Principi mjerenja optičkog otopljenog kisika

Ponašanje plinova otopljenih u tekućinama je intrigantno i opsežno područje proučavanja, koje igra ključnu ulogu u primjenama od farmaceutskih istraživanja do proizvodnje pića.U disciplini hemijskog inženjerstva, mnogo vremena se provodi tokom kurseva procesnog inženjerstva fokusirajući se na zakone i odnose koji upravljaju ponašanjem sistema tečnost/gas u veoma promenljivim uslovima okoline.U ovom tehničkom savjetu raspravljamo o tome kako se Henryjev zakon odnosi na rad Ocean Insight optičkih senzora kisika.

Ocean Insight optički senzori kisika

NeoFox sistemi senzora kiseonika detektuju parcijalni pritisak kiseonika u okolini, i to putem fluorescentne metode faznog pomaka.Posebna boja je ugrađena u tanki film sol-gel matriksa i obložena vrhom sonde optičkih vlakana ili samoljepljivog flastera, a plava LED se koristi za pobuđivanje fluorescencije boje (slika 1).

8

Aspekte ove fluorescencije prati detektor i ponašaju se kao funkcija parcijalnog pritiska kiseonika i temperature.Budući da sistem reaguje isključivo na parcijalni pritisak kiseonika, nekoliko parametara mora biti poznato o sistemu prilikom pretvaranja u jedinice rastvorenog kiseonika.

Vilijam Henri je 1803. godine formulisao ključni zakon koji kaže: „Na konstantnoj temperaturi, količina datog gasa koji se rastvara u datoj vrsti i zapremini tečnosti je direktno proporcionalna parcijalnom pritisku tog gasa u ravnoteži sa tom tečnošću. ”

U osnovi, ovo navodi da će se parcijalni pritisak gasa u dvofaznom sistemu gas/tečnost uravnotežiti na istom nivou u svakoj fazi, što je intuitivan koncept.Međutim, jedinice rastvorenog kiseonika se često navode u mg/L (ili ppm) – vrednost koja će se promeniti u zavisnosti od vrste tečnosti i njenih svojstava kao što je salinitet, uprkos tome što imaju isti parcijalni pritisak.Kako ovo može biti?Ovo nije tako intuitivno i zahtijeva malo pametne matematike da bi se napravila ispravna konverzija.

Algoritmi konverzije senzora kiseonika

Mjerenje rastvorenog kiseonika u morskoj vodi dobar je primer za ilustraciju Henrijevog zakona jer je to uobičajena primena koja dozvoljava različita razblaženja njenog saliniteta.Na 20 °C, morska voda će se uravnotežiti u zraku (20,9% kisika) na 7,2 mg/L, dok će se čista slatka voda uravnotežiti na nešto viših 9,1 mg/L;bez prisutne soli postoji veći potencijal za punjenje gasa u tečnu fazu. Ali dva parcijalna pritiska su identična, u ravnoteži sa kiseonikom od 0,209 atm (pri ukupnom pritisku od 1 atm).Ocean Insight senzori kiseonika ne bi mogli da razlikuju ova dva rešenja; tačno izveštavanje o vrednosti u mg/L zahtevalo bi poznavanje saliniteta i temperature svakog rastvora.To možemo demonstrirati gledajući različite koncentracije kisika u mjehurićima kroz različita razrjeđenja morske vode i gledajući kako NeoFox sonde za kisik reagiraju.

9
Grafikon na slici 2 pokazuje opseg niskih do visokih vrednosti kiseonika u mg/L koje su moguće u ovom opsegu razblaženja;kako se koncentracija povećava, odnos postaje uočljiviji.Konverzija iz gasne faze parcijalnog pritiska kiseonika u tečnu fazu mg/L (ppm) izračunava se u NeoFox firmveru preko ove relacije:
9
10

Otvoreni vs. zatvoreni sistemi

NeoFox sistem senzora kiseonika koristi matricu za kalibraciju u više tačaka u rasponu parcijalnih pritisaka i temperatura kiseonika.Sistem koristi ovu matricu za korekciju temperaturnih fluktuacija u sistemu.
U gasnoj fazi ovo važi i čak neophodno za tačna merenja;ako se temperatura poveća za 10 °C, a parcijalni pritisak kiseonika ostane isti, sistem će doživeti pad tau vrednosti (životni vek fluorescencije), ali će takođe detektovati temperaturnu deltu i i dalje proizvoditi istu vrednost parcijalnog pritiska kiseonika.

Ako se matrica za kalibraciju u više tačaka koristi u tečnoj fazi u otvorenom sistemu, onom koji je slobodan da se uravnoteži sa okolinom gasne faze oko sebe, to će također vrijediti jer će se konverzija parcijalnog tlaka obaviti kao što je bila u gasnu fazu.Takođe, naknadna konverzija jedinice rastvorenog kiseonika će se prilagoditi na osnovu temperature pošto se mg/L kiseonika može slobodno menjati sa gasnom fazom iznad nje.Međutim, u zatvorenom sistemu stvari nisu tako jednostavne.Ako ste imali savršeno zapečaćenu 1 L posudu s nekim nivoom kisika koji nije blizu zasićenja (recimo, 2 mg/L), i bez plina u posudi uopće, promjena temperature bi izazvala lažnu promjenu prijavljenih jedinica otopljenog kisika .U našem otvorenom sistemu, kada se temperatura promenila, tečnost je bila slobodna da razmenjuje kiseonik sa okolinom, a matematika konverzije je objasnila ovu promenu u mg/L.Međutim, u našem zatvorenom sistemu - koji ne može da stupi u interakciju sa okolinom - promena temperature bi takođe pokrenula matematiku konverzije da prijavi promenu u mg/L, iako znamo da još uvek imamo naših 2 mg kiseonika u našoj posudi od 1 L Najlakše rešenje u ovom scenariju je da se ne dozvoli sekundarna konverzija (parcijalni pritisak u mg/L) da uzme u obzir temperaturnu promenu, već da se dozvoli samo prva konverzija (tau u parcijalni pritisak) da se kompenzuje temperatura. Ovaj pristup , međutim, pretpostavlja da korisnik zna pravu vrijednost kiseonika u zatvorenom sistemu na nekoj početnoj temperaturi;ulazak u ovu vrstu konverzije zatvorenog sistema bez odgovarajućeg

Početne tačke čine veoma teškim ako ne i nemogućim izračunavanje.

11

Zaključci
Ocean Insight kontinuirano poboljšava način na koji naši senzori kisika obrađuju i prijavljuju podatke korisniku, tako da vrijednosti budu što validnije i tačnije.

Korisni resursi
• Tablice rastvorljivosti rastvorenog kiseonika američkog Geološkog instituta.
• Tabele geološkog istraživanja SAD o vrijednostima zasićenosti rastvorenim kiseonikom.


Vrijeme objave: Mar-26-2022