PID光離子傳感器的工作原理

原理：由紫外光源和氣室構(gòu)成。紫外發(fā)光原理與日光燈管相同，只是頻率高，能量大。被測氣體到達氣室后，被紫外燈發(fā)射的紫外光電離產(chǎn)生電荷流，氣體濃度和電荷流的大小正相關，測量電荷流即可測得氣體濃度。

特殊氣體：物理形態(tài)多變、化學過程及反應生成物復雜多樣。包括無機氣體如氨氣，有機氣體如甲苯等。

前面介紹的各種氣體傳感器，對復雜氣體的檢測面臨巨大挑戰(zhàn)。

如：對有機蒸氣的檢測，紅外吸收原理面臨著很難克服的困難：

a、有機蒸氣由于分子量大的緣故，特征吸收波長較長，紅外吸收后能量變化小，通常靈敏度會很低。

b、長分子鏈的有機蒸氣易吸附，會粘附在探測器上，破壞光傳輸。

c、不能實現(xiàn)對voc總量的檢測。紅外系統(tǒng)若實現(xiàn)總量評價，則需要全光譜響應的濾光片、探測器和全光譜紅外光源，這樣的要求不僅難實現(xiàn)，即使實現(xiàn)，在全光譜范圍內(nèi)，無機氣體、水的干擾將順理成章。

而化學傳感器中半導體易被無機氣體、溫、濕度干擾，漂移，濃度分辯率低，雖然其檢測范圍寬、覆蓋氣體種類多，但仍僅適合在低端應用。

在這樣的背景下，在工業(yè)現(xiàn)場voc檢測時PlD是較好的選擇。相對其它傳感器PID最大的特點是只對很少的無機氣體，如氨氣、磷化氫等敏感，原因在于大部分的無機氣體有很高的電離能（大于11.7ev）。

目前PID燈最高紫外幅射能量僅為11.7ev，因此，在石油化工園區(qū)，PID的響應可以認為是voc的響應。

PID工作原理祥述：

1、在真空玻璃腔內(nèi)充入高純度稀有氣體如氬氣、氪氣。

2、用紫外透光片氟化鎂單晶將玻璃腔體密封，在此氟化鎂晶體對紫外光透明。

3、在玻璃腔外壁套上電極。

4、在氟化鎂窗口加上電極和電場，做為被測氣體氣室，這就是一個完整的可電離VOC的紫外燈。工作時在玻璃腔外加上高頻電場，紫外燈內(nèi)的稀有氣體被外加電場電離出電子和離子，電子和離子復合時紫外光的形式向外幅射能量。紫外光穿過氟化鎂窗口到達氣室，氣室內(nèi)被測氣體被紫外光電離產(chǎn)生電子和離子，電荷在電場作用下產(chǎn)生電流，就可以測到了。

我們大概不難想到，PlD穩(wěn)定工作需要：

1、PID必須幅射足夠的能量才能電離被測氣體；

2、產(chǎn)生紫外光的高頻電場必須是穩(wěn)定的；

3、玻璃腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體，雜質(zhì)氣體會導致附加電離，影響紫外發(fā)光效率；

4、紫外光譜是穩(wěn)定、均勻的；

5、紫外光到達氣室的傳輸是穩(wěn)定、均勻并不與構(gòu)成氣室的金屬電極材料相互作用而產(chǎn)生重金屬沉積，重金屬在紫外幅射窗口沉積會阻擋紫外到達氣室。

這就要求：紫外燈充入的發(fā)光物質(zhì)必須是氣體才能均勻發(fā)光并傳輸。腔體內(nèi)不能有雜質(zhì)氣體，以防止附加電離等，這些要求決定了發(fā)光氣體的選擇只能是稀有氣體，窗口材料則必須對紫外透明并具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，事實上紫外窗口材料的選擇是極其有限的，這些限至條件最終也決定了PID應用的局限性。

為什么目前的PID不能測丙烷、乙烷、甲烷和大部分無機物？

PID的本質(zhì)是使被測物質(zhì)電離后測電荷流，電離需要能量。

目前的PID紫外幅射能量最常見的是8.3ev、9.8ev、10.6ev。而電離甲烷需要的能量為12.6ev，乙烷為11.56ev、丙烷為10.95ev、二氧化碳為13ev等。

事實上，人們很想開發(fā)出能量更高的PID，但限至條件在于稀有氣體的種類極其有限，紫外波長（能量）是由稀有氣體本身的電子能級決定的，人類無法改變；另一個限至條件是特定波長的紫外光透光窗口材料，能透什么樣波長的紫外光取決于窗口材料的晶格常數(shù)，在目前的材料體系中選擇也極有限。

人們雖然開發(fā)出11.7ev的發(fā)光體，但適合的窗口材料只有氟化鋰（LiF），而氟化鋰極易吸水，導致11.7ev的PID壽命只有兩個月。即目前的紫外燈由于輸出能量的限制，仍不能檢測甲烷等有較高電離能的物質(zhì)。

PID為什么沒有選擇性？

如果我們選擇的PID的紫外幅射能量是10.6ev，就意味著被測環(huán)境中電離能小于10.6ev的所有氣體分子都會被電離，我們測到的電荷流是所有被電離氣體的電荷流的和，而不是某種氣體的電荷流，PID無選擇性是由此決定的。

PID在工作時，氣室內(nèi)被電離的物質(zhì)相遇時會復合還原，長鏈分子、灰塵等會沉積在窗口表面，除此，傳感器工作時產(chǎn)生的離子流轟擊氣室電極也會使重金屬沉積在窗口表面，這顯然會影響紫外光透過，而導致零點漂移、靈敏度降低，影響檢測結(jié)果。實際上除了PID燈的制備技術、氣室設計、PID燈紫外透過窗口的清洗技術也是核心技術之一。

PID的未來：

1、PID作為理想的非放射性離子源會永遠存在；

2、提高PID燈內(nèi)充氣前的真空度以及填充氣體純度以提高發(fā)光效率和發(fā)光穩(wěn)定性；

3、開發(fā)新的窗口材料及加工精度以改善透光率、出射光均勻性、封裝質(zhì)量以及穩(wěn)定性和壽命；

4、預防色散導致窗口的重金屬沉積，延長壽命；

5、防止大分子有機物、小顆粒物沉積的窗口清潔技術；

6、輸出能量更高的長壽命PID燈的開發(fā)；

7、小體積。