Измерение растворенного кислорода оптическими датчиками

• Зачем измерять концентрацию растворенного кислорода?
• Традиционный метод измерения растворенного кислорода
• Технология измерения растворенного кислорода LDO
• Преимущества применения LDO датчиков
• Модельный ряд датчиков LDO

Зачем измерять концентрацию растворенного кислорода?

Растворенный кислород может иметь как положительное, так и отрицательное влияние на технологический процесс, в зависимости от конкретного производства. В пищевых производствах, пивоварении, виноделии растворенный кислород является крайне важным параметром, который напрямую влияет на качество получаемого продукта. Растворенный кислород имеет смысл определять, как в ходе производственного процесса, так и в готовой продукции. Также содержание растворенного кислорода имеет огромное значение для аэрационной очистки сточных вод. На процессы аэрации на очистных сооружениях уходит до 70% потребляемой электроэнергии. Эти аспекты делают точное и эффективное измерение растворенного кислорода крайне важным этапом химического анализа.

Традиционный метод измерения растворенного кислорода

Классическим методом измерения концентрации растворенного кислорода является электрохимический. Измерение производится с помощью электрохимической ячейки, состоящей из камеры, заполненной электролитом, и погруженных в него анода и катода. В зависимости от конструкции может также присутствовать мембрана, разделяющая аппарат на две части: в одной находятся электроды, погруженные в электролит, в другой – анализируемый образец. Молекулы кислорода проходят сквозь мембрану и растворяются в электролите. При отсутствии мембраны в роли электролита выступают сточные воды. Во время работы ячейки на катоде происходит восстановление кислорода, а на аноде – окислительные процессы. Электрохимический потенциал в ячейке пропорционален концентрации кислорода в анализируемой воде.

Основная проблема электрохимического метода – занижение данных. Это происходит из-за того, что анод в процессе работы постепенно растворяется в электролите, уменьшение площади анода приводит к проведению неточных измерений. Дрейф данных приводит либо к недостаточной степени очистки сточных вод, либо к перерасходу энергии на аэрацию очистных сооружений. Данные, представленные на графике показывают, что даже небольшие занижения показателя концентрации растворенного кислорода, приводят к значительному повышению расхода энергии на аэрацию. Эти ошибки могут быть минимизированы с помощью регулярной калибровки и замены электролита.

Помимо этого, электрохимический метод требователен к составу сточных вод, так как некоторые их компоненты могут повредить электроды. Также метод характеризуется высоким расходом электролита.

Технология измерения растворенного кислорода LDO

При разработке нового оптического метода измерения растворенного кислорода учитывались недостатки электрохимического способа. В основу метода положено физическое явление люминесценции, заключающееся в способности веществ-люминофоров испускать излучение, вследствие возбуждения материала. В методе LDO (Luminescence Dissolved Oxygen) были подобраны подходящий материал-люминофор и нужная длина волны, провоцирующая люминесценцию. Эти параметры обеспечивают пропорциональность интенсивности излучения и времени его затухания концентрации растворенного кислорода.

Датчики LDO состоят из крышки и корпуса. На крышке датчика присутствует люминофор, нанесенный на прозрачную подложку.

Корпус датчика оснащен светоизлучающими диодами (синим и красным), и электронным преобразователем сигнала (фотодиодом). Люминесценция с излучением красного цвета начинается после облучения люминофора с помощью синего светодиода. Излучение красного светодиода не вызывает люминесценцию и просто отражается от слоя люминофора. Красный светодиод нужен для сравнения нулевой точки и фиксируемого люминесцентного излучения.

Когда датчик с закрученной крышкой погружается в воду молекулы кислорода вступают в химическое взаимодействие с люминофором и оказываются в связанном состоянии.

Люминофор, вступивший в реакцию с кислородом, при возбуждении перестает излучать. Таким образом, чем больше концентрация кислорода, тем менее интенсивна люминесценция и тем меньше время ее затухания.

Датчик фиксирует продолжительность излучения и его интенсивность, что впоследствии позволяет пересчитывать эти данные на концентрацию растворенного кислорода.

Преимущества LDO датчиков

По сравнению с недостатками электрохимического метода (необходимость замены электролита, мембраны, анода, регулярной калибровки, занижение данных), метод LDO обладает рядом преимуществ:

• Простая калибровка
  LDO датчики калибруются только один раз. При калибровке датчику необходимо задать лишь нулевую точку, дальнейшая калибровка не требуется. Это становится возможным благодаря тому, что калибровка производится по физическому закону, связывающему интенсивность и время излучения люминофора в отсутствие кислорода и те же параметры для люминофора, вступившего в химическое взаимодействие. Уменьшение количества свежего люминофора компенсируется с помощью красного светодиода.
• Не требуется замена деталей
  Датчик не нуждается в специальном обслуживании и замене деталей. Когда заканчивается люминофор необходимо лишь заменить использованную крышку на новую со свежим слоем люминофора, которую можно приобрести отдельно.
• Устойчивость к загрязнениям
  Элементы датчика не взаимодействуют с анализируемой средой, а люминофор вступает в реакцию только с кислородом. Благодаря этому, определение растворенного кислорода возможно в средах любого состава. Электрохимические ячейки подвержены порче мембран и электродов при контакте с загрязненными сточными водами, что приводит к занижению показателей. Для электродов опасным компонентом сточных вод является сероводород H2S, принцип измерения LDO невосприимчив к этим загрязнениям.
• Высокая скорость измерений
  Погруженный в образец или поток датчик позволяет получать данные в режиме реального времени с задержкой всего в несколько секунд.
• Высокая чувствительность
  Чувствительность датчика возрастает с уменьшением концентрации кислорода.
• Механическая устойчивость
  В отличие от электрохимических ячеек в датчиках LDO отсутствуют мембраны или другие детали, подверженные механическим повреждениям.

Модельный ряд датчиков LDO

Датчики растворенного кислорода с технологией LDO позволяют определять растворенный кислород в диапазоне от 0,05 до 20 мг/л. На сайте «АкваАналитикс» Вы можете ознакомиться с характеристиками и приобрести данные датчики в любом исполнении:

• Промышленные 
  LDO sc - корпус из нержавеющей стали, кабель 10 метров.
  LDO 2 sc - версия для морской воды
• Полевые датчики в корпусе из нержавеющей стали и различной длиной кабеля от 5 до 30 метров: 
  Серия датчиков LDO101 в полевом исполнении.
• Лабораторные датчики с длиной кабеля 1 или 3 метра. 
  Серия датчиков LDO101 в лабораторном исполнении. 

Для использования полевых и лабораторных датчиков необходим потенциометрический преобразователь. Для использования промышленных датчиков необходим цифровой контроллер для вывода и анализа данных.