了解在線濁度儀

飲用水低濁度在線濁度儀技術概要

幾十年前美國材料實驗協會（ASTM）聲明：“在為人類設計的產品生產過程中，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*重要的參數。高濁度的水往往含有更多對健康不利的微生物和化學物質，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。

濁度測試技術原理較為簡單，成本可控，并可用于連續測量，即“在線監測儀器”。可用于飲用水處理監控的濁度測量系統都是根據EPA 180.1（白光或紅色光源）或ISO 7027（使用紅外光源）標準設計的。這兩個標準規定了濁度測試僅應檢測和評估在光束和檢測器之間以90度角散射的光。

當前現狀：飲用水水質低濁度在線監測儀主要分為兩類：

· 比色皿型：水樣流經玻璃比色皿，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，相關電子設備計算出對應的濁度測試值。

· 水體內置型：傳感器，包括光電二極管位于水體內部。

比色皿型

水體內置型

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本文比較了這兩類在線監測濁度儀，向對低濁度測試感興趣人士提供指導。兩類儀器的主要問題和測試要求，及相對應的技術設計將進一步描述。我們知道，校準過程會出現的誤差總是導致讀數偏高而不是偏低，那么兩類儀器出現讀數不一的情況時，哪個是正確的呢？

雜散光

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

哪種濁度儀受雜散光影響較小？“水體內置型”還是“比色皿型”？

· “水體內置型”儀器采用多項設計避免雜散光。這類儀器的傳感器位于水體內部，水體內部結構本身是黑色的，表面覆有特殊吸光材料，避免產生反射光，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則現象都可能會導致雜散光增加，測得的讀數偏高。物理常識告訴我們，若有鏡面作用，光束可由于反射穿透玻璃厚壁多次。雜散光也會因此被增強。對于這一點，“比色皿型“儀器的制造商在其手冊中反復提到警告和并提出許多預防措施，以保持比色皿壁的清潔。互聯網有一些視頻介紹保持小瓶清潔的重要性。制造商還研發了超聲波清潔或機械清潔等清潔設備，以去除比色皿中的沉積物和其他雜質。

結論：如果比色皿在測試過程中表現不佳，并且需要額外的花費清潔維護，那在濁度計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，它們也會散射光引起干擾，卻難以擺脫。為了避免氣泡進入測量區域，濁度儀采用適當的除氣泡裝置如氣泡收集器和/或增加水壓結構消除氣泡。[2]

哪類儀器可以更好地避免氣泡？“水體內置型”還是“比色皿型”？

· 兩種技術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計。

結論：由于氣泡總是會嚴重干擾測量，因此，在購買新的濁度儀之前應進行一些測試。可以簡單地向進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，濁度計不應出現氣泡。諸如“已連接氣泡收集器”或“測試結果中的氣泡誤差已在計算中消除”之類的陳述可通過測試驗證。

凝結

正如炎熱的天氣中冷飲外壁掛了一層水珠，每當空氣中的水氣碰到較冷的表面時，會發生冷凝。飲用水廠中的水溫總是低于空氣，因此濕氣會凝結在玻璃或光學表面上。冷凝會產生雜散光，產生較高的濁度讀數。

哪類儀器可以更好地避免冷凝？“水體內置型”還是“比色皿型”？

· “水體內置型”儀器的傳感器位于水體中，收集散射光的透鏡也在水中，因此透鏡外側不會發生凝結。透鏡的內側即光源一側是空氣含量很小的密閉空間，不易產生凝結。

· “比色皿型”儀器使用干燥劑除濕。儀器必須正確密封，否則干燥劑可能會迅速浸透。干燥劑會飽和，操作人員需要定期更換，在濕度較高的熱帶國家應更頻繁地更換干燥劑，否則測量結果會因為水氣冷凝而讀數過高。

結論：使用干燥劑造成兩個問題，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險。“流通體”儀器不存在類似問題。

響應時間

響應時間反映了儀器在采樣點對濁度的初始變化的響應速度。這一參數在容易發生事故的過濾系統很重要，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用中，響應時間并不重要，有時還會使用所謂的“平均功能”甚至將響應時間增長以平滑信號。例如在30秒或60秒期間不顯示實際測量值，而是該時間段內測量值的平均值。

濁度測試中的響應時間并不取決于傳感器，光學傳感器反應非常快，時長可以忽略。響應時間僅取決于水的體積和流量，實際被測水樣需要流經進水管及測量室到達光學傳感器，相關的水量是進水管和儀器測量室內的水量。

哪類儀器具有更短的響應時間？ “水體內置型”還是“比色皿型”？

· “水體內置型”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“流量計中的3倍。在水流進水管路較短時，“比色皿型“的響應速度會更快。

· 儀器的響應時間通常沒有明確定義，T90以秒為單位，表示達到信號變化的90%所需時間。 T10表示打到10％的信號變化的時間。較舊的儀器通常會在其規格中顯示T10時間，數字較小。

結論：如果需要縮短響應時間，請將流速提高到操作手冊規定范圍的*大值，減小進水管路距離。在上述條件下，“比色皿型”濁度儀的響應速度比“水體內置型”快3倍。

校準

校準是濁度計保持精度的重要步驟。美國（USEPA）要求每季度對濁度計進行一次校準。濁度計通常用上等濁度標準液校準，例如福爾馬肼或福爾馬肼標準品的穩定形式。[2]標準物的價格較高，若需要頻繁校準，可使用經過校準的實驗室濁度計進行取樣并測量。（在線濁度儀中測量的水相同的時間和位置采集樣品，確保樣品具有代表性，儀器本身若帶有采樣點會更方便）。

哪類儀器校準更方便、準確？ “水體內置型”還是“比色皿型”？

· 將“水體內置型”儀器中的水樣換成標準液即可校準儀器，儀器制造商可提供20 NTU或5 NTU標準液。由于每季度只要校準一次，因此通常操作員會在校準前清潔儀器，儀器可連續運行三個月無需其他維護。

· 在“比色皿型”儀器中，校準過程更為簡單。將測試比色皿取出，放入制造商提供的裝有標準液的比色皿，即可校準。不過，由于在校準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。上文提到比色皿可導致多種誤差和干擾，因此之一方法的校準準確性難以定論。

結論：每年用上等標準物對整個系統進行4次校準好過忽略系統中*敏感的部分—比色皿進行多次簡單校準。