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PID氣體探測器

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PID氣體探測器是一種能夠檢測極低濃度(0-1000 ppm)揮發性有機化合物和其它有毒氣體的儀器。尤其是對VOC的靈敏檢測使其在應急事故檢測中具有無可替代的作用,VOC是許多氣體事故中的有害物質,對它的有效監測對於防災減災具有重要作用。

1 PID氣體探測器 -儀器簡介

  

  Photo Ionization Detectors,簡稱PID,可以檢測極低濃度(0-1000 ppm) 的揮發性有機化合物(VOC,Volatile Organic Compounds)和其它有毒氣體。很多發生事故的有害物質都是VOC,因而對VOC檢測具有極高靈敏度的PID就在應急事故檢測中有著無法替代的用途: 儘管已有一些公司號稱它們可以進行有機化合物的檢測,但RAE公司近期在PID技術上的突破性發展:包括使儀器更加堅固、更加可靠和更加經濟實用使其成為檢測有機化合物的普遍工具。也正是這些發展,PID必將成為應急事故監測的首選儀器。

  光離子化檢測器可以測量0.1到2000 ppm的VOC和其它有毒氣體。PID是一個高度靈敏的寬範圍檢測器,可以看成一個「低濃度LEL檢測器」。如果將有毒氣體和蒸氣看成是一條大江的話,即使你游入大江,LEL檢測器可能還沒有反應,而PID則在你剛剛濕腳的時候就告知你。

  (拓展信息)

  VOC簡介

  從某種意義上講,VOC是保證工業的發展的化學物質,包括: 有機化學物質(主要的應急事故) 、燃料、油料潤滑、油脂、脫脂劑 溶劑、塗料、塑料和樹脂 。

2 PID氣體探測器 -工作原理

紫外燈

  PID使用了一個紫外燈(UV)光源將有機物打成可被檢測器檢測到的正負離子(離子化)。檢測器測量離子化了的氣體的電荷並將其轉化為電流信號,電流被放大並顯示出「PPM」濃度值。在被檢測后,離子重新複合成為原來的氣體和蒸氣。PID是一種非破壞性檢測器,它不會「燃燒」或永久性改變待測氣體,這樣一來,經過PID檢測的氣體仍可被收集做進一步的測定。

離子化電位

  所有的元素和化合物都可以被離子化,但在所需能量上有所不同,而這種可以替代元素中的一個電子,即將化合物離子化的能量被稱之為「電離電位」(IP),它以電子伏特(eV)為計量單位。由UV燈發出的能量也以eV為單位。如果待測氣體的IP低於燈的輸出能量,那麼,這種氣體就可以被離子化。

3 PID氣體探測器 -檢測範圍

  大量的可以被PID檢測的是含碳的有機化合物。包括:

  芳香類:含有苯環的系列化合物,比如:苯,甲苯,萘等等。

  酮類和醛類:含有C=O鍵的化合物。比如:丙酮,等等

  氨和胺類:含N的碳氫化合物。比如二甲基胺等等。

  鹵代烴類:硫代烴類:

  不飽和烴類:烯烴等等

  醇類

  不含碳的無機氣體:氨、砷、硒等,溴和碘類等等。

4 PID氣體探測器 -檢測盲區

  PID不能檢測出的氣體有:放射性,空氣(N2, O2, CO2, H2O),常見毒氣(CO, HCN, SO2),天然氣(甲烷、乙烷、丙烷等),酸性氣體(HCl, HF, HNO3),氟力昂氣體,臭氧,非揮發性氣體等等。

5 PID氣體探測器 -使用說明

校正係數

  校正係數(CF,也稱之為響應係數)是使用PID時特別要注意的一個參數。它們代表了用PID測量特定氣體的靈敏度。它用在當以一種氣體校正PID后,通過CF直接得到另一種氣體的濃度,從而減少了準備很多種標氣的麻煩。

  (1)CF代表了測量的靈敏度

  CF值越低,該種氣體或蒸氣的靈敏度就越高。苯的CF值是0.53,它的檢測靈敏度大概是CF為9.9的乙烯的18倍。通常情況下,PID可以很好地測定CF為10以下的各種物質。RAE公司可以向用戶提供各種物質的CF表格,同時還在儀器的微處理器中存儲了一些常見物質的CF值。

  (2)在測量純氣體時,可以用CF調整儀器的靈敏度。

  校正係數通過與校正氣體比較直接得到待測氣體的濃度。例如:苯的靈敏度大約是常用校正氣體(CF=1.00)的兩倍,這樣一來,當我們用異丁烯校準過的儀器測量2PPM的苯時,我們可以有下面的建議:

  用讀數直接乘以0.53,我們就會得到實際苯的濃度2 ppm 。

  另外,我們還可以將儀器的校正係數直接設定為0.53,從而直接得到苯的濃度。

  PID的微處理器可以自動存儲並使用很多氣體的CF。 這樣,我們就可以預置這些參數,使儀器自動讀出待測氣體的濃度。

  校正係數隨不同的儀器和製造商可能會有些不同,所以建議用戶使用製造商提供的校正參數。所以選擇一個可以提供比較多CF的製造商也是應當考慮的。

選擇性和靈敏度

  PID是一種可以在PPM水平非常精確和靈敏的檢測器。然而,PID不是一種具有選擇性的檢測儀器。它區分不同化合物的能力比較差。為形象化地說明這個問題,我們用一把尺子來舉例。用於測量一張紙的寬度的尺子可以說是一個靈敏和精確的工具,但它卻無法區分灰色和白色紙之間的區別。因此,如果你要想知道灰色紙的寬度,首先要選擇合適的紙張。我們用我們自己的頭腦來選擇灰色的紙,同樣,如果你要測量黃色紙的寬度,首先你要用你的頭腦來選擇一個黃色紙。

  PID就同這個尺子類似,它可以告訴你有多少氣體和蒸氣存在,但我們要用我們的頭腦去判斷什麼氣體和蒸氣存在。當我們接近一個未知的化學泄漏地點時,此時的PID還是用異丁烯標定的。一旦我們通過標記、貨物清單、運單或其它方式知道了化學物質的種類,就可以調整PID的靈敏度直接讀出待測物質的濃度。例如,如果我們正用乙丁烯校正的儀器測量1PPM的苯,儀器顯示是2PPM,因為後者的靈敏度是前者的兩倍。一旦我們確認了化學物質是苯,就可以將PID的靈敏度調整到苯的校正係數,此時,儀器就可以準確地測量1PPM的苯了。

如何知道PID能否測量某種氣體

  首先,看氣體的IP是否比PID燈的輸出能量低:

  如果回答是,進行下面的第二步,

  如果回答不,則PID無法檢測到它。

  如果不知道,詢問製造商。

  看是否CF值小於10

  如果是,則PID是一個最佳的測量手段。

  如果不是,則PID可能不能準確的測定該種氣體,但PID仍然可以作為一個比較好的估計和檢測的工具。

  如果不知道,詢問製造商。

  PID的燈能量,9.8 &和10.6 eV,以及11.7 eV。

6 PID氣體探測器 -使用評價

  PID是可以用於應急事故中的靈敏的、可以精確測定各類化學品的出色手段。正如,放大鏡的發現使人們更清晰地辨認指紋,PID可以讓救援人員可以立即檢出危險物質的存在並可進一步地對其定量測量。放大鏡是無法自己認定指紋的,但出色的檢驗人員就可以利用放大鏡頭更快更准地進行判斷。對於有毒氣體也是一樣,PID無法判定有毒氣體和蒸氣,但有經驗的救援人員卻可以利用PID更快地進行判斷並且可以進行準確的測定。由於人們越來越關注低濃度的化學品泄漏問題,PID準確的現場測量為救援人員提供了一個極好的幫助。PID可以幫助他們在處理大多數的應急事故時進行確認和檢測。

7 PID氣體探測器 -PID檢測與其它檢測方式對比

  很多VOC確實是易燃物質並且可以被應用於很多多氣體檢測器中配備的LEL (Lower Explosive Limit)或稱易燃易爆氣體檢測器所檢測到。但是,由於LEL感測器的較低的靈敏度還不足以確認毒性而無法應用於應急事故之中。

  換句話說,LEL感測器檢測的是爆炸性而非毒性。

  (1)LEL感測器檢測的是爆炸性而非毒性。

  LEL感測器測量的是爆炸下限的百分比,例如,汽油的爆炸下限是1.4%,因而, 100% LEL 就是14,000 ppm 的汽油。10% LEL 是1,400 ppm的汽油,1% LEL是140 ppm的汽油。140 ppm是LEL感測器可以檢測到的最小的汽油蒸氣量。汽油的TWA值(時間加權平均值)是300 ppm 而其STEL(短期暴露水平)是500 ppm,這些,再加上LEL感測器的較差的解析度都說明LEL不適合於檢測汽油泄露。LEL感測器測量的是爆炸性而不是毒性。實際上,很多VOC(有機化合物)即使在其濃度遠遠低於LEL感測器靈敏度時就已經具有了很大的毒性。

  (2)LEL感測器是專用於測量甲烷氣體的

  最初,LEL感測器是專門用於解決測量煤礦中甲烷濃度問題的。大多數的LEL感測器都採用測量易燃氣體在催化極上燃燒產生熱量的惠斯通電橋的原理。此時,溫度升高引起電阻的變化,儀器對其進行測量並轉化為% LEL。

  (3)LEL感測器的局限性

  兩種基理影響著LEL感測器的性能並影響著它們有效地測量非甲烷氣體:

  氣體在燃燒時的熱量輸出不同: 較重的」 碳氫化合物蒸氣更難一些擴散到LEL感測器上所以其熱量輸出也低一些。

  有些氣體燃燒產生熱量較多而另一些可能相對小一些。這些物理性質的不同導致了使用LEL感測器時的不便。比如100% LEL甲烷(5%體積甲烷) 產生的熱量就相當於100%LEL丙烷(2.0%體積)的兩倍。

  有些「較重的」碳氫化合物可能很難擴散通過LEL感測器的防火屏蔽金屬網。在LEL感測器上,這個網是用來避免感測器本身回火引燃環境並允許象甲烷、丙烷和乙烷等通過到達感測器的惠斯通橋的電極表面。然而,象汽油、煤油、溶劑等擴散通過這個網的速度較慢,因而到達電橋的量也少,也即輸出較低。

  (4)惠斯通電橋式的LEL感測器的靈敏度是以甲烷為代表的。

  根據下表,汽油在惠斯通電橋上產生的熱量大約是甲烷的一半。因此,其產生的信號也是甲烷的一半。如果用甲烷標定的LEL檢測汽油蒸氣,儀器顯示的讀數就是實際濃度的一半。例如,在甲烷標定的情況下,如果LEL顯示空氣中汽油混合物的50% LEL,實際的由於一半輸出,LEL就大約是100%

  

氣體LEL(%vol)靈敏度(%)
丙酮2.245
柴油0.830
MEK1.838
甲苯1.240
1.240
甲烷5.0100
丙烷2.053


  當然,LEL的讀數可以用你所測量的氣體進行校正。比如,上表表明,丙烷的響應更接近於大多數的VOC,因此也可用丙烷校正他們的儀器。也可以在儀器用甲烷校正後使用校正係數進行待測氣體校正,即以軟體方法使得儀器得到正確的讀數。然而,即使使用了合適的校正係數,LEL感測器還是因為缺乏足夠的測量PPM量級的靈敏度而無法進行VOC的毒性測量。

  PPM量級的測量——氣體感測器的新奉獻

  目前,有以下幾種方法可以測量PPM級的VOC:

  比色管:缺乏精密度,還有其它一些缺點。

  金屬氧化物感測器:缺乏精密度和靈敏度。

  攜帶型氣相色譜/質譜:選擇性和精密度均佳,但無法連續測定並且價格昂貴。

  FID(火焰離子化檢測器):局限性在於體積重量較大,並且需要瓶裝氫氣。

  PID: 最為適用,一個PID是在很多應急事故中最佳選擇,它可以提供可信的響應。

  為什麼不使用比色管。

  以前比色管一直是應急事故中氣體檢測中基本部件,它們被廣泛接受,並證明可以以PPM水平測量很多的有毒有害氣體。比色管的價格不高,但它也有很多的局限性:

  比色管只能提供「點測」,它們無法提供定量分析以及連續的警報檢測。只用一個檢測管無法提供給操作者一個危險狀況的警報。「點測」的本質更易於發生測量錯誤。因為它們的採樣量較小,並且現場還存在著空氣流動等等因素。只有採用100-500 cc/min的連續監測,才不至於被一時的高或低的讀數蒙蔽。

  比色管的響應比較慢,它們大概需要幾分鐘而不是幾秒鐘給出結果。

  比色管的最好的測量精度大約是25%,

  比色管的讀數更傾向於間斷採樣。

  廢棄的比色管容易產生玻璃和化學污染。

  用戶需要大量儲備比色管以備使用,同時,比色管還可能存在過期的問題。

  比色管僅局限於常見化合物,許多特定化合物還沒有特殊的解決辦法。

  為什麼不用MOS感測器?

  半導體或稱MOS感測器是一種早期的不是很貴的攜帶型測量儀器。它也可以檢測大多數的化學物質。但它們的局限性還是限制了它們在應急事故中的廣泛應用。

  靈敏度度很差,一般的檢出限度大約是10PPM。

  輸出是非線性的,這樣就會影響它們的精確度。MOS僅僅是一種各種有毒氣體和蒸氣的粗略檢測器。

  相對於PID,MOS的響應時間要慢一些。

  MOS感測器更易受到溫度和濕度的影響。

  很容易被中毒並且不容易清洗。

  MOS感測器是一種「寬頻」檢測器,它們會對各種不同類型的化合物產生反應。

  攜帶型GC/MS

  氣相色譜/質譜(GC/MS)具有很高的選擇性,但是非連續測量。它也是「點測」,無法提供連續的警報測量。因為它們的採樣量較小,並且現場還存在著空氣流動等等因素。

  同時,目前還沒有可以由工作人員帶在身上的攜帶型GC/MS儀器,同時,GC/MS還僅是一個即時而非預防手段, 它僅僅能報告發生了什麼。一個色譜更多地提供了「點測」的照片結果而不是一個連續的、即時的影像。最後一點,GC/MS在儀器價格上也比較貴。

  火焰離子化檢測器(FID)

  火焰離子化檢測器(FID)是一種寬頻有機化合物檢測器,不具備選擇性。它們的線性非常好。FID用於現場檢測的主要局限在於它們較大的重量和體積,以及需要配置一個氫氣瓶,這樣一來,就很難保證它們在危險環境中儀器本身的本質安全。FID相對較貴、維護繁瑣也限制了它在工業領域的應用。PID和FID都是常見的有機化合物檢測器,它們都可以有效地測量同一種物質,但是,由於PID更小巧一些,更容易使用和更安全,它要比FID更加普遍地應用於工業領域。

  光離子化檢測器(PID)

  一個PID可以看成是沒有分離柱的氣相色譜儀,因而PID可以提供極佳的精確度。許多人認為:儘管PID對很多PPM級的有毒化合物具有很好的靈敏度和準確度,但它由於缺乏選擇性而用途不大。其實,大多數的其它方法,包括:比色管、MOS感測器和FID檢測器的選擇性也不是很好。PID的優勢正在於它沒有選擇性,它是一種小巧的、連續測量的檢測器,它可以為工作人員提供實時的信息反饋。這種反饋可以使工作人員確認他們處於沒有暴露於危險化學品之中的安全狀態而更好地完成他們的任務。就如同攝像機一樣,PID是連續測量的,並且它的結果還可以記錄(採集數據)或者立即「回放」(瀏覽數據)。

  為什麼PID還不是那麼普遍?

  1970年,PID已經開始從實驗室中走到現場用於化學品污染調查。但此時,它使用起來還很麻煩,但此時PID可以不需費錢費時的實驗室測試就能定義污染物質的存在的能力還是使得PID成為很多環境清理工業不可缺少的工具。正是因為它的極佳的檢測能力,某些應急事故處理隊也認定PID對他們非常重要。但是此時PID的缺點:比如購置和維護費用較高、承受力較差、體積重量較大、對濕度和輻射較為敏感等都限制了PID在應急事故處理中的更為廣泛的應用。

  PID現在已經成為最為有利的有機化合物檢測的工具:

  PID可以0.1ppm的解析度測量0-1000 ppm的有機物質,所以它是測量可以在很低濃度即可致癌的汽油(還有其它有毒氣體和蒸汽)的最為合適的方法。PID提供了預防長期中毒的最好保護。PID技術上的突破克服了原有PID的缺點從而為應急事故處理提供了迄今最為有力工具。

  PID可以在各種情況提供精確測量的能力可以在以下的有機化合物測量過程中發

  揮重要作用:

  初始個人防護確定

  泄漏檢測

  事故區域確認

  泄漏物確認

  清除污染

  初始個人防護確認

  在接近可能事故發生地之時,救援人員必須首先確認個人防護設備,有些「可能」的事件也許並不是事故而無須任何個人防護;而有些事故開始並沒有任何污染跡象,但卻需要特別的個人防護。還沒有哪個檢測器可以為救援人員提供所有的答案,但PID卻可為此提供圓滿解決。對於很多事故,PID可以讓救援人員確定自己周圍是否存在有毒氣體或蒸氣。 一個鐵路工作人員嚮應急救援中心報告:一個在濕熱環境(35℃,95%RH)中,一輛罐車發生泄漏。根據描述,這個罐車裝載的是液苯。由於苯的毒性(個人暴露水平為1 ppm),救援人員決定採用A級防護。但是,由於現在的溫度很高,穿帶如此裝備會給救援人員帶來更多傷害。 最後經過各種努力,確認「泄漏」的罐車下面的滴液是冷凝下來的水滴而不是泄漏出來的苯。原來,該罐車曾存放在20℃的庫房中,內部液苯的低溫加上外面的高溫和高濕出現了水的冷凝。 實際上,使用PID就可以幫助救援人員很容易確認是否有「可離子化」蒸氣存在。因為根據記錄,已知罐車中裝的是苯,而苯是非常容易「離子化」的。救援人員就可以用PID判斷是否有苯蒸氣存在。這樣一來,不僅減少了確定泄漏的費用,而且避免由於穿帶A級防護服帶來的高熱傷害。

  PID進行泄漏檢測

  通常,泄漏並不是很容易看得到,而在有效制止泄漏之前,一定要確定泄漏的地點。任何情況下,任何氣體或蒸氣都是從其源頭擴散出來的,而在擴散以後,則會被周圍的空氣稀釋直到某些地方檢測不到該物質的存在,這樣一來,就建立了一個濃度梯度,即當氣體完全擴散后,由濃度最高的源頭到稀釋為零,也就是的濃度變化。

  只要我們可以檢測到,用PID可以測量並且「看到」很多氣體和蒸氣的濃度梯度。我們用PID,就象用「蓋革計數器」那樣「看」到濃度梯度,並且跟隨濃度的增加發現源頭。PID泄漏檢測能力不僅可以快速找到危險源頭,而且可以節省很多時間和費用。

  使用PID進行危險範圍確認

  當應急事故人員接近了事故地點后,就要根據氣體或蒸氣的毒性、溫度、風向和其它因素決定危險範圍。然而,危險範圍的確認通常是由沒有很多經驗的人員人為設定的。當條件變化時,由於外圍人們沒有識別條件變化的經驗而無法隨時調整危險範圍。而此時,經驗豐富的應急事故處理人員還在集中力量於漏液本身。這樣一來,外圍人員就有可能由於條件的變化而處於危險狀態,因為此時危險範圍已經需要外圍人員撤退出來了。對於大多數的事故,使用PID就可以隨時根據條件的變化改變危險範圍的劃定。PID可以隨時為外圍人員提供實時的警報從危險地帶撤退。 下圖是一個實際事故的解釋:在清晨,由於溫度不高,風力不大,所有傾覆的有毒液體罐車的泄漏範圍還不是很大。但到了中午,由於溫度和風向的變化,原來認為是安全的地方,現在已經處於十分危險的境地。而這種時時的變化,用PID是很容易隨時加以檢測的。

  數據採集的工具:

  利用PID的數據採集功能,應急救援人員可以得到現場暴露水平的記錄以及確認事故起因的判據。一旦事故發生,工作人員就可以進行記錄。

  PID作為漏液確認

  在事故現場可能會有各種各樣的液體存在,比如水、燃料、機器油、以及滅火泡沫等等,此時,使用PID就可以迅速判斷液體的種類而節省很多時間。PID可以迅速反映漏液是危險物質還是僅僅是水或其它非揮發性物質。

  使用PID進行污染情況判斷

  危險物質對人的危害是不言而喻的,在事故現場工作后,要迅速確認工作人員是否受到危險物質的沾污,或者該污染已被徹底消除。同時,工作人員還需要迅速判斷那些防護服未被污染而可以繼續使用。用PID就可以快速解決這些問題。對於受到污染的地方,PID會立即給出正響應,而對那些已清理乾淨或未被污染的地方則沒有反應。在燃料泄漏事故中,消防人員經常會遇到防護服沾污很多汽油的情況,這對於消防人員自身是非常危險的。用PID就可以快速判斷這種危險是否存在。

  使用PID進行善後工作

  任何應急事故處理的最終目的都是對漏液進行控制和清除。危險物質通常是對周圍的水和土壤產生污染。相關單位(社區、州、縣)都要確認這些污染的濃度以便決定是否進行進一步的善後工作。如果僅僅是油料泄漏而且又已經被道路完全吸收的話,就沒有必要再進行處理了。然而,如果油料已經污染,並且已經沾污了周圍的土壤和水體,情況就不同了。有些當局要求如果TPH (Total Petroleum Hydrocarbons全石油碳氫物)在100 ppm以上就需要做進一步處理,而如果低於該值則無需處理。此時,PID就成為了對當局和應急事故人員的一個最為有效的工具,他們就可以迅速對土壤進行測定而作出決定而不會失去更好的時機。

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