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低濁度傳感器的工作原理是什么?

更新時(shí)間:2025-08-01點(diǎn)擊次數(shù):175

低濁度傳感器(用于測(cè)量濁度≤10 NTU 的低濁水體,如飲用水、超純水等)的工作原理基于光散射與透射定律,核心是通過(guò)精確捕捉水體中微小顆粒物對(duì)光線的散射信號(hào),間接反映濁度水平。其設(shè)計(jì)需重點(diǎn)解決低濁環(huán)境下信號(hào)弱、干擾多的問(wèn)題,以下是具體原理及關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié):

一、核心原理:光與顆粒物的相互作用

濁度的本質(zhì)是水體中懸浮顆粒物(粒徑通常 0.1~10 μm)對(duì)光線的散射能力。低濁度傳感器通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)測(cè)量:

 

光源發(fā)射:傳感器內(nèi)置穩(wěn)定光源(如紅外 LED、激光二極管),向水樣發(fā)射固定強(qiáng)度的單色光(波長(zhǎng)多為 860 nm,避免水中天然色素如葉綠素的吸收干擾)。

光的散射與透射:

當(dāng)光線穿過(guò)水樣時(shí),大部分光線沿直線傳播(透射光),少量被顆粒物散射(散射光),散射方向與顆粒物大小、形狀相關(guān):

小顆粒(<1 μm,如膠體)主要產(chǎn)生瑞利散射,散射光均勻分布在各個(gè)方向(前向、側(cè)向、后向);

較大顆粒(1~10 μm,如微小泥沙)主要產(chǎn)生米氏散射,散射光集中在前向角度(與入射光方向夾角 0°~90°)。

信號(hào)接收:傳感器通過(guò)特定角度的光電探測(cè)器(如光電二極管、光電倍增管)捕捉散射光或透射光強(qiáng)度,再通過(guò)算法轉(zhuǎn)換為濁度值(NTU)。

二、關(guān)鍵測(cè)量方式:散射光法(低濁度核心)

低濁水體中顆粒物少,散射光信號(hào)極弱(通常 < 0.1% 的入射光強(qiáng)度),因此傳感器普遍采用散射光法(而非高濁度常用的透射 - 散射對(duì)比法),并通過(guò)角度優(yōu)化提升靈敏度:

 

前向散射(90°±30°):
低濁環(huán)境中,顆粒物以小粒徑膠體為主,前向散射光強(qiáng)度比側(cè)向(90°)或后向(180°)更強(qiáng),更易被捕捉。例如,多數(shù)低濁傳感器采用25°、45° 或 90° 前向角,平衡靈敏度與抗干擾(如氣泡的后向散射干擾較小)。

雙通道補(bǔ)償:
部分高精度傳感器(如哈希 1720E)同時(shí)測(cè)量 “前向散射光" 和 “參考光"(未經(jīng)過(guò)水樣的原始光),通過(guò)比值計(jì)算消除光源波動(dòng)(如 LED 衰減)導(dǎo)致的誤差,確保低濁段(<0.1 NTU)測(cè)量穩(wěn)定。

三、抗干擾設(shè)計(jì):低濁測(cè)量的核心挑戰(zhàn)

低濁度測(cè)量易受環(huán)境光、氣泡、光學(xué)污染等干擾,傳感器通過(guò)以下設(shè)計(jì)抵消影響:

 

光學(xué)屏蔽:

測(cè)量腔采用遮光材料(如黑色聚四氟乙烯),避免環(huán)境光進(jìn)入;流通池內(nèi)壁做啞光處理,減少雜散光反射。

氣泡排除:

在線式傳感器的流通池設(shè)計(jì)為 “U 型" 或 “斜向進(jìn)水",利用重力排氣;便攜式傳感器需手動(dòng)搖晃排除氣泡(氣泡會(huì)強(qiáng)烈散射光,導(dǎo)致濁度虛高)。

自動(dòng)清潔:

膏端傳感器配備超聲波清潔或刮刀裝置,定期清除光學(xué)窗口的污染物(如生物膜、鈣垢),避免其成為 “假顆粒" 干擾散射信號(hào)。

溫度補(bǔ)償:

內(nèi)置溫度傳感器,通過(guò)算法修正水溫變化對(duì)水體折射率的影響(水溫每變化 1℃,低濁測(cè)量誤差可能增加 0.01~0.05 NTU)。

四、校準(zhǔn)基準(zhǔn):濁度單位(NTU)的溯源

傳感器的測(cè)量結(jié)果需基于標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液校準(zhǔn),以確保準(zhǔn)確性:

 

福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)液:國(guó)際通用基準(zhǔn),通過(guò)硫酸肼與六次甲基四胺反應(yīng)生成的膠體顆粒,其散射特性穩(wěn)定,作為 0 NTU(超純水)、1 NTU、5 NTU 等校準(zhǔn)點(diǎn)。

低濁校準(zhǔn)技巧:校準(zhǔn) 0 NTU 時(shí)需用 “超純水"(電阻率≥18.2 MΩ?cm),避免水中溶解的微小顆粒物影響零點(diǎn);校準(zhǔn)后需驗(yàn)證線性(如 0.5 NTU 標(biāo)準(zhǔn)液的測(cè)量偏差應(yīng)≤±0.02 NTU)。

總結(jié)

低濁度傳感器的核心是 **“精準(zhǔn)捕捉微弱散射光信號(hào),并通過(guò)抗干擾設(shè)計(jì)抵消環(huán)境影響"**:通過(guò)優(yōu)化光源波長(zhǎng)、散射角度提升靈敏度,通過(guò)光學(xué)屏蔽、溫度補(bǔ)償、自動(dòng)清潔減少誤差,最終將散射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的 NTU 值。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于低濁段(<0.1 NTU)的信號(hào)放大與噪聲抑制,這也是區(qū)分傳感器精度的關(guān)鍵(如高精度傳感器可分辨 0.001 NTU 的變化,適用于制藥用水;常規(guī)傳感器精度為 0.01 NTU,適用于飲用水)。


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