプリングするデータサンプリング回路５３、およびそのデータサンプリング回路５３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、フィルタ１に付着している浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布を算出するコンピュータ５４を主体として構成されている。
【００２１】
照射光学系５１は、レーザ光源５１ａ、集光レンズ５１ｂ、空間フィルタ５１ｃ、コリメートレンズ５１ｄによって構成され、レーザ光源５１ａから出力されたレーザ光を平行光束としてフィルタ保持具４０に保持され、かつ、透明化されたフィルタ１に照射する。このフィルタ１に照射されたレーザ光は、当該透明化されたフィルタ１に付着している浮遊粒子状物質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５２によって測定される。
【００２２】
測定光学系５２は、照射光学系５１の光軸上にフィルタ１を挟んで配置された集光レンズ５２ａおよびリングディテクタ５２ｂと、その外側に配置された前方広角度散乱光センサ群５２ｃと、フィルタ１の側方および後方（照射光学系５１側）に配置された側方／後方散乱光センサ群５２ｄによって構成されている。リングディテクタ５２ｂ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５２ａ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５２により、フィルタ１に付着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。
【００２３】
以上の測定光学系５２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５３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５４に取り込まれる。
【００２４】
コンピュータ５４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Ｐの粒度分布を算出する。
【００２５】
以上の構成において、ポンプ３の単位時間当たりの流量とその駆動時間から、フィルタ１に供給した大気の総量を把握することができ、このフィルタ１に供給する空気の総量を適宜に設定することにより、フィルタ１に付着する浮遊粒子状物質Ｐの密度を、測定光学系５２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。
【００２６】
このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置５０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。
【００２７】
また、以上のように所定量の大気をフィルタ１に供給して浮遊粒子状物質Ｐを当該フィルタ１に付着させ、その付着させたフィルタ１をイマージョンオイルなどによって透明化してレーザ光を照射し、その回折・散乱光の空間強度分布を測定して粒度分布を求めてそのフィルタ１を廃棄した後、または同時に、フィルタ保持部材２に新たなフィルタ１をセットして上記と同様にそのフィルタ１に大気を供給して浮遊粒子状物質Ｐを付着させ、透明化したうえで次回の回折・散乱光の空間強度分布の測定を行う、という動作を一定時間ごとに繰り返し行えば、連続的に大気中に浮遊粒子状物質Ｐの状況を監視することができる。
【００２８】
更に、各回の測定動作においてフィルタ１に供給する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。
【００２９】
更にまた、フィルタ１の単位面積中に付着する個数が既知の標準粒子を用いてキャリブレーションを行っておけば、実際の測定時にフィルタ１に供給された大気の総量と、そのフィルタ１にレーザ光を照射して得られた回折・散乱光の空間強度分布とから、単位体積の大気に含まれる浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布と、その各粒子径の粒子の個数との関係を計算することもできる。
【００３０】
なお、フィルタ１に大気中を供給して浮遊粒子状物質Ｐを付着させるに当たって当該フィルタ１を保持するフィルタ保持部材２の構造については、以上の実施の形態で用いたものに限られることなく、吸引した大気を余すところなくフィルタ１に導くことができさえすれば、任意の構造のものを用いることができる。
【００３１】
また、以上の実施の形態においては、フィルタ１としてメンブレンフィルタを用いるとともに、そのフィルタ１を透明化するのにイマージョンオイルを用いた例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、サブミクロンオーダーから１０μｍを越える粒子を付着させることができ、また、適宜の液体により透明化することのできるフィルタであれば任意のものを用いることができる。
【００３２】
【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フィルタに供給し、そのフィルタに対して大気中に含まれている浮遊粒子状物質を付着させ、その浮遊粒子状物質が付着したフィルタを液体によって透明化した状態でレーザ光を照射することにより、フィルタに付着している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ようになった。
【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、光学的構成並びに機械的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フィルタ
２フィルタ保持部材
２１基体
２２蓋体
２１ａ，２２ａ大径部
２１ｂ，２２ｂ開口部
３ポンプ
４０フィルタ保持具
４１ａ，４１ｂガラス板
４２支持材
５０レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置
５１照射光学系
５２測定光学系
５３データサンプリング回路
５４コンピュータ
Ｐ浮遊粒子状物質

Claims

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吸引してフィルタに供給することによって当該フィルタに大気中の浮遊粒子状物質を付着させて捕集するとともに、その浮遊粒子状物質が付着したフィルタに対し、当該フィルタに液体を染み込ませて光学的に透明化した状態で、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。
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、大気中の浮遊粒子状物質を付着させるためのフィルタと、大気を吸引してそのフィルタに供給するポンプと、大気の供給により浮遊粒子状物質が付着したフィルタに液体を染み込ませて透明化した状態で保持する保持手段と、その保持手段により保持されているフィルタに対してレーザ光を照射する照射光学系と、そのレーザ光のフィルタに付着している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、その測定された回折・散乱光の空間強度分布からフィルタに付着している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。