濁度測量原理的探討

康 亞，龔麗萍

（1.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；2.重慶市工業(yè)學(xué)校，重慶 400043）

0 引言

水中的泥沙、有機物等懸浮物質(zhì)會造成水的渾濁，濁度是表征水樣渾濁程度的物理指標(biāo)。而水中懸浮物質(zhì)會吸附大量的致害物、致突變物、致畸物甚至致癌物，對人的健康造成極大危害。實驗表明，當(dāng)濁度降到1.5～0.5度時，水中固體懸浮物重量為5mg/10L，固體顆粒直徑為2～5μm，當(dāng)降到0.1度時，絕大部分有機污染物將去除。隨著人們環(huán)保意識提高，水的濁度檢測日益得到重視。

1 濁度標(biāo)準(zhǔn)單位

伴隨不同時期濁度測量方法的發(fā)展，產(chǎn)生了幾種濁度單位，但目前還未實現(xiàn)完全統(tǒng)一。

①JTU

用蜂蠟和鯨腦蠟制成每小時燃燒量7.4～8.2 g的標(biāo)準(zhǔn)燭，在垂直的玻璃管下點燃，注入水樣，直到剛好看不見燭光時的水柱高度為標(biāo)準(zhǔn)燭光單位。

②mg/L

1mg一定粒度的SiO2在1L二次蒸餾的蒸餾水中所產(chǎn)生的濁度為1 度。隨著與國際接軌，這個單位已經(jīng)很少使用。

③ppm

1g精制高嶺土加入1L蒸餾水可制成1000ppm 的標(biāo)準(zhǔn)溶液，稀釋后配制出各種標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液。

④FTU

1L水中含1mg福爾馬肼（Formazin）聚合物時的渾濁程度稱之為1FTU。

⑤FAU

使用分光光度計或色度計與入射光成180°夾角測量入射光穿過樣品后的衰減程度，但多數(shù)管理機構(gòu)并不認(rèn)可這種測量方法。

⑥NTU

散射濁度儀垂直測量散射光時，1L 水中含有1mg 福爾馬肼（Formazin）聚合物，濁度為 1NTU。用于 USEPA的《方法 180.1》和《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢驗法》

⑦FNU

按照ISO7027 國際標(biāo)準(zhǔn)配置的福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)溶液，稱為福爾馬肼散射法濁度單位（FNU）。

目前各國在濁度測量中均采用福爾馬肼（Formazin）聚合物濁度標(biāo)準(zhǔn)單位，濁度單位使用FNU、FTU 和NTU。

2 濁度測量光源

在測量光源的選擇上，USEPA180.1標(biāo)準(zhǔn) 采用峰值波長在400～600nm 的鹵素鎢燈為濁度光源，而ISO7027 標(biāo)準(zhǔn)采用的峰值波長在860nm 左右的紅外LED。由于水中顆粒對光譜的吸收大多在可見光區(qū)，紅外LED在測量有色水樣時準(zhǔn)確性更高。與鹵素鎢燈相比，紅外LED具有更好的發(fā)光穩(wěn)定性并且不需要設(shè)計復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)進行管的校正。但紅外LED發(fā)光強度低，并且光敏晶體管的轉(zhuǎn)換型號微弱，對前置放大電路的穩(wěn)定性、抗干擾能力有較高要求。在進行濁度儀設(shè)計時應(yīng)根據(jù)水樣情況選擇合適光源。

3 濁度測量原理

目前濁度的準(zhǔn)確測量普遍采用儀器分析法，即利用光學(xué)透射或散射原理，將透射或散射光信號通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，進而轉(zhuǎn)換為濁度值。根據(jù)測量原理的不同，濁度測量分為透射法、散射法、散射光和透射光比值法。

3.1 透射法

透射是入射光經(jīng)過折射穿過物體后的出射現(xiàn)象。在水樣檢測中，水中懸浮物質(zhì)越多，透射光強度越低。透射法測量濁度是通過測量透射光強度，獲取濁度值。透射法原理如圖1所示。

圖1 透射法測量原理

根據(jù)比爾-朗伯定律，透射光強度隨濁度的變化遵從式2.1：

式中：IT為透射光強，IO為入射光強，ε為由懸浮微粒的形狀、入射光波長等因素所決定的常數(shù)，T為濁度，L為透射光程。

當(dāng)光-電轉(zhuǎn)換滿足線性條件時，IT對應(yīng)的電信號如式（2）：

式中A為電路參數(shù)決定的常數(shù)。

式（2）表明，光電轉(zhuǎn)換結(jié)果與濁度呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系。

以透射式濁度儀測試不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，測得S-T曲線如圖2：

圖2 透射法S-T關(guān)系曲線

由圖可見，在整個濁度測量范圍內(nèi)，S與T之間保持單調(diào)衰減關(guān)系【4】。

3.2 散射法

物質(zhì)中存在的不均勻團塊使進入物質(zhì)的光偏離入射方向而向四面八方散開，這種現(xiàn)象稱為光的散射。水樣中的懸浮物質(zhì)越多。散射法測量濁度是通過測量散射光強獲取濁度值。

當(dāng)水樣中懸浮顆粒直徑遠小于入射光波長時，散射光強度服從瑞利（Rayleigh）定律：

式中：IS為散射光強度，B為與入射光波長、微粒和水的折射率、散射光與入射光的夾角等有關(guān)的比例系數(shù)，N為單位體積水中的微粒數(shù)，Io為入射光強度

當(dāng)水中顆粒的直徑與入射光波長相當(dāng)時，散射光強度服從米氏（Mie）定理，與入射光的強度、微粒子的截光面積和粒子的個數(shù)濃度成正比，如式（4）：

式中，KM為米氏系數(shù)，σ為微粒截光面積，N為單位體積微粒子個數(shù)。

在飲用水質(zhì)檢測中，水樣顆粒粒度大多在0.1μm～20μm之間，散射光強度服從瑞利定律和米氏定律。當(dāng)水樣中微粒均勻分布，微粒的總數(shù)N與濁度成正比，即IS與濁度成正比。

以散射式濁度儀測試不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，測得S-T曲線如圖3：

圖3 透射法S-T關(guān)系曲線

從實驗曲線可以表明，儀器只能測量T0由儀器幾何參數(shù)及懸浮顆粒決定）以下的濁度；當(dāng)濁度超過T0后，S不再是T的單值函數(shù)，儀器將無法準(zhǔn)確判別濁度。

散射法測量濁度根據(jù)入射光與散射光角度的不同有前向散射、垂直散射、后向散射。如圖4所示為垂直散射。

圖4 散射法測量原理

表面散射法是散射法的特殊應(yīng)用，光源與探測器不與水樣直接接觸，只檢測水樣表面的散射光。

垂直散射法在散射濁度儀應(yīng)用較多；前向散射法由于接收面積小，測量形式接近于點測量，通常用于抽取式測量；后向散射中入射光與散射光夾角可在90°～270°之間變化，測量面積大。在進行水體泥沙含量測量時，由于泥沙流動性小，在流體中的分布不均勻，通常采用后向散射法增加測量體積，使測量具有代表性。

與前向散射、垂直散射與后向散射相比，表面散射法的入射光在水樣中的光程少，受色度影響小。由于表面散射濁度測量是一種非接觸測量，避免了探測器由于接收窗口受污垢干擾造成的測量誤差，較好解決了由于濁度儀自動清洗技術(shù)不過關(guān)造成的測量穩(wěn)定性差，使用壽命短等問題。

3.3 散射光和透射光比值法

入射光通過水樣，既有透射也有散射。比值法測量原理是通過測量散射光與透射光強度之比獲取水樣濁度值。

式（3）（4）描述了散射光與入射光的函數(shù)關(guān)系。而在實際測量中，散射光到達光電探測器前同樣會因為穿透一定距離的待測濁度液而發(fā)生衰減。根據(jù)比爾 - 朗伯定律，綜合式（1）、（3）、（4）可得散射光強與入射光強的關(guān)系，見式（5）。采用線性光電元件轉(zhuǎn)換得到的電信號見式（6）。

式中：Is為散射光強，KS為比例系數(shù)，IO為入射光強 T為濁度，l為散射光程

式中：SS為散射光對應(yīng)的電信號，C為與電路參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

在濁度儀的測量池設(shè)計時，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使L與 l基本相同，所以由式（2）與式（6）可近似得出式（7）：

式中：D為常數(shù)。

圖5 比值法測量原理

由式（7）可知，測量散射光與透射光強度之比可獲取水樣濁度值，比值越大，濁度越大。在探測器電路設(shè)計時，通過散射和透射探測器及傳輸通道元件參數(shù)的合理匹配，可以將光源強度變化、背景光干擾、電路參數(shù)變化、水樣色度等對測量值所造成的干擾消除掉。因而，比值法表現(xiàn)出比透射法、散射法更好的整體性能。比值法測量濁度原理圖見圖5：

4 結(jié)論

透射法測量信號與濁度呈對數(shù)關(guān)系，但在整個測量范圍都是單值函數(shù)，濁度測量范圍大，適用于低濁度到高濁度測量；散射法測量信號與濁度在低濁度測量中線性度好。

使用透射法和散射法測量濁度，光源和電路參數(shù)的變化將引起測量結(jié)果的變化。從式（1）和（3）可知，在低濁度測量中，透射式濁度儀受到的影響遠遠高于散射式濁度儀。

采用散射光與透射光比值法，將消掉光源、電路參數(shù)、色度對測量結(jié)果的影響，測量精度更高。

在進行濁度測量時，應(yīng)該根據(jù)水樣顆粒特點、測量范圍、精度等需求合理選擇測量方法。

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