2.ガス分析計

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2.1 用途

(1)プロセス管理用分析計
合成化学プラント,鉄鋼プラント等の生産プロセスで品質管理や制御用に使われ,原料や製品などのガス中に含まれる特定成分を分析する.防爆形と非防爆形がある.

(2)燃焼管理用分析計
ボイラ等の燃焼装置の省エネルギーや,効率改善を目的に燃焼ガス中のCO,CO,Oを分析する.

(3)作業環境監視用分析計(または検知警報計)
労働安全衛生法・酸素欠乏症等防止規則に基づいたO分析や,ビル管理法に基づく室内空気中のCO等の監視,作業現場での可燃性ガスや毒性ガス等の漏洩監視,半導体製造用ガスの漏洩監視,また,製鉄所の高炉付近や,自動車エンジン工場等での作業場の空気中に含まれるCO分析等のモニタリング用の分析計である.

(4)排ガス監視用分析計
工場等から排出されるガス中の汚染成分を大気汚染防止法等に基づき分析する.たとえばボイラ等で燃料の燃焼によって生じるSO(碗黄酸化物)やNO(窒素酸化物)の分析計,排煙脱硝装置でのNH注入量制御用に使用される残留NH分析計等がある.O計は汚染成分ではないがNO,塩化水素ガスおよびダイオキシン排出防止のためのCOの排出量を正しく算出するために,排ガス中のそれらの濃度と,O濃度とを用いて大気汚染防止法に定められた計算式で計算をするのに用いられる.この他に熱成炉等から排出される塩素,ふっ素化合物等の監視用分析計もある.

(5)大気監視用分析計
環境基本法に基づき大気の環境基準に示された汚染成分CO,SO,NO,オキシダント等を分析する.市街地や自動車交通量の多い交差点等に設置される.測定データを中央監視センタ等へ送信する機能を持っている.

(6)試験・研究用分析計
植物の育成研究のために炭酸ガス同化量を測定するCO計,ガスコンロや風呂釜等の燃焼器具の検定に用いるCO,CO,O計等がある.




2.2 測定方式

(1)電気化学式分析計
物質の電気的または電気化学的性質を利用した分析計で,主なものは次の通りである.

(a)イオン電極式分析計
試料ガス中の特定成分を吸収液に吸収させてイオン化し,その特定イオンに感応して起電力を発生するイオン電極を用いてイオン濃度,すなわち試料ガス中の特定成分を分析する方式である.ガス透過性隔膜を持ったイオン電極に直接試料ガスを接触させて電極の出力を測定し試料ガス中の特定成分を分析するものもある.ガスの中のふっ化物や塩化物の測定に用いられ,測定範囲がきわめて広い特徴を持っている.

(b)電気伝導率式分析計
大気中のSO分析に用いられている.試料大気を硫酸酸性にしたH吸収液に通すと試料中のSOとHが反応してHSOが生成され吸収液の伝導率が変化する.このときの変化量からSO濃度が測定される.溶液伝導率式とも呼ばれている.

(c)ガルバニ電池式O
アルカリ性電解液中に白金,金等の貴金属で作られた陽極と,鉛,亜鉛等で作られた陰極を設ける.電解液中へOを拡散させると各々の電極に酸化,または還元反応を生じ,電解液中のO濃度に比例した電流が流れる.この電流値からO濃度を測定する.電解液中へOを拡散させる方法は,試料ガス中のO濃度が高い場合にはテフロン等のガス透過膜を通して行い,微量の場合には試料ガスを直接電極に接触させる.NガスやArガス中に不純物として含まれる微量Oの分析等に適しており,酸欠警報器にも用いられている.

(d)ジルコニア式O
ジルコニア磁器が高温で酸素イオンによる導電性を示す性質を利用している.ジルコニア磁器パイプの内外面に電極を設け,内側に試料ガスを,外側に空気等の基準ガスを流してO濃度差を与え,両極間に生じる起電力を検出してO濃度を測定する.検出器自身が高温のため煙道ガスや炉内ガスの測定に適している.

図1.5.1 ジルコニア分析計の構成例

(e)電解式・電量式分析計
定電位電解式分析計は,ガス透過性隔膜を通して電解質中に拡散吸収された測定成分を,定電位に保たれた電極上で電気化学的に酸化または還元し,その際生じる電解電流を測定することにより測定成分の濃度を求める方式である.排ガス中のSO,NO,COの分析に用いられる.電量式分析計は測定成分の直接電解または電解により発生させた物質と測定物質とを反応させ,そのときの電解電気量または電流値から濃度を求める方式である.大気中のSOやオキシダントの分析に用いられる.


(2)光式分析計

光源機構または励起発光機構と受光器とによって構成されるすべての分析計がここに分類される.主なものは紫外,可視,赤外領域の吸収スペクトルを利用したもの(分散形,非分散形及び二波長方式等),試料ガスの熱的,電気的エネルギーの励起による輝線スペクトル発光を利用したもの,蛍光性物質の蛍光強度を利用したもの,化学反応に伴う発光,および光散乱を利用したもの等がある.
(a)赤外線吸収式分析計
一般に,非分散形が広く普及している.広帯域の赤外線をガスに照射したとき,測定成分が持つ特定波長の赤外線が吸収される.この特定波長の赤外線吸収量を測定することによって,測定成分を分析する方式である.吸収帯の重なる共存ガスの影響はガスフィルタや干渉フィルタにより除いている.NやOのような同原子分子は赤外線を吸収しないので,これらの中の不純物成分は微量まで分析できる.大気中のCO,アンモニア合成プロセスの微量CO,CO,CH,自動車排ガス中のCO,CO,NO,炭化水素,炉内ガス中のCO,CO,煙道排ガス中のSO,NO,等の分析に広く使用されている.

図1.5.2 補償形赤外線分析計の構成例

また,同じ赤外線吸収式分析計であるが,フーリエ変換赤外分光光度法(FT−IR)によるプロセス用ガス分析計が使われてきた.このFT−IRは,干渉計によって生成された赤外干渉光をサンプルガスに照射し,吸収を受けた赤外光を高速フーリエ変換(FFT)によって吸収スペクトルに変換したのち,基準ガススペクトルによって校正された定量用データベースと比較・演算を行ない定量する方法であり,同時多成分測定が可能となった計測システムである.販売されているものには,数十成分の同時測定が可能な測定機器もある.
従来の赤外線(中赤外領域2.5〜25μm)よりも可視光に近い領域である、近赤外線(0.8〜2.5μm)を用いる分析計も上市されており、液体・粉体の分析計として活用されている。上述したように、中赤外域はガスの測定に適しているが、近赤外は液体の測定に適合し、サンプル希釈等の前処理無しで主要成分の測定が可能である。また、中赤外域では測定困難な水溶液の測定も可能であり、水分そのものも、ppmオーダーから100%の範囲で測定可能である。
近赤外領域のスペクトルは、多数の倍音や結合音による吸収が重なり合い、複雑な形状を示すため、成分の定量にあたっては、多数の波長における吸光度を用いた重回帰式を検量線として作成し用いる。検量線は、ばらついた値を持つ測定試料のスペクトルと、対応する従来法(基準分析法)による測定値を元に多変量解析を経ることによって得られる。


図1.5.3 FT−IR方式の構成例

(b)紫外・可視吸光分析計
試料ガスに直接光を当てて吸光度を測定する方式と,試料ガスで発色液を発色させて吸光度を測定する方式とがある.前者は,試料ガスに光を照射すると紫外または可視領域で測定成分が特有の波長の光を吸収するので,そのときの吸収光量から測定成分を分析する方式である.紫外線吸収方式は煙道排ガス中のNO,SOの測定やプロセスガス中の塩素,HS/SO比率の測定に用いられている.後者は,試料ガスを適当な吸収液に通して発色させ,その発色液の吸光度を測定して測定成分の濃度を求める方式である.大気中のNO,オゾンの測定に用いられている.

図1.5.4 紫外線吸収分析計の構成(分散形)

c)発光式分析計
発光式分析計として代表的な化学発光方式はNOとOとの反応を利用したものである。

NO+O →NO*+O
NO*   →NO +hV

この反応によって発生するNOの一部が励起状態NO*になり,基底状態のNOに移る際に600〜3000nmにわたる化学発光を生じる.発光強度はNO分子の量に比例するので,この発光強度を測定することによりサンプルガス中のNO濃度が測定できる.NOは還元コンバータによりNOに変換して測定する.つまりサンプルガスをコンバータに通して測定したNO濃度と,コンバータを通さずに測定したNO濃度の差としてNO濃度を測定する.この反応は,減圧から常圧状態の間で行われる.この化学発光式は煙道排ガス中のNO,NH等の分析に用いられる.

図1.5.5 化学発光法

(d)光散乱式分析計
粒子を含むガスに光を照射したとき光が粒子によって散乱され,その強さは粒子の濃度に比例する.この散乱光量を光電子増倍管等で測定し,粒子の濃度を求める方式である.大気中の浮遊粉塵が相対的な濃度として測定できる。
(e)光透過式分析計
排ガス中のダスト量等の測定に用いられる.光を排ガス中を透過させて,ダストによる光の減衰を測定して,その濃度を求める方式である.相対濃度として測定される.



(3)電磁気式分析計

電磁気的な特性を利用した分析計で,磁気式酸素計と放射線吸収式分析計がある.
(a)磁気式O
プロセスでのO分析に広く使用されているもので,さらに分類すると,磁界中に細線で吊るされたダンベルのO濃度変化に伴う磁気偶力を力平衡式原理で測定する磁気ダンベル方式,常磁界内でOが吸引されて生じる磁気風が加熱抵抗線に与える温度変化を検出する磁気風熱線式,および補助ガス流を用いて測定ガスと補助ガスのO濃度差に比例して生じる磁気圧力を,マイクロフローセンサやコンデンサマイクロホン形検出器で測定する磁気圧力式がある.

図1.5.6 ダンベル形磁気力分析計の構成例

図1.5.7 圧力検出形磁気力分析計の構成例

図1.5.8 磁気風分析計の構成例

(b)放射線吸収式分析計
大気中の粒子状物質等の分析に用いるβ線吸収式がある.これは粒子状物質をろ紙上に捕集し,それによるβ線の吸収量から粒子状物質の量を求める方式である.



(4)クロマト装置

プロセスで連線測定に使用されるガスクロマト装置は移動相にガスを,固定相に吸着剤を使用し,ガスが固定相内を流れる際にガス中の各成分の移動速度が固定相に対する親和性で左右される性質を利用して成分の分離を行い,分離した成分を熱伝導式や水素炎イオン化式等の検出器を用いて測定する方式である.大気監視用としての,メタン・非メタン炭化水素測定方式の例を示す.

図1.5.9 メタン・非メタン炭化水素測定方式の分析部流路構成例



(5)熱式分析計

(a)熱伝導式ガス分析計
一定の電流を流した白金線に試料ガスを接触させた際に供給熱量と放射熱量とで平衡した熱線の温度が個々のガスの熱伝導率に依存することを利用した方式である.HやCOの分析に用いられる.

図1.5.10 熱伝導式分析計の構成例

(b)接触燃焼式ガスセンサ
可燃性ガスを含む試料ガスを触媒によりセンサ表面で燃焼反応させた時生ずる熱をセンサの白金線の抵抗変化として検出し,可燃性ガス全体の濃度を測定する方式である.



(6)その他のガス分析計,関連機器

この項には上記に分類できないものや複合分析計と,分析計に組合せて使用される関連機器が掲載されている.
(a)水素炎イオン化式分析計
炭化水素が水素炎中で燃焼する時に生ずるイオンによる微少電流を測定し,炭化水素の濃度を知る方式である.大気,煙道ガス,自動車排ガス中の炭化水素の分析およびガスクロマト装置の検出器に用いられている.

図1.5.11 水素炎イオン化検出法原理図

(b)圧電天びん式分析計
大気中の浮遊粒子状物質等の分析に用いられている.圧電結晶振動素子からなる検出素子を発振させておき,その検出素子の表面に測定すべきダストを捕集,たい積させて振動数の変化を測定することによりダストの量を求める方式で,ピエゾバランス式ともいう.
(c)半導体式ガスセンサ
半導体表面にガス分子が吸着されると半導体の電気抵抗が変化する現象を利用したもので,センサ材料には比較的安定な表面をもつ酸化物半導体(SnO,ZnO,γ−Fe等)が使用されている.作業場などでの安全監視のため,可燃性ガスや毒性ガス等の検知警報用として使用されている.


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