まずタイトルの意味を正確に捉える

「VOCと可燃性ガスは同じセンサーでは検知できない」という表現は、二つの危険群に共通する物質が一つもないという意味ではない。ベンゼン、トルエン、ヘキサンのように、揮発性と可燃性を併せ持つ物質は多い。条件によっては、光イオン化検出器（PID）と可燃性ガスセンサーが同じ蒸気にどちらも反応することもある。しかし、両機器が測る物理量、応答範囲、表示単位、安全判断の目的は異なる。一つのセンサーが反応したという事実だけで、別の危険まで定量したとみなしてはならない、というのがタイトルの要点である。

石油化学現場でPIDは主に、低いppmレベルの有機蒸気をスクリーニングし、漏えい箇所や濃度変化を探すために用いられる。触媒燃焼式または赤外線式の可燃性ガスセンサーは、火災・爆発の観点から濃度を爆発下限界に対する百分率（%LEL）で示す。例えば、ある溶剤蒸気がPIDとLELセンサーの両方に検知されても、PIDの「50 ppm」とLELセンサーの「5% LEL」は同じ尺度ではない。前者は選択した基準ガスに対するイオン化応答であり、後者は校正ガスの爆発下限界に対する相対応答である。

したがって作業前に問うべきことは、「この機器はVOCも検知するか」ではなく、「対象物質の有害性ばく露と爆発危険を、それぞれどの範囲と精度で判断すべきか」である。有害性の基準を確認するPIDと、爆発危険を確認するLELチャンネルを併用すべき工程が多いのはこのためである。

PIDは紫外線でイオン化する蒸気を検知する

PIDは空気試料に紫外線ランプを照射し、分子がイオン化するときに生じる電流を測定する。OSHA技術マニュアルによれば、ランプのエネルギーが物質のイオン化エネルギー以上でなければ検出できない。一般的なランプエネルギーは9.5、10.6、11.7 eVであり、高エネルギーのランプほど多くの物質をイオン化できる一方、寿命や選択性にも違いがある。

この原理は、PIDが「すべてのVOCを検知するセンサー」ではない理由を説明する。10.6 eVランプはトルエンやベンゼンにはよく応答し得るが、イオン化エネルギーがそれより高い物質には応答が弱いか、まったく応答しない場合がある。EPAのPID運用資料は、PIDは非選択的で総VOCを概略定量するものであり、メタンやエタンなどの低分子炭化水素には応答しないと明記している。つまり、メタン漏えいが爆発危険を生じさせていても、一般的な10.6 eV PIDの画面には何も現れないことがある。

逆の状況もある。PIDが数十ppmを表示しても、その値だけで直ちに爆発範囲へ近づいているとはいえない。多くの有機溶剤では、有害性または刺激性が問題となるppm範囲は、LELに達する濃度よりはるかに低い。PIDはこうした低濃度漏えいの傾向を探すのに有用だが、混合物が入ってきても、どの成分がどれだけ含まれるかを自ら識別することはできない。EPA Method 3815も、PIDの応答はVOCの種類によって大きく異なり、特にアルカンへの応答は芳香族化合物や一部のハロゲン化物より一桁以上低い場合があると警告している。

湿度、ランプ窓の汚染、ランプの劣化、非イオン化ガスによる消光も応答を低下させ得る。そのため、現場と近い温湿度の清浄空気でゼロ調整を行い、メーカー指定のガスを用いて使用前確認と校正を行う必要がある。PIDの数値を物質同定の結果として扱うには、検知管、携帯型GC、試料採取後の実験室分析などの選択的手法で確認しなければならない。

触媒燃焼式LELセンサーは燃焼熱を測る

触媒燃焼式センサーはペリスターとも呼ばれる。加熱された触媒ビードの表面で可燃性ガスが酸化するときの熱がビードの電気抵抗を変化させ、基準ビードとの差をブリッジ回路で読み取る。NISTによるガスセンサー技術レビューも、触媒式センサーが検知物質の酸化反応熱を濃度信号へ変換する原理を説明している。画面には通常、メタンやペンタンなどの校正ガスを基準にした%LELが表示される。

この方式の強みは、多様な可燃性ガスや蒸気に幅広く応答することである。ただし、反応には酸素が必要である。NIOSHの事故調査報告書は、触媒ビードで正確に検知するにはおおむね8~10 vol%以上の酸素が必要であり、ガスや蒸気がほぼ100%を占める環境では0% LELのように見える場合があると説明している。窒素パージ設備、不活性化されたタンク、高濃度漏えい源の近くで低い表示を直ちに安全と解釈するのは致命的である。まず酸素を確認し、急上昇後に低下する、または不安定なLEL値については、酸素不足、測定範囲超過、センサー抑制の可能性まで疑う必要がある。

触媒ビードは、シリコーン、硫黄、鉛化合物などにより一時的に抑制されたり、不可逆的に被毒したりすることがある。塩素化炭化水素や酸性ガスも応答を低下させ得る。高沸点蒸気はサンプリングホース内で凝縮し、実際より低く測定される場合がある。バンプテストはガス流路と警報が作動することを確認するだけで、正確な感度や対象物質への応答をすべて保証するものではない。ばく露後の校正确認、メーカー指定の試験ガス、センサー交換基準を運用手順に含める必要がある。

赤外線式LELセンサーは特定波長の吸収を測る

赤外線式可燃性ガスセンサーは、特定の炭化水素が赤外線を吸収する性質を利用する。光源からの光が試料を通過した後、測定波長と基準波長の強度を比較して濃度を算出する。NISTは、気体ごとに固有の赤外線「指紋」があり、その波長で吸収された光量から濃度を求められると説明している。現場用の非分散型赤外線（NDIR）センサーも同じ基本原理を用いる。

触媒表面で燃焼させないため、赤外線式は酸素が少ない、または存在しない雰囲気でも測定でき、触媒被毒にも比較的強い。不活性化工程や炭化水素が継続的に存在する場所の固定式検知に有利なのはこのためである。しかし、「酸素が不要」と「すべての可燃性ガスを検知する」はまったく別の話である。水素のように赤外線を十分に吸収しない分子は、一般的な炭化水素用IR LELセンサーでは測定できない。アセチレンなどについても、センサーの波長設計と認証対象ガスのリストを確認する必要がある。光学部の汚染、結露、ビーム遮断、対象ガスごとの吸収差も誤差の原因となる。

したがって、水素が発生し得る水素化工程に炭化水素用IRセンサーだけを設置したり、窒素パージタンクに触媒式センサーだけを入れたりすると、検知の死角が生じる。対象ガスの一覧、酸素条件、有害性基準、予想濃度、設置環境を先に定義し、その後でセンサーの組み合わせを決めなければならない。

補正係数は数値を変えても、センサー自体は変えない

PIDは通常、イソブチレンで校正する。特定の物質が一つ確実に存在する場合、表示値にその物質の応答係数または補正係数を適用して推定濃度を求める。OSHAが説明するように、この係数は物質だけでなく、装着されたランプのエネルギーにも左右される。例えば、メーカー表の補正係数が0.5なら、イソブチレン換算表示値に0.5を掛ける形になるが、係数の定義はメーカーにより「乗算係数」または「応答係数」と異なる場合があるため、任意に計算してはならない。機器のライブラリ、ランプの種類、マニュアルの計算式を一式として確認する必要がある。

混合VOCでは、単一の補正係数の有効性が大きく低下する。トルエン、ヘキサン、アセトンが同時に変化すると、PID電流は合算されても組成は分離されない。最も保守的な物質を基準に警報値を定めるか、工程組成が安定しているときに現場での相関関係を構築し、定量判断は選択的分析で確認する必要がある。補正係数を適用した値についても、「当該物質の換算濃度」なのか「イソブチレン等価濃度」なのかを記録に残す。

LELセンサーにも校正ガスによる違いがある。メタンで校正した触媒式センサーが、プロパン、ペンタン、水素に示す感度は同じではない。赤外線センサーも炭化水素ごとに吸収特性が異なる。OSHAは、実際の雰囲気が基準ガスと異なる場合、メーカーの補正チャートまたは曲線を使用するよう案内している。しかし、LELの補正係数はPIDのVOC補正係数と互換ではない。同じ物質名が表にあっても、一方はイオン化応答を、他方は爆発下限界に対する相対応答を補正する。

また、混合ガスで各表示値に係数を掛けて単純に合算する方法は、検証されていないことが多い。実際の対象混合物で校正できない場合は、想定成分のうちセンサー感度が最も低い場合でも十分早く警報が鳴るかをメーカーと検討する必要がある。補正係数は、センサー原理の範囲外にある物質を新たに検出可能にするものではない。PIDに補正係数を入力してもメタンは見えず、炭化水素用IRに係数を入力しても水素は見えない。

石油化学現場では目的別にチャンネルを組み合わせる

原油、ナフサ、溶剤、添加剤、中間体が共存する工程では、一種類の測定器だけで作業許可を完結させることは難しい。次のように測定目的を分けると、見落としを減らせる。

  1. 酸素チャンネルで不足・過剰と、触媒式LELを解釈できる条件を最初に確認する。

  2. 触媒燃焼式または赤外線式のLELチャンネルで火災・爆発危険を連続監視する。水素や不活性雰囲気がある場合は、センサー原理を別途検討する。

  3. PIDで、イオン化可能なVOCの低濃度漏えい、濃度勾配、作業者ばく露の変化をスクリーニングする。

  4. ベンゼン、硫化水素、一酸化炭素など個別の有害物質は、専用センサーまたは選択的分析法で確認する。

  5. 工程原料、SDS、通常・異常運転、洗浄剤、パージ、保全シナリオを反映して、測定位置と警報値を定める。

タンク開放を例にすると、入槽前に上部・中部・下部を、十分な輸送時間と応答時間を考慮して測定し、開放やスラッジの撹乱によって蒸気組成が変わり得るため、作業中も監視する必要がある。PIDが0 ppmでも、メタンやランプでイオン化しない物質が存在しないという意味ではなく、LELが0%でも、有害VOCがばく露基準を下回るという意味ではない。一方、PIDとLELが同時に上昇した場合は同じ蒸気に重複して応答した可能性があるが、物質を確認せずに二つの数値を換算し合ってはならない。

機器選定表には、対象物質、予想濃度範囲、有害性基準、LEL、PIDのイオン化エネルギー、装着ランプ、触媒式で必要な酸素量、IRによる検出可否、校正ガス、補正係数の出典を並べて記すとよい。使用前には各チャンネルを適切な試験ガスで確認し、センサーを被毒し得る物質にばく露した後には再確認する。測定失敗や測定範囲超過の表示を「0」と記録しない手順も必要である。

結論：反応の有無より測定目的を区別する

PID、触媒燃焼式LEL、赤外線式LELセンサーは、一部の化合物で応答範囲が重なるが、相互に代替できない。PIDは紫外線でイオン化する物質への相対的なppm応答を、触媒式は酸素が存在する条件での酸化熱を、IR式は設計波長の吸収を利用して、可燃性濃度を判断する。重複は安全余裕となり得るが、同一の測定を意味するわけではない。

最も安全な構成は、センサー数が多い機器ではなく、危険シナリオとセンサー原理が一致する構成である。VOCによる有害性ばく露と火災・爆発危険を別々の問いとして扱い、対象物質に合った校正と補正、酸素条件、交差感度、検出不能物質を文書化しなければならない。そうして初めて、PIDとLELセンサーは競合する機器ではなく、それぞれ異なる死角を減らす補完機器となる。

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