Турбидиметрический и нефелометрический методы анализа объектов окружающей среды (стр. 5 из 7)
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, создаваемуму 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. 4. 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. 4показано 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. 5. 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 болееменее 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. 5).
Рис. 6. 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 7. Расположение детектора вне плоскости в турбидиметрах ratio™ уменьшает воздействие постороннего света.
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 - Ratio™ Turbidity (Four Point Ratio™ Turbidity*)
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.
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.
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 ок раски сильно уменьшается.
5. Детектор обратного рассеяния имеет линейную характеристику при очень высоких уровнях мутности, что позволяет работать в диапазоне 4000 - 10000 NTU.
Новейшие подходы к определению мутности в промышленных процессах. Промышленные мутномеры.
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
