酸素濃度分析装置、センサーの原理
ガスセンサーの分類
国家規格GB7665-87は、センサーを次のように定義しています。センサーとは、規定の測定値を感知し、一定の規則に従って利用可能な出力信号に変換する装置またはデバイスです。ガスセンサーは、ガスの組成と含有量を検出するために使用されます。一般的に、ガスセンサーの定義は検出対象の分類に基づいていると考えられています。つまり、物理的方法または化学的方法に関係なく、ガスの組成と濃度を検出するために使用されるセンサーはすべてガスセンサーと呼ばれます。たとえば、ガス流量センサーはガスセンサーとは見なされませんが、熱伝導率ガス分析装置は重要なガスセンサーです。ただし、一般的に一貫した検出原理を使用する場合もあります。
ガスセンサーは 1970 年代初頭から、化学センサーの一部門に属し、センサー分野における大きな部門となってきました。
市場で人気のあるガスセンサーにはいくつかの種類があります。
1.半導体ガスセンサー
これは、ある種の金属酸化物半導体材料を用いて作られ、ある温度において周囲のガス組成の変化に応じて導電率が変化します。例えば、アルコールセンサーは、二酸化スズが高温のアルコールガスに遭遇すると抵抗が急激に減少するという原理を利用して作られています。半導体ガスセンサーは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アルコール、ホルムアルデヒド、一酸化炭素、二酸化炭素、エチレン、アセチレン、塩化ビニル、スチレン、アクリル酸などのガスの分野で効果的に使用できます。特に、このセンサーは低コストで、民生用ガス検知のニーズに適しています。メタン（天然ガス、メタン）、アルコール、一酸化炭素（都市ガス）、硫化水素、アンモニア（アミン、ヒドラジンを含む）などのタイプの半導体ガスセンサーが成功しています。高品質のセンサーは、産業用検知のニーズを満たすことができます。
デメリット：安定性が悪く、環境の影響を受けます。特に、各センサーの選択性は一意ではなく、出力パラメータを決定できません。そのため、測定精度が求められる場所での使用には適していません。現在、この種のセンサーの主な供給元は日本（発明者）であり、次いで中国、最近は韓国が加わり、米国などの他の国もこの分野でかなりの研究を行っていますが、主流にはなっていません。中国はこの分野に日本と同じくらい多くの人材と時間を投入してきましたが、長年にわたる国家政策の指導や社会情報の遮断などの理由により、中国で普及している半導体ガスセンサーの性能品質は日本製品に大きく劣っています。市場の進歩と民間資本のさらなる台頭により、中国製の半導体ガスセンサーが日本のレベルに到達し、それを上回る時が来たと信じています。
2.触媒燃焼型ガスセンサー
このセンサーは、白金抵抗の表面に耐高温触媒層を設け、ある温度で可燃性ガスが白金抵抗の表面で触媒燃焼を起こし、燃焼により白金抵抗の温度が上昇し、抵抗値が変化し、その変化値は可燃性ガス濃度の関数となります。
触媒燃焼ガスセンサーは可燃性ガスを選択的に検知します。つまり、燃焼可能なガスであれば検知可能ですが、燃焼不可能なガスには反応しません。もちろん、「燃焼可能なガスであれば検知可能」という表現には多くの例外がありますが、概ね選択性は正しいと言えます。触媒燃焼ガスセンサーは、正確な測定、高速応答、長寿命といった利点を有しています。センサーの出力は環境の爆発リスクと直接関連しており、安全検知分野において有力なセンサーの一つとなっています。
デメリット：可燃性ガスの範囲では選択性がなく、火気の使用により火災の危険性があります。ほとんどの元素有機蒸気はセンサーに有害です。センサーの主なサプライヤーは、中国、日本、そしてイギリス（発明国）です。中国はこのセンサーの最大のユーザー（炭鉱）であり、センサー製造技術も最も優れています。様々なプロパガンダがセンサーの一般理解を阻害していますが、結局のところ、触媒燃焼ガスセンサーの主流メーカーは国内にあります。
3.熱伝導プール型ガスセンサー
各ガスはそれぞれ固有の熱伝導率を有しており、2種類以上のガスの熱伝導率が大きく異なる場合、熱伝導素子によっていずれかの成分の含有量を判別することができます。このセンサーは、水素検知、二酸化炭素検知、高濃度メタンの検知に使用されています。
ガスセンサーは適用範囲が狭く、制約要因も多数あります。旧式の製品であり、世界中で製造されています。世界中の製品の品質はほぼ同等です。
4.電気化学ガスセンサー
可燃性ガス、毒性ガス、有害ガスの多くは電気化学的活性を有し、電気化学的に酸化または還元されます。これらの反応を利用することで、ガスの組成を識別し、ガス濃度を検出することができます。電気化学式ガスセンサーには多くのサブクラスがあります。
（1）一次電池式ガスセンサー（乾電池に使われる電池と同じものですが、電池の炭素電極とマンガン電極がガス電極に置き換えられています。酸素センサーの場合、酸素は陰極で還元され、電子は検流計を通って陽極に流れ、そこで鉛金属が酸化されます。電流の大きさは酸素濃度に直接関係しています。センサーは酸素、二酸化硫黄、塩素などを効果的に検出できます。
（2）定電位電解セル式ガスセンサーは還元性ガスの検出に非常に効果的です。その原理は従来のセルセンサーとは異なり、電流の力によって電気化学反応が発生するため、真のクーロン分析センサーです。このセンサーは、一酸化炭素、硫化水素、水素、アンモニア、ヒドラジンなどのガスの検出に成功しており、有毒ガスや有害ガスの検出における主流のセンサーとなっています。
（３）濃淡セル型ガスセンサーは、ガスが電気化学セルの両側で電気化学活性を起こし、自発的に濃淡起電力を形成し、起電力の大きさはガスの濃度と関係があり、このセンサーの成功例としては自動車用酸素センサー、固体電解質型二酸化炭素センサーなどがある。
（4）本発明は、限界電流式ガスセンサーに関するものであり、酸素濃度を測定するセンサーであり、電気化学セル内の限界電流がキャリア濃度と相関するという原理を利用して酸素（ガス）濃度センサーを製造し、車両の酸素検知や鋼水中の酸素濃度検知などに用いられる。このセンサーの主な供給元は現在、世界中に広がっており、主にドイツ、日本、米国に加え、最近では英国、スイスなどの欧州の新たな供給元も加わった。中国はこの分野で早くから参入したが、産業化のプロセスは未だに進展していない。
5.赤外線ガスセンサー
ほとんどのガスは中赤外線領域に特徴的な吸収ピークを持ち、その位置での吸収を検出することでガス濃度を測定できます。このセンサーはかつて大型の分析機器でしたが、近年、MEMS技術を基盤としたセンサー産業の発展により、その容積は10リットル（ビッグマック45kg）から約2ml（親指大）に小型化されました。変調光源を使用しない赤外線検出器を採用することで、機械的な可動部品やメンテナンスが不要となり、ガスの種類を効果的に識別し、ガス濃度を正確に測定できます。
このセンサーは、二酸化炭素とメタンの検出に効果的に使用されました。この「センサー」の現在のサプライヤーはヨーロッパです！中国は今やこの分野で「半分空白」の状態です！
6.磁気酸素センサー
これは磁気式酸素分析装置の核心部分ですが、「センサー」プロセスも実現しています。
空気中の酸素が強力な磁場によって引き寄せられるという原理を利用して作られます。
このセンサーは酸素の検出にのみ使用でき、優れた選択性を備えています。大気中のNOxのみがわずかな影響を与える可能性がありますが、これらの干渉ガスの含有量は非常に少ないことが多いため、磁気酸素分析技術の選択性はほぼ唯一無二です！世界中のメーカーが製造する確立された工業製品です。（もちろん、ここで言及しているのは、特定の範囲内でセンサーと見なすことができる単一のメーターとしての酸素分析装置です。）そして、純粋なセンサーの形で製造されたこの製品は、ごく最近のものです。）
7.その他
近年、新技術の継続的な出現に伴い、ガスセンサー技術もそれに応じた革命期を迎えています。ガスセンサーの種類も新たな層を増しています。しかし、一部のセンサーをガスセンサーの名称で分類すべきかどうかについては、議論の余地があります。例えば、PID検出器はガス検知にも用いられていますが、サイズは小型ながらも真のメンテナンスフリーを実現できないため、このような機器は、どんなに小型であっても「検知機器」の名称で分類されるべきです。
さらに、光ファイバーをベースとした光センサーは急速に発展しており、電子センサーに絶対的な「脅威」を与えるわけではないものの、その独自の利点は将来的に大きな可能性を秘めている。最後に、ガスセンサーの販売業者は、自らの商業目的のために、特定のセンサーの性能を誇張したり、センサーの分類を混同したりすることがしばしばある。これは、ユーザーによるガスセンサーの正しい使用に役立たない。実際、センサーの応用は、センサーの製造と同じくらい重要な課題である。
