浮遊粒子状物質の測定装置
【課題】 浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を連続的に測定することを可能にする浮遊粒子状物質の連続測定装置を提供する。
【解決手段】 連続測定装置１は、連続的に送給される捕集フィルタ４上に、浮遊粒子捕集手段２によって大気中で浮遊する粒子状物質を捕集し、捕集された浮遊粒子状物質３を容器６内へ捕集フィルタ４とともに送給し、光源９から出射されて浮遊粒子状物質３を透過した光の吸光度を検出器１１によって測定する。吸光度の検出に際しては、捕集されたままの状態にある浮遊粒子状物質３透過光の吸光度と、減圧雰囲気下で加熱された後の浮遊粒子状物質３透過光の吸光度とが、検出される。加熱前後の吸光度を用いて演算手段１２が、浮遊粒子状物質３中の元素状炭素、有機炭素および水分の定量値を算出する。
【解決手段】 連続測定装置１は、連続的に送給される捕集フィルタ４上に、浮遊粒子捕集手段２によって大気中で浮遊する粒子状物質を捕集し、捕集された浮遊粒子状物質３を容器６内へ捕集フィルタ４とともに送給し、光源９から出射されて浮遊粒子状物質３を透過した光の吸光度を検出器１１によって測定する。吸光度の検出に際しては、捕集されたままの状態にある浮遊粒子状物質３透過光の吸光度と、減圧雰囲気下で加熱された後の浮遊粒子状物質３透過光の吸光度とが、検出される。加熱前後の吸光度を用いて演算手段１２が、浮遊粒子状物質３中の元素状炭素、有機炭素および水分の定量値を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中には、燃料の燃焼過程で発生した揮発性ガスが冷却凝集して形成される超微細粒子、燃料の燃焼過程および気相化学反応で形成されるたとえば黒煙粒子などの微細粒子、自然現象で発生するたとえば海塩粒子、黄砂などの粗大粒子等種々の浮遊粒子状物質いわゆる粉塵が存在する。このような大気中の浮遊粒子状物質は、人体の鼻腔・咽頭、気管支、肺臓などに沈着し、健康に影響を及ぼすことが知られ、古くは黒い霧（スモッグ）と呼ばれた頃から環境問題として採り上げられ、大気汚染の状態を示す一つの指標として測定がなされてきた。
【０００３】
大気中の浮遊粒子状物質は、測定間隔を予め定め、定めた期間ごとにたとえば集塵フィルタを交換するなどによって、その大気中の総量が測定されてきた。近年測定技術の進展とともに、大気中に存在する浮遊粒子状物質の総量にとどまらず、浮遊粒子状物質の中でも人体の肺臓に沈着しやすく長期にわたって健康に影響を及ぼすとされる微細粒子の含有量を総量から分離して測定するとともに、連続的に測定する装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
このように浮遊粒子状物質の測定技術は長足の進歩を遂げているけれども、特許文献１に開示される技術は、あくまでも大気中におけるの浮遊粒子状物質の量の測定であり、浮遊粒子状物質中の組成に言及するものではない。たとえばディーゼルエンジン搭載車両の排気ガスを成因とする浮遊粒子状物質には、元素状炭素（Elementary Carbon：略称ＥＣ）が含まれ、このＥＣには窒素酸化物、硫黄酸化物などのような健康に有害な物質が吸着されていると考えられている。したがって、浮遊粒子状物質中のたとえばＥＣ含有量を知ることができれば、浮遊粒子状物質中ひいては大気中の有害物質の存在量を知る一つの指標足り得る。したがって、大気中の浮遊粒子状物質における組成分析を可能にすることが強く望まれている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４３３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定することを可能にする浮遊粒子状物質の測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【０００８】
また本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタを内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【０００９】
また本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【００１０】
また本発明は、検出器が、複数の波長の吸光度を検出する検出器であることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を連続的に測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質によって散乱される反射散乱光を検出する検出器と、
検出器によって検出される光強度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【００１２】
また本発明は、光源は、捕集フィルタ上の浮遊粒子上物質に向けて波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を照射することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、浮遊粒子捕集手段によって捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質に対してβ線を照射するβ線照射手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過したβ線を検出するβ線検出器とを、さらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素（ＥＣ）、有機炭素（
Particle Organic Matter：略称ＰＯＭ）および水分（Ｈ２Ｏ）を、光吸収法を用いて連続的に測定することのできる浮遊粒子状物質の測定装置が提供される。
【００１５】
また本発明によれば、大気中で浮遊する粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタを用いて、バッチ式でＥＣ、ＰＯＭ、Ｈ２Ｏを測定することができるので、種々の採取装置および採取方法で採取された浮遊粒子状物質の測定に対応することができる。
【００１６】
また本発明によれば、減圧手段および加熱手段を備えない簡略な構成の装置によって、ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの概略測定値を得ることができる。
【００１７】
また本発明によれば、検出器として、複数の波長の吸光度を検出する検出器が用いられるので、簡素な構成で、光吸収法による浮遊粒子状物質の測定装置が提供される。
【００１８】
また本発明によれば、捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質によって散乱される反射散乱光を検出する検出器が備えられるので、赤外光散乱法を用いてＥＣ、ＰＯＭ、Ｈ２Ｏを測定することができる浮遊粒子状物質の測定装置が提供される。
【００１９】
また本発明によれば、捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を照射する光源が備えられるので、高い精度で浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭ、Ｈ２Ｏを測定することができる。
【００２０】
また本発明によれば、浮遊粒子状物質に対してβ線を照射するβ線照射手段と、捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過したβ線を検出するβ線検出器とを備えるので、浮遊粒子状物質の全質量も測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の第１形態である浮遊粒子状物質の測定装置１の構成を簡略化して示す系統図である。浮遊粒子状物質の測定装置１（以後、測定装置１と略称する）は、大気中で浮遊する粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏを連続的に測定することに用いられる。
【００２２】
測定装置１は、大略、大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段２と、浮遊粒子捕集手段２による浮遊粒子状物質３の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタ４と、連続的に送給される捕集フィルタ４上に捕集された浮遊粒子状物質３をその内部空間５に収容する容器６と、容器６の内部空間５を減圧する減圧手段７と、容器６を介して容器６の内部空間５および内部空間５に収容される捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を加熱する加熱手段８と、容器６の内部空間５に収容される捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３に向けて光を照射する光源９と、光源９から出射されて捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質３を透過した光を分光する分光器１０と、分光器１０による分光を受光して吸光度を検出する検出器１１と、検出器１１によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの量を演算する演算手段１２とを含む。
【００２３】
捕集フィルタ４は、フッ素樹脂から成るフィルタであり、テープ状の形状を有し、心材に巻きまわされたコイル状態で巻戻リール２１に装着される。巻戻リール２１においてコイルの外周から巻戻された捕集フィルタ４は、予め定める距離だけ離隔した位置に設けられる巻取リール２２に噛込み巻取られる。巻取リール２２には、巻取リール２２を回転駆動させる不図示の電動機が連結され、電動機にはさらに制御電源が接続される。電動機は、制御電源からの動作指令に従って、予め定める時間間隔で、予め定める回数だけ回転するように動作する。このことによって、電動機で回転駆動される巻取リール２２が、捕集フィルタ４を予め定める時間間隔で予め定める長さだけ矢符２３方向に巻取るので、捕集フィルタ４が浮遊粒子状物質３の捕集位置へ連続的に送給される。
【００２４】
浮遊粒子捕集手段２および容器６は、捕集フィルタ４の巻戻リール２１と巻取リール２２との間に、矢符２３で示す捕集フィルタ４の巻取方向すなわち送給方向の上流側から下流側に向ってこの順序で設けられる。
【００２５】
浮遊粒子捕集手段２は、大気中に開口部２４を有して浮遊粒子状物質を含む大気を後述する分級器２６へと流過させる流路を形成するダクト２５と、ダクト２５に連接され大気中の浮遊粒子状物質をその粒子の大きさによって分級する分級器２６と、分級器２６に連接される捕集チャンバ２７と、捕集チャンバ２７に捕集管路２８によって接続されて捕集チャンバ２７内空間の大気を吸引する捕集ポンプ３０と、捕集ポンプ３０を制御して大気の流量を調整する流量制御装置２９とを含んで構成される。
【００２６】
ダクト２５は、たとえば金属製または合成樹脂製などの筒状部材であり、大気中に位置する一方の端部側に前述の開口部２４が形成され、他方の端部側が分級器２６に連接され、浮遊粒子状物質を含む大気を分級器２６へと流入させることができる。
【００２７】
本実施の形態では、分級器２６としてＰＭ２．５インパクターが用いられる。ＰＭ２．５インパクター２６は、粒径（厳密には空気力学的粒径）２．５μｍ以下の粒子のみを下流へ流過させ、粒径２．５μｍを超える粒子の流過を阻止することができる。したがって、ＰＭ２．５インパクター２６を備える本実施の形態の測定装置１は、人体の肺臓に沈着して健康に影響を及ぼすと言われている粒径２．５μｍ以下の微細粒子に含まれるＥＣ，ＰＯＭおよびＨ２Ｏを測定するように構成される。
【００２８】
ＰＭ２．５インパクター２６の大気流過方向下流側に連接される捕集チャンバ２７は、たとえば金属製の直方体形状を有する箱形部材であり、捕集フィルタ４の送給路上に配置される。捕集フィルタ４の送給路上に位置する捕集チャンバ２７の対向する一対の壁面には、フィルタ挿通孔３１ａ，３１ｂがそれぞれ形成される。巻戻リール２１から巻戻された捕集フィルタ４は、フィルタ挿通孔３１ａ，３１ｂを挿通されることによって、捕集チャンバ２７内空間を通過し、巻取リール２２に巻取られる。この捕集チャンバ２７内空間を流過する大気は、捕集フィルタ４によってフィルタリングされ、捕集チャンバ２７内空間における捕集フィルタ４によるフィルタリング位置が、浮遊粒子状物質の捕集位置である。
【００２９】
捕集ポンプ３０は、流量制御装置２９によって好ましくはその吸気量が１６．７Ｌ（リットル）／ｍｉｎ（＝１ｍ３／ｈｏｕｒ）に設定される。捕集ポンプ３０が捕集管路２８を通じて捕集チャンバ２７内の大気を吸引することによって、開口部２４から浮遊粒子状物質を含む大気がダクト２５内に吸引される。ダクト２５内に吸引された大気は、ＰＭ２．５インパクター２６によって微細粒子のみを含む大気に分別され、該大気が捕集チャンバ２７内を流過する際、捕集チャンバ２７内の捕集位置に供給された捕集フィルタ４によってフィルタリングされ、捕集フィルタ４上に浮遊粒子状物質３が捕集される。
【００３０】
容器６は、浮遊粒子捕集手段２に対して矢符２３で示す補修フィルタ４の送給方向下流側に設けられる。この容器６と浮遊粒子捕集手段２との離隔距離は、電動機で回転駆動される巻取リール２２が、捕集フィルタ４を矢符２３方向に巻取るべく予め定められる長さと等しい距離に設定される。
【００３１】
容器６は、たとえばステンレス鋼などの金属から成る箱型部材であり、捕集フィルタ４の送給路上に位置するように設けられる。捕集フィルタ４の送給路上に位置する容器６の対向する壁面には、捕集された浮遊粒子状物質３を有する捕集フィルタ４が、容器６の内部空間５へ入るフィルタ挿通孔３２ａと、内部空間５から出るフィルタ挿通孔３２ｂとが形成される。フィルタ挿通孔３２ａ，３２ｂは、簡易的な封止構造を備え、捕集された浮遊粒子状物質３ｂを有する捕集フィルタ４が通過可能であり、かつ容器６の内部空間５を気密にすることができるように構成される。
【００３２】
この容器６に減圧手段７が接続される。減圧手段７は、真空ポンプ３４と、真空ポンプ３４の動作を制御する圧力制御装置３９と、真空ポンプ３４と容器６とに接続される導管３５とによって構成される。容器６の内部空間５は、圧力制御装置３９に動作制御される真空ポンプ３４の吸引によって、１０ｔｏｒｒ以下、好ましくは約１ｔｏｒｒの減圧雰囲気にされる。
【００３３】
また容器６には、容器６および容器６を介して捕集フィルタ４と捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を加熱する加熱手段８が装着される。加熱手段８は、たとえば抵抗発熱体と、抵抗発熱体に電力を供給する不図示の電源とを含んで構成される。さらに加熱手段８は、容器６内の温度を検出する温度センサと、温度センサの検出出力に応じて前記電源を動作制御する制御器とを含むことが望ましい。加熱手段８によって、容器６内の温度は１５０℃以下の所定温度になるように加熱される。
【００３４】
容器６の上部であって捕集フィルタ４に捕集された浮遊粒子状物質３の上方には光源９が装着される。光源９としては、たとえばフィラメント型赤外連続光源などが挙げられ、少なくとも波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を出射することのできるものが選択される。この光源９の出力は光源点灯制御回路３３によって制御され、光源点灯制御回路３３は、後述のメモリ１３にストアされる動作プログラムに従う演算回路１２によって動作制御される。光源９から出射される光３６ａは、容器６上部であって光源９の直下に設けられるサファイアレンズ３７によって集光されて捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３に照射される。浮遊粒子状物質３を透過した光は、容器６の底板部に形成される開口部を封止するように装着されるサファイア窓３８を透過し、容器６と検出器１１との間に設けられる分光器１０へ入射される。
【００３５】
分光器１０は、浮遊粒子状物質３を透過して入射した光を分光して出射し、検出器１１へと入射する。検出器１１は、分光器１０によって分光された光３６ｂを受光し、その光光吸収スペクトル、すなわち波長ごとの吸光度を検出する。
【００３６】
以下に本発明の測定装置１を用いて浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏを測定するに際して、その動作原理について説明する。図２は、検出器１１によって浮遊粒子状物質３の透過光から検出される光光吸収スペクトルを示す図である。
【００３７】
ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏは、赤外領域にそれぞれ吸収波長を有し、その値は、大略ＥＣ：２．９０〜３．２０μｍ、ＰＯＭ：２．８０〜３．００μｍ、Ｈ２Ｏ：３．１〜３．５μｍであり、比較的近接した領域に存在する。このようにＰＯＭとＨ２Ｏとの吸収波長は重畳しないけれども、ＥＣの吸収波長は、ＰＯＭとＨ２Ｏとの両者に対して重畳域を有する。
【００３８】
浮遊粒子捕集手段２によって捕集したままの浮遊粒子状物質を容器６内へ装入し、そのまま光源９から出射した光３６ａを照射し、浮遊粒子状物質３を透過した光について、検出器１１で光吸収スペクトルを求めると、図２中の加熱前にて示すライン４１のように、ＥＣとＰＯＭおよびＨ２Ｏとの光吸収スペクトルが重畳した形の測定結果が得られる。
【００３９】
しかしながら、浮遊粒子状物質３を減圧雰囲気下において加熱すると、ＰＯＭおよびＨ２Ｏは揮発して消失し、ＥＣのみが残存する。したがって、減圧雰囲気下において加熱した後、再度浮遊粒子状物質３について光吸収スペクトルを求めると、ＥＣについての光吸収スペクトルのみが得られる。図２中、加熱後にて例示する光吸収スペクトルは、１ｔｏｒｒの減圧雰囲気下において１５０℃で１５分間加熱した後、測定したものである。
【００４０】
このように同一の浮遊粒子状物質３について、捕集ままの加熱前と、減圧雰囲気下で加熱後との２回光吸収スペクトルを測定することによって、次のようにしてＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの組成分析をすることが可能になる。
【００４１】
図２を参照してＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの組成分析について説明するに際して、ここでは、説明に用いる各記号を以下のように定義する。
ABS(2.92,b) ：減圧加熱前の波長2.92μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.1,b) ：減圧加熱前の波長3.1μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.3,b) ：減圧加熱前の波長3.3μmにおける見かけの吸光度
ABS(4.0,b) ：減圧加熱前の波長4.0μmにおける見かけの吸光度
ABS(2.92,a) ：減圧加熱後の波長2.92μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.1,a) ：減圧加熱後の波長3.1μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.3,a) ：減圧加熱後の波長3.3μmにおける見かけの吸光度
ABS(4.0,a) ：減圧加熱後の波長4.0μmにおける見かけの吸光度
ε(2.92,EC) ：波長2.92μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(2.92,POM) ：波長2.92μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(2.92,H2O) ：波長2.92μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ε(3.1,EC) ：波長3.1μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(3.1,POM) ：波長3.1μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(3.1,H2O) ：波長3.1μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ε(3.3,EC) ：波長3.3μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(3.3,POM) ：波長3.3μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(3.3,H2O) ：波長3.3μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ε(4.0,EC) ：波長4.0μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(4.0,POM) ：波長4.0μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(4.0,H2O) ：波長4.0μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ｍ(H2O) ：浮遊粒子状物質中のＨ２Ｏの含有重量
ｍ(EC) ：浮遊粒子状物質中のＥＣの含有重量
ｍ(POM) ：浮遊粒子状物質中のＰＯＭの含有重量
【００４２】
捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３が、減圧および加熱処理を受ける前の各波長２．９２μｍ，３．１μｍ，３．３μｍおよび４．０μｍにおける吸光度は、以下の式（１）〜式（４）によってそれぞれ与えられる。
ABS(2.92,b)=ε(2.92,EC)・m(EC)＋ε(2.92,POM)・m(POM)
＋ε(2.92,H2O)・m(H2O) …（１）
ABS(3.1,b)=ε(3.1,EC)・m(EC)＋ε(3.1,POM)・m(POM)
＋ε(3.1,H2O)・m(H2O) …（２）
ABS(3.3,b)=ε(3. 3,EC)・m(EC)＋ε(3.3,POM)・m(POM)
＋ε(3.3,H2O)・m(H2O) …（３）
ABS(4.0,b)=ε(4.0,EC)・m(EC)＋ε(4.0,POM)・m(POM)
＋ε(4.0,H2O)・m(H2O) …（４）
【００４３】
通常、ＰＯＭは採取場所によって含有する成分の異なることが予想されるので、一義的に各波長における単位重量当たりの吸光係数ε(2.92,POM)、ε(3.1,POM)、ε(3.3,POM)、ε(4.0,POM)を決めることができない。そこで、減圧および加熱処理することによって、ＰＯＭは揮発し消失するので、減圧および加熱後においては、上記式におけるｍ(POM)、を無視することができる。またＨ２Ｏも減圧および加熱処理することによって揮発し消失するので、減圧および加熱後においては、上記式におけるｍ(H2O)を無視することができる。したがって、減圧および加熱処理後においては、上記の式（1）〜式（４）が、以下の式（５）〜式（８）のように変形される。
ABS(2.92,a)=ε(2.92,EC)・ｍ(EC) …（５）
ABS(3.1,a)=ε(3.1,EC)・ｍ(EC) …（６）
ABS(3.3,a)=ε(3.3,EC)・ｍ(EC) …（７）
ABS(4.0,a)=ε(4.0,EC)・ｍ(EC) …（８）
【００４４】
ＥＣの各波長における吸光係数ε(EC)は、予め求めておくことができる。したがって、たとえば最も大きい吸光度を示す波長３．１μｍについての式（６）に基づき、予め求めておいた吸光係数ε(3.1,EC)用いて浮遊粒子状物質中のＥＣの含有重量ｍ(EC)を算出することができる。
【００４５】
また各波長における吸光係数εは減圧加熱の前後において変化しないので、減圧加熱前後の各波長における吸光度差ABS(λ,Δ)［＝ABS(λ,b)−ABS(λ,a)］が式（９）〜式（１２）で与えられる。
ABS(2.92,Δ)=ε(2.92,POM)・m(POM)＋ε(2.92,H2O)・m(H2O) …（９）
ABS(3.1,Δ)=ε(3.1,POM)・m(POM)＋ε(3.1,H2O)・m(H2O) …（10）
ABS(3.3,Δ)=ε(3.3,POM)・m(POM)＋ε(3.3,H2O)・m(H2O) …（11）
ABS(4.0,Δ)=ε(4.0,POM)・m(POM)＋ε(4.0,H2O)・m(H2O) …（12）
【００４６】
波長３．３μｍにおいて、吸光係数ε(3.3,POM)がε(3.3,H2O)に比べて極小と仮定すれば、ε(3.3,POM)・m(POM)を無視し、予め求めておいたε(3.3,H2O)を用いて式（１１）に基づき、浮遊粒子状物質中のＨ２Ｏの含有重量m(H2O)を求めることができる。
【００４７】
また波長２．９２μｍにおいて、吸光係数ε(2.92,H2O)がε(2.92,POM)に比べて極小と仮定すれば、ε(2.92,H2O)・m(H2O)を無視し、予め求めておいたε(2.92,H2O)を用いて、式（９）に基づいて、浮遊粒子状物質中のＰＯＭの含有重量m(POM)を求めることができる。式（１２）において、ε(4.0,POM)＝０、ε(4.0,H2O)＝０なので、ABS(4.0,Δ)はベースラインの変動に相当し、この変動はランプの光量の変動および／またはフィルタの吸光度の変化に由来するものと考えられるが、これを利用することにより、他の波長の吸光度の変化を補償することができる。さらに、より多くの波長を測定することができれば、単にPOMの重量だけでなく、その組成についての情報を得ることができる。
【００４８】
演算手段１２は、上記の吸光度を求める演算および検量線と対照して定量値を求める演算を実行する回路である。演算手段１２は、たとえば中央処理装置（略称ＣＰＵ）を搭載するコンピュータなどによって実現される。また演算手段１２には、記憶手段であるメモリ１３が併設される。メモリ１３は、随時書込みと読出しとが可能なたとえばハードディスクドライブ（略称ＨＤＤ）などによって実現される。
【００４９】
メモリ１３には、浮遊粒子状物質３について加熱前に測定した光吸収スペクトルのデータと、同一浮遊粒子状物質３について減圧雰囲気下で加熱後に測定した光吸収スペクトルのデータとがストアされるとともに、ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏについて予め求められる検量線がストアされる。
【００５０】
演算手段１２を構成するＣＰＵは、浮遊粒子状物質３について加熱後の測定が終えられると、まずメモリ１３から加熱前後の光吸収スペクトルのデータを読出して、前記式（６）、式（９）および式（１１）の演算を行って、ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏについての吸光度を求め、次に求めた吸光度とメモリ１３から読出したそれぞれについての検量線とを比較演算し、定量値を算出する。なお演算手段１２には、さらに表示手段であるプリンタなどが設けられてもよく、プリンタなどを設けておくことによって、前述の演算結果を表示しかつ記録することができる。
【００５１】
以下では測定装置１の全体動作について簡単に説明する。まず巻取リール２２で予め定める長さだけ捕集フィルタ４を巻取ることによって、捕集フィルタ４の新規部分を、浮遊粒子捕集手段２の捕集チャンバ２７内の所定位置まで送給する。捕集フィルタ４の新規部分が捕集チャンバ２７内の所定位置に送給された状態で、捕集ポンプ３０をたとえば１ｍ３／ｈｏｕｒの吸気量で運転し、ダクト２５およびＰＭ２．５インパクター２６を通じて導入された大気が、捕集フィルタ４によってフィルタリングされて、浮遊粒子状物質３が捕集される。
【００５２】
浮遊粒子捕集手段２によって、たとえば１時間浮遊粒子状物質３の捕集が行われた後、巻取リール２２を動作させ、捕集フィルタ４における浮遊粒子状物質３の捕集部分が、容器６内の所定測定位置まで移動するように、予め定める距離だけ捕集フィルタ４を巻取る。
【００５３】
捕集フィルタ４で捕集された浮遊粒子状物質３が、容器６内の所定測定位置にある状態で、減圧加熱することなく、光源９から浮遊粒子状物質３に光を照射し、浮遊粒子状物質３を透過した光を検出器１１が受光して吸光スペクトルを検出する。検出された吸光スペクトルデータが演算手段１２に備わるメモリ１３にストアされる。ついで容器６内を減圧し、容器６内の浮遊粒子状物質３を加熱し、浮遊粒子状物質３内に含まれるＰＯＭおよびＨ２Ｏを揮発させる。この減圧加熱条件としては、たとえば前述のように、１ｔｏｒｒで１５０℃×１５ｍｉｎが設定される。なお、ＰＯＭおよびＨ２Ｏを揮発させる目的のためには、容器６内の圧力を低くすればするほど、加熱温度を低くすることができる。加熱温度は、可能な範囲で低い方が好ましく、特に１５０℃を超えないように設定される。加熱温度が１５０℃を超えると、カルボン酸が炭素になるので、ＥＣの分析精度に影響を及ぼすからである。
【００５４】
減圧雰囲気下で加熱後、再び光源９から浮遊粒子状物質３に光を照射し、浮遊粒子状物質３を透過した光を検出器１１が受光して吸光スペクトル、すなわち残存するＥＣのみの吸光スペクトルを検出する。検出された吸光スペクトルデータが演算手段１２に備わるメモリ１３にストアされる。
【００５５】
その後、演算手段１２は、加熱前後の光吸収スペクトルデータをメモリ１３から読出して式（６）、式（９）および式（１１）の演算を実行するとともに、得られたＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの吸光度と、メモリ１３から読出した検量線とを比較して、それぞれの定量値を演算する。
【００５６】
捕集フィルタ４が連続したテープ状なので、浮遊粒子状物質３を捕集した捕集フィルタ４を捕集位置から測定位置へ移動させたとき、捕集位置には新規な捕集フィルタ４が供給されて、浮遊粒子捕集手段２による次の１時間の浮遊粒子状物質の捕集動作が連続して実行される。このように測定装置１によれば、定点測定位置において、１時間ごとの浮遊粒子状物質中に含まれるＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの連続測定が可能である。
【００５７】
なお本実施の形態では、１時間ごとの定点連続測定を例示するけれども、１時間ごとに限定されることなく、さらに短い時間間隔で連続測定が実行されてもよく、またさらに長い時間間隔で連続測定が実行されてもよい。
【００５８】
図３は、本発明の実施の第２形態である測定装置５０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置５０は、実施の第１形態の測定装置１に類似し、対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００５９】
本実施の形態の測定装置５０において注目すべきは、浮遊粒子捕集手段および捕集フィルタの連続供給手段を備えないことである。測定対象である大気中で浮遊する粒子状物質は、限定されることのない種々の採集装置によって捕集フィルタ上に捕集される。測定装置５０では、上記の浮遊粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタが測定試料として用いられる。すなわち、測定装置５０によれば、浮遊粒子状物質の捕集手段に限定されることなく、また特定に測定位置に限定されることなく、バッチ式で浮遊粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタ４を容器６内に装入してＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの測定が行われる。測定動作は、実施の第１形態の測定装置１と同様なので説明を省略する。
【００６０】
図４は、本発明の実施の第３形態である測定装置の光源５１まわりの構成を簡略化して示す図である。本実施の形態の測定装置は、光源５１まわりの構成を除いて、実施の第１形態の測定装置１に類似するので、全体構成を示す図を省略するとともに、対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の測定装置において注目すべきは、光源５１として、発光ダイオード（略称ＬＥＤ）を用いることである。光源５１では、ＬＥＤとバンドパスフィルタ（略称ＢＰＦ）とを組合せることによって、所望の波長を照射することのできるＬＥＤユニットが構成される。本実施の形態では、波長が異なる４つのＬＥＤユニット５２，５３，５４，５５が設けられる。本実施形態の光源５１では、４つの異なる波長として、ベース吸光度測定のための波長４．０μｍ、Ｈ２Ｏの吸収波長である波長３．３μｍ、ＥＣの吸収波長である波長３．１μｍ、ＰＯＭの吸収波長である波長２．９μｍが選択される。
【００６２】
光源５１は、第１ＬＥＤ５６と第１ＢＰＦ５７とによって波長２．９μｍの光を照射する２．９μｍＬＥＤユニット５２と、第２ＬＥＤ５８と第２ＢＰＦ５９とによって波長３．１μｍの光を照射する３．１μｍＬＥＤユニット５３と、第３ＬＥＤ６０と第３ＢＰＦ６１とによって波長３．３μｍの光を照射する３．３μｍＬＥＤユニット５４と、第４ＬＥＤ６２と第４ＢＰＦ６３とによって波長４．０μｍの光を照射する４．０μｍＬＥＤユニット５５と、各ＬＥＤユニットから出射される各波長の光を反射し、該反射光が容器６の上部に設けられるサファイアレンズ３７に入射するように設けられる球面鏡６４とを含んで構成される。
【００６３】
本実施の形態の測定装置５０において注目すべきは、光源５１として４波長発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるので、分光器を必要としないことである。吸光度を測定するとき、各ＬＥＤユニットを１つずつ順番に点灯させることによって、単一波長の光を浮遊粒子状物質３に対して照射し、その特定波長について直接吸光度を測定することができるので、所望の波長の吸光度を得るために分光する必要がなくなり、分光器１０が不要となる。このように、所望の波長の光を出射できるＬＥＤユニットを複数個備える光源５１を設けることによって、分光器１０を省くことができるので、測定装置の構成を簡略化することが可能になる。
【００６４】
図５は、光源５１を備える測定装置において検出器１１で検出される吸光度を示す模式図である。浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの測定は、スペクトルを検出するのではなく、特定波長の光を検出することを除いて測定装置１による場合と全く同様にして実行される。
【００６５】
図６は、本発明の実施の第４形態である測定装置７０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置７０は、実施の第１形態の測定装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６６】
測定装置７０において注目すべきは、光源９から出射されて浮遊粒子状物質３に照射され、浮遊粒子状物質３で反射散乱された散乱光７１を検出器７２で検出し、検出器７２によって検出される散乱強度から浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの量を測定することである。したがって、測定装置７０では、光源９から出射されて浮遊粒子状物質３で反射される散乱光７１を受光することができるように、サファイアレンズ３７および検出器７２が、連続送給される捕集フィルタ４に関して光源９と同じ側に設けられる。
【００６７】
この測定装置７０によれば、光源５１から出射されて浮遊粒子状物質３で反射された散乱光７１を、分光器１０で、４．０μｍ、３．３μｍ、３．１μｍおよび２．９２μｍの各波長成分に分光し、分光したそれぞれの散乱光強度を検出器７２で検出し、該検出結果を用いて前述の測定装置１の場合と同様にして測定が実行される。
【００６８】
図７は、本発明の実施の第５形態である測定装置８０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置８０は、実施の第１形態の測定装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６９】
本実施形態の測定装置８０において注目すべきは、ベータ線式吸収法を用いることによって浮遊粒子状物質の全質量の測定が可能に構成されることである。測定装置８０は、捕集チャンバ２７内に、捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を挟むようにして対向して配置されるβ線照射手段であるβ線源８１と、β線源８１から出射されて捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を透過したβ線の透過度を測定するβ線検出器８２と、β線検出器８２が検出した信号を増幅するβ線検出器用増幅回路８３とを備える。β線検出器用増幅回路８３の増幅出力は、演算回路１２に与えられる。
【００７０】
β線式吸収法では、捕集フィルタ４上に捕集した浮遊粒子状物質３に対してβ線源８１からβ線を照射し、β線検出器８２によって検出されるβ線の吸収量から下記式（１３）に基づいて浮遊粒子状物質３の質量を求めることができる。なお、式（１３）中の質量吸収係数ｋは、β線源に固有の値で浮遊粒子状物質の種類には無関係であるので、β線量を検出することによって浮遊粒子状物質の質量が求められる。
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−kχ） …（13）
ここで、Ｉ：捕集フィルタおよび浮遊粒子状物質を透過したβ線量
Ｉ０：捕集フィルタのみを透過したβ線量
k：質量吸収係数（ｃｍ２／ｍｇ）
χ：浮遊粒子状物質の質量（ｍｇ／ｃｍ２）
【００７１】
したがって、本実施形態の測定装置８０によれば、浮遊粒子状物質３中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの定量分析に加えて、浮遊粒子状物質３の全質量の測定も可能である。
【００７２】
図８は、本発明の実施の第６形態である測定装置９０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置９０は、実施の第１形態である測定装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７３】
測定装置９０において注目すべきは、補修チャンバ９１が分析容器を兼ね、減圧手段および加熱手段を備えないことであり、捕集チャンバ９１の一方の側にサファイアレンズ３７と光源９とが装着され、捕集フィルタ４を介し、サファイアレンズ３７と光源９とに対向する位置である他方の側にサファイア窓３８と分光器１０とが装着される。
【００７４】
したがって、測定装置９０では、捕集チャンバ９１内で捕集フィルタ４上に捕集された浮遊粒子状物質３を、減圧および加熱処理することなく、捕集されたままの状態で測定を実行する。
【００７５】
減圧および加熱処理を行うことによって、揮発性物質であるＰＯＭおよびＨ２Ｏを確実に揮散させてＥＣを高精度で測定できるけれども、ＰＯＭの組成があまり変わらずに、一定のものが含まれる所であれば、減圧および加熱処理を行うことなく、ＰＯＭのｍ(POM)、Ｈ２Ｏのｍ(H2O)、ＥＣのm(EC)を求めることができる。ε(4.0,POM)＝０、ε(4.0,H2O)＝０なので、予め求めておいたε(4.0,EC)より、式（４）を用いて、m(EC)を算出することができる。式（１）〜式（３）に、算出したm(EC)と、予め求めておいたε(2.92,EC)、ε(3.1,EC)、ε(3.3,EC)とを代入することによって、m(POM)とm(H2O)との関係式になるので、前述した方法と同様にして、m(H2O)とｍ(POM)とを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の第１形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を簡略化して示す系統図である。
【図２】検出器１１によって浮遊粒子状物質３の透過光から検出される光光吸収スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施の第２形態である測定装置５０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図４】本発明の実施の第３形態である測定装置の光源５１まわりの構成を簡略化して示す図である。
【図５】光源５１を備える測定装置において検出器１１で検出される吸光度を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の第４形態である測定装置７０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図７】本発明の実施の第５形態である測定装置８０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図８】本発明の実施の第６形態である測定装置９０の構成を簡略化して示す系統図である。
【符号の説明】
【００７７】
１，５０，７０，８０，９０ 測定装置
２ 浮遊粒子捕集手段
３ 浮遊粒子状物質
４ 捕集フィルタ
６，７３ 容器
７ 減圧手段
８ 加熱手段
９，５１ 光源
１０ 分光器
１１，７２ 検出器
１２ 演算手段
１３ メモリ
２１ 巻戻リール
２２ 巻取リール
２５ ダクト
２６ 分級器
２７，９１ 捕集チャンバ
３０ 捕集ポンプ
３３ 光源点灯手段
３４ 真空ポンプ
３７ サファイアレンズ
３８ サファイア窓
８１ β線源
８２ β線検出器
８３ β線検出器用増幅回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中には、燃料の燃焼過程で発生した揮発性ガスが冷却凝集して形成される超微細粒子、燃料の燃焼過程および気相化学反応で形成されるたとえば黒煙粒子などの微細粒子、自然現象で発生するたとえば海塩粒子、黄砂などの粗大粒子等種々の浮遊粒子状物質いわゆる粉塵が存在する。このような大気中の浮遊粒子状物質は、人体の鼻腔・咽頭、気管支、肺臓などに沈着し、健康に影響を及ぼすことが知られ、古くは黒い霧（スモッグ）と呼ばれた頃から環境問題として採り上げられ、大気汚染の状態を示す一つの指標として測定がなされてきた。
【０００３】
大気中の浮遊粒子状物質は、測定間隔を予め定め、定めた期間ごとにたとえば集塵フィルタを交換するなどによって、その大気中の総量が測定されてきた。近年測定技術の進展とともに、大気中に存在する浮遊粒子状物質の総量にとどまらず、浮遊粒子状物質の中でも人体の肺臓に沈着しやすく長期にわたって健康に影響を及ぼすとされる微細粒子の含有量を総量から分離して測定するとともに、連続的に測定する装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
このように浮遊粒子状物質の測定技術は長足の進歩を遂げているけれども、特許文献１に開示される技術は、あくまでも大気中におけるの浮遊粒子状物質の量の測定であり、浮遊粒子状物質中の組成に言及するものではない。たとえばディーゼルエンジン搭載車両の排気ガスを成因とする浮遊粒子状物質には、元素状炭素（Elementary Carbon：略称ＥＣ）が含まれ、このＥＣには窒素酸化物、硫黄酸化物などのような健康に有害な物質が吸着されていると考えられている。したがって、浮遊粒子状物質中のたとえばＥＣ含有量を知ることができれば、浮遊粒子状物質中ひいては大気中の有害物質の存在量を知る一つの指標足り得る。したがって、大気中の浮遊粒子状物質における組成分析を可能にすることが強く望まれている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４３３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定することを可能にする浮遊粒子状物質の測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【０００８】
また本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタを内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【０００９】
また本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【００１０】
また本発明は、検出器が、複数の波長の吸光度を検出する検出器であることを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を連続的に測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質によって散乱される反射散乱光を検出する検出器と、
検出器によって検出される光強度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【００１２】
また本発明は、光源は、捕集フィルタ上の浮遊粒子上物質に向けて波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を照射することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、浮遊粒子捕集手段によって捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質に対してβ線を照射するβ線照射手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過したβ線を検出するβ線検出器とを、さらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素（ＥＣ）、有機炭素（
Particle Organic Matter：略称ＰＯＭ）および水分（Ｈ２Ｏ）を、光吸収法を用いて連続的に測定することのできる浮遊粒子状物質の測定装置が提供される。
【００１５】
また本発明によれば、大気中で浮遊する粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタを用いて、バッチ式でＥＣ、ＰＯＭ、Ｈ２Ｏを測定することができるので、種々の採取装置および採取方法で採取された浮遊粒子状物質の測定に対応することができる。
【００１６】
また本発明によれば、減圧手段および加熱手段を備えない簡略な構成の装置によって、ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの概略測定値を得ることができる。
【００１７】
また本発明によれば、検出器として、複数の波長の吸光度を検出する検出器が用いられるので、簡素な構成で、光吸収法による浮遊粒子状物質の測定装置が提供される。
【００１８】
また本発明によれば、捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質によって散乱される反射散乱光を検出する検出器が備えられるので、赤外光散乱法を用いてＥＣ、ＰＯＭ、Ｈ２Ｏを測定することができる浮遊粒子状物質の測定装置が提供される。
【００１９】
また本発明によれば、捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を照射する光源が備えられるので、高い精度で浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭ、Ｈ２Ｏを測定することができる。
【００２０】
また本発明によれば、浮遊粒子状物質に対してβ線を照射するβ線照射手段と、捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過したβ線を検出するβ線検出器とを備えるので、浮遊粒子状物質の全質量も測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の第１形態である浮遊粒子状物質の測定装置１の構成を簡略化して示す系統図である。浮遊粒子状物質の測定装置１（以後、測定装置１と略称する）は、大気中で浮遊する粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏを連続的に測定することに用いられる。
【００２２】
測定装置１は、大略、大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段２と、浮遊粒子捕集手段２による浮遊粒子状物質３の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタ４と、連続的に送給される捕集フィルタ４上に捕集された浮遊粒子状物質３をその内部空間５に収容する容器６と、容器６の内部空間５を減圧する減圧手段７と、容器６を介して容器６の内部空間５および内部空間５に収容される捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を加熱する加熱手段８と、容器６の内部空間５に収容される捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３に向けて光を照射する光源９と、光源９から出射されて捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質３を透過した光を分光する分光器１０と、分光器１０による分光を受光して吸光度を検出する検出器１１と、検出器１１によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの量を演算する演算手段１２とを含む。
【００２３】
捕集フィルタ４は、フッ素樹脂から成るフィルタであり、テープ状の形状を有し、心材に巻きまわされたコイル状態で巻戻リール２１に装着される。巻戻リール２１においてコイルの外周から巻戻された捕集フィルタ４は、予め定める距離だけ離隔した位置に設けられる巻取リール２２に噛込み巻取られる。巻取リール２２には、巻取リール２２を回転駆動させる不図示の電動機が連結され、電動機にはさらに制御電源が接続される。電動機は、制御電源からの動作指令に従って、予め定める時間間隔で、予め定める回数だけ回転するように動作する。このことによって、電動機で回転駆動される巻取リール２２が、捕集フィルタ４を予め定める時間間隔で予め定める長さだけ矢符２３方向に巻取るので、捕集フィルタ４が浮遊粒子状物質３の捕集位置へ連続的に送給される。
【００２４】
浮遊粒子捕集手段２および容器６は、捕集フィルタ４の巻戻リール２１と巻取リール２２との間に、矢符２３で示す捕集フィルタ４の巻取方向すなわち送給方向の上流側から下流側に向ってこの順序で設けられる。
【００２５】
浮遊粒子捕集手段２は、大気中に開口部２４を有して浮遊粒子状物質を含む大気を後述する分級器２６へと流過させる流路を形成するダクト２５と、ダクト２５に連接され大気中の浮遊粒子状物質をその粒子の大きさによって分級する分級器２６と、分級器２６に連接される捕集チャンバ２７と、捕集チャンバ２７に捕集管路２８によって接続されて捕集チャンバ２７内空間の大気を吸引する捕集ポンプ３０と、捕集ポンプ３０を制御して大気の流量を調整する流量制御装置２９とを含んで構成される。
【００２６】
ダクト２５は、たとえば金属製または合成樹脂製などの筒状部材であり、大気中に位置する一方の端部側に前述の開口部２４が形成され、他方の端部側が分級器２６に連接され、浮遊粒子状物質を含む大気を分級器２６へと流入させることができる。
【００２７】
本実施の形態では、分級器２６としてＰＭ２．５インパクターが用いられる。ＰＭ２．５インパクター２６は、粒径（厳密には空気力学的粒径）２．５μｍ以下の粒子のみを下流へ流過させ、粒径２．５μｍを超える粒子の流過を阻止することができる。したがって、ＰＭ２．５インパクター２６を備える本実施の形態の測定装置１は、人体の肺臓に沈着して健康に影響を及ぼすと言われている粒径２．５μｍ以下の微細粒子に含まれるＥＣ，ＰＯＭおよびＨ２Ｏを測定するように構成される。
【００２８】
ＰＭ２．５インパクター２６の大気流過方向下流側に連接される捕集チャンバ２７は、たとえば金属製の直方体形状を有する箱形部材であり、捕集フィルタ４の送給路上に配置される。捕集フィルタ４の送給路上に位置する捕集チャンバ２７の対向する一対の壁面には、フィルタ挿通孔３１ａ，３１ｂがそれぞれ形成される。巻戻リール２１から巻戻された捕集フィルタ４は、フィルタ挿通孔３１ａ，３１ｂを挿通されることによって、捕集チャンバ２７内空間を通過し、巻取リール２２に巻取られる。この捕集チャンバ２７内空間を流過する大気は、捕集フィルタ４によってフィルタリングされ、捕集チャンバ２７内空間における捕集フィルタ４によるフィルタリング位置が、浮遊粒子状物質の捕集位置である。
【００２９】
捕集ポンプ３０は、流量制御装置２９によって好ましくはその吸気量が１６．７Ｌ（リットル）／ｍｉｎ（＝１ｍ３／ｈｏｕｒ）に設定される。捕集ポンプ３０が捕集管路２８を通じて捕集チャンバ２７内の大気を吸引することによって、開口部２４から浮遊粒子状物質を含む大気がダクト２５内に吸引される。ダクト２５内に吸引された大気は、ＰＭ２．５インパクター２６によって微細粒子のみを含む大気に分別され、該大気が捕集チャンバ２７内を流過する際、捕集チャンバ２７内の捕集位置に供給された捕集フィルタ４によってフィルタリングされ、捕集フィルタ４上に浮遊粒子状物質３が捕集される。
【００３０】
容器６は、浮遊粒子捕集手段２に対して矢符２３で示す補修フィルタ４の送給方向下流側に設けられる。この容器６と浮遊粒子捕集手段２との離隔距離は、電動機で回転駆動される巻取リール２２が、捕集フィルタ４を矢符２３方向に巻取るべく予め定められる長さと等しい距離に設定される。
【００３１】
容器６は、たとえばステンレス鋼などの金属から成る箱型部材であり、捕集フィルタ４の送給路上に位置するように設けられる。捕集フィルタ４の送給路上に位置する容器６の対向する壁面には、捕集された浮遊粒子状物質３を有する捕集フィルタ４が、容器６の内部空間５へ入るフィルタ挿通孔３２ａと、内部空間５から出るフィルタ挿通孔３２ｂとが形成される。フィルタ挿通孔３２ａ，３２ｂは、簡易的な封止構造を備え、捕集された浮遊粒子状物質３ｂを有する捕集フィルタ４が通過可能であり、かつ容器６の内部空間５を気密にすることができるように構成される。
【００３２】
この容器６に減圧手段７が接続される。減圧手段７は、真空ポンプ３４と、真空ポンプ３４の動作を制御する圧力制御装置３９と、真空ポンプ３４と容器６とに接続される導管３５とによって構成される。容器６の内部空間５は、圧力制御装置３９に動作制御される真空ポンプ３４の吸引によって、１０ｔｏｒｒ以下、好ましくは約１ｔｏｒｒの減圧雰囲気にされる。
【００３３】
また容器６には、容器６および容器６を介して捕集フィルタ４と捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を加熱する加熱手段８が装着される。加熱手段８は、たとえば抵抗発熱体と、抵抗発熱体に電力を供給する不図示の電源とを含んで構成される。さらに加熱手段８は、容器６内の温度を検出する温度センサと、温度センサの検出出力に応じて前記電源を動作制御する制御器とを含むことが望ましい。加熱手段８によって、容器６内の温度は１５０℃以下の所定温度になるように加熱される。
【００３４】
容器６の上部であって捕集フィルタ４に捕集された浮遊粒子状物質３の上方には光源９が装着される。光源９としては、たとえばフィラメント型赤外連続光源などが挙げられ、少なくとも波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を出射することのできるものが選択される。この光源９の出力は光源点灯制御回路３３によって制御され、光源点灯制御回路３３は、後述のメモリ１３にストアされる動作プログラムに従う演算回路１２によって動作制御される。光源９から出射される光３６ａは、容器６上部であって光源９の直下に設けられるサファイアレンズ３７によって集光されて捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３に照射される。浮遊粒子状物質３を透過した光は、容器６の底板部に形成される開口部を封止するように装着されるサファイア窓３８を透過し、容器６と検出器１１との間に設けられる分光器１０へ入射される。
【００３５】
分光器１０は、浮遊粒子状物質３を透過して入射した光を分光して出射し、検出器１１へと入射する。検出器１１は、分光器１０によって分光された光３６ｂを受光し、その光光吸収スペクトル、すなわち波長ごとの吸光度を検出する。
【００３６】
以下に本発明の測定装置１を用いて浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏを測定するに際して、その動作原理について説明する。図２は、検出器１１によって浮遊粒子状物質３の透過光から検出される光光吸収スペクトルを示す図である。
【００３７】
ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏは、赤外領域にそれぞれ吸収波長を有し、その値は、大略ＥＣ：２．９０〜３．２０μｍ、ＰＯＭ：２．８０〜３．００μｍ、Ｈ２Ｏ：３．１〜３．５μｍであり、比較的近接した領域に存在する。このようにＰＯＭとＨ２Ｏとの吸収波長は重畳しないけれども、ＥＣの吸収波長は、ＰＯＭとＨ２Ｏとの両者に対して重畳域を有する。
【００３８】
浮遊粒子捕集手段２によって捕集したままの浮遊粒子状物質を容器６内へ装入し、そのまま光源９から出射した光３６ａを照射し、浮遊粒子状物質３を透過した光について、検出器１１で光吸収スペクトルを求めると、図２中の加熱前にて示すライン４１のように、ＥＣとＰＯＭおよびＨ２Ｏとの光吸収スペクトルが重畳した形の測定結果が得られる。
【００３９】
しかしながら、浮遊粒子状物質３を減圧雰囲気下において加熱すると、ＰＯＭおよびＨ２Ｏは揮発して消失し、ＥＣのみが残存する。したがって、減圧雰囲気下において加熱した後、再度浮遊粒子状物質３について光吸収スペクトルを求めると、ＥＣについての光吸収スペクトルのみが得られる。図２中、加熱後にて例示する光吸収スペクトルは、１ｔｏｒｒの減圧雰囲気下において１５０℃で１５分間加熱した後、測定したものである。
【００４０】
このように同一の浮遊粒子状物質３について、捕集ままの加熱前と、減圧雰囲気下で加熱後との２回光吸収スペクトルを測定することによって、次のようにしてＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの組成分析をすることが可能になる。
【００４１】
図２を参照してＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの組成分析について説明するに際して、ここでは、説明に用いる各記号を以下のように定義する。
ABS(2.92,b) ：減圧加熱前の波長2.92μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.1,b) ：減圧加熱前の波長3.1μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.3,b) ：減圧加熱前の波長3.3μmにおける見かけの吸光度
ABS(4.0,b) ：減圧加熱前の波長4.0μmにおける見かけの吸光度
ABS(2.92,a) ：減圧加熱後の波長2.92μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.1,a) ：減圧加熱後の波長3.1μmにおける見かけの吸光度
ABS(3.3,a) ：減圧加熱後の波長3.3μmにおける見かけの吸光度
ABS(4.0,a) ：減圧加熱後の波長4.0μmにおける見かけの吸光度
ε(2.92,EC) ：波長2.92μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(2.92,POM) ：波長2.92μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(2.92,H2O) ：波長2.92μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ε(3.1,EC) ：波長3.1μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(3.1,POM) ：波長3.1μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(3.1,H2O) ：波長3.1μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ε(3.3,EC) ：波長3.3μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(3.3,POM) ：波長3.3μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(3.3,H2O) ：波長3.3μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ε(4.0,EC) ：波長4.0μmにおける単位重量当たりのECの吸光係数
ε(4.0,POM) ：波長4.0μmにおける単位重量当たりのPOMの吸光係数
ε(4.0,H2O) ：波長4.0μmにおける単位重量当たりのH2Oの吸光係数
ｍ(H2O) ：浮遊粒子状物質中のＨ２Ｏの含有重量
ｍ(EC) ：浮遊粒子状物質中のＥＣの含有重量
ｍ(POM) ：浮遊粒子状物質中のＰＯＭの含有重量
【００４２】
捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３が、減圧および加熱処理を受ける前の各波長２．９２μｍ，３．１μｍ，３．３μｍおよび４．０μｍにおける吸光度は、以下の式（１）〜式（４）によってそれぞれ与えられる。
ABS(2.92,b)=ε(2.92,EC)・m(EC)＋ε(2.92,POM)・m(POM)
＋ε(2.92,H2O)・m(H2O) …（１）
ABS(3.1,b)=ε(3.1,EC)・m(EC)＋ε(3.1,POM)・m(POM)
＋ε(3.1,H2O)・m(H2O) …（２）
ABS(3.3,b)=ε(3. 3,EC)・m(EC)＋ε(3.3,POM)・m(POM)
＋ε(3.3,H2O)・m(H2O) …（３）
ABS(4.0,b)=ε(4.0,EC)・m(EC)＋ε(4.0,POM)・m(POM)
＋ε(4.0,H2O)・m(H2O) …（４）
【００４３】
通常、ＰＯＭは採取場所によって含有する成分の異なることが予想されるので、一義的に各波長における単位重量当たりの吸光係数ε(2.92,POM)、ε(3.1,POM)、ε(3.3,POM)、ε(4.0,POM)を決めることができない。そこで、減圧および加熱処理することによって、ＰＯＭは揮発し消失するので、減圧および加熱後においては、上記式におけるｍ(POM)、を無視することができる。またＨ２Ｏも減圧および加熱処理することによって揮発し消失するので、減圧および加熱後においては、上記式におけるｍ(H2O)を無視することができる。したがって、減圧および加熱処理後においては、上記の式（1）〜式（４）が、以下の式（５）〜式（８）のように変形される。
ABS(2.92,a)=ε(2.92,EC)・ｍ(EC) …（５）
ABS(3.1,a)=ε(3.1,EC)・ｍ(EC) …（６）
ABS(3.3,a)=ε(3.3,EC)・ｍ(EC) …（７）
ABS(4.0,a)=ε(4.0,EC)・ｍ(EC) …（８）
【００４４】
ＥＣの各波長における吸光係数ε(EC)は、予め求めておくことができる。したがって、たとえば最も大きい吸光度を示す波長３．１μｍについての式（６）に基づき、予め求めておいた吸光係数ε(3.1,EC)用いて浮遊粒子状物質中のＥＣの含有重量ｍ(EC)を算出することができる。
【００４５】
また各波長における吸光係数εは減圧加熱の前後において変化しないので、減圧加熱前後の各波長における吸光度差ABS(λ,Δ)［＝ABS(λ,b)−ABS(λ,a)］が式（９）〜式（１２）で与えられる。
ABS(2.92,Δ)=ε(2.92,POM)・m(POM)＋ε(2.92,H2O)・m(H2O) …（９）
ABS(3.1,Δ)=ε(3.1,POM)・m(POM)＋ε(3.1,H2O)・m(H2O) …（10）
ABS(3.3,Δ)=ε(3.3,POM)・m(POM)＋ε(3.3,H2O)・m(H2O) …（11）
ABS(4.0,Δ)=ε(4.0,POM)・m(POM)＋ε(4.0,H2O)・m(H2O) …（12）
【００４６】
波長３．３μｍにおいて、吸光係数ε(3.3,POM)がε(3.3,H2O)に比べて極小と仮定すれば、ε(3.3,POM)・m(POM)を無視し、予め求めておいたε(3.3,H2O)を用いて式（１１）に基づき、浮遊粒子状物質中のＨ２Ｏの含有重量m(H2O)を求めることができる。
【００４７】
また波長２．９２μｍにおいて、吸光係数ε(2.92,H2O)がε(2.92,POM)に比べて極小と仮定すれば、ε(2.92,H2O)・m(H2O)を無視し、予め求めておいたε(2.92,H2O)を用いて、式（９）に基づいて、浮遊粒子状物質中のＰＯＭの含有重量m(POM)を求めることができる。式（１２）において、ε(4.0,POM)＝０、ε(4.0,H2O)＝０なので、ABS(4.0,Δ)はベースラインの変動に相当し、この変動はランプの光量の変動および／またはフィルタの吸光度の変化に由来するものと考えられるが、これを利用することにより、他の波長の吸光度の変化を補償することができる。さらに、より多くの波長を測定することができれば、単にPOMの重量だけでなく、その組成についての情報を得ることができる。
【００４８】
演算手段１２は、上記の吸光度を求める演算および検量線と対照して定量値を求める演算を実行する回路である。演算手段１２は、たとえば中央処理装置（略称ＣＰＵ）を搭載するコンピュータなどによって実現される。また演算手段１２には、記憶手段であるメモリ１３が併設される。メモリ１３は、随時書込みと読出しとが可能なたとえばハードディスクドライブ（略称ＨＤＤ）などによって実現される。
【００４９】
メモリ１３には、浮遊粒子状物質３について加熱前に測定した光吸収スペクトルのデータと、同一浮遊粒子状物質３について減圧雰囲気下で加熱後に測定した光吸収スペクトルのデータとがストアされるとともに、ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏについて予め求められる検量線がストアされる。
【００５０】
演算手段１２を構成するＣＰＵは、浮遊粒子状物質３について加熱後の測定が終えられると、まずメモリ１３から加熱前後の光吸収スペクトルのデータを読出して、前記式（６）、式（９）および式（１１）の演算を行って、ＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏについての吸光度を求め、次に求めた吸光度とメモリ１３から読出したそれぞれについての検量線とを比較演算し、定量値を算出する。なお演算手段１２には、さらに表示手段であるプリンタなどが設けられてもよく、プリンタなどを設けておくことによって、前述の演算結果を表示しかつ記録することができる。
【００５１】
以下では測定装置１の全体動作について簡単に説明する。まず巻取リール２２で予め定める長さだけ捕集フィルタ４を巻取ることによって、捕集フィルタ４の新規部分を、浮遊粒子捕集手段２の捕集チャンバ２７内の所定位置まで送給する。捕集フィルタ４の新規部分が捕集チャンバ２７内の所定位置に送給された状態で、捕集ポンプ３０をたとえば１ｍ３／ｈｏｕｒの吸気量で運転し、ダクト２５およびＰＭ２．５インパクター２６を通じて導入された大気が、捕集フィルタ４によってフィルタリングされて、浮遊粒子状物質３が捕集される。
【００５２】
浮遊粒子捕集手段２によって、たとえば１時間浮遊粒子状物質３の捕集が行われた後、巻取リール２２を動作させ、捕集フィルタ４における浮遊粒子状物質３の捕集部分が、容器６内の所定測定位置まで移動するように、予め定める距離だけ捕集フィルタ４を巻取る。
【００５３】
捕集フィルタ４で捕集された浮遊粒子状物質３が、容器６内の所定測定位置にある状態で、減圧加熱することなく、光源９から浮遊粒子状物質３に光を照射し、浮遊粒子状物質３を透過した光を検出器１１が受光して吸光スペクトルを検出する。検出された吸光スペクトルデータが演算手段１２に備わるメモリ１３にストアされる。ついで容器６内を減圧し、容器６内の浮遊粒子状物質３を加熱し、浮遊粒子状物質３内に含まれるＰＯＭおよびＨ２Ｏを揮発させる。この減圧加熱条件としては、たとえば前述のように、１ｔｏｒｒで１５０℃×１５ｍｉｎが設定される。なお、ＰＯＭおよびＨ２Ｏを揮発させる目的のためには、容器６内の圧力を低くすればするほど、加熱温度を低くすることができる。加熱温度は、可能な範囲で低い方が好ましく、特に１５０℃を超えないように設定される。加熱温度が１５０℃を超えると、カルボン酸が炭素になるので、ＥＣの分析精度に影響を及ぼすからである。
【００５４】
減圧雰囲気下で加熱後、再び光源９から浮遊粒子状物質３に光を照射し、浮遊粒子状物質３を透過した光を検出器１１が受光して吸光スペクトル、すなわち残存するＥＣのみの吸光スペクトルを検出する。検出された吸光スペクトルデータが演算手段１２に備わるメモリ１３にストアされる。
【００５５】
その後、演算手段１２は、加熱前後の光吸収スペクトルデータをメモリ１３から読出して式（６）、式（９）および式（１１）の演算を実行するとともに、得られたＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの吸光度と、メモリ１３から読出した検量線とを比較して、それぞれの定量値を演算する。
【００５６】
捕集フィルタ４が連続したテープ状なので、浮遊粒子状物質３を捕集した捕集フィルタ４を捕集位置から測定位置へ移動させたとき、捕集位置には新規な捕集フィルタ４が供給されて、浮遊粒子捕集手段２による次の１時間の浮遊粒子状物質の捕集動作が連続して実行される。このように測定装置１によれば、定点測定位置において、１時間ごとの浮遊粒子状物質中に含まれるＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの連続測定が可能である。
【００５７】
なお本実施の形態では、１時間ごとの定点連続測定を例示するけれども、１時間ごとに限定されることなく、さらに短い時間間隔で連続測定が実行されてもよく、またさらに長い時間間隔で連続測定が実行されてもよい。
【００５８】
図３は、本発明の実施の第２形態である測定装置５０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置５０は、実施の第１形態の測定装置１に類似し、対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００５９】
本実施の形態の測定装置５０において注目すべきは、浮遊粒子捕集手段および捕集フィルタの連続供給手段を備えないことである。測定対象である大気中で浮遊する粒子状物質は、限定されることのない種々の採集装置によって捕集フィルタ上に捕集される。測定装置５０では、上記の浮遊粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタが測定試料として用いられる。すなわち、測定装置５０によれば、浮遊粒子状物質の捕集手段に限定されることなく、また特定に測定位置に限定されることなく、バッチ式で浮遊粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタ４を容器６内に装入してＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの測定が行われる。測定動作は、実施の第１形態の測定装置１と同様なので説明を省略する。
【００６０】
図４は、本発明の実施の第３形態である測定装置の光源５１まわりの構成を簡略化して示す図である。本実施の形態の測定装置は、光源５１まわりの構成を除いて、実施の第１形態の測定装置１に類似するので、全体構成を示す図を省略するとともに、対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６１】
本実施形態の測定装置において注目すべきは、光源５１として、発光ダイオード（略称ＬＥＤ）を用いることである。光源５１では、ＬＥＤとバンドパスフィルタ（略称ＢＰＦ）とを組合せることによって、所望の波長を照射することのできるＬＥＤユニットが構成される。本実施の形態では、波長が異なる４つのＬＥＤユニット５２，５３，５４，５５が設けられる。本実施形態の光源５１では、４つの異なる波長として、ベース吸光度測定のための波長４．０μｍ、Ｈ２Ｏの吸収波長である波長３．３μｍ、ＥＣの吸収波長である波長３．１μｍ、ＰＯＭの吸収波長である波長２．９μｍが選択される。
【００６２】
光源５１は、第１ＬＥＤ５６と第１ＢＰＦ５７とによって波長２．９μｍの光を照射する２．９μｍＬＥＤユニット５２と、第２ＬＥＤ５８と第２ＢＰＦ５９とによって波長３．１μｍの光を照射する３．１μｍＬＥＤユニット５３と、第３ＬＥＤ６０と第３ＢＰＦ６１とによって波長３．３μｍの光を照射する３．３μｍＬＥＤユニット５４と、第４ＬＥＤ６２と第４ＢＰＦ６３とによって波長４．０μｍの光を照射する４．０μｍＬＥＤユニット５５と、各ＬＥＤユニットから出射される各波長の光を反射し、該反射光が容器６の上部に設けられるサファイアレンズ３７に入射するように設けられる球面鏡６４とを含んで構成される。
【００６３】
本実施の形態の測定装置５０において注目すべきは、光源５１として４波長発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられるので、分光器を必要としないことである。吸光度を測定するとき、各ＬＥＤユニットを１つずつ順番に点灯させることによって、単一波長の光を浮遊粒子状物質３に対して照射し、その特定波長について直接吸光度を測定することができるので、所望の波長の吸光度を得るために分光する必要がなくなり、分光器１０が不要となる。このように、所望の波長の光を出射できるＬＥＤユニットを複数個備える光源５１を設けることによって、分光器１０を省くことができるので、測定装置の構成を簡略化することが可能になる。
【００６４】
図５は、光源５１を備える測定装置において検出器１１で検出される吸光度を示す模式図である。浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの測定は、スペクトルを検出するのではなく、特定波長の光を検出することを除いて測定装置１による場合と全く同様にして実行される。
【００６５】
図６は、本発明の実施の第４形態である測定装置７０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置７０は、実施の第１形態の測定装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６６】
測定装置７０において注目すべきは、光源９から出射されて浮遊粒子状物質３に照射され、浮遊粒子状物質３で反射散乱された散乱光７１を検出器７２で検出し、検出器７２によって検出される散乱強度から浮遊粒子状物質中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの量を測定することである。したがって、測定装置７０では、光源９から出射されて浮遊粒子状物質３で反射される散乱光７１を受光することができるように、サファイアレンズ３７および検出器７２が、連続送給される捕集フィルタ４に関して光源９と同じ側に設けられる。
【００６７】
この測定装置７０によれば、光源５１から出射されて浮遊粒子状物質３で反射された散乱光７１を、分光器１０で、４．０μｍ、３．３μｍ、３．１μｍおよび２．９２μｍの各波長成分に分光し、分光したそれぞれの散乱光強度を検出器７２で検出し、該検出結果を用いて前述の測定装置１の場合と同様にして測定が実行される。
【００６８】
図７は、本発明の実施の第５形態である測定装置８０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置８０は、実施の第１形態の測定装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００６９】
本実施形態の測定装置８０において注目すべきは、ベータ線式吸収法を用いることによって浮遊粒子状物質の全質量の測定が可能に構成されることである。測定装置８０は、捕集チャンバ２７内に、捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を挟むようにして対向して配置されるβ線照射手段であるβ線源８１と、β線源８１から出射されて捕集フィルタ４上の浮遊粒子状物質３を透過したβ線の透過度を測定するβ線検出器８２と、β線検出器８２が検出した信号を増幅するβ線検出器用増幅回路８３とを備える。β線検出器用増幅回路８３の増幅出力は、演算回路１２に与えられる。
【００７０】
β線式吸収法では、捕集フィルタ４上に捕集した浮遊粒子状物質３に対してβ線源８１からβ線を照射し、β線検出器８２によって検出されるβ線の吸収量から下記式（１３）に基づいて浮遊粒子状物質３の質量を求めることができる。なお、式（１３）中の質量吸収係数ｋは、β線源に固有の値で浮遊粒子状物質の種類には無関係であるので、β線量を検出することによって浮遊粒子状物質の質量が求められる。
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−kχ） …（13）
ここで、Ｉ：捕集フィルタおよび浮遊粒子状物質を透過したβ線量
Ｉ０：捕集フィルタのみを透過したβ線量
k：質量吸収係数（ｃｍ２／ｍｇ）
χ：浮遊粒子状物質の質量（ｍｇ／ｃｍ２）
【００７１】
したがって、本実施形態の測定装置８０によれば、浮遊粒子状物質３中のＥＣ、ＰＯＭおよびＨ２Ｏの定量分析に加えて、浮遊粒子状物質３の全質量の測定も可能である。
【００７２】
図８は、本発明の実施の第６形態である測定装置９０の構成を簡略化して示す系統図である。本実施の形態の測定装置９０は、実施の第１形態である測定装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７３】
測定装置９０において注目すべきは、補修チャンバ９１が分析容器を兼ね、減圧手段および加熱手段を備えないことであり、捕集チャンバ９１の一方の側にサファイアレンズ３７と光源９とが装着され、捕集フィルタ４を介し、サファイアレンズ３７と光源９とに対向する位置である他方の側にサファイア窓３８と分光器１０とが装着される。
【００７４】
したがって、測定装置９０では、捕集チャンバ９１内で捕集フィルタ４上に捕集された浮遊粒子状物質３を、減圧および加熱処理することなく、捕集されたままの状態で測定を実行する。
【００７５】
減圧および加熱処理を行うことによって、揮発性物質であるＰＯＭおよびＨ２Ｏを確実に揮散させてＥＣを高精度で測定できるけれども、ＰＯＭの組成があまり変わらずに、一定のものが含まれる所であれば、減圧および加熱処理を行うことなく、ＰＯＭのｍ(POM)、Ｈ２Ｏのｍ(H2O)、ＥＣのm(EC)を求めることができる。ε(4.0,POM)＝０、ε(4.0,H2O)＝０なので、予め求めておいたε(4.0,EC)より、式（４）を用いて、m(EC)を算出することができる。式（１）〜式（３）に、算出したm(EC)と、予め求めておいたε(2.92,EC)、ε(3.1,EC)、ε(3.3,EC)とを代入することによって、m(POM)とm(H2O)との関係式になるので、前述した方法と同様にして、m(H2O)とｍ(POM)とを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の第１形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を簡略化して示す系統図である。
【図２】検出器１１によって浮遊粒子状物質３の透過光から検出される光光吸収スペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施の第２形態である測定装置５０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図４】本発明の実施の第３形態である測定装置の光源５１まわりの構成を簡略化して示す図である。
【図５】光源５１を備える測定装置において検出器１１で検出される吸光度を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の第４形態である測定装置７０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図７】本発明の実施の第５形態である測定装置８０の構成を簡略化して示す系統図である。
【図８】本発明の実施の第６形態である測定装置９０の構成を簡略化して示す系統図である。
【符号の説明】
【００７７】
１，５０，７０，８０，９０ 測定装置
２ 浮遊粒子捕集手段
３ 浮遊粒子状物質
４ 捕集フィルタ
６，７３ 容器
７ 減圧手段
８ 加熱手段
９，５１ 光源
１０ 分光器
１１，７２ 検出器
１２ 演算手段
１３ メモリ
２１ 巻戻リール
２２ 巻取リール
２５ ダクト
２６ 分級器
２７，９１ 捕集チャンバ
３０ 捕集ポンプ
３３ 光源点灯手段
３４ 真空ポンプ
３７ サファイアレンズ
３８ サファイア窓
８１ β線源
８２ β線検出器
８３ β線検出器用増幅回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項２】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタを内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項３】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項４】
検出器が、
複数の波長の吸光度を検出する検出器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項５】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質によって散乱される反射散乱光を検出する検出器と、
検出器によって検出される光強度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項６】
光源は、捕集フィルタ上の浮遊粒子上物質に向けて波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項７】
浮遊粒子捕集手段によって捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質に対してβ線を照射するβ線照射手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過したβ線を検出するβ線検出器とを、さらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項１】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項２】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を予め捕集した捕集フィルタを内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項３】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過した光を受光して吸光度を検出する検出器と、
検出器によって検出される吸光度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項４】
検出器が、
複数の波長の吸光度を検出する検出器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項５】
大気中で浮遊する粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分を測定する浮遊粒子状物質の測定装置において、
大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給される捕集フィルタと、
連続的に送給される捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質を内部空間に収容する容器と、
容器の内部空間を減圧する減圧手段と、
容器を介して容器の内部空間および内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を加熱する加熱手段と、
容器の内部空間に収容される捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けて光を照射する光源と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質によって散乱される反射散乱光を検出する検出器と、
検出器によって検出される光強度から浮遊粒子状物質中の元素状炭素、有機炭素および水分の量を演算する演算手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項６】
光源は、捕集フィルタ上の浮遊粒子上物質に向けて波長が１〜１０μｍの赤外光を含む光を照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項７】
浮遊粒子捕集手段によって捕集フィルタ上に捕集された浮遊粒子状物質に対してβ線を照射するβ線照射手段と、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質を透過したβ線を検出するβ線検出器とを、さらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１６２３４３（Ｐ２００６−１６２３４３Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５１５０３（Ｐ２００４−３５１５０３）
【出願日】平成１６年１２月３日（２００４．１２．３）
【出願人】（５９１０８１３２１）紀本電子工業株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月３日（２００４．１２．３）
【出願人】（５９１０８１３２１）紀本電子工業株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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