CN101006339B - 一体化的光离子化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化的光离子化传感器(10)，它不仅包括离子化室(36)、紫外线灯(32)、驱动电极(40，42)、离子检测器(48)，还包括灯驱动电路(44)、偏置电路(54)等通用电路。本发明的光离子化传感器包括一支撑件(230)，将外壳内的空间分割成两个部分。前述检测元件位于一个部分内，而通用电路被集成在电路板(95)上，位于另一部分内。本发明对电路板所处的空间灌封闭粘结剂，使其避免与外界接触。本发明为传感器外壳的顶盖设计了单个大圆孔、栅状和网状通气窗口，使得传感器既适用于气泵抽运模式，又适用于气体扩散模式。同时，特殊的通气窗口允许在不拆卸传感器的情况下，无需使用气泵，便能清除UV灯(32)的光学窗口(34)上的污染。本发明还在电路板上集成了光敏传感器(20)，以便在不拆卸传感器的情况下了解UV灯(32)的工作情况。

Description

一体化的光离子化传感器

技术领域

本发明涉及一种光离子化传感器，尤其涉及一种一体化的光离子化传感器。

背景技术

光离子化检测器(PID)可以检测易挥发性有机气体或化合物。图1和图2示出了一种传统的PID 30。PID 30包括一个紫外线(UV)灯32，它通过光学窗口34将UV光子或紫外光辐射到离子化室36中。UV光子与离子化室36内的易挥发性气体分子碰撞，碰撞使得那些电离能低于光子能量的分子离子化，产生可检测的离子和电子。

如图2所示，UV灯32包括一个密封灯管38，该密封灯管最好由玻璃制成。灯管38内含有由若干种惰性气体组成的混合气体。例如，混合气体在25Torr气压下，并包含40％氦气、30％氩气和30％氪气。灯管的直径为0.25-0.5英寸，长度为0.5-1.50英寸。光学窗口34由单晶材料制成并位于灯管38的一端。例如，光学窗口34可以由氟化锂(LiF)、氟化镁(MgF₂)、氟化钡(BaF₂)或氟化钙(CaF₂)等材料制成，这些光学窗口材料分别允许11.7eV、10.6eV、9.8eV和9.2eV能量的UV光子透过。UV灯32位于两个片状的驱动电极40和42之间，驱动电极片40和42与灯驱动电路44相连。驱动电极片40和42可以由铜片制成，尺寸可以约为0.20英寸×0.20英寸。灯驱动电路44向驱动电极片40和42提供频率约为100kHz，电压约为650-1250V的AC信号。于是，在灯管38内产生一强电场，将灯管内的惰性气体离化子成电子和离子。然后，灯管内的电子和离子重新结合，产生UV光子。这一过程称为辉光放电。基于对光学窗口34之材料的不同选择，具有某种特定能级的UV光子可以通过光学窗口34。灯驱动电路44在驱动电极片40和42两端产生高压AC信号，美国专利5,773,883对这一过程有描述。美国专利5,773,883已转让给本申请的申请人，其内容通过引用包含在此。微处理器46可以调节施加在驱动电极片40和42上的高压AC信号，并且由此调节UV灯32的紫外光的强度。微处理器46还可以用于使UV灯32的能耗最小，美国专利6,225,633对这一过程有描述。美国专利6,225,633已转让给本申请的申请人，其内容通过引用包含在此。

来自UV灯32的UV光子将离子化室36内的易挥发性气体分子离子化。离子检测器48位于离子化室36内，并且靠近光学窗口34，用于收集经离子化而产生的电子和离子。离子检测器48包括一对电极，它们是偏置电极50和测量电极52。偏置电极和测量电极呈片状，可以为线形或阶梯形，并且可以被布置成叉指结构。偏置电极50和测量电极52可以由各种金属和合金制成，最好由不锈钢制成。

偏置电路54为偏置电极50提供正偏置电压(例如，约4-120V的DC电压)。于是，偏置电极50排斥光离子化产生的正离子。测量电极52接近于地电压，并与偏置电极50隔开，因此在偏置电极50和测量电极52之间形成一电场。测量电极52吸收正离子，产生测量电流。测量电路56与测量电极52相连，并测量通过收集正离子而产生的电流，即测量电流。微处理器46与偏置电路54和测量电路56两者相连，一方面可以调节偏置电路54施加到偏置电极50上的偏置电压，另一方面接收来自测量电路56的表示测量电流的信号，以便确定易挥发气体的浓度。由于测量电流的数值依赖于所产生的离子的数量，因此其与离子化室48内可离子化分子的浓度以及UV光的强度相关。如果UV光强度为常数，那么，测量电流可以转换成易挥发性有机气体的浓度(单位为百万分之，ppm)

另外，UV光射到偏置电极50和测量电极52上会释放出电子。由偏置电极50释放的电子一般被偏置电极50吸收，因此不会产生本底电流(即，不存在可离子化气体时的电流)。但是，由测量电极52释放的电子会导致本底电流。本底电流是确定易挥发性气体浓度时必须考虑的因素。于是，建议在光学窗口34和测量电极53之间安装一个UV防护板62，用于防止UV光入射到偏置电极50和测量电极52上。

PID 30还包括一气泵74，使气流以200-600ml/min的速度通过入口114和出口116出入离子化室36。当气泵开启时，离子化室36是一个开放的容器，可以接收层流气体。当气泵关闭时，离子化室36是一个封闭的容器，气体不能出入离子化室。气泵74与气泵驱动电路76相连，而气泵驱动电路76与微处理器46相连。微处理器46通过气泵驱动电路76控制气泵74的开启、关闭及其抽运速度。

通常，将UV灯32、驱动电极40和42、离子化室36、离子检测器48安装在外壳78内，构成一体化的PID传感器元件，而PID中的灯驱动电路、气泵驱动电路、偏置电路、测量电路、微处理器和其它用于操作传感器元件的电路部分则构成PID本体。气泵可以内置在PID传感器元件中，也可以设置在PID本体中。工作时，将PID传感器元件插入PID本体中，与PID本体内的电路电气接触。美国专利6,313,638对此作了描述，该专利已转让给本申请的申请人，其内容通过引用包含在此。

如上所述，当UV光强度为常数时，测量电流可以转换成易挥发性气体的浓度。但是，UV光强度一般会在PID 30工作期间因各种因素而减弱，所述影响因素包括UV灯32的劣化、光学窗口34受污染、离子化室36内引入干扰物质。光学窗口34的污染通常是在正常使用PID 30期间，因金属原子、油膜或尘粒的沉积在窗口上形成一层聚合物类的涂层。为了清洗光学窗口34，使用者通常需要拆开PID传感器元件30。为了避免拆卸PID传感器元件，美国专利6,225,633提供了一种自清洗的PID系统。在该自清洗系统中，当气泵74开启时，离子化室36是一个开放的容器，气泵的抽运作用将含有氧气的气体引入所述离子化室36。然后，关闭气泵74，使离子化室36变成一个封闭的容器。UV灯32的UV光入射离子化室36，使其中的氧气转化成臭氧。臭氧在离子化室内累积，从而去除光学窗口34上的污染物。

传统的PID存在以下几个问题：

在传统的PID中，由UV灯、驱动电极、离子化室、离子检测器构成一体化的PID传感器元件，由灯驱动电路、气泵、气泵驱动电路、偏置电路、测量电路、微处理器和其它用于操作传感器元件的电路部分构成PID本体。工作时，将PID传感器元件插入PID本体中。传统设计未将电路部分置于PID传感器元件内。这样，即使用户从市场上购买了PID传感器元件，他还必须自行构建PID本体部分。在PID本体部分中，除了测量电路和微处理器必须根据需要自行设计之外，灯驱动电路、偏置电路以及其它用于操作传感器元件的电路部分却是通用的。显然，要求每个用户在构成PID本体部分时各自建立或另行购买包含通用电路部分的元件会给用户使用PID检测器造成不便。所以，希望提供一种能够包含通用电路的PID传感器元件。

传统的PID传感器元件的直径约1.4英寸，尺寸较大。当希望把通用电路部分包含在PID传感器元件内时，必然进一步增加PID传感器元件的尺寸。所以，希望提供一种小型化的PID传感器元件。

传统的PID传感器元件构成一自清洗系统，利用臭氧清洗光学窗口上的污染。当希望把通用电路部分包含在PID传感器元件内时，臭氧会对通用电路部分的工作产生影响。另外，当PID传感器元件工作于一些危险场合时，例如工作在温高湿环境中，或工作在含高腐蚀气体的场所等，外界环境也会对通用电路部分的正常工作产生影响。所以，希望提供一种新型的PID传感器元件，使得通用电路部分不受外界的影响。

传统PID自清洗系统无需拆卸，利用臭氧自行清洗光学窗口上的污染。但该自清洗系统需要借助气泵和气泵驱动电路。无论将气泵和气泵驱动电路设置在PID传感器元件内，还是设置在PID本体内，都将增加成本，同时也会增加元件的体积。所以，希望提供一种新型的PID传感器元件，它能在不拆卸的状态下得到清洗，并且无需使用气泵和气泵驱动电路。

传统PID传感器元件将UV灯封装在金属外壳内。由于外壳不透明，所以当UV灯发生故障时，操作员并不知道。所以，希望提供一种PID传感器元件，它能提供表示UV灯是否工作的信号。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种包含通用电路部分的一体化PID传感器元件。

本发明的另一个目的是，提供一种小型的包含通用电路部分的一体化PID传感器元件。

本发明的再一个目的是，提供一种不受外界影响的包含通用电路部分的一体化PID传感器元件。

本发明的又一个目的是，提供一种新型的一体化PID传感器元件，它无需拆卸便能得到清洗，并且所述清洗不需要使用气泵和气泵驱动电路。

本发明的另一个目的是，提供一种新型的一体化PID传感器元件，它无需拆卸便能知道UV灯是否工作。

依照本发明，提供了一种一体化光离子化传感器，它包括：

离子化室，被构造成允许气体流入和流出；

紫外线灯，用于将紫外光射入所述离子化室，使所述气体离子化；

驱动电路，用于产生高压交流信号；

驱动电极，它们位于紫外线灯的外侧，并与所述驱动电路相连，用于对所述紫外线灯施加所述高压交流信号；

离子检测器，它位于所述离子化室内，并包含偏置电极和测量电极；

偏置电路，用于为所述偏置电极提供一偏置电压，以便所述偏置电极吸收具有一种电荷符号的粒子，所述测量电极吸收具有相反电荷符号的粒子并提供测量信号；

传感器外壳，它具有通气窗口，允许所述气体流入和流出所述离子化室，并且上述所有部件都安装在所述传感器外壳内；和

多个外接管脚，它们从所述传感器外壳伸出，用于传递与所述传感器外壳来往的信号。

在本发明的一体化光离子化传感器，还包括一支撑件。支撑伯包括：基底，光离子化传感器中的所有部件位于基底上，并且多个外接管脚穿过基底；和隔离件，它位于基底上，将光离子化传感器外壳的内部空间分成第一室和第二室，第一室用于放置离子化室、离子检测器、紫外线灯、驱动电极，第二室用于放置驱动电路和偏置电路，隔离件提供多个开口，以允许驱动电极与驱动电路电气相连，偏置电极与偏置电路电气相连，以及测量电极与多个外接管脚中的测量信号输出管脚电气相连。

在本发明中，隔离件可以是垂直于基底的隔离板。

在本发明中，基底可以为圆形，隔离件为一个中空的纵截圆柱体，其纵向垂直于基底。由纵截圆柱体隔离件的内部构成第一室，由纵截圆柱体隔离件的外部构成第二室。纵截圆柱体隔离件的中空部分沿纵向伸出隔离件的顶表面，紫外线灯和驱动电极位于中空部分内。另外，纵截圆柱体隔离件的顶表面具有第一凹陷部分，用于容纳离子检测器，第一凹陷部分的位置使得离子检测器与紫外线灯的出射窗口对准。

在本发明中，离子检测器还可以包括一紫外线防护板，用于避免形成一基底电流。紫外线防护板包括：一纵向通孔，纵向通孔与紫外线灯的出射窗口对准；多个横向的细长孔，用于插入偏置电极和测量电极；多个横向的细长条，它们位于纵向通孔内，与偏置电极和测量电极对准，并位于偏置电极和测量电极与紫外线灯的出射窗口之间。

在本发明中，驱动电极包括第一和第二驱动电极，它们附着在紫外线灯的外壁上；隔离件上用于电气连接的多个开口包括第一和第二横向凹槽，它们位于纵截圆柱体的纵截面上，向纵截圆柱体的中空部分延伸；光离子化传感器还包括第一和第二驱动电极引出线，其中第一驱动电极引出线与第一驱动电极电气连接，并且第一驱动电极引出线的一端伸出第一横向凹槽，与驱动电路相连，第二驱动电极引出线与第二驱动电极电气连接，并且第二驱动电极引出线的一端伸出第二横向凹槽，与驱动电路相连。

在一个方案中，第一和第二驱动电极呈环形，它们相互平行，并沿紫外线灯的纵向分布。第一和第二横向凹槽中至少有一个横向凹槽与相应的环形驱动电极对准。第一横向凹槽位于纵截圆柱体的纵截面的下方，并且偏离第一环形驱动电极，第一驱动电极引出线为螺旋形。

在另一方案中，第一和第二驱动电极呈条状，它们位于紫外线灯外壁的两侧，沿紫外线灯的纵向延伸。

在本发明中，驱动电极被涂覆、或被电镀、或被真空蒸镀在紫外线灯的外壁上。驱动电极也可以为金属薄膜，并被粘贴在紫外线灯的外壁上。

在本发明中，可以将基底与隔离件构成一体。隔离件上用于电气连接的多个开口还包括第一和第二纵向通孔，第一纵向通孔为测量电极与测量信号输出管脚电气连接提供通道，第二纵向通孔为偏置电极与接地管脚电气连接提供通道。

在本发明中，第一和第二横向凹槽用粘结剂封闭。粘结剂可以是环氧树脂。

在本发明中，可以将驱动电路、偏置电路集成在一电路板上。还可以将光敏传感器也集成在电路板上，光敏传感器位于紫外线灯附近，用于检测紫外线灯是否处于工作状态。纵截圆柱体隔离件的纵侧面还包括第二凹陷部分，凹陷部分与紫外线灯和光敏传感器对准。

在本发明中，在第二室内灌封了粘结剂。粘结剂可以是环氧树脂类或塑料，也可以是硅酸盐或磷酸盐。

在本发明中，还可以包括一导气板，导气板邻近离子化室，并包括一导气口，用于将气体导入离子化室。

在本发明中，传感器外壳包括一端帽，端帽的顶表面具有通气窗口，供气体流入和流出离子化室。通气窗口可以为一个或两个圆形孔，或者呈栅状或网状，栅状或网状窗口与紫外线灯的出射窗口对准。

在本发明中，构成一体化光离子化传感器之所有部件的材料适于在有机溶剂中搅拌或超声清洗。最好，构成一体化光离子化传感器之所有部件的材料还具有耐臭氧特性。外壳可以由金属材料制成，最好选自铝、铜、不锈钢中的一种。构成导气板、离子化室、基底、隔离件和紫外线防护板的材料是氟塑料，最好选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)中的一种。

附图说明

图1示出了传统PID的电路方框图；

图2示出了传统PID传感器元件的分解透视图；

图3示出了依照本发明一实施例的PID的电路方框图；

图4示出了依照本发明一实施例的一体化PID传感器元件的分解透视图；

图5示出了依照本发明一实施例的离子检测器的结构图；

图6示出了依照本发明一实施例的UV灯与驱动电极的结构图；

图7示出了依照本发明另一实施例的UV灯与驱动电极的结构图；

图8示出了依照本发明一实施例的支撑件的结构图。

具体实施方式

以下结合附图，描述本发明的较佳实施例。在所有附图中，相同或相似的部件用相同的标号表示。

图3示出了依照本发明一实施例的PID的电路方框图。本发明PID的电路结构基本与传统PID的相同。所不同的是，本发明将UV灯32、驱动电极40和42、离子化室36、离子检测器48、灯驱动电路44、偏置电路54集成在PID传感器元件内，而测量电路56和微处理器46布置在PID本体内。在本发明中，气泵74以及气泵驱动电路76是可选的。另外，本发明的PID电路还包括一个光敏传感器20，它位于PID传感器元件内，并被设置在UV灯32的外侧附近。光敏传感器20检测UV灯是否正常工作，并通过光敏检测电路20′将检测信号传递给微处理器46。如果检测信号表示UV灯不亮，则微处理器46发出告警信号，通知操作人员。

图4示出了依照本发明一实施例的一体化PID传感器元件的分解透视图。其中，传感器元件10包括一个外壳78。外壳78内装入一个支撑件230。支撑件230包括基底200和隔离件202，隔离件202垂直于基底放置。图8是支撑件230的放大图。在图8所示的实施例中，基底200是一个圆形的底板，隔离件202是纵截的半个圆柱体，其底面半径与基底200的半径大致相同，基本上占据基底的一半面积。隔离件202将基底200上的空间分割成二个部分。在隔离件202的内部，放置UV灯32、驱动电极40和42、离子检测器48和离子化室36。在隔离件202的外部，放置灯驱动电路44、偏置电路54、光敏传感器20。如图4所示，灯驱动电路44、偏置电路54、光敏传感器20被集成在电路板95上。

基底200和隔离件202可以是分立元件，通过环氧树脂等粘结剂固定在一起。也可以被构成一体。在图4所示的实施例中，基底200和隔离件202是一体化的。基底200和隔离件202可以用塑料制成，较好地是由氟塑料制成，最好由聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)制成。

隔离件202的内部包含一个中空部分214，该中空部分214呈圆柱形，沿纵向伸出隔离件202的顶表面210。UV灯32放置在中空部分214内，其光学窗口34的位置靠近顶表面210。本发明具有新颖的UV灯与驱动电极的结构。图6和图7例示了两种方案。与现有技术不同，在本发明中，驱动电极不是位于UV灯管两侧的片状电极。如图6所示，第一和第二驱动电极40、42呈环形，沿纵向分布在UV灯管38的外壁上。驱动电极40和42可以通过刷镀白金、黄金等金属材料或其它非金属导电材料、然后经加热固化而直接涂覆在UV灯管38的外壁上。当然，还可以通过电镀、真空蒸镀的方式，在UV灯管38的外壁上形成驱动电极40和42。还可以将金属薄膜粘贴在UV灯管38的外壁上，从而形成驱动电极40和42。图7示出了另一例驱动电极40和42的形状。在图7中，驱动电极40和42呈条状，分别沿灯管纵向延伸，并附着在外壁的两侧。将驱动电极40和42制成涂层或薄膜并使其直接附着在UV灯管38的外壁上，可以缩小驱动电极40和42所占据的空间，并且还可以降低介质损耗。

参见图6和图8，为了将驱动电极40和42引出隔离件202并与电路板95相连，本发明在隔离件202的纵侧面220上提供了两个水平的横向凹槽222和224。凹槽222和224向隔离体202的内部延伸，并与中空部分214连通。第一横向凹槽224位于隔离件202与基底200的连接处。如图6所示，由于UV灯管38远离光学窗口34的一端呈锥形，为了实现稳定的电气接触，最好将第一驱动电极42涂覆在UV灯管38的圆柱体部分，因此这时第一横向凹槽224的位置并不与第一驱动电极42对准。第一驱动电极引出线35由金属丝弯制成螺旋状，螺旋状金属丝至少有一部分的旋转半径与UV灯管38之外壁的半径大致相同。在安装过程中，先将螺旋状金属丝压扁，并将其插入第一横向凹槽224。然后，螺旋状金属丝35在隔离件202的中空部分214内通过弹性恢复原状。当把UV灯32插入中空部分214时，位于灯管38下方的第一驱动电极42与螺旋状金属丝35电气连接。螺旋状金属丝35包括接线端98。在第一驱动电极引出线35插入第一横向凹槽224后，接线端98仍留在隔离体202之外，以便与电路板95上的高压接点98′相连(参见图4)。第二横向凹槽222的位置与UV灯管38上第二驱动电极40对准。第二驱动电极引出线33由金属丝弯制成“凹”字形，位于“凹”字形内侧的金属丝部分进一步向内突出，以便与第二驱动电极40电气接触。在安装过程中，将第二驱动电极引出线33插入第二横向凹槽222，致使第一驱动电极引出线35内侧的突出部分与UV灯管38上的第二驱动电极40电气接触。第二驱动电极引出线33包括接线端90。在插入第二驱动电极引出线33之后，接线端90仍留在隔离体202之外，以便与电路板95上的接地点90′相连(参见图4)。第一驱动电极引出线35和第二驱动电极引出线33通过电路板95上的高压接点98′和接地点90′与电路板95上的灯驱动电路44电气相连。

在图7所示的实施例中，为了与条状驱动电极40和42相配合，可以用金属丝将驱动电极引出线35和33两者弯制成“凸”字形。每个“凸”字形金属丝靠近灯管38的一侧部分地向外突出，以便配合灯管38的圆柱面与驱动电极40和42中的一个电气接触。同样，为了实现稳定的电气接触，最好将条状驱动电极40和42涂覆在灯管38的圆柱形部分。在一较佳实施例中，将驱动电极引出线35和33布置在同一平面。这时，在隔离件202的纵侧面220上，只需要提供一个横向凹槽。同样，两个驱动电极引出线35和33分别具有接线端98和90，它们在引出线插入相应凹槽后仍露出隔离件202，而电路板上高压接点98′和接地点90′的位置可以被设计成分别方便与接线端98和90连接。显然，在本发明中，第一驱动电极引出线35和第二驱动电极引出线33的电位可以互换。

在将第一驱动电极引出线35和第二驱动电极引出线33分别插入相应横向凹槽之后，最好用粘结剂将凹槽封住，例如环氧树脂。用粘结剂封闭凹槽一方面可以固定凹槽内的引出线，保持引出线与驱动电极稳定接触，另一方面可以防止引出线从凹槽中滑出，与电路板95接触。

如图8所示，隔离件202的顶表面210具有一个凹陷部分212。凹陷部分212的形状与离子检测器48的形状匹配，用于容纳离子检测器48及其电极引出线。图5示出了一例离子检测器48的结构。离子检测器48包括偏置电极50和测量电极52，用于产生偏置电场。离子检测器48还包括UV防护板62，用于避免因紫外光入射到测量电极52上而形成的本底电流。UV防护板62包括一个通孔36，该通孔36与UV灯32的光学窗口34对准。通孔36以及UV防护板62与光学窗口34之间的空间构成离子化室。偏置电极50和测量电极52呈针状，并被布置成叉指型。根据需要，还可以将偏置电极50和测量电极52制成片状，和/或将它们布置网状。在UV防护板62的侧面开有多个横向的细长孔，用于插入偏置电极50和测量电极52。为了避免偏置电极50与测量电极52电气接触，最好将偏置电极50和测量电极52相向地插入UV防护板62。偏置电极50和测量电极52可以处于同一平面内，也可以呈上下结构，由此所形成的偏置电场可以垂直、平行来自UV灯32的紫外光，或者与紫外光呈任意角度。为了更精确地测量可离子化气体，最好使偏置电场的方向垂直于紫外光的传播方向。UV防护板62在其通孔36内还包括多个横向的细长条，细长条位于偏置电极50和测量电极52与UV灯32的光学窗口34之间。细长条的位置和形状可以阻碍紫外光入射到偏置电极50和测量电极52上。如图5所示，细长条位于偏置电极50和测量电极52的下方。UV防护板62可以用氟塑料制成，较佳地用聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)中的一种制成。偏置电极50和测量电极52可以用不锈钢、铝、铜等金属材料或者其它非金属导电材料制成。

现在参照图4，支撑件230具有一个贯穿隔离件202和基底200的第一纵向通孔218，用于容纳测量信号输出管脚104。测量电极52的引出线94与第一纵向通孔218内的测量信号输出管脚104电气相连。隔离件202包括第二纵向通孔216(参见图8)，偏置电极50的引出线91穿过第二纵向通孔216，并接至电极板95上的接地点90′，进而与电路板95上的偏置电路相连。在本发明的一个实施例中，将偏置电极50接地，并对测量电极52施加-30V的电压。测量电极52通过收集正离子来提供测量信号。但是，用户也可以根据需要给测量电极施加高于偏置电极的电压，以便通过收集电子来提供测量信号。

参见图8，隔离件202的纵侧面220具有第二凹陷部分228。第二凹陷部分228的位置与中空部分214内的UV灯32对准。第二凹陷部分228并不穿透隔离件202的纵侧面220，其凹陷深度适于紫外光从凹陷窗口228透出。在电路板95集成一个光敏传感器20(未图示)。光敏传感器20的位置与第二凹陷部分228对准，用于接收从凹陷窗口228透出的紫外线，然后通过集成在电路板95上的光敏检测电路20′将检测信号传递到接点92′。

参见图4，本发明的PID传感器元件10除了包括测量信号输出管脚104之外，还包括接地管脚100、光敏信号输出管脚102和电源输入管脚106。如上所述，测量信号输出管脚104穿过支撑件230上的第一纵向通孔218，并与测量电极引出线94相连。接地管脚100穿过支撑件230上的通孔90″，并通过一导电连接件(未图示)与电路板95上的接地点90′相连，进而使UV灯的第二驱动电极40和离子检测器48的偏置电极50接地。光敏信号输出管脚102穿过基底200上的通孔92″，并通过一导电连接件(未图示)与电路板95上的接点92′相连，进而与电路板95上的光敏传感器20相连。电源输入管脚106穿过基底202上的通孔96″，并与电路板95上的接点96′相连，用于向电路板95提供电能。

另外，可以有选择地在隔离件202的纵侧面220上开两个纵向的凹槽，以防止隔离件202变形。

在安装过程中，在将UV灯32、驱动电极引出线33和35、离子检测器48、电路板95以及四个外接管脚100-106安装到支撑件230上，并且完成有关电路连接之后，将整体的支撑件230置入外壳78内。支撑件230上的四个外接管脚100-106穿过外壳78上相应的通孔，以便在使用时插入PID本体部分(未图示)。

然后，向外壳78内、隔离件202之外、电路板95所处的空间灌封粘结剂。粘结剂可以有机粘结剂，最好采用环氧树脂类或塑料，粘结剂也可以是无机粘结剂，较佳地最好采用硅酸盐或磷酸盐。粘结剂应当不容易与传感器元件工作环境中的气体发生反应。如果本发明PID传感器元件将使用有机溶剂清洗(在下文中描述)，那么粘结剂还应该不容易与清洗用的有机溶剂发生化学反应。用粘结剂灌封电路板95周围的空间可以有效地防止电路板95与工作环境中的腐蚀气体以及清洗用的有机溶剂接触。

参见图4，本发明的PID传感器元件10还包括一导气板110。导气板110是可选的，位于离子检测器48的上方。导气板110上具有一开口，用于引导气流的流动方向。开口的形状可以根据需要进行设计。

本发明的PID传感器元件10还包括一端帽112。端帽112的顶表面具有通气窗口，允许可离子化气体流入和流出离子化室36。如图4所示，在本发明的一个实施例中，通气窗口呈栅状，由两个细长的通气口114和116构成。通气窗口也可以是由二个以上细长通气口构成的栅状窗口。栅状窗口允许借助气泵使可离子化气体流入和流出离子化室36。同时，还可以适用于传统的臭氧自清洗方式。较佳地，可以将通气口114和116的宽度设计得较大。这时，本发明的PID传感器元件10可以通过气体扩散方式使可离子化气体流入和流出离子化室36，不需要使用气泵抽运。同时，较大的通气口允许用浸沾了有机溶剂的棉签直接清除光学窗口34上的污染物，还允许将PID传感器元件10置于有机溶剂中，通过搅拌或超声波来清除光学窗口34上的污染物。

还可以将端帽112顶表面上的通气窗口设计成单个圆孔或网状结构。与栅状窗口一样，通过适当设计单圆孔窗口和网状窗口的大小，可以使PID传感器元件10不仅适用于气泵抽运模式，而且适用于气体扩散模式。另外，适当设计单圆孔窗口和网状窗口的大小还可以允许用含有机溶剂的棉签、或通过在有机溶剂中搅拌、或通过有剂溶剂超波清洗来清除光学窗口34上的污染物。

当然，通气窗口也可以采用由双圆孔构成的小窗口。这种PID传感器元件只适用于用气泵抽运可离子化气体，以及传统的臭氧自清洗方式。

为此，较好地，本发明PID传感器元件的结构及其各部件的材料能够适于在有机溶剂中搅拌或在有机溶剂中超声清洗。最好的是，各部件材料还同时具有耐臭氧特性。例如，外壳78和端帽112可以由金属材料制成。较佳地，金属材料选自铝、铜和不锈钢中的一种。导气板110、支撑件230、紫外线防护板用氟塑料制成，最好采用聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)中的一种。

如上所述，本发明的PID传感器元件包含了灯驱动电路44、偏置电路54等通用电路部分。因此，用户在购买了PID传感器元件后，可以直接插入自行设计的PID本体内，无需另行购买包含灯驱动电路44和偏置电路54的电路元件，也无需在设计PID本体时设计灯驱动电路44和偏置电路54。

本发明的PID传感器元件为了缩小尺寸，将灯驱动电路44和偏置电路54等电路通用部分集成在一电路板上。同时还提供了新颖的支撑件结构、离子检测器结构、驱动电极结构、和驱动电极引出线，使得本发明的PID传感器元件小型化。在一个PID传感器元件成品中，紫外灯的直径约0.25英寸、长度小于0.5英寸，基底直径略小于外壳直径，隔离件高度小于0.6英寸。整个PID传感器元件的直径约0.8英寸，高度约0.6英寸。

本发明通过新颖的通气窗口，使得PID传感器元件不仅适用于气泵抽运模式，还适用于气体扩散模式。因此，用户可以避免配备气泵和气泵驱动电路。另一方面，当PID传感器元件工作于气体扩散模式时，传统的臭氧自清洗方式不再可行。本发明通过新颖的通气窗口设计，允许PID传感器元件在不拆卸的情况下，仍可以通过其他机械或化学方式清洗。

为了使电路板不受工作环境中腐蚀气体以及清洗用有机溶剂的侵蚀，本发明用粘结剂灌封电路板所处的空间，使电路板与外界隔离。

为了在不打开PID传感器元件的情况下了解内部UV灯的工作情况，本发明在电路板上集成了一个光敏传感器，用于监视紫外线灯是否正常工作，避免PID传感器元件误报或漏报测量信号。

尽管以上描述了本发明的较佳实施例，但本发明不仅限于此。本领域的熟练技术人员可以在以下描述的基础上进行各种变化和改变。例如，基底200的形状可以配合外壳78的形状来选择，例如方形。隔离件202可以大于或小于半个圆柱体，也可以配合方形基底，选择长方形。与前述较佳实施例相反，可以将电路板95放置在隔离件202的内部，而将UV灯32、驱动电极40和42、离子检测器48和离子化室36放置在隔离件202的外部。隔离件202还可以是一个简单的隔离板，将基底上的空间分割成二个部分，一部分空间放置UV灯32、驱动电极40和42、离子检测器48和离子化室36。另一部分空间用于放置电路板95。隔离板上提供多个用于电气连接的开口。在后两种情况下，可以将UV灯32、驱动电极40和42、离子检测器48和离子化室36布置成传统的结构。

不脱离本发明精神的各种改变和变化都应落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由后附的权利要求书来限定。

Claims (42)

1.一种一体化的光离子化传感器，其特征在于，包括：

离子化室，被构造成允许气体流入和流出；

紫外线灯，用于将紫外光射入所述离子化室，使所述气体离子化；

灯驱动电路，用于产生高压交流信号；

驱动电极，它们位于紫外线灯的外侧，并与所述灯驱动电路相连，用于对所述紫外线灯施加所述高压交流信号；

离子检测器，它位于所述离子化室内，并包含偏置电极和测量电极；

偏置电路，用于为所述偏置电极提供一偏置电压，以便所述偏置电极吸收具有一种电荷符号的粒子，所述测量电极吸收具有相反电荷符号的粒子并提供测量信号；

传感器外壳，它具有通气窗口，允许所述气体流入和流出所述离子化室，并且上述所有部件都安装在所述传感器外壳内；和

多个外接管脚，它们从所述传感器外壳伸出，用于传递与所述传感器外壳来往的信号。

2.如权利要求1所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，还包括一支撑件，所述支撑件包括：

基底，所述光离子化传感器中的所有部件位于所述基底上，并且所述多个外接管脚穿过所述基底；

隔离件，它位于所述基底上，将所述光离子化传感器外壳的内部空间分成第一室和第二室，所述第一室用于放置所述离子化室、所述离子检测器、所述紫外线灯、所述驱动电极，所述第二室用于放置所述灯驱动电路和所述偏置电路，所述隔离件提供多个开口，以允许所述驱动电极与灯驱动电路电气相连，所述偏置电极与偏置电路电气相连，以及所述测量电极与所述多个外接管脚中的测量信号输出管脚电气相连。

3.如权利要求2所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述隔离件是垂直于基底的隔离板。

4.如权利要求2所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述基底为圆形，所述隔离件为一个中空的纵截圆柱体，其纵向垂直于所述基底。

5.如权利要求4所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述纵截圆柱体隔离件的内部构成所述第一室，所述纵截圆柱体隔离件的外部构成所述第二室。

6.如权利要求4所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述纵截圆柱体隔离件的中空部分沿纵向伸出所述隔离件的顶表面，所述紫外线灯和所述驱动电极位于所述中空部分内；

所述纵截圆柱体隔离件的顶表面具有第一凹陷部分，用于容纳所述离子检测器，所述第一凹陷部分的位置使得所述离子检测器与所述紫外线灯的出射窗口对准。

7.如权利要求6所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述离子检测器还包括一紫外线防护板，用于避免形成一基底电流。

8.如权利要求7所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述紫外线防护板包括：

一纵向通孔，所述纵向通孔与所述紫外线灯的出射窗口对准；

多个横向的细长孔，用于插入所述偏置电极和所述测量电极；

多个横向的细长条，它们位于所述纵向通孔内，与所述偏置电极和所述测量电极对准，并位于所述偏置电极和所述测量电极与所述紫外线灯的出射窗口之间。

9.如权利要求6所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述驱动电极包括第一和第二驱动电极，它们附着在所述紫外线灯的外壁上；

所述隔离件上用于电气连接的所述多个开口包括第一和第二横向凹槽，它们位于所述纵截圆柱体的纵截面上，向所述纵截圆柱体的中空部分延伸，并与所述中空部分连通；

所述光离子化传感器还包括第一和第二驱动电极引出线，其中第一驱动电极引出线与所述第一驱动电极电气连接，并且所述第一驱动电极引出线的一端伸出所述第一横向凹槽，与灯驱动电路相连，所述第二驱动电极引出线与所述第二驱动电极电气连接，并且所述第二驱动电极引出线的一端伸出所述第二横向凹槽，与灯驱动电路相连。

10.如权利要求7所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述驱动电极包括第一和第二驱动电极，它们附着在所述紫外线灯的外壁上；

所述隔离件上用于电气连接的所述多个开口包括第一和第二横向凹槽，它们位于所述纵截圆柱体的纵截面上，向所述纵截圆柱体的中空部分延伸，并与所述中空部分连通；

所述光离子化传感器还包括第一和第二驱动电极引出线，其中第一驱动电极引出线与所述第一驱动电极电气连接，并且所述第一驱动电极引出线的一端伸出所述第一横向凹槽，与灯驱动电路相连，所述第二驱动电极引出线与所述第二驱动电极电气连接，并且所述第二驱动电极引出线的一端伸出所述第二横向凹槽，与灯驱动电路相连。

11.如权利要求8所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述驱动电极包括第一和第二驱动电极，它们附着在所述紫外线灯的外壁上；

所述隔离件上用于电气连接的所述多个开口包括第一和第二横向凹槽，它们位于所述纵截圆柱体的纵截面上，向所述纵截圆柱体的中空部分延伸，并与所述中空部分连通；

所述光离子化传感器还包括第一和第二驱动电极引出线，其中第一驱动电极引出线与所述第一驱动电极电气连接，并且所述第一驱动电极引出线的一端伸出所述第一横向凹槽，与灯驱动电路相连，所述第二驱动电极引出线与所述第二驱动电极电气连接，并且所述第二驱动电极引出线的一端伸出所述第二横向凹槽，与灯驱动电路相连。

12.如权利要求9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述第一和第二驱动电极呈环形，它们相互平行，并沿所述紫外线灯的纵向分布。

13.如权利要求12所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述第一和第二横向凹槽中至少有一个横向凹槽与相应的环形驱动电极对准。

14.如权利要求13所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述第一横向凹槽位于所述纵截圆柱体的纵截面的下方，并且偏离所述第一环形驱动电极，所述第一驱动电极引出线为螺旋形。

15.如权利要求9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述第一和第二驱动电极呈条状，它们位于所述紫外线灯外壁的两侧，沿所述紫外线灯的纵向延伸。

16.如权利要求9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述驱动电极被涂覆、或被电镀、或被真空蒸镀在所述紫外线灯的外壁上。

17.如权利要求9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述驱动电极为金属薄膜，并被粘贴在所述紫外线灯的外壁上。

18.如权利要求9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，

所述基底与所述隔离件构成一体；

所述隔离件上用于电气连接的所述多个开口还包括第一和第二纵向通孔，所述第一纵向通孔为所述测量电极与所述测量信号输出管脚电气连接提供通道，所述第二纵向通孔为所述偏置电极与所述接地管脚电气连接提供通道。

19.如权利要求9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述第一和第二横向凹槽用粘结剂封闭。

20.如权利要求19所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述粘结剂是环氧树脂。

21.如权利要求2，6-7和9-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述灯驱动电路、所述偏置电路被集成在一电路板上。

22.如权利要求21所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，还包括：

光敏传感器，它被集成在所述电路板上，并且位于所述紫外线灯附近，用于检测紫外线灯是否处于工作状态。

23.如权利要求22所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述纵截圆柱体隔离件的纵截面还包括第二凹陷部分，所述凹陷部分与所述紫外线灯和所述光敏传感器对准。

24.如权利要求21所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，在所述第二室内灌封了粘结剂。

25.如权利要求22所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，在所述第二室内灌封了粘结剂。

26.如权利要求23所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，在所述第二室内灌封了粘结剂。

27.如权利要求24-26中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述粘结剂是环氧树脂类或塑料。

28.如权利要求24-26中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述粘结剂是硅酸盐或磷酸盐。

29.如权利要求2，6-7、9和24-26中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，还包括一导气板，所述导气板邻近所述离子化室，并包括一导气口，用于将气体导入所述离子化室。

30.如权利要求2，6-7，9和24-26中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述传感器外壳包括一端帽，所述端帽的顶表面具有所述通气窗口，供所述气体流入和流出所述离子化室。

31.如权利要求30所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述通气窗口为一个或两个圆形孔。

32.如权利要求30所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述通气窗口呈栅状，所述栅状窗口与所述紫外线灯的出射窗口对准。

33.如权利要求30所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述通气窗口呈网状，所述网状窗口与所述紫外线灯的出射窗口对准。

34.如权利要求1-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，构成所述一体化光离子化传感器之所有部件的材料适于在有机溶剂中搅拌或超声清洗。

35.如权利要求34所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述外壳由金属材料制成。

36.如权利要求35所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述金属材料选自铝、铜、不锈钢中的一种。

37.如权利要求34所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，构成所述导气板、所述离子化室、所述基底、所述隔离件和所述紫外线防护板的材料是氟塑料。38. 如权利要求37所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述氟塑料选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)中的一种。

39.如权利要求1-11中任何一项所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，构成所述一体化光离子化传感器之所有部件的材料具有耐臭氧特性。

40.如权利要求39所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述外壳由金属材料制成。

41.如权利要求40所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述金属材料选自铝、铜、不锈钢中的一种。

42.如权利要求39所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，构成所述导气板、所述离子化室、所述基底、所述隔离件和所述紫外线防护板的材料是氟塑料。

43.如权利要求42所述的一体化光离子化传感器，其特征在于，所述氟塑料选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)中的一种。

Images