振動型静電界センサのパージエアが電界強度計測に及ぼす影響†崔光石*1，鈴木輝夫*2，山隈瑞樹*1

近年，化学，製薬，食品関連工場などの産業現場において，高分子材料，医薬品や食品材料を粉体で取り扱うことが増えている．特に，絶縁性が高い粉体では，静電気が蓄積しやすく様々な静電気の障害・災害が発生している．これらの静電気に関する障害・災害を防止するためには，粉体の静電気帯電状況をリアルタイムで正確に把握し，安全対策を施すことが肝要である．そのため産業現場においては，静電気安全管理の器具としてエアパージ方式の振動型静電界センサが活用されている．本研究では，このエアパージ方式のセンサの粉体の浸入の防止策であるパージエアが静電界センサの計測値に及ぼす影響を定量的に調べた．本実験では帯電物体を模擬した帯電板を用意し，パージエアの圧力，平行平板電極間の電界強度（計算値），静電界表示値（計測値）の 3 つのパラメータを用いて調べた．実験結果から，パージエアの圧力の影響により，計測値は，計算値と同値とはならなかった．具体的には，零点がずれると共に，電界強度の計測値が低下した．これらの主な原因は，チョッパの振幅が送風圧力の影響を受けていることであることが分かった．

キーワード: 静電界センサ，静電気，粉体，電界強度，パージエア

1序論

示す．静電界センサが測定する電界は，帯電物体と静電粉体の輸送, 乾燥，冷却，反応工程などに使用されて界センサの検出電極の間に，検出電極の表面に対して主に垂直方向に形成するものである．

いる空気輸送設備，流動層，集塵機などのように，大量の粉体（浮遊粒子）を取り扱う装置は，静電気障害・災電界検出の原理は，チョッパが左右振動することによ害を引き起こす可能性が高い．そのため， 各工程においって，静電界センサの検出電極に入る電気力線が時間的て静電気帯電レベルを正確に測定・評価して安全管理をに変化し，検出電極が受ける電界をチョッパによって時行うことが不可欠である．粉体の静電気に関する安全管間的に変化させることにより，検出電極に誘導される電理を行う上で重要となる物理量は電荷量と電界強度であ荷量 q [C]を変化させている．従って，dq/dt=Is は変位電る．

流として，検出電極と接地間に流れることになる．Is を粉体の電荷量を計測する方法として，ファラデーケー

抵抗 Rs [Ω]によって，変位電圧 Vs [V]に変換する．Vs のジ法が挙げられる．しかし、現場の状況などによって粉増幅回路，符号判断回路，平滑回路を経て，電界強度 E体を直接サンプリングし，電荷量そのものを測定するこ[V/m]を表示している．と，リアルタイムで長期連続計測を実施することが困難な場合がある．一方，帯電粉体が形成する電界強度を計

帯電物体
表面電位
φ0 [V]測する方法として，静電界センサによる計測が挙げられる．一般に使用されている静電界センサは振動型静電界センサである．しかし，振動型静電界センサで帯電したチョッパ

粉塵雲を計測する場合，粉体が静電界センサ内に侵入してしまい，計測不能状態に陥ってしまうことがある．そ電界強度
E0 [V/m]チョッパ

誘導電荷検出電極
q [C]の対策として，静電界センサ内をエアでパージして内圧D.C.
H.V.

を高くすることで静電界センサ内への粉体の浸入を防いでいる．しかし，パージエアによって，静電界センサのD.C.
H.V.

変位電圧
Vs [V]

抵抗Rs [Ω]
変位電流
Is [A]

計測値が乱れてしまうことが懸念された．本報では，エアパージによる計測値への影響を定量的に調べたのでその結果について報告する．

図 1 振動型静電界センサの構造図
2

実験装置および方法

本実験に使用した振動型静電界センサの構造を図 1 に実験装置の全体の概要を図 2 に示す．本実験装置は，主に，静電界センサ（春日電機（株），KSF-0201（図 3）），静電界表示器（春日電機（株），KSV-800AP），平行平板† 本報は労働安全衛生研究，Vol.8, No.1, pp.49-53 の記述に追記を行い，電極（SUS, 50 cm×50 cm），直流高電圧電源（春日電機

まとめ直したものである 1)（株），AKTP-25 1PN），圧力計，エアコンプレッサ（（株）*1 労働安全衛生総合研究所 電気安全研究グループ

日立製作所，7.50P-7V），エアドライヤ（CKD（株），*2 春日電機株式会社

RD2008-AC100V）などで構成されている．平行平板電

連絡先：〒204-0024 東京都清瀬市梅園 1-4-6
労働安全衛生総合研究所 電気安全研究グループ 崔 光石*1
E-mail: choiks@s.jniosh.go.jp–93–労働安全衛生総合研究所特別研究報告 JNIOSH-SRR-No.47 (2017)3

極は帯電板と接地板からなり．この間に平等電界を形成

実験結果および考察

先ず実験は Et をパラメータとして，P を変化させたする．静電界センサを平行平板電極の接地板の中央に設置して，平等電界を検出した．静電界センサから出力し時の Em の変化について測定した．本実験では，始めに，た信号を静電界表示器で，E として計測した．帯電板は，パージなしの状態で, Et と Em に関して，零点調整を行帯電物体を模擬し，直流高電圧電源により，平行平板電った．この較正後，実験条件で指定した Et に固定し，連極間（距離：1cm）に高電圧を印加し，電極間電圧 V を続で P を変化させながら，Em を測定した．それらの実－10.0～＋10.0 kV の範囲で 2.0 kV ずつ変化させた．実験結果を図 4（Et;＋の領域）と，図 5（Et;－の領域）に

験は，静電界センサ内のパージ圧力 P [MPa]，平行平板示す．

電極間の電界強度 Et [kV/cm] （計算値），静電界表示器

これらの結果から，以下の 3 つのことが分かった．の計測値 Em [kV/cm]の 3 つのパラメータについて検討①センサにエアパージを行うことにより，Em と Et にずれが発生し，Pした．

⑤P [MPa]

0.20 MPa と変化させると， Em =－10.2，－6.3，－3.8kV/cm までずれた．
②平行平板間の電界強度 Et が正から負に行くほど，Em③の Et とのずれが大きくなった．例えば，P =0.00 MPa

0.0kV/cm

Et [kV/cm]①④が高くなるほど，その影響が大きくなった．例えば，Et =－10.0 kV/cm では，P =0.00，0.10，から P =0.20 MPa に変化する時，Et =＋10.0，±0.0，－10.0 kV/cm の順に条件を変更すると，Em のずれは，⑥Em [kV/cm]＋2.0，＋4.3，＋6.4 kV/cm と変化した．
③零点もエアパージの影響を受けることが分かった．具
体的には P =0.00 MPa から P =0.20 MPa に変化する時，
Em は，＋4.3 kV/cm のずれが発生した．

②0.0 kV/cm
6.0 kV/cm

15Em [kV/cm]

図 2 実験装置の概要図(①帯電板，②直流高電圧電源，③静電界センサ，④接地板，⑤圧力計，⑥静電界表示器)

2.0 kV/cm
8.0 kV/cm

4.0 kV/cm
10 kV/cm

10500.00

0.05

0.100.150.20

P [Mpa]
図 4 P に対する Em の変化（Et;＋の領域）

5Em [kV/cm](a) 前面0-50.0 kV/cm-4.0 kV/cm-8.0 kV/cm-10-2.0 kV/cm-6.0 kV/cm-10 kV/cm-150.00

0.05

0.100.15

P [Mpa](b) 背面

図 5 P に対する Em の変化（Et;－の領域）

図 3 振動型静電界センサ–94–0.20振動型静電界センサ内の送風が電界強度計測に及ぼす影響

次に，上記の実験結果より，パージエアによって零点調整の影響を詳細に調べるために追加実験を行った．実2験手順の大まかな流れは上記の実験と同様である．但し，0追加手順として，P を変化させると零点がずれてしまうEm [kV/cm]

ので，設定した P で再度零点調整を行った後，Et を変化させて，Em を測定した．それらの実験結果を図 6（Et ;＋の領域），図 7（Et ;－の領域）に示す．
これらのことから，以下の 3 つのことが分かった．
①エアパージの状態で零点調整を行っても，Em と Et に-2-4-6-8はずれが発生した．つまり，エアパージ状態で増幅度の-10調整もしなければならないことがわかった．②Et を強く-12-10するほど，Em の Et とのずれが大きくなった．例えば，

P =0.20 MPa の条件で，Et =＋2.0，＋6.0，＋10.0 kV/cmと変化させると，Em とのずれは，－0.3（感度低下率 Em/Et ；15 %），－1.1（18 %），－1.6 （16 %）kV/cm と変化し，感度低下率は Et に依存しなく，2 割前後であった．③P が高くなるほど，その変化の度合いが大きくなった．例えば，Et =＋10.0 kV/cm の時，P =0.00，0.10，0.20 MPa の順に条件を変更すると，Em =＋10.1，＋9.2，-8-6-4-2
Et [kV/cm]
P =0.00MPa
P =0.05MPa
P =0.10MPa
P =0.15MPa
P =0.20MPa0

図 7 Et に対する Em の変化（Et;－の領域）(指定するP の強さ毎で再度零点調整)

60＋8.4 kV/cm と変化した．
追加実験の結果より，Em が P の影響を受けることが40明らかとなったため，静電界センサからの出力信号 Vs

Vs [mV][mV]に関する P の影響について検証実験を行った．Vsは静電界センサの検出電極の信号を，オペアンプ IC を用いた増幅回路よる信号である．Vs をオシロスコープ

200-20（RECROY（株）製，454）でサンプリング周波数 200kS/s にして波形を観測した．実験結果を図 8 に示す．実-40験結果から，Vs は，P の有無に関らず共に周波数が 1 kHz-600であったことから，周波数には P の影響がないことが分かる．このことから，オペアンプ IC の周波数特性よる増幅回路の増幅度の違いはないと判断出来る．しかし，

Vs の振幅は P 増加の影響を受けて小さくなった．

123t [ms]P =0.00 MPa（送風なし）
P =0.20 MPa（送風あり）

4

図 8 P の強さに対する Vs の波形の変化（Et =－10.0kV/cm）
さらに，Vs が P の影響を受けることが明らかとなっ12たため，チョッパの動きを高速度カメラ（FASTCAM

Em [kV/cm]

10Mini UX100，（株）フォトロン）で撮影し，その振動状8態について調べる検証実験を行った．チョッパは図 1 に6示した通り，検出電極の誘導電荷量に影響を与える重要4な部品である．図 9 に示すように，チョッパの振動と送風の向きは垂直な関係にある．チョッパ部分を拡大して，2

高速度カメラで撮影した動画の静止画を図 10 に示す．

0-20左右の縦型長方形がチョッパである．チョッパの角の上

2468
Et [kV/cm]
P =0.00MPa
P =0.05MPa
P =0.10MPa
P =0.15MPa
P =0.20MPa

端の 2 点（追跡点 a，追跡点 b）の振幅状況について，

10

動画解析ソフトウェア（PFA，（株）フォトロン）を用いて同データを 3 回解析して平均値を調べた．実験結果を
図 11 に示す．チョッパは矢印方向 1，2 の動きを交互に繰り返して振動する．実際の静電界センサでは，チョッパ部分が金属円筒で覆われて撮影出来ないため，可視化

図 6 Et に対する Em の変化（Et;＋の領域）(指定する可能なアクリル製の円筒を被せて模擬実験を行った．実P の強さ毎で再度零点調整)

験結果より，チョッパの振幅 A [mm] は 10－1 mm オーダであることが分かった．また，P が高くなるほど，A–95–

労働安全衛生総合研究所特別研究報告 JNIOSH-SRR-No.47 (2017)は小さくなった．具体的に，追跡点 a の場合，P =0.00，0.01，0.02，0.03 MPa と変化させると，A =0.551，0.469，0.60.441，0.397 mm と変化した．P =0.03 MPa の A を P

0.5=0.00 MPa の A と比較すると，27.9 % 小さくなった．

A [mm]

追跡点 b も追跡点 a と同様な傾向が得られた．
以上の実験結果から，Em が P の影響によって Et とずれてしまった理由について考察する．P による Em のず

0.4
0.3

れの現象は以下の 2 つが考えられる．

0.2①Em の感度の低下
P が強くなると，A が小さくなり，Em の絶対値が小さ0.10くなる．

00.01
0.02
P [MPa]②零点の移動0.03

E =0.0 kV/cm でも，チョッパを振動させる回路の影響を受けて Vs に正弦波が流れる．P の影響を受けて A が小図 11 追跡点 a における P に対する A の変化さくなるため，元の零点の位置からずれてしまい，零点4の移動が生じる．
これらの現象から図 4，図 5 の Et に関しての P に対結論

振動型静電界センサ内の送風の電界強度計測への影響する Em の変化の影響の受け方が異なっていた理由は，について調べた．その結果，以下のことが分かった．

以下のように説明が出来る．

1)1)Et =－10kV/cm は Em の検出の低下による＋移動と，送風圧力 P の影響により，静電界表示器の計測値

Em は，平行平板電極間の電界強度（計算値）Et と零点による＋移動によって，Em が大きく数値変化する．

同値とはならない．

2) Et =＋10kV/cm は Em の検出の低下による－移動と，

2)送風圧力 P の影響により，零点がずれると共に，

3)

静電界表示器の計測値 Em が乱れる主な原因は，送零点による＋移動によって，Em が小さく数値変化する．

Em の感度が低下する．
風圧力 P の影響を受けて，チョッパの振幅 A が小さくなり，その結果誘導電荷が小さくなることである．
4)

本実験で使用した静電界センサは，実際の現場で扱う一定の送風圧力 P で較正することが望ましい．
今後の課題として，静電界センサのチョッパに送風が当たらない構造にする，または，送風の影響を受けづらい構造にすることが挙げられる．その他に，静電界センサを実際の現場で静電気安全管理として適用出来るように防爆化を施すことも検討する必要がある．
図 9 チョッパの動きと送風の向きの関係
謝
追跡点 b

追跡点 a
1
チョッパ
2

辞

本研究を実施するにあたり，（元）春日電機の野蝼直人様にご協力を頂いたこと，大変感謝致します．

1

参チョッパ考文献1)

労働安全衛生研究、Vo.8, No.1, pp. 49-532)

Goodfellow HD, Graydon WF. Photochromatic systemof an acid-sensing porpyyrin. Can. J. Chem. Eng. 1998;

246: 120-125.
3)山田太郎．職場での浮遊粉じんとその人体への影響．産業衛生学会雑誌. 1994; 18: 15-20.

1 mm
図 10 チョッパの振幅を調べるための 2 点（追跡点 a，追跡点 b）の位置–96–