王 君 索利利 胡 波 朱海慶

(國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心，天津 300112)

0 引言

海水鹽度是海洋動力學(xué)及海氣相互作用的基本影響因素，也是海洋水文測量的重要要素之一[1]。1978國際實用鹽標(biāo)的貫徹，使得利用溫鹽深測量儀(Conductivity/Temperature/Depth，簡稱CTD)測量鹽度的方法成為目前現(xiàn)場鹽度測量的最主要的方法[2]。CTD上配備的電導(dǎo)率傳感器主要有電極式和感應(yīng)式兩種，感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器，對于有機污染物含量較多的近海較為適用，裝備感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的CTD通常具有體積小巧、攜帶方便和設(shè)置簡單等特點，因此，在現(xiàn)代海洋調(diào)查工作中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的工作原理是在同一軸線上并列安裝兩個磁環(huán)繞組，一個稱為原級繞組，是發(fā)射線圈，另一個為次級繞組，是接收線圈。由于海水具有一定的導(dǎo)電性，傳感器進入海水后，原次級線圈之間產(chǎn)生耦合，在原級線圈通有的交變電流就會使次級線圈感應(yīng)出交變電勢，信號經(jīng)傳輸處理后即可以得到所測量海水的電導(dǎo)率值[4]。

由于海上作業(yè)的特殊性，用戶擔(dān)心儀器在水下作業(yè)過程中儀器受損，為延長儀器的使用壽命，后期設(shè)計加工了金屬保護架。對于部分儀器，金屬架的確可以保護其在復(fù)雜的水下環(huán)境中的安全使用，但如果儀器采用感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器測量海水鹽度，傳感器周圍的金屬保護架是否會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。為此，我們做了一些實驗研究，目的是為了定量的分析感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器周圍障礙物對其計量性能的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗對象

實驗選取目前常用的2類典型的、廣泛應(yīng)用在海洋調(diào)查作業(yè)中感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的調(diào)查儀器，詳見表1，其主要為自容式設(shè)計，儀器經(jīng)常被固定在浮標(biāo)或防拖網(wǎng)底座上在海洋的表層或底層進行長期記錄觀測[5]。因此，研究邊界效應(yīng)影響對海洋調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有著很重要的意義。

表1 電導(dǎo)率傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.2 實驗設(shè)備

根據(jù)所選擇的實驗對象，實驗時使用的主要計量器具見表2。

表2 使用的主要計量器具的技術(shù)指標(biāo)

1.3 實驗設(shè)計

實驗將對保護架對測量結(jié)果的影響和感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器邊界效應(yīng)影響距離兩部分進行研究。

1.3.1 實驗1：保護架對測量結(jié)果的影響

被測儀器選擇加拿大RBR公司生產(chǎn)的XR-620型CTD(如圖1)，以及送檢單位定制的金屬保護架和涂有絕緣漆的金屬保護架。

圖1 XR-620型CTD及防護架

實驗時將儀器單獨放置于恒溫槽中心，避免其他儀器以及槽壁等因素的影響。使用恒溫槽控制裝置將溫度分別控制到30℃、20℃、10℃、0℃，在每個溫度控溫穩(wěn)定后使用測溫儀和被測儀器同步記錄數(shù)據(jù)，并采集恒溫槽中水樣進行標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率測量。為考察保護架對測量結(jié)果的影響，我們在三種情況下進行上述實驗過程，如表3。

表3 實驗過程

1.3.2 實驗2：感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器邊界效應(yīng)影響距離的研究

被測儀器選取加拿大RBR公司的XR-620型CTD及日本ALEC公司生產(chǎn)的ACTD-CMP型CTD。金屬物體選擇一塊尺寸為25cm×25cm的不銹鋼板，非金屬物體選擇一塊尺寸為25cm×25cm的絕緣板。

實驗時先將被測儀器設(shè)置成自容式記錄狀態(tài)，并通過懸吊的方式單獨浸沒于恒溫槽中心位置，以避免其他儀器和槽壁等因素的影響。使用恒溫槽控制裝置將水域溫度控制到25℃。恒溫槽穩(wěn)定后使用金屬(絕緣)物體緊貼儀器感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的一側(cè)，然后以1cm為間距逐漸遠離，直至20cm，每一距離點停留15s以便儀器有充足時間記錄數(shù)據(jù)，同時記錄測溫儀顯示的標(biāo)準(zhǔn)溫度，在距離10cm的試驗點時，用取樣瓶采集恒溫槽中水樣進行標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率測量。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 金屬保護架對測量結(jié)果的影響結(jié)果

實驗1完成后，經(jīng)過對水樣標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率的測量和對儀器數(shù)據(jù)的處理，所得結(jié)果如表4所示。

表4 實驗1結(jié)果

實驗結(jié)果表明，使用保護架對感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的測量結(jié)果是有明顯影響的。在使用金屬保護架的情況下，所測量的電導(dǎo)率值與未使用保護措施時相比，測量值明顯變大，示值誤差的變化超過了一個數(shù)量級。使用經(jīng)絕緣處理的保護架，儀器所測量的電導(dǎo)率值與未使用保護措施相比，測量值明顯變小。經(jīng)分析，原因可能與感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的測量原理有關(guān)，由于傳感器探頭中的原次級線圈之間通過附近的海水產(chǎn)生耦合，測量交變電勢，而在傳感器探頭附近的部分保護架改變了該部分海水的導(dǎo)電特性，從而影響了傳感器中線圈之間的耦合，最終影響了電導(dǎo)率的測量結(jié)果。當(dāng)使用金屬保護架時，探頭附近海水的導(dǎo)電特性由于金屬的影響增強，從而使得測量值偏大。同樣，使用絕緣保護架時，使得探頭附近海水原有的導(dǎo)電特性減弱，從而使得測量值偏小。

2.2 感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器邊界效應(yīng)影響距離的研究結(jié)果

實驗2完成后，經(jīng)過對水樣標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率的測量和對儀器數(shù)據(jù)的處理，所得結(jié)果如圖2所示。圖2中，點線為儀器測量值的變化，直線為測量水樣得到的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率值。

圖2 邊界效應(yīng)對電導(dǎo)率測量值的影響

根據(jù)數(shù)據(jù)圖形可以發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器附近一定范圍內(nèi)的金屬(絕緣)板會對其測量結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。

1)在ACTD-CMP電導(dǎo)率測量受金屬板影響的實驗中，標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率為49.263mS/cm，在金屬板緊貼電導(dǎo)率傳感器的情況下，儀器的測量值為52.454mS/cm，隨著金屬板距離電導(dǎo)率傳感器距離的增加，測量值慢慢降低，當(dāng)距離8cm后，測量值基本穩(wěn)定在49.302mS/cm左右不再明顯變化，前后的測量值之差最大達到3mS/cm，遠大于儀器的電導(dǎo)率測量指標(biāo)。在ACTD-CMP電導(dǎo)率測量受絕緣板影響的試驗中，標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率為49.314mS/cm，在絕緣板緊貼電導(dǎo)率傳感器的情況下，測量值為38.169mS/cm，隨著絕緣板距離的增加，測量值逐漸升高，當(dāng)距離8cm后，測量值基本穩(wěn)定在49.249mS/cm左右，前后測量值之差達到11mS/cm。

2)XR-620-CTD的電導(dǎo)率測量受同樣影響，當(dāng)使用金屬板在其傳感器周圍由近及遠放置時，所測量的電導(dǎo)率值由53.849mS/cm逐漸升高到49.088mS/cm左右，在距離10cm以后無明顯影響，當(dāng)使用絕緣板在其傳感器周圍由近及遠放置時，測量的電導(dǎo)率值由27.920mS/cm逐漸降低到49.321mS/cm，在距離8cm以后無明顯影響。

由結(jié)果可知，當(dāng)有金屬或絕緣障礙物在感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器周圍時，會對電導(dǎo)率的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，距離越近影響越大，當(dāng)距離足夠大時影響消失。這是因為當(dāng)距離傳感器較近時，影響了原次級線圈的耦合，障礙物改變了傳感器周圍海水原本的導(dǎo)電性，從而影響測量結(jié)果，隨著距離的增加，這種影響慢慢減小，直至消失。由兩種儀器的結(jié)果對比還可以發(fā)現(xiàn)，對比ACTD-CMP，障礙物對XR-620-CTD電導(dǎo)率測量的影響量和影響范圍都要相對大些，經(jīng)分析可能是由于后者的電導(dǎo)率傳感器尺寸相對較大，所需感應(yīng)的海水體積較大，邊界效應(yīng)影響的范圍廣，相同情況下受金屬板或絕緣板的影響也要大些。

3 總結(jié)

本文通過工作中發(fā)現(xiàn)的問題，對配備感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器的儀器設(shè)計了一組實驗，初步研究了其邊界效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。實驗結(jié)果表明，在其邊界效應(yīng)影響的范圍內(nèi)如果有金屬障礙物存在，儀器的測量值與實際相比會偏大，相反當(dāng)邊界效應(yīng)影響的范圍內(nèi)有絕緣的障礙物存在，儀器的測量值則會偏小。因此為了提高測量精度，獲取準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，用戶除要將儀器定期送權(quán)威部門檢定或校準(zhǔn)外，在安裝保護架時，保護架的尺寸設(shè)計也要充分考慮到儀器的邊界效應(yīng)。

[1] 馮士笮，李鳳崎，李少菁.海洋科學(xué)導(dǎo)論[M].北京：高等教育出版社，2003

[2] 趙勇，胡開博，等.海水鹽度檢測技術(shù)的最新進展[J].光電工程，2008，35(11)

[3] 李紅志，王云泉.高精度CTD剖面儀電導(dǎo)率傳感器的研究和實驗[J].海洋技術(shù)，2001，20(1)

[4] 吳龍斌.電感式電導(dǎo)率傳感器的測量原理與測試方法[J].錄井技術(shù)通訊，1995，6(2)

[5] 侍茂崇，高郭平，鮑獻文.海洋調(diào)查方法[M].山東：青島海洋大學(xué)出版社，2000