海水光学硝酸盐传感器结构设计*

程长阔， 宋家驹， 杨鹏程， 杜军兰

(1.国家海洋技术中心，天津 300111； 2.天津市海华技术开发中心，天津 300111)

海水光学硝酸盐传感器结构设计*

程长阔1， 宋家驹2， 杨鹏程1， 杜军兰1

(1.国家海洋技术中心，天津300111；2.天津市海华技术开发中心，天津300111)

根据海水硝酸盐紫外吸收光谱法测量原理，确定了海水光学硝酸盐传感器的组成与结构方式；根据海水环境应用要求，完成了传感器壳体选材与抗压计算；详细阐述了机械制作工艺测量光路同轴度的保障方法，并对传感器关键部分的密封方式、加工与装配精度进行了说明，实现了传感器水深100 m的应用要求。

硝酸盐; 传感器; 原位测量; 海水

0 引 言

2016年，我国近海局部海域污染严重、陆源排污压力巨大、海洋环境灾害频发等问题依然突出，其主要污染要素为无机氮、活性磷酸盐和石油类[1]。为准确快捷地对海水硝酸盐进行原位监测，适应海洋仪器无人值守应用的趋势，本文基于紫外光谱分析技术，设计了吸收光谱法海水硝酸盐光学测量传感器，实现对海水硝酸盐浓度长期原位测量。

1 传感器结构设计与优化

1.1 传感器组成

根据硝酸盐光学方法测量原理，传感器主要由紫外光源、光纤、光学测量窗口、微型光谱仪、数据处理模块、电刷等组成。如图1所示。

图1紫外光源发射的紫外光经光纤传导到光学测量窗口，入射光经过测量窗口后，部分特征波段被吸收，使得光强减弱，出射光经光纤传导到微型光谱仪，并将其转换为电信号，通过控制电路和信号处理电路得到吸收光谱。数据处理模块对紫外吸收光谱数据进行处理，根据海水硝酸盐紫外吸收波段干扰物质组成与建模算法研究[2～5]计算得到

图1 系统组成与结构

硝酸盐浓度值，测量结果通过水密接头与上位机进行通信，完成整个仪器测量过程。电刷用于定期清洁光学测量窗口，避免海水微生物或泥沙长时间积累对光学测量造成影响。

1.2 壳体选材与抗压计算

考虑到传感器要在复杂恶劣的海洋环境中长期应用，其外壳材料需要满足高强度、耐海水腐蚀、较强稳定性等特点。聚甲醛是热塑性结晶聚合物，被称为“赛钢”，与传统金属材料相比，不仅具有高强度、模量、耐磨性、韧性和抗蠕变性等特性，还具有优良的电绝缘性，适于在海水中长期使用，不被锈蚀。因此，选用聚甲醛作为壳体的加工制作材料。

设计传感器最大工作深度为100 m，最大承受压力为1 MPa。根据传感器内部结构和功能，采用圆柱形结构。传感器由光学测量窗口分为上下2个部分，计算壁厚时，以长度较长的上部分为计算标准。计算方法遵循国家压力容器壁厚计算标准[6]。外压圆筒容器的设计压力应当满足

(1)

式中 [P]为许用设计外压;P为设计外压;Pcr为临界压力，MPa；m为安全系数，压力容器设计规定m≥3。

壳体承受的压力除与圆筒材料的弹性模量E有关外，主要与圆筒长度和直径之比、直径与壁厚比有关。工程上，圆筒压力容器分为长圆筒和短圆筒，长、短圆筒的界定由圆筒长度与直径之比决定

(2)

式中Lcr为筒体的临界长度；t为筒体壁厚；D为筒体的外直径，mm。当筒体长度L>Lcr,为长筒;L

(3)

式中Pcr为临界压力， MPa；L为筒体的长度， mm。已知壳体的最大承受压力即设计压力P=1 MPa；压力容器的设计规定m≥3，并满足式(1)，在稳定系数m=3时，临界压力Pcr=3[P],因此，Pcr=3 Mpa，P≤Pcr。

计算壁厚时，可先将设计内径尺寸代入式(3)计算得到壁厚t的参考尺寸。外径等于内径加2倍的壁厚，再将t代入式(4)验证所取尺寸的正确性，求出P

(4)

若P≥Pcr，则壁厚满足设计要求。

1.3 光路同轴度保障

吸收光谱法海水硝酸盐测量光路方式通常可分为反射式和入射式两种光路，反射式光路光谱仪与紫外光源在同一侧，紫外光经光纤传输，透过反射探头光学测量窗口，经反射到达光谱仪，获取吸光度数据。透射式光路紫外光源与光谱仪在不同两侧，以光学测量窗口分隔，光由光源发射经光学测量窗口进入微型光谱仪，获取吸光度数据。透射式光路待测溶液对入射光只有一次吸收作用，传感器光路系统在相同光衰减率的情况下，透射式光路进入到微型光谱仪的光信号更强，进而提高了硝酸盐可测量浓度的最大值和信噪比。

光学测量窗口位于传感器中部，同时具有连接传感器上下部分的作用，为了保证光学测量窗口的易维护性和整体的易装配性，保障窗口外表面良好的光洁度和电刷的顺利装配，将窗口设计为端盖A、端盖B和端盖定位件三个独立部分，端盖A和端盖B用作外壳A和外壳B的平面密封接头，端盖定位件用于连接传感器上下两个部分。

由于光源和光谱仪分布在窗口的两侧，需要保证窗口的三个部分具有较高同轴度。如图2所示，组件由端盖A、端盖B和端盖定位件组成，其中A和B上的光学窗口和电刷孔，以及用于同轴度控制和定型的定位销孔和螺栓锁紧孔。考虑到机械加工制作水平，分为4个步骤进行加工制作：

1)对端盖A和B进行面加工、孔加工和密封倒角加工，保证各表面光洁度要求指标，不对零件外圆进行加工；

2)对端盖定位件进行面加工、孔加工和密封倒角加工，保证各平面光洁度要求指标，不对零件外圆进行加工；

3)按工程图要求安装端盖与端盖定位件，确保外圆大致同轴后，加工定位销孔，用定位销定位端盖与端盖定位件，加工端盖与定位件的螺纹通孔，安装螺栓后锁紧；

4)对端盖与定位件光纤孔和电机轴孔进行加工，由于端盖与定位件处于销紧状态，容易确保三个零件光纤孔和电机轴孔的同轴度，按照传感器整体配合尺寸，进行外圆加工和配合螺纹加工。

图2 端盖组件

1.4 密封与配合公差带

按运动方式不同，密封方式可分为静密封和动密封。如图3所示，传感器的密封件选用O形橡胶密封圈，电刷轴与端盖A的装配属于动密封中的转动密封，按液压用O形圈径向密封沟槽尺寸[7]设计电刷轴上的密封沟槽，O型密封圈线径压缩率设计为3 %～5 %。

图3 电刷轴与端盖A转动密封

其他密封均属于静密封。本文采用角密封方式，角密封的密封强度大，且各零件易于装配。密封角度为45°，密封直角边长度为密封圈线径的1.3倍，密封圈线径压缩率为20 %。

图4 窗口玻璃与压栏的角密封

2 水静压力试验

为了检验传感器的水密耐压性能，2017年8月在天津市海华技术开发中心水压测试室对传感器进行了水静压力试验。压力系统为JSA1-1型压力试验系统，,测量范围为0～10 MPa，不确定度或准确度等级或最大允许误差0.4级。

1)试验条件：试验压力为1.25 MPa；保压时间为1 h。

2)检测结果：将海水硝酸盐传感器放入压力试验系统内，进行上述条件的水静压力试验，经检查试验后，样品未变形，未渗漏。

3 结 论

从壳体选材与抗压计算、测量光路同轴度保障、密封方式、加工与装配精度等主要技术环节对海水硝酸盐测量传感器设计工作进行了阐述。传感器通过100 m水静压力检测，达到了水深100 m的应用要求，实现了海水硝酸盐浓度原位快速长期测量。

[1] 石 强,陈江麟,李崇德.渤海硝酸盐氮和亚硝酸盐氮季节循环分析[J].海洋通报,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] 程长阔，杨鹏程，王 宁,等.光谱预处理方法对硝酸盐测量模型影响实验研究及软件设计[J].海洋技术学报，2015,34(2):69-73.

[5] 杨鹏程,杜军兰,程长阔.间隔偏最小二乘—紫外光谱法海水硝酸盐最佳建模波长区间选取[J].海洋环境科学,2016,35(6)：945-947.

[6] 中国国家标准化管理委员会.GB 150.1-150.4-2011,压力容器[S].北京:中国标准出版,2011—11—21.

[7] 成大先.机械设计手册:3卷[M].第5版.北京:化学工业出版社,2007:10-334.

[8] 任嘉卉,王永尧,刘念荫.实用公差与配合技术手册[M].北京:机械工业出版社,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

国家海洋公益性行业科研专项项目(201505015)；海洋经济创新发展区域示范项目(CXSF2014—37)

程长阔(1990-)，男，工程师，主要从事海洋环境监测技术研究工作，E—mail:changkuo111@163.com。