Датчики розчиненого кисню: гальванічні, полярографічні та оптичні

Як працюють гальванічні, полярографічні та оптичні датчики кисню, навіщо мембранним зондам проток, як калібрувати за насиченням і де потрібен контроль DO.

Навіщо вимірювати розчинений кисень

Розчинений кисень (DO) — це газоподібний кисень, розчинений у воді. Південний регіональний центр аквакультури США (SRAC) називає його найважливішим параметром якості води в рибництві через швидкість змін: кисень погано розчинний, риби та планктон швидко його споживають, а з повітря він повертається повільно. За години, а іноді хвилини ставок або щільно заселений акваріум може перейти від безпечного рівня до смертельного.

UF/IFAS рекомендує 5 мг/л і вище; ознаки стресу у риб з’являються при 2–4 мг/л, загибель зазвичай настає нижче 2 мг/л. Texas A&M AquaPlant зазначає, що менше 3 ppm спричиняє стрес у більшості тепловодних видів, а менше 2 ppm вбиває частину з них. Тепла вода утримує менше кисню: за UF/IFAS, насичення становить 11,9 мг/л при 45 °F (близько 7 °C) проти 7,4 мг/л при 90 °F (близько 32 °C). У ставках DO максимальний у сутінках і мінімальний перед світанком: удень рослини фотосинтезують, а вночі всі організми лише дихають.

Полярографічні датчики (Кларка)

Електрод Кларка, який Wikipedia називає найпоширенішим датчиком кисню в рідинах, має золотий або платиновий катод і срібний анод у насиченому розчині хлориду калію за тонкою газопроникною мембраною. Подається поляризувальна напруга; кисень, що пройшов крізь мембрану, відновлюється на катоді, і струм, що виникає, пропорційний концентрації. Реакція витрачає кисень, тому датчик збіднює шар води біля мембрани. SRAC зазначає, що полярографічному зонду потрібно близько 15 хвилин на поляризацію після ввімкнення і що між вимірами його не слід знеструмлювати.

Гальванічні датчики

SRAC описує гальванічні датчики як ту саму комірку без зовнішньої напруги: катод зі срібла або платини й анод зі свинцю, заліза або цинку, тому відновлення кисню відбувається самочинно, а датчик поводиться як батарея, живлена киснем. Очікування поляризації немає, і, за SRAC, відгук швидший, ніж у полярографічної конструкції. Оскільки такий датчик також витрачає кисень, у нього ті самі мембрана, електроліт і вимоги до протоку.

Оптичні (люмінесцентні) датчики

Оптичні датчики, також звані оптодами або люмінесцентними DO-датчиками, несуть люмінесцентний барвник (люмінофор) у ковпачку або на торці світловода. Світлодіод збуджує барвник; молекули кисню гасять його світіння, тому й інтенсивність, і час життя люмінесценції падають зі зростанням кисню. Польовий посібник Геологічної служби США (USGS) пояснює, що вимірювання часу життя робить показання незалежними від яркості джерела, а співвідношення Штерна–Фольмера, що описує гасіння, дає найбільшу чутливість при низькому кисні — саме там, де риба в небезпеці.

Кисень не витрачається, тому показання не залежать від протоку, і в стоячій воді перемішування не потрібне (USGS, Wikipedia).
Немає анода, катода, електроліту, мембрани та ущільнювального кільця, що потребують обслуговування; догляд — очищення та заміна ковпачка з люмінофором, зазвичай раз на один-два роки (USGS).
Калібрування залишається стабільним під час довгих автономних установок із мінімальним дрейфом, поки датчик чистий; USGS наводить заявлену точність близько ±0,1 мг/л або 1 % після калібрування.

Вимога до протоку в мембранних датчиків

Оскільки полярографічні та гальванічні датчики відновлюють кисень на катоді, вода безпосередньо біля мембрани збіднюється, якщо не оновлюється. SRAC зазначає, що нерухомий електрохімічний зонд створює бідну на кисень мікрозону та занижує показання, і рекомендує переміщати зонд у воді зі швидкістю близько 1 фута (30 см) на секунду; показання встановлюються за 15–20 секунд. В акваріумі мембранний зонд тому має стояти у стійкому потоці, наприклад біля виходу фільтра, і ніколи — у застійній зоні.

Догляд за мембраною та електролітом

Перед кожним калібруванням оглядати мембрану на розриви, обростання та бульбашки повітря; бульбашки змушують показання коливатися і блокують калібрування (SRAC).
Міняти мембрану при появі бульбашок або розривів; за інтенсивної літньої експлуатації SRAC радить щомісячну заміну електроліту.
Нальоти на електродах сповільнюють калібрування та відгук; золотий катод має бути яскраво-жовтим, срібний анод — без потемніння та чорноти (SRAC).
Велика поправка при перекалібруванні або падіння приладу вказують на проблему з мембраною чи датчиком і вимагають повторного калібрування (SRAC).

Калібрування в насиченому повітрі або в насиченій повітрям воді

Усі три типи датчиків калібруються за опорною точкою 100 % насичення. Посібник USGS дає дві стандартні процедури: калібрування в повітрі, насиченому водяною парою (вологий калібрувальний стакан або мокрий рушник навколо захисної решітки зонда), і калібрування у воді, продутій повітрям до насичення. Датчик і опорне середовище повинні мати стабільну температуру, на оптичному вікні та датчику температури не має бути крапель, а поточний атмосферний тиск має бути відомий, оскільки вміст кисню в насиченій пробі залежить від тиску, температури та солоності. Приладам без датчика провідності потрібна ручна поправка на солоність, що важливо для морських і солонуватоводних акваріумів.

Дати 5–10 хвилин, щоб калібрувальна камера досягла 100 % вологості й температури вирівнялися; не закривати стакан герметично (USGS).
Перевірка калібрування має сходитися в межах ±0,2 мг/л або 2 % від розрахункового значення насичення (USGS).
Полярографічні прилади слід калібрувати перед кожним використанням при температурі, близькій до температури вимірюваної води (SRAC).

Застосування: ставки та щільно заселені акваріуми

Ставки — класичне застосування. SRAC радить не менше двох вимірів на день в інтенсивних ставках у сезон росту, на світанку та в сутінках, і перевірки щогодини-дві теплими ночами. Виміри біля берега нижчі, ніж у відкритій воді, через дихання донних відкладень, тому SRAC рекомендує вимірювати не ближче 2 футів (60 см) від берега, на глибині 12–18 дюймів (30–45 см), подалі від аераторів і завжди в одному місці та в один час, щоб проявлялися тренди. Глибокі ставки влітку розшаровуються; UF/IFAS пояснює, що ізольований придонний шар стає гіпоксичним, а Texas A&M зазначає, що холодний дощ або вітер можуть раптово перемішати шари й погубити рибу. Профіль DO від поверхні до дна виявляє цей ризик заздалегідь.

У приміщенні та сама фізика діє в щільно заселених або рясно годованих акваріумах. SRAC зазначає, що DO падає невдовзі після годування і що градієнти існують навіть в аерованих системах. Для таких акваріумів підходить оптичний датчик із постійним логуванням: він не залежить від протоку і витримує тижні автономної роботи; електрохімічний зонд розумніше розглядати як ручний прилад для точкових перевірок, який щоразу калібрують і переміщають у воді.