ما هي الأنواع المختلفة لأجهزة استشعار الأكسجين المذاب في الماء؟

هل تعلم أن أجهزة استشعار الأكسجين التقليدية، مثل أجهزة استشعار الأكسجين المذاب الكهروكيميائية، لها عمر افتراضي محدود يبلغ حوالي 3 سنوات، بينما يمكن لأجهزة استشعار الأكسجين المذاب البصرية الحديثة أن تدوم لعدة سنوات؟ يعود هذا الاختلاف الكبير في العمر الافتراضي إلى آلية عملها ومتطلبات صيانتها. يُعد فهم هذه الاختلافات بين أنواع أجهزة الاستشعار أمرًا بالغ الأهمية لاختيار الكاشف المناسب.

يُعدّ رصد مستويات الأكسجين المذاب (DO) أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على جودة المياه. وفي تطبيقاتٍ مثل الحياة المائية، ومعالجة مياه الصرف الصحي، وتربية الأحياء المائية، والعمليات الصناعية، يُعدّ قياس الأكسجين المذاب بدقة أمرًا حاسمًا. فمعرفة مستويات الأكسجين المذاب تُتيح التحكم الدقيق في التهوية، والامتثال للوائح، ومراقبة النظام البيئي.

يوجد نوعان رئيسيان من أجهزة استشعار الأكسجين المذاب: الكهروكيميائية والبصرية. سيتناول هذا الدليل كل نوع بالتفصيل، موضحًا مبدأ عمله ومزاياه وعيوبه وتطبيقاته الشائعة. كما يتضمن دليلًا موجزًا ​​حول كيفية اختيار جهاز الاستشعار المناسب لاحتياجاتك الخاصة. تابع القراءة لمعرفة كل ما يتعلق بمراقبة الأكسجين المذاب!

1 أساسيات قياس الأكسجين المذاب

قبل أن نتعمق في هندسة وكيمياء أجهزة استشعار الأكسجين المذاب، دعونا أولاً نفهم ما هو الأكسجين المذاب في الواقع!

♦ ما هو الأكسجين المذاب؟

يوجد الأكسجين في الماء، ولذلك تستطيع الكائنات المائية البقاء تحت الماء. ويتطلب ذوبان غاز، كالأكسجين، في الماء عملية تُسمى الانتشار. ولكي يذوب غاز كالأكسجين، وفقًا لقانون هنري، يجب أن يكون الضغط الجزئي لهذا الغاز في الهواء أكبر منه في الماء نفسه.

بما أن الغلاف الجوي يحتوي على حوالي 21% من الأكسجين، فإن هناك دائمًا ضغطًا جزئيًا للأكسجين يؤثر بقوة على سطح الماء، دافعًا جزيئاته إلى داخله. ويمكننا قياس كمية الأكسجين المذاب في الماء بالمليغرام لكل لتر (ملغم/لتر) أو بأجزاء في المليون (جزء في المليون).

♦ لماذا يُعد قياس الأكسجين المذاب مهماً؟

تتميز البيئة المائية الصحية عادةً بتركيز أكسجين مذاب يتراوح بين 5 و6 ملغم/لتر أو أكثر. في حالات مثل العمليات الصناعية التي تستخدم أنابيب معدنية، قد تؤدي المستويات العالية من الأكسجين المذاب إلى تسريع التآكل. وتُعد هذه مشكلة كبيرة في قطاعات مثل توليد الطاقة والتصنيع والنفط والغاز، حيث تُستخدم الأنابيب المعدنية والغلايات لنقل المياه.

للحصول على نتائج دقيقة، نحتاج إلى فهم التحديات التي تواجه قياس الأكسجين المذاب في الماء. قد تبدو القيم المقروءة بشكل صحيح غير دقيقة في بعض الحالات، بينما قد لا تكون صحيحة تمامًا في حالات أخرى. ويمكن أن تؤثر الظروف التالية على موثوقية النتائج:

• الانحراف: بعد المعايرة، قد تبدأ أجهزة الاستشعار بالانحراف عن قيمتها الفعلية. في أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، قد يكون السبب هو تدهور الإلكتروليت والغشاء. أما في أجهزة الاستشعار البصرية، فقد يكون السبب هو التدهور البطيء للصبغة الفلورية.
• التلوث: قد تعيق الظواهر البيولوجية أو الكيميائية أو الفيزيائية قدرة المستشعر على الكشف. يُشكل التلوث حاجزًا بين الماء والمستشعر، مما يمنع وصول الأكسجين إلى عنصر الاستشعار.
• درجة الحرارة: تؤثر درجة حرارة الماء على ذوبان الأكسجين فيه وعلى كفاءة المستشعر. ولذلك، تتميز المستشعرات الحديثة بخاصية تعويض درجة الحرارة.
• الملوحة: يؤدي ارتفاع نسبة الملح إلى انخفاض قيمة الأكسجين المذاب. لذلك، يجب أن يكون المستشعر مزودًا بخاصية التعويض عن نسبة الملح في الماء.
• الضغط الجوي: يتغير تركيز الأكسجين في الماء مع الارتفاع نتيجةً لزيادة الضغط الجوي. وكما ذكرنا، يمكن أن يتذبذب ضغط الجسيمات، مما يؤدي إلى تغيرات في مستويات الأكسجين.
• التداخلات الكيميائية: قد تتداخل بعض المواد الكيميائية مع أجهزة استشعار الأكسجين المذاب الكهروكيميائية أو البصرية. لذا، يجب مراعاة وجود مواد كيميائية قد تؤثر على دقة القراءات.

2 نظرة عامة على تقنيات أجهزة استشعار الأكسجين المذاب

تُوفّر أجهزة الاستشعار بيانات آنية، عادةً بزمن استجابة يتراوح بين 30 و60 ثانية. وهو الوقت الذي يستغرقه المستشعر لقراءة 90% من قراءته النهائية المستقرة بعد حدوث تغيير مفاجئ في تركيز الأكسجين المذاب. ويكون هذا الزمن متساوياً بالنسبة لنوعي تقنيات استشعار الأكسجين الرئيسيين.

• أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية (الأمبيرومتري، البولاروغرافي، الجلفاني).
• أجهزة الاستشعار البصرية (التألق/التألق الضوئي).

يعتمد الاختيار على التطبيق ودرجة الدقة المطلوبة. إليك جدول مختصر يتضمن تفاصيل كلا النوعين:

في القسم التالي، دعونا نتعمق أكثر في هذه المستشعرات، وآليات عملها، وما الذي يجعل مستشعرًا ما أفضل من غيره في تطبيقات محددة.

3. مجسات الأكسجين المذاب الكهروكيميائية

3 1. مبدأ التشغيل

العملية الكهروكيميائية هي تفاعل كيميائي ينتج عنه الكهرباء كناتج ثانوي. تتناسب كمية التيار الكهربائي طرديًا مع كمية الغاز الناتج في التفاعل الكيميائي. وهذا هو المبدأ الأساسي الذي تعمل عليه جميع أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية.

لفهم عمل مستشعرات الأكسجين المذاب الكهروكيميائية، تخيل قطبين كهربائيين، مهبط ومصعد، مغمورين في محلول إلكتروليتي. عادةً ما يُصنع المهبط من البلاتين أو الذهب، بينما يُصنع المصعد عادةً من الفضة أو الرصاص. يتكون المحلول الإلكتروليتي عمومًا من كلوريد البوتاسيوم (KCl) أو هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، لأنه لا يتداخل مع التفاعل الكيميائي مع الأكسجين. يفصل غشاء نفاذ عينة السائل المحتوي على الأكسجين عن المحلول الإلكتروليتي، مما يسمح للأكسجين بالانتشار عبره. يتناسب معدل هذا الانتشار طرديًا مع كمية الأكسجين في الماء.

يؤدي الاختزال عند المهبط إلى زيادة في عدد الإلكترونات

O ₂+2H ₂ O + 4e ⁻ → 4OH ⁻

يؤدي الأكسدة عند المصعد إلى إطلاق الإلكترونات

4Ag + 4Cl ⁻ → 4AgCl + 4e ⁻

يتم قياس التدفق الحالي باستخدام مقياس التيار الكهربائي، والذي يمثل بشكل مباشر نسبة الأكسجين في الماء.

3.2 . مجسات الأكسجين المذاب القطبية

كما يوحي الاسم، يتطلب هذا الجهاز جهدًا خارجيًا لبدء عملية الاستقطاب. ويؤدي جهد في حدود 0.8 فولت إلى عملية اختزال الأكسجين عند المهبط. يوفر الجهاز نتائج دقيقة، ولكنه يُنصح باستخدامه عادةً مع عينات كبيرة الحجم. ولأنه يعمل بمصدر طاقة خارجي، فلا يوجد استهلاك للأنود عند انقطاع التيار الكهربائي.

• وقت التسخين: يستغرق الأمر من 10 إلى 15 دقيقة لبدء توفير قيمة مستقرة بسبب الاستقطاب.
• الصيانة: تتطلب معايرة متكررة

3.3 . مجسات الأكسجين المذاب الجلفانية

تتميز مستشعرات الأكسجين المذاب الكهروكيميائية من النوع الجلفاني بأنها ذاتية التغذية. وهذا يعني أن القطبين الكهربائيين المختلفين، الكاثود والأنود، ينتجان فرق جهد كافٍ لتحفيز التفاعل.

• وقت التسخين: لا يحتاج إلى مصدر طاقة خارجي أو تسخين. يوفر قراءات فورية.
• الصيانة: يتم استهلاك الأنود باستمرار، مما يؤدي إلى انخفاض عمره الافتراضي ويتطلب الاحتفاظ به في بيئة "خالية من الأكسجين المذاب".

4 مستشعرات الأكسجين المذاب البصرية

4 1. مبدأ عمل أجهزة استشعار الأكسجين المذاب البصرية/الفلورية

تعتمد أكثر أجهزة استشعار الأكسجين المذاب كفاءةً وانتشاراً على آلية عمل بصرية/فلورية. تستخدم هذه الأجهزة ظاهرة إخماد الفلورة لقياس الأكسجين المذاب.

• يتكون المستشعر من صبغة مضيئة وجسم مستشعر يحتوي على مصباح LED وكاشف ضوئي. يُسلط المصباح ضوءًا أزرق على الصبغة، مما يؤدي إلى وصولها إلى حالة إثارة. وعندما تصل الإلكترونات المثارة إلى حالة استقرارها، فإنها تُصدر ضوءًا.
• في حالة امتصاص الأكسجين في الصبغة المضيئة، يقوم الضوء الأزرق بإثارة الإلكترون، لكن الأكسجين يمتص جزءًا من طاقة الإلكترونات، مما يؤدي إلى انخفاض في انبعاث الضوء عند عودتها إلى حالتها المستقرة.

يوفر قياس التغير في الضوء من خلال مخرجات الكاشف الضوئي قيمة مباشرة للأكسجين الموجود في الوسط الملامس لصبغة الإضاءة.

كما أن عملية تركيبها مريحة وسهلة للغاية، كما هو موضح هنا:

4.2 . مزايا مستشعر الأكسجين المذاب البصري مقارنةً بالأنواع الكهروكيميائية

تُوفر مستشعرات الأكسجين المذاب البصرية مزايا عديدة مقارنةً بالمستشعرات الكهروكيميائية. فهي تتميز بالثبات والدقة في المياه الراكدة أو منخفضة الأكسجين المذاب، كما أنها قليلة الصيانة، وتتطلب معايرة بسيطة، ولها عمر افتراضي طويل. فيما يلي أهم الأسباب التي تجعل مستشعرات الأكسجين المذاب البصرية مفضلة على المستشعرات الكهروكيميائية:

• لا يستهلك الأكسجين ← يعمل في المياه الراكدة.
• لا حاجة للتحريك ← دقيق في العينات الساكنة.
• معايرة بسيطة وانحراف منخفض ← يحافظ على المعايرة لعدة أشهر.
• صيانة منخفضة ← استبدال الغطاء فقط كل سنتين.
• لا حاجة لوقت تسخين ← تشغيل فوري.
• استقرار أفضل على المدى الطويل ← مقاومة لغاز كبريتيد الهيدروجين والتلوث البيولوجي.
• دقة أعلى في مستويات الأكسجين المذاب المنخفضة ← موثوقية في البيئات ناقصة الأكسجين.
• عمر أطول ← يدوم جسم المستشعر من 5 إلى 7 سنوات.

4.4 . تطبيقات أجهزة استشعار الأكسجين البصري

تتميز مستشعرات الأكسجين المذاب البصرية بمتانتها العالية، مما يتيح استخدامها في نطاق واسع من التطبيقات. كما أنها سهلة الصيانة والتركيب، مما يجعلها الخيار الأمثل لما يلي:

• تربية الأحياء المائية
• مياه الصرف الصحي
• مختبرات الأبحاث
• الرصد البيئي
• معالجة مياه الشرب

 

5 اختيار مستشعر الأكسجين المذاب المناسب

يتطلب اختيار مستشعر الأكسجين المذاب المناسب تقييمًا دقيقًا للتطبيق الذي تستخدمه. إليك دليلًا مختصرًا خطوة بخطوة للعثور على مستشعر الأكسجين المذاب الأمثل:

الخطوة الأولى: دراسة التطبيقات

في التطبيقات التي تتطلب مراقبة مستمرة وطويلة الأمد، يُفضل استخدام المستشعرات الضوئية نظرًا لاستقرارها وقلة متطلبات صيانتها. أما لإجراء فحوصات سريعة أثناء التنقل، فتُعد المستشعرات الكهروكيميائية الجلفانية مثالية لأنها توفر قراءات فورية دون الحاجة إلى فترة تسخين تصل إلى 15 دقيقة.

الخطوة الثانية: ما مدى دقة القراءات التي تحتاجها

على الرغم من أن كلا النوعين يتمتعان بدقة عالية، إلا أن المستشعرات الضوئية توفر استقرارًا فائقًا على المدى الطويل، وهي أقل عرضة لانحراف الإشارة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة للتغيرات المفاجئة في تركيز الأكسجين المذاب، توفر بعض المستشعرات الكهروكيميائية زمن استجابة أسرع قليلًا، حيث تتفاعل في غضون 10-30 ثانية فقط. بينما تستجيب المستشعرات الضوئية عادةً في غضون 30-60 ثانية.  

الخطوة 3: هل يمكنك تحمل الصيانة الدورية؟

إذا كان تطبيقك يتحمل الصيانة الدورية، فقد يكون انخفاض التكلفة الأولية للمستشعر الكهروكيميائي خيارًا مناسبًا، نظرًا لحاجته إلى تنظيف منتظم واستبدال الإلكتروليت. أما إذا كنت تبحث عن حل لا يتطلب صيانة دورية، فإن المستشعر البصري هو الخيار الأمثل، إذ لا يحتاج إلا إلى تغيير غطاء المستشعر كل سنة إلى سنتين.

الخطوة الرابعة: ضع ميزانيتك في الاعتبار

يتميز المستشعر الكهروكيميائي بسعر شراء أولي أقل. مع ذلك، عند احتساب تكلفة قطع الغيار والصيانة على المدى الطويل، قد يكون إجمالي تكلفة امتلاك المستشعر البصري أقل على مدار عمره الافتراضي، الذي قد يمتد لعدة سنوات.

الخطوة الخامسة: تقييم البيئة

في البيئات التي تتداخل فيها مواد كيميائية مثل الكلور أو كبريتيد الهيدروجين، يكون المستشعر البصري أكثر متانة بشكل عام، لأن هذه المواد الكيميائية لا تؤثر على مبدأ قياسه. تأكد من أن المستشعر مزود بخاصية تعويض درجة الحرارة والضغط للحصول على قراءات دقيقة في البيئات المتغيرة، حيث يمكن أن يؤدي تغير الضغط الجوي إلى تغيير القراءات بما يصل إلى 0.5 ملغم/لتر.

خاتمة

تعتمد القدرة على قياس الأكسجين المذاب بدقة وثبات وسرعة دون تداخلات كيميائية على نوع مستشعر الأكسجين المذاب المُختار. كمهندس أو عالم، عليك مراعاة مزايا وعيوب كل نوع لاتخاذ قرار مدروس. تُعد مستشعرات الأكسجين المذاب الكهروكيميائية خيارًا ممتازًا لبساطتها وانخفاض تكلفتها، لكنها تتطلب صيانة دورية وتتميز بانحراف أعلى. في المقابل، تتميز المستشعرات البصرية بقلة صيانتها، واستقرارها العالي، وعمرها الطويل، مما يجعلها مثالية للمراقبة طويلة الأمد.

بفضل متانتها، تُعدّ المستشعرات البصرية النوع الأكثر استخدامًا من مستشعرات الأكسجين المذاب. وتُقدّم شركات مُصنّعة مثل ريكا مستشعرات عالية الدقة، مثل طراز RK500-04. ويُقدّم هذا الطراز الميزات التالية:

• مستوى عالٍ من الدقة، مع دقة تبلغ 0.01 ملغم/لتر ودقة ±0.5% من القيمة القصوى.
• وقت استجابة سريع أقل من 60 ثانية.
• تصميم متكامل بدون جهاز إرسال خارجي.
• تم تصنيع المسبار من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L أو سبيكة التيتانيوم للاستخدام في البيئات المسببة للتآكل مثل المياه المالحة.
• تصنيف حماية من دخول الماء والغبار IP68 لضمان المتانة.
• تعويض تلقائي لدرجة الحرارة على نطاق واسع ومخرج RS-485.

إذا كنت مهتمًا بالعثور على مجموعة واسعة من أجهزة استشعار الأكسجين المذاب ذات التصميم القوي، ففكر في زيارة موقع RIKA الإلكتروني لاستكشاف جميع الخيارات.

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س1: ما هي الصناعات التي تستخدم أجهزة استشعار الأكسجين المذاب؟

يمكن للصناعات، سواء كانت تحتاج إلى الأكسجين أم لا، استخدام أجهزة استشعار الأكسجين المذاب لتوفير قيم الأكسجين المذاب في الوقت الفعلي. وتستخدم صناعات مثل الزراعة، ومصايد الأسماك، ومعالجة مياه الصرف الصحي، ومحطات معالجة مياه الشرب، وقطاعات مختلفة (بما في ذلك المشروبات والأدوية) أجهزة استشعار الأكسجين المذاب لمراقبة جودة المياه في الوقت الفعلي.

س2: ما هو تأثير درجة الحرارة على قياسات الأكسجين المذاب؟

قد تؤثر درجة الحرارة على دقة مستشعرات الأكسجين المذاب، إذ تقل ذوبانية الأكسجين مع ارتفاع درجة الحرارة. لذا، يلزم إعادة معايرة المستشعرات لتتوافق مع درجات الحرارة الجديدة. تتميز مستشعرات الأكسجين المذاب الحديثة بخاصية تعويض درجة الحرارة، مما يجعلها قادرة على العمل في أي ظروف حرارية. مع ذلك، يتطلب العمل في الظروف القاسية (مثل المياه العادمة الساخنة والبحيرات الباردة) معايرة دقيقة.