環境計量士と浮遊粒子状物質自動計測器（４）

ここでは JIS B 7954 に記載されている４つの測定原理のうちの１つ、「圧電天びん方式」を扱います。

JIS B 7954 の 5.2.2 では「圧電天びん方式」について

粒子を静電的に水晶振動子上に捕集し、質量の増加に伴う水晶振動子の振動数の変化量から質量濃度を求めるもの。

と記載していますが、簡単に理解できる内容ではなさそうです。まずは理解を妨げている点を１つずつ解消していきましょう！

疑問１　水晶振動子って何？

水晶振動子は、特定の周波数で正確に振動する特性を持つ水晶を利用した電子部品のことです。この性質が時計や通信機器、計測機器などの電子回路内で特定周波数の正確な発振に利用されているようです。

疑問２　水晶振動子の上に粒子を捕集すると、水晶振動子の振動数はどのように変化するの？

水晶振動子の振動特性は質量変化に非常に敏感で、水晶振動子の上に粒子が付着すると付加した質量に応じて振動数が低下するそうです。質量と振動数の関係は「Sauerbrey方程式」として知られています。

疑問３　測定対象である浮遊粒子状物質を水晶振動子上に付着（捕集）させる仕組みは？

JIS B 7954 の 5.2.2 c) に次の記載があります。

浮遊粒子状物質を静電捕集するため、高圧回路と針状の放電電極によってコロナ放電を発生させ、浮遊粒子状物質を帯電させる。

また、知らないワードが出てきました。
「コロナ放電」って何？

コロナ放電は、高電圧をかけた電極の周囲で発生する放電現象のことで、通常は尖った電極や細いワイヤーに正または負の高電圧を印加することで、電極周囲の空気分子が電離して放電が発生します。

発生したコロナ放電によって空気中に正もしくは負のイオンや自由電子が生成され、これらが浮遊粒子状物質と衝突し帯電します。帯電した浮遊粒子状物質は、静電的な力を利用して表面に電極を設けた水晶振動子に引き寄せられ、捕集されます。

疑問４　水晶振動子の上に捕集された粒子は、その後どうなるのでしょう？

JIS B 7954 の 5.2.2 e) に次の記載があります。

水晶振動子の上に静電捕集された浮遊粒子状物質を一定時間又は堆積量ごとに洗い流す。

具体的にはエアジェット、液体ジェット、超音波、ワイパー、加熱などの洗浄技術を活用して洗浄しているそうです。

以上「圧電天びん方式」の要点でした。

次は演習です。

第74回（2023.12）

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 〔解説〕

JIS B7954 の5.2.2 がそのまま出題されていますね。

圧電方式では粒子を帯電させ、静電的に水晶振動子上に捕集する仕組みでした。したがって、空欄（ア）には「静電」が入ります。
これで選択肢は２と４に絞られ、空欄の（イ）には「増加」が入ることまでわかりました。

電気を流すと水晶振動子は規則正しくプルプル震えます。その水晶振動子上に粒子が付着するとプルプル震える運動が付着した粒子に転移してしまい、振動数が減少します。
したがって、空欄（ウ）には「振動数」が入ります。

以上より、正解は２。

第73回（2022.12）

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 ［解説］

１．圧電天びん方式では、コロナ放電によって浮遊粒子状物質が電子と衝突し帯電します。中和ではありません。
したがって、この記述内容は誤りです。

正解は１

第72回（2021.12）

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 ［解説］

１．ベータ線吸収方式は、ろ紙上に捕集した粒子によるベータ線の吸収量の増加から質量濃度を得る測定方法です。問題文にある「捕集前後のろ紙の吸収量及び反射量の変化」の「反射量の変化」が誤りです。

２．規格の 5.2.2 の内容がそっくりそのまま出題されました。どこにも誤りはありませんから、これが正解です。

３．「フィルタ振動方式では～」の～部分がベータ線吸収方式の説明になっていますから、ここの記述は誤りです。

４．光散乱方式は、粒子に光を照射することで粒子による散乱光量からその相対濃度を求める方法ですから、ここの記述は誤りです。

５．「吸光方式では～」の～の部分が光散乱方式の説明になっていますから、ここの記述は誤りです。

正解は２

環境計量士と浮遊粒子状物質自動計測器（３）

JIS B 7954 に記載されている４つの測定原理のうちの１つ、光散乱方式 についてまとめてみました。

JIS B 7954 の 5.2.3 では「光散乱方式」について

粒子による散乱光量からの相対濃度としての指示値を得るもの。

と記載されていますが、よくわかりません。

そもそも「粒子による散乱光」って何？
まずはそれから学んでいきましょう！

大気中に浮遊している粒子に光が接触すると、粒子が光を散乱させます。光が散乱すると上の図のような現象（木々の隙間から差し込む光のスジ）が観測されます。これは散乱現象の１つであるミー散乱によるチンダル現象らしいのですが、そんな知識は環境計量士には必要ありません。大切なことは、この散乱光の光量が次の①～③に示す内容に影響されるということです。

① 粒子の密度（濃度）による影響

粒子の質量濃度が濃くなると、濃度に比例してその光量は強くなります。

（しかし、濃度が高すぎると光が粒子間で何度も散乱されて本来の光路から外れてしまい、検出器に届く光が減少してしまうことがあります。また、高濃度の粒子によって光が遮られてしまうこともあるため、測定に適した濃度を予め把握しておくとよいですね。）

② 粒子のサイズによる影響

粒子のサイズが大きくなるほど、散乱光の光量は強くなります。

③ 粒子の形状による影響

光が粒子に当たった際に、粒子の形状が光の反射・屈折・回折・吸収・散乱の仕方を変化させてしまいます。

次は相対濃度です。
相対濃度はベータ線吸収方式の質量濃度と何が異なるのかな？

規格の3.b) では「相対濃度」について

質量濃度及び一定の相対的関係にある物理量を測定して得られる値にある係数を乗じて質量濃度としたもの。

と記載されています。
つまり、相対濃度＝質量濃度、但し 質量濃度＝質量濃度×ある係数 ということでしょうか…？

そもそも「光散乱方式」の計測器は、直接粉じんの質量を測定しているのではなく、それと比例関係にある散乱光の光量を測定しています。そのため、直接粉じんの質量を測定する直接重量法と、散乱光の光量を測定する方法、両者の比較を行い、そこで求めた係数（質量濃度変換係数）を散乱光量に乗じて μg/m³ に置き換える必要があります。
このように、なんらかの標準と比較することを前提とした定量方法のことを相対濃度測定法とよびます。

最後に、光散乱方式の計測器の仕組みを学びましょう！

① サンプリング

吸引ポンプ又はファンを用いて、一定流量の大気を装置内に吸引する。

② 散乱光の発生

吸引した大気中の浮遊粒子状物質にレーザーダイオードやタングステンランプなどを光源とした光を照射し、散乱光を発生させる。

③ 散乱光の検出

測定器内の光センサ（光検出器）が散乱光を検出し、その強度を電気信号に変換する。

 

以上で「光散乱方式」についてのまとめ解説は終了です。あとは演習するのみ！

 

第69回（2018.12）

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 〔解説〕

（ア）粒子に当たった光が散乱するので、空欄には「散乱」が入ります。

（イ）「光散乱方式」では直接粒子の質量を測定しているのではなく、それと比例している散乱光の光量を測定しています。そのため、散乱光量に係数（質量濃度変換係数）を乗じて質量濃度としているので、相対濃度として指示値を得ていることになります。したがって、空欄には「相対」が入ります。

（ウ）粒子に当てる光は、レーザーダイオードやタングステンランプなどを光源としていますから、空欄には「光源」が入ります。

正解は５

第66回（2016.3）

ここの設問は（２）で学習した「ベータ線吸収方式」と、ここで学習した「光散乱方式」の知識があれば対処可能です。

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 〔解説〕

１．ろ紙上に捕集した粒子によるベータ線の吸収量の増加から質量濃度を求める方法は、ベータ線吸収方式です。したがって、ここの記述は誤り。

２．光散乱方式は、粒子による散乱光量から相対濃度を求めますから、ここの記述も誤り。

３．粒子による散乱光量から相対濃度を求める方法は光散乱方式ですから、ここの記述は誤り。

４．後半部分がおかしいですね。ベータ線吸収方式では、ろ紙上に捕集した粒子によるベータ線の吸収量の増加から質量濃度を求めます。「捕集前後のろ紙の吸光量、反射量」は関係ないので、ここの記述は誤りです。

以上より、消去法で正解は５

環境計量士と浮遊粒子状物質自動計測器（２）

ベータ線吸収方式

JIS B 7954には４つの測定原理（附随書を入れると５つ）が記載されていて、そのうちの１つがベータ線吸収方式です。
この測定方法は、ろ紙上に捕集した粒子に放射線の１つであるベータ線を照射したとき、その粒子の質量に比例してベータ線が吸収される原理を利用しています。
簡単な図で解説しましょう。

大気導入部で取り込まれた試料（大気）中の浮遊粒子状物質は、分粒装置内で目的に応じた粒径に分粒されたのち、フィルタ（ろ紙）で捕集されます。これにベータ線を照射してフィルタを通過したベータ線の強度を検出器で測定し、質量濃度を得るといった仕組みになっています。

浮遊粒子状物質を捕集するろ紙はリールに巻かれたテープ状で、これを一定時間ごとに一定の方向に一定の長さだけ移動させ、測定が終了すると巻き取って着脱ができる構造になっていて、ろ紙供給機構とよんだりします。

ろ紙上に捕集した粒子に照射するベータ線の線源は、放射性物質が漏れないように密封されていて、放射線障害防止法に規定された “放射性同位元素” には該当しない¹⁴Cや¹⁴⁷Pmなどの低いエネルギーのものが使用されています。

フィルタ（ろ紙）を通過したベータ線の強度を測定する検出器は、シンチレーション検出器、半導体検出器などが使用されています。

大気の採取流量の変化は測定誤差の原因となるため、ろ紙に粉塵が付着して通気抵抗が増しても規定の流量が維持できる流量制御システムが求められます。

第70回（2019.12）

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〔解説〕

（ア）ろ紙上に捕集した粒子がベータ線を吸収し、その吸収量は質量に比例して「増加」します。したがって、選択肢の２と４は誤りです。

（イ）ベータ線の吸収量の増加から浮遊粒子状物質の質量濃度を求めるので、空欄には「質量」が入ります。したがって、選択肢の１と２は誤りです。

（ウ）ベータ線の検出器は、シンチレーション検出器もしくは半導体検出器です。「周波数」は関係ありません。したがって、選択肢の１と２と３が誤りです。

正解は５

第68回（2018.3）

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 〔解説〕

１．規格の5.2.1 a) に『必要に応じて分粒装置を付加する』とあります。

２．「浮遊状態の粒子にベータ線を照射」とありますが、正しくは「ろ紙上に捕集した粒子にベータ線を照射」です。

正解は２

第64回（2014.3）

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 〔解説〕

ベータ線吸収方式では、ベータ線源として¹⁴Cや¹⁴⁷Pmなどの低いエネルギーのベータ線を捕集した粒子に照射します。したがって、光源は使用しません。

正解は３

第61回（2012.3）

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〔解説〕

１．規格 5.2.1 d)によると「ベータ線源は密封線源で、¹⁴C, ¹⁴⁷Pmなどの低いエネルギーのものを使用する。これらの線源の放射能は、放射線障害防止法に規定された “放射性同位元素” には該当しない。」とありますから、ここの記述は誤りです。

２．規格 注1)によると、「ろ紙はJIS K 0901に規定する捕集率A1のものを用いる」とあり、 K 0901ではろ紙の形状、寸法、材質、性能（捕集率、圧力損失、吸湿率、加圧強度、金属含有量）を規定しています。ベータ線の吸収については規定がないので、ここの記述は誤りです。

３．環境基本法に基づく大気の汚染に係る環境基準に関する浮遊粒子状物質は、大気中に浮遊する粒子状物質で、その粒径が10μm以下のものと定義されています。したがって、粒径が10μm以上のものを除外する分粒装置が必要になりますから、ここの記述は誤りです。

４．ベータ線吸収方式では、検出器としてシンチレーション検出器もしくは半導体検出器を使用します。したがって、記述内容に誤りはありません。

５．規格 3. c) には「質量濃度（単位体積の空気中の浮遊粒子状物質の質量）の単位はμg/m³で表す」とありますから、「μg/L」は誤りです。

正解は４

第61回（2011.3）

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 〔解説〕

１．ベータ線吸収方式では、検出器としてシンチレーション検出器もしくは半導体検出器を使用します。したがって、記述内容に誤りはありません。

２．環境基本法に基づく大気の汚染に係る環境基準に関する浮遊粒子状物質は、大気中に浮遊する粒子状物質で、その粒径が10μm以下のものと定義されています。したがって、粒径が10μm以上のものを除外するために分粒装置が用いられています。したがって、ここの記述内容に誤りはありません。

３．ベータ線吸収方式は、ろ紙上に捕集した粒子によるベータ線の吸収量が増加することを利用した測定方法です。記述にあるように「浮遊状態のまま粒子の濃度を求める」ことはできません。

正解は３

環境計量士と浮遊粒子状物質自動計測器（１）

JIS B 7954 大気中の浮遊粒子状物質自動計測 

この規格は、大気中の浮遊粒子状物質の濃度を連続で測定する自動計測器の測定原理やその扱い方について、実務者向けに細かく書かれています。しかし、試験に出題される内容はその一部であり、細かな知識が要求されるような出題は減少傾向です。
当ブログでは忙しい受験生に代わって、出題するポイントだけを厳選して紹介します。

浮遊粒子状物質の定義

この規格の３. a）には "浮遊粒子状物質" の定義が記載されています。
しかし、定義そのものは（試験対策として）それほど重要ではありません。重要なのはこれに続く "備考" です。

浮遊粒子状物質とは、大気中に浮遊する粉じん（ダスト、ヒューム、ミストを含む）。

＜備考＞
環境基本法に基づく大気の汚染に係る環境基準に関する浮遊粒子状物質とは、大気中に浮遊する粒子状物質で、その粒径が10μm以下のものを言います。

太字で示した「粒径10μm以下」が過去に何度か出題されています。
補足しておきますが、固体粒子で粒径が 1 µm 以下の場合をヒューム、液体粒子で 10 µm以下のものをミストとよびます。つまり、粒子状物質は個体粒子と液体粒子の両方を含んでいることを頭の片隅に入れておくと良いでしょう。

質量濃度の単位

規格の３.c）に、浮遊粒子状物質の質量濃度を表す単位が定義されています。
単位だけでなく「質量濃度」という用語にも今後注意を払ってください。

質量濃度とは、単位体積の大気中に含まれる浮遊粒子状物質の質量で、単位は μg/m³ で表します。

過去問演習（第７１回２０２０年１２月）

＜解説・解答＞

選択肢１の記述は、規格の３. a）の "備考" がそのまま書かれているようです。でも「粒径が１μm以下」という記述は間違いで、正しくは「粒径が１０μm以下」。
したがって、正解は１

過去問演習（第６７回２０１７年３月）

＜解説・解答＞

選択肢１の記述は、規格の３. a）の "備考" がそのまま書かれています。でも「粒径が１mm以下」という記述は間違いで、正しくは「粒径が１０μm以下」。
したがって、正解は１

過去問演習（第５９回２０１１年３月）

＜解説・解答＞

選択肢１の記述、おかしくないですか？
主語がありません。
文章の意味が分からないので正誤判定できません。
したがって、選択肢１は "保留" とします。

選択肢２の記述は、規格の３. a）の "備考" がそのまま書かれていて、粒径も「１０μm以下」で間違いありません。

選択肢３の記述は、規格の３．c）の内容ですが、単位は「ppm」ではありません。正しくは「μg/m³」です。

したがって、正解は３

過去問演習（第６２回２０１３年３月）
※難問です。時間に余裕があったらチャレンジしてみてください。

＜解説・解答＞

選択肢１から順番に見ていきます。
「浮遊粒子状物質とは、大気中に浮遊する粉塵（ダスト、ヒューム、ミストを含む）」と規格の３. a）に記載されていました。また、固体粒子で粒径が 1 µm 以下の場合をヒューム、液体粒子で 10 µm 以下のものをミストとよびます。つまり、浮遊粒子状物質には個体粒子も液体粒子も含まれることになりますから、「固体粒子状物質である」という記述は誤りです。

選択肢２
計測の対象となる浮遊粒子状物質の粒径は10μm以下ですから、粒径10μm以上の粒子を除く分粒装置が必要となります。しかし、計測器によっては分粒装置を必要としないものもありますから、「いずれの測定方式においても、分粒装置を用いなければならない」という記述は誤りです。

選択肢３
規格の３. e）には「浮遊粒子状物質の粒径は幾何学的又は物理学的性質に基づいて定められる」とありますから、ここの記述は誤りです。

選択肢４
規格の附随書２ 2.2.1には「計測器の校正及び試験に用いる校正用空気は、粒径範囲0.1〜3μmの均一系単分散粒子を含むもの」とありますから、ここの記述は誤りです。

以上より、正解は消去法で５

第69回（2018.12）化学分析概論及び濃度の計算 問25

📁第69回（平成30年12月）

「JIS B 7954大気中の浮遊粒子状物質自動計測器」に規定されている自動計測器は４つありますが、そのうちの１つが光散乱方式の自動計測器です。

光散乱方式の原理

大気中の浮遊粒子状物質（SPM）に光を照射すると、光が四方八方に散乱します。よく劇場などで見るサーチライトの光の筋が良い例です。
この散乱する光は、粒子状物質の質量濃度に比例して光量が強くなりますから、サーチライトの光の筋がはっきりと見える劇場ほど、劇場内の埃などが多いと言えるでしょう。

実際の光散乱方式計測器は、次のような仕組みになっています。

①吸引ポンプ又はファンを用いて一定流量の大気を装置内に吸引します。
②レーザーダイオードやタングステンランプなどを光源とした光を、吸引した大気中の浮遊粒子状物質に照射します。
③散乱した光を光センサによって検出し、電気信号に変換します。

注意点
この方法はフィルターに集めた粒子を天秤で直接重量測定するわけではなく、粒子に当てて散乱した光を計測しているに過ぎません。ですから、直接重量測定する標準測定法との比較試験（校正）が必要となります。

このように、なんらかの標準と比較することで成り立つ定量方法のことをを相対濃度測定法といいます。これに対して、フィルターに集めた粒子を天秤で直接重量測定する定量方法のことを絶対濃度測定法といいます。


また、光散乱方式はベータ線吸収方式と異なり、分粒装置を必要としません。光散乱方式では粒径10μm以上は散乱光が極めて小さいためです。


さて、設問を見ていきましょう。
（ア）「吸収」と「散乱」どっちが空欄に入るでしょうか？
粒子に当たった光が散乱するのですから「散乱」が入ります。選択肢の１と２は誤り。

（イ）散乱した光の量から粒子の質量濃度を直接測定しているのではなく、相対的に測定しています。ですから、空欄には「相対」が入ります。選択肢の４は誤り。

（ウ）粒子に当てる光は、レーザーダイオードやタングステンランプなどを光源としています。ですから、空欄には「光源」が入ります。選択肢の３は誤り。

正解は５