有害ガス検知がいかに命と職場を守るか

有害ガスの種類増加は、一般人類および多くの業界で働く労働者に深刻な脅威をもたらします。これらのガスは、化学工業、石油精製、石材・プラスチック・食品加工などの自然由来や人為的発生源から発生します。環境への漏洩リスクがあるため、環境と労働者を守るための安全手順が必要です。一酸化炭素、硫化水素、スルホニルクロリド、ホスフィン、ニトロシルクロリドなどの一般的な汚染物質を含め、さまざまなガスを検知するために異なるタイプのガス検知器が使用されます。

触媒センサー：長年の実績と課題

ペリスタ/触媒ビーズ（CB）センサーは約1世紀の歴史を持ち、水素、酸素、硫化水素、メタン、ブタン、プロパン、一酸化炭素などの可燃性ガスに反応します。触媒でコーティングされたアクティブビーズ（周囲ガスの着火温度を下げる）と参照ビーズの2つのビーズを持ちます。燃焼によりアクティブビーズが加熱され、両ビーズ間に温度差が生じます。この熱により抵抗がガスの種類と濃度の関数として変化します。ビーズがブリッジ回路の一脚をなすため、この抵抗変化が出力電圧信号を生み出します。触媒ビーズ可燃センサーは単一ガス検知では迅速かつ正確ですが、シリコーンや鉛化合物への曝露によるセンサー中毒の影響を受けやすい技術です。

さらに、複数ガス検知センサーでは、単一ガスで校正されている場合、他のすべてのガスで誤読を生じる可能性があります。校正用可燃ガスの適切な選択は、業界用途とその業界特有の潜在的ガス危険に依存します。例えば、プロパン販売業者ならプロパン、下水道ならメタンが主要危険となります。

複数の可燃性ガスが存在する複雑な環境では、センサー選定時に複数の問題を検討する必要があり、最も重要なのは下限爆発濃度（LEL）です。これは、着火源存在下で火花を生じさせる空気中のガス最低濃度（体積パーセント）です。

• どの可燃性ガスが存在するか？
• どのガスが最も優勢か？
• それらの濃度はLELの何パーセントか？
• 単一ガス用か複数ガス用か、どのタイプのセンサーが必要か？

MPSセンサー：中毒フリーでキャリブレーション不要

分子特性分光計（MPS）センサーは、ネバダナノ社（ネバダ州スパークス）の独自技術で、可燃性ガス（混合物含む）を検知し、水素、メタン、軽質ガス、中質ガス、重質ガスに分類できます。水素や重質炭化水素を含む幅広い可燃性ガスを迅速に検知可能です。触媒ビーズセンサーとは異なり、測定が化学反応ではなく物理特性ベースのため中毒になりません。キャリブレーション不要で、フェイルセーフ機能と内蔵診断機能により、センサーが使用不能や損傷状態になった際にユーザーに通知します。

MPS可燃ガスセンサーのトランスデューサーは、埋め込みジュールヒーターと抵抗温度計を持つマイクロマシン膜です。MEMSトランスデューサーはプリント基板に実装され、外部空気に開放された堅牢なエンクロージャ内にパッケージングされています。可燃性ガスの存在により空気/ガス混合物の熱力学的特性が変化し、トランスデューサーがこれを測定します。

個人安全監視へのシステムアプローチ

ユニバーサル・サイト・モニタリング（USM、オーストラリア・ダーウィン）は、ウェアラブル個人安全監視デバイス、通信ハブ、レポート・管理ソフトウェアの統合システムを設計・開発しました。

ヒーロー手持ち型個人安全モニターは、標準版モデル825とATEX/IECEx認証版モデル715があります。触媒センサーを用いて一酸化炭素（CO）、硫化水素（H₂S）、可燃性ガス（LEL）、酸素（O₂）を検知。マイクロコントローラー、ガスセンサー、温度センサー、加速度計、ジャイロスコープ、音声アラーム用スピーカー、セルラーモジュール、GNSS、Zigbeeを搭載しています。

ガスセンサーは外部アナログ・デジタル変換（ADC）モジュールを使用し、センサーからのアナログ出力をデジタル形式に変換。デジタルデータはI2Cシリアル通信プロトコルでマイクロコントローラーに転送されます。

加速度計とジャイロスコープ、GNSSを組み合わせて作業員の位置、対地速度、高度、滑り、転倒、墜落を判定します。

ユニバーサル・データ・インターフェース（UDI）スマートアラート・ナビゲーションシステムは、コントロールルーム用のWebベースアプリケーションで、個人安全モニターからのライブデータを監視します。個人安全モニターは全データをLCD画面に表示し、利用可能なネットワーク（セルラー、GNSS、Zigbee）を用いてUDIへリアルタイム送信し、監視、分析、設定、通信を行います。同社はハードウェアとUDIスマートアラート・ナビゲーションソフトウェアを、統合された2G/3G/4Gセルラー接続を持つコネクテッドワーカー安全ソリューションとして統合しています。

トリガーとアラームはコントロールルームからリモートで、ガス濃度の高低に応じて設定可能。アラームレベルも現場要件に合わせて構成できます。リモートオペレーターは、警告やクリティカルなど異なる段階のアラームを定義し、検知される4ガスの特定濃度に応じて設定できます。例えば、一酸化炭素10ppm以下で警告トリガー/アラームを設定したり、100ppm以上でアラームレベルを警告からクリティカルに変更したりできます。

クリップオンガスセンサー：BLE対応でスマホ連携

より高度なMPSセンサー技術が、USMの低エネルギー（BLE）クリップオンガスセンサーに採用されています。このセンサーは認証済みで安定し、中毒に強く、キャリブレーション不要。最大15種類の可燃性LELガスに加え、水素、大気圧、温度、湿度を検知可能です。クリップオンセンサーは、ユーザーがモバイル端末群をユニバーサルデータインターフェースに接続し、Android/iOS用モバイル汎用資産監視アプリを使用することで、現場でのガスリスク監視を可能にします。

バイオメトリックモニター：健康指標も同時監視

USMは本質安全防爆構造のバイオメトリックモニターも開発中です。作業員の血中酸素、心拍数、体温を検知。データは個人安全モニターまたは汎用資産監視モバイルアプリを通じて、UDIスマートアラート・ナビゲーションシステムへリアルタイム送信されます。このデバイスは設定パラメータで作業員の健康指標を監視し、危険環境での命を救う助けとなります。心疾患を持つ作業員で特定心拍数が危険な場合、その作業員専用のアラームレベルを設定可能。心拍数が設定値を超えるとアラームが作動し、ライブデータがコントロールルームのリモートオペレーターに継続送信されます。リモートオペレーターはダッシュボードでアラーム状況を確認し、即座に当該個人に連絡したり緊急救助を要請したりできます。

メッシュアクセスポイント：厳しい環境での通信確保

メッシュアクセスポイント（MAP）により、個人安全モニターとUDI間でZigbee通信プロトコルによる無線データ伝送が可能になります。Zigbeeデバイスは短距離（10〜100メートル）で信号を送信しますが、MAPはメッシュネットワークを利用するため、各デバイスが信号を受信・中継し、範囲内の他ネットワークデバイスへ転送します。これにより、危険ガス、高温、悪質な空気、湿気、地下鉱山のような見通しの悪い場所など、困難な環境でのデータ受信問題を解決します。

さまざまな業界のニーズに対応

一酸化炭素ガスは、特に高炉周辺で鉄鋼製造業界で最も危険な物質の一つです。

鉱業には多数のガスが関連し、一般的に可燃性、有毒性、窒息性に分類されます。よく遭遇するガスには、メタン、二酸化炭素（CO₂）、一酸化炭素（CO）、窒素酸化物（NO、NO₂）、硫化水素（H₂S）、二酸化硫黄（SO₂）などがあります。メタンは最も一般的な可燃性爆発性LELガスで、空気より軽く無臭、濃度5〜15%で爆発します。これらの有害ガスは地下開発時や地上・地下採掘時に検知されることが多いです。

石油・ガス業界の作業員は、可燃性蒸気やガスの着火による火災・爆発リスクに直面します。井戸ガス、蒸気、硫化水素などの可燃性ガスが、井戸、トラック、生産設備、タンクやシェールシェーカーなどの地上設備から放出される可能性があります。着火源には静電気、電気エネルギー、明火、落雷、タバコ、切断・溶接工具、高温面、摩擦熱などがあります。

統合安全監視：救助作業も支援

統合有害大気監視システムの目標は、危険ガス、温度、湿度を含む環境の現在状態に関する正確な情報を提供することで作業員を守ることです。この技術は、事故の正確な場所、要員の位置を特定し、UDIコントロールルームオペレーターと危険にさらされている作業員間の双方向通信を提供することで、災害時の救助作業も支援します。

本記事は、ユニバーサル・サイト・モニタリング（オーストラリア・ダーウィン）テクニカルセールスエンジニア、ウメル・ファルーク氏によって執筆されました。詳細については、ファルーク氏までご連絡いただくか、こちら . をご覧ください。