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溶解氧测量技术原理介绍

2020-07-20 16:03:36来源: 点击:

荧光法测量原理

荧光是一种自然性的物理现象,用于溶解氧(DO)测量的光学传感器就采用荧光猝灭的原理。 此项技术首先发表于1931年,却用了近80年的时间才真正运用到过程分析传感器。

通过采用荧光,可测量氧气与另一种物质的相互作用。 有些能够吸收特定波长光线的分子, 可以在短暂延时之后释放所吸收的能量,这种机制被称为荧光现象。

溶解氧测量技术原理介绍(图1)

图:荧光淬灭

 

荧光是发光的一种特别形式,其中光的寿命具有不同特性。许多情况下均存在发光现象,如手表发光与验钞机是日常生活中的一些示例。

从光到氧气测量

为了能用荧光测量液体中的溶解氧,必须确保氧气与荧光物质接触,并对荧光释放产生影响。

在光学氧传感器中,氧气能够渗入可渗透层,然后扩散至荧光分子(染料)所在的基质。当不存在氧气时,大部分的吸收能量会作为荧光释放。当存在氧气时,氧气会与染料接触,这样它就能够吸收能量,因此不会发出荧光。

由于存在氧气,因此不仅会使荧光的光线强度减弱,而且会缩短荧光的发光时间。这是因为染料处于激发状态的时间越长,则与氧气接触的可能性就越大。因此,激发状态的时间越长,则分子猝灭的可能性越大。

只采用激发与荧光释放的时间间隔测量氧气,荧光强度变化的测量结果较不准确。要想在这个时候测量准确,必须调节激发光的强度。这样,荧光强度同样被调节。

检测器此时测量的是描述强度变化的正弦波形曲线。激发光最大强度与荧光最大强度的时间间隔目前成为用于计算氧气值的初始测量值。在电化学系统中,测量电流与氧气值线性相关。在光学系统中,相位随着氧气浓度的升高而呈指数规律下降。这种下降在Stern Volmer方程中有描述。在现代光学溶解氧系统中,Sternolmer图是不可或缺。

 

光学法测量溶解氧基于荧光淬灭的原理:

传感器中的蓝色LED光源发出一束蓝色光,照射在荧光物质上,该涂层的荧光物质随即被这束蓝光激发,此激发态并不稳定,遇到氧以后会迅速释放出红色的光线并回复至原始状态。此红光和先前LED发射的蓝光存在一个时间滞后,光电检测器可以监测到蓝光和红光之间的这个相位滞后,即测量荧光物质从被蓝光激发到发射红光后恢复原态的时间,根据这个来计算水中溶解氧的含量。该相位滞后与发光体附近的溶解氧浓度成反比。当氧气与荧光物质接触后,则其产生的红色光的强度会降低,同时其产生红光的时间也会缩短,水样中溶解的氧气的浓度越高,则传感器产生的红光的强度就会越低。

 溶解氧测量技术原理介绍(图2) 

图3:荧光法测定原理图

荧光淬灭法测量溶氧技术具有测量便捷、稳定性高、维护量低等优点。除较高浓度的二氧化氯外,光学法测溶解氧不易受到其它干扰物质的影响。

减少维护需求

光学技术的主要优点是操作更为简便,这是因为只需定期更换一种备件耗材-光学帽;与电化学系统不同,没有电解液、易碎的膜体或内传感器等需要维护的部件。

溶解氧测量技术原理介绍(图3)

图:低维护、卫生型光学帽

 

光学帽只需20秒即可完成更换,且无需进行极化处理;结构如此简单,因此错误操作的风险得到了最大限度控制。

 

电化学测量原理:

随着水质分析技术的不断发展与更新,电化学溶氧测量技术已成为目前应用最为广泛的溶氧测量技术,此项技术是由Dr. Leland Clark于1956年最先发明。电化学分为原电池法和极谱法。其中,极谱法应用最广。电化学(极谱法)溶氧分析仪基于传感器的结构又可以分为扩散型和平衡型两种,相对而言,扩散型的电化学溶氧传感器应用更为普及。

溶解氧测量技术原理介绍(图4)

图1:极谱法测定原理图

该传感器由阴极、阳极、电解液以及半透膜等主要部件构成,在直流极化电压作用下,溶解在水中的氧气穿过半透膜到达阴极发生还原反应:
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
同时阳极发生氧化反应: 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-

当反应达到平衡稳定的条件下,该电化学反应形成的电流和氧气的分压(浓度)呈一定关系:i∞=nFA(Pm/L)Cs

式中:i∞-稳定状态的扩散电流

n-得失电子数

F-法拉第常数(96500 库仑)

A-阴极表面积(平方厘米)

Pm-薄膜的渗透系数(厘米2/秒)

L-薄膜的厚度(厘米)

Cs-溶解氧浓度(ppm)

当电极结构和薄膜确定之后,式中A、Pm、L、n等均为常数。令K= nFA(Pm/L),则上式中:i∞=KCs。

因此可见,只要测得扩散电流i∞,即可测得溶解氧浓度。为消除温度、盐度和气压因素影响,各型号产品采用各自技术进行补偿。根据上述电化学过程产生的电流强度就可以计算出水中的溶解氧分压,然后再根据亨利定律就可得出水中的溶解氧浓度。
    和其他溶解氧测量技术相比较,极谱法溶氧测量技术具备应用量程广,精度高(特别在ppb痕量级溶氧测量应用场合),技术成熟等特点,目前在水处理工业各种溶氧测量场合应用最为普及和广泛。而原电池法少了极化预热的过程,使用则要方便些。


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