Danas je nabavljen oksimetar (uređaj za mjerenje količine otopljenog kisika u vodi) model 54ARC, proizvod američke tvrtke YSI (Yellow Springs Instrument). Prvi oksimetar model 54 tvrtka YSI proizvela je sredinom 1960-tih godina, a naš model 54ARC nalazimo navedenog u kemijsko-biološkim mjerenjima koja datiraju najranije iz 1975 godine. Mjerenjem kisika u vodi utvrđuje se kvaliteta vode za disanje životinja (akvariji, ribnjaci, prirodna staništa) i razvoj korisnih bakterija (bakterije za razgradnju u otpadnim vodama).
Američka tvrtka YSI osnovana je 1948. godine te je i danas aktivna na tržištu. Prvi proizvodi tvrtke datiraju iz početka 1950-tih godina, a radilo se o kvarcnoj elektroničkoj štoperici razvijenoj za potrebe američkog ratnog zrakoplovstva te o elektroničkom medicinskom toplomjeru. Kroz naredna razdoblja YSI konstantno težišno radi na usavršavanju temperaturnih sondi i senzora (termistora) te senzora za mjerenje koncentracije otopljenog kisika u tekućinama, odnosno na konstrukciji mjernih instrumenata temeljenih na tim senzorima za potrebe medicine, biologije i zaštite okoliša. Danas tvrtka YSI nudi širok spektar različitih elektrokemijskih analizatora te pripadajućih sondi i druge opreme.
Oksimetar YSI 54ARC je uređaj mjerenje količine otopljenog kisika u vodi te je prikladan za upotrebu i u laboratorijskim i u terenskim uvjetima. Mjerna područja su mu od 0-10 i od 0-20 ppm (ili mg/L) uz točnost mjerenja od ±1% na puni otklon skale (±0,1 ppm). Od drugih podataka koji se inače navode za oksimetre izdvojiti ćemo da je najbrže vrijeme odziva (mjerenja) oko 10 sekundi na konstantnoj temperaturi od 30°C, no to vrijeme se produžava pri radu na nižim temperaturama i sa manje osjetljivim sondama, pa može iznositi i do dvije minute. Temperatura se može mjeriti u rasponu od -5 do +45°C (točnost ± 0,7°C) i to je otprilike i temperaturni raspon rada oksimetra (pri upotrebi oksimetra izvan tih vrijednosti točnost mjerenja opada).
Oksimetar YSI 54ARC napaja se preko četiri punjive Ni-Cd baterije koje su ugrađene u kućište uređaja, a moguće je i napajanje (te punjenje baterija) mrežnim naponom 230 V.
Sonda koja dolazi uz naš instrument je DO tipa i ima oznaku YSI 5739. DO (engl. Dissolved Oxygen – otopljeni kisik) tip sonde služi za određivanje količine otopljenog kisika u vodi, a za oksimetar YSI 54ARC razvijena su još dva tipa BOD sonde (engl. Biochemical Oxygen Demand – biokemijska potrošnja kisika) koje služe za mjerenje brzine unošenja kisika u uzorak vode pomoću mikroorganizama. DO sonda YSI 5739 ima polarografski senzor baziran na Clark metodi. Sonda je u principu elektrokemijska ćelija koja se sastoji od dviju elektroda (katoda od zlata i anoda od srebra), a elektrolit je poluzasićena otopina KCl. Ova ćelija odvojena je od vanjskog okoliša vrlo tankom membranom (0,025 mm) od FEP teflona (Fluorirani Etilen Propilen) koja je propusna za kisik i ostale plinove. Na elektrode se dovodi vanjski napon (polarizacijski napon od 0,8 V). Kisik propušten kroz membranu reagira sa katodom te kroz elektrokemijsku ćeliju poteče električna struja koja je proporcionalna koncentraciji propuštenog kisika i za našu sondu ne prelazi 19 µA. Količina kisika koji će proći kroz membranu jako ovisi o vanjskom tlaku i temperaturi (veći tlak i temperatura – veća količina kisika) te je kod mjerenja potrebno uračunati kompenzacije ove dvije vrijednosti. Ove dvije vrijednosti posebno su promjenjive s promjenom dubine na koju sondu uranjamo kod mjerenja na vodama u terenskim uvjetima (za što je primarno i namijenjen oksimetar YSI 54ARC ) pa su u svrhu kompenzacije u našu sondu je ugrađeni temperaturni senzor (termistor) i posebni kompenzacijski sistem tlaka koji je učinkovit do cca 70 metara dubine vode.
Gore vidimo opisanu sondu rastavljenu. Kabao je za sondu spojen preko posebnog konektora, a konektori su zatvoreni u vodonepropusno tijelo sonde. Na bočnoj strani sonde uočava se gumena dijafragma u sistemu automatske kompenzacije promjene tlaka. Na vrhu sonde nalazi se elektrokemijska ćelija sa termistorom kao senzorom temperature. Preko ćelije je navučena za plinove propusna membrana i vodonepropusno osigurana gumenim prstenom (na slici se vidi skinuta sa vrha ćelije, izgleda kao komadić tankog prozirnog najlona).
Na ćeliji se lijepo uočavaju zlatna i srebrna elektroda. Ćelija se s vrha puni vodenom otopinom kalijevog klorida (KCl) koja služi kao elektrolit. Ćelija je unutar sonde cjevčicom povezana sa komorom za izjednačavanje tlaka, pa je važno da se i elektrokemijska ćelija i komora za tlak sasvim ispune elektrolitom tako da nigdje u sistemu ne zaostanu zračni džepovi (to se postiže pumpanjem gumene dijafragme komore za tlak dok se sa gornje strane ulijeva elektrolitska otopina sve dok ne prestanu izlaziti mjehurići zraka). Kada se ćelija napuni do vrha poklapa se za plinove propusnom membranom koja se jednostavno rukom oblikuje oko vrha ćelije i pričvrsti gumenim prstenom (poput zatvaranja staklenki za zimnicu :-). Time je sonda spremna za kalibraciju.
Kompenzacija tlaka i temperature je dakle veoma važna za točno mjerenje otopljenog kisika u vodi pa se na kućištima našeg oksimetara nalaze kalibracijske tablice za ove dvije veličine te opis kompletnog postupka kalibracije, mjerenja i računanja konačnog rezultata.
Za našu struku je pak najzanimljivija električna shema oksimetra, a ona je principijelno vrlo jednostavna i temelji se na tranzistorskom regulatoru napajanja za polarizaciju sonde, operacijskom pojačalu LM312 i otporničkom mjernom mostu sa indikacijskim instrumentom. U položaju OFF instrument je isključen iz napajanja i ovdje se po potrebi podesi mehanička nula kazaljke indikacijskog instrumenta. Sklopka oksimetra se prvo postavlja u položaju RED LINE gdje se izravno na napajanje priključuje samo mjerni most sa termistorom serijski vezanom mjernom instrumentu. Ovdje se potenciometrom RED LINE vrši kalibracija kazaljke instrumenta na crvenu oznaku skale na 31°C. Sada se u krug spaja sonda sa svojim termistorima (jedan za regulaciju polarizacijskog napona i jedan za mjerenje temperature). Preko termistorski reguliranog kruga sa tranzistorom 2N3392 sonda dobiva polarizacijski napon, te treba pričekati 10-15 minuta da se elektrokemijska ćelija sonde polarizira. Nakon toga sklopka se prebacuje u položaj ZERO gdje se kalibrira pojačanje pojačala. Ulazi pojačala su ovdje spojeni na masu, temperaturni termistor sonde je spojen na masu, te se potenciometrom ZERO podešava pojačanje pojačala tako da kazaljka instrumenta pokazuje nulu. Sada se sklopka prebacuje na TEMP. U tom položaju ulazi pojačala ostaju spojeni na masu, a temperaturni termistor sonde se prespaja u mjerni most za mjerenje temperature. Ovdje se očita temperatura ambijenta sonde. Taj podatak o temperaturi zajedno sa podatkom o atmosferskom tlaku služe za izračun kalibracijskog faktora prema priloženim tablicama. Mjerenje otopljenog kisika vrši se na opsezima 0-10 i 0-20 prije čega se potenciometrom CAL dodaje prethodno izračunat kalibracijski faktor. U ovim položajima ulazi operacijskog pojačala spojeni su u strujni krug sa elektrokemijskom ćelijom i temperaturnim termistorom sonde tako da dobivamo diferencijalno pojačalo sa automatskom kompenzacijom promjene temperature. Operacijsko pojačalo je u spoju koji promjenu struje na ulazu (0-19 µA) pretvara u promjenu napona na izlazu (0-136 mV). Ovakav izlazni napon dolazi na mjerni most za prikaz na ugrađenom indikacijskom instrumentu sa pomičnim svitkom, a također se dovodi i na izlazne priključnice sa bočne strane kućišta gdje onda možemo spojiti neki drugi indikacijski ili registracijski mjerni uređaj.
Za nas koji smo više čisti elektroničari nego elektrokemičari ovakav instrument predstavlja samo još jedan precizni elektronički mikro-ampermetar. Specifično za oksimetre je potreba za dobrom kontrolom temperature i tlaka oko mjerne sonde tako da kod našeg primjerka mjerni strujni krug uključuje četiri termistora sa zadaćom mjerenja i kompenzacije kasnijih promjena temperature, a tu je i poseban mehanički sustav kompenzacije promjene tlaka izveden na samoj sondi. Sonde za sve elektrokemijske mjerne instrumente (pH metri) obično su vrlo osjetljive i zahtijevaju posebno rukovanje i održavanje. Mi imamo sreće što je originalna sonda uopće i sačuvana uz ovaj sad već zastarjeli instrument no bilo bi pretjerano očekivati da je uz to i ispravna. Membrane su posebno kritičan element ovakvih sondi i normalno se mijenjaju nakon nekoliko tjedana upotrebe. Pri tome se mogu ugraditi više ili manje osjetljive membrane (tanje ili deblje), a svaki puta je potrebno izvršiti kalibraciju sonde u kontroliranim uvjetima unutar kalibracijskih komora. Zamjenom membrane i čišćenjem ćelije sonde od kristaliziranog elektrolita vrlo vjerojatno bi i ovu našu sondu mogli dovesti u uporabno stanje.
Današnji mjerači koncentracije kisika koriste sonde koje rade na potpuno istom principu kao i ova naša (elektrode mogu biti i od drugih kombinacija plemenitih metala, npr. platina – srebro) no oksimetri se mogu bazirati i na sasvim drugom tipu sondi – galvanskim sondama. Galvanske sonde se također sastoje od elektrokemijske ćelije sa dvije elektrode, elektrolitom i membranom propusnom za kisik, no ne trebaju vanjsko napajanje već same proizvode galvanski napon ovisno o količini kisika.
Oksimetar YSI 54ARC poslužio nam je kao odličan primjer za upoznavanje i sa ovakvom vrstom električnih mjernih instrumenata. Do sada smo proučili već nekoliko uređaja i instrumenta iz starih elektrokemijskih laboratorija te ne bi bilo loše za sve njih napraviti posebnu kategoriju u našem virtualnom muzeju. Iako su ovakvi instrumenti za prosječnog elektroničara možda tek djelomično interesantni ne treba zaboraviti da su elektronika i elektrokemija dvije vrlo povezane grane, pa je tako današnja elektrokemija nezamisliva bez elektronike, a isto tako, ni komercijalna elektronika ne bi bila bog zna što da se (ako ništa drugo) uvelike ne oslanja na elektrokemijske izvore napajanja 🙂