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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
導入
凝縮粒子計数器 (CPC) は、小さなエアロゾル粒子の数濃度を測定する装置です。すべての異なる CPC タイプに共通する原理は、過飽和蒸気の凝縮を使用して、超微細粒子やナノ粒子を光学的に検出できるサイズの液滴に成長させるということです。 [ 44] 液滴の計数は光学的光散乱によって実行されます。液滴は検出領域を通過し、 where 集束光ビームで照射され、散乱光の一部が光検出器で検出されます。このイベントの頻度は、サンプリングされた空気の量が既知であることから、粒子数の濃度を導き出します。低濃度では、CPC は個々の粒子をカウントし、粒子数濃度の絶対的な決定を可能にします。
市販の CPC は、1-ブタノール、2-プロパノール、水などのさまざまな作動流体を使用して蒸気を生成します。さらに、サンプル空気に必要な過飽和を達成するために、さまざまな原理が使用されています。最も一般的な CPC は層流と拡散熱伝達を使用します。作動流体の拡散定数によって、凝縮を開始するために必要な加熱または冷却のステップが決まり、したがって層流 CPC の原理設計が決まります。あまり一般的ではないのは乱流混合 CPC です。これらの CPC では、サンプル空気と作動流体で飽和した粒子のないガス流を乱流混合することによって過飽和が達成されます。図 1 は、加熱された飽和器と冷却された凝縮器を通る層流を備えたおそらく最も一般的な CPC タイプの概略図を示しています。
図1 ｜層流CPCの原理
Key
| 1 | エアロゾル入口 | 7 | 滴 |
| 2 | 作動液リザーバー | 8 | 光源 |
| 3 | 加熱された飽和器 | 9 | 照明光学系 |
| 4 | ナノ粒子 | 10 | 受信光学系 |
| 5 | 熱電冷却および加熱装置 | 11 | 光検出器 |
| 6 | コンデンサー | 12 | エアゾール出口 |
ただし、CPC 測定の精度はさまざまな影響に依存します。たとえば、流量に誤差があれば濃度にも誤差が生じます。非常に高濃度での同時発生誤差、非常に小さいサイズでの粒子成長の非効率な活性化、注入口から検出セクションへの輸送中の粒子の損失なども誤差の原因として考えられます。正確な測定のために、CPC を校正する必要があります。
CPC の「校正」は通常、ファラデーカップ エアロゾル電位計 (FCAE) を基準機器として使用して行われます。 [ 33][36] 多くの場合、「キャリブレーション」の目的は、非常に小さいサイズでの粒子検出の限界を決定することです。 FCAE の検出効率はどのサイズでも一定であると考えられるため、FCAE を基準として使用しました。 CPC の検出効率は、校正中の CPC が示す濃度と FCAE が示す濃度の比として決定されます。一方、同じ数濃度の一価でサイズ分類された粒子のエアロゾルが両方の装置に同時に供給されます。
この国際規格は、CPC 校正の 2 つの異なる方法を規定しています。1 つは FCAE との比較による CPC の特性評価で、これは上記の従来のアプローチと同じです。基準 CPC との比較。関連する粒子数の濃度、サイズ、組成をカバーする、信頼できる校正証明書を持つ FCAE を使用できます。後者の場合、参照 CPC は信頼できる校正証明書を持つものであり、関連する粒子数の濃度、サイズ、組成をカバーしています。信頼できる校正証明書とは、ISO/IEC 17025 または同等の規格ここで, 校正の種類と範囲が研究所の認定範囲内にあるもの、または関連する校正サービスを提供し、測定結果が ISO/IEC 17025 の要件を満たす欧州指定機関または国家計量研究所のいずれかを意味します。
CPC 校正では、2 つの主な誤差原因が知られています。それは、多重荷電粒子の存在と、校正中の CPC の入口と基準機器の入口の間の粒子濃度の偏りです。これらの要因の評価とそれらの補正は校正手順に含まれるものとし、その方法はこの国際規格に規定されている。
この国際規格は次のことを目的としています。
- 内部校正プログラムを持つ CPC (環境または車両排出目的など) のユーザー、
- 機器の性能を認証および再認証する CPC メーカー、および
- CPC の校正をサービスとして提供する技術研究所。これには、数濃度測定をサポートする国立施設を設立している国立計量研究所が含まれます。
Introduction
A condensation particle counter (CPC) is a measuring device for the number concentration of small aerosol particles. The common principle of all different CPC types is that condensation of supersaturated vapours is used to grow ultra-fine and nanoparticles to droplets of sizes that can be detected optically.[44] The counting of the droplets is performed via optical light scattering. The droplet passes through a detection area where it is illuminated by a focused light beam and a portion of the scattered light is detected with a photodetector. The frequency of this event leads, with the known volume of sampled air, to the particle number concentration. At low concentrations, the CPC counts individual particles and allows an absolute determination of particle number concentration.
Commercially available CPCs employ different working fluids to generate the vapour, e.g. 1-butanol, 2-propanol, or water. Moreover, different principles are in use to achieve the needed supersaturation in the sample air. The most common CPC uses laminar flow and diffusional heat transfer. The diffusion constant of the working fluid determines the needed heating or cooling steps to initiate condensation and hence, the principle design of a laminar flow CPC. Less common are turbulent mixing CPCs: in these CPCs, the supersaturation is achieved by turbulently mixing the sample air with a particle free gas flow saturated with the working fluid. Figure 1 shows a schematic of the probably most common CPC type with a laminar flow through a heated saturator and a cooled condenser.
Figure 1 — Principle of a laminar flow CPC
Key
| 1 | aerosol inlet | 7 | droplet |
| 2 | working fluid reservoir | 8 | light source |
| 3 | heated saturator | 9 | illumination optics |
| 4 | nanoparticle | 10 | receiving optics |
| 5 | thermoelectric cooling and heating device | 11 | photodetector |
| 6 | condenser | 12 | aerosol outlet |
The accuracy of CPC measurements, however, depends on various influences. For example, if the flow rate had an error, the concentration would have an error. Coincidence error at very high concentration, inefficient activation of particle growth at very small sizes, and losses of particles during transport from the inlet to the detection section are other possible sources of errors. For accurate measurement, the CPC shall be calibrated.
“Calibration” of the CPC is usually done using a Faraday-cup aerosol electrometer (FCAE) as reference instrument.[33][36] In many cases, the purpose of the “calibration” is to determine the limit of particle detection at very small size. The FCAE has been used as the reference since the detection efficiency of the FCAE was considered to be unity at any size. The detection efficiency of a CPC is determined as the ratio of the concentration indicated by the CPC under calibration to that by the FCAE, while aerosols of singly charged, size-classified particles of the same number concentration are supplied simultaneously to both instruments.
This International Standard sets out two distinct methods of CPC calibration: the characterization of a CPC by comparison with an FCAE, which is the same as the traditional approach described above; and by comparison with a reference CPC. An FCAE that has a reputable calibration certificate, covering the relevant particle number concentrations, sizes, and composition, can be used. In the latter case, the reference CPC is one that has a reputable calibration certificate, again covering the relevant particle number concentrations, sizes, and composition. A reputable calibration certificate shall mean either one that has been produced by a laboratory accredited to ISO/IEC 17025 or an equivalent standard ここで, the type and range of calibration is within the laboratory’s accredited scope, or a European Designated Institute or a National Metrology Institute that offers the relevant calibration service and whose measurements fulfil the requirements of ISO/IEC 17025.
Two major sources of errors are known in CPC calibration: the presence of multiply charged particles and the bias of the particle concentrations between the inlet of the CPC under calibration and that of the reference instrument. Evaluation of these factors and corrections for them shall be included in the calibration procedure, the methods of which are specified in this International Standard.
This International Standard is aimed at
- users of CPCs (e.g. for environmental or vehicle emissions purposes) who have internal calibration programmes,
- CPC manufacturers who certify and recertify the performance of their instruments, and
- technical laboratories who offer the calibration of CPCs as a service, which can include National Metrology Institutes who are setting up national facilities to support number concentration measurements.