溶氧电极的工作原理及其使用

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1、溶氧电极的工作原理及其使用摘要：在发酵工程中，氧气浓度对于发酵能否成功起着至关重要的作用。然而，溶氧电极对氧气的溶解量有重要作用。因此，为了更好的发酵，这就需要对溶氧电极有着深入的了解。溶氧电极在其他方面也有着重要的应用。本文主要介绍了溶氧电极的工作原理及其使用，同时介绍了其技术指标。关键词：溶氧；电极；原理；使用1引言溶氧（DO）是溶解氧(DissolvedOxygen)的简称,是表征水溶液中氧的浓度的参数。溶氧电极是一种基于极谱原理的测定溶解在液体中的氧的电流型电极。测定DO的方法有多种：如化学Winkler法

2、，电极方法，质谱仪等。这里主要介绍电极方法。溶氧电极最早是由Clark(1956)发明的。它是由一透气薄膜复盖的电流型电极。DO电极可分为两类：原电池（Galvanic）型和极谱(Polargrafic)型。2溶氧电极原理2.1DO电极测定原理2.1．1原电池型原电池型：一般由贵金属，如白金、金或银构成阴极；由铅构成阳极。在电解质如KCl或醋酸铅存在下便形成PbCl2或Pb(AcO)2，原电池型电极无需外加电压。2.1.2极谱型电极极谱型电极需要外加0.6-0.8V的极化电压。一般由贵金属，如白金或金构成阴极；由银

3、构成阳极。极谱型电极需外加一恒定的电压，电解质参与了反应，因此，在一定的时间间隔必须补充电解质。2.2DO电极工作原理水中的氧必须透过薄膜达到阴极的表面才能被电极还原。因此，氧在扩散到阴极表面需克服一些阻力，其中最为重要的是靠近薄膜的液膜阻力和薄膜本身的阻力。对原电池型的电极，非常重要的一点是主要阻力应落在薄膜上，即薄膜的阻力远大于液膜阻力，这样被测液体的流动引起的阻力的变化对氧扩散的影响可以减到最小。因此，从式（1）可以看出测氧实质上是测定氧的扩散速度。IS=NFA(Pm/dm)P0式中IS为输出电流，N为氧被还

4、原所得电子数，F为法拉第常数，A为阴极表面积，Pm塑料膜的扩散系数，dm为膜的厚度，P0为被测液体中的氧的分压。基于这一原理，原电池型电极在测量粘稠的发酵液中的DO时，应尽量使用厚一点的薄膜，这样可使液膜阻力的变化，从而输出电流的波动小一些。对极谱型电极，则流体运动对电极的输出没有影响。3.DO电极的技术指标3.1稳定性稳定性指当被测DO不变，电流输出应长期不变，否则这种电极就无法使用。但实际上电极输出的漂移是难免的，一般，其标准随时间偏差在SD=0.1%/d是允许的。当然SD越小越好。3.2耐灭菌性能耐灭菌性能要

5、求能耐131℃1h高压蒸汽灭菌。3.3响应时间响应时间是指电极输出跟踪溶氧浓度的变化的速度，是电极灵敏度的衡量，以响应95%或90%所需时间为指标。一般在30s~2min。对以连机在线测定，要求灵敏度高一些好。对原电池型电极，常时间发酵对象则90%响应时间在3min以内也是可行的。测量可将电极反复置于无氧水与空气中，在罐内请水中反复通入纯氮气与空气测量。3.4电极的工作寿命电极的工作寿命指换一次电解质能维持正常测定的时间，当然越长越好，一般至少1个月以上，好的电极可以达到半年以上。至于电极的寿命应不低于3-5年。3

6、.5残余电流残余电流是指液体中无或零氧状态下的电极输出，当然越小越好，一般允许在1%以下。这可置于无氧水中或通入氮气测量。3.6线性范围线性范围是指与电极输出成正比的溶氧浓度范围，当然越宽越好，一般允许在0-50%纯氧范围。4．溶氧电极的应用4.1溶氧电极盐分补偿建模氧在水中的溶解度随水中盐份含量的增加而减少,在实际应用中,当含盐量(以溶液总体含盐克数表示)在35g/L以下时可合理地认为上述关系呈线性。表1给出每1g/L含盐量在校正时减去校正值,即ΔCs。所以,当水中含盐量为ng/L时,水中氧的溶解度等于纯水中相应

7、的溶解度减去nΔCs。其中Solid为1g/L盐度对于溶氧值的影响量;t为温度值,℃。4.2溶氧电极检测部分硬件系统氧传感器硬件系统由膜式溶氧电极,稳压电源和信号预处理三部分组成。通过膜式溶氧电极检测溶液溶氧,稳压电源部分主要供给溶氧电极01735V的极化电压和±5V的集成电路电压。信号预处理器由放大器、滤波器等构成,可对溶氧电极所测得的电流信号进行放大和滤波等调理、以使其适用于后续器件,其具体包含两部分:电流-电压转换器和差动放大电路。电流-电压转换器将溶氧传感器输出的nA级信号转变成为电压信号,再通过差动放大电

8、路将其放大至1～2V,这样便于数据采集卡的信号采集。之后通过PC的程序进行数据处理与补偿,即可进行在线检测。4.3氧分压或张力(DissolvedOxygenTension,简称DOT)以大气压或mm汞柱表示，100％空气饱和水中的DOT为0.2095×760=159(mmHg柱)。这种表示方法多在医疗单位中使用。4.4绝对浓度以mgO2/L纯水或ppm表示