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濁度的檢測原理及方法

• 發(fā)布日期：2016/9/12 14:21:45 閱讀次數(shù)：3816

• 一、濁度的檢測原理

  
  

     濁度是一種光學(xué)效應(yīng)，是光線與溶液中的懸浮顆粒相互作用的結(jié)果，它表征光線透過水層時(shí)受到阻礙的程度。而光線在水溶液中的透射和散射是一種非常簡單的水質(zhì)的物理參數(shù)，濁度是描述液體里的懸浮固體，但是，并不是直接測量它，濁度測量的是樣品的透射光的量或散射光的量，透射光強(qiáng)度越小或散射光強(qiáng)度越大，表征水溶液的濁度越大。濁度值是水樣中存在的所有物質(zhì)作用的結(jié)果，從某種意義上講，通過標(biāo)準(zhǔn)化的分析方法，濁度測量完全可以成為定量分析。

  濁度計(jì)是測定水濁度的裝置。有透射光式、散射光式和透射散射光式等，通稱為光學(xué)式濁度計(jì)。其原理為，當(dāng)光線照射到液面上，入射光強(qiáng)、透射光強(qiáng)、散射光強(qiáng)相互之間比值和水樣濁度之間存在一定的相互關(guān)系，通過測定透射光強(qiáng)、散射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)，或透射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)的比值來測定水樣的濁度。光學(xué)式濁度計(jì)有用于實(shí)驗(yàn)室的，也有用于現(xiàn)場進(jìn)行自動連續(xù)測定的。

  
  

  二、濁度的基本測量方法

  
  

      目前，濁度測量方法按光接收方式主要分為透射光式濁度測量法、散射光式濁度測量法、透射光-散射光比較測量法3種。

  1.透射光式濁度測量法

  從光源(發(fā)光二極管)發(fā)出的光束射入水樣，水樣中的濁度物質(zhì)會使光的強(qiáng)度衰減，此光穿過待測液體并被光敏晶體管接收轉(zhuǎn)換，得到的電信號驅(qū)動儀器的后置電路，指示出液體的渾濁程度。光強(qiáng)的衰減程度與水樣的濁度之間的關(guān)系可用式(1)表示:

  I=I_0e^-Kdl(1)

  式中:I——透射光發(fā)光強(qiáng)度，cd；I₀——入射光發(fā)光強(qiáng)度，cd；K——比例常數(shù)；d——濁度，NTU；l——水樣透過深度，mm。透射光式濁度測量法測量濁度，方法比較簡便，其原理如圖1所示。

  

  
  

  <CTSM>圖1透射光式濁度測量法原理圖</CTSM>

  2.散射光式濁度測量法

  光束射入水樣時(shí)，由于水樣中濁度物質(zhì)使光產(chǎn)生散射，通過測量與入射光垂直方向的散射光強(qiáng)度，即可測出水樣中的濁度，與入射光成90°方向散射光強(qiáng)度符合雷萊公式:

  
  

  式中:I——散射光強(qiáng)度，cd；K——系數(shù)；N——單位容積的微粒數(shù)，NA；V——微粒體積，L·mol^-1；λ——入射光波長，nm；I₀——入射光強(qiáng)度，cd。

        在一定條件下，系數(shù)與單位容積微粒的總數(shù)成正比，即與濁度成正比:

  I=K′TI₀(3)

  式中:K′——另一個(gè)系數(shù)；T——水濁度，NTU。在入射光I₀不變的情況下，散射光強(qiáng)度I與濁度成正比，濁度測量轉(zhuǎn)化為散射光強(qiáng)度的測量。

      光源與光電接收器件集成在密封的探頭中，使得入射光經(jīng)過水中顆粒的散射，被與它成90°角的光電接收器件接收后，即可測出水樣的濁度，其原理如圖2所示。

  
  

  

  
  

  <CTSM>圖2散射光式濁度測量法原理圖</CTSM>

  3.透射光-散射光比較測量法

     當(dāng)光源發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度為I₀的光通過水樣時(shí)，由于水樣中懸浮固體和雜質(zhì)的吸收和散射作用，使穿過水樣的透射光發(fā)光強(qiáng)度減弱到I_T，發(fā)光強(qiáng)度的減弱符合朗伯-比耳定律，公式如下:

  I_T=I₀exp(-τL)(4)

  式中:I_T——透射光發(fā)光強(qiáng)度，cd；I₀——入射光發(fā)光強(qiáng)度，cd；τ——與發(fā)光強(qiáng)度無關(guān)的衰減系數(shù)；L——透射光程，mm。

     水樣顆粒物質(zhì)與光相互作用時(shí)，產(chǎn)生的散射光發(fā)光強(qiáng)度及其在空間的分布與微粒直徑大小、微粒折射率、入射光發(fā)光強(qiáng)度等諸多因素有關(guān)。利用瑞利散射原理和米氏散射原理，散射光與入射光的關(guān)系式為:

  I_S=αNI₀exp(-τl)(5)

  式中:I_S——散射光發(fā)光強(qiáng)度，cd；α——與散射函數(shù)有關(guān)的系數(shù)；N——水樣中含有的顆粒個(gè)數(shù)，與濁度成正比，mol；l——散射光程，mm。

     同時(shí)測量投射于水樣光束的透射光和散射光強(qiáng)度，再按這兩者光強(qiáng)度比值測量其濁度大小:

  
  

     由式(6)可見，濁度只與α以及散射透射光程比有關(guān)，而α和l/L都是被精確固定的，消除了由于LED光源老化以及不穩(wěn)定對濁度測量的影響，有效地提高了測量準(zhǔn)確度。

  測量儀器由光源、光電檢測設(shè)備以及電子放大與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、控制系統(tǒng)等組成。光源發(fā)出的光通過測量水樣，到達(dá)光電檢測設(shè)備后被接受而轉(zhuǎn)化為電信號，同時(shí)測量水樣中的樣品在光照下產(chǎn)生散射，散射光被與入射光線成90°放置的另一光電檢測器接受并轉(zhuǎn)化為電信號。兩信號經(jīng)電子放大后輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，兩信號分別隨樣品濁度的增加分別減小和增大，計(jì)算機(jī)將兩信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算得到樣品的濁度值并顯示在液晶屏上。測量原理如圖3所示。

  
  

  

  
  

  <CTSM>圖3散射光-透射光比較測量法原理圖</CTSM>

  
  

  三、3種檢測方法的適用性

  
  

     透射光式濁度測量法原理簡單，但在測量低濁度水樣時(shí)，由于大部分的光都直接透射了，微小的濁度變化引起的透射光變化是相當(dāng)小的。變化率很小對光電接收和放大器件的分辨力和穩(wěn)定性要求非常高，所以透射光方法不適合測量低濁度，而水樣中濃度較高的雜質(zhì)和微粒能使透射光信號衰減更加明顯，其適用于測量高濁度水樣。

  對于低濁度水樣，光對微粒的散射作用更加明顯，并且在此范圍內(nèi)散射光曲線線性較透射光好，散射光式濁度測量法在低濁度測量時(shí)具有較高的準(zhǔn)確度和靈敏度。在散射光式濁度測量法中，當(dāng)液體的濁度超過一定界限時(shí)，會發(fā)生多次散射現(xiàn)象，使散射光強(qiáng)度迅速下降，這時(shí)散射光強(qiáng)度已不能正確反映液體試樣的濁度值，因此散射光式濁度測量法主要用于低、中濁度液體。

     透射光-散射光比較測量法能同時(shí)測量投射于水樣光束的透射光和散射光強(qiáng)度，再按兩者光強(qiáng)度比值測量其濁度大小，其理論基于朗伯-比耳定律和散射定律，既能消除光源老化對測量準(zhǔn)確度的影響，又繼承了以上兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn)，提供了一個(gè)從小到大連續(xù)的濁度測量范圍，能有效提高測量的適應(yīng)性和準(zhǔn)確度。但是散射光和透射光之比并非是嚴(yán)格的線性關(guān)系，只是在一定的濁度范圍內(nèi)有近似線性的關(guān)系，濁度的測量范圍從而有一定的局限性。

  
  

  注：華南標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)-國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采購平臺