了解在線濁度儀

飲用水低濁度在線濁度儀技術(shù)概要

幾十年前美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）聲明：“在為人類設(shè)計(jì)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，使用的水的澄清度很重要”（ASTM 2130 濁度），從此，濁度被很多國家列為水質(zhì)*重要的參數(shù)。高濁度的水往往含有更多對健康不利的微生物和化學(xué)物質(zhì)，但即便是低濁度的清澈的水，也不見得就是純凈的，健康的，仍可能含有可溶性重金屬等對人體有害的物質(zhì)。

濁度測試技術(shù)原理較為簡單，成本可控，并可用于連續(xù)測量，即“在線監(jiān)測儀器”。可用于飲用水處理監(jiān)控的濁度測量系統(tǒng)都是根據(jù)EPA 180.1（白光或紅色光源）或ISO 7027（使用紅外光源）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了濁度測試僅應(yīng)檢測和評估在光束和檢測器之間以90度角散射的光。

當(dāng)前現(xiàn)狀：飲用水水質(zhì)低濁度在線監(jiān)測儀主要分為兩類：

· 比色皿型：水樣流經(jīng)玻璃比色皿，光源和光電二極管在比色皿外部。光電二極管接受散射光后，相關(guān)電子設(shè)備計(jì)算出對應(yīng)的濁度測試值。

· 水體內(nèi)置型：傳感器，包括光電二極管位于水體內(nèi)部。

比色皿型

水體內(nèi)置型

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本文比較了這兩類在線監(jiān)測濁度儀，向?qū)Φ蜐岫葴y試感興趣人士提供指導(dǎo)。兩類儀器的主要問題和測試要求，及相對應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)將進(jìn)一步描述。我們知道，校準(zhǔn)過程會(huì)出現(xiàn)的誤差總是導(dǎo)致讀數(shù)偏高而不是偏低，那么兩類儀器出現(xiàn)讀數(shù)不一的情況時(shí)，哪個(gè)是正確的呢？

雜散光

在低濁度的測試中，雜散光是誤差的主要來源，導(dǎo)致讀數(shù)偏高。測定區(qū)域中被顆粒物散射的散射光是我們需要測量的光，但在該區(qū)域中還存在被不規(guī)則反射的光，即雜散光，使傳感器接受的信號偏強(qiáng)，產(chǎn)生誤差。[1]

哪種濁度儀受雜散光影響較小？“水體內(nèi)置型”還是“比色皿型”？

· “水體內(nèi)置型”儀器采用多項(xiàng)設(shè)計(jì)避免雜散光。這類儀器的傳感器位于水體內(nèi)部，水體內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身是黑色的，表面覆有特殊吸光材料，避免產(chǎn)生反射光，一些型號還安裝了“雜光吸收器”。

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干凈/需清潔的比色皿

在“比色皿型“儀器中，傳感器和水之間有玻璃比色皿壁。玻璃比色皿應(yīng)是儀器中*精密的部分，也是正向誤差的來源。比色皿壁上只要有劃痕、指紋、冷凝水、沉淀物，甚至用肉眼無法察覺的不規(guī)則現(xiàn)象都可能會(huì)導(dǎo)致雜散光增加，測得的讀數(shù)偏高。物理常識(shí)告訴我們，若有鏡面作用，光束可由于反射穿透玻璃厚壁多次。雜散光也會(huì)因此被增強(qiáng)。對于這一點(diǎn)，“比色皿型“儀器的制造商在其手冊中反復(fù)提到警告和并提出許多預(yù)防措施，以保持比色皿壁的清潔。互聯(lián)網(wǎng)有一些視頻介紹保持小瓶清潔的重要性。制造商還研發(fā)了超聲波清潔或機(jī)械清潔等清潔設(shè)備，以去除比色皿中的沉積物和其他雜質(zhì)。

結(jié)論：如果比色皿在測試過程中表現(xiàn)不佳，并且需要額外的花費(fèi)清潔維護(hù)，那在濁度計(jì)中避免使用比色皿似乎是更好的選擇。

干凈/需清潔的比色皿

微小氣泡

微小氣泡是濁度測試中的主要誤差來源之一，它們也會(huì)散射光引起干擾，卻難以擺脫。為了避免氣泡進(jìn)入測量區(qū)域，濁度儀采用適當(dāng)?shù)某龤馀菅b置如氣泡收集器和/或增加水壓結(jié)構(gòu)消除氣泡。[2]

哪類儀器可以更好地避免氣泡？“水體內(nèi)置型”還是“比色皿型”？

· 兩種技術(shù)都可以具有良好而有效的氣泡陷阱或不佳氣泡陷阱。取決于氣泡收集器的具體設(shè)計(jì)。

結(jié)論：由于氣泡總是會(huì)嚴(yán)重干擾測量，因此，在購買新的濁度儀之前應(yīng)進(jìn)行一些測試。可以簡單地向進(jìn)液管中注入多氣泡的液體，在操作手冊中提示的*佳流量條件下，濁度計(jì)不應(yīng)出現(xiàn)氣泡。諸如“已連接氣泡收集器”或“測試結(jié)果中的氣泡誤差已在計(jì)算中消除”之類的陳述可通過測試驗(yàn)證。

凝結(jié)

正如炎熱的天氣中冷飲外壁掛了一層水珠，每當(dāng)空氣中的水氣碰到較冷的表面時(shí)，會(huì)發(fā)生冷凝。飲用水廠中的水溫總是低于空氣，因此濕氣會(huì)凝結(jié)在玻璃或光學(xué)表面上。冷凝會(huì)產(chǎn)生雜散光，產(chǎn)生較高的濁度讀數(shù)。

哪類儀器可以更好地避免冷凝？“水體內(nèi)置型”還是“比色皿型”？

· “水體內(nèi)置型”儀器的傳感器位于水體中，收集散射光的透鏡也在水中，因此透鏡外側(cè)不會(huì)發(fā)生凝結(jié)。透鏡的內(nèi)側(cè)即光源一側(cè)是空氣含量很小的密閉空間，不易產(chǎn)生凝結(jié)。

· “比色皿型”儀器使用干燥劑除濕。儀器必須正確密封，否則干燥劑可能會(huì)迅速浸透。干燥劑會(huì)飽和，操作人員需要定期更換，在濕度較高的熱帶國家應(yīng)更頻繁地更換干燥劑，否則測量結(jié)果會(huì)因?yàn)樗畾饫淠x數(shù)過高。

結(jié)論：使用干燥劑造成兩個(gè)問題，一是必須定期購買更換，二是存在無法檢測到其耗盡或儀器密封件泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。“流通體”儀器不存在類似問題。

響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間反映了儀器在采樣點(diǎn)對濁度的初始變化的響應(yīng)速度。這一參數(shù)在容易發(fā)生事故的過濾系統(tǒng)很重要，需要儀器檢測到水樣濁度的突然變化。在許多我們不希望信號突然變化的應(yīng)用中，響應(yīng)時(shí)間并不重要，有時(shí)還會(huì)使用所謂的“平均功能”甚至將響應(yīng)時(shí)間增長以平滑信號。例如在30秒或60秒期間不顯示實(shí)際測量值，而是該時(shí)間段內(nèi)測量值的平均值。

濁度測試中的響應(yīng)時(shí)間并不取決于傳感器，光學(xué)傳感器反應(yīng)非常快，時(shí)長可以忽略。響應(yīng)時(shí)間僅取決于水的體積和流量，實(shí)際被測水樣需要流經(jīng)進(jìn)水管及測量室到達(dá)光學(xué)傳感器，相關(guān)的水量是進(jìn)水管和儀器測量室內(nèi)的水量。

哪類儀器具有更短的響應(yīng)時(shí)間？ “水體內(nèi)置型”還是“比色皿型”？

· “水體內(nèi)置型”中的水量可以是舊的儀器的10倍，甚至比“比色皿型”中的水量多30倍，其流速通常是”比色皿型“流量計(jì)中的3倍。在水流進(jìn)水管路較短時(shí)，“比色皿型“的響應(yīng)速度會(huì)更快。

· 儀器的響應(yīng)時(shí)間通常沒有明確定義，T90以秒為單位，表示達(dá)到信號變化的90%所需時(shí)間。 T10表示打到10％的信號變化的時(shí)間。較舊的儀器通常會(huì)在其規(guī)格中顯示T10時(shí)間，數(shù)字較小。

結(jié)論：如果需要縮短響應(yīng)時(shí)間，請將流速提高到操作手冊規(guī)定范圍的*大值，減小進(jìn)水管路距離。在上述條件下，“比色皿型”濁度儀的響應(yīng)速度比“水體內(nèi)置型”快3倍。

校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是濁度計(jì)保持精度的重要步驟。美國（USEPA）要求每季度對濁度計(jì)進(jìn)行一次校準(zhǔn)。濁度計(jì)通常用上等濁度標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)，例如福爾馬肼或福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)品的穩(wěn)定形式。[2]標(biāo)準(zhǔn)物的價(jià)格較高，若需要頻繁校準(zhǔn)，可使用經(jīng)過校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室濁度計(jì)進(jìn)行取樣并測量。（在線濁度儀中測量的水相同的時(shí)間和位置采集樣品，確保樣品具有代表性，儀器本身若帶有采樣點(diǎn)會(huì)更方便）。

哪類儀器校準(zhǔn)更方便、準(zhǔn)確？ “水體內(nèi)置型”還是“比色皿型”？

· 將“水體內(nèi)置型”儀器中的水樣換成標(biāo)準(zhǔn)液即可校準(zhǔn)儀器，儀器制造商可提供20 NTU或5 NTU標(biāo)準(zhǔn)液。由于每季度只要校準(zhǔn)一次，因此通常操作員會(huì)在校準(zhǔn)前清潔儀器，儀器可連續(xù)運(yùn)行三個(gè)月無需其他維護(hù)。

· 在“比色皿型”儀器中，校準(zhǔn)過程更為簡單。將測試比色皿取出，放入制造商提供的裝有標(biāo)準(zhǔn)液的比色皿，即可校準(zhǔn)。不過，由于在校準(zhǔn)過程中已卸下并更換了測量單元，測試比色皿沒有參與校準(zhǔn)。上文提到比色皿可導(dǎo)致多種誤差和干擾，因此之一方法的校準(zhǔn)準(zhǔn)確性難以定論。

結(jié)論：每年用上等標(biāo)準(zhǔn)物對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行4次校準(zhǔn)好過忽略系統(tǒng)中*敏感的部分—比色皿進(jìn)行多次簡單校準(zhǔn)。