排ガス試験は、排気ガスと燃料蒸発ガスを出す燃焼機関搭載自動車や発電所、電動装置などを発生源とする大気汚染を測定、抑制するための重要な手法です。
いわゆる粒子汚染物の粒子状物質（PM）は、空気中にある固体粒子と液滴を表す一般的な用語です。これらの粒子は一度吸い込むと、心臓や肺に影響を及ぼし重大な健康被害の原因になります。PM10粒子（直径10 µm以下）やPM2.5粒子（直径2.5 µm以下）は、どちらも健康を害するリスクがあるため、排出源と一般的な空気中で注意深く監視されています。
フィルタにより集められるPMの重量法測定は、PMの環境濃度と排気ガス中のPM量を測定するために最も広く使われている技術です。
正確な計量が重要な理由
フィルタ上のPMの測定は、質量差測定アプリケーションです。収集されるPMの量はごく僅かな重量なので、フィルタはPMが載る前と載った後で非常に正確に測定する必要があります。
一般的なルールとして、各種ガイドラインでは1 μgまたは0.1 μgの分解能と相応の繰返し性を持つ天びんが指定されています。
排出ガス試験用のフィルタで捕捉した粒子状物質は非常に軽いため、計量作業には高い正確性が求められます。専用のフィルタ測定キットを取り付けたExcellenceレベルミクロ天びんは、排ガス試験に最適です。優れた繰返し性と最小計量値により、必要な計量性能を提供します。
以下の図は、フィルタ上のPMの量を重量法で測定するプロセスを示しています。
排気ガス中、燃料蒸発ガス中、大気中または環境空気中のどの場合でも、重量法でフィルタ上の粒子状物質を測定して排ガス試験を実施する手順は同じです。
1. 最初にブランクフィルタを研究室の天びんで測定します。
2. ラベルを貼ったフィルタカートリッジにフィルタを入れ、プレコンディショニングの後に試験現場に搬送します。
3. 試験現場で、空気またはガスを所定の時間、既知の流量でフィルタに通します。気体中に存在する何らかの粒子状物質（PM）がフィルタ上に残留します。
4. 研究室で、カートリッジ内のフィルタを再度コンディショニングして再測定します。
5. ブランクフィルタの重量を差し引くことで、PMの質量が求められます（質量差測定）。PMの濃度は、ガス/空気のサンプルの流量を使用して計算します。
試験に必要なフィルタは1つだけですが、試験を数回繰り返すとともに、ブランクフィルタを参照用に維持してバックグラウンド計数を排除するのが一般的な方法です。フィルタは単独で使用するか、またはマルチステージフィルタユニットと組み合わせて使用します。
世界保健機関（WHO）は、清浄な空気は「人間の健康と幸福な生活の基本要件」と位置づけ、WHO加盟全地域に適用される特定の汚染物に関するガイドラインを提供しています。
各種の排出基準では、特定の発生源から特定の期間に放出される特定の空気汚染物質の許容される定量的な限度が定められています。
米国では、米国連邦規制基準のCFR 40 Part 50が国内の空気品質標準に関係しています。米国労働省の1機関、労働安全衛生庁（OSHA）は空気品質に関する規制（Standards – 29 CFR）を発行しており、米国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は職場での安全と健康の増進に関わっています。
欧州連合は、欧州の環境空気品質と浄化された空気に関する欧州指令DIRECTIVE 2008/50/EC、汚染物の防止と制御の統合に関する欧州指令DIRECTIVE 2008/1/EC、職場の最小限の健康と安全の要件を規定した欧州指令DIRECTIVE 89/654/EECとして法律を制定しています。
自動車分野は、一酸化炭素（CO）、炭化水素（HC）、窒素酸化物（NOx）、粒子状物質（PM）、温室効果ガス（GHG）など各種の大気汚染物の中心的な発生源でもあります。欧州連合と米国には、自動車から排出されるガスを規制する法律があり、自動車メーカーには排ガス試験の実施が義務付けられています。
排気ガスと粒状物質濃度の試験には多数のメソッドやガイドラインがあります。その1つが、重量法によるフィルタ測定メソッドです。各種のガイドラインと規制では、正確で再現性のある排気ガスのフィルタリングを維持できるように手順が定義されており、以下の表に示すように、測定に使用するフィルタと計量システムが指定されています。
計量機器と推奨される天びんのガイドライン要件の例:
規制の強化が進み燃焼機関の技術が進歩するにつれて、フィルタで収集されるPMの量は徐々に減少することが予想されます。基本的に1 μgまたは0.1 μgの最小表示を備えた天びんが指定されるガイドラインに準じるには、高い正確さを備えたウルトラミクロ天びんが現在および将来のニーズに適合する唯一のソリューションになります。
理想的には、フィルタの測定にはクリーンルームが適しています。環境空気からの汚染リスクを回避し、温度/湿度をより的確に管理できるからです。他にグローブボックスを使用する方法もありますが、これは、特に多くのフィルタを測定する場合には手間のかかるプロセスです。フィルタの測定には、他にも関連する課題があります。
フィルタの取り扱い
サンプルの追跡
プロセスをさらに複雑にする要素として、フィルタの正確な追跡の必要性があります。個々のフィルタは事前に測定し、ラベルを付けたホルダーに入れ、環境に順応させてから試験現場に搬送します。PMを収集した後、フィルタを研究室に戻し、再測定します。処理中にフィルタの混同を避けるフェイルセーフシステムを導入していないと、正確さを損なうリスクがあります。
計量の正確さ
複数のガイドラインで使用する計量システムが指定されているため、使用する天びんがフィルタ測定アプリケーションのニーズを満たしていることがきわめて重要です。少量サンプルでは、天びんの最小正味サンプル測定値がきわめて重要になります。この重量を下回るサンプルの測定では、必要な正確さのレベルに対する信頼性が得られません。
時間
排ガス試験のフィルタ測定が完了するまでに時間がかかる場合があります。環境への順応プロセス、試験現場との搬送、時間がかかる取り扱い手順、安定するのが遅い天びんなどは、一般的な自動車排ガス試験を終えるまで2日以上かかる要因になります。
メトラー･トレドのXPRミクロ天びんは、比類ない精度を備え、微小サンプルの測定に対応します。専用フィルタ計量キットを併用し、0.2 µgの最小表示に対応することで、XPR2Uはフィルタ測定に適切な天びんとなります。内蔵の品質保証機能により、規定の許容誤差と各種標準に適合した計量結果を得られるメリットがあります。ユーザーガイダンス内蔵なので、質量差測定プロセスの手順に確実に従うことができます。
適切なツール
バーコードリーダーを追加すると、サンプルをすばやく特定し、設置されたフィルタと事前に計量した結果との照合も自動的に行われるため便利です。この結果、すばやい処理が可能になり、取り扱いミスが減少します。さらに、フィルタをイオナイザーキットの電極に通すことで、あらゆる静電気を除去し、PMを確実に測定できます。
複数の接続オプションにより、計量結果をPCのスプレッドシートや企業のデータベースシステムに直接エクスポートし、検査や詳しい分析に使用できます。
メトラー･トレドのピンセットは、収納カートリッジと天びん上のフィルタ測定キットとの間で繊細なフィルタを移動するときにも正しく扱えるように、特別に設計されています。
このビデオをご覧になり、メトラー・トレドの排ガス試験用フィルタ測定ソリューションの主要製品の主な特長をご確認ください。分析またはミクロ天びんを使用した革新的な手動ソリューションから、HORIBAと共同で開発したロボットシステムを使用した完全自動ソリューションまで、さまざまな製品からお選びいただけます。
計量結果の質を10ステップで最大限に高め、ミクロ計量の繊細なプロセスをさらに効率化できます。
メトラー・トレドのXPRミクロ天びんは、LabX™ラボ用ソフトウェアの機能に完全に適合します。LabXでは、天びんの完全なSOPユーザーガイダンスが表示されます。ソフトウェアは天びんへのフィルタの設置/取り外しを識別し、プロセスを簡素化してスピードアップします。
LabXは、正しいサンプルIDに対して計量値を自動で記録し、空気浮力の補正などすべての計算を自動で行います。
すべてのデータと測定結果は集中型データベースに安全に保存され、完全なトレーサビリティを実現できます。カスタマイズ可能なレポートは、印刷または組織内の情報システムに転送できます。
1日に40を超えるフィルタを測定する場合、PFS-ONEフィルタ測定用ロボットとXPR2Uを組み合わせると完璧な自動化ソリューションとなります。
革新的なフィルタホルダーにより、1つのカートリッジ内にフィルタを入れたまま、識別、環境順応、保管、搬送、測定を実行できます。また、ファラデーケージとしても機能するため、静電気の影響が軽減されます。
サンプルの自動切り換えにより、フィルタのプレ計量/バック計量を簡単に行い、測定結果をPCにすぐに転送して分析に使用できます。
産業用フィルタの測定など、大きめのフィルタを使用する場合は、メトラー･トレドの手軽で高コスト効率の大型フィルタ測定ソリューションを分析天びんで使用できます。フィルタ測定キットを追加すると、最大110 mmのフィルタをメトラー･トレドのExcellence分析天びんで容易に測定できます。最大150 mmのフィルタを測定するには、専用のエルゴクリップの使用をお勧めします。いずれのソリューションも、お使いの天びんにすばやく簡単に設置できます。
PTFEは特に静電気が発生しやすいフィルタです。天びんの数字が安定しない場合、計量セルに静電気が影響している可能性があります。静電気は計量結果に大きく影響します。フィルタごとに測定前にイオナイザーキットを使用して、発生しているあらゆる静電気を除去してください。
メトラー･トレドは、ミクロ天びんと分析天びんの両方にフィルタ測定ソリューションを提供しています。ミクロ天びん用の2種類のフィルタ測定キットがあり、直径20～70 mmのフィルタを測定できます。キットは容易に交換できます。最大で直径150 mmの大型フィルタを分析天びんで測定するには、2種類のフィルタホルダーソリューションがあります。
メトラー･トレドのミクロフィルタ測定キットには、2種類のフィルタ皿が含まれています。それぞれ独自の形状で、フィルタが自然に中央に設置されます。フィルタを中央に設置することで偏置誤差がなくなり、再現性の高い信頼できる測定結果が得られます。
規制環境でフィルタを測定するための明確なSOPが必要です。ただし、手動のプロセスでは人為的エラーのリスクがあり、多くの手順が必要なプロセスではミスが起こりやすくなります。LabXソフトウェアでは、独自のフィルタ質量測定のSOPワークフローを作成できます。天びんのディスプレイにSOPの手順に沿った操作指示が表示されます。手順ごとにユーザーが確定する必要があるので、SOPに従っていることが確認できます。
あらゆる天びんで行うどの測定にも不確かさが含まれています。この不確かさについて理解することが、正確な計量結果を得るためのカギになります。計量機器の正確さの決め手になるのは、最小表示よりも繰返し性です。非常に小さなサンプル重量でフィルタ測定を行う場合、天びんの最小正味サンプル計量能力もきわめて重要になります。
ニーズに合う適切な天びんを見つけるには、計量する最小量とその計量に必要な正確さ（許容誤差の程度など）を理解している必要があります。
メトラー･トレドのグローバルな計量スタンダード、GWP®により、お客様のアプリケーション要件に適合する適切な天びんを選定できます。天びんのご相談については、最寄りの担当窓口までお問い合わせください。既存の天びんが品質要件に適合するかどうかお確かめください。
メトラー･トレドのフィルタ測定キットの蓋はガラス製なので、フィルタの設置/取り外しのときに作業を容易に確認できます。ミクロ天びんの風防ドアは、必要に応じて左右いずれにも開くように設定できるので、フィルタをより人間工学的に扱うことができます。スマートセンス赤外線センサを使用すると、手をかざすだけでドアを開くことができるため、プロセスがさらに高速化されます。高スループットのフィルタ測定には、PFS-ONEフィルタ測定ロボットによる自動化ソリューションをお勧めします。
データや結果を手書きで転記するとミスのリスクがあります。天びんをLabXソフトウェアに接続することで、手書きの転記ミスや関連するミスのリスクを解消できます。LabXは浮力補正などのすべての計算を実行し、潜在的なミスの原因をさらに取り除きます。すべてのデータは集中型データベースに安全に保存されるので、データの完全性とトレーサビリティが確実に得られます。
フィルタカートリッジにラベルを貼付して、結果をフィルタごとに正しく記録することがきわめて重要です。しかし多数のフィルタを扱う場合、これは簡単ではありません。天びんをLabX、バーコードリーダー、プリンタに接続することで、このプロセスを大幅に簡素化できます。LabXではバーコードラベルが自動で印刷されます。バーコードの使用により、サンプルを一意に識別できます。LabXではバーコードを使用し、正しいサンプルに対する計量結果を自動で記録します。すべてのデータは集中型データベースに安全に保存され、完全なトレーサビリティを実現できます。PFS-ONEフィルタ測定ロボットは1日最大1,000個のフィルタを全自動プロセスで処理し、全データが自動で処理されます。
FAQ – 排ガス試験についてよく寄せられる質問
