浊度测量原理的探讨

康 亚，龚丽萍

（1.重庆城市管理职业学院，重庆 401331；2.重庆市工业学校，重庆 400043）

0 引言

水中的泥沙、有机物等悬浮物质会造成水的浑浊，浊度是表征水样浑浊程度的物理指标。而水中悬浮物质会吸附大量的致害物、致突变物、致畸物甚至致癌物，对人的健康造成极大危害。实验表明，当浊度降到1.5～0.5度时，水中固体悬浮物重量为5mg/10L，固体颗粒直径为2～5μm，当降到0.1度时，绝大部分有机污染物将去除。随着人们环保意识提高，水的浊度检测日益得到重视。

1 浊度标准单位

伴随不同时期浊度测量方法的发展，产生了几种浊度单位，但目前还未实现完全统一。

①JTU

用蜂蜡和鲸脑蜡制成每小时燃烧量7.4～8.2 g的标准烛，在垂直的玻璃管下点燃，注入水样，直到刚好看不见烛光时的水柱高度为标准烛光单位。

②mg/L

1mg一定粒度的SiO2在1L二次蒸馏的蒸馏水中所产生的浊度为1 度。随着与国际接轨，这个单位已经很少使用。

③ppm

1g精制高岭土加入1L蒸馏水可制成1000ppm 的标准溶液，稀释后配制出各种标准浊度溶液。

④FTU

1L水中含1mg福尔马肼（Formazin）聚合物时的浑浊程度称之为1FTU。

⑤FAU

使用分光光度计或色度计与入射光成180°夹角测量入射光穿过样品后的衰减程度，但多数管理机构并不认可这种测量方法。

⑥NTU

散射浊度仪垂直测量散射光时，1L 水中含有1mg 福尔马肼（Formazin）聚合物，浊度为 1NTU。用于 USEPA的《方法 180.1》和《水和废水标准检验法》

⑦FNU

按照ISO7027 国际标准配置的福尔马肼标准溶液，称为福尔马肼散射法浊度单位（FNU）。

目前各国在浊度测量中均采用福尔马肼（Formazin）聚合物浊度标准单位，浊度单位使用FNU、FTU 和NTU。

2 浊度测量光源

在测量光源的选择上，USEPA180.1标准 采用峰值波长在400～600nm 的卤素钨灯为浊度光源，而ISO7027 标准采用的峰值波长在860nm 左右的红外LED。由于水中颗粒对光谱的吸收大多在可见光区，红外LED在测量有色水样时准确性更高。与卤素钨灯相比，红外LED具有更好的发光稳定性并且不需要设计复杂的光学系统进行管的校正。但红外LED发光强度低，并且光敏晶体管的转换型号微弱，对前置放大电路的稳定性、抗干扰能力有较高要求。在进行浊度仪设计时应根据水样情况选择合适光源。

3 浊度测量原理

目前浊度的准确测量普遍采用仪器分析法，即利用光学透射或散射原理，将透射或散射光信号通过光电探测器转换为电信号，进而转换为浊度值。根据测量原理的不同，浊度测量分为透射法、散射法、散射光和透射光比值法。

3.1 透射法

透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。在水样检测中，水中悬浮物质越多，透射光强度越低。透射法测量浊度是通过测量透射光强度，获取浊度值。透射法原理如图1所示。

图1 透射法测量原理

根据比尔-朗伯定律，透射光强度随浊度的变化遵从式2.1：

式中：IT为透射光强，IO为入射光强，ε为由悬浮微粒的形状、入射光波长等因素所决定的常数，T为浊度，L为透射光程。

当光-电转换满足线性条件时，IT对应的电信号如式（2）：

式中A为电路参数决定的常数。

式（2）表明，光电转换结果与浊度呈现对数关系。

以透射式浊度仪测试不同浊度的标准样品，测得S-T曲线如图2：

图2 透射法S-T关系曲线

由图可见，在整个浊度测量范围内，S与T之间保持单调衰减关系【4】。

3.2 散射法

物质中存在的不均匀团块使进入物质的光偏离入射方向而向四面八方散开，这种现象称为光的散射。水样中的悬浮物质越多。散射法测量浊度是通过测量散射光强获取浊度值。

当水样中悬浮颗粒直径远小于入射光波长时，散射光强度服从瑞利（Rayleigh）定律：

式中：IS为散射光强度，B为与入射光波长、微粒和水的折射率、散射光与入射光的夹角等有关的比例系数，N为单位体积水中的微粒数，Io为入射光强度

当水中颗粒的直径与入射光波长相当时，散射光强度服从米氏（Mie）定理，与入射光的强度、微粒子的截光面积和粒子的个数浓度成正比，如式（4）：

式中，KM为米氏系数，σ为微粒截光面积，N为单位体积微粒子个数。

在饮用水质检测中，水样颗粒粒度大多在0.1μm～20μm之间，散射光强度服从瑞利定律和米氏定律。当水样中微粒均匀分布，微粒的总数N与浊度成正比，即IS与浊度成正比。

以散射式浊度仪测试不同浊度的标准样品，测得S-T曲线如图3：

图3 透射法S-T关系曲线

从实验曲线可以表明，仪器只能测量T0由仪器几何参数及悬浮颗粒决定）以下的浊度；当浊度超过T0后，S不再是T的单值函数，仪器将无法准确判别浊度。

散射法测量浊度根据入射光与散射光角度的不同有前向散射、垂直散射、后向散射。如图4所示为垂直散射。

图4 散射法测量原理

表面散射法是散射法的特殊应用，光源与探测器不与水样直接接触，只检测水样表面的散射光。

垂直散射法在散射浊度仪应用较多；前向散射法由于接收面积小，测量形式接近于点测量，通常用于抽取式测量；后向散射中入射光与散射光夹角可在90°～270°之间变化，测量面积大。在进行水体泥沙含量测量时，由于泥沙流动性小，在流体中的分布不均匀，通常采用后向散射法增加测量体积，使测量具有代表性。

与前向散射、垂直散射与后向散射相比，表面散射法的入射光在水样中的光程少，受色度影响小。由于表面散射浊度测量是一种非接触测量，避免了探测器由于接收窗口受污垢干扰造成的测量误差，较好解决了由于浊度仪自动清洗技术不过关造成的测量稳定性差，使用寿命短等问题。

3.3 散射光和透射光比值法

入射光通过水样，既有透射也有散射。比值法测量原理是通过测量散射光与透射光强度之比获取水样浊度值。

式（3）（4）描述了散射光与入射光的函数关系。而在实际测量中，散射光到达光电探测器前同样会因为穿透一定距离的待测浊度液而发生衰减。根据比尔 - 朗伯定律，综合式（1）、（3）、（4）可得散射光强与入射光强的关系，见式（5）。采用线性光电元件转换得到的电信号见式（6）。

式中：Is为散射光强，KS为比例系数，IO为入射光强 T为浊度，l为散射光程

式中：SS为散射光对应的电信号，C为与电路参数有关的常数。

在浊度仪的测量池设计时，可以通过结构设计可以使L与 l基本相同，所以由式（2）与式（6）可近似得出式（7）：

式中：D为常数。

图5 比值法测量原理

由式（7）可知，测量散射光与透射光强度之比可获取水样浊度值，比值越大，浊度越大。在探测器电路设计时，通过散射和透射探测器及传输通道元件参数的合理匹配，可以将光源强度变化、背景光干扰、电路参数变化、水样色度等对测量值所造成的干扰消除掉。因而，比值法表现出比透射法、散射法更好的整体性能。比值法测量浊度原理图见图5：

4 结论

透射法测量信号与浊度呈对数关系，但在整个测量范围都是单值函数，浊度测量范围大，适用于低浊度到高浊度测量；散射法测量信号与浊度在低浊度测量中线性度好。

使用透射法和散射法测量浊度，光源和电路参数的变化将引起测量结果的变化。从式（1）和（3）可知，在低浊度测量中，透射式浊度仪受到的影响远远高于散射式浊度仪。

采用散射光与透射光比值法，将消掉光源、电路参数、色度对测量结果的影响，测量精度更高。

在进行浊度测量时，应该根据水样颗粒特点、测量范围、精度等需求合理选择测量方法。

[1]岳舜琳.水的浊度问题.中国给水排水.2003，第11卷，第4期：33-35

[2]贡献.浊度单位和量程范围选择.化工自动化及仪表.1997，第 6期 ：46-49

[3]白金纬.张德源.刘畅.浊度仪中两种不同光源对浊度测量的影响研究.光学仪器.2008，第30卷，第2期：1-3

[4]朱泽昊.张扶人.浊度测量中两种基本方法的比较.西南师范大学学报（自然科学版），1995，第20卷，第2期：148-152