引言
混濁度是水中不同大小、形狀、比重的懸浮物、膠體物質(zhì)和微生物雜質(zhì)等顆粒對(duì)光所產(chǎn)生的效應(yīng)的表達(dá)語(yǔ)。水的混濁度不僅與水中懸浮物質(zhì)顆粒的含量多少有關(guān)，還與它們的大小、形狀和折射系數(shù)等性質(zhì)有關(guān)。水中的懸浮物質(zhì)是由泥沙、微細(xì)的有機(jī)物、粘土和無(wú)機(jī)物、可溶的有色的有機(jī)化合物以及微小浮游生物和其它微生物等所組成。這些懸浮物質(zhì)為細(xì)菌和病毒的吸附提供了溫床，所以渾濁度越高則有毒物質(zhì)就會(huì)多，那么降低渾濁度就明顯有利于水的消毒。隨著人們生活水平的提高，對(duì)水質(zhì)的要求也日益提高；最新國(guó)標(biāo)GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》修改并提高了渾濁度出水標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了管網(wǎng)末梢水的濁度必須小于1NTU，有的自來(lái)水生產(chǎn)企業(yè)要求出廠水小于0.1NTU。濁度的測(cè)量對(duì)保證供水質(zhì)量提供了有力的數(shù)據(jù)參考，為提高人民健康水平和生活質(zhì)量具有重要積極意義。 濁度是一種感官指標(biāo)，是通過水中物質(zhì)對(duì)光的作用而體現(xiàn)出來(lái)的，濁度測(cè)量屬于定性測(cè)量。濁度測(cè)量在低濁度區(qū)間具有非常好的線性性能，通過使用具有數(shù)值追溯性的標(biāo)準(zhǔn)化的方法和樣品對(duì)濁度值進(jìn)行比對(duì)，混濁度的測(cè)量就完全可以變成定量的測(cè)量。目前混濁度的準(zhǔn)確測(cè)量值的獲得普遍是采用儀器分析，也就是利用光學(xué)透射或者散射原理，將透射光或散射光信號(hào)通過光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)變成電信號(hào)，進(jìn)而通過定標(biāo)計(jì)算轉(zhuǎn)換為濁度值。一般根據(jù)測(cè)量原理的不同，將這些儀器分析方法分為透射法、散射法和透射散射比法。如何在這些測(cè)量方法中找到一種適合自身生產(chǎn)實(shí)際的方法，需要我們?nèi)ド钊氲牧私膺@些測(cè)量方法的原理，繼而從原理出發(fā)得到這些測(cè)量方法的適用場(chǎng)合和測(cè)量限制。本文在介紹上述測(cè)量方法的原理后列出目前市場(chǎng)上使用這些原理設(shè)計(jì)的優(yōu)秀儀表，并對(duì)各儀表的性能與適用場(chǎng)合做了對(duì)比，便于用戶根據(jù)自身生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行儀表選型。 1 濁度測(cè)量方法 1.1 透射法 用透射法來(lái)測(cè)量濁度是基于比爾朗伯定律這一基本原理。光透過透明介質(zhì)時(shí)被吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)；在光線傳播光程上每個(gè)等厚層介質(zhì)吸收的光是相同比例值的。比爾朗伯定律數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： 式中A為吸光度；T為透射比，是用透射光光強(qiáng)的光電流值It比上入射光光強(qiáng)的光電流值I0；k被定義為摩爾吸收系數(shù)，它是個(gè)與吸收物質(zhì)性質(zhì)和入射光波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)；c是液體中吸光物質(zhì)濃度；l是吸收層的厚度。透射法測(cè)量濁度模型如下圖： 圖1 透射式測(cè)量濁度模型 從式（1）中可明顯看出濁度與吸光度成線性關(guān)系的。基于該原理設(shè)計(jì)的儀表，一般先用零濁度水校準(zhǔn)獲得入射光I0對(duì)應(yīng)的光電信號(hào)并記錄到儀表中，測(cè)量試樣時(shí)通過測(cè)量透射光It對(duì)應(yīng)的光電信號(hào)強(qiáng)度St來(lái)計(jì)算出濁度值，由（1）推導(dǎo)出透射光強(qiáng)度表示為： 式中a為儀表結(jié)構(gòu)等因素決定的系數(shù)，通過定標(biāo)獲得。 基于透射法原理設(shè)計(jì)的濁度測(cè)量?jī)x表具有測(cè)量范圍寬，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但是由于測(cè)量原理的限制，超低濁度水對(duì)光的吸收非常小，儀表幾乎分辨不出來(lái)，而且測(cè)量過程中受光源抖動(dòng)或衰減、試樣色度等因素影響較大，一般應(yīng)用在測(cè)量高濁水和對(duì)濁度測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。日本OPTEX M500型手持式濁度儀便是采用該測(cè)量原理設(shè)計(jì)的儀表，它采用近紅外光作為測(cè)量光源，可以非常有效的減小因?yàn)楸粶y(cè)試樣色度對(duì)濁度測(cè)量帶來(lái)的影響。 1.2 散射法 介紹散射法測(cè)量方法之前我們來(lái)了解一下溶液中顆粒物產(chǎn)生的散射光的性質(zhì)，散射光的方向和光強(qiáng)大小取決于溶液中顆粒物的大小、顏色、形狀、折射系數(shù)以及濃度；入射光的波長(zhǎng)也是影響散射光的強(qiáng)度的因素。 圖2 不同粒徑顆粒對(duì)入射光影響的顯微照 圖二是不同粒徑顆粒物質(zhì)對(duì)入射光反射、散射等作用的顯微鏡下的照片，從照片中可以看出不同粒徑大小的顆粒物對(duì)光線的散射效果是不同的，但是只有與入射光中心線成90度方向上的散射光強(qiáng)度對(duì)于不同粒徑的顆粒物效果是相同的。選擇90度散射法測(cè)量濁度可以最大限度的降低對(duì)顆粒大小的敏感度。 經(jīng)過前人的大量研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水樣中的懸浮顆粒物的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)度是服從瑞利散射定律的： 公式中：IS為散射光光強(qiáng)的光電流值，B為與入射光波長(zhǎng)、懸浮顆粒物和水的折射率、散射光與入射光的夾角等有關(guān)的比例系數(shù)，N為單位體積水中的懸浮顆粒物的顆粒數(shù)，I0為入射光光強(qiáng)的光電流值。 當(dāng)水樣中懸浮顆粒物的直徑與入射光波長(zhǎng)相當(dāng)或大于入射光波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)度是服從米氏散射定律的，與入射光的強(qiáng)度、懸浮顆粒物粒子的截光面積和粒子的個(gè)數(shù)成正比： 公式中：IS為散射光光強(qiáng)的光電流值，KM為米氏系數(shù)，為微粒橫截面積，N為單位體積水中的微粒數(shù)，I0為入射光光強(qiáng)的光電流值。 在飲用水水質(zhì)檢測(cè)中，水樣的顆粒粒度大多在 0.1μm ～ 20μm之間，散射光強(qiáng)度一般服從瑞利散射定律和米氏散射定律。當(dāng)水樣中的微粒是均勻分布時(shí)，微粒的總數(shù)N與濁度成正比，即 IS 與濁度是成正比的。 采用90度散射法測(cè)量濁度，被國(guó)際組織認(rèn)可并據(jù)此制定了濁度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)頒布的USEPA180.1濁度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；另一個(gè)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布的ISO7027濁度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，而90度散射法又根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)不同分為浸入式水下散射法和非接觸式表面散射法。 1.2.1 浸入式水下散射法 浸入式水下散射式濁度測(cè)量?jī)x的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示，來(lái)自光源的光線經(jīng)透鏡和光欄等光學(xué)元器件準(zhǔn)直后得到高質(zhì)量的平行光束垂直水面入射到測(cè)量池中，測(cè)量池中溶液對(duì)平行光束發(fā)生散射，在水下與入射光束垂直的方向上光電探測(cè)器接收到90度散射光，散射光光強(qiáng)的大小與水的濁度值成正比。 圖3 水下散射式濁度測(cè)量?jī)x的光學(xué)原理 采用浸入式水下散射法設(shè)計(jì)的濁度儀具有測(cè)量精度高、線性度好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于測(cè)量光路上入射光在被溶液中顆粒散射之前和之后均需要在溶液中傳播才能到達(dá)水下探測(cè)器，光會(huì)在傳播光程中被溶液吸收一部分，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值偏低。基于該測(cè)量原理設(shè)計(jì)的濁度儀只適用于低、超低濁度水的測(cè)量，線性范圍一般在0NTU~30NTU。 這種浸入式水下散射法測(cè)量濁度，可以做到超低量程時(shí)的精準(zhǔn)測(cè)量，一般精度在0.1NTU，有的廠家甚至可以做到0.001NTU的測(cè)量精度。一般應(yīng)用到管網(wǎng)末梢水、自來(lái)水廠出廠水等對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合。采用測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濁度儀有美國(guó)哈希的1720E低量程濁度儀、FT660sc超低量程濁度儀、蘇州奧特福的TM-6S型濁度儀；1720E的濁度測(cè)量范圍為0-100NTU，采用鎢燈作為測(cè)量光源，測(cè)量濁度時(shí)容易受到水樣色度的影響，所以無(wú)法測(cè)量帶色液體的濁度；一般自來(lái)水廠水處理過程中經(jīng)砂濾池過濾后的水樣均不帶有顏色，所以該儀表在我國(guó)的自來(lái)水廠的普及率很高，但不推薦應(yīng)用在砂濾池之前的濁度檢測(cè)。FT660sc的濁度測(cè)量范圍為0-5NTU，采用660nm激光作為測(cè)量光源，有效的提高了超低量程濁度測(cè)量的精度，可用于測(cè)量除660nm附近波長(zhǎng)顏色外的帶色液體和無(wú)色液體的濁度。TM-6S濁度儀采用大功率的880nm波長(zhǎng)LED作為光源，并采用光源調(diào)制技術(shù)和雙光路測(cè)量技術(shù)能有效去除水樣色度、雜散光、光源抖動(dòng)對(duì)濁度測(cè)量的影響；測(cè)量范圍為0-100NTU并可實(shí)現(xiàn)低量程0-100NTU和超低量程0-1NTU兩種測(cè)量范圍的自動(dòng)切換，從而適用于自來(lái)水廠水處理各個(gè)環(huán)節(jié)的濁度檢測(cè)，而且不同檢測(cè)點(diǎn)濁度儀可以相互替代使用，便于自來(lái)水公司儀表的應(yīng)急管理。 1.2.2 非接觸式表面散射法 非接觸式表面散射式濁度測(cè)量?jī)x的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖4所示，來(lái)自光源的光線經(jīng)透鏡和光欄等光學(xué)元器件準(zhǔn)直后得到高質(zhì)量的平行光束以小角度入射到液體表面，表層液體中顆粒對(duì)入射光發(fā)生散射，在與入射平行光束成90度方向上光電探測(cè)器接收到90度散射光，這個(gè)散射光強(qiáng)度與水的濁度值成正比。 圖4 表面散射式濁度測(cè)量?jī)x的光學(xué)原理 采用非接觸式表面散射法設(shè)計(jì)的濁度儀具有測(cè)量精度高、線性度好、穩(wěn)定性好、線性范圍寬等特點(diǎn)。因?yàn)闇y(cè)量探頭不接觸水，不易被試樣污染，所有無(wú)需定期清洗探頭，儀表維護(hù)成本低，也是濁度儀的未來(lái)發(fā)展方向。 采用該方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濁度儀有美國(guó)哈希的SS7高量程濁度儀、蘇州奧特福的TM-7寬量程濁度儀。SS7的濁度測(cè)量范圍為0-10000NTU，采用鎢燈作為測(cè)量光源，測(cè)量易受水樣色度、雜散光的影響。TM-7的濁度測(cè)量范圍為0-10000NTU，測(cè)量范圍在0-10NTU、0-1000 NTU、0-10000 NTU自動(dòng)切換，且0-10NTU的測(cè)量精度可以達(dá)到0.01NTU，所以該儀表可以安裝在自來(lái)水廠水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)；TM-7采用大功率的880nm波長(zhǎng)LED作為測(cè)量光源，并采用光源調(diào)制技術(shù)和雙光路測(cè)量技術(shù)能有效去除水樣色度、雜散光、光源抖動(dòng)對(duì)濁度測(cè)量的影響。 1.3 透射散射比法 如圖5所示，經(jīng)準(zhǔn)直好的高質(zhì)量平行光束垂直入射到測(cè)量池中，結(jié)合（1）式和（3）式可得與入射平行光束成90度方向上的光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)為： 公式中：IS為散射光光強(qiáng)的光電流值，B為與入射光波長(zhǎng)、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)，I0為入射光光強(qiáng)的光電流值，k為摩爾吸收系數(shù)；它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)有關(guān)；c為吸光物質(zhì)的濃度；l散為散射光光程。 由（1）式可知透射光探測(cè)器接收到的光強(qiáng)為： 式中：IT為透射光強(qiáng)度，l透為透射光光程。 透射散射比法測(cè)量濁度就是將上述兩個(gè)探測(cè)器同一時(shí)刻接收到的光強(qiáng)值做比值運(yùn)算，儀表設(shè)計(jì)時(shí)控制散射光和透射光光程相等，可得： 同理結(jié)合（1）（4）式經(jīng)上述計(jì)算可得： 從（7）(8)式中看到，最終計(jì)算結(jié)果在控制好散射光和透射光光程相等的情況下是與入射光光強(qiáng)I0和光程l是無(wú)關(guān)的。即這種測(cè)量原理可以有效的去除光源抖動(dòng)、液體本身對(duì)光的吸收作用帶來(lái)的誤差，從而提高測(cè)量的精確度、穩(wěn)定性，拓寬浸入式水下散射法的線性范圍。 圖5 透射散射比較法測(cè)濁度示意圖 采用該測(cè)量方法設(shè)計(jì)的濁度儀一般為臺(tái)式和手持式濁度儀，如美國(guó)哈希的TL2310ISO、上海雷磁WZS-186等。因?yàn)樵摲椒ㄒ刂粕⑸涔夂屯干涔獾墓獬掏耆嗟龋暂^難實(shí)現(xiàn)在線式儀表設(shè)計(jì)。 2 總結(jié) 上文詳細(xì)描述了透射法、散射法（浸入式水下散射法、非接觸式表面散射法）、散射透射比法測(cè)量濁度的基本原理，并總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。表1將這些測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合做了總結(jié)： 表1 濁度測(cè)量方法對(duì)比 從上表可看出上述測(cè)量方法均易受光源抖動(dòng)和色度的影響，現(xiàn)今國(guó)際上流行的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USEPA180.1和ISO7027規(guī)定了濁度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法，并指定了濁度測(cè)量是使用的光源波長(zhǎng)。ISO7027標(biāo)準(zhǔn)指定的860nm紅外光源可以消除色度的影響，而USEPA180.1指定的光源為中心波長(zhǎng)在400-600nm的鎢燈，因?yàn)榈蜐岫人蓄w粒對(duì)該段波長(zhǎng)的散射更強(qiáng)，相比IS07027測(cè)量低濁度水時(shí)的靈敏度更高，但是易受色度的影響而無(wú)法測(cè)量飲料等帶色液體的濁度。所以儀表選型時(shí)查看儀表使用標(biāo)準(zhǔn)方法或光源是至關(guān)重要的。 而光源抖動(dòng)的影響多數(shù)儀表廠商除定期維護(hù)光源和定期校零外并未作出任何其他措施進(jìn)行改善。蘇州奧特福環(huán)境科技有限公司針對(duì)光源抖動(dòng)給濁度測(cè)量帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì) 
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