Принцип работы и области применения датчиков растворенного кислорода

Принцип работы и области применения датчиков растворенного кислорода

Введение

Растворенный кислород (РК) — это молекулярный кислород, растворенный в воде, который обычно выражается в миллиграммах на литр (мг/л). Будучи важнейшим индикатором качества воды, РК напрямую отражает состояние здоровья и способность водных объектов к самоочищению. Он широко используется в экологическом мониторинге, очистке воды, аквакультуре и научных исследованиях. Датчики растворенного кислорода точно измеряют концентрацию кислорода, используя электрохимические или оптические принципы. В данной статье подробно рассматриваются основные концепции, принципы работы, технические особенности и сценарии применения этих датчиков.

Основные концепции растворенного кислорода

Концентрация растворенного кислорода (O₂) зависит от нескольких факторов:

- Атмосферное давление: более высокое давление увеличивает уровень насыщения воды кислородом.

- Температура воды: с повышением температуры растворимость кислорода падает.

- Соленость: высокая соленость снижает растворимость кислорода.

В чистой поверхностной воде уровень РК обычно близок к насыщению (около 9 мг/л при 20°C). При загрязнении органикой микроорганизмы потребляют кислород быстрее, чем он пополняется, что может привести к гибели водной флоры и фауны.

Принципы работы датчиков растворенного кислорода

Датчики делятся на две основные категории: электрохимические и оптические.

1. Электрохимические датчики растворенного кислорода

К ним относятся полярографический и гальванический методы. Оба основаны на реакциях на электродах.

Полярографический метод:

- Структура: катод из золота (Au) или платины (Pt), анод (серебро/хлорид серебра), электролит (KCl) и газопроницаемая мембрана (ПТФЭ или силикон).

- Принцип: подается внешнее напряжение (0,6–0,8 В), вызывающее восстановление кислорода на катоде. Возникающий ток пропорционален концентрации РК.

Гальванический метод:

- Принцип: работает как гальванический элемент (батарейка). Реакция происходит спонтанно и не требует внешнего напряжения. Ток прямо пропорционален содержанию кислорода.

2. Оптические датчики (метод флуоресценции)

Основаны на принципе тушения флуоресценции. Становятся все более популярными благодаря стабильности и отсутствию потребления кислорода при измерении.

- Принцип работы: синий светодиод возбуждает флуоресцентный материал на колпачке датчика, который начинает светиться красным светом. Молекулы кислорода в воде «тушат» это свечение. Датчик измеряет фазовый сдвиг или время затухания, вычисляя концентрацию кислорода.

- Особенности: не требуют мембран и электролита, не чувствительны к скорости потока воды, устойчивы к химическим помехам (сульфидам).

Области применения

1. Экологический мониторинг:

- Контроль рек и озер. Измерение кислорода в аэротенках очистных сооружений для оптимальной работы бактерий.

2. Аквакультура:

- Оптимизация условий роста рыбы и креветок (поддержание уровня 4–8 мг/л).

3. Промышленная водоподготовка:

- Фармацевтика и пищевая промышленность.

Будущее развитие

Направления включают интеграцию в многопараметрические системы (РК + pH + мутность), использование ИИ для самодиагностики, миниатюризацию для носимых IoT-устройств и разработку долговечных флуоресцентных материалов.

Заключение

Выбор между электрохимическим и оптическим датчиком зависит от задачи: первые дешевле и точнее в лаборатории, вторые идеальны для долгосрочного полевого мониторинга и аквакультуры благодаря низким затратам на обслуживание.

Техническое описание онлайн-датчика растворенного кислорода NBL-RDO-206

NBL-RDO-206 Онлайн-флуоресцентный датчик растворенного кислорода.pdf