浸入式光谱法水质检测装置设计与开发

吴绍锋，李东波

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

水是人们生活和生产的重要支柱，随着我国经济的发展和城镇化的加剧，水污染问题严重威胁社会安全[1]。水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据。随着水体污染问题的日益严重，对水污染的动态监测与评价已成为当务之急。目前水质监测主要由专业取样人员进行野外采样，然后送到实验室进行各种项目的分析与化验，这种传统的常规监测费时费力，耗材耗力，且受自然条件和时空等因素限制[2]。科研人员为了尽早发现水质的异常变化，提高下游水质污染预报水平，及时追踪污染源，研究了水的稀释及水环境的自我净化规律，在完善实验室监测的同时，发展了光谱法水质移动监测系统和光谱法原位水质自动监测系统。光谱法水质分析技术与传统化学法相比，具有操作便捷、不消耗试剂、重复性好等优点[3]。针对我国水质监测系统布线困难、非原位和成本高等问题[4]，开发以传感器为核心的低功耗原位水质监测系统,能够实现无人值守、持续性原位监测[5]。

浸入式光谱法水质检测装置(以下简称水质检测装置)，采用先进的物理光谱法对水质直接检测，检测周期小于5 min，同时不需要使用任何化学试剂、不产生二次污染，是现代化水质监测首选设备。

1 水质检测装置结构需求分析

为了保证光谱水样的原位测量，在满足光谱测量必备的结构特征的基础上，水质检测装置结构必须满足浸入式测量的特征，同时为了安装过程、维护过程的便捷，必须保持轻量化的特点。

水质检测装置的工作环境为水下0.5～1.5 m，其检测流程如下：设备置于预定水深测量处，启动设备进行初始化；光谱采集单元运动到参比测量区域，进行参比水样光谱采集；光谱采集单元运动至开放式测量池，进行实际水样光谱采集；光谱采集单元复位，同时进行通光孔镜面清洗，完成单次检测。

1.1 需解决的问题

1)光谱采集单元光路结构问题。

一次检测需要先后完成参比光谱、实际水光谱采集，且要保证通光量一致，需解决光谱采集测量光路结构问题。

2)防水密封问题。

作为浸入式设备投放至水下，需解决防水密封问题，确保设备稳定、可靠运行。

3)原位监测实际水光谱采集问题。

原位监测直接获取处于流动状态水样的光谱数据，无进样、排样过程，需解决实际水光谱采集问题。

4)水下测量光孔镜面清洁问题。

设备长期水下工作，受藻类、泥沙等影响，测量光孔镜面清晰度降低，直接影响光谱的测量结果，需解决测量光孔镜面清洁度问题。

1.2 解决方案

根据上述分析，结合机械设计相关知识及生产实践经验，经过与合作单位的联合论证，确定最终总体设计方案。水质检测装置机械结构总体构成及部件功能，如图1所示。

图1 机械结构总体构成及部件功能

2 水质装置结构设计

2.1 测量骨架设计与分析

测量骨架是完成测量的关键零部件，其设计内容包含光路设计、结构设计和有限元分析3个部分。

2.1.1光路设计

检测设备需要采集参比水样的透射光谱和检测水样的透射光谱，对比形成检测水样的吸光度。在对参比水样和实际待检水样进行光谱检测时必须保证入射通光量的一致性，因此测量光路采用将光源、硬质短光纤、准直镜、光谱仪等光学测量部件固定在轴上，使整个测量组件分别随轴旋转运动至参比样和待测样的检测位置，从而实现参比样和待测样的分时检测，并且满足入射通光量一致的要求，如图2所示。

图2 光路设计

2.1.2测量骨架结构设计

测量骨架结构分为运动部分和静止部分，运动部分由步进电机直接驱动旋转轴转动，其中脉冲氙灯通过光纤与准直镜固定在旋转轴的一端，光谱仪通过光纤连接另一准直镜固定在旋转轴的另一端，保证两准直镜之间的同心度不低于0.05，两准直镜之间是开放式测量池。静止部分通过立柱与开放式测量池螺纹连接，同时固定到安装盖上，如图3所示。

1—旋转轴；2—光源固定架；3—光源；4—光源安装立柱；5—准直镜；6—光谱仪；7—步进电机；8—光谱仪固定架；9—光谱仪安装立柱；10—光纤

检测过程：步进电机驱动旋转轴旋转至开放式测量池上的蒸馏水测量光孔，光源发光，光谱仪接收蒸馏水透射光谱；随后步进电机驱动旋转轴旋转至开放式测量池上的实际水测量光孔，光源发光，光谱仪接收实际水透射光谱。通过两者透射光谱得到实际水的吸光度，完成测量。

2.1.3测量骨架轴上部件有限元分析

轴上部件随轴转动，轴旋转的速度较低，由于轴上光学部件属于敏感元器件，很有可能出现共振等影响光学测量的现象，因此需对轴上部件进行模态分析。

光源固定架、光谱仪固定架与轴均是使用销连接，销的材料属性与轴相同，并且与轴过盈配合连接，故简化模型将轴与销当作一体件处理。轴、固定架的材料分别为316不锈钢和6063-T5铝合金，模态分析结果取前6阶，见表1；节选1阶、2阶模态振型如图4所示。

由表1和图4可知：轴上部件的各阶模态变形均不一样，主要体现在旋转轴的弯曲以及光源固定架与光谱仪固定架的弯曲和扭曲，其1阶模态振型频率达到278.30 Hz，以后各阶逐步上升，而步进电机的频率为0.28～0.83 Hz，远远小于各阶模态振型所显示的固有频率，不在共振范围内，因此测量骨架轴上部件结构及材料满足设计要求。

表1 轴上部件模态振型

图4 轴上部件模态振型图

2.2 外壁筒设计与分析

外壁筒连接开放式测量池，分为上下两个部分，外壁筒体与连接法兰采用无缝焊接设计，主要作用是保护光谱检测装置中的所有检测部件不受水体的干扰。

2.2.1外壁筒结构设计

由于浸入式设备工作条件多种多样，大多数情况下工作在较为恶劣的环境中，如盐度较高的海水、腐蚀性较强的工业废水和生活污水，因此外壁筒的材料性能直接影响设备的使用和寿命。本文选取防腐蚀、防锈蚀、抗氧化性能均很好的316不锈钢作为外壁筒的设计材料，根据检测组件骨架大小和开放式测量池测量光孔的位置，上外壁筒的直径和长度分别设计为180 mm和312 mm，下外壁筒的直径和长度分别设计为180 mm和227 mm，外壁筒三维图如图5所示。

图5 外壁筒三维图

2.2.2外壁筒有限元分析

外壁筒采用无缝钢管与法兰焊接而成，并且在工作时承受水压，本文所设计的检测装置工作水深为0.5～1.5 m，为应对测量水域因天气原因出现潮汐、洪涝等因素影响的水位增加，外壁筒设计应能够满足抗5～8 m深度的水压需求。在保证外壁筒满足抗压需求下需要对其壁厚进行有限元分析，寻求最佳壁厚以达到轻量化的目的。本文以8 m水深处水压为载荷条件，对0.2 mm壁厚的外壁筒进行有限元分析，分析结果如图6所示。

图6 外壁筒有限元分析

由图6可知，外壁筒的最大应力远小于材料的屈服极限，最大应力为34.5 MPa，最大位移为0.018 7 mm，因此外壁筒在8 m水深下不会发生变形。根据分析结果，在满足应力和位移双重条件的基础上，本文选择0.2 mm的壁筒厚度完全符合设计要求。

2.3 开放式测量池设计

开放式测量池是连接外壁筒和测量骨架的关键零部件，是整个装置防水密封、自由进样的关键点。

如图7所示，由连接柱将测量池上下体连接，同时采用通光镜面配合密封管将蒸馏水无气泡密封，实际水透光镜分别密封粘贴在测量池上下体之上。当水质检测装置进入水体后，待测水体可以在测量池之间自由流通，满足自由进样的需求。

1—测量池上体；2—实际水透光镜面；3—连接柱；4—测量池下体；5—蒸馏水密封管；6—蒸馏水透光镜面

开放式测量池有连接上下壁筒的作用，由于整个装置工作于水下，为了保证密封的有效性，采用O型密封圈和榫槽面法兰密封结构结合，保证密封圈不会被挤出，垫圈受力均匀。由于垫片与介质不直接接触，介质腐蚀影响和压力机制的渗透影响最小，完全适用于水下密封，如图8所示。

1—O型密封圈；2—上法兰；3—下法兰

由前文可知，整个测量骨架连接轴贯穿开放式测量池，同时测量骨架有相对旋转运动，存在动密封。由于密封空间狭小，同时设备用于水质检测，不能存在密封泄漏的风险，无论是机械密封还是油封均不能很好地满足密封要求，为此本文针对设备的结构特点，以及设备测量旋转角度小的优势，专门对密封结构进行设计，转动密封为静态密封，其密封结构如图9所示。

1—轴上固定套；2—乳胶套；3—静止固定套；4—旋压螺母

通过轴上固定套和静止固定套，并配合旋压螺母，将乳胶套管两端分别固定在轴上和静止端，轴上固定套可以随轴转动。检测装置从蒸馏水检测孔位运动到实际水检测孔位，其旋转角度小于45°，完全在乳胶套的旋转承受范围之内。本文利用乳胶管套不仅具有防水特性，同时属于超弹性材料，具有伸缩性能好的优点，将动密封转化为静密封，大大提高了密封效率。

2.4 镜面清洗装置设计

在开放式测量池中实际水检测通光孔的石英镜面上，由于长期与检测水面接触，受到藻类、泥沙的影响，镜面清晰度低，影响水质光谱检测，因此本文设计镜面清洗装置，在测量之前清洗镜面，达到保持镜面清洁的作用，如图10所示。

1—夹板体；2—镜面刷；3—夹紧螺栓

镜面清洗结构固定在旋转轴上，并位于开放式测量池中间，通过锁紧螺栓锁紧镜面刷，镜面刷上、下斜面分别与通光镜面接触，同时安装位置位于蒸馏水通光镜面和实际水通光镜面之间。当旋转轴旋转，整个测量骨架由蒸馏水测量面旋转移动至实际水测量面时，由于安装角度的关系，镜面清洗装置先行清洗实际水测量镜面，保证每次测量均在清洗之后完成。

2.5 水质检测装置试验样机

本文设计的水质检测装置试验样机如图11所示。

图11 水质检测装置试验样机

3 结束语

本文根据水质检测装置结构功能需求，提出该装置结构设计总体构成，并对外壁筒、开放式测量池、测量骨架、镜面清洗和密封防水等结构做了详细设计和分析，最终得出总装设计和试验样机。目前该装置能够满足地表水、生活污水等水样原位测量，但是对于海水、高腐蚀性工业废水等特殊水样仍然存在设计上的不足，设备性能还需进一步提升。