便携式光离子化有害气体检测仪的设计

AB + D → AB + D （ 7） * 式中： AB 为待测气体分子； AB 为 AB 吸收光子后的激 如氮 发态； C 和 D 为空气中不能被离子化的气体分子， 气 N2 和氧气 O2 。式（ 1 ） 和式（ 2 ） 是光离子化检测器工 作的基础。式（ 3 ） 和式（ 4 ） 将激发态分子转换为非激 发态， 没有形成带电离子， 从而减小了电离电流的大 小。式（ 5 ） ～ 式（ 7 ） 是载荷子再结合的过程， 同样也减 小了电离电流的大小 。 Freedman 已经证明， 如果在两 个电极之间加上高电压， 那么载荷子的再结合就会受 到抑制
。
［7 ］
在标准状况下， 光离子化在单位时间内产生的离 子对数目可以表示为 ：
t
dN i = 2 δ i ［ 1 － e δ N（ t ） l ］ dt
（ 8）
式中： N i 为光离子对数目； δ i 为光离子化吸收系数； δ t 为其他因素引起的吸收系数， δ t = δ i + δ e ； 为单位时间 s － 1 ； l 为 光 程 长， cm； 内进入 离 子 化 池 的 光 子 数 目， N（ t ） 为单位体积内被测物质的分子数， cm － 3 。
cm； V 为极间电压， V； q 为单位时间内空气的 极的间距， C·cm － 3 ·s － 1 ； e = 1 ． 69 × 10 － 9 C， 电离密度， 为电荷常量； m 为空气温度与气压修正因子。为使该离子化室的收 集效率大于 99% ， 这里板间电压设置为 200 V。
分。本系统使用 1． 098 × 10
2． 5
系统软件设计
本系统软件部分采用 C 语言编程， 增强了程序的
可读性和可移植性， 并且采用模块化程序结构， 主要包 键盘扫描与处理 、 量程选择与 CF 值设置 、 括主程序 、 数据采集 、 浓度计算算法 、 数码显示以及串口输出等模 块。
3
测试与标定
这里使用异丁烯作为待测气体， 纯度 99． 99% 的
J 的真空无极紫外灯作
为电离源。这种高能量的真空紫外辐射可以使空气中 大多数有机物和部分无机物电离， 但空气中的基本成
《自动化仪表》 第 32 卷第 4 期 2011 年 4 月
75
便携式光离子化有害气体检测仪的设计
殷亚飞， 等 CF = 1 / （ X1 / CF1 + X2 / CF2 + … + X n / CF n ） （ 11 ） 式中： X n 为第 n 种化合物的体积分数； CF n 为第 n 种化 合物的校正系数 。
：
AB + hv→ AB AB * → AB + + e － AB * → A + B AB + C →AB + C
*ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
*
（ 1） （ 2） （ 3） （ 4）
74
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 32 No. 4 April 2011
便携式光离子化有害气体检测仪的设计 AB + + e － →AB e + D→D
2
2． 1
系统设计与实现
系统硬件结构
系统整体结构如图 2 所示 。
图3 Fig． 3
离子化室结构剖面图
Profile of the ionization chamber
图 3 中， 光离子化检测器采用了电极板平行叠放 的多孔结构 MEMS 离子化室， 阴极和阳极在垂直光路 的方向上平行放置， 两电极之间使用耐腐蚀的聚四氟 乙烯材料填充 。该离子化室的光程长仅为 1 mm， 且只 有阳极被 光 照 射， 从而大大减小了基电流和噪声电 流
［1 ］
离子化检测原理如图 1 所示， 其中， 紫外光由具有特定
－ 18 J） 的紫外灯产生， 能量（ 1． 696 × 10 外加电场由高压
电源提供 。
图1 Fig． 1
光离子化原理
。
Principle of photoionization
［3 － 6 ］
光离子化电流的大小受以下几个反应影响
“863 ” 国家 计划基金资助项目（ 编号： Z2009AA04Z329 ） 。 修改稿收到日期： 2010 － 11 － 15 。 1985 年生， 第一作者殷亚飞， 男， 现为中北大学精密仪器及机械专业 硕士研究生； 主要从事电子仪表与传感器方面的研究 。
［3 ， 5 ］
由式（ 9 ） 可知， 在光程 l 和气体浓度 N （ t ） 乘积足 够小的情况下， 光离子化对数目才会同被测物质浓度 为保证检测器在检测较大浓度气 呈线性关系 。因此， 必须使光程 l 尽量短 。 体时仍具有良好的线性度， 离子 化 室 结 构 如 图 3 所 示 。 其 中， 孔直径为 0． 65 mm， 孔数量为 19 ， 孔间距为 0． 1 mm， 小孔均匀对 称地分布在紫外灯的直射面上 。
氮气作为 平 衡 气， 并使用北京金讯电子科技公司的 RCS2000A 型计算机自动配气系统来实现不同浓度的 气体配制 。在实验环境不变的情况下， 对本系统进行
3 3 了大量程（ 0 ～ 5 000 mg / m ） 和小量程（ 0 ～ 500 mg / m ）
便携式光离子化有害气体检测仪的设计
殷亚飞， 等
便携式光离子化有害气体检测仪的设计
Design of the Portable Photoionization Detector of Harmful Gases
殷亚飞
摘
1
梁
庭
1， 2
牛坤旺
2
薛晨阳
1， 2
张文栋
1， 2
刘
俊
1， 2
2 （ 中北大学电子测试技术重点实验室1 ， 山西 太原 030051； 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 ， 山西 太原 030051）
2． 3
双量程数据采集单元
为提高检测仪环境适应能力， 引入了双量程数据
采集机制 。该机制能够保证检测仪在测量低浓度和高 浓度气体时具有相同的测量精度 。 由于 A / D 转换器 因此， 采用软件法实现双量程 采样的分辨率保持不变， 气体检测时， 系统低量程的检测精度会降低 。 为保证 采用改变电流跨导增益的方 两个量程系统精度不变， 法实现双量程数据采集 。该方法易于实现且精度高 。 2 选1 程 数据采集模块由微电流放大器 ICL7650 、 控模拟开关、 主运放 AD706 和 C8051F040 片内 12 位 A / D 转换器 ADC0 组成。数据采集模块如图 4 所示 。
0
引言
随着现代科技的不断进步， 化工与材料技术得到
1
光离子化原理
光离子化检测原理是当电离电位小于或等于紫外
快速发展。 然而越来越多的有毒有害物质也随之产 生， 导致室内空气环境中损害人体健康的物质也随之 增多， 且大多为挥发性有机物， 如甲醛 、 苯、 甲苯和二甲 苯等
［2 ］
光能量的气体分子吸收一个光子后， 发生电离， 生成带 正电的离子和电子 。 在离子化室中， 离子和电子通过 外加电场的加速， 向金属电极快速移动， 在两个电极之 间产生可被微电流检测器检测到的微电流信号
［5 ， 10 ］
图2 Fig． 2
系统硬件结构
。由于阴极与阳极之间的距离非常小， 为消除
Structure of system hardware
在两极板之间因湿度过大而形成的噪声电流， 在两电 极之间加入了第三个电极并使其接地 。由于该电极与 阴极为等电位点， 因此， 可以隔绝湿度电流； 而接地地 极在离子化室部分为空心， 并不影响离子化室内的电 场分布
要： 针对室内空气污染源的多样性与传统气体检测器检测种类的单一性的矛盾， 设计了一种能够同时检测多种气体的新型便携
式光离子化气体检测仪。该检测仪采用了 MEMS 结构的离子化室和混合信号级微处理器 C8051F040 ， 减小了仪器体积， 降低了仪器功 实现了仪器的双量程数据采集功能， 保证了仪器在两个量程的测量时均具有较好的检测 耗。利用单片机控制电流跨导增益的方法， 精度。该仪器适用范围广， 自动化程度高， 实际应用效果良好。 关键词： 光离子化 中图分类号： TP216 有害气体 检测仪 数据采集 电离室 文献标志码： A
。
由式（ 5 ） ～ 式（ 7 ） 可知， 离子化室中的载荷子不能 完全到达收集电极 。根据 Boag 理论， 离子化室的收集 效率为
［10 ］
： f= 1+
(
ξ 6
2
)
－1
（ 10 ）
2． 2
光离子化检测器
光离子化检测器主要包括光源和离子化室两部
－ 18
2 0． 5 d 为离子化室阴极和阳 式中： ξ = md （ q / e ） / V。其中，
［5 ］
。传统的检测器很难同时测量多种有害气体 。
［5 ］
。光
近年来， 由于光源和离子化室的分离， 光离子化技术得 到了快速发展 。 ionization detector ） 以 光离子化检测器 PID （ photo适用范围广 、 精度高 、 响应快 、 可连续测量以及无需载 气等优点， 在室内有毒有害气体以及挥发性有机物的 检测方面应用广泛 。PID 既可以作为一种初级检测工 具， 用来鉴别、 显示有毒有害物质的存在与否，也可作 为准确测量已知有害物质的定量工具 。随着光离子化 技术与气相色谱技术和离子迁移谱技术的联用， 使得 PID 具备组分分析能力， 这使其在工业流程监测 、 环境 保护和事故应急处理等领域具有广泛的应用前景
+ － － －
殷亚飞， 等
（ 5） （ 6）
O2 、 H2 O 、 CO2 ） 不被电离 分（ 如 N2 、
［8 ］