Werking van een PID – Expert

Dit artikel is een verdieping op het artikel ‘werking van een PID meter – extra’, waarin we dieper in gaan op de techniek die schuilt achter de photo ionisatie detector. Dit is niet noodzakelijke informatie om een goede meting te kunnen uitvoeren, maar mogelijk wel handig om in het achterhoofd te houden en beter te begrijpen waarom een PID meter werkt zoals hij werkt. In het artikel bespreken we:

1. Sensortechniek van een PID
2. Scheikundige begrippen
3. Werking van een gasontladingslamp
4. Sensortechniek van een PID
5. Lessen die we hieruit leren

Korte terugblik op voorgaande artikelen

Allereerst een korte samenvatting van de belangrijkste punten uit de voorgaande artikelen over de werking van een PID. De belangrijkste zaken die nuttig zijn om te weten voorafgaand aan dit artikel zijn:

• Een Photo Ionisatie Detector is een breedband instrument. De naam geeft al aan: Het is een detector (geen meetinstrument). Wanneer u iets gaat meten, krijgt u doorgaans een waarde of maat die overeenkomt met de werkelijkheid. Wanneer u met een PID gaat detecteren, krijgt u ook een waarde. Deze waarde komt echter lang niet altijd overeen met de werkelijkheid.
• De meest voorkomende PID lampen hebben een lampsterkte van 9,8eV, 10,6eV of 11,7eV. In de basis geldt: Hoe hoger de lampsterkte, hoe meer soorten stoffen gedetecteerd kunnen worden. Een PID lamp kan namelijk alleen een stof detecteren wanneer de ionisatie energie van de lamp hoger is dan de ionisatie energie van de VOC.
• Een PID is gekalibreerd op Isobutyleen en honderden vluchtige organische stoffen detecteren, maar niet stof specifiek. 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 de sensor.

Scheikundige begrippen

Om helder te kunnen overbrengen hoe de sensortechniek in elkaar steekt, zullen we wat scheikundige termen naar boven moeten halen. In het kort staan hieronder een aantal termen opgesomd die we nodig gaan hebben. Mocht u behoefte hebben aan een uitgebreidere uitleg, hou dan onze begrippenlijst bij de hand.

• Atoom: Een atoom is de kleinste bouwsteen in de chemie (dat zelfstandig kan bestaan en alle eigenschappen van dat element bezit). Zo bestaat een water molecuul (H2O) bijvoorbeeld uit 2 waterstof (H) atomen en 1 zuurstof (O) atoom.
• Molecuul: Een molecuul is een bouwwerk van atomen en is het kleinste stukje van een materiaal dat nog alle eigenschappen heeft van dat materiaal. Elk molecuul is opgebouwd uit twee of meer atomen die met elkaar verbonden zijn. Soms veel meer. Een voorbeeld van een klein molecuul is het zuurstof molecuul: O2.
• Ion: Een ion is een elektrisch geladen atoom of molecuul. Een ion kan positief of negatief geladen zijn door een tekort of een overschot van een of meer elektronen.
• Elektron: Een elektron is een negatief geladen elementair deeltje dat gebonden kan zijn aan een atoom, of zich vrij in de ruimte kan bevinden. Doorgaans bevinden er evenveel negatief geladen elektronen in de elektronenwolk van een atoom, als er positief geladen protonen aanwezig zijn in de atoomkern.
• Foton: Fotonen zijn elementaire deeltjes die ook wel lichtdeeltjes worden genoemd. Licht bestaat namelijk uit fotonen, die zich met een golfbeweging met de snelheid van het licht voortbewegen. Hierbij komt foton energie vrij.
• Proton: Een proton is een positief geladen deeltje dat voorkomt in de kern van een atoom.
• Neutron: Een neutron is een deeltje zonder elektrische lading dat voorkomt in atoomkernen.

Werking van een gasontladingslamp

Nu verder met de werking van de sensor. Zoals al eerder is toegelicht worden de gasdeeltjes in de sensor bestraalt met ultraviolet licht. Dat licht wordt opgewekt door een gasontladingslamp in de PID sensor. Vergrootte voorbeelden van een gasontladingslamp zijn te zien op de afbeeldingen boven aan dit artikel, maar in de onderstaande afbeeldingen komen ze misschien wat bekender voor. Zo wordt de lamp verwerkt in de uitwisselbare sensor voor een multigas meter of in zijn geheel in het apparaat verwerkt in een hoogwaardige PID.

 

 

 

 

 

 

 

 

Het hart van de PID sensor is dus een gasontladingslamp. Dit bestaat uit een glazen ampul zoals hierboven weergegeven. Het glazen ampul is ook gevuld met een kleurloos edelgas en afgedekt met een plaatje van kristalglas. Voorbeelden van veelgebruikte edelgassen in de gasontladingslamp zijn Xenon, Krypton en Argon. Een PID lamp verliest geleidelijk zijn kracht door bijvoorbeeld een minuscuul gaslek in het ampul,  overbelichting van het kristalglas of vermindering van het meetoppervlak door vuil/vocht op het kristalglas.

Het licht in een gasontladingslamp ontstaat doordat er een elektrische lading door de edelgassen in het ampul stroomt. In elke PID sensor zit een set elektroden die een elektrische spanning hebben, zodra het apparaat wordt ingeschakeld. De ionen en vrije elektronen in het edelgas geleiden deze stroom waardoor er gasontlading plaats vindt. Dat wil zeggen: De vrije elektronen botsen tegen de atomen van het edelgas.  Bij deze botsing worden de elektronen, die zich in het hoogste energieniveau van het atoom bevinden aangeslagen naar een nog hoger energieniveau. Bij terugval naar het oorspronkelijk energieniveau wordt een foton uitgezonden, soms in de vorm van zichtbaar licht, maar ook vaak in de vorm van ultraviolete straling.

Aangeslagen elektron:
Wanneer aan een elektron energie wordt toegevoegd, bijvoorbeeld door een botsing van een elektron met hoge snelheid met een molecuul of atoom in een gasontlading, kan het elektron in een baan met een hogere potentiële energie komen. Zo’n elektron heet een aangeslagen elektron. Deze toestand zal over het algemeen niet lang bestaan: omdat er een lagere baan beschikbaar is, zal het elektron op een gegeven moment zelf de lagere potentiële energie weer opzoeken, en het energieoverschot weer aan de omgeving afstaan, bijvoorbeeld door het uitzenden van een foton.

We kunnen dat vergelijken met een uitgerekte veer die in uitgerekte toestand een hogere potentiële energie heeft, maar uiteindelijk graag weer wil terugkeren naar zijn initiële toestand. En daar komt energie bij vrij. Zoals we al eerder zeiden is een foton een licht deeltje en hebben we daarmee toegelicht hoe een gasontladingslamp werkt. De lamp wordt meestal bestempeld door de fotonen met de hoogste energie die hij uitzendt. Zo hebben de fotonen van een met krypton-gas gevulde PID lamp een hoogste energie van 10,64 eV en wordt dit bestempeld als een 10,6eV PID lamp.

PID lampen zenden ook veel andere golflengten uit met een lagere energie of lager intensiteit dan de 10,64 eV. Dat verklaart waarom een lamp alles onder de vermelde ionisatie energie ook kan detecteren. Golflengten met lagere energie kunnen ook dusdanig laag zijn dat ze niet meer onder ultraviolette straling vallen en dus onder zichtbaar licht dat geen deeltjes ioniseert.

Sensortechniek van een PID

Het belangrijkste stukje techniek in een PID sensor is de gasontladingslamp die we hierboven hebben besproken. Hieronder zien we een schematische opbouw van de aanwezige componenten in een PID meter.

Allereerst wordt het apparaat van energie voorzien door de batterij. Bij moderne apparaten is dit meestal een Lithium-Ion batterij met een accuduur rond de 15 uur continu. Vaak wordt er ook nog een reserve batterij bijgeleverd, maar dat is een niet oplaadbare Alkaline batterij puur voor noodgevallen. Zorg dat deze goed gescheiden blijven. Het hart van de meter bestaat uit een micro-processor die signalen ontvangt van

 

Lessen die we hieruit leren

Dit verklaart gelijk twee lessen die altijd verkondigd worden:

1. Zorg dat het waterslot filter op tijd wordt vervangen. Een filter dat vuil/vocht door laat is namelijk niet alleen funest voor de pomp, maar vermindert ook het meetoppervlak van de sensor aangezien het kristalglas minder licht van de gasontladingslamp doorlaat.
2. De levensduur van een 11,7 eV lamp is kort, vaak zelfs korter dan 6 maanden. Dit komt door de hoge ionisatie energie in deze lamp, waardoor het kristalglas wordt overbelicht. Een 11,7eV sensor maakt zichtzelf dus eigenlijk over tijd kapot.

 

Deze fotonen zitten meestal in het UV bereik. Door de bestraling van deze hoogenergetische fotonen verliezen de moleculen in het gas tijdelijk een elektron, waardoor positief geladen ionen gevormd worden. Het gas wordt hierdoor elektrisch geladen, waardoor het naar haar tegenovergestelde elektrode toe trekt. Daar wordt het ion ont

laden, waarbij spanning vrijkomt.

 

 

 

Om een gas te kunnen detecteren moeten de eerdergenoemde positief geladen ionen gevormd worden. Hiervoor is een bepaalde hoeveelheid energie nodig die uitgedrukt wordt in Elektron Volt (eV). Afhankelijk van het type gas is er een andere minimale hoeveelheid energie nodig, elk gas is immers anders. Deze waarde noemen we het ionisatiepotentiaal (IP) Het ionisatiepotentiaal van een stof geeft aan welke kracht er benodigd is van de PID meter om deze te kunnen detecteren.

 

Per te meten gas is er naast een ionisatiepotentiaal vaak ook een correctiefactor bekend. De correctiefactor kan worden gebruikt als de gebruiker van de PID meter er zeker van is dat er slechts één gas verwacht kan worden. Bijvoorbeeld in een productieomgeving waar men op een bepaalde plek slechts vinylchloride gebruikt of produceert. Door de correctiefactor toe te passen op de PID meter kan de gemeten concentratie afgestemd worden op dit specifiek gekozen gas. In de basis doet de PID meter namelijk een breedbandmeting, en is deze gekalibreerd met isobutyleen. Om deze (met de juiste voorkennis) specifieker te maken kan de correctiefactor worden toegepast.

 

Mochten er na het lezen van dit artikel alsnog openstaande vragen zijn, kijk dat op deze website of uw vraag wellicht bij de FAQ staat. Of vraag een training aan op maat gemaakt voor uw wensen. Schroom niet om mij anders een mail te sturen of te benaderen via WhatsApp. Bedankt voor het lezen.