一、概述
在线溶解氧分析仪是一种用于实时、连续监测液体（通常是水或废水）中溶解氧（DO, Dissolved Oxygen）浓度的仪器，广泛应用于污水处理、工业过程控制、水产养殖、环境监测、地表水/地下水评估等领域。溶解氧(DO)是衡量水体自净能力、生化反应活性及水质健康状态的关键参数，其浓度的准确监测对保障工艺稳定运行、优化资源利用及环境保护具有重要意义。
在线溶解氧分析仪通过传感器直接接触被测介质，将溶解氧浓度转化为电信号，经变送器处理后以数字或模拟信号输出，支持数据记录、报警及远程监控，满足工业过程对高精度、高可靠性、连续性监测的需求。
二、溶解氧的定义与重要性
1. 溶解氧的定义
溶解氧(DO)是指溶解在水或其他液体中的分子态氧（O₂），通常以mg/L（毫克每升）或 ppm（百万分之一）表示。其含量受水温、压力、盐度及大气压力等因素影响：
水温：温度越高，水中溶解氧的饱和浓度越低(如20°C时饱和DO约为9.1 mg/L，30°C时降至7.6 mg/L)；
压力：海拔越高(气压越低)，水体对氧气的溶解能力越弱；
盐度：盐分增加会降低氧气的溶解度(海水中的饱和DO比淡水低约20%)；
大气接触：水体与空气接触越充分(如曝气池、河流)，溶解氧越接近饱和状态。
2. 溶解氧的重要性
污水处理：在活性污泥法中，好氧微生物依赖溶解氧分解有机物(如COD/BOD)，DO浓度直接影响处理效率与污泥活性；
工业过程：如锅炉补给水需极低DO(<0.01 mg/L)以防止金属管道氧腐蚀；化工反应(如发酵、氧化还原)对DO浓度有精确控制需求；
水产养殖：鱼类及水生生物呼吸依赖溶解氧，低DO(<3 mg/L)会导致缺氧死亡，高DO则促进生长；
环境监测：河流、湖泊的DO水平反映水体自净能力(如DO<2 mg/L为“黑臭水体”标志)，是水质评价的核心指标之一。
三、在线溶解氧分析仪的工作原理
在线溶解氧分析仪的核心是将溶解氧浓度转化为可测量的电信号，主流技术路线包括电化学法（原电池法/极谱法）与光学法（荧光法），两类方法原理差异显著，适用于不同场景。
(一)电化学法(Electrochemical Method)
电化学法通过电极与溶解氧的化学反应产生电流或电位差，分为原电池法（Galvanic Cell）和极谱法（Polarographic Method），两者结构相似，但驱动方式不同。
1. 基本结构
电化学传感器主要由以下部分组成：
透气膜（薄膜）：覆盖在电极表面，允许氧气分子通过但阻隔液体与杂质(如悬浮物、油脂)，保护内部电解液；
电极系统：包括阴极（通常为金/铂）和阳极（通常为银/铅），以及内部的电解液（如KCl溶液）；
信号处理模块：将电极输出的微弱电流/电位转换为标准信号(如4~20 mA、0~10 V)。
2. 工作原理细分
(1)极谱法(Polarographic)
驱动方式：需外部施加0.6~0.8 V的直流电压(极化电压)，强制推动氧还原反应；
反应过程：
阴极（金/铂）：氧气在阴极获得电子被还原为氢氧根离子(碱性条件)或水(酸性条件)，反应式为：
O2+2H2O+4e−→4OH−(碱性)
或 $$ O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O \quad (\text)
−∗∗阳极(银)∗∗：银被氧化为银氯化物(Ag+Cl−→AgCl+e−)，提供电子回路；−∗∗信号输出∗∗：氧气扩散速率与水中溶解氧浓度成正比，通过阴极的还原电流大小反映DO浓度(通常为nA μA级)。
(2)原电池法(Galvanic Cell)
驱动方式：无需外部电压，依靠电极材料的自发氧化还原电位差(类似电池原理)驱动反应；
反应过程：
阴极（金）：氧气还原为氢氧根(同极谱法)；
阳极（铅）：铅被氧化为氧化铅(Pb → Pb²⁺ + 2e⁻)，与电解液中的离子反应生成不溶物(如PbCl₂)；
信号输出：自发产生的电流与溶解氧浓度线性相关，无需额外供电，但响应速度略慢于极谱法。
3. 电化学法的优缺点
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| 电解液需定期补充（原电池法）或电极易老化（极谱法） |
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(二)光学法(Optical Method，荧光法)
光学法基于荧光物质与溶解氧的特异性相互作用，通过检测荧光强度变化间接测量DO浓度，是近年来发展起来的新型技术，代表在线溶解氧仪的主流方向。
1. 基本原理(荧光猝灭效应)
传感器探头表面涂覆有荧光染料（如钌络合物Ru(bpy)₃²⁺），该染料在受到特定波长蓝光(约470 nm)激发时，会发射出红色荧光(约600 nm)；
当溶解氧分子扩散至荧光层附近时，会与激发态的荧光染料发生非辐射能量转移（荧光猝灭），导致荧光强度减弱或荧光寿命缩短；
荧光强度或寿命的衰减程度与溶解氧浓度成正比(氧分子越多，猝灭效应越强)，通过检测荧光信号的变化即可计算DO值。
2. 传感器结构
光源（LED）：发射特定波长的激发光(通常为蓝光)；
荧光感应膜：涂覆荧光染料的敏感层，直接接触被测液体；
光电探测器（光电二极管）：接收荧光信号(红光)，并转换为电信号；
补偿模块：校正温度、气压及光干扰的影响(如内置温度传感器实时补偿)。
3. 光学法的优缺点
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| 无膜、无电解液：避免膜污染与电解液消耗，维护周期长（通常半年~1年） | |
| 抗干扰能力强：不受流速、气泡影响（电化学法需稳定流速），响应速度快（<10秒） | |
| 对高温（>80°C）或强氧化性介质（如氯气）适应性较差 |
四、在线溶解氧分析仪的典型应用场景
1. 污水处理（核心应用）
活性污泥法：监测曝气池中的DO浓度(通常控制2~4 mg/L)，确保好氧微生物活性，避免“过曝气”(浪费能源)或“缺氧”(降解效率下降)；
厌氧/缺氧单元：通过低DO(<0.5 mg/L)或无氧环境控制反硝化、厌氧消化等工艺；
出水监测：确保排放水体DO达标(如《城镇污水处理厂污染物排放标准》要求≥2 mg/L)。
2. 工业过程控制
锅炉补给水：监测除氧器出口DO(需<0.01 mg/L)，防止锅炉管道氧腐蚀；
化工反应：如发酵过程(DO需维持在0.5~3 mg/L以平衡菌种活性)、氧化还原反应(精确控制氧浓度)；
食品饮料：纯净水、果汁生产中监测DO以避免产品氧化变质。
3. 水产养殖与生态监测
养殖水体：实时监测鱼塘、虾池的DO(理想范围5~8 mg/L)，预防缺氧浮头；
地表水/地下水：评估河流、湖泊的自净能力(DO≥5 mg/L为健康水体)，监测富营养化风险(低DO可能伴随藻华爆发)。
4. 其他场景
游泳池/SPA：控制DO以抑制微生物滋生(通常≥4 mg/L)；
海洋勘探：监测深海或极地水体的DO分布，研究生态适应性。
五、选型与使用注意事项
1. 选型关键参数
测量范围：常规污水(0~20 mg/L)、高精度场景(0~2 mg/L或0~0.1 mg/L)；
技术类型：电化学法(经济实用，维护频繁) vs 光学法(高精度、低维护，适合长期在线监测)；
输出信号：4~20 mA(工业标准)、RS485(数字通信)、HART协议(远程配置)；
防护等级：IP65(防溅水)、IP68(潜水型，用于深井/曝气池)；
温度/压力适应性：高温(>60°C)或高压(>1 bar)场景需特殊设计。
2. 使用与维护要点
电化学法：定期清洁透气膜(用软布擦拭，避免刮伤)，补充电解液(原电池法)或更换电极(老化后)；
光学法：避免强光直射探头，定期校准(通常每3~6个月用空气饱和水或零氧液标定)；
环境干扰：安装时避开强电磁场、气泡湍流区，确保传感器浸没深度稳定；
校准：使用空气饱和水（接近100%饱和度）和零氧溶液（如亚硫酸钠溶液）进行两点校准，提升准确性。
六、总结
在线溶解氧分析仪是水质监测与工业过程控制的核心工具，通过电化学法（原电池/极谱）和光学法（荧光法）两类技术，实现对溶解氧浓度的实时、精准测量。其中：
电化学法凭借成熟的技术与低成本，适用于常规污水处理与工业场景，但需关注膜污染与维护成本；
光学法以无膜设计、高抗干扰性与长期稳定性，成为应用(如制药、半导体纯水监测)，尽管初期投资较高，但长期运维更经济。
未来，随着微纳传感器技术、物联网（IoT）与人工智能的发展，在线溶解氧分析仪将进一步向微型化、智能化（自动诊断、预测性维护）、多参数集成（如同时测DO/pH/浊度）方向演进，为水资源管理、工业绿色生产及生态保护提供更强大的技术支撑。
