Nové optické senzory množství rozpuštěného kyslíku

Švýcarská společnost Hamilton Bonaduz AG je přední evropský výrobce přístrojů pro měření elektrochemických veličin (pH, redoxního potenciálu, elektrolytické vodivosti a množství plynu rozpuštěného v roztoku) používaných pro analýzu provozních a odpadních kapalin, roztoků a finálních produktů v různých oblastech průmyslu i komunálního hospodářství. Pod obchodním označením Oxyferm FDA více než deset let úspěšně vyráběla senzory pro měření koncentrace rozpuštěného kyslíku, které splňovaly nejpřísnější požadavky Federálního úřadu pro potraviny a léčiva USA (Food and Drug Administration – FDA), včetně možnosti sterilizace horkou párou v autoklávech apod.

Jak bylo při provozních měřeních v průmyslu ještě donedávna běžné, využívaly senzory Oxyferm FDA ampérometrický princip, tj. měření proudu mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku elektrolytu s použitím tzv. Clarkovy měřicí cely [1]. Typická cela se skládá ze zlaté katody a stříbrné anody, na které je přivedeno polarizační napětí asi 0,8 V. Elektrody jsou vloženy do elektrolytu na bázi vodného roztoku KCl nebo KBr a od měřeného média odděleny polopropustnou membránou z polymeru propouštějícího kyslík. Kyslík rozpuštěný v kapalném médiu difunduje membránou do elektrolytu a v důsledku oxidačně-redukčních reakcí na elektrodách prochází celou velmi malý proud (velikosti desítek nanoampérů), přímo úměrný obsahu kyslíku v elektrolytu, a tedy koncentraci rozpuštěného kyslíku v měřeném médiu.

V minulém roce společnost Hamilton uvedla na trh nové inteligentní optické senzory Visiferm DO (Dissolved Oxygen) pro měření koncentrace rozpuštěného kyslíku [2], které pracují na zcela jiném principu než dosavadní ampérometrické. Nové senzory, v nichž jsou účelně v jeden celek zkombinovány spolehlivé čidlo a měřicí zesilovač, mají z pohledu uživatele mnoho předností (tab. 1), s nimiž získává označení „inteligentní senzor“ zcela nový význam. K jejich hlavním znakům patří:

Zatímco u ostatních optických senzorů koncentrace rozpuštěného kyslíku jsou použity citlivé světlovody, jednoduché světelné kanály nebo dvě různé svítivé diody (LED), v senzorech Visiferm je dána přednost souměrné konstrukci se dvěma totožnými fotodiodami, která je mechanicky a teplotně velmi stabilní (obr. 1). Jedna z fotodiod je opatřená modrým filtrem a sleduje stav modře svítící LED. Druhá fotodioda s červeným filtrem snímá červené světlo, které vzniká na luminoforu vlivem fluorescence po stimulaci modrým světlem, a to v závislosti na koncentraci rozpuštěného kyslíku. Elektrony jsou totiž vybuzeny na vyšší hladinu energie a na svou původní hladinu se vrátí po emisi červeného světla. Když však luminofor přijde do styku s volným kyslíkem, molekuly O2 absorbují energii, což se projeví nižší intenzitou emise červeného světla. Tento rozdíl v intenzitě se analyzuje v diagnostických obvodech senzoru, přičemž cílem je včas zjistit případný pokles citlivosti („vyblednutí“) luminoforu.

Ke zjištění koncentrace rozpuštěného kyslíku se ovšem velmi přesně měří časový posuv mezi impulzy modrého a červeného světla. Elektrony luminoforu vybuzené modrým světlem se po určité době vracejí na původní energetickou hladinu. Za přítomnosti kyslíku však tento proces probíhá mnohem rychleji. Mezi pulzním vybuzením luminoforu modrým světlem a emisí červeného světla z luminoforu tak existuje časový posuv závislý na koncentraci rozpuštěného kyslíku, který je možné měřit jako fázový posuv mezi dvěma periodickými impulzními průběhy. Čím je koncentrace kyslíku větší, tím je fázový posuv menší, jak je patrné z obr. 2.

Senzory řady Visiferm DO měří, podobně jako senzory s Clarkovou celou, parciální tlak kyslíku, který je možné vyjádřit jako procento sycení vzduchu nebo jako koncentraci v jednotkách mikrogramů na litr (ppb, tj. 1 · 10^–9), popř. mg/l (ppm, tj. 1 · 10^–6). Měřit lze v rozsahu koncentrací od 8 ppb do 25 ppm, což odpovídá rozsahu od 0,1 % do 300 % sycení vzduchu (obr. 2). Pro většinu úloh je tento měřicí rozsah více než dostačující, ale přesto se v současné době intenzivně pracuje na jeho rozšíření směrem k hodnotě 1 ppb.

Všechny elektronické obvody pro iniciaci čidla a zpracování jeho výstupních signálů jsou vestavěny v pouzdru senzoru, které má tvar trubice o průměru 12 mm s volitelnou délkou 120, 160, 225, 325 nebo 425 mm (obr. 3). Mechanicky se senzor instaluje do otvoru se závitem PG 13,5. K výměně analogových i digitálních signálů s vnějšími zařízeními se používá konektor typu VP 8.0.

Senzory Visiferm DO jsou určeny k použití při tlacích do 1,2 MPa a teplotách až 130 °C. Jsou zkonstruovány tak, aby bylo možné je bez problémů zbavit všech cizorodých zárodků a bezpečně sterilizovat párou, v autoklávech i technikou CIP. Uvedené vlastnosti a klasické pouzdro s průměrem 12 mm a závitem PG 13,5 činí senzory Visiferm DO mimořádně vhodnými k použití ve farmaceutických a potravinářských výrobních provozech s nejpřísnějšími požadavky na hygienu.

 

Není-li v komplexním měřicím a řídicím systému k dispozici správný údaj o hodnotě té které měřené veličiny, mohou vzniknout značné škody. Signál potřebný pro řízení technologického procesu často prochází složitým řetězcem zahrnujícím velký počet komponent. Při ampérometrickém měření koncentrace rozpuštěného kyslíku jsou jimi senzor, připojovací kabel senzoru, měřicí zesilovač, napájecí zdroj, kabel z měřicího zesilovače do řídicího počítače a obvykle oddělovací zesilovač pro galvanické oddělení anebo ochranu před přepětím. Největší podíl na poruchách systému má nejslabší článek řetězce. Ve standardních měřicích systémech s Clarkovou celou je to především mechanicky choulostivá polopropustná membrána, která odděluje elektrody v cele od měřeného média, a dále kabel mezi senzorem s celou a vnějším měřicím zesilovačem. Je-li membrána cely vážně poškozená a tento stav je vizuální kontrolou zjištěn ještě před zamontováním senzoru do technologického zařízení, cela se vymění a situace není nakonec tak zlá. Malé, okem neviditelné poškození se ovšem ukáže, teprve až když elektrolyt unikne a senzor přestane pracovat; to již může mít závažné provozní důsledky. Zdrojem mnoha problémů jsou také velmi malé elektrické proudové signály (velikosti řádově několika nanoampérů). Jelikož se přenášejí k vnějšímu měřicímu zesilovači často v agresivním provozním prostředí, mohou např. i jen navlhlé nebo zašpiněné kontakty konektoru způsobit náhodné nereprodukovatelné rušivé signály. Navíc se vlivem vibrací či v důsledku i malých změn teplotymůže významně změnit odpor připojovacího kabelu. Sledovat za provozu správnou funkci senzoru je přitom obtížné, neboť za nepřítomnosti kyslíku se nemohou redukovat žádné molekuly O₂ a výsledkem je, že celou neteče žádný proud, právě tak jako dojdeli k přerušení kabelu či podobné poruše.

V optickém senzoru Visiferm DO se choulostivé malé proudy vůbec nevyskytují. Naměřené údaje se přenášejí z měřícího zesilovače, který je vestavěn v pouzdru senzoru, již buď ve formě unifikovaného proudového signálu 4 až 20 mA, nebo digitálně přes sériové rozhraní. Místo málo odolné membrány je senzor Visiferm DO opatřen robustní měřicí hlavicí, kterou lze při poškození pohodlně odšroubovat a velmi rychle nahradit novou. K dosažení dostatečné přesnosti měření stačí senzor kalibrovat pouze vzduchem, popř. s použitím dusíku nebo oxidu uhličitého. To výrazně usnadňuje údržbu, což je pro provozní použití velmi důležité. Je třeba, aby při poruše např. během noční směny byl přítomný personál schopen provést nezbytný údržbářský zásah, třeba i kalibraci. Každá ušetřená operace zde znamená vzrůst provozní spolehlivosti a menší riziko vzniku škod. U senzoru Visiferm DO je během provozního měření současně průběžně sledováno, zda správně funguje, a obsluha je včas upozorněna na nutnost jeho údržby.

 

Optické senzory Visiferm DO se v průmyslu již osvědčily při mnoha úlohách vyžadujících přesné a spolehlivé měření koncentrace rozpuštěného kyslíku. Mimořádně vhodné jsou pro použití ve fermentorech i při dalších aerobních procesech v biotechnologické a farmaceutické výrobě náročných na řízení. Velmi dobře se uplatňují také při biologickém čištění odpadních vod, kde je znalost aktuální koncentrace rozpuštěného kyslíku nezbytná, rovněž v potravinářském průmyslu, neboť množství rozpuštěného kyslíku je důležitým kritériem trvanlivosti mnoha potravin a nápojů. Například v pivovarnictví se úspěšně používají pro sledování regenerace oxidu uhličitého anebo pro kontrolu množství rozpuštěného kyslíku ve stáčeném pivu, protože čím je kyslíku méně, tím déle pivo v láhvích vydrží i bez konzervačních přísad. Obdobně se optické senzory koncentrace rozpuštěného kyslíku rychle a přesvědčivě prosazují namísto klasických elektrochemických senzorů s membránou oddělující elektrolyt i v dalších oblastech.

 

[1] KADLEC, K.: Elektrochemické snímače. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 12, s. 901–904.

[2] TILLICH, D.: Optical Oxygen Measurement with Built-in Electronics in a 12 mm Format. CHEManager Europe, 2007, č. 5, s. 25.