光离子化传感器 一文读懂光离子化PID传感器

一文读懂光离子化PID传感器

近年来我国在挥发性有机物（VOC）监测领域出台了一系列监测标准规范，其中提出了气相色谱、FID及PID等技术是环境空气及污染源中挥发性有机物监测的主要方法。

PID气体传感器能检测测极低浓度的VOC气体和其它有毒气体，是非色散红外、电化学、催化燃烧气体传感器的补充，也是技术含量比较高的一种气体传感器，其高灵敏度检测能力，使其在石油石化及环保监测中具有重要作用。

图1 PID检测器工作原理

废气或空气中的VOCs被PID传感器的紫外灯（UV）光源离子化为可被检测器检测到的正负离子。检测器测量离子化了的气体的电荷并将其转化为电流信号，电流经放大后以模拟或者数字信号输出，电流信号的大小和VOCs浓度呈正比。在被检测后，离子重新复合成为原来的气体和蒸气，因此PID是一种非破坏性检测器，经过PID检测的气体仍可被收集做进一步的测定。

大部分气体都有其特定的电离能（IP），以电子伏特（eV）为计量单位。由UV灯发出的能量也以eV为单位。如果待测气体的IP低于灯的输出能量，那么，这种气体就可以被离子化。电离能决定了该气体是否能被PID传感器检测到。

目前商用的PID检测器规格分为9.8eV、10.6eV和11.7eV，高于11.7 eV的化合物暂不能被商用PID检测到。

确定检测气体种类后，还需要对被测气体浓度进行判断，涉及到PID传感器的气体浓度检测量程，一般从几个ppm到几万ppm的宽量程均有相应产品。

2、检测分辨率

分辨率指的就是传感器能够检测到的最低气体浓度，PID传感器灵敏度极高，一般在相对低量程的条件下，很多产品均能做到ppb级，部分产品能够达到甚至低于1ppb。

炜盛科技4R-PID全量程可定制

3、线性度

传感器的线性度就是其输出量与输入之间的实际关系曲线剥离直线的程度，剥离程度越低，线性度越高。

PID传感器具有良好的线性度，在大部分量程范围内呈现线性变化。

4R-PID ：R^2大于0.995

4、信号重复性

传感器光电转换后的信号需要稳定输出，其绝对偏差越小越好。

5、响应时间T90

传感器接触的气体浓度发生阶跃变化时，其输出变化达到稳定值规定的百分比（一般为 70%或 90%）时所需的时间，即为T70或T90响应时间。PID传感器一般以T90时间为准标称响应时间。

4R-PID：T90≤5 S

6、温湿度漂移

PID传感器都会受到温湿度的影响而输出值发生漂移，对产品使用造成影响，因此评估温湿度对传感器的影响是不可忽视的；

低湿度情况下，PID传感器会因为离子捕捉时遇到湿气产生“假象”离子（电离部分水），导致测量浓度偏高，该现象难以完全避免，因此多数PID都有湿度补偿功能；但湿度太高，水汽会附着在离子化室的内壁，造成阳极和阴极之间电导率增加，漏电流上升，因此很容易造成下雨天PID检测器误报警的情况发生。

4R-PID：受环境干扰小，误差不超过10%

PID传感器相较其他技术气体传感器具有多项优势，响应速度快、检测范围广、可定量，灵敏度高、本质安全等等。炜盛科技在核心技术、产业化方向的不断突破，已实现PID传感器的完全自主可控和量产上市，可无差别替换进口品牌产品。

开讲了｜Part6分解：气体传感器系列之PID光离子传感器知识详解

分解

PID光离子化传感器知识

06

PID光离子传感器

原理:由紫外光源和气室构成。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。

特殊气体:物理形态多变、化学过程及反应生成物复杂多样。包括无机气体如氨气，有机气体如甲苯等。

前面介绍的各种气体传感器，对复杂气体的检测面临巨大挑战。

如:对有机蒸气的检测，红外吸收原理面临着很难克服的困难:

a、有机蒸气由于分子量大的缘故，特征吸收波长较长，红外吸收后能量变化小，通常灵敏度会很低。

b、长分子链的有机蒸气易吸附，会粘附在探测器上，破坏光传输。

c、不能实现对voc总量的检测。红外系统若实现总量评价，则需要全光谱响应的滤光片、探测器和全光谱紅外光源，这样的要求不仅难实现，即使实现，在全光谱范围内，无机气体、水的干扰将顺理成章。

而化学传感器中半导体易被无机气体、温、湿度干扰，漂移，浓度分辩率低，虽然其检测范围宽、覆盖气体种类多，但仍仅适合在低端应用。

在这样的背景下，在工业现场voc检测时PlD是较好的选择。相对其它传感器PID最大的特点是只对很少的无机气体，如氨气、磷化氢等敏感，原因在于大部分的无机气体有很高的电离能(大于11.7ev)。

目前PID灯最高紫外幅射能量仅为11.7ev，因此，在石油化工园区，PID的响应可以认为是voc的响应。

PID工作原理祥述:

1、在真空玻璃腔内充入高纯度稀有气体如氩气、氪气。

2、用紫外透光片氟化镁单晶将玻璃腔体密封，在此氟化镁晶体对紫外光透明。

3、在玻璃腔外壁套上电极。

4、在氟化镁窗口加上电极和电场，做为被测气体气室，这就是一个完整的可电离VOC的紫外灯。工作时在玻璃腔外加上高频电场，紫外灯内的稀有气体被外加电场电离出电子和离子，电子和离子复合时紫外光的形式向外幅射能量。紫外光穿过氟化镁窗口到达气室，气室内被测气体被紫外光电离产生电子和离子，电荷在电场作用下产生电流，就可以测到了。

我们大概不难想到，PlD稳定工作需要:

1、PID必须幅射足够的能量才能电离被测气体；

2、产生紫外光的高频电场必须是稳定的；

3、玻璃腔体内不能有杂质气体，杂质气体会导致附加电离，影响紫外发光效率；

4、紫外光谱是稳定、均匀的；

5、紫外光到达气室的传输是稳定、均匀并不与构成气室的金属电极材料相互作用而产生重金属沉积，重金属在紫外幅射窗口沉积会阻挡紫外到达气室。

这就要求：紫外灯充入的发光物质必须是气体才能均匀发光并传输。腔体内不能有杂质气体，以防止附加电离等，这些要求决定了发光气体的选择只能是稀有气体，窗口材料则必须对紫外透明并具有稳定的理化性质，事实上紫外窗口材料的选择是极其有限的，这些限至条件最终也决定了PID应用的局限性。

炜盛MU10-PID 光离子传感器

为什么目前的PID不能测丙烷、乙烷、甲烷和大部分无机物？

PID的本质是使被测物质电离后测电荷流，电离需要能量。

目前的PID紫外幅射能量最常见的是8.3ev、9.8ev、10.6ev。而电离甲烷需要的能量为12.6ev，乙烷为11.56ev、丙烷为10.95ev、二氧化碳为13ev等。

事实上，人们很想开发出能量更高的PID，但限至条件在于稀有气体的种类极其有限，紫外波长(能量)是由稀有气体本身的电子能级决定的，人类无法改变；另一个限至条件是特定波长的紫外光透光窗口材料，能透什么样波长的紫外光取决于窗口材料的晶格常数，在目前的材料体系中选择也极有限。

人们虽然开发出11.7ev的发光体，但适合的窗口材料只有氟化锂(LiF)，而氟化锂极易吸水，导致11.7ev的PID寿命只有两个月。即目前的紫外灯由于输出能量的限制，仍不能检测甲烷等有较高电离能的物质。

PID为什么没有选择性?

如果我们选择的PID的紫外幅射能量是10.6ev，就意味着被测环境中电离能小于10.6ev的所有气体分子都会被电离，我们测到的电荷流是所有被电离气体的电荷流的和，而不是某种气体的电荷流，PID无选择性是由此决定的。

PID在工作时，气室内被电离的物质相遇时会复合还原，长链分子、灰尘等会沉积在窗口表面，除此，传感器工作时产生的离子流轰击气室电极也会使重金属沉积在窗口表面，这显然会影响紫外光透过，而导致零点漂移、灵敏度降低，影响检测结果。实际上除了PID灯的制备技术、气室设计、PID灯紫外透过窗口的清洗技术也是核心技术之一。

PID的未来:

1、PID作为理想的非放射性离子源会永远存在；

2、提高PID灯内充气前的真空度以及填充气体纯度以提高发光效率和发光稳定性；

3、开发新的窗口材料及加工精度以改善透光率、出射光均匀性、封装质量以及稳定性和寿命；

4、预防色散导致窗口的重金属沉积，延长寿命；

5、防止大分子有机物、小颗粒物沉积的窗口清洁技术；

6、输出能量更高的长寿命PID灯的开发；

7、小体积。

气体传感器和其它传感器一样门类众多。除了之前发布的五大类外还有热传导式气体传感器 。

炜盛MD61热导燃气传感器

本质上是温度传感器，也主要由铂线圈构成，只是包裹材料为化学堕性的玻璃体，将其保持一定温度，忽略其它因素，当空气成份稳定时，空气的热传导率是稳定的，传感器热平衡后温度是恒定的。

由于不同的物质有不同的热传导率，当有被测气体时，传感器的热平衡被打破，温度变化，导致电阻变化，这个电阻变化和气体浓度正相关。与催化元件的区别，热传导是纯粹的物理过程。

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