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ガスセンサーの種類について

2019.07.31 |  ガスセンサー , 非分散型赤外線分光センサー

そもそもガスとは何でしょう?

一般的に「ガス」というと、私たちの生活を回している都市ガス、プロパンガス(LPガス)の類を想像される方も多いのではないでしょうか。

都市ガスはメタン、プロパンガス(LPガス)はプロパンやブタンを、それぞれ主成分としています。
では、これらの類がガスなのかというと、そうではなく、ガスは「気体全般」を指します。

気体(きたい、英:gas)とは、物質の状態のひとつであり、一定の形と体積を持たず、自由に流動し圧力の増減で体積が容易に変化する状態のこと。「ガス体」とも。

Wikipediaより引用

こうしたガス(気体)を測定するためのセンサーとして「ガスセンサー」があります。

今回は、ガスを測定するセンサーについて、わかりやすく解説いたします。

ガスセンサーは「気体」を測定している

ガスを測るからガスセンサー。
まったくもってその通りですが、ガスセンサーが測るガスにも種類があります。

─ ガスの種類

例えば、都市ガスの主成分である「メタン」。
これは「可燃性ガス」の一種です。
可燃性ガスは、名前の通り「空気、あるいは酸素中で燃焼する性質を持つ気体」を指します。
他にも、


  • メタンを主成分とするガス状の化石燃料「天然ガス」
  • 一酸化炭素など人間に害のある「毒性ガス」
  • 地球温暖化の原因とされる「温室効果ガス」
  • 半導体製造用の特殊ガス「半導体材料ガス」
  • エアコンや他の空調機器で用いられる「冷媒ガス」

などがあります。

上述した都市ガスなどの家庭用ガスの他に、半導体製造現場を含めた、製造業の分野で使用されるガスは「産業ガス」と呼ばれています。
当記事で紹介するガスセンサーは、主に「産業ガス」の検知に役立っています。

─ 正確には「成分」を測定する

ガスセンサーは、ガスを測定しますが「可燃性ガス」を測定するというよりは、例えばメタンのような、ガスの「成分」を測定します。
より正確に言うならば、気体に混じっている「特定の分子」を測ります。
例えば、

  • 酸素(O)
  • 水素(H)
  • メタン(CH4
  • プロパン(C3H8
  • 一酸化炭素(CO)
  • アンモニア(NH3

などです。

ガスセンサーを用いることで、これらの分子を検出したり、その濃度を測定することができます。

ガスセンサーの種類

ガスセンサーには種類があります。
センサーの種類は、動作メカニズムによって、区別されます。

─ 接触燃焼式

「接触燃焼式」とはこんなもの

  • 可燃性ガス専用のガスセンサーとして広く普及している。
  • 可燃性ガスの「濃度」を測定できる。
  • 抵抗値を測定し、ガス濃度として解釈する。

「抵抗値を測定し、ガス濃度として解釈する。」

こちらが、不明瞭だと思います。
ガスを測定するからガスセンサーにもかかわらず「抵抗値」を測定する、というのは一見すると不可解なことでしょう。

そもそも「濃度」を測定する、というのはなかなか難しいことです。
「気体の中に、分子がどれぐらい存在するのか」これを割り出すために、電気を使用します。

簡略化すると、次のような原理でガス濃度をします。

  1. 可燃性ガスにのみ反応する検知素子(コイル)にガスが接触する。
  2. 検知素子の温度が上昇。
  3. 検知素子内の「抵抗値」が変化する。
  4. 抵抗値とガス濃度が比例しているため、抵抗値から「ガス濃度」を求められる。

言ってしまえば、接触燃焼式ガスセンサーは、抵抗値を測定することによってガス濃度を割り出すセンサーです。

─ 電気化学式

「電気化学式」とはこんなもの

  • 製油所、ガスタービン、化学プラントなどで用いられている。
  • 電流を測定することで、ガス濃度を導く。

ガスとセンサーが接触することにより、分子が酸化または還元されます。
それによって、電子が生成もしくは消費されることによって、電流が流れます。
この電流はガス濃度に直線的に比例するため、この比例関係からガス濃度を計算することができます。

─ 光イオン化

「光イオン化」とはこんなもの

  • 光イオン化検出器(PID)として知られています。
  • 低濃度のガスも検出できるという強みがあります。

PIDは「Photoionization detector(光イオン化検出器)」の略称です。
揮発性有機化合物(VOC)や他の有毒ガスの測定で使用されます。

イオン化にはUV光(紫外線)が用いられるため、検出器にはUVランプなどが組み込まれています。
VOCや有毒ガスなどが検出器に入ると、紫外線を吸収する際に、イオン化されます。
イオンによって電流が発生し、これを検出することで測定しています。

─ 半導体レーザ吸収分光法(TDLAS)

「半導体レーザ吸収分光法」とはこんなもの

  • 非接触で特定のガスを測定できる。
  • 波長の吸収スペクトルから温度や濃度を割り出す。

半導体レーザ吸収分光法は「Tunable diode laser absorption spectroscopy」を省略し「TDLAS」とも言われます。
半導体レーザ(Tunable diode laser)と吸収分光法(absorption spectroscopy)を用いて、ガス中の水蒸気などを測定することができます。

成分、温度、濃度、圧力などを高速で測定することができるため、燃焼ガスの温度・濃度のモニタリングや、メタン検知器などに応用されています。

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─ NDIR式

「NDIR式」とはこんなもの

  • 一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)など、酸化炭素の測定に強みを持つ。
  • 赤外線(光)を用いるため「分光センサー」とも言われる。
  • ガスの選択性が非常に多い(複数の種類を測定できる)。
  • 赤外線を測定し、含有量を割り出す。

「NDIR:Nondispersive Infrared」は「非分散型赤外線」と和訳できます。
名前の通り「赤外線」を用いて、ガスを検知したり濃度を測定したりします。

「赤外線を用いる」というと、なかなか突飛に思えるかもしれませんが、赤外線を測定することで、分子を検出できます。

これは「分子は特定の波長の光(赤外線)を吸収する」という性質を利用したものです。
分子に吸収される赤外線は「分子ごとに異なっている」ため、分子が吸収した光を割り出すことで、ガスを測定できます。

こちらの記事でNDIR式センサーの測定原理について、分子の性質から詳細に解説しています。
興味がある方はご覧ください。

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