Фотоиондаушы детектор (PID): қалай жұмыс істейді және нені өлшейді

Фотоиондаушы детектор (PID, ФИД) ауа сынамасын ультракүлгін шамның жанынан өткізеді. Фотондар иондану энергиясы шам энергиясынан (10,0, 10,6 немесе 11,7 эВ) төмен молекулалардан электрондарды ұрып шығарады, ал аспап пайда болған токты өлшейді. PID ароматиканы, еріткіштерді, отынды, күкіртсутек пен аммиакты көреді, бірақ метанды көрмейді. Көрсеткіш изобутиленге шаққанда беріледі.

Төменде ретімен: сенсор қалай құрылған, ол қандай заттарды көреді, көрсеткішті нақты газға қалай қайта есептеу керек және нәтижені не бұрмалайды. Ағып кетулерді іздеуге және LDAR бағдарламаларына арналған аспаптарды таңдау туралы «Газ бен ҰОҚ ағуын іздеу: Ion Science PID детекторлары» мақаласында толық жазылған, мұнда әдістің өзі туралы сөз болады.

PID сенсоры қалай құрылған

1. Сынама алу. Сорғы немесе диффузия ауаны сенсорға жеткізеді. Ion Science деректері бойынша мембраналық сүзгі арқылы иондану камерасына сынаманың шамамен 1%-ы өтеді.
2. Иондану. Ультракүлгін шам камераны сәулелендіреді. Егер фотон энергиясы молекуланың иондану энергиясынан үлкен болса, молекула электронын жоғалтып, оң ионға айналады.
3. Иондарды жинау. Электродтар арасына кернеу берілген, иондар мен электрондар соларға қарай қозғалады, тізбекте ток жүреді.
4. Қайта есептеу. Ток иондалатын заттардың концентрациясына пропорционал. Аспап изобутиленнің белгілі концентрациясы бойынша калибрленеді және нәтижені ppm немесе ppb түрінде шығарады.

Азот, оттегі және көмірқышқыл газы сигнал бермейді, сондықтан PID тікелей ауада жұмыс істейді. Сенсор химиялық реагент жұмсамайды, бірақ шам терезесі уақыт өте ластанады және оны тазалайды (толығырақ төменде).

Шам энергиясы және иондану энергиясы ережесі

Әдістің басты ережесі: PID затты шам фотондарының энергиясы сол заттың иондану энергиясынан (IE) жоғары болғанда ғана көреді.

Шам	Кім шығарады	Іс жүзінде не береді
9,8 эВ	RAE Systems (TN-106 кестесіндегі жеке баған)	Тек IE мәні 9,8 эВ-тан төмен заттар
10,0 эВ	Ion Science (MiniPID 2 10.0 eV)	Алифатты көмірсутектерді негізінен кесіп тастайды, ароматика қосындысы қалады (TAC режимі)
10,6 эВ	Ion Science, RAE	Стандартты шам: органикалық ұшпа заттардың көпшілігі, сонымен қатар күкіртсутек пен аммиак
11,7 эВ	Ion Science, RAE	IE жоғары заттарды қосады: метанол, формальдегид, хлороформ, этан, пропан

Ion Science TA-02 кестесінен мысал: 10,6 эВ шамы күкіртсутекті (IE 10,46 эВ) және IE одан төмен заттардың бәрін өлшейді, бірақ метанолды (IE 10,85 эВ) көрмейді. Метанол үшін 11,7 эВ шамы керек.

Ереженің ескертпелері бар. RAE Systems TN-106 құжатында қайнау температурасы жоғары («ауыр») заттар нашар буланатындықтан, IE шам энергиясынан төмен болса да, сигналды әрең беруі мүмкін екенін атап өтеді. Кейбір бейорганикалық заттар, мысалы азот диоксиді мен сутек асқын тотығы, IE төмен болса да әлсіз сигнал береді.

PID қандай заттарды көреді, қайсысын көрмейді

Кестеде иондану энергиясы мен жауап коэффициенті (RF) Ion Science TA-02 кестесінен (2026 жылғы 13 наурыздағы редакция) алынған. «Жоқ» нөлдік сигналды білдіреді.

Зат	IE, эВ	RF, 10,0 эВ	RF, 10,6 эВ	RF, 11,7 эВ
Изобутилен (калибрлеу газы)	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	д/ж
Дизель отыны	~8,0	д/ж	0,8	0,4
Ацетон	9,69	1,2	1,17	1,7
Гексан	10,13	13	4	0,6
Этанол	10,47	жоқ	11	3
Күкіртсутек	10,46	жоқ	4	1,5
Аммиак	10,18	д/ж	8,5	5,7
н-Бутан	10,63	жоқ	40	1,5
Метанол	10,85	жоқ	жоқ	2,9
Пропан	11,07	жоқ	жоқ	3
Этан	11,56	жоқ	жоқ	3
Метан	12,51	жоқ	жоқ	жоқ
Көміртек монооксиді	14,01	жоқ	жоқ	жоқ
Су	12,61	жоқ	жоқ	жоқ

«Д/ж» — деректер жоқ.

Кестеден үш нәрсе көрінеді:

• PID ароматиканы бәрінен жақсы көреді. Бензол, толуол және ксилолдардың RF мәні барлық шамда шамамен 0,5, яғни оларға сезімталдық изобутиленге қарағанда шамамен екі есе жоғары.
• 10,6 эВ шамында жеңіл алкандар дерлік көрінбейді. н-Бутанның RF мәні 40, пропан мен этан сигнал бермейді. Оларды тек 11,7 эВ шамы көреді.
• Метанды ешбір шам көрмейді. Оның иондану энергиясы 12,51 эВ, бұл 11,7 эВ-тан жоғары. Сондықтан PID табиғи газ бен биогазға жарамайды. Метан ағуын немен іздеу керектігі «Метан ағуы: немен іздеу керек» мақаласында талданған.

Жауап коэффициенті және изобутилен бойынша калибрлеу

Аспапты әр затқа калибрлеу әдетте мүмкін емес, сондықтан PID изобутилен бойынша калибрленеді, содан кейін көрсеткіш жауап коэффициенті арқылы қайта есептеледі (RAE құжаттарында ол correction factor, CF деп аталады):

Заттың концентрациясы = изобутилен бойынша көрсеткіш × RF

Ion Science TA-02 мысалы: 10,6 эВ шамында анизолдың RF = 0,59. Изобутилен бойынша калибрленген аспап 10 ppm көрсетті, демек анизол 10 × 0,59 = 5,9 ppm. Аспаптардың көпшілігінде RF кірістірілген кітапханадан таңдалады және аспап бірден қажетті заттың концентрациясын көрсетеді.

Ауада қоспа болса

PID барлық иондалатын заттардың сигналын қосады, сондықтан жеке құрамдасты бөліп ала алмайды. Қоспаның құрамы белгілі болса, жалпы RF мольдік үлестер X және құрамдастардың коэффициенттері бойынша есептеледі:

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

Ion Science мысалы: 20% анизол (RF 0,59), 30% ацетон (RF 1,17) және 50% этанол (RF 11) қоспасы RF = 1,56 береді. 100 ppm көрсеткіш кезінде қоспада 20 ppm анизол, 30 ppm ацетон және 50 ppm этанол бар.

ppm-ді мг/м³-ге аудару

Ion Science 25 °C және 1012 мбар үшін формула келтіреді:

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

Бензол (78 г/моль) үшін 1 ppm шамамен 3,19 мг/м³-ге сәйкес келеді, NIOSH анықтамалығы да осы мәнді береді.

Коэффициенттердің шектеулері

• Кестелердегі RF мәндері бағдарлық. Олар электродтардың құрылымына, шам жарықтығына және жағдайларға байланысты. Дәл жұмыс үшін Ion Science аспапты жұмыс концентрациялары диапазонында мақсатты газ бойынша калибрлеуді ұсынады.
• RAE Systems деректері бойынша коэффициенттер 50–100 ppm кезінде өлшенген және шамамен 1000 ppm-ге дейін жарамды. Ion Science бірнеше мың ppm-нен жоғары сигналдың сызықтық еместігі әр затта әртүрлі екенін ескертеді.
• Өлшенетін деңгейден жүздеген есе жоғары концентрацияның әсерінен кейін сенсорға тазаруға уақыт керек, әйтпесе төмен көрсеткіштер асырып көрсетіледі.

Көрсеткішті не бұрмалайды: ылғалдылық, метан, ластану

Ылғалдылық және фондық газдар. RAE Systems TN-106 құжатында MiniRAE үшін деректер келтіреді: су буы, метан және метанол 15 000 ppm концентрацияда сигналды шамамен 20%-ға, 30 000 ppm кезінде шамамен 40%-ға төмендетеді. Ion Science дәл осы құбылысты су буының, метанның және CO2-нің иондаушы сәулені басуы деп атайды.

Ластанған қабырғалар бойымен токтың ағуы. Камера қабырғаларында уақыт өте шам жұмысының өнімдері тұнады. Олар ылғалды сіңіреді, электродтар арасында бөгде ток пайда болады, көрсеткіш «жылжиды». Ion Science кәдімгі PID-тің салыстырмалы ылғалдылық 90% және одан жоғары кездегі қателігін шамамен 60% деп бағалайды. Ion Science сенсорларында негізгі электродтардың арасында осы ағу жолын жабатын қосымша Fence Electrode электроды тұр.

Шам терезесінің ластануы. TA-02 кестесінде кейбір заттар шам терезесін ластайтын немесе сезімталдықты уақытша басатын (100 ppm·мин әсерден кейін кемінде 30 минутқа) деп белгіленген. Мұндай заттар үшін Ion Science газбен тексеруді (bump test) жиірек жасауға және терезені тазалауға кеңес береді.

Температура мен қысым. RAE аспапты өлшеулер жүргізілетін температура мен қысымда калибрлеуді, ал аспаптың өзін іште ылғал конденсацияланбауы үшін сынамадан суық болмайтындай ұстауды ұсынады.

ppb ме, ppm бе: қандай сезімталдық керек

1 ppm = 1000 ppb. Заттың персоналға әсер ету шегі неғұрлым төмен болса, ppb-рұқсат соғұрлым маңызды: мысалы, OSHA бойынша бензол үшін әрекет деңгейі 0,5 ppm, сондықтан ppm-нің ондық және жүздік үлестерін өлшеуге тура келеді. Бензолға арналған шектер мен аспаптар «Кәсіпорында бензолды бақылау» мақаласында талданған.

Айырмашылық Ion Science MiniPID 2 сенсорларында жақсы көрінеді:

Сенсор нұсқасы	Шам	Төменгі шек	Диапазон
MiniPID 2 PPM	10,6 эВ	100 ppb	0–4000 ppm
MiniPID 2 PPB	10,6 эВ	1 ppb	0 – 40 ppm-нен жоғары
MiniPID 2 HS	10,6 эВ	0,5 ppb	0 – 3 ppm-нен жоғары
MiniPID 2 10.0 eV	10,0 эВ	5 ppb	0 – 100 ppm-нен жоғары
MiniPID 2 11.7 eV	11,7 эВ	100 ppb	0 – 100 ppm-нен жоғары

Сенсор неғұрлым сезімтал болса, оның жоғарғы шегі соғұрлым тар. Портативті Tiger XT екі диапазонды бір аспаппен жабады: 10,6 эВ шамымен 1 ppb-ден 20 000 ppm-ге дейін. 11,7 эВ шамымен оның диапазоны 9000 ppm-ге дейін, рұқсаты 0,6 ppm, T90 жауап уақыты 6 с-тан аз (10,6 эВ шамында 2 с-тан аз).

Дұрыс көрсеткішті қалай алуға болады: жұмыс тәртібі

1. Мақсатты затты анықтаңыз және оның иондану энергиясын табыңыз. Егер IE 11,7 эВ-тан жоғары болса (метан, CO, сутек), PID жарамайды.
2. Шамды таңдаңыз: көп міндет үшін 10,6 эВ, ароматика үшін 10,0 эВ, метанол, формальдегид, хлорланған еріткіштер мен жеңіл алкандар үшін 11,7 эВ.
3. Аспапты калибрлеңіз изобутилен немесе мақсатты газ бойынша, нысандағыдай температура мен қысымда. Өлшеу кезінде тұратын барлық сүзгілерді калибрлеу кезінде де орнатыңыз.
4. Мақсатты заттың RF мәнін аспап кітапханасынан орнатыңыз немесе көрсеткішті қолмен қайта есептеңіз.
5. Фонды ескеріңіз: жоғары ылғалдылықта немесе метан болғанда көрсеткіш төмендейді.
6. Аспапты газбен тексеріңіз ауысым алдында, әсіресе шам терезесін ластайтын заттармен жұмыстан кейін.

Қандай аспапты таңдау керек

• Портативті аралау, ағуды іздеу, ыдыстарға кіруге рұқсат: Ion Science Tiger XT. 10,0, 10,6 және 11,7 эВ шамдары, 750-ден астам зат кітапханасы, ATEX/IECEx.
• Тыныс алу аймағындағы жеке монитор: салмағы 111 г Ion Science Cub, 10,6 эВ және 10,0 эВ TAC нұсқалары.
• Бензолды басқа көмірсутектерден бөлек өлшеу: алдын ала сүзгі түтігі бар Ion Science Tiger XT Select.

Бірінші буындағы Tiger аспабы Ion Science сайтында енді көрсетілмейді (оның мекенжайы қазір Tiger XT-ға апарады), сондықтан жаңа сатып алуларға біз оны ұсынбаймыз. GasCheck ағу іздегіші фотоиондау емес, жылу өткізгіштік принципімен жұмыс істейді және бұл мақаладағы міндеттерге қатысы жоқ. KEG TRK Қазақстанда Ion Science аспаптарын жеткізеді. Бағасы сұрау бойынша.

Дереккөздер

• 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.