基于积分球的浊度测量

　　浊度是浑浊溶液中悬浮颗粒对光线散射作用的描述,随着社会经济的发展,纺织、半导体、工业用水、自来水、饮料、制药、临床、防疫等均要求浊度测量。浊度测量方法主要有透射式、散射式、表面散射式和积分球(散射+透射)式等。透射法是将光通过待测溶液后,用光电器件测量溶液及悬浮颗粒对光的吸收和散射所引起的透射光衰减,来确定溶液的浊度;散射法是在入射光侧向测量悬浮颗粒对入射光散射的强度,它分前向散射、后向散射和侧向散射。浊度用透射光与入射光比值的负对数表示,因透射光相对于入射光的变化量较小,低浊度的场合一般不适用。积分球(散射+透射)式浊度测量,同时测量散射光和透射光,浊度用散射光与透射光(或散射光+透射光)的比值表示,具有较高的灵敏度。

　　1　透射、散射浊度测量原理

　　透射法测量如图1所示,吸收光强遵从朗伯-比尔定律:

　　式中:T1———被测溶液透过率;

　　φ0———入射光强;

　　φ———透射光强;

　　B———比例系数;

　　L———溶液光程;

　　k1———溶液吸收系数;

　　k———溶液浊度系数。

　　变换(1)式可得

　　式中:T———无吸收时被测溶液纯散射(浊度)透过率;

　　T2———无吸散射时溶液纯吸收透过率。

　　图2为散射法测量,入射光遇到半径为波长的1/10以下的小颗粒,主要发生侧向散射;遇到半径是波长的1/4左右的颗粒,向前方强烈散射;而遇到半径大于波长的颗粒,在向前方散射的同时,向侧面的不同角度发出强度起伏变化的散射光。单个颗粒越大,产生的散射光量越大。当溶液中颗粒半径较小时,单位体积溶液中产生的90°总散射光强度服从瑞利定律:

　　式中:I1———散射光强度;

　　n1,n2———分别为微粒和溶液的折射率;

　　I0———入射光强度;

　　r———微粒到散射光强测试点的距离;

　　λ———入射光的波长;

　　θ———散射光与入射光的夹角;

　　v———单个微粒的体积;

　　N———单位体积溶液中的微粒数。

　　2　积分球式测量原理

　　由图3容易看出,采用积分球式方法测量浊度结合了透射和散射两种方法的优点。同时,这种测量方法对散射光的能量具有汇聚作用,因为积分球是一个空心球壳,内壁涂中性、均匀、高反射率涂层。积分球入口为光源经聚光镜和被测溶液后射入积分球内,透射光由前向探测器测量,散射光经积分球汇聚由侧向探测器测量。设积分球入口面积为S1,积分球总面积为S,则积分球的开口比为: