AL4140S悬浮物污泥度传感器技术原理和应用

1.      总悬浮物（SS）和总悬浮物的定义

  悬浮物（SS）指的是不溶于水的微小颗粒。由于其体积和物理特性，它们能漂浮在水中。这些颗粒可以包含多种材料。常见的例子有淤泥、粘土、有机物、藻类及其他杂质。悬浮固体是水体颗粒物的主要成分。它们不同于溶解固体，后者会融入水中的化学成分。这些固体可以是自然形成的，也可以是人类活动的结果。自然来源包括侵蚀，而人为来源则包括工业排放和污水。悬浮固体的浓度对于评估水的清澈度至关重要。高浓度通常表明水质较差和浑浊度增加。

  总悬浮固体（TSS）是指测量水样中所有大于2um的悬浮颗粒。这些颗粒可能包括多种物质，如淤泥、粘土、沙子、腐烂的动植物物质、工业废弃物以及藻类和细菌等微生物。与溶解固体不同，悬浮固体可以从水中过滤。高浓度的TSS常常导致浑浊度增加，浊度是水质浑浊度的指标。TSS的来源多样，包括自然侵蚀、城市和农业径流、废水排放以及工业排放

2. 在线测量悬浮物的重要性

  总悬浮固体的存在和浓度对水生生态系统及整体水质有深远影响，具体表现在以下几个方面

1)      降低水体透明度：高TSS水平会增加水浊度，显著降低阳光进入水柱的穿透力。这种光照减少直接损害了水生植物和藻类的光合作用，而这些植物是食物网的基础。初级生产减少会导致溶解氧水平下降，给水生生物带来压力。

2)      导致生物栖息地退化：悬浮颗粒可能从水柱中沉积，积累在河流、湖泊和河口底部。这种沉积物可以窒息底栖（底栖生物），破坏鱼类产卵地，填补重要的水生栖息地，并改变水道的自然流动模式。

3)      造成温度上升：悬浮颗粒吸收的太阳辐射超过清水，导致水温升高。温度升高会降低水中储存溶解氧的能力，进一步加剧鱼类和其他需要特定温度区间生存的水生生物的压力。

4)      运输污染物：许多污染物，包括重金属、农药和磷，容易吸附在悬浮颗粒表面。因此，TSS可以作为运输机制，将有害污染物远离源头，使其可供水生生物吸收或沉积物中积累。

5)      损害鱼类：高浓度的磨蚀性悬浮颗粒会直接损害鱼类及其他水生无脊椎动物的鳃，影响呼吸。它们还可能干扰滤食生物的摄食机制，降低其获取能力 .

3. 悬浮物在线监测的应用场景

1)      环境保护的应用：

环境法规通常对工业设施、市政处理厂和建筑工地废水排放中的TSS设定限值。定期监测TSS确保符合这些许可，防止接收水体过度污染。

2)      水处理中的应用：

对于水处理厂来说，TSS是一个关键参数。源水中高TSS会增加净化过程的运营成本，需要更广泛的凝固、絮凝和过滤才能生产饮用水。在污水处理中，TSS的去除是主要目标，其测量指标反映了处理过程的效率。

3)      水利水文中的应用：

监测径流中的TSS有助于识别易受侵蚀的区域，指导农业、林业和城市发展中的最佳管理措施，减少进入水道的沉积物负荷。

4.      测量SS的标准方法

总体上测量SS有称重法和光散射法两种

1） 称重法

 《GB11901-89 水质悬浮物的测定 重量法》规定量取100mL实验，全部通过孔径为0.45um的滤膜，将载有SS的滤膜高温烘干，冷却，称取重量得到悬浮物的浓度

2） 光散射法

   称重法虽然准确，但并不适合做在线测量，被广泛使用的SS测定方法是光散射法，一种适合连续监测的替代方法是测量样品散射或透射的光量。测量光学性质可以快速测定样品中悬浮固体的含量。使用散射光进行测量。样品中的固体会将光向各个方向散射，不同方向的散射比例与所测固体的性质相关，尤其是固体颗粒的大小对散射行为有很大影响。小颗粒（<0.06µm ≈ 光波长的1/10）在各个方向均匀散射光，中等颗粒（>0.15µm ≈ 光波长的1/4）由于加性干涉，在前向散射光较多，而大颗粒（>0.6µm ≈ 光波长）在前向散射大量光。散射行为还会受到颜色（影响入射光的吸收）、折射率和颗粒形状的影响，球状形状比棒状和卷状形状产生更多前向散射光。

    通过进行后向散射测量来测量悬浮固体浓度。样品被一个860纳米波长的LED照射，散射光被两个位于入射光灯光角度大于90°位置的探测器检测。与其他可能的光学测量相比，测量后向散射的主要优势是所需的测量路径长度减少。之所以有这个好处，是因为尽管散射光的数量随悬浮固体浓度的增加而增加，但最终光信号的衰减会占主导，导致响应下降。这就产生了像图1所示的散射光检测器的特征输出。峰值出现的固体浓度，以及最终传感器失效的浓度，与路径长度有关。使用提供最短可能路径长度的后向散射检测器，使峰值响应的位置（传感器失效的点）能够出现在高固体浓度下。在中使用860纳米光源，相较于使用白光或可见光源，可以减少颗粒颜色对测量的影响。SS与光散射强度的关系如下图所示。

   AL4140S悬浮物传感器也采用光散射法测定SS，同时AL4140S优化了散射光路设计，在散射角接收角度、波长和信号处理方面均经过了大量优化，因此AL4140S经济型悬浮物/污泥度传感器具有以下优点  

• 环境光自动调零技术，消除环境光影响

• 单点到五点校准，保证整个量程内都有较高的精度

• 光纤式传感器，机身紧轻巧紧凑，适应各类工况

• 电刷定期自动清洁光学窗口，清除水中杂质和气泡附着

• 内置故障自诊断功能，保证数据准确

• 出厂采用SiO2悬浮液进行预校准，可随时恢复出厂校准参数

• 半导体LED和光电探测器，使用寿命超过10年

• 传感器接口具有错接和反接保护功能

• 3KV耐压隔离电源供电，抗干扰能力强

5、AL4140S经济型悬浮物/污泥度传感器的校准

  对于许多应用，仅需要一个校准样品，但对于固体浓度较高的样品，随着固体浓度的增加，探测器的响应可能会变得非线性。市面上的很多产品仅仅采用单点或两点校准，是服务在高浓度悬浮物中保持线性。为了使AL4140S能够处理此类样品，可以进行多点校准（最多5个点）。对于每个校准样品，计算在不同光强下测量信号之间的梯度。不同校准样品的梯度用于生成校准曲线。使用多点校准曲线允许在校准范围内给出线性输出。以SIO2作为样品，经过5点校准后，测定0-50000mg/L的线性实测数据如下图所示，R2＞0.997

6、现场校准

一般来说，悬浮颗粒（如沙子、泥土、有机颗粒或微生物）会使光线散射，散射光的实际强度，即有多少入射光偏离了照明方向，颗粒的数量、光的波长、以及散射光的接收角度等等因素。本仪器的检测悬浮物的浓度方法是：首先建立SiO2的校准曲线，然将悬浮物颗粒从水中过滤出来，然后进行干燥并称重，从而得出总悬浮固体的mg/L值。随后，将此称重测量值与SiO2测量值进行关联，所得数据将用于生成校准曲线。

以高岭土为例，对仪器的悬浮物浓度进行校准，高岭土的称重值与SiO2示值之间的关系为

根据上述高岭土的称重值与SiO2示值之间的关系，在仪器上位机“悬浮物校准"一栏中，进行校准，依次输入5组对应悬浮物浓度值和SiO2浓度示值，点击“写入"，通过查看系统日志“校准成功"字样，点击悬浮物校准一栏的“读取"和悬浮物校准系数的“一键读取"，查看是否写入成功，其中悬浮物浓度值和SiO2浓度示值在校准完成后会从小到大排列，最多可进行8组浓度值的校准。悬浮物具体校准过程如下图：