ION Science explique les détecteurs de photo-ionisation dans "Qu'est-ce qu'un PID ?
Ce blog invité, rédigé par nos partenaires de ION Science, se penche sur les aspects techniques de la détection par photoionisation (PID). Bien qu'il soit plus technique que notre contenu habituel, il regorge d'informations précieuses pour ceux qui cherchent à comprendre comment fonctionne la technologie PID et où elle s'applique. Si vous cherchez à comprendre en détail ce qu'est un PID, comment il fonctionne et pourquoi il est important pour la détection des gaz, cet article vous fournira toutes les informations dont vous avez besoin.
ION Science explique les détecteurs de photo-ionisation dans "Qu'est-ce qu'un PID ?
PID est l'abréviation de "Photo-Ionization Detector" (détecteur à photo-ionisation). Il s'agit d'un détecteur portable, personnel ou mural fixe qui mesure une large gamme de composés organiques volatils (COV) et certains composés inorganiques dans la plage des parties par million (ppm) à parties par milliard (ppb). Il fournit une lecture continue et peut émettre une alarme lorsque les concentrations dépassent les points de consigne définis par l'utilisateur. Il peut également enregistrer des données, calculer la moyenne pondérée dans le temps (TWA) et la limite d'exposition à court terme (STEL), et déclencher une alarme au-delà de ces valeurs d'hygiène. Les modèles avancés utilisent une pompe interne pour aspirer l'échantillon d'air à des distances pouvant aller jusqu'à 30 m. Les PID sont le plus souvent utilisés pour les mesures d'hygiène industrielle afin de s'assurer que les travailleurs ne sont pas surexposés à des composés toxiques, ainsi que pour de nombreuses utilisations secondaires :
- les vapeurs de carburant
- solvants
- cabines de peinture
- déversements de produits chimiques
- entrée dans un espace confiné
- qualité de l'air intérieur
- dépistage des échantillons de sol
- nettoyage de l'environnement
- leak detection
- fenceline monitoring
- LEL measurements
- chemical process control
- heat transfer fluids
- cleanlabs
- arson investigation
- and many more
Fonctionnement d'un PID
La figure 1 est un schéma d'un capteur Ion Science au cœur du Tiger. Une lampe UV génère des photons à haute énergie, qui passent à travers la fenêtre de la lampe et une électrode à mailles dans la chambre du capteur. L'échantillon de gaz est pompé sur le capteur et environ 1 % de celui-ci se diffuse à travers un filtre à membrane poreuse de l'autre côté de la chambre du capteur. L'encadré en bas à droite de la figure 1 montre ce qui se passe au niveau moléculaire lorsqu'un photon suffisamment énergétique frappe une molécule M, un électron (e-) est éjecté. L'ion M+ se déplace vers l'électrode cathodique et l'électron se déplace vers l'anode, ce qui produit un courant proportionnel à la concentration du gaz. Le courant électrique est amplifié et affiché sous la forme d'une concentration en ppm ou ppb. Toutes les molécules ne peuvent pas être ionisées. Ainsi, les principaux composants de l'air, c'est-à-dire l'azote, l'oxygène, le dioxyde de carbone, l'argon, etc., ne provoquent pas de réaction, mais la plupart des COV donnent une réaction.
Lamp Selection
Trois lampes PID sont disponibles avec des énergies de photons maximales de 10,0 eV, 10,6 eV et 11,7 eV. La figure 2 montre qu'une lampe ne peut détecter que les composés dont l'énergie d'ionisation (IE) est égale ou inférieure à celle des photons de la lampe. Ainsi, une lampe de 10,6 eV peut mesurer le sulfure d'hydrogène avec une IE de 10,5 eV et tous les composés ayant une énergie d'ionisation inférieure, mais ne peut pas détecter le méthanol ou les composés ayant une IE supérieure.
Le choix de la lampe dépend de l'application. Lorsqu'un seul composé est présent, on peut utiliser n'importe quelle lampe ayant une énergie photonique suffisante, souvent la lampe standard de 10,6 eV, qui est la moins chère et a une longue durée de vie (jusqu'à quelques années). Pour les composés à IE élevé comme le chloroforme, il est nécessaire d'utiliser la lampe de 11,7 eV, qui a une courte durée de vie de quelques mois seulement. Dans le cas de mélanges de composés, il convient d'utiliser la lampe la moins énergivore possible. Par exemple, pour mesurer l'acétone en présence d'isopropanol, on peut utiliser la lampe de 10,0 eV, qui n'interfère pas avec l'isopropanol.
What Compounds a PID Can Measure
PIDs can detect many thousands of VOCs. The sensitivity is roughly in the following decreasing order:
- Aromatics, like benzene, toluene, xylene, pyridine, phenol, aniline, aphthalene
- Olefins, like butadiene, cyclohexene, trichloroethylene, vinyl chloride, turpentine, limonene cleaner
- Bromides & Iodides, like methyl bromide fumigant, n-bromopropane degreaser, iodine disinfectant
- Sulfides & Mercaptans, like methyl mercaptan natural gas odorant
- Organic Amines, like methylamine, trimethylamine (prone to unstable response)
- Ketones, like acetone, methyl ethyl ketone (MEK), methyl isobutyl ketone (MIBK)
In addition, there is varying response to chlorinated compounds, organic acids, silicate-, borate-, & phosphate- esters, isocyanates, and many others. Fuels like automotive gasoline (petrol), diesel, kerosene, and jet fuels are mixtures of aromatics, olefins, and alkanes, and thus, they give a strong response.
Ce qu'un PID ne mesure pas
Il n'y a pas de réponse à :
- Composants de l'air pur, tels que l'azote, l'oxygène, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et l'argon
- Gaz rares, comme l'hélium, le xénon, le krypton, l'argon
- La plupart des petites molécules, comme l'hydrogène, le monoxyde de carbone, l'HCN, l'ozone, le peroxyde d'hydrogène, le SO2
- Gaz naturel, y compris le méthane et l'éthane
- Acides minéraux, comme l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l'acide sulfurique
- Composés fluorés, comme les réfrigérants Freon®, les gaz anesthésiques, l'hexafluorure de soufre
- Non-volatiles, comme les PCB, les HAP, le MDI, les graisses, les cires
- Radioactifs, comme l'uranium, le plutonium, le radon
Facteurs de réponse programmée
Le TA-02 (Ion Science PID Response Factors) quantifie la sensibilité de plus de 900 composés sous forme de facteurs de réponse (RF) par rapport à la réponse de l'isobutylène. Bien qu'il soit plus précis d'étalonner avec le composé à mesurer, ce gaz d'étalonnage n'est souvent pas facilement disponible, ce qui rend l'étalonnage avec l'isobutylène gazeux standard très pratique.
Lorsqu'un PID est étalonné avec de l'isobutylène, les lectures des autres composés doivent être converties comme suit :
Concentration réelle = Lecture PID x RF
Le tableau 1 donne quelques valeurs de RF pour quelques produits chimiques. Par exemple, si un PID étalonné avec de l'isobutylène est utilisé pour mesurer le benzène avec une lampe de 10,6 eV et que la lecture est de 10 ppm, la concentration réelle est :
Concentration de benzène = 10 ppm x 0,50 = 5,0 ppm de benzène
Si l'on obtient le même résultat avec de l'éthanol, la concentration réelle est la suivante :
Concentration d'éthanol = 10 ppm x 11 = 110 ppm d'éthanol
Tableau 1. Facteurs de réponse des composés de l'exemple avec les lampes PID
Il convient de noter que les RF sont inverses à la sensibilité, c'est-à-dire que plus le RF est faible, plus le composé est sensible. Il faut 110 ppm d'éthanol pour obtenir la même réponse de 10 ppm que 5,0 ppm de benzène.
Facteurs de réponse préprogrammés
La plupart des PID de Ion Science sont préchargés avec plus de 800 RF qui peuvent être appelés par l'utilisateur. Dans ce cas, l'écran affiche directement la concentration du produit chimique et aucun calcul supplémentaire n'est nécessaire. Notez que l'appel d'un RF à partir de la mémoire ne rend pas le PID plus sélectif pour ce produit chimique particulier - il répond toujours à tous les produits chimiques détectables présents s'il y a un mélange.
L'électrode de clôture brevetée prévient les problèmes d'humidité
La plupart des PID présentent des valeurs faibles lorsque l'humidité est élevée, en raison de l'étouffement par la vapeur d'eau, comme le montrent les triangles verts de la figure 3.
L'inverse, c'est-à-dire une dérive des relevés à forte HR, peut également se produire lorsque le capteur est contaminé. Ion Science a résolu ces deux problèmes en combinant une électrode de clôture et un système anti-contamination (voir figure 1), dans lequel le capteur est protégé par la diffusion du gaz à travers un filtre. D'autres fabricants tentent de compenser l'atténuation de l'humidité relative en ajoutant un capteur d'humidité.
Cependant, comme le montrent les carrés bruns de la figure 3, la compensation est souvent imprécise et peut être excessive, ce qui donne des valeurs élevées erronées. En revanche, le capteur Ion Science (losanges bleus de la figure 3) n'est pas affecté par l'humidité et ne nécessite pas de compensation artificielle ; il est donc beaucoup plus fiable et précis dans l'air humide normal. Cette caractéristique rend les PID de Ion Science particulièrement utiles pour des applications telles que l'analyse de l'espace de tête des sols lors de l'assainissement de l'environnement, où les échantillons sont à la fois très humides et sujets à la contamination par la saleté et la poussière, ce qui crée de graves problèmes pour les autres PID.
Pour plus de détails sur les effets de l'humidité sur les PID et la fonction de l'électrode de clôture, voir TA-06 (L'électrode de clôture brevetée élimine les effets de l'humidité sur les PID de Ion Science).
PID pour les tests LIE
Les PID sont utiles pour mesurer l'inflammabilité d'une atmosphère. La mesure de l'inflammabilité des vapeurs, ou LIE (limite inférieure d'explosivité), est généralement effectuée à l'aide d'un capteur à pellistor ou à billes catalytiques. L'alarme est généralement réglée à 10 % de la LIE afin de garantir une bonne marge de sécurité. Pour de nombreux COV, la LIE est de quelques % en volume. Étant donné que 1 % Vol est égal à 10 000 ppm, 10 % de la LIE se situe généralement entre quelques 100 et quelques 1 000 ppm, ce qui est une plage facile pour un PID. Par exemple, le styrène et le chlorure de vinyle ont des LIE de 1,1 % vol et 4,0 % vol, pour lesquels 10 % de LIE correspondent respectivement à 1100 ppm et 4000 ppm. Les capteurs LIE sont moins coûteux que les PID, mais ils présentent des inconvénients :
- Faible réaction aux hydrocarbures lourds tels que le diesel et les carburants pour avions, la térébenthine, l'e
- Sont positionnés par a) les composés polymérisables comme le styrène et le chlorure de vinyle, b) les silicones et les composés contenant du soufre, du chlore, du brome, du phosphore, du plomb, etc.
Les PID ne souffrent pas de ces problèmes et sont donc utiles pour mesurer la LIE dans ces situations. Voici quelques exemples ;
- les compagnies aériennes qui s'appuient sur les PID pour assurer la sécurité de la LIE lors de l'entrée dans les réservoirs (carburéacteur),
- les usines de fabrication utilisant des lubrifiants à base de silicone
- usine de remplissage de déodorants, et fabrication et durcissement de polystyrène.
Les PID ne nécessitent pas d'oxygène
Les PID peuvent fonctionner dans les cas où il est nécessaire de mesurer des composés toxiques en l'absence d'oxygène. En revanche, la plupart des capteurs électrochimiques et des capteurs de LIE de type pellistor ont besoin d'oxygène pour fonctionner. Même si les travailleurs utilisent l'air fourni dans de telles situations, il peut être nécessaire de mesurer les COV en raison des risques d'exposition de la peau ou du potentiel d'explosion en cas d'intrusion soudaine de l'air. Certaines situations de contrôle de processus chimiques se déroulent également dans des atmosphères inertes et peuvent donc utiliser un PID pour surveiller les COV.