JPS634656B2

JPS634656B2 -

Info

Publication number: JPS634656B2
Application number: JP55187655A
Authority: JP
Inventors: Shusuke Yoshama; Yukio Tamori
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1980-12-27
Filing date: 1980-12-27
Publication date: 1988-01-29
Also published as: JPS57110939A

Description

[Detailed description of the invention]

本発明は、気体中浮遊粒子状物質の粒径分布を
測定する装置に関し、より詳くは、慣性衝突の原
理を応用したアンダーセンサンプラーの改良に関
するものである。気体中浮遊粒子状物質（以下、単にエーロゾル
と呼ぶ）に係る測定法としては光散乱法がある
が、この方法ではエーロゾルの粒子径別の質量測
定データを正確に得ることは困難である。大気中のエーロゾル質量濃度を測定する装置と
して、慣性衝突の原理を応用したアンダーセンサ
ンプラーが知られている。第１図はこの種のサン
プラーの模式的立断面図である。図中、１ａ〜１
ｅはそれぞれ第１〜第５分級部であつて、順次積
重ねられて円筒状本体を形成する。分級部１ａ〜
１ｅはそれぞれジエツトプレート２ａ〜２ｅを有
しており、各ジエツトプレートには複数個の噴出
孔（ノズル）３ａ〜３ｅが形成されている。各ジ
エツトプレートの下部には捕集板４ａ〜４ｅが装
着され、また第５段分級部１ｃの捕集板４ｅの下
流にはフイルター５が設けられている。６は吸引
気流導入口、７は図示しない真空ポンプに接続さ
れる排出口である。８は第１〜第５分級部１ａ〜
１ｅを一体的に固定保持するための固定手段であ
る。ジエツトプレート２ａ〜２ｅに設けたノズル
３ａ〜３ｅは、下段になるにつれ順次孔径が小さ
く、且つ数が少なくなつている。従つて、一定の
流量で吸引すると、下段のジエツトプレートほど
そのノズル部の流速は増大することになる。このような構成のサンプラーを被測定エーロゾ
ル環境中に置き、真空ポンプにより装置内にエー
ロゾルを吸引する。吸引気流中の粒子は各分級部
においてジエツトプレートのノズルにより加速さ
れ、捕集板４ａ〜４ｅによつて急激に流れの向き
を変えられる時に、第２図に示したように粗大粒
子は流線に沿つて通過することはできずに捕集板
に慣性衝突し捕集される。この時、捕集される粒
子の大きさは、ノズルの直径とノズル部分の流速
に関係し、慣性パラメータにより次式のように
定められる。＝Ｃ・ρ・Ｖ・D²／_P／18・μ・D_C……(
1) 式中、：油次元慣性パラメータ（₅₀＝0.14）Ｃ：カニンガムのスリツプ係数（1.0＋0.16×
10^-4／dp） ρ：粒子の密度（ｇ／cm³）Ｖ：ノズル部分の平均流速（cm／秒） D_P：捕集される粒子の直径（cm） μ：気体の粘性係数（1.84×10^-4ｇ／cm・秒） D_C：ノズルの直径（cm）吸引気流中のエーロゾルはこのようにして上段
から下段の分級部に向い流れ、このとき、粗大粒
子より順に慣性衝突により各捕集板に捕集されて
行く。最終捕集板４ｅにも捕集されないサブミク
ロン粒子はフイルター５により完全に捕集され
る。所定時間のサンプリングの後、捕集板を秤量
して捕集された粒子の重量を求め、これにより任
意の粒径に対する粒子濃度を求める。このように
してエーロゾル粒径分布を測定することができる
が、上記したサンプラーによつては、大気中の質
量濃度を短時間に試料採取する場合、衝突捕集さ
れる粒子は極微量であるため化学天秤での測定は
不可能に近い。一方、水晶発振式（Piezoelectric
Microbalance）の粉塵計が近年開発されている。
このものは、直接水晶発振子上に吸引、付着せし
めた粉塵の質量がその発振子の周波数の変化から
求められることから、吸引空気量をあわせて測定
することにより、粉塵濃度の測定を可能としたも
のである。しかしこの装置は、計器の基本特性で
ある付着粒子質量と周波数変化との関係を試験す
るための方法が明確でないという問題点があり、
質量感度として理論値やろ過法の測定値を用いて
求めているのが現状である。本発明は、水晶発振子を用いることにより前記
したアンダーセンサンプラーを改良し、測定精度
を高めるとともにリアルタイムの測定結果を得る
ことを可能としたものである。即ち、本発明によ
り、垂直方向に多段に設けた噴出孔を有するジエ
ツトプレートと各ジエツトプレートの下部に設け
た捕集板とから構成され、浮遊粒子状物質を含有
する気体を本体上部から下部に向けて吸引導入す
ることにより該浮遊粒子状物質を各段の捕集板に
慣性衝突させて粗大粒子より順に上段から下段に
向つて分級捕集する粒径分析装置において、噴出
孔の直径を全て同一とするとともに噴出孔の数を
上段から下段になるほど少くして浮遊粒子状物質
の噴出孔通過速度が下段になるほど増大するよう
にし、且つ各段の捕集板の浮遊粒子状物質が衝突
捕集される位置に水晶発振子を設けることにより
水晶発振子上へ付着する粒子団の径を同一としつ
つ水晶発振子に付着した粒子の質量を発振子の発
振周波数変化から測定することを特徴とする水晶
発振式粒径分析装置が提供される。本発明を図面により次に詳細に説明する。第３
図は本発明に係わる測定装置の主要の一実施例を
示す立断面図であり、図中第１図と同じ参照番号
は同一の構成要素を示す。慣性衝突の原理を応用
している点、本装置は第１図のものと同一である
が、本装置は次の２点において第１図の公知装置
と異つている。即ち、本発明においては、各ジエ
ツトプレート２ａ〜２ｅに設けたノズル３ａ〜３
ｅの径をすべて同一とし、各ジエツトプレート２
ａ〜２ｅの下部に設置した捕集板４ａ〜４ｅには
水晶発振子が組込まれている。第３図において、第１〜５図分級部１ａ〜１ｅ
のジエツトプレート２ａ〜２ｅにはそれぞれ所定
の数のノズル３ａ〜３ｅが設けられ、このとき下
段ほどノズル数は少くされている。例えば、第１
段のジエツトプレート２ａに65個、第２段に25
個、第３段に６個、第４段に２個、そして第５段
のジエツトプレート２ｅには１個のノズルが設け
られている。前述のとうりノズルの径はいずれも
所定の同一径である。従つて排出口７に真空ポン
プ（図示せず）を接続して所定流量で吸引する
と、第１図の装置と同様に、下段に進むほどノズ
ル部での流速は増大し、エーロゾル粒子は粗大粒
子から順に慣性衝突の原理に従つて捕集板４ａ〜
４ｅに分級捕集される。ノズル部を通過するエーロゾルの平均流速は次
式(2)で表わされる。Ｖ＝４・Ｑ／60・Ｎ・π・D_C ²……(2) 式中、Ｑ：吸引気体量（cm³／分）Ｎ：ノズル数式(1)、(2)より、粒子直径D_Pは次式のようにな
る。従つて、慣性パラメータ及びノズル直径D_C
を一定とするならば、衝突捕集される粒子径D_P
は吸引気体量Ｑとノズル数Ｎの関数であることに
なる。例えば仮に、吸引気体量Ｑを１／分、ノ
ズル直径D_Cを0.05cmとすると、下記のノズル数の
各分級部で捕集されるエーロゾル粒子は次のよう
になる。 The present invention relates to an apparatus for measuring the particle size distribution of particulate matter suspended in a gas, and more particularly to an improvement of an Andersen sampler that applies the principle of inertial collision. Light scattering is a method for measuring particulate matter suspended in gas (hereinafter simply referred to as aerosol), but with this method it is difficult to accurately obtain mass measurement data for each particle size of aerosol. The Andersen sampler, which applies the principle of inertial collision, is known as a device for measuring aerosol mass concentration in the atmosphere. FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of this type of sampler. In the figure, 1a to 1
e are the first to fifth classified parts, which are stacked one after another to form a cylindrical main body. Classifying section 1a~
1e has jet plates 2a to 2e, each of which has a plurality of jet holes (nozzles) 3a to 3e formed therein. Collection plates 4a to 4e are attached to the lower part of each jet plate, and a filter 5 is provided downstream of the collection plate 4e of the fifth stage classification section 1c. 6 is a suction airflow inlet, and 7 is an outlet connected to a vacuum pump (not shown). 8 is the first to fifth classification parts 1a to
This is a fixing means for integrally fixing and holding 1e. The nozzles 3a to 3e provided on the jet plates 2a to 2e have hole diameters that become smaller and fewer in number as they move toward the lower stage. Therefore, when suction is performed at a constant flow rate, the lower the jet plate, the higher the flow velocity of the nozzle portion. A sampler having such a configuration is placed in an aerosol environment to be measured, and the aerosol is sucked into the device by a vacuum pump. Particles in the suction airflow are accelerated by the nozzles of the jet plate in each classification section, and when the flow direction is rapidly changed by the collection plates 4a to 4e, coarse particles are separated from the flow as shown in Fig. 2. It cannot pass along the line, but collides with the collection plate due to inertia and is collected. At this time, the size of the collected particles is related to the diameter of the nozzle and the flow velocity of the nozzle portion, and is determined by the inertial parameter as shown in the following equation. =C・ρ・V・D ² / _P /18・μ・D _C ……(
1) In the formula, : Oil dimensional inertia parameter ( ₅₀ = 0.14) C: Cunningham's slip coefficient (1.0 + 0.16 ×
10 ^-4 /dp) ρ: Particle density (g/cm ³ ) V: Average flow velocity at the nozzle (cm/sec) D _P : Diameter of collected particles (cm) μ: Gas viscosity coefficient (1.84 ×10 ^-4 g/cm・sec) D _C : Diameter of the nozzle (cm) The aerosol in the suction airflow flows from the upper stage to the lower classification section in this way, and at this time, the coarse particles are separated by inertial collision. It is collected on a collection plate. Submicron particles that are not collected on the final collection plate 4e are completely collected by the filter 5. After sampling for a predetermined time, the collection plate is weighed to determine the weight of the collected particles, thereby determining the particle concentration for a given particle size. The aerosol particle size distribution can be measured in this way, but when sampling the mass concentration in the atmosphere in a short time using the sampler described above, the particles collided and collected are extremely small. Measurement using a chemical balance is nearly impossible. On the other hand, crystal oscillation type (Piezoelectric
Microbalance) dust meters have been developed in recent years.
With this device, the mass of dust that is attracted and deposited directly on the crystal oscillator can be determined from the change in the frequency of the oscillator, so it is possible to measure the dust concentration by measuring the amount of air sucked in as well. This is what I did. However, this device has the problem that the method for testing the relationship between the mass of attached particles and frequency change, which is a basic characteristic of the instrument, is not clear.
At present, mass sensitivity is determined using theoretical values and measured values using filtration methods. The present invention improves the above-mentioned Andersen sampler by using a crystal oscillator, thereby increasing measurement accuracy and making it possible to obtain real-time measurement results. That is, according to the present invention, the jet plate is composed of a jet plate having ejection holes provided in multiple stages in the vertical direction and a collection plate provided at the bottom of each jet plate, and the gas containing suspended particulate matter is collected from the top of the main body. In a particle size analyzer that sucks and introduces suspended particulate matter toward the bottom, the suspended particulate matter is caused to inertially collide with the collection plates of each stage, and is classified and collected in order from the upper stage to the lower stage, starting with the coarse particles. are all the same, and the number of ejection holes is decreased from the upper stage to the lower stage, so that the speed at which suspended particulate matter passes through the nozzle holes increases toward the lower stage, and the suspended particulate matter on the collection plate of each stage is By installing a crystal oscillator at the location where the particles are collided and collected, the mass of the particles attached to the crystal oscillator can be measured from the change in the oscillation frequency of the oscillator while keeping the diameter of the particles attached to the crystal oscillator the same. A crystal oscillation type particle size analyzer having the following characteristics is provided. The invention will now be explained in detail with reference to the drawings. Third
The figure is an elevational sectional view showing one main embodiment of the measuring device according to the present invention, and the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same components. This apparatus is the same as the one shown in FIG. 1 in that it applies the principle of inertial collision, but this apparatus differs from the known apparatus shown in FIG. 1 in the following two points. That is, in the present invention, the nozzles 3a to 3 provided on each jet plate 2a to 2e
The diameter of e is the same, and each jet plate 2
A crystal oscillator is incorporated in the collection plates 4a to 4e installed at the bottom of the filters a to 2e. In Figure 3, the classification sections 1a to 1e in Figures 1 to 5
Each of the jet plates 2a to 2e is provided with a predetermined number of nozzles 3a to 3e, and the number of nozzles decreases toward the bottom. For example, the first
65 pieces on the jet plate 2a of the tier, 25 on the 2nd tier
Six nozzles are provided on the third stage, two nozzles on the fourth stage, and one nozzle on the fifth stage jet plate 2e. As mentioned above, the nozzles all have the same predetermined diameter. Therefore, when a vacuum pump (not shown) is connected to the discharge port 7 and suction is performed at a predetermined flow rate, the flow velocity at the nozzle increases as it goes lower, similar to the device shown in Figure 1, and the aerosol particles become coarse particles. According to the principle of inertial collision, the collection plates 4a~
It is classified and collected in 4e. The average flow velocity of the aerosol passing through the nozzle section is expressed by the following equation (2). V=4・Q/60・N・π・D _C ² ...(2) In the formula, Q: Suction gas amount (cm ³ /min) N: Number of nozzles From formulas (1) and (2), particle diameter D _P becomes as follows. Therefore, the inertia parameter and nozzle diameter D _C
If is constant, the particle size D _P to be collected by collision is
is a function of the suction gas amount Q and the number N of nozzles. For example, if the suction gas amount Q is 1/min and the nozzle diameter D _C is 0.05 cm, the aerosol particles collected by each classification section with the following number of nozzles are as follows.

【表】分級部１ａ〜１ｅの捕集板４ａ〜４ｅの各々に
は、対応するジエツトプレートの任意のノズルの
直下の位置に同一規格の水晶発振子１１ａ〜１１
ｅが設けられている。従つて該ノズルからのエー
ロゾル粒子は水晶発振子に衝突捕集される（第４
図）。捕集粒子の質量に比例して水晶発振子の周
波数は変化するため、各段の水晶発振子における
周波数変化を測定することにより、捕集粒子質量
が計算でき、粒径分布を知ることができる。水晶
発振子の質量感度は同一付着量でも付着直径が異
ると変るが、本発明の装置にあつてはノズル径を
すべて同一としたことにより、各水晶発振子上に
捕集される付着粒子団の直径も同一となる。従つ
て各段の水晶発振子の質量感度も同一となる。
尚、水晶発振子の詳細及び発振回路等は当業者の
熟知するところであり説明は省略する。水晶発振
子として例えば、5MHzの発振周波数を適用した
場合、理論質量感度180Hz／μｇから1/180μｇの
極微量の付着エーロゾル粒子質量を測定すること
ができる。水晶発振子を上記したように各段に１つづつ設
け、そこでの捕集粒子質量から段全体の捕集質量
を求めるようにした場合には、各段のノズル群に
均一に吸引気流が流れるようにノズルの配置パタ
ーンを定めることが重要である。ノズル数が２つ
以上の分級段には２つ以上の水晶発振子を設ける
ことにより、気流の不均一に由来する捕集粒子質
量測定誤差を小さくすることができる。尚、上記実施例では、説明の便宜上分級段数を
５段としたが、これは測定の対象粒子、目的によ
り適宜の段数とすることができる。同様に、各段
のノズル数、ノズル径、吸引気体量も適宜目的に
応じ定めることができる。また、第１図の装置の
ようにバツクアツプフイルターを本体最下流部に
設けることもできる。本発明の装置は、例えば大気汚染の研究、呼吸
器障害の研究、放射性エーロゾルの分級、エアフ
イルターの効率評価、自動車公害の研究、煙道中
粒子の監視など、種々の分野に適用される。[Table] Each of the collection plates 4a to 4e of the classification units 1a to 1e has a crystal oscillator 11a to 11 of the same standard located directly below any nozzle of the corresponding jet plate.
e is provided. Therefore, the aerosol particles from the nozzle collide with the crystal oscillator and are collected (fourth
figure). The frequency of the crystal oscillator changes in proportion to the mass of the collected particles, so by measuring the frequency change in each stage of the crystal oscillator, the mass of the collected particles can be calculated and the particle size distribution can be determined. . Although the mass sensitivity of a crystal oscillator changes when the adhesion diameter is different even if the amount of adhesion is the same, in the device of the present invention, all the nozzle diameters are made the same, so that the adhering particles are collected on each crystal oscillator. The diameter of the group will also be the same. Therefore, the mass sensitivity of the crystal oscillators in each stage is also the same.
The details of the crystal oscillator, oscillation circuit, etc. are well known to those skilled in the art and will not be described here. For example, when an oscillation frequency of 5 MHz is applied to the crystal oscillator, it is possible to measure the mass of an extremely small amount of attached aerosol particles from the theoretical mass sensitivity of 180 Hz/μg to 1/180 μg. If one crystal oscillator is provided in each stage as described above, and the collected mass of the entire stage is determined from the collected particle mass there, the suction airflow will flow uniformly to the nozzle group of each stage. It is important to determine the nozzle arrangement pattern accordingly. By providing two or more crystal oscillators in a classification stage having two or more nozzles, it is possible to reduce errors in measuring the mass of collected particles due to non-uniformity of airflow. In the above embodiment, the number of classification stages was set to five for convenience of explanation, but this number can be set as appropriate depending on the particles to be measured and the purpose. Similarly, the number of nozzles in each stage, the nozzle diameter, and the amount of suction gas can be determined as appropriate depending on the purpose. Further, a backup filter can be provided at the most downstream part of the main body as in the apparatus shown in FIG. The device of the present invention is applied to various fields, such as research on air pollution, research on respiratory disorders, classification of radioactive aerosols, efficiency evaluation of air filters, research on automobile pollution, and monitoring of particles in smoke tracts.

[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来のアンダーセンサンプラーの立断
面図、第２図は捕集板への慣性衝突を示す説明
図、第３図は本発明のエーロゾル粒径分析装置の
主要部を示す立断面図、及び第４図は第２図と同
様な説明図である。図中、１ａ〜１ｅは分級部、
２ａ〜２ｅはジエツトプレート、３ａ〜３ｅはノ
ズル、４ａ〜４ｅは捕集板、５はフイルター、６
は導入口、７は排出口、１１ａ〜１１ｅは水晶発
振子である。 FIG. 1 is an elevational sectional view of a conventional Andersen sampler, FIG. 2 is an explanatory diagram showing inertial collision with a collection plate, and FIG. 3 is an elevational sectional view showing the main parts of the aerosol particle size analyzer of the present invention. and FIG. 4 are explanatory diagrams similar to FIG. 2. In the figure, 1a to 1e are classification sections,
2a to 2e are jet plates, 3a to 3e are nozzles, 4a to 4e are collection plates, 5 is a filter, and 6
7 is an inlet, 7 is an outlet, and 11a to 11e are crystal oscillators.

Claims

[Claims]

1 Consists of a jet plate with ejection holes arranged in multiple stages in the vertical direction and a collection plate installed at the bottom of each jet plate, which directs gas containing suspended particulate matter from the top of the main body to the bottom. In a particle size analyzer in which the suspended particulate matter is inertially collided with the collection plate of each stage by suction and introduced, and the coarse particles are classified and collected from the upper stage to the lower stage, the diameter of the ejection hole is substantially the same. At the same time, the number of ejection holes is made smaller from the upper stage to the lower stage, so that the speed at which suspended particulate matter passes through the nozzle holes increases toward the lower stage, and the suspended particulate matter of the collection plates of each stage is made to A crystal oscillation type particle size analyzer characterized in that a crystal oscillator is provided at each collection position, and the mass of particles attached to each crystal oscillator is measured from changes in the oscillation frequency of the oscillator.