光致電離型檢測(cè)器在有毒氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

周楊

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

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光致電離型檢測(cè)器在有毒氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

周楊

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

摘要：介紹了光致電離型檢測(cè)器的工作原理、適用范圍及其特點(diǎn)，闡述了光致電離型檢測(cè)器的標(biāo)定方法及校正系數(shù)計(jì)算方法。以苯介質(zhì)為例，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明了接觸限值的濃度換算及測(cè)量范圍和報(bào)警值的選擇。通過(guò)對(duì)測(cè)量原理的論述及工程應(yīng)用的比較，可以發(fā)現(xiàn)光致電離型檢測(cè)器檢測(cè)靈敏度高，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，有效地保障人身安全。

關(guān)鍵詞：光致電離型檢測(cè)器苯 電離能電子伏特 校正系數(shù)氣體濃度換算

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

介紹了光致電離型檢測(cè)器的工作原理及其特點(diǎn)，并以苯介質(zhì)為例，說(shuō)明該檢測(cè)器在石油化工工程中作為有毒氣體檢測(cè)器的應(yīng)用。

1工作原理

1.1光致電離原理

處于基態(tài)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(shí)，將躍遷到較高能態(tài)。這時(shí)原子被激發(fā)，成為受激原子。當(dāng)原子獲得更大能量時(shí)，可能有一個(gè)或多個(gè)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(tǒng)，成為正離子。該過(guò)程稱為電離或離化。當(dāng)光子的能量等于或大于原子電離能時(shí)，就產(chǎn)生光致電離。

1.2光致電離型檢測(cè)器工作原理

光致電離型檢測(cè)器基于光致電離原理，使用具有特定發(fā)射能量的真空紫外燈產(chǎn)生紫外光，在電離室內(nèi)對(duì)氣體分子進(jìn)行轟擊，把氣體中含有的有機(jī)物分子電離成帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，在極化極板的電場(chǎng)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(jīng)電路放大和數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為被測(cè)有機(jī)物的體積分?jǐn)?shù)值，送至顯示器顯示。氣體離子在檢測(cè)器的極板上被檢測(cè)后，很快與電子結(jié)合重新組成原來(lái)的氣體分子。其工作原理如圖1所示。

圖1　光致電離型檢測(cè)器工作原理示意

1.3光致電離型檢測(cè)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(jì)量單位。由紫外燈發(fā)出的紫外光的能量也以eV衡量。如果待測(cè)氣體分子的IE低于燈的發(fā)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(cè)器檢測(cè)到。目前，常規(guī)的光致電離型檢測(cè)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(cè)器檢測(cè)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(cè)器檢測(cè)到。一氧化碳的IE是14.01eV，不能被常規(guī)的光致電離型檢測(cè)器紫外燈離子化和檢測(cè)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(cè)器紫外燈都不能使其電離(僅在使用11.7eV紫外燈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常微弱的信號(hào))，因而光致電離型檢測(cè)器不會(huì)受到空氣中各組分的干擾，可以作為有毒氣體檢測(cè)器在大氣環(huán)境中應(yīng)用。

光致電離型檢測(cè)器可以檢測(cè)的氣體及揮發(fā)物見表1所列。

光致電離型檢測(cè)器不能測(cè)量的物質(zhì)包括： 空氣(包括氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、?；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(cè)器可以檢測(cè)的氣體

種 類典 型 氣 體有機(jī)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(jī)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(wú)機(jī)物氨、硫化氫、氮氧化物(如二氧化氮)、溴和碘、半導(dǎo)體氣體(如砷化氫、磷化氫等)

1.4光致電離型檢測(cè)器的標(biāo)定及校正系數(shù)

光致電離型檢測(cè)器通常選用異丁烯(IBE)作為標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定光致電離型檢測(cè)器后，通過(guò)預(yù)先測(cè)定的“校正系數(shù)”進(jìn)行換算，即可得到特定被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。

校正系數(shù)CF定義為光致電離型檢測(cè)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體的儀表響應(yīng)與被測(cè)氣體的儀表響應(yīng)之比(換算為相同體積分?jǐn)?shù))，如式(1)所示。CF值越低，光致電離型檢測(cè)器對(duì)被測(cè)氣體的靈敏度越高。

(1)

需要注意CF值隨不同儀表會(huì)有不同，即使是同一制造商生產(chǎn)的不同型號(hào)產(chǎn)品，CF也會(huì)有差異。CF值由制造廠家在出廠時(shí)設(shè)定并給出，經(jīng)過(guò)設(shè)置的光致電離型檢測(cè)器可以直接讀出被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。

2光致電離型檢測(cè)器在苯檢測(cè)中的應(yīng)用

苯屬于確認(rèn)的人類致癌物，防止苯泄漏和苯中毒是石油化工企業(yè)安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》中將苯列為常見有毒氣體，并推薦選用半導(dǎo)體型或光致電離型檢測(cè)器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。

2.1苯的接觸限值及體積分?jǐn)?shù)換算

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及手冊(cè)中提供的各類接觸限值一般用質(zhì)量濃度表示，單位為mg/m3，而有毒氣體檢測(cè)器常用體積分?jǐn)?shù)表示，因而先要進(jìn)行單位換算，換算公式如下(環(huán)境條件為20℃，101.325kPa)：

(2)

式中:φB——?dú)怏w的體積分?jǐn)?shù)；ρB——?dú)怏w的質(zhì)量濃度，mg/m3；M——?dú)怏w組分的摩爾質(zhì)量，g/mol；24.04——環(huán)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(shí)間接觸容許質(zhì)量濃度為10mg/m3，摩爾質(zhì)量M為78.11g/mol，代入式(2)，得到：

苯的各類接觸限值及換算結(jié)果見表2所列。

表2苯的接觸限值換算

接觸限值質(zhì)量濃度/(mg·m-3)體積分?jǐn)?shù)最高容許濃度(MAC)401.20×10-5短時(shí)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(shí)間接觸容許濃度”和“直接致害濃度”取自GBZ 2.1—2007《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值化學(xué)有害因素》；“最高容許濃度”取自《常用化學(xué)危險(xiǎn)物品安全手冊(cè)》。

2.2測(cè)量范圍與報(bào)警設(shè)定值

GB 50493—2009中規(guī)定：“有毒氣體的測(cè)量范圍宜為0～300%最高容許濃度或0～300%短時(shí)間接觸容許濃度；當(dāng)現(xiàn)有檢(探)測(cè)器的測(cè)量范圍不能滿足上述要求時(shí)，有毒氣體的測(cè)量范圍可為0～30%直接致害濃度”；“有毒氣體的報(bào)警設(shè)定值宜小于或等于100% 最高容許濃度/短時(shí)間接觸容許濃度，當(dāng)試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)氣調(diào)制困難時(shí)，報(bào)警設(shè)定值可為200% 最高容許濃度/短時(shí)間接觸容許濃度以下。當(dāng)現(xiàn)有檢(探)測(cè)器的測(cè)量范圍不能滿足測(cè)量要求時(shí)，有毒氣體的測(cè)量范圍可為0～30%直接致害濃度；有毒氣體的二級(jí)報(bào)警設(shè)定值不得超過(guò)10%直接致害濃度值”。

根據(jù)以上條文，采用不同接觸限值計(jì)算得到的檢測(cè)器測(cè)量范圍和報(bào)警設(shè)定值見表3所列。

表3苯的測(cè)量范圍和報(bào)警設(shè)定值

接觸限值測(cè)量范圍報(bào)警設(shè)定值最高容許體積分?jǐn)?shù)(MAC)0~3.6×10-51.2×10-5短時(shí)間接觸容許體積分?jǐn)?shù)(PC-STEL)0~9×10-63×10-6直接致害體積分?jǐn)?shù)(IDLH)0~9×10-43×10-4

通過(guò)以上比較可以看出，當(dāng)采用IDLH計(jì)算時(shí)，測(cè)量范圍和報(bào)警設(shè)定值比用MAC或PC-STEL計(jì)算要高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

半導(dǎo)體型檢測(cè)器靈敏度低，根據(jù)不同的檢測(cè)形式和制造工藝，測(cè)量苯蒸氣的最低量程在1×10-4～1×10-3，只能滿足用IDLH計(jì)算得到的報(bào)警濃度。

根據(jù)目前的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，光致電離型檢測(cè)器測(cè)量苯蒸氣的最低量程為1×10-5(低于1×10-5容易誤報(bào)警)，相比半導(dǎo)體型檢測(cè)器，能夠在保證人身安全的濃度下檢測(cè)和報(bào)警，更好地保護(hù)生產(chǎn)人員的安全。一般將其測(cè)量范圍定為0～2×10-5，一級(jí)報(bào)警6×10-6，二級(jí)報(bào)警1×10-5。

3結(jié)束語(yǔ)

介紹了光致電離型檢測(cè)器的工作原理及其特點(diǎn)，以常見的有毒氣體苯為例，說(shuō)明了接觸限值的濃度換算及測(cè)量范圍和報(bào)警值的選擇，對(duì)比了光致電離型檢測(cè)器和半導(dǎo)體型檢測(cè)器的檢測(cè)能力，可以發(fā)現(xiàn)光致電離型檢測(cè)器可以靈敏地對(duì)有毒氣體濃度進(jìn)行測(cè)量，并且符合規(guī)范要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，有效保障了人身安全。

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中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)06-0083-03

作者簡(jiǎn)介：周楊(1984—)，男，現(xiàn)就職于中國(guó)天辰工程有限公司，從事化工自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期：2015-08-28。