光離子化(PID)傳感器，其原理簡(jiǎn)單地說，就是利用高壓交變的電場(chǎng)，使某些惰性氣體電離產(chǎn)生紫外光，紫外光的能量比可見光要高，它會(huì)將氣體電離成帶正電荷的離子和帶負(fù)電荷的離子，然后我們用電子學(xué)的方法，檢測(cè)這些離子的多少，從而判斷被測(cè)氣體的濃度。PID能檢測(cè)十億分之一(ppb)到百萬分之一(ppm)濃度級(jí)別的化合物，特別是有機(jī)揮發(fā)物(VOC)。它是非色散紅外、電化學(xué)、催化燃燒氣體傳感器的補(bǔ)充，也是技術(shù)含量比較高，價(jià)格比較昂貴的一種氣體探測(cè)器。

  

PID傳感器的發(fā)明大約有20年的歷史了，技術(shù)也在不斷的進(jìn)步中。

 

1. 光離子化傳感器簡(jiǎn)介

什么是PID?

光離子化傳感器PID，英文全稱是Photo Ionization Detector。它是利用紫外光光子較高的能量將氣體物質(zhì)電離，然后測(cè)量物質(zhì)電離后所產(chǎn)生的微弱電流，從而計(jì)算出空氣中被電離氣體的總量。

 

PID傳感器有什么好處?

光離子化(PID)傳感器有一個(gè)特殊功能，就是它能檢測(cè)十億分之一(ppb)到百萬分之一(ppm)濃度級(jí)別的化合物，特別是有機(jī)揮發(fā)物(VOC)。它是催化燃燒、電化學(xué)和紅外傳感器的補(bǔ)充，也是技術(shù)含量比較高，價(jià)格比較貴的一種氣體探測(cè)器。

 

PID傳感器是如何構(gòu)成的？

它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)紫外光源、一副高頻電場(chǎng)發(fā)生器、一副電子收集電極和一套微弱電流轉(zhuǎn)電壓的電路。紫外光將氣體電離，從而釋放出電子，電子收集電極將電子收集，再由微弱電流轉(zhuǎn)電壓電路將信號(hào)變成模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以識(shí)別的電壓信號(hào)。并非所有的氣體都能被電離，但是大多數(shù)VOC容易被電離，那是因?yàn)殡婋x能比較低的緣故。

 

PID傳感器的優(yōu)點(diǎn)有哪些?

其優(yōu)點(diǎn)包括:

1. 可以用比較小體積的傳感器檢測(cè)出極低濃度的VOC；

2. 功耗低；

3. 受溫度影響小。

 

PID傳感器的缺點(diǎn)有哪些?

其缺點(diǎn)包括:

1. PID燈泡容易漏氣而失效；

2. 受濕度影響大；

3. 信號(hào)非線性，需要多濃度點(diǎn)標(biāo)定；

4. 只能測(cè)量VOC的總量。

  

PID傳感器的銷量和單價(jià)大概多少？

PID在工業(yè)安全領(lǐng)域的銷售量并不大，并無法撼動(dòng)催化燃燒、電化學(xué)和紅外氣體傳感器的地位。但是隨著國內(nèi)環(huán)保領(lǐng)域投資的加大，PID傳感器的銷量突飛猛進(jìn)，目前正在向5萬只/年的銷量進(jìn)軍。國外主要的供應(yīng)商有Baseline和Alphasense。最近又新增加了一個(gè)新的品牌Sensovol，由諾聯(lián)芯電子科技經(jīng)銷。關(guān)于價(jià)格，是根據(jù)量程和數(shù)量而定，比Baseline和Alphasense略低。

 

PID傳感器的細(xì)分市場(chǎng)有哪些?

其細(xì)分市場(chǎng)包括：

1. 石油化工。監(jiān)控有機(jī)氣體的微弱泄漏。

2. 國防公安。測(cè)量微量、劇毒的毒氣。

3. 室外空氣質(zhì)量。特別是石油化工廠周邊的環(huán)境，有一些低濃度、有異味的VOC需要24小時(shí)監(jiān)測(cè)。

4. VOC在線排放監(jiān)測(cè)。該應(yīng)用是和非色散紅外技術(shù)并駕齊驅(qū)的一種監(jiān)測(cè)VOC的技術(shù)，安裝在VOC焚燒和吸附裝置的前面，監(jiān)測(cè)VOC排放的濃度。

 

PID傳感器今后的發(fā)展趨勢(shì)有哪些?

1. 長(zhǎng)壽命的紫外光源

2. 輸出數(shù)字化。

3. 和氣體分離設(shè)備聯(lián)用，例如氣相色譜儀，用作氣體的定性和定量分析；

 

2. 檢測(cè)量程(Detecting Range)

定義：以異丁烯(i-C4H8)為被測(cè)氣體，PID能夠保持檢測(cè)精度的最高氣體濃度。

 

為什么以異丁烯為PID的標(biāo)準(zhǔn)氣體?

原因如下:

1. 異丁烯電離能比較低，Ie=9.24V，無論9.8eV、10.6eV、還是11.7eV的紫外燈(UV燈)，都能將其電離。

2. 碳鏈長(zhǎng)度為3，有1支鏈，分子不大不小，和絕大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物VOC大小相當(dāng)，具有代表性。

3. 異丁烯低毒，常溫下呈氣態(tài)。作為標(biāo)定氣體，對(duì)工作人員健康無影響。

4. 價(jià)格不高，比較好買。

5. 其濃度用其他的物理測(cè)量方法也比較好檢查。

 

濃度超過量程PID會(huì)壞嗎？

短時(shí)間使用，PID不會(huì)壞。長(zhǎng)時(shí)間使用，就不行。事實(shí)上，如果現(xiàn)場(chǎng)有1000PPM以上的VOC，用PID性價(jià)比就不太合適了，因?yàn)?span>VOC會(huì)逐漸冷凝在UV燈和插指電極之上，導(dǎo)致靈敏度下降。而高濃度的VOC在線監(jiān)測(cè)應(yīng)該用非色散紅外傳感器。

 

被測(cè)氣體濃度如果過大，對(duì)傳感器會(huì)有什么危害?

如果PID長(zhǎng)時(shí)間工作在高濃度VOC中，收集電子的電極上會(huì)堆積沾污，無法自行離開傳感器，表現(xiàn)出來就是PID靈敏度降低。這個(gè)時(shí)候就需要用甲醇清洗UV燈和電極了。

 

3. 線性量程(Linearity Range)

定義：數(shù)字化的PID傳感器能夠保持精度的最大量程。注意，PID如果是模擬信號(hào)輸出的，那它的輸出信號(hào)將是非線性的。只有經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算過后，才能輸出線性的信號(hào)。

 

PID的線性量程能夠跨幾個(gè)數(shù)量級(jí)?

以現(xiàn)有的技術(shù)，PID能夠測(cè)量的量程為1ppm到約10000ppm，共4個(gè)數(shù)量級(jí)。最常用的，測(cè)的比較準(zhǔn)的線性部分約0.1ppm~1000ppm。

 

PID是低濃度的時(shí)候線性好，還是高濃度時(shí)候線性好?

低濃度的時(shí)候線性好。濃度越高，靈敏度越低，檢測(cè)的誤差就越大。響應(yīng)曲線形狀有點(diǎn)像對(duì)數(shù)曲線。

 

4. 操作電壓(Operating Voltage)

定義：提供給PID的直流供電電壓。包括給紫外燈供電的高壓線圈供電和模擬電路供電。一般是3.3V – 5.0V供電。

 

紫外燈需要什么樣的電壓？

紫外燈需要交流高壓作為激勵(lì)源，在兩個(gè)電極上產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)，從而激發(fā)紫外燈中的惰性氣體發(fā)出紫外光。那高的交流電壓怎么從直流低壓得到呢？需要采用電子開關(guān)和變壓器。電子開關(guān)可以將直流變成交流，變壓器可以將低壓交流電變成高壓交流電。

 

如果電壓偏低會(huì)有什么問題發(fā)生？

如果儀器供給的直流電壓偏低，那么模擬放大電路部分是可以正常工作的，但是紫外燈卻有可能點(diǎn)不亮，造成PID無法工作。

 

如果電壓偏高會(huì)有什么問題發(fā)生？

如果儀器供給的直流電壓偏高，那么模擬放大電路部分是可以正常工作的，紫外燈也能夠正常工作。但是過強(qiáng)的UV光會(huì)使玻璃燈管和CaF2片子之間的粘結(jié)劑加速老化，電極和特氟龍的腔體也會(huì)加速老化，使壽命縮短。

 

5. 操作功率(Operating Power)

定義：給紫外燈供電的功率和模擬電路供電的功率。

 

給紫外燈供電的功率有多少？

給紫外燈供電的功率大約零點(diǎn)幾瓦。紫外燈本身是被動(dòng)元件，不需要電，但需要交變電場(chǎng)將內(nèi)部氣體激發(fā)。真正需要交流電的是變壓器，它將低壓逆變?yōu)楦邏骸?/span>

 

模擬電路部分的功率有多少？

模擬電路部分最多幾十毫安，電壓以3.3V計(jì)，全部功耗最多0.1W。

 

6. 紫外燈能量(Lamp Energy)

定義：紫外燈發(fā)出的光子的能量，遵循普朗克公式E=hυ，h是普朗克常數(shù)，υ是紫外光的頻率，能量E的國際單位是焦耳，如果是微觀粒子的能量，我們習(xí)慣用電子伏特eV表示。

 

紫外燈的能量有多種嗎？

有的，根據(jù)封裝在燈泡中的氣體種類不同，紫外燈的能量可以有9.5、9.8、10.0、10.2、10.6、11.7、11.8eV多種。最常見的是10.6eV的燈，主要原因是10.6eV的UV燈壽命最長(zhǎng)。

 

紫外燈的能量和物質(zhì)的電離能有什么關(guān)系？

凡是物質(zhì)的電離能低于紫外燈能量的，都能夠被電離，也就是說能夠測(cè)量得到。否則是不能用PID來測(cè)量的。請(qǐng)看下面的圖表。

7. 分辨率(Resolution)

定義：分辨率是描述傳感器能夠分辨的最小的氣體濃度改變量的參數(shù)。分辨率和靈敏度和噪聲相關(guān)，類似電子技術(shù)里面的一個(gè)參數(shù)——信噪比。計(jì)算公式是：

分辨率=3*信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差/靈敏度

 

一般PID傳感器能夠達(dá)到的分辨率是多少？

在不同濃度下，分辨率是不一樣的。零點(diǎn)時(shí)的分辨率最優(yōu)，也就是最低檢測(cè)限(LDL)的概念；隨著濃度升高，分辨率會(huì)變差。一般PID能夠?qū)崿F(xiàn)的分辨率是0.1ppm異丁烯。

 

現(xiàn)有技術(shù)PID能夠分辨的最好分辨率是多少？

分辨率最好的PID傳感器，在零點(diǎn)附近，其分辨率大約10ppb異丁烯。

 

是什么影響了傳感器的分辨率?

很多因素，如下列舉：

1. 紫外燈的光強(qiáng)。紫外光如果比較強(qiáng)，那么能夠被電離的氣體分子也就較多，分辨率自然就比較優(yōu)。

2. 紫外燈的發(fā)光面積和收集電極的表面積。發(fā)光面積大，收集電極的面積大，分辨率比較優(yōu)，原因同1。

3. 前置運(yùn)放的失調(diào)電流。前置運(yùn)放的失調(diào)電流小，能夠探測(cè)到的電流就越微弱。如果運(yùn)放偏置電流大，那么微弱的有用電流信號(hào)就全部淹沒在失調(diào)電流中，好的分辨率自然實(shí)現(xiàn)不了。

4. 電路板的干凈程度。模擬電路是焊接在電路板上的，電路板如果漏電比較多，微弱電流自然無法分辨。原因同3。

5. 電流轉(zhuǎn)電壓的電阻大小。PID傳感器是電流源，電流通過電阻才能變成可放大和測(cè)量的電壓。如果電阻過小，微小的電壓改變量自然無法實(shí)現(xiàn)。

6. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的分辨率。ADC分辨率越高，能夠分辨的電信號(hào)就越小，PID的分辨率也就越優(yōu)。

 

8. 重現(xiàn)性(Repeatability)

定義：在同一天之內(nèi)，每小時(shí)通一次同樣濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，一般是100ppm異丁烯，獲得6次通氣平衡的讀數(shù)，然后計(jì)算6次讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。該標(biāo)準(zhǔn)差越接近于零，說明傳感器的重新性越好。

 

PID傳感器的重現(xiàn)性大約是什么水平?

PID傳感器的單日重現(xiàn)性是極好的，一般都能做到2%之內(nèi)。主要是因?yàn)樵谝蝗罩畠?nèi)，無論紫外燈也好、結(jié)構(gòu)也好、電路也好都幾乎沒有變化，所以信號(hào)重現(xiàn)性好。

 

如果一日之內(nèi)有溫差，會(huì)影響重現(xiàn)性嗎？

不會(huì)。PID和其他物理和化學(xué)傳感器不同，它幾乎不受溫度影響，其原因是紫外燈受電場(chǎng)激發(fā)所產(chǎn)生的光強(qiáng)不受溫度變化，氣體的電離能Ie也不受溫度影響，結(jié)構(gòu)和電路在幾十?dāng)z氏度的范圍內(nèi)，變化也很小。所以在一日之內(nèi)的溫度變化，是不會(huì)影響PID讀數(shù)的。

 

9. 輸出線性范圍（Output Linearity）

定義：PID在能夠保持傳感器輸出線性的氣體濃度范圍。這個(gè)參數(shù)僅僅對(duì)數(shù)字輸出的PID傳感器而言，因?yàn)槟M信號(hào)輸出的PID傳感器一定是非線性的。

 

PID傳感器信號(hào)是線性的嗎？

模擬信號(hào)輸出的PID傳感器的輸出不是線性的，低濃度的時(shí)候靈敏度高，高濃度的時(shí)候靈敏度低。但是，經(jīng)過線性化的數(shù)字PID傳感器輸出是線性的。

 

輸出線性范圍可以做到多高濃度?

如果硬件和軟件支持，PID傳感器的線性范圍可以做到很高的濃度，例如10000ppm。

 

如何保證全量程的線性?

需要硬件和軟件特殊設(shè)計(jì)。因?yàn)閺?span>0.1ppm到10000ppm所覆蓋的量級(jí)過寬，一套運(yùn)算放大電路無法支持全量程，所以需要多套運(yùn)算放大電路，才能保證全量程的線性。

 

10. 響應(yīng)時(shí)間（Response Time）

定義：傳感器信號(hào)從零點(diǎn)上升到通氣平衡點(diǎn)一定百分比，所需的時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間，通常用T90來描述。從零點(diǎn)上升到平衡信號(hào)值的50%所需要的時(shí)間稱為T50，從零點(diǎn)上升到90%所需的時(shí)間稱為T90，從零點(diǎn)上升到99%所需的時(shí)間成為T99。

 

PID的響應(yīng)時(shí)間有多長(zhǎng)?

PID的響應(yīng)時(shí)間是比較短的。在擴(kuò)散模式下，響應(yīng)時(shí)間大約20-30秒，該時(shí)間主要是氣體擴(kuò)散的時(shí)間；在泵吸的模式下，響應(yīng)時(shí)間小于5秒。

 

PID為什么響應(yīng)時(shí)間短？

PID之所以響應(yīng)時(shí)間短，是因?yàn)橐韵略颍?/span>

1. PID是物理傳感器，紫外光照到VOC上產(chǎn)生電離，這個(gè)變化是瞬間發(fā)生的，產(chǎn)生的電子傳入電路，電子流動(dòng)也幾乎不需要時(shí)間。

2. PID的內(nèi)部氣體死體積非常小，只有幾百微升，濃度僅需要幾秒鐘時(shí)間就可以平衡，所以響應(yīng)時(shí)間短。這也是為什么采用泵吸式方式響應(yīng)時(shí)間更短的原因。

 

擴(kuò)散模式和泵吸模式那種更好？

當(dāng)然是泵吸式好。泵吸式不僅響應(yīng)時(shí)間短，而且可以將氣室內(nèi)的VOC盡快地吹走。如果VOC長(zhǎng)期滯留在PID內(nèi)部，液化的VOC就會(huì)附著在燈泡和電極上，造成靈敏度降低，需要頻繁地用有機(jī)溶劑清洗。當(dāng)然，如果用泵吸式也需要用有機(jī)溶劑清洗燈泡和電極，但是不需要那么頻繁。

 

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