國產(chǎn)好儀器科普系列 | 溶解氧及實(shí)驗(yàn)室溶解氧傳感器校準(zhǔn)
更新時(shí)間：2026-02-27 瀏覽次數(shù)：303
溶解氧
氧幾乎是所有生物的重要組成部分，同時(shí)也是無數(shù)自然和工業(yè)過程的重要元素。氧是無色無味的氣體，在大氣中的含量約為21%，氧是地殼中含量最高的元素，占總質(zhì)量的近50%，也是宇宙中含量第三豐富的元素。與幾乎所有氣態(tài)元素（惰性氣體除外）一樣，氧在地球上幾乎只以分子形式存在于氣體中，兩個(gè)氧原子共價(jià)結(jié)合形成一個(gè)氧分子。它的名字源于古希臘語，意思是“酸化劑"。這不能從字面上去理解，因?yàn)樗岬摹俺梢?，即氫離子，是后來才被發(fā)現(xiàn)的。
我們之所以在這里討論氧，是因?yàn)樗谝后w中的溶解性，尤其是在水和水溶液中的溶解性。
除此之外，氧的溶解性對(duì)于水中的生命以及大多數(shù)生物和生化過程至關(guān)重要。氧和許多氣體一樣，不僅能溶解在液體中，還能溶解在塑料等物質(zhì)中，這種溶解性取決于兩個(gè)因素，大氣中的氧分壓和液體的溫度。
為什么需要校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溶解氧傳感器？
實(shí)驗(yàn)室溶解氧傳感器需要校準(zhǔn)有幾個(gè)原因：
◎ 電化學(xué)傳感器的原理是金屬電極在氧氣存在的情況下發(fā)生溶解，并與電解質(zhì)相互作用，導(dǎo)致溶解度低的鹽類沉淀。沉淀物會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻增加，從而減少電荷傳輸。這可以在一定時(shí)間內(nèi)通過電子方式進(jìn)行補(bǔ)償。
◎ 對(duì)于光學(xué)傳感器，染料會(huì)隨著時(shí)間的推移而“漂白"，從而減少熒光。這個(gè)過程也可以通過校準(zhǔn)和調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償。如果可以接受每年百分之幾（3%-5%）的低漂移，則可以省去校準(zhǔn)的麻煩，通過賽萊默旗下品牌 WTW 傳感器的傳感器帽自動(dòng)傳輸?shù)某鰪S校正系數(shù)（“出廠校準(zhǔn)"），可以實(shí)現(xiàn)測量。
如何校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室氧傳感器？
出于測試目的，有一些混合氣體具有規(guī)定的氧含量。但是價(jià)格昂貴的同時(shí)，它們不是必需的。
只有兩個(gè)變量在校準(zhǔn)中起作用：
◎ 作為氣壓函數(shù)的當(dāng)前氧分壓，非標(biāo)準(zhǔn)化氣壓
◎ 與溫度相關(guān)的水蒸氣分壓
圖1：帶讀取觸點(diǎn)和校準(zhǔn)信息芯片的蓋膜背面和頂部視圖
在我們通?？梢越佑|到的區(qū)域中，氧氣的比例始終保持不變，即大約占空氣的21%。不管是在海平面上還是在海拔3800米的的喀喀湖上，變化就是絕對(duì)氣壓和相應(yīng)的氧氣分壓。在海平面上，氧氣分壓約為212 hPa，而在海拔3800米處，氣壓略低于650 hPa，氧氣分壓只有約135 hPa。當(dāng)然，校準(zhǔn)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。
第二個(gè)重要影響因素是水蒸氣。根據(jù)DIN EN ISO 5814:2013-02，在飽和的水蒸氣空氣中進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)檫@些比率也可以很容易地在合適的容器中建立。根據(jù)已知的氣壓和飽和時(shí)與溫度有關(guān)的主要水蒸氣分壓（在海平面以上的“正常"高度，可忽略與氣壓有關(guān)的因素），可計(jì)算出當(dāng)前的氧分壓，并將其用作參考值。然而，重要的是蓋膜上不能有水滴沉積，因?yàn)橛捎跉庀嗪鸵合嗟臄U(kuò)散行為不同，水滴會(huì)導(dǎo)致不正確的校準(zhǔn)結(jié)果。
原則上，所有WTW溶解氧傳感器都只在水蒸氣飽和的空氣中進(jìn)行校準(zhǔn)，無需進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。可使用Na2SO3溶液或純氮?dú)猸h(huán)境檢查傳感器的零點(diǎn)信號(hào)。
校準(zhǔn)結(jié)果
電化學(xué)傳感器
對(duì)所有電化學(xué)傳感器而言，斜率因子都是內(nèi)部確定的，因此可以在指定范圍內(nèi)進(jìn)行有效校準(zhǔn)。
如果隨后在空氣中對(duì)傳感器進(jìn)行測試，結(jié)果是空氣飽和度為102%至104%。這種過度結(jié)果是正常的，這是由于浸入液體中時(shí)，由于傳感器原理造成的氧氣耗盡，在薄膜前形成了一層不變的液體，作為額外的擴(kuò)散屏障，當(dāng)然在空氣中是不存在的。
圖2：電化學(xué)氧傳感器的校準(zhǔn)曲線
光學(xué)氧傳感器
電化學(xué)傳感器在校準(zhǔn)過程中會(huì)顯示出一條線性特征曲線，這是電流測量原理造成的。
光學(xué)傳感器的情況則有所不同。雖然淬火不是一個(gè)線性過程，但斜率因子也會(huì)在此設(shè)定，只是比電化學(xué)傳感器的斜率因子范圍更窄。由于這種傳感器不消耗氧氣，校準(zhǔn)后的理想值是100%空氣飽和度。
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