3.9.3. Измерители мутности – турбидитиметры, нефелометры

Для измерения мутности воды в прибрежных акваториях или небольших водоемах применяют измерители интегрального рассеяния. Такие измерители рассеяния проектируют луч света в воде, в то время как расположенный рядом фотоприемник следит за обратным рассеянием света. Эти измерители (LSS - light scattering sensor или OBS - optical backscatter mеtеr) используют инфракрасные светодиоды в качестве источника излучения и кремниевые фотодиоды для приемников излучения. Единицами измерения являются некие условные единицы – NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Для точного определения содержания взвешенных частиц в воде измерители (подобно прозрачномерам) должны быть калиброваны в естественной воде с последующей фильтрацией частиц из известного объема и последующим их тщательным взвешиванием.

Прибор LSS (рис. 3.65а) производства фирмы WetLabs - это простейший, измеритель светового рассеяния, который измеряет рассеяние на частицах, взвешенных в воде. Такое измерение часто интерпретируют как измерение мутности, но оно также служит и для оценки чистоты воды, видимости в ней, а также концентрации взвешенных частиц. Основная конструкция измерителя рассеяния позволяет измерять мутность линейно во всем диапазоне, имеющемся в естественных водах, - от 0,0005 до 750 NTU. Фирма производит четыре разные модели LSS для разных поддиапазонов в этих пределах.

Оптическая конструкция LSS показана на рис. 3.65б. Датчик состоит из двух источников света, в качестве которых используют инфракрасные светодиоды с длиной волны излучения 880 нм, и защищенного от солнечного излучения фотоприемника. Излучатели и фотоприемник имеют перегородку для блокировки прямого излучения к фотоприемнику, чтобы был измерен только рассеянный свет. Для этой цели источник света и фотоприемник установлены в углублениях и залиты оптически прозрачным эпоксидным составом в виде водонепроницаемого иллюминатора. В то же время глубины выемок обеспечивают максимальные углы распространения светового излучения от светодиодов и принимаемого рассеянного света.

Свет, излучаемый светодиодом, отражается от внутренней поверхностью выемки и излучается в виде полусферы таким образом, чтобы свет, рассеянный от частиц, принимался изнутри этой полусферы. Максимум чувствительности наблюдается при величине рассеивающих углов около 100°.

Рис. 3.65. Внешний вид (а) и устройство (б) измерителя LSS: 1 - прочный корпус измерителя; 2 - излучатели; 3 - фотоприемник; 4 - поле освещения; 5 - рассеянный свет, воспринимаемый фотоприемником

Каждая модель LSS имеет возможность измерений в двух диапазонах. В стандартной модели можно измерять в диапазоне 0,0075-25 NTU при низком усилении и в диапазоне 0,0025-7,5 NTU при высоком усилении. Эти оба диапазона предназначены для открытого океана и для прибрежных вод. Для очень чистых вод существует модель с диапазонами 3-ёхкратной чувствительности, которая имеет пределы 0,0025-7,5 NTU и 0,0007-2,25 NTU. Также имеются модели для более мутных вод.

Выборка объема LSS варьирует с мутностью воды. Объем лимитирован быстрым ослаблением инфракрасного света в воде. В чистой воде примерно 50 % сигнала порождены частицами, расположенными в пределах 11 см от поверхности датчика, 90 % - менее чем в 40 см, а 99,75 % - на расстоянии менее 1 м от поверхности датчика. В более мутной воде эти пределы будут короче. Все это относится к гомогенному распределению частиц.

Датчик обладает малыми размерами, имеет аналоговый выходной сигнал 0-5 В и может устанавливаться на СТD-зонды. Ток потребления составляет 20 мА при напряжении питания от 9 до 18 В.

Измеритель OBS-3+ производства D & А Instrument Соmрanу (рис. 3.66) похож по конструкции на LSS, а также имеет близкие метрологические и эксплуатационные качества, но отличается расположением оптической головки на срезе боковой поверхности.

а б

Рис. 3.66. Внешний вид измерителя OBS-3+ (а) и схема его функционирования (б):

1 - нормируемая зона чувствительности; 2 - минимально требуемое расстояние вбок (20 см); 3- боковое препятствие; 4 – минимальное расстояние вниз (2,7 см); 5 – дно

В фотоприемнике измерителя OBS-3+ применено четыре фотодиода, а вместо двух излучателей используется только один светодиод, расположенный в центре между фотодиодами. Светодиод излучает в эллиптическом телесном угле 30-50°. Фотоприемник регистрирует светорассеяние под углом от 140 до 160° (модели этой же фирмы: OBS-4 и OBS-5, отличаются детекторами: 70-160° и 88-170°, соответственно).

Прибор OBS-3+ предназначен для измерений мутности в диапазоне от 0 до 2000 NTU с точностью 0,25 NTU и частотой до 10 Гц. Его дрейф может достигать 2% в год.

Измеритель OBS-3+ выполнен в стальном или титановом корпусе Ø25х138 мм (до 500 м). Его можно встраивать в качестве дополнительного датчика в корпус СТD-зонда или использовать как отдельный измеритель.

Такие измерители, или, как их еще называют, мутномеры, в связи со своей конструктивной простотой выпускают и некоторые фирмы-изготовители СТD-зондов. Например, для установки на своих зондах RCM 9 и RCM 12 фирмой Ааndеrаа Instruments выпускается измеритель Turbidity Sensor 3612 (рис. 3.67).

а б

Рис. 3.67. Внешний вид (а) и устройство (б) измерителя мутности Turbidity Sensor 3612 фирмы AADI

В измерителе мутности используются два инфракрасных светодиода с длиной волны излучения 880 нм. Светодиоды работают в импульсном режиме с частотой 2 кГц. Свет, рассеянный на частицах, принимается фотодиодом, имеющим максимум светочувствительности на длине волны 900 нм. Угол между ними 30°. Схема функционирования измерителя ясна из рис. 3.67б. Выход SR10 выдает информацию во внутреннем формате фирмы. Имеется три варианта измерителя: 3612, 3612A и 3612B, - с пределами измерения: 0-20, 0-100 и 0-500 NTU. Точность измерения составляет 2%ПШ, а разрешение 0.1 %ПШ. Инерционность – 30 с.

Прибор, рассчитанный на предельную глубину погружения – 2000 м, имеет стальной корпус. Его вес 385 гр.

К этому же классу измерителей относится модуль TurbiLux, выпускаемый фирмой Сhelsea Instruments (рис. 3.68). Датчик TurbiLux соответствует стандарту ISO 7027:1999, который предполагает расширенные функциональные возможности по сравнению с существующими датчиками мутности. Он рекомендован к применению не только в гидрологических приложениях, но и промышленности, коммунальном хозяйстве и т.д.

В измерителе TurbiLux инфракрасный светодиод и фотодиод настроены на одну и ту же длину волны - 880 нм. Угол между ними 90°. Прибор рассчитан на измерения от 0 до 100 NTU, с разрешением 0,01 NTU. Корпус турбидитиметра выполнен из пластика Acetal C (Ø70х149 мм), имеет вес на воздухе 0,8 кг, в воде 0,1 кг и рассчитан на погружения до глубины 600 м. Эксплуатация TurbiLux возможна в диапазоне температур от -2 до +40 °С, а хранение от -40 до +70 °С. Модуль снабжён выходом типа MCBH6M. Передача данных осуществляется в стандартном формате RS-232 имеется дополнительный аналоговый выходной сигнал 0-5 В (под заказ возможны варианты RS-422 или SDI-12). Питание от 9 до 36 В. Потребляемая мощность менее 1 Вт при номинале 12 В.

Рис. 3.68. Внешний вид турбидитиметра TurbiLux фирмы Сhelsea Instruments Ltd

Уникальные параметры прибора Turbidity Meter фирмы Seapoint (рис. 3.69): компактность (габариты Ø25х112 мм, вес 86 гр) и глубина погружения до 6000 м, - являются выгодным отличием этого датчика от ранее представленных нефелометров.

Его оптическая система состоит из двух светодиодов и фотодиодов, настроенных на длину волны 880 нм. Источники света чрезвычайно эффективны и хорошо подходят для максимальной чувствительности кремниевых фотодиодов. Непрозрачные части корпуса препятствуют прямому воздействию на детектор света от излучателя и внешних источников (рис. 3.69б). Прозрачные окна прибора изготовлены из эпоксидного материала. Свет от светодиодов проходит через окно в чувствительный объем, где рассеивается на частицах. Часть света, рассеянного под углами от 15 до 150 градусов, проходит через окно детектора и улавливается фотодиодами. Оптическая конструкция Turbidity Meter Seapoint уникальна, из-за наличия ограничений углов излучения и обнаружения. Поэтому чувствительный объем не распространяется на расстояние далее пяти сантиметров от окон датчика. Это является заметным преимуществом, т.к. снижает уровень помех, в том числе, вызванных отражением света от объектов вне объёма измерения. Кроме того, калибровка датчика возможна в относительно небольшой емкости.

Прибор имеет четыре поддиапазона и рассчитан на измерения от 0 до 25, 125, 500 и 750 NTU с соответствующим разрешением: 0,005, 0,025, 0,1 и 0,5 NTU. При калибровке по формазину линейность на шкале 0 - 750 NTU составляет менее 2%, а температурная зависимость не превышает 0,05%/°С. Частота опроса возможна до 10 Гц. Turbidity Meter эксплуатируется в диапазоне температур от 0 до +65 °С. Модуль снабжён герморазъёмом импульсного типа AG-306. Передача данных осуществляется в аналоговом формате с выходным сигналом 0-5 В. Питание от 7 до 20 В. Потребляемая мощность до 6 мА.

а б

Рис. 3.69. Внешний вид нефелометра Turbidity Meter фирмы Seapoint (а) и его оптическая диаграмма (б)