透光率/霧度測(cè)定儀原理解析及應(yīng)用

林 艷 周曉峰 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

透光率/霧度測(cè)定儀作為光電霧度儀的升級(jí)、改進(jìn)版，其結(jié)構(gòu)原理、參數(shù)要求和維護(hù)保養(yǎng)還不為大眾熟知。本文對(duì)WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀的原理構(gòu)造進(jìn)行完整分析，提出日常維護(hù)及校準(zhǔn)建議，以便使用者清楚認(rèn)識(shí)儀器、熟練掌握方法，從而使儀器運(yùn)用更規(guī)范，數(shù)據(jù)檢測(cè)更準(zhǔn)確。

WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀現(xiàn)廣泛應(yīng)用于國(guó)防科研及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可用于測(cè)試一切透明、半透明平行平面樣品的透光率、霧度和反射率、液體樣品的濁度和澄明度，在光學(xué)儀器領(lǐng)域起著重要的作用。

1 儀器的常見(jiàn)用途

可用于測(cè)量固體樣品，如農(nóng)用包裝、汽車航天、建筑裝潢、感光膠片、投影銀幕等相關(guān)的透明、半透明介質(zhì)，這些樣品在生活中起著不可替代的作用。使用WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀對(duì)此類樣品進(jìn)行檢測(cè)，可以保證使用過(guò)程中的安全性和實(shí)用性；透光率/霧度測(cè)定儀也可用于液體樣品的濁度測(cè)定：化學(xué)工業(yè)中著色液濁度的測(cè)定，油脂、溶劑濁度的測(cè)定，紡織、熱電、鋼鐵、燈泡、半導(dǎo)體、造紙、合成纖維等工業(yè)用水的檢測(cè)，以及環(huán)保部門污水處理質(zhì)量的檢驗(yàn)，自來(lái)水、汽水、啤酒、糖、味精、調(diào)味品等企業(yè)食用水、飲料質(zhì)量的檢測(cè)；在制藥及臨床應(yīng)用領(lǐng)域，還可測(cè)定結(jié)晶母液中微量固態(tài)、物質(zhì)濃度，細(xì)菌濃度、血液臨床化驗(yàn)、藥物澄明度等。

2 儀器的結(jié)構(gòu)及原理

WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀采用積分球式工作原理。

如圖1所示，光線射到一透明或半透明物體時(shí)，部分產(chǎn)生定向反射，部分產(chǎn)生漫反射，進(jìn)入樣品后部分被吸收，部分被透過(guò)。經(jīng)樣品的出射光中，主透射部分按折射定律前進(jìn)，部分產(chǎn)生半球散射，其前進(jìn)方向是散亂的。

透過(guò)試樣的光通量和射到試樣上的光通量之比（以百分?jǐn)?shù)%表示）稱透光率。透過(guò)試樣面偏離入射光方向的散射光通量與透射光之比（以百分?jǐn)?shù)%表示）稱為霧度。按照GB 2410-2008及ASTM D1003-61（2007），上述透光率是指通過(guò)試樣的半球透光率，即以半球總透射來(lái)考核的透光率（包括主透射和散射），其入射光是垂直于樣品表面的。同樣定義的霧度是指樣品的半球透光霧度，即超過(guò)一定角度的半球散射部分（見(jiàn)圖1）。因此，WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀采用積分球捕捉半球范圍內(nèi)的全部透射光。

理想的入射光應(yīng)是單一方向的入射光，但事實(shí)上很難做到，因此，上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)入射光的方向性、被作為散射光接收的透射光的偏離角都作了嚴(yán)格的規(guī)定，這些規(guī)定通常稱為“幾何條件”。由于樣品本身吸收光譜特性的不同，樣品內(nèi)散射微粒對(duì)不同光譜散射本領(lǐng)的不同，因此儀器對(duì)光源有一定要求。標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定為C光源。同時(shí)對(duì)光接收器的光譜響應(yīng)也做了規(guī)定，被采用的光電元件必須用濾光片校正，使其符合肉眼視覺(jué)靈敏度。這些條件，通常稱為儀器的“光譜條件?！?/p>

圖1

儀器的光學(xué)系統(tǒng)如圖2。

圖2 儀器的光學(xué)系統(tǒng)

由鹵鎢燈1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2會(huì)聚,通過(guò)光欄3,經(jīng)遮光式調(diào)制器4射到物鏡5上,物鏡5射出一束平行光束,其光線偏離角不大于3°，并將光欄3成像在出射窗10上，出射窗對(duì)入射窗口中心的張角為8°，光斑邊緣與出射窗口形成1.3°的環(huán)帶。積分球7內(nèi)裝有一個(gè)可擺動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)反射器9，當(dāng)測(cè)定透光率及總透射光時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)反射器被控在位，擋住出射窗；當(dāng)測(cè)散射光時(shí)，從出窗處讓開(kāi)。

WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀為敞開(kāi)式，如何防止外界對(duì)測(cè)試時(shí)的干擾成了保證儀器能準(zhǔn)確、穩(wěn)定測(cè)量的關(guān)鍵。如圖2中4調(diào)制器就是通過(guò)固定轉(zhuǎn)速的伺服電機(jī)與擋光板使鹵鎢燈發(fā)出的直流光源轉(zhuǎn)換為固定頻率的交流光源，通過(guò)硅光電池接收交流信號(hào)。由于我國(guó)采用頻率為50 Hz的交流供電，通常情況下日常照明的頻閃為50 Hz，因此WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀工作時(shí)只采集通過(guò)調(diào)制器產(chǎn)生的固定頻率的信號(hào)，即可將其他不屬于調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生的頻率信號(hào)濾除，在保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性的同時(shí)也解決了使用暗室的霧度測(cè)定儀對(duì)樣品大小有要求的局限性。

3 透光率/霧度測(cè)定儀與光電霧度計(jì)的區(qū)別

WGT-S透光率霧度測(cè)定儀與一般封閉式光電霧度儀最主要的區(qū)別在于調(diào)制器4，圖2中調(diào)制器由一個(gè)每分鐘3000轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)與一個(gè)8塊擋光板的遮光器組成，其主要作用是將鹵鎢燈1發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成400 Hz的交流光源。此時(shí)光電池8接收到的光信號(hào)如圖3，即不同頻率的光信號(hào)能夠明顯分離。

生活中使用的日光燈的頻閃為50 Hz，敞開(kāi)式的測(cè)量設(shè)備在測(cè)試過(guò)程中，日光燈的光線不可避免地被積分球所接受，同時(shí)也會(huì)被光電池接收，而且不光是日光燈的光線，陽(yáng)光等其他的雜光也會(huì)進(jìn)入積分球內(nèi)，此時(shí)儀器所接受到的光信號(hào)是非常復(fù)雜的。因而關(guān)鍵就是濾波系統(tǒng)對(duì)儀器所收集到的所有光信號(hào)進(jìn)行處理，在如此多的光信號(hào)中儀器所要采集的僅僅是頻率為400 Hz的光信號(hào)，即通過(guò)調(diào)制器的那部分的光信號(hào)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分級(jí)處理就能得到單一波段的光信號(hào)。然而早期的WGT-S透光率霧度測(cè)定儀同樣采用這個(gè)原理對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理，但是效果不如現(xiàn)在。因?yàn)樵缙诘膬x器采用的是每分鐘1500轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)作為調(diào)制器，產(chǎn)生的光信號(hào)的頻率為200 Hz。雖然同樣也只采集200 Hz的光信號(hào)，但是由于200 Hz的光信號(hào)與50 Hz的日光燈信號(hào)之間頻率差距不大，使濾波系統(tǒng)不能最大限度地將雜散光信號(hào)全部濾除，儀器對(duì)自然光以及日光燈的光相當(dāng)敏感，從而產(chǎn)生了方向性（當(dāng)儀器在測(cè)試過(guò)程中測(cè)試環(huán)境發(fā)生一定的變化時(shí)，就要重新對(duì)儀器進(jìn)行校零），給使用帶來(lái)了很大的不便。

圖3 光電池接收到的光信號(hào)

為何不將測(cè)試的光信號(hào)頻率提至600 Hz或者更高呢？首先受到儀器本身的體積限制，當(dāng)擋光板的數(shù)量增加時(shí)，擋光片的直徑也會(huì)隨之增大，不利于使用和放置，所以此方案是不可行的。如果繼續(xù)將調(diào)制電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，則儀器的制造成本會(huì)大幅度地增加，同時(shí)由于轉(zhuǎn)速的加大，儀器所產(chǎn)生的熱量、噪聲也會(huì)相應(yīng)增大。綜合考慮上述因素，采用400 Hz。

WGT-S透光率/霧都測(cè)定儀一般具有以下特點(diǎn)：

1）采用平行照明，半球散射，積分球光電接收方式；

2）采用微機(jī)自動(dòng)操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，準(zhǔn)確度高；無(wú)旋鈕操作，使用方便；

3）自動(dòng)顯示透光率/霧度多次測(cè)量的平均值，透光率最小分辨力為0.1%，霧度最小分辨力為0.01%；

4）無(wú)零點(diǎn)漂移，置信度高；

5）開(kāi)啟式樣品窗幾乎不受樣品尺寸的限制，測(cè)量速度快。采用調(diào)制器改變發(fā)射光源的頻率使儀器不再受環(huán)境光的影響，不必再采用暗室，保證大件樣品的測(cè)量，也保證了大件樣品操作者的安全；

6）備有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)打印輸出接口，可配套程控打印機(jī)；同時(shí)備有薄膜磁性?shī)A具及液體樣品杯，給用戶帶來(lái)極大方便；

7）隨機(jī)附零度片一塊，便于隨時(shí)檢查儀器動(dòng)作功能。

4 常見(jiàn)故障處理方法及儀器維護(hù)

1）儀器應(yīng)置于干燥潔凈的室內(nèi)，尤其應(yīng)注意濕度、煙霧對(duì)霧度的影響，避免陽(yáng)光直射和電磁場(chǎng)干擾。

2）被測(cè)樣品表面應(yīng)保持清潔，必要時(shí)用溶劑或洗滌劑擦清，干透，或用軟筆去灰；隨機(jī)所附霧度片為表面散射處理，易受潮氣、濕度、油污、灰塵等影響，清洗時(shí)用棉花球分別沾蒸餾水、酒精、香蕉水反復(fù)輕擦數(shù)次，數(shù)據(jù)不再變時(shí)，即為清洗完好。

3）儀器主要由微機(jī)系統(tǒng)控制，與電腦系統(tǒng)類似，有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生死機(jī)現(xiàn)象。如屏幕顯示“8888888888”,其故障則為儀器微機(jī)系統(tǒng)出錯(cuò)，一般重按面板上測(cè)試按鈕或關(guān)機(jī)后重新開(kāi)機(jī)即能解決，開(kāi)機(jī)時(shí)建議至少預(yù)熱20min。

4）光源鹵鎢燈不亮，其故障為鹵鎢燈壞，解決方法為更換鹵鎢燈。打開(kāi)后蓋，將鹵鎢燈上的兩個(gè)固定螺釘松開(kāi)，向上拔取舊燈，更換新燈后，緊固螺釘。值得注意的是，新燈取拿應(yīng)用紙包住，或戴上棉紗手套再操作，防止手印沾上。更換鹵鎢燈后必須重新調(diào)整儀器光路，燈絲高度調(diào)節(jié)到積分球入射窗處光斑均勻?yàn)橹?，使鹵鎢燈發(fā)出的光源能有效通過(guò)聚光鏡、光欄、物鏡、積分球、出射窗口、入射窗口。

5）標(biāo)準(zhǔn)反射器不工作，其故障為電路機(jī)械故障，解決方法為先打開(kāi)上蓋，按控制印板上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，若該板上的發(fā)光管不跳動(dòng)，則電路板壞。若發(fā)光管跳動(dòng)，則為機(jī)械傳動(dòng)部分卡住。打開(kāi)接收系統(tǒng)（右側(cè)）的上蓋，對(duì)傳動(dòng)部分進(jìn)行排查。

5 對(duì)JJF 1303-2011的思考

目前，透光率/霧度測(cè)定儀校準(zhǔn)所依據(jù)的規(guī)范是JJF 1303-2011《霧度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”），而在操作過(guò)程中往往遇到一些實(shí)際問(wèn)題亟待解決。

5.1 環(huán)境問(wèn)題

霧度標(biāo)準(zhǔn)片對(duì)于所在環(huán)境十分敏感，特別是環(huán)境濕度對(duì)其有著重要影響。若濕度偏高，標(biāo)準(zhǔn)片表面易起霧（且不可隨意擦拭），從而使度數(shù)偏離正常值，將會(huì)直接導(dǎo)致儀器判定的偏差。規(guī)范中指明的操作環(huán)境相對(duì)濕度不大于80%。如果將霧度片置于接近80%RH濕度的環(huán)境中，其表面即起霧。建議對(duì)操作環(huán)境的濕度一定要嚴(yán)格把關(guān)，在通風(fēng)、干燥的環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)檢測(cè)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確無(wú)誤。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)霧度片誤差問(wèn)題

在規(guī)范中，供參考的標(biāo)準(zhǔn)霧度片相對(duì)示值誤差要求在±5%以內(nèi)，平時(shí)工作中使用的標(biāo)準(zhǔn)器其不確定度一般不超過(guò)示值誤差的1/3，目前中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院給出標(biāo)準(zhǔn)霧度片的不確定度U （Hd） = 0.30（k = 2）。則霧度值小于20的標(biāo)準(zhǔn)霧度片不符合以上定義。如霧度值為1的標(biāo)準(zhǔn)片，根據(jù)規(guī)范測(cè)算其相對(duì)誤差為±0.05，而不確定度為0.30，反而大于其相對(duì)示值誤差；霧度值為5的標(biāo)準(zhǔn)霧度片，其相對(duì)示值誤差為±0.25，此時(shí)不確定度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于示值誤差的1/3。是否能對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)霧度片給出相對(duì)應(yīng)、不同的不確定度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；或者可以對(duì)霧度儀進(jìn)行分段設(shè)置示值誤差來(lái)規(guī)定儀器霧度的參數(shù)，如上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司對(duì)其生產(chǎn)的霧度儀出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：霧度≤1的示值誤差為±0.10，霧度＞1的示值誤差為±0.50。

6 結(jié)語(yǔ)

WGT-S透光率/霧度測(cè)定儀應(yīng)用廣泛，與光電霧度儀相比較，最大的特點(diǎn)就是調(diào)制器的改進(jìn)使儀器不受外界光信號(hào)干擾，樣品可敞開(kāi)式放置。