ガスセンサーの種類について

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。

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

「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

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

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：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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