หลักการวัดแสงที่ละลายด้วยออกซิเจน

พฤติกรรมของก๊าซที่ละลายในของเหลวเป็นหัวข้อการศึกษาที่น่าสนใจและกว้างขวาง และเป็นหัวข้อที่มีบทบาทสำคัญในการประยุกต์ใช้ตั้งแต่การวิจัยทางเภสัชกรรมไปจนถึงการผลิตเครื่องดื่มในสาขาวิชาวิศวกรรมเคมี จะใช้เวลาส่วนใหญ่ในหลักสูตรวิศวกรรมกระบวนการโดยเน้นไปที่กฎหมายและความสัมพันธ์ที่ควบคุมพฤติกรรมของระบบของเหลว/ก๊าซในสภาพแวดล้อมที่แปรปรวนสูงในเคล็ดลับทางเทคนิคนี้ เราจะพูดถึงว่ากฎของ Henry เกี่ยวข้องกับการทำงานของเซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบออปติคอล Ocean Insight อย่างไร

เซ็นเซอร์ออกซิเจนแบบออปติคัล Ocean Insight

ระบบเซ็นเซอร์ออกซิเจน NeoFox ตรวจจับความดันบางส่วนของออกซิเจนในสิ่งแวดล้อม และตรวจจับผ่านวิธีการเปลี่ยนเฟสเรืองแสงสีย้อมพิเศษจะถูกฝังลงในเมทริกซ์โซลเจลแบบฟิล์มบาง และเคลือบบนส่วนปลายของหัววัดไฟเบอร์ออปติกหรือแผ่นแปะแบบมีกาวในตัว และใช้ไฟ LED สีน้ำเงินเพื่อกระตุ้นการเรืองแสงของสีย้อม (รูปที่ 1)

8

ลักษณะของการเรืองแสงนี้จะถูกตรวจสอบโดยเครื่องตรวจจับ และทำงานเป็นฟังก์ชันของออกซิเจนและอุณหภูมิความดันย่อยเนื่องจากระบบตอบสนองต่อความดันบางส่วนของออกซิเจนเพียงอย่างเดียว จึงจำเป็นต้องทราบพารามิเตอร์หลายตัวเกี่ยวกับระบบเมื่อแปลงเป็นหน่วยออกซิเจนที่ละลายน้ำ

วิลเลียม เฮนรี ได้กำหนดกฎสำคัญขึ้นในปี ค.ศ. 1803 ซึ่งระบุว่า “ที่อุณหภูมิคงที่ ปริมาณของก๊าซที่กำหนดซึ่งละลายในประเภทและปริมาตรของของเหลวที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความดันบางส่วนของก๊าซนั้นในสภาวะสมดุลกับของเหลวนั้น ”

โดยพื้นฐานแล้ว ข้อความนี้ระบุว่าความดันบางส่วนของก๊าซในระบบก๊าซ/ของเหลวสองเฟสจะสมดุลที่ระดับเดียวกันในแต่ละเฟส ซึ่งเป็นแนวคิดที่เข้าใจง่ายอย่างไรก็ตาม หน่วยออกซิเจนละลายน้ำมักรายงานเป็นมิลลิกรัม/ลิตร (หรือ ppm) ซึ่งเป็นค่าที่จะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับประเภทของของเหลวและคุณสมบัติของของเหลว เช่น ความเค็ม แม้ว่าจะมีความดันบางส่วนเท่ากันก็ตามเป็นไปได้ยังไง?สิ่งนี้ไม่เป็นไปตามสัญชาตญาณและต้องใช้คณิตศาสตร์ที่ชาญฉลาดเพื่อทำการแปลงที่เหมาะสม

อัลกอริธึมการแปลงการตรวจจับออกซิเจน

การวัดออกซิเจนที่ละลายในน้ำทะเลเป็นตัวอย่างที่ดีในการอธิบายกฎของเฮนรี่ เนื่องจากเป็นการใช้งานทั่วไปที่ช่วยให้สามารถเจือจางความเค็มได้หลากหลายที่อุณหภูมิ 20 °C น้ำทะเลจะปรับสมดุลในอากาศ (ออกซิเจน 20.9%) เป็น 7.2 มก./ล. ในขณะที่น้ำจืดบริสุทธิ์จะปรับสมดุลให้สูงขึ้นเล็กน้อยที่ 9.1 มก./ล.เมื่อไม่มีเกลือ จึงมีความเป็นไปได้มากขึ้นที่ก๊าซจะบรรจุเข้าสู่สถานะของเหลว แต่ความดันบางส่วนทั้งสองจะเท่ากัน โดยทำให้สมดุลกับออกซิเจน 0.209 atm (ที่ความดันรวม 1 atm)เซ็นเซอร์ออกซิเจน Ocean Insight จะไม่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างสารละลายทั้งสองนี้ได้ การรายงานค่าเป็น มก./ลิตร ที่แม่นยำจะต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับความเค็มและอุณหภูมิของสารละลายแต่ละชนิดเราสามารถสาธิตสิ่งนี้ได้โดยการดูความเข้มข้นของออกซิเจนต่างๆ ที่ทำให้เกิดฟองผ่านการเจือจางของน้ำทะเล และดูว่าหัววัดออกซิเจน NeoFox ตอบสนองอย่างไร

9
แผนภาพในรูปที่ 2 แสดงช่วงของค่าออกซิเจน มก./ลิตร จากต่ำถึงสูงที่เป็นไปได้ตลอดช่วงการเจือจางนี้เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์ก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นการแปลงจากออกซิเจนความดันบางส่วนของเฟสก๊าซไปเป็นเฟสของเหลว mg/L (ppm) คำนวณในเฟิร์มแวร์ NeoFox ผ่านความสัมพันธ์นี้:
9
10

ระบบเปิดกับระบบปิด

ระบบเซ็นเซอร์ออกซิเจน NeoFox ใช้เมทริกซ์การสอบเทียบแบบหลายจุดตลอดช่วงแรงดันและอุณหภูมิย่อยของออกซิเจนระบบจะใช้เมทริกซ์นี้เพื่อแก้ไขความผันผวนของอุณหภูมิในระบบ
ในเฟสของก๊าซสิ่งนี้ถูกต้องและจำเป็นสำหรับการวัดที่ถูกต้องด้วยซ้ำหากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 °C และความดันส่วนของออกซิเจนยังคงเท่าเดิม ระบบจะพบว่าค่าเทาว์ลดลง (อายุการใช้งานของฟลูออเรสเซนซ์) แต่จะตรวจจับเดลต้าของอุณหภูมิด้วย และยังคงส่งออกค่าความดันย่อยของออกซิเจนเท่าเดิม

หากใช้เมทริกซ์การสอบเทียบแบบหลายจุดในเฟสของเหลวในระบบเปิด ซึ่งเป็นเฟสที่มีอิสระในการปรับสมดุลกับสภาพแวดล้อมของเฟสก๊าซรอบๆ สิ่งนี้ก็จะใช้ได้เช่นกันเนื่องจากการแปลงความดันบางส่วนจะดำเนินการเหมือนใน เฟสแก๊สนอกจากนี้ การแปลงหน่วยออกซิเจนละลายน้ำในเวลาต่อมาจะปรับตามอุณหภูมิ เนื่องจากออกซิเจน มิลลิกรัม/ลิตร เปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระเมื่อมีเฟสก๊าซอยู่ด้านบนอย่างไรก็ตาม ในระบบปิด สิ่งต่างๆ ไม่ได้ตรงไปตรงมามากนักหากคุณมีน้ำที่ปิดสนิทขนาด 1 ลิตรโดยมีระดับออกซิเจนไม่ใกล้อิ่มตัว (เช่น 2 มก./ลิตร) และไม่มีก๊าซอยู่ในถังเลย การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผิดพลาดในหน่วยออกซิเจนละลายน้ำที่รายงาน .ในระบบเปิดของเรา เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ของเหลวก็สามารถแลกเปลี่ยนออกซิเจนกับสิ่งแวดล้อมได้อย่างอิสระ และการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของการแปลงจะคิดเป็นหน่วยของการเปลี่ยนแปลงในหน่วย มก./ลิตรอย่างไรก็ตาม ในระบบปิดของเรา ซึ่งไม่สามารถโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมได้ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิยังจะทำให้การคำนวณการแปลงรายงานการเปลี่ยนแปลงในหน่วย มก./ลิตร แม้ว่าเราจะรู้ว่าเรายังมีออกซิเจน 2 มก. ในภาชนะขนาด 1 ลิตรของเรา การแก้ไขที่ง่ายที่สุดในสถานการณ์นี้คือ ไม่อนุญาตให้มีการแปลงรอง (ความดันบางส่วนเป็น มก./ลิตร) คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และอนุญาตให้เฉพาะการแปลงครั้งแรก (เทาเป็นความดันบางส่วน) เพื่อชดเชยอุณหภูมิแทน วิธีการนี้ แม้ว่าผู้ใช้จะทราบค่าที่แท้จริงของออกซิเจนในระบบปิดที่อุณหภูมิเริ่มต้นบางค่าก็ตามเข้าสู่การแปลงระบบปิดประเภทนี้โดยไม่เหมาะสม

แต้มเริ่มต้นทำให้มันยากมากหากไม่สามารถคำนวณได้

11

ข้อสรุป
Ocean Insight กำลังปรับปรุงวิธีที่เซ็นเซอร์ออกซิเจนของเราประมวลผลและรายงานข้อมูลไปยังผู้ใช้อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้ค่าต่างๆ ถูกต้องและแม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ทรัพยากรที่เป็นประโยชน์
• ตารางการละลายของออกซิเจนที่ละลายในการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกา
• ตารางการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกาเกี่ยวกับค่าความอิ่มตัวของออกซิเจนที่ละลายในน้ำ


เวลาโพสต์: 26 มี.ค. 2022