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                探討水質濁度儀在檢測中的運用及原理

                2019-10-22 09:05:18點擊:

                 探討水質濁度儀在檢測中的運用及原理

                  詳細探討了目前水質濁度指標檢測過程中,在線式、手持式、臺式濁度儀采用的透射法、散射法、散射透射比法測量濁度的基本原理,并一一給出了各種測量方法的優點和缺點。從濁度儀的測量原理、光源選擇、結構設計上分析該濁度儀的優缺點和適用場合,為濁度儀的選型提供理論參考

                引言
                  混濁度是水中不同大小、形狀、比重的懸浮物、膠體物質和微生物雜質等顆粒對光所產生的效應的表達語。水的混濁度不僅與水中懸浮物質顆粒的含量多少有關,還與它們的大小、形狀和折射系數等性質有關。水中的懸浮物質是由泥沙、微細的有機物、粘土和無機物、可溶的有色的有機化合物以及微小浮游生物和其它微生物等所組成。這些懸浮物質為細菌和病毒的吸附提供了溫床,所以渾濁度越高則有毒物質就會多,那么降低渾濁度就明顯有利于水的消毒。隨著人們生活水平的提高,對水質的要求也日益提高;最新國標GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》修改并提高了渾濁度出水標準,規定了管網末梢水的濁度必須小于1NTU,有的自來水生產企業要求出廠水小于0.1NTU。濁度的測量對保證供水質量提供了有力的數據參考,為提高人民健康水平和生活質量具有重要積極意義。
                   濁度是一種感官指標,是通過水中物質對光的作用而體現出來的,濁度測量屬于定性測量。濁度測量在低濁度區間具有非常好的線性性能,通過使用具有數值追溯性的標準化的方法和樣品對濁度值進行比對,混濁度的測量就完全可以變成定量的測量。目前混濁度的準確測量值的獲得普遍是采用儀器分析,也就是利用光學透射或者散射原理,將透射光或散射光信號通過光電探測器進行光電轉換將光信號變成電信號,進而通過定標計算轉換為濁度值。一般根據測量原理的不同,將這些儀器分析方法分為透射法、散射法和透射散射比法。如何在這些測量方法中找到一種適合自身生產實際的方法,需要我們去深入的了解這些測量方法的原理,繼而從原理出發得到這些測量方法的適用場合和測量限制。本文在介紹上述測量方法的原理后列出目前市場上使用這些原理設計的優秀儀表,并對各儀表的性能與適用場合做了對比,便于用戶根據自身生產實際進行儀表選型
                1 濁度測量方法
                1.1 透射法
                用透射法來測量濁度是基于比爾朗伯定律這一基本原理。光透過透明介質時被吸收的比例與入射光的強度無關;在光線傳播光程上每個等厚層介質吸收的光是相同比例值的。比爾朗伯定律數學表達式如下:
                式中A為吸光度;T為透射比,是用透射光光強的光電流值It比上入射光光強的光電流值I0;k被定義為摩爾吸收系數,它是個與吸收物質性質和入射光波長有關的常數;c是液體中吸光物質濃度;l是吸收層的厚度。透射法測量濁度模型如下圖:
                從式(1)中可明顯看出濁度與吸光度成線性關系的;谠撛碓O計的儀表,一般先用零濁度水校準獲得入射光I0對應的光電信號并記錄到儀表中,測量試樣時通過測量透射光It對應的光電信號強度St來計算出濁度值,由(1)推導出透射光強度表示為:a為儀表結構等因素決定的系數,通過定標獲得。
                基于透射法原理設計的濁度測量儀表具有測量范圍寬,操作簡便等優點。但是由于測量原理的限制,超低濁度水對光的吸收非常小,儀表幾乎分辨不出來,而且測量過程中受光源抖動或衰減、試樣色度等因素影響較大,一般應用在測量高濁水和對濁度測量精度要求不高的場合。日本OPTEX M500型手持式濁度儀便是采用該測量原理設計的儀表,它采用近紅外光作為測量光源,可以非常有效的減小因為被測試樣色度對濁度測量帶來的影響。
                1.2 散射法
                介紹散射法測量方法之前我們來了解一下溶液中顆粒物產生的散射光的性質,散射光的方向和光強大小取決于溶液中顆粒物的大小、顏色、形狀、折射系數以及濃度;入射光的波長也是影響散射光的強度的因素。
                圖二是不同粒徑顆粒物質對入射光反射、散射等作用的顯微鏡下的照片,從照片中可以看出不同粒徑大小的顆粒物對光線的散射效果是不同的,但是只有與入射光中心線成90度方向上的散射光強度對于不同粒徑的顆粒物效果是相同的。選擇90度散射法測量濁度可以最大限度的降低對顆粒大小的敏感度
                經過前人的大量研究發現,當水樣中的懸浮顆粒物的直徑遠遠小于入射光的波長時,散射光強度是服從瑞利散射定律的:
                公式中:IS為散射光光強的光電流值,B為與入射光波長、懸浮顆粒物和水的折射率、散射光與入射光的夾角等有關的比例系數,N為單位體積水中的懸浮顆粒物的顆粒數,I0為入射光光強的光電流值。
                當水樣中懸浮顆粒物的直徑與入射光波長相當或大于入射光波長時,散射光強度是服從米氏散射定律的,與入射光的強度、懸浮顆粒物粒子的截光面積和粒子的個數成正比:
                公式中:IS為散射光光強的光電流值,KM為米氏系數,為微粒橫截面積,N為單位體積水中的微粒數,I0為入射光光強的光電流值。
                在飲用水水質檢測中,水樣的顆粒粒度大多在 0.1μm ~ 20μm之間,散射光強度一般服從瑞利散射定律和米氏散射定律。當水樣中的微粒是均勻分布時,微粒的總數N與濁度成正比,即 IS 與濁度是成正比的。
                采用90度散射法測量濁度,被國際組織認可并據此制定了濁度測量標準,一個是美國環保協會頒布的USEPA180.1濁度測量標準;另一個是國際標準化組織(ISO)頒布的ISO7027濁度測量標準,而90度散射法又根據傳感器結構不同分為浸入式水下散射法和非接觸式表面散射法。
                1.2.1 浸入式水下散射法
                浸入式水下散射式濁度測量儀的光學結構如圖3所示,來自光源的光線經透鏡和光欄等光學元器件準直后得到高質量的平行光束垂直水面入射到測量池中,測量池中溶液對平行光束發生散射,在水下與入射光束垂直的方向上光電探測器接收到90度散射光,散射光光強的大小與水的濁度值成正比。
                采用浸入式水下散射法設計的濁度儀具有測量精度高、線性度好、穩定性好等優點,但由于測量光路上入射光在被溶液中顆粒散射之前和之后均需要在溶液中傳播才能到達水下探測器,光會在傳播光程中被溶液吸收一部分,會導致測量值偏低;谠摐y量原理設計的濁度儀只適用于低、超低濁度水的測量,線性范圍一般在0NTU~30NTU。
                這種浸入式水下散射法測量濁度,可以做到超低量程時的精準測量,一般精度在0.1NTU,有的廠家甚至可以做到0.001NTU的測量精度。一般應用到管網末梢水、自來水廠出廠水等對測量精度要求較高的場合。采用測量原理和結構設計的濁度儀有美國哈希的1720E低量程濁度儀、FT660sc超低量程濁度儀、蘇州奧特福的TM-6S型濁度儀;1720E的濁度測量范圍為0-100NTU,采用鎢燈作為測量光源,測量濁度時容易受到水樣色度的影響,所以無法測量帶色液體的濁度;一般自來水廠水處理過程中經砂濾池過濾后的水樣均不帶有顏色,所以該儀表在我國的自來水廠的普及率很高,但不推薦應用在砂濾池之前的濁度檢測。FT660sc的濁度測量范圍為0-5NTU,采用660nm激光作為測量光源,有效的提高了超低量程濁度測量的精度,可用于測量除660nm附近波長顏色外的帶色液體和無色液體的濁度。TM-6S濁度儀采用大功率的880nm波長LED作為光源,并采用光源調制技術和雙光路測量技術能有效去除水樣色度、雜散光、光源抖動對濁度測量的影響;測量范圍為0-100NTU并可實現低量程0-100NTU和超低量程0-1NTU兩種測量范圍的自動切換,從而適用于自來水廠水處理各個環節的濁度檢測,而且不同檢測點濁度儀可以相互替代使用,便于自來水公司儀表的應急管理。
                1.2.2 非接觸式表面散射法
                非接觸式表面散射式濁度測量儀的光學結構如圖4所示,來自光源的光線經透鏡和光欄等光學元器件準直后得到高質量的平行光束以小角度入射到液體表面,表層液體中顆粒對入射光發生散射,在與入射平行光束成90度方向上光電探測器接收到90度散射光,這個散射光強度與水的濁度值成正比。
                采用非接觸式表面散射法設計的濁度儀具有測量精度高、線性度好、穩定性好、線性范圍寬等特點。因為測量探頭不接觸水,不易被試樣污染,所有無需定期清洗探頭,儀表維護成本低,也是濁度儀的未來發展方向。
                采用該方法和結構設計的濁度儀有美國哈希的SS7高量程濁度儀、蘇州奧特福的TM-7寬量程濁度儀。SS7的濁度測量范圍為0-10000NTU,采用鎢燈作為測量光源,測量易受水樣色度、雜散光的影響。TM-7的濁度測量范圍為0-10000NTU,測量范圍在0-10NTU、0-1000 NTU、0-10000 NTU自動切換,且0-10NTU的測量精度可以達到0.01NTU,所以該儀表可以安裝在自來水廠水處理的各個環節;TM-7采用大功率的880nm波長LED作為測量光源,并采用光源調制技術和雙光路測量技術能有效去除水樣色度、雜散光、光源抖動對濁度測量的影響。
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