開講了 | Part6分解：氣體傳感器系列之PID光離子傳感器知識詳解

分解

PID光離子化傳感器知識

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PID光離子傳感器

原理:由紫外光源和氣室構成。紫外發光原理與日光燈管相同，只是頻率高，能量大。被測氣體到達氣室後，被紫外燈發射的紫外光電離產生電荷流，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:物理形態多變、化學過程及反應生成物複雜多樣。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，對複雜氣體的檢測面臨巨大挑戰。

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、有機蒸氣由於分子量大的緣故，特徵吸收波長較長，紅外吸收後能量變化小，通常靈敏度會很低。

b、長分子鏈的有機蒸氣易吸附，會黏附在探測器上，破壞光傳輸。

c、不能做到對voc總量的檢測。紅外系統若做到總量評價，則需要全光譜響應的濾光片、探測器和全光譜紅外光源，這樣的要求不僅難做到，即使做到，在全光譜範圍內，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，雖然其檢測範圍寬、覆蓋氣體種類多，但仍僅適合在低端應用。

在這樣的背景下，在工業現場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，原因在於大部分的無機氣體有很高的電離能(大於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，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，氣室內被測氣體被紫外光電離產生電子和離子，電荷在電場作用下產生電流，就可以測到了。

我們大概不難想到，PlD穩定工作需要:

1、PID必須幅射足夠的能量才能電離被測氣體；

2、產生紫外光的高頻電場必須是穩定的；

3、玻璃腔體內不能有雜質氣體，雜質氣體會導致附加電離，影響紫外發光效率；

4、紫外光譜是穩定、均勻的；

5、紫外光到達氣室的傳輸是穩定、均勻並不與構成氣室的金屬電極材料相互作用而產生重金屬沉積，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：紫外燈充入的發光物質必須是氣體才能均勻發光並傳輸。腔體內不能有雜質氣體，以防止附加電離等，這些要求決定了發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並具有穩定的理化性質，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。

煒盛MU10-PID 光離子傳感器

為什麼目前的PID不能測丙烷、乙烷、甲烷和大部分無機物？

PID的本質是使被測物質電離後測電荷流，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，人們很想開發出能量更高的PID，但限至條件在於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，能透什麼樣波長的紫外光取決於窗口材料的晶格常數，在目前的材料體系中選擇也極有限。

人們雖然開發出11.7ev的發光體，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。即目前的紫外燈由於輸出能量的限制，仍不能檢測甲烷等有較高電離能的物質。

PID為什麼沒有選擇性?

如果我們選擇的PID的紫外幅射能量是10.6ev，就意味著被測環境中電離能小於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，氣室內被電離的物質相遇時會復合還原，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燈內充氣前的真空度以及填充氣體純度以提高發光效率和發光穩定性；

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

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；

7、小體積。

氣體傳感器和其它傳感器一樣門類眾多。除了之前發布的五大類外還有熱傳導式氣體傳感器。

煒盛MD61熱導燃氣傳感器

本質上是溫度傳感器，也主要由鉑線圈構成，只是包裹材料為化學墮性的玻璃體，將其保持一定溫度，忽略其它因素，當空氣成份穩定時，空氣的熱傳導率是穩定的，傳感器熱平衡後溫度是恒定的。

由於不同的物質有不同的熱傳導率，當有被測氣體時，傳感器的熱平衡被打破，溫度變化，導致電阻變化，這個電阻變化和氣體濃度正相關。與催化元件的區別，熱傳導是純粹的物理過程。