了解在线浊度仪

了解在线浊度仪

饮用水低浊度在线浊度仪技术概要

几十年前美国材料实验协会（ASTM）声明：“在为人类设计的产品生产过程中，使用的水的澄清度很重要”（ASTM 2130 浊度），从此，浊度被很多国家列为水质*重要的参数。高浊度的水往往含有更多对健康不利的微生物和化学物质，但即便是低浊度的清澈的水，也不见得就是纯净的，健康的，仍可能含有可溶性重金属等对人体有害的物质。

浊度测试技术原理较为简单，成本可控，并可用于连续测量，即“在线监测仪器”。可用于饮用水处理监控的浊度测量系统都是根据EPA 180.1（白光或红色光源）或ISO 7027（使用红外光源）标准设计的。这两个标准规定了浊度测试仅应检测和评估在光束和检测器之间以90度角散射的光。

当前现状：饮用水水质低浊度在线监测仪主要分为两类：

·         比色皿型：水样流经玻璃比色皿，光源和光电二极管在比色皿外部。光电二极管接受散射光后，相关电子设备计算出对应的浊度测试值。

·         水体内置型：传感器，包括光电二极管位于水体内部。

水体内置型

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本文比较了这两类在线监测浊度仪，向对低浊度测试感兴趣人士提供指导。两类仪器的主要问题和测试要求，及相对应的技术设计将进一步描述。我们知道，校准过程会出现的误差总是导致读数偏高而不是偏低，那么两类仪器出现读数不一的情况时，哪个是正确的呢？

杂散光

在低浊度的测试中，杂散光是误差的主要来源，导致读数偏高。测定区域中被颗粒物散射的散射光是我们需要测量的光，但在该区域中还存在被不规则反射的光，即杂散光，使传感器接受的信号偏强，产生误差。[1]

哪种浊度仪受杂散光影响较小？“水体内置型”还是“比色皿型”？

·         “水体内置型”仪器采用多项设计避免杂散光。这类仪器的传感器位于水体内部，水体内部结构本身是黑色的，表面覆有特殊吸光材料，避免产生反射光，一些型号还安装了“杂光吸收器”。

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结论：如果比色皿在测试过程中表现不佳，并且需要额外的花费清洁维护，那在浊度计中避免使用比色皿似乎是更好的选择。

干净/需清洁的比色皿

微小气泡

微小气泡是浊度测试中的主要误差来源之一，它们也会散射光引起干扰，却难以摆脱。为了避免气泡进入测量区域，浊度仪采用适当的除气泡装置如气泡收集器和/或增加水压结构消除气泡。[2]

哪类仪器可以更好地避免气泡？“水体内置型”还是“比色皿型”？

·         两种技术都可以具有良好而有效的气泡陷阱或不佳气泡陷阱。取决于气泡收集器的具体设计。

结论：由于气泡总是会严重干扰测量，因此，在购买新的浊度仪之前应进行一些测试。可以简单地向进液管中注入多气泡的液体，在操作手册中提示的*佳流量条件下，浊度计不应出现气泡。诸如“已连接气泡收集器”或“测试结果中的气泡误差已在计算中消除”之类的陈述可通过测试验证。

凝结

正如炎热的天气中冷饮外壁挂了一层水珠，每当空气中的水气碰到较冷的表面时，会发生冷凝。饮用水厂中的水温总是低于空气，因此湿气会凝结在玻璃或光学表面上。冷凝会产生杂散光，产生较高的浊度读数。

哪类仪器可以更好地避免冷凝？“水体内置型”还是“比色皿型”？

·         “水体内置型”仪器的传感器位于水体中，收集散射光的透镜也在水中，因此透镜外侧不会发生凝结。透镜的内侧即光源一侧是空气含量很小的密闭空间，不易产生凝结。

·         “比色皿型”仪器使用干燥剂除湿。仪器必须正确密封，否则干燥剂可能会迅速浸透。干燥剂会饱和，操作人员需要定期更换，在湿度较高的热带国家应更频繁地更换干燥剂，否则测量结果会因为水气冷凝而读数过高。

结论：使用干燥剂造成两个问题，一是必须定期购买更换，二是存在无法检测到其耗尽或仪器密封件泄漏的风险。“流通体”仪器不存在类似问题。

响应时间

响应时间反映了仪器在采样点对浊度的初始变化的响应速度。这一参数在容易发生事故的过滤系统很重要，需要仪器检测到水样浊度的突然变化。在许多我们不希望信号突然变化的应用中，响应时间并不重要，有时还会使用所谓的“平均功能”甚至将响应时间增长以平滑信号。例如在30秒或60秒期间不显示实际测量值，而是该时间段内测量值的平均值。

浊度测试中的响应时间并不取决于传感器，光学传感器反应非常快，时长可以忽略。响应时间仅取决于水的体积和流量，实际被测水样需要流经进水管及测量室到达光学传感器，相关的水量是进水管和仪器测量室内的水量。

哪类仪器具有更短的响应时间？ “水体内置型”还是“比色皿型”？

·         “水体内置型”中的水量可以是旧的仪器的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“流量计中的3倍。在水流进水管路较短时，“比色皿型“的响应速度会更快。

·         仪器的响应时间通常没有明确定义，T90以秒为单位，表示达到信号变化的90%所需时间。 T10表示打到10％的信号变化的时间。较旧的仪器通常会在其规格中显示T10时间，数字较小。

结论：如果需要缩短响应时间，请将流速提高到操作手册规定范围的*大值，减小进水管路距离。在上述条件下，“比色皿型”浊度仪的响应速度比“水体内置型”快3倍。

校准

校准是浊度计保持精度的重要步骤。美国环境保护局（USEPA）要求每季度对浊度计进行一次校准。浊度计通常用上等浊度标准液校准，例如福尔马肼或福尔马肼标准品的稳定形式。[2]标准物的价格较高，若需要频繁校准，可使用经过校准的实验室浊度计进行取样并测量。（在线浊度仪中测量的水相同的时间和位置采集样品，确保样品具有代表性，仪器本身若带有采样点会更方便）。

哪类仪器校准更方便、准确？ “水体内置型”还是“比色皿型”？

·         将“水体内置型”仪器中的水样换成标准液即可校准仪器，仪器制造商可提供20 NTU或5 NTU标准液。由于每季度只要校准一次，因此通常操作员会在校准前清洁仪器，仪器可连续运行三个月无需其他维护。

·         在“比色皿型”仪器中，校准过程更为简单。将测试比色皿取出，放入制造商提供的装有标准液的比色皿，即可校准。不过，由于在校准过程中已卸下并更换了测量单元，测试比色皿没有参与校准。上文提到比色皿可导致多种误差和干扰，因此之一方法的校准准确性难以定论。

结论：每年用上等标准物对整个系统进行4次校准好过忽略系统中*敏感的部分—比色皿进行多次简单校准。

参考资料

[1] https://www.hach.com/asset-get.download.jsa?id=7639984722

[2] https://www.awwa.org/AWWA-Articles/tech-tip-ensuring-accurate-turbidity-measurements-through-turbidimeter-calibration-and-verification