空気のセンシング：空気質および安全性の監視用センサ

粒子および有害ガスなどの空気汚染物質は、人間の健康に有害であると知られています。 その一方で、業界では、効果的でない燃焼プロセスから生じるメタンまたはプロパン、または一酸化炭素などの高濃度のガスが即時の安全リスクを示す可能性があります。 これらの問題を克服するために、自家所有者、商用ビルまたは産業用地の作業者、市議会、および環境機関などの広範囲にわたるグループが、空気質の監視およびさまざまなガスの存在検出のための機器にアクセスする必要があります。

空気汚染の調査

世界保健機関（WHO）によると、空気汚染、特に粒子状物質（PM）による汚染は、病気や死亡率に密接に関連します。 （PM10およびPM25と呼ばれる）直径で最大10または25ミクロンになる可能性がある小粒子は、健康に最大の脅威を示します。 これらのサイズの粒子は、道路車両やその他家庭内活動および産業活動によって排出され、また、土や砂などの自然源から生じます。 先進国や発展途上国の人々は、高レベルのPM汚染にさらされる可能性があります。欧州環境機関による2012年の報告では、EUの80%を超える都市人口が、2005年のWHO空気質ガイドラインを上回るPMレベルにさらされていることが分かりました。

市当局は、空気質を向上する必要に迫られています。 都心における車両排ガスの影響を軽減するために、さまざまな輸送関連の計画が実行されてきました。 多くの都市では、交通レベルを低減するための混雑料金を導入してきました。その一方で、他の調査および試験には、英国のバーミンガムおよびコベントリー評議会による水素燃料電池自動車の実験、およびロンドンの無線電気自動車充電の試験が含まれます。これらの実験および試験の最終的な目標は、電気自動車の広範囲にわたる使用のための実用的なインフラを確立することです。 空気質の正確なデータは、このような努力の結果を当局が評価できる極めて重要な情報を提供します。

空気質の監視

屋内空気質（IAQ）に関する限り、空気浄化機は、しばらくの間屋内およびオフィスで使用可能となっています。 より最近では、空気質を監視するためのスマートセンサを組み込むハイエンドシステムが市場に参入しました。 この情報は、画面を介してユーザーに表示可能で、また、さまざまなガスや、小さい髪、埃、およびたばこの煙などの粒子の最適な除去のために浄化機の調整に使用することができます。

Sharpの埃センサであるGP2Y1010は、赤外LEDおよびフォトトランジスタを使用して、周辺環境における粒子の存在を定量化します。 監視される空気のサンプルは、図1にあるIR LEDおよび検出器の上に配置されている、センサエンクロージャの一連の穴を通じて入ります。


粒子がセンサを通過すると、フォトトランジスタの応答は、サンプル内の粒子の濃度を示します。 このセンサの主な長所は、µg/m³での粒子濃度に比例した出力を生成できることです。 これは、粒子濃度のこの式が、空気質監視アプリケーションで広く使用されているため、空気質監視システムの設計簡素化に寄与することができます。

建築物内の占有者が排出する二酸化炭素（CO₂）のレベルはまた、オフィスビルなどの大きな商用敷地で特に、空気質に大きな影響を及ぼすことで知られています。 CO₂を正確にかつリアルタイムで検出することは、空気質を最適化し、建築物の全体のエネルギー消費を最小化するために、空調または換気システムを制御する有効な手段を提供します。T6613およびT6615などのAmphenol Advanced Sensorsの Telaire CO₂センサにより、HVACシステムは、デマンド制御換気（DCV）を提供することができます。 DCVシステムにおいて、センサは、多数の占有者が存在する際のCO₂レベルの上昇を検出します。 換気システムは、あらかじめ決められた閾値にそのレベルが達する時のみにアクティブ化され、そのレベルが許容レベルに低下すると再びオフになります。 このシステムは、建築物内の占有者が少ない時に、アクティブ化される頻度が低いため、建築物の過剰換気を回避するのに役立ちます。 これにより、換気システムが消費するエネルギーを低減し、暖房費を削減することができます。

Telaireセンサは、CO₂分子が特定の波長の赤外光を吸収するという事実を利用する、非分散型赤外（NDIR）技術を使用してCO₂の濃度を検出します。 各センサは、CO₂の濃度計算を可能にする光吸収を測定するために、赤外線源、特許取得済みの導波管、カスタム設計の赤外フィルタ、およびマイクロ加工サーモパイル検出器を組み込んでいます。 T6613センサは、GEの特許取得済みのABC Logic™セルフキャリブレーションアルゴリズムを使用します。このアルゴリズムは、低い占有レベルを基準にして経時的にセンサの較正を継続します。 デュアルチャンネルデバイスのT6615センサは、別々の測定およびリファレンスチャンネルを備えているため、ABC Logicを使用せずに長期間にわたって較正を自動的に維持することができます。

業界におけるガス検出

化学処理、採鉱、または製造などの産業的状況において、プロパンまたはメタンなどの可燃性ガスまたは爆発性ガスの漏れ、または一酸化炭素などのその他の可能性のある有害ガスの存在は、安全性への脅威を示す可能性があり、即時に検出される必要があります。

欧州のATEX指令は、雇用者が、爆発性環境が存在する可能性がある作業領域で爆発防止策を講じるだけでなく、作業者への適切な保護を提供することをも義務付けています。 特に、（爆発環境からのリスクにさらされる可能性がある作業者の安全性および健康保護向上の最小要件に関する）指令1999/92/ECは、 作業者には光警報および/または音響警報が与えられ、爆発状態に達する前に作業者がその領域から退く必要があることを明記しています。

可燃性ガス用のBS EN 60079-29-1:2007性能要件およびIEC/EN60079-1必須安全要件（ESR）を満たす適したガス検出機器は、ATEXの基準に従って認証される可能性があります。 安全度水準（SIL）の規格EN50402およびEN61508はまた、適用可能です。

Parallaxは、有害ガスを検出するように設計され、産業用または家庭用アプリケーションで使用できる、デバイスおよびシステムでの使用向けの各種センサを提供します。 その例がParallaxの605-00008ガスセンサです。このセンサは、液化石油ガス（LPG）、イソブタン、プロパン、メタン、アルコール、または水素の検出に適しており、また、煙の検出に使用できます。 このセンサは、小型アルミナ（Al2O₃）管、二酸化すず（SnO₃）センシングレイヤ、測定電極およびヒータから構成されます。 このヒータは、正しい動作温度でセンシングコンポーネントを維持します。 図2にある回路などに接続されると、センサの抵抗は、検出されるガスの濃度によって異なります。

正しく較正されると、605-00008センサは、あらかじめ設定されたレベルをその濃度が超える場合にアラームをトリガするのに使用できます。 Parallaxは、5kΩ～47kΩの間の負荷抵抗（R_L）で、空中での1000ppmのLPG、または1000ppmのイソブタンに対して検出器が較正されることを推奨しています。 また、正確な設定を達成するために、温度および湿度の影響を考慮に入れる必要があります。 このセンサのデータシートには、ガスの感度特性および温度/湿度の依存性が詳しく記載されています。


航空機で使用されるボイラ燃焼コントローラまたは酸素発生器などのその他アプリケーションには、機器の正しい動作を確保するために、酸素の正確な流れの検出が必要です。 HoneywellのKGZ10などの酸素センサは、これらのタイプのアプリケーションで長い耐用年数を提供します。

このセンサには、2つの二酸化ジルコニウム（ZrO₂）ディスクが含まれ、その間にハーメチックシールの小さなチャンバがあります。 これらのディスクの1つは、可逆回転型酸素ポンプとして機能し、このポンプは、チャンバを連続的に満たして空にするのに使用されます。 2つ目のディスクは、分圧差の比率を測定し、対応するセンス電圧を生成します。 センサの加熱エレメントは、ZrO₂がその動作温度を達成するのに必要な700°Cを生成します。 代替の電気化学センサとは異なり、これらのジルコニアベースのセンサは、リファレンスガスを必要とせず、したがってより高い精度および耐久性を提供します。

KGZ-10センサは、センサ動作および信号処理を制御する電子測定回路によって動作されます。 設計者は、この回路を自身のハードウェアに組み込むか、またはHoneywellのOxymac、Elecdit、またはDE800インターフェースボードを使用することができます。 これらのインターフェースボードは、加熱エレメント用の制御回路を含む、センサの動作と読み取りに必要なすべての機能を実装し、また、機能テストおよび較正をサポートします。 このボードの信号処理部分は、測定された酸素含有量の、電圧または電流フォーマットでのリニア出力を生成します。 DE800ボードは、ヒータ用の電源を内蔵する一方で、Oxymac50およびElecditボードは、外部ヒータ電源を必要とします。

結論

ガスおよび粒子センサは、公共および個人の健康目的で空気質の測定において多くの重要な役割を担っており、危険警報などの産業用安全性システムやプロセスコントローラに極めて重要です。 空気質測定のための堅牢なセンサはまた、多数の人々が使用するオフィスまたはその他建築物の運営コストおよび環境フットプリントの削減支援において有効です。