A Rika Sensor é uma fabricante de sensores meteorológicos e fornecedora de soluções de monitoramento ambiental com mais de 10 anos de experiência no setor.
Quais são os diferentes tipos de sensores de oxigênio dissolvido na água?
Você sabia que os sensores de oxigênio tradicionais, como os sensores eletroquímicos de OD (oxigênio dissolvido), têm uma vida útil limitada de aproximadamente 3 anos, enquanto os sensores ópticos de OD modernos podem durar vários anos? Essa grande diferença na vida útil se deve ao seu mecanismo de funcionamento e às necessidades de manutenção. Compreender essas diferenças entre os tipos de sensores é crucial para selecionar o detector correto.
O monitoramento dos níveis de oxigênio dissolvido (OD) é crucial para a manutenção da qualidade da água. Em aplicações como vida aquática, tratamento de efluentes, aquicultura e processos industriais, a medição precisa do OD é fundamental. Conhecer o OD permite o controle preciso da aeração, o cumprimento de regulamentações e o monitoramento do ecossistema.
Existem principalmente dois tipos de sensores de OD (oxigênio dissolvido): eletroquímicos e ópticos. Este guia explorará cada tipo, detalhando seu princípio de funcionamento, vantagens, limitações e aplicações típicas. Também inclui um breve guia sobre como selecionar o sensor certo para suas necessidades específicas. Continue lendo para aprender tudo sobre o monitoramento de oxigênio dissolvido (OD)!
1 Noções básicas de medição de oxigênio dissolvido
Antes de nos aprofundarmos na engenharia e na química dos sensores de OD (oxigênio dissolvido), vamos primeiro entender o que é OD de fato!
♦ O que é oxigênio dissolvido?
O oxigênio está presente na água, razão pela qual a vida aquática consegue sobreviver debaixo d'água. Dissolver um gás, como o oxigênio, na água requer um processo chamado difusão. Para que um gás como o oxigênio se dissolva, de acordo com a Lei de Henry, a pressão parcial desse gás deve ser maior no ar do que na própria água.
Como a atmosfera é composta por aproximadamente 21% de oxigênio, existe sempre uma pressão parcial de oxigênio exercendo força sobre a superfície da água, impulsionando as moléculas para dentro dela. Podemos medir a quantidade de oxigênio dissolvido (OD) na água em miligramas por litro (mg/L) ou partes por milhão (ppm).
♦ Por que é importante medir o oxigênio dissolvido?
Um ambiente aquático saudável normalmente apresenta uma concentração de oxigênio dissolvido (OD) de 5 a 6 mg/L ou mais. Em processos industriais, onde se utilizam tubulações metálicas, altos níveis de oxigênio dissolvido podem causar corrosão acelerada. Isso representa um problema significativo em indústrias como a de geração de energia, manufatura e petróleo e gás, onde tubulações e caldeiras metálicas são utilizadas para o transporte de água.
Para obter resultados precisos, precisamos entender os desafios da medição de OD (oxigênio dissolvido) na água. Os valores que podem ser lidos corretamente podem parecer imprecisos em alguns casos. Em outros casos, podem não ser totalmente corretos. As seguintes condições podem comprometer a confiabilidade dos resultados:
- Desvio: Após a calibração, os sensores podem começar a desviar-se de seu valor real. Em sensores eletroquímicos, isso pode ser causado pela degradação do eletrólito e da membrana. Em sensores ópticos, pode ser devido à lenta degradação do corante fluorescente.
- Incrustação: A capacidade de detecção do sensor pode ser obstruída por fenômenos biológicos, químicos ou físicos. A incrustação cria uma barreira entre a água e o sensor, impedindo que o oxigênio chegue ao elemento sensor.
- Temperatura: A temperatura da água pode afetar a solubilidade do oxigênio na água e a eficiência do sensor. É por isso que os sensores modernos possuem compensação de temperatura.
- Salinidade: Um teor de sal mais elevado causa uma diminuição do valor de OD (oxigênio dissolvido). Portanto, um sensor também deve compensar o teor de sal na água.
- Pressão atmosférica: A concentração de oxigênio na água varia com a altitude à medida que a pressão atmosférica aumenta. Como mencionado, a pressão das partículas pode flutuar, resultando em alterações nos níveis de oxigênio.
- Interferências químicas: Certos produtos químicos podem interferir com sensores de oxigênio dissolvido eletroquímicos ou ópticos. Portanto, considere a presença de substâncias químicas que possam afetar as leituras.
2 Visão geral das tecnologias de sensores de oxigênio dissolvido
Os sensores podem fornecer informações em tempo real, normalmente com um tempo de resposta de 30 a 60 segundos. Esse é o tempo que o sensor leva para atingir 90% da sua leitura final estável após uma mudança repentina na concentração de oxigênio dissolvido. O tempo é o mesmo para os dois principais tipos de tecnologias de detecção de oxigênio:
- Sensores eletroquímicos (amperométricos, polarográficos, galvânicos).
- Sensores ópticos (fluorescência/luminescência).
A escolha depende da aplicação e do grau de precisão exigido. Segue uma breve tabela com detalhes de ambos os tipos:
Recurso | Sensores eletroquímicos de oxigênio dissolvido | Sensores ópticos de oxigênio dissolvido |
Precisão | ±0,2 – 0,5 mg/L | ±0,1 – 0,3 mg/L |
Resolução | 0,1 mg/L típico | 0,01 mg/L típico |
Tempo de resposta (T90) | Rápido (segundos), mas requer agitação para evitar o esgotamento do O₂. | Menos de 100 segundos; preciso mesmo em água parada. |
Manutenção | Recargas com alta concentração de eletrólitos, substituição de membrana, limpeza de eletrodos | Baixa – apenas substituição da tampa (aproximadamente 2 anos) |
Deriva/Estabilidade | Maior deriva devido à degradação do eletrólito/eletrodo | <0,3 mg/L por ano de deriva; altamente estável |
Durabilidade/Vida útil | 1–2 anos (desgaste do eletrodo e do eletrólito) | 5 a 7 anos para o corpo do sensor; 2 anos para a tampa. |
Na próxima seção, vamos nos aprofundar nesses sensores, seus mecanismos de funcionamento e o que torna um sensor melhor do que outro em aplicações específicas.
3. Sensores eletroquímicos de oxigênio dissolvido
3 1. Princípio de funcionamento
O processo eletroquímico é uma reação química que gera eletricidade como subproduto. A quantidade de corrente elétrica é diretamente proporcional ao gás produzido na reação química. Este é o princípio básico de funcionamento de todos os sensores eletroquímicos.
Para entender os sensores eletroquímicos de oxigênio dissolvido (OD), imagine dois eletrodos, um cátodo e um ânodo, imersos em uma solução eletrolítica. O cátodo é tipicamente feito de platina ou ouro, enquanto o ânodo geralmente é composto de prata ou chumbo. A solução eletrolítica geralmente é cloreto de potássio (KCl) ou hidróxido de potássio (KOH), pois não interfere na reação química com o oxigênio. Uma membrana permeável separa o líquido da amostra contendo oxigênio da solução eletrolítica. Ela permite que o oxigênio se difunda através da membrana. A taxa dessa difusão é diretamente proporcional à quantidade de oxigênio na água.
A redução no cátodo causa ganho de elétrons.
O 2+2H 2 O + 4e − → 4OH −
A oxidação no ânodo causa a liberação de elétrons.
4Ag + 4Cl − → 4AgCl + 4e −
A corrente elétrica é medida usando um amperímetro, que representa diretamente a quantidade de oxigênio na água.
3.2 . Sensores de OD polarográficos
Como o nome sugere, requer uma tensão externa para iniciar o processo de polarização. Uma tensão na faixa de 0,8 V provoca a redução do oxigênio no cátodo. Fornece resultados precisos, mas geralmente é recomendado para uso com amostras de grande porte. Como utiliza energia externa, não há consumo de energia no ânodo quando não há fornecimento de energia.
- Tempo de aquecimento: Leva de 10 a 15 minutos para começar a fornecer um valor estável devido à polarização.
- Manutenção: Requer calibração frequente.
3.3 . Sensores Galvânicos de OD
Os sensores eletroquímicos de oxigênio dissolvido (OD) do tipo galvânico são autossuficientes em energia. Isso significa que os dois eletrodos diferentes, o cátodo e o ânodo, produzem uma diferença de potencial suficiente para impulsionar uma reação.
- Tempo de aquecimento: Não requer alimentação externa nem aquecimento. Fornece leituras instantâneas.
- Manutenção: O ânodo é consumido continuamente, resultando em uma vida útil menor e exigindo que seja mantido em um ambiente com "oxigênio dissolvido zero".
4 Sensores ópticos de oxigênio dissolvido
4 1. Princípio dos sensores ópticos/fluorescentes de oxigênio dissolvido
Os sensores de OD (oxigênio dissolvido) mais eficientes e amplamente utilizados são baseados em um mecanismo de funcionamento óptico/fluorescente. Esses sensores utilizam o fenômeno de supressão da fluorescência para medir o OD.
- O sensor consiste em um corante luminescente e um corpo sensor que contém um LED e um fotodetector. O LED emite luz azul sobre o corante, fazendo com que ele atinja um estado excitado. Quando os elétrons excitados atingem seu estado estável, eles emitem luz.
- No caso em que o oxigênio é absorvido pelo corante luminescente, a luz azul excita o elétron, mas o oxigênio absorve parte da energia dos elétrons, causando uma redução na emissão de luz quando eles retornam ao seu estado estável.
A medição da variação da luz através da saída do fotodetector fornece um valor direto do oxigênio presente no meio em contato com o corante luminescente.
O processo de instalação também é muito prático e fácil, como mostrado aqui:
4.2 . Vantagens do sensor óptico de OD em relação aos tipos eletroquímicos
Os sensores ópticos de OD oferecem inúmeras vantagens em relação aos sensores eletroquímicos. São estáveis, precisos em água estagnada/com baixo teor de OD, exigem pouca manutenção, necessitam de calibração mínima e têm longa vida útil. A seguir, as principais razões pelas quais os sensores ópticos de OD são preferidos aos sensores eletroquímicos:
- Sem consumo de oxigênio → funciona em água parada.
- Não requer agitação → precisão em amostras estáticas.
- Calibração mínima e baixa deriva → mantém a calibração por meses.
- Baixa manutenção → apenas substituição da tampa a cada 2 anos.
- Sem tempo de aquecimento → funcionamento instantâneo.
- Melhor estabilidade a longo prazo → resistente ao H₂S e à bioincrustação.
- Maior precisão em baixos níveis de OD → confiável em ambientes hipóxicos.
- Maior vida útil → o corpo do sensor dura de 5 a 7 anos.
4.4 . Aplicações de sensores ópticos de OD
Os sensores ópticos de OD (oxigênio dissolvido) são muito mais robustos, oferecendo uma ampla gama de aplicações. São fáceis de manter e configurar, tornando-os a escolha ideal para:
- Aquicultura
- águas residuais
- Laboratórios de Pesquisa
- Monitoramento Ambiental
- Tratamento de água potável
5 Como escolher o sensor de oxigênio dissolvido correto
Selecionar o sensor de OD correto exige uma avaliação cuidadosa da sua aplicação. Considere este breve guia passo a passo para encontrar o sensor de OD ideal:
Etapa 1: Analisar as aplicações
Para aplicações que exigem monitoramento contínuo e de longo prazo, os sensores ópticos são frequentemente preferidos devido à sua estabilidade e baixa necessidade de manutenção. Para verificações rápidas e em campo, os sensores eletroquímicos galvânicos são ideais, pois fornecem leituras instantâneas sem um tempo de aquecimento de até 15 minutos.
Passo 2: Qual a precisão necessária para suas leituras?
Embora ambos os tipos possam ser altamente precisos, os sensores ópticos oferecem estabilidade superior a longo prazo e são menos propensos à deriva do sinal. Para aplicações que exigem uma resposta rápida a mudanças repentinas no OD (oxigênio dissolvido), alguns sensores eletroquímicos oferecem um tempo de reação ligeiramente mais rápido, reagindo em apenas 10 a 30 segundos. Os sensores ópticos normalmente respondem em 30 a 60 segundos.
Etapa 3: Você tolera manutenção regular?
Se a sua aplicação suportar manutenção frequente, o menor custo inicial de um sensor eletroquímico pode ser uma boa opção, já que estes requerem limpeza regular e substituição do eletrólito. Para uma abordagem mais prática e com pouca manutenção, um sensor óptico é a melhor escolha, pois requer apenas a troca da tampa do sensor a cada 1-2 anos.
Passo 4: Considere seu orçamento
Um sensor eletroquímico tem um preço de compra inicial mais baixo. No entanto, ao considerar o custo a longo prazo de peças de reposição e tempo de manutenção, um sensor óptico pode ter um custo total de propriedade menor ao longo de sua vida útil, que pode ser de vários anos.
Etapa 5: Avaliar o ambiente
Em ambientes com interferências químicas como cloro ou sulfeto de hidrogênio, um sensor óptico geralmente é mais robusto, pois esses produtos químicos não afetam seu princípio de medição. Certifique-se de que o sensor possua compensação de temperatura e pressão para leituras precisas em ambientes variáveis, visto que uma mudança na pressão atmosférica pode alterar as leituras em até 0,5 mg/L.
Conclusão
A capacidade de medir o oxigênio dissolvido (OD) com precisão, consistência e rapidez, sem interferências químicas, depende do tipo de sensor de OD escolhido. Como engenheiro ou cientista, você precisa considerar os prós e os contras de cada tipo para tomar uma decisão informada. Os sensores de OD eletroquímicos são ótimos por serem mais simples e baratos, mas exigem manutenção frequente e apresentam maior deriva. Por outro lado, os sensores ópticos exigem pouca manutenção, são altamente estáveis e duráveis, o que os torna ideais para monitoramento de longo prazo.
A robustez dos sensores ópticos os torna o tipo de sensor de oxigênio dissolvido mais utilizado. Fabricantes como a Rika fornecem sensores de alta precisão, como o modelo RK500-04. Ele oferece:
- Alto nível de precisão, com resolução de 0,01 mg/L e exatidão de ±0,5% FS.
- Tempo de resposta rápido, inferior a 60 segundos.
- Design integrado sem transmissor externo.
- A sonda é fabricada em aço inoxidável 316L ou liga de titânio para uso em ambientes corrosivos, como água salgada.
- Classificação de proteção IP68 contra entrada de água e poeira, garantindo durabilidade.
- Compensação automática de temperatura em uma ampla faixa e saída RS-485.
Se você estiver interessado em encontrar uma ampla gama de sensores de oxigênio dissolvido com um design robusto, considere visitar o site da RIKA para explorar todas as opções.
Perguntas frequentes (FAQ)
P1: Quais setores industriais utilizam sensores de oxigênio dissolvido?
Indústrias, independentemente de necessitarem ou não de oxigênio, podem utilizar sensores de oxigênio dissolvido para fornecer valores de OD em tempo real. Indústrias como a aquicultura, a pesca, o tratamento de águas residuais, as estações de tratamento de água potável e diversos outros setores (incluindo o de bebidas e o farmacêutico) utilizam sensores de OD para o monitoramento da qualidade da água em tempo real.
Q2: Qual o efeito da temperatura nas medições de oxigênio dissolvido?
A temperatura pode afetar a precisão dos sensores de OD (oxigênio dissolvido) — a solubilidade do oxigênio diminui com o aumento da temperatura. Portanto, os sensores precisam ser recalibrados para novas condições de temperatura. Os sensores de OD modernos possuem compensação de temperatura, o que os torna capazes de operar em qualquer condição de temperatura. No entanto, o funcionamento em condições extremas (efluentes quentes, lagos frios) exige uma calibração cuidadosa.
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