การตรวจวัดค่าความขุ่นในกระบวนการผลิต

ตุลาคม 9, 2023

ความขุ่น (Turbidity) เป็นการวัดความสามารถของแสงที่ผ่านของเหลวหรือตัวอย่างที่เป็นของแข็งโปร่งใส ซึ่งโดยทั่วไปจะอธิบายถึงความใสหรือความขุ่นของตัวอย่าง ในอดีตมนุษย์ใช้สายตาในการ “ตรวจวัด” ความขุ่นโดยเปรียบเทียบกับมาตรฐานความขุ่นทางสายตาหรือด้วย “ประสบการณ์” ในปัจจุบันการวัดความใสหรือความขุ่นในอุตสาหกรรมเป็นแบบอัตโนมัติและสามารถทำซ้ำได้โดยปราศจากอิทธิพลของมนุษย์

ตัวอย่างหลายชนิดมีความขุ่นและมีสี ยิ่งสีเข้มขึ้น แสงก็จะยิ่งถูกดูดกลืนมากขึ้น และความขุ่นก็จะดูสูงขึ้นกว่าที่เป็นจริง นั่นคือเหตุผลที่ความขุ่นที่แท้จริงจะต้องตรวจวัดด้วยการกระเจิงแสง เช่น ที่มุม 90° ซึ่งมีเพียงอนุภาคเท่านั้นที่จะกระเจิงแสงโดยไม่มีอิทธิพลของสีใดๆ

อะไรคือสาเหตุของการเกิดความขุ่น ?

หากผสมของเหลวสองชนิดเข้าด้วยกัน ซึ่งโดยปกติจะไม่ผสมกัน เช่น ไขมันและน้ำ (เช่น นม) จะทำให้เกิดส่วนผสมของอนุภาคขนาดเล็ก นี่เรียกว่า อิมัลชัน (emulsion) หากของแข็งที่มีอนุภาคขนาดเล็กมากผสมในของเหลว เช่น น้ำ เกลือ จะเรียกว่า สารแขวนลอย (suspension) อย่างไรก็ตาม ส่วนผสมประเภทนี้มีแนวโน้มที่จะแยกออกเป็นของแข็ง (ตะกอน) และของเหลวได้ค่อนข้างเร็ว หากของแข็งที่แขวนลอยเหล่านี้รักษาการกระจายตัวในของเหลวไว้ได้ ความขุ่นจะคงที่และสามารถตรวจวัดได้ จากรูปด้านข้าง แสดงการเปรียบเทียบระหว่างน้ำแอปเปิ้ลใสและน้ำแอปเปิ้ลที่ไม่ได้ผ่านการกรอง

สีถูกแยกออกจากค่าความขุ่นอย่างไร ?

นิยามของความขุ่น

โดยทั่วไป มีมาตรฐานสองรูปแบบที่อธิบายถึงวิธีการวัดความขุ่น ได้แก่

EPA Method 180.1: แสงสีขาว (400 – 680 นาโนเมตร)
DIN EN ISO 27027: แสงอินฟราเรด (780 – 900 นาโนเมตร) โดยทั่วไปคือ 860 นาโนเมตร

ทั้งสองมาตรฐานอธิบายถึงวิธีการวัดความขุ่นโดยการกระเจิงแสงที่ 90° (Nephelometry) และความยาวเส้นทาง ความเข้มข้นของอนุภาค และขนาดของอนุภาค มีอิทธิพลโดยตรงต่อผลการตรวจวัดความขุ่น นอกจากนี้ ตัวอย่างที่ไหลผ่านจะมีความขุ่นแตกต่างจากตัวอย่างที่นิ่ง สิ่งรบกวนภายในกระแสการไหลทำให้เกิดฟองอากาศขนาดเล็กภายในตัวอย่าง ซึ่งจะเพิ่มค่าความขุ่นเช่นกัน

การสอบเทียบเซ็นเซอร์ตรวจวัดความขุ่น

การสอบเทียบเซ็นเซอร์ตรวจวัดความขุ่นและเครื่องวัดในห้องปฏิบัติการถูกกำหนดไว้ในมาตรฐานข้างต้น โดยใช้สารละลายมาตรฐาน Formazin ซึ่งครอบคลุมช่วงความขุ่นที่ต้องการ ในขณะที่ EPA อ้างอิงถึง NTU (Nephelometric turbidity units) แต่มาตรฐาน ISO ใช้ FNU (Formazin Nephelometric units) และ FTU (Formazin turbidity units) แสงที่ผ่านตัวอย่างจะแสดงเป็น FAU (Formazin attenuation units) ซึ่งผล Formazin มาตรฐานมาจากปฏิกิริยาเคมีระหว่าง hexamethylenetetramine และ hydrazine sulfate

โครงสร้างของ Formazin

ชุดมาตรฐานความขุ่นของ Formazin

ตัวอย่างการควบคุมค่าความขุ่นในกระบวนการ

เพื่อควบคุมการทำงานของตัวกรองในกระบวนการผลิตน้ำแอปเปิ้ล สามารถใช้เซ็นเซอร์ TF16-N ในช่วงความยาวคลื่น NIR 730 ถึง 970 นาโนเมตร เซ็นเซอร์จะวัดค่าการดูดกลืนทั้งหมด ดังที่แสดงในกราฟด้านข้าง สามารถแยกความแตกต่างของน้ำแอปเปิ้ลใสและน้ำแอปเปิ้ลที่ไม่ได้ผ่านการกรองซึ่งมีความขุ่นได้อย่างง่ายดาย ในกรณีที่ตัวกรองเสียหาย ค่าการดูดกลืนที่เพิ่มขึ้นจะแสดงให้เห็นถึงความผิดพลาดในกระบวนการกรองโดยตรง และทำให้สามารถดำเนินการแก้ไขได้ทันที

ตัวอย่างความขุ่นสำหรับการควบคุมกระบวนการ – กระบวนการกรอง

การวัดการกระเจิงของแสง – ความสัมพันธ์เชิงมุม

การวัดความขุ่นโดยใช้มุมตรวจวัดที่ 90° (การกระเจิงแสงด้านข้าง) มีความไวต่ออนุภาคในช่วงขนาด 0.1-0.5 μm มากที่สุด เช่น สารคอลลอยด์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าเหตุใดวิธีนี้จึงนิยมใช้สำหรับการตรวจวัดคุณภาพเบียร์และน้ำดื่ม

อย่างไรก็ตาม สำหรับการวัดอนุภาคในช่วง 0.5 – 5 μm ด้วยมุมที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นการตรวจวัดการกระเจิงแสงด้านหน้าที่เกิดจากอนุภาคขนาดใหญ่ มีความเหมาะสมมากกว่า ด้วยอัตราสัญญาณต่อพื้นหลังหรือความไวสูงสุดจะได้จากการตรวจวัดที่มุมเข้าใกล้ 0° มากที่สุด แต่เนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิคที่เกิดจากความจำเป็นในการแยกสัญญาณการกระเจิงแสงออกจากสัญญาณการส่งผ่านของลำแสงกระตุ้น มุมต่ำสุดที่สามารถทำได้คือ 11° โดยที่มุมต่ำกว่านี้ เครื่องตรวจวัดการกระเจิงแสงจะตรวจจับแสงของลำแสงกระตุ้นแทน

การตรวจวัดด้วย Formazin ซึ่งเป็นมาตรฐานความขุ่นทั่วไปที่มีการกระจายขนาดของอนุภาคในช่วง 1-2 ไมโครเมตร แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าความไวของการตรวจวัดที่มุม 11° นั้นสูงกว่าที่มุมอื่นๆ รวมถึง 90° ด้วย

ขนาดอนุภาคของสัญญาณการกระเจิงแสงที่มุมต่างๆ

การวัดด้วยลูกปัดพอลิสไตรีนสองขนาดที่แตกต่างกัน แสดงให้เห็นว่าการวัดที่ 11° มีความไวมากกว่าการวัดที่ 90° โดยจะเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นเมื่อวัดอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น เซลล์ สำหรับการวัดคอลลอยด์ที่มีขนาดต่ำกว่า 0.2 ไมโครเมตร การวัดที่ 11° นั้นไม่มีข้อได้เปรียบกว่าการวัดที่ 90° อย่างไรก็ตาม สำหรับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่านั้น การวัดที่ 11° นั้นมีความไวมากกว่า

สัญญาณการกระเจิงแสงที่ 11° และ 90° โดยใช้ลูกปัดพอลิสไตรีนสองขนาดที่แตกต่างกัน

การวัดความขุ่นตามการกระเจิงแสงและการดูดกลืนแสง

ในขณะที่การวัดการกระเจิงแสงที่ 11° มีความไวต่อค่าความขุ่นระดับต่ำ สัญญาณจะอิ่มตัวและย้อนกลับได้ที่ค่าความขุ่นระดับปานกลางเนื่องจากการกระเจิงแสงหลายครั้ง อย่างไรก็ตาม การดูดกลืนแสงที่ 0° ซึ่งมีความไวต่อค่าความขุ่นระดับต่ำเช่นกัน จะแสดงการตอบสนองเชิงเส้นจนถึงความเข้มข้นสูง การรวมสองวิธีนี้ในเซ็นเซอร์เดียวกันจะนำไปสู่การผสมผสานระหว่างความไวของสัญญาณที่สูงกับช่วงไดนามิกที่กว้าง

สัญญาณการตอบสนองจากการกระเจิงแสงที่ 11° และการดูดกลืนแสงที่ 0°

ระบบตรวจวัดความขุ่น (Turbidity / Nephelometry) พร้อมตัวตรวจจับอนุภาคขนาดเล็กและใหญ่

การวัดความขุ่นของน้ำและเบียร์

หน่วยความขุ่น		ตัวย่อ	แหล่งกำเนิดแสง	หลักการตรวจวัด	มุมที่ใช้	มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง
น้ำ	Formazin Turbidity Unit	FTU	ไม่ได้กำหนด	ไม่ระบุ	ไม่ระบุ	N/A
	Nephelometric Turbidity Unit	NTU	แสงสีขาว, หลอดไฟทังสเตน	การกระเจิงแสง / อัตราส่วนการส่องผ่าน	90°	EPA Method 180.1.
	Formazin Nephelometric Unit	FNU	NIR	การกระเจิงแสง / อัตราส่วนการส่องผ่าน	90°± 1.5°	DIN EN 27027 / ISO 7027
	Formazin Attenuation Unit	FAU	NIR	การดูดกลืน	0°± 1.5°	DIN EN 27027 / ISO 7027
เบียร์	American Society of Brewing Chemists	ASBC	580 nm	การกระเจิงแสง / อัตราส่วนการส่องผ่าน	ไม่ระบุ	ASBC Beer-27B
	European Brewery Convention	EBC (Stability Measurement)	แนะนำ 650 nm ± 30 nm	การกระเจิงแสง / อัตราส่วนการส่องผ่าน	90°	MEBAK, EBC
	European Brewery Convention	EBC (Filter Control)	แนะนำ 650 nm ± 30 nm	การกระเจิงแสง / อัตราส่วนการส่องผ่าน	Forward Scatter	MEBAK, EBC

1 FNU = 1 FTU = 1 NTU = 1 FAU = 0.25 EBC = 17.5 ASBC

เครื่องตรวจวัดความขุ่นในกระบวนการแบรนด์ Optek เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดความขุ่นของของเหลว โดยใช้หลักการวัดการกระเจิงแสง (nephelometry) เป็นเครื่องตรวจวัดที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม อุตสาหกรรมยา อุตสาหกรรมปิโตรเคมี และอุตสาหกรรมบำบัดน้ำเสีย


เซ็นเซอร์	TF16-N	AF16-N
หลักการตรวจวัด	1-Channel Absorption 2-Channel Scatter (11°)	1-Channel Absorption
ความยาวคลื่นที่ใช้ตรวจวัด	730 nm – 970 nm	730 nm – 970 nm
ตัวตรวจวัด	1 Silicon Photodiode (Abs) 8 Silicon Photodiodes (11°)	1 Silicon Photodiode (Standard Optics)
ช่วงการตรวจวัด	0 – 0.05 ถึง 5 CU 0 – 50 ถึง 8000 ppm (Abs, DE) 0 – 0.5 ถึง 500 ppm (11°, DE) 0 – 0.2 ถึง 200 FTU (11°)	0 – 0.05 ถึง 6 CU
ตัวอย่างการใช้งาน	น้ำมันในน้ำ น้ำในเชื้อเพลิง การควบคุมตัวกรอง การควบคุม Separation Outlet	การควบคุม Separation Outlet การควบคุม Separation Feed การควบคุมความเข้มข้น การตรวจจับอินเทอร์เฟซ