程長(zhǎng)闊， 宋家駒， 楊鵬程， 杜軍蘭

(1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300111； 2.天津市海華技術(shù)開發(fā)中心，天津 300111)

海水光學(xué)硝酸鹽傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

程長(zhǎng)闊1， 宋家駒2， 楊鵬程1， 杜軍蘭1

(1.國家海洋技術(shù)中心，天津300111；2.天津市海華技術(shù)開發(fā)中心，天津300111)

根據(jù)海水硝酸鹽紫外吸收光譜法測(cè)量原理，確定了海水光學(xué)硝酸鹽傳感器的組成與結(jié)構(gòu)方式；根據(jù)海水環(huán)境應(yīng)用要求，完成了傳感器殼體選材與抗壓計(jì)算；詳細(xì)闡述了機(jī)械制作工藝測(cè)量光路同軸度的保障方法，并對(duì)傳感器關(guān)鍵部分的密封方式、加工與裝配精度進(jìn)行了說明，實(shí)現(xiàn)了傳感器水深100 m的應(yīng)用要求。

硝酸鹽; 傳感器; 原位測(cè)量; 海水

0 引 言

2016年，我國近海局部海域污染嚴(yán)重、陸源排污壓力巨大、海洋環(huán)境災(zāi)害頻發(fā)等問題依然突出，其主要污染要素為無機(jī)氮、活性磷酸鹽和石油類[1]。為準(zhǔn)確快捷地對(duì)海水硝酸鹽進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，適應(yīng)海洋儀器無人值守應(yīng)用的趨勢(shì)，本文基于紫外光譜分析技術(shù)，設(shè)計(jì)了吸收光譜法海水硝酸鹽光學(xué)測(cè)量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水硝酸鹽濃度長(zhǎng)期原位測(cè)量。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 傳感器組成

根據(jù)硝酸鹽光學(xué)方法測(cè)量原理，傳感器主要由紫外光源、光纖、光學(xué)測(cè)量窗口、微型光譜儀、數(shù)據(jù)處理模塊、電刷等組成。如圖1所示。

圖1紫外光源發(fā)射的紫外光經(jīng)光纖傳導(dǎo)到光學(xué)測(cè)量窗口，入射光經(jīng)過測(cè)量窗口后，部分特征波段被吸收，使得光強(qiáng)減弱，出射光經(jīng)光纖傳導(dǎo)到微型光譜儀，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過控制電路和信號(hào)處理電路得到吸收光譜。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)紫外吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)海水硝酸鹽紫外吸收波段干擾物質(zhì)組成與建模算法研究[2～5]計(jì)算得到

圖1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

硝酸鹽濃度值，測(cè)量結(jié)果通過水密接頭與上位機(jī)進(jìn)行通信，完成整個(gè)儀器測(cè)量過程。電刷用于定期清潔光學(xué)測(cè)量窗口，避免海水微生物或泥沙長(zhǎng)時(shí)間積累對(duì)光學(xué)測(cè)量造成影響。

1.2 殼體選材與抗壓計(jì)算

考慮到傳感器要在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中長(zhǎng)期應(yīng)用，其外殼材料需要滿足高強(qiáng)度、耐海水腐蝕、較強(qiáng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。聚甲醛是熱塑性結(jié)晶聚合物，被稱為“賽鋼”，與傳統(tǒng)金屬材料相比，不僅具有高強(qiáng)度、模量、耐磨性、韌性和抗蠕變性等特性，還具有優(yōu)良的電絕緣性，適于在海水中長(zhǎng)期使用，不被銹蝕。因此，選用聚甲醛作為殼體的加工制作材料。

設(shè)計(jì)傳感器最大工作深度為100 m，最大承受壓力為1 MPa。根據(jù)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，采用圓柱形結(jié)構(gòu)。傳感器由光學(xué)測(cè)量窗口分為上下2個(gè)部分，計(jì)算壁厚時(shí)，以長(zhǎng)度較長(zhǎng)的上部分為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算方法遵循國家壓力容器壁厚計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[6]。外壓圓筒容器的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)當(dāng)滿足

(1)

式中 [P]為許用設(shè)計(jì)外壓;P為設(shè)計(jì)外壓;Pcr為臨界壓力，MPa；m為安全系數(shù)，壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定m≥3。

殼體承受的壓力除與圓筒材料的彈性模量E有關(guān)外，主要與圓筒長(zhǎng)度和直徑之比、直徑與壁厚比有關(guān)。工程上，圓筒壓力容器分為長(zhǎng)圓筒和短圓筒，長(zhǎng)、短圓筒的界定由圓筒長(zhǎng)度與直徑之比決定

(2)

式中Lcr為筒體的臨界長(zhǎng)度；t為筒體壁厚；D為筒體的外直徑，mm。當(dāng)筒體長(zhǎng)度L>Lcr,為長(zhǎng)筒;L

(3)

式中Pcr為臨界壓力， MPa；L為筒體的長(zhǎng)度， mm。已知?dú)んw的最大承受壓力即設(shè)計(jì)壓力P=1 MPa；壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)定m≥3，并滿足式(1)，在穩(wěn)定系數(shù)m=3時(shí)，臨界壓力Pcr=3[P],因此，Pcr=3 Mpa，P≤Pcr。

計(jì)算壁厚時(shí)，可先將設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸代入式(3)計(jì)算得到壁厚t的參考尺寸。外徑等于內(nèi)徑加2倍的壁厚，再將t代入式(4)驗(yàn)證所取尺寸的正確性，求出P

(4)

若P≥Pcr，則壁厚滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 光路同軸度保障

吸收光譜法海水硝酸鹽測(cè)量光路方式通?？煞譃榉瓷涫胶腿肷涫絻煞N光路，反射式光路光譜儀與紫外光源在同一側(cè)，紫外光經(jīng)光纖傳輸，透過反射探頭光學(xué)測(cè)量窗口，經(jīng)反射到達(dá)光譜儀，獲取吸光度數(shù)據(jù)。透射式光路紫外光源與光譜儀在不同兩側(cè)，以光學(xué)測(cè)量窗口分隔，光由光源發(fā)射經(jīng)光學(xué)測(cè)量窗口進(jìn)入微型光譜儀，獲取吸光度數(shù)據(jù)。透射式光路待測(cè)溶液對(duì)入射光只有一次吸收作用，傳感器光路系統(tǒng)在相同光衰減率的情況下，透射式光路進(jìn)入到微型光譜儀的光信號(hào)更強(qiáng)，進(jìn)而提高了硝酸鹽可測(cè)量濃度的最大值和信噪比。

光學(xué)測(cè)量窗口位于傳感器中部，同時(shí)具有連接傳感器上下部分的作用，為了保證光學(xué)測(cè)量窗口的易維護(hù)性和整體的易裝配性，保障窗口外表面良好的光潔度和電刷的順利裝配，將窗口設(shè)計(jì)為端蓋A、端蓋B和端蓋定位件三個(gè)獨(dú)立部分，端蓋A和端蓋B用作外殼A和外殼B的平面密封接頭，端蓋定位件用于連接傳感器上下兩個(gè)部分。

由于光源和光譜儀分布在窗口的兩側(cè)，需要保證窗口的三個(gè)部分具有較高同軸度。如圖2所示，組件由端蓋A、端蓋B和端蓋定位件組成，其中A和B上的光學(xué)窗口和電刷孔，以及用于同軸度控制和定型的定位銷孔和螺栓鎖緊孔。考慮到機(jī)械加工制作水平，分為4個(gè)步驟進(jìn)行加工制作：

1)對(duì)端蓋A和B進(jìn)行面加工、孔加工和密封倒角加工，保證各表面光潔度要求指標(biāo)，不對(duì)零件外圓進(jìn)行加工；

2)對(duì)端蓋定位件進(jìn)行面加工、孔加工和密封倒角加工，保證各平面光潔度要求指標(biāo)，不對(duì)零件外圓進(jìn)行加工；

3)按工程圖要求安裝端蓋與端蓋定位件，確保外圓大致同軸后，加工定位銷孔，用定位銷定位端蓋與端蓋定位件，加工端蓋與定位件的螺紋通孔，安裝螺栓后鎖緊；

4)對(duì)端蓋與定位件光纖孔和電機(jī)軸孔進(jìn)行加工，由于端蓋與定位件處于銷緊狀態(tài)，容易確保三個(gè)零件光纖孔和電機(jī)軸孔的同軸度，按照傳感器整體配合尺寸，進(jìn)行外圓加工和配合螺紋加工。

圖2 端蓋組件

1.4 密封與配合公差帶

按運(yùn)動(dòng)方式不同，密封方式可分為靜密封和動(dòng)密封。如圖3所示，傳感器的密封件選用O形橡膠密封圈，電刷軸與端蓋A的裝配屬于動(dòng)密封中的轉(zhuǎn)動(dòng)密封，按液壓用O形圈徑向密封溝槽尺寸[7]設(shè)計(jì)電刷軸上的密封溝槽，O型密封圈線徑壓縮率設(shè)計(jì)為3 %～5 %。

圖3 電刷軸與端蓋A轉(zhuǎn)動(dòng)密封

其他密封均屬于靜密封。本文采用角密封方式，角密封的密封強(qiáng)度大，且各零件易于裝配。密封角度為45°，密封直角邊長(zhǎng)度為密封圈線徑的1.3倍，密封圈線徑壓縮率為20 %。

圖4 窗口玻璃與壓欄的角密封

2 水靜壓力試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)傳感器的水密耐壓性能，2017年8月在天津市海華技術(shù)開發(fā)中心水壓測(cè)試室對(duì)傳感器進(jìn)行了水靜壓力試驗(yàn)。壓力系統(tǒng)為JSA1-1型壓力試驗(yàn)系統(tǒng)，,測(cè)量范圍為0～10 MPa，不確定度或準(zhǔn)確度等級(jí)或最大允許誤差0.4級(jí)。

1)試驗(yàn)條件：試驗(yàn)壓力為1.25 MPa；保壓時(shí)間為1 h。

2)檢測(cè)結(jié)果：將海水硝酸鹽傳感器放入壓力試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行上述條件的水靜壓力試驗(yàn)，經(jīng)檢查試驗(yàn)后，樣品未變形，未滲漏。

3 結(jié) 論

從殼體選材與抗壓計(jì)算、測(cè)量光路同軸度保障、密封方式、加工與裝配精度等主要技術(shù)環(huán)節(jié)對(duì)海水硝酸鹽測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了闡述。傳感器通過100 m水靜壓力檢測(cè)，達(dá)到了水深100 m的應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)了海水硝酸鹽濃度原位快速長(zhǎng)期測(cè)量。

[1] 石 強(qiáng),陳江麟,李崇德.渤海硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮季節(jié)循環(huán)分析[J].海洋通報(bào),2001,20 (6):32-39.

[2] Zhang J Z,Fischer C J.A simplified resorcinol method for direct spectrophotometric determination of nitrate in seawater [J].Marine Chemistry,2006,99(1-4):220-226.

[3] Centle B S,Ellis P S,Grace M R,et al.Flow analysis methods for the direct ultra-violet spectrophotometric measurement of nitrate and total nitrogen in freshwater[J].Analytica Chimica Acta,2011,704(1/2):116-122.

[4] 程長(zhǎng)闊，楊鵬程，王 寧,等.光譜預(yù)處理方法對(duì)硝酸鹽測(cè)量模型影響實(shí)驗(yàn)研究及軟件設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2015,34(2):69-73.

[5] 楊鵬程,杜軍蘭,程長(zhǎng)闊.間隔偏最小二乘—紫外光譜法海水硝酸鹽最佳建模波長(zhǎng)區(qū)間選取[J].海洋環(huán)境科學(xué),2016,35(6)：945-947.

[6] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 150.1-150.4-2011,壓力容器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版,2011—11—21.

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[8] 任嘉卉,王永堯,劉念蔭.實(shí)用公差與配合技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:26-31.

Structuraldesignofseawaternitrateopticalsensor*

CHENG Chang-kuo1, SONG Jia-ju2, YANG Peng-cheng1, DU Jun-lan1

(1.NationalOceanTechnologyCenter,Tianjin300111,China;2.TianjinHydrowiseTechnologyDevelopmentCenter,Tianjin300111,China)

According to ultraviolet absorption spectroscopy measurement principle of seawater nitrate,composition and structure of seawater nitrate optical sensor is determined.According to seawater environment application requirements,sensor shell material selecting and compressive strength calculation are completed,method of ensuring the optical path measuring coaxiality is described in detail,and sealing method and processing and assembling precision of the key parts of the sensor are described,application requirement of 100 m water depth is implemented.

nitrate; sensor; in situ measurement; seawater

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0075—03

TH 12

A

1000—9787(2017)12—0075—03

2017—10—20

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201505015)；海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范項(xiàng)目(CXSF2014—37)

程長(zhǎng)闊(1990-)，男，工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作，E—mail:changkuo111@163.com。