基于VOC检测的光离子化检测器的实验研究*

周 琪， 张思祥， 周 围， 王晓辰， 李志东

(河北工业大学 机械学院，天津 300130)

基于VOC检测的光离子化检测器的实验研究*

周 琪， 张思祥， 周 围， 王晓辰， 李志东

(河北工业大学 机械学院，天津 300130)

采用光离子化检测器(PID)传感器对挥发性有机化合物(VOC)气体进行检测，通过对PID的研究，自行设计适合本系统的PID检测器结构，并搭建了一套完整的检测系统。通过实验证明：所搭建的以PID检测器为核心的VOC气体检测系统已能够实现对VOC气体的定量检测。确定实验流量为160～170 mL/min，且在(0～5)×10-6内传感器响应呈线性关系。

挥发性有机化合物气体； 光离子化检测器； 定量检测； 流量控制

0 引 言

随着社会各界对挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC)防治监测认识的不断加深，近些年国家也制订和出台了部分挥发性有机物的排放标准以及与之相对应配套的分析方法。有了相关标准，也就可以明确VOC防治的目标。当然，社会以及国家对VOC防治的重视也有一定的原因，其中很重要的一点就是VOC会对人类生理和心理产生一定的影响，尤其是当VOC到达一定的浓度时会对人体器官各部位造成不同程度的伤害，如呼吸道疾病等。因此，针对VOC气体的检测，特别是微量有害气体的检测已经势在必行。

1 理论分析

光离子化检测器由真空紫外灯和电离室构成。其工作原理是：待测气体吸收紫外灯发射的高于气体分子电离能的光子，被电离成正、负离子，在外加电场的作用下离子偏移形成微弱电流。被测气体到达传感器，传感器有个响应的过程，经过一段时间，逐步达到稳定状态。进一步分析表明，针对不同的气体，其响应曲线以及响应时间都是不同的。

通过检测电流值可知被检测气体的浓度，其具体原理如图1所示。

图1 光离子化检测原理

1)直接电离

被检测样品组分AB经紫外灯照射后会吸收一个光子能量(hν)，电离成正离子，并且释放电子，即

AB+hν→AB++e

(1)

2)间接电离

该种电离方式又分为两种，第一种为被检测样品组分AB吸收完一个光子能量之后先进入激发状态AB*再产生电离，即

AB+hν→AB*

(2)

AB*→AB++e

(3)

第一种为利用载气C先吸收一个光子能量(hν)进入激发状态C*，被检测样品组分AB会与C*接触，AB吸收了能量后发生电离，进入激发状态AB*，处于激发状态的C*由于失去了能量又重新回到了最初的状态C。

光离子化检测器(photo ionization detector,PID)传感器中实际测得的离子流(I)可以写成下式

I=k·n·R×1.6×10-19

(4)

式中k为气体分子在1 cm上产生的离子数；1.6×10-19为一个电子的电荷数。

电离室内所充气体的压力、板极的大小和两极间的距离对电离电流都有较大的影响，一定范围内增大流量或增大电极面积都会使电离电流增大，电离室的特性曲线也将向增大电离电流的方向移动。测量过程可以简化为图2，在t=60时刻通入样品气体，到趋于稳定时过程结束。进样过程等效于图2所示的矩形阶跃。

图2 PID传感器响应过程

x(t)=A[u(t)-u(t-tx)],0≤t

(5)

式中A为传感器对气体的反应量的稳态值。由于传感器反应量与气体的流速、周围环境条件等有关。当空气的流速和周围环境保持固定时，可以认为传感器的反应量只与被测气体的种类和浓度有关，该稳态值A值与该气体浓度呈特定的函数关系。所以，气体种类、浓度与传感器响应呈特定关系，并在一个允许范围内，随着气体流量加大，同种浓度气体的响应值也会升高。

2 实验设计与仪器

PID系统构成如图3所示。

图3 PID检测器系统构成

其中，电离室由接地电极板和高压偏置电极板以一定的位置关系组合形成；信号调理电路则主要由I/V转换电路、放大电路和滤波电路几部分组成。电极的作用是为离子提供恒定的电场，故需要保证电极材料的稳定性。由于电极会长期暴露在紫外光的辐射当中，为了防止电极会有电子逸出，故需要选择具有高逸出功率和低光电效率的电极材料。

通过理论分析和实验可知,矩形极板结构激发紫外灯时，其紫外灯发出的光束为垂直于两电极板的线形光束，而环形极板结构激发紫外灯时，其发出的光束为柱状光束，光束直径近似为灯的直径，该光束可利用面积较大，这样会使气室中的样气全部处于紫外光的照射中，从而产生较强的电流信号，提高紫外灯的使用效率，同时也降低了对该电流信号的检测难度。因此，在进行激发电极设计时采用环形极板结构，结构如图4所示。

图4 紫外灯底座和激发电极结构

3 实验结果分析

3.1 气路流量对传感器响应的影响

通过质量流量控制器(MFC)控制隔膜泵的泵吸流量，流量分别设定为14.3,28.5,57,115,170 mL/min，待其系统稳定，背景气较平稳时进样，针对每个流量进行3次进样(2×10-6甲苯)，实验结果如表1所示。

表1 流量—传感器响应实验结果

流量/(mL/min)14．328．757．0115170背景气稳定值/mV9589898280传感器稳态值/mV613613609626635638655650649667670674672669676(ΔV)平均值516．6544562588．3592．3方差3．562678．228．22

表1可知，电压值的重复性和稳定性较好，在Matlab中对实验数据进行多项式拟合，可以得到方程

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

式中p为响应值，mV;f为流量,mL/min。

通过图5可以得到：从总体趋势来说，随着流量的升高甲苯的电压值逐渐增加，但是电压值随流量变化的越来越慢；到达一定流量后，电压值达到最大值，随着电压值继续升高峰高趋于稳定,甚至下降。

图5 流量和响应值的关系

综上所述，在150～200 mL/min的范围内，随着流量的上升响应时间逐渐加快，且电压值逐渐增大，有利于PID传感器进行定量分析，但当流量过大时压力会对传感器造成不良影响，不利于PID传感器的使用，综合考虑，流量在160～170 mL/min之间。

3.2 传感器线性校准

通过气体发生器配比不同浓度的甲苯气体，浓度分别设定为0.5×10-6,1×10-6,1.7×10-6,2.5×10-6,5.1×10-6，以氮气为背景气体，针对每个浓度进行3次进样，实验结果如表2。

表2 浓度—传感器响应实验结果

浓度/10-60．511．72．55．1电压值/mV606260176173175320317319487478479128812841279平均值/mV61174．6318．7481．31283．7方差/mV11．521．534．934．51

从表2可知，进行线性多项式拟合，可以得到方程

p=0.003 94C+0.256 3

式中p为响应值，mV;C为浓度,10-6。气体浓度和响应值关系如图6。

图6 气体浓度和响应值的关系

4 结 论

通过实验结果分析，利用甲苯气体，PID传感器的流量与响应量的关系，能够较好地符合PID传感器的电离原理理论，最佳工作流量区间在160～170 mL/min。由实验得出，在(0～5)×10-6之间，PID的响应量与浓度间呈较好的线性关系。

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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

国家重大科学仪器设备开发基金资助项目(2012YQ060165)

周 琪(1991-),男，博士研究生，研究方向为PID光离子化检测器、VOC气体检测、气体传感器阵列。

周 围(1980-)，通讯作者，讲师，E-mail:zhouwei19800323@163.com。