空気質測定での粒子状物質 検出

執筆者：Livio Lattanzio博士, 粒子状物質センサー製品マネージャー, Sensirion

粒子状物質（略称「PM」）は、吸い込むと深刻な健康問題を引き起こす可能性のある浮遊固形粒子および液体飛沫の混合物です。PMには、形状、光学的特性、サイズ、組成などさまざまな特性を持つ粒子がありますが、粒子サイズ情報に基づいてサブカテゴリに分けるのが最も一般的です。それぞれのPMカテゴリは通常、PMxという共通名称で報告され、「x」は浮遊粒子混合物つまり「エアロゾル」の最大粒子直径を定義します。たとえば、PM2.5は通常2.5マイクロメートル以下の直径の吸引可能な粒子と定義され、PM10は10マイクロメートル以下の直径の粒子といった具合になります。PM10とPM2.5の特定のPMカテゴリは、私たちが呼吸する空気の質を評価するために歴史的に各国政府によって重要な監視レベルとして特定されています。PM10粒子は目や喉などの露出した粘液を刺激し、PM2.5粒子は肺を通って肺胞に入ります。PM1.0やPM4.0のような新しいカテゴリも、従来のPM10やPM2.5のレベルに追加情報を提供し、より良い粒子汚染分析を可能にし空気質監視装置に役立っており、検出されたエアロゾルタイプに基づいた新しい装置固有の操作の開発を可能にしています。（例えばハウスダスト対煙）

PMの一般的な定義には、100ナノメートル以上の大きさの粒子が含まれます。その代わりに、100ナノメートル未満の粒子は「超微粒子」あるいは「UFP」として報告され、この記事の対象には入りません。サイズが0.1 ～ 10マイクロメートルの粒子を含む上記のPM定義内では、粒子が小さいほど呼吸器系のより深くまで浸透して血流に至り、私たちの健康への危険性が高まります。世界保健機関（WHO）は、浮遊粒子状物質をグループ1の発がん性のある物質および健康に対する最大レベルの環境リスクとして報告しており、年間の死因のおよそ9分の1となっています。図1では、一般的な汚染源のサイズ範囲を示しており、該当汚染物質の除去に使用される、ろ過技術についてもまとめています（John Wiley and Sons、『Best Practices Guide to Residential Construction』、2006年より出典）。

歴史的に、PM値はμg/m³単位の「質量濃度」で測定されています。その理由は、これまでPMを測定してきて最も正確な方法が重量法であるためです。この手順では、事前に計量されたフィルターを利用して周囲の粒子を収集し、サイズに基づいて物理的に振り分けます（例：2.5 μm未満の粒子はすべて通過させます）。サンプリング期間（通常24時間）の最後に、蓄積したPMの合計質量をμg単位で判定するためにフィルターを計量します。その後、フィルターの質量増加量を、フィルターを通過した24時間の合計空気体積で割って質量濃度（μg/m³の値）を得ます。重量法は質量濃度を最も正確に判定する方法として長い間確立されていますが、日常用途での普及において実用面でいくつか制限があります。この測定方法は大規模で非常に費用がかかり、測定ごとに1種類のPMサイズ（PM2.5など）しか処理できず、リアルタイムでのサンプリングも不可能で、粒子個数を出力できません。

これらの理由から、リアルタイムの光学粒子計測器（OPC）が空気質監視市場の道を切り開くことになりました。それらの測定方法はさまざまな光学原理（通常は散乱や吸収）に基づいており、散乱が最も一般的に使用されています。これらのOPCでは、粒子が光源（通常はレーザービーム）を通過すると、差し込んできた光の散乱（または吸収）が発生し、それを光ダイオードで検出してリアルタイムの粒子個数や質量濃度値に変換します。

現在は、光学検出が扱いやすく圧倒的なコスト対性能比であるため、最も普及している技術となっています。近年では、OPCがエアコン、空気質モニター、空気清浄機に統合できるほど小型化されているため、家庭内、車内、屋外環境での空気質の調整や制御に使用されています。

OPCの基本原理は、実装の観点で最初はシンプルに見えますが、すべてのOPCが同じように機能するわけではなく、測定の品質は該当する機器のエンジニアリングや設計に大きく左右されます。光学原理は粒子個数計測で非常によく機能しますが、これらの機器は主にPM質量濃度の推定に使用され、粒子の光学特性（例：形状や色）や質量密度は異なるため、推定誤差の影響を受けやすくなっています。そのため、質量濃度の品質は、測定された光学信号をPM質量濃度に変換するために使用するメーカーのアルゴリズムによって大きく異なります。さらに、粒子は光学素子（レーザー、光ダイオード、ビームダンプ）に蓄積しやすく、適切に設計しなかった場合に出力が時間の経過とともに劣化するため、内部気流工学はそれらのセンサーの精度やドリフトに大きな影響を与えます。

動作原理

センシリオンの「SPS30」の動作原理は、レーザー散乱に基づいています。ファンによって、センサー内に制御された気流が作り出されます。図2に示すように、マイクロプロセッサーとファンの間の内部ループフィードバックによってファンの速度とセンサーを通過する気流が安定化されます。周辺にあるPMが入口から出口まで気流に乗ってセンサー内を移動します（図3の黒い点）。光ダイオードに対応して、気流の粒子が図3に赤色で示すように照射されたレーザービームを通過し、光の散乱を引き起こします。散乱した光が光ダイオードによって検出され、「SPS30」の内部マイクロコントローラーで実行されるセンシリオンの独自アルゴリズムで質量/個数濃度出力に変換されます。

粒子組成の認知

前述のとおり、メーカーのアルゴリズムは初期段階の電子機器設計とともに、検出された散乱光による質量濃度の推定に根本的な違いを示します。市場のほとんどの低コストPMセンサーは校正において一定の質量密度を想定しており、検出された粒子個数をこの質量密度で掛けることで質量濃度を計算します。この想定は、センサーが単一の粒子タイプ（たとえばタバコの煙）を測定している場合のみ機能しますが、実際は「重い」ハウスダストから「軽い」燃焼粒子まで、日常生活では数多くのさまざまな光学特性を持った数多くのさまざまな粒子タイプがあります（図4を参照）。センシリオンの独自アルゴリズムは、測定する粒子タイプに関係なく、質量濃度を適切に推定できる高度なアプローチを使用しています。さらに、このアプローチによってサイズのビンを正しく推定できます。また、市場のほとんどの最先端民生用PMセンサーPM4.0とは対照的に、追加のビン出力が提供されています。の異なるエアロゾルの精度が向上しやビン数の解像度が高いほどユーザーは粒子組成の認識に基づいて新しい適用例を開発できます。図5では、センシリオンのコントロールセンターソフトウェアを使用して、このような機能を実証しています。棒グラフでは、「SPS30」でリアルタイムで測定された質量濃度のビンが示されています。左のグラフではマッチの煙をライブで測定しており、明らかに粒子が小さくなるほど豊富になっています。右のグラフではアリゾナの塵を測定しており、明らかに粒子が大きくなるほど豊富になっています。このシンプルで効果的な実験に、「SPS30」の高度なビン機能の価値と、粒子組成検出に基づいた新しい用途開発の可能性が強く表れています。

防塵

前述のとおり、PMセンサーは原則、レーザー、光ダイオード、ビームダンプ（レーザー光を吸収して寄生散乱を防ぐために使用）と呼ばれる機器で最も重要な光学部品に塵が蓄積するため、ドリフト出力の影響を非常に受けやすくなっています。条件の厳しい多くの市場や用途（例：自動車、医療、スマートエネルギー）向けのフローセンサー設計で20年以上培ってきた経験に基づき、センシリオンのエンジニアは光学部品への塵や汚れの蓄積を防ぐ革新的な独自の流路技術を開発して「SPS30」に統合しました。北京の塵に5年ほど曝したセンサーのストレステストの結果を、図6に示しています。この画像には、流路が塵への曝露から最も重要な光学素子を保護しており、レーザーと光ダイオードがストレステストの後もまったく汚れていないことが示されています（ビームダンプも塵の蓄積から保護されていますが、この写真では確認できません）。

まとめ

センシリオンの防塵および高度なビン技術は、空気質監視、空気清浄機、HVACなど複数の業界における用途に付加価値を与えます。機器の耐用期間を通じて機能するセンサーは、最終ユーザーに対して良質の空気質であることを保証し、エネルギー効率や持続可能な運用を向上させます。高度なビンや高い精度は、検出した粒子組成に基づいて特定のアクションを起こし、機器の動作で収集した汚染物質タイプの情報に基づいてフィルターの耐用期間の監視を強化する上で役立ちます。