002. Werking van een PID detector - Extra

Dit artikel is een verdieping op het artikel ‘werking van een PID meter – basis’ waarin de volgende punten worden besproken:

Wat is een PID?
Hoe werkt de sensor van een PID detector?
Hoe bereik ik met een PID optimaal resultaat?
Andere technieken om VOS’en te detecteren

Wat is een PID detector?

Zoals in het basisartikel besproken, is een Photo Ionisatie Detector een meetinstrument dat een grote reeks aan Vluchtige Organische Componenten (VOC) of Vluchtige Organische Stoffen (VOS) kan detecteren. Voorbeelden hiervan zijn gassen/dampen als benzeen, tolueen, xyleen, aceton, isopropylalchohol en vinylchloride. In de basis kunnen VOC’s herkend worden door de aanwezigheid van koolstof (C) en waterstof (H) atomen in hun chemische structuur. In de praktijk komen dit soort vluchtige gassen vaak voor in oliën, schoonmaakmiddelen, verven, lijmen, maar ook sigaretten of uitlaatgassen.

In het vorige artikel hebben we uitgebreid behandeld dat een PID detector een breedbandmonitor die enorm veel verscheidene vluchtige koolwaterstoffen kan detecteren en daarbij een indicatie geeft van de hoeveelheid. Echter, het is en blijft een detector en voorkennis van de toepassing en het gebruikte meetinstrument blijft cruciaal.

Hoe werkt de sensor van een PID meter?
Zoals al uit de naam is af te leiden, maakt een PID gebruik van een photo ionisatie principe om vluchtige stoffen te detecteren. Deze vluchtige organische stoffen worden door het meetinstrument met een pomp in de PID sensor gezogen. Zodra het te meten gas in de PID detector terecht komt, worden de moleculen blootgesteld aan ultraviolet licht. Vanuit het lichtspectrum gezien, gaat dit net voorbij de kleur ‘violet’ die wij nog wel kunnen zien. Dus vandaar de naam ultra-violet. Doordat ultraviolet licht een kortere golflengte heeft dan zichtbaar licht, is het energierijker. UV-licht kan zelfs de ionisatie energie van bepaalde moleculen bereiken en daarmee chemische reacties in gang zetten.

Dit is ook de precieze reden dat (te veel) UV licht, schadelijk is voor mensen. Hieronder is een afbeelding te zien van het lichtspectrum waar ook UV licht te zien is.

Door de kortere golflengte (1 tot 380 nanometer) beschikt UV licht over een bepaalde vorm van energie die groot genoeg is om gasmoleculen te ioniseren. Dat wil zeggen: Het UV licht is in staat om een atoom of molecuul een elektrische lading te geven. Met deze spanning kan het PID meetinstrument een gasconcentratie aanduiden op het display. Hoe meer gas, des te groter de spanning en des te groter de meetwaarde op het display.

Bovenstaand proces is enorm uitvergroot. Voor de beeldvorming: 1 Elektron Volt (eV) staat gelijk aan 0,00000000000000000016 Joule en het proces speelt zich binnen in de sensor af tussen een biljardste van een seconde en een duizendste van een seconde. Door deze snelheden is een PID detector enorm geschikt is voor real-time Arbo- en veiligheidsmetingen. Één belangrijke voorwaarde in dit proces is dat de UV sterkte van de lamp hoger ligt dan de ionisatie-energie van het te meten gas.

In de wereld van gas detectie bestaan er vier typen lampen met de volgende energetische sterktes: 9.8 eV, 10,0 eV, 10.6 eV en 11.7 eV. De laatstgenoemde 11.7 eV lamp is het sterkst en kan dus ook meer verschillende gassen ioniseren dan de 10,6 eV of 9,8 eV lampen. Dan zou je denken dat de 11,7 eV lamp altijd de beste keus is, toch? Maar dat is niet het geval.

De 10.6 eV PID-lamp is het meest gebruikelijk, gezien de lage Total Cost of Ownership en stabiliteit van de sensor. De 11,7 eV lamp is minder stabiel en heeft een kortere levensduur. De 9,8 eV lamp is het minst sterk en wordt voornamelijk gebruikt om gassen als een benzeen of butadieen te meten. Doordat de lamp minder sterk is zal de PID detector minder verschillende gassen kunnen detecteren, wat in specifieke gevallen juist gewenst is.

Over de verschillende lampen, wordt meer uitgelegd in dit artikel: ‘Verschillende PID lampen uitgelegd’. In het kort: Elke lamp heeft zijn eigen voor- en nadelen die je in verschillende situaties naar jouw hand kan zetten. Zo is een 9,8 eV lamp de minst sterke lamp, waardoor deze de meeste gassen met een ionisatie-energie boven de 9,8eV niet kan detecteren, wat dus bij een meting naar benzeen heel nuttig kan zijn. Benzeen heeft een ionisatiepotentiaal van 9,25 eV en valt dus mooi binnen het bereik van de 9,8 eV lamp, waardoor je verstoring van alle gassen met een Ionisatie Energie boven de 9,8 eV voorkomt.

Zie hieronder voor een aantal (lang niet alle) vluchtige stoffen met welke lamp ze ioniseerbaar zijn.

Ten slotte is het goed om te weten welke gassen standaard voorkomen in de lucht en wat hun Ionisatie Energie is. In de tabel hieronder staan de stoffen opgenoemd, en wat gelijk opvalt: Alle gassen hebben een ionisatie energie hoger dan 11,7. De sterkste PID lamp kan deze stoffen dus niet ioniseren en dus simpelweg niet detecteren. Dat is maar goed ook. Dan hebben we tijdens onze metingen geen verstoring van onderstaande gassen die structureel aanwezig zijn.

Gas	Molecuulformule	Percentage in de lucht (%)	Ionisatie energie (eV)
Stikstof	N₂	78,084	15,58
Zuurstof	O₂	20,946	12,07
Argon	Ar	0,934	15,76
Koolstofdioxide	CO₂	0,033	13,78
Neon	Ne	0,0018	21,56
Helium	He	0,000524	24,59
Methaan	CH₄	0,0002	12,61
Krypton	Kr	0,000114	14
Waterstof	H₂	0,00005	15,43
Distikstofmonoxide	N₂O	0,00005	12,89
Xenon	Xe	0,0000087	12,13
Water(damp)	H₂O	0 – 4	12,62

Hoe bereik ik met een PID detector optimaal resultaat?

Zoals ook in het basis artikel werd aangetikt, is het doen van vooronderzoek essentieel. Het is belangrijk om te weten welke gassen worden verwacht en met welk meetinstrument gemeten wordt. Een PID herkent namelijk niet welk gas er gemeten wordt. Het is puur detecteren door gasmoleculen van lading te voorzien met de UV lamp, en vervolgens deze lading te meten. Je kan verwachten dat niet elk deeltje dezelfde lading bevat. Hierom is de PID correctiefactoren lijst het leven ingeroepen. Dit is een lijst waar een tal van meetbare gassen staan weergegeven die getest zijn door de fabrikant van uw PID detector.

Om de lijsten met correctiefactoren van de verschillende fabrikanten te raadplegen, ga dan naar deze pagina: ‘Werken met PID correctiefactoren’ In deze lijsten staan tal van gassen weergegeven die zijn getest door de fabrikant. Bijna alle PID detectors worden standaard gekalibreerd met Isobutyleen gas, bijvoorbeeld met 100 ppm. Zie hier een video waarin wij een MiniRAE 3000 (gekalibreerd op Isobutyleen) gaan bumptesten: MiniRAE 3000 bumptest. Zoals we ook in deze video zien geeft het toestel zelfs na een kalibratie niet exact 100 ppm aan. De meeste Photo Ionisatie Detectors hebben een toegestane afwijking van +/- 3%.

Voorbeeld: Een PID detector beschikt over een 10,6 eV lamp en is gekalibreerd met isobutyleen. Wanneer we nu gaan meten in een ruimte waar 100ppm isobutyleen in de lucht hangt, zal ons meetinstrument ook 100 ppm op het scherm aangeven. Door de uitgevoerde kalibratie reageert de PID detector immers 1 op 1 op isobutyleen. Vervolgens neem ik dit zelfde meetinstrument mee naar een ruimte waar 100 ppm ammoniak aanwezig is. Echter, de PID detector geeft op het scherm aan: 10 ppm.

We weten nu dat een PID detector die gekalibreerd is op isobutyleen, niet 1 op 1 reageert op ammoniak. Dus wanneer we in een situatie ammoniak gaan meten, moeten we de waarde op het scherm vermenigvuldigen met 10, om bij de juiste waarde te komen. (mits er geen kans is op aanwezigheid van andere gassen die de PID kan detecteren). En dit is hoe de PID correctiefactorenlijst het leven is ingeroepen. Mocht er wel een mix van gassen worden gemeten? Dan is het complexer en kunt u ons gerust bellen om hierover te sparren.

Waar worden PID detectors ingezet?

Overal waar mogelijk VOC’s kunnen voorkomen kan een PID detector ingezet worden. Denk aan een raffinaderijen, verffabrieken, bodemsaneerders, waterzuiveringen, veiligheidsregio’s en CBRN. Afhankelijk van de toepassing kunnen verschillende VOC’s aanwezig zijn. De meter kan dan worden ingezet ter persoonlijke detectie, ruimte/tank vrijgave-metingen, opsporing van lekken of continue monitoring.

Welke meter is geschikt voor mijn situatie?

BaSystemen beschikt over een groot assortiment aan PID detectors, van persoonlijk draagbare tot gepompte vrijgavemeters en area monitors. Ook vast opgestelde meetinstrumenten behoren tot de mogelijkheden. Onze specialisten gaan graag met je in gesprek om de toepassing te bespreken en de juiste meetoplossing uit te kiezen. Nog meer leren over de werking van een Photo Ionisatie Detectie? Bekijk dan de opvolger van dit artikel: ‘Werking van een PID – Expert’

Andere technieken om VOC’s te detecteren

Naast Photo Ionisatie Detectors bestaan er natuurlijk ook andere meetinstrumenten om niet-selectief vluchtige organische stoffen te kunnen detecteren. De meest bekende zijn Flame Ionization Detectors (FID) met een meetbereik van 0,2 – 50.000 ppm, Infrarood Analyzers met een meetbereik van 0,02 – 10.000 ppm, Metaal Oxide Semiconductors (MOS) met een meetbereik van 1 – 10.000 ppm of Katalytische LEL sensoren met een meetbereik van 200 – 50.000 ppm.

FID:
In deze detector brandt een waterstofvlam dat tussen twee elektroden is geplaatst. De gasmoleculen die door deze kolom geleid, verbranden in de vlam waarbij ionen vrijkomen. Deze ionen zorgen net als bij een PID ervoor dat er een klein elektrische stroompje tussen de elektroden gaat lopen, waaruit het apparaat de gasconcentratie berekent. Het nadeel van een FID ten opzichte van een PID detector is dat dit instrument het gas daadwerkelijk verbrand en dus naderhand niet kan worden verzameld voor aanvullend onderzoek (in een tedlarbag bijvoorbeeld).

Katalytische LEL sensor
De katalystische LEL sensor is als het ware een brandend balletje dat harder gaat branden wanneer het in aanraking komt met gas. Het verschil in spanning dat hierdoor wordt opgewekt wordt door het apparaat omgerekend naar een waarde in %LEL. Dit is mogelijk inzetbaar om VOC’s te detecteren, aangezien een hoop vluchtige organische stoffen ook brandbaar zijn. Echter, het wordt weinig gebruikt omdat er een aantal VOC’s zijn (zoals siliconen of silicaten) die deze sensor langzaamaan kapot maken. Daarnaast worden ook hier de verschillende vluchtige organische stoffen verbrand door de sensor en het gas naderhand niet kan worden verzameld voor aanvullend onderzoek. Een FID of een PID detector is in de meeste gevallen een betere oplossing.

IR Analyzer
De IR oftewel infrarood sensor is een sensor die met behulp van infraroodlicht brandbare gassen weet te detecteren. In het geval van VOC’s meten is dit superieur aan een katalytische sensor omdat de infrarood sensor het gemeten gas niet verbrand en dus ook niet vervuild raakt. Een IR sensor kan meten in %LEL of vol% wat voor de meeste vluchtige organische stoffen een te lage resolutie is. Omgerekend naar ppm is de laagst te meten waarde net als bij een katalytische LEL sensor (afhankelijk van het gas) rond de 200 pm.

Echter, voor vluchtige organische stoffen die door mensen in hoge concentraties gebruikt worden voor verbranding (zoals methaan en propaan) is dit een ideale gas detectie methode om ons te waarschuwen voor explosiegevaar.

Metaal Oxide (halfgeleider) sensor
De metaal oxide semiconductor sensor (MOS) werkt doormiddel van adsorptie van de vluchtige organische stoffen op het oppervlak van halfgeleiders. Dit proces leidt tot een verandering in de elektrische weerstand. Net als bij de meeste sensoren wordt deze verandering in weerstand vertaald naar een hoeveelheid voc’s in ppm. Een metaal oxide sensor meet doorgaans in het bereik van 0 – 10.000 ppm met een resolutie van 1 ppm. MOS sensoren zijn vaak extreem gevoelig voor vochtigheid wat het minder geschikt maakt voor industriële toepassingen.