Combustible Gas Sensors
可燃性ガスのセンサー
多くの人はおそらく何度か火災安全灯を見たことがあり、火災安全灯が地下の炭鉱や下水道で “坑内ガス” 検知器の初期の型として使用されていたことが知られています。
火災安全灯は、元々は光源として使用されるはずでしたが、可燃性ガスのレベルを概算するためにも使用できました (使用者の経験、訓練、年齢、色覚などによって、25 ～ 50 % の正確性で)。現代の可燃性ガス検知器はこれよりもはるかに正確で、信頼性があり、繰り返し使用できます。火災安全灯の計測主観性 (たとえば火炎温度センサーの使用など) を克服するさまざまな試みが行われましたが、今や近代的な電子機器が火災安全灯に完全に取って代わりました。
それにもかかわらず、今日最も使用されている触媒検知器は、いくつかの点で初期の火災安全灯を現代的に発展させたものです。それは、触媒検知器がガスの燃焼と二酸化炭素と水への変化を基に動作するためです。
(トップに戻る)
Catalytic Sensor
触媒センサー
低コストで近代的な可燃性ガス検知器センサーはほぼすべて電子触媒タイプです。センサーは、”ビード”、”Pellistor”、または “Siegistor (2 つめと 3 つめは市販機器の登録商標名です) と呼ばれる小さなセンサー素子で構成されています。まず酸化アルミニウムなどのセラミック ベースで覆われ、外側をトリアの基質に分散させたパラジウムまたはロジウムの触媒で覆われている、電気で加熱されたプラチナの針金コイルで作られています。
この種類のセンサーは、可燃性ガス/気体の混合物が熱い触媒の表面に触れたときに、燃焼が発生し、発生した熱が “ビード” の温度を上昇させる、という原則に基づいて動作します。その結果、これがプラチナ コイルの抵抗に変わり、標準的な電気ブリッジ回路の温度計としてコイルを使用することにより、測定が可能となります。抵抗の変化は周辺の大気のガス濃度と直接関連していて、計測器や同様の表示機器に表示させることができます
(トップに戻る)
Sensor Output
センサーの出力
さまざまな周囲の状況下において温度の安定性を確保するため、最良の触媒センサーでは熱的に一致したビードを使用します。そのビードは、Wheatstone ブリッジ電気回路の反対のアームに付けられていて、”高感度” センサー (通常 “s” センサーとして知られています) は存在する可燃性ガスに対して反応し、平衡の “非活性” または “非感度” (n-s) センサーは反応しません。ガラスのフィルムでビードを覆うか、触媒を非活性化することで動作が無効になり、外部の温度または湿度の変化に対する補整器として動作します。
耐性のあるセンサーを使用して、操作の安定性をさらに向上させることができます。これらのセンサーは、他の種類の触媒センサーを急速に無効化させるシリコン化合物、硫黄化合物、および鉛化合物などの物質による分解への十分な耐性があります。
(トップに戻る)
Speed of Response
反応速度
安全設計の必須要件を満たすには、触媒タイプのセンサーを火災防止器の後ろにある強力な金属の筐体に取り付ける必要があります。これによってガス/気体の混合物が筐体や熱いセンサーに拡散されますが、外気への炎の拡散を防ぐことができます。火災防止器によってわずかにセンサーの反応速度が落ちますが、たいていの場合、ガスが検知されて約数秒後に電子出力機器に表示されます。ただし、反応速度の曲線は最終測定値に近づくにつれて急激に平らになるため、反応の時間は、最終測定値の 90% に到達する時間に関して指定され、T90 値として知られています。触媒センサーの T90 値は通常、20 ～ 30秒の間です。
(注意: 米国と他の国ではこの値がより低い T60 測定値となるため、他のセンサーの動作と比較する場合には注意が必要です。)
(トップに戻る)
Calibration
較正
触媒センサーに最もよくある不具合は、特定の “害悪” にさらされることによる動作の低下です。したがって、すべてのガス監視システムは取り付け時に較正するだけでなく、定期的にチェックし、必要に応じて較正を行うことが必要です。チェックには、コントローラーでゼロ レベルとスパンレベルを正しく設定できるように、正確に較正された標準的なガス混合物を使用してください。
EN50073:1999 などの実施基準に、較正チェックの頻度や警告レベルの設定に関するガイダンスが記載されています。一般的に、チェックは最初、毎週行うべきであり、操作に慣れてきたら間隔を広げることができます。2 つの警告レベルが必要とされる場合、通常、下のレベルには 20 ～ 25% LEL で設定され、上のレベルには 50 ～ 55％ LEL で設定されます。
古い (および低価格の) システムでは、チェックと較正に 2 人が必要です。1 人はセンサーをガスの流れに触れさせて、もう 1 人はコントロール ユニットの目盛りに表示される測定値を確認します。それから、測定値がガス混合物の濃度と正確に一致するまで、コントローラーでゼロとスパンのポテンショメーターへ調整します。
難燃性の筐体の内部で調整を行う場合は、先に電源を切り、筐体を開く許可を取得する必要があります。
現在は、1 人で操作できる較正システムが数多くあり、較正をセンサー自体で行うことができます。これにより、特に海上にある石油またはガスのプラットフォームなどセンサーの到達しにくい場所で、メンテナンスの時間とコストが大幅に削減されます。代わりに、本質安全基準に準拠するよう設計されたセンサーもいくつかあり、これらのセンサーでは (たとえばメンテナンス倉庫など) 現場から離れて便利な場所でセンサーを較正することができます。センサーは本質的に安全であるため、安全のためにシステムをシャットダウンしておかなくても、現場で交換の必要のあるセンサーと自由に交換することができます。
したがって、”最新” のシステム上で、以前の従来型システムより速く、かつ低コストでメンテナンスを行うことができます。
(トップに戻る)
Semiconductor Sensor
半導体のセンサー
半導体素材から作られるセンサーは 1980 年代後半に大幅に普及し、ある時には万能で低コストのガス センサーの可能性をもたらしたように見られました。触媒センサーと同様に、熱せられた酸化物のガス吸収作用で動作します。実際は、コンピューター チップの製造で使用されるのとまったく同じ方法で、薄いシリコンのプレートの上に置かれた、薄い金属酸化物のフィルム(通常は遷移金属またはスズなどの重金属の酸化物) です。酸化物の表面で生じるサンプル ガスの吸着は、触媒酸化を経て、酸化金属の電気抵抗に変わり、サンプル ガスの濃度に関係し得ます。センサーの表面は常に約 200 ～ 250 ℃に熱せられていて、反応側を速めたり、周囲の温度変化による影響を少なくします。
半導体のセンサーはシンプルで、非常に堅牢であり、高感度です。硫化水素ガスの検知において成果を収め、国内の安価なガス検知器の製造に幅広く使用されています。しかしながら、半導体のセンサーは特定のガスに特化しているというわけではなく、大気の温度または湿度の変化に影響されるため、工業で設置するには信頼性が低いことがわかっています。また、半導体のセンターはガス混合物で定期的にチェックしないと “眠った” 状態 (つまり、感度を失う) になって、反応が低下し、ガスの突出後に回復するため、他の種類のセンサーよりも頻繁にチェックする必要があります。
(トップに戻る)
Thermal Conductivity
熱伝導
ガス検知のこの方法は、二種混合ガスの高濃度 (%V/V) の計測に適していて、メタンや水素など、空気よりはるかに熱伝導性のあるガスを検知する方法に主に使用されています。アンモニアや一酸化炭層など、空気に近い熱伝導性のあるガスは検知できません。二酸化炭素やブタンなど、空気より熱伝導性のないガスは、水蒸気によって干渉されるため、検知がするのが難しいです。空気のない状態での 2 つのガスの混合物はこの方法を使用して計測できます。
熱したセンサー素子をサンプル ガスにさらし、参考用の素子を密封された区画の中に起きます。サンプル ガスの熱伝導性が参考用のものより高い場合は、センサー素子の温度が下がります。サンプル ガスの熱伝導性が参考用のものより低い場合は、サンプルの方の素子の温度が上がります。これらの温度の変化は、サンプルの素子の周囲にあるガスの濃度に比例します。
(トップに戻る)
Infrared Gas Detector
赤外線ガス検知器
多くの可燃性ガスには、光の電磁波スペクトルの赤外線領域に対する吸収帯があり、赤外線吸収の原理は何年もの間、実験室での分析方法として使用されています。しかしながら、1980 年代以降、電子的な発展と光学的な発展によって、十分に低電力かつ小サイズの機器の設計が可能になり、この方法を産業のガス検知製品に利用できるようになりました。
これらのセンサーには、触媒タイプを上回る重要な強みが数多くあります。非常に速い反応速度 (通常 10 秒未満)、少ないメンテナンス、非常に簡素化されたチェック (現代のマイクロプロセッサで制御された装置を備えたセルフチェックの機器を使用) などです。また、既知の “害悪” からの影響を受けないように設計でき、二重安全装置を装備していて、不活性の大気中や周辺のさまざまな気温、気圧、湿度の状況下でも正常に動作します。
この方法は二波長赤外線吸収の原則に基づいて作用します。この原則では、光はサンプルの混合物を 2 つの波長で通過し、1 つはガスの吸収のピークで検知されるように設定され、もう １ つはそのように設定しません。2 つの光源を交互に点滅させ、耐火性の “窓” に出現させ、サンプル ガスを通るように、共通の光路を通るようにします。光線はレトロリフレクターによって常に反射して戻され、サンプルを通ってユニットの中にもう一度戻ります。ここで、検知器がサンプルの光線と参考用の光線のシグナル強度を比較し、除去することによって、ガス濃度を計測します。
この種類の検知器は二原子の気体分子のみを検知できるため、水素の検知には適していません。
(トップに戻る)
Open Path Flammable Infrared Gas Detector
オープン パス式引火性赤外線ガス検知器
これまで、ガス漏れを検知する従来の方法は、多数の個別のセンサーを使用してある場所やその周辺をカバーする、ポイントでの検知でした。しかし最近では、幅広の光線 (またはオープン パス) という形で赤外線とレーザー テクノロジを使用する機器が利用可能になり、数百メートルの距離もカバーできます。初期のオープン パスの設計はポイントでの検知を補完するために使用されていましたが、最新の第 3 世代の機器は検知の主な方法として使用されています。FPSO、桟橋、入出庫ターミナル、パイプライン、周辺監視、海上のプラットフォーム、LNG (液化天然ガス) の保管場所などで、これまで多大な成功を収めています。
初期の設計は二波長の光線 (1 つめは対象のガスの吸収のピークに一致するもので、2 つめは非吸収域の近くにある参考用) を使用します。機器は、レトロリフレクターまたは個別の伝送器または受信器による新しい設計機器で後方散乱された放射線を使用して、大気を通って伝送される 2 つの信号を継続的に比較します。2 つの信号の比率における変化がガスとして計測されます。しかしながら、この設計は、さまざまな種類の霧が信号の比率に良くも悪く影響するため、霧の影響を受けやすく、誤ってガスの測定値を高く表示して過度の警告を出したり、ガスの測定値を低く表示して過少の障害を示したりする場合があります。最新の第 3 世代の設計は、すべての種類の霧や雨の干渉を十分に相殺する 2 つの参考用波長 (1 つはサンプルの片方) を持っている、両波帯通過フィルターを使用します。古い設計に見られたその他の問題は、光線の部分吸収によって発生する誤警告を回避する同軸ケーブルの光学設計を使用することと、機器が日光またはその他の放射線の発生源 (フレア用煙突、アーク溶接、稲妻など) の影響をまったく受けないようにするキセノン閃光電球と半導体の検知器を使用することによって克服されました。
オープン パスの検知器では、実際は気体分子の合計数 (つまり、ガスの量) を光線で計測することです。この値は、単一点でのガスの通常濃度とは異なり、したがって LEL の計測器で表示されます。
(トップに戻る)
Electrochemical Sensor
電気化学センサー
ガス限定の電気化学センサーは、安全装置に幅広く応用され、CO、H2S、Cl2、SO2 などの一般的な有毒ガスの大多数を検知できます。
電気化学センサーはコンパクトであり、消費電力が非常に少なく、優れた直線性と同時再現性を備えていて、通常、1 ～ 3 年の長期間にわたって使用できます。T90 (最終反応の 90% に到達する時間) で示したように、反応速度は通常 30 ～ 60 であり、最小検知値は対象のガスの種類によって異なりますが、0.02 ppm ～ 50 ppm です。
電気化学のセルの商用設計は数多く存在しますが、以下のような共通の機能を多く備えています。
作用電極と対電極との間でイオンを伝わらせるため、効率的にガス拡散の 3 本の電極を一般的な電解液 (多くの場合は酸性水溶液または食塩水) に入れます。
特定のセルに応じて、対象のガスが作用電極の表面で酸化または減少します。この反応によって、参照電極と比較して作用電極の電位が変化します。セルに接続されている関連の電動回路の主な機能は、作用電極と対電極の間に電流を流して、この電位の差異を最小化することであり、計測された電流は対象のガスの濃度に比例します。ガスは、ガスは浸透するが液体は浸透しない外部の拡散障壁を通って入ります。
多くの設計は毛管拡散障壁を備えており、作用電極に接触することによって “電流測定に関する” セルの稼働を継続するガスの量を制限します。
すべての電気化学セルを正常に稼働させるには、それらのセルが応用監視の特定処理に適さないようにするために、最小限の濃度の酸素が必要です。電解液には一定量の溶解酸素が含まれていて、酸素のない環境で対象のガスを短時間 (分単位) で検知できるようにことができますが、すべての較正ガスの流れには主な要素または希釈剤として空気が含まれていることに注意してください。
対象のガスに対する特異度は、電気化学の最適化、つまり触媒と電解液を選択すること、または、対象のガスの特異度を高めるためにある干渉気体分子を物理的に吸収するかそれらの分子と化学反応するフィルターをセルに含ませることによって実現されます。適切な製品のマニュアルを参照して、潜在的な干渉気体によるセルの反応への影響を理解することが重要です。
電気化学セル内に必要な水溶性電解質が含まれることにより、製品は温度と湿度の環境条件に敏感になります。これに対処するために、特許取得済みの Surecell™ の設計には、高温多湿と低温低湿度の環境で発生する電解質の “溶解” と “減少” を可能にする 2 つの電解液の容器が備えられています。
電気化学のセンサーの寿命は通常 2 年間保証されていますが、実際の耐用期間はこれを頻繁に超えます。例外として、酸素、アンモニア、シアン化水素のそれぞれのセンサーは、セルの部品が感知反応のメカニズムの一部として必ず消費されてしまいます。
(トップに戻る)
Chemcassette® センサー
Chemcassette® は、乾性反応基質の役割をする、細長い吸収用フィルター紙を使用します。これは、ガス収集媒体とガス分析媒体としての役割も果たし、断続的に操作モードで使用することができます。システムは比色分析技術を基本としていて、特定のガスをごく少量であっても検知することができます。また、ジイソシアン酸、ホスゲン、塩素、フッ素、および半導体製造工場で使用される数多くの水素化物ガスなど、多種多様の猛毒有害物質に対しても非常に効果的に使用できます。
1 つ以上の特定のガスに反応するよう特別に考案された化学試薬を使用することで、検知の特異度と感度が実現されます。サンプルの気体分子を Chemcassette® を経由して真空ポンプで引き込むと、気体分子が乾性反応基質と反応して、そのガスに固有の色の染みが作られます。染みの度合いは反応ガスの濃度に比例します。ガスの濃度が高いほど染みは濃くなります。Chemcassette® に打つ耐えられるサンプルのサンプル取得間隔と流量を注意深く調節することにより、10 億分の 1 (10 -9) ほどの低レベルの検知を容易に実現できます。
染みの濃さは、基盤の表面からの光を光源に対してある角度で置かれている光電管に反映させる電気光学システムで計測します染みが濃くなると、この反射された光は弱くなり、度合いの減少が光検知器によってアナログ信号の形式で感知されます。次に、この信号はデジタル形式に変換され、内部で生成された較正カーブと適切なソフトウェア ライブラリを使用して、ガスの濃度として示されます。Chemcassette® の形成は、高感度で速く、明確であるだけでなく、ガス漏れやガス放出が発生したことの物理的証拠 (カセット テープの染み) を残す唯一の利用可能なシステムである、独特の検知メディアを提供します。
(トップに戻る)