Людям потрібно більше, ніж просто їхні природні органи почуттів, щоб гарантувати їхню безпеку під час повсякденного життя чи професійної діяльності. Виявлення небезпечних елементів у навколишньому середовищі, очищення води, повітря та ґрунту, запобігання вибуху у гірничодобувній та різних галузях промисловості, пожежна безпека та багато інших сфер людського життя вимагають високотехнологічного високоточного обладнання. Одним із таких інструментів є фотоіонізаційний детектор (ФІД).
Принцип дії фотоіонізаційного детектора
Фотоіонізаційний детектор – ефективний і недорогий прилад, який розпізнає та вимірює газ та пари. Він виявляє леткі органічні сполуки (ЛОС) за допомогою ультрафіолетового світла, яке поглинається молекулами, і атоми газу перетворюються на позитивні або негативні іони. Заряджені іони виробляють електричний струм, який вимірюється та обчислюється у значеннях частин на мільйон (PPM) або частин на мільярд (PPB). Фотони випускаються ультрафіолетовою лампою, газ за допомогою насоса проходить через датчик, і якщо аналіти виявляються, детектор сигналізує за допомогою світлового і звукового сигналу. Це неруйнівний метод аналізу, оскільки в ньому задіяно лише невелику кількість молекул, які іони рекомбінують у вихідні елементи. Фотоіонізаційні детектори можуть використовуватись разом з іншим спорідненим обладнанням для більш точних вимірювань.
Фотоіонізаційний детектор (PID) використовує ультрафіолетове світло з низькою довжиною хвилі для викиду електронів із сполук, що не є цільовими, у повітрі чи іншому газі. Електрони та позитивні іони вимірюються як сила струму, пропорційна концентрації сполук, що дозволяє точно зчитувати показники на таких низьких рівнях, як частки на мільярд (ppb). Хімічна речовина реагує, доки енергія фотонів лампи перевищує енергію іонізації цієї хімічної речовини.
Компонентами чистого повітря є N2, O2, H2O, CO2, Ar та ін. Усі вони не можуть іонізуватись нижче 11 еВ і тому не заважають. Тисячі поширених летких органічних сполук, зокрема H2S, NH3 та йоду, можна виявити за допомогою PID. Типові сфери застосування включають переробку та транспортування палива, виробництво пластмас, використання клеїв, фарбування, знежирення розчинниками, засоби для чищення, харчову та фармацевтичну обробку, очищення небезпечних відходів, пестициди та фумігацію та багато іншого.
Сучасні ФІД є портативними, зручними, мають мікропроцесор для розрахунку органічних сполук, дисплей для зчитування результатів та енергонезалежну пам’ять для збереження даних.
Сучасні ФІД є портативними, зручними, мають мікропроцесор для розрахунку органічних сполук, дисплей для зчитування результатів та енергонезалежну пам’ять для збереження даних.
Вони можуть виявити такі ЛОС як:
- знежирювачі та розчинники;
- теплоносії та палива;
- пластмаси та їх вихідні матеріали;
- мастильні матеріали та ін.
Чутливість кожного фотоіонізаційного детектора залежить від того, яку ультрафіолетову лампу встановлено.
Види ламп для фотоінізаційного детектора
При використанні ФІД необхідно пам’ятати, що він виявляє гази з такою ж меншою енергією іонізації, ніж у фотонів, випромінюваних УФ-лампою. Ця енергія залежить від газу заповнення та вікна лампи. Нормальні характеристики чистого повітря нижче 12,0 еВ.
Ультрафіолетові лампи можуть бути заповнені ксеноном, криптоном та аргоном і, відповідно, поділяються на три типи. Ксенонові лампи мають найнижчу енергію фотонів і можуть виявляти ненасичені органічні сполуки з 6 та більше атомами вуглецю. Вона має найдовшу тривалість служби, але розпізнає найменшу кількість елементів. Найчастіше використовується криптонова лампа з енергією фотонів 10,6 еВ, так як вона може виявити більшу частину ЛОС та має порівняно довгий термін служби. Найвища енергія іонізації у аргонової лампи, але її вікно виготовлене з фториду літію і довго не служить.
За допомогою найнадійнішої криптонової лампи можна виявити та виміряти 80% усіх органічних хімічних речовин, включаючи спирти, ароматичні вуглеводні, йодиди та броміди, аміни, меркаптани, альдегіди, прості ефіри, акрилати та складні ефіри тощо, і навіть деякі неорганічні елементів.
Поправочні коефіцієнти для газів
Кожна хімічна речовина реагує на PID з різною чутливістю. Сенсор зазвичай калібрують за допомогою ізобутилену, а відповідь коригують за допомогою коефіцієнта, запрограмованого в приладі, щоб на дисплеї відображалася справжня концентрація вимірюваної сполуки:
Зчитування = Справжня концентрація = Відповідь x Коригувальний коефіцієнт (CF)
Було виміряно кілька сотень CF, які охоплюють найбільш ймовірні цікаві хімічні речовини.
Фотоінізаційний детектор | PID не є конкретними
Коли присутні хімічні суміші, PID реагує на всі виявлені сполуки. Програмування коригувального коефіцієнта не робить прилад специфічним для цієї сполуки. Таким чином, одна пара може заважати читанню іншої. Однак, якщо існує відома суміш хімічних речовин, наприклад суміш розчинників бензину або фарби, для точного вимірювання загальної концентрації ЛОС можна використати загальну CF суміші.
Важкі молекули і Фотоінізаційний детектор
Ручні ФІД зазвичай можуть вимірювати сполуки з температурою кипіння максимум до 250ºC. Більш важкі хімічні речовини мають тенденцію адсорбуватися на вхідних поверхнях і таким чином дають повільну та невідтворювану реакцію.
Вплив вологості на вимірювання Фотоінізаційним детектором
Висока вологість може зменшити реакцію PID на леткі органічні сполуки в навколишньому повітрі та збільшити реакцію в умовах, близьких до конденсації. Цей ефект зазвичай можна ігнорувати в більшості застосувань, але для високоточної роботи слід внести поправки або відкалібрувати одиницю за тієї самої вологості, що й вимірювання. Слід уникати умов конденсації. Наприклад, якщо пристрій перенесено з прохолодного приміщення з кондиціонером у гаряче вологе зовнішнє повітря, дайте приладу нагрітися до зовнішньої температури, щоб уникнути конденсації перед початком будь-яких вимірювань. У деяких випадках трубки для сушіння можна використовувати для видалення вологи та підвищення точності зчитування VOC.
Незначний вплив температури та тиску на вимірювання Фотоінізаційним детектором
Ці два параметри лише незначно впливають на показання ПІД-регулятора і зазвичай ними можна ігнорувати. Вони спрацьовують, лише якщо монітор відкалібровано за температури або тиску, які дуже відрізняються від тих, що використовуються для вимірювання. Підвищення температури зменшує показання PID щонайбільше на 5% на кожні 10ºC. Підвищення тиску збільшує відповідь прямо пропорційно тиску і може бути скориговано множенням на коефіцієнт тиску:
Справжня концентрація = показання х (тиск калібрування/тиск вимірювання)
Фотоінізаційним детектором вимірюють в інертних атмосферах, але не в природному газі
ФІД можна використовувати для вимірювання летких органічних сполук в інертних атмосферах, таких як паливні баки, заповнені азотом або аргоном, щоб уникнути небезпеки вибуху. Відгук PID у судинах, деоксигенованих за допомогою водню, гелію, ргону або азоту, вища на 20% порівняно з відгуком у повітрі. Чистий вуглекислий газ або чистий кисень спричиняє зниження відповіді приблизно на 20%, але ЛОС можна виміряти, якщо внести корекцію. Природний газ (тобто чистий метан) і рідкий нафтовий газ (LPG) сильно гасять реакцію PID, тому вимірювання не можна проводити в цих матрицях, окрім як після 100-кратного розведення.
Застосування фотоіонізаційного детектора
Фотоіонізаційні детектори широко використовуються у тих випадках, коли необхідно виявити витік палива чи хімікатів, у ситуаціях, коли працівникам доводиться перевіряти пожежну безпеку робочого місця, а також для лабораторних потреб. ФІД незамінні у пожежогасінні; він також застосовується у газовій хроматографії. Ручні інструменти корисні у місцях техногенних катастроф і навіть під час перевірки забруднення житлового приміщення.