JP4180952B2 - Wide range particle counter - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、幅広い範囲の粒子サイズに亘ってエーロゾルの粒子分布を測定するための方法及び装置に関する。詳しくは、本発明は、エーロゾルと称されているガス中に浮遊した粒子の測定に関する。最もありふれた運搬ガスは空気であるが、これ以外のガス、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン、ＣＯ₂や他のガス等も粒子浮遊の媒体であり得る。粒子は、固体、液体又はそれらの混合物であり得る。
【０００２】
【従来技術】
周囲の大気中には、粒子は、直径にして約２ナノメートル（ｎｍ）から５０，０００ｎｍを超えるサイズ範囲に亘って存在し得る。１０ｎｍ乃至１０，０００ｎｍまでの範囲の粒子が、健康及び安全性の見地から最も重要である。現在のところ、この範囲に亘って粒子を測定することができる単一装置は存在していない。本明細書に記載された幅広い範囲の粒子カウンター（ＷＰＣ）は、これを可能にする。
【０００３】
今のところ市販されている粒子カウンターは、作動範囲のサイズが限定されており、エーロゾルを適切に分析するためには、幾つかの異なる粒子カウンターが必要とされる。
【０００４】
エーロゾルは、自然環境及び人工環境の両方で発生する。それらは、科学的研究及び技術的応用において重要である。大気中のエーロゾル粒子は、光を散乱することができ、大気の可視性に影響を及ぼすことができる。浮遊粒子は、吸い込まれたとき、肺内に堆積し、人間の健康に影響を及ぼす可能性がある。粒子源を制御することができるように、或いは該源を制御することができない場合には事前の予備措置を取ることができるように、エーロゾル粒子を測定することがしばしば必要となる。
【０００５】
エーロゾルは、科学的及び技術的応用のために故意に発生されることがある。実験的な研究では、例えば、制御されたサイズ分布を備えたエーロゾルが、フィルター及び他の粒子コレクターをテストしてそれらの効率を決定するために必要とされる。医療用途では、薬品混合物は、病気治療のため肺に分配するべくエーロゾル形態で度々発生される。このとき粒子サイズ分布が重要となる。該粒子サイズは、吸引された粒子が堆積するであろう肺の特定領域を決定し、吸引されたドラッグの効果及び有効性を決定するからである。この明細書の全ての場合において、浮遊粒子を含むガスを、エーロゾルと称し、粒子の化学的性質、ガスの化学的性質、及び、それらの各々の物理的状態に関しては限定を加えない。
【０００６】
現在、最も普及して使用されるエーロゾル測定器具の一つは、米国特許番号２，７３２，７５３（Ｏ’コンスキー）で最初に記載されている光学粒子カウンター（ＯＰＣ）である。ＯＰＣでは、エーロゾルは、光学的散乱を引き起こすため光のビームを通過させられる。次に、各粒子から散乱された光信号は、検出され、粒子サイズに関連付けられる。ＯＰＣは、直径にして約１００ｎｍの、より低いサイズ制限までの粒子を検出することができる。このとき、幾つかの特殊なＯＰＣは、直径にして６０ｎｍ程度即ち特徴的寸法の粒子を検出するように設計された。
【０００７】
別の粒子測定器具は、凝結核カウンター（ＣＮＣ）であり、これは、凝結粒子カウンターとも称される。最も普及して使用されているＣＮＣは、米国特許番号４，７９０，６５０号に基づくＣＮＣである。このＣＮＣでは、エーロゾルは、最初に上昇した温度で作用流体の蒸気で飽和される。典型的な作用流体は、ブチルアルコールであり、典型的な飽和器の温度は、３５℃である。次に、ガスを冷却し、蒸気を粒子上に凝結させて液滴を形成するため、蒸気付着エーロゾルが、典型的に５℃に維持された凝結器を通過する。液滴は、従来のＯＰＣと同様に、光学的散乱によりカウントされる。ＣＮＣは、ＯＰＣのより低いサイズ制限より更に小さい粒子を検出することができる。蒸気凝結により形成された液滴は、粒子それ自体よりもかなり大きく、かくして、それらを光散乱により検出することがより容易となるからである。
【０００８】
ＣＮＣは、粒子をカウントすることができるだけであり、粒子サイズを測定することができないので、サイズ及び粒子カウント数の両方を決定するためには、ＣＮＣは、例えば移動度分析器等のサイズ分析装置と組み合わせられなければならない。差動移動度分析器（ＤＭＡ；differential mobility analyzer）が、通常、サイズ決定のため使用される。サイズ分類のＤＭＡ法は、単一荷電粒子即ち単一電子の電荷単位を担う粒子の電気的移動度に基づいている。リウ及びピュイ（１９７４度）、並びに、ナトソン及びフィトビー（１９７５年度）は、この用途のためのＤＭＡの開発者であった。このＤＭＡ法を説明している刊行物は、１９７４年４月に、コロイド及び界面化学ジャーナルの第４７巻、第１号において、ベンジャミンＹ．Ｈ．リウ、ディビッドＹ．Ｈ．ピュイにより記載された、「サブミクロンのエーロゾル基準、及び、凝結核カウンターの主要絶対校正」、並びに、１９７５年度の「エーロゾル科学ジャーナル」の４４３〜４５１頁に、Ｗ．Ｏ．ナットソン及びＫ．Ｔ．フィッツビーにより記載された「電気的移動度によるエーロゾル分類：装置、理論及び応用」である。
【０００９】
ＤＭＡにおける最近の改善点は、チェンらにより１９９９年度発行されたエーロゾル科学ジャーナル第３０巻、第８番の９８３〜９９９頁に掲載された、ダ−レンチェン、ディビッドＹ．Ｈ．ピュイ、ジョージ Ｗ．ムルホランド及びマルコ フェルナンデスによる「ＤＭＡを用いた高解像測定のためのエーロゾル／シース入口の設計及びテスト」という記事（１９９５年）に記載されている。粒子直径にして５０ｎｍより小さい粒子測定のためのナノＤＭＡの開発は、米国特許番号６，２３０，５７２号Ｂ１においてピュイらにより開示されている。これらの最近の開発は、ＤＭＡ装置の精度及び範囲を更に改善した。
【００１０】
サイズの分類のＤＭＡ法は、単一荷電粒子の電気的移動度が粒子サイズに逆壮観されているという事実に依拠している。単一荷電粒子を含む、あるサイズに亘る多分散系エーロゾルは、電場中でサイズに従って分類することができ、狭い範囲の電気的移動度内で、ほとんど単一分散系のエーロゾルを発生することができる。このようにして発生されたエーロゾルは、ほぼ同じサイズの粒子を含んでいる。ＤＭＡは、一般に、直径にして約５００ｎｍより小さい粒子に限定される。
【００１１】
全てのエーロゾル測定器具は、それに固有のサイズ制限を確実に持っている。ＤＭＡの場合には、その制限は、大きな粒子の低い電気的移動度に起因している。粒子サイズが増加するとき、電気的移動度により粒子を分類するため必要とされる電圧も増大する。差動移動度分析で使用される通常の流量では、１０，０００ボルト程度の電圧が、５００ｎｍの直径で粒子を分類するために必要とされ得る。この理由のために、移動度分析は、約５００ｎｍの上限サイズを超えて使用されることはめったにない。
【００１２】
他方では、ＯＰＣは、それが、減少する粒子サイズと共に一般に減少する粒子からの散乱光信号に起因して、該光信号を満足に検出することができる粒子サイズに限定される。約１００ｎｍ以下では、散乱される光信号は、所謂レイリー散乱領域に移行し始める。この領域では、信号は、粒子サイズの６乗で略変動する。かくして、粒子サイズで２の減少因子は、散乱された光信号において６４倍の減少をもたらす。１００ｎｍより小さい小粒子を検出することは、光源として高出力レーザー、高い開口数を備えた光学系、及び、感度の高い光検出器を使用したときでさえ、益々難しくなる。光粒子カウンターは、直径にして６０ｎｍ程度の粒子を検出するため設計されたが、必要とされる設備は、一般に大きく高価である。この理由のため、高感度光学粒子カウンターは広く普及していない。
【００１３】
原理的には、光学粒子カウンターを、６０ｎｍより小さい粒子を検出するため更に改善することができる。更に進歩した場合、より小さい粒子でさえ検出可能となり得る。しかし、光学粒子カウント技術における進歩は、当該技術を、幅広いサイズ範囲に亘るエーロゾル測定のためには、より有用とはさせなかった。光学粒子カウンターの設計者は、幅広い範囲の粒子カウント、及び、幅広いサイズ範囲に亘って粒子を測定するため満足されなければならない特殊な要求に関連した問題を認識してこなかった。その要求を、次の例を用いて説明する。
【００１４】
周囲の大気では、エーロゾルサイズ分布は、一般にユングの法則に従う。この法則は、一定サイズより大きいエーロゾル粒子の濃度は、粒子サイズの３乗に逆比例することを規定している。５０ｎｍより大きい大気粒子濃度が、例えばｃｃ当たり３０，０００粒子である場合、５００ｎｍより大きい粒子の濃度は、１，０００より低い因子となり、即ちｃｃ当たり３０粒子のオーダーとなる。５，０００ｎｍより大きい粒子に対しては、その濃度は、１００万倍低下し、即ち、ｃｃ当たり０．０３粒子のオーダーとなる。
【００１５】
大気中の大きな粒子の鋭く下降した濃度は、たとえ幅広いサイズ範囲、例えば直径にして５０ｎｍから１０，０００ｎｍに亘って粒子を検出することのできる単一検出器が開発されたとしても、該検出器は、特定のサンプル流量で作動されたとき、小さな粒子範囲で非常に高い粒子カウント率、大きな粒子範囲で非常に低いカウント率を生じさせるであろうことを示している。
【００１６】
例えば、毎分１リットル（ｌｐｍ）即ち毎分１，０００ｃｃのサンプル流量では、毎分当たりに、５０ｎｍから５００ｎｍの直径範囲で３０，０００，０００個の粒子を生じさせることになり、これらをカウントする必要がでてくる。そのようなカウント率は、一般に、非常に高過ぎて、現在の光学カウンター技術のカウント率限界を超えることになるであろう。他方では、検出器によりサンプリングされているとき、５，０００ｎｍより大きい範囲の粒子に対しては、毎分３０カウントのみしか与えないであろう。そのような粒子カウント数は、通常、統計的な精度といった目的に対して非常に低過ぎる。
【００１７】
より合理的な率で、５０ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲にある大気中の細かい粒子をカウントするためには、検出器の流量は、各分に、３，０００，０００個の粒子のみをカウントするだけで済むように、例えば、０．１（ｌｐｍ）にまで減少させることができる。そのようなサンプリングの流量では、検出器は、５，０００ｎｍより大きい範囲の粒子を毎分３個しかカウントしないことになり、かくして、大きな粒子のカウントの統計的精度を悪化させる。他方、大きな粒子に対する統計的カウント精度を改善するため、５，０００ｎｍより大きい範囲の粒子を毎分３００個カウントすることができるように、サンプリングの流量を例えば１０（ｌｐｍ）まで増大させた場合、５０ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲で３００，０００，０００個の粒子をカウントすることが必要となり、かくして、細かい粒子のためのカウンターのカウント率要求を悪化させる。
【００１８】
この例は、何故、ＯＰＣが幅広いサイズ範囲に亘ってエーロゾルを測定することができないか、及び、何故、従来のＯＰＣそれ自身が、エーロゾルで関心のある全粒子サイズ範囲に亘って精度良くそのような測定することが本質的にできないかを示している。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、幅広いサイズ範囲、典型的には直径にして１０ｎｍ乃至１０，０００ｎｍ、より広くは２ｎｍ乃至５０，０００ｎｍに亘ってエーロゾル粒子を検出し測定するため適切な流量を形成して、多数のセンサーを使用する、共通のシャシ又は単一のプラットフォーム上に構築された単一の測定装置である。１０ｎｍ乃至１０，０００ｎｍの粒子サイズを測定する装置区分は、ワイドレンジの粒子カウンター（ＷＰＣ）と称され、２ｎｍ乃至５０，０００ｎｍの範囲の装置区分は、ウルトラワイドレンジ粒子カウンター（ＵＷＰＣ）と称される。これらの装置は、現在利用可能な装置編成を用いては可能とはならない測定を実行することを可能にする。
【００２０】
本明細書で説明されたＷＰＣは、幅広い粒子サイズ範囲を網羅する単一装置を形成するため電気的移動度分析と光学的検出とを組み合わせた、多数のセンサー又は検出器の新規な組み合わせに基づいている。各センサーは、粒子測定範囲、エーロゾル流量、サンプリングライン中の粒子損失の減少、光学的及び電気的設計の観点で最適化される。
【００２１】
本発明の測定装置は、設計上単一であるが、それでもなお幅広いサイズ範囲に亘って自動的な測定を実行することができる。
下限は、好ましくは、２ｎｍ乃至２０ｎｍであり、上限は、５，０００ｎｍ乃至５０，０００ｎｍの間の任意箇所であり得る。
【００２２】
本装置は、信頼度の高い装置作動、測定精度及び使用の容易さを確保するように作動パラメータを制御するための制御手段を備えている。
センサー、流量計、ポンプ及び他の構成部品の数は、ＷＰＣのような複雑な装置を、簡単化し、リーズナブルなコストで製造することができるように最小化されている。
【００２３】
その結果として作られた、本明細書で説明される装置は、約１５．９Ｋｇ（３５（ｌｂｓ））より少ない重量であると推定され、当該装置を小型化し、使用に便利にする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１では、典型的なワイドレンジ粒子カウンター１０が示されている。図１及び図２で示された構成要素は、該構成要素を収容するシャシ又はプラットフォーム１１上に設けられている。シャシ又はプラットフォームは、該構成要素のための支持構造を形成している。後述されるコントローラは、制御又は機能ボタン１１Ａからのオペレータの入力を受け取ることができる。ディスプレイスクリーン１１Ｂは、コントローラを形成する内部プロセッサ又はコンピュータからのメッセージ又は読み出しデータを表示するため設けられている。
【００２５】
入口ノズル又は入口管１１Ｃも示されており、これは内部ライン及びカウンターへと導かれる。
図１Ａは、第１の好ましい実施形態に係るワイドレンジの粒子カウンター１０の概略図である。粒子カウンター１０は、図１に示されたシャシ又はハウジング１１上に設けられている。これは、２つの光散乱粒子センサー１２及び１４と、差動移動度分析器１６と、飽和器１８と、凝結器２０と、イオン化器２２と、これらと連係された、ポンプ２４、２６、２８、流量計３０、３２及び３３と、粒子フィルター３４と、を備えている。飽和器１８と、凝結器２０と、光散乱粒子カウンター１４とは、破線により示されたように、サブアッセンブリとして作ることができる。
【００２６】
第１の粒子センサー１２は、一定のサイズ、典型的には直径にして３００ｎｍより大きい粗大粒子を検出するための、光散乱粒子カウンター（ＬＰＣ）である。エーロゾルは、ポンプ即ち流れ発生器２４によって、入口管１１Ｃからライン３８を通って、及び、ＬＰＣ１２を通って、流量にして毎分Ｑ₁リットル（ｌｐｍ）で引き込まれる。このエーロゾルの流量を測定するため、該エーロゾルの空気流れは、流量計３０も通過する。流量を指し示す、流量計３０からの出力信号は、光散乱粒子カウンター１２を通して一定の流量Ｑ₁を維持するべくポンプ２４の速度を変えるためコントローラ４０と連係されて使用される。
【００２７】
これと同時に、第２の空気流量Ｑ₂がライン３８内への分岐によりライン４２に形成され、その結果、同じエーロゾル源が両方の支流に形成される。ライン４２内の流れは、本発明の方法により、典型的には直径にして３００ｎｍの一定制限サイズ以下の粒子を検出するため粒子を運搬する。この流れは、ポンプ２６により確立される。流れＱ₂は、イオン化器２２を通って流れ、ライン４２は、差動移動度分析器（ＤＭＡ）１６に接続される。ＤＭＡ１６からの出力ラインは、飽和器１８、凝結器２０、及び、光散乱液滴カウンター（ＬＤＣ）として使用される光散乱粒子センサー１４に接続される。流量計３２の出力は、Ｑ₂を所望の値に維持するようにポンプ２６の速度を変更するため電子コントローラ４０と連係されて使用される。電子コントローラ４０は、電源、信号及びデータ処理可能出力及び制御電子装置を有する全体システム３９の一部分であってもよい。システム３９は、シャシ上に取り付けられる。
【００２８】
ＤＭＡ１６のシースフロー出口に接続された第３のポンプ２８は、ＤＭＡのため必要とされるクリーンシースガスフローを提供するためＤＭＡへと至るライン５０において定常的な空気流量Ｑ₃を維持する。流れセンサーと、このフローを一定値に維持するため必要とされるコントローラとは、簡潔さ及び明瞭さを図るため図示されていない。シースフローは、高電圧電極５３を取り囲む環状スペース４９から引き込まれる。流量Ｑ₃のフロー内の望ましくない微粒子汚染物質を、該フローがシースフロー入口チャンバー５１内のＤＭＡ１６内に戻って導入される前に除去するためライン５０内で高効率の粒子フィルター３４が使用される。ＤＭＡを通過した後、シースフローＱ₃は、流れが流れループを完成させるためポンプ２８の入口に行く前に、流量計３３を通過する。流量計３３から出力された流量信号は、一定のシースフローＱ₃を維持するようにポンプ２８の速度を変更するため、電子コントローラ４０と連係して使用される。
【００２９】
粗大粒子検出器又はカウンター１２のためのライン３８における流量Ｑ₁は、一般に、細かい粒子検出器又はＤＭＡ１６のための流量Ｑ₂より高くなければならない。大気測定のためには、１０対１のＱ₁／Ｑ₂の流量比が、合理的且つ完全に達成可能である。他の用途に対して、２対１又は１対１でさえの流量比で十分であり得る。
【００３０】
大気サイズ分布のユングの法則に起因して、１対１より小さい流量比、即ちＱ₁＜Ｑ₂の場合、本明細書で記載された多重センサーアプローチを使用したエーロゾルサイズ分布分析にとってはあまり有用ではないであろう。図１に示された好ましい実施形態では、流量率のための典型的な値は、Ｑ₁＝３（ｌｐｍ）、Ｑ₂＝０．３（ｌｐｍ）である。ＤＭＡ１６のための典型的なクリーンシースフローの流量は、典型的且つ好ましくは、Ｑ₃＝３（ｌｐｍ）である。
【００３１】
細かい粒子検出器及び粗大粒子検出器のいずれによっても正確に測定される粒子サイズの中間範囲が存在する。この中間サイズ範囲は、９０ｎｍから６００ｎｍであり得る。それにより、２００ｎｍの公称下限を有する粗大粒子検出器に対しては、該粗大検出器は、この中間範囲内で作動していることになる。３００ｎｍの上限を有する細かい粒子検出器も、この中間範囲内で作動している。
【００３２】
図１Ａの実施形態に加えて、他の実施形態も使用可能である。図２は、１０ｎｍから１０，０００ｎｍの粒子直径範囲に亘るエーロゾル測定のために図１に示されるようにシャシ１１上に取り付けられている。この実施形態では、２つの光散乱粒子カウンター６０及び６２は、各々、１，０００ｎｍ乃至１０，０００ｎｍの直径範囲、及び、１００ｎｍ乃至１，０００ｎｍの直径範囲を網羅するため使用される。光散乱液滴カウンター６４として示されているＣＮＣから構成された細かい粒子カウンターは、ＤＭＡ６６からライン７８を通った流れを受け取る。この流れは、ライン７２で直列に接続された、飽和器６８及び凝結器７０を通過する。細かい粒子カウンター６４は、１０ｎｍ乃至１００ｎｍの直径範囲を網羅するため使用される。再び、細かい粒子カウンター及び粗大粒子カウンター両方の２つのカウンターアッセンブリが、中間サイズ範囲で重複している。
【００３３】
システム５９への導入フローは、ライン７６を通って、源７７から光散乱粒子カウンター６０の入口へと流量Ｑ₁を運搬する。ライン７６を、図１の入口管１１Ｃに連結することができる。その出力部分は、流量計８０を介してライン７８に接続され、更にポンプ８２の入口側に接続されている。流量計８０からの流量信号は、コントローラ８４に提供され、この信号は、適切な流量Ｑ₁がライン７６で確立されるように、ポンプ８２を制御するため使用される。ポンプ８２は、ライン７６の入口から離れたところで大気へと戻る流れを吐出する。コントローラ８４は、必要とされる機能を制御するためコンピュータに基づいて全体的な制御システム８５の一部分となり得る。
【００３４】
ライン８６は、ライン７６に接続され、カウンター６０に提供される流量Ｑ₁より低い流量Ｑ₂を担う粒子を運搬する。流量Ｑ₂が、第２の光散乱粒子カウンター６２に提供される。光散乱カウンター６２からの出力流れは、ポンプ９０の入口に流量計８８を介して接続されている。流量計８８も、コントローラ８４に流量信号を提供するため接続され、該コントローラは、ライン８６で適切な流量Ｑ₂を確立するためポンプ９０を調整する。ポンプ９０の出力は、入口ライン７６から離れたところで再び大気に吐出される。
【００３５】
ライン９４は、光散乱粒子カウンター６２の入力側のライン８５に接続され、イオン化器９６を介して差動移動度分析器６６に流量Ｑ₃を運搬する。流量Ｑ₃は、カウンター６４の出力側にあるポンプ９８により確立される。該ポンプは、ライン７２、カウンター６４からの出力ライン１００、及び、流量計１０２を介して、ポンプ９８に流量Ｑ₃を運搬する。凝結器７０は、飽和器６８Ａにより発生された蒸気を、粒子核上に凝結させ、光散乱カウンター６４によりカウントされる液滴を形成する。
【００３６】
流量計１０２は、ライン７２及び９４を通る流れの所望のレベルを提供するようにポンプ９８を制御するためコントローラ８４に信号を提供する。ポンプ９８からの流れは、大気中に吐出される。
【００３７】
図２では、３つの別々のポンプ８２、９０及び９８が示され、ガス流量Ｑ₁、Ｑ₂及びＱ₃をそれらの夫々の定数値に維持するため、個々の流れセンサー及びコントローラが使用される。一定ガス流量を維持する別の方法は、単一の真空ポンプにより維持されている共通の真空源に接続されている臨界オリフィスを使用することである。大気圧からガスをサンプリングするとき当該真空が大気の約１／２の圧力であるとき、当該流れは、閉塞されるようになり、一定値に達する。適切なオリフィスサイズを選択することによって、当該流量Ｑ₁、Ｑ₂及びＱ₃を、別々のセンサー及び可変速度ポンプ無しに、一定値に維持することができる。
【００３８】
差動移動度分析器のため必要とされるシースフローは、ライン１０４に沿って提供され、流量Ｑ₄で表される。シースフローは、ＤＭＡのチャンバー１０３に入り、環状シースフロー通路１０７を通して差し向けられ、中央高電圧電極１０５の回りを流れ下りる。
【００３９】
流れライン１０４は、差動移動度分析器のシースフロー環状通路１０７から流量計１１０を通して導かれる入力ライン１０８を有するポンプ１０６の出力側から来ている。高効率フィルター１１２は、流量Ｑ₄の流れが非常にクリーンな状態に維持されるように、ポンプ１０６の出力側のライン１０４に設けられている。流量計１１０も、適切な流量を確立するようにポンプ１０６を制御するためコントローラ８４に信号を提供する。
【００４０】
３つのセンサーの組み合わせ５９のための夫々の粒子運搬流量は、Ｑ₁、Ｑ₂及びＱ₃で表され、これらの流れは、Ｑ₁＞Ｑ₂＞Ｑ₃という関係を有する。本発明のこの特別の実施形態は、サイズ範囲全体に亘って統計的カウント精度を更に改善するという利点を有する。これと同時に、図２に示された実施形態の構成は、ＤＭＡ６６により分類されなければならない粒子のサイズ範囲を減少させ、後述されるように、ＤＭＡの中央電極１０５のための要求される高電圧、並びに、ＤＭＡ６６の物理的寸法及び重量の更なる減少をもたらす。
【００４１】
図２と同じ概略図に組み立てられた粒子カウンターの更に別の実施形態では、２つの光散乱粒子カウンター６０及び６２を、５，０００ｎｍ乃至５０，０００ｎｍの直径範囲、及び、５００ｎｍ乃至５，０００ｎｍの直径範囲の粒子を測定するため使用することができる。そして、細かい粒子のためのＤＭＡ−ＣＮＣの組み合わせを、１０ｎｍ乃至５００ｎｍの直径範囲にある粒子を測定するため使用することができる。修正された超ワイドレンジの粒子カウンター（ＵＷＰＣ）のサイズ範囲は、１０ｎｍ乃至５０，０００ｎｍとなり、かくして、図２の特定例で示されたワイドレンジ粒子カウンターのサイズ範囲よりもっと広くすることさえできる。超ワイドレンジの図２の粒子カウンターの代替形態に関する可能となる流量は、Ｑ₁＝毎分３０リットル（ｌｐｍ）、Ｑ₂＝３（ｌｐｍ）、及び、Ｑ₃＝０．３（ｌｐｍ）である。シースフローＱ₄は、図２の特定形態におけるものと事実上同じままである。
【００４２】
上記に加えて、他の粗大粒子及び細かい粒子センサーを、エーロゾル測定に適用されるときの個々のセンサーの基本的な制限を克服するように、組み合わせて使用することができる。このエーロゾル測定は、幾つかの場合には、ほとんど５０倍、即ち、粒子サイズの直径が２ｎｍ乃至１００ｎｍのスパンに亘っており、濃度にして１０倍以上、即ちｃｃ当たり０，００１粒子より少ない状態からｃｃ当たり１０⁷を超える状態までのスパンに亘っている。本明細書で説明されたような粒子カウントセンサーを有する単一測定アッセンブリは、そのような測定を可能にする。
【００４３】
組み合わせで使用されるセンサーの型式及び数を始めとする当該組み合わせを、本発明の基本的原理及びアプローチから実質的に逸脱すること無しに異なる目的及び／又は異なる用途のためにワイドレンジ粒子カウント技術の目的を達成するため、他に変更することができることがことは、粒子カウント技術の分野における当業者には明らかである。
【００４４】
ワイドレンジ粒子カウンターで使用することができる、特定の光学粒子カウンターに関して、図３、図４及び図５は、２つの可能な設計を示している。図３では、当該光学センサーは、図１Ａでは１４、及び、図２では６４で示されているもの等のＣＮＣのための光散乱液滴カウンター（ＬＤＣ）として使用される。ＬＤＣは、光源として、前方散乱光学系及びソリッドステートダイオードレーザー１２０を使用している。レーザー１２０は、ハウジング１２４の壁に取り付けられている、集光レンズ１２２を通して、コリメート光のほとんど平行なビームを投影するため、適切な投影レンズ（図示せず）を有する。レンズ１２２は、１２６で表されたレーザービームを、エーロゾルの入口ノズル１２８とエーロゾルの出口管１３０との軸線１２５上で合焦させる、シリンドリカルレンズである。ビーム１２６は、軸線１２５におけるその合焦点を通過した後に広がり、不透明な光吸収表面部分１３４を有するレンズ１３２に投影される。この不透明な光吸収表面部分１３４は、レーザービームを吸収し、かくして、レンズの中心におけるビーム停止部分として機能する。
【００４５】
エーロゾルは、ノズル１２８を通ってＬＤＣハウジング１２４内に通過される。ノズルは、その先端に向かって小さくなるようにテーパーが形成されており、エーロゾルがノズル先端に到達したとき、流れ断面積は、エーロゾルが高速度まで加速されるように、ラインの主要部分に亘って非常に小さくされている。この高速度エーロゾルは、検出されるべき粒子を含んだガスであり、合焦されたレーザービーム１２６を横断して通過し、出口管１３０を通って光散乱粒子カウンターハウジング１２４から流れ出る。各粒子が領域１２７で合焦されたレーザービームを通過するとき、該粒子は全ての方向に光を散乱する。集光レンズ１３２は、散乱された光を、フォトダイオード検出器１３６上にレンズ１３２により張られた該散乱光の角度範囲内に集束する。単一レンズ１３２が散乱光のための集光レンズとして示されているが、１より多いレンズ、即ち多数の要素レンズを、性能を改善するため集光手段として使用してもよい。
【００４６】
図４及び図５では、９０°の散乱光学系を使用した光学粒子センサー１５０が示されている。光学粒子センサー１５０は、散乱された光信号を検出することにより粒子のサイズを測定するため、図１Ａ及び図２において１２、６０及び６２で示されたもの等の光散乱粒子カウンターとして使用される。センサー１５０のハウジング１５２には、ダイオードレーザー１５８により生成されたビームの軸線に沿ってハウジング内のレーザービーム１５６を合焦させる、シリンドリカルレンズ１５４が取り付けられている。集光レンズ１６０は、ハウジング１５２の側壁に設けられたカラー又は管内に取り付けられており、レーザービーム合焦点１６４を横断して通過する粒子から散乱された光を収集する。エーロゾルは、それがレーザービーム１５６の合焦領域又は合焦点１６４を横断して通過する際には、該エーロゾルを狭い流れに狭める入口ノズル１６２を通してハウジング１５２内に運搬される。ガスの流れは、管１６６を通って流出する。入口ノズル１６２及び管１６６の共通軸は、集光レンズ１６０の軸に９０°をなしている。
【００４７】
粒子から散乱された光は、該粒子が合焦されたレーザービームを通過したときレーザービームから略９０°の方向に光信号を提供する。これらの散乱された光の信号は、集光レンズ１６０により集光され、フォトダイオード検出器１６８により検出される。ハウジングの遠い方の端部壁にある円錐空洞部１６９が、レーザー光ビーム１５６を受け取るため開放しており、レーザー光を吸収するための光トラップとして機能する。各粒子が、レーザービーム１５６の合焦領域１６４を横切るとき、粒子から散乱された光信号は、フォトダイオード検出器１６８により検出される。なお、レンズ１６０は、レーザービームの合焦点を通過した粒子から散乱した光がフォトダイオード検出器１６８の検出表面に到達するべく差し向けられるように合焦されている。
【００４８】
図３に示された前方散乱光学系、並びに、図４及び図５の９０°散乱光学センサーの両方を備えた光学粒子センサーを、粒子から散乱された光を検出するため使用することができる。しかし、粒子のサイズ調整のために、レーザービームの光軸からの前方方向の一定の狭い角度内に散乱された光、換言すればレーザービームと略同じ方向に進行するか又はレーザービームの進行方向から小さい角度しか逸れていない散乱光を排除する光散乱光学系を使用することが一般には好ましい。
【００４９】
前方方向に散乱された光信号の集光を最大にする前方散乱光学系を備えた光散乱粒子センサーは、より感度が高いが、粒子サイズの単価関数ではない散乱信号を引き起こす。ミー散乱として知られたこの現象は、測定された粒子サイズに曖昧さを引き起こしかねない。この理由のために、９０°散乱光学系を備えた光散乱粒子センサー（図４及び図５）、又は、例えば３０°、４５°、６０°等の有限角度に配置された集光レンズの光軸を備えた光散乱粒子センサーが好ましい。集光光学系が光ビームの前方方向近傍に散乱された光信号を排除するように設計されている場合には、レンズの代わりにミラーを使用した光散乱粒子センサーも使用することができる。
【００５０】
図１Ａに示す、ポンプ２６により確立された流量Ｑ₂の空気流れは、イオン化器２２、ＤＭＡ１６、飽和器１８、凝結器２２及び光散乱液滴カウンター１４を通過する。イオン化器２２は、通常、例えば放射性クリプトン８５又はポロニウム２１０等の小さな低レベルの放射性源を含んでいる。イオン化源から放出された、α線、β線又はγ線が、空気（ガス）分子をイオン化させる。次に、イオン化ガス分子は、低レベルの電荷を粒子上に現れさせるため、エーロゾル粒子と衝突する。
【００５１】
荷電粒子が、ボルツマン平衡と称される、イオンとの電荷平衡の状態に達したとき、荷電粒子は、ガス中で総計した粒子（電荷を帯びた粒子及び電荷を帯びていない粒子）とある一定の関係を持っている。ボルツマン平衡では、特定サイズを持ち且つ例えば単一電荷を担う粒子は、ガス中の当該サイズを持つ粒子の合計数に対して固定した比率を占める。この比率は、理論から知られているので、当該サイズの単一荷電粒子を測定することによって、ガス中で当該サイズを持つ粒子の総数を決定することができる。
【００５２】
電気的移動度によるエーロゾル分類のための差動移動度分析器には、様々な設計が存在している。ＤＭＡの作動の基本原理が周知されている。ＤＭＡのための好ましい設計の概略図が、図６の１８０において示されている。図６に示されたＤＭＡは、図１Ａ及び図２におけるＤＭＡの１６及び６６の好ましい形態であることが理解されるべきである。この設計では、電極を形成している、中央金属シリンダー１８２は、外側管状主要シリンダー１８４と、その入れ子になったより短い外側シリンダー１８６と同心である。内側及び外側シリンダー１８２、１８４及び１８６は、内側シリンダー１８２と外側シリンダー１８４及び１８６との間に環状スペース２００において径方向の電場を確立するため選択された、夫々異なる電位が形成されている。内側金属電極シリンダー１８２は、高電圧Ｖ₁に保持され、それが入れ子にされている外側シリンダー１８４及び１８６は設置されている。外側シリンダー１８４及び１８６は、同じ内径を持ち、これにより、それらの内側表面は、均一な内側直径の単一シリンダー表面を形成している。内側シリンダー１８２は、上側絶縁支持部１８１及び下側絶縁支持部１８３に支持されている。かくして、中央高電圧電極は、外側金属シリンダーから絶縁されている。
【００５３】
ボルツマン電荷平衡で粒子を運搬する多分散系エーロゾル源１８８は、ＤＭＡ１８０の頂部でエーロゾル入口１９０内へと導入される。エーロゾル入口は、シースフロー入口から分離されている。この多分散系エーロゾルは、外側シリンダー１８４及び１８６の端部壁の間の通路を形成する、水平ギャップスペース１９２内で径方向外側に流れる。次に、エーロゾルは、短い外側シリンダー１８６と、主要外側シリンダー１８４の上側部分と、の間で短い上側環状スペース１９４を通過し、シリンダー１８６の下側端部と、主要外側シリンダー１８４の内部に形成された肩部１９８との間のギャップ即ちスペース１９６を通って現れる。エーロゾルは、シリンダー１８４の内側表面２０２と、内側高電圧電極シリンダー１８２の外側表面２０４との間の環状スペース２００へと流れ込む。径方向の電場は、表面２０２及び２０４の間で確立され、移動度分類のため使用される。
【００５４】
前述されたように、移動度分類のため必要とされるクリーンなシースガスの流れは、源２０６から主要外側シリンダー１８４の頂部壁２１０内のクリーンシースフロー入口管２０８を通ってＤＭＡ内へと導入される。管２０８は、チャンバー１９２を横切ってシースガスフローを運搬する。シースガスフローは、環状スペース２００の断面領域に亘って均等に流れを分配する、細かいメッシュスクリーン２１２を通過し、スクリーン２１２の下方で層流を確立する。この層状のシースガスフローがスリット１９６を通って現れる多分散系エーロゾルフローと合流するとき、当該フローは、単一層流流れを形成するため結合し、高電圧中央電極シリンダー１８２と、接地されたシリンダー１８４及び１８６との間の環状スペース２００を流れ下りる。
【００５５】
環状スペース２００内のフローの一部分は、中央電極１８２内のスリット即ち通路２２０を通って出ることができる。この通路２２０は、絶縁支持部１８２を通して開放されて粒子カウンターへと導く、中央電極内の出口ボア２２２に接続されている。加えて、支持部１８３のフランジ２２６内に幾つかの間隔を隔てた出口孔２２４が存在する。フランジ２２６は、孔２２４を除いて環状通路２００を遮蔽するように機能する。次に、フローは、絶縁支持部１８３により形成された端部壁２３０内の開口２２８から出る。
【００５６】
内側シリンダー１８２の高電圧の極性とは反対の電気極性を有する電荷を備えた、多分散系の源１８８からの粒子は、シリンダーに吸引される。中央電極が正の極性を備えている場合、内側高電圧電極シリンダー１８２の外側表面２０４に吸引される荷電粒子は、負に帯電されている。源１８８からの荷電粒子がシリンダー表面２０２及び２０４の間のスペース２００内の層流を横切って移動し、通過するとき、これらの粒子は、分類され、即ち、電気的移動度に従って分離される。高い電気的移動度を備えた小さい粒子は、より大きい粒子より迅速に層状シースフローを通って移動し、小さい粒子は、出口スリット２２０の上方でシリンダー１８２の外側表面２０４上に堆積される。より低い移動度を備え、より低い速度で移動する、選択されたサイズより大きい粒子は、シリンダー１９８の外側表面２０４には到達しない。これらのより大きい粒子（設計のカットオフサイズより大きい）は、下側絶縁支持部１８３のフランジ２２６内のフロー分布孔２２４を通ってフロー充満室２２７へ過剰なフローの状態で運搬され、開口２２８を通して排出される。
【００５７】
出口スリット２２０を通って引き込まれる、小さいエーロゾルガスフローが存在する。このフローは、流れ発生手段、図１Ａ及び図２に示されたように、各々、ポンプ２６及び９８により発生される。電気的移動度の狭い範囲内の、かくして狭いサイズ範囲内にある粒子は、スリット２２０の付近に偏向され、発生された小さい空気フローにより単一分散系エーロゾルとして出口通路２２２へと運搬される。
【００５８】
エーロゾルのサイズ分布分析のために、内側電極１８２上の高電圧は、電圧コントローラ２３４を用いて一連の電圧値を通して調整される。各高電圧のセッティングにおいて、出口における単一分散系の粒子は、図１Ａ及び図２に示されたように、飽和器、凝結器及び光散乱液滴カウンターを備える、ＣＮＣによりカウントされる。次に、エーロゾルのサイズ分布を与えるため、その結果を分析することができる。
【００５９】
ＣＮＣ内の飽和器１８及び６８等の飽和器は、作用流体、通常は液体形態にあるブチルアルコールで飽和された多孔性材料から作られており、源２４０から取られるものとして示されている（図１Ａ及び図２の両方）。多孔性材料は、ヒーター２４２を用いて典型的には３５度の適切な高温度に維持される。図１及び図２の通路１８Ａ及び６８Ａ等の多孔性材料内の通路は、該通路を通過するエーロゾルが、通過時に作用流体の蒸気で加熱され、飽和されることを可能にする。
【００６０】
凝結器２０及び７０は、クーラー２４４を用いて典型的には５℃の低温度に維持された個体金属ブロック内の１つ以上のフロー通路から構成されている。加熱され蒸気を帯びたエーロゾルが凝結器２０又は７０を通過するとき、ガスは冷却し、蒸気又はガスを過飽和状態にする。過飽和蒸気は、エーロゾル内の粒子上で凝結し、液滴を形成し、夫々の光散乱液滴カウンター１１４及び６４により検出される。形成された液滴は、粒子より大きく、より容易にカウントされる。
【００６１】
ＷＰＣを使用したワイドレンジの粒子分析の目的は、その全体的な粒子サイズ範囲のほとんどに亘ってエーロゾルを特徴付けることであるので、サイズ分布分析のためのＷＰＣにより、引き込まれたサンプルは、分析されるべき大気の代表的サンプルであることが重要である。大気のエーロゾル測定のため、同じ共通の入口を通してエーロゾルサンプルの総合したフローを引き込み、この合計フローを、図１Ａに示された夫々の粗大粒子及び細かい粒子の検出器によりサイズ分布分析のため、２つのサブ部分、Ｑ₁及びＱ₂に分割することが通常は好ましい。分析されるべき大気が、均一に分布された空気で運搬される粒子を備えた部屋の内部空間である場合、２つの別々の粒子カウンターによる分析のため別々のサンプリング入口を通してサンプルフローＱ₁及びＱ₂を引き込んでも差し支えない。大気は、部屋全体で略均一であるからである。
【００６２】
粗大粒子の検出のため図１ＡのサンプルフローＱ₁は、分析用に直径にして１０，０００ｎｍまでの粗大粒子を運搬するので、サンプリング入口と、粗大粒子カウンター内の粒子検出領域との間のフロー通路を比較的短くすることが好ましい。加えて、フローの方向が変化したとき起こり得る粒子慣性に起因したサンプリングライン内の粒子堆積を回避するため、サンプルフローがフロー方向にほとんど変化を受けないように、例えばライン３８等のフロー通路を比較的直線に設計することが重要である。
【００６３】
他方では、２００ｎｍの典型的な上限粒子サイズで、細かい粒子検出器による検出のため、粒子を運搬する空気フローＱ₂に関しては、サンプリング及び輸送の間における粒子損失に対する懸念がより少ない。Ｑ₂のためのサンプリングライン４２を比較的長くすることができ、１つ、２つ、又は、それ以上の９０°の曲がり部分を含むことができる。好ましい実施形態を示す、図１の概略流れ図は、これを如何に達成することができるかを示している。粗大粒子フローＱ₁は、フロー方向への実質的な変化無しに、ライン３８に沿って直接、粗大粒子検出器に流入することが示されている。これに対し、細かい粒子フローＱ₂は、ライン４２で入口からサンプリングされ、ＤＭＡ１６を始めとする細かい粒子検出器の入口に入る前に２回の９０°の曲がりを経験する。
【００６４】
本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者ならば、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、これに対する変更を慣例的に詳細になし得ることを認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、シャシ又はハウジングを示すワイドレンジの粒子カウンター器具を現す概略図である。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態の概略図である。
【図２】図２は、異なるセンサー構成を使用した、本発明の第２の実施形態の概略図である。
【図３】図３は、本発明の粒子カウンターで使用される光散乱液滴カウンターの一態様の断面図である。
【図４】図４は、レーザービームに対して９０°をなす集光アダプターを使用する、本発明で使用される光学粒子センサーの断面図である。
【図５】図５は、図４のライン５−５に沿って取られた、図４の光学粒子カウンターの頂部断面図である。
【図６】図６は、本発明で使用される差動移動度分析器の断面図である。
【符号の説明】
１０ ワイドレンジ粒子カウンター
１１ シャシ又はプラットフォーム
１１Ａ 制御又は機能ボタン
１１Ｂ ディスプレイスクリーン
１１Ｃ 入口ノズル又は入口管
１２、１４ 光散乱粒子センサー
１６ 差動移動度分析器
１８、１８Ａ 飽和器
２０ 凝結器
２２ イオン化器
２４、２６、２８ ポンプ
３０、３２、３３ 流量計
３４ 粒子フィルター
３８ ライン
３９ 電源、信号及びデータ処理可能出力及び制御電子装置を有する全体システム
４０ コントローラ
４２ ライン
４９ 環状スペース
５０ ライン
５１ シースフロー入口チャンバー
５３ 高電圧電極
５９ システム
６０、６２ 光散乱粒子カウンター
６４ 光散乱液滴カウンター
６６ ＤＭＡ
６８、６８Ａ 飽和器
７０ 凝結器
７２ ライン
７６ ライン
７７ エーロゾル源
７８ ライン
８０ 流量計
８２ ポンプ
８４ コントローラ
８５ 全体的制御システム
８６ ライン
８８ 流量計
９０ ポンプ
９４ ライン
９６ イオン化器
９８ ポンプ
１００ 出力ライン
１０２ 流量計
１０３ チャンバー
１０４ ライン
１０５ 中央高電圧電極
１０６ ポンプ
１０７ 環状シースフロー通路
１０８ 入力ライン
１１０ 流量計
１１２ 高効率フィルター
１１４ 光散乱液滴カウンター
１２０ ソリッドステートダイオードレーザー
１２２ 集光レンズ
１２４ ハウジング
１２５ 軸線
１２６ レーザービーム
１２７ 領域
１２８ エーロゾルの入口ノズル
１３０ エーロゾルの出口管
１３２ 集光レンズ
１３４ 不透明な光吸収表面部分
１３６ フォトダイオード検出器
１５０ 光学粒子センサー
１５２ ハウジング
１５４ シリンドリカルレンズ
１５６ レーザービーム
１５８ ダイオードレーザー
１６０ 集光レンズ
１６２ 入口ノズル
１６４ レーザービーム合焦点
１６６ 管
１６８ フォトダイオード検出器
１６９ 円錐空洞部
１８０ ＤＭＡ
１８１ 上側絶縁支持部
１８２ 中央金属シリンダー
１８３ 下側絶縁支持部
１８４ 外側管状主要シリンダー
１８６ 外側シリンダー
１８８ 多分散系エーロゾル源
１９０ エーロゾル入口
１９２ 水平ギャップスペース
１９４ 上側環状スペース
１９６ ギャップ／スリット
１９８ 肩部
２００ 環状スペース
２０２ 内側表面
２０４ 外側表面
２０６ クリーンシースフロー源
２０８ クリーンシースフロー入口管
２１０ 頂部壁
２１２ メッシュスクリーン
２２０ 通路／出口スリット
２２２ ボア／出口通路
２２４ 出口孔
２２６ フランジ
２２７ フロー充満室
２２８ 開口
２３０ 端部壁
２３４ 電圧コントローラ
２４０ 液体源
２４２ ヒーター
２４４ クーラー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for measuring aerosol particle distribution over a wide range of particle sizes. Specifically, the present invention relates to the measurement of particles suspended in a gas called an aerosol. The most common carrier gas is air, but other gases such as nitrogen, helium, argon, CO ₂ And other gases and the like can also be particle floating media. The particles can be solids, liquids or mixtures thereof.
[0002]
[Prior art]
In the surrounding atmosphere, particles can exist over a size range of about 2 nanometers (nm) to over 50,000 nm in diameter. Particles ranging from 10 nm to 10,000 nm are most important from a health and safety standpoint. At present, there is no single device that can measure particles over this range. The wide range of particle counters (WPCs) described herein allow this.
[0003]
Currently available particle counters have a limited operating range size and several different particle counters are required to properly analyze the aerosol.
[0004]
Aerosols occur in both natural and artificial environments. They are important in scientific research and technical applications. Aerosol particles in the atmosphere can scatter light and can affect the visibility of the atmosphere. Airborne particles, when inhaled, can accumulate in the lungs and affect human health. It is often necessary to measure aerosol particles so that the particle source can be controlled, or if a preliminary precaution can be taken if the source cannot be controlled.
[0005]
Aerosols may be deliberately generated for scientific and technical applications. In experimental studies, for example, aerosols with a controlled size distribution are required to test filters and other particle collectors to determine their efficiency. In medical applications, drug mixtures are often generated in aerosol form for distribution to the lungs for disease treatment. At this time, the particle size distribution is important. This is because the particle size determines the specific area of the lung where the aspirated particles will accumulate and determines the effectiveness and effectiveness of the aspirated drug. In all cases of this specification, the gas containing suspended particles is referred to as an aerosol and is not limited with respect to particle chemistry, gas chemistry, and their respective physical states.
[0006]
Currently, one of the most widely used aerosol measuring instruments is the optical particle counter (OPC) first described in US Pat. No. 2,732,753 (O ′ Consky). In OPC, the aerosol is allowed to pass a beam of light to cause optical scattering. The light signal scattered from each particle is then detected and correlated to the particle size. OPC can detect particles up to a lower size limit of about 100 nm in diameter. At this time, some special OPCs were designed to detect particles having a diameter of about 60 nm, that is, a characteristic size.
[0007]
Another particle measuring instrument is a condensation nucleus counter (CNC), also referred to as a condensation particle counter. The most widely used CNC is the CNC based on US Pat. No. 4,790,650. In this CNC, the aerosol is saturated with the working fluid vapor at the first elevated temperature. A typical working fluid is butyl alcohol and a typical saturator temperature is 35 ° C. The vapor deposition aerosol is then passed through a condenser, typically maintained at 5 ° C., to cool the gas and condense the vapor onto the particles to form droplets. Droplets are counted by optical scattering, similar to conventional OPC. The CNC can detect particles that are even smaller than the lower size limit of OPC. This is because the droplets formed by vapor condensation are much larger than the particles themselves, thus making them easier to detect by light scattering.
[0008]
Since the CNC can only count particles and not measure the particle size, in order to determine both the size and the particle count, the CNC is a size analyzer such as a mobility analyzer. Must be combined with. A differential mobility analyzer (DMA) is typically used for sizing. The size classification DMA method is based on the electrical mobility of a single charged particle, ie a particle carrying a single electron charge unit. Riu and Puy (1974 degrees) and Natson and Phytoby (1975) were the developers of DMA for this application. A publication describing this DMA method was published in April 1974 in Vol. 47, No. 1 of the Colloid and Surface Chemistry Journal, Benjamin Y. H. Liu, David Y. H. As described by Puy, “Sub-micron aerosol standards and major absolute calibration of condensation nucleus counters”, and pages 443-451 of the 1975 “Aerosol Science Journal” O. Natson and K. T. T. "Aerosol classification by electrical mobility: apparatus, theory and application" described by Fitzby.
[0009]
Recent improvements in DMA are described in Darren Chen, David Y., et al., Published in 1999, Journal of Aerosol Science, Vol. 30, No. 8, pages 983-999. H. Puy, George W. Mulholland and Marco Fernandez, “Aerosol / Sheath Inlet Design and Test for High-Resolution Measurements Using DMA” (1995). The development of nano DMA for measuring particles smaller than 50 nm in particle diameter is disclosed by Puy et al. In US Pat. No. 6,230,572 B1. These recent developments have further improved the accuracy and range of DMA devices.
[0010]
The size classification DMA method relies on the fact that the electrical mobility of a single charged particle is inversely speculated in particle size. Polydisperse aerosols over a certain size, including single charged particles, can be classified according to size in an electric field, generating almost monodisperse aerosols within a narrow range of electrical mobility. it can. The aerosol generated in this way contains particles of approximately the same size. DMA is generally limited to particles smaller than about 500 nm in diameter.
[0011]
Every aerosol measuring instrument has certain size limitations inherent to it. In the case of DMA, the limitation is due to the low electrical mobility of large particles. As the particle size increases, the voltage required to sort the particles by electrical mobility also increases. At normal flow rates used in differential mobility analysis, voltages on the order of 10,000 volts may be required to classify particles with a diameter of 500 nm. For this reason, mobility analysis is rarely used beyond an upper size limit of about 500 nm.
[0012]
On the other hand, OPC is limited to particle sizes that can satisfactorily detect the light signal due to the scattered light signal from the particles generally decreasing with decreasing particle size. Below about 100 nm, the scattered optical signal begins to move into the so-called Rayleigh scattering region. In this region, the signal varies substantially with the sixth power of the particle size. Thus, a reduction factor of 2 in particle size results in a 64-fold reduction in the scattered light signal. It is becoming increasingly difficult to detect small particles smaller than 100 nm, even when using high power lasers, optical systems with high numerical apertures, and sensitive photodetectors as light sources. Light particle counters are designed to detect particles as small as 60 nm in diameter, but the equipment required is generally large and expensive. For this reason, high sensitivity optical particle counters are not widely used.
[0013]
In principle, the optical particle counter can be further improved to detect particles smaller than 60 nm. As further progressed, even smaller particles may be detectable. However, advances in optical particle counting technology have not made it more useful for aerosol measurements over a wide size range. Optical particle counter designers have not recognized the problems associated with a wide range of particle counts and the special requirements that must be met to measure particles over a wide range of sizes. The request will be described using the following example.
[0014]
In the surrounding atmosphere, the aerosol size distribution generally follows Jung's law. This law provides that the concentration of aerosol particles larger than a certain size is inversely proportional to the cube of the particle size. If the atmospheric particle concentration greater than 50 nm is, for example, 30,000 particles per cc, the concentration of particles greater than 500 nm will be a factor lower than 1,000, i.e. on the order of 30 particles per cc. For particles larger than 5,000 nm, the concentration drops a million times, ie, on the order of 0.03 particles per cc.
[0015]
Even if a single detector capable of detecting particles over a wide size range, e.g. 50 nm to 10,000 nm in diameter, has been developed, the sharply falling concentration of large particles in the atmosphere Indicates that when operated at a particular sample flow rate, it will produce very high particle count rates in the small particle range and very low count rates in the large particle range.
[0016]
For example, a sample flow rate of 1 liter per minute (lpm) or 1,000 cc per minute will produce 30,000,000 particles per minute in the diameter range of 50 nm to 500 nm, and count these Need to do. Such count rates will generally be too high and will exceed the count rate limits of current optical counter technology. On the other hand, it will only give 30 counts per minute for particles in the range greater than 5,000 nm when sampled by the detector. Such particle counts are usually too low for purposes such as statistical accuracy.
[0017]
In order to count fine particles in the air in the range of 50 nm to 500 nm at a more reasonable rate, the detector flow rate should only count 3,000,000 particles each minute. For example, it can be decreased to 0.1 (lpm). At such sampling flow rates, the detector will only count 3 particles per minute in the range greater than 5,000 nm, thus degrading the statistical accuracy of large particle counts. On the other hand, to improve the statistical counting accuracy for large particles, if the sampling flow rate is increased to, for example, 10 (lpm) so that 300 particles in a range larger than 5,000 nm can be counted per minute, It is necessary to count 300,000,000 particles in the range of 50 nm to 500 nm, thus aggravating the counter count rate requirement for fine particles.
[0018]
This example shows why OPC is unable to measure aerosols over a wide size range, and why conventional OPC itself does so accurately over the entire particle size range of interest in aerosols. It shows that it is essentially impossible to measure.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention creates a suitable flow rate to detect and measure aerosol particles over a wide size range, typically 10 nm to 10,000 nm in diameter, more broadly 2 nm to 50,000 nm, A single measuring device built on a common chassis or a single platform using sensors. The instrument category that measures particle sizes from 10 nm to 10,000 nm is referred to as a wide range particle counter (WPC), and the instrument category in the range from 2 nm to 50,000 nm is referred to as an ultra wide range particle counter (UWPC). The These devices make it possible to perform measurements that are not possible using currently available device configurations.
[0020]
The WPC described herein is based on a novel combination of multiple sensors or detectors that combine electrical mobility analysis and optical detection to form a single device that covers a wide range of particle sizes. ing. Each sensor is optimized in terms of particle measurement range, aerosol flow rate, particle loss reduction in the sampling line, optical and electrical design.
[0021]
The measuring device of the present invention is single in design, but can still perform automatic measurements over a wide size range.
The lower limit is preferably 2 nm to 20 nm, and the upper limit can be any location between 5,000 nm and 50,000 nm.
[0022]
The apparatus comprises control means for controlling operating parameters so as to ensure highly reliable apparatus operation, measurement accuracy and ease of use.
The number of sensors, flow meters, pumps, and other components are minimized so that complex devices such as WPC can be manufactured in a simplified and reasonable cost.
[0023]
The resulting device described herein is estimated to weigh less than about 15.9 Kg (35 (lbs)), miniaturizing the device and making it convenient to use.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In FIG. 1, a typical wide range particle counter 10 is shown. The components shown in FIGS. 1 and 2 are provided on a chassis or platform 11 that houses the components. The chassis or platform forms a support structure for the component. The controller described below can receive operator input from the control or function button 11A. The display screen 11B is provided to display a message or read data from an internal processor or a computer forming a controller.
[0025]
An inlet nozzle or inlet tube 11C is also shown, which leads to internal lines and counters.
FIG. 1A is a schematic diagram of a wide range particle counter 10 according to a first preferred embodiment. The particle counter 10 is provided on the chassis or housing 11 shown in FIG. This includes two light scattering particle sensors 12 and 14, a differential mobility analyzer 16, a saturator 18, a condenser 20, an ionizer 22, and pumps 24, 26, 28 associated therewith. , Flow meters 30, 32 and 33, and a particle filter 34. The saturator 18, the condenser 20, and the light scattering particle counter 14 can be made as a subassembly, as indicated by the dashed lines.
[0026]
The first particle sensor 12 is a light scattering particle counter (LPC) for detecting coarse particles of a certain size, typically more than 300 nm in diameter. The aerosol is flowed by the pump or flow generator 24 from the inlet tube 11C through line 38 and through the LPC 12 at a flow rate of Q / min. ₁ It is drawn in liters (lpm). In order to measure the flow rate of the aerosol, the air flow of the aerosol also passes through the flow meter 30. The output signal from the flow meter 30 indicating the flow rate is a constant flow rate Q through the light scattering particle counter 12. ₁ Is used in conjunction with the controller 40 to change the speed of the pump 24 to maintain
[0027]
At the same time, the second air flow rate Q ₂ Is formed in line 42 by branching into line 38, so that the same aerosol source is formed in both tributaries. The flow in line 42 carries particles according to the method of the invention to detect particles that are typically less than a certain limited size of 300 nm in diameter. This flow is established by the pump 26. Flow Q ₂ Flows through the ionizer 22 and the line 42 is connected to a differential mobility analyzer (DMA) 16. The output line from the DMA 16 is connected to a saturator 18, a condenser 20, and a light scattering particle sensor 14 used as a light scattering droplet counter (LDC). The output of the flow meter 32 is Q ₂ Is used in conjunction with the electronic controller 40 to change the speed of the pump 26 to maintain the desired value. The electronic controller 40 may be part of an overall system 39 having power, signal and data processable outputs and control electronics. System 39 is mounted on the chassis.
[0028]
A third pump 28 connected to the sheath flow outlet of the DMA 16 provides a steady air flow Q in line 50 to the DMA to provide the clean sheath gas flow required for the DMA. _Three To maintain. The flow sensor and the controller required to maintain this flow at a constant value are not shown for simplicity and clarity. The sheath flow is drawn from an annular space 49 that surrounds the high voltage electrode 53. Flow rate Q _Three A high efficiency particle filter 34 is used in line 50 to remove unwanted particulate contaminants in the flow before the flow is introduced back into the DMA 16 in the sheath flow inlet chamber 51. After passing through DMA, sheath flow Q _Three Passes through the flow meter 33 before going to the inlet of the pump 28 to complete the flow loop. The flow signal output from the flow meter 33 is a constant sheath flow Q. _Three Is used in conjunction with the electronic controller 40 to change the speed of the pump 28 to maintain
[0029]
The flow rate Q in line 38 for the coarse particle detector or counter 12 ₁ Generally, the flow rate Q for a fine particle detector or DMA 16 ₂ Must be higher. 10: 1 Q for atmospheric measurements ₁ / Q ₂ Is reasonably and completely achievable. For other applications, a flow ratio of 2: 1 or even 1: 1 may be sufficient.
[0030]
Due to Jung's law of atmospheric size distribution, the flow ratio is less than 1: 1, ie Q ₁ <Q ₂ Would be less useful for aerosol size distribution analysis using the multiple sensor approach described herein. In the preferred embodiment shown in FIG. 1, a typical value for the flow rate is Q ₁ = 3 (lpm), Q ₂ = 0.3 (lpm). The typical clean sheath flow rate for DMA 16 is typically and preferably Q _Three = 3 (lpm).
[0031]
There is an intermediate range of particle sizes that can be accurately measured by both fine and coarse particle detectors. This intermediate size range can be from 90 nm to 600 nm. Thereby, for a coarse particle detector having a nominal lower limit of 200 nm, the coarse detector will be operating within this intermediate range. Fine particle detectors with an upper limit of 300 nm are also operating within this intermediate range.
[0032]
In addition to the embodiment of FIG. 1A, other embodiments can be used. FIG. 2 is mounted on the chassis 11 as shown in FIG. 1 for aerosol measurements over a particle diameter range of 10 nm to 10,000 nm. In this embodiment, two light scattering particle counters 60 and 62 are used to cover a diameter range of 1,000 nm to 10,000 nm and a diameter range of 100 nm to 1,000 nm, respectively. A fine particle counter composed of CNC, shown as a light scattering droplet counter 64, receives the flow through line 78 from the DMA 66. This flow passes through saturator 68 and condenser 70 connected in series on line 72. A fine particle counter 64 is used to cover a diameter range of 10 nm to 100 nm. Again, the two counter assemblies, both the fine particle counter and the coarse particle counter, overlap in the intermediate size range.
[0033]
The flow of introduction to the system 59 flows through the line 76 from the source 77 to the entrance of the light scattering particle counter 60 at the flow rate Q. ₁ Transport. Line 76 may be connected to inlet tube 11C of FIG. The output portion is connected to the line 78 via the flow meter 80 and further connected to the inlet side of the pump 82. A flow signal from the flow meter 80 is provided to the controller 84, which provides the appropriate flow Q. ₁ Is used to control pump 82 such that is established at line 76. The pump 82 discharges the flow returning to the atmosphere away from the inlet of the line 76. The controller 84 can be part of the overall control system 85 based on a computer to control the required functions.
[0034]
Line 86 is connected to line 76 and provides a flow rate Q provided to counter 60. ₁ Lower flow rate Q ₂ Carrying the particles responsible for. Flow rate Q ₂ Is provided to the second light scattering particle counter 62. The output flow from the light scattering counter 62 is connected to the inlet of the pump 90 via a flow meter 88. A flow meter 88 is also connected to provide a flow signal to the controller 84, which connects the appropriate flow rate Q on line 86. ₂ The pump 90 is adjusted to establish The output of the pump 90 is discharged again to the atmosphere away from the inlet line 76.
[0035]
The line 94 is connected to the line 85 on the input side of the light scattering particle counter 62, and the flow rate Q is supplied to the differential mobility analyzer 66 through the ionizer 96. _Three Transport. Flow rate Q _Three Is established by a pump 98 on the output side of the counter 64. The pump supplies the flow rate Q to the pump 98 via the line 72, the output line 100 from the counter 64, and the flow meter 102. _Three Transport. The condenser 70 condenses the vapor generated by the saturator 68 </ b> A onto the particle nucleus to form droplets counted by the light scattering counter 64.
[0036]
The flow meter 102 provides a signal to the controller 84 to control the pump 98 to provide the desired level of flow through lines 72 and 94. The flow from the pump 98 is discharged into the atmosphere.
[0037]
In FIG. 2, three separate pumps 82, 90 and 98 are shown and the gas flow rate Q is shown. ₁ , Q ₂ And Q _Three To maintain their respective constant values, individual flow sensors and controllers are used. Another way to maintain a constant gas flow is to use a critical orifice connected to a common vacuum source maintained by a single vacuum pump. When the gas is sampled from atmospheric pressure, when the vacuum is about half the pressure of the atmosphere, the flow becomes blocked and reaches a certain value. By selecting the appropriate orifice size, the flow rate Q ₁ , Q ₂ And Q _Three Can be maintained at a constant value without a separate sensor and variable speed pump.
[0038]
The sheath flow required for the differential mobility analyzer is provided along line 104 and the flow rate Q _Four It is represented by The sheath flow enters the DMA chamber 103 and is directed through the annular sheath flow passage 107 and flows down around the central high voltage electrode 105.
[0039]
The flow line 104 comes from the output side of the pump 106 having an input line 108 that is routed through the flow meter 110 from the differential flow analyzer sheath flow annular passage 107. The high efficiency filter 112 has a flow rate Q _Four Is provided in the line 104 on the output side of the pump 106 so that the flow is maintained in a very clean state. The flow meter 110 also provides a signal to the controller 84 to control the pump 106 to establish an appropriate flow rate.
[0040]
Each particle delivery flow rate for the three sensor combination 59 is Q ₁ , Q ₂ And Q _Three These flows are represented by Q ₁ > Q ₂ > Q _Three Have the relationship. This particular embodiment of the invention has the advantage of further improving the statistical counting accuracy over the entire size range. At the same time, the configuration of the embodiment shown in FIG. 2 reduces the size range of particles that must be classified by the DMA 66 and, as will be described later, the required high voltage for the central electrode 105 of the DMA. As well as a further reduction in the physical dimensions and weight of DMA66.
[0041]
In yet another embodiment of the particle counter assembled in the same schematic as in FIG. 2, the two light scattering particle counters 60 and 62 are arranged in a diameter range of 5,000 nm to 50,000 nm and 500 nm to 5,000 nm. Can be used to measure particles in the diameter range. The DMA-CNC combination for fine particles can then be used to measure particles in the 10 nm to 500 nm diameter range. The modified ultra-wide range particle counter (UWPC) size range is between 10 nm and 50,000 nm, and can thus be even wider than the size range of the wide range particle counter shown in the particular example of FIG. The possible flow rate for an alternative to the ultra-wide range particle counter of FIG. ₁ = 30 liters per minute (lpm), Q ₂ = 3 (lpm) and Q _Three = 0.3 (lpm). Sheath flow Q _Four Remains virtually the same as in the particular form of FIG.
[0042]
In addition to the above, other coarse and fine particle sensors can be used in combination so as to overcome the fundamental limitations of individual sensors when applied to aerosol measurements. This aerosol measurement is in some cases almost 50 times, ie the particle size diameter spans a span of 2 nm to 100 nm, with a concentration greater than 10 times, ie less than 0.001 particles per cc. To 10 per cc ⁷ Spans up to a state exceeding. A single measurement assembly having a particle count sensor as described herein allows such measurement.
[0043]
Wide range particle counting technology for different purposes and / or different applications without substantial departure from the basic principles and approaches of the present invention, including the type and number of sensors used in the combination It will be apparent to those skilled in the field of particle counting technology that other modifications can be made to achieve the purpose.
[0044]
For a particular optical particle counter that can be used with a wide range particle counter, FIGS. 3, 4 and 5 show two possible designs. In FIG. 3, the optical sensor is used as a light scattering droplet counter (LDC) for a CNC such as that shown in FIG. 1A at 14 and in FIG. 2 at 64. The LDC uses a forward scattering optical system and a solid state diode laser 120 as a light source. The laser 120 has a suitable projection lens (not shown) for projecting an almost parallel beam of collimated light through a condenser lens 122 attached to the wall of the housing 124. The lens 122 is a cylindrical lens that focuses the laser beam represented by 126 on the axis 125 of the aerosol inlet nozzle 128 and the aerosol outlet tube 130. The beam 126 spreads after passing through its focal point in the axis 125 and is projected onto a lens 132 having an opaque light absorbing surface portion 134. This opaque light absorbing surface portion 134 absorbs the laser beam and thus functions as a beam stop at the center of the lens.
[0045]
The aerosol is passed through the nozzle 128 and into the LDC housing 124. The nozzle is tapered toward its tip, and when the aerosol reaches the nozzle tip, the flow cross-sectional area spans the main part of the line so that the aerosol is accelerated to high speed. Have been very small. This high velocity aerosol is a gas containing particles to be detected, passes across the focused laser beam 126 and flows out of the light scattering particle counter housing 124 through an outlet tube 130. As each particle passes through the focused laser beam at region 127, the particle scatters light in all directions. The condenser lens 132 focuses the scattered light within the angular range of the scattered light stretched by the lens 132 on the photodiode detector 136. Although a single lens 132 is shown as a condensing lens for scattered light, more than one lens, i.e. multiple element lenses, may be used as a condensing means to improve performance.
[0046]
4 and 5, an optical particle sensor 150 using a 90 ° scattering optical system is shown. The optical particle sensor 150 is used as a light scattering particle counter, such as that shown at 12, 60 and 62 in FIGS. 1A and 2, to measure the size of the particles by detecting the scattered light signal. . A cylindrical lens 154 is mounted on the housing 152 of the sensor 150 to focus the laser beam 156 in the housing along the axis of the beam generated by the diode laser 158. The condenser lens 160 is mounted in a collar or tube provided on the side wall of the housing 152 and collects light scattered from particles passing across the laser beam focal point 164. The aerosol is conveyed into the housing 152 through an inlet nozzle 162 that narrows the aerosol into a narrow stream as it passes across the focal region or focal point 164 of the laser beam 156. The gas flow exits through tube 166. The common axis of the inlet nozzle 162 and the tube 166 forms 90 ° with the axis of the condenser lens 160.
[0047]
The light scattered from the particles provides an optical signal in a direction approximately 90 ° from the laser beam when the particle passes through the focused laser beam. These scattered light signals are collected by a condenser lens 160 and detected by a photodiode detector 168. A conical cavity 169 in the far end wall of the housing is open to receive the laser light beam 156 and functions as an optical trap for absorbing the laser light. As each particle traverses the in-focus region 164 of the laser beam 156, the light signal scattered from the particle is detected by a photodiode detector 168. The lens 160 is focused so that light scattered from particles that have passed through the focal point of the laser beam is directed to reach the detection surface of the photodiode detector 168.
[0048]
An optical particle sensor with both the forward scattering optics shown in FIG. 3 and the 90 ° scattering optical sensor of FIGS. 4 and 5 can be used to detect light scattered from the particles. However, in order to adjust the size of the particles, the light scattered within a certain narrow angle in the forward direction from the optical axis of the laser beam, in other words, it travels in approximately the same direction as the laser beam or the traveling direction of the laser beam It is generally preferred to use a light scattering optical system that eliminates scattered light that deviates only a small angle from
[0049]
Light scattering particle sensors with forward scattering optics that maximize the collection of light signals scattered in the forward direction are more sensitive but cause scattering signals that are not a unit cost function of particle size. This phenomenon, known as Mie scattering, can cause ambiguity in the measured particle size. For this reason, light from a light scattering particle sensor (FIGS. 4 and 5) equipped with a 90 ° scattering optical system or a condensing lens arranged at a finite angle such as 30 °, 45 °, 60 °, etc. A light scattering particle sensor with an axis is preferred. A light scattering particle sensor using a mirror instead of a lens can also be used when the condensing optical system is designed to exclude an optical signal scattered near the front direction of the light beam.
[0050]
The flow rate Q established by the pump 26 shown in FIG. 1A. ₂ The air flow passes through the ionizer 22, DMA 16, saturator 18, condenser 22 and light scattering droplet counter 14. The ionizer 22 typically includes a small, low level radioactive source, such as radioactive krypton 85 or polonium 210, for example. The α rays, β rays, or γ rays emitted from the ionization source ionize air (gas) molecules. The ionized gas molecules then collide with the aerosol particles to cause a low level of charge to appear on the particles.
[0051]
When a charged particle reaches a state of charge equilibrium with an ion, called Boltzmann equilibrium, the charged particle is a certain amount of particles (charged and uncharged particles) aggregated in the gas. Have a relationship. In Boltzmann equilibrium, particles having a particular size and carrying a single charge, for example, occupy a fixed ratio relative to the total number of particles of that size in the gas. Since this ratio is known from theory, by measuring a single charged particle of that size, the total number of particles having that size in the gas can be determined.
[0052]
Various designs exist for differential mobility analyzers for aerosol classification by electrical mobility. The basic principle of DMA operation is well known. A schematic of a preferred design for DMA is shown at 180 in FIG. It should be understood that the DMA shown in FIG. 6 is a preferred form of DMA 16 and 66 in FIGS. 1A and 2. In this design, the central metal cylinder 182 forming the electrode is concentric with the outer tubular main cylinder 184 and its shorter outer cylinder 186 nested therein. Inner and outer cylinders 182, 184 and 186 are each formed with different potentials selected to establish a radial electric field in annular space 200 between inner cylinder 182 and outer cylinders 184 and 186. The inner metal electrode cylinder 182 has a high voltage V ₁ And the outer cylinders 184 and 186 in which it is nested are installed. The outer cylinders 184 and 186 have the same inner diameter so that their inner surfaces form a single cylinder surface with a uniform inner diameter. The inner cylinder 182 is supported by the upper insulating support portion 181 and the lower insulating support portion 183. Thus, the central high voltage electrode is insulated from the outer metal cylinder.
[0053]
A polydisperse aerosol source 188 that carries particles in Boltzmann charge balance is introduced into the aerosol inlet 190 at the top of the DMA 180. The aerosol inlet is separated from the sheath flow inlet. This polydisperse aerosol flows radially outward in a horizontal gap space 192 that forms a passage between the end walls of the outer cylinders 184 and 186. The aerosol then passes through the short upper annular space 194 between the short outer cylinder 186 and the upper portion of the main outer cylinder 184 and forms in the lower end of the cylinder 186 and within the main outer cylinder 184. Appears through a gap or space 196 with the shoulder 198 made. The aerosol flows into the annular space 200 between the inner surface 202 of the cylinder 184 and the outer surface 204 of the inner high voltage electrode cylinder 182. A radial electric field is established between the surfaces 202 and 204 and is used for mobility classification.
[0054]
As previously mentioned, the clean sheath gas flow required for mobility classification is introduced from the source 206 through the clean sheath flow inlet tube 208 in the top wall 210 of the main outer cylinder 184 into the DMA. The Tube 208 carries sheath gas flow across chamber 192. The sheath gas flow passes through a fine mesh screen 212 that distributes the flow evenly across the cross-sectional area of the annular space 200 and establishes a laminar flow below the screen 212. When this laminar sheath gas flow merges with the polydisperse aerosol flow emerging through slit 196, the flow combines to form a single laminar flow, and a high voltage central electrode cylinder 182 and a grounded cylinder It flows down the annular space 200 between 184 and 186.
[0055]
A portion of the flow in the annular space 200 can exit through a slit or passage 220 in the central electrode 182. This passage 220 is connected to an outlet bore 222 in the central electrode that opens through the insulating support 182 and leads to the particle counter. In addition, there are several spaced outlet holes 224 in the flange 226 of the support 183. The flange 226 functions to shield the annular passage 200 except for the hole 224. The flow then exits from an opening 228 in the end wall 230 formed by the insulating support 183.
[0056]
Particles from a polydisperse source 188 with a charge having an electrical polarity opposite to the high voltage polarity of the inner cylinder 182 are attracted to the cylinder. When the central electrode has a positive polarity, charged particles attracted to the outer surface 204 of the inner high voltage electrode cylinder 182 are negatively charged. As charged particles from source 188 move across the laminar flow in space 200 between cylinder surfaces 202 and 204, they are classified, i.e., separated according to electrical mobility. Small particles with high electrical mobility move through the laminar sheath flow more quickly than larger particles, and the small particles are deposited on the outer surface 204 of the cylinder 182 above the exit slit 220. Particles larger than the selected size that have a lower mobility and move at a lower speed do not reach the outer surface 204 of the cylinder 198. These larger particles (larger than the design cut-off size) are conveyed in excess flow through the flow distribution holes 224 in the flange 226 of the lower insulating support 183 to the flow full chamber 227 and are open 228. Discharged through.
[0057]
There is a small aerosol gas flow drawn through the exit slit 220. This flow is generated by flow generating means, pumps 26 and 98, respectively, as shown in FIGS. 1A and 2. Particles within a narrow range of electrical mobility, and thus within a narrow size range, are deflected in the vicinity of the slit 220 and are carried to the exit passage 222 as a monodisperse aerosol by the generated small air flow.
[0058]
For aerosol size distribution analysis, the high voltage on the inner electrode 182 is adjusted through a series of voltage values using a voltage controller 234. At each high voltage setting, monodisperse particles at the outlet are counted by the CNC, as shown in FIGS. 1A and 2, with a saturator, a condenser and a light scattering droplet counter. The results can then be analyzed to give an aerosol size distribution.
[0059]
Saturators, such as saturators 18 and 68 in the CNC, are made of a porous material saturated with a working fluid, typically butyl alcohol in liquid form, and are shown taken from a source 240 ( Both FIG. 1A and FIG. The porous material is maintained at an appropriate high temperature, typically 35 degrees, using a heater 242. The passages in the porous material, such as passages 18A and 68A of FIGS. 1 and 2, allow the aerosol passing through the passages to be heated and saturated with the working fluid vapor as they pass.
[0060]
Condensers 20 and 70 are comprised of one or more flow passages in a solid metal block that is maintained at a low temperature, typically 5 ° C., using cooler 244. As the heated and vaporized aerosol passes through the condenser 20 or 70, the gas cools, causing the vapor or gas to become supersaturated. Supersaturated vapor condenses on the particles in the aerosol and forms droplets that are detected by respective light scattering droplet counters 114 and 64. The formed droplets are larger than the particles and are more easily counted.
[0061]
Since the purpose of wide-range particle analysis using WPC is to characterize the aerosol over most of its overall particle size range, the drawn samples are analyzed by WPC for size distribution analysis. It is important to be a representative sample of the atmosphere to be. For atmospheric aerosol measurements, the total flow of the aerosol sample is drawn through the same common inlet and this total flow is used for size distribution analysis by the respective coarse and fine particle detectors shown in FIG. Two subparts, Q ₁ And Q ₂ It is usually preferable to divide into two. If the atmosphere to be analyzed is the interior space of a room with uniformly distributed air-borne particles, sample flow Q through separate sampling inlets for analysis by two separate particle counters ₁ And Q ₂ Can be pulled in. This is because the atmosphere is substantially uniform throughout the room.
[0062]
Sample flow Q in FIG. 1A for detection of coarse particles ₁ Since it transports coarse particles up to 10,000 nm in diameter for analysis, it is preferred that the flow path between the sampling inlet and the particle detection region in the coarse particle counter be relatively short. In addition, in order to avoid particle build-up in the sampling line due to particle inertia that can occur when the flow direction changes, a flow path, such as line 38, is provided so that the sample flow undergoes little change in the flow direction. It is important to design a relatively straight line.
[0063]
On the other hand, air flow Q carrying particles for detection by a fine particle detector with a typical upper particle size of 200 nm. ₂ Is less concerned about particle loss during sampling and transport. Q ₂ The sampling line 42 for can be relatively long and can include one, two, or more 90 ° bends. The schematic flow diagram of FIG. 1, showing the preferred embodiment, shows how this can be achieved. Coarse particle flow Q ₁ Is shown to flow directly into the coarse particle detector along line 38 without substantial change in the flow direction. In contrast, fine particle flow Q ₂ Is sampled from the inlet at line 42 and experiences two 90 ° bends before entering the inlet of a fine particle detector such as DMA 16.
[0064]
Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that changes can be made in detail conventionally without departing from the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic representation of a wide range particle counter device showing a chassis or housing.
FIG. 1A is a schematic diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the present invention using different sensor configurations.
FIG. 3 is a cross-sectional view of one embodiment of a light scattering droplet counter used in the particle counter of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an optical particle sensor used in the present invention using a focusing adapter that makes 90 ° with the laser beam.
FIG. 5 is a top cross-sectional view of the optical particle counter of FIG. 4 taken along line 5-5 of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a differential mobility analyzer used in the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Wide range particle counter
11 Chassis or platform
11A Control or function button
11B display screen
11C Inlet nozzle or inlet pipe
12, 14 Light scattering particle sensor
16 Differential mobility analyzer
18, 18A Saturator
20 Condenser
22 Ionizer
24, 26, 28 pump
30, 32, 33 Flow meter
34 Particle filter
38 lines
39 Overall system with power supply, signal and data processable output and control electronics
40 controller
42 lines
49 Annular space
50 lines
51 Sheath flow inlet chamber
53 High voltage electrode
59 system
60, 62 Light scattering particle counter
64 Light scattering droplet counter
66 DMA
68, 68A Saturator
70 Condenser
72 lines
76 lines
77 Aerosol source
78 lines
80 Flow meter
82 pump
84 controller
85 Overall control system
86 lines
88 Flow meter
90 pump
94 lines
96 Ionizer
98 pump
100 output lines
102 Flow meter
103 chamber
104 lines
105 Central high voltage electrode
106 pump
107 Annular sheath flow passage
108 input lines
110 Flow meter
112 High efficiency filter
114 Light scattering droplet counter
120 solid state diode laser
122 condenser lens
124 housing
125 axis
126 Laser beam
127 area
128 aerosol inlet nozzle
130 Aerosol outlet tube
132 condenser lens
134 Opaque light absorbing surface area
136 Photodiode detector
150 Optical particle sensor
152 Housing
154 Cylindrical lens
156 Laser beam
158 Diode laser
160 Condensing lens
162 Inlet nozzle
164 Focus of laser beam
166 tube
168 Photodiode detector
169 Conical cavity
180 DMA
181 Upper insulation support
182 Central metal cylinder
183 Lower insulation support
184 outer tubular main cylinder
186 outer cylinder
188 Polydisperse aerosol source
190 Aerosol inlet
192 Horizontal gap space
194 Upper annular space
196 Gap / Slit
198 shoulder
200 ring space
202 inner surface
204 outer surface
206 Clean sheath flow source
208 Clean sheath flow inlet pipe
210 Top wall
212 mesh screen
220 passage / exit slit
222 Bore / Exit passage
224 outlet hole
226 flange
227 Flow filling room
228 opening
230 End wall
234 Voltage controller
240 Liquid source
242 heater
244 cooler

Claims (5)

幅広い粒子サイズ範囲に亘ってガス中の粒子を検出する装置であって、
前記幅広い粒子サイズ範囲は、上限及び下限と、該上限及び下限の間の中間粒子サイズと、を含んでおり、
前記装置は、
前記上限及び前記中間粒子サイズの間の粗大粒子範囲にある粗大粒子を検出する、粗大粒子検出器と、
前記下限及び前記中間粒子サイズの間の細かい粒子範囲にある細かい粒子を検出する、細かい粒子検出器と、
前記粗大粒子検出器及び前記細かい粒子検出器からの電気信号を処理するための信号処理手段と、
前記粗大粒子検出器により検出されるべき粒子を含む第１のガスフローと、前記細かい粒子検出器により検出されるべき粒子を含む第２のガスフローとを提供するガスフロー発生器と
前記第２のガスフローをイオン化するイオン化器と
を備え、
前記粗大粒子検出器は、前記粗大粒子検出器を通る光線を照射する光源と、粒子により散乱された散乱光を検出する検出手段と、前記散乱光を集光して前記粒子センサーに差し向ける集光手段とを備え、
前記細かい粒子検出器は、
イオン化された前記第２のガスフローを受け取り、ほぼ均一の電気的移動度を持つ粒子を有するように修正された出力流れを生成する差動移動度分析器を含む分類器と、
前記出力流れを受け取り、前記出力流体内の蒸気を前記分類器により分類された粒子上に凝結させて前記出力流れ内に液滴を形成する、凝結器と、
前記凝結器からの前記出力流れ内を受け取って、前記凝結器により形成された液滴を検出する、光学検出器と
を備え、
前記粗大粒子検出器のための第１のガスフローの容積流量は、最低でも、前記細かい粒子検出器のための第２のガスフローの容積流量程度の大きさであり、
前記粗大粒子検出器及び前記細かい粒子検出器と、前記信号処理手段とは、共通のシャシ上に取り付けられている、装置。An apparatus for detecting particles in a gas over a wide particle size range,
The broad particle size range includes an upper and lower limit and an intermediate particle size between the upper and lower limits,
The device is
A coarse particle detector for detecting coarse particles in a coarse particle range between the upper limit and the intermediate particle size;
A fine particle detector for detecting fine particles in a fine particle range between the lower limit and the intermediate particle size;
Signal processing means for processing electrical signals from the coarse particle detector and the fine particle detector;
A gas flow generator that provides a first gas flow containing particles to be detected by the coarse particle detector and a second gas flow containing particles to be detected by the fine particle detector; An ionizer that ionizes the gas flow of
The coarse particle detector includes a light source that irradiates a light beam that passes through the coarse particle detector, a detection unit that detects scattered light scattered by the particles, and a collector that collects the scattered light and directs it to the particle sensor. Light means,
The fine particle detector is
A classifier including a differential mobility analyzer that receives the ionized second gas flow and generates an output flow that is modified to have particles with substantially uniform electrical mobility;
A condenser that receives the output stream and condenses vapors in the output fluid onto particles classified by the classifier to form droplets in the output stream;
An optical detector that receives within the output stream from the condenser and detects droplets formed by the condenser;
The volumetric flow rate of the first gas flow for the coarse particle detector is at least as large as the volumetric flow rate of the second gas flow for the fine particle detector;
The coarse particle detector, the fine particle detector, and the signal processing means are mounted on a common chassis. 前記下限は、２ナノメートルから２０ナノメートルの粒子サイズ範囲にある、請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the lower limit is in the particle size range of 2 nanometers to 20 nanometers. 前記上限は、５，０００ナノメートルから５０，０００ナノメートルの間の粒子サイズ範囲にある、請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the upper limit is in a particle size range between 5,000 nanometers and 50,000 nanometers. 前記粗大粒子検出器のためのガスの容積流量は、前記細かい粒子検出器のためのガスの容積流量の少なくとも２倍である、請求項１に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the volumetric flow rate of gas for the coarse particle detector is at least twice the volumetric flow rate of gas for the fine particle detector. 前記粗大粒子検出器を通過する第１のガスフローの流量を所望値に維持するための第１のポンプと、
前記細かい粒子検出器を通過する第２のガスフローの流量を所望値に維持するための第２のポンプと、
前記細かい粒子検出器及び粗大粒子検出器を通過するガスフローの流量を検出するためのセンサーと、
前記ガスフローの流量を夫々の所望値に維持するように前記ポンプの速度を調整するための手段と、
を更に備えた、請求項１に記載の装置。A first pump for maintaining the flow rate of the first gas flow through the pre-Symbol coarse particle detector to a desired value,
A second pump for maintaining the flow rate of the second gas flow through the fine particle detector at a desired value;
A sensor for detecting the flow rate of the gas flow passing through the fine particle detector and the coarse particle detector;
Means for adjusting the speed of the pump to maintain the flow rate of the gas flow at a respective desired value;
The apparatus of claim 1 , further comprising:

Images