CN113504179A - 一种PID传感器和一种VOCs浓度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PID传感器和一种VOCs浓度测量方法，其中PID传感器包括紫光光源和测量室，紫外光源设置在测量室顶部的透光孔上方。电离区域的一侧设置有进气口，相对的另一侧设置有出气口；测量室底部设置有多个正负电极对，正负电极对分别与信号放大器和预充电电源连接。本申请实施例使用多个正负电极对来吸收电离区域电离出的离子，通过检测正电极和负电极的电势差来确定离子的电离程度以及VOCs的浓度；又通过上游区域和下游区域的正负电极对的电势差来识别不同质量的离子和带不同电荷的离子，从而确定VOCs的化合物离子组分。本申请可有效提高VOCs的测量精度，并提高测量时的物质区分度，本申请适用于气体光学检测领域。

Description

一种PID传感器和一种VOCs浓度测量方法

技术领域

本申请涉及气体光学检测领域，尤其涉及一种PID传感器和一种VOCs浓度测量方法。

背景技术

随着人们的安全意识和环保意识的进一步增强，大气环境的监测成为重要的课题。而其中，VOCs(volatile organic compounds，挥发性有机化合物)监测是其中重要的一环，由于一些有毒VOCs的挥发会对动植物造成严重伤害，因此VOCs含量成为了评估空气质量的重要指标。相关技术中，大型VOCs检测机器价格昂贵，布置起来比较麻烦，因此实际空气监测工作中，经常使用小型的PID(Photo Ionization Detectors，光离子检测)传感器进行VOCs浓度的测量。PID传感器具有检测速度快、对检测气体无破坏等优点，但目前，大部分PID传感器只能测量气体中VOCs的总量，但是VOCs是一类易挥发的有机化合物的总称，相关技术中的PID传感器无法记录气体中VOCs的特征，对于不同种类的VOCs难以作区分，这对于后续的大气数据分析乃至大气环境治理无疑都是不利的。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请提出一种PID传感器和一种VOCs浓度测量方法，利用本申请提出的PID传感器进行气体检测，可以确定VOCs的浓度以及VOCs的化合物离子组分。

第一方面，本申请实施例提供了一种PID传感器，包括：紫外光源、测量室；所述测量室的顶部设置有透光孔，所述紫外光源设置在所述透光孔上方；所述测量室的电离区域的一侧设置有进气口，所述电离区域相对的另一侧设置有出气口；上游区域的底部、所述电离区域的底部和下游区域的底部均设置有多个正负电极对，所述正负电极对与信号放大器连接；所述正负电极对包括一个正电极和一个负电极，所述正电极与所述信号放大器的正输入端连接，所述负电极与所述信号放大器的负输入端连接；所述正电极与预充电电源的正极连接，所述负电极与所述预充电电源的负极连接。其中，所述电离区域位于所述透光孔下方，所述电离区域为所述测量室内所述紫光光源能照射到的最大区域；其中，所述上游区域是指所述电离区域和所述进气口之间的区域；其中，所述下游区域是指所述电离区域和所述出气口之间的区域。

可选地，所述正负电极对设置在基板上；所述基板上还设置有恒压电极板；所述恒压电极板包括正极板和负极板；所述正极板与恒压电源的正极连接；所述负极板与所述恒压电源的负极连接。

可选地，所述透光孔上方设置有可移动的遮光板。

可选地，所述进气口设置有气体控制器，所述气体控制器用于控制气体流速。

可选地，所述进气口设置还设置有气体过滤器，所述气体过滤器与所述气体控制器连接。

可选地，所述紫光光源为真空紫外光源，所述紫光光源的功率为30W到200W。

第二方面，本申请实施例提供了一种VOCs浓度测量方法，包括：使用所述预充电电源对所述正负电极对进行预充电，所述预充电完成后切断所述预充电电源；当所述紫光光源预热完毕，多次从进气口向测量室通入不同流速的测试气体；获取每个所述正负电极对所对应的所述信号放大器的电压差；根据所述电压差，确定所述正负电极对在放电过程中的电势差变化情况；对所述电势差变化情况进行算法分析，确定所述测试气体中的VOCs浓度和VOCs的化合物离子组分。

可选地，所述对所述电压差变化过程数据进行算法分析，确定所述测试气体中的化合物离子组分和VOCs浓度，包括：在不同气体流速下，确定任一所述正负电极对的自然放电曲线；在不同气体流速下，确定任一所述正负电极对的照射放电曲线；根据所述自然放电曲线、所述照射放电曲线确定所述测试气体中的VOCs浓度和不同化合物离子组分的含量。

可选地，所述对所述电压差进行算法分析，确定所述测试气体中的化合物离子组分和VOCs浓度，包括：根据所述信号放大器的空间分布，对若干所述信号放大器进行信号采样，确定若干信号采样值；获取所述VOCs的标定采样值；根据下游区域若干信号采样值和所述标定采样值，确定离子质量和带电荷信息；根据所述离子质量和带电荷信息，确定所述VOCs的化合物离子组分。

本申请实施例的有益效果如下：本申请实施例提供的PID传感器包括紫光光源和测量室，测量室的顶部设置有透光孔，紫外光源设置在透光孔上方；电离区域位于透光孔下方，电离区域为测量室内紫光光源能照射到的最大区域。电离区域的一侧设置有进气口，电离区域相对的另一侧设置有出气口；上游区域的底部、电离区域的底部和下游区域的底部均设置有多个正负电极对，正负电极对与信号放大器连接；正负电极对包括一个正电极和一个负电极，正电极与信号放大器的正输入端连接，负电极与信号放大器的负输入端连接；正电极与预充电电源的正极连接，负电极与预充电电源的负极连接。本申请实施例使用多个正负电极对来吸收电离区域电离出的离子，通过检测正电极和负电极的电势差来确定离子的电离程度以及VOCs的浓度；又通过上游区域和下游区域的正负电极对的电势差来识别不同质量的离子以及带电荷量不同的离子，从而确定VOCs的化合物离子组分。本申请实施例不仅可以采集多个正负电极对的信号提高VOCs浓度的测量精度，还可以确定VOCs的化合物离子组分，有效提高VOCs测量的物质区分度，对于后续的大气数据处理乃至大气环境治理均起到积极影响。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1是本申请实施例提供的PID传感器的第一示意图；

图2是本申请实施例提供的PID传感器的第二示意图；

图3是本申请实施例提供的基板的示意图；

图4为本申请实施例提供的VOCs浓度测量方法的步骤流程图；

图5为本申请实施例提供一个正负电极对的电势差变化图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。

参考图1，图1是本申请实施例提供的PID传感器的第一示意图，该PID传感器100包括紫光光源110和测量室120，测量室的顶部设置有透光孔121，该紫光光源则设置在透光孔的上方，当紫光光源打开，紫外线则从透光孔照射到测量室内部，紫光光源照射到测量室内的最大区域称为电离区域130。在电离区域的一侧，测量室设置有进气口122，在电离区域相对的另一侧则设置有出气口123。以电离区域为准，电离区域和进气口之间的区域为上游区域，用标号140表示；电离区域和出气口之间的区域为下游区域，用标号150表示。在上游区域的底部、电离区域的底部和下游区域的底部均设置有多个正负电极对160，正负电极对与信号放大器连接；正负电极对包括一个正电极和一个负电极，正电极与信号放大器的正输入端连接，负电极与信号放大器的负输入端连接；正电极与预充电电源的正极连接，负电极与预充电电源的负极连接。图1中没有画出正电极、负电极信号放大器和预充电电源，正负电极对的连接情况将在下文中结合其他附图展开阐述。

相关技术中，低功耗的PID传感器使用微弱的紫外光对测试气体进行电离，因为其发光量较少，电离效应弱，传感器很容易因为受到污染而停止工作。而在本申请实施例中，使用功率为30W到2000W的真空紫光光源作为紫光光源，功率较大，可以保证光子能量为10.6eV的真空紫外光通量足够大，不至于因为微小的污染就失灵，不能停止工作，有利于提高PID传感器的寿命。

如图1的方向所示，在电离区域的左边有进气口，右边有出气口，则在测量室内气体的流动方向是从左到右，需要进行检测的气体从进气口进入测量室，由于PID传感器是一种对气体无破坏性的检测设备，气体电离后，离子还能与正电荷或是负电荷结合还原成气体，则还原后的气体从出气口排出测量室。若以测量室内的三个区域的角度来描述气体在PID传感器内流动过程，则为：测试气体从进气口进入测量室，经过上游区域，在电离区域被电离，然后离子在电离区域或者是下游区域还原为气体，经由出气口排出测量室。

可以理解的是，本申请实施例没有对透光孔的形状做具体限制，也没有对紫外光源到透光孔的距离做具体限制，在图1中以标号为130的区域表示电离区域，而在实际的PID传感器中的电离区域也可以为其他形状。

本申请实施例提供的PID传感器，使用多个正负电极对来吸收电离区域电离出的离子，通过检测正电极和负电极的电势差来确定离子的电离程度以及VOCs的浓度；又通过上游区域和下游区域内的正负电极对的电势差来识别不同质量和不同带电荷的离子，从而确定VOCs的化合物离子组分。本申请实施例不仅可以采集多个正负电极对的信号提高VOCs浓度的测量精度，还可以确定VOCs的化合物离子组分，有效提高VOCs测量的物质区分度，对于后续的大气数据处理乃至大气环境治理均起到积极影响。

在一些实施例中，如图1所示，该PID传感器还设置有可移动的遮光板170，遮光板设置在透光孔上方，该遮光板可以通过旋转、平移等移动方式打开或遮蔽透光孔。在传感器没有进行气体测试时，使用遮光板遮蔽透光孔，需要使用传感器时，先完成紫光光源的预热，当紫光光源可以提供稳定的光线时，则移开遮光板，令光线进入测量室。可以动的遮光板有助于保持测量室的测量环境稳定，也有助于保持光源稳定，减少因为光线不稳定导致的电离程度不一致，数据可靠性下降的情况。

在一些实施例中，如图1所示，该PID传感器还设置有基板180，上文提到的正负电极对则设置在基板上，信号传感器和预充电电源也可以设置在基板上，方便多条线路的布设以及信号的采集。

在一些实施例中，如图1所示，该PID传感器还设置有气体控制器190，气体控制器设置在测量室的进入口处，由气体控制器来控制进入测量室的气体流速，通过控制气流速度实现离子漂移速度可控，从而帮助计算VOCs的化合物离子组分。关于控制气体流速的内容将在下文中展开更详细的阐述。

在一些实施例中，如图1所示，该PID传感器还设置有气体过滤器1100，气体过滤器与气体控制器连接，测试气体先经过气体过滤器，将粉尘等杂质过滤，过滤后的测试气体由气体控制器控制速度输送到测量室。由于测试气体已经经过过滤，则粉尘等大颗粒就难以进入测量室造成污染；另外，测量室排出的气体也可以直接进行后续其他分析检测，无需再进行过滤，有助于简化气体检测的操作流程。

通过以上实施例中各个部件的灵活组合，有助于提高本申请实施例中的PID传感器测量精度、使用寿命中的至少一项。参照图2，图2是本申请实施例提供的PID传感器的第二示意图。图2和图1均表示本申请实施例提出的PID传感器，因此图2中沿用图1中的各个部件的标号。如图2所示，测试气体通过气体过滤装置1100和气体控制器190，由进气口121进入测量室，当气体经过电离区域130，气体在紫外光线下发生电离，离子由设置在底部基板180上的正负电极对160吸附，离子再与正负电极对上的正电荷或负电荷结合，还原成气体，经由出气口排出测量室，完成气体的测量。

在一些实施例中，如图2所示，该传感器PID还设置有恒压电极板，恒压电极板包括正极板210和负极板220；正极板与恒压电源的正极连接；负极板与恒压电源的负极连接。图2中没有画出恒压电源，恒压电极板的连接方式将在下文中结合其他附图阐述。恒压电机板为测量室添加了一个高压偏置电场，如图2的方向所示，正负电极对内的正电极和负电极平行设置，正负电极对内的方向都是正电极在上方，负电极在下方，则在上方设置正极板，与正电极的方向相同，使尽量多的带负电荷的离子电离后被吸引到正电极上，同理负极板设置在下方，与负电极的方向相同。则气体电离后产生的离子则由恒压电机板产生的偏置电场吸引，分别向正极板和负极板两边移动，被正电极和负电极所吸附。

在一些实施例中，如图2所示，正负电极对在基板上呈矩阵排列，则离子被正负电极对吸附、检测信号的过程中，可以尽量采集基板上对称位置的多个正负电极对连接的信号放大器的信号，令采集到的数据可以互为参考，有助于提高数据的可靠性。另外，由于气体在测量室内是流动的，规则排列的正负电极对可以尽量减少正负电极对对气流的影响，同样有助于提高采集到的数据的可靠性。

参照图3，图3是本申请实施例提供的基板的示意图，如图3所示，基板上设置有恒压电极板、正负电极对、信号放大器300、恒压电源310和预充电电源320。预充电电源的正极和正电极330连接，预充电电源的负极和负电极340连接。信号放大器的正输入端和正电极连接，信号放大器的负输入端和负电极连接。恒压电源的正极与正极板210连接，恒压电源的负极与负极板220连接。预充电电源充电完毕后则会断开电源，恒压电源在PID传感器工作时也始终通电，当PID传感器工作，则从各个信号传感器的输端采集信号进行数据分析。

参照图4，图4为本申请实施例提供的VOCs浓度测量方法的步骤流程图，该方法包括但不限于步骤S400-S430：

S400、使用预充电电源对正负电极对进行预充电，预充电完成后切断预充电电源；

具体地，在进行气体测试之前利用预充电电源对正负电极对进行充电，充电完成后，可以令正负电极对更好地保持电势。另外，通过监测正负电极对的电势，可以完整测量预充电电源充放电的过程，有助于更精确地反映电离过程。

S410、当紫光光源预热完毕，多次从进气口向测量室通入不同流速的测试气体；

具体地，为了提供稳定的光线，紫光光源需要进行预热。当紫光光源预热完毕，由进气口向测量室通入测试气体，若进气口处设置有气体过滤器，则将过滤后的测试气体通入测量室。

另外，在一些实施例中，若使用的PID传感器包括气体控制器，可以根据气体控制器调整测试气体的流速，通过多次改变测试气体流速，获得多组测试数据，有助于降低测试误差，提高本申请实施例的VOCs浓度测试方法的测试精度。

S420、获取每个正负电极对所对应的信号放大器的电压差，并根据电压差，确定正负电极对在放电过程中的电势差变化情况；

具体地，当气体经过电离区域，由紫外光进行电离，电离出的离子一部分随着热扩散到达逆风方向的上游区域，一部分在电离区域就被正负电极对吸附，一部分随着气流飘散到顺风方向的下游区域，离子被正负电极对吸附会导致正电极和负电极之间的电压差发生变化，信号放大器将电压差放大，因此可以采集每个信号放大器的信号，以获得每个正负电极对的电压差。

并且，可以理解是，在整个测试过程中，正负电极对放电，可以多次采集正度电极对电压差，从而得到每一个正负电极对在放电过程中的电势差变化情况。

S430、对电势差变化情况进行算法分析，确定测试气体中的VOCs浓度和VOCs的化合物离子组分；

具体地，获取到多个信号放大器的电压差数据，并对这些电势差变化情况进行算法分析，可以确定测试气体中的VOCs浓度和VOCs的化合物离子组分。

首先，通过电势差变化情况可以确定测试气体中的VOCs浓度。参见图5，图5为本申请实施例提供一个正负电极对的电势差变化图，如图5所示，标号500表示的曲线为当前正负电极对的预充电曲线，标号510表示PID传感器正常工作时，在某一固定气体流速下，当前正负电极对在紫光照射下的照射放电曲线，标号520表示没有紫光照射，当前正负电极对的自然放电曲线。可以理解的是，图5中的三条曲线可以通过检测该正负电极对连接的信号放大器的信号获得。图5中自然放电曲线和照射放电曲线之间的阴影区域530就是到达当前正负电极对的带电离子的电荷积分量。基于PID传感器的原理，VOCs这种挥发性有机物会在紫外光源的照射下发生电离，但如氧气、氮气这类比较稳定的气体组分不会发生电离，因此，可以理解的是，阴影区域表示的电荷积分量与测试气体中VOCs的总量呈正相关。经过信号放大器输出信号更多的分析和标定后，就可以确定测试气体中的VOCs浓度。

可以理解的是，为了获取多组测试数据，可以通过气体控制器多次调整气体流速，从而获得同一正负电极对在不同气体流速下的多条照射放电曲线，获得多组测试数据，有利于提高测试的精度。

其次，通过电势差变化情况可以确定测试气体中VOCs的化合物离子组分。上述图4中的步骤S420提到：测试气体电离出的离子一部分随着热扩散到达逆风方向的上游区域，一部分在电离区域就被正负电极对吸附，一部分随着气流飘散到顺风方向的下游区域。在带电荷量相近的前提下，质量越大的离子的动量越大，会顺着气流到达下游区域更远的地方。而且，不同离子所携带的电荷量也不相同，对应的正负电极对的电势差变化情况也会有所不同。因此，根据信号放大器的空间分布，对上游区域和下游区域若干信号放大器进行信号采样，确定若干信号采样值；根据信号采样值以及预先获取的标定采样值，综合上游区域正负电极对的电压差和下游区域正负电极对的电压差，可以获得纯动量相关的离子质量信息；再结合电离区域内正负电极对的电压差确定离子的电离程度可以确定离子的带电荷信息，经过标定算法处理则可以获取VOCs中各个种类的化合物的测量值，也就是确定VOCs的化合物离子组分。

可以理解的是，本申请实施例中提到的标定采样值是指标气在本申请实施例提供的PID传感器中信号的标准采样值。标气包含各种组分的VOCs，且各个种类的VOCs的准确组分是已知的，在出厂标定时，将标气通入本申请实施例的PID传感器中，并通过本申请实施例提供的VOCs浓度测量方法对标气进行测量，利用算法分析测试数据并得到各个正负电极对采集到的标准采样值，这些标准采样值反映了不同种类的VOCs在本申请的PID传感器中的具体电离情况，以及具体会在哪些位置被正负电极对吸附，因此，标准采样值可以作为参照数据，对PID传感器正常使用中采集到的信号采样值作参照。

需要说明的是，本申请实施例没有对从PID传感器采集到的数据进行分析处理的算法进行具体限制，可以用相关技术中适宜的算法对这些数据进行分析处理。

在一些实施例中，若本申请实施例中的PID传感器设有气流控制器，可以通过气流控制器改变气流速度，对测试气体进行多次测量。相关技术中，面向VOCs测量的PID传感器可以对扩散式或者是流动式的气流进行测量，而本申请实施例为了实现离子漂移速度的可控，设置气流控制器对测试气体进行速度控制。通过改变气流速度多次反复测量，提高采集数据的可靠性，有助于提高VOCs化合物离子组分区分的准确度。

综上，本申请实施例提供的PID传感器包括紫光光源和测量室，测量室的顶部设置有透光孔，紫外光源设置在透光孔上方；电离区域位于透光孔下方，电离区域为测量室内紫光光源能照射到的最大区域。电离区域的一侧设置有进气口，电离区域相对的另一侧设置有出气口；上游区域的底部、电离区域的底部和下游区域的底部均设置有多个正负电极对，正负电极对与信号放大器连接；正负电极对包括一个正电极和一个负电极，正电极与信号放大器的正输入端连接，负电极与信号放大器的负输入端连接；正电极与预充电电源的正极连接，负电极与预充电电源的负极连接。在不同的实施例中，本申请实施例提出的PID传感器还包括基板、气体过滤器、气体控制器、恒压电极板等部件中的至少一件或者是多件的组合。

而本申请实施例提供的VOCs浓度测量方法，使用本申请实施例提供的PID传感器，使用多个正负电极对来吸收电离区域电离出的离子，通过检测正电极和负电极的电势差来确定离子的电离程度以及VOCs的浓度；又通过上游区域和下游区域的正负电极对的电势差来识别不同质量的离子，从而确定VOCs的化合物离子组分。

因此，本申请实施例不仅可以采集多个正负电极对的信号，提高VOCs浓度的测量精度，还可以确定VOCs的化合物离子组分，有效提高VOCs测量的物质区分度，对于后续的大气数据处理乃至大气环境治理均起到积极影响。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种PID传感器，其特征在于，包括：紫外光源、测量室；

所述测量室的顶部设置有透光孔，所述紫外光源设置在所述透光孔上方；

所述测量室的电离区域的一侧设置有进气口，所述电离区域相对的另一侧设置有出气口；

上游区域的底部、所述电离区域的底部和下游区域的底部均设置有多个正负电极对，所述正负电极对与信号放大器连接；

所述正负电极对包括一个正电极和一个负电极，所述正电极与所述信号放大器的正输入端连接，所述负电极与所述信号放大器的负输入端连接；

所述正电极与预充电电源的正极连接，所述负电极与所述预充电电源的负极连接。

其中，所述电离区域位于所述透光孔下方，所述电离区域为所述测量室内所述紫光光源能照射到的最大区域；

其中，所述上游区域是指所述电离区域和所述进气口之间的区域；

其中，所述下游区域是指所述电离区域和所述出气口之间的区域。

2.根据权利要求1所述的PID传感器，其特征在于，所述正负电极对设置在基板上；

所述基板上还设置有恒压电极板；

所述恒压电极板包括正极板和负极板；

所述正极板与恒压电源的正极连接；

所述负极板与所述恒压电源的负极连接。

3.根据权利要求1所述的PID传感器，其特征在于，所述透光孔上方设置有可移动的遮光板。

4.根据权利要求1所述的PID传感器，其特征在于，所述进气口设置有气体控制器，所述气体控制器用于控制气体流速。

5.根据权利要求4所述的PID传感器，其特征在于，所述进气口设置还设置有气体过滤器，所述气体过滤器与所述气体控制器连接。

6.根据权利要求1所述的PID传感器，其特征在于，所述紫光光源为真空紫外光源，所述紫光光源的功率为30W到200W。

7.一种VOCs浓度测量方法，其特征在于，包括：

使用所述预充电电源对所述正负电极对进行预充电，所述预充电完成后切断所述预充电电源；

当所述紫光光源预热完毕，多次从进气口向测量室通入不同流速的测试气体；

获取每个所述正负电极对所对应的所述信号放大器的电压差，并根据所述电压差，确定所述正负电极对在放电过程中的电势差变化情况；

对所述电势差变化情况进行算法分析，确定所述测试气体中的VOCs浓度和VOCs的化合物离子组分。

8.根据权利要求7所述的VOCs浓度测量方法，其特征在于，所述对所述电压差变化过程数据进行算法分析，确定所述测试气体中的化合物离子组分和VOCs浓度，包括：

确定任一所述正负电极对的自然放电曲线；

在不同气体流速下，确定任一所述正负电极对的照射放电曲线；

根据所述自然放电曲线、所述照射放电曲线确定所述测试气体中的VOCs浓度和不同化合物离子组分的含量。

9.根据权利要求7所述的VOCs浓度测量方法，其特征在于，所述对所述电压差进行算法分析，确定所述测试气体中的化合物离子组分和VOCs浓度，包括：

根据所述信号放大器的空间分布，对若干所述信号放大器进行信号采样，确定若干信号采样值；

获取所述VOCs的标定采样值；

根据下游区域若干信号采样值和所述标定采样值，确定离子质量和带电荷信息；

根据所述离子质量和带电荷信息，确定所述VOCs的化合物离子组分。

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