[浊度仪]水质浊度检测分析仪表大比选!

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2018-12-20

  详细探讨了目前水质浊度指标检测过程中,在线式、手持式、台式浊度仪采用的透射法、散射法、散射透射比法测量浊度的基本原理,并一一给出了各种测量方法的优点和缺点。

  从浊度仪的测量原理、光源选择、结构设计上分析该浊度仪的优缺点和适用场合,为浊度仪的选型提供理论参考。

  引言

  混浊度是水中不同大小、形状、比重的悬浮物、胶体物质和微生物杂质等颗粒对光所产生的效应的表达语。水的混浊度不仅与水中悬浮物质颗粒的含量多少有关,还与它们的大小、形状和折射系数等性质有关。水中的悬浮物质是由泥沙、微细的有机物、粘土和无机物、可溶的有色的有机化合物以及微小浮游生物和其它微生物等所组成。这些悬浮物质为细菌和病毒的吸附提供了温床,所以浑浊度越高则有毒物质就会多,那么降低浑浊度就明显有利于水的消毒。随着人们生活水平的提高,对水质的要求也日益提高;最新国标GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》修改并提高了浑浊度出水标准,规定了管网末梢水的浊度必须小于1NTU,有的自来水生产企业要求出厂水小于0.1NTU。浊度的测量对保证供水质量提供了有力的数据参考,为提高人民健康水平和生活质量具有重要积极意义。

  浊度是一种感官指标,是通过水中物质对光的作用而体现出来的,浊度测量属于定性测量。浊度测量在低浊度区间具有非常好的线性性能,通过使用具有数值追溯性的标准化的方法和样品对浊度值进行比对,混浊度的测量就完全可以变成定量的测量。目前混浊度的准确测量值的获得普遍是采用仪器分析,也就是利用光学透射或者散射原理,将透射光或散射光信号通过光电探测器进行光电转换将光信号变成电信号,进而通过定标计算转换为浊度值。一般根据测量原理的不同,将这些仪器分析方法分为透射法、散射法和透射散射比法。如何在这些测量方法中找到一种适合自身生产实际的方法,需要我们去深入的了解这些测量方法的原理,继而从原理出发得到这些测量方法的适用场合和测量限制。本文在介绍上述测量方法的原理后列出目前市场上使用这些原理设计的优秀仪表,并对各仪表的性能与适用场合做了对比,便于用户根据自身生产实际进行仪表选型。

  1 浊度测量方法

  1.1 透射法

  用透射法来测量浊度是基于比尔朗伯定律这一基本原理。光透过透明介质时被吸收的比例与入射光的强度无关;在光线传播光程上每个等厚层介质吸收的光是相同比例值的。比尔朗伯定律数学表达式如下:

  (1)

  式中A为吸光度;T为透射比,是用透射光光强的光电流值It比上入射光光强的光电流值I0;k被定义为摩尔吸收系数,它是个与吸收物质性质和入射光波长有关的常数;c是液体中吸光物质浓度;l是吸收层的厚度。透射法测量浊度模型如下图:

  图1 透射式测量浊度模型

  从式(1)中可明显看出浊度与吸光度成线性关系的。基于该原理设计的仪表,一般先用零浊度水校准获得入射光I0对应的光电信号并记录到仪表中,测量试样时通过测量透射光It对应的光电信号强度St来计算出浊度值,由(1)推导出透射光强度表示为:

  (2)

  式中a为仪表结构等因素决定的系数,通过定标获得。

  基于透射法原理设计的浊度测量仪表具有测量范围宽,操作简便等优点。但是由于测量原理的限制,超低浊度水对光的吸收非常小,仪表几乎分辨不出来,而且测量过程中受光源抖动或衰减、试样色度等因素影响较大,一般应用在测量高浊水和对浊度测量精度要求不高的场合。日本OPTEX M500型手持式浊度仪便是采用该测量原理设计的仪表,它采用近红外光作为测量光源,可以非常有效的减小因为被测试样色度对浊度测量带来的影响。

  1.2 散射法

  介绍散射法测量方法之前我们来了解一下溶液中颗粒物产生的散射光的性质,散射光的方向和光强大小取决于溶液中颗粒物的大小、颜色、形状、折射系数以及浓度;入射光的波长也是影响散射光的强度的因素。

  图2 不同粒径颗粒对入射光影响的显微照

  图二是不同粒径颗粒物质对入射光反射、散射等作用的显微镜下的照片,从照片中可以看出不同粒径大小的颗粒物对光线的散射效果是不同的,但是只有与入射光中心线成90度方向上的散射光强度对于不同粒径的颗粒物效果是相同的。选择90度散射法测量浊度可以最大限度的降低对颗粒大小的敏感度。

  经过前人的大量研究发现,当水样中的悬浮颗粒物的直径远远小于入射光的波长时,散射光强度是服从瑞利散射定律的:

  (3)

  公式中:IS为散射光光强的光电流值,B为与入射光波长、悬浮颗粒物和水的折射率、散射光与入射光的夹角等有关的比例系数,N为单位体积水中的悬浮颗粒物的颗粒数,I0为入射光光强的光电流值。

  当水样中悬浮颗粒物的直径与入射光波长相当或大于入射光波长时,散射光强度是服从米氏散射定律的,与入射光的强度、悬浮颗粒物粒子的截光面积和粒子的个数成正比:

  (4)

  公式中:IS为散射光光强的光电流值,KM为米氏系数,为微粒横截面积,N为单位体积水中的微粒数,I0为入射光光强的光电流值。

  在饮用水水质检测中,水样的颗粒粒度大多在 0.1μm ~ 20μm之间,散射光强度一般服从瑞利散射定律和米氏散射定律。当水样中的微粒是均匀分布时,微粒的总数N与浊度成正比,即 IS 与浊度是成正比的。

  采用90度散射法测量浊度,被国际组织认可并据此制定了浊度测量标准,一个是美国环保协会颁布的USEPA180.1浊度测量标准;另一个是国际标准化组织(ISO)颁布的ISO7027浊度测量标准,而90度散射法又根据传感器结构不同分为浸入式水下散射法和非接触式表面散射法。

  1.2.1 浸入式水下散射法

  浸入式水下散射式浊度测量仪的光学结构如图3所示,来自光源的光线经透镜和光栏等光学元器件准直后得到高质量的平行光束垂直水面入射到测量池中,测量池中溶液对平行光束发生散射,在水下与入射光束垂直的方向上光电探测器接收到90度散射光,散射光光强的大小与水的浊度值成正比。

  图3 水下散射式浊度测量仪的光学原理

  采用浸入式水下散射法设计的浊度仪具有测量精度高、线性度好、稳定性好等优点,但由于测量光路上入射光在被溶液中颗粒散射之前和之后均需要在溶液中传播才能到达水下探测器,光会在传播光程中被溶液吸收一部分,会导致测量值偏低。基于该测量原理设计的浊度仪只适用于低、超低浊度水的测量,线性范围一般在0NTU~30NTU。

  这种浸入式水下散射法测量浊度,可以做到超低量程时的精准测量,一般精度在0.1NTU,有的厂家甚至可以做到0.001NTU的测量精度。一般应用到管网末梢水、自来水厂出厂水等对测量精度要求较高的场合。采用测量原理和结构设计的浊度仪有美国哈希的1720E低量程浊度仪、FT660sc超低量程浊度仪、苏州奥特福的TM-6S型浊度仪;1720E的浊度测量范围为0-100NTU,采用钨灯作为测量光源,测量浊度时容易受到水样色度的影响,所以无法测量带色液体的浊度;一般自来水厂水处理过程中经砂滤池过滤后的水样均不带有颜色,所以该仪表在我国的自来水厂的普及率很高,但不推荐应用在砂滤池之前的浊度检测。FT660sc的浊度测量范围为0-5NTU,采用660nm激光作为测量光源,有效的提高了超低量程浊度测量的精度,可用于测量除660nm附近波长颜色外的带色液体和无色液体的浊度。TM-6S浊度仪采用大功率的880nm波长LED作为光源,并采用光源调制技术和双光路测量技术能有效去除水样色度、杂散光、光源抖动对浊度测量的影响;测量范围为0-100NTU并可实现低量程0-100NTU和超低量程0-1NTU两种测量范围的自动切换,从而适用于自来水厂水处理各个环节的浊度检测,而且不同检测点浊度仪可以相互替代使用,便于自来水公司仪表的应急管理。

  1.2.2 非接触式表面散射法

  非接触式表面散射式浊度测量仪的光学结构如图4所示,来自光源的光线经透镜和光栏等光学元器件准直后得到高质量的平行光束以小角度入射到液体表面,表层液体中颗粒对入射光发生散射,在与入射平行光束成90度方向上光电探测器接收到90度散射光,这个散射光强度与水的浊度值成正比。

  图4 表面散射式浊度测量仪的光学原理

  采用非接触式表面散射法设计的浊度仪具有测量精度高、线性度好、稳定性好、线性范围宽等特点。因为测量探头不接触水,不易被试样污染,所有无需定期清洗探头,仪表维护成本低,也是浊度仪的未来发展方向。

  采用该方法和结构设计的浊度仪有美国哈希的SS7高量程浊度仪、苏州奥特福的TM-7宽量程浊度仪。SS7的浊度测量范围为0-10000NTU,采用钨灯作为测量光源,测量易受水样色度、杂散光的影响。TM-7的浊度测量范围为0-10000NTU,测量范围在0-10NTU、0-1000 NTU、0-10000 NTU自动切换,且0-10NTU的测量精度可以达到0.01NTU,所以该仪表可以安装在自来水厂水处理的各个环节;TM-7采用大功率的880nm波长LED作为测量光源,并采用光源调制技术和双光路测量技术能有效去除水样色度、杂散光、光源抖动对浊度测量的影响。

  1.3 透射散射比法

  如图5所示,经准直好的高质量平行光束垂直入射到测量池中,结合(1)式和(3)式可得与入射平行光束成90度方向上的光探测器接收到的光强为:

  (5)

  公式中:IS为散射光光强的光电流值,B为与入射光波长、微粒和水的折射率、散射光与入射光的夹角等有关的比例系数,N为单位体积水中的微粒数,I0为入射光光强的光电流值,k为摩尔吸收系数;它与吸收物质的性质及入射光的波长有关;c为吸光物质的浓度;l散为散射光光程。

  由(1)式可知透射光探测器接收到的光强为:

  (6)

  式中:IT为透射光强度,l透为透射光光程。

  透射散射比法测量浊度就是将上述两个探测器同一时刻接收到的光强值做比值运算,仪表设计时控制散射光和透射光光程相等,可得:

  (7)

  同理结合(1)(4)式经上述计算可得:

  (8)

  从(7)(8)式中看到,最终计算结果在控制好散射光和透射光光程相等的情况下是与入射光光强I0和光程l是无关的。即这种测量原理可以有效的去除光源抖动、液体本身对光的吸收作用带来的误差,从而提高测量的精确度、稳定性,拓宽浸入式水下散射法的线性范围。

  图5 透射散射比较法测浊度示意图

  采用该测量方法设计的浊度仪一般为台式和手持式浊度仪,如美国哈希的TL2310ISO、上海雷磁WZS-186等。因为该方法要控制散射光和透射光的光程完全相等,所以较难实现在线式仪表设计。

  2 总结

  上文详细描述了透射法、散射法(浸入式水下散射法、非接触式表面散射法)、散射透射比法测量浊度的基本原理,并总结了它们的优缺点和适用场合。表1将这些测量方法的优缺点和应用场合做了总结:

  表1 浊度测量方法对比

  从上表可看出上述测量方法均易受光源抖动和色度的影响,现今国际上流行的两个标准USEPA180.1和ISO7027规定了浊度测量标准方法,并指定了浊度测量是使用的光源波长。ISO7027标准指定的860nm红外光源可以消除色度的影响,而USEPA180.1指定的光源为中心波长在400-600nm的钨灯,因为低浊度水中颗粒对该段波长的散射更强,相比IS07027测量低浊度水时的灵敏度更高,但是易受色度的影响而无法测量饮料等带色液体的浊度。所以仪表选型时查看仪表使用标准方法或光源是至关重要的。

  而光源抖动的影响多数仪表厂商除定期维护光源和定期校零外并未作出任何其他措施进行改善。苏州奥特福环境科技有限公司针对光源抖动给浊度测量带来的影响,设计了双光路监测系统,如图6所示,它通过一块半反半透镜将发射光束分为两束按固定比率分配的参考光和测量光。参考光束直接进入参考光探测器,测量光束经过水样的散射进入散射光探测器;这两个探测器输出信号做对比测量,可以有效的去除光源抖动和衰减带来的影响,从而使仪表光源实现免维护,提高仪表长期运行的准确性和稳定性,也降低校准和维护频率。该结构应用到基于浸入式水下散射法设计的TM-6S超低量程浊度仪和基于非接触式表面散射法设计的TM-7宽量程浊度仪中,有效的去除光源抖动对浊度测量带来的影响。并且选用大功率860nm红外LED作为测量光源,从而去除色度对测量的影响并有效提高超低浊度水测量的分辨率。

  图6 散射光参考光比值法测浊度示意图

  表2总结了目前国内外仪表供应商设计制造的浊度测量仪表的测量原理、适用场合等特点,便于仪表用户针对自身使用环境进行仪器的选型工作。

  表2 浊度仪性能对比

  从表2我们看到,以860nm波长LED为测量光源的测量过程中不会受到水样色度的影响,可以测量饮料、石油等带色液体的浊度;采用比值法原理设计的浊度仪测量过程中不会受到光源抖动的影响,仪表可以长期稳定运行。

  饮用水处理过程中,浊度仪的仪表选型工作至关重要,我们需要了解各种测量仪表的测量原理和使用光源,然后从该测量原理出发分析该仪表的优缺点和适用场合,进而合理的选择合适的种类与规格的浊度仪,从而保证浊度测量的准确性和稳定性,对水处理效果做到有力监督,为居民生活用水的健康安全提供保障。

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