Какие существуют типы датчиков растворенного кислорода в воде?

Знаете ли вы, что срок службы традиционных датчиков кислорода, таких как электрохимические датчики растворенного кислорода (DO), ограничен примерно тремя годами, тогда как современные оптические датчики растворенного кислорода могут работать несколько лет? Такая существенная разница в сроке службы обусловлена ​​особенностями их работы и требованиями к обслуживанию. Понимание этих различий между типами датчиков крайне важно для выбора подходящего детектора.

Мониторинг уровня растворенного кислорода (РК) имеет решающее значение для поддержания качества воды. Точное измерение РК критически важно в таких областях, как водные организмы, очистка сточных вод, аквакультура и промышленные процессы. Знание уровня РК позволяет точно контролировать аэрацию, соблюдать нормативные требования и проводить мониторинг экосистемы.

Существует два основных типа датчиков растворенного кислорода (РК): электрохимические и оптические. В этом руководстве мы рассмотрим каждый тип, подробно расскажем о принципе его работы, преимуществах, ограничениях и типичных областях применения. Также будет приведено краткое руководство по выбору датчика, подходящего для ваших конкретных задач. Продолжайте читать, чтобы узнать всё о контроле растворенного кислорода (РК)!

1 Основы измерения растворенного кислорода

Прежде чем погрузиться в разработку и химию датчиков РК, давайте сначала разберемся, что же такое РК на самом деле!

♦ Что такое растворенный кислород?

Кислород присутствует в воде, поэтому водные организмы могут выживать под водой. Растворение газа, например, кислорода, в воде требует процесса, называемого диффузией. Для растворения такого газа, как кислород, согласно закону Генри, его парциальное давление в воздухе должно быть выше, чем в воде.

Поскольку атмосфера содержит примерно 21% кислорода, всегда существует парциальное давление кислорода, которое воздействует на поверхность воды, заставляя молекулы падать на неё. Содержание растворённого кислорода в воде можно измерить в миллиграммах на литр (мг/л) или частях на миллион (ppm).

♦ Почему важно измерять уровень растворенного кислорода?

В здоровой водной среде концентрация растворённого кислорода обычно составляет 5–6 мг/л и более. В таких случаях, как промышленные процессы, где используются металлические трубопроводы, высокий уровень растворённого кислорода может вызывать ускоренную коррозию. Это серьёзная проблема в таких отраслях, как энергетика, обрабатывающая промышленность и нефтегазовая промышленность, где для транспортировки воды используются металлические трубы и котлы.

Для получения точных результатов необходимо понимать сложности, возникающие при измерении РК в воде. Значения, которые могут быть считаны правильно, в некоторых случаях могут казаться неточными. А в некоторых случаях они могут быть не совсем верными. Следующие условия могут поставить под сомнение достоверность результатов:

• Дрейф: После калибровки показания датчиков могут начать дрейфовать относительно своих фактических значений. В электрохимических датчиках это может быть вызвано деградацией электролита и мембраны. В оптических датчиках это может быть вызвано медленной деградацией флуоресцентного красителя.
• Загрязнение: способность датчика обнаруживать объекты может быть нарушена биологическими, химическими или физическими явлениями. Загрязнение создаёт барьер между водой и датчиком, препятствуя доступу кислорода к чувствительному элементу.
• Температура: Температура воды может влиять на растворимость кислорода в воде и эффективность датчика. Поэтому современные датчики оснащены функцией температурной компенсации.
• Солёность: повышенное содержание соли приводит к снижению значения растворённого кислорода (РК). Поэтому датчик также должен иметь функцию компенсации содержания соли в воде.
• Атмосферное давление: Концентрация кислорода в воде меняется с высотой по мере увеличения атмосферного давления. Как мы уже упоминали, давление частиц может колебаться, что приводит к изменению уровня кислорода.
• Химические помехи: Некоторые химические вещества могут влиять на работу электрохимических или оптических датчиков растворенного кислорода. Поэтому следует учитывать наличие химических веществ, которые могут искажать показания.

2 Обзор технологий датчиков растворенного кислорода

Датчики могут предоставлять данные в режиме реального времени, обычно со временем отклика от 30 до 60 секунд. Это время, необходимое датчику для измерения 90% от окончательного стабильного значения после резкого изменения концентрации растворенного кислорода. Это время одинаково для двух основных типов технологий измерения кислорода:

• Электрохимические датчики (амперометрические, полярографические, гальванические).
• Оптические датчики (флуоресценция/люминесценция).

Выбор зависит от области применения и требуемой точности. Ниже представлена ​​краткая таблица с подробной информацией по обоим типам:

В следующем разделе давайте подробнее рассмотрим эти датчики, механизмы их работы и то, что делает один датчик лучше другого в конкретных областях применения.

3. Электрохимические датчики растворенного кислорода

3 .1. Принцип работы

Электрохимический процесс — это химическая реакция, побочным продуктом которой является электричество. Сила электрического тока прямо пропорциональна количеству газа, образующегося в ходе химической реакции. Это основной принцип работы всех электрохимических датчиков.

Чтобы понять принцип работы электрохимических датчиков растворённого кислорода, представьте себе два электрода, катод и анод, погружённые в раствор электролита. Катод обычно изготавливается из платины или золота, а анод — из серебра или свинца. В качестве электролита обычно используется хлорид калия (KCl) или гидроксид калия (KOH), поскольку они не препятствуют химической реакции с кислородом. Проницаемая мембрана отделяет жидкий образец, содержащий кислород, от раствора электролита. Она позволяет кислороду диффундировать через мембрану. Скорость этой диффузии прямо пропорциональна количеству кислорода в воде.

Восстановление на катоде вызывает прирост электронов

О ₂+2H ₂ O+4e ⁻ →4OH ⁻

Окисление на аноде вызывает высвобождение электронов

4Ag+4Cl ⁻ →4AgCl+4e ⁻

Сила тока измеряется с помощью амперметра, который напрямую отображает содержание кислорода в воде.

3.2 . Полярографические датчики РК

Как следует из названия, для запуска процесса поляризации требуется внешнее напряжение. Напряжение в диапазоне 0,8 В вызывает восстановление кислорода на катоде. Этот метод обеспечивает точные результаты, но обычно рекомендуется для использования с образцами большого размера. Благодаря использованию внешнего источника питания, анод не потребляет энергию при отсутствии питания.

• Время прогрева: из-за поляризации для начала получения стабильных значений требуется 10–15 минут.
• Техническое обслуживание: требуется частая калибровка.

3.3 . Гальванические датчики растворенного кислорода

Электрохимические датчики растворенного кислорода гальванического типа имеют автономное питание. Это означает, что два разных электрода, катод и анод, создают достаточную разность потенциалов для запуска реакции.

• Время прогрева: не требует внешнего питания и прогрева. Обеспечивает мгновенные показания.
• Техническое обслуживание: Анод постоянно расходуется, что приводит к сокращению срока службы и необходимости его хранения в среде с нулевым содержанием РК.

4 Оптические датчики РК

4 .1. Принцип действия оптических/флуоресцентных датчиков растворенного кислорода

Наиболее эффективные и широко используемые датчики растворенного кислорода основаны на оптико-флуоресцентном механизме. Эти датчики используют явление гашения флуоресценции для измерения растворенного кислорода.

• Датчик состоит из люминесцентного красителя и корпуса, содержащего светодиод и фотодетектор. Светодиод освещает краситель синим светом, переводя его в возбуждённое состояние. Когда возбуждённые электроны достигают стабильного состояния, они излучают свет.
• В случае, когда кислород поглощается люминесцентным красителем, синий свет возбуждает электрон, но кислород поглощает часть энергии электронов, вызывая уменьшение испускания света при их возвращении в стабильное состояние.

Измерение изменения света на выходе фотодетектора дает прямое значение содержания кислорода в среде, контактирующей с люминесцентным красителем.

Процесс их установки также очень удобен и прост, как показано здесь:

4.2 . Преимущества оптических датчиков растворенного кислорода по сравнению с электрохимическими типами

Оптические датчики растворенного кислорода обладают множеством преимуществ по сравнению с электрохимическими датчиками. Они стабильны, точны в стоячей воде или воде с низким содержанием растворенного кислорода, не требуют особого обслуживания, требуют минимальной калибровки и имеют длительный срок службы. Вот основные причины, по которым оптическим датчикам растворенного кислорода отдают предпочтение перед электрохимическими:

• Не потребляет кислород → работает в стоячей воде.
• Не требуется перемешивание → точность для неподвижных образцов.
• Минимальная калибровка и низкий дрейф → сохраняет калибровку в течение месяцев.
• Низкие эксплуатационные расходы → замена крышки только каждые 2 года.
• Не требует времени на разогрев → мгновенная готовность к работе.
• Лучшая долгосрочная стабильность → устойчивость к сероводороду и биообрастанию.
• Более высокая точность при низком содержании кислорода → надежность в гипоксических условиях.
• Увеличенный срок службы → корпус датчика служит 5–7 лет.

4.4 . Применение оптических датчиков РК

Оптические датчики растворенного кислорода гораздо более надёжны и предлагают широкий спектр применения. Они удобны в обслуживании и просты в настройке, что делает их идеальным выбором для:

• Аквакультура
• Сточные воды
• Исследовательские лаборатории
• Мониторинг окружающей среды
• Очистка питьевой воды

 

5 Выбор правильного датчика РК

Выбор подходящего датчика растворенного кислорода (РК) требует тщательного анализа вашего применения. Ознакомьтесь с этим кратким пошаговым руководством по выбору идеального датчика растворенного кислорода:

Шаг 1: Рассмотрение заявок

Для приложений, требующих непрерывного и долгосрочного мониторинга, оптические датчики часто предпочтительны благодаря своей стабильности и простоте обслуживания. Для быстрых проверок на ходу идеально подходят гальванические электрохимические датчики, которые обеспечивают мгновенные показания без времени прогрева до 15 минут.

Шаг 2: Насколько точны должны быть ваши показания

Хотя оба типа датчиков могут быть высокоточными, оптические датчики обеспечивают превосходную долговременную стабильность и меньше подвержены дрейфу сигнала. Для приложений, требующих быстрого реагирования на резкие изменения растворенного кислорода, некоторые электрохимические датчики обеспечивают немного более быстрое время реакции, всего 10–30 секунд. Оптические датчики обычно реагируют в течение 30–60 секунд.  

Шаг 3: Сможете ли вы выдержать регулярное обслуживание?

Если ваше приложение предполагает частое обслуживание, более низкая первоначальная стоимость электрохимического датчика может стать разумным компромиссом, поскольку он требует регулярной очистки и замены электролита. Для решения проблемы автоматизации и минимального обслуживания лучше использовать оптический датчик, поскольку для него требуется лишь замена колпачка датчика раз в 1-2 года.

Шаг 4: Рассмотрите свой бюджет

Электрохимический датчик имеет более низкую первоначальную стоимость. Однако, учитывая долгосрочную стоимость запасных частей и время обслуживания, оптический датчик может иметь более низкую общую стоимость владения в течение всего срока службы, который может составлять несколько лет.

Шаг 5: Оцените окружающую среду

В средах с химическими помехами, такими как хлор или сероводород, оптический датчик, как правило, более надёжен, поскольку эти химические вещества не влияют на принцип его измерения. Убедитесь, что датчик имеет компенсацию температуры и давления для точных показаний в различных условиях, поскольку изменение атмосферного давления может изменить показания на величину до 0,5 мг/л.

Заключение

Возможность точного, стабильного и быстрого измерения растворенного кислорода без химических помех зависит от типа выбранного датчика растворенного кислорода. Инженеру или учёному необходимо оценить все плюсы и минусы каждого типа, чтобы принять обоснованное решение. Электрохимические датчики растворенного кислорода превосходны, поскольку они проще и дешевле, но требуют частого обслуживания и имеют более высокий дрейф показаний. С другой стороны, оптические датчики не требуют особого обслуживания, обладают высокой стабильностью и долговечностью, что делает их идеальными для долгосрочного мониторинга.

Благодаря своей надёжности оптические датчики являются наиболее распространённым типом датчиков растворённого кислорода. Такие производители, как Rika, предлагают высокоточные датчики, например, модель RK500-04. Она обладает следующими характеристиками:

• Высокий уровень точности: разрешение 0,01 мг/л и погрешность ±0,5% полной шкалы.
• Быстрое время реагирования — менее 60 секунд.
• Интегрированная конструкция без внешнего передатчика.
• Зонд изготовлен из нержавеющей стали 316L или титанового сплава для использования в агрессивных средах, например, в соленой воде.
• Степень защиты IP68 обеспечивает долговечность.
• Автоматическая температурная компенсация в широком диапазоне и выход RS-485.

Если вы заинтересованы в поиске широкого ассортимента датчиков РК с надежной конструкцией, то посетите веб-сайт RIKA, чтобы изучить все варианты.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: В каких отраслях промышленности используются датчики растворенного кислорода?

Датчики растворенного кислорода могут использоваться в различных отраслях промышленности, независимо от того, требуется ли им кислород или нет, для получения данных о РК в режиме реального времени. Такие отрасли, как животноводство, рыболовство, очистка сточных вод, очистные сооружения питьевой воды, а также различные отрасли (включая производство напитков и фармацевтику), используют датчики РК для мониторинга качества воды в режиме реального времени.

В2: Каково влияние температуры на измерения растворенного кислорода?

Температура может снижать точность датчиков растворенного кислорода, поскольку растворимость кислорода снижается с повышением температуры. Поэтому датчики необходимо перекалибровать для новых температурных условий. Современные датчики растворенного кислорода оснащены температурной компенсацией, что позволяет им работать в любых температурных условиях. Однако работа в экстремальных условиях (горячие сточные воды, холодные озера) требует тщательной калибровки.