赤外線開放型ガス検知器は、赤外線ビームを照射し、ビームの経路上のあらゆる場所でガスを検知します。この直線状の「センサー」は、通常、数メートルから数百メートルの長さです。開放型検知器は、赤外線点型センサーとは対照的なものです。
これらは石油・石油化学産業で広く使用されており、主に可燃性ガスの漏洩を、可燃下限濃度(通常は体積比で数パーセント)に近い濃度で非常に迅速に検知するために用いられています。また、石炭採掘や水処理など、可燃性ガスが発生する可能性のある他の産業でも使用されていますが、その使用頻度は今のところ限定的です。原理的には、硫化水素などの有毒ガスを、必要なppm濃度で検知することも可能ですが、技術的な困難さから、有毒ガスへの普及は今のところ進んでいません。
通常、直線状のビーム経路の両端にそれぞれ送信機と受信機が別々に配置されます。あるいは、光源と受信機が一体化され、測定経路の遠端にある再帰反射器でビームが反射されます。携帯用途向けには、再帰反射器の代わりに周囲の物体の自然な反射率を利用する検出器も開発されています。特定のガス(またはガスのクラス)の存在は、ビーム中の適切な赤外線波長の吸収によって検出されます。測定経路に雨や霧などがあると受信信号の強度が低下する可能性があるため、通常は1つ以上の基準波長で同時測定を行います。ビームによって捕捉されたガスの量は、測定波長と基準波長における信号損失の比率から推定されます。この計算は通常、マイクロプロセッサによって実行され、マイクロプロセッサは測定の妥当性を検証し、誤報を防止するための様々なチェックも行います。
測定される量は、ビームの経路に沿ったすべてのガスの合計であり、経路積分ガス濃度と呼ばれることもあります。したがって、この測定は、特定の地点に到達したガスの濃度ではなく、意図しないガス放出の総量に自然な偏り(多くの用途で望ましい)があります。赤外線ポイントセンサーの自然な測定単位は百万分率(ppm)または下限可燃限界の割合(%LFL)ですが、オープンパス検出器の自然な測定単位はppm.メートル(ppm.m)またはLFL.メートル(LFL.m)です。たとえば、北海のオフショアプラットフォームの火災およびガス安全システムでは、通常、検出器はフルスケール読み取り値が5LFL.mに設定されており、1LFL.mと3LFL.mでそれぞれ低アラームと高アラームが作動します。
開放型検出器は通常、単一の点検出器よりも高価なため、点検出器の強みを活かせる用途、つまり、点検出器をガス濃度が最も高い既知の場所に設置でき、比較的遅い応答が許容される用途にはほとんどメリットがありません。開放型検出器は、ガス放出源が分かっていても、発生するガス雲やプルームの推移が予測できない屋外環境で特に優れています。ガスは、選択された単一の点に到達する前に、ほぼ確実に広範囲の直線ビームに入ります。また、露出した屋外の場所に設置された点検出器には、耐候性シールドを取り付ける必要があり、応答時間が大幅に長くなります。開放型検出器は、パイプライン沿いや工場の周囲など、同じ範囲をカバーするために複数の点検出器が必要となる用途でも、コスト面で優位性を発揮します。1つの検出器で複数の検出器を置き換えることができるだけでなく、設置、メンテナンス、配線などのコストも低くなる可能性が高いです。
原理的には、あらゆる赤外線放射源を、レンズやミラーなどの光学系と組み合わせて送信ビームを形成するために使用できる。実際には、受信機での信号処理を容易にするために、常に何らかの変調方式を用いて、以下の光源が使用されてきた。
白熱電球は、フィラメントに流れる電流をパルス状に変化させるか、機械式チョッパーによって変調されます。屋外で使用するシステムでは、太陽光が受信機に直接当たる場合、白熱光源では太陽光の強度に対抗することが困難です。また、熱による揺らぎや海上の波に反射する太陽光など、自然に発生する周波数と区別できる変調周波数を実現することも困難です。
ガス放電ランプは、特にパルス発振の場合、赤外線領域において直射日光のスペクトルパワーを超えることができる。現代の開放型システムでは、一般的にコンデンサ放電を利用したキセノンフラッシュ管が用いられる。このようなパルス光源は、本質的に変調されている。
半導体レーザーは比較的弱い光源ですが、波長と振幅の両方を高周波で変調することができます。この特性により、フーリエ解析に基づく様々な信号処理方式が可能となり、ガスの吸収が弱くスペクトル線幅が狭い場合に有効です。
使用する波長帯域は、広帯域赤外線スペクトルから分離する必要があります。原理的には、あらゆる従来型の分光計技術が可能ですが、多層誘電体フィルターとビームスプリッターを用いたNDIR(非拡散赤外線)技術が最もよく用いられます。これらの波長を決定するコンポーネントは通常、受信機に配置されますが、送信機と分担する設計もあります。
受信機では、赤外線信号強度は赤外線検出器によって測定されます。一般的にフォトダイオード検出器が好まれ、高変調周波数では必須となりますが、長波長領域では低速の光伝導検出器が必要になる場合があります。信号は低雑音増幅器に入力され、その後必ず何らかのデジタル信号処理が施されます。ガスの吸収係数は通過帯域全体で変化するため、単純なベール・ランバートの法則を直接適用することはできません。このため、処理には通常、特定のガス、ガスの種類、またはガス混合物に適用できる校正テーブルが使用され、場合によってはユーザーが設定できます。
測定に使用する赤外線波長の選択は、検出器が特定の用途に適しているかどうかを大きく左右します。対象ガス(または複数のガス)が適切な吸収スペクトルを持つだけでなく、波長がスペクトルウィンドウ内に収まっている必要があり、これにより光路内の空気自体が透明になります。以下の波長領域が使用されています。
少量生産の研究機器とは異なり、日常的な産業用途向けに提供された最初のオープンパス検出器は、1983年に米国で発売されたライト・アンド・ライト社の「パスウォッチ」でした。1992年にデット・トロニクス社(Detector Electronics Corporation)に買収されたこの検出器は、強力な白熱光源と機械式チョッパーを備え、3.4 μm 帯で動作しました。主にコストと可動部品による長期的な信頼性への懸念から、大量販売には至りませんでした。1985年から、英国のシェル・リサーチ社は、シェル・ナチュラル・ガス社から資金提供を受け、可動部品のないオープンパス検出器の開発に着手しました。2.3 μm 波長の利点が特定され、研究プロトタイプが実証されました。この設計では、 50 m のコーナーキューブ型レトロリフレクターを備えた送信機と受信機が一体化されていました。パルス白熱ランプ、ガスおよび参照チャンネルにPbS光伝導検出器、信号処理に Intel 8031 マイクロプロセッサが使用されました。 1987年、シェルはこの技術をジーガー・ツェルウェガー(後のハネウェル)にライセンス供与し、同社は複数のコーナーキューブで構成された再帰反射パネルを使用した産業用バージョン「サーチライン」を設計・販売した。これは、危険区域での使用が認証され、可動部品のない最初のオープンパス検出器であった。シェル研究所によるその後の研究では、送信機に交互にパルスされた2つの白熱光源と受信機に1つのPbS検出器を使用し、PbS検出器の可変応答性によって引き起こされるゼロドリフトを回避した。この技術はジーガー・ツェルウェガーに提供され、後にシェル・ベンチャーズUKが一部所有するPLMSにライセンス供与された。1991年のPLMS GD4001/2は、可動部品やソフトウェアによる緩やかなドリフトの補正なしに真に安定したゼロを実現した最初の検出器であった。また、あらゆる種類の赤外線ガス検出器の中で、本質安全防爆認証を受けた最初のものであった。イスラエルのスペクトロニクス社(別名スペクトレックス社)は、1996年にフラッシュチューブ光源を初めて採用したSafEyeで重要な進歩を遂げ、1998年にはジーガー・ツェルヴェーガー社がSearchline Excelでそれに続いた。2001年にはPLMS Pulsar(その後すぐにドレーガー社に買収され、Polytron Pulsarとなった)が、設置時と日常的な運用時の両方において、送信機と受信機の相互の位置合わせを監視するためのセンシング機能を組み込んだ最初の検出器となった。