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ガスセンサーの選び方【感度と速度とコストバランス】

2019.07.23 |  NDIR式センサー , ガスセンサー , 量子カスケードレーザー(QCL)

産業用のガスセンサーは、工場における製造プロセスでの利用、研究設備での安全性の確保、危険性の高いガスを取り扱う装置に組み込んでの利用等、様々なシーンで用いられています。

活躍の場が多いガスセンサー。それだけに選定には気を遣うことでしょう。
用途目的により、選定の軸として、大まかに下記のように分類されます。

  • 検出したいガスの種類
  • ガスの検出下限
  • 応答速度
  • コスト

今回は、これら4つの観点から、ガスセンサーの選び方をご紹介いたします。

検出したいガスの種類

塩素、二酸化炭素といった一般的なガスから、シアン化水素のような猛毒まで、多様なガスに対応するセンサーが存在しています。 まずは「何を検出したいか」が肝心です。

例えば「排気ガス」から二酸化炭素(CO2)を検出したい場合を考えてみましょう。 一口に排気ガスといっても、排気ガスを構成する成分が全て二酸化炭素でできている、というわけではありません。

有機化合物に由来する排出ガスは大部分が二酸化炭素と水蒸気であるが、微量成分として他物質を含む。一酸化炭素 (CO)、炭化水素 (HC)、窒素酸化物 (NOx) あるいは粒子状物質 (PM) などである。
Wikipediaより引用

つまり、具体的な条件を整理すると「二酸化炭素と水蒸気で構成されている排気ガスから、二酸化炭素を検出したい」というように「何を検出したいか」を決定できます。

さて、ガスセンサーで検出したい成分が明確になったら、次は「センサー」の性能を見ていきます。 つまり「感度と速度とコストバランス」です。

  • ガスの検出下限
  • 応答速度
  • コスト

感度、速度、コスト。
3つのバランスに配慮しながら、センサーを選定することで「目的」に沿ったセンサーを選ぶことができます。

ガスの検出下限

感度、速度、コスト。この中で「検出下限」が「感度」に該当します。

検出下限(LOD:Limit of Detection, Detection Limit)とは「検出できる最小量・最小値」を指します。
検出限界とも呼ばれます。

センサーの場合は「このセンサーでどこまで測定できるのか」を示す値と考えてよいでしょう。
「検出できる最小量・最小値」ですので、最小の値として「単位」で記載されます。

ガスの場合、検出限界は、次のような単位で示されます。

  • パーセント(%)
  • ppm:100万分の1
  • ppbオーダー:10億分の1

「検出下限」と、先ほど触れた「検出したいガス」の情報を掛け合わせて考えます。
「検出したいガス」を「どこまで測定するかの最小値」を見ることで、必要なセンサーも絞られてきます。

%オーダーで良いのか、ppmオーダー(100万分の1)が必要なのか、 ppbオーダー(10億分の1)なのか。
検出下限の設定は、センサーの目的・用途に適したものであることが肝心です。

近年のトレンドとして「微量のガスを検出する」というニーズが高まってきています。
例えば、ガスセンサーは工業用の製造プロセスの管理にも用いられておりますが、製造プロセスおいて極低濃度のガスが処理を阻害することがある場合があります。
こうしたケースに対応するには、わずかなガスも検出できるガスセンサーが必要です。

つまり「検出下限」は、言い換えると、センサーの性能の高さと密接に関わる値とも言えます。

もちろん検出下限が低いセンサー(高感度)ほど、高価格になる傾向があります。
低感度のセンサーとしては焦電型センサーがあり、高感度なもので近年注目されているものとして、QCL(量子カスケードレーザー)を用いたガスセンサーがあります。

応答速度

ごく簡単に述べると応答速度は「検出状態が変化してから、出力されるまでの速さ」を示します。
さらに単純化すると「ガスをどのぐらい早く測定できるか」に尽きます。

一般的に、応答速度は、センサー及び、検出対象ガスによって異なります。
ガス検出の応答速度として数分程度要するものから、数秒程度で応答するものまで、方式により様々です。

例えば、ラボで用いられるような質量分析計は非常に高感度ですが、ガス検出に時間がかかります。

コスト

当然ながらガスセンサーの選定において、コストは重要なファクターです。

これまで、検出対象ガス、センサーの感度、測定の速さという観点で見てきました。
ここにコストという条件を加えると、これまでご紹介した「ガス、感度、速度」までの条件によるトレードオフが生じることが一般的です。

代表的なガスセンサーの紹介

代表的なガスセンサーとして、次の4つが上げられます。

  • 焦電センサー
  • NDIR型ガスセンサー
  • 量子カスケードレーザー(QCL)
  • 質量分析計(ラボ用)

温度の変化に応じて、自発分極をもつセラミック(PZT)の表面に帯電する電荷が増減する焦電効果を利用して温度を測定します。

代表的なガスセンサーのマッピング

【速度・感度】代表的なガスセンサーのマッピング

― 焦電センサー

特定の目的を達成する場合、コストバランスが良いセンサーです。
ただし、センサー1個に対し検出できるガスの種類が少ないものが一般的とされています。

― NDIR型ガスセンサー

NDIRマルチガス赤外線センサー

メタン(CH4)、二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)を高安定に測定。

【Awite Bioenergie社】NDIR マルチガス赤外線センサー

赤外領域の波長によってガスを検出します。
こちらも、センサー1個に対し、検出できるガスの種類は限定されていますが、検出感度が高いため、工場などのモニタリングで使用されているなど、焦電センサーと比較し、高度な用途に対応できます。

― 量子カスケードレーザー(QCL)

ガス分析計向け 検出モジュール

量子カスケードレーザーと光音響分光を基盤とする、小型の微量ガス分析計。

【MIRSENSE社】ガス分析計向け 検出モジュール

微量なガスを正確に検出することができる、現在、注目市場のガスセンサーです。
産業分野を中心に環境分野など、センサーの応用分野が幅広いという特徴があります。
また、プロセス管理、毒性ガスの検知、パイプラインや石油プラントにおけるガスの漏出検知など、多数のアプリケーションに対応できます。

― 質量分析計(ラボ用)

高速・高感度な高スペックなガスセンサーです。当然ながら、価格もそのスペックに見合った高価格となっています。
分子やイオンの質量を測定できる質量分析法(Mass spectrometer)を用いて質量分析を行います。
環境、生命科学などの分野で用いられています。

おわりに

ガスセンサーを必要とする場合、対象を測定や検知、検出するための目的があります。

  • 製造現場でのプロセス管理
  • 毒性ガスの検知
  • 漏出検知
  • 研究用途における分析

それぞれの用途と照らし合わせ、測定対象、感度、速度、コスト、それぞれのバランスの取れた最適なガスセンサーを選ぶと良いでしょう。