T/ZHAS 30-2024 海洋芯片级水质传感器原位免维护设计指南

ICS 17.020
CCS L15
团体标准
T/ZHAS 30—2024
海洋芯片级水质传感器原位免维护设计指南
Guidelines for in situ maintenance-free design of marine chip-level water qualitysensors
2024-08-30 发布2024-09-30 实施
珠海市标准化协会 发布

前言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规
定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由广东芯阅科技有限公司提出。
本文件由珠海市标准化协会归口。
本文件起草单位：广东芯阅科技有限公司、江苏阅水智芯科技有限公司、青岛罗博飞海洋技术有限
公司。
本文件主要起草人：孙铭锐、金建东、马秀芬、尹雪。
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海洋芯片级水质传感器原位免维护设计指南
1 范围
本文件描述了海洋芯片级水质传感器原位免维护设计的技术途径，提出了海洋芯片级水质传感器原
位免维护设计的技术要求。
本文件适用于海洋芯片级水质传感器原位免维护的设计，其他同类产品的设计可参照使用。
2 规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3 术语和定义
GB/T 7665界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
传感器transducer/sensor
能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组
成。
注1：敏感元件（sensing element），指传感器中能直接感受或响应被测量的部分。
注2：转换元件（transducing element），指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的
电信号部分。
注3：当输出为规定标准信号时，则称为变送器（transmitter）。
注4：英文单词中的斜线符号“/”，表示其前后的词通用。
[来源：GB/T 7665-2005，3.1.1]
3.2
水质water quality
水体质量的简称。它标志着水体的物理（如色度、浊度、臭味等）、化学（无机物和有机物的含量）
和生物（细菌、微生物、浮游生物、底栖生物）的特性及其组成的状况。
3.3
芯片级传感器chip-level sensor
传感器的敏感元件为芯片形态的传感器。
3.4
原位免维护in situ maintenance-free
海洋水质传感器在环境监测应用中，全工作周期未离开测量水样原位置，连续工作不需人为维护。
3.5
敏感元件自动更换sensing element replace automatically
在传感器工作过程中，通过传感器中自带的失效评估系统和机械传动系统，将备用敏感元件传送到
工作位置替换失效的元件。
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4 技术途径
4.1 概述
产品实现长期原位免维护工作的前提是传感器在海洋环境中无故障工作。提高传感器无故障工作时
间的技术途径主要包括传感器自身性能的提升、传感器封装防护等，应用原位敏感元件自动更换技术，
可以在传感器核心元件技术指标不变、封装防护等级不变的情况下，实现传感器的长期免维护工作。
4.2 传感器核心元件性能
通过芯片级传感器核心元件的设计和工艺技术的改进，使测量范围、测量精度及使用寿命达到其性
能指标，延长传感器无故障工作时间，进而延长维护周期，包括但不限于温度、pH、溶解氧、电导率等
参数。
4.3 传感器封装防护
传感器封装外壳选用耐海水腐蚀材料,静态海水中耐腐蚀速率不高于0.05 mm/a，也可以在传感器
外壳涂上不影响传感器功能的防护涂料，降低海水腐蚀及生物附着对传感器的影响，从而提高传感器的
无故障工作时间，耐水压不低于50 m。
4.4 传感器外壳刮刷
传感器外壳设置刮刷器，连续或定期刮刷掉海洋水质传感器外壳附着物，提高传感器无故障工作时
间。
4.5 传感器敏感单元原位自动更换
传感器具有敏感元件自动更换装置，传感器配置冗余敏感单元，当工作中的传感器敏感单元性能降
低或失效，传感器中自带的评估系统和机械传动系统，将备用的敏感单元传送到工作位置替换失效的元
件，以保证传感器在海洋中正常工作。
注1：性能降低指测量范围、精度等参数超出传感器预定技术指标规定值。
注2：失效指传感器的输出异常。
5 设计要求
5.1 概述
产品设计采用海洋水质传感器敏感元件自动更换装置，通过敏感单元冗余设计提高传感器水下工作
时间，同时规定了材料选择、多种传感器兼容性、传感器探头互换性、更换用时、更换条件等设计要求，
实现现有海洋水质传感器的原位免维护功能。
5.2 材料选择
应考虑物理属性、化学属性，确保所选用的材料具有满足设计要求的机械强度和硬度、长时间海水
环境应用的抗老化、抗腐蚀、耐水压不低于50 m 等要求。
5.3 原位使用海洋水质传感器
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传感器工作时应始终置于待测水样原位置，保证传感器对海域水质监测的实时性和连续性。
5.4 提高海洋水质传感器无故障工作时间
5.4.1 敏感元件
敏感元件应为具有感受或响应被测量功能的半导体元件产品，敏感元件存储寿命不应少于10 年，
工作寿命不应少于1 年。
注1：工作寿命指传感器施加规定的连续和断续额定值而不改变其性能的最长时间。
注2：储存寿命指传感器暴露于规定的储存条件下而不改变其性能的最长时间。
5.4.2 传感器探头
传感器探头存储寿命不应少于10 年，工作寿命不应少于1 年。
5.4.3 传感器探头冗余配置
传感器探头应采用芯片级传感器，保证探头尺寸、重量、互换性满足设计要求，可按需求增加探头
数量。采用传感器探头/敏感元件冗余设计方式，当工作中的传感器探头/敏感元件性能降低或失效时，
冗余配置的传感器探头/敏感元件介入并承担故障敏感元件的工作，提高海洋水质传感器使用寿命，使
其长期处于正常工作状态，延长维护周期。
5.5 多种传感器兼容性
海洋水质传感器自动更换装置，其敏感单元可以替换为感测不同物理量、化学量的传感器，本文件
设计的装置具有多种传感器的兼容性，例如电导率、温度、pH、溶解氧等传感器。
5.6 传感器探头互换性
冗余设计系列传感器探头/敏感元件具有互换性，可以互换使用。一套装置中传感器探头的外径尺
寸和初始输出值满足特定产品的设计要求。
5.7 更换用时
传感器探头/敏感元件机械更换用时不高于10 s。
5.8 更新维护
5.8.1 更换条件
当工作中的传感器探头/敏感元件达到预期工作时间或失效时，将触发敏感元件自动更换程序，待
机位的备用传感器探头进入工作位置，完成更换。
5.8.2 传感器探头工作时间
使用的传感器探头/敏感元件在实验室环境下的工作寿命不少于1 年，海洋环境应用中工作时间达
到实验室工作寿命的80 %，即可启动更换程序。
5.8.3 传感器探头失效
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使用的传感器探头/敏感元件未达到预定工作时间，在工作中发生突然的信号异常，如异常波动、
短路、断路、性能降低等故障，可以远程人工控制或自动启动更换程序。
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参考文献
[1] GB/T 7665-2005 传感器通用术语
[2] 中国腐蚀与防护学会.金属防腐蚀手册[M]. 1989.