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浸入式光谱法水质检测装置设计与开发

内容来源:《机械设计与制造工程》      浏览次数:146      更新时间:2021-09-01

浸入式光谱法水质检测装置设计与开发


作者:吴绍锋,李东波
(南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)

    摘要:首先通过对浸入式光谱法水质检测装置的工作流程、需解决的问题进行分析,得出该机械装置总成结构,然后对测量骨架、外壁筒、开放式测量池、镜面清洗装置等部件进行详细的结构设计和有限元分析,最后得到总装设计和试验样机,该装置达到了设计目的,满足设计需求。
    关键词:水质检测;光谱法;浸入式;结构设计;光路设计
    中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:2095-509X(2021)07-0035-05
    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。
    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。

收稿日期:
2020-05-21
作者简介:吴绍锋(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向为光谱法水质多参数在线监测,wsf0701400113@163.com.
参考文献:
1]李庆波,何林倩,崔厚欣,.地表水亚硝酸盐氮浓度紫外可见光谱检测方法的基础研究[J.光谱学与光谱分析,2020,40(4):1127-1138.
2]张彩凤,焦二虎.浅析水质监测线新技术的应用[J.治淮,2015(1):62-63.
3]魏康林,温志渝,武新,.基于紫外-可见光谱分析的水质监测技术研究进展[J.光谱学与光谱分析,2011,31(4):1074-1077.
4]陆萍蓝,邵力行,张火明,.基于原位检测技术的无线水质监测系统研究[J.计算技术与自动化,2019(2):29-32.
5]李少华,雷立改,安胜波,.原位水质监测系统的开发与应用[J.中国科技成果,2015(23):71-73.
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