ガス検出サンプリング前処理システム

一、システム概要

ガス検出サンプリング前処理システムガスサンプリングポイントと分析機器を接続する重要な一環であり、その主な機能は収集した原始ガスに対して物理または化学処理を行い、干渉成分を除去し、ガス状態を調節し、分析機器に入るガスが機器の検査要求に合致することを確保し、それによって分析結果の正確性、信頼性と安定性を高めることである。このシステムは環境モニタリング、工業プロセス制御、科学研究実験、医療健康などの多くの分野に広く応用され、ガス分析データの品質を保障する重要な構成部分である。

二、システム構成及び各部機能

（一）サンプリングユニット

サンプリングユニットは、対象ガスをサンプリングポイントから抽出またはシステムに収集するためのシステムが測定対象ガス環境に直接接触する部分である。

1. サンプリングプローブ/サンプリング管：異なるサンプリング環境とガス特性（例えば温度、湿度、粉塵含有量、腐食性など）に基づいて適切な材質（例えばステンレス鋼、ポリテトラフルオロエチレン、ガラスなど）と構造を選択する。例えば、高温煙道ガスサンプリングでは、冷却ジャケット付き金属サンプリングプローブがよく用いられる、クリーンガスサンプリングには、簡単なガラスまたは石英サンプリング管を使用することができる。サンプリングプローブの設計はできるだけ気流への干渉を減らし、代表的な気体サンプルの採取を保証しなければならない。

2. サンプリングポンプ：動力を提供し、ガスサンプルをサンプリングポイントから後続の処理ユニットに輸送する。システムに必要な流量、圧力及びガス特性に応じて適切なサンプリングポンプタイプ、例えばダイヤフラムポンプ、クリープポンプ、ロータポンプなどを選択する。サンプリングポンプの流量安定性と負圧能力は重要な性能指標であり、サンプリング効率とサンプル代表性に直接影響する。

3. 流量制御と計量装置：質量流量コントローラ（MFC）、ロータ流量計、石鹸膜流量計など、サンプリングガスの流量を正確に制御し、測定するために用いられる。安定したサンプリング流量は分析結果の重複性を保証する重要な要素であり、同時に定量分析を容易にする。

（二）前処理ユニット

前処理ユニットはシステムの核心であり、異なるガスサンプルの特性と分析要求に対して、多種の処理技術を用いて干渉要素を除去する。

1. ろ過装置：ガス中の粒子状物質（粉塵、エアロゾルなど）を除去するために使用する。一般的に使用されるフィルタには、金属焼結フィルタ、ガラス繊維フィルタ、ポリテトラフルオロエチレンフィルタなどがある。フィルターの選択は濾過効率、孔径の大きさ、耐温性と耐食性を考慮しなければならない。定期的に交換または洗浄し、閉塞が流量と濾過効果に影響することを防止しなければならない。

2. 除湿/かんそうそうち：ガス中の水分含有量が高すぎると分析機器や検査結果に干渉（例えばセンサを損傷し、凝縮を引き起こし、いくつかのガス成分の吸着や反応に影響を与える）する可能性がある場合、除湿処理を行う必要がある。一般的な方法は次のとおりです。

o冷却除湿：半導体冷房または圧縮機冷房によりガスを露点以下に冷却し、水分を凝縮析出させ、大流量、高湿度ガスに適用するが、一部の水に溶けやすいガス成分の損失を招く可能性がある。

oきゅうちゃくかんそう：乾燥剤（シリカゲル、モレキュラーシーブ、塩化カルシウム、五酸化二リンなど）の吸着作用を利用して水分を除去する。吸着剤は一定の吸着容量を持ち、定期的に再生または交換する必要がある。低露点要求に対しては、連続動作を実現するために、二重塔切換吸着乾燥がよく用いられる。

3. じょすい/脱水：特定の場合には、濃硫酸などの化学試薬を用いて水分を吸収することがあります（ただし、強い腐食性と特定のガスの吸収に注意する必要があります）。

4. ぼうがいガスぶんりそうち：試料中に目標分析物に干渉する他のガス成分が含まれている場合、選択的に除去する必要がある。例：

oせんたくきゅうちゃくざい：活性炭は有機蒸気を吸着することができ、ホガラト剤は酸素を除去することができ（特定の条件下で）、アルカリ吸収剤（例えばNaOH の）酸性ガスを除去することができます（CO₂、SO₂、HCl の等）、酸性吸収剤（例えばH₂SO₄）アルカリ性ガスを除去することができます（NH₃など)。

o触媒変換装置：触媒を利用して妨害ガスを無害または妨害しない物質に変換する。例えば、変換炉を用いてNO₂転化するいいえ、または特定の触媒の作用下で特定の有機干渉物を酸化してCO₂和H₂O。

5. 加熱と保温装置：サンプリングと輸送中に、ガス中の高沸点成分が凝縮したり、温度低下によって反応しやすい成分が変化したりするのを防ぐために、サンプリングラインと一部の前処理部品を加熱して保温する必要があります。例えば、タバコガス中のVOCの場合、通常は全過程加熱（例えば120℃または180℃)を使用して凝縮損失を防止します。

6. 富化及び濃縮装置：測定すべきガス成分濃度が分析装置の測定より低い場合、目標成分を濃縮する必要がある。一般的な方法は固体吸着剤吸着-熱脱着、低温コールドトラップ濃縮など。例えば、大気中の微量VOCの分析によく用いられるテナックスなどの吸着剤を濃縮する。

（三）伝送ユニット

前処理後の清浄ガスの安定化、損失なく分析機器への輸送を担当する。

1. トランスファライン：化学不活性性が良く、吸着性が小さく、密封性の良い材質、例えばポリテトラフルオロエチレン（PTFE の）管、ステンレス鋼管などがある。パイプラインはできるだけ短くし、デッドボリュームを減らし、輸送中のガスの吸着、解析、または反応を回避しなければならない。加熱輸送を必要とするガスには、伴熱管線を採用しなければならない。

2. ていでんあつあんていりゅうそうち：分析機器に入る前に、ガス圧力と流量をさらに安定させ、機器が条件下で動作することを確保する必要がある場合がある。

（四）制御と監視ユニット

自動化の度合いが高まるにつれて、現代ガスサンプリング前処理システム通常は制御と監視ユニットを備えている。

1. センサー：例えば温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、液面センサ（凝縮水の検出に用いる）など、リアルタイムでシステムの各重要部位の運転パラメータを監視する。

2. コントローラー：次のようにPLC の（プログラマブル論理コントローラ）、シングルチップ、工業制御コンピュータなど、センサフィードバックの情報に基づいて、各実行部品（サンプリングポンプの起動停止、流量コントローラの調節、加熱装置のスイッチ、警報装置のトリガなど）を自動的に制御し、システムの自動運転と故障診断を実現する。

3. 表示と警報装置：システムの運転状態パラメータ（流量、温度、圧力、湿度など）と故障情報を表示するために使用し、異常状況（流量超過、フィルタ閉塞、温度異常、ガス源圧力不足など）が発生した時に音、光警報信号を発し、操作者に注意し、時間処理する。

三、システム設計原則

1. サンプルの代表性：システム設計は採集した気体サンプルがサンプリングポイントの気体組成と濃度を実際に反映できることを確保し、サンプリング過程における汚染、損失または成分の変化を避けるべきである。

2. 的を絞った：測定対象ガスの性質（成分、濃度、温度、湿度、圧力、含塵量、腐食性など）と分析機器の要求に基づいて、適切な前処理技術と装置を選択し、的確な放射線を行う。

3. 効率性：前処理過程は迅速かつ効果的に干渉要素を除去し、できるだけサンプル処理時間を短縮し、サンプルのシステム中の滞留を減少させるべきである。

4. 安定性と信頼性：システムの各部品は品質が信頼できる製品を選択し、合理的なプロセスを設計し、長期的に安定した運行を確保し、メンテナンス量を減らすべきである。

5. 自動化とインテリジェント化：条件が許す場合、できるだけシステムの自動化程度を高め、無人、自動サンプリング、自動処理、データ自動記録と転送を実現し、作業効率とデータ信頼性を高める。

6. セキュリティ：有毒、有害、可燃性爆発性ガスのサンプリングに対して、システムは良好な密封性と安全防護措置を備え、ガス漏れによる人的傷害や環境汚染を防止しなければならない。

7. 保守性：システム構造は操作、メンテナンス、点検が容易であり、重要な部品は交換が容易であるべきである。

四、応用分野

1. 環境空気品質モニタリング：大気中のSO₂、NOx の、CO 社、O₃、VOC、PM2.5分、PM10などの汚染物質をサンプリングし、前処理する。

2. 固定汚染源排ガスモニタリング：例えば、発電所、化学工場、鉄鋼工場などから排出される煙道ガス中の汚染物のモニタリング。

3. こうぎょうプロセスガスぶんせき：石油化学工業、冶金、半導体、食品発酵などの工業生産過程において、プロセスガス成分に対してオンラインモニタリングを行い、生産プロセスを最適化し、製品の品質と安全生産を保証する。

4. 室内空気品質モニタリング：室内空気中のホルムアルデヒド、ベンゼン系物質、TVOC の、CO₂などがあります。

5. 科学研究の実験.：実験室ガス分析装置に要求に合うサンプルガスを提供する。

6. 医療分野：例えば麻酔ガスモニタリング、呼出ガス分析など。

7. ひじょうかんし：突発環境汚染事件或いは事故現場の有毒有害ガスに対して迅速サンプリングと前処理分析を行う。

ガス検出サンプリング前処理システムの性能は直接ガス分析データの品質に関係しているため、設計、型式選択、設置と運行メンテナンスの過程で、各種の影響要素を十分に考慮し、具体的な応用シーンと分析要求に基づいて配置を最適化し、システムが長期的に安定し、信頼性のある動作を確保しなければならない。