赤外線オープンパス検出器

赤外線オープンパスガス検知器は、赤外線ビームを放射し、ビーム経路上の任意の場所でガスを検知します。この線状「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。オープンパス検知器は、赤外線ポイントセンサーと対比されます。

これらの技術は石油・石油化学産業で広く利用されており、主に可燃性ガスの可燃性限界（通常は体積比で数パーセント）に相当する濃度におけるガス漏れを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、可燃性濃度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、これまでのところその利用範囲は限定的です。原理的には、この技術は硫化水素などの有毒ガスを必要なppmレベルの濃度で検知するためにも使用できますが、技術的な困難さから、これまで有毒ガスへの広範な導入は進んでいません。

通常、直線ビーム経路の両端には、送信ユニットと受信ユニットが別々に設置されます。あるいは、光源と受信機が一体化され、ビームは測定経路の遠端にある反射鏡で反射されます。携帯用には、反射鏡の代わりに周囲の物体の自然反射率を使用する検出器も作られています。選択されたガス（またはガスのクラス）の存在は、ビーム内の適切な赤外線波長の吸収から検出されます。測定経路上の雨や霧なども受信信号の強度を低下させ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。ビームが遮断したガスの量は、測定波長と基準波長での信号損失の比から推定されます。計算は通常、マイクロプロセッサによって実行され、測定の妥当性確認や誤報の防止のためのさまざまなチェックも実行されます。

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、ガスの経路積分濃度と呼ばれることもあります。したがって、測定値は、特定のポイント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向かう自然な偏り（多くのアプリケーションで望ましい）を持ちます。赤外線ポイントセンサーの自然な測定単位は、100万分の1（ppm）または可燃性下限値（%LFL）のパーセンテージですが、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、北海の沖合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、検出器がフルスケールの読み取り値を5LFL.mに設定されており、低アラームと高アラームはそれぞれ1LFL.mと3LFL.mでトリガーされます。

固定小数点検出器と比較した利点と欠点

オープンパス検出器は通常、単一のポイント検出器よりも高価であるため、ポイント検出器の長所を生かせる用途、つまり、ポイント検出器を最もガス濃度が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あまりメリットがありません。オープンパス検出器は、ガス放出の可能性のある発生源がわかっていても、発達する雲や煙の展開が予測できない屋外状況で優れた性能を発揮します。ガスは、選択された単一の点に到達する前に、ほぼ確実に延長された線形ビームに入ります。また、屋外の露出した場所に設置されたポイント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。オープンパス検出器は、パイプライン沿いや工場の周囲の監視など、同じ範囲をカバーするためにポイント検出器を一列に並べる必要がある用途でもコスト面で有利です。1 台の検出器で複数の検出器を置き換えるだけでなく、設置、保守、配線などのコストも低くなる可能性があります。

構成部品

原理的には、あらゆる赤外線光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ことができます。実際には、受信機での信号処理を容易にするために、 常に何らかの変調をかけた上で、以下の光源が使用されています。

白熱電球は、フィラメントに通電する電流をパルス状に変化させたり、機械式チョッパーで変調したりします。屋外で使用するシステムでは、太陽光が直接受光器に入射した場合、白熱電球では太陽光の強度に匹敵することは困難です。また、陽炎や波の反射光など 、自然界で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、特にパルス光源の場合、赤外線において直射日光のスペクトルパワーを超えることが可能です。現代のオープンパスシステムでは、通常、コンデンサ放電によって駆動されるキセノンフラッシュチューブが使用されています。このようなパルス光源は、本質的に変調されています。

半導体レーザーは比較的弱い光源ですが、波長と振幅の両方において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になり、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。

使用する波長帯域を正確に特定するには、広い赤外線スペクトルから分離する必要があります。原理的には従来の分光計技術はどれでも使用可能ですが、多層誘電体フィルタとビームスプリッタを用いたNDIR技術が最も一般的に用いられます。これらの波長定義部品は通常、受信機側に配置されますが、送信機側と兼用する設計もあります。

受信機では、赤外線信号強度が何らかの赤外線検出器によって測定されます。一般的には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です。一方、長波長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送られ、その後、必ず何らかのデジタル信号処理が行われます。ガスの吸収係数は通過帯域全体にわたって変化するため、単純なランベルト・ビールの法則を直接適用することはできません。このため、処理では通常、特定のガス、ガスの種類、またはガス混合物に適用可能な校正テーブルが用いられ、ユーザーが設定できる場合もあります。

動作波長

測定に使用する赤外線波長の選択は、検出器の特定の用途への適合性を大きく左右します。対象ガス（複数可）が適切な吸収スペクトルを持つだけでなく、ビームパス内の空気自体が透明となるように、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ます。以下の波長領域が使用されています。

歴史

少数製造された研究用機器とは異なり、日常的な産業用途に提供された最初のオープンパス検出器は、1983年に米国のライト&ライト社の「Pathwatch」でした。1992年にDet-Tronics (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使用して3.4μm領域で動作しました。主にコストと可動部品の長期信頼性に関する疑問から、大量販売には至りませんでした。1985年初頭、英国のシェル リサーチはシェル天然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を開発しました。2.3μmの波長の利点が特定され、研究用プロトタイプが実証されました。この設計は、 50mのコーナーキューブ反射鏡を備えた複合送信機と受信機で構成されていました。パルス白熱灯、ガス チャネルと参照チャネルに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、シェル社はこの技術のライセンスをシーガー・ゼルウェガー社（後のハネウェル社）に供与し、同社は複数のコーナーキューブで構成された反射板を使った産業用バージョンを「サーチライン」として設計、販売した。これは、危険区域での使用が認証され、可動部品を持たない初のオープンパス検出器であった。シェル・リサーチ社によるその後の研究では、送信機に2つの交互にパルス動作する白熱光源を使用し、受信機に1つのPbS検出器を使用することで、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。この技術はシーガー・ゼルウェガー社に提供され、後にシェル・ベンチャーズUKが一部所有するPLMS社にライセンス供与された。1991年のPLMS GD4001/2は、可動部品や緩やかなドリフトのソフトウェア補正なしで真に安定したゼロを実現した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として本質的に安全であると認証された初の赤外線ガス検出器でもあった。イスラエルの企業 Spectronix (別名 Spectrex) は、1996 年にフラッシュ チューブ ソースを使用した初の製品である SafEye で重要な進歩を遂げ、これに続き Sieger-Zellweger が 1998 年に Searchline Excel を発表しました。2001 年には、すぐにDrägerがPolytron Pulsar として買収した PLMS Pulsar が、設置時と通常操作時の両方で送信機と受信機の相互調整を監視するセンサーを組み込んだ初の検出器となりました。

参考文献

  • 爆発性雰囲気 – パート29-4：ガス検知器 – 可燃性ガス用オープンパス検知器の性能要件；IEC 60079-29-4
  • 爆発性雰囲気。ガス検知器。可燃性ガス用オープンパス検知器の性能要件；EN 60079-29-4:2010
  • 英国健康安全局、火災・爆発戦略; http://www.hse.gov.uk/offshore/strategy/fgdetect.htm
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