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PID光离子气体测量原理

    摘要:在石油、石化、化工、制药等工业生产领域， 大量存在着挥发性有机化合物（ Volatile Organic Compounds ， 简称VOC）。 
在石油、石化、化工、制药等工业生产领域， 大量存在着挥发性有机化合物（ Volatile Organic Compounds ， 简称VOC）。按照美国环保局（EPA）的定义：全部带碳的化合物都称为有机化合物，而挥发性有机化合物是指沸点在50～260℃、室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa 的易挥发性化合物，其主要成分为烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类等。
在工业领域很多危险隐患的根源是有害物质超标，而这些危险有害物质绝大部分都是VOC，在易燃易爆物料生产运输管理、化工物料泄漏、热交换流体、工业卫生、室内空气质量、环境保护、密闭空间迚入、应急事故检测中，对VOC 的检测具有非常重要的作用。
VOC 成分组成非常复杂，在工业现场往往也是各种不同气体混合存在，无法像常规的电化学传感器那样针对每种挥发性有机气体进行检测，因此需要能对于挥发性有机化合物总量进行精确测定的仪器。

什么是PID?
光离子化报警器可以检测10ppb(parts billion)到10000ppm(parts per million)的VOC和其他有毒气体。PID是一个高度灵敏、适用范围广泛的检测器，PID可以看成一个“低浓度LEL检测器”。如果将有毒气体和蒸气看成是一条大江的话，即使你游入大江，LEL检测器可能还没有反应，而PID则在你刚刚湿脚的时候就已经告诉了你。

PID传感器的优点 
1） 精度高
高精度的光离子化传感器可以检测到ppb级别（十亿分之一）的有机气体，一般的光离子化气体传感器可以检测到ppm级(百万分之一)的有机气体，精度超过红外传感器等大多数常用传感器；
2） 对检测气体无破坏性
光离子传感器在将气体吸入后将其电离，而气体分子形成的离子在放电后又形成了原先的气体分子，对原气体分子无破坏性。
3）响应速度快、寿命长
除了在气体检测系统在开机后预热的一段时间，在正常工作状态下，光离子气体传感器几乎可以实时做出反应，可以连续测试。在这检测危险气体时，对保障检测人员健康有重要意义。
一般一支

紫外灯的寿命在数千小时，光离子传感器在此期间均可正常工作，有很长的使用寿命。
4） 应用范围广
光离子传感器对大多数有机和部分无机气体均可检测，可以广泛应用于化工、运输、军事、航天等领域。由于光离子化气体传感器对于检测物的浓度变化特别敏感，在初始个人防护确认、泄露区域确认、清除污染等方面有重要作用。

PID检测仪的工作原理
PID 使用了一个紫外灯（UV）光源将有机物分子电离成可被检测器检测到的正负离子（离子化）。检测器捕捉到离子化了的气体的正负电荷幵将其转化为电流信号实现气体浓度的测量。当待测气体吸收高能量的紫外光时，气体分子受紫外光的激发暂时失去电子成为带正电荷的离子。气体离子在检测器的电极上被检测后，很快会电子结合重新组成原来的气体和蒸汽分子。PID 是一种非破坏性检测器，它不会改变待测气体分子，经过PID 检测的气体仍可被收集做进一步的测定。

紫外灯的选择
光离子化传感器上可以使用的紫外灯（UV）有9.8eV、10.6eV、11.7eV3种。其中11.7eV的UV灯由于所发出的光的电离能（IP）最高，故PID检测范围最宽。但是所有11.7eV的紫外灯都是用氟化锂材料作为高能紫外线输出窗口。氟化锂晶体材料在灯管玻璃上的封装是相当困难的。当它不使用时在空气中氟化锂晶体材料会吸收水分，导致窗口涨大，削弱了通过它的紫外线的强度。氟化锂晶体材料也会因为UV的照射而逐渐老化，导致整个仪器损坏。这些因素共同作用导致了11.7eV灯寿命的缩短。一个10.6eV、的紫外灯可持续使用12-24个月，而一个11.7eV的灯只能持续使用2-6个月。同时11.7eV的紫外灯的造价进进高于9.8eV和10.6eV，进一步降低了其实用性。 11.7eV的紫外灯一般只有当化合物（二氯甲烷，四氯化碳）的电离电位超过10.6eV时才使用。同时，9.8和10.6eV具有很多11.7eV的紫外灯不具有的特点： 9.8和10.6eV的PID有更强的针对特性：低电离能意味着能检测到较少的化学物质。
9.8和10.6eV的PID持续使用不少于一年：它的使用寿命和一氧化碳传感器相当。
9.8和10.6eV的PID更加灵敏，11.7eV的灯灵敏度较低，主要是出于它的窗口材料氟化锂晶体对11.7eV的紫外光有阻碍作用。出射光能量的降低使得被测物质难以充分电离，因此，要求11.7eV的PID高精度地检测出准确的数据是很难实现的。
基于上述原因，应该选择10.6eV的紫外灯作为PID光源。

PID 检测仪的标定

气体检测仪的标定是建立在对于一个已知浓度的已知气体相应的离子电流的基础上。其它气体的仪器响应是和它们本身的性质有关的，一个10ppm 的读数表明仪器产生了一个与10ppm 标定气体相同的离子电流。其它气体得到这个读数的实际浓度可能多于也可能少于这个值。
由于PID 读数总是和标定气体有关，因此这个读数应当表述为标定气体相关的ppm 单位，而不能直接使用实际的测量浓度值，除非检测的污染物同标定气体一样，或者仪器的读数已经得到校正。
通常PID 使用异丁烯进行标定，原因是在PID 可检测的VOC 中，传感器对于异丁烯的响应灵敏度处于平均水平，比较容易获得，在低浓度时无毒、不易燃。

PID 校正系数
由于挥发性有机化合物种类繁多，使用PID 检测仪测量VOC 时，除了进行总量（TVOC）以外，还可以测量某种特定的气体，这时就需要使用校正系数(CF，或称为响应系数)。它用在当以一种标准气体（一般使用异丁烯）校正PID 后，通过CF 直接计算得到另一种气体的浓度，这样一次标定可以测定多种气体。
校正系数也代表了某种特点气体测量的灵敏度，CF 值越低，该种气体或蒸汽被PID 检测的灵敏度就越高。以10.6 eV 灯的PID 为例，苯对异丁烯的CF 值是0.53，它的检测灵敏度大概是CF 为9.9 的乙烯的18倍。通常情况下，PID 可以很好地测定CF为10 以下的各种物质，而CF 越大，对该气体的检测精度越差。

如何选择PID 检测仪 
用户在选择PID 检测仪时，应按照以下步骤进行判断：
1.判断气体是否可以用PID检测
PID 主要用于挥发性有机化合物的检测，主要包括：
● 芳香类：含有苯环的系列化合物，比如：苯、甲苯、乙苯、二甲苯等；
● 酮类和醛类：含有C=O 键的化合物。比如：丙酮、丁酮(MEK)、甲醛、乙醛等；
● 胺类和氨基化合物：含N的碳氢化合物。比如：二乙胺等；
● 卤代烃类：如三氯乙烯(TCE)、全氯乙烯(PCE)等；
● 含硫有机物：甲硫醇、硫化物等；
● 不饱和烃类：丁二烯、异丁烯等；

● 饱和烃类：丁烷、辛烷等；
● 醇类：异丙醇(IPA)、乙醇等。 6
除了上述有机物，PID 还可以测量一些不含碳的无机化合物气体，如：
● 氨；
● 半导体气体：砷化氢（砷烷）、磷化氢（磷烷）等；
● 硫化氢；
● 氮氧化物；
● 溴和碘。
PID检测仪不能测量的物质包括：
●放射性物质；
● 空气(包括N2、O2、CO2、H2O)；
● 常见毒气(CO、HCN、SO2)；
● 天然气(甲烷、乙烷等)；
● 酸性气体(HCl、HF、HNO3)；
● 其它，如氟力昂气体，臭氧，双氧水，等等；
● 非挥发性物质：如聚合物、油脂等。
2. 利用校正系数判断是否可以检测
● 首先，查看被测气体的IP 是否低于PID灯的输出能量低（可以被电离），否则无法检测。
● 对于可以电离的气体，查看该气体的CF值，如果小于10，可以选择PID 检测仪很好地检测，如果大于10，说明PID 检测仪可以被用来作为粗略的检测手段。

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