CN108802166B - 一种voc气体的pid检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VOC气体的PID检测装置。装置包括紫外光源筒形玻璃罩，其上端设有与其气密封接的透紫外光玻璃窗片以及平行接触放置的第一多孔金属电极片，其尾端内部设有内反光金属电极片，其尾端外部设有与内反光金属电极片电连接的电极焊针，其内部充有低气压的惰性气体。装置还包括由上述第一多孔金属电极片和与之平行放置的第二多孔金属电极片，以及两电极片之间的绝缘支撑体所构成的VOC气体离子化腔。采用上述设计的VOC气体PID检测装置，解决了目前产品紫外光较弱，电光转换效率较低，电极边缘容易打火，激励电源驱动电路复杂，光源留有抽气封口尾椎导致装置过大等问题，大大提高了检测精度和分辨率。

Description

一种VOC气体的PID检测装置

技术领域

本发明涉及气体光学检测技术领域，特别是涉及一种VOC气体的PID检测装置。

背景技术

光离子检测Photo Ionization Detectors，简称PID，可以检测极低浓度的挥发性有机化合物(VOC)和其他有毒气体，在工厂泄漏事故、反恐和军事领域当中具有重要的作用。

其原理是，在真空紫外光(VUV)照射下，被检测的具有较低电离电位IonizationPotential(IP)的VOC气体被较高能量真空紫外光(常见有9.6eV、10.6eV，11.7eV)离子化。离子化程度与紫外光强及相应VOC气体浓度成比例。在紫外光强恒定的情况下，测量出光离子电流，即可计算出相应VOC气体浓度。

VOC气体PID检测的优势是：检测速度快、装置不中毒，性能稳定，寿命长，对被检测气体无破坏，检测灵敏度、精度、分辨率都极高。目前的PID气体检测技术，已达到1ppb精度级别，是其他检测技术的10—100倍甚至更高。在微量VOC气体检测领域得到了越来越广泛的应用。

如图1所示，其为目前PID检测装置常用的紫外光源。其双金属电极片围绕光源玻璃罩形成弧形双电极结构，两极间加直流或交流高压，这种电极结构目前被大多数产品采用。但这种电极结构会导致玻璃罩内部电场强度极不均匀，电光转换效率较低，且电极因为彼此边缘距离较近容易打火。

如图2所示，其为另一种PID检测装置较常用的紫外光源。其双激励电极是套在光源玻璃罩外的两个环形金属圈。两电极间加交流高压，在玻璃罩内部产生交变电场。这种激励方式下，玻璃罩内部电场也极不均匀，电光转换效率较低，且激励电源驱动电路较为复杂。

如图3所示，其为又一种PID检测装置紫外光源，市面上极少见，套在光源玻璃罩外的线圈中输入高频电流，在玻璃罩内产生交变电磁场。这种方式电光转换效率较低，EMC指标极差。

总之，VOC气体PID检测虽然有很多优势，但目前常用PID紫外光源存在输出的紫外光强度较弱，电光转换效率较低，电极边缘容易打火，电场激励电路较为复杂，玻璃罩留有抽气封口尾椎导致紫外光源体积过大等等，市场亟需解决这些问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的PID紫外光源存在输出的紫外光强度较弱，电光转换效率较低，电极边缘容易打火，电场激励电路较为复杂，玻璃罩留有抽气封口尾椎导致紫外光源体积过大等等问题，本发明提供了一种VOC气体的PID检测装置。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：一种VOC气体的PID检测装置，其特征在于，所述VOC气体的PID检测装置包括：

紫外光源筒形玻璃罩，其上端设有透紫外光玻璃窗片，其尾端内部设有内金属电极片，且其尾端外部设有与内金属电极片电连接的电极焊针，玻璃罩内充有低气压惰性气体，所述玻璃窗片材质为氟化物玻璃，所述玻璃窗片与玻璃罩气密封接；

第一多孔金属电极片，设置在所述玻璃窗片外侧并与所述玻璃窗片平行接触；

第二多孔金属电极片，设置在所述第一多孔金属电极片外侧且与所述第一多孔金属电极片平行放置；以及

绝缘支撑体，其为环形结构，其设置在所述第一多孔金属电极片与所述第二多孔金属电极片之间，用于支撑所述第一多孔金属电极片和所述第二多孔金属电极片，形成一个微型腔体，即VOC气体光离子化腔；

所述玻璃罩内金属电极片相对所述第一多孔金属电极片一侧为反光面，既可发射紫外光，也是光源激励双电极之一；

所述第一多孔金属电极片既与所述内金属电极片构成紫外光源激励双电极，又与所述第二多孔金属电极片构成VOC气体光离子化腔双电极。

在一些实施例中，所述玻璃窗片与玻璃罩气密封接。

在一些实施例中，所述玻璃窗片材料为透极短波紫外光之氟化镁玻璃片或氟化锂玻璃片，有目前最高的极短波紫外光透射率。

在一些实施例中，所述绝缘支撑体呈环形，其与所述第一多孔金属电极片和所述的第二多孔金属电极片形成一个微型腔体，即VOC气体光离子化腔。

在一些实施例中，所述内金属电极片相对所述第一多孔金属电极片一侧为反光面，所述内金属电极片，表面抛光镀铝，对极短波紫外光有很高的反射率。

在一些实施例中，所述第一多孔金属电极片既与所述玻璃罩内金属电极片构成紫外光源激励双电极，又与所述第二多孔金属电极片构成VOC气体光离子化腔双电极。

本发明还提出了一种VOC气体的PID检测方法，包括：

步骤1、在内金属电极片和第一多孔金属电极片施加直流或交流高压，玻璃罩内便建立了较高强度的静电场或交变电场，玻璃罩内的低压惰性气体被激励发出紫外光；紫外光线经玻璃窗片透射出后，再经第一多孔金属电极片上的微孔，进入由第一多孔金属电极片与第二多孔金属电极片以及两电极片之间绝缘支撑体所构成的VOC气体光离子化腔；

步骤2、检测第一多孔金属电极片与第二多孔金属电极片之间所加高电压即VOC气体光离子化腔高压回路电流，记为A1；

步骤3、让外界VOC气体经过第二多孔金属电极片的微孔，扩散进入VOC气体光离子化腔；

步骤4、再检测VOC气体光离子化腔高压回路电流，记为A2；

步骤5、通过计算A1，A2的差值，对比标定参考值，便可得知所测VOC气体浓度。

本发明的有益效果是：相较于现有技术，由于玻璃罩上的紫外光源激励双电极采用平行双平面电极方案，使得激励电场均匀，驱动电压灵活，交直流皆可；由于玻璃罩尾端内部电极片具有反光特性，且电极片反光平面与紫外光输出方向垂直，背向射出窗口的光，被镜面反射，也从窗口射出，增加了输出紫外光的光强。有利于提高VOC气体检测灵敏度、精度和分辨率。本技术方案玻璃罩尾端无抽气封口尾椎，与玻璃罩尾端内部内反光电极片电连接的焊针从尾端伸出，并与玻璃罩尾端气密封接(金属+玻璃密封)，这种技术方案大大较少了光源所占空间，焊针既是通电导体，也能起到装置在线路板(PCB)上固定的作用，大大便利整个装置小型化。第一多孔金属电极片既是紫外光源激励电极，又是VOC气体离子化腔。离子感应电极，一电极两用，也有利于减少装置占用空间。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图之一；

图2为现有技术的结构示意图之二；

图3为现有技术的结构示意图之三；

图4为本发明较佳实施例一种VOC气体的PID检测装置的结构示意图；

图5为本发明较佳实施例一种VOC气体的PID检测装置的剖面图；

图中：10、20、30均为玻璃罩排气封接尾椎；

13、23、33均为玻璃窗片；

11、12、21、22、31、32均为电极片；

14、24、34均为射出的紫外光；

40为电极焊针；

41为光源玻璃罩；

42为内金属电极片反射的紫外光；

43为玻璃窗片；

44为第一多孔金属电极片；

45为第二多孔金属电极片；

46为环境VOC气体；

47为内金属电极片；

48为光源射出的紫外光；

49为绝缘支撑体。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图4-5所示，本发明提供了一种VOC气体的PID检测装置，所述VOC气体的PID检测装置包括：

筒形玻璃罩41，所述筒形玻璃罩41的上端设有玻璃窗片43，所述筒形玻璃罩41内设有内金属电极片47，所述筒形玻璃罩41底端设有电极焊针40，所述筒形玻璃罩41内充有极低气压惰性气体；

第一多孔金属电极片44，所述第一多孔金属电极片44设置在所述玻璃窗片43外侧并与所述玻璃窗片43平行接触；

第二多孔金属电极片45，第二多孔金属电极片45设置在所述第一多孔金属电极片44外侧且与所述第一多孔金属电极片44平行放置；以及

绝缘支撑体49，所述绝缘支撑体49设置在所述第一多孔金属电极片44与所述第二多孔金属电极片45之间，用于支撑所述第一多孔金属电极片44和所述第二多孔金属电极片45。

具体情况是：筒形玻璃罩41、玻璃窗片43和内金属电极片47构成一个封闭的腔室，腔内充有极低气压纯惰性气体，惰性气体一般为氙(Xe，紫外光子能量峰值8.44eV和9.57eV)或氪(Kr，紫外光子能量峰值10.03eV和10.64eV),气压在30--60Pa范围之内，在使用时，首先在内金属电极片47和第一多孔金属电极片44之间施加交流或直流高压，玻璃罩内便建立起交变电场或静电场，使得腔室内的惰性气体被激发而产生紫外光线。需要说明的是，筒形玻璃罩41的材质一般为普通玻璃，产生的紫外线被大量吸收，基本上无法穿过筒形玻璃罩41进入到外界，而与筒形玻璃罩41气密封接的氟化物玻璃窗片43则可让玻璃罩内产生的紫外光线透射，当腔室内的惰性气体被电场激发产生紫外光线时，紫外光线就可以通过该玻璃窗片43射出。由于第一多孔金属电极片44设置在玻璃窗片43外，且与该玻璃窗片43平行接触设置，从玻璃窗片射出的紫外光线穿过第一多孔金属电极片44上的多个微孔，进入到由第一多孔金属电极片44和第二多孔金属电极片45，以及绝缘支撑架构成的光离子化腔，而外界的VOC气体通过第二多孔金属电极片45上的多个微孔扩散进入到这个光离子化腔，此时这些气体在紫外光线的照射下发生电离，电离后的正负离子在第一多孔金属电极片44和第二多孔金属电极片45产生的电场的作用下，分别向第一多孔金属电极片44和第二多孔金属电极片45移动，使得两电极片之间的高压回路电流发生变化，测出这个变化量，再与标定值比较，即可判断扩散到光离子化腔内的VOC气体浓度。

具体操作实例：当检测装置检测VOC气体异丁烯(C4H8)时：

1，筒形玻璃罩41内充有惰性气体氙(Xe，光子能量9.57eV),气压为30Pa；

2，在内金属电极片47和第一多孔金属电极片44即玻璃罩紫外光激励双电极之间加350Vac(交流)电压；

3，在第一多孔金属电极片44与第二多孔金属电极片45即VOC气体光离子化腔双电极之间加400Vdc(直流)电压，并检测电路回路电流A1；

4，让混有异丁烯(分子式C4H8电离电位IP＝9.23eV)的空气由第二多孔金属电极片45的多个微孔扩散进入VOC气体光离子化腔；

5，再检测上述VOC气体光离子化腔双电极电路回路电流A2；

6，计算A2-A1差值，并与标定参考值比对，便可得知VOC气体浓度。实际精度可达10ppb，分辨率达2ppb，量程1000ppb；

当检测装置检测无机气体氨(NH3)时：

1，圆筒形玻璃罩41内充有氪(Kr，光子能量10.6eV),气压为30Pa；

2，在内金属电极片47和第一多孔金属电极片44即玻璃罩紫外光激励双电极之间加400Vdc(直流)电压；

3，在第一多孔金属电极片44与第二多孔金属电极片45即VOC气体光离子化腔双电极之间加300Vdc(直流)电压，并检测电路回路电流A1；

4，让混有氨气(分子式NH3电离电位IP＝10.16eV)的空气由第二多孔金属电极片45进入多个微孔扩散进入VOC气体光离子化腔；

5，再检测上述VOC气体光离子化腔双电极电路回路电流A2

6，计算A2-A1差值，并与标定参考值比对，便可得知VOC气体浓度。与标定参考值比对，精度达0.1ppm，分辨率达1ppm，量程1000ppm；

综上所述，本发明包括：紫外光源及VOC气体离子化腔。紫外光源包括筒形玻璃罩，其上端设有与其气密封接的透紫外玻璃窗片，窗片外侧设有与玻璃窗片平行接触的第一多孔金属电极片，其尾端内部设有内金属电极片，其尾端外部设有与内金属电极片电连接的电极焊针。玻璃罩内充有低气压的惰性气体。VOC气体离子化腔包括上述第一多孔金属电极片，与第一多孔金属电极片平行放置的第二多孔金属电极片，以及第一第二多孔金属电极片之间的绝缘支撑体。采用上述设计的VOC气体的PID检测装置，解决了目前市面上常用装置中出现的紫外光线强度较弱，电光转换效率较低，电极边缘容易打火，激励电源驱动电路较为复杂，玻璃罩尾端留有抽气封口尾椎导致紫外光源体积过大等问题。采用本发明公开的VOC气体PID检测装置，光源体积小，紫外光线强度和电光转换效率高，激励电源交直流皆可；VOC气体光离子化效果显著，大大提高了检测精度和分辨率。

以上所述实施例仅表达了本发明的两种实施方式，清楚的表明PID不仅可以快速精准地检测一般VOC气体，也可很方便准确地检测电离电位较低的无机气体，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种VOC气体的PID检测装置，所述VOC气体的PID检测装置包括紫外光源筒形玻璃罩，其上端设有透紫外光玻璃窗片，其特征在于，所述VOC气体的PID检测装置还包括：

紫外光源筒形玻璃罩尾端内部设有内金属电极片，且其尾端外部设有与内金属电极片电连接的电极焊针，玻璃罩内充有低气压惰性气体；

第一多孔金属电极片，设置在所述玻璃窗片外侧并与所述玻璃窗片平行接触；

第二多孔金属电极片，设置在所述第一多孔金属电极片外侧且与所述第一多孔金属电极片相对平行放置；以及

绝缘支撑体，其设置在所述第一多孔金属电极片与所述第二多孔金属电极片之间，并与两多孔金属固定接触；

所述第一多孔金属电极片与所述内金属电极片构成紫外光源激励双电极；所述第一多孔金属电极片与所述第二多孔金属电极片构成VOC气体光离子化腔双电极。

2.根据权利要求1所述的VOC气体的PID检测装置，其特征在于，所述玻璃窗片与玻璃罩气密封接。

3.根据权利要求1所述的VOC气体的PID检测装置，其特征在于，所述玻璃窗片材质为透紫外光的氟化物玻璃。

4.根据权利要求1所述的VOC气体的PID检测装置，其特征在于，所述绝缘支撑体呈环形，其与所述第一多孔金属电极片和所述的第二多孔金属电极片形成VOC气体光离子化腔。

5.根据权利要求1所述的VOC气体的PID检测装置，其特征在于，所述内金属电极片相对所述第一多孔金属电极片一侧为反光面。

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