Фотоионизационный детектор (PID): как работает и что он измеряет

Фотоионизационный детектор (PID, ФИД) пропускает пробу воздуха мимо ультрафиолетовой лампы. Фотоны выбивают электроны из молекул, у которых энергия ионизации ниже энергии лампы (10,0, 10,6 или 11,7 эВ), и прибор измеряет возникший ток. PID видит ароматику, растворители, топливо, сероводород и аммиак, но не видит метан. Показание выдаётся в пересчёте на изобутилен.

Ниже по порядку: как устроен сенсор, какие вещества он видит, как пересчитать показание на конкретный газ и что искажает результат. Про выбор приборов для поиска утечек и программы LDAR подробно написано в статье «Поиск утечек газа и ЛОС: PID-детекторы Ion Science», здесь речь о самом методе.

Как устроен PID-сенсор

1. Отбор пробы. Насос или диффузия подаёт воздух к сенсору. По данным Ion Science, через мембранный фильтр в ионизационную камеру проходит около 1% пробы.
2. Ионизация. Ультрафиолетовая лампа облучает камеру. Если энергия фотона больше энергии ионизации молекулы, молекула теряет электрон и становится положительным ионом.
3. Сбор ионов. Между электродами приложено напряжение, ионы и электроны движутся к ним, в цепи течёт ток.
4. Пересчёт. Ток пропорционален концентрации ионизируемых веществ. Прибор калибруют по известной концентрации изобутилена и выводят результат в ppm или ppb.

Азот, кислород и углекислый газ отклика не дают, поэтому PID работает прямо в воздухе. Химических реагентов сенсор не расходует, но окно лампы со временем загрязняется и его чистят (подробнее ниже).

Энергия лампы и правило энергии ионизации

Главное правило метода: PID видит вещество, только если энергия фотонов лампы больше энергии ионизации (IE) этого вещества.

Лампа	Кто выпускает	Что даёт на практике
9,8 эВ	RAE Systems (отдельная колонка в таблице TN-106)	Только вещества с IE ниже 9,8 эВ
10,0 эВ	Ion Science (MiniPID 2 10.0 eV)	В основном отсекает алифатические углеводороды, остаётся сумма ароматики (режим TAC)
10,6 эВ	Ion Science, RAE	Стандартная лампа: большинство органических летучих веществ, плюс сероводород и аммиак
11,7 эВ	Ion Science, RAE	Добавляет вещества с высокой IE: метанол, формальдегид, хлороформ, этан, пропан

Пример из таблицы Ion Science TA-02: лампа 10,6 эВ измеряет сероводород (IE 10,46 эВ) и всё, у чего IE ниже, но не видит метанол (IE 10,85 эВ). Для метанола нужна лампа 11,7 эВ.

У правила есть оговорки. RAE Systems в TN-106 отмечает, что высококипящие («тяжёлые») вещества могут почти не давать отклика, потому что плохо испаряются, хотя их IE ниже энергии лампы. Некоторые неорганические вещества, например диоксид азота и пероксид водорода, дают слабый отклик даже при низкой IE.

Какие вещества PID видит, а какие нет

В таблице энергия ионизации и коэффициент отклика (RF) из таблицы Ion Science TA-02 (редакция от 13 марта 2026 года). «Нет» означает нулевой отклик.

Вещество	IE, эВ	RF, 10,0 эВ	RF, 10,6 эВ	RF, 11,7 эВ
Изобутилен (калибровочный газ)	9,24	1	1	1
Бензол	9,24	0,54	0,5	0,53
Толуол	8,82	0,6	0,56	0,55
м-Ксилол	8,56	0,53	0,47	0,46
Стирол	8,40	0,52	0,45	0,5
Бензин	~9,9	1	0,9	н/д
Дизельное топливо	~8,0	н/д	0,8	0,4
Ацетон	9,69	1,2	1,17	1,7
Гексан	10,13	13	4	0,6
Этанол	10,47	нет	11	3
Сероводород	10,46	нет	4	1,5
Аммиак	10,18	н/д	8,5	5,7
н-Бутан	10,63	нет	40	1,5
Метанол	10,85	нет	нет	2,9
Пропан	11,07	нет	нет	3
Этан	11,56	нет	нет	3
Метан	12,51	нет	нет	нет
Монооксид углерода	14,01	нет	нет	нет
Вода	12,61	нет	нет	нет

Из таблицы видно три вещи:

• Ароматику PID видит лучше всего. У бензола, толуола и ксилолов RF около 0,5 на всех лампах, то есть чувствительность к ним примерно вдвое выше, чем к изобутилену.
• Лёгкие алканы с лампой 10,6 эВ почти не видны. У н-бутана RF 40, пропан и этан не дают отклика. Их видит только лампа 11,7 эВ.
• Метан не видит ни одна лампа. Его энергия ионизации 12,51 эВ выше 11,7 эВ. Поэтому PID не подходит для природного газа и биогаза. Чем искать утечку метана, разобрано в статье «Утечка метана: чем искать».

Коэффициент отклика и калибровка по изобутилену

Откалибровать прибор на каждое вещество обычно невозможно, поэтому PID калибруют по изобутилену, а затем пересчитывают показание через коэффициент отклика (в документах RAE он называется correction factor, CF):

Концентрация вещества = показание по изобутилену × RF

Пример из Ion Science TA-02: у анизола с лампой 10,6 эВ RF = 0,59. Прибор, откалиброванный по изобутилену, показал 10 ppm, значит анизола 10 × 0,59 = 5,9 ppm. В большинстве приборов RF выбирают из встроенной библиотеки, и прибор сразу показывает концентрацию нужного вещества.

Если в воздухе смесь

PID суммирует отклик всех ионизируемых веществ, поэтому отдельный компонент он не выделит. Если состав смеси известен, общий RF считают по мольным долям X и коэффициентам компонентов:

RF смеси = 1 / (X1/RF1 + X2/RF2 + X3/RF3 + …)

Пример Ion Science: смесь 20% анизола (RF 0,59), 30% ацетона (RF 1,17) и 50% этанола (RF 11) даёт RF = 1,56. При показании 100 ppm в смеси 20 ppm анизола, 30 ppm ацетона и 50 ppm этанола.

Перевод ppm в мг/м³

Ion Science приводит формулу для 25 °C и 1012 мбар:

мг/м³ = ppm × молекулярная масса (г/моль) / 24,5

Для бензола (78 г/моль) 1 ppm соответствует примерно 3,19 мг/м³, это же значение даёт справочник NIOSH.

Ограничения коэффициентов

• RF в таблицах ориентировочные. Они зависят от конструкции электродов, яркости лампы и условий. Для точной работы Ion Science рекомендует калибровать прибор по целевому газу в рабочем диапазоне концентраций.
• По данным RAE Systems, коэффициенты измерены при 50–100 ppm и действуют примерно до 1000 ppm. Ion Science предупреждает, что выше нескольких тысяч ppm нелинейность отклика у разных веществ разная.
• После воздействия концентрации в сотни раз выше измеряемой сенсору нужно время на очистку, иначе низкие показания будут завышены.

Что искажает показания: влажность, метан, загрязнение

Влажность и фоновые газы. RAE Systems в TN-106 приводит данные для MiniRAE: водяной пар, метан и метанол снижают отклик примерно на 20% при концентрации 15 000 ppm и примерно на 40% при 30 000 ppm. Ion Science называет то же явление подавлением ионизирующего излучения водяным паром, метаном и CO2.

Утечка тока по загрязнённым стенкам. На стенках камеры со временем оседают продукты работы лампы. Они впитывают влагу, и между электродами появляется паразитный ток, показание «плывёт». Ion Science оценивает ошибку обычных PID при относительной влажности 90% и выше примерно в 60%. В сенсорах Ion Science между основными электродами стоит дополнительный электрод Fence Electrode, который перекрывает этот путь утечки.

Загрязнение окна лампы. В таблице TA-02 часть веществ помечена как загрязняющие окно лампы или временно подавляющие чувствительность (не менее чем на 30 минут после воздействия 100 ppm·мин). Для таких веществ Ion Science советует чаще делать проверку газом (bump test) и чистить окно.

Температура и давление. RAE рекомендует калибровать прибор при той же температуре и давлении, при которых будут измерения, а сам прибор держать не холоднее пробы, чтобы внутри не конденсировалась влага.

ppb или ppm: какая чувствительность нужна

1 ppm = 1000 ppb. Чем ниже предел воздействия вещества на персонал, тем важнее ppb-разрешение: например, по OSHA для бензола уровень действия 0,5 ppm, и измерять приходится десятые и сотые доли ppm. Пороги и приборы для бензола разобраны в статье «Контроль бензола на предприятии».

Разницу хорошо видно по сенсорам Ion Science MiniPID 2:

Вариант сенсора	Лампа	Нижний предел	Диапазон
MiniPID 2 PPM	10,6 эВ	100 ppb	0–4000 ppm
MiniPID 2 PPB	10,6 эВ	1 ppb	0 – более 40 ppm
MiniPID 2 HS	10,6 эВ	0,5 ppb	0 – более 3 ppm
MiniPID 2 10.0 eV	10,0 эВ	5 ppb	0 – более 100 ppm
MiniPID 2 11.7 eV	11,7 эВ	100 ppb	0 – более 100 ppm

Чем чувствительнее сенсор, тем уже его верхний предел. Портативный Tiger XT закрывает оба диапазона одним прибором: от 1 ppb до 20 000 ppm с лампой 10,6 эВ. С лампой 11,7 эВ диапазон у него до 9000 ppm, разрешение 0,6 ppm, отклик T90 менее 6 с (против менее 2 с у лампы 10,6 эВ).

Как получить правильное показание: порядок работы

1. Определите целевое вещество и найдите его энергию ионизации. Если IE выше 11,7 эВ (метан, CO, водород), PID не подходит.
2. Выберите лампу: 10,6 эВ для большинства задач, 10,0 эВ для ароматики, 11,7 эВ для метанола, формальдегида, хлорированных растворителей и лёгких алканов.
3. Откалибруйте прибор по изобутилену или по целевому газу при той же температуре и давлении, что на объекте. Все фильтры, которые будут стоять при замерах, ставьте и на калибровке.
4. Задайте RF целевого вещества из библиотеки прибора или пересчитайте показание вручную.
5. Учитывайте фон: при высокой влажности или в присутствии метана показания занижаются.
6. Проверяйте прибор газом перед сменой, особенно после работы с веществами, которые загрязняют окно лампы.

Какой прибор выбрать

• Портативный обход, поиск утечек, допуск в ёмкости: Ion Science Tiger XT. Лампы 10,0, 10,6 и 11,7 эВ, библиотека более 750 веществ, ATEX/IECEx.
• Персональный монитор в зоне дыхания: Ion Science Cub массой 111 г, версии 10,6 эВ и 10,0 эВ TAC.
• Бензол отдельно от остальных углеводородов: Ion Science Tiger XT Select с трубкой-префильтром.

Прибор первого поколения Tiger на сайт Ion Science больше не выводится, его адрес теперь ведёт на Tiger XT, поэтому для новых закупок мы его не предлагаем. Течеискатель GasCheck работает по теплопроводности, а не по фотоионизации, и к задачам из этой статьи не относится. KEG TRK поставляет приборы Ion Science в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• Ion Science (ION Sense). Technical/Application Article 02: PID Gas Sensor Response Factors, 13 March 2026.
• Ion Science. Cross-sensitivity of photoionization detectors.
• Ion Science. The need for fast VOC detection in safety-critical petrochemical environments.
• Ion Science. Tiger XT Handheld VOC Detector.
• Ion Science. Cub TAC Personal Total Aromatic Compound Gas Monitor.
• RAE Systems. Technical Note TN-106: Correction Factors, Ionization Energies, and Calibration Characteristics, 2010.
• OSHA. 29 CFR 1910.1028 Benzene.
• NIOSH. Pocket Guide to Chemical Hazards: Benzene.