Ahogy azt előző hírleveleinkben említettük, az elkövetkező hírlevelek során szeretnénk bemutatni a gázérzékelőkben alkalmazott különböző típusú érzékelők működési elvét, előnyeit, hátrányait, alkalmazási lehetőségeit. Bízunk benne, hogy ezzel is közelebb hozhatjuk a gázérzékelés elméletét Önhöz, és bemutathatjuk a GfG megoldásait a mindennapok kihívásaira.

Előző hírleveleinket itt találja:

Az elektrokémiai (EC) gázérzékelés elve

A katalitikus elégetésen (CC) alapuló gázérzékelés elve

Az infravörös (IR) fényelnyelésen alapuló gázérzékelés elve

Jelen hírlevelünk első részét itt találja:

A fotoionizáción (PID) alapuló gázérzékelés elve - első rész

Szelektivitás, kalibrálás

Szerves illékony vegyületek (VOC) koncentrációját általában széles spektrumú érzékelővel mérik. Ezek csak bizonyos típusú, kémiailag hasonló vegyületeket érzékelnek, az egyedi szennyező komponensek között nem képesek különbséget tenni. A mért koncentráció ezáltal az érzékelt vegyületcsoport teljes koncentrációját adja meg.

Az érzékelő által kijelzett érték a kalibráló gáztól nagymértékben függ. Például a 10 ppm-es kijelzett érték azt az ekvivalens ionáramot jelzi, ami a kalibráló gáz 10 ppm-es koncentrációjában alakul ki. Ezáltal eltérő mennyiségű, különböző szennyező anyag produkálhat azonos ionáramot. A kijelzett értéket tehát mindig ppm - kalibráló gáz ekvivalens egységben kell megadni, nem pedig valós koncentrációként kezelni. Ez alól kivétel, ha a mért gáz a kalibráló gázzal megegyezik. A valódi koncentrációtól való eltérést korrekciós faktorok révén lehet figyelembe venni.

Korrekciós faktor

A korrekciós faktor a PID érzékelő adott gázzal szembeni érzékenységét fejezi ki. A korrekciós faktor használatával nem a PID érzékelő specifikusságát módosítjuk, hanem a mérési skálát állítjuk be. Ez teszi lehetővé, hogy könnyen kezelhető, magas nyomáson tárolható, veszélytelen anyagokkal kalibráljunk, mint például az ipari gyakorlatban használt izobutilén. A mérni kívánt vegyülettel való kalibrálást az is nehezíti, hogy a PID készülékek általában alacsony koncentrációjú gázok, illetve folyadékok gőzeit mérik.

A különböző gázokhoz viszonyított korrekciós faktorok általában táblázatban vagy a készülékbe beépítve állnak rendelkezésre. A benzol korrekciós faktora például 0,5, ami azt jelenti, hogy 100 ppm izobutilén értéket jelez ki 50 ppm koncentrációjú benzolra. Az ammónia korrekciós faktora viszont 10, így a 100 ppm-es izobutilén érték 1000 ppm-es ammóniagáznak felel meg. A készülék így az ismert gáz valódi koncentrációját képes kijelezni. 

Ha a korrekciós faktor (KF) alacsony, akkor a PID érzékelő érzékeny az adott gázra. Ha a <10 ppm tartományban szeretnénk mérni, akkor a KF kisebb kell legyen 1-nél. Ha a gáz kevésbé toxikus, akkor a >10 ppm tartományban a KF nem lehet nagyobb 10-nél. Ha a KF nagyobb, mint tíz, akkor a PID érzékelőt csak gázszivárgás érzékelőként lehet használni.

A PID érzékelőt akkor lehet mennyiségi meghatározásra használni, ha az érzékelt anyag ismert. Ilyen esetben, akár a ppm alatti mennyiség is kimutatható. Ha viszont az érzékelt anyag ismeretlen, akkor izobutilén vagy PID egységben kell kifejezni a mért értéket. Amíg a szennyező anyag nincs egyértelműen azonosítva, addig korrekciós faktorokat nem érdemes figyelembe venni.

PID lámpa

Az érzékelő lelke a PID lámpa, aminek alakja hasonlít egy orvosi ampullához és gyártótól függően különböző méretű és alakú lehet. A lámpát alacsony nyomású inert gázzal töltik fel, ami gerjesztés hatására ultraibolya (UV) sugárzást bocsájt ki. A kibocsátott UV sugár hullámhossza függ a gáz típusától. A kripton lámpa például 123,9 nm-en és 116,9 nm-en bocsájt ki, ami 10 és 10,6 eV értéknek felel meg. PID készülékekben a 10,6 eV-os lámpatípus a leggyakrabban használt.

A PID lámpában lévő kisnyomású inert gáz gerjesztéséhez nagy feszültség szükséges, amit különböző módszerekkel lehet létrehozni. Régebbi megoldások esetében a két elektróda a lámpa belsejébe van elhelyezve, ahol kis áramerősség nagy feszültség mellett folyik keresztül. Ez a kialakítás viszont drága és nem engedi meg a készülék miniatürizálását. Ezzel szemben az újabb kialakítás esetében a két elektróda a lámpa külső falán van elhelyezve. Az elektródmentes kialakítás esetén pedig a gerjesztés a lámpa külső falán keresztül történik, például elektromágneses sugárzás segítségével.

Speciális ablak anyagok

Az ultraibolya tartományban sok anyag, például az üveg elnyeli a sugárzást, így akadályozva az UV fény kibocsájtását. Ezért a lámpa ablaka speciális, ultraibolya fényt áteresztő anyagból készül. Kripton gázos lámpák esetében magnézium-fluoridot, míg argon gáz esetében lítium-fluoridot alkalmaznak. Tipikus PID érzékelő kivitel az alábbi ábrán látható.

A két pár mérőelektróda a lámpa közvetlen közelében, az UV fény kibocsátási helyénél van elhelyezve és stabil egyenáramú feszültséggel van polarizálva. Így az elektromos tér változása esetén elektromos jel keletkezik. Ahogy a molekulák a sugárzási zónába kerülnek, ionizálódnak, és szabad elektronokat bocsájtanak ki, amit az elektródák begyűjtenek és koncentrációval arányos áramot hoznak létre.

A lámpa várható élettartama

A lámpa élettartama függ a típusától. A gyakran alkalmazott 10,6 eV típusú lámpának a legnagyobb: 10 000 óra.

A 11,7 eV-os lítium-fluorid ablakú argon lámpa nagyobb energiájú UV sugárzást bocsájt ki, ami által több vegyülettípus érzékelésére alkalmas. Az intenzitása viszont alacsonyabb, így a jel stabilitása rosszabb, és a hőmérséklet zavaró hatása is megnő. Emellett az ablakként használt lítium-fluorid higroszkópos, tehát a levegő nedvességét megköti, így az átlátszósága romlik. Az ablakot az oldószerektől is óvni kell, mivel ezek kis mennyiségben vizet tartalmazhatnak. 

Egyedi ionizációs potenciálok

Minden gáznak egyedi ionizációs potenciálja (IP) van. Azok a gázok érzékelhetőek PID készülékkel, amelyeknek IP-ja a lámpa eV kibocsájtási energiája alatt van.

• 9,5 eV lámpával: benzol, aromás vegyületek, aminok
• 10,6 eV lámpával: ammónia, etanol, aceton
• 11,7 eV lámpával: acetilén, formaldehid, metanol

Ezt kihasználva, a lámpa kicserélésével egy ismeretlen összetételű levegő mintában az egyes vegyületcsoportok koncentrációját lehet meghatározni.

Ha a gázminta összetevőiben olyan gázok találhatóak, amiknek az IP-juk a lámpa által kibocsájtott energiánál nagyobb, akkor ezek nem lesznek ionizálva. Ennek ellenére az UV sugárzást elnyelik és szétszórják, ami által a kijelzett koncentráció kisebb lesz a valósnál. Ezt „quenching” effektusnak nevezik. Ilyen interferenciát általában víz, CO₂, CH₄, CO, stb. okozhat.

Emiatt a PID érzékelők különböző zéró értéket jeleznek ki nitrogénre, száraz levegőre és nedves levegőre. Ezért minden esetben a várható körülményeket figyelembe véve kell a készüléket kalibrálni. Általában tiszta, száraz levegőn való kalibrálás a legjobb választás.

Nedvesség és szennyeződés hatása

A kondenzáció és elszennyeződés hatására a lámpa ablakában, illetve az érzékelő felületén egy vezető réteg képződik. A szennyeződés felhalmozódása gócpontokat képez a kondenzáció számára, ami felületi áramokat indít el. Ezek a felületi áramok a jelentős zajhatás miatt befolyásolják a mérés pontosságát, és hamis leolvasást eredményeznek. Ennek a hatásnak a kiküszöbölésére a PID érzékelő kialakítása megkövetelheti a lámpa és a detektor időnkénti tisztítását.

Alkalmazás

A PID érzékelők gyors reakcióidőt, nagy pontosságot és érzékenységet biztosítanak VOC szennyezők érzékelésére alacsony ppm tartományban. Azonban mivel a lámpa ablaka közvetlenül érintkezik a mintával, így ennek a tisztasága kritikus pontja az érzékelésnek.

Mivel a várható élettartamuk limitált, és időközönkénti tisztítást igényelnek, így fix telepítési ponton történő, folyamatos gázkoncentráció mérésére nem alkalmasak.

Összefoglaló

A katalitikus elégetés (CC) és a fotoionizáció (PID) elvén működő érzékelőket leginkább egymást kiegészítő mérési módszerként érdemes használni. A katalitikus érzékelők megfelelőek metán, propán és egyéb közönséges, éghető gázok érzékelésére, amiket viszont PID érzékelővel nem lehet mérni. Ezzel szemben a PID érzékelők nagy molekulájú VOC és szénhidrogén molekulákat érzékelnek, amiket katalitikus pellisztorral nem lehet mérni. A legjobb megoldás egy többérzékelős készülék használata, melyben mindkét érzékelő típus megtalálható.

Milyen megoldásokat kínál a GfG?

Forrás:

Jack Chou: Hazardous Gas Monitors - A Practical Guide to Selection, Operation and Applications

Bob Henderson, president GfG Instrumentation: Principles of Gas Detection: LEL, PID and NDIR Sensors and Applications