PID技术访谈3：深入了解PID技术

主持人：

你能谈谈监测挥发性有机化合物的技术吗？

 

Morris：

测量挥发性有机化合物有很多不同的技术，它们在成本和性能方面都有所不同。你可以花几百英镑买一台家用VOC检测仪，或者真正的高端、高精度的实验室设备，价格可以达到数千英镑。
工业健康、安全和环境监测常用的技术是电化学、半导体和PID。他们都有自己的优点和缺点。
电化学传感器可以测量低至ppm水平的VOCs，电化学传感器的主要优点是其低功耗和相对较长的寿命。然而，它们缺点也很明显。它们只对活跃的挥发性有机化合物做出反应，因此它只能监测很小一部分的挥发性有机物。它们的响应时间大约为90秒，因此等你被提醒到可能会有一点太晚了。它们对工业环境中常见的其他气体（包括一氧化碳、硫化氢和二氧化硫）也很敏感。
半导体传感器也可以测量低至ppm水平的VOCs。半导体传感器的主要优点是成本低，并且可以具有非常小的形状因数。它们的主要缺点是响应时间慢。它们的响应时间取决于您监测的VOC。反应时间约为60秒，但对于较大的化合物，反应时间可低至900秒。但主要的缺点是，它们对常见气体极为敏感，包括NO2、NO、SO2、CO和CO2，它们对湿度变化极为敏感并长期漂移。
PID传感器是目前较灵敏的技术，可以测量低至ppbs的VOCs。因此，比其他技术更灵敏几个数量级。它的主要优点是响应时间。它的响应时间为几秒，也是对VOCs检测的更优，也是更敏感的技术。一个真正的优势是，它是所有技术和环境条件中更稳定的。
一个缺点是它无法检测饱和烃。对于健康、安全和环境监测应用，检测挥发性有机化合物的关键优势是快速响应时间、高灵敏度和稳定性。由于这些原因，人们普遍认为PID是测量VOCs的理想技术。



 

主持人：

谢谢你。你能更详细地介绍一下PID的工作原理吗？

 

Morris：

PID的全称photo ionization detection。这真是好长的名字啊，所以我会试着把它分解。Photo是拉丁语中光的意思，ionization是指分子分解成正负粒子时使用的术语。因此，photo ionization是指光将分子分解成带正电和带负电的粒子。

PID的主要元件是一个高能光源，通常是一个含有氪的低压灯，该灯带有一个允许高能光通过的窗口，以及一个带有电极的电离室，用于检测带电粒子。当VOCs进入电离室时，光与它们相互作用，并将它们分解为带正电和带负电的粒子。负粒子被吸引到正电极上，而正粒子则被吸引到负电极上。当它们与电极相互作用时，它会改变它们的电流，电流的变化与存在的VOC浓度成正比。


 

主持人：

这是对PID技术的深刻理解。这项技术最初来自哪里？


 

Morris：

最初是在20世纪60年代，詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock）在剑桥研究电子捕获装置，以测量大气中的氟氯化碳水平。这只是他所做的许多杰出的事情之一。大约在这个时候，我们开始将人们送入太空，并考虑探索其他行星和寻找生命，这实际上被认为是火星探测生命迹象的一种技术。

之所以选择它，是因为它相对较轻，功率较低，这是太空任务的重要考虑因素。现场PID的首次开发发生在20世纪70年代，当时意大利研究人员报告氯乙烯是一种潜在的致癌物。不久后，职业安全与健康管理局（OSHA）将允许的接触限值从500 ppm降至50 ppm。到1974年，该标准已降至1ppm，没有便携式分析仪可用于测量如此低的浓度。一位名叫杰克·德里斯科尔博士的伟人创立了一家名为HNU的公司，以开发一种PID来检测这些水平。在20世纪70年代中期，HNU 101发布，它是一个相当笨重的设备。如果你想一想六七十年代的詹姆斯·邦德电影，它大约有盖革计数器的大小。

70年代末，首次大规模现场使用PID。这是在”love运河”的现场调查和清理中。这是尼亚加拉瀑布附近的一个住宅开发项目，建在一个工业垃圾填埋场上。它含有63000吨化学加工废物。10年后，居民正经历着一些严重的健康影响。最初的现场调查是通过采集土壤样本并将其送往实验室来完成的。然而，采集的样本太多，没有足够的实验室容量来分析所有样本，他们需要一个筛选工具。因此，他们只发送含有挥发性有机物的样本，而HNU 101被用来做这件事。这将PID设定为土壤筛选的标准，并为PID创造了第一个大市场，它至今仍然是用于筛选的技术。最近，这项技术已经小型化，功率需求减少，这使得可穿戴气体检测仪得以开发。



 

Tramelli：

这很有趣，因为我记得20年前我开始职业生涯时，HNU 101很重，很大，而且当时非常昂贵，而且使用起来也非常困难。所以你必须接受训练才能做到这一点。但今天，情况完全不同了。我的意思是，今天PID可以很容易地添加到标准的个人气体监测仪中。我想说PID和LEL传感器不是两种替代技术，但我们应该将它们视为两种互补技术。我们的四种标准气体加上PID应该是保护工人在短期或长期内免受任何形式的气体袭击的必要条件。

 

主持人：

历史上，在某些环境条件下使用PID存在一些问题。你能解释一下它们是什么以及ION Science如何克服这些问题吗？


 

Morris：

从历史上看，PID的主要问题之一是湿度，湿度对读数的影响，这会导致两种影响。它会导致读数衰减，但也会产生假读数。产生这个结果的原因很复杂的，所以我现在就试着把它讲一遍。

当水蒸气进入电离室时，它会吸收紫外光并降低电离效率。所以VOCs电离化程度低。那么，如果你测量了100ppm的异丙肾上腺素并遇到了高湿度，会发生什么？当湿度达到99%时，PID的响应将从100降至60 ppm。为了克服这一问题，我们在传感器的顶部集成了透气、不透水的膜。这将大部分水挡在外面，但有一点点水可以通过。因此，除了过滤器，我们还将电离室做得尽可能薄，以尽量减少可能存在的水蒸气量。

我将转到第二个问题：误报。当细粒污染或光电离击穿产物沉积在电离室和电极的壁上时，会出现假读数。这些微粒是亲水性的，随着湿度的增加，它们会吸收水，从而导致短路。这可能在低于冷凝湿度条件的情况下发生。我们用两种方式解决了这个问题。首先，过滤器可以过滤细小颗粒，这将污染限制在光电离分解产物。其次，该膜还保留了电离室中UV光与氧气相互作用产生的臭氧。这是一种非常有效的清洁剂，它可以清除掉任何沉淀下来的颗粒。因此，随着时间的推移，在极端条件下，污染物可能会积聚起来，水可能会淋湿它们。为了防止产生这种情况而导致短路，ION科学公司推出了第三种电极，称为围栏电极，它可以清除任何断路器，并保持读数稳定。


 

主持人：

温度会影响MiniPID传感器的性能吗？

 

Morris：

问得好。温度通常会影响电子设备的效率，我们的传感器也没有什么不同。通常，电子设备在冷的环境时运行效率更高。因此，我们在标准PID中看到的情况是，当温度较低时，光线会更亮。当温度升高时，光线会变暗，这会随着温度的变化而明显地出现灵敏度漂移。在许多PID中，我们使用ASIC（一种专用集成电路）来监控和管理传感器，它提供了从-40℃到65℃的良好温度稳定性。通过将此集成电路放入其中，我们成功地实现了第二个好处。该电路监控传感器的状态，并让操作员知道灯是否未亮或是否通电，这有助于提供故障安全保证。

 

主持人：

任何PID传感器都能检测到特定气体吗？
 

Tramelli：

不，传感器无法检测特定气体。PID将对存在的所有可检测挥发物作出响应，并且不可能测量每个单独组分的浓度。我想说，PID必须被视为一种筛查工具，它可以立即让您知道您是否接触到有毒水平的VOCs。如果您在呼吸区附近佩戴带有PID传感器的个人监测仪，它将不断检查您呼吸的空气中是否存在有毒化合物，如果存在，您应采取其他措施，例如离开该区域或佩戴特定的个人防护用品。