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一种散射法浊度传感器的结构设计

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：李建勋

[导读] 摘要：介绍了一种散射法浊度传感器的原理、结构和设计方法，由光路结构、清洗刷模块等组成，在使用标准浊度溶液进行标定后可以自动完成对待测溶液浊度的测量。

        陕西天元智能再制造股份有限公司陕西西安 712000
        摘要：介绍了一种散射法浊度传感器的原理、结构和设计方法，由光路结构、清洗刷模块等组成，在使用标准浊度溶液进行标定后可以自动完成对待测溶液浊度的测量。通过技术指标进行测试，满足设计的要求。经实验证明，该传感器简单易用，能够连续长时间使用，具有较高的精度和灵敏度，可以满足生产、生活中对液体浊度测量的需求。
        关键词：液体浊度；散射法；在线
        0 引言
        浑浊度是反映液体物理性状的参数之一，与液体中悬浮物的浓度、颗粒的大小、形状、等有关，例如在水质好坏的检测中，浑浊度就是一项非常重要的指标。浊度对饮用水微生物指标有明显的影响。它干扰细菌和病毒的测定，更重要的是浊度会促进细菌的生长繁殖，因为营养物质吸附在颗粒的表面上，因而使附着的细菌较那些游离的细菌生长繁殖更快。浊度的另一主要问题是影响消毒，削弱消毒剂对微生物的杀灭作用（高浊度能保护微生物不受消毒作用的影响），增加需氯量与需氧量。在此背景下，提高水环境监测水平，大力发展水环境监测仪器刻不容缓。本文目的是设计一个能应用于环保部门监控、管理环境的浊度传感器，通过对水样的检测，准确及时地反映水质的变化状态。
        常见的浊度检测方法有透射法、散射法、散射+透射法，本文介绍一种散射法浊度传感器的结构设计
        1.散射法测量液体浊度的原理
        在散射法中，根据瑞利定理，当液体中悬浮颗粒的大小小于入射光波长时，光线将发生强烈的散射，散射光强度与水样浊度成正比，通过测定经水样的散射光强度，就可测出水样的浊度。其原理如图1所示

        图1 散射法测量浊度原理图
        目前国际上广泛使用福尔马肼溶液作为测量浊度的标准液，该溶液的浓度即为浊度。本文采用的单位为散射浊度单位：NTU，即1L 水中含有1mg 的福尔马肼聚合物悬浮物质时，称为一个散射浊度单位，用1NTU 表示。本文介绍的浊度传感器量程为0-500NTU.
        2 光路及透镜设计
        光路透镜实现的功能包括：
        （1）发射光透过透镜进入浊度液，在浊度液中发生散射再透过透镜进入采集信号的光电二极管上.
        （2）和其他部件共同组合下防止液体进入传感器内部。
        光路透镜的选材主要要求四个方面，1透光性优良，发射部分可以减少光损失，从而减小发光二极管的功率，与此同时，散射光可以有效传递到光电二极管，让光电二极管能准确的反应出散射光强度；2耐腐蚀，应用环境有可能会接触各种腐蚀性液体，必须要有很好的耐腐蚀性，加长透镜的使用寿命；3硬度高耐磨，由于本传感器的应用是在线的，要长期浸泡在液体中，难免透镜上会附着杂质，就需要有清洗机构来清除表面的杂质，这些杂质的硬度都是不确定的，为防止表面刮花引起测量数据的偏差，必须选用高硬度的材料。综合透光性，耐腐蚀，耐磨性好，和成本低等综合因素考虑，选择蓝宝石作为透镜材料，其主要成分为Ag2O3，其透光率大于85%；它和大多数液体都不会发生化学反应，耐腐蚀好；硬度等级为9，仅次于金刚石，成本适中。
        透镜外形设计，光从一种介质射向另一种介质时，一部分光被界面反射，另一部分光透过界面在另一种介质中折射，折射光线服从折射定律：折射光线与入射光线、法线处在同一平面内，折射光线与入射光线分别位于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦成正比，即

        式中 x：入射角
        y：折射角
        n1：蓝宝石折射率=1.76
        n2：水的折射率=1.33
        本文介绍90°的散射光，那么便知y=45°
        代入公式求得x=32.3°
        如图2所示

        图2 光路角度设计图
        透镜密封设计，密封设计主要包括以下2个方面：
        （1）O型密封圈选择，材料选择耐腐蚀性优良的氟橡胶
        （2）密封圈沟槽设计，根据机械设计手册，沟槽深度按照截面受15%-30%的压缩变形设计
        蓝宝石透镜外形及装配如图3所示

        图3 透镜外形及装配图
        3清洗刷设计
        本传感器应用于在线浊度测定，长时间放置在液体中透镜表面必然会有附着杂质，清洗刷主要功能是去除透镜表面上附着的杂质，清洗透镜，保证光路的正常传输和测定数据的准确性。
        清洗刷的主要功能包括：
        （1）在需要时清洗蓝宝石透镜表面的附着杂质
        （2）在不需要清洗时转到一个不受应力的区域
        （3）电机驱动自动清洗
        （4）单次清洗时间<6秒
        清洗刷主要结构包括清洗刷胶条，胶条支架，电机，唇形密封圈
        如图4所示

        图4 清洗刷图
        工作流程为：开机-电机顺时针方向旋转-机械限位-电机堵转电流增大-电路识别电机初始位置-电机待命状态-操作者发出清洗指令-信号反应给电路控制-减速步进电机收到信号-电机逆时针旋转转180°-电机顺时针方向旋转180°-清洗完成-电机待命状态。
        根据使用环境，也可以设置固定自动清洗时间周期，通过实验发现，在100NTU的浊度中，每10分钟清洗一次可以满足测量数据的稳定性，实际使用过程中，浊度高的液体中缩短清洗时间周期，浊度低的加长清洗时间周期
        3.1清洗刷胶条设计
        清洗刷胶条主要功能为刷干净蓝宝石透镜表面附着物，保证光路的正常有效传递，那就要求胶条和蓝宝石透镜之间有一定的压力，这个压力以能刷干净为准。如果压力太大，会增加蓝宝石透镜被刮花的几率，增大驱动电机的负载，减短胶条的使用寿命。
        一般地讲，对弹性体施加一个外界作用，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。其计算公式为：
        E = σ / ε，
        式中：E：弹性模量，
        σ：应力，
        ε：应变。
        ε=（L1-L2）/L1
        式中：L1：原始长度
        L2：压缩后的长度
        应力计算公式为

根据几种不同材料的清洗测试，选择材料为氟橡胶，弹性模量E=7.84MP，L1=4mm，L2=3.5mm，带入公式

         3.2胶条支架设计
        胶条支架主要实现功能之一是将清洁刷胶条固定住，为胶条在蓝宝石透镜表面提供压缩力的刚性支撑，二是将减速步进电机的驱动力传递给清洁刷胶条，使胶条在蓝宝石透镜表面形成转动擦洗。需要满足以下要求：胶条安装拆卸方便，便于更换，于是，设计支架为“U”型卡片式，卡片中点位置设计一个横向圆形凹槽，同时胶条安装槽中点位置设计一个圆形凸台，插入式安装之后便可以防止脱落，支架和胶条之间的所有配合均为过盈配合，其安装方式如图5所示

        图5 清洗刷组装图
        和电机轴配合设计，考虑到加工误差问题，难以实现胶条固定的压缩量，在透镜底座上设计一个深度等于压缩量的凹槽，凹槽周围倒角，方便胶条能顺利通过，凹槽的主要功能有两点1安装时保证压缩量为固定值；2在胶条没有进行清洗工作时停留在不受应力的凹槽中待命。如图6所示

        图6 清洁刷停放凹槽示意图
        这就要求胶条支架和电机安装的轴向是可调节的，其轴向配合方式为间隙配合，调整到合适的轴向位置后用紧定螺钉固定，采用06Cr17Ni12Mo2材料，即市场上称为316不锈钢，加工完成后表面酸洗钝化处理。
        3.3唇形密封圈设计
        它实现功能为：在电机转动的情况下实现密封，防止液体流入传感器内部，优点在于密封材料有一个“U”型凹槽，凹槽之间整齐排布一周弹簧，弹簧向两边形成一个恒定扩张力，消除了因为塑性变形和磨损导致的密封不足，唇形密封圈在低压和零压时，初始密封力由金属弹簧产生。当系统压力升高时，则主要密封力由系统压力形成。因此，从零压到高压均能保证良好密封。其材料构成为聚四氟乙烯+316不锈钢，其主要特点为：
        （1）可用于往复和旋转运动
        （2）摩擦系数小
        （3）良好的抗磨性能及尺寸稳定性
        （5）能适应急剧的温度变化
        其结构如图7所示

        图7 唇形密封圈结构图
        3.4减速步进电机选用
        电机驱动清洗刷转动，需要满足的条件是有足够的动力带动清洗刷清洗蓝宝石透镜，能准确定位。
        动力设计，动力主要为克服外在的摩擦力：
        （1）清洗刷胶条和蓝宝石透镜平面的摩擦力
        （2）唇形密封圈和电机轴之间的摩擦力
        扭矩的计算公式为
        M=F×μ×r
        式中：M：扭矩
        F：压力
        μ：摩擦因数
        r：半径
        其中
        F=σS
        式中：σ：应力
        S：受力面积
        清洗胶条产生的扭矩
        M1（静）=σ1×S1×μ1（静）×r1
        =（0.98×106）×（1×10-3×10×10-3）×0.9×（12×10-3）
        =0.106Nm
        M1（动）=σ1×S1×μ1（动）×r1
        =（0.98×106）×（1×10-3×10×10-3）×0.5×（12×10-3）
        =0.059Nm
        唇形密封圈产生的扭矩
        M2（静）=F2×μ2（静）×r2（F2为唇形密封圈弹簧力）
        =20×0.1×1.5×10-3
        =0.003Nm
        M2（动）=F2×μ2（动）×r2（F2为唇形密封圈弹簧力）
        =20×0.05×1.5×10-3
        =0.0015Nm
        电机需要的最小启动扭矩=M1（静）+M2（静）=0.106+0.003=0.109Nm
        电机需要的转动扭矩=M1（动）+M2（动）=0.059+0.0015=0.0605Nm
        电机选型考虑到可靠性，设计值应大于需用值10%
        实际电机扭矩最小值=0.109Nm×（1+10%）=0.12Nm
        实际电机转动扭矩最小值=0.0605Nm×（1+10%）=0.06655Nm
        选择NMB-MAT电机，型号为PG15S-020，减速比1/102.5，当电机转速小于250（转/分钟）时，其输出扭矩大于0.12Nm；转速小于1400（转/分钟）时，其输出扭矩大于0.06655Nm。
        实际输出启动转速=250×（1/102.5）=2.4（转/分钟）
        实际输出正常转速=1400×（1/102.5）=13.7（转/分钟）
        即单次清洗时间=60÷13.7=4.38秒<6秒，电机满足设计需求
        整体结构图如图8所示

        图8 整体结构图
        4 指标的测试
        测试技术指标为准确性，重复性。
        具体测试方法是：
        （1）实验准备：选用华科仪在线浊度分析仪流通池1台，自制浊度传感器一台，福尔马肼标准溶液。
        （2）准确性测定：数据没有明显跳动后直接读取。
        （3）重复性测定：同一溶液每隔1分钟读数一次，重复读数7次，求出其相对标准偏差（RSD）。
        5 结语
        本浊度传感器适用于华科仪在线浊度分析仪，其准确性＜0.3%，重复性<0.5%，可以满足测量的精度要求。实践证明，自行研制的浊度传感器能连续、稳定运行，可操作性强。不过，实践中发现传感器的不足是：可见光对测量结果有一定影响，有待于下一步的改进完善。
        参考文献：
        [1]成大先，王德夫，姬奎生主编.机械设计手册.第四版第三卷.北京：化学工业出版社，2002.1
        [2]李亦军.基于 Mie 散射的微粒浓度和粒度测试的理论与实验研究[学位论文].太原，中北大学，2005
        [3]宋启敏，陆明刚。散射式光浊度测量的范围和非线性研究。上海大学学报（自然科学版），1997
        [4]朱泽昊，张扶人。浊度测量中两种基本方法的比较，西南师范大学学报（自然科学版）。1995