文摘

气体流场的模拟和静电场在光化电离检测器COMSOL在目前的研究是基于原则进行调查。仿真结果的指导下,进行了结构优化,显著降低的死体积电离室,最后,补偿电压之间的关系和收集效率得到了显著提高收集效率的带电离子在光化电离探测器。然后一个电离室与低干扰和快速响应。然后用甲苯作为挥发气体实验进行最优条件下的气体流量50毫升,紫外灯电离能10.86 eV。结果表明,离子收集效率达到91%的偏置电压150 V。此外,优先获得了99.99%的线性度和含量水平可以实现LOD。修身的测定结果之间的关系中获得的补偿电压和响应值模拟。

1。介绍

挥发性有机化合物(挥发性)是挥发性的一般术语多数即使在室温下,这不仅会影响我们的日常生活中,也会威胁到人类的健康1]。通过比较不同探测器的性能,找到合适的挥发性有机化合物的仪器探测器,和比较不同探测器的工作原理和性能特点,介绍了不同探测器在表的特点1。

通过比较不同的探测器的性能,它可以得出的结论是,不同类型的探测器有不同类型的气体。可检测气体的类型之间的差异被称为选择性的检测器。气体探测器,并有很强的选择性受限于自己的特色和难以广泛使用。因此,探测器用于挥发性有机化合物的仪器检测应该是一个普遍的检测器,检测精度要高,体积应该小,有利于系统集成和小型化设计。在上面描述的探测器,FID检测器的检测精度非常高,但支撑材需要氢燃烧气体。儿童早期开发的应用范围和离子迁移谱探测器是狭窄的,它不适合作为挥发性有机化合物的仪器探测器。浴室有很强的普遍性,但其较低的检测精度不能达到跟踪检测。考虑上述探测器的特点,光化电离探测器作为终端检测器的挥发性有机化合物的仪器检测系统5]。

在早期的研究中,紫外线光源和电离室在同一空间,这限制了检测器的灵敏度和准确性。之后,随着研究的深入,科学家们分离这两个探测器更准确。在实际工作中,光电探测器的灵敏度大大受到电离室的性能的影响。商业化的引入PID后在1976年1月,公司如雷和离子科学还介绍了PID检测设备(6]。然而,这些设备在结构复杂,缺乏规模生产,在市场上没有竞争力,不能满足跟踪检测的要求。最近,气体污染无处不在,对PID的研究在国内外高水平。现有的传感器仍有大尺寸的特点,能耗大,效率低,成本高,不能满足的要求有效的便携式检测(7]。

光电探测器是一个多才多艺,选择性检测器响应大多数有机化合物和作为无损检测。这个检测器可以组合与质谱仪或红外探测器(8]。在实际工作中,光电探测器的灵敏度主要是由电离室的性能(9],PID的检测水平通常由电子的数量流产生的电离室。因此,电离室的设计应该是PID设计的关键。

我们已经开发出一种可用于微流体PID GC (μGC)系统的快速和高度敏感的挥发性有机化合物的仪器检测。光化电离探测器已经集成到GC (μGC)系统(10]。

2。方法

如图1,PID的主要原因是,带电离子通过电离产生的紫外线灯的电极之间的气体。PID的主要原则是,电极之间的气体由紫外灯用紫外线电离兴奋时产生带电离子可形成的电流由高压电场驱动的。当前值正比于带电离子在电极之间产生的浓度。结合分离的色谱柱,样品的定性或定量检测复合可以实现基于电极之间的电流强度的变化随着时间的推移,(11]。

光化电离电流被定义为一个电离产生的离子对的数量单位时间内,可以显示 与表示数量的离子对,表示光致电离的吸收系数,表示光子注入电离室的数量单位时间内,表示其他原因引起的吸收系数, 是总吸收系数,气体分子的数量确定,即气体的浓度,然后呢表示的光学路径长度。

它可以看到从(1),产生的离子对的数量在单位时间内被激发的气体分子电离室 表现出与样品中挥发浓度指数关系;(1)可以被转换成 在 。

然后 是成比例 ,即价值的能力 ,紫外线的光路,在电离室足够短,气体的浓度是确定相对较低,那么粗糙的电离电流与气体浓度的线性关系和示例 ,光子注入电离室的数量单位时间内,可以获得12]。因此,样品的气体浓度和紫外线强度可能影响电离电流的强度;因此,电离电流将增加的值与气体浓度和紫外线强度。

1982年,弗里德曼提出的使用光化电离气体探测报警器,那么实际的电离电流()是写成 与随着光强辐射,法拉第常数,阿伏伽德罗常数,吸收截面的组件,激发态分子的电离效率,光吸收层的厚度,随着气体成分浓度确定(13]。

在上述参数的值和被关联到一个PID结构,两个值与一定常数PID结构,R值,即摩尔响应值,只是由吗和 ,和关系可以写成 。其中,产品的和被定义为光电离截面,是高度依赖于电离势气体分子;因此,(3)可以写成 在这是一个关键因素,可能会影响PID的电离反应。

根据光电离的原则,主要有三个因素影响光电离的性能:背景噪音,电离室体积,电子和离子收集效率。在这三个因素中,背景噪声是无法避免,这可能会导致检测极限和基线漂移。所以,减少背景噪音的影响是关键元素的优化。背景噪声是由收集器板块之间的干扰,可以通过优化结构来解决。室体积的检出限和响应速度是一个重要因素,确保体积尽可能小,以便它可以得到较低的检出限和更快的响应速度和更大的线性响应区域。与此同时,检出限和响应速度可以提高通过增加电子和离子的收集效率。上面提到的因素可以提高提高整体结构的密封性能,减少电离室的体积,增加偏置电压。根据上面的分析,我们设计了PID探测器。

3所示。描述模型的方程

3.1。电极补偿电压和集合之间的关系强度的电离气体

集电极的收集效率具有重要意义对整个探测器的灵敏度和稳定性。有限元法是用于分析静电场模型来模拟PID的静电场分布。此外,基于静电场模型,粒子跟踪模型在软件进一步用于研究收集电极尺寸的影响在带电粒子的收集效率,为结构设计提供指导的(14]。

内的电场分布PID实际上是一个静电场的问题,因此,泊松方程所示(5)可用于模拟 在这,电势,是自由电荷强度,是电解液的介电常数。没有免费的电荷分布的解空间,因此 可以进一步简化,泊松方程,拉普拉斯方程所示

有限元法静电场模型被用来模拟静电场分布的简化模型PID (15]。基于提出的静电场模型,粒子轨迹模型被用来模拟PID的带电离子的轨迹研究收集电极的影响大小在带电粒子的收集效率。

如图2,可能逐渐减少从极化电极收集电极。收集电极的电势线凸。偏压电极和收集电极之间的电场线的顶部发出偏压电极和收敛的内表面收集电极。透露,在电场力的作用对收集电极,形成带正电的粒子的极化电极将朝着收集电极的内表面,而带负电的粒子朝着收集电极。

如图3,大多数带正电的粒子形成的极化电极可能迅速移动的内表面收集电极电场的力量。公式(7)可以用来证明PID的粒子收集效率,粒子数量的比率被收集电极颗粒排放的总量是用来代表PID的粒子收集效率。

通过仿真,收集电极电压的偏差在设计条件下可以获得;与此同时,粒子可以获得PID的收集效率

3.2。板长度和距离之间的关系收集电极和电离气体的收集效率

考虑到电场的均匀分布,然后为离子从一个电极转移到另一个可以推导出以下方程: 在这和分别为质量和电荷的离子,是补偿电压,极板的距离。为常数,气体成分,板的距离可能会直接影响到传感器的响应速度。然而,如果板之间的距离太小,板块之间的气体不能进入在一个较高的气体流速的紫外线不能得到足够的电离。因此,根据这两个参数,设计的板7 ~ 11毫米的长度保证传感器的响应速度和完整的电离后的气体进入板(16]。

另一个参数,可以极大地影响的响应速度是极板距离收集电极,可以通过高斯法如下:

的在(9)被指控的表面密度,和下面的方程可以获得的方向电场长方形、平行板使用时: 在这电位移矢量;之间的关系和电场强度是如下:

平行板的电场强度

电场的方向的关系可以派生(11)和(12):

它可以看到从(13),是一个固定的常数电场强度和极板的距离。因此,它可以显示,极地板块之间的电荷量与离子收集板面积 ,指控的数量和离子电流的值增加 ,因此,PID的灵敏度提高。此外,离子收集效率的电离室根据Boag理论可以获得 在 ,极板的距离,板块之间的电压差,单位时间内的电荷密度是空气,然后呢是环境影响的校正因子。它可以得出结论(13),电离室的收集效率与极板距离和极性电压。为恒定的环境条件下,可以获得较高的离子收集效率与小极板距离电离室和极性电压差(17]。

因此,根据气体流量需求,改善气体流模型是用来模拟气体流场。通道宽度是1毫米,两载气入口的边界条件在顶部设置为常数的表压为0.05 MPa,出口边界条件的值设置为层流,2e−7米³/ s,入口边界条件也与2的值设置为层流e- 8米³/秒(18]。

根据液体密度与外部条件的变化,流体可分为不可压缩的流体和可压缩的流体。天然气通常被认为是可压缩流体,但当气体流速较低,例如,当马赫数小于0.1时的压力变化小,气体可以被看作是一个不可压缩流体。因此,50毫升/分钟的气体流速,载气的马赫数可以获得的 在这是流体的流量和m / s的单位是当地声速与m / s的单位。的马赫数,天然气可以获得1.95e−4,已满足于不可压缩气体流动的条件。

管中流体的流动模式可分为层流和湍流。至于层流,流风格的流通池内流体分层流,也没有径向流和层间流体的混合;对于湍流,径向流和层间流体在流体存在flow-cells,和强烈的混合flow-cells可以获得。和流体的流风格可以区分雷诺数(Re),可以计算雷诺数的以下方程: 在这是流体密度和单位公斤/米³,液体流量,m / s的单位,特征长度,单位米,然后呢动态粘度,爸爸的单位·s。流体的流动状态可以确定的比较与临界雷诺数计算雷诺数。流动是层流状态 和紊流时 。在目前的研究中,对计算雷诺数 ,这是远远低于再保险_c,因此相应的流动状态是粘性层流19]。

总之,载气流量的电路可以被视为不可压缩粘性流,和提出的数学模型可以基于navier - stokes方程: 在哪里

流量和压力未知变量,流体密度,单位公斤/米³,动态粘滞度,爸爸的单位·s。

CFD模块在COMSOL多重物理量模拟软件是用来模拟气体流场形成的载气流量在气路,结果如图4。

中心区域附近的气流模式之间的显著差异的载气入口和电离室的气流模式在其他领域可以清楚地观察到。其中,一个极其微小的管径,死体积的环状流模式可能是由于恒流形成的50毫升。和相对较大的死体积的存在会导致一系列的问题,如扩大色谱峰的保留样品的电离室和污染后续样品被检测出来。因此,它是必要的,以减少在电离室的设计等领域。因此,天然气管道的直径设计是根据色谱柱的直径1.2毫米(20.]。

4所示。实验部分

4.1。系统描述和优化

如图5使用硼硅玻璃的电离室和电极壳光电探测器,电极使用MEMS技术集成到蚀刻通道。通过这种方式,收集器的结构紧凑板问题解决。紫外线灯安装电极,和密封保证了焊接过程。色谱柱作为输入和输出通道,和弱信号是由放大电路处理。

微型光电探测器由一盏灯,一个上封层,一个气室,一个电极,一个较低的密封层。灯体使用基线行真空紫外灯(IP / N, 043 - 257年),电离能10.6 eV,内部填充气体氪。上端密封层选择灯的0.5毫米的玻璃晶片,一个20毫米×20毫米的长方形切割激光蚀刻方法,处理,在中心区域的直径8毫米。下封层BF33灯还使用玻璃晶片的厚度1毫米。激光技术用于蚀刻的矩形区域30毫米×30毫米,进气口、排气口,电极安装槽和管道坡口。电极具有高电导率作为收集器的离子和电子,和封层是由阳极粘结密封的过程。进口和出口是通过色谱柱连接,两端的密封和UV固化胶粘剂。开幕式和紫外线灯窗口的上部密封层与UV固化胶粘剂密封。在图所示的微型光化电离检测器6。

紫外线灯周围是两个对称的铜表和由高电压激活(100赫兹)。这种激励方法类似于射频激励和具有良好的可靠性、均匀的辐射强度,等等,但需要更低的频率。它可以有效地减少电磁干扰电路的其余部分。

测定过程可以简化如图7。介绍了样本 和结束时稳定。和注射过程相当于矩形步骤如图7: 在这是传感器对气体的稳定值组件。传感器响应值与气体流速和周围的环境。当气体流速和周围条件不变,传感器响应值可能只取决于气体的浓度和种类,以及稳定的价值可能出现某些功能与气体浓度的关系(21]。

4.2。补偿电压的影响上的偏执的电极传感器响应

隔膜泵的吸入流量保持在50毫升/分钟使用MFC(质量流量控制器)。偏差电压不断增加了一定从85 V到165 V电压测试点。三个样品注射(5 ppm甲苯)为每一个流量进行系统和背景气体稳定时,使用微电流放大器获得响应,结果如图8。

多项式拟合实验数据的获得是由MATLAB软件,在哪里设在补偿电压强度和表示设在表示反应的价值,然后下面的方程可以推导出:

从图可以看出8甲苯在5 ppm的响应值逐渐增加随着电压的增加,但响应值与电压增长更为缓慢。达到一定电压后,响应电压达到最大值,并响应趋于稳定的电压值持续上升。

4.3。传感器的线性校准

0.5 ppm的气体甲苯浓度不同,1 ppm, 1.7 ppm, 2.5 ppm,和5.1 ppm气体发生器产生的受雇在目前的研究中,与周围的气体,氮和3倍的样品为每个浓度进行了介绍;结果见表2。

的线性多项式拟合实验数据显示在上面的表中,下列方程可以推导出: 在这响应值,mV的单位,然后呢浓度,ppm的单位。结果是图所示9。

5。结论

根据实验结果的分析,以甲苯为气体组成,气体流速之间的关系和响应的PID传感器可以well-satisfy光电传感器的机制。最优工作流量范围内的50毫升/分钟- 70毫升/分钟。采用有限元方法来模拟光化电离率。仿真结果表明,光电探测器的结构优化。离子收集效率达到91%的偏置电压为150 V。此外,可取99.99%的线性光化电离探测器获得和LOD可以达到十亿分之。实验结果表明,在0 ppm-5 ppm,清楚气体浓度的线性关系与PID响应值。实验证明了微型光化电离检测器可以广泛应用于在线检测挥发性有机化合物的仪器。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

我们没有任何竞争的利益。

确认

这项研究是由天津市自然科学基金(14 jcybjc42700)和国家重点科学仪器和设备开发项目(2012 yq060165)。