光离子化检测器电离室及光电离检测器的制作方法

文档序号:17917803发布日期:2019-06-14 23:54
光离子化检测器电离室及光电离检测器的制作方法

本发明属于气体检测技术领域,具体涉及一种光离子化检测器电离室及光电离检测器。



背景技术:

PID(Photo Ionization Detection光离子化检测)技术作为一种精确而有效的挥发性有机物总量(TVOCs)检测手段获得了越来越广泛的应用。PID的基本原理是利用惰性气体真空放电现象所产生的紫外线,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。在电离室中,离子和电子在外加电场的作用下,向金属电极快速移动,在两个电极之间产生微电流信号,通过微弱信号放大电路将电流信号放大后检测得到有机物的浓度。光离子化技术具有便携性、安全性、分辨率实时性等特点,挥发性有机物被检测后,离子重新复合成原来的气体,也就是说它对于被检测物是不具破坏性的检测技术

现有的光离子化电离室均为平行极化板结构。包括两个平行放置平板偏置电极,以及收集电荷的平行收集极板。这种设计使得电离室在保证不改变原有体积的情况下,限制了极板与带电粒子的接触面积,减弱了电极板的收集效率。而接触面积对PID检测器检测精度的影响很大,因此,如何增大气体与极板接触面积使得电离充分,是PID检测器制备的一个重要因素。此外,市面上光离子化检测器在进气口处设置的减速片均为圆形通气孔的矩形阵列,但是其电离室内腔常为圆筒状,气体经过矩形减速片进入圆筒状电离室时,待测气体在空间中分布不均匀,由于PID光源自身的先天性原因,输出光子波长短、大气中衰减快,加上PID光源制作工艺的难度大,该结构很难大幅提高光源的光利用效率,导致气体电离不均匀,影响光离子化检测器的检测灵敏度和测量精度。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种光离子化检测器电离室,使得待测气体分子能够得到充分且均匀的电离的电离室。

本发明是通过以下技术方案实现的:

一种光离子化检测器电离室,包括构造有电离腔的筒状电离室主体,固定设置于所述的电离腔内的电极板,所述的电离室主体两端构成气流进口和入光口,所述的电离室主体侧部构成气流出口,所述的电极板为对应平行间隔设置的涡状正极化板和涡状负极化板,所述的负极化板由不导电材料制成且镀敷有导电层,所述的导电层构成收集板

本发明的优点和有益效果为:

所述电离室采用安装在电离室主体上部的圆形阵列减速板结构,使得进入所述电离室的待测气体能够均匀等速地流入电离腔内,从而能够充分地受到紫外光的照射,增大了气体分子被电离的几率;电离室中部的涡状极板设计与极板电镀收集板的设计在不改变原有传感器体积的情况下,增大了极板与带电粒子的接触面积使得待测气体离子在极板之间完全偏转至收集板上,此时待测气体分子能够在所述电离室中得到充分而均匀的电离与偏转,同时提高电离与采集效率,进而能够提高光离子化传感器的灵敏度、重复性、抗干扰能力以及响应时间等性能。

所述电流信号放大电路采取的对称型PCB布局,顶层和底层的原件摆放,均提高电路的精确度。放大器采用高性能对数放大器或者精密运算放大器,实现对微弱电压信号的放大,对数放大器由于自身结构,对不同的数量级的电压信号放大能力不同,能够测量更加宽范围的信号,精密运算放大器能将误差最小化,使此电路网络能更加精密。电离室与放大器的设计大幅提升检测器检出率和信号处理质量。

附图说明

图1是本发明用于挥发性有机化合物总量检测的光离子化检测器较佳实施例提供的立体结构截面示意图。

图2是图1所示的电离室外壳的立体结构示意图。

图3是图1所示的电离室外壳的立体结构示意图。

图4是图1所示的整个电离室极化板立体结构示意图。

图5是图1所示的整个电离室入气口处的减速板立体结构示意图。

图6是图1所示的电离室放大电路示意图。

对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本发明的一种光离子化检测器电离室,包括构造有电离腔的筒状电离室主体,固定设置于所述的电离腔内的电极板,所述的电离室主体两端构成气流进口和入光口,所述的电离室主体侧部构成气流出口,所述的电极板为对应平行间隔设置的涡状正极化板和涡状负极化板,所述的负极化板由不导电材料制成且镀敷有导电层,所述的导电层构成收集板。所述电离室壁侧壁下方进一步开设多个尾气排放通孔,其通孔直径优选为入气口的直径。

具体地,正极化板材料可为常见的导电材料,优选的为不锈钢、铜或者其它金属;负极化板材料可为常见的不导电材料且易于电镀,优选的为聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰亚胺,进一步优选为高绝缘性能的聚酰亚胺;所述的涡状电极板包括不锈钢材质的正极化板和导电聚酰亚胺薄膜材质的负极化板,所述的涡状收集板为两侧具有镀金层的聚酰亚胺薄膜材料。

对于收集板,优选为双面电镀在负极化板上,其为极化板同为涡状结构;优选的材料可为常见的导电镀层材料,优选的为铜、镍、铬、锡、银、金,进一步优选的为金;优选的,收集板位于负极化板的中心线上,其上下边缘与极化板边缘各相距1-2mm。

作为其中一个具体实施方式,对于电离室一端外壳形状;优选的,所述外壳的电离室一端为圆柱形结构;优选的,所述外壳的电离室一端的柱体内直径为6-7mm,外直径8-10mm,高7-10mm,进一步优选的内直径为6-6.5mm,外直径9-10mm,高7-8mm,最优选的为内直径6mm,外直径10mm,高7mm;

对于紫外灯一端外壳形状;优选的,所述外壳的紫外灯一端为圆台加圆柱形结构;优选的,所述外壳的紫外灯一端的柱体内直径为6-7mm,外直径8-9mm,高10-20mm,进一步优选的内直径为6-6.5mm,外直径8-8.6mm,高10-15mm,最优选的为内直径6mm,外直径8.6mm,高15mm。

正极化板为不锈钢材质,厚度为0.1-0.5mm,负极化板为涡状且厚度为0.1-1mm的导电聚酰亚胺薄膜材料,收集板为镀在厚度为0.1-1mm的聚酰亚胺薄膜材料两侧的镀金层,所述的电极板呈涡状以增大接触面积;所述正极化板深度为7-8mm,厚度为0.1-1mm,螺距1.5-2.5mm。

所述的负极化板为厚度0.1-1mm的聚酰亚胺薄膜,厚度为0.1-1mm,深度为7-8mm,螺距1.5-2.5mm;所述的收集板为厚度0.1-1mm两侧的Au镀层的聚酰亚胺薄膜,镀层厚度为0.01-0.1mm,收集板深度为5-6mm,螺距1.5-2.5mm;所述第一电极板和第二电极板相互平行、涡状排列,两极板相距1-4mm。

正极化板和负极化板的深度为7-8mm,厚度为0.1-0.15mm,螺距1.5-2.5mm,进一步优选的极板深度为7mm,厚度为0.1mm,螺距2mm。

对于极化板的距离,现有技术中电极之间的距离为2-4mm,本发明优选的两电极之间的距离为0.1-1mm,该设定使两电极间距离大幅度减少,因而减少了电离室的死体积,提高了电子一次捕获效率,从而提高了检测灵敏度,此外,亦可大幅减少载气流速,可将传统PID的载气流速从30-50ml/min减少到3-10ml/min,有利于PID检测器的小型化。

本发明的电离室主体为形成有电离腔的筒状结构,电离腔的顶部设置有形成气流进口,侧部形成有气流出口,电离室底部形成有入光口,两极板横截面呈涡状且对称与圆筒轴线,处在电离腔中部,粘贴在耐腐蚀、抗氧化的聚四氟乙烯外壳内部,收集板为负极板上的镀层整个电离室设计为轴向流动式,气体方向与紫外灯照射方向反向平行,且与电场方向垂直。电离室中部的涡状极板设计与极板电镀收集板的设计在不改变原有传感器体积的情况下,增大了极板与带电粒子的接触面积使得待测气体离子在极板之间完全偏转至收集板上,此时待测气体分子能够在所述电离室中得到充分而均匀的电离与偏转,同时提高电离与采集效率,进而能够提高光离子化传感器的灵敏度、重复性、抗干扰能力以及响应时间等性能。

所述的电离室主体的内壁上构造有定位槽,所述的电极板和收集板匹配地固定在所述的定位槽中实现定位。

实施例二

进一步地,在气流进口固定设置有减速板,在减速板上设置有若干口径为圆透气孔通气。如直径为0.5mm的圆孔,其中,所述减速板的若干圆透气孔呈圆形阵列排列;所述若减速板总通气孔径与所述电离室内腔直径相同。

所述电离室采用安装在电离室主体上部的圆形阵列减速板结构,使得进入所述电离室的待测气体能够均匀等速地流入电离腔内,从而能够充分地受到紫外光的照射,增大了气体分子被电离的几率;对于减速板,优选的为圆形平板与矩形阵列通气孔,进一步优选的圆形平板与圆形阵列通气孔;减速板材料可为常见的外包装材料,优选的为耐腐蚀、抗氧化的聚四氟乙烯;优选的,所述减速板的通气孔直径为0.2-0.5mm,通气孔阵列相互距离为0.5-1mm,总通气孔径为6-7mm,进一步优选的通气孔直径为0.5mm,通气孔阵列相互距离为0.7mm,总通气孔径为6mm。

实施例三

一种光电离检测器,包括所述光离子化检测器电离室,与所述的光离子化检测器电离室固定连接的紫外灯,以及信号放大处理电路,其中,所述的紫外灯的出射窗、所述气流进口与所述涡状极化板轴线三者同轴设置。

所述信号处理电路采取的对称型PCB布局,顶层和底层的原件摆放,均提高电路的精确度。放大器采用高性能对数放大器或者精密运算放大器,实现对微弱电压信号的放大,对数放大器由于自身结构,对不同的数量级的电压信号放大能力不同,能够测量更加宽范围的信号,精密运算放大器能将误差最小化,使此电路网络能更加精密。电离室与放大器的设计大幅提升检测器检出率和信号处理质量。对于放大电路;优选的放大器为log114;优选的电阻为三星产0603封装,优选的电容采用0603和0805两种封装。信号放大电路网络集成于一个专用PCB布局双层板,收集板采集的微弱电流信号通过I/V转换部分,图中经过噪声滤除网络再连接信号放大部分,整个电路的原件摆放严格按照设计芯片正负输入端线长一致,PCB追求对称分布,芯片底部掏空覆铜,严格规范走线,焊接,打样材料均按照要求进行加工,采用FR4覆铜板。

所述光离子化电离室进一步包括除湿装置,使待检测气体通过所述除湿装置后再进入所述电离室。所述除湿装置为常见的除湿器,除湿器的填充材料优选的为吸水材料,进一步优选的填充材料为硅胶。

实施例四

如图所示,一种用于挥发性有机化合物总量检测的光离子化检测器电离室,该电离室包括:外径6mm的真空紫外灯2、电离室6、气流进口8、入光口20、正极化板12、负极化板13、敷设于负极化板之上的收集板14、电极板定位槽5、减速板16、减速板定位槽7、通透式尾气出口4。电离室的极化板1213两端通过定位槽5进行固定。气流进口8的减速板16通过其上定位柱15与外壳的定位槽7进行上下固定。

其中,正极板中心11、负极板中心11、收集板中心11、紫外光灯2、气流进口8、减速板16以及入光口20在同一轴线上,均处在圆柱型电离室内腔19中。

极化板1213采用涡状结构,正极化板12其制备材料为不锈钢,极板深度为7mm,厚度为0.1mm,螺距2mm,负极化板13其制备材料为聚酰亚胺,极板深度为7mm,厚度为0.1mm,螺距2mm,两电极之间的距离为0.1~1mm,该设定使两电极间距离大幅度减少,在有限空间里增大了气体与极化板12接触面积,能有效提高检测灵敏度。正极板12通过电离室侧壁的固定槽5进行固定,负极板13同样通过电离室侧壁的固定槽5进行固定。

电离室外壳采用圆柱形结构,其制备材料为聚四氟乙烯,外壳极化板一端的内直径为6mm,外直径为10mm,高度7mm,外壳紫外灯一端的内直径为6mm,外直径为8.586mm,高度15mm。负极化板13上设有收集板14,收集板14采用镀层结构,双面镀在负极化板13中心线,其上下边界距极化板边界1.5mm。其制备材料为Au。

电离室外壳6侧壁下方设有尾气出气口4,采用一孔通透式的尾气排放方式,尾气出气口4采用圆柱形结构,其内直径为3mm,外直径为4mm,厚度1mm,其通气孔径为极板1213最下端至入光口20最上端。

紫外灯2安装在电离室外壳内腔19下部,呈圆柱形结构,光线平行于内腔轴线,与气流方向反向平行,与极板电场方向垂直;采用Heraeus公司PKR 106-6-14型氪灯,光源直径为6mm,其光子能量为10.6eV。

减速板16呈圆形薄片,其上下左右分别有四个定位柱15,便于与电离室外壳的定位槽7固定;减速板16安装在气流进口8处,减速板中央设置有若干直径为0.5mm的通气孔18,这些通气孔18以薄片圆心为中点作圆形阵列,圆形阵列直径与电离室内腔19直径相同为6mm,通气孔18相互距离为0.7mm,总通气孔径为6mm。

当电离室6运作时,待测气体从气流进口8进去,经过圆形阵列通气孔18减速板16后,待测气体均匀等速地进入电离室内腔19,待测气体在空间中均匀分布,此时紫外灯2的光线经过入光口20射入电离室内腔19,待测气体分子在紫外灯2的照射下,发生电离,正极化板12与接地板负极化板13之间形成偏转电场,电离产生的离子在电场中偏向负极化板13,射向收集板14——负极化板13上的双面Au镀层,在收集板14上收集到微电流信号,便可以对此数据进行处理引用,剩下的气体通过尾气出气口4排出。

为了易于说明,实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语,用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是,除了图中示出的方位之外,空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如,如果图中的装置被倒置,被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此,示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位),这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来,而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明做了示例性的描述,应该说明的是,在不脱离本发明的核心的情况下,任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

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