散射式濁度儀

濁度，即水的混濁程度，由水中含有微量不溶性懸浮物質，膠體物質所致，ISO標準所用的測量單位為FTU（濁度單位），FTU或NTU（濁度測定單位）一致。制酒行業用EBC單位，4FTU=1EBC。

基本介紹

• 中文名：散射式濁度儀
• 測量範圍：0.00-200 NTU
• 解析度：0.01 NTU
• 準確度：±5% F.S

濁度介紹

濁度，即水的混濁程度，由水中含有微量不溶性懸浮物質，膠體物質所致，ISO標準所用的測量單位為FTU（濁度單位），FTU或NTU（濁度測定單位）一致。制酒行業用EBC單位，4FTU=1EBC。

用途

可供水廠、電廠、食品加工業、製藥工業實驗室對水樣渾濁度的測定，還可用於監測天然水，工業廢水和污水濁度測定。

主要精度指標

工作環境溫度 0-35 ℃

電源電壓220±20V,50HZ

外形尺寸300×220×110mm

重量40kg

儀器工作原量

用一束紅光雷射穿過含有待測樣品的樣品池,光源為高發射強度紅外LED,一個檢測器接收散射光光量,另一個檢測器接收直透光光量.再同時進入比較電路,經電路處理將比較數值轉換成NTU值.

儀器主要特點

採用LED雷射紅外光源,壽命長,發射穩定,690mm波長保證了低濁度測定的最高靈敏度.

測量值不受液體色澤影響.

NTU濁度值直接在LED屏上顯示,無需計算.

低濁度,高濁度測量自動選擇量程.

改進和套用

常見的濁度儀均為光電式，主要有透射光式、散射光式、表面散射光式和積分球（散射+透射）式等。採用波長860mm的雷射光源的透射光式濁度儀，入射光不會被水體所吸收，能避免色度干擾；濁度用透射光與入射光比值的負對數表示，因透射光相對於入射光的變化量較小，低濁度的場合一般不適用。積分球（散射+透射）式濁度儀，同時測定散射光和透射光，濁度用散射光與透射光（或散射光+透射光）的比值表示，具有較高的靈敏度，但儀器複雜，價格偏貴。目前，低濁度值的測量一般採用散射光式濁度儀[1-3]。

本文介紹該儀器的部分實驗研究和運用的結果。

測試原理

式中：Ir－散射光強度；

I0－人射光強度；

n1，n2－分別為微粒和水的折射率；

λ－人射光的波長；

υ－單個微粒的體積；

N－單位體積水中的微粒數；

θ－散射光與人射光的夾角；

r－微粒到散射光強測試點的距離。

根據（1）式，單位體積水的散射光強度與入射光的強度。微粒子半徑的6次方及微粒的個數成正比，與如入射光波長的4次方成反比。散射式濁度儀的檢測角θ一般採用90°，微粒到散射光強測試點的平均距離r、折射率n1、n2視作不變，λ和υ當作常數，則（1）式可以簡化為：

Ir=KNI0　（2）

式中K為比例係數。當水中懸浮顆粒的半徑大於等於光波長時，由粒子表面的反射及粒子內部的折射都會使光線改變方向，此時90°方向上測得的光強度服從米氏（Mie）定理，與入射光的強度、微粒子的截光面積A和粒子的個數濃度N成正比，可以簡化為（3）式：

Ir=K’ANI0　（3）

式中K’為比例係數。實際上，濁度儀90°方向上測得的是不同大小的顆粒對入射光的散射、折射、反射和吸收等綜合作用的結果，入射光的波長、粒子色和水色會影響讀數，使儀器對高濁度的水不適用，但在0－100NTU範圍內可以得到理想的線性結果。

2 散射式濁度儀的改進

2.1 光源

由（1）～（3）式可知，只有保證入射光的強度I0不變，才能使散射光的強度與水中濁度物質的數量線性相關。

此系列濁度儀採用了獨特的電子發光組件作為光源，僅發出恆定波長的單色紅光，譜頻寬度較窄，發光強度穩定，入射光不被水中色度物質吸收，可以避免色度對測量的影響。發光組件電耗極少，長期使用不過熱，儀器可以連續使用，不需要經常調整零點和重新用標準液標定。而且，光源的價格低廉，工作壽命達到十幾萬小時以上，一般不須更換。同時，XZ系列濁度儀配備有獨特的閉環恆光源控制電路，在使用過程中監測發光強度，當發光強度過高時，通過積分放大式電路自動減小光源的輸入電流，降低發光強度，反之亦然，從而保證入射光的強度I0恆定不變。

2.2 水樣槽

以往濁度儀的水樣槽常常被做成圓桶形，可以自由旋轉，靠對齊槽邊的記號定位。實踐表明，稍微轉動水槽也可能引起讀數變動，因為相對改變了檢測的θ角。對此，XZ系列濁度儀採用長方形玻璃水樣槽，槽體材質均勻，重複裝樣讀數基本不變。

3 測試實驗

散射式濁度儀標定採用的是由福爾馬肼（folmazin）（硫酸肼、六次甲基四胺）配置的標準液。為了檢驗以福爾馬肼標準液標定的XZ-1型濁度儀得到的濁度值能否反映出水中懸浮顆粒的數量或質量，採用高嶺土配製成不同重量濃度的水樣進行檢測實驗；同時還添加腐殖酸增加水樣的色度，觀察色度對濁度檢測的影響。

測試實驗用水用自來水、高嶺土和腐殖酸配製。高嶺土採用化學純試劑，腐殖酸採用生化試劑。水樣每份200mL，定量加入高嶺上並充分攪拌均勻後，用XZ-1型濁度儀器檢測濁度。考慮儘量接近實際情況，高嶺土未經研磨等處理，在檢測過程中較大顆粒的沉降影響讀數穩定，為此採用了定時讀數的方法。腐殖酸先溶解於鹼溶液中，然後再等量加入每份水樣中，未加高嶺土的對照水樣的色度為49度。檢測的結果如圖2所示。

由圖2可見，在0～100NTU的範圍內，測得的濁度值隨著添加高嶺土的量的增加而線性增加。添加腐殖酸增加水樣的色度，對濁度的測試結果基本沒有影響。4 散射式濁度儀器的套用

近年來，對給水濁度嚴格要求的結果，促進對過濾器工作過程的研究不斷深入，圖3為快濾池反衝洗後出水濁度隨時間變化的例子。圖中曲線顯示，如果濁度標準定在2NTU以上，經過反衝洗後即可進入有效過濾工作期；但如果降低濁度標準值，則必須經過一個成熟期，出水濁度才能達到要求，為此不得不放棄一部分初始過濾出水。成熟期從開始到時間點t1為止，曲線開始很快上升，期間出現兩個峰值，第二個峰較高，隨後逐漸下降。第一個峰與濾料層中的剩餘反衝洗水流出有關，第二個峰反映的是新水進入後，濾料層形成穩定過濾條件的過程。　經過t1時間點後，一段時間內濁度先在一個穩定值附近波動，然後緩慢上升；超過t2時間點後，濁度開始迅速上升，這表明應該對濾池實行新一輪的反衝洗。t1至t2的時間為有效過濾工作期，正確找到臨界時間點，對提高出水的水質和水量非常重要。採用XZ-1型濁度儀，以每分鐘一次以上的頻率監測出水濁度，才能繪製出成熟期的濁度變化曲線。為了保證淨水效率，希望儘量減少初期棄水量，而有資料表明，造成隱孢子蟲流行的原因，往往與濾池反衝洗後的棄水量不夠有關。

各類濁度儀的敏感度

由圖4可見，對半徑小於1μm的顆粒，散射式濁度儀的敏感度最高；積分球式的敏感度在小粒徑的範圍迅速下降，對半徑0.5μm的顆粒幾乎已經無效。對較大的顆粒，散射型的敏感度變化比較小，這意味著濁度與顆粒的總截光面積成正比，即測定值的線性程度較高。1993年國內52家自來水公司用透射式濁度儀、分光光度計和散射光式濁度儀器檢測濁度為4.9NTU的同一水樣，結果發現散射光濁度儀的準確度、精度、重現性和重複性都是最好的。

6 結論

本文探討了散射式濁度儀的測試機理和改進方法。實驗和套用的結果表明，採用新型的紅色單色電子光源和配備獨特的發光強度穩定電路後，XZ系列散射式濁度儀具有低濁度範圍靈敏度高，0～100NTU線性好，不需要經常調整零點和用標準液標定，光源壽命長，耗電量少，抗色度干擾能力強等特點；適用於水廠提高濾池效果和監測出水水質。