便携式光离子化有害气体检测仪的设计

　　0 引言

　　随着现代科技的不断进步，化工与材料技术得到快速发展。然而越来越多的有毒有害物质也随之产生，导致室内空气环境中损害人体健康的物质也随之增多，且大多为挥发性有机物，如甲醛、苯、甲苯和二甲苯等[2]。传统的检测器很难同时测量多种有害气体。近年来，由于光源和离子化室的分离，光离子化技术得到了快速发展[5]。

　　光离子化检测器 PID( photo-ionization detector) 以适用范围广、精度高、响应快、可连续测量以及无需载气等优点，在室内有毒有害气体以及挥发性有机物的检测方面应用广泛。PID 既可以作为一种初级检测工具，用来鉴别、显示有毒有害物质的存在与否，也可作为准确测量已知有害物质的定量工具。随着光离子化技术与气相色谱技术和离子迁移谱技术的联用，使得PID 具备组分分析能力，这使其在工业流程监测、环境保护和事故应急处理等领域具有广泛的应用前景[1]。

　　1 光离子化原理

　　光离子化检测原理是当电离电位小于或等于紫外光能量的气体分子吸收一个光子后，发生电离，生成带正电的离子和电子。在离子化室中，离子和电子通过外加电场的加速，向金属电极快速移动，在两个电极之间产生可被微电流检测器检测到的微电流信号[5]。光离子化检测原理如图 1 所示，其中，紫外光由具有特定能量( 1. 696 ×10^{- 18} J) 的紫外灯产生，外加电场由高压电源提供。

　　光离子化电流的大小受以下几个反应影响[3 -6]:

　　式中: AB 为待测气体分子; AB*为 AB 吸收光子后的激发态; C 和 D 为空气中不能被离子化的气体分子，如氮气 N2和氧气 O2。式( 1) 和式( 2) 是光离子化检测器工作的基础。式( 3) 和式( 4) 将激发态分子转换为非激发态，没有形成带电离子，从而减小了电离电流的大小。式( 5) ～ 式( 7) 是载荷子再结合的过程，同样也减小了电离电流的大小。Freedman 已经证明，如果在两个电极之间加上高电压，那么载荷子的再结合就会受到抑制[3，5]。

　　在标准状况下，光离子化在单位时间内产生的离子对数目可以表示为[7]:

　　式中: Ni为光离子对数目; δi为光离子化吸收系数; δt为其他因素引起的吸收系数，δt= δi+ δe; 为单位时间内进入离子化池的光子数目，s^{- 1}; l 为光程长，cm;N( t) 为单位体积内被测物质的分子数，cm^{- 3}。

　　2 系统设计与实现

　　2. 1 系统硬件结构

　　系统整体结构如图 2 所示。

　　系统主要由光离子化检测器和信号检测系统组成。其中，信号检测系统是以完全集成的混合信号级单片机 C8051F040 为核心，由双量程信号采集、键盘控制、数码显示、状态指示和上位机接口等功能模块组成。光离子化信号经过数据采集与处理，在微控制单元 C8051F040 的控制下，通过浓度计算算法，以浓度值的形式送至显示单元，或通过上位机接口送入计算机进行处理和分析。