Официальный дистрибьютор аналитического оборудования для лабораторий и промышленных производств телефон
RU
EN
+7 (495) 745-22-90, +7 (495) 745-22-91
leitest
   
 
Каталог продукции
Спецпредложения

Теория и практика измерения мутности. Турбидиметрия и нефелометрия.

                                                                                                                                                   

          
Важным показателем качества воды, используемой практически для любой цели, является наличие механических примесей - взвешенных веществ, твердых частиц ила, глины, водорослей и других микроорганизмов, и других мелких частиц. Допустимое количество взвешенных веществ колеблется в широких пределах, как и возможное их содержание. Так, например, вода в охлаждающем контуре может содержать значительное количество примесей. В современных паровых котлах высокого давления вода должна быть практически полностью очищена от загрязнений. Взвеси в питьевой воде могут способствовать росту вредных микроорганизмов и уменьшать эффективность хлорирования, вызывая опасность для здоровья. В большинстве случаев большое количество взвеси в питьевой воде недопустимо, по причинам эстетического характера, а также потому, что взвеси могут искажать результаты химических и биологических тестов.
                

Теория рассеяния света (светорассеяние)

           
Взвешенные в воде твердые частицы нарушают прохождение света через образец воды и создают количественную характеристику воды, называемую мутностью. Американская Ассоциация здравоохранения (APHA) определяет мутность, как "численную характеристику оптического свойства, которое вызывает рассеяние и поглощение света вместо его прохождения через образец по прямой." Мутность можно рассматривать как характеристику относительной прозрачности воды. Измерение мутности - это не прямое определение количества взвеси в жидкости, а измерение величины рассеяния света на взвешенных частицах.            

Говоря простым языком, мутность - результат взаимодействия между светом и взвешенными в воде частицами. Проходящий через абсолютно чистую жидкость луч света остается практически неизменным, хотя, даже в абсолютно чистой воде, молекулы вызывают рассеяние света на некоторый, хоть и очень малый, угол. В результате, ни один раствор не обладает нулевой мутностью. Если в образце присутствуют взвешенные твердые частицы, то результат взаимодействия образца с проходящим светом зависит от размера, формы и состава частиц, а также от длины волны (цвета) падающего света.

                     

Взаимодействие мельчайших частиц с падающим светом происходит следующим образом: частица поглощает энергию света и затем, сама становясь точечным источником, излучает свет во все стороны. Это излучение во все стороны и лежит в причине рассеивания падающего света. Пространственное распределение рассеянного света определяется отношением размера частицы к длине волны. Частицы размером много меньше, чем длина волны падающего света дают почти симметричное рассеяние, количество света, излучаемого вперед и назад, почти одинаково (Рис. 1А). С ростом размера частиц свет, излучаемый из разных мест частицы, создает интерференционные картины, которые складываются в направлении прохождения падающего света. В результате, интенсивность света, рассеиваемого "вперед" больше, чем интенсивность света, рассеиваемого "назад" и по другим направлениям (Рис.1B и 1C). Кроме того, мелкие частицы хорошо рассеивают коротковолновый свет (синий), при этом не оказывая воздействия на длинноволновый (красный). И наоборот: крупные частицы рассеивают красный свет лучше, чем синий.

         
         
        Рис. 1 Схемы интенсивности рассеянного света на частицах трех размеров. А - мелкие частицы, размером менее 1/10 длины волны падающего света, рассеяние симметричное. В - крупные частицы, размером порядка 1/4 длины волны падающего света, преобладает рассеяние по направлению падающего света, С - очень крупные частицы, размером более длины волны падающего света, рассеяние очень неравномерно, ярко выражены максимумы и минимумы. Брумбергер и др, (Brumberger et al. "Light Scattering," Science and Technology ,November, 1968, page 38.)
           

Форма частиц и коэффициент преломления также влияют на распределение и интенсивность рассеяния. Сферические частицы рассеивают "вперед" больше света, нежели частицы в форме колец или игл. Коэффициент преломления частиц характеризует угол, на который отклоняется луч света, проходящего через границу с другой средой, например, жидкостью. Чтобы рассеяние было возможно, коэффициент преломления частиц должен отличаться от коэффициента преломления жидкости. Чем сильнее различаются коэффициенты преломления жидкости и взвешенных частиц - тем сильнее рассеяние.

                   

Цвет взвешенных твердых частиц и жидкости также имеет значение при детектировании рассеянного света. Окрашенное вещество поглощает свет в определенных диапазонах видимой области спектра, изменяя тем самым свойства как проходящего, так и отраженного света. В результате часть рассеянного света не попадает на детектор.

                   

С ростом концентрации частиц растет и интенсивность рассеяния света. Но рассеянный свет попадать на большее количество частиц, из-за чего будет происходить множественное рассеяние и поглощение света. Когда концентрация частиц превосходит определенное значение, определяемый уровень проходящего и рассеянного света резко падает. Это значение является верхней границей измерения мутности. Уменьшение оптического пути уменьшает количество частиц между источником света и детектором и позволяет расширить диапазон измерений. 

                     

     

         
                

Из истории измерения мутности

           
           

Практические попытки количественно измерить мутность относятся к 1900 году, когда Уиппл и Джексон разработали стандарт суспензии, содержащей 1000 миллионных долей (ppm) кизельгура (диатомитовой земли) в дистиллированной воде. Разбавление этой суспензии позволило создать так называемую "кремнеземную" шкалу мутности на основе ряда стандартных суспензий для калибровки турбидиметров того времени.

                   

Джексон воспользовался этой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и создал то, что известно под названием "свечной турбидиметр Джексона". Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал его в единицах ppm по мутности взвешенного кремнезема. Для определения мутности образец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени, наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Рис. 2). 

                   

Погасание образа происходило, когда сравнивались интенсивность рассеянного света с интенсивностью света проходящего. Высота жидкости в колбе затем переводилась в единицы кремнеземной шкалы, а мутность определялась в джексоновских единицах мутности (JTU). Тем не менее, устойчивого состава стандартов достичь было трудно, поскольку их готовили из различных природных материалов - сукновальной глины, каолина, донных отложений.

         
         
       Рис. 2. Свечной турбидиметр Джексона
                

Стандарты мутности

           
           

В 1926 году Кингсбери и Кларк создали формазин, который является почти идеальным веществом для приготовления стандартных суспензий. Для приготовления формазина требуется растворить точную навеску 5,00 г сульфата гидразина и 50,00 г гексаметилентетрамина в одном литре дистиллированной воды (Рис. 3).

         
         
           
          Рис. 3. Синтез формазина
       
           

Раствор становится мутным после выстаивания в течение 48 часов при 25 °С. При идеальных температурных условиях и освещении эта смесь может быть приготовлена многократно с точностью ± 1%. Формазин - единственный стандарт, который можно приготовить из контролируемых исходных веществ. Все прочие стандарты, альтернативные или вторичные следует контролировать по формазину. Первичные стандарты мутности, получаемые прямым синтезом суспензии формазина в приняты водном хозяйстве и других связанных отраслях промышленности.                    

Формазин обладает несколькими свойствами, которые делают его идеальным стандартом для турбидиметрии. Во-первых, его можно воспроизводимо готовить из контролируемых исходных веществ. Во-вторых, физические свойства желательны для стандарта в турбидиметрии. Формазин - это полимер, состоящий из цепочек разной длины, которые свернуты в различных конфигурациях. Это дает широкий спектр фирм и размеров частиц от менее 0,1 до более 10 мкм. Исследования распределения частиц по размерам показывают нерегулярное распределение в различных стандартах, но статистика нефелометрических определений воспроизводима. Такое множество форм и размеров частиц хорошо аналитически сочетается с возможными размерами и формами частиц в реальных образцах. Благодаря хорошей воспроизводимости рассеяния белого света в формазиновой суспензии, приборы, использующие в качестве источника света лампу накаливания, калибруются с высокой точностью и хорошей воспроизводимостью. Многообразие форм и размеров частиц в стандартах на основе формазина приводит к статистически воспроизводимому рассеянию света в турбидиметрах всех типов и моделей. Благодаря воспроизводимости рассеяния и возможности контролировать процесс приготовления формазина, способы калибровки турбидиметров и критерии эффективности были повсеместно приведены к данному стандарту.                    

В 1955 от выражения мутности в миллионных долях кремнезема окончательно отказались и 10-е и последующие издания "Стандартных методов" (Standard Methods) описывают мутность в терминах рассеяния света на взвешенных частицах. Термины "миллионная доля" и "кремнеземная шкала" упразднили, а мутность стали выражать просто в "единицах мутности". После принятия формазина в качестве образцового первичного стандарта, единицы мутности стали называть единицами мутности по формазину - ЕМФ (formazin turbidity units - FTU). Первыми в качестве первичного стандарта мутности формазин стали использовать Американская Ассоциация Здравоохранения (APHA) и Американская Ассоциация предприятий водного хозяйства (AWWA) в 13-м издании Стандартных методик исследования воды и стоков (Stantard Methods for the Examination of Water and Wastewater). Американское Управление по охране окружающей среды (USEPA) определяет первичный стандарт несколько иначе, используя термины, отвечающие стандартам представления результатов USEPA.                    

Понятие стандарта в турбидиметрии несколько размыто из-за различий в определениях, которыми пользуются USEPA, APHA, AWWA и теми, которые приведены в "Стандартных методах". В 19-м издании "Стандартных методов" для ясности были введены понятия "первичный стандарт" и "вторичный стандарт". Первичный стандарт определен в них как стандарт, который готовится пользователем прецизионно, из контролируемых исходных веществ, при контролируемых условиях окружающей среды. В турбидиметрии единственным стандартом, отвечающим данным требованиям является формазин, приготовляемый непосредственно на лабораторном столе.                    

"Стандартные методы" определяют вторичный стандарт, как стандарт производителя (или независимой проверяющей организации), такой, что калибровка прибора по этому стандарту дает (в определенных пределах) результаты, эквивалентные тем, которые дает калибровка по стандарту формазина, приготовленному пользователем. Существуют различные виды вторичных стандартов, включая промышленный ассортимент суспензий формазина 4000 NTU, стабилизированные суспензии формазина и промышленные суспензии микросферы сополимера стирола и дивинилбензола.                    

"Стандарты" для проверки калибровки прибора, поставляемые изготовителем, например, запечатанные ячейки, наполненные суспензией латекса или частицами оксида металла в гелеобразном полимере, очень удобны, чтобы с их помощью проверять работоспособность прибора между калибровками, но не пригодны для проведения калибровок прибора.                     

Если обнаруживается расхождение в точности стандарта или прибора, то судить о работе прибора позволяет только первичный стандарт (т.е. изготовленный пользователем формазин). Формазин - это единственный первичный стандарт в турбидиметрии, а все прочие стандарты приводятся к формазину.                     

Определения, используемые USEPA, отличаются от тех, которые приведены в "Стандартных методах". В настоящее время USEPA признает приговленный пользователем формазин, промышленный ассортимент суспензий формазина, стабилизированные суспензии формазина StabCal™ и промышленные суспензии стироладивинилбензола (называемые также "альтернативными стандартами") в качестве первичных стандартов, пригодных для представления отчетов. Термин "вторичный" USEPA использует для "стандартов", по которым проверяется калибровка прибора. При таком определении первичный стандарт совершенно не контролируем и применим только для представления отчетов USEPA.                     

По определению USEPA вторичные стандарты, после того, как их свойства установлены по формазину, используются для проверки калибровки турбидиметра. Однако, эти стандарты нельзя использовать для калибровки приборов. Данные стандарты, такие, как гели с оксидами металлов, суспензии латекса, и все неводные стандарты разработаны для ежедневного контроля калибровки прибора.                     

Стабилизированные стандарты мутности на основе формазина StabCal. Это относительно новые стандарты, разработанные для калибровки или проверки характеристик любого турбидиметра. В Стандартах мутности StabCal рассеяние света происходит на таком же полимере, что и в обычных стандартах формазиновых мутности. Поскольку используется другая матрица, формазин в стандартах StabCal стабилизирован и со временем не деградирует, как в случае с традиционными стандартами низких значений мутности. Благодаря улучшенной стабильности, стандарты StabCalлюбой концентрации до 4000 NTU могут производиться и поставляться готовыми к использованию.                     

Стандарты мутности StabCal имеют ряд преимуществ переж традиционным формазином и прочими вторичными стандартами. Во-первых, они стабильны, как минимум, два года. На рис. 5 показана стабильность стандартов StabCal с тремя значениями мутности - 2,0 , 10,0 и 20,0 NTU. Стабильность данных стандартов не зависит от концентрации. Во-вторых, стандарты StabCal приготовляются в особых концентрациях, исключающих утомительные и чувствительные к методике приготовления посредством ряда точных разбавлений. В-третьих, в стандартах StabCal такое же распределение частиц, как и в формазине, и ими можно напрямую заменить формазин. Соттветственно, стандарты StabCal имеют определенные концентрации, которая не зависит от типа прибора. На рис. 6 показано сравнение характеристик стандартов StabCal и формазина в диапазоне от 1 до 5 NTU на различных турбидиметрах. И, наконец, стандарты StabCal готовятся из простых веществ и могут считаться первичными стандартами.                    

Природа матрицы StabCal также помогает снизить потенциальный вред здоровью, связанный с традиционными формазиновыми стандартами. Компоненты матрицы эффективно связывают следы гидразина в стандарте. Концентрация гидразина в образцах ниже пределов обнаружения. Содержание гидразина в стандартах StabCal как минимум на три порядка меньше, чем в традиционных стандартах такой же мутности.                     

Поскольку стандарты StabCal уже готовы, от пользователя требуется только тщательно перемешать стандарт перед использованием. Это уменьшает воздействие на стандарт, уменьшает возможность загрязнения стандарта и экономит время, которое иначе пришлось бы тратить на приготовление этих стандартов точным разбавлением.

         
                

Нефелометрия как метод измерения мутности

             
           

Со временем потребность в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала улучшения характеристик турбидиметров. Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении, поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точно определить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасания сильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в приборе Джексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью в длинноволновой области спектра, где рассеяние на мелких частицах не эффективно. По этой причине прибор был нечувствителен к суспензиям очень мелких частиц. (Мелкие частицы кремнезема не приводили к погасанию образа пламени в факельном турбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно также определить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, поскольку поглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрения становилось черным до того, как достигалась точка погасания.                    

Было разработано несколько турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенстивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но попрежнему не могли определть высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.                     

Решение проблемы заключается в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом к падающему свету и затем соотносить количество рассеянного под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных приборов определяют рассеяние под углом 90° (рис. 4). Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.

         
         
           
         Рис. 4. В нефелометрических измерениях мутность определяется по свету,           
         рассеянному под углом 90°
       
           

Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительными единицами выражения мутности стали нефелометрические единицы мутности NTU. В опубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методах химического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяет нефелометрию как метод определения мутности.                    

 Чтобы указать разницу между мутностью, определенной нефелометрическим и визуальным способами, результаты, полученные первым способом указывают NTU, а второго в JTU (1 JTU = 4 NTU). Кроме того, используются термины FNU (formazin nephelometric unit - нефелометрические единицы по формазину) и FAU (formazin attenuation unit - единицы затухания по формазину). FNU применяется при нефелометрических измерениях, а FAU при измерениях проходящего света. Все эти единицы относятся к стандартам на основе формазина (см. также статью "Единицы мутности").

         
         
           
         Рис. 5 Стабильность стандартов StabCal. По оси абсцисс отложено время в днях, начиная с даты приготовления, по оси ординат - изменение мутности в процентах
       
         
           
         Рис. 6 Сравнение показаний различных приборов по стандартам StabCal. С показаниями по разбавленному формазину
       
                

II. Современные мутномеры

           
           

Хотя к настоящему времени разработано множество методов для определения загрязнений в воде, определение мутности по-прежнему важно, поскольку мутность - это простой и неопровержимый показатель изменения качества воды. Внезапное изменение мутности может указывать на дополнительный источник загрязнения (биологический, органический или неорганический) или сигнализировать о проблемах в процессе обработки воды.                    

Современные инструменты должны определять мутность от предельно высоких до предельно низких значений в широком диапазоне образцов с частицами различного размера и состава. Возможность прибора определять мутность в широких пределах зависит от конструкции прибора. В данном разделе обсуждаются три основных узла нефелометра (источник света, детектор рассеянного света и оптическую геометрию), и как различия в этих узлах влияют на определение мутности прибором. Большинство измерений проводятся в диапазоне 1NTU и ниже. Для этого требуется стабильная работа прибора, малое количество постороннего света и отличная чувствительность.

         
                

Источники света в нефелометрах

           
           

В настоящее время в мутномерах применяются различные источники света, но самый распространенный - лампа накаливания. Такие лампа имеют широкий спектр, они просты, недороги и надежны. Свет от лампы количественно характеризуется цветовой температурой - температурой, которую должно иметь идеально черное тело, чтобы светиться таким же цветом. Цветовая температура белого каления и, следовательно, спектр свечения лампы зависят от приложенного к лампе напряжения. Для стабильного белого свечения лампы требуется хорошо регулируемый источник питания.                     

В случаях, когда в образце присутствуют частицы одного типа, или если требуется источник света с известными характеристиками, для нефелометрии можно использовать монохроматический источник света. Такой свет излучает, например, светодиод. Светодиод излучает в очень узкой области спектра по сравнению с нагретой до бела нитью накаливания (рис. 7). Поскольку в видимой области светодиоды более эффективны по сравнению с лампами накаливания, им требуется меньшая мощность для получения света той же интенсивности. Применение источников света с узкой спектральной характеристикой расширяется. Другие источники света, такие как лазеры, ртутные лампы и комбинации лампа + фильтр, в нефелометрии применяются редко.                     

Для представления результатов USEPA необходимы приборы с лампами накала, работающими при цветовой температуре от 2200° до 3000° К. В Европейском сообществе стандарт ИСО требует, чтобы прибор работал с источником света 860 нм и шириной спектра менее 60 нм. Лампа накаливания обеспечивает чувствительность к мелки частицам, однако подвержена влиянию окраски образца, приборы работающие с источником 860 нм не чувствительны к мелким частицам, однако к окраске нечувствительны.

         
         
           
         Рис. 5 Типичные спектральные характеристики лампы накаливания при трех цветовых температурах, светодиода 560 нм, He-Ne лазера и диода 860 нм, отвечающему требованиям ИСО 7027. По оси абсцисс - длина волны в нм, по оси ординат - относительная интенсивность.
       
                

Детекторы

           
           

После того, как свет с требуемыми характеристиками взаимодействует с образцом, результат должен быть зафиксирован с помощью детектора. В современных нефелометрах применяется четыре типа детекторов: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), вакуумный фотодиод, кремниевый фотодиод и фотоэлемент (фоторезистор) на основе сульфида кадмия.                     

Чувствительность детекторов отличается в различных диапазонах длин волн . Фотоэлектронные умножители, применяемые в нефелометрах, имеют пик спектральной чувствительности в синей области спектра и ближнем ультрафиолете. Чтобы обеспечить хорошую стабильность им требуется стабилизированный источник высокого напряжения. Вакуумный фотодиод обладает сходной спектральной характеристикой, но более стабилен, нежели фотоэлектронный умножитель (Рис. 6)

         
         
           
         Рис. 6. Типичные спектральные характеристики чувствительности фотодетекторов.           
         Обозначения осей - см рис.7
       
Однако, на их характеристики сильно влияют окружающие условия, особенно влажность. Кремниевые фотодиоды имеют пик в красной и инфракрасной части спектра. Фоторезистор на основе сульфида кадмия имеет пик чувствительности в промежутке между ФЭУ и кремниевого фотодиода.
         
           
         Рис.9.Эффективное спектральное распределение для лампы накаливания Т=3000°К и детектора CdS
       
         
           
         Рис. 10. Эффективное спектральное распределение для лампы накаливания Т=3000°К и детектора на кремниевом фотодиоде
       
           

Спектральная характеристика источника света и спектральная характеристика детектора и их сочетание - ключевые элементы характеристик нефелометра. В общем случае для любого детектора, чем короче длина волны падающего света, тем более чувствителен прибор к частицам меньшего размера. И наоборот: чем больше длина волны источника света - тем больше чувствительность к относительно крупным частицам. Детекторы приборов ведут себя сходным образом. Поскольку ФЭУ и вакуумный фотодиод чувствительны в коротковолновой (синей и УФ) области спектра, то в нефелометрах с полихроматическим источником света, детекторы обеспечивают чувствительность к мелким частицам. Чувствительность кремниевого фотодиода выше в длинноволновой области спектра и прибор с данным детектором более чувствителен к крупным частицам. В реальном инструменте комбинация источник/детектор определяет эффективную спектральную характеристику прибора и отклик прибора на образец.                     

На рис. 9 показана спектральная характеристика прибора с лампой накаливания и фотоэлементом на сульфиде кадмия. Пик спектральной чувствительности данного прибора находится около 575 нм. На рис. 10 показана спектральная характеристика прибора с тем же источником света и кремниевым фотодиодом, его чувствительность максимальна в области 875 нм. Поскольку спектральные характеристики приборов отличаются, прибор, представленный на рис.9, более чувствителен к мелким частицам, по сравнению с прибором, представленным на рис. 10. Также эти диаграммы иллюстрируют, что максимальная эффективность системы достигается в случае, когда источник света и детектор правильно подобраны, и их спектральные характеристики перекрываются как можно сильнее.

         
                

Оптическая геометрия нефелометров

           
           

Третий компонент, влияющий на качество показаний нефелометров - это оптическая геометрия, которая включает в себя параметры конструкции прибора, такие как, например, угол детектирования рассеянного света. Как пояснялось в разделе, посвященном теории рассеяния, различия в строении частиц вызывает различную угловую интенсивность рассеяния. Почти все нефелометры, используемые в анализе воды и стоков, имеют угол анализа равный 90°. Кроме того, что такой угол обеспечивает меньшую чувствительность к изменению размера частиц, прямой угол дает простую оптическую систему с малым количеством постороннего света.                     

Конструктивным параметром, определяющим, как чувствительность, так и линейность прибора, является длина оптического пути. С ростом оптического пути растет чувствительность, но в ущерб линейности показаний из-за множественного рассеяния и поглощения. И наоборот, с уменьшением длины оптического пути растет линейность, но падает чувствительность прибора в области низких концентраций (проблему можно решить, применив изменяемую длину оптического пути). Короткий оптический путь также увеличивает воздействие постороннего света. USEPA и ИСО требуют, чтобы длина оптического пути не превышала 10 см (от нити накала до детектора).                     

Производимые HACH турбидиметры ratio для достижения максимальной стабильности используют комбинацию оптических устройств: детектор, расположенный под углом 90°, комбинацию детекторов проходящего света, прямого и обратного рассеяния и зеркала, отражающие только ИК излучение. Дополнительная информация представлена в разделе данонй статьи, посвященном турбидиметрам ratio

         
                

III. Практические аспекты определения мутности

           
           

Пояснения, приведенные в предыдущей части, лежат в основе высокой точности определения мутности в идеальных условиях, достигнутой на сегодняшний день. Однако, в практических применениях помехи и погрешности представляют серьезную проблему, поскольку снижают точность любого прибора. Чтобы убедиться, что прибор работает должным образом и обеспечивает наиболее верный результат, важно проверять калибровку прибора.

         
                

Калибровка и проверка калибровки мутномеров

           
           

Процесс калибровки и проверки калибровки мутномера (нефелометра) в области низких значений мутности очень чувствителен как к методике, так и к окружающим условиям. Когда измеряемый уровень мутности падает до 1 NTU, помехи от пузырьков и загрязнений, мало влияющие при высоких уровнях мутности, могут приводить к показаниям с положительными ошибками и неверным результатам проверки прибора.                     

Корреляция между мутностью и нефелометрическим рассеянием света хорошо описывается линейной зависимостью в диапазоне от 0,012 до 40,0 NTU. Эта зависимость включает в себя и область предельно низких значений мутности от 0,012 до 1,0 NTU. Чистая вода имеет мутность порядка 0,012 NTU, что делает достижений более низких значений м использованием водных растворов невозможным. Линейная зависимость позволяет использовать для калибровки одну точку на весь диапазон от 0,012 до 40,0 NTU. При этом обязательно, чтобы стандарты были приготовлены с высокой точностью.               

Чтобы добиться высокой точности калибровки в данном линейном диапазоне, большинство турбидиметров HACH используют формазиновый стандарт 20,0 NTU. Эта концентрация выбрана, поскольку:                     

                 
  1. Такой стандарт легко точно приготовить из промышленного концентрированного стандарта;
  2.                          
  3. Такой стандарт остается стабильным достаточно долго, чтобы обеспечить точность при калибровке;
  4.                          
  5. Концентрация этого стандарта находится в середине линейного диапазона;
  6.                          
  7. Ошибки от загрязнений и пузырьков оказывают меньшее влияние на точность калибровки при 20 NTU, чем при низких значениях мутности калибровочного стандарта. Калибровка тубидиметра с использованием стандартов со сверхнизкой мутностью необязательна, но важно подтвердить точность и линейность показаний в области предельно низких значений. Стандарты для проверки калибровки со сверхнизкой мутностью используют для проверки характеристик приборов в нижней части диапазона измерений.
  8.                                                         

Стабилизированные стандарты мутности по формазину StabCalприготовлены с низкой мутностью чтобы использоваться для проверки калибровки в нижней части диапазона измерений. Данные стандарты приготовлены и упакованы в тщательно контролируемых условиях, чтобы обеспечить максимальную точность, какая только возможна. Кроме того, стандарты тщательно упакованы, чтобы сделать минимальным загрязнение от посторонних источников.                     

Такие исключительные меры необходимы, чтобы достичь возможность наиболее точной проверки калибровки в диапазоне малых значений мутности. Единичная частица пыли может вызвать пик более, чем 0,030 NTU. Это может привести к ошибке более, чем в 10 процентов. Методики, которым необходимо следовать, чтобы получить точные значения при измерениях низких уровней мутности, описаны в следующих нескольких разделах.

         
                

Проблема постороннего светорассеяния при определении мутности

           
           

Посторонний свет – источник значительных ошибок в при определении низкой мутности. Посторонний свет попадает в оптическую систему, но происходит не от образца. Прибор же одинаково реагирует на свет, рассеянный образцом и на свет от посторонних источников.                     

Посторонний свет происходит от разных источников: от измерительных ячеек с поцарапанными или несовершенными стенками, от отражений внутри рабочей камеры, от лампы, которая дает расходящийся свет, от линз, и в малой степени от электроники. В конструкции прибора используются линзы, щели, зеркала, отражающие только ИК излучение и различные световые ловушки для того, чтобы уменьшить влияние постороннего света. Тем не менее, существует источник постороннего света, который невозможно устранить конструктивно – это пыль, попадающая в измерительную ячейку, в рабочую камеру прибора. Со временем количество постороннего света в турбидиметре возрастает, поскольку загрязнение пылью увеличивает рассеяние света. В общем случае, в промышленных турбидиметрах постороннего света меньше, поскольку в их конструкции нет измерительной ячейки.                     

В отличие от спектрофотометрии, воздействие постороннего света нельзя обнулить. Некоторые производители предлагают пользователю поместить в измерительную камеру образец воды «с нулевой мутностью» и обнулить прибор, подстроив показания. Выполнение этой процедуры оставит без внимания несколько важных при определении мутности аспектов. Во-первых, в воде, даже отфильтрованной через лучшие фильтры, всегда присутствуют частицы. Далее, молекулы вода сами по себе рассеивают свет. Молекулярное рассеяние и присутствие мельчайших частиц вносят вклад в мутность любого водного образца. Если поместить образец в круглую 1-дюймовую ячейку, то наименьшее измеренное значение мутности составит от 0,010 до 0,015 NTU, в зависимости от используемой оптической системы. Сама измерительная ячейка играет довольно сложную роль, рассеивая свет на царапинах и несовершенствах поверхности и влияя на падающий луч. Измерительная ячейка может также и способствовать фокусированию луча, что в свою очередь, снижает количество постороннего света. Другой важный фактор – это ряд переменных, которые вводятся, при использовании нескольких ячеек. Вторая измерительная ячейка может (и скорее всего будет) обладать совершенно иным рассеянием, нежели та, которая использовалась для обнуления показаний прибора. Все эти соображения игнорируются при обнулении прибора. Значительная часть измеренного значения не учитывается в предположении, что относится к чистой воде, хотя на самом деле, картина куда сложнее. В этом случае произойдет избыточная коррекция и показания прибора будут ошибочно занижены.                     

Определить посторонний свет в турбидиметре количественно очень трудно. Один из методов заключается в том, чтобы приготовить суспензию формазина известной концентрации с низкой мутностью. Образец аккуратно добавляют концентрируют несколько раз, определяя мутность после каждой добавки. Посредством метода стандартных добавок определяют истинное значение мутности в исходном стандарте. Разница между измеренным значением и найденным теоретически практически соответствует количеству постороннего света. Данный метод определения постороннего света крайне сложен и требует максимальной чистоты и скрупулезной точности измерений. Тем не менее, это эффективный способ определения постороннего света. Если низкие значения мутности важны, то посторонний свет должен учитываться в ходе определения. Пользуясь данным методом, можно устранить влияние постороннего света на измерения. В таблице 1 приведены вычисленные значения постороннего света в турбидиметрах HACH.                    

Есть несколько способов уменьшить количество постороннего света. Первый – сохранять прибор и измерительные ячейки в чистоте. Чтобы уменьшить загрязнения прибор надлежит хранить в чистом помещении без пыли. Прибор необходимо регулярно аккуратно чистить. Ячейки необходимо тщательно чистить как снаружи, так и изнутри. Когда ячейки не используются, они должны быть закрыты, чтобы предотвратить попадания пыли. Кроме того, снаружи их нужно покрывать силиконовым маслом, которое заполнит мелкие царапины, также вызывающие рассеяние света.

         
           

 Таблица 1. Характеристика постороннего светорассеяния в мутномерах HACH                                                                                                                                                                                                                                                                                             

Прибор Диапазон Значение
2100A 0 to 10 NTU < 0.04 NTU
2100 A 0 to 100, 0 to 1000 NTU < 0.5 NTU
SS6/SS6SE 0 to 10000 NTU < 0.04 NTU*
Ratio, Ratio XR 0 to 200, 0 to 2000 NTU < 0.012 NTU
1720C 0 to 100 NTU < 0.01 NTU*
1720D 0 to 100 NTU < 0.008 NTU*
2100P 0 to 1000 NTU < 0.02 NTU
2100N/AN 0 to 10000 NTU < 0.01 NTU
2100 AN IS 0 to 10000 NTU < 0.005 NTU
2100 N IS 0 to 10000 NTU/FNU < 0.5 NTU
Pocket Turbidimeter 0 to 400 NTU < 0.1 NTU
           

                   

*Значения получены косвенно. Для модели SS6 приводится значение, полученное на основании данных о точности прибора; для моделей 1720C и 1720D значения получены с помощью стандартов сверхнизкой мутности.

         
                

Определение предельно низких значений

           
           

Основная задача нефелометрии – это определение предельно низких значений мутности. Обычно это определение мутности менее 1 NTU в пробах чистой воды. В таких пробах примеси не видны невооруженным глазом. Такова, например, питьевая вода или вода, используемая при производстве полупроводников или на электростанциях.                     

При определении низких значений мутности существуют два источника ошибок: посторонний свет (см. выше) и загрязнение пробы частицами. Загрязнение посторонними частицами вносит большую погрешность в измерения. Меры, помогающие уменьшить ошибку от загрязнений таковы:

                   

1. Измерительные ячейки должны быть тщательнейшим образом очищены.                     

а) Вымыть ячейку с мылом и деионизированной водой.                    

б) Немедленно погрузить в раствор 1:1 соляной кислоты и выдержать как минимум час. Также можно поместить ячейки в ультразвуковую ванну, чтобы легче было удалить частицы с поверхности стекла.   

в) Затем немедленно ополоснуть ультрафильтрованной деионизированной водой (фильтрование обратным осмосом, либо через фильтр 0,2 мкм). Промыть не менее 15 раз.                     

г) Сразу после того, как ячейки промыты, закупорить их, чтобы предотвратить попадание пыли и высыхание внутренней поверхности ячеек.                    

Для оценки чистоты измерительных ячеек поведите простой тест. Заполните ячейку ультрафольтрованной деионизированной водой. Дайте постоять несколько минут. Отполируйте ячейку силиконовым маслом и определите мутность. После этого, поместите ячейку в ультразвуковую ванну на 5 секунд. Снова отполируйте и определите мутность. Если изменений нет, то ячейку можно считать чистой. Если после воздействия ультразвуком мутность увеличилась, значит внутренние стенки содержат загрязнения, которые могут попасть в образец. Другой способ оценки – уровень шума. Сверхчистые ячейки, заполненные сверхчистой водой дают очень ровный уровень мутности менее 0,03 NTU.

                   

2. Ячейки должны быть помечены.                     

Очистив ячейки, заполните их ультрафильтрованной водой. Дайте постоять. Чтобы вышли пузырьки. Затем отполируйте силиконовым маслом ячейки и определите значения мутности при различной ориентации ячейки. Найдите ориентацию, при которой мутность минимальна, и пометьте его. Для выполнения измерений придерживайтесь данной ориентации.                     

3. Удаление пузырьков.

                   

Микропузырьки могут быть источниками положительных ошибок при определении мутность. Лучший способ избавиться от них это дать образцу выстоять несколько минут, чтобы пузырьки всплыли. Если образец необходимо перемешать – аккуратно медленно переверните несколько раз. Это позволит перемешать образец, но не внести в него пузырьки воздуха, которые скажутся на измерениях.                     

Также эффективно вакуумирование образцов. Однако, необходимо следить, чтобы в пробу не попали загрязнения от вакуумного насоса. Для устранения пузырьков можно использовать ультразвуковую ванну, однако необходимо предварительно убедиться, что ячейка идеально чиста. Также ультразвуковая ванна может вызывать изменение размеров и формы частиц или отрывать их от стенок, увеличивая мутность образца.                     

4. Хранить ячейки отполированными.                     

Полировка внешней поверхности силиконовым маслом поможет предотвратить прилипание частиц. Силиконовое масло поможет также уменьшить посторонний свет, поскольку оно заполнит мелкие царапины, на которых иначе происходило бы рассеяние света.                     

5. По возможности, использовать только одну ячейку.                    

Идеально чистую ячейку желательно использовать для работы со всеми образцами. При установки ячейки в одинаковой ориентации влияние самой ячейки исключается, и можно точно сравнивать мутность различных образцов. Если необходимо несколько ячеек, следует ввести поправки. Для получения поправок используйте лучшую ячейку. Сохраняйте ее для работы с образцами самой низкой мутности.

         
                

Точность турбидиметра (нефелометра) в области низких значений

           
           

При работе в области низких значений мутности крайне важно проверить точность анализатора мутности. Традиционные стандарты с такими значениями мутности сложно приготовить и они стабильны очень короткое время.                     

В настоящее время существует два метода проверки точности прибора в области низких значений. Простой предполагает использование стабилизированных проверочных стандартов на основе формазина. Существуют стандарты в диапазоне 0,от 10 до 1,00 NTU. Они готовятся и упаковываются в строжайших условиях, чтобы добиться максимально возможной точности. Подробные инструкции поясняют, как обращаться со стандартом, чтобы правильно и точно определить характеристики прибора и методики в области низких значений. Второй способ оценки характеристик прибора при работе в области низких значений мутности – разбавить исследуемый образец известным количеством стабильного стандарта. Чтобы провести такой тест нужно следующее:                     

                 
  • вода сверхнизкой мутности, предпочтительно очищенная обратным осмосом или фильтрованием через мембрану 0,2 мкм
  •                          
  • очень чистая стеклянная посуда, в том числе одна измерительная ячейка высокого оптического качества
  •                          
  • свежеприготовленный стандарт мутности по формазину 20,0 NTU
  •                          
  • точная автоматическая пипетка типа TenSette® Pipet® или аналогичная
  •            
                                       

Используя перечисленное оборудование, пользователь может определить, как прибор реагирует на добавки стандарта. Ниже приведен пример того, как проводить тест:                     

                 
  1. С помощью пипетки поместить 25 мл очищенной обратным осмосом воды в чистую измерительную ячейку. Ячейка должна быть сухой. Немедленно закрыть ячейку.
  2.                          
  3. Отполировать ячейку и аккуратно поместить в турбидиметр, соблюдая ориентацию.
  4.                          
  5. Дождаться, пока показания станут стабильными. Обычно на то, чтобы пузырьки всплыли, требуется от 1 до 5 минут
  6.                          
  7. Записать показания
  8.                          
  9. С помощью пипетки 0 – 1,0 мл TenSette® или аналога и чистого носика добавить 0,5 мл стандарта 20,0 NTU. Перед использованием стандарт нужно тщательно перемешать. Приращение мутности должно составлять 0,39 NTU.
  10.                          
  11. Закрыть ячейку и аккуратно перевернуть 10 раз, чтобы размешать содержимое.
  12.                          
  13. Снова отполировать ячейку. Поместить в турбидиметр, соблюдая ориентацию.
  14.                          
  15. Снова подождать 1 – 5 минут, пока стабилизируются показания.
  16.                          
  17. Записать показания.
  18.                                                        

Разница между значением, полученным в п. 9 и значением мутности чистой воды, полученным в п. 4 составляет отклик прибора на добавку стандарта формазина 20,0 NTU. Теоретически мутность должна измениться (в данном образце) на 0,39 NTU. Разница между откликом прибора и теоретическим значением составляет ошибку прибора при работе в данной области. Большую часть этой ошибки составляет посторонний свет от прибора и измерительной ячейки. Величину ошибки можно вычитать при определении мутности. Данная процедура работает до тех пор, пока: 1) используемая стеклянная посуда тщательнейшим образом отмыта; 2) добавляемый образец свежий (не более 30 минут); 3) добавка производится точно; 4) каждый раз используется одна и та же ячейка в одном и том же положении; 5) оптика прибора чистая, прибор содержится в чистом помещении; и 6) для работы с образцами используется та же ячейка. 

                                                                     
                

Определение мутности сверхчистой воды

           
           

Сверхчистая вода обладает некоторыми особыми свойствами, которые можно использовать при определении мутности. Для того, чтобы добиться получения качественных образцов, при подготовке и в работе, необходимо строго следовать приведенной методике. Свойства сверхчистой вода приводятся ниже:

                   
                 
  1. Значение мутности обычно от 0,010 до 0,030 NTU при измерении на правильно откалиброванном лабораторном турбидиметре с низким значением постороннего света.
  2.                          
  3. Показания мутности стабильны, колебания не более 0,001 NTU. Если показания плывут более, чем на 0,003 NTU, причина в наличии частиц или пузырьков; постепенно пузырьки будут уходить из образца и показания стабилизируются.
  4.                          
  5. Показания прибора будут стабильны при изменении температуры образца.
  6.                          
  7. Образец может быть окрашен, но будет прозрачным. Частицы не должны быть видны невооруженным взглядом.
  8.                                                        

Из-за высокой чистоты образцы крайне агрессивны. Со временем в них будет растворяться газ, и мутность будет возрастать. Хотя обычно, на это требуется более 24 часов. Итак, при определении мутности необходимо всегда использовать свежие образцы.

         
                

Определение больших значений мутности

           
           

Определение сверх высокой мутности – это обычно такое измерение, при котором невозможно определить концентрацию частиц нефелометрическим способом. В приборах с длиной пути света в образце 1 дюйм сигнал нефелометрического датчика начинает уменьшаться при достижении мутности порядка 2000 NTU. Начиная такого уровня, увеличение мутности будет приводить к уменьшению сигнала нефелометрического детектора.                     

Но для определения мутности в таких образцах существуют другие способы: по проходящему свету, по прямому рассеянию и по обратному рассеянию. Количество проходящего света и рассеянного вперед обратно пропорциональны возрастанию мутности и дают хорошие результаты до значений порядка 4000 NTU. При значениях мутности более 4000 NTU (с использованием стандартной 1 дюймовой ячейки) сигнал от проходящего или от рассеянного вперед света настолько мал, что сравним с уровнем шума, т.е. шум прибора становится основным источником помех. С другой стороны сигнал датчика обратного рассеяния возрастает пропорционально возрастанию мутности. Показано, что детектирование обратного рассеяния эффективно для определения мутности в диапазоне от 1000 до 1000 NTU (и выше). Ниже 1000 NTU сигнал датчика обратного рассеяния очень мал и теряется в шуме прибора. С помощью комбинации детекторов можно определять мутность от минимальных до сверхвысоких значений.                    

Определение сверхвысокой мутности широко применяется, например, для контроля содержания жира в молоке, содержания таких компонентов, как диоксид титана в красках, шлама в горных породах, воды в обратном иле очистных сооружений.                    

При определении сверхвысокой мутности измерительная ячейка сильно влияет на точность. Ячейка не является идеально круглой, а толщина стенки непостоянна. Эти два фактора оказывают значительное влияние на определение мутности и особенно на определение по обратному рассеянию. Чтобы уменьшить влияние ячейки, необходимо выполнять несколько измерений при различной ориентации ячейки. Рекомендуются положения 0, 90, 180 и 270 градусов относительно метки. Измерения необходимо выполнять, используя одинаковую методику подготовки пробы. Измерения следует проводить через одинаковые интервалы времени после перемешивания пробы, чтобы достичь максимальной воспроизводимости измерений. Полученные значения необходимо усреднять, и принимать за истинное значение усредненную величину.                     

Определение сверхвысокой мутности обычно используется для контроля за управлением производственным процессом. Пользователь сперва должен установить взаимосвязь между мутностью и различными условиями протекания процесса. Для определения зависимости пробу разбавляют и определяют мутность при каждом разбавлении. Строят график зависимости мутности от разбавления. Наклон аппроксимирующей прямой показывает природу зависимости. Если наклон большой (больше 1), значит соответствие хорошее и потенциальные помехи измерениям минимальны. Если наклон маленький (меньше 0,1), значит существуют помехи, влияющие на измерения. В этом случае образец следует разбавлять до тех пор, пока наклон не начнет возрастать. Если же наклон близок к нулю или отрицательный, значит мутность слишком велика, либо помехи слишком сильны. Образец опять же следует разбавить.                     

При определении сверхвысокой мутности цвет может быть основной помехой. Возможное решение в случает цветовых помех – это значительно разбавить пробу. Альтернативный способ состоит в том, чтобы выявить спектр поглощения образцов и проводить определение мутности на тех длинах волн, которые образец не поглощает. Использование длины волны 800..860 нм эффективно, потому что большинство окрашенных соединений, встречающихся в природе, незначительно поглощают свет с такой длиной волны.                    

Возможность производить определение мутности в диапазоне сверхвысоких значений дает простую физическую характеристику для большого количества образцов и процессов. В целом, каждый процесс уникален, и требуются некоторые усилия, для того чтобы точно характеризовать образец и его свойства посредством турбидиметрических (нефелометрических) измерений.

         
                

Мутность и содержание взвешенных веществ (твердых частиц)

           
           

Традиционный анализ содержания взвешенных веществ обычно заканчивается гравиметрией, которая требует много времени и чувствительна к методике эксперимента. Обычно, для завершения анализа требуется от двух до четырех часов. Таким образом, даже если проблема и найдена, время для ее решения зачастую уже упущено. Это приводит к дорогостоящему простою и ремонту. При этом мутность можно использовать как замену продолжительным гравиметрическим анализам. Необходимо установить взаимосвязь между мутностью и общим количеством твердых частиц (содержанием взвешенных веществ) в пробе. Если зависимость существует, то турбидиметр (мутномер) можно использовать для контроля за содержанием взвешенных веществ и получать быстрый результат. Использование турбидиметра позволяет сократить время ожидания результата с часов до секунд. Для определения зависимости мутности от общего содержания твердых частиц разработана соответствующая процедура. При определении данной зависимости делаются некоторые предположения.                     

                 
  • Образец не содержит плавучих частиц.
  •                          
  • Образец должен быть текучим настолько, что при перемешивании станет однородным и может быть аккуратно разбавлен.
  •                          
  • Образец содержит твердые частицы такие же, как в образцах, работа с которыми планируется.
  •                          
  • Состав образца должен быть хорошо известен.
  •                          
  • Процедура определения зависимости должна быть как можно короче.
  •                          
  • Образец необходимо тщательно перемешивать при любом разбавлении или измерении.
  •                          
  • Методика подготовки пробы и выполнения измерений должна быть одинакова при изучении зависимости и при изучении образцов во время контроля технологического процесса.
  •                          
  • Температура образца должна совпадать с температурой интересующего процесса. В дальнейшем температуры всех образцов должны быть одинаковы, как при определении мутности, так и пир фильтровании образцов для гравиметрического анализа.
  •            
                                         

Процедура определения зависиli              /tdмости разделена на четыре стадии. Ниже приведено краткое описание каждой из них.                     

1. Разбавление образца                    

Для того, чтобы покрыть весь возможный диапазон содержания твердых частиц, необходимо несколько ступеней разбавления образца. Для разбавления образцов необходимо использовать воду с «нулевой мутностью». Неводные растворители должны быть бесцветными, без частиц, растворитель должен соответствовать химическим и физическим свойствам образцов.                    

2. Определение общего содержания твердых частиц в образце при каждом разбавлении.                     

Содержание твердых частиц при каждом разбавлении определяют гравиметрическим способом. Необходимо позаботиться о соблюдении методики на протяжении всего ряда измерений.                     

 3.Определение мутности при каждом разбавлении                     

Определяют мутность каждого образца. Необходимо придерживаться одинаковой методики для определений мутности всех образцов. Например, каждый образец переворачивать одинаковое количество раз, выдерживать интервал между смешиванием и снятием показаний и т.д.                     

 4.Определение зависимости между мутностью и результатами гравиметрического анализа                    

Строят график зависимости между общим содержанием твердых частиц и мутностью. Для нахождения корреляции пользуются методом наименьших квадратов (МНК). МНК – это статистический метод для определения зависимостей. Коэффициент корреляции 0,9 или более свидетельствует о применимости найденной зависимости между мутностью и общим содержанием твердых частиц. Построив график, можно определить чувствительность найденной корреляции. Чем круче наклон, тем выше чувствительность турбидиметрии и тем лучше зависимость будет описывать реальный образец. Копию описанной процедуры (Method 8366) можно получить в компании Hach. 

                             
                

Передовые методики определения мутности: приборы Ratio

           
                

Мутномеры HACH

           
           

Эта часть посвящена конструкции и характеристикам относительно нового семейства турбидиметров (мутномеров) Hach, разработанных в соответствии с последними критериями Управления по охране окружающей среды USEPA – 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS и 2100P. В них применена методика, основанная на соотношениях сигналов (ratio), все они разработаны для анализа воды и промышленного применения.                     

Чем так важна методика, примененная в турбидиметрах Ratio? Из-за окраски проб применение нефелометрического определения мутности было сильно ограниченно, особенно в промышленных процессах при производстве напитков, пищевых продуктов, клеточных культур и диспергированного в воде масла. Обыкновенные турбидиметры не могли отличить влияние окраски от влияния мутности. В ответ на изменение потребностей предприятий водного хозяйства и потребности в применении турбидиметров для работы с окрашенными жидкостями в компании Hach разработан ряд турбидиметров, работающих по методике, основанной на соотношении сигналов. Этих приборах не только не чувствительны к влиянию окраски образца, но и обладают преимуществом в скорости, точности и надежности показаний по сравнению с предшественниками.

         
                

Задачи, стоявшие при проектировании мутномеров HACH

           
           

Для того, чтобы добиться высочайших характеристик и иметь широкий спектр применений разрабатываемый прибор должен был отвечать пяти требованиям.                     

1. Прибор должен соответствовать требованиям USEPA или ISO к приборам, предназначенным для анализа воды.                     

Во-первых, турбидиметр должен соответствовать государственным требованиям. Хотя уникальные свойства прибора и позволяют использовать его во многих областях промышленности, ожидается, что анализ воды останется основным направлением, где используется нефелометрия. Исходя из данной задачи, прибор должен обладать следующими характеристиками:                     

                 
  • В качестве источника света применяется лампа накаливания, работающая при цветовой температуре между 2200 К и 3000 К для EPA, или светодиод 860 нм с шириной линии менее 60 нм для ISO 7027.
  •                          
  • Длина оптического пути должна не должна составлять более 10 см
  •                          
  • Рассеиваемый свет определяется детектором, расположенным под углом 90° ± 2,5° к направлению падающего луча. Данный детектор будет основным.
  •                          
  • Для соответствия требованиям EPA система фильтров и детекторов должна иметь максимум в области 400 – 600 нм.
  •                                                           

2. Работа прибора должна быть стабильной в течение продолжительного времени, чтобы не требовалось регулярно использовать стандарты.                    

Условие длительной стабильности приводит к большему удобству и точности. Ранние модели нефелометров имели на передней панели присутствовали средства для подстройки и требовали использования стандартов перед каждым сеансом работы. В турбидиметрах, ratio достигнута стабильность работы, требующая калибровки раз в месяц и даже раз в квартал. Калибровка основана на специальном алгоритме и проще, чем в предыдущих моделях. Меньшее количество калибровок означает большее доверие к стандартам на основе формазина, нежели к использованию вторичных стандартов.                     

3. Точность прибора должна достигать 0,01 NTU, величина постороннего света должна быть не более, чем 0,010 NTU.                     

Поскольку турбидиметры начали применять для определения мутности на нижнем пределе их чувствительности, появилась необходимость в точности при определении малых значений мутности. Наибольший источник ошибок в этих случаях – посторонний свет, то есть свет, который попадает на детектор от посторонних источников, а не рассеиваемый веществом в ячейке. Посторонний свет вносит положительную погрешность, которая заставляет прибор показывать большее значение, чем есть на самом деле. Если бы количество постороннего света в приборе поддавалось измерению, электроника могла бы компенсировать его действие. Но, поскольку экспериментальное определение постороннего затруднительно, предпочтительным решением оказалось разработать оптическую систему таким образом, чтобы влияние постороннего света было пренебрежимо мало. (см. часть III).                    

На решение данной задачи ориентировались при конструировании мутномеров 2100N, 210AN, 2100 AN IS, 210N IS и 2100P.

                   

4. Прибор выдавать результат непосредственно в NTU.                    

Преимущества цифровых дисплеев в том, что они просты в использовании, с ними исключена ошибка при снятии показаний, они позволяют увеличить разрешение и точность. Цифровой дисплей также дает пользователю информацию об уровне шума и качестве полученного значения при определении низкой мутности. Для калибровки аналоговых приборов использовалась нелинейная шкала, в то время как цифровой сигнал можно обработать таким, образом, чтобы представить показания непосредственно в единицах мутности. Это требования оказало значительное влияние на конструкцию турбидиметров ratio.                     

5. Прибор должен иметь возможность точно определять мутность даже в сильно окрашенных образцах.                     

Ряд проблем при измерении мутности окрашенных образцов не позволял использовать для этой цели обычные нефелометры. Цвет уменьшал интенсивность падающего и рассеянного света, в результате чего результаты оказывались заниженными, пользуясь обычным нефелометром, было невозможно. Разработка турбидиметров, работающих на соотношении сигналов, и устойчивых к окраске, открывает множество новых применений нефелометрии.

         
         
           
         Рис. 11. Оптическая схема турбидиметров Hach, работающих на соотношении сигналов.
       
                

Оптическая схема мутномеров HACH

           
           

Оптическая схема турбидиметров, работающих на соотношении сигналов, является ключевым элементов к нескольким техническим характеристикам. Среди них хорошая стабильность, линейность показаний, чувствительность, низкое значение постороннего света и нечувствительность к окраске. На рисунке 11 представлена оптическая схема, примененная в лабораторных турбидиметрах 2100N, 2100AN, 2100AN IS, и 2100N IS2100N отсутствует детектор обратного рассеяния). Прибор 2100P имеет только детектор 90° и детектор света. 2100N IS имеет только детектор 90°.                     

В основе принципа работы турбидиметров 2100N и 2100AN лежит принцип пропорциональной зависимости между количеством рассеянного света и количеством взвешенных частиц в веществе. Свет от галогеновой лампы, работающей при температуре 2700 К, собирается тремя поликарбонатными линзами. Поликарбонат устойчив к температурному воздействию, создаваемому этой лампой. Линзы разработаны таким образом. Чтобы собрать как можно больше света и спроецировать изображение нити на измерительную ячейку. Синий инфракрасный фильтр сдвигает пик чувствительности детектора в область 400 - 600 нм в соответствии с требованиями EPA. В 2100AN вместо синего ИК фильтра можно использовать интерференционную решетку, чтобы проводить определение мутности в квазимонохроматическом свете. Ряд перегородок между линзами и ячейкой задерживает свет, рассеянных на поверхности линз, и препятствует попаданию постороннего света на детектор. Каждая следующая перегородка (кроме последней) имеет щель меньше, чем у предыдущей. Последняя перегородка имеет большое отверстие, чтобы луч не мог высветить край отверстия и не появлялось постороннего света.

         
         
           
         Рис. 12. Зависимость между рассеянием света и мутностью
       
           

Кремниевые фотодиоды детектируют изменение количества света, проходящего через образец и рассеянного образцом. Большой детектор проходящего света определяет количество света, проходящее сквозь образец. Фильтр с оптически нейтральной плотностью ослабляет свет, падающий на детектор. Фильтр и детектор повернуты на угол 45°к падающему свету, чтобы отражения от поверхности фильтра и детектора не попадали в ячейку. Детектор прямого рассеяния определяет интенсивность рассеянного света, выходящего под углом 30° от направления падающего луча. Детектор, расположенный под углом 90° к направлению прохождения луча, определяет рассеяние света по нормали к падающему. Данный детектор установлен вне плоскости, которую образуют падающий луч и детекторы. Установка под углом и дополнительный экран задерживают свет, рассеиваемый на стенках ячейки, но позволяют проходить свету, рассеянного образцом. Сигналы детекторов математически обрабатываются и из соотношения выводится величина мутности. В 2100AN установлен четвертый детектор обратного рассеяния, который определяет интенсивность света, рассеянного под углом 138° к номинальному направлению. Этот детектор чувствует свет, рассеиваемый очень мутными образцами, когда прочие детекторы уже не дают линейного сигнала. Применение данного детектора расширяет диапазон измерений до 10 000 NTU. На рис. 12 показано соотношение между рассеянием света и мутностью, определяемое различными детекторами в турбидиметрах Hach.                     

В традиционных нефелометрах и других оптических приборах лампы и детекторы зачастую являются основным источником шума и дрейфа. Применение детекторов улучшенной конструкции устраняет часть проблем, а использование соотношения сигналов компенсирует влияние лампы. Значение мутности выводится из соотношения значения сигнала нефелометрического детектора к взвешенной сумме сигналов детекторов проходящего света и прямого рассеяния. (При низких и средних уровнях мутности сигнал детектора прямого рассеяния пренебрежимо мал и результат вычисляется как отношение сигнала нефелометрического детектора к сигналу детектора проходящего света.) Соотношение сигналов (от которого происходит название серии - ratio)является ключевым элементом, придающим приборам превосходную стабильность на протяжении длительного времени. Кроме колебаний яркости лампы принцип соотношений компенсирует загрязнение и помутнение оптики, а также температурные коэффициенты детекторов и усилителей. Прибор, работающий на соотношении сигналов настолько стабилен, что постоянная стандартизация прибора не требуется.

         
         
           
         Рис. 13. Зависимость сигнала прибора от концентрации частиц при различной оптической геометрии
       
           

При высоких уровнях мутности общая характеристика однолучевых нефелометров становится нелинейной, и прибор "слепнет", поскольку затухание света преобладает над рассеянием. Такой ситуации соответствует кривая C на рис. 13. Можно предположить, что использование простого соотношения рассеянного и проходящего света расширит область линейной зависимости, поскольку свет проходит более менее одинаковое расстояние внутри образца и должен затухать одинаково, к в случае с окрашенным образцом. Однако, при высоком значении мутности, свет претерпевает множественное рассеяние. Множественное рассеяние сокращает расстояние, проходимое светом, который улавливает нефелометрический датчик, и увеличивает расстояние дистанцию внутри образца для проходящего насквозь света. В результате свет, проходящий насквозь, оказывается более ослаблен, чем рассеянный в стороны. В результате, прибор завышает показания (линия A на рис. 13).

                   

                   

         
         
           
         Рис. 14. источники постороннего света в турбидиметре
       
           

В турбидиметрах 2100N, 2100AN и 2100AN IS для линеаризации показаний при высокой мутности применен детектор прямого рассеяния. Значение сигнала этого детектора стоит в знаменателе отношения. При малых значениях мутности его сигнал мал и не влияет на результат. При высоких значениях мутности сигнал детектора прямого рассеяния возрастает и компенсирует затухание проходящего света, в результате показания прибора соответствуют прямой линии B на рис. 13. При верном выборе угла установки детектора прямого рассеяния и величины поправки показания прибора будут линейны в широком диапазоне, что и требуется для вывода показаний сразу в единицах NTU.

         
         
           
         Рисунок 15. Расположение детектора вне плоскости в турбидиметрах ratioуменьшает воздействие постороннего света.
       
           

Для работы с образцами с малыми значениями мутности прибор должен иметь хорошие характеристики по постороннему свету. Уровень постороннего света (светорассеяния) в турбидиметрах 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS составляет менее 0,01 NTU, а у модели 2100P менее 0,02 NTU, что значительно лучше, чем у модели 2100A (0,04 NTU).

         
         
           
         Рис. 16. Сравнение показаний мутности вина и пива для классических турбидиметров и турбидиметров Ratio
       
           

Низкий уровень постороннего света достигнут благодаря тому, что нефелометрический детектор и соответствующие перегородками установлены под углом 15° над плоскостью установки других детекторов (рис. 15). На рисунке 15 представлено поперечное сечение, проходящее через центр измерительной ячейке, перпендикулярно направлению падающего луча. Важно отметить, что детектор по-прежнему улавливает свет, рассеиваемый под углом 90° к падающему свету. Перегородки установлены таким образом, чтобы детектор видел весь объем, пересекаемый падающим лучом, но не видел заднюю стенку ячейки выше оптической оси. Причина этому проиллюстрирована на рис. 14. Посторонний свет обычно вызван рассеянием и отражениями от стенок измерительной ячейки. Отражения сами по себе или рассеяние на поверхности не дают ощутимого количества постороннего света, попадающего на детектор на рис. 14, но указаны оба механизма образования постороннего света. Первый механизм - это рассеяние света на входе в ячейку, луч отклоняется по линии 1 в сторону нефелометрического детектора, где, покидая ячейку, рассеивается снова и свет попадает на детектор. Отклоняясь по линии 2, свет достигает противоположной стенки измерительной ячейки, отражается от нее и попадает на детектор. Второй механизм является основным источником постороннего света, поскольку отражения (4%) намного более интенсивны, чем рассеяние (0,1%) на стенках ячейки. Расположенный вне плоскости детектор не фиксирует посторонние отражения и количество постороннего света значительно уменьшено.

         
         
           
         Рис. 17 Сравнение показаний мутности, создаваемой коллоидными частицами углерода в винах и пиве между классическими турбидиметрами и турбидиметрами Ratio
       
                

Алгоритмы работы мутномеров HACH

             
            

В мутномерах HACH заложены различные алгоритмы вычисления результата: с использованием соотношения сигналов и без использования соотношения (приведены алгоритмы последних моделей). Алгоритмы описаны в следующих разделах.                    

Алгоритм, использующий соотношение сигналов - RatioTurbidity (Four Point RatioTurbidity*)                     

Величина мутности вычисляется по формуле:                    

T=I90 / (d0* It+ d1* Ifs+ d2* Ibs+ d3* I90)                    

Где             
           T - мутность в единицах NT             
           d1,d2,d3,d4 - калибровочные коэффициенты             
           I90 - ток нефелометрического детектора             
           It - ток детектора проходящего света             
           Ifs - ток детектора переднего рассеяния             
           Ibs - ток детектора заднего рассеяния

                   

* U.S. Patent 5,506,679

         
           

Алгоритм, не использующий соотношение сигналов (non-ratio algoritm)                     

Величина мутности вычисляется по формуле:                    

T=a * I90  ,                    

Где             
           T - мутность в единицах NTU (0 - 40 NTU)             
           a - калибровочная константа             
           I90 - ток нефелометрического детектора

         
                

Практическое применение мутномеров HACH

           
           

Работа с использованием соотношения сигналов помимо высокой стабильности прибора обеспечивает еще и отсутствие чувствительности к окраске. Поскольку и проходящий, и рассеянный на 90° свет проходят почти одинаковое расстояние через пробу, затухание, вызванное окраской для них одинаково. Следовательно, при взятии соотношения, воздействие окраски сильно уменьшается. Это преимущество открывает новые области для применения турбидиметрии, главным образом в пищевой промышленности и в производстве напитков, где проба часто окрашена, и где предъявляются требования к внешнему виду продукта.                     

Рисунок 16 позволяет сравненить влияния цвета на показания обыкновенных турбидиметров и турбидиметров ratio. В обоих случаях приборы были откалиброваны с использованием суспензии формазина в деионизированной воде. Известное количество формазина добавлялось в пиво (желтое), розовое вино (бледно-розовое) и к бургундскому вину (темно-красное). В идеале результаты не должны отличаться от тех, которые получаются с водными пробами. Показания обычных нефелометров сильно занижены, как и следовало ожидать. Чем интенсивнее окраска - тем больше ошибка. При уровне мутности 100 NTU показания для пива, розового вина и бургундского составили 60, 8 и 4 NTU соответственно. Турбидиметры, работающие на соотношении сигналов дали заметно лучшие результаты - средняя ошибка составила 10%.                    

Следует отметить, что компенсация цвета неидеальна даже в турбидиметрах, работающих на соотношении сигналов, в основном из-за различия спектров рассеянного и проходящего света.                    

На рисунке 17 приведены показания приборов, в случае, когда проба представляла собой коллоид углерода в пиве, бургундском вине и деионизированной воде. В этом случае идеальная чувствительность не достигается, поскольку мутность создается не формазином.                    

В этих рисунках имеется три вещи, представляющих интерес. Во-первых, турбидиметры, работающие на соотношении сигналов, гораздо более чувствительны к частицам углерода. Во-вторых, результаты измерений на турбидиметрах, работающих на соотношении сигналов, почти не зависят от окраски пробы, в то время, как у обычных нефелометров результаты сильно расходятся. В-третьих, турбидиметры, работающие на соотношении сигналов, линейные результаты при определении углерода.                     

Показания обычных приборов линейны при малых концентрациях, но при повышении концентрации не увеличиваются и даже уменьшаются при высоком содержании углерода. Таким образом, рисунки 16 и 17 иллюстрируют заметное улучшение характеристик турбидиметров, работающих на соотношении сигналов, по сравнению с обычными приборами при измерении мутности окрашенных проб или содержащих частицы, поглощающие свет.

         
                

Выводы о преимуществах анализаторов мутности HACH

           
           

Требуемые эксплуатационные характеристики достигнуты в турбидиметрах, работающих на соотношении сигналов, достигнуты. Оптическая схема и система соотношения сигналов обладают рядом преимуществ.                   

1. В обычных нефелометрах, как и в прочих оптических приборах, лампы и детекторы являются основными источниками шума и дрейфа. Применение улучшенных кремниевых фотодетекторов исключает проблемы с детектором. Работа на соотношениях компенсирует такие эффекты, как помутнение стекла и запыленность оптики, температурную зависимость детекторов и усилителей. Благодаря тому, что прибор стабилен долгое время, регулярная калибровка прибора не требуется.                    

2. Система экранов обеспечивает превосходную изоляцию нефелометрического детектора от постороннего света, что позволяет добиться большей точности при работе с пробами малой мутности.                    

3. Детектор переднего рассеяния позволяет обеспечить линейность показаний в широком диапазоне без ущерба чувствительности прибора в области малых значений. Линейная характеристика позволяет представлять результаты в цифровом виде со всеми вытекающими преимуществами - легкостью работы, отсутствием ошибок при снятии показаний, боле высоким разрешением и возможностью оценки шумов.

                             
         
           
         Рис. 18 Лабораторный турбидиметр 2100AN
       
         
           
         Рис. 19 Лабораторный турбидиметр 2100N
       
         
           
         Рис. 19 Портативный турбидиметр 2100P
         
             

4. Работа на соотношении сигналов обусловливает нечувствительность приборов к окраске. Поскольку проходящий свет и рассеянный проходят примерно одинаковое расстояние через пробу, то их ослабление вызванное окраской раствора или частиц, одинаково. При работе по соотношению сигналов воздействие окраски сильно уменьшается.                    

5. Детектор обратного рассеяния имеет линейную характеристику при очень высоких уровнях мутности, что позволяет работать в диапазоне 4000 - 10000 NTU.                     

Хотя мутномеры 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS и 2100 P разрабатывались с в первую очередь для нужд водного хозяйства, их характеристики позволяют использовать их в множестве новых областей промышленности. На рисунках 18, 19 и 20 представлены турбидиметры 2100AN, 2100N и 2100P.

                             
                

Передовые методики анализа мутности. Использование светофильтров

           
           

Существуют две различные методики определения мутности: американская, Standard Method 2130 и Европейская- ИСО 7027. Обе методики разработаны для работы с пробами воды с низкой мутностью и малым влиянием окраски. Однако, существует ряд примеров, когда, пользуясь данными методиками невозможно определить мутность образцов точно и с высокой чувствительностью. Как пtd colspan=/tdp align= - ток детектора заднего рассеяния равило, это вещества имеют либо сильно окрашенную матрицу, либо окрашенные частицы взвеси, либо то и другое. Кроме того, вещество может флуоресцировать, а частицы могут быть практически одинакового размера. Подобные свойства вносят большую ошибку в результат и заметно ухудшают характеристики приведенных методик. Подобными свойствами обладают, например, различные напитки, смолы, сточные воды деревообрабатывающих предприятий, осветленные масла, колонии бактерий в агарах и т.д. Это малая часть огромного перечня возможных применений.                    

При определении мутности по Стандартному методу 2130 используется источник света с широким спектром - лампа накаливания. В турбидиметре 2100AN свет может проходить через интерференционный фильтр для получения света заданной длины волны. Использование фильтров позволяет полностью исключить влияние окраски и заметно улучшить чувствительность прибора.                     

Для работы с какими образцами может потребоваться светофильтр? В первую очередь с такими, в которых интенсивная окраска подавляет чувствительность. Далее, образцы, обладающие флуоресценцией, которая может приводить к завышению показаний, требуют использования альтернативных источников света. И, наконец, определение мутности в средах, содержащих крайне окрашенные частицы, настолько мелкие, что турбидиметр к ним не чувствителен, также требует оптимизации с использованием альтернативным источником света.                    

Для того, чтобы определить спектр окраски пробы и влияние окраски на характеристики прибора, требуется провести спектральное сканирование. По результатам сканирования возможно определить длины волн, на которых присутствуют помехи, и выбрать для определения мутности оптимальное значение длины волны. Если в пробе содержатся мелкие частицы, то следует выбрать в коротковолновой области линии, которые не взаимодействуют с матрицей. Если же наличие в пробе мелких частиц не предполагается, возможно использовать длинные волны. Выбирать следует, исходя из данных о поглощении света веществом проб.                     

Выбирая соответствующий фильтр, следует помнить о спектральных характеристиках источника света и детекторов. Как правило, турбидиметры Hach укомплектованы лампой накаливания. Спектр лампы накаливания позволяет использовать широкополосные фильтры с длиной волны более 600 нм. Если установлен узковолновый фильтр или фильтр с длиной волны менее 600 нм, количество света от источника будет недостаточно для того, чтобы обеспечить точное определение мутности. Итак, широковолновый фильтр с пропусканием в области более 600 нм наилучшим образом подойдет для увеличения сигнала детекторов в данных инструментах                                                                                                                                                                                                     

Длина волны Образец 1 Образец 2 Образец 3
455 нм 37,3 31,4 147
620 нм 0,76 1,13 1,6
860 нм 0,114 0,168 0,627
                       
           Таблица 2. Влияние длины волны источника света на показания мутности турбидиметра 2100AN.                       

Пример использования альтернативной системы фильтров для оптимизации определения мутности - изоляционные масла в силовых трансформаторах. Масла окрашены и содержат частицы субмикронных размеров. Чтобы повысить чувствительность приборов к мутности пробы требуется свет с минимальной длиной волны, на который не будет воздействовать окраска. Выбранный фильтр также должен пропускать достаточно света, чтобы турбидиметр функционировал корректно. Сканирование спектра показало, что при длине волны менее 580 нм окраска будет вносить помехи. Исходя из этого, был выбран фильтр 620 нм с шириной полосы пропускания 40 нм. Это позволило добиться наибольшей чувствительности прибора к мутности и в то же время устранить чувствительность к окраске. Далее, ширина полосы пропускания достаточно велика, чтобы прибор функционировал должным образом. Измеренная мутность образцов при различных длинах волн приведена в таблице 2.                     

Если при определении мутности планируется использовать альтернативное значение длины волны, необходимо понимать, что пользовательские методики зависят от свойств пробы и технологии подготовки. Если требуется перенести пользовательскую методику на похожий процесс, необходимо предварительно уточнить, насколько она работоспособна и насколько она подходит к интересующим пробам.

         
                

Как правильно выполнять измерение мутности

           
           

Чтобы уменьшить влияние переменных факторов, а также постороннего света и пузырьков, следует придерживаться надлежащих приемов работы. Независимо от того, какой прибор используется, измерения будут более верными, точными и воспроизводимыми, если внимание сконцентрировано на следующем.                    

1. Содержите измерительные ячейки (кюветы) для анализа мутности в хорошем состоянии.                   

Ячейки должны быть тщательно отмыты, а стенки не должны быть поцарапаны. Лучше всего мыть ячейки хозяйственным мылом изнутри и снаружи, немедленно ополоснуть дистиллированной или деионизированной водой и закрыть для того, чтобы предотвратить загрязнение частицами пыли (см. раздел Определение предельно низких значений). Снаружи ячейки следует обработать силиконовым маслом, чтобы заполнить мелкие неровности и царапины, которые могут быть источниками постороннего света. Силиконовое масло следует наносить, протирая поверхность кюветы мягкой, безворсовой тканью. Следует избегать избытка масла. Держать ячейку следует только за верхнюю часть, чтобы на пути света не попали отпечатки пальцев.                     

2. Соблюдайте ориентацию ячеек при измерении мутности.                     

Заполните отмытые ячейки водой с низким значением мутности. Дайте образцам постоять, чтобы пузырьки всплыли. Затем, отполируйте ячейки силиконовым маслом и определите мутность, по-разному ориентируя ячейку (не переворачивайте ее между измерениями). Найдите ориентацию, в которой показания прибора минимальны, и нанесите метку на ячейку. В дальнейшем устанавливайте ячейку в прибор, соблюдайте ориентацию ячейки. По возможности, используйте одну ячейку, устанавливая ее одинаково в одно и то же положение.                    

3. Перед анализом на мутность дегазируйте пробу.

                   

Перед выполнением измерений из пробы следует удалить воздух и другие газы. Дегазация рекомендуется, даже когда пузырьки заметны невооруженным глазом. Как правило, используются три метода дегазации: добавка поверхностноактивного вещества, применение вакуума или ультразвуковая ванна. ПАВ снижает поверхностное натяжение воды, высвобождая растворенный газ. Вакуум можно создать, используя обыкновенный шприц, либо вакуумный насос (вакуумный насос рекомендуется только при работе в области низких значений). Ультразвук эффективен, при работе с агрессивными пробами и для вязких образцов, но не рекомендуется при работе в области низких значений.

                   

Прибегать к использованию вакуумного насоса или ультразвуковой ванны следует с осторожностью. В некоторых случаях эти методы могут сильно увеличить количество пузырьков, особенно, если в пробе содержатся летучие компоненты. Кроме того, ультразвук может загрязнить пробу и изменить распределение частиц по размерам.

                   

Самая простая и дешевая альтернатива вакуумному насосу - это пластиковый шприц объемом 50 см3 c резиновой пробкой. Когда ячейка заполнена до требуемого уровня, в ячейку вставляют пробку (поршень задвинут). Если вытягивать поршень, то давление в ячейке упадет и пузырьки газа начнут всплывать. Все детали шприца должны быть чистыми и следует заботиться о том, чтобы не загрязнить пробу.

                   

4. Определять мутность нужно сразу после отбора пробы, чтобы предотвратить влияние температуры и оседания частиц на значение мутности образцов.

                   

По возможности следует избегать разбавлений, поскольку разбавление может изменить свойства взвешенных частиц. Причина мутности - частицы, взвешенные в исходном образце, при разбавлении могут раствориться. В результате мутность разбавленной пробы не будет характеризовать мутность исходной пробы. Изменение температуры может подобным образом влиять на растворимость компонентов пробы. Измерение мутности проб следует производить при той же температуре, при которой производился отбор. Если разбавление все же необходимо, следует использовать ультрафильтрованную воду с минимальной мутностью. Лучше всего подходит вода, очищенная обратным осмосом через мембрану 0,2 мкм или меньше.

         
                

Различия между приборами

           
           

Возможно самое важное в определении мутности то, что на практике различные приборы, калиброванные по одному стандарту, покажут разные результаты. Ранее было показано, что основная причина различий в показаниях приборов - это использования разных комбинаций источник света-детектор. При малых уровнях мутности посторонний свет также оказывает сильное влияние. Характеристики постороннего света различных моделей турбидиметров Hach приведены в таблице 1. 

                   

Серьезность данной проблемы недооценивают как пользователи, так и производители турбидиметров и нефелометров. Авторы 19 издания Стандартных методов попытались уменьшить различия, установив основные характеристики важнейших компонентов приборов:

                   
                 
  1. Источник света - лампа накаливания с цветовой температурой нити в переделах от 2 200 до 3 000 К.
  2.                          
  3. Расстояние, проходимое падающим и рассеянным светом внутри измерительной ячейки - не более 10 см.
  4.                          
  5. Расположение детектора - напротив центра ячейки, под углом 90° к направлению падающего света, в пределах ±30° Детектор и система фильтров (при использовании) должны иметь максимум чувствительности в области 400 - 600 нм.
  6.            
                     

                   

Допуски, существующие в данных характеристиках, по-прежнему оставляют возможными достаточно много различий между приборами. Хорошей корреляции значений мутности, полученных в разных местах, можно добиться, только используя одинаковые приборы.

         
                

Новейшие подходы к определению мутности в промышленных процессах. Промышленные мутномеры.

           
           

Компания Hach, пионер в области анализа мутности и взвешенных веществ, разрабатывает портативные, лабораторные и промышленные модели мутномеров с тем, чтобы уменьшить перечисленные выше практические проблемы и сделать турбидиметрические измерения настолько точными и надежными, насколько это возможно. Лабораторные приборы обсуждались ранее. Этот раздел посвящен промышленным мутномерам.

         
                

Промышленные турбидиметры

           
           

В настоящее время в подходах к измерению мутности в условиях промышленного производства происходят значительные изменения. Процесс измерений мутности должен быть непрерывным. Результаты должны выдаваться немедленно, и на их основе должны вырабатываться управляющие сигналы, обеспечивающие обратную связь. Инженеры Hach подошли к проблеме с нескольких сторон. Один из главных - это отказ от измерительной ячейки и уменьшение или полное устранение контакта между пробой и оптическими компонентами мутномеров.

         
         
       Рис. 21. Схема промышленного турбидиметра 1720D
                

Приборы для работы в области малых значений мутности

           
           

На рисунке 21 представлен турбидиметр 1720Е, сконструированный для работы в области малых значений. В данном приборе эффективно удаляются пузырьки и достигается высокая точность показаний. В турбидиметре 1720Е пузырьки удаляются до того, как попадут в рабочий объем. Перед тем, как попасть в основную полость, поток омывает ряд перегородок, которые направляют его в камеры, сообщающиеся а атмосферой. Чем длиннее дистанция между экранами и измерительной полостью - тем менее вероятно, что пузырек попадет в измерительную полость и вызовет отклонение показаний.

         
         
       Рис. 22 Схема промышленного турбидиметра Hach Surface Scatter®
           

Турбидиметр 1720Е также оснащен "интеллектуальным сенсором". Микропроцессор, необходимая электроника и оптические компоненты заключены в одном корпусе. Прибор посылает данные другим устройствам в сети, с которыми он связан через универсальный контроллер серии sc посредством цифрового протокола. Связь между интеллектуальными сенсорами и модулем sc позволяет пользователю по своему усмотрению добавлять или удалять приборы (устройства) и создавать топологию сети, соответствующую нуждам пользователя. Интерфейс sc позволяет снимать использовать одновременно от 2 (для sc100) до практически неограниченного количества датчиков в системе sc1000. Такой подход - организация приборов в сеть - позволяет установить несколько модулей sc100 / sc100 для снятия показаний с датчиков расположенных в разных местах. Пользователь может разместить датчик на расстоянии до 10 метров от контроллера sc. Модули для подключения датчиков sc1000 могут объединяться в общую сеть на расстоянии до 1000м. Пользователь может получать данные и управлять сразу всеми приборами. Дружественный интерфейс меню открывает пользователю доступ к возможности калибровать мутномер, настроить аварийную сигнализацию, конфигурацию сети, функциям безопасности, настройкам дисплея и функциям диагностики.

                   

При работе с дружественным пользователю меню контроллеров sc требуется минимальное количество нажатий кнопок, минимизирован ввод буквенноцифровой информации, по сравнению со старыми моделями турбидиметров. Модуль выполнен для установки как внутри, так и вне помещения (4X/IP66), клавиатура легко доступна.

                   

По сравнению с прошлыми моделями, 1720E имеет на 30% большую скорость работы. При скорости потока 500 мл/мин среднее время получения результата составляет 3,5 минуты. Более быстрая работа является результатом уменьшения рабочего объема (около 0,9 л). Улучшенная конструкция прибора уменьшает количество постороннего света, обеспечивая большую точность (2% 0 - 40 NTU и 5% 40 - 100 NTU). Благодаря комбинации с пузырьковой ловушкой улучшенной конструкции, в пробу вносится значительно меньше воздуха, что приводит к уменьшению колебаний показаний прибора.

         
                

Приборы для работ в широком диапазоне значений мутности

           
           

Рисунок 22 иллюстрирует еще один подход к промышленной турбидиметрии. Метод поверхностного рассеяния - Surface Scatter® - использован в приборах Surface Scatter® и Surface Scatter SE (для агрессивных сред), разработанных для работы в широком диапазоне. Патентованная конструкция полностью исключает контакт между пробой и оптическими узлами прибора.

                   

Источник света и детектор смонтированы над корпусом турбидиметра и, таким образом, изолированы от пробы. При таком расположении оптических узлов им практически не требуется обслуживание. Проба попадает в центр корпуса, поднимается вверх и, переливаясь через стенки, уходит в сток. Скорость потока контролируется, и перетекающая жидкость образует оптически ровную поверхность.

                   

Луч света падает на поверхность под острым углом. Попадая на частицы, свет частично рассеивается, преломляется и отражается. Не рассеявшийся свет преломляется и уходит вниз, где поглощается, или отражается от поверхности и поглощается стенками корпуса. Рассеянный свет регистрируется фотодетектором, а сигнал детектора поступает в управляющий модуль.

                   

С ростом мутности уменьшается количество пробы, освещаемое падающим светом, что изменяет длину оптического пути, компенсируя высокую мутность и позволяя прибору работать в диапазоне в почти шесть порядков - от 0,01 до 9999 NTU.

                   

В дополнение к преимуществам изолированной оптики, для того чтобы уменьшить потребность в обслуживании, применены трубки большого диаметра, чтобы предотвратить засорение при работе с мутными образцами. Наклоненный корпус турбидиметра служит ловушкой для оседающих частиц, которые могли бы вносить ошибку в измерения, а слив внизу позволяет периодически очищать прибор от скопившегося осадка. Если твердых частиц очень много, то слив можно оставить открытым, увеличив расход жидкости, чтобы постоянно вымывать осадок из прибора.

         
                

Турбидиметр для промывных вод

           
           

Избыточная промывка фильтров приводит к огромным потерям воды. Специально для контроля воды, которой промываются фильтры, разработан Турбидиметр Back-Wash (рис. 23). Прибор может работать в широком диапазоне значений мутности.

         
         
       Рисунок. 23 Турбидиметр BackWash
           

Специальный датчик погружается в емкость с водой, что обеспечивает быстрое получение данных о прозрачности промывной воды. Для измерений луч светодиода проходит через непрерывный поток жидкости, текущий через центр детектора. Проходящий свет попадает на регистрирующий фотоэлемент. Взвешенные частицы поглощают и рассеивают свет, уменьшая количество света, попадающего на детектор. В начале цикла количество проходящего света принимается за 100%, что соответствует чистой воде, используемой для промывки фильтров. Когда вода загрязняется смытыми с фильтра частицами, пропускание света резко падает. Когда осадок смыт с фильтр, вода становится чистой и пропускание света возрастает. Сравнивая количество проходящего света со значением, полученным для чистой воды, можно определить, когда фильтр промыт. Таким образом, можно значительно сократить время, затрачиваемое на промывку фильтра и снизить потребление воды до минимума, достигнув максимальной эффективности промывки фильтра.

                   
         В настоящее время мутномер BackWash снят с производства и заменен серией погружных датчиков Solitax.
 
                       

Свежие новости
 
 
(с) 2012 Экоинструмент 119049, Москва, Крымский вал, д 3 стр.2 оф. 512
тел./факс +7 (495) 745-2290 (многоканальный)
О компании Контакты Проекты Сервис-центр Дилерам