ガスセンサーの基礎

ジョン・ブライラー | 2021年3月15日

有害なガスの存在を検出することは、産業革命の初期には、初期の鉱山労働者だけでなく、製造業者や消費者にとっても必要でした。 最初のガス検知器の 1 つは、1815 年に英国の発明家ハンフリー デービー卿によって発明された火炎安全ランプ (またはデービー ランプ) でした。デービー ランプは、地下炭鉱内のメタン (消火器) の存在を検出するために使用されました。

昨日のガス検知技術は今日の手法に及ばない。 消費者および産業向けのモノのインターネット (IoT) 時代により、センサーを豊富に備えたガス検出ツールが、有害、放射性、爆発性のさまざまな種類のガスに対処できるようになりました。 最も一般的なガス技術には、分子特性分光計 (MPS)、ペリスター (cat-bead)、非分散赤外線 (NDIR)、電気化学 (echem)、光イオン化検出器 (PID) などがあります。

関連: 人間拡張が 2020 年の戦略的テクノロジーのリストにランクイン

これらはそれぞれ、特定の種類のガス用に設計されています。 たとえば、MPS、ペリスター、NDIR は、さまざまな炭化水素 (可燃性/可燃性ガス) の検出に使用されます。 逆に、echem センサーと PID は、さまざまな有毒ガスや揮発性有機化合物 (VOC) の検出に優れています。

エンジニアは、ガス センサー テクノロジーを選択して IoT/IIoT 設計に実装するというタスクにどのようにアプローチすべきでしょうか? これらの質問に答えるために、Design News は NevadaNano の専門家と会いました。 以下はその議論の一部です。

関連: CES 2020 の電子化技術ハイライト トップ 10

デザイン ニュース: 設計者とメーカーは、適切なガス センサーをどのように選択すればよいでしょうか?

ネバダナノ:適切なセンサーの選択は、測定する必要があるガスの種類とセンサーが動作する環境によって決まります。 一酸化炭素や硫化水素などのガスの場合は、有毒ガス電気化学 (または echem) 技術センサー システムを使用するのが最善です。 PID テクノロジーは、有毒なベンゼン ガスなど、echem センサーでは検出できないガスに適しています。 炭化水素 (可燃性/引火性) ガスの検出には、MPS、NDIR、ペリスター技術などのオプションがあります。 以下に、開始するための優れた設計要件のセットを示します。

1) どのようなガスを検出する必要がありますか?

2) 必要な検出範囲はどれくらいですか?

3) どのような環境条件や制約が設計に影響を与える可能性がありますか?

前述のガス検知システムにはそれぞれ、独自の長所と短所があります。 特定のアプリケーションに使用するテクノロジを選択する前に、これらの違いを理解することが重要です。

Design News: ガスセンサーは産業界でどのように使用されていますか?

ネバダナノ:ご想像のとおり、最適なガス検知器テクノロジーを選択する際には、運用シナリオなど、考慮すべき多くの変数があります。 多くの産業用ガス検知器では、固定式またはポータブル式の検知が可能です。 適切な産業用ガス検知器を選択するには、各センサー タイプの制限と長所を理解する必要があります。

ポータブルおよびハンドヘルドのデバイスは、単一ガスまたは複数ガスのセンシングに使用できます。 後者は、複数のテクノロジーを 1 つのデバイスに組み込む場合があります。 これらのタイプの検出器は通常、デバイスを装着している人の保護のために使用されます。

固定検出器は通常、単一のガス感知デバイスであり、多くの場合、広範な産業または商業用途で 24 時間 365 日監視するために配線されています。

デザインニュース: IoT および IIOT プラットフォームにどのように適合しますか?

ネバダナノ:データは、幅広いアプリケーションにわたる分析のための重要なツールとなっています。 分析され実用的なデータの量が増えるほど、ユーザーが情報に基づいた意思決定を行える可能性が高くなります。 歴史的に、ガスセンサーはローカルレベルのガスレベルを提供していました。 ポータブル機器にも同様のことが当てはまり、直接のユーザーのみがデータにアクセスできます。 最後に、固定機器の場合、ガスレベルは施設から隔離されます。

IoT および IIOT プラットフォームにセンサーを組み込むことで、ガス関連データ (有害ガスのレベルなど) を世界中に送信し、ポータブルおよび固定式の両方のモニターにリアルタイム データを提供できます。 たとえば、シンプルな Bluetooth 対応のガス検知器と対応するアプリは、最新の測定値をローカル ユーザーに提供し、近くまたは遠く離れた別の場所にいる監視者とワイヤレスで自動的に共有できます。

デザインニュース: ガスセンサーの将来はどうなるでしょうか?

ネバダナノ:数十年前のセンシング技術は現在も、そして近い将来も使用され続けています。 しかし、センサーの進歩により、分子特性分光計 (MPS) 可燃性ガスセンサーなどの新しい市場技術が生まれています。

キャリブレーションの頻度を減らすために、さらなる改善が行われています。 漏れ率、ガス漏れの期間、ガス漏れの原因などを含む、より多くのデータが提供される予定です。 半導体 MEMS とナノベースの改良により、センサーのサイズとコストは減少し続けるでしょう。 この削減により、より多くのセンサーを導入して、より多くのデータを提供できるようになります。

新しいアプリケーションが世界中で作成されています。 地球温暖化を抑制するための立法上の焦点が大きな推進力となっています。 例えば、現在、世界中で無限に続くと思われる天然ガスパイプラインにおけるガス漏れに対する規制が強化されています。 センサーを使用してそのようなパイプからの潜在的なメタンガス漏れを正確に特定することは、環境への影響を改善するだけでなく、製品の損失を減らし、業界の利益を向上させるのにも役立ちます。

センサーのコストの削減、IoT または IIOT プラットフォームと組み合わせたセンサー データ分析の改善は、より多くのアプリケーションにさらに多くのセンサーを導入するための重要な要因です。

John Blyler は、Design News の上級編集者で、エレクトロニクスと先進的な製造スペースをカバーしています。 工学物理学の学士号と電気工学の修士号を取得した彼は、先進的な製造、IoT、半導体業界で編集者およびエンジニアとしてハードウェア、ソフトウェア、ネットワーク システムの長年の経験を持っています。 John は、IEEE、Wiley、Elsevier でシステム エンジニアリングとエレクトロニクスに関する書籍を共著しています。

テキスト形式の詳細