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
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。
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。 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 3.1 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 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。 [1] 景士廉,趙瑞蘭,王榮榮,等.光離子化檢測器在氣相色譜中的應用[J].環(huán)境科學,1990,11(3):84-86. [2] 陳烈賢,渠 祁,崔九思.光離子化檢測器及其在環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].分析儀器,1993,4(3):38-42. [3] 許寶卉,李 言.基于軟硬件技術的傳感器信號線性化處理研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(12):19-27. [4] 張 颿,魏慶農,張 偉.用于揮發(fā)性有機化合物總量檢測的光離子化檢測器離子化室的設計[J].分析儀器,2006(2):13-16. [5] 牛坤旺.高靈敏度紫外光離子化器件研究[D].太原:中北大學,2012. [6] 王金剛,林 偉,彭 鵠,等.高壓放電紫外傳感器與檢測裝置研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(8):5-13. [7] 周佩麗,張紀龍,王志斌.光電離傳感器中微電流檢測電路的設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(4):45-53. [8] Lü Ling,Zhou Zhiqi.An FPGA-based modified adaptive PID controller for DC/DC buck converters[J].Journal of Power Electro-nics,2015,15(2):346-355. [9] 王紅軍.基于光離子化檢測器(PID)傳感器的便攜式毒氣檢測裝置[J].儀表技術與傳感器,2012(4):51-53. 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。2 實驗設計與儀器
3 實驗結果分析
4 結 論