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影响溶解氧测量的环境因素-蛙视光学溶解氧传感器

2022-09-08

什么影响您的溶解氧测量?


水生环境中的溶解氧对大多数物种至关重要,系统了解水中的溶解氧水平对水生环境管理人员,养殖及研究人员等同样重要。在我们测量溶解氧的时候,必须考虑到温度、盐度、气压、流量4个变量。

1) 温度如何影响溶解氧测量

测量溶解氧最重要的变量是 - 温度。因此,确保仪器上的温度传感器正确测量非常重要,因为温度以两种方式影响DO测量。下表是在标准大气压下纯水中的饱和溶解度下溶解氧含量。可以看到在均为饱和状态下,不同温度下溶解氧的含量是不同的。

温度-氧气 溶解度关系

温度(℃)

溶解氧(mg/L)

0

14.6

5

12.8

10

11.3

15

10.2

20

9.2

25

8.6

100

0


温度和扩散

首先,由于分子活度的增加或减少,氧通过电化学探针的膜或光学探针的传感元件的扩散随温度而变化。根据稳态电化学传感器的膜材料,基于温度的扩散速率变化可能高达每摄氏度约4%,快速脉冲传感器为每摄氏度1%,光学传感器约为每摄氏度1.5%。

例如,如果样品的温度从20°C变化到15°C,则探头信号会根据所使用的传感器而变化,从而降低溶解氧饱和度读数,即使水的饱和度百分比没有变化。

因此,必须对传感器信号进行温度变化补偿。一般通过在较旧的模拟仪器的电路中添加热敏电阻来完成的。对于较新的数字仪器,该软件使用专有算法补偿温度变化,这些算法使用探头热敏电阻的温度读数。

温度和溶解氧测量的关系

对于光学溶解氧传感器,一般的荧光探针材料的温度变化符合Arrhenius(阿列纽斯)方程。

可以看到它是遵循指数方程式,当然不同的指示探针和不同的包埋会影响它的具体参数,但总体趋势不变。

温度和氧气溶解度

到目前为止,所描述的调整仅补偿温度对通过膜或传感元件的氧气扩散速率的影响。除了这种效果外,温度还会影响水的溶解氧能力。一个科学事实是,氧气在水中的溶解度与温度成正比。

然而,溶解氧浓度会随着温度而变化,因为氧气在水中的溶解度会随着温度而变化。例如,在15ºC下,水可以溶解10.08 mg / L,而30ºC水只能溶解7.56 mg / L的氧气,即使两个样品的饱和度百分比值均为100%。因此,我们必须根据样品的温度,补偿溶解氧浓度读数。

根据饱和度百分比测定溶解氧 mg/L

下面说明如何将饱和度百分比转换为 mg/L(也称为 ppm 或百万分之一)。

为了进行这种转换,必须知道样品的温度和盐度。这就是为什么在计算mg / L值时必须使用准确的温度值的原因。

第一步:确定样品的饱和度、温度和盐度百分比。

第二步:将饱和度读数乘以氧溶解度表的相应列(取决于盐度)和行(取决于温度)中的值。

例:

第一步:在20ºC下测量样品具有80%溶解氧饱和度,0 ppt盐度

第二步:将 0.80(即溶解氧饱和度百分比)乘以 9.09盐度和 20ºC 时氧溶解度表的值)= 7.27 mg/L

结果7.27mg / L值,对应于20ºC下盐度为零的样品的80%溶解氧饱和度读数。

2) 盐度如何影响溶解氧测量?

影响溶氧浓度的第二个变量是水样的盐度。虽然饱和度百分比读数不是水的盐度(或溶解固体含量)的函数,但溶解氧浓度随盐度变化而改变。

随着水的盐度增加,其溶解氧的能力降低。例如,在25ºC下盐度为0 ppt的饱和氧淡水含有8.26 mg / L的氧气,而在相同压力和温度下的氧饱和海水(~36 ppt)仅含有6.72 mg / L的溶解氧。


盐度和溶解氧测量关系


因此,盐度(以及温度)必须考虑仪器的溶解氧计算。该计算基于饱和度读数百分比,温度读数以及使用水和废水检查标准方法中的公式测量或输入的盐度值。

纠正盐度

传感器在计算溶解氧时使用的盐度值是通过两种方式之一获得的,具体取决于所使用的传感器。可同时测量电导率的蛙视多参数传感器(BSM-2)。电导率传感器测量的盐度值用于mg / L计算。因此,重要的是要确保电导率传感器经过校准和准确读取,以获得准确的溶解氧 mg/L读数。

对于没有电导率传感器的蛙视溶解氧传感器,最终用户必须手动输入样品的盐度值。请参阅下面的盐度指南,了解各种类型水的典型盐度值列表。


盐度指南 - 按水类型划分的平均盐度

水型

平均盐度

淡水

<0.5百分点*

咸淡水

0.5 至 30 ppt

海水

33 至 37 ppt

盐水

30 至 50 ppt

盐水

>50ppt



*盐度是根据实用盐度标度从电导率和温度读数确定的无单位测量值,该量表可在水和废水检查的标准方法中找到。

通过实际盐度标度确定的盐度值被命名为“ppt",因为这些值非常接近以前使用的方法确定的盐度,其中报告了给定质量水中溶解盐的质量(千分之一)。今天,ppt通常被PSU(实用盐度单位)取代,作为描述由实用盐度表计算的盐度的单位;但是,这些值是等效的,因为它们由相同的方法确定。

在对不同盐度的水进行采样时,例如在咸淡水(如河口或沿海湿地)中,建议您校准使用溶氧传感器时,如果您必须手动输入盐度值,请使用将要测量的水的值。如果您有电导率传感器和溶解氧传感器,请确保正确校准电导率,以补偿正确的盐度值。

3) 气压如何影响溶解氧测量?

关于溶解氧校准和测量中的潜在影响,另一个因素是气压

气压影响空气或水样品中的氧气压力。例如,空气中氧气的百分比始终为21%,但氧气的实际压力随气压的变化而变化。在海平面上,氧气的压力为160毫米汞柱(0.21 x 760毫米汞柱)。

在完全充气的样品中,传感器测量的饱和度百分比为100%(160/160 x 100%)。如果样品的温度为25ºC,传感器将根据氧溶解度表将溶解氧浓度计算为8.26 mg / L。当样品在高度上移动并保持空气饱和时,气压会降低,样品中的氧气压力也会降低。

在海拔343米处,氧气压力为153 mmHg(0.21 x 730 mmHg),在完全充气的样品中,探头读取的相对于海平面的饱和度百分比为95.6%(153/160 x 100%)。如果样品的温度为25ºC,仪器将根据氧溶解度表计算出7.92 mg / L或8.26的96%的溶解氧浓度。


气压和溶解氧之间关系


蛙视传感建议,定期对您的溶解氧传感器进行适当的校准,或者至少快速检查溶氧%值是否读数在海拔/气压下应读数的+/-2%或+/-1%以内内。

4) 流量如何影响溶解氧测量?

有许多因素会影响您的溶解氧测量。到目前为止,我们已经了解了温度,盐度,气压的影响,接下来解决流量依赖性问题。


流量影响溶解氧测量



电化学传感器,如Clark(Leland Clark)极谱法传感器,在测量过程中消耗氧气,因此需要样品移动,否则读数将被人为地降低。

电化学专家克拉克


然而,光学传感器使用非消耗性方法进行溶解氧测量,从而无需流量依赖性或搅拌要求的传感方法。

下图说明了光学传感器的这一优势。第一种是在空气饱和的水样品中使用稳态极谱传感器测量的数据图,其中机械搅拌棒提供了足够的样品移动。当搅拌机关闭时,读数开始下降,导致人为地降低溶解氧测量值。



克拉克流量依赖性测试



第二种是在同一空气饱和的水样品中使用光学传感器测量的数据图,其中样品移动仍由搅拌棒提供。当关闭搅拌机构进行光学测量时,读数依然保持恒定和准确,证明光学传感器不依赖于流量。这是光学传感器的一个巨大的优势,特别是对于低流量应用,或样品移动困难时。



溶解氧传感器光流相关性测试




针对不同应用,蛙视开发了基于荧光猝灭原理的多种光学溶解氧传感器。包括常温常压使用的ppm级溶解氧,常温耐一定溶剂的ppb级溶解氧,耐高温消毒溶解氧。具体请参见下图。

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ppm级光学溶解氧传感器



ppm级溶解氧传感器

ppb级溶解氧传感器



耐高温消毒溶解氧传感器

耐高温消毒溶解氧传感器


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