CN110208362B - 一种低零点飘移的pid传感器电离室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低零点飘移的PID传感器电离室，涉及气体传感器技术领域，包括外壳、紫外灯、电极组件，电极组件设于外壳内，外壳具有气流入口和气流出口，紫外灯的光线照射方向与气流方向为同轴逆向，且与电极组件形成的电场方向同轴；电极组件包括上电极板、上挡光板、下电极板和下挡光板，上电极板与下电极板分别连接直流高压电源的正负两极，形成静电场并收集目标气体电离后产生的信号。采用光路方向、气流方向和电场方向三轴合一的设计，避免了紫外线直接照射电极引发的零点漂移。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，特别是涉及一种低零点飘移的PID传感器电离室。
背景技术
PID气体传感器是用于检测气体中有毒有害与易燃易爆成分的一种新型传感器，主要检测对象为有机气体和部分无机气体。
目前，在很多领域需要进行有毒有害及易燃易爆等气体的现场分析，例如，环境监测、安全检测和生产中的过程分析等。对这类仪器的主要要求是：使用方便、检测精度符合要求、价位较低、满足现场使用环境条件等，要实现上述指标，需要对传感器进行全面的创新，其中重要的一项就是传感器零点漂移的正确设计。
以往，气体中有机物的检测主要使用色谱仪(以下称FID)、红外检测仪等仪器来检测，这些仪器属实验室仪器，把实验室仪器搬到现场使用就出现了不少的问题，例如：FID仪器复杂，使用很不方便，价位很高；又如红外分析仪无法在高湿的环境下工作。为了满足现场检测目标气体的要求，需要研发一种新的仪器，即开发仪器的核心部件——传感器。
从上世纪80年代开始，一种基于PID原理的现场气体分析仪器引起了人们的注意。这种分析仪的原理是：仪器中的紫外灯发出的高能紫外线（能量为10.6eV左右）将进入仪器待测的目标气体并在电离室中电离，电离后产生的电子和正离子在电离室中被高压静电场吸引，两个电极将电子和离子收集，在后续的电路上产生电流信号，通过检测电流信号的大小，从而达到检测目标气体的浓度的目的。
基于PID原理仪器的核心部件是PID传感器，传感器中的核心是电离室。目标气体在电离室内被电离的同时，电离后的电子和离子信号被电极收集，由于电离后的电子和离子很容易复合，因此，在实际电离室的结构设计时，必须把电离区和电荷收集区设计在同一区域内，称之为电离室。由于构成电场的两个电极处于紫外线的直接照射下，而电极必须是金属或石墨涂层等具有导电性能的材料制成的，而这些材料的电离电位远小于高能紫外线的10.6eV能量， 因此，这些电极在紫外灯的照射下会发射自由电子，电子被电极收集，形成干扰信号。尽管这种干扰信号在开机后是逐步衰减的，但不能随时间全部衰减完，而且这种衰减是无规律的，这样的结果会严重影响PID仪器对有机气体的检测效果，导致达不到实际使用的要求。
传统PID传感器的电离室有两种：一是图1所示的平行板型电离室，气流方向与紫外灯照射方向为同轴逆向，电场方向与气流方向相垂直，由于电极处于紫外线的直接照射下，因此，两个电极在紫外灯的照射下会发射自由电子，电子被电极收集，产生干扰信号，导致零点漂移。此外，由于带电粒子在电场中为横向移动，且速度较慢，当气流速度较大时，带电粒子来不及被电极捕获，就会飞出电离区，因此，其灵敏性比较低；二是图2的圆筒型电离室，这类电离室应用较多，例如公开号为CN20274961U的一种光离子化检测器，这种检测器的电离室采用的是圆筒型电离室，圆筒型电离室中，电极仍然会被紫外光照射，造成传感器零点的不稳定。
为了解决零点漂移产生的干扰信号问题，国外的PID传感器生产厂商研发了多种解决零点漂移的电离室。目前市场上应用最多的是美国的一种叫Baseline的传感器，它占据了我国环保市场的大部分用量，其电离室如图3所示。这是一种扩散式气体传感器，气流在传感器的上部流过，部分气体通过传感器上部的19个直径0.8mm的小孔进入电离室内，小孔上布置有电极，电极孔径与电极间的绝缘板上的小孔直径相同。在这种电离室设计结构中，每个小孔上的电极只暴露很少部分，以实现减小零点漂移的目的，但是小孔上的两个电极仍然会受到紫外光的照射，因此，这种传感器的零点仍然不很稳定。加上其他的不足之处，这种传感器只能在检测要求较低的场合使用，在环保市场上是满足不了相应技术要求的。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种低零点飘移的PID传感器电离室，解决现有电离室存在的零点漂移严重的问题，使零点漂移情况得到显著改善，达到实际使用的要求。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种低零点飘移的PID传感器电离室，包括外壳、紫外灯、电极组件，电极组件设于外壳内，外壳具有气流入口和气流出口，紫外灯的光线照射方向与气流方向为同轴逆向，且与电极组件形成的电场方向同轴；
电极组件包括上电极板、上挡光板、下电极板和下挡光板，上电极板与下电极板分别连接直流高压电源的正负两极，形成静电场并收集目标气体电离后产生的信号；下挡光板贴合于下电极板下方且两者靠近紫外灯一侧设置，下电极板与下挡光板在相对应位置分别开设有孔一和孔二，孔一的孔径大于孔二的孔径；上挡光板贴合于上电极板下方，上挡光板与下电极板之间具有间隔且两者相对应平行设置，上电极板与上挡光板在相对应位置分别开设有孔三和孔四，孔三的孔径小于孔四的孔径。
技术效果：本发明采用紫外线光路、气流为同轴逆向，且和电场方向同轴的设计，设计了气路通道、光路通道和电极组件，并利用双挡光孔板和孔板电极等方法，避免了紫外线直接照射电极引发的零点漂移，解决原有传感器严重的零点漂移问题，提高仪器的整机性能。
本发明进一步限定的技术方案是：
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，孔二的孔径在1～2mm之间，孔四的孔径在0.5～1mm之间。
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，上电极板和下电极板采用网格或多孔形的平板式电极，上挡光板和下挡光板采用网格或多孔形的平板。
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，上电极板和下电极板采用金属电极或石墨涂层电极，上挡光板和下挡光板采用高绝缘性、抗紫外线的材料制作而成。
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，下挡光板与紫外灯之间的间隔距离为0.1～0.5mm，上电极板与下电极板之间的间隔距离为3～6mm，两者之间构成电场区和电离区。
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，上电极板与下电极板之间的间隔距离为4～5mm。
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，还包括连接于上挡光板与下电极板之间且位于一侧的气路挡板，气流入口设于外壳位于上电极板上方的部位，气流出口靠近气路挡板一侧设置且位于紫外灯与外壳的连接处，从气流入口经过气路挡板一侧与外壳之间的通道再到气流出口形成溢流通道。
前所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，气流出口的直径在0.5～2mm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中电离室的PID传感器具有零点稳定性好、检测限低、灵敏度高和使用寿命长等优点，适用于检测气体中的有机物和部分无机物，可应用于环保、安全和生产等领域；
（2）本发明中采用下挡光板与下电极板重叠的方式，下挡光板的孔径小于下电极板的孔径，使紫外光既能进入电离室，又不能照射到下电极板；
（3）本发明中采用上挡光板与上电极板重叠的方式，上挡光板开有网格化小孔阵列，上挡光板挡住大部分上电极板，从而大大减少了上电极板被紫外线照射的面积；
（4）本发明中由于紫外线在空气中传播时，光强是随传播距离的平方成反比，也就是说光强随传播距离呈指数衰减，因此，上电极板只要距离紫外灯一定距离，光对电极的影响就会降低到很小的程度，而常用的10.6eV的高能紫外线在空气中的有效照射距离为5mm，本发明中上电极板与紫外灯的距离只要在5mm左右，就可以最大限度避免紫外光对上电极板的影响；
（5）本发明中设置溢流通道，在保证采样量的同时，使流入电离室的气流达到均布和慢速的状态，提高了电离室的灵敏度，从而也降低了零点的漂移；
（6）本发明中设计的带有网孔的挡光板和电极板的另一优点是使进入电离区的气流能够均匀平稳的在电离区内流动，并顺利流出，避免了灰尘和水分在电离区的集聚；
（7）本发明中由于电场与气流方向同轴，因此带电粒子被快速气流带出电离区的现象大大减少，可以提高传感器的灵敏度；同时，气流不断冲刷紫外灯的窗口，使灰尘无法在紫外灯窗口沉积，从而保持窗口的清洁，使紫外光电离的效果达到稳定。
附图说明
图1为背景技术中平行板型PID传感器的电离室图；
图2为背景技术中圆筒型PID传感器的电离室图；
图3背景技术中Baseline传感器的电离室图；
图4为本发明的PID传感器电离室图；
其中：1、目标气体；2、外壳；3、上电极板；4、上挡光板；5、下挡光板；6、紫外灯；7、气路挡板；8、下电极板；9、紫外线；10、气流入口；11、气流出口。
具体实施方式
本实施例提供的一种低零点飘移的PID传感器电离室，结构如图4所示，包括外壳2、紫外灯6、电极组件，电极组件设于外壳2内，外壳2具有气流入口10和气流出口11，紫外灯6的光线照射方向与气流方向为同轴逆向，且与电极组件形成的电场方向同轴。
电极组件包括上电极板3、上挡光板4、下电极板8和下挡光板5，上电极板3与下电极板8分别连接直流高压电源的正负两极，形成静电场并收集目标气体1电离后产生的信号。下挡光板5贴合于下电极板8下方且两者靠近紫外灯6一侧设置，下挡光板5与紫外灯6之间的间隔距离为0.1～0.5mm，距离大小取决于冲刷窗口的要求，目的是让气流清扫电极表面可能沉积的灰尘，下电极板8与下挡光板5在相对应位置分别开设有孔一和孔二，孔一的孔径大于孔二的孔径，孔二的孔径在1～2mm之间，以实现下电极板8不受紫外灯6光线的照射。上挡光板4贴合于上电极板3下方，上挡光板4与下电极板8之间具有间隔且两者相对应平行设置，上电极板3与下电极板8之间的间隔距离为3～6mm，最佳间隔距离为4～5mm，两者之间构成电场区和电离区。上电极板3与上挡光板4在相对应位置分别开设有孔三和孔四，孔三的孔径小于孔四的孔径，孔四的孔径在0.5～1mm之间，上电极板3的部分电极暴露在上挡光板4的孔四上，实现上电极板3上只有少部分受紫外光照射的同时，使上电极板3和下电极板8能形成静电场，便于电极板接收带电粒子的电荷，且不会被更多的紫外线9照射，不会产生自由电子形成零点漂移。
在环境条件较好、灰尘和湿度较低以及检测时间较短的情况下，可以将电极间距离设计为3～4.5mm，电极间距离短，有助于信号的收集，提高传感器的灵敏度。一般电极间距离设计为4.5～6mm，而距离长有助于减少零点漂移，使传感器能够长期稳定工作。
上电极板3和下电极板8采用网格或多孔形的平板式电极，上挡光板4和下挡光板5采用网格或多孔形的平板, 最佳开孔方式为网格状开孔。上电极板3和下电极板8采用金属电极或石墨涂层电极，如可以用不锈钢或镀镍、金等耐腐蚀的金属制作。上挡光板4和下挡光板5采用高绝缘性、抗紫外线9的材料制作而成，如可以用聚四氟乙烯、聚醚醚酮和FEP等材料。
还包括连接于上挡光板4与下电极板8之间且位于一侧的气路挡板7，气流入口10设于外壳2位于上电极板3上方的部位，气流出口11靠近气路挡板7一侧设置且位于紫外灯6与外壳2的连接处，气流出口11的直径在0.5～2mm，从气流入口10经过气路挡板7一侧与外壳2之间的通道再到气流出口11形成溢流通道。
实验证明气流速度的快慢会对检测效果产生一定的影响，尤其是气流速度过快时影响较大，为了进一步解决这一问题，在上电极板3的一侧设置了气体溢流通道，阻挡过多气体进入电离区，控制进入电离区的气流，具体的说就是让流入电离室的气流在进入上电极板3之前分流，一部分气流通过溢流通道溢出。电离室内发生电离的过程中，要求气流速度较慢和均匀分布通过电离区，这样能够提高传感器的灵敏度，而传感器的灵敏度与零点漂移值是相关的，灵敏度提高一个数量级，零点漂移也减小一个数量级；另一方面，检测时要求有较大的采样速度，实现仪器检测的快速响应。解决矛盾的办法是设置溢流通道，让多余的气流从溢流通道流出，实现二者的平衡。气流出口11具体孔径的大小可根据所需的采样量要求来决定。
气流通过外壳2在顶端的气流入口10进入电离室，在气路挡板7的阻挡下一部分气体进入由外壳2与上电极板3构成的溢流通道流走，另一部分通过上电极板3和上挡光板4上的孔三和孔四进入电离区。紫外灯6发出的紫外线9通过下电极板8和下挡光板5上的孔一和孔二进入电离区。在电离区中，紫外线9将目标气体1电离成带电粒子，带电粒子在电场的作用下向电极移动，将电荷传递给电极，形成电流，释放电荷后的气体通过下电极板8和下挡光板5上的孔一和孔二流出电离区。通过测量电极间电流的大小，得到目标气体1的浓度。通过以上的一系列设计，仪器的“零点漂移”将会很小，仪器的整机性能也能够达到一个新的高度。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种低零点飘移的PID传感器电离室，包括外壳（2）、紫外灯（6）、电极组件，所述电极组件设于所述外壳（2）内，所述外壳（2）具有气流入口（10）和气流出口（11），其特征在于：所述紫外灯（6）的光线照射方向与气流方向为同轴逆向，且与所述电极组件形成的电场方向同轴；
所述电极组件包括上电极板（3）、上挡光板（4）、下电极板（8）和下挡光板（5），所述上电极板（3）与所述下电极板（8）分别连接直流高压电源的正负两极，形成静电场并收集目标气体（1）电离后产生的信号；所述下挡光板（5）贴合于所述下电极板（8）下方且两者靠近所述紫外灯（6）一侧设置，所述下电极板（8）与所述下挡光板（5）在相对应位置分别开设有孔一和孔二，所述孔一的孔径大于所述孔二的孔径；所述上挡光板（4）贴合于所述上电极板（3）下方，所述上挡光板（4）与所述下电极板（8）之间具有间隔且两者相对应平行设置，所述上电极板（3）与所述上挡光板（4）在相对应位置分别开设有孔三和孔四，所述孔三的孔径小于所述孔四的孔径；
所述上电极板（3）和所述下电极板（8）采用网格或多孔形的平板式电极，所述上挡光板（4）和所述下挡光板（5）采用网格或多孔形的平板；
所述上电极板（3）和所述下电极板（8）采用金属电极或石墨涂层电极，所述上挡光板（4）和所述下挡光板（5）采用绝缘性、抗紫外线（9）的材料制作而成；
还包括连接于所述上挡光板（4）与所述下电极板（8）之间且位于一侧的气路挡板（7），所述气流入口（10）设于所述外壳（2）位于所述上电极板（3）上方的部位，所述气流出口（11）靠近所述气路挡板（7）一侧设置且位于所述紫外灯（6）与所述外壳（2）的连接处，从所述气流入口（10）经过所述气路挡板（7）一侧与所述外壳（2）之间的通道再到所述气流出口（11）形成溢流通道。
2.根据权利要求1所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，其特征在于：所述孔二的孔径在1～2mm之间，所述孔四的孔径在0.5～1mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，其特征在于：所述下挡光板（5）与所述紫外灯（6）之间的间隔距离为0.1～0.5mm，所述上电极板（3）与所述下电极板（8）之间的间隔距离为3～6mm，两者之间构成电场区和电离区。
4.根据权利要求3所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，其特征在于：所述上电极板（3）与所述下电极板（8）之间的间隔距离为4～5mm。
5.根据权利要求1所述的一种低零点飘移的PID传感器电离室，其特征在于：所述气流出口（11）的直径在0.5～2mm。
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