光致電離型檢測器在有毒氣體檢測中的應用

2015-02-26 05:40:44周楊

石油化工自動化 2015年6期

周楊

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

光致電離型檢測器在有毒氣體檢測中的應用

周楊

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

摘要：介紹了光致電離型檢測器的工作原理、適用范圍及其特點，闡述了光致電離型檢測器的標定方法及校正系數計算方法。以苯介質為例，結合相關標準，說明了接觸限值的濃度換算及測量范圍和報警值的選擇。通過對測量原理的論述及工程應用的比較，可以發現光致電離型檢測器檢測靈敏度高，可及時發現安全隱患，有效地保障人身安全。

關鍵詞：光致電離型檢測器苯電離能電子伏特校正系數氣體濃度換算

光致電離型檢測器，也稱光離子化檢測器，是一種靈敏度高、用途廣泛的檢測器，可以檢測體積分數1×10-8～1×10-2的揮發性有機化合物(VOC)和其他有毒氣體。

介紹了光致電離型檢測器的工作原理及其特點，并以苯介質為例，說明該檢測器在石油化工工程中作為有毒氣體檢測器的應用。

1工作原理

1.1光致電離原理

處于基態的中性原子(或分子)受到電子、正離子、其他原子碰撞或吸收光子而獲得一定能量時，將躍遷到較高能態。這時原子被激發，成為受激原子。當原子獲得更大能量時，可能有一個或多個電子脫離核的束縛成為自由電子，使原子(或分子)成為帶正電荷的系統，成為正離子。該過程稱為電離或離化。當光子的能量等于或大于原子電離能時，就產生光致電離。

1.2光致電離型檢測器工作原理

光致電離型檢測器基于光致電離原理，使用具有特定發射能量的真空紫外燈產生紫外光，在電離室內對氣體分子進行轟擊，把氣體中含有的有機物分子電離成帶正電的離子和帶負電的電子，在極化極板的電場作用下，離子和電子向極板撞擊，從而形成微弱的離子電流。離子電流經電路放大和數據處理后轉化為被測有機物的體積分數值，送至顯示器顯示。氣體離子在檢測器的極板上被檢測后，很快與電子結合重新組成原來的氣體分子。其工作原理如圖1所示。

圖1　光致電離型檢測器工作原理示意

1.3光致電離型檢測器的適用范圍

電離能IE是使化合物電離或離子化的能量，以電子伏特(eV)為計量單位。由紫外燈發出的紫外光的能量也以eV衡量。如果待測氣體分子的IE低于燈的發射能量，那么該氣體分子就可以被離子化，該氣體也就可以被光致電離型檢測器檢測到。目前，常規的光致電離型檢測器紫外燈有9.8，10.6，11.7eV三種。苯的IE為9.25eV，它可以被配置10.6eV紫外燈的光致電離型檢測器檢測到。氯甲烷的IE是11.32eV，它只能被配置11.7eV紫外燈的光致電離型檢測器檢測到。一氧化碳的IE是14.01eV，不能被常規的光致電離型檢測器紫外燈離子化和檢測到。值得注意的是，在空氣各組分中氧氣的IE最低，為12.07eV。大部分的光致電離型檢測器紫外燈都不能使其電離(僅在使用11.7eV紫外燈時，會產生非常微弱的信號)，因而光致電離型檢測器不會受到空氣中各組分的干擾，可以作為有毒氣體檢測器在大氣環境中應用。

光致電離型檢測器可以檢測的氣體及揮發物見表1所列。

光致電離型檢測器不能測量的物質包括：空氣(包括氮氣、氧氣、二氧化碳、水)；常見有毒氣體(一氧化碳、氰化氫、二氧化硫)；天然氣(甲烷、乙烷等)；酸性氣體(氯化氫、氟化氫、硝酸)；氟化物，臭氧，雙氧水等。

表1光致電離型檢測器可以檢測的氣體

種類典型氣體有機物芳香類苯、甲苯、乙苯、二甲苯酮及醛類丙酮、丁酮、乙醛胺及酰胺類二乙胺氯代烴類三氯乙烯、四氯乙烯含硫有機物甲硫醇不飽和烴類丁二烯、異丁烯醇類異丙醇、乙醇飽和烴類丁烷、辛烷無機物氨、硫化氫、氮氧化物(如二氧化氮)、溴和碘、半導體氣體(如砷化氫、磷化氫等)

1.4光致電離型檢測器的標定及校正系數

光致電離型檢測器通常選用異丁烯(IBE)作為標準氣體進行標定。當用標準氣體標定光致電離型檢測器后，通過預先測定的“校正系數”進行換算，即可得到特定被測氣體的體積分數。

校正系數CF定義為光致電離型檢測器對標準氣體的儀表響應與被測氣體的儀表響應之比(換算為相同體積分數)，如式(1)所示。CF值越低，光致電離型檢測器對被測氣體的靈敏度越高。

(1)

需要注意CF值隨不同儀表會有不同，即使是同一制造商生產的不同型號產品，CF也會有差異。CF值由制造廠家在出廠時設定并給出，經過設置的光致電離型檢測器可以直接讀出被測氣體的體積分數。

2光致電離型檢測器在苯檢測中的應用

苯屬于確認的人類致癌物，防止苯泄漏和苯中毒是石油化工企業安全生產的重要環節。GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》中將苯列為常見有毒氣體，并推薦選用半導體型或光致電離型檢測器對其進行檢測。

2.1苯的接觸限值及體積分數換算

標準規范及手冊中提供的各類接觸限值一般用質量濃度表示，單位為mg/m3，而有毒氣體檢測器常用體積分數表示，因而先要進行單位換算，換算公式如下(環境條件為20℃，101.325kPa)：

(2)

式中:φB——氣體的體積分數；ρB——氣體的質量濃度，mg/m3；M——氣體組分的摩爾質量，g/mol；24.04——環境條件為20℃，101.325kPa下1mol氣體分子的體積，L/mol。

以苯為例，苯的短時間接觸容許質量濃度為10mg/m3，摩爾質量M為78.11g/mol，代入式(2)，得到：

苯的各類接觸限值及換算結果見表2所列。

表2苯的接觸限值換算

接觸限值質量濃度/(mg·m-3)體積分數最高容許濃度(MAC)401.20×10-5短時間接觸容許濃度(PC-STEL)103.00×10-5直接致害濃度(IDLH)98003.02×10-3

其中“短時間接觸容許濃度”和“直接致害濃度”取自GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業接觸限值化學有害因素》；“最高容許濃度”取自《常用化學危險物品安全手冊》。

2.2測量范圍與報警設定值

GB 50493—2009中規定：“有毒氣體的測量范圍宜為0～300%最高容許濃度或0～300%短時間接觸容許濃度；當現有檢(探)測器的測量范圍不能滿足上述要求時，有毒氣體的測量范圍可為0～30%直接致害濃度”；“有毒氣體的報警設定值宜小于或等于100% 最高容許濃度/短時間接觸容許濃度，當試驗用標準氣調制困難時，報警設定值可為200% 最高容許濃度/短時間接觸容許濃度以下。當現有檢(探)測器的測量范圍不能滿足測量要求時，有毒氣體的測量范圍可為0～30%直接致害濃度；有毒氣體的二級報警設定值不得超過10%直接致害濃度值”。

根據以上條文，采用不同接觸限值計算得到的檢測器測量范圍和報警設定值見表3所列。

表3苯的測量范圍和報警設定值