ДАТЧИК УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
SPECIFIC ELECTRIC CONDUCTIVITY SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к контактным датчикам электропроводности СТД-зондов или океанографических комплексов и предназначено для использования в океанографии для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде, а также может быть использовано в других областях.
Известен малогабаритный датчик удельной электропроводности (http://efo-sensor.ru/datchiki-elektricheskoy-provodimosti-vodnih-rastvorov.html).
Указанный датчик - четырехэлектродный, у которого датчик температуры расположен между двумя потенциальными и двумя токовыми электродами. Ему присущи следующие недостатки:
- отсутствует внешнее обрамление в виде цилиндра или «стакана», необходимое для измерения удельной электропроводности,
- малое межэлектродное пространство датчика (несколько миллиметров) приведет к тому, что его загрязнение или биологическое обрастание приведут к недопустимо большому изменению геометрической константы этого датчика и, как следствие, к значительной погрешности измерения.
Использование четырех электродов, двух токовых и двух потенциальных и режима работы с источником тока позволяет устранить влияние поляризационных эффектов на токовых электродах. Однако для формирования замкнутого электрического поля внутри измерительной ячейки датчики выполняют из трубки с пятью (три токовых) или семью (три токовых и четыре потенциальных) электродами, формирующими электронную пробку на торцах трубки (Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. - Л.: Гидрометиздат, 1986. - 272 с). При такой конструкции естественная промываемость датчика ухудшается, что влияет на точность измерения в конкретной точке морской среды.
Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред (Патент на изобретение RU 2654316 С2), представляющее собою четырехэлектродный датчик электропроводности «стаканного типа», у которого задача замыкания электрического поля внутри измерительной ячейки решается при выполнении датчика в форме «стакана» т.е. одна сторона заглушена, а другая имеет сообщение со средой. Недостатком устройства является плохая промываемость межэлектродного пространства из-за отсутствия сквозной продувки. Наличие в конструкции датчика «дна» не приводит к качественному промыванию межэлектродного пространства датчика, даже при направлении струи воды внутрь датчика за счет внешней помпы.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является датчик электропроводности (Патент на изобретение ЕР 1621876 А1), представляющий собою пятиэлектродный датчик электропроводности, включающий в себя измерительную зону и зону, служащую для запирания силовых линий тока, работающий на переменном токе, выполненный в виде цилиндра, на оси которого расположена опора с пятью электродами, два токовых электрода закорочены между собой и расположены на торцах цилиндра, а третий расположен посреди цилиндра и является общим. При этом два потенциальных электрода расположены между токовыми электродами. Одна сторона датчика имеет сообщение со средой, а другая заглушена и содержит два отверстия в корпусе цилиндра для обеспечения потока воды внутри датчика за счет конвекции. Недостатком устройства является отсутствие пространства, в которое можно поместить дополнительные датчики, например, температуры, давления и другие без искажения силовых линий тока. Размещение дополнительных датчиков за пределами токовых электродов, приведет к дальнейшему увеличению линейных размеров и снижению точности датчика. В конструкции не предусмотрена помпа, а промывка воды внутри датчика за счет конвекции приведет к высокой погрешности вычислений. В случае установки помпы, поток воды будет затруднен по причине наличия выходных отверстий в корпусе датчика.
Работа СТД-зондов в условиях с большим количеством взвесей в скважинах или морских организмов и растений в море, предъявляет повышенные требования к защите всех датчиков прибора, таких как датчики электрической проводимости, температуры и давления, от механических повреждений, сохраняя при этом их метрологические характеристики без деградации как можно большее время, располагаясь при этом как можно ближе друг к другу, не оказывая взаимного влияния. Обеспечить качественное промывание прилегающего к датчикам пространства для отбора выделяемого ими тепла и закачки воды с соответствующих при зондировании горизонтов возможно с применением внешней помпы. На решение этих жестких и противоречивых требовании и направлено предлагаемое изобретение.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такой конструкции датчика удельной электропроводности, при которой возможно размещение дополнительных датчиков (например, температуры, давления и других) в пределах общего тока морской воды и общих элементов защиты от механических повреждений без искажения силовых линий тока и снижения точности датчика удельной электропроводности, а также без увеличения линейных размеров датчика удельной электропроводности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, достигается тем, что датчик удельной электропроводности, включающий в себя измерительную зону и зону, служащую для запирания силовых линий тока, имеет U-образную форму, дополнительно включает в себя измерительную зону дополнительных параметров морской воды, расположенную между зоной, служащей для запирания силовых линий тока и измерительной зоной, при этом зона, служащая для запирания силовых линий тока и измерительная зона имеют два общих токовых электрода, выполненные в виде штырей, при этом измерительная зона дополнительных параметров морской воды включает датчики температуры и давления морской воды, заключенные с датчиком электропроводности морской воды и датчиком температуры корпуса в общие корпус и крышку. Кроме этого, датчик удельной электропроводности дополнительно содержит помпу, установленную на выходе потока морской воды для возможности тока морской воды через все указанные зоны датчика удельной электропроводности, фильтр, установленный на входе потока морской воды. Также такая конструкция датчика позволяет дополнительно содержать защищенными от механических повреждений другие датчики измерения дополнительных параметров морской воды, а токовые электроды возможно выполнить в виде колец.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен чертеж датчика удельной электропроводности. Вариант 1.(со штыревыми токовыми электродами). На фиг. 2 представлен чертеж датчика удельной электропроводности. Вариант 2. (с кольцевыми токовыми электродами).
Заявляемое изобретение содержит: датчик температуры 10 морской воды, резистивный датчик температуры 11 корпуса 2 датчика удельной электропроводности, датчик давления 9 морской воды, заключенные в общие с датчиком удельной электропроводности элементы защиты от механических повреждений: крышку 1 корпуса 2. При этом датчик удельной электропроводности включает три зоны: измерительную зону А, с двумя возбуждающими токовыми 4 и 7 и двумя измерительными потенциальными электродами 5 и 6, зону В, служащую для запирания силовых линий тока, имеющую общие с зоной А токовые электроды, и измерительную зону дополнительных параметров С, в которой размещены датчик температуры 10 морской воды, датчик температуры 11 корпуса, давления 9. Также можно разместить и другие датчики, например, датчики кислорода и РН. Зоны А и В в сечении являются окружностью, имеют одинаковые размеры, по длине ограничены токовыми электродами 4 и 7 проходящими параллельно через перегородку 8. Наличие зоны С не оказывает влияния на выходной сигнал канала электропроводности, поскольку через нее не проходят силовые линии тока, распространяющиеся исключительно между токовыми электродами 4 и 7 и которые являются общими для зон А и В. Это обстоятельство позволяет придавать произвольные размеры и конфигурацию дополнительной зоне С, зависящие от количества и габаритов дополнительных датчиков, задаваемых при проектировании. Для улучшения условий протекания потока морской воды через канал ячейки электропроводности U-образной формы, изобретение снабжено помпой 3, расположенной на выходе потока морской воды, а на входе потока морской воды - фильтром 12. Все электроды 4, 5, 6, 7, для исключения контактной разности потенциалов, выполнены из одного и того же материала, например, платины, титана или нержавеющей стали. В данной конструкции показаны два варианта выполнения токовых электродов - в виде штырей (Фиг. 1), и в виде колец, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром зон А и В. (Фиг. 2). Конструкция с кольцевыми токовыми электродами предпочтительнее в сравнении со штыревыми, поскольку облегчается очистка внутренних полостей датчика во время проведения регламентного обслуживания.
Предлагаемый датчик электропроводности входит в состав СТД-зондов или океанографических комплексов, которые при зондировании по глубине измеряют различные физические и химические параметры в точке измерения. Из-за тепловой инерции корпуса 2 датчика электропроводности его температура будет отлична от температуры воды окружающей среды, если последняя меняется. Поэтому температуру корпуса 2 целесообразно контролировать встроенным в корпус 2 датчика резистивным датчиком температуры 11 в непосредственной близости от измерительной зоны А, а температуру морской воды датчиком температуры 10. Качество промывания межэлектродного пространства имеет первостепенное значение, поскольку за счет рабочего тока датчика электропроводности выделяется значительная тепловая энергия, приводящая к разогреву воды в измерительной зоне А и, соответственно, к снижению точности вычисления. Поставленная задача хорошо решается с помощью внешней помпы 3, которая работает на вытяжку всего столба воды во всех зонах датчика. Этот режим работы также не приводит к изменению температуры морской воды в измерительной зоне А за счет выделения тепловой энергии самой помпой.
Расчет удельной электропроводности морской воды производится по следующей формуле
где χ - удельная электрическая проводимость,
K - геометрическая константа измерительной ячейки,
- расстояние между потенциальными электродами 5 и 6,
D - диаметр измерительной ячейки (зона А),
α - коэффициент линейного расширения материала корпуса 2,
G - проводимость воды между потенциальными электродами 5 и 6,
θ - температура корпуса 2
Заявляемый датчик работает следующим образом.
При погружении датчика в воду возникающий за счет помпы поток последовательно проходит через зоны В, С и А. На токовые электроды 4 и 7 подается возбуждающее напряжение синусоидальной или прямоугольной формы, создающее между ними ток, величина которого зависит от проводимости столба воды, заключенного между ними. Выходным информативным параметром может быть ток или напряжение. Это зависит от того, что мы задаем в качестве постоянной опоры на электроды 5 и 6 - ток или напряжение.
В результате осуществления заявляемого изобретения получаем такую конструкцию датчика удельной электропроводности, при которой возможно размещение дополнительных датчиков (например, температуры, давления и др.) в пределах общего тока морской воды и общих элементов защиты от механических повреждений без искажения силовых линий тока и снижения точности датчика удельной электропроводности, а также без увеличения линейных размеров датчика удельной электропроводности.