Практические советы для схемотехников.

В этой статье будет рассмотрена тема измерения растворённого кислорода с использованием датчиков фирмы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО, являющейся на наш взгляд лидером в этой области. Мы не будем расматривать теорию ионометрии, которая освещена достаточно. Внимание будет уделено тому, как использовать кислородный датчик в электрических схемах измерения.

Найти ответ на информацию такого сорта в интернете мне не удалось, хотя должен признаться, что не был достаточно настойчив в силу того, что и так имею об этом представление практическое.

А поиск имел для меня интерес лишь в том, чтобы убедиться в очередной раз на сколько мы любим секреты полишинеля использовать в жизни.

Эта тема изучена нами достаточно и используется на практике. Отмечу только, что из всех возможных областей применения таких как химия, экология, водоподготовка и т.д. нас интересовала только область, связанная с биотехнологией. Эта область, её особенности, накладывают свои ограничения как на выбор датчиков, так и на схему измерения. Первое ограничение - это возможность стерилизации датчика, поэтому выбор датчика ответственное дело. Вторая особенность касается точности измерения и всякого рода компенсаций.

Для биотехнолога, использующего биореактор, знание о растворённом кислороде - это показатель того, как "дышит" культура микроорганизмов. Это в свою очередь говорит о том живая культура или загублена. Не вдаваясь в дальнейшие тонкости этого дела, важно отметить практический момент. Точность измерения лежит в диапазоне 1-2%, чего нельзя сказать для методов химического анализа. Если говорить об оптимальности подхода к измерению этого параметра, то важно отметить следующее. Показания кислородного датчика зависят от температуры, от давления и от интенсивности перемешивания культуральной жидкости. Построить модель, которая учитывает все эти моменты можно, но это не будет оптимальным подходом ко многим практическим задачам биотехнологов, т.е. все эти влияния можно не учитывать, если использовать методику измерения, о которой речь пойдёт ниже.

Датчик кислорода, за исключением оптического, в электрическом смысле представляет сопротивление, которое зависит от растворёного в жидкости кислорода и от параметров, которые условно можно назвать "паразитными". Приблизительно сопротивление лежит в диапазоне от 1000Мом до 1Мом. Чем больше кислорода, тем меньше сопротивление. Электрохимические процессы, происходящие в датчике достаточно сложны, сопротивление датчика зависит еще и от конструктивных его особенностей (качество мембраны, наличие электролита, толщина платинового электрода). Для измерения на датчик необходимо подять поляризационное напряжение порядка 0.7 вольт.

На схеме датчик условно обозначен как RPO. Поляризационное напряжение создается делителем RPO8, RPO1. Сопротивление датчика и сопротивление RPO2 создают делитель, напряжение с которого поступает на операционный усилитель. Всё остальное окружение это фильтры и схема смещения.

Методика калибровки для практических целей биотехнологов содержит две точки, которые и определяют линейную зависимость.

Первая точка. Имитация отсутствия кислорода определяется фактом отсутствия датчика. Напряжение с операционного усилителя из-за схемы смещения будет положительным, близким к нулю.

Вторая точка калибровки определяется уже в биореакторе при залитом питательном субстрате, когда посев еще не произошёл. При этом должна быть достигнута температура выращивания, которая поддерживаться термостатирующими элементами. Подача воздуха через барботёр устанавливается максимально возможной, интенсивность перемешивания так же на максимуме. Условно эту точку можно определить, как 100%. В процессе культивирования эта условная максимальная точка не будет достигнута, потому что "дыхание" микроорганизмов сопровождается поглощением кислорода. В большинстве практических задач для микробиологов такая методика калибровки дает вполне информативные результаты измерения. Схема не содержит температурной компенсации, а давление в ряде случаев также поддерживается на постоянном  уровне.