エネルギー管理士の排ガス分析対策｜測定原理・対象成分・干渉を整理

排ガス分析は「測る成分→利用する性質→邪魔になる条件」の順に整理します。 分析計の名前だけを暗記すると、CO・CO₂の赤外線吸収と、O₂の磁気的性質を取り違えやすくなります。

2017〜2026年度の熱分野では、排ガス分析に関する論点が10年度すべてで確認できました。登場する成分・方式・条件は一定ではありません。過去問10年分析を踏まえ、このページでは代表的な測定原理を比較します。

代表的な成分と測定原理

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表は代表的な組み合わせです。同じ成分を測る方式が複数あること、実際の装置には補正や前処理が組み込まれることも押さえてください。

NDIR：赤外線を吸収する成分を測る

NDIRは、対象ガスが特定の波長域の赤外線を吸収する性質を利用します。COやCO₂は、この原理で測定する代表例です。光を当てるという説明だけでは不十分で、何が光を吸収し、その変化を濃度へどう対応させるかを考えます。

O₂やN₂のような同種の原子2個からなる分子は、通常のNDIRで利用する基本的な赤外線吸収を示しません。「ガスならすべてNDIRで測れる」と覚えないようにします。HORIBAのNDIR原理解説で、光の吸収と成分の関係を確認できます。

また、対象成分以外の吸収が測定波長域に重なれば、測定値へ影響する可能性があります。水分やCO₂などの影響は、測定対象・波長・装置の補正方式に応じて評価します。NDIRの機種すべてが同じ干渉を受ける、という意味ではありません。干渉と補正の説明も合わせて読むと理解が深まります。

磁気式：酸素の常磁性を利用する

酸素には、磁界の強い方へ引かれる常磁性があります。磁気式酸素分析計は、この性質に対応する力や圧力などの変化から酸素濃度を求めます。

酸素を磁気式で測る理由は「酸素が燃焼を助けるから」ではなく、常磁性という測定に利用できる物性があるからです。 現象の説明と用途の説明を区別しましょう。

磁気式にも構造の違いがあります。圧力検出形の基本はHORIBAの磁気力方式の説明で確認できます。

ジルコニア式：酸素イオンと濃淡電池

ジルコニア素子は、高温で酸素イオンを通す固体電解質として働きます。酸素濃淡電池式では、素子の両側の酸素分圧の違いに応じて生じる起電力を利用します。温度も測定原理に関係するため、単に「電圧を測る装置」と覚えるより、高温・酸素イオン・基準側との違いを一組にすると整理できます。

試料に可燃性成分があると、高温の検出部で酸素が消費され、測りたい試料の酸素濃度との関係が変わることがあります。分析計を使う条件まで確認する必要があります。HORIBAのジルコニア方式の説明は、測定原理と適用条件を示しています。

なお、ジルコニア式には限界電流を利用する方式もあります。設問で酸素濃淡電池式が指定されている場合は、その起電力の説明と他方式を混ぜないようにしてください。

化学発光法：NOを直接測る反応が出発点

NOとオゾンが反応すると、励起状態のNO₂が生じ、光を放出します。化学発光法は、その発光を検出してNO濃度を求める方式です。

NO₂も含めたNOxを測るときは、NO₂をNOへ変換するコンバータなどの構成を確認します。「NOとオゾンの反応」を利用することと、「NOxを測れる装置の構成」を分けて覚えます。 共存ガスによる消光などにも注意が必要です。詳細はHORIBAの化学発光法の説明を参照してください。

1分で確認する独自問題

問い1：酸素の常磁性を利用するのはNDIRと磁気式のどちら？

答え：磁気式です。 NDIRは赤外線吸収を利用します。

問い2：NO₂を含むNOxを化学発光法で測る場合、NOを測る反応だけ覚えれば十分？

答え：不十分です。NO₂をNOへ変換する構成も確認します。 反応に直接関わる成分と、装置として測定する成分を区別します。

無料一問一答で確認した後は、熱電対の原理と測定誤差へ進むと、ガス分析と温度計測の「原理・信号・誤差」を比較できます。燃焼側の理解にはガスバーナ、油バーナも活用してください。

参考文献

• HORIBA：非分散形赤外線吸収法の原理
• HORIBA：NDIRの干渉と補正
• HORIBA：磁気力方式
• HORIBA：ジルコニア方式
• HORIBA：化学発光法
• 省エネルギーセンター：過去のエネルギー管理士試験問題