Co je PID ?
Jak již bylo řečeno v úvodu, je to zkratka pro tzv. foto-ionizační senzory, anglicky Photo Ionisation Detektor (PID). Ty slouží pro monitorování přítomnosti i měření koncentrace těkavých organických látek VOC (Volatile Organic Compounds), tedy koncentrací par pevných nebo kapalných nebo přítomnost plynných organických látek ve vzduchu v daném prostředí. PID senzor tedy nedokáže rozlišit různé organické látky mezi sebou a identifikovat je, ale pouze změřit jejich celkovou koncentraci v daném místě, v daném ovzduší.
Jen pro pořádek: VOC jsou těkavé organické pevné nebo kapalné sloučeniny, které se snadno vypařují nebo přecházejí do plynného stavu. Jejich základním stavebním prvkem obvykle bývá uhlík, který se vyskytuje ve většině substancí na naší planetě. Spolu s uhlíkem pak VOC také obsahují atomy kyslíku, vodíku, dusíku, chlóru nebo síry a případně některých dalších látek.
K čemu se PID dají použít ?
Hlavní zaměření PID spočívá ve zjišťování / měření přítomnosti nebezpečných koncentrací různých těkavých látek v místech, kde chceme ochránit obsluhu proti jejich vlivu či zjistit například pravděpodobnost výbuchu. Například přítomnost nebezpečných koncentrací CO v místě spalování, přítomnost amoniaku, výparů benzínu, toluenu a podobných látek v místech jejich výroby či zpracování. Mimo to však samozřejmě reagují i na běžné látky jako jsou výpary z barev, lepidel, aerosolové spreje, domácí mycí prostředky či také na například na parfémy a deodoranty. Dokonce i na smog, který také obsahuje VOC. Proto v některých případech může být měření těmito látkami, které nepředpokládáme, „zkresleno“.
|
Příklady použití:
Princip funkce PIDPrincip foto-ionizačních detektorů je založený na měření počtu excitovaných iontů molekul ionizovaných plynů (Gas Molecules) vlivem energie dodané fotony ultrafialového záření (UV Light - Photons). Vzniklé kladné a záporné ionty jsou pak sbírány na měřících elektrodách (Collector Electrode / Negative Electrode), kde generují elektrický signál. Ten je následně zpracován a elektricky zesílen v zesilovači (Amplifier). Velikost signálu pak odpovídá koncentraci VOC v ovzduší daného měřeného místa. V případě zapojení do digitálního měřícího zařízení se následně signál digitalizuje a přepočítává v nadřazeném MCU na hodnoty ppm (parts per million = počet částic v miliónu). Ultrafialové záření se generuje speciálními UV žárovkami (UV lamp), kterou jsou ocejchované v hodnotách ionizační energie v jednotkách eV (elektron voltů), které ozářeným molekulám plynu dodávají. Běžně jsou k dispozici lampy poskytující ionizační energii 9,8, 10,6 a 11,7 eV. Molekuly plynu procházející generovaným světlem jsou ionizovány v případě, že jejich ionizační energie je nižší nebo rovna energii fotonů světla z lampy, tedy například v případě použití lampy 10,6 eV všechny molekuly s ionizační energií menší nebo rovnou hodnotě 10,6 eV (například amoniak s ionizační energií 10,18 eV). Z toho je patrné, že jakékoliv látky v plynu obsažené splňující tuto podmínku přispějí svými ionty a tedy přispějí k naměření vyšší hodnoty koncentrace. Selektovat tak lze různé látky pouze podle jejich ionizační energie. |
Příklad struktury PID senzoru |
Obecný princip funkce PID senzorů (1 - UV výbojka, 2 - plynová komora, 3 - negativní elektroda, 4- kladná kolektorová elektroda)
PID vs. snímače jednotlivých látekJak již bylo zmíněno, PID senzory a na nich založené měřící přístroje měří pouze koncentraci a nijak látky nerozlišuje. To je sice nevýhoda, protože nevíme která látka zvýšenou koncentraci VOC způsobila a tedy, kde hledat problém a kde zasáhnout. Na druhou stranu prostě informuje, že jsou přítomny nebezpečné podmínky. Při použití detektoru specializovaného na konkrétní látku sice přesně víme, jaká je její koncentrace v daném prostředí, ale již nevíme, zda není prostředí zamořeno ničím jiným. Bohužel v současné době zatím není k dispozici spolehlivá technologie, která by prostě nasnímala prostředí a ukázala nám koncentrace jednotlivých látek v něm obsažených. Velká výhoda PID proti elektrochemickým senzorům je krátká odezva měření v řádu desetin nebo max. několika sekund a hlavně téměř nelimitovaný měřící rozsah koncentrací. Hlavně je výhoda, že vysoké koncentrace či překročení měřícího rozsahu PID nezpůsobí jeho zničení či zkrácení jeho životnosti, jako je to právě u elektrochemických senzorů. To je dáno bezkontaktním optickým principem měření, kdy plyn při měření nereaguje s jinou látkou. Životnost senzoru je hlavně dána životností samotné UV lampy generující měřící záření. Negativní vlastnost v podobě vlivu teploty a vlhkosti, která vytváří rušivé signálové pozadí a zamezuje UV světlo v přístupu k plynu, se obvykle v měřících přístrojích kompenzuje odděleným měřením teploty a vlhkosti analyzovaného vzduchu.
Nevýhody PID:
|
Látky detekovatelné PID senzorem |
Výhody PID:
Příklad reálných PID senzorů Alphasense
Hezkým příkladem kompaktních PID senzorů v podobě součástek pro realizaci měřících přístrojů jsou výrobky společnosti Alphasense s označením PID-A1 a PID-AH. Tyto kompaktní senzory pracující v hluboké ultrafialové oblasti měří koncentraci VOC v řádu ppb (parts per billion) až ppm (parts per million) s odezvou do cca 1 sekundy. Dodávaná ionizační energie může být v úrovních 10,6 eV nebo 9,6 eV a je dána typem instalované UV lampy.
Senzory jsou složeny z UV lampy, budiče lampy, měřících elektrod, filtrů a signálového zesilovače a jsou téměr necitlivé na změnu vlhkosti.
Senzor PID-A1 - základní parametry:
Senzor PID-AH - základní parametry:
|
Časová odezva senzoru PID-A1
Teplotní závislost senzoru PID-AH |
Rozměry pouzdra PID senzorů PID-A1 a PID-AH
Závěr
PID senzory zatím patří k tomu nejlepšímu, co lze pro měření koncentrací VOC použít. Díky velmi rychlé odezvě měření proti elektrochemickým senzorům (jednotky sekund vs. stovky sekund) a odolnosti proti zničení samotným měřeným plynem jsou výhodné pro realizaci kontrolních detektorů, například pro monitorování úniku látek ve výrobních provozech nebo pro detekci potenciálně nebezpečného prostředí před vstupem pracovníků do daného prostoru. Kontrolovat lze jak nežádoucí koncentrace látek ohrožující lidský život přímo vdechnutím látky nebo nepřímo například výbuchem plynů. Jediný důvod proč zatím z provozů nevytlačí elektrochemické senzory konkrétních látek, je neschopnost rozlišit / definovat látky, které se na hodnotě koncentrace podílí.
Autor: Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Stránky společnosti Alphasense, výrobce PID senzorů - www.alphasense.com
- MSA: "Photoionization Detectors (PIDs) [ Technology for Detection of Volatile Organic Compounds ] ", http://media.msanet.com/NA/USA/PermanentInstruments/GasSensorsTransmitters/SafeSite/WhitePaperPID07-2092.pdf
- Matt Thiel: "IS PID SENSOR REALLY NECESSAR?", http://www.indsci.com/docs/Press/OHS_0805.pdf
- Další zajímavé odkazy o PID: www.edie.net, http://chromservis.cz
- Další zajímavé články o senzorech najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz
Komentáře
Několik postřehů
1/"Organické látky jsou všechny chemické sloučeniny obsahující alespoň jeden atom uhlíku." - nesouhlasím. IMHO oxidy uhlíku, uhličitany a hydrogenuhličitany (včetně kyseliny uhličité), karbidy a možná i další sloučeniny uhlíku se řadí mezi sloučeniny anorganické.
2/ Amoniak se také řadí mezi sloučeniny anorganické a uhlík vůbec neobsahuje.
3/ Speciální kalibrované UV žárovky ? Sotva! Nejspíš jde o výbojky, možná by mohly být použité UV LED. Mimochodem, čekal bych, že právě výbojka bude limitovat životnost celého senzoru.
4/ Těžko lze mluvit o optickém principu detekce, když optika se využívá pouze k excitaci molekul a vzniklé ionty jsou zechycovány a detekovány pomocí elektrod, přímo zapojených do měřicího okruhu.
To jen pro pořádek.
Ivan Petýrek
ale néééé, co byste chtěl...
...pan majitel Vám na to jen napíše, že to přeci nemusíte číst... :D :D :D
Moc děkuji za komentář.
Moc děkuji za komentář. Abych se přiznal, nejsme v tomto směru moc znalý chemie, takže v tomto směru omluvte moje mezery. Nicméně všichni výrobci PID, jejichž materiály jsem studoval, označují PID jako senzor pro detekci VOC, tedy Volatile Organic Compunds, což se běžně uvádí, že jde o cituji: "těkavé organické sloučeniny = substance složená z uhlíku, H3O a částečně z kyslíku, dusíku, síry, chlóru, brómu, fluoru". Tyto informace použil i v článku.
Jinak UV lampa (výbojka) právě je hlavním limitujícím faktorem životnosti PID (v článku je to uvedeno).
Označení optický princip je zjednodušený popis PID, aby bylo hned jasné, že jde o jiný princip než u elektrochemických senzorů. Myslím, že pak z článku je funkce dostatečně patrná.