Đơn vị độ đục: NTU và FNU, hiệu chuẩn và quy đổi 4-20 mA

Giả sử một skid xử lý nước từ Nhật về nhà máy của bạn. Datasheet của máy đo độ đục online ghi "0–20 度 (formazin), 4–20 mA", còn ngưỡng cảnh báo đặt ở "5 度".

Nhà máy bạn báo cáo độ đục bằng NTU, còn máy đo ở phòng lab hiển thị FNU. Câu hỏi đầu tiên là một "độ" (度, đọc là do) của Nhật bằng bao nhiêu NTU, và ngưỡng cảnh báo đó còn dùng được hay không.

Câu trả lời ngắn: không có một hệ số quy đổi chung. Giá trị độ đục phụ thuộc vào chất chuẩn dùng để hiệu chuẩn (cao lanh, formazin hoặc hạt polymer) và vào hệ quang học (bước sóng ánh sáng, góc đặt đầu thu). Chỉ khi cả hai điều kiện này giống nhau thì mới so sánh được hai số đo.

Dùng đúng đơn vị còn có nghĩa là kiểm tra cả việc hiệu chuẩn và việc cài thang 4–20 mA giữa máy đo và hệ thống điều khiển của bạn.

Bài viết này đi qua các đơn vị độ đục của Nhật, NTU và FNU (EPA 180.1 so với ISO 7027), độ đục so với chất rắn lơ lửng (TSS), các nguyên lý đo chính, hiệu chuẩn, quy đổi 4–20 mA và cách xử lý sự cố. Cuối bài có checklist, danh sách câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật và một mẫu email.

Mục lục

1. Độ đục đo cái gì (và không đo cái gì)
2. Đơn vị độ đục: "độ" (度) của Nhật, NTU, FNU và FAU
3. Độ đục so với chất rắn lơ lửng (TSS)
4. Đo độ đục như thế nào: các nguyên lý chính
5. Chọn phương pháp đo
6. Thiết kế đường lấy mẫu cho máy đo độ đục online
7. Hiệu chuẩn máy đo độ đục: formazin, StablCal và các chất chuẩn khác
8. Quy đổi 4–20 mA và thiết kế cảnh báo
9. Xử lý sự cố số đo độ đục theo triệu chứng
10. Checklist: rà soát thông số kỹ thuật máy đo độ đục của Nhật
11. Câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật
12. Giới hạn của bài viết này
13. FAQ
14. Nguồn tham khảo

Độ đục đo cái gì (và không đo cái gì)

Độ đục (濁度, dakudo) cho biết mẫu nước làm tán xạ hoặc làm yếu ánh sáng đến mức nào. Bùn mịn, chất rắn nhỏ và vi sinh vật làm đổi đường đi của ánh sáng trong nước, và máy đo độ đục đo sự thay đổi đó so với một huyền phù chuẩn.

Đây không phải số lượng hạt và cũng không phải khối lượng chất rắn trong nước. Kích thước, hình dạng và màu của hạt đều làm thay đổi cách mẫu phản ứng với ánh sáng.

Nước chứa hạt trắng mịn và nước chứa hạt đen lớn có thể có cùng khối lượng chất rắn mà vẫn cho cường độ ánh sáng tán xạ khác nhau. Độ đục bằng nhau không có nghĩa là thành phần bên trong giống nhau.

Độ đục cũng khác với độ dẫn điện (ion hòa tan) và pH (tính axit hay kiềm). Nước trong vẫn có thể chứa nhiều ion, nên nhà máy xử lý thường kết hợp nhiều chỉ tiêu chất lượng nước tùy theo thứ cần loại bỏ và cần kiểm soát.

Đơn vị độ đục: "độ" (度) của Nhật, NTU, FNU và FAU

Tài liệu kỹ thuật của Nhật thường ghi độ đục bằng 度 (do, "độ"). Chỉ nhìn con số là chưa đủ: bạn còn phải biết "độ" đó được định nghĩa theo chất chuẩn nào. Cao lanh, formazin và hạt loại polystyren mỗi loại đặt ra một chuẩn tham chiếu khác nhau.

• Độ (cao lanh): 1 độ là độ đục của nước tinh khiết chứa 1 mg cao lanh chuẩn trong mỗi lít. Con số 1 mg/L này chỉ là sự tương ứng với chất chuẩn, không phải nồng độ khối lượng thực của hạt trong mẫu của bạn.
• Độ (formazin): formazin là huyền phù polymer dùng để hiệu chuẩn máy đo độ đục. Về bản chất đây vẫn là phép so sánh với một chất chuẩn. Trên cùng một mẫu, độ cao lanh và độ formazin cho giá trị khác nhau, và tỷ lệ giữa chúng không cố định.
• Độ (polystyren): chất chuẩn dạng hạt polystyren được dùng trong kiểm tra nước máy chính thức của Nhật. Phương pháp do Bộ trưởng Bộ Môi trường Nhật quy định kết hợp các hạt chuẩn có nhiều kích thước.

Hình 1 liệt kê các đơn vị bạn có thể gặp trên thiết bị của Nhật và quốc tế. Hãy đọc mỗi đơn vị cùng với chất chuẩn và hệ quang học của nó.

Hình 1: Đọc mỗi đơn vị độ đục cùng với chất chuẩn và hệ quang học

Hiệu chuẩn bằng cùng một chất chuẩn không bảo đảm đáp ứng giống nhau với mẫu thực.

Đơn vị	Chất chuẩn và quang học	Cần kiểm tra gì trước khi so sánh
Độ (cao lanh)	So sánh với chuẩn cao lanh	Không đồng nghĩa với nồng độ khối lượng hạt trong mẫu
Độ (formazin), FTU	Chuẩn formazin; cũng nên ghi cấu hình quang học trong thông số kỹ thuật	Phải khớp cả phương pháp phát hiện, không chỉ chất chuẩn
Độ (polystyren)	So sánh với hạt chuẩn loại polystyren	Dùng trong kiểm tra nước máy chính thức của Nhật, theo đúng phương pháp quy định
NTU	Thường là ánh sáng trắng, tán xạ 90°	Kiểm tra phương pháp (ví dụ EPA 180.1) và thông số thiết bị
FNU	Ánh sáng hồng ngoại gần, tán xạ 90°	Tương ứng điều kiện đo của ISO 7027
FAU	Ánh sáng hồng ngoại gần, đo suy giảm (đầu thu nằm thẳng hàng với chùm tia)	Dùng cho độ đục cao; không thay thế lẫn nhau với FNU

Một số thiết bị vẫn giữ cách ghi đơn vị cũ, nên đừng suy ra hệ quang học chỉ từ đơn vị hiển thị trên màn hình.

NTU và FNU: EPA 180.1 so với ISO 7027

NTU (nephelometric turbidity unit) là đơn vị của máy đo tán xạ dùng ánh sáng trắng, thường lấy phương pháp EPA 180.1 của Mỹ làm tham chiếu. FNU (formazin nephelometric unit) thuộc về các thiết bị hồng ngoại gần chế tạo theo ISO 7027-1. Cả hai đều đo ánh sáng tán xạ ở 90° và hiệu chuẩn bằng formazin; khác biệt chính là nguồn sáng.

Bảng dưới đây tóm tắt các điều kiện quang học, lấy từ các nguồn ghi ở cuối bài. Khi thiết kế hoặc kiểm tra tuân thủ, hãy đối chiếu với văn bản hiện hành của từng tiêu chuẩn.

	EPA 180.1 (NTU)	ISO 7027-1 (FNU / FAU)
Nguồn sáng	Đèn tungsten, nhiệt độ màu 2200–3000 K (ánh sáng trắng)	Hồng ngoại gần, 860 nm, độ rộng băng không quá 60 nm (nguồn thứ cấp)
Đầu thu	90° so với chùm tia (±30°), đỉnh phổ 400–600 nm; tổng đường quang không quá 10 cm	90° (±2,5°) với FNU; thẳng hàng với chùm tia (đo suy giảm) với FAU
Dải đo	0–40 NTU; cao hơn thì pha loãng	Đo tán xạ thường từ dưới 0,05 đến 400 FNU; đo suy giảm thường 40–4.000 FAU
Màu của mẫu	Chịu ảnh hưởng của màu mẫu nhiều hơn	Ít chịu ảnh hưởng của màu, vì màu hòa tan hấp thụ ít hơn ở vùng hồng ngoại gần
Nơi dùng phổ biến	Nước uống và nước thải ở Bắc Mỹ	Châu Âu và châu Á – Thái Bình Dương

ISO 7027-1 coi NTU và FNU tương đương về mặt số học khi dùng cùng một phương pháp đo ánh sáng tán xạ. Điều đó khác với việc quy đổi số đo giữa các thiết bị có quang học khác nhau. Trong nước tự nhiên, kích thước, hình dạng và màu của hạt làm số đo thay đổi, nên máy ánh sáng trắng và máy hồng ngoại thường cho kết quả khác nhau trên cùng một mẫu.

Vì vậy USGS và ASTM D7315 khuyến nghị báo cáo mỗi công nghệ bằng đơn vị riêng của nó (NTU, FNU, FNRU, FAU, FBU và các đơn vị khác). Tuy nhiên, các máy đời cũ thường hiển thị "NTU" bất kể quang học là gì. Hãy tách riêng hai trường hợp sau:

• Cùng một máy, đổi nhãn: màn hình chuyển từ NTU sang FNU nhưng quang học không thay đổi.
• Thay máy khác: máy thay thế có nguồn sáng hoặc góc đầu thu khác, nên số đo trên mẫu thực có thể lệch dù đã hiệu chuẩn.

Quy đổi "độ" của Nhật sang NTU

Không có hệ số chung nào trả lời câu "một độ bằng bao nhiêu NTU". Ngay cả độ theo formazin cũng chỉ ngang hàng với NTU khi quang học cũng khớp; còn độ cao lanh hay số đo theo ánh sáng truyền qua là một phép đo khác. Những việc bạn có thể làm:

1. Xác định giá trị của Nhật dựa trên chất chuẩn nào (cao lanh, formazin hay polystyren).
2. Xác định thiết bị dùng quang học nào (truyền qua, tán xạ 90°, tỷ số, cầu tích phân hay tán xạ bề mặt) và nguồn sáng gì.
3. Nếu máy cũ và máy mới khác nhau, cho chạy song song cả hai trên cùng các mẫu trong một thời gian rồi so sánh.

Giới hạn nước uống của Nhật: 2 độ

Ở Nhật, tiêu chuẩn chất lượng nước máy cho độ đục là không quá 2 độ. Một mục tiêu quản lý chất lượng nước riêng đặt ở mức không quá 1 độ. Hai giá trị này thuộc hai loại khác nhau nên đừng lẫn lộn.

Đạt giới hạn độ đục chưa có nghĩa là nước an toàn để uống. Tiêu chuẩn nước uống còn bao gồm vi sinh vật, hóa chất và nhiều chỉ tiêu khác.

Để so sánh, quy định của Mỹ cho lọc thông thường và lọc trực tiếp đặt giới hạn nước sau lọc tổng hợp là 0,3 NTU ở ít nhất 95% số phép đo trong tháng và 1 NTU ở mọi thời điểm. Các giới hạn này áp dụng ở một vị trí khác trong quy trình, nên không so trực tiếp với tiêu chuẩn nước máy của Nhật được.

Cả hai giới hạn đều không áp dụng được cho nước thải nhà máy hay chất lỏng công nghệ. Kiểm tra nước uống theo luật, giá trị kiểm soát của quy trình và giấy phép xả thải mỗi loại có phạm vi và phương pháp quy định riêng.

Đối chiếu với tiêu chuẩn và quy chuẩn của Việt Nam

Ở Việt Nam, phương pháp đo độ đục theo ISO 7027 có tiêu chuẩn quốc gia tương ứng là TCVN 6184 (Chất lượng nước – Xác định độ đục). Chúng tôi chưa xác nhận được năm ban hành hiện hành và mức độ tương đương, nên hãy hỏi nhà cung cấp hoặc tra cứu văn bản hiện hành trước khi ghi vào hồ sơ.

Giới hạn độ đục cho nước sạch dùng cho sinh hoạt nằm trong quy chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT, tính bằng NTU. Nước thải công nghiệp thường được quản lý bằng chất rắn lơ lửng (TSS) thay vì độ đục. Hãy lấy giá trị giới hạn từ văn bản hiện hành áp dụng cho nhà máy bạn, đừng mượn con số của Nhật hay của Mỹ.

Độ đục so với chất rắn lơ lửng (TSS)

Chất rắn lơ lửng (SS, trong tiếng Anh là TSS) là khối lượng chất lơ lửng trên một đơn vị thể tích mẫu. Bạn lọc mẫu theo quy trình quy định, rồi sấy khô và cân phần còn lại. Độ đục là số đo quang học, vì vậy hai đại lượng này phải được tách riêng.

Một số máy đo độ đục hiển thị SS theo mg/L, nhưng máy không hề sấy hay cân gì cả. Nó quy đổi độ đục sang SS bằng một quan hệ rút ra từ mẫu thực.

Đây là ví dụ giả định. Gọi x là độ đục (độ) và y là SS (mg/L), giả sử mẫu thực cho y = 2 + 1,5x. Với loại mẫu và dải đo đó, số đo 20 độ cho SS ước tính là 32 mg/L.

Hệ số 2 và 1,5 chỉ là số bịa ra để minh họa. Nếu lấy quan hệ xây dựng trên nước sông đục bùn rồi áp cho nước công nghệ có dầu hay bột màu, sự khác nhau của hạt sẽ hiện ra thành sai số quy đổi.

Khi xây dựng quan hệ, hãy đo độ đục và SS theo cặp trên cùng các mẫu, trải suốt dải kiểm soát. Kiểm tra cả hai đầu dải và các tình huống bất thường, không chỉ đoạn trông có vẻ tuyến tính. Đổi hóa chất hoặc nguyên liệu có thể làm đổi ý nghĩa của số đo, nên hãy ghi quy trình và dải áp dụng cùng với phương trình.

Đo độ đục như thế nào: các nguyên lý chính

Các phương pháp đo độ đục thường chia thành bốn nhóm: so sánh bằng mắt, ánh sáng truyền qua, ánh sáng tán xạ và cầu tích phân. Tất cả đều so mẫu với một độ đục tham chiếu, nhưng nhìn vào các thành phần ánh sáng khác nhau và thu ánh sáng từ các hướng khác nhau.

Đo độ đục bằng mắt là so sánh mẫu với dung dịch chuẩn trong các ống so màu giống nhau. Nguồn sáng, nền và hướng quan sát đều phải được kiểm soát. Việc này không giống với cầm chai nước giơ lên ánh sáng để nhìn.

Ở Nhật, JIS K 0101 (nước công nghiệp) và JIS K 0102 (nước thải công nghiệp) đã được gộp vào bộ JIS K 0102. Các phép thử lý hóa chung, trong đó có độ đục, nằm ở JIS K 0102-1:2021 và Sửa đổi 1:2023. Máy đo độ đục tự động có tiêu chuẩn riêng là JIS K 0801; hãy xác nhận phiên bản hiện hành và các yêu cầu với nhà cung cấp hoặc Hiệp hội Tiêu chuẩn Nhật Bản (JSA).

Kiểm tra nước máy ở Nhật dùng phương pháp do Bộ trưởng Bộ Môi trường quy định. Hiểu nguyên lý đo là một chuyện, tuân thủ một phương pháp thử quy định là chuyện khác. Hãy để mục đích của phép thử quyết định dùng phương pháp nào.

Với mọi máy đo quang, vị trí của nguồn sáng, mẫu và đầu thu quyết định số đo.

Ánh sáng truyền qua (turbidimetry)

Máy đo ánh sáng truyền qua cho ánh sáng đi xuyên qua mẫu và đo lượng ánh sáng tới được đầu thu ở phía đối diện. Hạt làm tán xạ ánh sáng ra khỏi đường thẳng, nên độ đục càng tăng thì ánh sáng tới đầu thu càng ít.

Loại máy này dùng cho độ đục trung bình đến cao, nhưng dải đo dùng được phụ thuộc vào chiều dài đường quang và đầu thu. Vì máy đọc lượng ánh sáng bị mất đi, nên sự hấp thụ do những thứ không phải hạt và lớp bẩn bám trên cửa sổ quang cũng ảnh hưởng đến số đo.

Hình 2: Ánh sáng truyền qua đo lượng ánh sáng bị mất trước khi tới phía đối diện

Ánh sáng mất đi do màu của mẫu hoặc bẩn cửa sổ cộng thêm vào phần suy giảm do hạt gây ra.

Với nước gần như trong suốt, hạt chỉ làm ánh sáng truyền qua thay đổi rất ít. Tín hiệu dễ chìm trong mức sáng nền và sự khác biệt giữa các cuvet, và đó là lý do đo độ đục thấp bằng cách này khó.

Ở thái cực ngược lại, khi nước đục đến mức gần như không còn ánh sáng đi qua thì cũng không còn thay đổi nào để đọc. "Phù hợp với độ đục cao" không có nghĩa là không có giới hạn, nên hãy kiểm tra dải đo hiệu dụng của thiết bị.

• Màu: nước có màu nhưng ít hạt vẫn có thể làm ánh sáng truyền qua giảm do hấp thụ. Hãy so sánh đáp ứng của máy trên mẫu thực để không nhầm thay đổi màu với thay đổi độ đục.
• Tình trạng cuvet: dấu vân tay, giọt nước và vết xước nhỏ trên cuvet đều làm lệch số đo. Trước khi nghi ngờ mẫu, hãy đo lại bằng cuvet sạch, cùng hướng đặt và cùng điều kiện.
• Không phải phân tích hóa học: máy phân tích so màu (ví dụ máy phân tích silica) cũng đo ánh sáng truyền qua, nhưng chúng đọc màu sinh ra từ phản ứng hóa học để xác định một thành phần cụ thể.

Ánh sáng tán xạ (nephelometry)

Máy đo ánh sáng tán xạ đo ánh sáng bị hạt làm lệch hướng, bằng đầu thu đặt ở một góc cố định. Kiểu tán xạ bên phổ biến phát hiện ánh sáng ở góc 90° so với chùm tia tới.

Trong nước gần như trong suốt, mỗi hạt thêm vào làm ánh sáng tán xạ tăng lên theo cách dễ phát hiện, nên phương pháp này được dùng cho độ đục thấp. Tín hiệu mà nó đọc có bản chất khác với mức giảm nhỏ của ánh sáng truyền qua.

Ánh sáng tán xạ không chỉ là sự phản xạ như gương theo một hướng. Hạt phát ánh sáng ra nhiều hướng, và góc mà máy chọn thu sẽ làm đổi cách máy đáp ứng với kích thước hạt và các tính chất khác.

Khi độ đục tăng, ánh sáng tới vùng đo giảm đi, và ánh sáng tán xạ cũng yếu dần trên đường tới đầu thu. Khi đó quan hệ giữa độ đục và ánh sáng thu được không còn tỷ lệ thuận đơn giản nữa.

Số đo chưa chạm kịch thang đo không chứng minh rằng phép đo đúng. Hãy đánh giá đáp ứng của hệ đo, bao gồm cả tán xạ nhiều lần, và pha loãng theo thông số thiết bị hoặc phương pháp thử.

Ánh sáng hồng ngoại gần trong một số trường hợp làm giảm ảnh hưởng của màu nhìn thấy. Sự khác nhau về hấp thụ và tính chất của hạt vẫn còn, nên hãy thử máy trên mẫu thực của loại nước bạn sẽ đo.

Hình 3: Hai đầu thu riêng cho tán xạ bên và ánh sáng đi thẳng

S được đo ở góc 90° và T đo dọc theo chùm tia. Máy tỷ số dùng cả hai.

Phương pháp tỷ số (tán xạ và truyền qua)

Máy tỷ số đo cả ánh sáng truyền qua lẫn ánh sáng tán xạ rồi dùng tỷ số của chúng. Nếu độ sáng đèn hoặc màu mẫu ảnh hưởng đến hai tín hiệu như nhau, tỷ số sẽ triệt tiêu phần lớn ảnh hưởng đó.

Điều này không biến phương pháp tỷ số thành lựa chọn chính xác nhất cho mọi mẫu. Hãy chọn phương pháp phù hợp với hạt, màu mẫu, dải đo cần thiết và phương pháp thử được chỉ định (nếu có). ASTM D7315 và USGS ghi các thiết kế này bằng đơn vị riêng, chẳng hạn NTRU (ánh sáng trắng) và FNRU (hồng ngoại gần).

Một ví dụ minh họa đơn giản: tín hiệu tán xạ 20 và tín hiệu truyền qua 80 cho tỷ số 0,25. Nếu đèn mờ đi và cả hai giảm còn 0,8 lần, tín hiệu thành 16 và 64, còn tỷ số vẫn là 0,25.

Giờ thêm tín hiệu bọt khí bằng 4 chỉ vào phía tán xạ. Tỷ số thành 24 ÷ 80 = 0,30. Tỷ số không hiệu chỉnh được mọi nhiễu, chỉ những nhiễu tác động lên cả hai tín hiệu như nhau.

Thiết bị thực được hiệu chuẩn theo cấu hình quang học và phương pháp hiệu chỉnh riêng của nó. Đừng cho rằng một công thức S/T đơn giản nghĩa là model nào cũng đo cùng một dải với cùng độ chính xác; hãy so sánh tính năng của từng model.

Cầu tích phân và tán xạ bề mặt

Máy cầu tích phân (integrating sphere) thu ánh sáng đã đi qua mẫu bên trong một quả cầu có thành trong phản xạ khuếch tán. Nó thu ánh sáng theo dải hướng rộng hơn máy tán xạ một góc.

Máy đánh giá độ đục từ các đại lượng như tỷ số giữa ánh sáng tán xạ và tổng ánh sáng truyền qua. Để hiểu nguyên lý, hãy xem thiết bị tách và phát hiện những thành phần ánh sáng nào, chứ đừng chỉ nhìn vào việc nó có một quả cầu.

Hình 4: Cầu tích phân thu ánh sáng bằng phản xạ khuếch tán

Ánh sáng ra khỏi mẫu phản xạ nhiều lần trong quả cầu rồi tới đầu thu. Mặt cắt khái niệm của đường quang.

Máy tán xạ bề mặt phát hiện ánh sáng tán xạ ở hoặc gần mặt nước, thường từ phía trên. Với thiết kế mà bộ phận quang không nhúng trong mẫu, cửa sổ cuvet tiếp xúc với nước sẽ không bị bám bẩn.

Bọt hoặc rác nổi trên mặt nước vẫn ảnh hưởng đến số đo. Tài liệu kỹ thuật về bọt khí của Yokogawa mô tả cách xử lý tín hiệu để hạn chế bọt xuất hiện từng lúc, kèm các điều kiện áp dụng.

Bộ phận quang không tiếp xúc nước không có nghĩa là cả thiết bị không cần bảo trì. Hãy giữ dòng mẫu, mực nước và đường xả ổn định, và không để bọt tích tụ trên mặt đo.

Chọn phương pháp đo

Bắt đầu từ mục đích và dải độ đục bạn cần. Kiểm tra nước uống, giám sát nước thô, kiểm soát nước công nghệ và giám sát nước thải đục nhiều mỗi việc cần một tính năng khác nhau và gặp những ràng buộc khác nhau.

Nếu luật hoặc hợp đồng chỉ định phương pháp, thì tuân thủ phương pháp đó là điểm xuất phát. Một máy có dải đo rộng hơn nhưng dùng phương pháp khác vẫn không cho ra giá trị tuân thủ tương đương.

Với giám sát quy trình, hãy tìm hiểu nước đục đến mức nào khi khởi động và khi sự cố, không chỉ khi vận hành bình thường. Dải hẹp đặt theo giá trị bình thường sẽ không ghi lại được mức độ nghiêm trọng của sự cố.

Khi thay máy, hãy chạy máy cũ và máy mới song song trên cùng các mẫu trong một thời gian để kiểm tra tính liên tục của dữ liệu. Khớp nhau trên chất chuẩn là chưa đủ; hãy ghi lại cả những giai đoạn hạt thay đổi thật, như khi mưa hoặc khi đổi nguyên liệu.

Nếu so sánh cho thấy có chênh lệch, hãy lần ra phương pháp đã dùng để đặt giá trị kiểm soát cũ trước khi chuyển nó sang hệ thống mới. Tách "quy trình đã đổi" khỏi "máy đáp ứng khác đi" sẽ giúp bạn không kế thừa một ngưỡng cảnh báo sai.

Trong thông số kỹ thuật, đừng chỉ ghi giới hạn trên và dưới của độ đục:

• Chất chuẩn hiệu chuẩn và phương pháp quang học
• Nhiệt độ và áp suất nước tại điểm đo
• Cách chia thang đầu ra (hai đầu 4–20 mA ứng với giá trị nào)
• Đầu ra hoạt động thế nào trong lúc bảo trì

Khi những mục này có trong thông số kỹ thuật, mọi việc từ giao hàng đến so sánh song song đều chạy theo cùng một bộ điều kiện.

So sánh các phương pháp

Bảng dưới đây tóm tắt mỗi phương pháp đọc ánh sáng nào và những điều kiện cần kiểm tra.

Phương pháp	Ánh sáng được đọc	Ứng dụng điển hình	Điều kiện cần kiểm tra
Bằng mắt	Hình thức bên ngoài của chuẩn và mẫu	Phép so sánh theo quy trình quy định	Chiếu sáng, nền, điều kiện quan sát
Ánh sáng truyền qua	Phần ánh sáng đi thẳng bị mất	Giám sát độ đục trung bình đến cao	Màu, bẩn cửa sổ, chiều dài đường quang
Ánh sáng tán xạ	Ánh sáng tán xạ ở một góc cố định	Phép đo kể cả độ đục thấp	Bước sóng, góc đầu thu, tán xạ nhiều lần
Cầu tích phân	Thành phần truyền qua và tán xạ được cầu thu lại	Đo mẫu theo phương pháp quy định	Quả cầu, quang học, điều kiện hiệu chuẩn
Tỷ số (tán xạ/truyền qua)	Tỷ số giữa ánh sáng tán xạ và truyền qua	Giám sát có giảm ảnh hưởng của màu	Nhiễu không tác động lên cả hai tín hiệu
Tán xạ bề mặt	Ánh sáng tán xạ gần mặt nước	Đo liên tục không có cửa sổ tiếp xúc nước	Bọt, rác nổi, dòng chảy, mực nước

Hãy chọn phương pháp phù hợp với mẫu:

• Độ đục thấp: độ ổn định điểm không, chặn ánh sáng lạc và cuvet sạch là then chốt. Hãy xem số đo dao động bao nhiêu quanh giá trị mục tiêu, đừng chỉ nhìn chữ số nhỏ nhất trên màn hình.
• Độ đục cao: ánh sáng xuyên được bao xa, cách bố trí đầu thu và tốc độ lắng đều quan trọng. Là một phần của thiết kế giám sát, hãy quyết định khi vượt dải thì giữ ở giới hạn trên hay báo lỗi.
• Nước có màu: đánh giá riêng trường hợp hạt tăng và trường hợp thuốc nhuộm hòa tan tăng. Dù có hiệu chỉnh, đáp ứng vẫn thay đổi khi màu hoặc hạt thay đổi, nên hãy thử cả nước bình thường lẫn nước lúc sự cố.
• Giọt dầu hoặc bông cặn: cường độ khuấy có thể làm đổi mẫu. Hãy ghi lại điều kiện thử và giữ cách xử lý mẫu giống nhau từ lúc lấy đến lúc đo.

Thiết kế đường lấy mẫu cho máy đo độ đục online

Máy đo độ đục online chỉ đo phần nước đến được cảm biến của nó. Nếu hạt lắng hoặc bám trong đường lấy mẫu thì máy đang nhìn một loại nước khác với nước trong quy trình.

Hãy chọn điểm lấy mẫu có nước công nghệ mang tính đại diện chảy qua. Góc bồn và đường ống ra mang hạt theo cách khác nhau, nên cần kiểm tra vùng nước tù và sự lắng, không chỉ xét việc lắp đặt có thuận tiện không.

Đường lấy mẫu dài và nhỏ làm tăng độ trễ và cho hạt nhiều cơ hội lắng hoặc bám hơn. Hãy tính chiều dài, đường kính và lưu lượng cùng với nhau, và chừa đường để súc rửa và kiểm tra tắc.

Hình 5: Đường lấy mẫu phải giữ hạt mang tính đại diện và loại bọt khí

Hãy coi mọi thứ từ điểm trích nước công nghệ đến cống xả là một hệ đo thống nhất. Lắng cặn, bọt khí và thể tích tù đều ảnh hưởng đến số đo.

Sơ đồ khái niệm; hãy theo dải lưu lượng và áp suất của từng thiết bị cụ thể. Thiết kế bộ tách bọt sao cho hạt không lắng bên trong.

Khí hòa tan thoát ra khi áp suất giảm, hoặc không khí lọt vào ở bơm và các mối nối, tạo thành bọt làm tán xạ ánh sáng. Số đo có thể vọt lên dù lượng hạt không đổi.

Để loại bọt, hãy ổn định lưu lượng và áp suất và dùng bộ tách thiết kế cho đúng thiết bị. Tuy nhiên, để mẫu đứng yên quá lâu cũng làm hạt lắng và thay đổi chính độ đục bạn muốn đo.

Nhiều dòng chảy hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn: dòng quá mạnh sinh ra bọt và mặt nước mất ổn định. Giữ lưu lượng và áp suất trong dải quy định của cảm biến, và chỉnh cho đến khi mẫu được cấp đều ở mức đó.

Độ trễ của đường lấy mẫu cũng làm chậm phản hồi cảnh báo. Nếu đường ống và cuvet chứa thể tích lớn, thì thay đổi của quy trình cần thời gian mới hiện lên, dù cảm biến phản ứng nhanh.

Khi so kết quả phòng lab với số đo online, hãy ghép các mẫu lấy cùng một thời điểm. Hãy tính cả độ trễ từ điểm lấy mẫu đến cuvet, để bạn không kết luận "máy sai số" trong khi hai giá trị đến từ hai khối nước khác nhau lúc quy trình đang biến động.

Hiệu chuẩn máy đo độ đục: formazin, StablCal và các chất chuẩn khác

Hiệu chuẩn là làm cho đáp ứng của máy khớp với một chất chuẩn đã xác định. Đó không phải là chỉnh máy cho đến khi mẫu hiện ra giá trị bạn mong muốn. Mỗi lần hãy ghi lại loại chất chuẩn, giá trị và số lô.

1. Bắt đầu từ trạng thái sạch. Làm sạch bộ phận quang và đường mẫu, rồi chờ số đo ổn định trên nước điểm không được chỉ định. Nếu đặt điểm không khi cửa sổ đang bẩn thì lớp bẩn trở thành một phần của mốc tham chiếu.
2. Hiệu chuẩn khoảng đo (span) bằng chất chuẩn quy định. Dùng dung dịch chuẩn hoặc tấm chuẩn (standard plate) mà nhà sản xuất hoặc phương pháp chỉ định. Các lựa chọn thường gặp là formazin, formazin ổn định hóa (ví dụ Hach StablCal) và chất chuẩn dạng hạt loại polystyren. Với giám sát nước máy liên tục, phương pháp của Nhật cũng cho phép hiệu chuẩn bằng tấm chuẩn; hãy xác nhận tấm đó khớp với dung dịch chuẩn trước khi dựa vào nó.
3. Kiểm tra gần các giá trị kiểm soát. Hai điểm khớp (điểm không và một giá trị cao) không chứng minh máy phù hợp ở khoảng giữa. Hãy kiểm tra đáp ứng quanh các giá trị bạn thực sự kiểm soát.
4. Ghi lại trước và sau. Ghi riêng số đo trước và sau khi làm sạch, trước và sau khi hiệu chuẩn. Nhờ đó bạn biết chỉ làm sạch đã đưa số đo về đúng hay điểm không và độ nhạy cũng đã trôi, và có cơ sở đặt chu kỳ bảo trì.

Pha loãng dung dịch chuẩn

Khi pha một dãy chuẩn bằng cách pha loãng, hãy liên kết giá trị dung dịch gốc, thể tích lấy và thể tích cuối. Thể tích cuối là tổng thể tích sau khi thêm nước đến vạch.

Hình 6: Pha chuẩn 10 độ từ dung dịch gốc 100 độ

Lấy 10 mL dung dịch gốc và thêm nước đến tổng 100 mL sẽ được 10 độ. Khi làm thực tế, hãy theo chất chuẩn và quy trình được chỉ định.

Giả định huyền phù đồng nhất và pha loãng theo thể tích

C₂ = C₁ × V₁V₂

C₂ = 100 × 10100 = 10 độ

C₁: giá trị dung dịch gốc (độ). C₂: giá trị sau pha loãng (độ). V₁: thể tích dung dịch gốc đã lấy (mL). V₂: tổng thể tích sau pha loãng (mL). Công thức này dùng để pha chất chuẩn, không dùng để quy đổi số đo mẫu thực giữa các phương pháp.

Thêm 100 mL nước vào 10 mL dung dịch gốc cho ra khoảng 110 mL, không phải 100 mL. Thêm nước đến vạch và thêm một thể tích nước cố định là hai thao tác khác nhau.

Huyền phù đã lắng trong lúc bảo quản sẽ cho giá trị sai nếu bạn chỉ lấy lớp trên. Hãy theo phương pháp trộn và hạn dùng đã quy định, và đừng để bình chứa hay dụng cụ đưa thêm hạt lạ vào.

Pha formazin từ hóa chất gốc liên quan đến các hóa chất nguy hiểm. Một trong số đó là hydrazin sulfat, rất độc, và bản thân formazin cũng có thể còn dư hydrazin sulfat. Đừng pha theo ghi chú bảo trì thông thường; hãy theo phương pháp thử được chỉ định, phiếu an toàn hóa chất (SDS) và quy trình quản lý hóa chất của nhà máy, phù hợp với quy định về an toàn hóa chất tại nơi làm việc trong Luật An toàn, vệ sinh lao động 2015.

Quy đổi 4–20 mA và thiết kế cảnh báo

Khi máy gửi giá trị về hệ thống điều khiển, dải hiển thị và dải truyền phải khớp nhau. Với 4–20 mA, máy đo và hệ thống nhận phải thống nhất mỗi đầu thang ứng với độ đục bao nhiêu.

Trong một tình huống giả định, 0–20 độ được chia vào 4–20 mA, nên 12 mA là điểm giữa, tức 10 độ. Nếu phía nhận vẫn đang cài 0–100 thì cùng 12 mA đó hiện ra là 50.

Hãy kiểm tra cả nhãn đơn vị. Nếu bộ truyền phát ra độ formazin mà tag trên hệ thống điều khiển ghi NTU, con số có thể trông đúng nhưng cơ sở lại khác. Tín hiệu đúng cũng không chứng minh việc lấy mẫu hay quang học đúng, nên hãy kiểm tra riêng phía mẫu và phía tín hiệu.

Hãy dùng các điểm sau khi cài cảnh báo:

• Dải đo: bao gồm mức khi khởi động và khi sự cố, không chỉ giá trị bình thường.
• Vượt dải và tín hiệu lỗi: hỏi xem đầu ra giữ ở giới hạn trên hay chuyển sang dòng lỗi. Một số bộ truyền dùng mức tín hiệu theo NAMUR NE 43, nhưng giá trị dòng thực tế tùy thiết bị và cài đặt, nên hãy xác nhận với nhà cung cấp.
• Lấy trung bình và loại bọt: lọc mạnh hơn che được các đỉnh ngắn nhưng cũng làm chậm thay đổi thật. Hãy chỉnh thời gian đáp ứng và mức chống báo động giả theo mục đích của cảnh báo.
• Trạng thái bảo trì: ghi lỗi máy và trạng thái vệ sinh cùng với độ đục. Nếu số đo bình thường và số đo lúc bảo trì được ghi giống nhau trên hệ thống điều khiển, sau này sẽ có người hiểu sai một thay đổi chất lượng nước.
• Giá trị tức thời: độ đục cho biết nước ở thời điểm đó. Cộng dồn theo thời gian không cho ra khối lượng hạt. Nếu cần tải lượng ô nhiễm, hãy xác định đúng lưu lượng và nồng độ.

Xử lý sự cố số đo độ đục theo triệu chứng

Hãy đi từ triệu chứng đến nguyên nhân có khả năng nhất. Bọt khí, bám bẩn, chất chuẩn và đường lấy mẫu là những chỗ thường phải xem.

Triệu chứng	Kiểm tra trước	Ghi chú
Đỉnh nhọn ngắn	Bọt khí, hạt lớn đi qua, ánh sáng lạc	Nếu đỉnh trùng với thay đổi lưu lượng hay áp suất của quy trình, hãy nghi ngờ đường lấy mẫu.
Trôi dần	Bám bẩn hoặc cặn trên cửa sổ, tình trạng chất chuẩn, nguồn sáng lão hóa	Ghi số đo trước khi làm sạch, để không mất dấu nguyên nhân khi chỉnh lại điểm không và span cùng lúc.
Chỉ thấp ngay sau khi làm sạch	Nước rửa còn trong cuvet làm loãng mẫu	Ghi thời điểm chuyển lại sang mẫu và thời gian để ổn định; đánh dấu riêng các khoảng đang làm sạch.
Lệch so với phòng lab theo một tỷ lệ không đổi	Cơ sở chất chuẩn, phương pháp quang học, cài đặt dải đầu ra	Xác nhận hai bên đo cùng một đại lượng rồi mới chỉnh độ nhạy.
Độ lặp lại kém trên cùng một mẫu	Lắng, kết bông, hướng đặt cuvet, bọt khí	Cố định quy trình trộn và thời gian chờ trước khi đo.
Quan hệ bị phá vỡ sau khi đổi quy trình	Tính chất hạt hoặc màu đã thay đổi	Đừng vội cho là máy hỏng; đo lại độ đục và các chỉ tiêu khác cần thiết trên mẫu thực.

Checklist: rà soát thông số kỹ thuật máy đo độ đục của Nhật

Hãy dùng danh sách này khi bạn nhận datasheet, P&ID hoặc số liệu vận hành từ Nhật.

• Đơn vị: 度 (độ), NTU, FNU, FTU hay FAU, và nhãn có phản ánh đúng quang học thực tế không
• Chất chuẩn: cao lanh, formazin, formazin ổn định hóa, hạt loại polystyren hay tấm chuẩn
• Quang học: truyền qua, tán xạ 90°, tỷ số, cầu tích phân hay tán xạ bề mặt; nguồn sáng (ánh sáng trắng hay hồng ngoại gần)
• Phương pháp tham chiếu: JIS K 0102-1, JIS K 0801, phương pháp thử nước máy của Nhật, EPA 180.1, ISO 7027-1 (hoặc TCVN 6184 nếu cần đối chiếu trong nước)
• Dải đo: bao gồm mức bình thường, khởi động và sự cố
• Đầu ra: hai đầu 4–20 mA, hành vi khi vượt dải, dòng lỗi và hành vi trong lúc bảo trì
• Hệ thống điều khiển: phía nhận có cùng dải đo và nhãn đơn vị
• Cảnh báo: giá trị đặt, phương pháp làm cơ sở, và cài đặt lấy trung bình hoặc loại bọt
• Đường lấy mẫu: điểm lấy mẫu, dải lưu lượng và áp suất, bộ tách bọt, thời gian trễ, đường xả
• Hiệu chuẩn: giá trị chất chuẩn, tần suất, kiểm tra gần giá trị kiểm soát và dạng hồ sơ
• Hiển thị SS (nếu có): phương trình tương quan, các mẫu dùng để xây dựng nó và dải áp dụng

Câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật

Hãy hỏi những câu này trước khi thiết bị được giao, hoặc trước khi bạn chuyển bất kỳ giá trị cảnh báo nào sang hệ thống của mình.

• Giá trị độ đục dựa trên chất chuẩn nào: cao lanh, formazin hay polystyren?
• Máy dùng nguyên lý đo và nguồn sáng gì? Máy chế tạo theo JIS K 0801, ISO 7027-1 hay phương pháp khác?
• Máy có hiển thị và truyền được bằng NTU hoặc FNU không? Nếu có, việc đó đổi quang học hay chỉ đổi nhãn?
• 4 mA và 20 mA ứng với độ đục bao nhiêu? Máy xuất dòng bao nhiêu khi vượt dải và khi có lỗi?
• Đầu ra làm gì trong lúc làm sạch và hiệu chuẩn (giữ, giữ giá trị cuối hay vẫn chạy trực tiếp)?
• Các anh chị khuyến nghị chất chuẩn và điểm hiệu chuẩn nào, với tần suất bao lâu?
• Các giá trị cảnh báo được xác định thế nào, và dựa trên phương pháp và đơn vị nào?
• Nếu máy hiển thị SS theo mg/L, quan hệ tương quan được xây dựng trên những mẫu nào và trong dải nào?

Mẫu email gửi nhà cung cấp

Bạn có thể chỉnh lại email ngắn này (viết bằng tiếng Anh để gửi cho phía Nhật). Thay các phần trong ngoặc vuông bằng thông tin của bạn.

Subject: Turbidity meter [tag no.] – units, calibration, and 4–20 mA scaling

Dear [Name],

We are integrating the turbidity meter [model / tag no.] into our control system, and our plant reports turbidity in [NTU / FNU]. Could you please confirm the following?

1. The standard behind the "度" value (kaolin, formazin, or polystyrene) and the measurement principle and light source.
2. Whether the meter can output in NTU or FNU, and whether this changes the optics or only the display label.
3. The turbidity values at 4 mA and 20 mA, and the output current when over range, in fault, and during maintenance.
4. The recommended calibration standard, calibration points, and frequency.
5. The basis for the alarm setpoint of [value] 度.

Thank you for your help.

Best regards,
[Your name]
[Company]

Giới hạn của bài viết này

• Điều kiện quang học của EPA 180.1 và ISO 7027-1 được tóm tắt từ nguồn công khai và tài liệu của nhà sản xuất. Khi cần tuân thủ hoặc thiết kế, hãy kiểm tra văn bản tiêu chuẩn hiện hành.
• Việc thử nghiệm theo quy định phải dùng phương pháp mà cơ quan quản lý chấp thuận (ví dụ các phương pháp trong 40 CFR của Mỹ, phương pháp thử nước máy của Nhật, hoặc văn bản của Việt Nam áp dụng cho nhà máy bạn). Bài này không quyết định phương pháp nào áp dụng cho cơ sở của bạn.
• Số hiệu và mức tương đương của TCVN 6184 và QCVN 01-1:2018/BYT chưa được tác giả kiểm tra với văn bản hiện hành; hãy xác nhận trước khi dùng.
• Phiên bản hiện hành và yêu cầu của JIS K 0801 chưa được xác nhận; hãy hỏi nhà cung cấp.
• Mọi phương trình và con số trong các ví dụ tính (tương quan SS, tỷ số S/T, trường hợp 4–20 mA) đều là giả định.
• Chỉ riêng độ đục không phản ánh các thành phần hòa tan. Nước làm mát và nước lò hơi cần các chỉ tiêu quản lý riêng, như hệ số cô đặc và quản lý xả đáy.

FAQ

Một độ độ đục của Nhật bằng bao nhiêu NTU?

Không có phép quy đổi cố định nào đúng với mọi loại nước. Chỉ so sánh số đo khi chất chuẩn và quang học khớp nhau. Đổi nhãn hiển thị trên cùng một máy là trường hợp khác với việc thay bằng máy có nguồn sáng hoặc góc đầu thu khác.

NTU có giống FNU không?

Về số học thì có: ISO 7027-1 coi hai đơn vị tương đương khi dùng cùng một phương pháp đo ánh sáng tán xạ. Trên mẫu thực thì chưa chắc: NTU đến từ máy ánh sáng trắng, FNU đến từ máy hồng ngoại gần, và kích thước hạt cùng màu có thể làm hai máy đọc khác nhau.

Độ đục tính bằng mg/L có giống TSS tính bằng mg/L không?

Không. Độ đục theo cao lanh biểu thị theo mg/L và khối lượng chất rắn lơ lửng xác định bằng cân là hai đại lượng khác nhau. Để ước tính TSS từ độ đục, hãy dùng quan hệ xây dựng trên mẫu của chính bạn và chỉ dùng trong dải hợp lệ của nó.

Vì sao máy đo độ đục online của tôi đột ngột đọc cao?

Ngoài việc hạt tăng thật, các nguyên nhân thường gặp là bọt khí, rác nổi, ánh sáng lạc và thay đổi ở đường lấy mẫu. Hãy đối chiếu đỉnh đó với dữ liệu quy trình cùng thời điểm và đo lại để tách thay đổi của nước khỏi vấn đề của phép đo.

Vì sao số đo ngoài hiện trường khác dù hiệu chuẩn vẫn đạt?

Khớp trên chất chuẩn không bảo đảm đáp ứng giống nhau với hạt và màu thực, và điều này khác nhau theo phương pháp. Thời điểm lấy mẫu và sự lắng cũng có ảnh hưởng, nên hãy đo cùng một mẫu trong cùng điều kiện rồi mới so sánh.

Nguồn tham khảo

• Đơn vị độ đục ở Nhật (độ cao lanh và độ formazin, định nghĩa 1 mg/L cao lanh, điều kiện quang học của EPA): Yokogawa, "Định nghĩa và đơn vị độ đục" (tiếng Nhật)
• Quang học NTU và FNU, cách đặt tên đơn vị, nhiễu do màu, phương pháp theo quy định: US EPA, quy trình "Field Turbidity Measurements"
• Bảng đơn vị (NTU, FNU, FAU, FNRU, FBU) và khu vực sử dụng: Thermo Fisher Scientific, "Turbidity Units – A Cloudy Issue"
• Đơn vị báo cáo của USGS: USGS Office of Water Quality Technical Memorandum 2004.03
• Dải đo và quang học của EPA Method 180.1: NEMI, tóm tắt phương pháp EPA-NERL 180.1; Health Canada, Guideline Technical Document – Turbidity
• Phạm vi ISO 7027-1, sự tương đương NTU/FNU, dải đo: ISO 7027-1:2016; Standard Norge, ISO 7027-1:2016
• Bước sóng và góc đầu thu của ISO 7027 (nguồn thứ cấp): Hanna Instruments, máy đo độ đục ISO HI88713
• NTU và FNU trong nước tự nhiên: US Bureau of Reclamation / California DWR, văn bản về NTU và FNU; Campbell Scientific, FAQ về đơn vị độ đục (tiếng Nhật)
• Tiêu chuẩn độ đục nước máy của Nhật: Bộ Môi trường Nhật, tiêu chuẩn chất lượng nước uống (tiếng Nhật)
• Phương pháp thử nước máy của Nhật: Thông báo số 261, phương pháp kiểm tra chất lượng nước (tiếng Nhật)
• Giới hạn nước sau lọc tổng hợp của Mỹ: eCFR, 40 CFR 141.551
• Bộ JIS K 0102: JEMAI, việc gộp và chia tập bộ JIS K 0102 (tiếng Nhật); Hiệp hội Tiêu chuẩn Nhật Bản, JIS K 0102-1:2021 (tiếng Nhật); JIS K 0102-1 Sửa đổi 1:2023 (tiếng Nhật)
• Phương pháp tỷ số: HORIBA, phương pháp truyền qua – tán xạ ánh sáng (tiếng Nhật); Yokogawa, thông tin kỹ thuật về máy đo độ đục truyền qua – tán xạ (tiếng Nhật)
• Máy tán xạ bề mặt và bọt khí: Yokogawa, biện pháp chống bọt khí cho máy đo độ đục tán xạ bề mặt (tiếng Nhật)
• Độ đục và SS, quy đổi SS: Yokogawa, sự khác nhau giữa độ đục và SS (tiếng Nhật); Kasahara Chemical Instruments, quy đổi SS theo tương quan mẫu (tiếng Nhật)
• StablCal và nguy cơ của formazin: Hach, chất chuẩn độ đục StablCal; Hach Method 10258
• Mức tín hiệu NAMUR NE 43: Test & Measurement Tips, "What's the difference between live zero and dead zero?"