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ガス警報器 ガスセンサの検知原理や反応理論とメカニズム

2018年11月19日
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世の中には様々なガスがあります。
 
 

大気中には主に78%が窒素N2、21%が酸素O2

あとは微量に水蒸気H2O、二酸化炭素CO2二酸化窒素NO2、オゾンO3等が存在します。
 
 
しかしながら、他には排気ガスや発生ガスから、様々な危険なガスも存在します。
 
これらのガスは爆発したり、吸うと毒性があり、死んでしまったりします。
 
 
代表的には、一般的に火をつける時に着火元である「ガス」として使われる「メタンCH4」「プロパンC3H8」は可燃性、爆発性ガスです。
 
また、モノを燃やした時に、不完全燃焼で発生するに「一酸化炭素CO」は、毒性ガスです。
 
身体に吸引されると血液中のヘモグロビンと結合することで、酸素運搬能力が低下して酸欠になり、死に至ります。
 
 
これらの危険なガスが存在することを素早く検知して、人に知らせるのがガス警報器であり、それを検知するものがガスセンサであります。
 
 
一般的に住宅用ガス警報器として「メタン」や「プロパン」を検知して警報するものや、建物の天井に必ずある、火が出た時の熱や煙を検知する火災警報器があります。
 
 

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◎検知原理によるガスセンサの違い

 
ガスを検知するには、様々な検知原理があります。
 
基本的には存在するガスと反応させる物質があり、その化学反応から発生する変化を信号として変換して検知しています。
 
 
ガスを反応させて検知する化学物質をガスセンサといいます。
 
そして、そのガスセンサから出た変化を信号に変換して、お知らせする機器をガス警報器と言います。
 
 

・半導体式ガスセンサ

 
酸化スズSnO2等の金属酸化物をガスが感じる膜として、ガスが吸着した時の抵抗値(伝導度)の変化を電圧に出力変換して検知します。
 
ガスの濃度が高いほど、抵抗値の変化が大きいので、その変化量をガス濃度に換算することが出来ます。
 
 
難しい詳細を説明すると、金属酸化物半導体は通常空気中ではO2を一定量吸着しています。
 
その酸素がO2のマイナスイオンとなって吸着するため、半導体表面の電子を奪って、高抵抗になります。
 
 
そこに、燃焼系のガスが来ると、半導体表面で酸化反応します。
 
吸着していた酸素が反応して、電子が半導体に戻されるため低抵抗になります。
 
この抵抗値の変化を電圧に換算して出力にします。
 
 

・接触燃焼式ガスセンサ

 
触媒に接触したガスが、酸化した時の反応した時に燃焼熱を発生させます。
 
その熱による温度上昇を、白金コイルの抵抗値変化から、電圧に変換して出力します。
 
 
 

・電気化学式ガスセンサ

 
ガスが反応する触媒を使った電極とイオンが溶ける電解液を用いて、ガスが電極で酸化還元反応した時に流れる電流を検知して、それを固定抵抗から電圧に変換して出力しています。
 
ガスが反応する電極は反応極と対極の2種類と、基準の電位を持った参照極の3電極から構成されています。
 
参照極から反応極に一定の電位をかけ、その電位で反応するガスを選択的に電気分解して流れる電流を検知します。
 
 
 

・ガルバニ電池式

 
主に酸素センサとして、一般的な電池の起電力を利用したガスセンサです。
 
二つの電位の異なる金属を電解液に接触させて、ガスが反応した時に流れる電流を検知して、固定抵抗から電圧に変換して出力します。
 
 
 

・気体熱伝導式

 
白金抵抗体にガスが接触すると、空気との熱伝導度の差が生じることで、白金の温度が変化するためその抵抗値変化を電圧変化に出力します
 
気体の熱伝導度はガスによって異なるため、その区別が出来ます。
 
 
 

・その他のガス検知方式

 
その他にも、オルガスタ式、固体電解質式、赤外線吸収式、など様々なガス検知方式があります。
 

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◎ガスセンサの難しいところ

 
特定のガスだけに高く反応する「選択性」を持たすことが重要です。
 
そうでなければ、他のガスが干渉してしまい、ガスが漏れていないのに誤報となってしまいます。
 
 
例えば、メタンガス警報器でアルコールや殺虫剤などによる誤報。
 
また、火災警報器でたばこの煙による誤報。
 
工場の半導体製造ガス警報器で空気中のNO2やO3排ガスやにおいガスなどによる誤報。
 
 
それらのガスに反応しにくく、狙ったガスだけに高く反応する材料やフィルタの開発が重要になってきます。
 
 
 
ガス警報器を設置している環境の温度や湿度の変化で出力が変わらないことも大切です。
 
そして、同じ濃度が来たら、長期間の間においても、同じだけ出力し続けることが重要です。
 
 
ただし、ガスセンサーと言うのは化学物質であり、変化しやすいことから、それを変化させないようにすることはとても難しいことなのです。
 
そのためには日々の試作や試験による試行錯誤や、検知メカニズムの解析のための調査、分析などの開発、または現場不具合センサの調査からの改良が重要になってきます。

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