Die Grundlagen eines Photoionisationsdetektors (PID)

Wie funktioniert ein PID?

Ein Photoionisationsdetektor (PID) verwendet UV-Licht mit niedrigem Wellenlängenbereich, um Elektronen aus den Zielverbindungen in der Luft oder einem anderen Gas auszustoßen. Die Elektronen und positiven Ionen werden als Strom gemessen, der wiederum proportional zur Konzentration der Verbindung ist, was eine genaue Ablesung der Konzentration bis in den ppb-Bereich (parts-per-billion) ermöglicht. Eine chemische Substanz reagiert so lange, wie die Energie der Lampenphotonen größer ist als die Ionisierungsenergie der betreffenden Substanz. WatchGas bietet derzeit Lampen mit einer maximalen Photonen-Energie von entweder 10,6 eV oder 9,8 eV an.

Die Bestandteile sauberer Luft (N2, O2, H2O, CO2, Ar, usw.) können alle nicht unter 11 eV ionisieren und stören daher nicht.  Tausende von gängigen flüchtigen organischen Verbindungen, darunter vor allem H2S, NH3 und Jod, sind mit PID nachweisbar. Typische Anwendungsbereiche sind die Raffination und der Transport von Kraftstoffen, die Herstellung von Kunststoffen, die Verwendung von Klebstoffen, Lackierarbeiten, Entfettungslösungen, Reinigungsmittel, die Verarbeitung von Lebensmitteln und Pharmazeutika, die Beseitigung von Sondermüll, Pestizide und Begasungen und viele mehr..

Korrektur-Faktoren

Jede chemische Substanz reagiert mit unterschiedlicher Empfindlichkeit auf den PID. Der Sensor wird in der Regel mit Isobutylen kalibriert und die Reaktion mit einem im Gerät programmierten Faktor korrigiert, so dass das Display die tatsächliche Konzentration der gemessenen Verbindung anzeigt:

Messwert = tatsächliche Konzentration = Ansprechwert x Korrekturfaktor (CF)

Es wurden mehrere hundert Korrekturfaktoren gemessen, die die am häufigsten vorkommenden chemischen Substanzen berücksichtigen.

PIDs sind nicht spezifisch

Wenn chemische Verbindungen vorhanden sind, spricht ein PID auf alle nachweisbaren Verbindungen an. Das Einprogrammieren eines Korrekturfaktors macht das Gerät nicht spezifisch für diese Verbindung. Daher kann ein bestimmter Gasgehalt die Messung eines anderen beeinträchtigen. Liegt jedoch ein bekanntes Chemikaliengemisch vor, z. B. ein Benzin- oder Farblösemittelgemisch, kann ein Gesamt-KF für das Gemisch verwendet werden, um die Gesamtkonzentration der VOCs genau zu messen.

Schwere Moleküle

Tragbare PID´s können in der Regel Verbindungen mit Siedepunkten bis zu maximal 250 ºC messen. Schwerere Stoffe neigen dazu, an der Einlassoberfläche zu adsorbieren und geben daher eine langsame und nicht reproduzierbare Antwort. WatchGas PID-Sensoren verfügen über ein volumenreduziertes Durchflussprinzip, das ein schnelles Ansprechen und eine Erweiterung des Siedebereichs auf bis zu ca. 300 ºC ermöglicht.

Der Konzentrationsbereich reicht von wenigen ppb bis zu mehreren Tausend ppm
WatchGas PID´s zeigen ein sehr lineares Ansprechverhalten zwischen niedrigen ppb-Werten bis hin zu mehreren tausend ppm. Oberhalb von etwa 1000 ppm empfehlen wir eine 3-Punkt-Kalibrierung, um die Anzeige bei höheren Konzentrationen zu linearisieren.

Auswirkungen von Luftfeuchtigkeit

Eine hohe Luftfeuchtigkeit kann die Ansprechzeit des PID auf VOCs in der Umgebungsluft reduzieren und die Ansprechzeit in der Nähe von kondensierenden Umgebungsbedingungen erhöhen. Dieser Effekt kann bei den meisten Anwendungen vernachlässigt werden, aber für sehr präzise Arbeiten sollten Korrekturen vorgenommen oder das Gerät bei derselben Luftfeuchtigkeit kalibriert werden, bei der die Messungen durchgeführt werden. Kondensierende Umgebungsbedingungen sollten vermieden werden. Wenn ein Gerät beispielsweise aus einem kühlen, klimatisierten Raum in heiße, feuchte Außenluft gebracht wird, lassen Sie das Gerät zunächst auf die entsprechende Umgebungstemperatur aufwärmen, um Kondensation zu vermeiden, bevor Sie mit den Messungen beginnen. In einigen Fällen können Trocknungsröhrchen verwendet werden, um Feuchtigkeit zu entfernen und die Genauigkeit der VOC-Messung zu verbessern.

Minimale Auswirkungen von Temperatur und Druck

Diese beiden Faktoren haben nur geringe Auswirkungen auf die PID-Messwerte und können in der Regel außer Acht gelassen werden. Sie kommen nur dann ins Spiel, wenn das Überwachungsgerät bei einer ganz anderen Temperatur oder einem anderen Druck kalibriert wird, als für die Messung verwendet wird. Eine Erhöhung der Temperatur verringert einen PID-Messwert um höchstens 5 % pro 10 ºC Anstieg. Eine Erhöhung des Drucks erhöht die Reaktion direkt proportional zum Druck und kann durch Multiplikation mit dem Druckverhältnis korrigiert werden:

Tatsächliche Konzentration = Messwert x (Kalibrierdruck/Messdruck)

PIDs messen in inerten Atmosphären, aber nicht in Erdgas

PID´s können zur Messung von VOCs in inerten Atmosphären verwendet werden, z. B. in Kraftstofftanks, die mit Stickstoff oder Argon überlagert sind, um Explosionsgefahren zu vermeiden. Das Ansprechverhalten von PID´s in Behältern, die mit Wasserstoff, Helium, Argon oder Stickstoff desoxygeniert sind, ist um bis zu 20 % höher als das Ansprechverhalten in Luft. Reines Kohlendioxid oder reiner Sauerstoff führt zu einer Verringerung des Ansprechverhaltens um etwa 20 %, aber VOC´s können immer noch gemessen werden, wenn eine Korrektur vorgenommen wird. Erdgas (d. h. reines Methan) und Flüssiggas (LPG) unterdrücken das Ansprechverhalten eines PID sehr stark und daher können in diesen Umgebungen nur nach einer 100-fachen Verdünnung Messungen durchgeführt werden.

Grundlagen eines Photoionisationsdetektor