(57)【要約】粒子分布に関連する第１パラメータが第１測定点で測定され（３０２）、第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ（３０４）、粒子分布に関連する第２パラメータが第２測定点で測定され（３０５）、粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータが、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの密度特性を決定するために使用される（３０６）ことを特徴とする、粒子分布の密度特性を測定するための方法および装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析される粒子流が第１測定点に導かれ、
粒子分布に関連する第１パラメータが電界を用いて第１測定点で測定され（３０２）、
第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ（３０４）、
粒子の空気力学的粒子径に関連する第２パラメータが第２測定点で測定され（３０５）、
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータが、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの密度特性を決定するために使用される（３０６）ことを特徴とする粒子分布の密度特性の測定方法。
【請求項２】
該測定方法が実時間で実行されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項３】
第１測定点で検出された粒子の第２測定点への流入が制限される（３０３）ことを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項４】
第１測定点で検出された粒子の第２測定点への流入が、第１測定点での測定の収集方法を用いることによって制限されることを特徴とする請求項３記載の測定方法。
【請求項５】
元の流れに含まれる粒子分布の少なくとも１つの有効密度が計算されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項６】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが粒子の移動度に関連していることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項７】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが移動度粒子径の中央値を計算するために使用されることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
【請求項８】
移動度に関連する前記パラメータが、粒子の電気移動度に関連していることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
【請求項９】
移動度に関連する前記パラメータが、粒子の機械的移動度に関連していることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
【請求項１０】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが測定された粒子分布の形状についての情報を含んでいることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１１】
空気力学的粒子径に関連する前記パラメータが、空気力学的粒子径の中央値の計算に使用されることを特徴とする請求項１０記載の測定方法。
【請求項１２】
空気力学的粒子径に関連する前記パラメータが、粒子分布の空気力学的粒子径分布の計算に使用されることを特徴とする請求項１０記載の測定方法。
【請求項１３】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、移動度チャネル検出器を用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１４】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、電気沈殿フィルタを用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１５】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、電気低圧インパクタを用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１６】
第１測定点で電界を発生させる手段（４３ａ，４３ｂ）と、
前記電界を用いて第１測定点で粒子の移動度に関連するパラメータを測定する手段（２１，４１）と、
第２測定点で粒子の空気力学的粒子径に関連する第２パラメータを測定する手段（２２）と、
前記第１パラメータおよび空気力学的粒子径に関連するパラメータを用いて、元の粒子分布の少なくとも１つの密度特性を計算するための手段（４８）とを含むことを特徴とする粒子分布の密度特性を測定するための装置。
【請求項１７】
粒子の移動度に関連するパラメータを測定する手段が移動度チャネル検出器を含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定する手段が電気沈殿フィルタを含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定する手段が電気低圧インパクタを含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、粒子分布の密度特性を測定するための、請求項１記載の方法および請求項１６記載の装置に関する。
【０００２】
環境規制の厳格化に伴い、放出粒子を測定する要望が高まっている。特に、ろ過方法の開発、種々の燃焼法の研究および現実の放出監視過程において測定の要望がある。放出粒子の測定における１つの重要なパラメータは粒子密度である。粒子密度は、たとえば粒子の沈殿速度を含む、粒子が運搬されているという観点から重要である様々な特性において重要な要素である。この理由から、たとえば、肺内における粒子の蓄積などの、粒子の健康への影響において粒子密度は重要である。
【０００３】
粒子密度測定における問題は、たとえば、W. P. KellyおよびP. H. McMurryによる論文“Measurement of Particle Density by Intertial Classification of Differential Mobility Analyzer-Generated Monodisperse Aerosol”[Aerosol Science and Technology 17: 199-212, 1992]に記載されている。この論文はまたＤＭＡ装置
(Differential Mobility Analyzer：微分型電気移動度測定装置)およびインパクタを用いる粒子密度の測定の先行技術の方法も開示している。図１はこの方法の操作原理を示す。
【０００４】
論文に開示された方法で、分析される粒子分布を運搬している流れ１３ａはＤＭＡ装置１１とインパクタ１２とから成る装置１０に導かれる。流れは、まずＤＭＡ装置１１に導かれ、ＤＭＡは電界を用いて、その流れから、移動度の狭い電気範囲の粒子を、インパクタ１２に導かれる流れ１３ｂへ分離する。電気移動度がこの狭い範囲内にない粒子は、流れ１３ｃと流れ１３ｄとで測定装置１０から出るように導かれる。
【０００５】
こうして、ＤＭＡ装置を用いて、所与の狭い電気移動度分布１４ｂを有する単分散エアゾル流１３ｂを、電気移動度分布１４aを有し測定装置に導かれる多分散エアロゾル流１３aから分離することが可能となる。
【０００６】
この単分散エアロゾル流は、それからインパクタ１２に導かれ、インパクタは既知の方法で空気力学的粒子径に基づき粒子を分級し、種々の空気力学的粒子径の粒子を種々の収集板上に収集する。収集板を測定することによって、インパクタ内に入れられた流れ１３ｂに含まれる粒子の空気力学的粒子径分布１５を測定することが可能である。
【０００７】
分析される粒子の電気移動度粒子径と粒子分布の空気力学的粒子径分布の両方が既知となると、論文に示された方法で粒子分布の密度を計算することが可能である。
【０００８】
先行技術の上述に示された解決手段は、狭い電気移動度範囲に関してのみしか密度が一度に測定できないという問題を含んでいる。言い換えれば、この方法によって、密度はＤＭＡ装置を用いて単分散流１３ｂに関して計算することができる。多分散流１３ａ中の粒子の密度分布を測定するためには、先行技術に示された解決手段に従ってスキャンニングによって、すなわちまず、１つの電気移動度範囲における密度を決定し、それから測定が別の電気移動範囲で行われるように、ＤＭＡ装置の調整を変更することによってこれが実行されなければならない。この手法は、所望の全範囲で密度が決定されるまで繰り返し行われる。
【０００９】
上述のスキャニング測定に関して信頼性のある結果を得るためには、分析される流れ１３ａは、全測定操作の間、不変にしておくべきである。現実の測定条件では、分析される流れに時間的な変化があるかもしれず、その理由で先行技術の上述の解決手段は、現実の測定条件下において多分散粒子を含んでいる流れの実時間測定には適さない。
【００１０】
本願記載の方法の目的は、先行技術の上述の問題点をなくし、粒子分布の密度特性を測定するためのより簡単な方法を提供することである。
【００１１】
本発明の方法および装置を用いて、第１測定点で粒子分布に関連するパラメータを測定し、第２測定点での粒子分布に関連する別のパラメータを測定することによって、粒子分布の少なくとも１つの密度特性が決定される。本発明によれば、第１の測定点を通過した流れの少なくとも一部分は第２の測定点に導かれる。測定されたパラメータは元の流れに含まれる粒子分布の少なくとも１つの密度特性を決定するために使用される。
【００１２】
本発明の実施の一形態では、第１の測定点で検出された粒子の第２測定点への流入は、たとえば、第１の測定点で、分析される流れから検出された粒子を除去するという測定法を使用することによって制限される。このことで、計算する必要性が簡単になる。
【００１３】
本発明の実施の他の形態では、１つのパラメータは、粒子の移動度に関するパラメータであり、他のパラメータは、その空気力学的粒子径に関するパラメータである。これらを測定するために、好ましくは、移動度チャネル分析器と電気低圧インパクタとが使用できる。
【００１４】
次に添付図を参照して本発明を詳細に説明する。
図１については、先行技術との関係において上述した。
【００１５】
図２は、本発明の測定装置の実施の一形態を示している。この実施形態では、流れ１３ａで運ばれた分析される粒子分布は、第１検出器２１に導かれ、そこで粒子分布の密度測定に関連する少なくとも１つのパラメータＰ１が粒子分布から測定される。パラメータＰ１は、好ましくは粒子の電気的または機械的移動度についての情報を伝達する。
【００１６】
以下に述べる第２のパラメータＰ２と同様にパラメータＰ１は、単一変数または他の単一値であるばかりでなく、変数または値の所与のセットであってもよい。したがって、たとえば、粒子分布の特性に関連するパラメータを見いだすために、測定点で測定することによって生成された３つの異なる変数のセットが、これに関連して１つのパラメータであるとみなすことができる。言い換えれば、当該パラメータＰ１もまた好ましくはパラメータのセットであってもよい。
【００１７】
本発明の有利な実施形態では、検出器２１で検出された粒子は、検出器内に収集されるかまたは他の方法で流れから分離される。測定された粒子の除去によって、後のステップで行われる計算が簡単になり、また特に第２検出器２２に導かれる全流１３ｂが第１検出器２１を通過した場合には、より融通の利く計算が可能となる。言い換えれば、第１検出器２１から流出する流れ１３ｂが、第１検出器２１によって検出された有意量の粒子を含まないことが、本発明の方法の観点から有利である。
【００１８】
第１検出器２１を通過した流れ１３ｂは、第２検出器２２に導かれる。好ましくは、このために、両方の測定装置が、少なくとも検出に必要な部分で、流れを導く同一の構造、たとえばダクト内に据え付けられるようにする。図４はそのような有利な実施形態を示している。
【００１９】
第１検出器２１を通過した流れ１３ｂの一部は、必要であれば、第２検出器２２を通り越して導くこともできる。これは、図２中、流れ１３ｅで示されている。第２検出器２２に導かれる流れ１３ｆは、好ましくは、分析される粒子分布のために、第１検出器２１を通過した流れ１３ｂの代表的サンプルである。対応する流れもまた図４内に描かれている。
【００２０】
第２検出器２２に導かれるべき流れ１３ｆが、たとえ第１検出器２１から来た流れ１３ｂの代表的サンプルを含んでいなかったとしても、第２検出器２２に導かれるべき流れ１３ｆと分析される流れ１３ａとの差を見いだすことができる限り、本発明に従って測定を行うことができる。したがって、分析される流れ１３ａの一部が第１検出器２１を通り越して導かれ、第１検出器２１を通過した流れ１３ｂと第２検出器２２の前で混合した状況においても、本発明の測定法は可能である。しかしながら、この種の状況は計算によって管理することが困難で装置のキャリブレーションを一層複雑にする。
【００２１】
第２検出器２２は、好ましくは第２検出器２２に導かれた流れ１３ｆ中に含まれる粒子の空気力学的粒子径分布の決定に使用することのできる第２測定信号Ｐ２を生成する。分析される流れ１３ａ中に含まれる粒子の密度特性は、それぞれ第１検出器と第２検出器からの測定信号Ｐ１およびＰ２の測定に基づいて計算することによって決定することができる。
【００２２】
本発明の有利な実施形態では、第１検出器２１がオンとなったときに、第２信号Ｐ２の挙動を、分析される流れが第２検出器２２に自由に流入する状況と比較することができる。このような比較に基づいて、第１検出器２１の効率曲線を見つけ出すことが可能である。このような解決手段によって、いっそう簡単で安上がりの検出器を使用することができるが、一方、このことによって装置は実時間測定に不適となるであろう。
【００２３】
本発明の有利な実施形態によれば、分析される粒子分布の有効密度は、移動度粒子径（Ｄｍ）の粒子径中央値とともに空気力学的粒子径（Ｄａ）の粒子径中央値を決定することによって計算することができる。これらの因子が既知となると、有効密度は次の式から計算することができる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
この式において、下付き文字ａは、空気力学的粒子径を示し下付き文字ｍは、移動度粒子径を示す。ＣはCunningham slip補正係数であり、ρａは空気力学的粒子径に対応する密度、すなわち単位密度（１０００ｋｇ／ｍ３）であり、ρeffは有効密度である。
【００２６】
本発明の実施形態で、上述の第１検出器２１は、粒子径中央値を移動度粒子径（Ｄｍ）に従って、得られた第１信号Ｐ１から決定できるように選ばれ、第２検出器は、粒子径中央値を空気力学的粒子径（Ｄａ）に従って第２信号から決定できるように選ばれる。Cunningham slip補正係数は、たとえば、テーブルブックなどの当業者によく知られたいかなる方法からでも決定することができる。したがって、上述の式で未知のまま残っている唯一の変数は、分析すべき分布の有効密度であり、それは解くことができる。
【００２７】
図３は、上述の有効密度の決定を実行する、本発明の方法のフローチャートを示したものである。この方法の第１ステップ３０１において、分析される流れは第１の測定点に導かれ、そこで、ステップ３０２において粒子分布に関連する第１パラメータが第１測定点で測定される。このパラメータは、たとえば、検出器による電流出力の大きさＩ２であってもよく、これは移動度粒子径（Ｄｍ）の粒子径中央値の数値を求めるために使用できる。
【００２８】
ステップ３０３において、第１測定点で測定された粒子の第２測定点への流入が制限される。これは好ましくは、測定の収集方法を用いることによって達成され、それによって、検出された粒子は検出過程と関連して分析中の流れから除かれる。
【００２９】
ステップ３０４では、第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ、そこで粒子分布に関連する第２パラメータがステップ３０５で測定される。このパラメータは、たとえば検出器による電流出力の大きさＩ１であってもよく、これは空気力学的粒子径（Ｄa）の粒子径中央値の数値を求めるために使用できる。
【００３０】
ステップ３０６では、粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータは、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの密度特性を決定するために使用される。分布の有効密度を決定するために、上述の式が好適に使用される。
【００３１】
図４は本発明の解決手段の実施の一形態を示すものである。図において分析される流れ１３ａは、煙道４９中を流れる。その流れははまず煙道内に設置された移動度チャネル検出器４１を通って導かれる。まず、流れ１３ａは、流れ１３ａ中の粒子を帯電させるコロナ帯電装置４３を通過する。この後、流れは電極４３ａおよび電極４３ｂ間に誘導された電界Ｅ中に導かれる。電界Ｅの影響によって帯電した粒子はその電荷によって逆符号の電極に運ばれる。電極に衝突したとき粒子は放電する。このことが、測定すべき粒子分布の電気移動度に比例した電流Ｉ２をもたらすであろう。好ましくは、電極で収集された粒子の少なくともかなりの部分は、たとえば電極に付着することによって流れから除かれる。
【００３２】
さらに、煙道４９には、既知の方法で移動度チャネル検出器４１を通過した粒子を収集する第２の検出器２２が設けられている。検出器で蓄積すると粒子は電流Ｉ１を発生する。好ましくは第２検出器もまた、たとえば先行技術の低圧インパクタであってもよい。他の有利な選択肢は第２検出器として電気沈殿フィルタ(electrical precipitator filter)を使用することである。電気沈殿フィルタと比較して電気低圧インパクタの利点は、たとえばそれが粒子径分布を実時間で測定するために使用できるということであり、この理由で上述した粒子径分布の中央値が容易に計算される。
【００３３】
検出器４１,２２から得られる電流信号Ｉ１，Ｉ２は、元の流れ１３ａ中に含まれる粒子分布の少なくとも１つの特性についての情報を生成するために、これら電気信号を使用する別個の計算ユニット４８に導かれる。
【００３４】
図５は、検出された粒子分布に及ぼす本発明の方法の影響を示している。図２または図４の装置中で第２検出器２２が、上述したような電気低圧インパクタのような、粒子径分布を測定する検出器である場合、その検出器は図５の粒子径分布を生成するために使用でき、この図中、空気力学的粒子径は、横軸に示され、検出された粒子量は縦軸に示されている。第１検出器が稼動しておらず分析される流れが粒子径分布を測定するために検出器に導かれる場合、図５中で実線で示された包絡線５１の分布が得られる。
【００３５】
図２中の第１検出器２１または図４中の移動度検出器４１が稼動し始めると、破線５２で限定された領域によって示された粒子量は、第２検出器で検出された粒子径分布から除去される。したがって、第２検出器は破線５３の分布を検出するであろう。
【００３６】
上述のように、使用された検出器のどちらが粒子径分布を現実に計算する能力があるかということは必要ではない。検出器は、要求される特性の計算に使用される、粒子径分布に関連するパラメータを生成することで充分である。そのような状況下で、第１検出器は第１検出器によって検出される粒子分布に比例した信号を生成することができる。たとえば、第１検出器は図５の破線曲線５２の下に残っている縦ハッチング領域に比例した電流信号を生成することができる。さらに、第２の検出器は、図５の破線下に残っている横ハッチング領域に比例した電流信号を生成することができる。
【００３７】
本発明の実施の他の形態では、少なくとも１つの粒子分布に関連する測定されたパラメータは、少なくとも第２測定点で測定された粒子分布の形状についての情報を含んでいる。このようなパラメータは、たとえば標準偏差または上述の空気力学的粒子径および移動度粒子径の中央値を含む。
【００３８】
上述の本発明を用いて、分析される粒子流中に含まれる粒子径分布の有効密度は、粒子径の大きな範囲にわたる同時測定に基づいて決定することができる。言い換えれば、本発明は、先行技術の分級ステップを測定ステップで置き換えることによって、先行技術のいわゆる走査測定の必要性を減じている。このことによって実時間測定が可能になるであろう。
【００３９】
以上、本発明の方法および装置のいくつかの実施形態を記載したが、本発明はこれら実施形態にのみに限定されるわけではなく、記載された請求項の範囲内で変更することができる。特に、第１検出器は移動度分析器であり、第２検出器は電気沈殿フィルタまたは電気低圧インパクタのいずれかであることを上述した。しかしながら、この構成は単に一例として示されたものであり、本発明の操作の原理を説明することを意図するものである。実際には、いくつかの条件下では、たとえば検出器が異なる順序で存在することが有利であることができる。したがって、第１測定点で空気力学的粒子径に関連するパラメータを、第２測定点で粒子の移動度に関連するパラメータを有利に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】粒子分布密度を測定するための先行技術の解決手段を示す。
【図２】本発明の測定装置の実施の一形態を示す。
【図３】フローチャートで本発明の方法を示す。
【図４】本発明の測定装置の実施の他の形態を示す。
【図５】種々の装置で検出された分布間の関係を示す。
【図１】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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2005502043.tif 000009
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2005502043.tif 000014
2005502043.tif 000015
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2005502043.tif 000017
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2005502043.tif 000019
2005502043.tif 000020
2005502043.tif 000021
2005502043.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成15年9月4日(2003.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析される粒子流が第１測定点に導かれ、
粒子が電界を用いて第１測定点で検出され（３０２）、
検出された粒子に比例しかつ粒子分布に関連している第１パラメータが生成され（３０２）、
第１測定点を通過した流れの少なくとも一部分が第２測定点に導かれ（３０４）、
粒子の空気力学的粒子径に関連する第２パラメータが第２測定点で測定され（３０５）、
前記第１および第２パラメータが、元の流れの粒子分布の少なくとも１つの密度特性を決定するために使用される（３０６）ことを特徴とする粒子分布の密度特性の測定方法。
【請求項２】
該測定方法が、実時間で実行されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項３】
第１測定点で検出された粒子の第２測定点への流入が制限される（３０３）ことを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項４】
第１測定点で検出された粒子の第２測定点への流入が、第１測定点での測定の収集方法を使用することによって制限されることを特徴とする請求項３記載の測定方法。
【請求項５】
元の流れに含まれる粒子分布の少なくとも１つの有効密度が計算されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項６】
前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが粒子の移動度に関連することを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項７】
前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが移動度粒子径中央値を計算するために使用されることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
【請求項８】
移動度に関連する前記パラメータが、粒子の電気移動度に関連していることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
【請求項９】
移動度に関連する前記パラメータが、粒子の機械的移動度に関連していることを特徴とする請求項６記載の測定方法。
【請求項１０】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、測定された粒子分布の形状についての情報を含んでいることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１１】
粒子の空気力学的粒子径に関連する前記第２パラメータが、空気力学的粒子径の中央値の計算に使用されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１２】
粒子の空気力学的粒子径に関連する前記第２パラメータが、粒子分布の空気力学的粒子径分布の計算に使用されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１３】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、移動度チャネル検出器を用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１４】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、電気沈殿フィルタを用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１５】
粒子分布に関連する前記第１および第２パラメータのうちの少なくとも１つが、電気低圧インパクタを用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項１６】
第１測定点で電界を発生させる手段（４３ａ，４３ｂ）と、
前記電界を用いて第１測定点で粒子を検出する手段（４３ａ，４３ｂ）と、
検出された粒子に比例しかつ粒子の移動度に関連するパラメータを生成するための手段（２１,４１）と、
第２測定点で粒子の空気力学的粒子径に関連している第２パラメータを測定する手段（２２）と、
前記第１パラメータおよび空気力学的粒子径に関連するパラメータを用いて、元の粒子分布の少なくとも１つの密度特性を計算するための手段（４８）とを含むことを特徴とする粒子分布の密度特性を測定するための装置。
【請求項１７】
粒子の移動度に関連するパラメータを測定する手段が移動度チャネル検出器を含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定する前記手段が電気沈殿フィルタを含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
粒子の空気力学的粒子径に関連するパラメータを測定する前記手段が電気低圧インパクタを含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【国際調査報告】
2005502043.tif 000023
2005502043.tif 000024
2005502043.tif 000025