電気化学式ガスセンサーとは何か、そして電気化学式ガス分析装置はどのように動作するのか？

シャロン・イェ

技術営業 - エネルギーと環境

工業用ガスの計測は、まず一つの基本的な疑問から始まります。それは、「ガスを信頼性の高い計測信号に変換するにはどうすればよいか？」という問いです。

電気化学式ガスセンサーは、電気化学反応によって電気信号を発生させ、適合する対象ガスを測定します。電気化学式ガス分析装置は、この信号を処理し、校正済みのガス濃度に変換します。

実際には、測定結果は対象ガスだけでなく、センサーの化学的性質、ガス輸送、電極反応、温度、湿度、干渉ガス、信号処理など、さまざまな要因によって左右されます。

電気化学式ガス分析装置はどのように動作するのか？

電気化学式ガスセンサーは、電気化学反応によって特定のガスを検出するセンサー装置です。対象ガスが検出素子に到達すると、センサー内部で反応が起こり、電気的な応答が生じます。

ガス分析装置の技術では、酸素や特定の有毒ガスまたは反応性ガスの検出に電気化学センシングが一般的に用いられています。しかし、各センサーは特定の測定タスクに合わせて設計されています。そのガス適合性、測定範囲、感度、選択性、および動作条件は、センサーの化学組成と構造によって異なります。

ガス分析装置はこの応答を処理し、ガス濃度に変換します。センサーは電気信号を生成しますが、この電気信号が最終的な測定値ではありません。ガス分析装置はセンサーの出力を処理し、適切な校正関係を適用します。最終結果は、ppm、%Vol、またはその他の適切な濃度単位で表示されます。

ガス分析装置の構成によっては、測定データはアナログインターフェースまたはデジタルインターフェースを介して送信される場合もあります。この違いは、工業用ガス分析において重要です。センサーが一次応答を生成し、ガス分析装置がその応答を実用的な測定データに変換します。

電気化学式ガスセンサーはどのようなガスを測定できますか？

電気化学式ガスセンサーは、センサーの化学組成が特定のガスに合わせて設計されている場合、そのガスを測定できます。一般的な例としては、センサーの設計に応じて、O₂、CO、H₂S、SO₂、NO、NO₂、NH₃などが挙げられます。ただし、測定性能は対象ガスだけで決まるわけではありません。

同じガス用に設計された2つのセンサーでも、測定範囲、感度、動作条件、相互感度、応答特性が異なる場合があります。例えば、工業用酸素の測定には、低濃度の有毒ガスの測定とは異なるセンサー構成が必要になる可能性があります。

これが、メーカーがすべての電気化学センサーに共通する単一の性能仕様ではなく、ガスごとに異なる仕様を公表する理由でもある。

特定のガスを評価する際には、関連する技術情報として、そのセンサーモデルについて承認された測定範囲、動作条件、応答特性、および潜在的な干渉に関する情報を含める必要があります。

電気化学式ガスセンサーの主な構成要素は何ですか？

電気化学センサーの設計は様々だが、ガス輸送の制御、電気化学反応の促進、および結果として生じる信号の伝達を行うために、いくつかの構成要素が共通して機能する。

成分	主な機能	それが重要な理由
ガス入口	対象ガスがセンサー内に入ることを可能にする	ガスはセンシングシステムに到達しなければならない
拡散経路または障壁	ガス輸送を制御する	ガス輸送の変化は反応に影響を与える可能性がある
作用電極	感知反応をサポートする	標的ガスの反応により、主要な電気応答が生じる。
対極	相補的な電気化学反応をサポートする	電気化学プロセスを完了する
参照電極（使用する場合）	電気化学ポテンシャルの制御または監視に役立ちます	該当するセンサー設計において安定した動作をサポートします。
電解質	電極間のイオン移動をサポートする	電気化学反応を可能にする
電気接点	センサーの出力をガス分析装置に転送する	センシング素子を信号処理回路に接続する

したがって、エンジニアは、すべての電気化学センサーに共通のルールを適用するのではなく、選択したセンサーに指定された動作条件を常に参照する必要があります。そのため、エンジニアは、電気化学技術を単一の同一のセンシング方法としてではなく、ガスごとに異なるセンサー設計のファミリーとして理解する必要があります。

電気化学式ガス分析装置は、NDIRやTDLASと比べてどう違うのか？

電気化学センシング、NDIR、およびTDLASは、それぞれ異なる測定原理に基づいています。

選択基準	電気化学	NDIR	TDLAS
測定原理	電気化学反応	赤外線吸収	波長可変レーザー吸収
プライマリーシグナル	感知反応による電気的応答	赤外線吸収の変化	特定の波長におけるレーザー吸収
ガス供給能力	センサーの化学組成による	赤外線活性ガスに適しています	アクセス可能な分子吸収線に依存する
選択性	センサーの設計と起こりうる干渉によって異なります	スペクトル設計とガスマトリックスによって異なります	特定のガスに対する高いスペクトル選択性の可能性
マルチガス対応	分析装置の構成によります	複数の互換性のあるガスに対応可能	多くの場合、特定の標的ガスに合わせて設計される。
主な影響要因	センサーの化学、環境、干渉ガス	光学設計、ガス組成、光学汚染	光路および適用条件

比較によって万能な勝者を一つに絞り込むことはできません。むしろ、それぞれの技術は異なる測定要件に対応しています。したがって、技術比較は測定原理から始めるべきです。つまり、分析装置は対象ガスのどのような物理的または化学的特性を測定するのか、という点です。この問いによって、対象ガスから適切な技術へと明確な道筋が示されます。

ESEGASは電気化学センサーを用いて、どのように工業用ガス分析システムを設計しているのでしょうか？

ESEGASは、ガス分析装置技術と対象ガスおよび測定要件を結びつけます。酸素測定の場合、ESEGAS IR-GAS-600は電気化学式O₂センシング構成が可能です。製品情報によると、電気化学式O₂構成は0～25%の測定範囲に対応し、分解能は0.01%、記載されている構成における精度は±3%FS以下となっています。エンジニアは、実際のプロジェクトにおける最終仕様を必ず確認してください。

しかし、電気化学センシングは、より広範なガス分析要件の中で利用可能な測定技術の1つにすぎません。多成分アプリケーションについては、エセガス IR-GAS-600 構成には、CO、CO₂、CH₄などのガスに対するNDIR測定と、H₂に対するTCD測定も含まれる。