表面散射浊度测量研究

　　1　引　　言

　　浊度是评价水质的重要指标,因此化验室浊度仪及在线测量浊度仪广泛地应用于净水处理、污水处理及饮料生产等工业控制过程中。水的浊度是有机和无机物、浮游生物及其它微生物等悬浮物质所造成的,浊度为水样光学性质的一种表达语,浊度与样品中的光散射成正比[1]。浊度测量一般分为样品表面散射法及样品内散射法,样品内散射法由于入射光在样品内传输过程中的颜色吸收及粒子散射而衰减,因而除了对色度比较敏感外,其测量范围小,一般为100NTU内,线性范围为0～30NTU。而用表面散射法进行浊度测量,其测量范围可达1000NTU以上,并在整个范围内线性度也较好[6],因此受到了人们重视。

　　2　理论计算

　　球形粒子对光的散射解与球型粒子的光学厚度τ1有关,通常当光通过样品后,入射光束其光强将衰减至光强的e-τ1(1为样品沿光传播方向的长度,τ为消光系数,与粒子浓度成比例)。当τ1<0.1时,则只考虑单次散射,当0.1<τ1<0.3时,则为双重散射。当τ1>0.3时,则会发生多重散射[2]。

　　2.1　球形粒子的单次光散射解

　　上面已经指出,当样品中的粒子浓度很低时,可忽略二次以上的多重光散射,而球形粒子对平面平行入射波的光散射解,已由Mie和Dybye给出了从严格电磁场理论得到的解[2,3],其解只取决于粒子的介电常数及粒子半径与波长的比值。散射解最为直观的表达就是散射光强度随角度的分布,图1是当入射光完全无偏的自然光下,三种典型粒子尺寸(远小于、接近于、远大于波长)的散射角分布图,图中m为粒子与周围介质的相对折射率,d为粒子的直径,λ为入射光的波长,角度0°取的是前向散射光方向。从散射角分布图可得出:在入射光的90°方向(垂直方向)通过接收散射光强来实现浊度测量对样品粒子的尺寸较不灵敏。

　　2.2　球型粒子的多重光散射解

　　对于多次散射问题有两种不同的理论方法:解析理论和输运理论。虽然解析理论在数学上是严格的,但是由于方程的复杂性,且边界条件难于表达,几乎无法得到解的形式。而输运理论讨论的是光能量通过包含粒子的介质层时的输运过程,由于该理论比较直观而受到人们的重视。而其中的Monte Carlo法运用了中子散射和碰撞方法来求传输方程,其物理概念清晰,且易于计算机编程求解,因而受到了广泛的应用[4,5]。

　　本文用Monte Carlo法计算了三种尺寸的球形粒子在入射光不同入射角度下不同的接收角度时的多重光散射强度与样品光学厚度的曲线,图2、3、4分别是粒子尺寸为0.1μm、1.0μm、10.0μm时其中的一些结果,图中纵坐标为散射光强,横坐标为样品的光学厚度,与粒子浓度(或浊度)相对应。大量的计算结果表明,当考虑样品的多重光散射时,散射光强度与浊度的线性度下降。