اندازه‌گیری اکسیژن محلول با سنسور و ترانسمیتر

📘 مقدمه

اندازه‌گیری اکسیژن محلول (Dissolved Oxygen) یکی از مهم‌ ترین پارامترها در صنایع آب و فاضلاب، شیلات، داروسازی و فرآیندهای زیست‌ محیطی است. مقدار اکسیژن محلول نشان‌ دهنده کیفیت آب و شرایط زیستی بوده و نقش کلیدی در کنترل فرآیندهای بیولوژیکی و شیمیایی دارد.

سیستم‌ های اندازه‌ گیری اکسیژن محلول شامل سنسورهای آمپرومتریک یا اپتیکی، ترانسمیتر، کابل اندازه‌ گیری و مجموعه نصب (غوطه‌ وری، عبوری یا قابل جمع‌شدن) هستند. انتخاب صحیح نوع سنسور، رعایت شرایط نصب، نگهداری منظم و کالیبراسیون دقیق از عوامل اصلی در دستیابی به نتایج قابل اعتماد محسوب می‌شوند.

در این مقاله، اصول عملکرد سنسورهای آمپرومتریک و اپتیکی، روش‌های کالیبراسیون در هوا و آب، فواصل نگهداری پیشنهادی، و نکات کلیدی برای نصب و بهره‌ برداری از سیستم‌ های اندازه‌گیری اکسیژن محلول بررسی می‌شود تا مهندسان ابزار دقیق بتوانند بهترین بهره‌ برداری را از این تجهیزات داشته باشند.

اندازه‌گیری اکسیژن – سنسورها و ترانسمیترها برای اکسیژن محلول چهار نوع سیستم اندازه‌گیری وجود دارد:

Oxygen measurement – Sensors and transmitters for dissolved oxygen

• ترانسمیتر Liquisys M COM223 یا COM253 – DX یا DS با سنسور اکسیژن COS41
• ترانسمیتر Liquisys M COM223 یا COM253 – WX یا WS با سنسور اکسیژن COS31، COS61 یا COS71
• ترانسمیتر Liquisys M COM223 یا COM253 – HX یا HS با سنسور اکسیژن COS21
• ترانسمیتر Liquiline CM42 با سنسور اکسیژن COS21D

هر کدام می‌توانند شامل مجموعه غوطه‌وری، عبوری یا قابل جمع‌شدن باشند.

اصل اندازه‌گیری اکسیژن – اصل آمپرومتریک

Measuring principle – Amperometric principle

مولکول‌ های اکسیژن از غشا عبور کرده و در کاتد به یون‌ های هیدروکسید (OH⁻) کاهش می‌یابند. نقره در آند به یون نقره (Ag⁺) اکسید می‌شود و لایه AgBr تشکیل می‌دهد. جریان الکتریکی ناشی از تبادل الکترون متناسب با مقدار اکسیژن محیط است. این جریان در دستگاه اندازه‌گیری به غلظت اکسیژن (ppm یا mg/l)، شاخص اشباع (%SAT) یا فشار جزئی اکسیژن (hPa) تبدیل می‌شود.

اصل اندازه‌گیری اکسیژن – اصل خاموشی فلورسانس

Measuring principle – Fluorescence quenching principle

• طراحی سنسور: مولکول‌ های حساس به اکسیژن در لایه فلورسانس سنسور قرار دارند.
• تعادل بین فشار جزئی اکسیژن در محیط و لایه فلورسانس سریع برقرار می‌شود.
• فرآیند اندازه‌ گیری:
  • اپتیک سنسور پالس‌ های نور سبز به لایه فلورسانس می‌فرستد.
  • مولکول‌ ها با نور قرمز پاسخ می‌دهند.
  • مدت و شدت پاسخ به مقدار اکسیژن وابسته است.
  • در محیط بدون اکسیژن پاسخ طولانی و شدید است؛ اکسیژن باعث کوتاه و ضعیف شدن پاسخ می‌شود.
• نتیجه اندازه‌ گیری: سیگنال متناسب با غلظت اکسیژن بازگردانده می‌شود. دما و فشار هوا نیز در سنسور محاسبه می‌شوند.

عملیات و نگهداری کارهای نگهداری شامل:

Operation and Maintenance اندازه‌گیری اکسیژن

• تمیز کردن سنسور و مجموعه نصب
• بررسی کابل و اتصالات
• کالیبراسیون و تنظیم

تمیز کردن سنسور

Cleaning the sensor

• رسوبات نمکی: غوطه‌وری در آب آشامیدنی یا HCl رقیق (1–5٪) برای چند دقیقه، سپس شستشو با آب فراوان.
• ذرات روی بدنه سنسور (نه غشا): تمیزکاری مکانیکی با برس و آب.
• ذرات روی غشا یا کلاهک غشا: تمیزکاری با آب و اسفنج نرم، سپس شستشو با آب تمیز.

تمیز کردن اپتیک سنسور COS61

COS61 – Cleaning the optics

فقط در صورت نفوذ محیط از طریق کلاهک فلورسانس معیوب لازم است.

1. باز کردن محافظ و کلاهک فلورسانس.
2. تمیز کردن سطح اپتیک با پارچه نرم.
3. شستشو با آب آشامیدنی یا آب مقطر.
4. نصب کلاهک فلورسانس جدید. ⚠️ سطح اپتیک نباید خراشیده یا آسیب ببیند.

کالیبراسیون و تنظیم

اندازه‌گیری اکسیژن

Calibration and adjustment

• دسترسی از طریق کلید CAL روی ترانسمیتر.
• سنسور در هوا یا محیط کالیبره می‌شود.
• سنسور های آمپرومتریک نیاز به کالیبراسیون اولیه دارند.
• سنسور COS61 (اپتیکی) از کارخانه کالیبره شده است.

کالیبراسیون و تنظیم سیستم‌های آمپرومتریک

Calibration and adjustment of amperometric systems

• کالیبراسیون تک‌ نقطه‌ای در حضور اکسیژن انجام می‌شود.
• موارد نیاز به کالیبراسیون:
  • راه‌ اندازی اولیه
  • تعویض غشا یا الکترولیت
  • تمیز کردن کاتد
  • توقف طولانی بدون برق
• روش‌ها:
  • کالیبراسیون در آب
  • کالیبراسیون در هوا
  • مقایسه با دستگاه مرجع
• کالیبراسیون در هوا ساده‌ترین روش است.

کالیبراسیون و تنظیم در هوا 

Calibration and adjustment in air (see Fig. 4)

1. خارج کردن سنسور از محیط.
2. تمیز کردن و خشک‌کردن غشا.
3. در صورت فشار بالاتر از اتمسفر: باز کردن کلاهک غشا، تعویض الکترولیت، بستن مجدد و انتظار برای زمان پلاریزاسیون.
4. انتظار حدود 20 دقیقه تا تطبیق دما با هوای محیط (بدون نور مستقیم خورشید).
5. انجام کالیبراسیون طبق دستورالعمل ترانسمیتر.
6. قرار دادن سنسور در محیط.

کالیبراسیون و تنظیم سیستم‌های اپتیکی

Calibration and adjustment of optical systems

• معمولاً به ندرت لازم است؛ فقط پس از تعویض کلاهک فلورسانس.
• کالیبراسیون شیب در هوا یا آب اشباع از هوا انجام می‌شود.
• کالیبراسیون نقطه صفر در نیتروژن یا آب بدون اکسیژن.
• محدوده شیب: 75 تا 140% SAT
• محدوده نقطه صفر: 0 تا 10% SAT

فواصل نگهداری

Maintenance intervals

• سنسور آمپرومتریک:
  • هفتگی: تمیز کردن سنسور
  • ماهانه: کالیبراسیون در هوا
  • سالانه: تمیز کردن کاتد طلایی با کاغذ پولیش، تعویض الکترولیت، غشا و اورینگ
• سنسور اپتیکی:
  • هفتگی: تمیز کردن سنسور
  • سالانه: تعویض کلاهک سنسور و اورینگ، کالیبراسیون در هوا

بررسی ساده عملکرد اندازه‌گیری

Simple check of the measuring function

1. خارج کردن سنسور از محیط.
2. تمیز و خشک‌کردن غشا.
3. پس از 10 دقیقه، اندازه‌ گیری شاخص اشباع اکسیژن در هوا (بدون کالیبراسیون مجدد).
4. مقدار باید باشد:
   • 98 تا 102% SAT برای سیستم آمپرومتریک
   • 99.4 تا 100.6% SAT برای سیستم اپتیکی

بررسی ساده نقطه صفر

Simple check of the zero point

• قرار دادن سنسور در ظرف بسته با آب تازه و سدیم بی‌سولفیت (Na₂SO₃).
• پس از 1 تا 2 ساعت، مقدار باید ≤ 0.3% SAT باشد (جریان < 1 nA).

موجودی قطعات یدکی

Spare parts stock

• سیستم آمپرومتریک: نگهداری غشا و الکترولیت توصیه می‌شود.
• سیستم اپتیکی: نگهداری کلاهک سنسور توصیه می‌شود.

فهرست لوازم جانبی

کابل‌های اندازه‌گیری برای سنسورهای COS31 و COS71 با کانکتور TOP 68:

• COK31؛ طول 1.5 متر – شماره سفارش 51506820
• COK31؛ طول 7 متر – شماره سفارش 51506821
• COK31؛ طول 15 متر – شماره سفارش 51506822