説明

浮遊粒子状物質測定装置

【課題】長期間にわたり温度センサや湿度センサの清掃を不要にして相対湿度の変動による影響を排除して測定精度の向上を実現する浮遊粒子状物質測定装置を提供する。
【解決手段】検出ユニット20内の温度および測定セル34内の温度および湿度を用いて、検出ユニット20内の湿度を算出し、この算出した湿度と設定湿度(相対湿度50%)とが略一致するようにヒータユニット35が試料大気を昇温・降温させる制御を行い、相対湿度の変動による影響を排除するような浮遊粒子状物質測定装置とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気体中の浮遊粒子状物質濃度を測定する浮遊粒子状物質測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
浮遊粒子状物質(SPM:Suspended Particulate Matter)とは、大気中に浮遊する粒子状物質のうち、直径が10μm(1μm=千分の1mm)以下の固体及び液体粒子などである。この浮遊粒子状物質は、煤煙発生施設や自動車からの排出粒子などの人為的発生源によって発生されるものや、土壌や花粉などの自然的発生源によって発生されるものであり、さらに大気中で物理的・化学的作用を受けている。その主要な成分としては、重金属元素(Fe、Cu、Pb、Zn等)、無機酸の塩類(SO2−、NO)、炭素系化合物等が含まれている。ちなみに浮遊粒子状物質はエアロゾルと呼ばれることもある。
なお、国内においては、10μm以上の粒子を100%カットと定義して「SPM」としているが、海外においては、10μmまたはそれ以上の粒子を50%カットと定義して「PM10」としている。
【0003】
このような浮遊粒子状物質については、肺や呼吸器に沈着するなど呼吸器へ影響を及ぼす大気汚染等の原因とされていることから、環境基準(人の健康を保護する上で維持することが望ましい基準)が設定されており、浮遊粒子状物質濃度が1時間値の1日平均値で0.10mg/m以下であり、かつ、1時間値で0.20mg/m以下であること、と定められている。
【0004】
また、近年では、浮遊粒子状物質のうち、粒子径が10μm以下のもの(以下、10μm以上の粒子を100%カットしたものを「SPM」、10μmまたはそれ以上の粒子を50%カットしたものを「PM10」という)に代えて、粒子径が2.5μm以下のもの(以下、2.5μmまたはそれ以上の粒子を50%カットしたものを「PM2.5」という)が測定対象として重視されつつある。
【0005】
さて、これら大気中のSPM、PM10又はPM2.5という浮遊粒子状物質の計測手段として、浮遊粒子状物質を濾紙上に捕集し、β線吸収方式等を用いてその質量濃度を測定する浮遊粒子状物質測定装置が従来より周知である。
この浮遊粒子状物質測定装置によれば、浮遊粒子状物質の捕集及び濃度の測定といった一連の測定動作を全自動化することが可能である。
【0006】
このような浮遊粒子状物質測定装置の従来技術について図を参照しつつ説明する。
図4は従来技術の浮遊粒子状物質測定装置(PM10の例)の要部説明図である。浮遊粒子状物質測定装置1000の測定部は、図4で示すように、検出ユニット101、β線源102、半導体検出器103、巻取りリール201、濾紙202、キャプスタン203、送りリール204、モータ205、分粒器(PM10用)301、配管302、配管303、ポンプ304を備えている。
【0007】
この浮遊粒子状物質測定装置による測定処理について説明する。
ポンプ304の吸引により分粒器301、配管302,検出ユニット101、配管303、ポンプ304の経路で試料大気が流れ、浮遊粒子状物質を含む試料大気が検出ユニット101に導入される。検出ユニット101内では濾紙202が配置されており、濾紙202が浮遊粒子状物質を捕集する。捕集後の試料大気は、配管303、ポンプ304を経て排気される。
【0008】
上記浮遊粒子状物質に対し、β線吸収方式により浮遊粒子状物質濃度が測定される。このβ線吸収方式による濃度測定について説明する。
測定原理であるが、浮遊粒子状物質が未捕集状態である最新の濾紙202を通過させた場合のβ線強度Iと、浮遊粒子状物質を捕集した状態の濾紙202を通過させた場合のβ線強度Iと、浮遊粒子状物質の単位質量当りのβ線吸収断面積kと、濾紙202の単位捕集面積当りの粒子の質量mと、全捕集面積Sと、積算吸引流量Vとを用いて、浮遊粒子状物質濃度Mは、次式のようになる。
【0009】
【数1】

【0010】
これらS,k,Vを予めメモリ部(図示せず)に登録しておき、β線強度I,β線強度Iを検出して浮遊粒子状物質濃度Mを算出する。
【0011】
CPUボード(図示せず)の濃度演算手段は、まず未捕集状態である最新の濾紙202を通過させた場合のβ線強度Iを表す検出信号を入力してメモリ部に登録する。続いて所定期間にわたり浮遊粒子状物質を捕集した濾紙202を通過するβ線強度Iを表す検出信号を入力する。このとき、検出ユニット101では、捕集された浮遊粒子状物質に対してβ線源102からβ線が放射されると、β線の一部は濾紙202上の浮遊粒子状物質に吸収され、吸収されなかったβ線が半導体検出器103に入力される。半導体検出器103はβ線強度に比例する検出信号を出力する。このβ線強度Iを表す検出信号を濃度演算手段が入力してメモリ部に登録する。濃度演算手段は、メモリ部からS,k,V,I,Iを読み出して上記数1による演算を行って、浮遊粒子状物質濃度M(mg/m)を算出している。
【0012】
そして、計測終了後にモータ205がCPUボード(図示せず)の駆動手段により駆動されて、巻取リール201・キャプスタン203が回転し、送りリール204から濾紙202が繰り出されて新しい部分がセットされるとともに、巻取りリール201が濾紙202の使用済み部分を収容する。
浮遊粒子状物質測定装置1000の概略はこのようなものである。
【0013】
さて、このような浮遊粒子状物質測定装置では、計測精度が湿度により影響されることが知られている。湿度が高い大気から収集した試料大気を用いると、水分や水分を含む浮遊粒子状物質なども濾紙202に捕集される。この水分はβ線を遮蔽する機能を有している。
このため、浮遊粒子状物質によるβ線の吸収以外にも水分がβ線を透過させないこととなって半導体検出器103へ到達するβ線強度が減少し、湿度が高い場合には実際よりも浮遊粒子状物質濃度を高く測定するおそれがある。そこで、従来技術では一般的に試料大気の湿度を所定値以下に抑えることで湿度の影響を取り除いている。
例えば外国論文に係る非特許文献1では浮遊粒子状物質の測定では試料大気をヒータにより30℃まで加温することで、湿度を60%以下に減らすことが記載されている。
また、特許文献1には、浮遊粒子状物質測定装置に類似した構成を有するダスト放射線モニタが記載され、湿度の影響を取り除くためにヒータにより昇温する点が記載されている。なお、特許文献1では測定精度を向上する目的ではなく、濾紙の送りを円滑にするために濾紙を乾燥させている。
【0014】
また、従来技術の他の例としては試料大気やサンプルガスの温度や湿度を検出してサンプルガス流の温度や湿度を所定値に調整することで温度や湿度を所定値に制御するものがある。
特許文献2には、サンプルガスの温度や湿度を検出するセンサと、大気の温度や湿度を検出するセンサと、を備え、これらセンサからの検出信号を用いて温度や湿度を所定の値に制御している。
【0015】
【非特許文献1】Albert Chung et al. "Comparison of Real-Time Instruments Used To Monitor Airborne Particulate Matter", Journal of the Air & Waste Management Association,JANUARY, VOLUME 51, Number 1,p109−p120
【特許文献1】特開平7−244163号公報(段落番号0017,図1)
【特許文献2】特許第3362255号公報(図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
浮遊粒子状物質測定では手分析で行うことがあり、この手分析での濾紙秤量前のコンディショニング条件が湿度50%となっている。そこで、浮遊粒子状物質測定装置でも濾紙202を湿度50%のコンディショニング条件で計測することが望ましい。
しかしながら、従来技術の浮遊粒子状物質測定装置では、相対湿度を所定値以下(例えば相対湿度60%以下)にして浮遊粒子状物質濃度Mの測定を行っており、例えば、相対湿度30%,50%という場合であっても測定が可能であった。そして、手分析のコンディショニング条件である湿度50%よりも試料大気の湿度が低い場合(例えば30%の場合)には、検出ユニット101内の湿度も低くなり、捕集粒子の水分吸着率が異なり、手分析による浮遊粒子状物質濃度Mと異なるという問題があった。浮遊粒子状物質測定装置でも手分析と同じ浮遊粒子状物質濃度Mを得ることができれば、高精度に自動測定することが可能になるので、その改善が要請されていた。
【0017】
そこで、β線吸収方式分析値と手分析値とを一致させるため試料大気の相対湿度を手分析値でのコンディショニング条件である50%で測定すれば、手分析値と一致させて測定精度の向上が見込めるが、現状のβ線吸収方式による浮遊粒子状物質測定では、相対湿度の変動による影響を排除した上で測定することは困難であった。
また、特許文献1に記載されたダストモニタは、濾紙を乾燥させる目的であって相対湿度を著しく低くするものであり、相対湿度が50%よりも低くなって浮遊粒子状物質濃度が手分析値より少なく測定されるという問題があった。
【0018】
また、特許文献2における装置では、温度や湿度を調整することで相対湿度を50%にすることも可能であるが、大気温度センサや大気湿度センサの測定性能がすぐに劣化するという問題があった。例えば、特許文献2における装置では、大気温度センサと大気湿度センサを大気に暴露して大気の温度や湿度を測定している。この場合、大気中の浮遊粒子状物質などが大気温度センサと大気湿度センサの表面に付着・堆積していき、測定性能が劣化する。
そこで、大気温度センサと大気湿度センサと両方とも定期的な清掃(現場の汚染状況によるが、2週間から1ヶ月に1回の清掃)が必要であり、場合によっては持ち帰って分解作業による清掃や再校正を行う必要があり、運用面・保守面で著しい手間を要するという問題があった。さらに清掃作業の間はデータが抜けて欠測するおそれもあった。
【0019】
さらに湿度センサとしては、ヒーター加熱によるクリーニング機能がついたセラミック湿度センサもあるが、安価で広く普及している静電容量式のRHセンサを使用したいという要請がある。
このRHセンサの場合は、エアーでダストを吹き飛ばしたり、センサの電気配線にダメージを与えないように、アルコール、洗剤、水などで洗い、乾燥させる必要がある、というものであり、現場で清掃することは困難であり、上記のように清掃に手間を要するという問題があった。
これらのような事情から温度センサや湿度センサに大気中の浮遊粒子などが付着しないようにして清掃作業を可能な限り不要とし、長期間にわたり計測可能にしたいという要請があった。
【0020】
そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、長期間にわたり温度センサや湿度センサの清掃を不要にして相対湿度の変動による影響を排除して測定精度の向上を実現する浮遊粒子状物質測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
このような本発明の請求項1に係る浮遊粒子状物質測定装置は、
吸引手段により粒子径が所定粒径以下である浮遊粒子状物質を含む試料大気を採取する試料大気採取手段と、
試料大気から浮遊粒子状物質を連続的に捕集する捕集手段と、
捕集手段で捕集された浮遊粒子状物質がある捕集部と、捕集部にβ線を照射し、透過したβ線強度についての検出信号を出力する検出手段と、
捕集手段により捕集される時の試料大気の温度を吸引手段の上流側で計測して上流側温度信号を出力する上流側温度計測手段と、
捕集手段により捕集された後の試料大気の温度を吸引手段の下流側で計測して下流側温度信号を出力する下流側温度計測手段と、
捕集手段により捕集された後の試料大気の湿度を吸引手段の下流側で計測して下流側湿度信号を出力する下流側湿度計測手段と、
上流側温度計測手段からの上流側温度信号、下流側温度計測手段からの下流側温度信号、および下流側湿度計測手段からの下流側湿度信号に基づいて、吸引手段の上流側であって上流側温度を計測する箇所における上流側湿度を算出する上流側湿度算出手段と、
上流側湿度算出手段で算出した上流側湿度に基づいて試料大気の上流側湿度を設定湿度と略一致させる駆動信号を出力する駆動手段と、
駆動手段からの駆動信号に基づいて試料大気の湿度を調整する湿度調整手段と、
設定湿度と略等しい環境の下で、検出手段からの検出信号に基づいてβ線吸収方式により浮遊粒子状物質濃度を算出する濃度演算手段と、
を備えることを特徴とする。
【0022】
また、本発明の請求項2に係る浮遊粒子状物質測定装置は、
請求項1に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記上流側温度を計測する上流側温度計測手段は、検出手段に一体的に配置され、捕集手段により捕集される時の試料大気の温度を、前記捕集部近傍において計測する手段であることを特徴とする。
【0023】
また、本発明の請求項3に係る浮遊粒子状物質測定装置は、
請求項1または請求項2に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
試料大気採取手段の流路の最下流側に設けられ、前記下流側温度計測手段および前記下流側湿度計測手段を内部空間内に収容する収容手段を備えることを特徴とする。
【0024】
また、本発明の請求項4に係る浮遊粒子状物質測定装置は、
請求項3に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記収容手段の内部空間を大きくして内部空間内の圧力を大気圧に近づけることを特徴とする。
【0025】
また、本発明の請求項5に係る浮遊粒子状物質測定装置は、
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記湿度調整手段は、試料大気を昇温または降温させることにより湿度を調整する手段であることを特徴とする。
【発明の効果】
【0026】
以上のような本発明によれば、長期間にわたり温度センサや湿度センサの清掃を不要にして相対湿度の変動による影響を排除して測定精度の向上を実現する浮遊粒子状物質測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
続いて本発明を実施するための最良の形態の浮遊粒子状物質測定装置について図を参照しつつ説明する。図1は本形態の浮遊粒子状物質測定装置(PM10の例)1の構成図、図2は収容ユニットの内部構成図、図3は相対湿度によるβ線吸収方式分析値と手分析値との誤差を説明する特性図である。なお、従来技術と構成が一部重複するが、新しい符号を付すとともに再度説明する。
【0028】
浮遊粒子状物質測定装置1は、CPUボード11、操作パネル12、記録計13、I/Oボード14、パワーI/Oボード15、アンプボード16、外部入出力端子17、検出ユニット20、β線源21、半導体検出器22、送りリール23、キャプスタン24、巻取リール25、分粒器(PM10用)26、ポンプ27、流量センサ28、配管29,30,31、下流側温度センサ32、下流側湿度センサ33、測定セル(温度湿度測定セル)34、ヒータユニット35、上流側温度センサ36,濾紙40、モータM1、モータM2、モータM3を備えている。
これらは、大別すると試料大気採取手段、捕集手段、検出手段、上流側温度計測手段、下流側温度計測手段、下流側湿度計測手段、収容手段、上流側湿度算出手段、駆動手段、湿度調整手段、濃度演算手段となる。以下各手段について説明する。
【0029】
まず、試料大気採取手段について説明する。試料大気採取手段は、吸引手段により粒子径が所定粒径以下(SPMで10μm(10μm以上で100%カット)、PM10で10μm(10μmまたはそれ以上で50%カット)、PM2.5で2.5μm(2.5μmまたはそれ以上で50%カット)である浮遊粒子状物質を含む試料大気を採取する手段である。例えば本形態のように、分粒器(PM10用)26、配管29、検出ユニット20、濾紙40、配管30、ポンプ27(本発明の吸引手段の具体例である)、配管31、流量センサ28、測定セル34を備える。ポンプ27が吸引動作を行うと、試料大気が分粒器26→配管29→検出ユニット20→濾紙40→配管30→ポンプ27→配管31→流量センサ28→測定セル34と通流して外部へ排気される。
【0030】
なお、検出ユニット20は、略直方体形状の上部ブロック20aと下部ブロック20bで形成され、上部ブロック20aには配管29と接続される流路が設けられ、下部ブロック20bには上側の流路と対向するように下側の流路が設けられている。この上部ブロック20aと下部ブロック20bとの間を濾紙40が位置する。
【0031】
このような流路系において、ポンプ27の下流側に流量センサ28が配置され、通流する試料大気ガスの流量を正確に計測して流量信号が出力される。流量センサ28は、例えば、熱式流量センサなどである。さて、流量センサ28から出力された流量信号はI/Oボード14を介してCPUボード11に入力されている。更に、ポンプ27をバイパスする流路にはバルブが設けられており、このバルブは流量安定用のモータM3が接続されており、I/Oボード14を介してCPUボード11からの駆動信号によりモータM3を駆動してバルブを開閉制御する。このような構成により流量を一定量とし、先の数1で挙げた積算吸引流量Vを正確にする。これにより分粒器26は、試料大気を一定流量で吸引する。
【0032】
分粒器26(PM10用)は、例えば試料大気中の粗大粒子の慣性衝突を用いてPM10の分粒を行なうインパクタ方式分粒器であり、試料大気から粗大粒子を取り除き、粒子径が10μm以下(50%カット)の浮遊粒子を通過させた試料大気を得る。
また、PM2.5(粒径2.5μmの浮遊粒子)については、後段にサイクロン方式の分粒器またはインパクタ方式の分粒器を設置して、2.5μm以下の微粒子を選択的に分粒しても良い。これらは測定対象に応じて適宜選択される。
【0033】
このような浮遊粒子状物質を含む試料大気は捕集手段を通過する。
捕集手段は、試料大気から浮遊粒子状物質を連続的に捕集する手段である。例えば本形態のように送りリール23、キャプスタン24、巻取リール25、濾紙40、モータM1、モータM2を備える。モータM1、モータM2の駆動信号はパワーI/Oボード15を介してCPUボード11から出力されている。
テープ状の濾紙40は、未使用の濾紙40を供給する送りリール23と、使用済みの濾紙40をロール状に巻回して収容する巻取りリール25と、により送り可能になされており、検出ユニット20内に一定長さが供給される。
モータM1は検出ユニット20の下部ブロック20bを上下動し、検出ユニット20内に搬送された浮遊粒子状物質捕集用の濾紙40を上下から挟み込んで固定するための開閉動作用モータ、モータM2は濾紙40の送り用モータである。この濾紙40は、モータM1により検出ユニット20が開かれたときに、モータM2により巻取リール25及びキャプスタン24を回転駆動することにより、一定周期(例えば1時間おき)経過後に濾紙40の未使用部分が送りリール23、キャプスタン24を経て検出ユニット20内へ送られるとともに、同じ長さだけ巻取りリール25に収容される。
【0034】
検出手段は、捕集手段で捕集された浮遊粒子状物質にβ線を照射し、透過したβ線強度についての検出信号を出力する手段である。例えば本形態のように、β線源21、半導体検出器22、アンプボード16を備える。半導体検出器22の出力信号はアンプボード16内のアンプにより増幅され、I/Oボード14を介してCPUボード11に入力されている。
検出ユニット20の上部ブロック20aにはβ線源21が、下部ブロック20bにはβ線源21と対向するように半導体検出器22が設けられており、先に説明した流路とβ線放射方向が交差するように配置される。この上部ブロック20aと下部ブロック20bとの間を濾紙40が通過する。検出手段の検出原理は先に説明した従来技術と同様にβ線吸収方式を採用しており、重複する説明を省略する。
【0035】
上流側温度計測手段は、捕集手段により浮遊粒子状物質が捕集される時の試料大気の温度を、吸引手段の上流側で計測して上流側温度信号を出力する手段である。そして、上流側として好ましくは、検出手段に一体的に配置され、捕集手段により捕集される時の試料大気の温度を、捕集手段により捕集される浮遊粒子状物質がある捕集部近傍において計測する手段としている。上流側温度計測手段は、本形態では上流側温度センサ36である。そして、この上流側温度センサ36は、濾紙40とポンプ27との間にあるとともに、濾紙40のうち、浮遊粒子状物質が捕集される箇所である捕集部40a近傍に配置され、詳しくは濾紙40を通過した清浄な空気流が流れる検出ユニット20の下部ブロック20b側であって半導体検出器22の近傍に配置され、ユニット内温度を検出するユニット内温度センサである。この上流側温度センサ36から出力されたユニット内温度信号は、I/Oボード14を介してCPUボード11に入力されている。
【0036】
下流側温度計測手段は、捕集手段により浮遊粒子状物質が捕集された後の試料大気の温度を、吸引手段の下流側で計測して下流側温度信号を出力する手段である。下流側温度計測手段は、本形態では下流側温度センサ32である。そして、この下流側温度センサ32は、詳しくはポンプ27の下流であるとともに流路系の最下流にある測定セル34内に配置される。下流側温度センサ32は、濾紙40を通過した清浄な空気流が流れ込むような測定セル34内における測定セル内温度を検出するセル内温度センサである。この下流側温度センサ32から出力されたセル内温度信号は、I/Oボード14を介してCPUボード11に入力されている。
【0037】
下流側湿度計測手段は、捕集手段により浮遊粒子状物質が捕集された後の試料大気の湿度を、吸引手段の下流側で計測して下流側湿度信号を出力する手段である。下流側湿度計測手段は、本形態では下流側湿度センサ33である。そして、下流側湿度センサ33は、詳しくはポンプ27の下流であるとともに流路系の最下流にある測定セル34内に配置される。下流側湿度センサ33は、濾紙40を通過した清浄な空気流が流れ込むような測定セル34内における測定セル内湿度を検出するセル内湿度センサである。この下流側湿度センサ33から出力されたセル内湿度信号は、I/Oボード14を介してCPUボード11に入力されている。
【0038】
収容手段は、試料大気採取手段の流路の最下流側に設けられ、下流側温度計測手段および下流側湿度計測手段を内部空間に収容する手段である。本形態では、図1や特に図2でも示すように、測定セル34である。測定セル34は、図2のように、セル本体341、シール342、ガス導入口343、ガス排出口344を備える。下流側温度センサ32や下流側湿度センサ33は、シール342により封止された状態で、ガラス製のセル本体341の内部空間に収容された状態で固定されている。セル本体341は、内部空間を大きくしており、ガス導入口343から導入された高圧な試料気体は大容積の内部空間に入り込んで圧力を低下させて大気圧に近づけてからガス排出口344を通過して排気される。下流側温度センサ32や下流側湿度センサ33は、ガス排出口344の直前に配置されており、また、ガラス製のセル本体341とガス排出口344の間にはほとんど流路抵抗はなく、この点でも測定セル内を大気圧に近づけている。また、先に説明したが、流量センサ28によりセル本体341へ流入する流量も一定量となっているため測定セル34内の内部気圧が変動しないように配慮されている。これにより、測定セル34内では大気圧に近い状態における試料大気の温度と湿度を取得することができる。
【0039】
上流側湿度算出手段は、上流側温度計測手段からの上流側温度信号、下流側温度計測手段からの下流側温度信号、および、下流側湿度計測手段からの下流側湿度信号に基づいて、吸引手段の上流側であって上流側温度を計測する捕集部近傍における上流側湿度を算出する手段である。例えば本形態では、CPUボード11、操作パネル12、記録計13、I/Oボード14、パワーI/Oボード15、外部入出力端子17を備え、CPUボード11のプログラム演算により、上流側温度センサ36からのユニット内温度信号、下流側温度センサ32からのセル内温度信号、および、下流側湿度センサ33からのセル内湿度信号に基づいて、ポンプ27の上流側であってユニット内温度を計測する箇所(上流側温度センサ36を設置した箇所)の近傍におけるユニット内湿度を算出する手段である。なお、上流側湿度算出の詳細については後述する。
【0040】
駆動手段は、上流側湿度算出手段で算出した上流側湿度に基づいて試料大気の上流側湿度を設定湿度と略一致させる駆動信号を出力する手段である。例えば本形態ではCPUボード11、操作パネル12、記録計13、I/Oボード14、パワーI/Oボード15、外部入出力端子17を備え、CPUボード11のプログラム処理により、算出したユニット内湿度を設定湿度(相対湿度50%)と略一致させる駆動信号を出力する。駆動手段は、先に説明した上流側湿度算出手段と共通構成とする。なお、駆動の詳細については後に詳述する。
【0041】
湿度調整手段は、駆動手段からの駆動信号に基づいて試料大気の湿度を変更させる手段である。例えば本形態では試料大気を昇温または降温させるヒータユニット35である。CPUボード11から出力され、パワーI/Oボード15により電力増幅された駆動信号がヒータユニット35へ入力される。
【0042】
濃度演算手段は検出手段からの検出信号に基づいてβ線吸収方式により浮遊粒子状物質濃度を算出する手段であり、例えば本形態では、CPUボード11、操作パネル12、記録計13、I/Oボード14、パワーI/Oボード15、外部入出力端子17を備え、CPUボード11のプログラム処理により、濃度演算を行う。この濃度演算手段は、先に説明した上流側湿度算出手段・駆動手段を共通構成とする。なお、濃度算出については後に詳述する。
【0043】
続いて浮遊粒子状物質測定装置1の各動作のうち、湿度調整について図を参照しつつ説明する。図3の特性図は、相対湿度によるβ線吸収方式分析値と手分析値との誤差を表しており、手分析でのコンディショニング条件である大気圧下・相対湿度50%でβ線吸収方式による浮遊粒子状物質濃度Mと、手分析による浮遊粒子状物質濃度Mとが一致する。そこで、コンディショニング条件である相対湿度50%に維持することで、手分析と同じ値が求められることとなり計測精度を高められる。しかしながら、検出ユニット20内はポンプ27の真空吸引により減圧下であるため検出ユニット20内の湿度をそのまま検出しても大気圧下の湿度とは相違しており、何らかの調整を施さないと湿度調整に用いることができない。また、一般に湿度センサは、図2の下流側温度センサ32と下流側湿度センサ33とを比較しても明らかなように、温度センサよりも大型であり、検出ユニット20への設置も容易でないという問題があった。
そこで、検出ユニット20内に湿度センサよりもはるかに小型である温度センサを設置し、検出した検出ユニット20内の温度から大気圧下における相対湿度を割り出してユニット内湿度を算出し、このユニット内湿度に基づいて検出セル20内が相対湿度50%となるように湿度調整するものである。
【0044】
続いて検出中に湿度調整を行う各部の動作について説明する。
ポンプ27の動作により試料大気を分粒器26・配管29を経て検出ユニット20へ導入し、濾紙40の表面で浮遊粒子状物質を捕集しているものとする。このような状況下で試料大気に対して湿度調節動作を行っている。
【0045】
上流側温度センサ36は検出ユニット20内における試料大気の温度を計測してユニット内温度信号を出力している。CPUボード11は、このユニット内温度信号に基づいてユニット内温度を割出し、次式のようにユニット内飽和水蒸気圧を算出する。
【0046】
【数2】

【0047】
下流側温度センサ32は測定セル34内における試料大気の温度を計測してセル内温度信号を出力している。CPUボード11は、このセル内温度信号に基づいてセル内温度を割出し、次式のようにセル内飽和水蒸気圧を算出する。
【0048】
【数3】

【0049】
下流側湿度センサ33は測定セル34内における試料大気の湿度を計測してセル内湿度信号を出力している。CPUボード11は、このセル内湿度信号に基づいてセル内相対湿度を割出す。
続いて、CPUボード11は、上流側湿度算出手段として機能し、先に求めたセル内飽和水蒸気圧、ユニット内飽和水蒸気圧およびセル内湿度から次式のようにユニット内相対湿度を算出する。
【0050】
【数4】

【0051】
これにより、ユニット内相対湿度が算出される。CPUボード11では図示しないメモリ部に予め設定したユニット内相対湿度(設定湿度)を50%として登録している。
算出したユニット内相対湿度が50%より高いとき、CPUボード11は、湿度調整手段を駆動する駆動手段として機能し、パワーI/Oボード15を介して湿度調整手段であるヒータユニット35を昇温駆動する。すると試料大気が温度上昇して相対湿度が低くなっていき、試料大気のユニット内相対湿度が50%となるように維持される。
一方、算出したユニット内相対湿度が50%より低いとき、CPUボード11は、湿度調整手段を駆動する駆動手段として機能し、パワーI/Oボード15を介して湿度調整手段であるヒータユニット35を降温駆動する。すると試料大気が温度降下して相対湿度が高くなっていき、試料大気の相対湿度が50%となるように維持される。これら試料大気の昇温・降温は必要時のみ行うこととなる。
以下同様の湿度調整を順次自動的に行い、ユニット内相対湿度は設定湿度と一致するようになされる。
【0052】
なお、本形態の説明では手分析値と一致させるため設定湿度50%としているが、湿度は50%に限定する趣旨ではなく、違う値を採用しても良い。例えば、海外では上記した手分析のコンディショニング条件が30%〜40%であり、必要に応じて設定湿度30%〜40%としても良い。これら設定湿度は事情に応じて適宜変更することができる。
【0053】
続いて、上記浮遊粒子状物質測定装置により上記のように相対湿度を一定にさせた状態での大気中の浮遊粒子状物質濃度の連続測定について説明する。
オペレータが操作パネル12を操作すると、測定開始するような操作信号がCPUボード11へ入力される。CPUボード11は各部へ制御信号を出力する。このとき既に検出ユニット20には濾紙40の未捕集部分が載置され、上部ブロック20aと下部ブロック20bとにより強固に挟持されるともに、β線が漏出しないように密封されるものとする。まず、β線源21によりβ線を照射する。そして、半導体検出器22からの検出信号が、CPUボード11のメモリ部に一時的に記憶される。一番最初に記憶された検出信号は、β線強度Iとなる。
続いて、I/Oボード14を介してポンプ27へ駆動信号を出力する。大気中から試料大気が吸引され、試料大気の採取が開始される。この場合、上記したように流量センサ28からの流量信号をI/Oボード14を介してCPUボード11が入力しており、所定設定流量を維持するような駆動信号を、I/Oボード14を介してモータM3へ送信しており、モータM3によりバルブが開閉制御されて、流量が所定設定流量となるように調節される。
【0054】
そして、ポンプ27が所定時間作動して予め決められた流量の試料大気が吸引されると、CPUボード11がポンプ27の稼働を停止し、試料大気の採集は停止される。続いて、再度β線源21によりβ線を照射する。そして、半導体検出器22からの検出信号が、CPUボード11のメモリに一時的に記憶される。この検出信号は、β線強度Iとなる。
そしてメモリに登録された、β線強度I 、β線強度Iに加え上記定数S,k,Vを読み出して、上記数1に基づいてβ線吸収方式により浮遊粒子状物質濃度Mを算出する。この浮遊粒子状物質濃度MをCPUボード11が記録計13に記録させる。
記録終了後、濾紙40を移動させる。まず、CPUボード11はI/Oボード14、パワーI/Oボード15を介してモータM1を駆動し、検出ユニット20の下部ブロック20bを降下させて、濾紙40を移動可能な状態とする。続いて、CPUボード11はI/Oボード14、パワーI/Oボード15を介してモータM2を駆動して濾紙40を送り、未使用部分を検出ユニット20に配置する。そして、下部ブロック20bが上昇して最初の状態に戻り、以後、同様の動作を繰り返して自動的に浮遊粒子状物質測定を行うというものである。
【0055】
以上本形態の浮遊粒子状物質測定装置1について説明した。
なお、先に説明した設定湿度は予めCPUボード11のメモリ部に設定登録されているものとして説明したが、例えば、操作パネル12を介してCPUボード11のメモリ部に新たに登録できるようにしても良い。
また、浮遊粒子状物質濃度Mを記録計13に記録するものとして説明したが、さらにI/Oボード14に接続された表示部(図示しない)を搭載し、浮遊粒子状物質濃度Mを表示するような形態を追加しても良い。さらにまた、ハードディスク、光磁気ディスク、USBメモリと接続可能、もしくは、搭載するようにして、これら記憶部にデータを出力するような形態を追加しても良い。
【0056】
このように本発明の浮遊粒子状物質測定装置によれば、試料大気の温度および相対湿度を大気から直接検出する方式に代えて、試料大気を採取して放出する試料大気採取手段の最下流で温度と湿度を検出する方式とした。捕集手段により浮遊粒子状物質を捕集した後の試料大気は、浮遊粒子状物質がない清浄な空気の流れであり、長期間の測定でも上流側温度センサ、下流側温度センサ、下流側湿度センサは何れも汚れることは殆どなくなり、清浄な状態を半永久的に保つことができる。
【0057】
また、検出ユニット内は一般的に小型である温度センサを配置するようにしたため、検出ユニットの小型化や、湿度センサの清掃を不要として、分解整備等の不要化を実現している。
また、一定の選択可能な湿度及び温度条件を維持して、湿度や温度の影響による粒子状物質測定における標準測定法の手分析との差をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】本発明の実施するための最良の形態の浮遊粒子状物質測定装置(PM10の例)の構成図である。
【図2】収容ユニットの内部構成図である。
【図3】相対湿度によるβ線吸収方式分析値と手分析値との誤差を説明する特性図である。
【図4】従来技術の浮遊粒子状物質測定装置の要部説明図である。
【符号の説明】
【0059】
1:浮遊粒子状物質測定装置
11:CPUボード
12:操作パネル
13:記録計
14:I/Oボード
15:パワーI/Oボード
16:アンプボード
17:外部入出力端子
20:検出ユニット
21:β線源
22:半導体検出器
23:送りリール
24:キャプスタン
25:巻取リール
26:分粒器
27:ポンプ
28:流量センサ(熱式流量センサ)
29:配管
30:配管
31:配管
32:下流側温度センサ
33:下流側湿度センサ
34:測定セル
35:ヒータユニット
36:上流側温度センサ
40:濾紙
40a:捕集部
M1,M2,M3:モータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
吸引手段により粒子径が所定粒径以下である浮遊粒子状物質を含む試料大気を採取する試料大気採取手段と、
試料大気から浮遊粒子状物質を連続的に捕集する捕集手段と、
捕集手段で捕集された浮遊粒子状物質がある捕集部と、捕集部にβ線を照射し、透過したβ線強度についての検出信号を出力する検出手段と、
捕集手段により捕集される時の試料大気の温度を吸引手段の上流側で計測して上流側温度信号を出力する上流側温度計測手段と、
捕集手段により捕集された後の試料大気の温度を吸引手段の下流側で計測して下流側温度信号を出力する下流側温度計測手段と、
捕集手段により捕集された後の試料大気の湿度を吸引手段の下流側で計測して下流側湿度信号を出力する下流側湿度計測手段と、
上流側温度計測手段からの上流側温度信号、下流側温度計測手段からの下流側温度信号、および下流側湿度計測手段からの下流側湿度信号に基づいて、吸引手段の上流側であって上流側温度を計測する箇所における上流側湿度を算出する上流側湿度算出手段と、
上流側湿度算出手段で算出した上流側湿度に基づいて試料大気の上流側湿度を設定湿度と略一致させる駆動信号を出力する駆動手段と、
駆動手段からの駆動信号に基づいて試料大気の湿度を調整する湿度調整手段と、
設定湿度と略等しい環境の下で、検出手段からの検出信号に基づいてβ線吸収方式により浮遊粒子状物質濃度を算出する濃度演算手段と、
を備えることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項2】
請求項1に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記上流側温度を計測する上流側温度計測手段は、検出手段に一体的に配置され、捕集手段により捕集される時の試料大気の温度を、前記捕集部近傍において計測する手段であることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
試料大気採取手段の流路の最下流側に設けられ、前記下流側温度計測手段および前記下流側湿度計測手段を内部空間内に収容する収容手段を備えることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項4】
請求項3に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記収容手段の内部空間を大きくして内部空間内の圧力を大気圧に近づけることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。
【請求項5】
請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の浮遊粒子状物質測定装置において、
前記湿度調整手段は、試料大気を昇温または降温させることにより湿度を調整する手段であることを特徴とする浮遊粒子状物質測定装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate


【公開番号】特開2007−147437(P2007−147437A)
【公開日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−341962(P2005−341962)
【出願日】平成17年11月28日(2005.11.28)
【出願人】(000219451)東亜ディーケーケー株式会社 (204)
【Fターム(参考)】