Как измерить растворенный кислород? 

Исторически сложилось так, что концентрация растворенного кислорода (DO) измерялась традиционными методами: методом титрования по Винклеру или колориметрическим методом. Оба эти метода по-прежнему работают, но современные методы измерения DO более просты в использовании, быстры и точны.

Наиболее часто встречающиеся сегодня методы включают оптические и электрохимические датчики растворенного кислорода. Эти датчики DO могут быть прикреплены к измерительным приборам для лабораторных приложений или к точечным пробоотборникам и регистраторам данных для работы в полевых условиях. В этой статье мы обсудим измерение растворенного кислорода с помощью датчиков, принцип работы оптических и электрохимических датчиков растворенного кислорода и то, как решить, какой метод лучше всего подходит для вашей задачи.

Основные типы датчиков для измерения растворенного кислорода (DO).

Использование датчиков для измерения растворенного кислорода

Чаще всего мы измеряем растворенный кислород с помощью датчика растворенного кислорода и измерительного прибора. Некоторые датчики имеют стандартный аналоговый выход, а другие поставляются с цифровым выходом как часть интеллектуальных сенсорных платформ.

Существуют оптические и электрохимические датчики растворенного кислорода, а также несколько типов электрохимических датчиков. В частности, электрохимические датчики обычно делятся по принципу работы на гальванические, полярографические и импульсные полярографические датчики.

Датчики могут измерять растворенный кислород как в полевых, так и в лабораторных условиях. Иногда датчики растворенного кислорода разрабатываются специально для их использования по назначению, будь то долгосрочный мониторинг, тесты на БПК или точечный отбор проб.

Конечно, без записи данных, которые измеряет датчик DO, толку от него будет немного. Записывайте данные измерений датчика DO с помощью измерителя DO, системы регистрации данных или зонда качества воды.

Давление, соленость и температура могут влиять на концентрацию растворенного кислорода. По этой причине важно учитывать эти параметры при измерении DO. Многие компенсации могут быть достигнуты автоматически с помощью программного обеспечения для регистрации данных или измерителя растворенного кислорода.

Внутренний барометр является стандартным для многих измерителей растворенного кислорода, и довольно просто настроить систему регистрации данных с помощью датчика уровня воды или внешнего барометра, измеряющего давление. Также можно вручную вводить барометрическое давление. Что касается солености, то в систему можно добавить датчик солености или датчик электропроводности для ее измерения и последующей автоматической компенсации. Обычно термистор внутри датчика измеряет температуру и автоматически передает эти данные на измерительный прибор или регистратор данных.

Оптические датчики растворенного кислорода

Оптические датчики растворенного кислорода измеряют взаимодействие кислорода и люминесцентных красителей в присутствии синего света. Свет возбуждает красители, заставляя их излучать свет. Однако молекулы кислорода взаимодействуют с красителями в присутствии растворенного кислорода, что изменяет или ограничивает длину волны излучаемого света.

Существует обратная зависимость между измеренным таким образом эффектом и парциальным давлением растворенного кислорода. Точнее, выражаясь уравнением Штерна-Вольмера, концентрация DO, измеряемая его парциальным давлением, обратно пропорциональна времени жизни люминесценции.

Оптический датчик растворенного кислорода состоит из четырех элементов: синего светодиода, чувствительного элемента, полупроницаемой мембраны и фотодетектора. Люминесцентный краситель обычно удерживается в неподвижном состоянии в ксерогеле, золь-геле или другой матрице в чувствительном элементе. Некоторые датчики также имеют красный светодиод, чтобы обеспечить точность с помощью эталона красного света, который краситель просто отражает.

Количество растворенного кислорода, присутствующего в образце, контролирует время жизни и интенсивность люминесценции красителя при наличии синего света. Кислород взаимодействует с красителем, когда тот проникает через мембрану, ограничивая время жизни и интенсивность люминесценции красителя. Затем фотодетектор измеряет время жизни или интенсивность возвращенной люминесценции, которая, в свою очередь, используется для определения концентрации растворенного кислорода.

Использование оптических датчиков растворенного кислорода имеет как преимущества, так и недостатки. С одной стороны, оптические датчики растворенного кислорода часто обеспечивают большую точность, чем электрохимические датчики, особенно при очень низких концентрациях. На оптические датчики растворенного кислорода также не влияют газы, которые могут пересекать мембрану электрохимического датчика растворенного кислорода.

Кроме того, благодаря минимальным требованиям к обслуживанию оптические датчики растворенного кислорода идеально подходят для программ долгосрочного мониторинга. Они демонстрируют незначительный калибровочный дрейф, сохраняя калибровку в течение нескольких месяцев. Они также могут проводить измерения без перемешивания или времени на разогрев. Кроме того, в оптических датчиках реже требуется замена мембраны датчика.

С другой стороны, для работы оптических датчиков растворенного кислорода требуется больше энергии, и для получения результатов им обычно требуется в два-четыре раза больше времени, чем их электрохимическим собратьям. Температура также оказывает значительное влияние на эти датчики, поскольку от нее зависит как время жизни люминесценции, так и ее интенсивность. Однако в большинстве оптических датчиков DO используется термистор, который автоматически подстраивается под температуру и корректирует данные.

Итог: для долгосрочного проекта мониторинга с надежным источником питания, особенно в отдаленных труднодоступных для обслуживания районах, оптический датчик растворенного кислорода часто является лучшим выбором.

Электрохимические датчики растворенного кислорода

Электрохимические датчики растворенного кислорода бывают двух основных типов: полярографические и гальванические. Обе разновидности включают раствор электролита, содержащий катод и анод — два поляризованных электрода. Тонкая полупроницаемая мембрана разделяет раствор, содержащий электроды, и образец.

В зависимости от того, насколько высоко давление кислорода в воде, растворенный кислород движется мимо мембраны с пропорциональной скоростью. Когда он достигает катода, кислород расходуется, создавая электрический ток, который напрямую зависит от концентрации кислорода. Наконец, ток достигает анода со скоростью, пропорциональной парциальному давлению кислорода в образце.

Электрохимические датчики могут быть сложными в неподвижной воде или в лаборатории, где датчики DO необходимо перемешивать в растворе, чтобы избежать искусственно заниженных значений DO в условиях отсутствия потока. Чтобы избежать этой проблемы, просто перемещайте электрохимические датчики DO в образце до тех пор, пока уровень DO не перестанет расти.

Полярографические датчики растворенного кислорода

Полярографические датчики растворенного кислорода могут быть как быстроимпульсными, так и стационарными. Быстроимпульсный полярографический датчик растворенного кислорода работает аналогично стационарному полярографическому датчику DO, и оба имеют одинаковые электроды и процессы. Однако быстроимпульсный полярографический датчик растворенного кислорода включается и выключается каждые несколько секунд, что уменьшает зависимость от потока и устраняет необходимость перемешивания образца.

Оба типа полярографических датчиков растворенного кислорода состоят из катода, изготовленного из металла "благородной" категории, такого как платина или золото, и серебряного анода, оба находятся в растворе хлорида калия. В остальном они работают так же, как и другие электрохимические датчики.

Полярографические датчики DO имеют как преимущества, так и недостатки. К их преимуществам относятся высокая экономическая эффективность и быстрое время отклика после начала работы. Что касается недостатков, то этот тип датчиков требует некоторого времени на разогрев, прежде чем он сможет дать показания — обычно от пяти до 60 минут. Они также требуют частого обслуживания, особенно потому, что покрытие анода может окисляться, ухудшая его работу.

Итог: для проектов с ограниченным бюджетом, где требуется время отклика при наличии времени разогрева, это лучший тип датчика.

Гальванические датчики DO

Отличительной особенностью гальванических датчиков растворенного кислорода являются разнородные электроды, покрытые металлами с разным электропотенциалом. Это позволяет электродам гальванического датчика растворенного кислорода самополяризоваться в растворе электролита, устраняя необходимость в разогреве.

Если анодом в других типах электрохимических датчиков DO обычно является серебро, то в гальванических датчиках растворенного кислорода это, как правило, свинец, цинк или другой активный металл. Катод остается благородным металлом, а раствор электролита — инертным электролитом. Электрохимическая реакция гальванического датчика растворенного кислорода очень похожа на реакцию полярографического датчика растворенного кислорода, но его разнородные электроды самополяризуются, а катод остается инертным.

В результате реакций в таком датчике может образовываться побочный продукт, который выпадает в осадок в растворе электролита. Это может потребовать периодической замены раствора электролита. Также необходима периодическая замена активного металлического анода.

Итог: Этот вид датчика предлагает нулевое время разогрева оптического датчика при более низкой стоимости и быстром времени отклика электрохимического, хотя он также требует частого обслуживания.