挥发性有机化合物VOC,PID检测白皮书

简介
挥发性有机化合物(VOCs)往往是液体，在室温下1很容易释放 出蒸汽，如溶剂和燃料。在高浓度下，这些蒸气会发生爆炸。 在极低浓度下，他们可能有毒。虽然有时候，接触这些化合物 的影响可以立刻显现，但是通常可能几个月都不会有任何明显 症状，而是此后几年才会显现。这种慢性病可能由长期大量接 触低浓度挥发性有机化合物(VOCs)造成。随着人们对挥发性有 机化合物(VOCs)的慢性毒性的逐步认识，职业接触限值(OEL) 得以降低，同时也增加了对直接测量的需求。
图1 便携式气体检测器的呼吸区
大量不同的有毒、易爆气体可能存在于某些工作环境中。因 此，最常用的办法就是使用可以同时装配多个传感器的气体 检测仪，能够同时监测可能造成威胁的不同气体危害。不同 传感器提供的信息有助于分析复杂混合气体。
然而，受成本和体积限制，谈及个人检测设备时， 只有可燃性气体传感器或者基于PID的传感器才被常 用。这两种技术并不是针对某一种气体，因此不能 用于从一种 VOC/易燃气体中区分出另一种。
检测头
密封圈 铅片
从VOC分子中去除一个电子所需的能量被称为电离电势(IP)。 分子越大，或分子中含有更多双键或三键，则IP越低。因此， 一般来说，分子越大，就越容易被检测出。并且，该技术不需 要使用可能会阻止气体进入传感器的烧结片。同时，也不易被 其他常见的化合物削弱其功能而导致中毒。
图 4：10.6 eV 光电离传感器的典型配置
光电离检测技术被公认为监测挥发性有机化合物有毒水平 的首选技术。传感器包括一盏指示灯，该灯安装于高能紫 外线（UV）光源内(图4)。该指示灯(包括一个密封的硼硅 酸盐玻璃体）内包惰性气体，最常用的是氪和电极。UV 光 的能量激发中立带电的 VOC 分子，因此去除一个电子4。
去除一个带负电的电子，则现在VOC分子具有一个对应的正 电荷。带正电荷的分子和带负电荷的电极吸引相反电荷的电 子，产生了电流。电流的量级与气体浓度成正比，并转换为 ppm 时值读数，可在检测器上显示。
参考文献 1. VOC(挥发性有机化合物)，佛蒙特州公共服务卫生机构，http://healthv
/enviro/indoor_air/voc.aspx- accessed 06/02/14
2. 亨德森.R.，VOC 测量、职业健康与安全的气体检测 04/1/10 http://o /Articles/2004/10/Gas-Detection-for-VOC-Measuremen t.aspx - accessed 06/02/14
便携式气体监测器的正确使用非常重要。某些特殊的有毒气 体可以用特定的传感器来检测2。在接触该特定气体的环境内 使用这些特定的传感器是可行的。典型的例子包括碳酸饮料 行业中使用的二氧化碳；钢铁行业使用的硫化氢；以及水处 理领域中使用的臭氧和氯气。针对上面提到的每一种气体， 都有可用的传感器，这些传感器通常基于电化学技术。然而， 却没有甄别多种VOC气体的特定传感器。在这种情况下，必须 依靠不同的技术。
关键字: 挥发性有机化合物（VOC)；光电离检测器（PID）；气体检测；可燃 性气体检测仪；惠斯通电桥；热磁珠。
PID检测 — 防御挥发 性有机化合物(VOC)的 危害
理查德·邓恩(Richard Dunn) 便携式气体检测产品经理
英国科尔康检测仪器有限公司
摘要
某些工作环境造成的气体危害的性质是非常复杂的，单一的解决方案不可能实现全面的保护。挥发性有机化合 物(VOCs) 构成某种特定的危险，因为他们都是可燃的，甚至在极低的浓度下，这些化合物也是有毒的。催化 燃烧气体传感器可以在可燃水平下检测出很多种挥发性有机化合物(VOCs)，但其灵敏度不足以防御慢性毒性作 用。总而言之，光电离检测传感器(PID)是目前广受青睐的解决方案，用于监测个别、低含量VOC接触，通常可 以集成到便携式复合气体检测仪中。
• 催化燃烧传感器只能在一定百分比范围内检测(百分量)。 该传感器适用于检测燃烧风险，但是很多挥发性有机化合 物(VOCs)也会构成毒性威胁。因此，传感器的灵敏度通常 需要达到百万分比(ppm)。
• 很多挥发性有机化合物(VOCs)均是烃分子，不能轻易 通过可燃性气体传感器烧结片进行扩散。这意味着其灵 敏度进一步降低。
100% LEL* (vol %)
2.5 1.2 1.0 4.0 2.0
1.0 1.0
5% LEL (ppm) 1250 ppm 600ppm 500ppm 2000ppm 1000ppm
500ppm 500ppm
结论
长期以来，人们普遍认为挥发性有机化合物（VOCs）对人类的健康造成重大威胁，但却在近期才充分意识到 其毒性的危害。为了保护工人免受低浓度毒性的损害，仅使用可燃性气体传感器是远远不够的。在低于一定 浓度时，该技术检测不到挥发性有机化合物，不能防范所接触的有毒物质。为此，最常用的技术是光电离检 测技术(PID)。对于许多应用而言，将该技术集成到结构紧凑的多传感器仪器上，并配备氧气、电化学有毒气 体、LEL 可燃气体(可燃性气体传感器) 和 VOC 有毒气体 (PID) 传感器，其目的在于防范各种气体危害。
正电极
负电极
VOC 分子进入传感器
VOC 分子 带正电荷的 VOC 分子 电子
10.6 eV 指示灯
PID 灵敏度非常高，可以检测到很多不同种类的挥发性有 机化合物。响应幅值与气体的浓度成正比。然而，一种 5 0ppm 的气体显现出的读数与另一种 50ppm 的不同气体不 同。为了应对该情况，检测器通常需要校准异丁烯，然后 采用校正因子获得其他气体的准确读数。每种气体都有不 同的校正因子。因此，必须获悉需应用的正确校正因素。 此外，校正因子由传感器制造商特别指定。
进一步了解科尔康在石油与天然气和石油化工行业的气体检测解决方案，请访问 /industries-and-applications/oil-and-gas-exploration-and-production.html
随着人们对挥发性有机化合 物（VOCs）的慢性毒性的逐 步认识，职业接触限值(OEL) 得以降低，同时也增加了对 直接测量的需求。
• 催化燃烧传感器容易被很多化学物质腐蚀而中毒，这是 很多行业领域都会涉及到的3。对于含硅酮、铅、硫和磷酸 盐的化合物，虽然其含量可能只有几个ppm，但也可使传 感器中毒，导致其部分或完全丧失灵敏度。
R B
直流电源
R1
R B
图 3：催化燃烧传感器结构图
磁珠
过滤片 反应室
基于光电离的检测（PID检测）
3. CoGDE 气体检测指南，第 5.5 章，利･格里纳姆编辑编辑，2012 年，ILP 出 版，圣奥尔本斯
4. 光电离检测(PID)介绍，Alphasense 应用笔记 AAN 301-04, http://www.al /WEB1213/wp-content/uploads/2013/07/AAN_301-04.pdf - a ccessed 06/02/14
因此，对于很多应用来说，可燃性气体传感器和光电离检测器 一直被视为互为补充的检测技术，而不是互相竞争。可燃性气 体传感器善于监测 PID 无法探测到的甲烷、丙烷和其他常见 的可燃气体。另一方面，PID 可以检测到可燃性气体传感器无 法检测出的大分子 VOC 和烃类，当然需达到对有毒浓度警报 的百万分率范围内。因此，在许多环境中检测气体的最佳方法 就是安装配备这两种技术的多传感器仪器。
催化燃烧传感器（可燃性气体传感器）
催化燃烧传感器实际上是利用气体的燃烧来检测气体3。虽然 利用燃烧检测可燃气体可能听起来并不明智，可燃性气体传 感器的设计却可确保其安全。催化燃烧传感器基于惠斯顿电 桥(图2)工作原理，在电桥结构中设置两个包有铂线圈的磁珠。 其中一个磁珠（反应磁珠）接收催化反应，由此降低了周围 气体燃点。燃烧过程使这个磁珠温度升高，与参考磁珠产生 温差，导致电路电阻值不同。通过电阻值变化直接与气体浓 度成正比，由此可以得到气体爆炸下限百分比（%LEL）。
图2：惠斯顿电桥电路原理图
输出
热磁珠和电气电路安装于催化燃烧传感器的内部(图3)，但 气体必须通过传感器才能被检测到。因此，传感器外壳，包 括一个烧结金属阻火器(或过滤片/烧结片)，气体通过该过 滤片。受限于传感器外壳，可能会发生可控的燃烧，烧结片 将其与外界环境隔离。
虽然这种传感器可适用于多种可燃气体，但是如果检测挥发 性有机化合物(VOCs)时，其却有着明显的缺点。
对于有爆炸可能的气体，必须达到一定的环境浓度，即爆炸 下限 (LEL)。检测器设定的第一报警限值最好不高于爆炸下 限5的 10%，甚至更低，如果情况需要。甚至爆炸下限的 5% 往往也高于防御毒性的法定职业接触水平。
表 1:爆炸和有毒限值的比较 挥发性有机化合物 （VOC） 丙酮 苯 己烷 硫化氢 异丙醇
最常见的挥发性有机化合物(VOCs)接触形式为蒸汽吸入。防范 3
蒸汽吸入的最佳方法是使用便携式气体检测器，并正确佩戴。 例如合理地靠近呼吸区，但却不直接与检测器接触(图1)。通 过这样的方式，检测器与其佩戴者所接触相同级别的有毒气体， 因此可以适当地警示佩戴者。至关重要的是，能够避免长期、 低浓度接触挥发性有机化合物引发慢性疾病。
“慢性病可能由长期大 量接触低浓度挥发性有 机化合物(VOCs)造成。”
针对VOC的特定检测器
几种可以检测VOC气体的技术
这些技术包括: 比色气体检测管；被动式(扩散式) 剂量计；吸附管取样系统；可燃性气体传感器 (也称之为催化燃烧式传感器或惠斯通电桥)；光 电离检测(PID)；火焰电离检测(FID)和红外分光 光度法。这些技术都非常有用，甚至在某些监测 应用中是必需的。
苯乙烯 甲苯
* LEL 取自 IEC600793
TWA
500ppm
TWA
1ppm
TWA
20ppm
TWA
5ppm
TWA
400ppm
TWA