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    红外吸收式和光离子化式气体传感器(PID)

    阅读次数:1244  发布时间:2017/9/14 15:21:04
    红外吸收式和光离子化式气体传感器(PID)
    红外吸收式气体传感器和光离子化式气体传感器(PID)的共同特点是都有光源。但是两者的工作机理截然不同,前者是被测气体吸收红外光,由光量的变化确定被测气体含量;后者是在光能的冲击下,被测气体离子化,由离子流来确定被测气体含量。前者多用于检测可燃气和二氧化碳;后者多用于检测有机气体。这里根据进口产品介绍这两种传感器。
    1、红外吸收式气体传感器的特点
     用于可燃气体检测,对绝大多数碳氢化合物都有响应;
     稳定性好,在恶劣的运行环境下,同样保持可靠的性能;
     具有抗中毒功能,检测时不受环境中氧气含量的影响;
     安全性能和防爆功能好;
     使用寿命长,五年保质期;
     缺点是结构复杂、成本高。
    2、光离子化气体传感器(PID)的特点
     灵敏度和分辨率高,适用于绝大多数有机气体的检测;
     无选择性,适于已知有机气体种类时的检测,对一般无机气体无反应,所以没有无机物质干扰;
     无中毒问题,使用寿命长;
     反应速度快,一般小于3秒,适应于快速应急情况的检测;
     安全可靠,防爆性好。
    二、红外吸收式气体传感器的结构原理
    红外吸收式传感器利用待测气体分子吸收红外光的原理。红外光位于普通光源光辐射中不可见部分,几乎任何非单质气体或蒸气,对红外光谱中某些波长的光都有一定程度的吸收,而且吸收程度与待测气体在空气中的浓度有极大关系。使用对某个波长有敏感性的探测元件,可将探测到的吸收程度,转化为与待测气体浓度相当的电信号。
    为了解决环境干扰,能使仪器长期稳定运行,准确检测,设计了双补偿光学系统,如图2-9所示。采用双光源、双探测元件和一只温度补偿探测元件,同时监测5个不同的信号,并同时进行交叉计算,达到理想的检测效果。
    主光源1的辐射光束由于反射镜的作用,通过两个气室抵达探测端,经分光镜到达探测元件1和探测元件2,对波长33微米敏感的探测元件1产生基本信号。而尘埃、雾和其他因素对红外光的吸收,用对波长3.0微米敏感的探测元件2探测,产生参考信号,待测气体不吸收该波长的红外光,通过两信号对比计算,得到补偿后与待测气体相关的变送信号,如图2-10所示:
    使用反射镜使用两个气室延长光路的长度,目的是增加待测气体对红外光线的吸收,从而增加传感器的灵敏度。
    另外,本传感器光路增加辅助光源2,其光束不经过气室,直接经分光镜抵达两个检测元件12,同时产生两个信号,用以补偿由于温度和电源等因素引起的前两个信号的漂移。一个探测元件同时探测两个信号,是由于两光源调制不同的光脉冲。因此,用两种不同的频率调制两个光源,就可以在每个探测元件上产生两个独立的信号,这两个信号能够经一个微处理器分别计算。被两种频率驱动的信号,经过交叉计算后变成一个信号,此信号已补偿了老化效应以及探测元件温度漂移等等。
    众所周知,气体或蒸气的浓度与温度有关,为了补偿温度的附加影响,在变送器内部安装了嵌式温度传感器,产生第五个信号,进行单独温度补偿,否则,温度变化30,仪器指示读数就会变化10%。可以看出,将信号巧妙组合,可以提高仪器的稳定性和准确性。
    为了保护光路不受阻,增加反应速度,在传感器上增加了防溅罩,利用两个附加装置所产生的热量,防溅罩除保护光路以外,对周围的空气起着抽气泵的作用,加快了检测速度。
    三、光离子化式气体传感器(PID)的结构原理
    PID由紫外灯光源和离子室等主要部件组成,在离子室内装有正负电极,形成电场。如图2-11所示,待测气体在紫外灯光源的作用下,被离子化,产生正负离子,在电极间形成离子流,然后离子流被放大,显示出“ppm”浓度值。
     离子化电位
    所有的元素和化合物都可以被离子化,也就是都可以被击碎成带有电荷的小碎片。但各种化合物的组成不同,它被击碎所需能量也有所不同。所谓的“击碎”就是用能量把化合物中的电子从其中分离开来,使之成为带有电荷的离子,即将化合物离子化,每个化合物被离子化的能量称之为“电离电位”(IP),它以电子伏特(eV)为计量单位。离子化能源在PID中就是紫外灯,其能量也用(eV)来表示。如果待测气体的IP低于紫外灯输出的能量,这种气体可以被离子化,即可以被检测。电离电位IP实际表示的是化合物键的强度。
    常见物质的电离电位、校正系数以及致死量和爆炸下限列于下表:
    物质
    分子式
    电离电位
    校正系数
    IDLH ppm
    爆炸下限 %
    乙酸
    C2H4O2
    10.66
    14
    50
    4
    丙烯腈
    C3H3N
    10.91
    1.2
    85
    3.0
    氨气
    NH3
    10.16
    9.7
    300
    15
    C6H6
    9.25
    0.53
    500
    1.2
    丁胺
    C4H11N
    8.71
    7
    300
    1.7
    二硫化碳
    CS2
    10.07
    1.2
    500
    1.3
    二甲胺
    C2H7N
    8.23
    1.5
    500
    2.8
    C2H8N2
    7.28
    0.78
    15
    1.4
    丙烯酸乙酯
    C5H8O2
    10.3
    2.4
    300
    1.4
    甲硫醇
    CH4S
    9.44
    0.6
    150
    3.9
    氯乙烯
    C2H3Cl
    9.99
    2.0
    150
    3.6
     

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