Важливим показником якості води, використовуваної практично для будь-якої мети є наявність механічних домішок - зважених речовин, твердих частинок мулу, глини, водоростей та інших мікроорганізмів, й інших дрібних частинок. Допустима кількість зважених речовин коливається в широких межах, як й можливий їх зміст. Так, наприклад, вода в охолоджувальному контурі може містити значну кількість домішок. У сучасних парових котлах високого тиску вода повинна бути практично повністю очищена від забруднень. Суспензії у питній воді можуть сприяти зростанню шкідливих мікроорганізмів та зменшувати ефективність хлорування, викликаючи небезпеку для здоров'я. У більшості випадків велика кількість суспензії у питній воді неприпустимо, з причин естетичного характеру, а також тому, що суспензії можуть спотворювати результати хімічних та біологічних тестів.

Зважені у воді тверді частинки порушують проходження світла через зразок води та створюють кількісну характеристику води, звану каламутністю. Американська Асоціація охорони здоров'я (APHA) визначає каламутність, як "чисельну характеристику оптичної властивості, яке викликає розсіювання та поглинання світла замість його проходження через зразок по прямій." Каламутність можна розглядати як характеристику відносної прозорості води. Вимірювання каламутності - це не пряме визначення кількості суспензії в рідини, а вимір величини розсіювання світла на зважених частинках.

Теорія розсіювання світла (світло розсіювання)

Говорячи простою мовою, каламутність - результат взаємодії між світлом та зваженими у воді частинками. Промінь світла, який проходить через абсолютно чисту рідину залишається практично незмінним, хоча, навіть в абсолютно чистій воді, молекули викликають розсіювання світла на деякий, хоч і дуже малий кут. В результаті жоден розчин не має нульової каламутності. Якщо в зразку присутні зважені тверді частинки, то результат взаємодії зразка зі світлом, яке через нього проходить, залежить від розміру, форми та складу частинок, а також від довжини хвилі (кольору) падаючого світла.

Взаємодія найдрібніших частинок з падаючим світлом відбувається наступним чином: частка поглинає енергію світла та потім, сама стаючи точковим джерелом, випромінює світло на всі боки. Це випромінювання на всі боки й лежить в унаслідок розсіювання падаючого світла. Просторовий розподіл розсіяного світла визначається відношенням розміру частки до довжини хвилі. Частки розміром багато менше, ніж довжина хвилі падаючого світла дають майже симетричне розсіювання, кількість світла, випромінюваного вперед і назад, майже однаково (мал. 1А). З ростом розміру часток світло, що випромінюється з різних місць частки, створює інтерференційні картини, які складаються в напрямку проходження падаючого світла. В результаті, інтенсивність світла, що розсіюється "вперед" більше, ніж інтенсивність світла, що розсіюється "назад" та по інших напрямках (мал.1B та 1C). Крім того, дрібні частинки добре розсіюють короткохвильове світло (синій), при цьому не впливаючи на довгохвильове (червоний). І навпаки: великі частки розсіюють червоне світло краще, ніж сине.

Мал. 1 Схеми інтенсивності розсіяного світла на частинках трьох розмірів. А - дрібні частинки, розміром менш як 1/10 довжини хвилі падаючого світла, розсіювання симетричне. В - великі частки, розміром близько 1/4 довжини хвилі падаючого світла, переважає розсіювання у напрямку падаючого світла, С - дуже великі частки, розміром більше довжини хвилі падаючого світла, розсіювання дуже нерівномірно, яскраво виражені максимуми і мінімуми. Брумбергер і інше, (Brumberger et al. "Light Scattering," Science and Technology ,November, 1968, page 38.)

Форма частинок та коефіцієнт заломлення також впливають на розподіл та інтенсивність розсіювання. Сферичні частинки розсіюють "вперед" більше світла, ніж частки в формі кілець або голок. Коефіцієнт заломлення частинок характеризує кут, на який відхиляється промінь світла, що проходить через кордон з іншим середовищем, наприклад, рідиною. Щоб розсіювання було можливо, коефіцієнт заломлення частинок повинен відрізнятися від коефіцієнта заломлення рідини. Чим сильніше розрізняються коефіцієнти заломлення рідини та зважених часток - тим сильніше розсіювання.

Колір зважених твердих частинок та рідини також має значення при детектуванні розсіяного світла. Забарвлена речовина поглинає світло в певних діапазонах видимої області спектра, змінюючи тим самим властивості світла як того, що проходить, так й того, що відбивається. В результаті частина розсіяного світла не потрапляє на детектор.

З ростом концентрації частинок зростає та інтенсивність розсіювання світла. Але розсіяне світло потрапляє на більшу кількість частинок, через що буде відбуватися множинне розсіювання та поглинання світла. Коли концентрація частинок перевершує певне значення, рівень світла, який проходить та розсіюється різко падає. Це значення є верхньою межею вимірювання каламутності. Зменшення оптичного шляху зменшує кількість частинок між джерелом світла та детектором та дозволяє розширити діапазон вимірювань.      

З історії вимірювання каламутності

Практичні спроби кількісно виміряти каламутність відносяться до 1900 року, коли Уіппл та Джексон розробили стандарт суспензії, що містить 1000 мільйонних часток (ppm) кизельгура (діатомітової землі) в дистильованої воді. Розведення цієї суспензії дозволило створити так звану "кремнеземну" шкалу каламутності на основі ряду стандартних суспензій для калібрування турбідиметрів того часу.

Джексон скористався цією шкалою для роботи з існуючим тоді приладом діафанометром та створив те, що відомо під назвою "свічковий мутномір Джексона". Він складався зі спеціальної свічки та плоскодонної колби. Джексон відкалібрував його в одиницях ppm по каламутності зваженого кремнезему. Для визначення каламутності зразок повільно наливали в колбу до тих пір, поки зображення полум'я, що спостерігалося зверху не перетворювалося в безформне світіння (мал. 2).

Згасання образу відбувалося, коли порівнювалися інтенсивність розсіяного світла з інтенсивністю світла, що проходило. Висота рідини в колбі потім переводилася в одиниці кремнеземної шкали, а мутність визначалася в джексоновських одиницях каламутності (JTU). Проте, стійкого складу стандартів досягти було важко, оскільки їх готували з різних природних матеріалів - сукновальної глини, каоліну, донних відкладень.

Мал. 2. Свічний мутномір Джексона

Стандарти каламутності

У 1926 році Кінгсбері та Кларк створили формазін, який є майже ідеальною речовиною для приготування стандартних суспензій. Для приготування формазіну потрібно розчинити точну навіску 5,00 г сульфату гідразину та 50,00 г гексаметилентетраміну в одному літрі дистильованої води. (мал. 3).

Розчин стає каламутним після вистоювання протягом 48 годин при 25 ° С. За ідеальних температурних умов та освітленні ця суміш може бути приготовлена ​​багаторазово з точністю ± 1%. Формазін - єдиний стандарт, який можна приготувати з контрольованих вихідних речовин. Всі інші стандарти, альтернативні або вторинні слід контролювати по формазіну. Первинні стандарти каламутності, одержувані прямим синтезом суспензії формазіна прийняті водному господарстві та інших пов'язаних галузях промисловості.

Формазін володіє декількома властивостями, які роблять його ідеальним стандартом для турбідиметрії. По-перше, його можна готувати з контрольованих вихідних речовин. По-друге, фізичні властивості бажані для стандарту в турбідиметрії. Формазін - це полімер, що складається з ланцюжків різної довжини, які згорнуті в різних конфігураціях. Це дає широкий спектр фірм та розмірів частинок від менше ніж 0,1 до понад 10 мкм. Дослідження розподілу часток за розмірами показують нерегулярний розподіл в різних стандартах, але статистика нефелометричних визначень відтворена. Така кількість форм і розмірів частинок добре аналітично поєднується з можливими розмірами та формами частинок в реальних зразках. Завдяки хорошій відтворюваності розсіювання білого світла в формазіновій суспензії, прилади, що використовують як джерело світла лампу розжарювання, калібруються з високою точністю та хорошою відтворюваністю. Різноманіття форм та розмірів частинок в стандартах на основі формазіна призводить до статистично відтворюваного розсіювання світла в турбідиметрії всіх типів та моделей. Завдяки відтворюваності розсіювання та можливості контролювати процес приготування формазіна, способи калібрування турбідиметрії та критерії ефективності були повсюдно приведені до даного стандарту.

У 1955 від виразу каламутності в мільйонних частках кремнезему остаточно відмовилися та 10-е й наступні видання "Стандартних методів" (Standard Methods) описують каламутність в термінах розсіювання світла на зважених частинках. Терміни "мільйонна частка" та "кремнеземна шкала" скасували, а каламутність стали висловлювати просто в "одиницях каламутності". Після прийняття формазіна як зразкового первинного стандарту, одиниці каламутності стали називати одиницями каламутності по формазіну - ЕМФ (formazin turbidity units - FTU). Першими в якості первинного стандарту мутності формазін стали використовувати Американська Асоціація Охорони Здоров'я (APHA) і Американська Асоціація підприємств водного господарства (AWWA) в 13-му виданні Стандартних методик дослідження води та стоків (Stantard Methods for the Examination of Water and Wastewater). Американське Управління з охорони навколишнього середовища (USEPA) визначає первинний стандарт трохи інакше, використовуючи терміни, що відповідають стандартам представлення результатів USEPA.

Поняття стандарту в турбідиметрії дещо розмито через відмінності у визначеннях, якими користуються USEPA, APHA, AWWA та тими, які наведені в "Стандартних методах". У 19-му виданні "Стандартних методів" для ясності були введені поняття "первинний стандарт" та "вторинний стандарт". Первинний стандарт визначений в них як стандарт, який готується користувачем прецизійно, з контрольованих вихідних речовин, при контрольованих умовах навколишнього середовища. У турбідиметрії єдиним стандартом, що відповідає даним вимогам є формазін, що готується безпосередньо на лабораторному столі.

"Стандартні методи" визначають вторинний стандарт, як стандарт виробника (або незалежної перевіряючої організації), такий, що калібрування приладу за цим стандартом дає (в певних межах) результати, еквівалентні тим, які дає калібрування за стандартом формазіна, який приготував користувач. Існують різні види вторинних стандартів, включаючи промисловий асортимент суспензій формазіна 4000 NTU, стабілізовані суспензії формазіна та промислові суспензії мікросфери сополимера стиролу і дивинилбензола.

"Стандарти" для перевірки калібрування приладу, надані виробником, наприклад, запечатані комірки, наповнені суспензією латексу або частками оксиду металу в гелеобразному полімері, дуже зручні, щоб з їх допомогою перевіряти працездатність приладу між калібруваннями, але не придатні для проведення калібрувань приладу.

Якщо буде виявлено розбіжність в точності стандарту або приладу, то судити про роботу приладу дозволяє тільки первинний стандарт (тобто виготовлений користувачем формазін). Формазін - це єдиний первинний стандарт в турбідиметрії, а всі інші стандарти приводяться до формазіну.

Визначення, що використовуються USEPA, відрізняються від тих, які наведені в "Стандартних методах". Зараз USEPA визнає приготований користувачем формазін, промисловий асортимент суспензій формазіна, стабілізовані суспензії формазіна StabCal ™ та промислові суспензії стіроладівінілбензола (звані також "альтернативними стандартами") в якості первинних стандартів, придатних для подання звітів. Термін "вторинний" USEPA використовує для "стандартів", за якими перевіряється калібрування приладу. При такому визначенні первинний стандарт абсолютно не контрольований та застосовується лише для подання звітів USEPA.

За визначенням USEPA вторинні стандарти, після того, як їх властивості встановлені по формазіну, використовуються для перевірки калібрування турбідиметра. Однак, ці стандарти не можна використовувати для калібрування приладів. Дані стандарти, такі, як гелі з оксидами металів, суспензії латексу, та всі неводні стандарти розроблені для щоденного контролю калібрування приладу.

Стабілізовані стандарти каламутності на основі формазіна StabCal ™. Це відносно нові стандарти, розроблені для калібрування чи перевірки характеристик будь-якого турбідиметра. У Стандартах каламутності StabCal ™ розсіювання світла відбувається на такому ж полімері, що й у звичайних стандартах формазінових каламутності. Оскільки використовується інша матриця, формазін в стандартах StabCal ™ стабілізовано і з часом не деградує, як у випадку з традиційними стандартами низьких значень каламутності. Завдяки покращеній стабільності, стандарти StabCal ™ будь-якої концентрації до 4000 NTU можуть проводитися і поставлятися готовими до використання.

Стандарти каламутності StabCal ™ мають ряд переваг перед традиційним формазіном та іншими вторинними стандартами. По-перше, вони стабільні, як мінімум, два роки. На мал. 5 показана стабільність стандартів StabCal ™ з трьома значеннями мутності - 2,0, 10,0 та 20,0 NTU. Стабільність даних стандартів не залежить від концентрації. По-друге, стандарти StabCal ™ готуються в особливих концентраціях, що виключають виснажливі та чутливі до методики приготування за допомогою ряду точних розбавлений. По-третє, в стандартах StabCal ™ такій самий розподіл часток, як й в формазіні, та ними можна безпосередньо замінити формазін. Відповідно, стандарти StabCal ™ мають певні концентрації, які не залежить від типу приладу. На мал. 6 показано порівняння характеристик стандартів StabCal ™ та формазіна в діапазоні від 1 до 5 NTU на різних турбідиметрах. І, нарешті, стандарти StabCal ™ готуються з простих речовин і можуть вважатися первинними стандартами.

Природа матриці StabCal ™ також допомагає знизити потенційну шкоду здоров'ю, пов'язану з традиційними формазіновими стандартами. Компоненти матриці ефективно пов'язують сліди гідразину в стандарті. Концентрація гідразину в зразках нижче меж виявлення. Зміст гідразину в стандартах StabCal ™ як мінімум на три порядки менше, ніж у традиційних стандартах такої ж самої каламутності.

Оскільки стандарти StabCal ™ вже готові, від користувача вимагається тільки ретельно перемішати стандарт перед використанням. Це зменшує вплив на стандарт, зменшує можливість забруднення стандарту та економить час, який інакше довелося б витрачати на приготування цих стандартів точним розведенням.

Нефелометрія як метод вимірювання каламутності

Згодом потреба в прецизійному визначенні низьких значень каламутності в зразках, що містять суспензії дуже дрібних частинок, зажадала поліпшення характеристик турбідиметрії. Факельний мутномір Джексона мав серйозні обмеження в застосуванні, оскільки не міг використовуватися для визначення каламутності нижче 25 JTU. Точно визначити каламутність було досить важко та визначення точки згасання сильно залежало від людини. Крім того, оскільки джерелом світла в приладі Джексона було полум'я свічки, світло що падає, перебуває здебільшого в довгохвильовій області спектра, де розсіювання на дрібних частинках неефективне. З цієї причини прилад був нечутливий до суспензій дуже дрібних частинок. (Дрібні частинки кремнезему не приводили до згасання образу полум'я в факельному турбідиметрі Джексона.) За допомогою факельного турбідиметра неможливо також визначити каламутність, викликану чорними частинками, наприклад сажі, оскільки поглинання світла такими частинками настільки більше розсіювання, що поле зору ставало чорним до того, як досягалася точка згасання.

Було розроблено декілька турбідиметрів, що працюють на визначенні згасання, з вдосконаленими джерелами світла та методиками порівняння, але похибка визначення людиною приводила до нестачі точності. Фотодетектори чутливі до найменшого зміни інтенсивності освітлення. Вони стали широко використовуватися для вимірювання ослаблення світла, що проходить через зразок фіксованого обсягу. Прилади забезпечували при певних умовах набагато більшу точність, але як й раніше не могли визначити високу або гранично низьку мутність. При низького ступеня розсіювання зміна в інтенсивності світла, що проходить, вимірюваний в одній точці, настільки мало, що практично не детектується нічим. Зазвичай сигнал просто губився в шумі електронних компонентів. На великих концентраціях множинне розсіювання взаємодіяло з простим розсіюванням.

Розв'язання проблеми полягає в тому, щоб визначати кількість світла, розсіяного під кутом до падаючого світла і потім співвідносити кількість розсіяного під кутом світла з реальною мутністю зразка. Вважається, що кут в 90 ° дозволяє забезпечити найбільшу чутливість до розсіювання на частинках. Більшість сучасних приладів визначають розсіювання під кутом 90 ° (мал. 4). Такі прилади називаються нефелометрами або нефелометрічними турбідиметрами, щоб показати їх відмінність від звичайних турбідиметрів, які визначають співвідношення між кількістю минулого та поглиненого світла.

Завдяки своїй чутливості, точності та застосовності в широкому діапазоні розмірів та концентрацій частинок, нефелометр був визнаний в Стандартних методах як найкращий прилад для визначення каламутності. Також кращими одиницями вираження каламутності стали нефелометричні одиниці каламутності NTU. В опублікованих американським Управлінням з охорони навколишнього середовища Методах хімічного аналізу води та стоків нефелометричний метод також визначає нефелометрію як метод визначення каламутності.

Щоб вказати різницю між каламутністю, визначеної нефелометрічним та візуальним способами, результати, отримані першим способом вказують NTU, а другого в JTU (1 JTU = 4 NTU). Крім того, використовуються терміни FNU (formazin nephelometric unit - нефелометричні одиниці по формазіну) та FAU (formazin attenuation unit - одиниці загасання по формазіну). FNU застосовується при нефелометрічних вимірах, а FAU при вимірах світла, що проходить. Всі ці одиниці належать до стандартів на основі формазіна.

II. Сучасні мутноміри

Хоча до теперішнього часу розроблено безліч методів для визначення забруднень у воді, визначення каламутності як і раніше важливо, оскільки каламутність - це простий та незаперечний показник зміни якості води. Раптова зміна каламутності може вказувати на додаткове джерело забруднення (біологічний, органічний або неорганічний) або сигналізувати про проблеми в процесі обробки води.

Сучасні інструменти повинні визначати каламутність від гранично високих до гранично низьких значень в широкому діапазоні зразків з частинками різного розміру і складу. Можливість приладу визначати каламутність в широких межах залежить від конструкції приладу. В даному розділі обговорюються три основних вузла нефелометра (джерело світла, детектор розсіяного світла і оптичну геометрію), і як відмінності в цих вузлах впливають на визначення каламутності приладом. Більшість вимірювань проводяться в діапазоні 1NTU і нижче. Для цього потрібна стабільна робота приладу, мала кількість стороннього світла і відмінна чутливість.

Джерела світла в нефелометрах

Зараз в мутномірах застосовуються різні джерела світла, але найпоширеніший - лампа розжарювання. Такі лампи мають широкий спектр, вони прості, недорогі та надійні. Світло від лампи кількісно характеризується колірною температурою - температурою, яку повинно мати ідеально чорне тіло, щоб світитися таким же кольором. Колірна температура білого розжарення і, отже, спектр світіння лампи залежать від прикладеного до лампи напруги. Для стабільного білого світіння лампи потрібно добре регульоване джерело живлення.

У випадках, коли в зразку присутні частинки одного типу, або якщо потрібно джерело світла з відомими характеристиками, для нефелометрії можна використовувати монохроматичне джерело світла. Таке світло випромінює, наприклад, світлодіод. Світлодіод випромінює в дуже вузькій області спектра в порівнянні з нагрітою до білого ниткою розжарювання (мал. 7). Оскільки у видимій області світлодіоди ефективніші в порівнянні з лампами розжарювання, їм потрібна менша потужність для отримання світла тієї ж інтенсивності. Застосування джерел світла з вузькою спектральною характеристикою розширюється. Інші джерела світла, такі як лазери, ртутні лампи та комбінації лампа + фільтр, в нефелометрії застосовуються рідко.

Для представлення результатів USEPA необхідні прилади з лампами розжарювання, які працюють при колірній температурі від 2200 ° до 3000 ° К. У Європейському співтоваристві стандарт ІСО вимагає, щоб прилад працював з джерелом світла 860 нм і шириною спектра менше ніж 60 нм. Лампа розжарювання забезпечує чутливість до дрібних частинок, проте схильна до впливу забарвлення зразка, прилади, які працюють з джерелом 860 нм не чутливі до дрібних частинок, проте до фарбування нечутливі.

Детектори

Після того як світло з необхідними характеристиками взаємодіє зі зразком, результат повинен бути зафіксований за допомогою детектора. В сучасних нефелометрах застосовується чотири типи детекторів: фотоелектронний помножувач (ФЕП), вакуумний фотодіод, кремнієвий фотодіод і фотоелемент (фоторезистор) на основі сульфіду кадмію.

Чутливість детекторів відрізняється в різних діапазонах довжин хвиль. Фотоелектронні помножувачі, що застосовуються в нефелометрія, мають пік спектральної чутливості в синій області спектра і ближньому ультрафіолеті. Щоб забезпечити хорошу стабільність, їм потрібно стабілізований джерело високої напруги. Вакуумний фотодіод має подібної спектральної характеристикою, але більш стабільний, ніж фотоелектронний помножувач (мал. 6)

Спектральна характеристика джерела світла, спектральна характеристика детектора та їх поєднання - ключові елементи характеристик нефелометра. У загальному випадку для будь-якого детектора, чим коротше довжина хвилі падаючого світла, тим більш чутливий прилад до частинок меншого розміру. І навпаки: чим більше довжина хвилі джерела світла - тим більше чутливість до відносно великих часток. Детектори приладів поводяться подібним чином. Оскільки ФЕУ і вакуумний фотодіод чутливі в короткохвильовий (синій та УФ) області спектра, то в нефелометрах з поліхроматичним джерелом світла, детектори забезпечують чутливість до дрібних частинок. Чутливість кремнієвого фотодіода вище в довгохвильовій області спектра і прилад з даним детектором більш чутливий до великих частинок. У реальному інструменті комбінація джерело / детектор визначає ефективну спектральну характеристику приладу і відгук приладу на зразок.

На мал. 9 показана спектральна характеристика приладу з лампою розжарювання і фотоелементом на сульфіді кадмію. Пік спектральної чутливості даного приладу знаходиться близько 575 нм. На мал.10 показана спектральна характеристика приладу з тим же джерелом світла і кремнієвим фотодіодів, його чутливість максимальна в області 875 нм. Оскільки спектральні характеристики приладів відрізняються, прилад, представлений на мал.9, більш чутливий до дрібних частинок, в порівнянні з приладом, представленим на мал.10. Також ці діаграми ілюструють, що максимальна ефективність системи досягається в разі, коли джерело світла і детектор правильно підібрані, і їх спектральні характеристики перекриваються якомога сильніше.

Оптична геометрія нефелометрів

Третій компонент, що впливає на якість показань нефелометрів - це оптична геометрія, яка містить параметри конструкції приладу, такі як, наприклад, кут детектування розсіяного світла. Як пояснювалося в розділі, присвяченому теорії розсіювання, відмінності в будові частинок викликає різну кутову інтенсивність розсіювання. Майже всі нефелометри, використовувані в аналізі води та стоків, мають кут аналізу рівний 90 °. Крім того, що такий кут забезпечує меншу чутливість до зміни розміру часток, прямий кут дає просту оптичну систему з малою кількістю стороннього світла.

Конструктивним параметром, що визначає, як чутливість, так і лінійність приладу, є довжина оптичного шляху. З ростом оптичного шляху зростає чутливість, але на шкоду лінійності показань через множинне розсіювання та поглинання. І навпаки, зі зменшенням довжини оптичного шляху зростає лінійність, але падає чутливість приладу в області низьких концентрацій (проблему можна вирішити, застосувавши змінну довжину оптичного шляху). Короткий оптичний шлях також збільшує вплив стороннього світла. USEPA та ІСО вимагають, щоб довжина оптичного шляху не перевищувала 10 см (від нитки розжарення до детектора).

Турбідиметри компанії HACH ratio ™ для досягнення максимальної стабільності використовують комбінацію оптичних пристроїв: детектор, розташований під кутом 90 °, комбінацію детекторів світла, що проходить, прямого та зворотного розсіювання та дзеркала, що відображають тільки ІЧ випромінювання. Додаткова інформація представлена ​​в розділі даної статті, присвяченій турбідиметрам ratio ™

III. Практичні аспекти визначення каламутності

Пояснення, наведені в попередній частині, лежать в основі високої точності визначення каламутності в ідеальних умовах, досягнутої на сьогодні. Однак, в практичних застосуваннях перешкоди та похибки представляють серйозну проблему, оскільки знижують точність будь-якого приладу. Щоб переконатися, що прилад працює належним чином та забезпечує найбільш правдивий результат, важливо перевіряти калібрування приладу.

Калібрування та перевірка калібрування мутномірів

Процес калібрування та перевірки калібрування мутноміра (нефелометра) в області низьких значень каламутності дуже чутливий як до методики, так і до навколишніх умов. Коли вимірюваний рівень каламутності падає до 1 NTU, перешкоди від бульбашок і забруднень, мало впливають при високих рівнях каламутності, можуть призводити до показань з позитивними помилками та неправдивих результатів перевірки приладу.

Кореляція між каламутністю та нефелометричним розсіюванням світла добре описується лінійною залежністю в діапазоні від 0,012 до 40,0 NTU. Ця залежність містить й область гранично низьких значень каламутності від 0,012 до 1,0 NTU. Чиста вода має мутність порядку 0,012 NTU, що робить досягнень більш низьких значень з використанням водних розчинів неможливим. Лінійна залежність дозволяє використовувати для калібрування одну точку на весь діапазон від 0,012 до 40,0 NTU. При цьому обов'язково, щоб стандарти були приготовлені з високою точністю.

Щоб домогтися високої точності калібрування в даному лінійному діапазоні, більшість турбідиметрів від компанії HACH використовують формазіновий стандарт 20,0 NTU. Ця концентрація обрана, оскільки:

1. Такий стандарт легко точно приготувати з промислового концентрованого стандарту;
2. Такий стандарт залишається стабільним досить довго, щоб забезпечити точність при калібрування;
3. Концентрація цього стандарту знаходиться в середині лінійного діапазону;
4. Помилки від забруднень та бульбашок роблять менший вплив на точність калібрування при 20 NTU, ніж при низьких значеннях каламутності каліброваного стандарту. Калібрування турбідиметра з використанням стандартів з наднизькою каламутністю необов'язкова, але важливо підтвердити точність та лінійність показань в області гранично низьких значень. Стандарти для перевірки калібрування з наднизькою каламутністю використовують для перевірки характеристик приладів в нижній частині діапазону вимірювань.

Стабілізовані стандарти каламутності по формазіну StabCal ™ приготовлені з низькою каламутністю, щоб використовуватися для перевірки калібрування в нижній частині діапазону вимірювань. Дані стандарти приготовлені та упаковані в ретельно контрольованих умовах, щоб забезпечити максимальну точність, яка тільки можлива. Крім того, стандарти ретельно упаковані, щоб зробити мінімальним забруднення від сторонніх джерел.

Такі виняткові заходи необхідні, щоб досягти можливість найбільш точної перевірки калібрування в діапазоні малих значень каламутності. Одинична частка пилу може викликати пік більш ніж 0,030 NTU. Це може привести до помилки більш ніж в 10 відсотків. Методики, яким необхідно слідувати, щоб отримати точні значення при вимірах низьких рівнів каламутності, описані в наступних декількох розділах.

Проблема стороннього світлорозсіювання при визначенні каламутності

Стороннє світло - джерело значних помилок при визначенні низької каламутності. Стороннє світло потрапляє в оптичну систему, але відбувається не від зразка. Прилад же однаково реагує на світло, розсіяне зразком та на світло від сторонніх джерел.

Стороннє світло походить від різних джерел: від вимірювальних осередків з подряпаними або недосконалими стінками, від відображень всередині робочої камери, від лампи, яка дає розходиться світло, від лінз, і в малому ступені від електроніки. У конструкції приладу використовуються лінзи, щілини, дзеркала, що відображають тільки ІК випромінювання і різні світлові пастки для того, щоб зменшити вплив стороннього світла. Проте існує джерело стороннього світла, який неможливо усунути конструктивно - це пил, що потрапляє в вимірювальну комірку, в робочу камеру приладу. Згодом кількість стороннього світла в турбідиметрі зростає, оскільки забруднення пилом збільшує розсіювання світла. У загальному випадку, в промислових турбідиметрах стороннього світла менше, оскільки в їх конструкції немає вимірювальної комірки.

На відміну від спектрофотометрії, вплив стороннього світла не можна обнулити. Деякі виробники пропонують користувачеві помістити в вимірювальну камеру зразок води «з нульовою каламутністю» та обнулити прилад. Виконання цієї процедури залишить без уваги кілька важливих при визначенні каламутності аспектів. По-перше, у воді, навіть відфільтрованої через кращі фільтри, завжди присутні частинки. Далі, молекули води самі по собі розсіюють світло. Молекулярне розсіювання та присутність найдрібніших частинок роблять внесок в каламутність будь-якого водного зразка. Якщо помістити зразок у круглий 1-дюймовий осередок, то найменше виміряне значення каламутності складе від 0,010 до 0,015 NTU, в залежності від використовуваної оптичної системи. Сам вимірювальний осередок грає досить складну роль, розсіюючи світло на подряпинах та недосконалості поверхні та впливаючи на падаючий промінь. Вимірювальний осередок може також й сприяти фокусуванню променя, що своєю чергою, знижує кількість стороннього світла. Інший важливий фактор - це ряд змінних, які вводяться, при використанні декількох осередків. Другий вимірювальний осередок може (й швидше за все буде) мати зовсім інше розсіювання, ніж те, яке використовувалось для обнулення показань приладу. Всі ці міркування ігноруються при обнулення приладу. Значна частина виміряного значення не враховується в припущенні, що належать до чистої води, хоча насправді, картина куди складніше. В цьому випадку відбудеться надмірна корекція і показання приладу будуть помилково занижені.

Визначити стороннє світло в турбідиметрії кількісно дуже важко. Один з методів полягає в тому, щоб приготувати суспензію формазіна відомої концентрації з низькою каламутністю. Зразок акуратно додають, концентрують кілька разів, визначаючи каламутність після кожної добавки. За допомогою методу стандартних добавок визначають істинне значення каламутності у вихідному стандарті. Різниця між виміряним значенням та знайденим теоретично практично відповідає кількості стороннього світла. Даний метод визначення стороннього світла вкрай складний та вимагає максимальної чистоти та скрупульозної точності вимірювань. Проте це ефективний спосіб визначення стороннього світла. Якщо низькі значення каламутності важливі, то стороннє світло повинен враховуватися в ході визначення. Користуючись цим методом, можна усунути вплив стороннього світла на вимірювання. У таблиці 1 наведені обчислені значення стороннього світла в турбідиметрах компанії HACH.

Є кілька способів зменшити кількість стороннього світла. Перший - зберігати прилад і вимірювальні осередки в чистоті. Щоб зменшити забруднення, прилад слід зберігати в чистому приміщенні без пилу. Прилад необхідно регулярно акуратно чистити. Осередки необхідно ретельно чистити як зовні, так і зсередини. Коли осередки не використовуються, вони повинні бути закриті, щоб запобігти попадання пилу. Крім того, зовні їх потрібно покривати силіконовою оливою, яка заповнить дрібні подряпини, які також викликають розсіювання світла.

Таблиця 1. Характеристика стороннього світло розсіювання в мутномірах HACH

*Значення отримані побічно. Для моделі SS6 наводиться значення, отримане на підставі даних про точність приладу; для моделей 1720C і 1720D значення отримані за допомогою стандартів наднизької каламутності.

Визначення гранично низьких значень

Основне завдання нефелометрії - це визначення гранично низьких значень каламутності. Зазвичай це визначення каламутності менш як 1 NTU в пробах чистої води. У таких пробах домішки не видно неозброєним оком. Така, наприклад, питна вода або вода, яка використовується при виробництві напівпровідників або на електростанціях.

При визначенні низьких значень каламутності існують два джерела помилок: стороннє світло (див. вище) і забруднення проби частинками. Забруднення сторонніми частинками вносить велику похибку в вимірювання. Заходи, що допомагають зменшити помилку від забруднень такі:

1. Вимірювальні осередки повинні бути ретельно очищені.

а) Вимити осередок з милом та дейонізованою водою.

б) Негайно занурити в розчин 1: 1 соляної кислоти та витримати як мінімум годину. Також можна помістити осередки в ультразвукову ванну, щоб легше було видалити частинки з поверхні скла.

в) Потім негайно прополоскати ультра фільтрованою дейонізованою водою (фільтрування зворотним осмосом, або через фільтр 0,2 мкм). Промити не менше 15 разів.

г) Відразу після того, як осередки промиті, закупорити їх, щоб запобігти попаданню пилу і висихання внутрішньої поверхні осередків.

Для оцінки чистоти вимірювальних осередків поведіть простий тест. Заповніть осередок ультрафільтрованою дейонізованою водою. Дайте постояти кілька хвилин. Відполіруйте осередок силіконовим мастилом та визначте каламутність. Після цього, помістіть осередок в ультразвукову ванну на 5 секунд. Знову відполіруйте та визначте каламутність. Якщо змін немає, то осередок можна вважати чистим. Якщо після впливу ультразвуком каламутність збільшилася, значить всередині стінки містять забруднення, які можуть потрапити в зразок. Інший спосіб оцінки - рівень шуму. Надчисті осередки, заповнені надчистою водою дають дуже рівний рівень каламутності менше ніж 0,03 NTU.

2. Осередки повинні бути позначені.

Очистивши осередки, заповніть їх ультрафільтрованою водою. Дайте постояти. Щоб вийшли бульбашки. Потім відполіруйте силіконовим мастилом осередки та визначте значення каламутності при різної орієнтації осередки. Знайдіть орієнтацію, при якій каламутність мінімальна, і позначте його. Для виконання вимірювань дотримуйтеся даної орієнтації.

3. Видалення бульбашок.

Мікропухирці можуть бути джерелами позитивних помилок при визначенні каламутність. Кращий спосіб позбутися від них це дати зразком вистояти кілька хвилин, щоб бульбашки спливли. Якщо зразок необхідно перемішати - акуратно повільно переверніть кілька разів. Це дозволить перемішати зразок, але не внести в нього пухирці повітря, які позначаться на вимірах.

Також ефективно вакуумірування зразків. Однак, необхідно стежити, щоб в пробу не були забруднення від вакуумного насоса. Для усунення бульбашок можна використовувати ультразвукову ванну, однак необхідно попередньо переконатися, що осередок ідеально чиста. Також ультразвукова ванна може викликати зміну розмірів і форми частинок або відривати їх від стінок, збільшуючи каламутність зразка.

4. Зберігати осередкі відполірованими.

Полірування зовнішньої поверхні силіконовим мастилом допоможе запобігти прилипання частинок. Силіконове мастило допоможе також зменшити стороннє світло, оскільки воно заповнить дрібні подряпини, на яких інакше відбувалося б розсіювання світла.

5. По можливості, використовувати тільки один осередок.

Ідеально чистий осередок бажано використовувати для роботи з усіма зразками. При установці осередку в однаковій орієнтації вплив самої комірки виключається, і можна точно порівнювати каламутність різних зразків. Якщо необхідно кілька осередків, слід ввести поправки. Для отримання поправок використовуйте кращий осередок. Зберігайте його для роботи зі зразками найнижчої каламутності.

Точність турбідиметра (нефелометра) в області низьких значень

При роботі в області низьких значень каламутності вкрай важливо перевірити точність аналізатора каламутності. Традиційні стандарти з такими значеннями мутності складно приготувати та вони стабільні дуже короткий час.

Зараз існує два методи перевірки точності приладу в області низьких значень. Простий передбачає використання стабілізованих перевірочних стандартів на основі формазіна. Існують стандарти в діапазоні 0, від 10 до 1,00 NTU. Вони готуються та упаковуються в найсуворіших умовах, щоб добитися максимально можливої ​​точності. Докладні інструкції пояснюють, як поводитися зі стандартом, щоб правильно і точно визначити характеристики приладу і методики в області низьких значень. Другий спосіб оцінки характеристик приладу при роботі в області низьких значень каламутності - розбавити досліджуваний зразок відомою кількістю стабільного стандарту. Щоб провести такий тест, потрібно наступне:

• вода наднизької каламутності, переважно очищена зворотним осмосом або фільтруванням через мембрану 0,2 мкм
• дуже чиста скляний посуд, в тому числі одна вимірювальна осередок високої оптичної якості
• свіжоприготовлений стандарт каламутності по формазіну 20,0 NTU
• точна автоматична піпетка типу TenSette® Pipet® або аналогічна

Використовуючи перераховане обладнання, користувач може визначити, як прилад реагує на добавки стандарту. Нижче наведено приклад того, як проводити тест:

1. За допомогою піпетки помістити 25 мл очищеної зворотним осмосом води в чисту вимірювальну комірку. Комірка повинна бути сухою. Негайно закрити комірку.
2. Відполірувати комірку та акуратно помістити в мутномір, дотримуючись орієнтації.
3. Дочекатися, поки показання стануть стабільними. Зазвичай на те, щоб бульбашки спливли, потрібно від 1 до 5 хвилин.
4. Записати показання.
5. За допомогою піпетки 0 - 1,0 мл TenSette® або аналога та чистого носика додати 0,5 мл стандарту 20,0 NTU. Перед використанням стандарт потрібно ретельно перемішати. Приріст каламутності має становити 0,39 NTU.
6. Закрити комірку та акуратно перевернути 10 разів, щоб розмішати вміст.
7. Знову відполірувати комірку. Помістити в мутномір, дотримуючись орієнтації.
8. Знову почекати 1 - 5 хвилин, поки стабілізуються показання.
9. Записати показання.

Різниця між значенням, отриманим в п. 9 та значенням каламутності чистої води, отриманим в п. 4 становить відгук приладу на добавку стандарту формазіна 20,0 NTU. Теоретично каламутність повинна змінитися (в даному зразку) на 0,39 NTU. Різниця між відгуком приладу та теоретичним значенням становить помилку приладу при роботі в даній області. Більшу частину цієї помилки становить стороннє світло від приладу та вимірювальної комірки. Величину помилки можна вичитати при визначенні каламутності. Дана процедура працює до тих пір, поки: 1) використовуваний скляний посуд ретельно відмитий; 2) додається свіжий зразок (не більше 30 хвилин); 3) добавка виробляється точно; 4) кожен раз використовується одна і та ж комірка в одному і тому ж положенні; 5) оптика приладу чиста, прилад міститься в чистому приміщенні; і 6) для роботи зі зразками використовується та ж комірка.

Визначення каламутності надчистої води

Надчиста вода володіє деякими особливими властивостями, які можна використовувати при визначенні каламутності. Для того, щоб домогтися отримання якісних зразків, при підготовці та в роботі, необхідно строго слідувати наведеній методиці. Властивості надчистої води наводяться нижче:

1. Значення каламутності зазвичай від 0,010 до 0,030 NTU при вимірюванні на правильно відкаліброваному лабораторному турбідиметрі з низьким значенням стороннього світла.
2. Показання каламутності стабільні, коливання не більше 0,001 NTU. Якщо показання пливуть більш ніж на 0,003 NTU, причина в наявності частинок або бульбашок; поступово бульбашки будуть йти зі зразка і показання стабілізуються.
3. Показання приладу будуть стабільні при зміні температури зразка.
4. Зразок може бути пофарбований, але бути прозорим. Частинки не повинні бути видні неозброєним поглядом.

Через високу чистоту зразки вкрай агресивні. Згодом в них буде розчинятися газ, і каламутність буде зростати. Хоча зазвичай, на це потрібно понад 24 годин. Отже, при визначенні мутності треба завжди використовувати свіжі зразки.

Визначення великих значень каламутності

Визначення надвисокої каламутності - це зазвичай такий вимір, при якому неможливо визначити концентрацію частинок нефелометричним способом. У приладах з довжиною шляху світла в зразку 1 дюйм сигнал нефелометричного датчика починає зменшуватися при досягненні каламутності близько 2000 NTU. Починаючи з такого рівня, збільшення каламутності буде приводити до зменшення сигналу нефелометричного детектора.

Але для визначення каламутності в таких зразках існують інші способи: по світлу, що проходить, за прямим розсіюванням та по зворотному розсіюванню. Кількість світла, що проходить та розсіяного вперед обернено пропорційні зростанню каламутності та дають хороші результати до значень близько 4000 NTU. При значеннях каламутності більше ніж 4000 NTU (з використанням стандартної 1 дюймової комірки) сигнал від світла, що проходить або від розсіяного вперед світла настільки малий, що можна порівняти з рівнем шуму, тобто шум приладу стає основним джерелом перешкод. З іншого боку сигнал датчика зворотного розсіювання зростає пропорційно зростанню каламутності. Показано, що детектування зворотного розсіювання ефективно для визначення каламутності в діапазоні від 1000 до 1000 NTU (і вище). Нижче 1000 NTU сигнал датчика зворотного розсіювання дуже малий і втрачається в шумі приладу. За допомогою комбінації детекторів можна визначати каламутність від мінімальних до надвисоких значень.

Визначення надвисокої каламутності широко застосовується, наприклад, для контролю вмісту жиру в молоці, змісту таких компонентів, як діоксид титану в фарбах, шламу в гірських породах, води у зворотному мулі очисних споруд.

При визначенні надвисокої каламутності вимірювальна комірка сильно впливає на точність. Комірка не є ідеально круглою, а товщина стінки непостійна. Ці два фактори роблять значний вплив на визначення каламутності та особливо на визначення по зворотному розсіюванню. Щоб зменшити вплив комірки, необхідно виконувати кілька вимірів за різної орієнтації комірки. Рекомендуються положення 0, 90, 180 і 270 градусів щодо мітки. Вимірювання необхідно виконувати, використовуючи однакову методику підготовки проби. Вимірювання слід проводити через однакові інтервали часу після перемішування проби, щоб досягти максимальної відтворюваності вимірювань. Отримані значення необхідно усереднювати, і приймати за істинне значення усереднену величину.

Визначення надвисокої каламутності зазвичай використовується для контролю за управлінням виробничим процесом. Користувач спершу повинен встановити взаємозв'язок між каламутністю і різними умовами протікання процесу. Для визначення залежності пробу розбавляють і визначають каламутність при кожному розведенні. Будують графік залежності каламутності від розведення. Нахил апроксимуючої прямої показує природу залежності. Якщо нахил великий (більше ніж 1), значить відповідність гарна і потенційні перешкоди вимірам мінімальні. Якщо нахил маленький (менше ніж 0,1), значить існують перешкоди, що впливають на вимірювання. В цьому випадку зразок слід розбавляти до тих пір, поки нахил не почне зростати. Якщо ж нахил близький до нуля або негативний, значить каламутність занадто велика, або перешкоди занадто сильні. Зразок знову ж слід розбавити.

При визначенні надвисокої каламутності колір може бути основною перешкодою. Можливе рішення в разі колірних перешкод - це значно розбавити пробу. Альтернативний спосіб полягає в тому, щоб виявити спектр поглинання зразків і проводити визначення каламутності на тих довжинах хвиль, які зразок не поглинає. Використання довжини хвилі 800 ... 860 нм ефективно, тому що більшість забарвлених сполук, що зустрічаються в природі, незначно поглинають світло з такою довжиною хвилі.

Можливість виробляти визначення каламутності в діапазоні надвисоких значень дає просту фізичну характеристику для великої кількості зразків і процесів. В цілому, кожен процес унікальний, і потрібні деякі зусилля, для того, щоб точно характеризувати зразок і його властивості за допомогою турбідиметричних (нефелометричних) вимірювань.

Каламутність та вміст зважених речовин (твердих частинок)

Традиційний аналіз змісту зважених речовин зазвичай закінчується гравіметрією, яка вимагає багато часу та чутлива до методики експерименту. Зазвичай, для завершення аналізу потрібно від двох до чотирьох годин. Таким чином, навіть якщо проблема та знайдена, час для її вирішення часто вже втрачено. Це призводить до дорогого простою та ремонту. При цьому каламутність можна використовувати як заміну тривалим гравіметричним аналізам. Необхідно встановити взаємозв'язок між каламутністю та загальною кількістю твердих частинок (вмістом зважених речовин) в пробі. Якщо залежність існує, то турбідиметр (мутномір) можна використовувати для контролю за вмістом завислих речовин та отримувати швидкий результат. Використання турбідиметра дозволяє скоротити час очікування результату з годин до секунд. Для визначення залежності каламутності від загального вмісту твердих частинок розроблена відповідна процедура. При визначенні цієї залежності робляться деякі припущення.

• Зразок не містить плавучих часток.
• Зразок повинен бути текучим настільки, що при перемішуванні стане однорідним та може бути акуратно розбавлений.
• Зразок містить тверді частинки такі ж, як в зразках, робота з якими планується.
• Склад зразка повинен бути добре відомий.
• Процедура визначення залежності повинна бути якомога коротше.
• Зразок необхідно ретельно перемішувати при будь-якому розведенні або вимірі.
• Методика підготовки проби та виконання вимірювань повинна бути однакова при вивченні залежності та при вивченні зразків під час контролю технологічного процесу.
• Температура зразка повинна збігатися з температурою процесу. Надалі температури всіх зразків повинні бути однакові, як при визначенні каламутності, так й при фільтруванні зразків для гравіметричного аналізу.

Процедура визначення залежності розділена на чотири стадії. Нижче наведено короткий опис кожної з них.

1. Розведення зразка

Для того, щоб покрити весь можливий діапазон вмісту твердих частинок, необхідно кілька ступенів розведення зразка. Для розведення зразків необхідно використовувати воду з «нульовою каламутністю». Неводні розчинники повинні бути безбарвними, без часток, розчинник повинен відповідати хімічним та фізичним властивостям зразків.

2. Визначення загального вмісту твердих частинок в зразку при кожному розведенні.

Зміст твердих частинок при кожному розведенні визначають гравіметричним способом. Необхідно подбати про дотримання методики протягом усього ряду вимірювань.

3. Визначення каламутності при кожному розведенні.

Визначають мутність кожного зразка. Необхідно дотримуватися однакової методики для визначень каламутності всіх зразків. Наприклад, кожен зразок перевертати однакову кількість разів, витримувати інтервал між змішуванням та зняттям показань і т.д.

4. Визначення залежності між каламутністю та результатами гравіметричного аналізу.

Будують графік залежності між загальним вмістом твердих частинок та каламутністю. Для знаходження кореляції користуються методом найменших квадратів (МНК). МНК - це статистичний метод для визначення залежностей. Коефіцієнт кореляції 0,9 або більше свідчить про можливість застосування знайденої залежності між каламутністю та загальним змістом твердих часток. Побудувавши графік, можна визначити чутливість знайденої кореляції. Чим крутіше нахил, тим вище чутливість турбідиметрії й тим краще залежність буде описувати реальний зразок. Копію описаної процедури (Method 8366) можна отримати в компанії Hach.

Передові методики визначення каламутності: прилади Ratio^™

Мутноміри HACH

Ця частина присвячена конструкції та характеристикам щодо нового сімейства турбідиметрів (мутномірів) компанії Hach, розроблених відповідно до останніх критеріїв Управління з охорони навколишнього середовища USEPA - 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS і 2100P. У них застосована методика, заснована на співвідношеннях сигналів (ratio), всі вони розроблені для аналізу води та промислового застосування.

Чим так важлива методика, застосована в турбідиметрах Ratio ™? Через забарвлення проб застосування нефелометричного визначення каламутності було сильно обмежено, особливо в промислових процесах при виробництві напоїв, харчових продуктів, клітинних культур та диспергованого в воді масла. Звичайні турбідиметри не могли відрізнити вплив забарвлення від впливу каламутності. У відповідь на зміну потреб підприємств водного господарства та потреби в застосуванні турбідиметрії для роботи з пофарбованими рідинами в компанії Hach розроблений ряд турбідиметрів, що працюють за методикою, розробленою на співвідношенні сигналів. Ці прилади не тільки не чутливі до впливу забарвлення зразка, але й мають перевагу у швидкості, точності та надійності показань у порівнянні з попередниками.

Завдання, які стояли при проєктуванні мутномірів HACH

Для того, щоб домогтися найвищих показників та мати широкий спектр застосувань розробляється прилад повинен був відповідати п'яти вимогам.

1. Прилад повинен відповідати вимогам USEPA або ISO до приладів, призначеним для аналізу води.

По-перше, мутномір повинен відповідати державним вимогам. Хоча унікальні властивості приладу та дозволяють використовувати його в багатьох галузях промисловості, очікується, що аналіз води залишиться основним напрямком, де використовується нефелометрія. Виходячи з даного завдання, прилад повинен володіти наступними характеристиками:

• Як джерело світла застосовується лампа розжарювання, яка працює при колірній температурі між 2200 К та 3000 К для EPA, або світлодіод 860 нм з шириною лінії менше ніж 60 нм для ISO 7027.
• Довжина оптичного шляху повинна має бути щодня понад 10 см
• Світло, що розсіюється визначається детектором, розташованим під кутом 90 ° ± 2,5 ° до напрямку падаючого променя. Даний детектор буде основним.
• Для відповідності вимогам EPA система фільтрів та детекторів повинна мати максимум в області 400 - 600 нм.

2. Робота приладу повинна бути стабільною протягом тривалого часу, щоб не було потрібно регулярно використовувати стандарти.

Умова тривалої стабільності призводить до більшої зручності та точності. Ранні моделі нефелометрів мали на передній панелі засоби для підстроювання та вимагали використання стандартів перед кожним сеансом роботи. У турбідиметрах, ratio ™ досягнута стабільність роботи, що вимагає калібрування раз в місяць та навіть раз у квартал. Калібрування засноване на спеціальному алгоритмі та простіше, ніж в попередніх моделях. Менша кількість калібрувань означає більшу довіру до стандартів на основі формазіна, ніж до використання вторинних стандартів.

3. Точність приладу повинна досягати 0,01 NTU, величина стороннього світла повинна бути не більше, ніж 0,010 NTU.

Оскільки турбідиметри почали застосовувати для визначення каламутності на нижній межі їх чутливості, з'явилася необхідність в точності при визначенні малих значень каламутності. Найбільше джерело помилок в цих випадках - стороннє світло, тобто світло, яке потрапляє на детектор від сторонніх джерел, а не розсіюється речовиною в комірці. Стороннє світло вносить позитивну похибку, яка змушує прилад показувати більше значення, ніж є насправді. Якби кількість стороннього світла в приладі піддавалося вимірюванню, електроніка могла б компенсувати його дію. Але, оскільки експериментальне визначення стороннього світла важке, кращим рішенням виявилося розробити оптичну систему таким чином, щоб вплив стороннього світла був дуже малим. (див. частину III).

На вирішення цього завдання орієнтувалися при конструюванні Мутноміри 2100N, 210AN, 2100 AN IS, 210N IS і 2100P.

4. Прилад видає результат безпосередньо в NTU.

Переваги цифрових дисплеїв в тому, що вони прості у використанні, з ними виключена помилка при знятті показань, вони дозволяють збільшити роздільну здатність та точність. Цифровий дисплей також дає користувачеві інформацію про рівень шуму та якість отриманого значення при визначенні низької каламутності. Для калібрування аналогових приладів використовувалася нелінійна шкала, в той час, як цифровий сигнал можна обробити таким, чином, щоб представити свідчення безпосередньо в одиницях каламутності. Це вимоги справило значний вплив на конструкцію турбідиметрії ratio ™.

5. Прилад повинен мати можливість точно визначати каламутність навіть в сильно забарвлених зразках.

Ряд проблем при вимірюванні каламутності забарвлених зразків не дозволяв використовувати для цієї мети звичайні нефелометри. Колір зменшував інтенсивність падаючого та розсіяного світла, в результаті чого результати виявлялися заниженими, користуючись звичайним нефелометрія, було неможливо. Розробка турбідиметрів, що працюють на співвідношенні сигналів, та стійких до фарбування, відкриває безліч нових застосувань нефелометрії.

Мал. 11. Оптична схема турбідиметрів компанії Hach, що працюють на співвідношенні сигналів.

Оптична схема мутномерів HACH

Оптична схема турбідиметрів, що працюють на співвідношенні сигналів, є ключовим елементом до кількох технічних характеристик. Серед них хороша стабільність, лінійність показань, чутливість, низьке значення стороннього світла і нечутливість до фарбування. На малюнку 11 представлена ​​оптична схема, застосована в лабораторних турбідиметрії 2100N, 2100AN, 2100AN IS, і 2100N IS (у 2100N відсутній детектор зворотного розсіювання). Прилад 2100P має тільки детектор 90 ° та детектор світла. 2100N IS має тільки детектор 90 °.

В основі принципу роботи турбідиметрів 2100N та 2100AN лежить принцип пропорційної залежності між кількістю розсіяного світла та кількістю зважених часток в речовині. Світло від галогенової лампи, що працює при температурі 2700 К, збирається трьома полікарбонатними лінзами. Полікарбонат стійкий до температурного впливу, створюваному цією лампою. Лінзи розроблені таким чином, щоб зібрати якомога більше світла та спроєктувати зображення нитки на вимірювальну комірку. Синій інфрачервоний фільтр зрушує пік чутливості детектора в область 400 - 600 нм відповідно до вимог EPA. У 2100AN замість синього ІЧ фільтра можна використовувати інтерференційну решітку, щоб проводити визначення каламутності у квазімонохроматичному світлі. Ряд перегородок між лінзами та коміркою затримує світло, розсіяне на поверхні лінз, та перешкоджає попаданню стороннього світла на детектор. Кожна наступна перегородка (крім останньої) має щілину менше, ніж попередня. Остання перегородка має великий отвір, щоб промінь не міг висвітлити край отвору та не з'являлося стороннє світло.

Кремнієві фотодіоди вимірюють зміну кількості світла, що проходить через зразок та розсіяним зразком. Великий детектор світла визначає кількість світла, що проходить крізь зразок. Фільтр з оптично нейтральною щільністю послаблює світло, що падає на детектор. Фільтр та детектор повернені на кут 45 ° до падаючого світла, щоб відбиття від поверхні фільтра та детектора не потрапляли в комірку. Детектор прямого розсіювання визначає інтенсивність розсіяного світла, що виходить під кутом 30 ° від напрямку падаючого променя. Детектор, розташований під кутом 90 ° до напрямку проходження променя, визначає розсіювання світла по нормалі до падаючого. Даний детектор встановлений поза площиною, яку утворюють падаючий промінь та детектори. Установка під кутом та додатковий екран затримують світло, яке розсіюється на стінках комірки, але дозволяють проходити світлу, розсіяного зразком. Сигнали детекторів математично обробляються та зі співвідношення виводиться величина каламутності. У 2100AN встановлений четвертий детектор зворотного розсіювання, який визначає інтенсивність світла, розсіяного під кутом 138 ° до номінального напрямку. Цей детектор відчуває світло, яке розсіюється дуже мутними зразками, коли інші детектори вже не дають лінійного сигналу. Застосування даного детектора розширює діапазон вимірювань до 10 000 NTU. На мал. 12 показано співвідношення між розсіюванням світла та каламутністю, яке визначається різними детекторами в турбідиметрах компанії Hach.

У традиційних нефелометрах та інших оптичних приладах лампи та детектори часто є основним джерелом шуму та дрейфу. Застосування детекторів поліпшеної конструкції усуває частину проблем, а використання співвідношення сигналів компенсує вплив лампи. Значення каламутності виводиться зі співвідношення значення сигналу нефелометричного детектора до зваженої суми сигналів детекторів світла, що проходить та прямого розсіювання. (При низьких та середніх рівнях каламутності сигнал детектора прямого розсіювання дуже малий та результат обчислюється як відношення сигналу нефелометричного детектора до сигналу детектора світла, що проходить.) Співвідношення сигналів (від якого походить назва серії - ratio) є ключовим елементом, що надає приладам чудову стабільність протягом тривалого часу. Крім коливань яскравості лампи принцип співвідношень компенсує забруднення та помутніння оптики, а також температурні коефіцієнти детекторів та підсилювачів. Прилад, що працює на співвідношенні сигналів настільки стабільний, що постійна стандартизація приладу не потрібна.

При високих рівнях каламутності загальна характеристика одне променевих нефелометрів стає нелінійною та прилад "сліпне", оскільки загасання світла переважає над розсіюванням. Такій ситуації відповідає крива C на мал. 13. Можна припустити, що використання простого співвідношення розсіяного та світла, що проходить розширить область лінійної залежності, оскільки світло проходить більш-менш однакову відстань всередині зразка та повинно затухати однаково, як у випадку з пофарбованим зразком. Однак, при високому значенні каламутності, світло зазнає множинне розсіювання. Множинне розсіювання скорочує відстань, яку проходить світло, яке уловлює нефелометричний датчик, та збільшує відстань всередині зразка для світла, що проходить наскрізь. В результаті світло, що проходить наскрізь, виявляється більш ослабленим, ніж розсіяне в сторони. В результаті прилад завищує показання (лінія A на мал. 13).

У турбідиметрах 2100N, 2100AN і 2100AN IS для лінеаризації показань при високій каламутності використовується детектор прямого розсіювання. Значення сигналу цього детектора стоїть в знаменнику співвідношення. При малих значеннях каламутності його сигнал малий та не впливає на результат. При високих значеннях каламутності сигнал детектора прямого розсіювання зростає та компенсує загасання світла, що проходить, в результаті показання приладу відповідають прямій лінії B на мал. 13. При правильному виборі кута установки детектора прямого розсіювання та величини поправки показання приладу будуть лінійні в широкому діапазоні, що й потрібно для виведення показань відразу в одиницях NTU.

Мал 15. Розташування детектора поза площиною в турбідиметрах ratio ™ зменшує вплив стороннього світла.

Для роботи зі зразками з малими значеннями каламутності прилад повинен мати хороші характеристики по сторонньому світлу. Рівень стороннього світла (світлорозсіювання) в турбідиметрах 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS становить менше ніж 0,01 NTU, а у моделі 2100P менше ніж 0,02 NTU, що значно краще, ніж у моделі 2100A (0,04 NTU).

Мал. 16. Порівняння показань каламутності вина та пива для класичних турбідиметрів та турбідиметрів Ratio^™

Низький рівень стороннього світла досягнутий завдяки тому, що нефелометричний детектор та відповідні перегородки встановлені під кутом 15 ° над площиною установки інших детекторів (мал. 15). На малюнку 15 представлено поперечний переріз, що проходить через центр вимірювальної комірки, перпендикулярно напрямку падаючого променя. Важливо відзначити, що детектор як й раніше вловлює світло, яке розсіюється під кутом 90 ° до падаючого світла. Перегородки встановлені таким чином, щоб детектор бачив весь обсяг, що перетинається падаючим променем, але не бачив задню стінку комірки вище оптичної осі. Причина цього проілюстрована на мал. 14. Стороннє світло зазвичай викликане розсіюванням та відбитками від стінок вимірювальної комірки. Відображення самі по собі або розсіювання на поверхні не дають відчутної кількості стороннього світла, що потрапляє на детектор - на мал. 14, вказані обидва механізми утворення стороннього світла. Перший механізм - це розсіювання світла на вході в комірку, промінь відхиляється по лінії 1 в сторону нефелометричного детектора, де, залишаючи комірку, розсіюється знову й світло потрапляє на детектор. Відхиляючись по лінії 2, світло досягає протилежної стінки вимірювальної комірки, відбивається від неї та потрапляє на детектор. Другий механізм є основним джерелом стороннього світла, оскільки відображення (4%) набагато більш інтенсивні, ніж розсіювання (0,1%) на стінках комірки. Розташований поза площиною детектор не фіксує сторонні відображення і кількість стороннього світла значно зменшено.

Алгоритми роботи мутномірів HACH

У мутномірах компанії HACH закладені різні алгоритми обчислення результату: з використанням співвідношення сигналів та без використання співвідношення (наведені алгоритми останніх моделей). Алгоритми описані в наступних розділах.

Алгоритм, що використовує співвідношення сигналів - Ratio^™ Turbidity (Four Point Ratio^™ Turbidity^*)

Величина каламутності обчислюється за формулою:

T=I₉₀ / (d₀* I_t+ d₁* I_fs+ d₂* I_bs+ d₃* I₉₀),

Де:
T - каламутність в одиницях NT

d₁,d₂,d₃,d₄ - калібрувальні коефіцієнти

I₉₀ - струм нефелометричного детектора

I_t - струм детектора світла, що проходить
I_fs - струм детектора переднього розсіювання

I_bs - струм детектора заднього розсіювання

^* U.S. Patent 5,506,679

Алгоритм, який не використовує співвідношення сигналів (non-ratio algoritm)

Величина каламутності обчислюється за формулою:

T=a * I₉₀ ,

Де:
T - каламутність в одиницях NTU (0 - 40 NTU)

a - калібрувальна константа

I₉₀ - струм нефелометричного детектора

Практичне застосування мутномірів HACH

Робота з використанням співвідношення сигналів крім високої стабільності приладу забезпечує ще й відсутність чутливості до фарбування. Оскільки й світло, що проходить, й розсіяне на 90 ° світло проходять майже однакову відстань через пробу, загасання, викликане забарвленням для них однакове. Отже, при взятті співвідношення, вплив забарвлення сильно зменшується. Ця перевага відкриває нові області для застосування турбідиметрії, головним чином в харчовій промисловості та у виробництві напоїв, де проба часто пофарбована, й де пред'являються вимоги до зовнішнього вигляду продукту.

Малюнок 16 дозволяє порівняти вплив кольору на показання звичайних турбідиметрів та турбідиметрів серії ratio ™. В обох випадках прилади були відкалібровані з використанням суспензії формазіна в дейонізованій воді. Відома кількість формазіна додавалася в пиво (жовте), рожевого вина (блідо-рожеве) та до бургундського вина (темно-червоне). В ідеалі результати не повинні відрізнятися від тих, які виходять з водними пробами. Показання звичайних нефелометрів сильно занижені, як і слід було очікувати. Чим інтенсивніше забарвлення - тим більше помилка. При рівні каламутності 100 NTU показання для пива, рожевого вина та бургундського склали 60, 8 і 4 NTU відповідно. Турбідиметри, що працюють на співвідношенні сигналів дали помітно кращі результати - середня помилка склала 10%.

Слід зазначити, що компенсація кольору неідеальна навіть в турбідиметрах, що працюють на співвідношенні сигналів, в основному через відмінності спектрів розсіяного світла та світла, що проходить.

На малюнку 17 наведено показання приладів, в разі, коли проба являла собою колоїд вуглецю в пиві, бургундському вини та в дейонізованій воді. В цьому випадку ідеальна чутливість не досягається, оскільки каламутність створюється не формазіном.

На цих малюнках є три речі, які представляють інтерес. По-перше, турбідиметри, що працюють на співвідношенні сигналів, набагато більш чутливі до частинок вуглецю. По-друге, результати вимірювань на турбідиметрах, які працюють на співвідношенні сигналів, майже не залежать від забарвлення проби, в той час, як у звичайних нефелометрах результати сильно розходяться. По-третє, турбідиметри, які працюють на співвідношенні сигналів, лінійні результати при визначенні вуглецю.

Показання звичайних приладів лінійні при малих концентраціях, але при підвищенні концентрації не збільшуються та навіть зменшуються при високому вмісті вуглецю. Таким чином, малюнки 16 та 17 ілюструють помітне поліпшення характеристик турбідиметрів, що працюють на співвідношенні сигналів, в порівнянні зі звичайними приладами при вимірюванні каламутності забарвлених проб або містять частинки, що поглинають світло.

Висновки про переваги аналізаторів каламутності HACH

Необхідні експлуатаційні характеристики досягнуті в турбідиметрах, що працюють на співвідношенні сигналів, досягнуті. Оптична схема та система співвідношення сигналів мають ряд переваг.

1. У звичайних нефелометрах, як і в інших оптичних приладах, лампи та детектори є основними джерелами шуму та дрейфу. Застосування поліпшених кремнієвих фотодетекторів виключає проблеми з детектором. Робота на співвідношеннях компенсує такі ефекти, як помутніння скла та запиленість оптики, температурну залежність детекторів та підсилювачів. Завдяки тому, що прилад стабільний довгий час, регулярне калібрування приладу не потрібно.

2. Система екранів забезпечує чудову ізоляцію нефелометричного детектора від стороннього світла, що дозволяє домогтися більшої точності при роботі з пробами малої каламутності.

3. Детектор переднього розсіювання дозволяє забезпечити лінійність показань в широкому діапазоні без шкоди чутливості приладу в області малих значень. Лінійна характеристика дозволяє представляти результати в цифровому вигляді з усіма перевагами - легкістю роботи, відсутністю помилок при знятті показань, більш високою роздільною здатністю та можливістю оцінки шумів.

Мал. 19 Лабораторний турбідиметр 2100N

4. Робота на співвідношенні сигналів обумовлює нечутливість приладів до фарбування. Оскільки світло, що проходить та розсіяне світло проходять приблизно однакову відстань через пробу, то їх ослаблення викликане забарвленням розчину або частинок, однаково. При роботі по співвідношенню сигналів вплив забарвлення сильно зменшується.

5. Детектор зворотного розсіювання має лінійну характеристику при дуже високих рівнях каламутності, що дозволяє працювати в діапазоні 4000 - 10000 NTU.

Хоча мутноміри 2100N, 2100AN, 2100AN IS, 2100N IS та 2100 P розроблялися в першу чергу для потреб водного господарства, їх характеристики дозволяють використовувати їх в безлічі нових галузей промисловості. На малюнках 18, 19 і 20 представлені турбідиметри 2100AN, 2100N та 2100P.

Передові методики аналізу каламутності. Використання світлофільтрів

Існують дві різні методики визначення каламутності: американська, Standard Method 2130 та Європейська ІСО 7027. Обидві методики розроблені для роботи з пробами води з низькою каламутністю та малим впливом забарвлення. Однак, існує ряд прикладів, коли, користуючись даними методиками неможливо визначити каламутність зразків точно та з високою чутливістю. Як правило, ці речовини мають або сильно забарвлену матрицю, або пофарбовані частинки суспензії, або те й інше. Крім того, речовина може світитися, а частинки можуть бути практично однакового розміру. Подібні властивості вносять велику помилку в результат та помітно погіршують характеристики наведених методик. Подібними властивостями володіють, наприклад, різні напої, смоли, стічні води деревообробних підприємств, прояснені масла, колонії бактерій тощо. Це мала частина величезного переліку можливих застосувань.

При визначенні каламутності по Стандартного методу 2130 використовується джерело світла з широким спектром - лампа розжарювання. У турбідиметрі 2100AN світло може проходити через інтерференційний фільтр для отримання світла заданої довжини хвилі. Використання фільтрів дозволяє повністю виключити вплив забарвлення та помітно поліпшити чутливість приладу.

Для роботи з якими зразками може знадобитися світлофільтр? В першу чергу з такими, в яких інтенсивне забарвлення пригнічує чутливість. Далі, зразки, що володіють флуоресценцією, яка може призводити до завищення показань, вимагають використання альтернативних джерел світла. І, нарешті, визначення каламутності в середовищах, що містять вкрай пофарбовані частки, настільки дрібні, що турбідиметр до них не чутливий, також вимагає оптимізації з використанням альтернативним джерелом світла.

Для того, щоб визначити спектр забарвлення проби та вплив забарвлення на характеристики приладу, потрібно провести спектральне сканування. За результатами сканування можливо визначити довжини хвиль, на яких присутні перешкоди, та вибрати для визначення каламутності оптимальне значення довжини хвилі. Якщо в пробі містяться дрібні частинки, то слід вибрати в короткохвильовій області лінії, які не взаємодіють з матрицею. Якщо ж наявність в пробі дрібних часток не передбачається, можливо використовувати довгі хвилі. Вибирати слід, виходячи з даних про поглинання світла речовиною проб.

Вибираючи відповідний фільтр, слід пам'ятати про спектральні характеристики джерела світла та детекторів. Як правило, турбідиметри компанії Hach укомплектовані лампою розжарювання. Спектр лампи розжарювання дозволяє використовувати широкосмугові фільтри з довжиною хвилі більше ніж 600 нм. Якщо встановлений вузько хвильовий фільтр або фільтр з довжиною хвилі менше ніж 600 нм, кількість світла від джерела буде недостатньо для того, щоб забезпечити точне визначення каламутності. Отже, широко хвильовий фільтр з пропусканням в області понад 600 нм найкращим чином підійде для збільшення сигналу детекторів в даних інструментах.

Таблиця 2. Вплив довжини хвилі джерела світла на показання каламутності турбідиметра 2100AN.

Приклад використання альтернативної системи фільтрів для оптимізації визначення каламутності - ізоляційні мастила в силових трансформаторах. Мастила пофарбовані та містять частинки субмікронних розмірів. Щоб підвищити чутливість приладів до каламутності проби потрібне світло з мінімальною довжиною хвилі, на яке не буде впливати забарвлення. Обраний фільтр також повинен пропускати достатньо світла, щоб турбідиметр функціонував коректно. Сканування спектру показало, що при довжині хвилі менше ніж 580 нм забарвлення буде вносити перешкоди. Виходячи з цього, був обраний фільтр 620 нм з шириною смуги пропускання 40 нм. Це дозволило домогтися найбільшої чутливості приладу до каламутності та водночас усунути чутливість до фарбування. Далі, ширина смуги пропускання досить велика, щоб прилад функціонував належним чином. Виміряна каламутність зразків при різних довжинах хвиль приведена в таблиці 2.

Якщо при визначенні каламутності планується використовувати альтернативне значення довжини хвилі, необхідно розуміти, що призначені для користувача методики залежать від властивостей проби та технології підготовки. Якщо потрібно перенести призначену для користувача методику на схожий процес, необхідно попередньо уточнити, наскільки вона працездатна та наскільки вона підходить до потрібних проб.

Як правильно виконувати вимірювання каламутності?

Щоб зменшити вплив змінних факторів, а також стороннього світла і бульбашок, слід дотримуватися належних прийомів роботи. Незалежно від того, який прилад використовується, вимірювання будуть більш вірними, точними та відтворюваними, якщо увагу сконцентровано на наступному.

1. Тримайте вимірювальні комірки (кювети) для аналізу каламутності в хорошому стані.

Комірки повинні бути ретельно відмиті, а стінки не повинні бути подряпані. Найкраще мити осередки господарським милом зсередини та зовні, негайно прополоскати дистильованою або дейонізованою водою та закрити для того, щоб запобігти забрудненню частинками пилу (див. розділ Визначення гранично низьких значень). Зовні комірки слід обробити силіконовим мастилом, щоб заповнити дрібні нерівності та подряпини, які можуть бути джерелами стороннього світла. Силіконове мастило слід наносити, протираючи поверхню кювети м'якою, тканиною без ворси. Слід уникати надлишку мастила. Тримати комірку слід тільки за верхню частину, щоб на шляху світла не потрапили відбитки пальців.

2. Дотримуйтесь орієнтації комірок при вимірюванні каламутності.

Заполните отмытые ячейки водой с низким значением мутности. Дайте образцам постоять, чтобы пузырьки всплыли. Затем, отполируйте ячейки силиконовым маслом и определите мутность, поразному 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 аналізом на каламутність пробу дегазують.

Перед виконанням вимірювань з проби слід видалити повітря та інші гази. Дегазація рекомендується, навіть коли бульбашки помітні неозброєним оком. Як правило, використовуються три методи дегазації: добавка поверхнево-активної речовини, застосування вакууму або ультразвукова ванна. ПАР знижує поверхневий натяг води, вивільняючи розчинений газ. Вакуум можна створити, використовуючи звичайний шприц, або вакуумний насос (вакуумний насос рекомендується тільки при роботі в області низьких значень). Ультразвук ефективний, при роботі з агресивними пробами та для вузьких зразків, але не рекомендується при роботі в області низьких значень.

Вдаватися до використання вакуумного насоса або ультразвукової ванни слід з обережністю. У деяких випадках ці методи можуть сильно збільшити кількість бульбашок, особливо, якщо в пробі містяться летючі компоненти. Крім того, ультразвук може забруднити пробу та змінити розподіл часток за розмірами.

Найпростіша та дешева альтернатива вакуумному насосу - це пластиковий шприц об'ємом 50 см3 c гумовою пробкою. Коли комірка заповнена до необхідного рівня, в неї вставляють пробку (поршень засунутий). Якщо витягувати поршень, то тиск в комірці впаде й бульбашки газу почнуть спливати. Всі деталі шприца повинні бути чистими та слід дбати про те, щоб не забруднити пробу.

4. Визначати каламутність потрібно відразу після відбору проби, щоб запобігти впливу температури й осідання частинок на значення каламутності зразків.

По можливості слід уникати розбавлень, оскільки розведення може змінити властивості зважених часток. Причина каламутності - частки, зважені в початковому зразку, при розведенні можуть розчинитися. В результаті каламутність розведеної проби не буде характеризувати каламутність вихідної проби. Зміна температури може подібним чином впливати на розчинність компонентів проби. Вимірювання каламутності проб слід проводити при тій же температурі, при якій проводився відбір. Якщо розведення все ж необхідно, слід використовувати ультра фільтровану воду з мінімальною каламутністю. Найкраще підходить вода, очищена зворотним осмосом через мембрану 0,2 мкм або менше.

Відмінності між приладами

Можливо найважливіше у визначенні каламутності те, що на практиці різні прилади, калібровані по одному стандарту, покажуть різні результати. Раніше було показано, що основна причина відмінностей у свідченнях приладів - це використання різних комбінацій джерело світлодетектор. При малих рівнях каламутності стороннє світло також впливає. Характеристики стороннього світла різних моделей турбідиметрів Hach наведені в таблиці 1.

Серйозність цієї проблеми недооцінюють як користувачі, так і виробники турбідиметрів та нефелометрів. Автори 19 видання Стандартних методів спробували зменшити відмінності, встановивши основні характеристики найважливіших компонентів приладів:

1. Джерело світла - лампа розжарювання з колірною температурою нитки в межах від 2 200 до 3 000 К.
2. Відстань, яку проходить падаючим і розсіяним світлом всередині вимірювальної комірки - не більше 10 см.
3. Розташування детектора - навпроти центру комірки, під кутом 90 ° до напрямку падаючого світла, в межах ± 30 ° Детектор і система фільтрів (при використанні) повинні мати максимум чутливості в області 400 - 600 нм.

Допуски, існуючі в даних характеристиках, як і раніше залишають можливими досить багато відмінностей між приладами. Доброї кореляції значень каламутності, отриманих в різних місцях, можна домогтися, тільки використовуючи однакові прилади.

Новітні підходи до визначення каламутності в промислових процесах. Промислові мутноміри.

Компанія Hach, піонер в галузі аналізу каламутності та зважених речовин, розробляє портативні, лабораторні та промислові моделі мутномірів з тим, щоб зменшити перераховані вище практичні проблеми та зробити турбодиметричні вимірювання настільки точними та надійними, наскільки це можливо. Лабораторні прилади обговорювалися раніше. Цей розділ присвячений промисловим мутномірам.

Промислові турбідиметри

Зараз в підходах до вимірювання каламутності в умовах промислового виробництва відбуваються значні зміни. Процес вимірювань каламутності повинен бути безперервним. Результати повинні видаватися негайно, й на їх основі повинні вироблятися керуючі сигнали, що забезпечують зворотний зв'язок. Інженери Hach підійшли до проблеми з декількох сторін. Один з головних - це відмова від вимірювальної комірки та зменшення або повне усунення контакту між пробою та оптичними компонентами мутномірів.

Мал. 21. Схема промислового турбідиметра 1720D

Прилади для роботи в області малих значень каламутності

На малюнку 21 представлений турбідиметр 1720Е, сконструйований для роботи в області малих значень. В даному приладі ефективно видаляються бульбашки та досягається висока точність показань. У турбідиметрі 1720Е бульбашки видаляються до того, як потраплять в робочий об'єм. Перед тим, як потрапити в основну порожнину, потік омиває ряд перегородок, які направляють його в камери, сполучені з атмосферою. Чим довше дистанція між екранами та вимірювальної порожниною - тим менш імовірно, що бульбашка потрапить в вимірювальну порожнину і викличе відхилення показань.

Мал. 22 Схема промислового турбідиметра Hach Surface Scatter^®

Турбідиметр 1720Е також оснащений "інтелектуальним сенсором". Мікропроцесор, необхідна електроніка та оптичні компоненти укладені в одному корпусі. Прилад посилає дані іншим пристроям в мережі, з якими він пов'язаний через універсальний контролер серії sc за допомогою цифрового протоколу. Зв'язок між інтелектуальними сенсорами та модулем sc дозволяє користувачеві на свій розсуд додавати або видаляти прилади (пристрої) та створювати топологію мережі, яка відповідає потребам користувача. Інтерфейс sc дозволяє використовувати одночасно від 2 (для sc100) до практично необмеженої кількості датчиків в системі sc1000. Такий підхід - організація приладів в мережу - дозволяє встановити кілька модулів sc100 / sc100 для зняття показань з датчиків розташованих в різних місцях. Користувач може розмістити датчик на відстані до 10 метрів від контролера sc. Модулі для підключення датчиків sc1000 можуть об'єднуватися в загальну мережу на відстані до 1000 м. Користувач може отримувати дані та управляти відразу всіма приладами. Дружній інтерфейс меню відкриває користувачу доступ до можливості калібрувати мутномір, налаштувати аварійну сигналізацію, конфігурацію мережі, функції безпеки, налаштування дисплея та функції діагностики.

При роботі з дружнім користувачеві меню контролерів sc потрібна мінімальна кількість натискань кнопок, мінімізовано введення буквено-цифрової інформації, в порівнянні зі старими моделями турбідиметрів. Модуль виконаний для установки як усередині, так і поза приміщенням (4X / IP66), клавіатура легко доступна.

У порівнянні з минулими моделями, 1720E має на 30% більшу швидкість роботи. При швидкості потоку 500 мл/хв середній час отримання результату становить 3,5 хвилини. Більш швидка робота є результатом зменшення робочого об'єму (близько 0,9 л). Покращена конструкція приладу зменшує кількість стороннього світла, забезпечуючи більшу точність (2% 0 - 40 NTU і 5% 40 - 100 NTU). Завдяки комбінації з бульбашкового пасткою поліпшеної конструкції, в пробу вноситься значно менше повітря, що призводить до зменшення коливань показань приладу.

Прилади для робіт в широкому діапазоні значень каламутності

Малюнок 22 ілюструє ще один підхід до промислової турбідиметрії. Метод поверхневого розсіювання - Surface Scatter® - використаний в приладах Surface Scatter® і Surface Scatter SE (для агресивних середовищ), розроблених для роботи в широкому діапазоні. Запатентована конструкція повністю виключає контакт між пробою та оптичними вузлами приладу.

Джерело світла та детектор змонтовані над корпусом турбідиметра та, таким чином, ізольовані від проби. При такому розташуванні оптичних вузлів вони практично не потребують обслуговування. Проба потрапляє в центр корпусу, піднімається вгору і, переливаючись через стінки, йде до водостічної труби. Швидкість потоку контролюється, а рідина, що перетікає, утворює оптично рівну поверхню.

Промінь світла падає на поверхню під гострим кутом. Потрапляючи на частинки, світло частково розсіюється, заломлюється та відбивається. Світло, яке не розсіюється,  заломлюється та йде вниз, де поглинається, або відбивається від поверхні та поглинається стінками корпусу. Розсіяне світло реєструється фотодетектором, а сигнал детектора надходить у керуючий модуль.

З ростом каламутності зменшується кількість проби, що освітлюється падаючим світлом, що змінює довжину оптичного шляху, компенсуючи високу каламутність та дозволяє приладу працювати в діапазоні в майже шість порядків - від 0,01 до 9999 NTU.

На додаток до переваг ізольованої оптики, для того, щоб зменшити потребу в обслуговуванні, застосовують трубки більшого діаметру, щоб запобігти засміченню при роботі з мутними зразками. Нахилений корпус турбідиметра служить пасткою для частинок, які осідають, і які могли б вносити помилку в вимірювання, а слив внизу дозволяє періодично очищати прилад від осаду, що скупчився. Якщо твердих частинок дуже багато, то слив можна залишити відкритим, збільшивши витрату рідини, щоб постійно вимивати осад з приладу.

Турбідиметр для промивних вод

Надлишкова промивка фільтрів призводить до величезних втрат води. Спеціально для контролю води, якою промиваються фільтри, був розроблений Мутномір Back-Wash (мал. 23). Прилад може працювати в широкому діапазоні значень каламутності.

Мал. 23 Турбідиметр BackWash

Спеціальний датчик занурюється в місткість з водою, що забезпечує швидке отримання даних про прозорість промивної води. Для вимірювань промінь світлодіода проходить через безперервний потік рідини, який протікає через центр детектора.  Світло, яке проходить - потрапляє на реєструючий фотоелемент. Зважені частинки поглинають та розсіюють світло, зменшуючи кількість світла, що потрапляє на детектор. На початку циклу кількість світла, що проходить приймається за 100%, що відповідає чистій воді, яка використовується для промивання фільтрів. Коли вода забруднюється змитими з фільтра частинками, пропускання світла різко падає. Коли осад змитий з фільтра, вода стає чистою та пропускання світла зростає. Порівнюючи кількість світла, що проходить зі значенням, отриманим для чистої води, можна визначити, коли фільтр промитий. Таким чином, можна значно скоротити час, що витрачається на промивання фільтра та знизити споживання води до мінімуму, досягнувши максимальної ефективності промивання фільтра.

Зараз мутномір BackWash знятий з виробництва та замінений серією заглибних датчиків Solitax.