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ガス検知器は、空間内のガスの存在を検知する装置であり、多くの場合、安全システムの一部として使用されます。ガス検知器は、ガス漏れが発生している場所の作業員に警報を発し、避難する機会を与えます。ガスの中には、人間や動物などの生物に有害なものが数多く存在するため、この種の装置は非常に重要です。
ガス検知器は、可燃性ガス、引火性ガス、有毒ガス、および酸素欠乏を検知するために使用できます。この種の装置は産業界で広く使用されており、石油掘削施設などの製造工程や太陽光発電などの新興技術の監視にも利用されています。また、消火活動にも使用されることがあります。
ガス漏れ検知とは、センサーによって潜在的に危険なガス漏れを特定するプロセスです。さらに、サーマルカメラを使用して視覚的に識別することもできます。これらのセンサーは通常、危険なガスが検出された場合に人々に警告するために可聴アラームを使用します。有毒ガスへの曝露は、塗装、燻蒸、燃料充填、建設、汚染土壌の掘削、埋立地作業、密閉空間への立ち入りなどの作業でも発生する可能性があります。一般的なセンサーには、可燃性ガスセンサー、光イオン化検出器、赤外線ポイントセンサー、超音波センサー、電気化学ガスセンサー、金属酸化物半導体（MOS）センサーなどがあります。最近では、赤外線イメージングセンサーも使用されるようになりました。これらのセンサーはすべて幅広い用途で使用されており、工業プラント、製油所、医薬品製造、燻蒸施設、製紙工場、航空機および造船施設、危険物処理作業、廃水処理施設、車両、室内空気質検査、家庭などで見られます。
有害ガスが人体に及ぼす影響が発見されて以来、ガス漏れ検知方法が重要な課題となった。現代の電子センサーが登場する以前は、早期検知は精度が低い検出器に頼っていた。19世紀から20世紀初頭にかけて、炭鉱夫たちは二酸化炭素、一酸化炭素、メタンなどの生命を脅かすガスに対する早期検知システムとして、カナリアを坑道に連れて行った。通常、非常に歌の上手なカナリアは、これらのガスから隔離されないと歌を止め、最終的には死んでしまうため、炭鉱夫たちはすぐに坑道から脱出するよう促された。
産業時代最初のガス検知器は、 1815年にイギリスのハンフリー・デービー卿によって発明された、炎安全灯（またはデービーランプ）でした。これは、地下炭鉱におけるメタン（メタンガス）の存在を検知するために考案されたものです。炎安全灯は、新鮮な空気中で一定の高さに調整された油炎で構成されていました。これらのランプでは、着火を防ぐために、炎はメッシュ状の防炎板を備えたガラス製のスリーブ内に収められていました。炎の高さは、メタンの存在（高い）または酸素不足（低い）に応じて変化しました。今日でも、世界の一部の地域では、炎安全灯が使用されています。
ガス検知の現代は、1926年から1927年にかけて、オリバー・ジョンソン博士による触媒燃焼（LEL）センサーの開発から始まった。ジョンソン博士はカリフォルニアのスタンダード・オイル社（現在のシェブロン社）の従業員であり、燃料貯蔵タンクでの爆発事故を防ぐために、空気中の可燃性混合物を検出する方法の研究開発に着手した。1926年にデモンストレーションモデルが開発され、モデルAと命名された。最初の実用的な「電気式蒸気指示計」は、1927年にモデルBの発売とともに生産が開始された。
世界初のガス検知会社であるジョンソン・ウィリアムズ・インスツルメンツ（JWインスツルメンツ）は、1928年にカリフォルニア州パロアルトでオリバー・ジョンソン博士とフィル・ウィリアムズによって設立されました。JWインスツルメンツは、シリコンバレー初の電子機器会社として知られています。その後40年以上にわたり、JWインスツルメンツは、ガス検知機器の小型化と携帯化、携帯型酸素検知器の開発、可燃性ガス／蒸気と酸素の両方を検知できる初の複合型検知器の開発など、現代のガス検知技術において数々の「初」を成し遂げました。
1980年代から1990年代にかけて家庭用電子式一酸化炭素検知器が開発される以前は、一酸化炭素の存在は、ガスに触れると茶色に変色する化学薬品を染み込ませた紙で検出されていた。それ以来、さまざまなガスの漏洩を検知、監視、警告するための多くの電子技術や装置が開発されてきた。
電子式ガスセンサーのコストと性能が向上するにつれ、より幅広いシステムに組み込まれるようになりました。自動車における当初の用途はエンジン排気ガス制御でしたが、現在では乗客の快適性と安全性を確保するためにも使用されています。二酸化炭素センサーは、需要制御換気システムの一部として建物に設置されています。高度なガスセンサーシステムは、当初の手術室での使用にとどまらず、医療診断、モニタリング、治療システムでの使用に向けて研究されています。一酸化炭素やその他の有害ガス用のガスモニターと警報器は、オフィスや家庭での使用がますます普及しており、一部の地域では法的に義務付けられるようになっています。
当初、検出器は単一のガスを検出するために製造されていました。現代の装置は、複数の有毒ガスや可燃性ガス、あるいはそれらの組み合わせを検出できます。[ 1 ]最新のガス分析装置は、複雑な香りの成分信号を分解して、複数のガスを同時に識別できます。[ 2 ]
金属酸化物半導体（MOS）センサーは1990年代に導入されました。最も初期の既知のMOSガスセンサーは、1990年にG. Sberveglieri、G. Faglia、S. Groppelli、P. Nelli、A. Camanziによって実証されました。それ以来、MOSセンサーは重要な環境ガス検出器となっています。[ 3 ]
ガス検知器は、動作原理（半導体式、酸化式、触媒式、光イオン化式、赤外線式など）によって分類できます。ガス検知器は、携帯型と固定型の2つの主要な形状で販売されています。
携帯型ガス検知器は、作業員の周囲の環境を監視するために使用され、手持ち式、衣服やベルト／ハーネスに装着式があります。これらのガス検知器は通常、電池で動作します。危険なレベルのガス蒸気が検出されると、警報音や点滅灯などの音と視覚による信号で警告を発します。
固定式ガス検知器は、1種類または複数の種類のガスを検知するために使用できます。固定式検知器は通常、工場や制御室のプロセスエリア付近、あるいは住宅の寝室など、保護対象エリアに設置されます。一般的に、産業用センサーは固定式の軟鋼製構造物に設置され、ケーブルで監視制御・データ収集（SCADA）システムに接続され、継続的な監視が行われます。緊急事態発生時には、トリップインターロックを作動させることができます。
電気化学式ガス検知器は、多孔質膜を通してガスが電極に拡散し、そこで化学的に酸化または還元されることで機能します。生成される電流の量は、電極で酸化されるガスの量によって決まり、[ 4 ]ガスの濃度を示します。メーカーは、多孔質バリアを変更して特定のガス濃度範囲を検出できるようにすることで、電気化学式ガス検知器をカスタマイズできます。また、拡散バリアは物理的/機械的なバリアであるため、検知器はセンサーの寿命にわたってより安定して信頼性が高く、そのため、初期の他の検知器技術よりもメンテナンスが少なくて済みます。
しかし、センサーは腐食性物質や化学汚染の影響を受けやすく、交換が必要になるまで1～2年しか持たない場合があります。[ 5 ]電気化学式ガス検知器は、製油所、ガスタービン、化学プラント、地下ガス貯蔵施設など、さまざまな環境で使用されています。
触媒ビーズ（ペリストール）センサーは、濃度が爆発下限（LEL）と爆発上限（UEL）の間にある場合に爆発の危険性がある可燃性ガスを測定するためによく使用されます。白金線コイルを含む活性ビーズと参照ビーズは、ホイートストンブリッジ回路の反対側の腕に配置され、数百℃まで電気的に加熱されます。活性ビーズには、可燃性化合物を酸化させる触媒が含まれており、これによりビーズがさらに加熱され、電気抵抗が変化します。活性ビーズと参照ビーズ間の電圧差は、存在するすべての可燃性ガスと蒸気の濃度に比例します。サンプリングされたガスは、焼結金属フリットを通してセンサーに入ります。このフリットは、機器が可燃性ガスを含む雰囲気中に持ち込まれたときに爆発を防ぐバリアとして機能します。ペリストールは基本的にすべての可燃性ガスを測定できますが、焼結体をより速く拡散する小さな分子に対してより感度が高くなります。測定可能な濃度範囲は、通常、数百ppmから数体積パーセントです。こうしたセンサーは安価で頑丈だが、試験を行うには大気中に最低でも数パーセントの酸素が必要であり、シリコーン、鉱酸、塩素化有機化合物、硫黄化合物などの化合物によって劣化したり、機能が阻害されたりする可能性がある。
光イオン化検出器 (PID) は、高光子エネルギーの UV ランプを使用して、サンプリングされたガス中の化学物質をイオン化します。化合物のイオン化エネルギーがランプの光子のエネルギーより低い場合、電子が放出され、結果として生じる電流は化合物の濃度に比例します。一般的なランプの光子エネルギーには、10.0 eV、10.6 eV、11.7 eV があります。標準的な 10.6 eV ランプは数年間使用できますが、11.7 eV ランプは通常数か月しか使用できず、他に選択肢がない場合にのみ使用されます。数 ppb (10 億分の 数) から数千 ppm (百万分の 数) のレベルで、幅広い化合物を検出できます。検出可能な化合物のクラスは、感度の高い順に、芳香族化合物とアルキルヨウ化物、オレフィン、硫黄化合物、アミン、ケトン、エーテル、アルキルブロミド、ケイ酸エステルなどがあります。有機エステル、アルコール、アルデヒド、アルカン、硫化水素、アンモニア、ホスフィン、有機酸。空気の標準成分や鉱酸には反応しません。PIDの主な利点は、優れた感度と使いやすさです。主な制限は、測定が化合物に特化していないことです。最近では、ベンゼンやブタジエンなどの化合物に対する特異性を高めるプレフィルターチューブ付きのPIDが導入されています。固定式、携帯式、小型の衣服クリップ式PIDは、産業衛生、危険物、環境モニタリングに広く使用されています。
赤外線（IR）点センサーは、既知量のガスを通過する放射線を利用します。センサービームからのエネルギーは、特定のガスの特性に応じて、特定の波長で吸収されます。たとえば、一酸化炭素は約 4.2～4.5 μm の波長を吸収します。[ 6 ]この波長のエネルギーは、吸収範囲外の波長と比較されます。これら 2 つの波長のエネルギーの差は、存在するガスの濃度に比例します。[ 6 ]
このタイプのセンサーは、ガスを検出するためにガス中に置く必要がなく、遠隔センシングに使用できるという利点があります。赤外線ポイントセンサーは、炭化水素[ 7 ]や、水蒸気や二酸化炭素などの赤外線活性ガスを検出するために使用できます。IRセンサーは、可燃性ガスが存在し、爆発の可能性がある廃水処理施設、製油所、ガスタービン、化学プラントなどの施設で一般的に使用されています。遠隔センシング機能により、広い空間を監視することができます。
エンジンの排気ガスも、赤外線センサーの研究対象となっている分野の一つです。このセンサーは、車両の排気ガス中の高濃度の二酸化炭素やその他の異常ガスを検出し、車両の電子システムと統合してドライバーに警告を発することも可能になります。[ 6 ]
赤外線イメージセンサーには、アクティブシステムとパッシブシステムがあります。アクティブセンシングの場合、IRイメージセンサーは通常、シーンの視野全体にレーザーを走査し、特定のターゲットガスの吸収線波長での後方散乱光を探します。パッシブIRイメージセンサーは、画像内の各ピクセルでスペクトル変化を測定し、ターゲットガスの存在を示す特定のスペクトルシグネチャを探します。 [ 8 ]画像化できる化合物の種類は、赤外線ポイント検出器で検出できるものと同じですが、画像はガスの発生源を特定するのに役立つ場合があります。
半導体ガスセンサー、最も一般的には金属酸化物半導体（MOS）センサー[ 3 ]は、ガスがセンシング素子の表面に直接接触したときに起こる化学反応によってガスを検出します。センシング素子は通常、200℃から500℃の温度に加熱されます。二酸化スズは半導体ガスセンサーで最も一般的に使用される材料であり[ 9 ]、センサーが監視対象のガスと接触すると、センサーの電気抵抗が低下します。二酸化スズ層の抵抗は、通常、空気中では10～500kΩの範囲ですが、還元性ガスが存在すると、この値のごく一部まで低下することがあります[ 10 ] 。この抵抗の変化（多くの場合、クロス感度補償のために湿度センサーの値など、他のセンサーの信号と合わせて）を使用して、ガス濃度を計算します。半導体ガスセンサーは、水素、アルコール蒸気、一酸化炭素などの有害ガスを検出するためによく使用されます。[ 11 ]半導体ガスセンサーの最も一般的な用途の 1 つは一酸化炭素センサーです。また、呼気検査器にも使用されています。[ 10 ]センサーがガスを検出するためにガスと接触する必要があるため、半導体ガスセンサーは赤外線ポイント検出器や超音波検出器よりも短い距離で動作します。
MOSセンサーは、一酸化炭素、二酸化硫黄、硫化水素、アンモニアなどのさまざまなガスを検出できます。1990年代以降、MOSセンサーは重要な環境ガス検出器となっています。[ 3 ] MOSセンサーは非常に汎用性が高いものの、湿度や他のガスとの交差感度の問題があります。湿度の交差感度の原因は、酸化物表面と水酸化物イオンの相互作用に起因するとされています。[ 12 ]このような干渉は、アルゴリズムの最適化と温度サイクル動作によって低減できます。[ 13 ] [ 14 ]
超音波ガス漏れ検知器は、厳密にはガス検知器ではありません。加圧されたガスが小さな開口部（漏れ）を通って低圧領域で膨張する際に発生する音響放射を検出します。音響センサーを使用して、周囲の背景ノイズの変化を検出します。ほとんどの高圧ガス漏れは25kHz から10MHzの超音波範囲の音を発生させるため 、センサーは 20Hzから20kHzの可聴範囲で発生する背景音響ノイズからこれらの周波数を容易に区別できます 。[ 15 ]超音波ガス漏れ検知器は、背景ノイズの通常の状態から超音波が逸脱するとアラームを発します。超音波ガス漏れ検知器はガス濃度を測定することはできませんが、超音波レベルはガス圧と漏れの大きさに依存するため、漏洩ガスの漏洩率を判定することができます。[ 15 ]
超音波式ガス検知器は、主に屋外環境における遠隔検知に使用されます。屋外環境では、天候条件によって漏洩ガスが容易に拡散し、ガスと接触して検知し警報を発する漏洩検知器に到達する前に拡散してしまう可能性があるためです。これらの検知器は、洋上および陸上の石油・ガスプラットフォーム、ガス圧縮・計量ステーション、ガスタービン発電所、その他多くの屋外パイプラインが設置されている施設などで一般的に使用されています。
ホログラフィックガスセンサーは、ホログラムを含むポリマーフィルムマトリックスの変化を検出するために光の反射を利用します。ホログラムは特定の波長の光を反射するため、その組成の変化によって、ガス分子の存在を示すカラフルな反射が生じます。[ 16 ]ただし、ホログラフィックセンサーには、白色光やレーザーなどの照明光源と、観察者またはCCD検出器が必要です。
すべてのガス検知器は、スケジュールに従って校正する必要があります。ガス検知器の 2 つのフォーム ファクターのうち、ポータブルは、環境が定期的に変化するため、より頻繁に校正する必要があります。固定システムの一般的な校正スケジュールは、四半期ごと、半年ごと、またはより堅牢なユニットの場合は年ごとになる場合があります。ポータブル ガス検知器の一般的な校正スケジュールは、毎日の「バンプ テスト」と月ごとの校正です。[ 17 ]ほぼすべてのポータブル ガス検知器には、特定の校正ガスが必要です。 米国では、労働安全衛生局(OSHA) が定期的な再校正の最低基準を設定する場合があります。
ガス検知器は従業員/作業員の安全のために使用されるため、製造元の仕様どおりに動作していることを確認することが非常に重要です。オーストラリアの規格では、ガス検知器を操作する人は、毎日ガス検知器の性能を確認し、製造元の指示と警告に従って保守および使用することが強く推奨されています。[ 18 ]
チャレンジテストでは、ガス検知器を既知の濃度のガスにさらして、ガス検知器が反応し、可聴アラームと視覚アラームが作動することを確認する必要があります。また、ガス検知器の機能に影響を与える可能性のある、ハウジングとネジが損傷していないか、フィルターがきれいであるかなどを確認して、偶発的または意図的な損傷がないかガス検知器を検査することも重要です。基本的な校正またはチャレンジテストキットは、校正ガス/レギュレーター/校正キャップとホース（通常はガス検知器に付属）と、保管および輸送用のケースで構成されます。テストされていない機器の 2,500 台に 1 台は危険な濃度のガスに反応しないため、多くの大企業はバンプテスト用の自動テスト/校正ステーションを使用し、ガス検知器を毎日校正しています。[ 19 ]
酸素欠乏ガスモニターは、従業員や作業員の安全確保のために使用されます。液体窒素（LN2）、液体ヘリウム（He）、液体アルゴン（Ar）などの極低温物質は不活性であり、漏洩が発生すると密閉空間内の酸素（O2）を置換する可能性があります。酸素濃度が急激に低下すると、従業員にとって非常に危険な環境となり、突然意識を失うまで問題に気づかない場合があります。そのため、極低温物質を使用する場所では、酸素ガスモニターの設置が重要となります。酸素モニターは、研究所、MRI室、製薬会社、半導体メーカー、極低温物質サプライヤーなどで一般的に使用されています。
呼吸ガス中の酸素分率は、電気ガルバニック酸素センサーによって測定されます。これらは、例えばスキューバダイビングで使用されるナイトロックス混合ガス中の酸素の割合を決定するために単独で使用することも、[ 20 ]リブリーザー内の酸素分圧を一定に保つフィードバックループの一部として使用することもできます。[ 21 ]
気体状のアンモニアは、工業用冷凍プロセスや呼気を含む生物学的分解プロセスにおいて継続的に監視されています。必要な感度に応じて、さまざまな種類のセンサーが使用されます（例：フレームイオン化検出器、半導体、電気化学、フォトニック膜[ 22 ]）。検出器は通常、25ppmの下限曝露限界付近で動作しますが[ 23 ]、産業安全のためのアンモニア検出では、0.1%の致死曝露限界を超える継続的な監視が必要です[ 22 ] 。
水素は濃度が4%を超えると非常に爆発性の高い物質となり、安全上の危険をもたらします。そのため、その濃度を継続的に監視することが不可欠です。高感度で信頼性の高い水素ガスセンサーの開発は、早期発見、リアルタイム監視、そして危険な濃度に達する前に警報を発する上で極めて重要です。これらのセンサーは、燃料電池から工業プロセスまで、様々な用途における水素の安全な利用を確保する上で重要な役割を果たします。
電気式[ 24 ] [ 25 ]、光学式[ 26 ] [ 27 ]、音響式[ 28 ]など、多くのセンサー候補が提案されている。
水素ガスセンサーの主な原理は、水素に曝されると物理的特性が変化する触媒材料を組み込むことです。これらの変化は、材料の仕事関数の変化や表面プラズモン共鳴の変化など、さまざまな形で現れます。パラジウムや白金などの触媒材料は、水素に対する感度が高いため、一般的に使用されています。水素分子がこれらの金属と相互作用すると、解離して吸収され、電気的または光学的特性に変化が生じます。これらの変化が検出され、測定可能な信号に変換されるため、水素濃度をリアルタイムで正確に監視できます。[ 29 ]
住宅内に設置できる有害ガス検知センサーはいくつか種類があります。一酸化炭素は非常に危険なガスですが、無臭無色であるため、人間が感知するのは困難です。一酸化炭素検知器は20～60米ドル程度で購入できます。現在、米国の多くの地方自治体では、住宅への煙感知器の設置に加え、一酸化炭素検知器の設置も義務付けています。
携帯型の可燃性ガス検知器は、天然ガス管、プロパンタンク、ブタンタンク、またはその他の可燃性ガスからのガス漏れを検知するために使用できます。これらのセンサーは35ドルから100ドルで購入できます。
欧州共同体は、フィンランドのVTT技術研究センターが調整したMINIGASプロジェクトと呼ばれる研究を支援しました。[ 30 ]この研究プロジェクトは、新しいタイプのフォトニクスベースのガスセンサーを開発し、従来の実験室グレードのガス検出器と同等またはそれ以上の速度と感度を持つ小型機器の作成を支援することを目的としています。[ 30 ]