周 琪， 張思祥， 周 圍， 王曉辰， 李志東

(河北工業(yè)大學 機械學院，天津 300130)

基于VOC檢測的光離子化檢測器的實驗研究*

周 琪， 張思祥， 周 圍， 王曉辰， 李志東

(河北工業(yè)大學 機械學院，天津 300130)

采用光離子化檢測器(PID)傳感器對揮發(fā)性有機化合物(VOC)氣體進行檢測，通過對PID的研究，自行設計適合本系統(tǒng)的PID檢測器結構，并搭建了一套完整的檢測系統(tǒng)。通過實驗證明：所搭建的以PID檢測器為核心的VOC氣體檢測系統(tǒng)已能夠實現(xiàn)對VOC氣體的定量檢測。確定實驗流量為160～170 mL/min，且在(0～5)×10-6內傳感器響應呈線性關系。

揮發(fā)性有機化合物氣體； 光離子化檢測器； 定量檢測； 流量控制

0 引 言

隨著社會各界對揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds,VOC)防治監(jiān)測認識的不斷加深，近些年國家也制訂和出臺了部分揮發(fā)性有機物的排放標準以及與之相對應配套的分析方法。有了相關標準，也就可以明確VOC防治的目標。當然，社會以及國家對VOC防治的重視也有一定的原因，其中很重要的一點就是VOC會對人類生理和心理產生一定的影響，尤其是當VOC到達一定的濃度時會對人體器官各部位造成不同程度的傷害，如呼吸道疾病等。因此，針對VOC氣體的檢測，特別是微量有害氣體的檢測已經勢在必行。

1 理論分析

光離子化檢測器由真空紫外燈和電離室構成。其工作原理是：待測氣體吸收紫外燈發(fā)射的高于氣體分子電離能的光子，被電離成正、負離子，在外加電場的作用下離子偏移形成微弱電流。被測氣體到達傳感器，傳感器有個響應的過程，經過一段時間，逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)。進一步分析表明，針對不同的氣體，其響應曲線以及響應時間都是不同的。

通過檢測電流值可知被檢測氣體的濃度，其具體原理如圖1所示。

圖1 光離子化檢測原理

1)直接電離

被檢測樣品組分AB經紫外燈照射后會吸收一個光子能量(hν)，電離成正離子，并且釋放電子，即

AB+hν→AB++e

(1)

2)間接電離

該種電離方式又分為兩種，第一種為被檢測樣品組分AB吸收完一個光子能量之后先進入激發(fā)狀態(tài)AB*再產生電離，即

AB+hν→AB*

(2)

AB*→AB++e

(3)

第一種為利用載氣C先吸收一個光子能量(hν)進入激發(fā)狀態(tài)C*，被檢測樣品組分AB會與C*接觸，AB吸收了能量后發(fā)生電離，進入激發(fā)狀態(tài)AB*，處于激發(fā)狀態(tài)的C*由于失去了能量又重新回到了最初的狀態(tài)C。

光離子化檢測器(photo ionization detector,PID)傳感器中實際測得的離子流(I)可以寫成下式

I=k·n·R×1.6×10-19

(4)

式中k為氣體分子在1 cm上產生的離子數；1.6×10-19為一個電子的電荷數。

電離室內所充氣體的壓力、板極的大小和兩極間的距離對電離電流都有較大的影響，一定范圍內增大流量或增大電極面積都會使電離電流增大，電離室的特性曲線也將向增大電離電流的方向移動。測量過程可以簡化為圖2，在t=60時刻通入樣品氣體，到趨于穩(wěn)定時過程結束。進樣過程等效于圖2所示的矩形階躍。

圖2 PID傳感器響應過程

x(t)=A[u(t)-u(t-tx)],0≤t

(5)

式中A為傳感器對氣體的反應量的穩(wěn)態(tài)值。由于傳感器反應量與氣體的流速、周圍環(huán)境條件等有關。當空氣的流速和周圍環(huán)境保持固定時，可以認為傳感器的反應量只與被測氣體的種類和濃度有關，該穩(wěn)態(tài)值A值與該氣體濃度呈特定的函數關系。所以，氣體種類、濃度與傳感器響應呈特定關系，并在一個允許范圍內，隨著氣體流量加大，同種濃度氣體的響應值也會升高。

2 實驗設計與儀器

PID系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 PID檢測器系統(tǒng)構成

其中，電離室由接地電極板和高壓偏置電極板以一定的位置關系組合形成；信號調理電路則主要由I/V轉換電路、放大電路和濾波電路幾部分組成。電極的作用是為離子提供恒定的電場，故需要保證電極材料的穩(wěn)定性。由于電極會長期暴露在紫外光的輻射當中，為了防止電極會有電子逸出，故需要選擇具有高逸出功率和低光電效率的電極材料。

通過理論分析和實驗可知,矩形極板結構激發(fā)紫外燈時，其紫外燈發(fā)出的光束為垂直于兩電極板的線形光束，而環(huán)形極板結構激發(fā)紫外燈時，其發(fā)出的光束為柱狀光束，光束直徑近似為燈的直徑，該光束可利用面積較大，這樣會使氣室中的樣氣全部處于紫外光的照射中，從而產生較強的電流信號，提高紫外燈的使用效率，同時也降低了對該電流信號的檢測難度。因此，在進行激發(fā)電極設計時采用環(huán)形極板結構，結構如圖4所示。

圖4 紫外燈底座和激發(fā)電極結構

3 實驗結果分析

3.1 氣路流量對傳感器響應的影響

通過質量流量控制器(MFC)控制隔膜泵的泵吸流量，流量分別設定為14.3,28.5,57,115,170 mL/min，待其系統(tǒng)穩(wěn)定，背景氣較平穩(wěn)時進樣，針對每個流量進行3次進樣(2×10-6甲苯)，實驗結果如表1所示。

表1 流量—傳感器響應實驗結果

流量/(mL/min)14．328．757．0115170背景氣穩(wěn)定值/mV9589898280傳感器穩(wěn)態(tài)值/mV613613609626635638655650649667670674672669676(ΔV)平均值516．6544562588．3592．3方差3．562678．228．22

表1可知，電壓值的重復性和穩(wěn)定性較好，在Matlab中對實驗數據進行多項式擬合，可以得到方程

p=2.216f3-0.010 57f2-1.729f+495.2

式中p為響應值，mV;f為流量,mL/min。

通過圖5可以得到：從總體趨勢來說，隨著流量的升高甲苯的電壓值逐漸增加，但是電壓值隨流量變化的越來越慢；到達一定流量后，電壓值達到最大值，隨著電壓值繼續(xù)升高峰高趨于穩(wěn)定,甚至下降。

圖5 流量和響應值的關系

綜上所述，在150～200 mL/min的范圍內，隨著流量的上升響應時間逐漸加快，且電壓值逐漸增大，有利于PID傳感器進行定量分析，但當流量過大時壓力會對傳感器造成不良影響，不利于PID傳感器的使用，綜合考慮，流量在160～170 mL/min之間。

3.2 傳感器線性校準

通過氣體發(fā)生器配比不同濃度的甲苯氣體，濃度分別設定為0.5×10-6,1×10-6,1.7×10-6,2.5×10-6,5.1×10-6，以氮氣為背景氣體，針對每個濃度進行3次進樣，實驗結果如表2。

表2 濃度—傳感器響應實驗結果

濃度/10-60．511．72．55．1電壓值/mV606260176173175320317319487478479128812841279平均值/mV61174．6318．7481．31283．7方差/mV11．521．534．934．51

從表2可知，進行線性多項式擬合，可以得到方程

p=0.003 94C+0.256 3

式中p為響應值，mV;C為濃度,10-6。氣體濃度和響應值關系如圖6。

圖6 氣體濃度和響應值的關系

4 結 論

通過實驗結果分析，利用甲苯氣體，PID傳感器的流量與響應量的關系，能夠較好地符合PID傳感器的電離原理理論，最佳工作流量區(qū)間在160～170 mL/min。由實驗得出，在(0～5)×10-6之間，PID的響應量與濃度間呈較好的線性關系。

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Experimental research of photo ionization detector based on VOC detection*

ZHOU Qi, ZHANG Si-xiang, ZHOU Wei, WANG Xiao-chen, LI Zhi-dong

(College of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Photo ionization detector(PID)sensor to detect volatile organic compounds(VOC)gas,through study on PID,design PID detector structure adapt to this system,and set up a complete set of detecting system.It is proved by experiments that VOC gas detection system using PID detector as core can realize quantitative detection of VOC gas.Determined experimental flow is 160～170 mL/min, and response of sensor has linear relationship at range of(0～5)×10-6.

volatile organic compounds(VOC); photo ionization detector(PID); quantitative detection; flow control

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0039—03

TP 212

A

1000—9787(2017)02—0039—03

2016—11—29

國家重大科學儀器設備開發(fā)基金資助項目(2012YQ060165)

周 琪(1991-),男，博士研究生，研究方向為PID光離子化檢測器、VOC氣體檢測、氣體傳感器陣列。

周 圍(1980-)，通訊作者，講師，E-mail:zhouwei19800323@163.com。