ИНДУКТИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ
INDUCTIVE TRANSDUCER OF CONDUCTIVITY OF SEA WATER

Изобретение относится к области гидрофизических средств измерений и может быть использовано в морских приборах зондирующего и стационарного типа.
Известны бесконтактные индуктивные измерительные преобразователи удельной электропроводимости морской воды (далее - преобразователи) проточного типа, основанные на использовании тороидальных трансформаторов, электрически связанных между собой через объемный виток воды (см. книгу "Океанология. Средства и методы океанологических исследований", гл.2.2.2. Г.В.Смирнов, В.Н.Еремеев и др. - Москва, 2005, с.511) [1]. В этих преобразователях измеряется полное сопротивление витка воды, в котором ток возбуждается питающим тороидальным трансформатором, а измеряется вторым трансформатором, работающим в режиме трансформатора тока (так называемые "токовые клещи"). Существенной характеристикой преобразователя является его пространственное разрешение - минимальное расстояние между двумя локальными неоднородностями, которые можно измерить раздельно. В общем случае пространственное разрешение зависит от размеров преобразователя. Однако для индуктивного преобразователя пространственное разрешение зависит не только от размеров внутреннего канала преобразователя, но и от внешнего объема воды, создающего объемный виток. Во всех известных конструкциях преобразователей [2] полное сопротивление витка воды примерно на 70% определяется сечением и длиной внутреннего канала ячейки и на 30% - внешней частью витка, замкнутого через омывающую воду. Внешний объем, по которому замыкается ток, простирается на расстояние не менее 20 диаметров внутреннего канала, а теоретически до бесконечности с убыванием плотности тока по экспоненциальному закону. По этой причине индуктивные преобразователи известной конструкции имеют низкое пространственное разрешение, составляющее десятки сантиметров при диаметре внутреннего канала порядка 1 см. Уменьшение этого диаметра с целью повышения разрешающей способности нежелательно, поскольку резко увеличивает полное сопротивление витка воды и пропорционально снижается чувствительность.
Другим недостатком индуктивного преобразователя является дополнительная погрешность измерения электропроводимости воды, обусловленная влиянием наружных объектов на внешнюю часть объемного витка воды. По этой причине защитный корпус преобразователя, требующий высокой устойчивости к внешнему давлению воды, изготавливается, как правило, не из металла, обладающего электропроводимостью, а из пластмассы со значительно меньшей жесткостью.
Этот недостаток, известный под названием "эффект близости" (proximity effect), значительно снижает потенциально достижимую точность измерения электропроводимости морской воды in situ в приборах зондирующего типа. Эффект близости, присущий известным моделям индуктивных преобразователей, снижает также точность первичной калибровки в эталонных установках, имеющих ограниченный объем рабочей камеры. Стенки камеры, отстоящие от ячейки на ограниченное расстояние, неизбежно вносят ощутимую погрешность измерения на уровне десятой доли процента, что при современном уровне требований нельзя считать допустимым. Эта погрешность не остается постоянной и не может быть учтена поправкой при переходе в естественную среду с неограниченным объемом. Кроме того, при установке ячейки на корпус зонда поправка на эффект близости изменяется неопределенным образом и не остается постоянной при эксплуатации при загрязнениях или биологическом обрастании корпуса самой ячейки и корпуса зонда.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению по совокупности признаков является первичный преобразователь удельной электропроводимости (УЭП) конформного преобразователя гидрологических параметров морской воды, выбранный в качестве прототипа [3].
Согласно описанию этот преобразователь содержит питающий и измерительный трансформаторы тороидальной формы, заключенные в диэлектрический корпус и связанные между собой объемным витком воды. Объемный виток воды образован частично внутренним каналом в корпусе преобразователя и внешней частью неопределенного объема. Этому преобразователю свойственны вышеперечисленные недостатки.
Задача изобретения состоит в повышении точности измерений и пространственной разрешающей способности индуктивного преобразователя за счет устранения эффекта близости при сохранении быстрой промываемости объемного витка воды.
Технический результат достигается тем, что в индуктивном преобразователе, содержащем питающий и измерительный трансформаторы с тороидальными сердечниками, электрически связанными между собой объемным витком воды и заключенными в общий защитный корпус, объемный виток воды сформирован двумя раздельными каналами одинакового сечения и длины, соединенными общими входом и выходом. Питающий трансформатор выполнен на двух тороидальных сердечниках с одинаковым числом витков, соединенных параллельно и согласно и образующих первичную обмотку питающего трансформатора. Каждый тороидальный сердечник размещен вдоль оси одного из раздельных каналов. Виток воды, протекающей по каждому каналу, образует последовательную вторичную обмотку питающего трансформатора, индуктивно связанную с измерительным трансформатором тока, тороидальный сердечник которого вместе с измерительной обмоткой размещен на одном из раздельных каналов.
Положительный эффект предложенной конструкции преобразователя и схемы включения обмоток питающего трансформатора проявляется в повышении точности измерений и разрешающей способности за счет равенства потенциалов средних точек входного и выходного отверстий объемного витка. Благодаря равенству потенциалов ток во внешнем объеме воды полностью отсутствует. При отсутствии внешнего тока исчезает и эффект близости.
В преобразователе предлагаемой конструкции весь ток витка воды замыкается внутри защитного корпуса, поэтому внешний объем воды в измерениях не участвует. Полное отсутствие тока в наружном по отношению к преобразователю объеме воды достигается только при точном равенстве потенциалов входного и выходного отверстий. Равенство потенциалов достигается при условии строгой геометрической симметрии двух проводящих каналов и одинаковости напряжений на обмотках тороидальных сердечников питающего трансформатора.
Промываемость преобразователя (гидродинамическое сопротивление потоку воды) сохраняется относительно прототипа на прежнем уровне благодаря тому, что оба внутренних канала ориентированы вдоль потока, а сечение входного и выходного отверстий равняется сумме сечений двух внутренних каналов.
На фиг.1 представлена схема конструкции индуктивного преобразователя для измерения удельной электропроводимости морской воды. В состав преобразователя входят первый и второй тороидальные сердечники с обмоткой питающего трансформатора 1 и 2 и соединяющий их объемный виток воды из двух раздельных каналов 3 и 4, а также измерительный трансформатор 5 и общий защитный корпус 6. На торцах корпуса 6 расположены входное А и выходное Б отверстия для пропуска потока воды, ориентированные вдоль набегающего потока.
На фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема индуктивного преобразователя. На схеме питающий трансформатор показан в виде источников напряжения 1 и 2, включенных в кольцевую цепь последовательно-согласно, а два канала ячейки обозначены как резисторы R1 и R2. Точками А и Б на схеме обозначены узлы соединения резисторов, соответствующих входному и выходному отверстиям объемного витка воды. Согласно правилу контурных токов, известному из электротехники, потенциалы узлов А и Б равны между собой, если равны напряжения источников питания и падения напряжений на резисторах R1 и R2. Это условие выполняется, поскольку резисторы согласно конструктивной схеме равны между собой и обтекаются одинаковым кольцевым током объемного витка воды.
Работа индуктивного преобразователя происходит в следующей последовательности. Через преобразователь, погруженный в морскую воду, в процессе зондирования протекает вода, электропроводимость которой требуется измерить. Электропроводимость измеряется по величине тока, протекающего в кольцевом объемном витке внутри преобразователя. Для создания тока на первичные обмотки первого и второго тороидальных сердечников питающего трансформатора подается общее напряжение переменного тока. Весь создаваемый ток замыкается по кольцевому объемному витку, не ответвляясь в наружный объем через входное и выходное отверстия. Ответвления тока не происходит потому, что потенциалы входного и выходного отверстий равны между собой благодаря равенству падения напряжения на двух ветвях проточного канала преобразователя и равенству вторичных напряжений питающего трансформатора. Ток в кольцевом объемном витке воды измеряется трансформатором 5, работающим в режиме трансформатора тока ("токовые клещи"). Высокая точность измерений в преобразователе данной конструкции обеспечивается независимо от окружающих посторонних предметов и в том числе металлического защитного корпуса благодаря исключенному эффекту близости. Долговременная стабильность характеристик преобразователя обусловлена стабильностью характеристик питающего и измерительного трансформаторов, а также постоянством и жесткостью геометрической формы объемного витка воды, изготовленного из стекла или кварца, обладающих необходимой жесткостью и устойчивостью к воздействию больших гидростатических давлений.
Экспериментальные исследования преобразователя новой конструкции подтвердили достижение ожидаемого положительного эффекта по отсутствию проявления эффекта близости на уровне точности измерений 0,01%. Повысилась также пространственная разрешающая способность преобразователя, которая в данной модели определяется не диаметром действующего объема воды вокруг преобразователя, а только габаритами объемного витка внутри него.
Литература
1. Г.В.Смирнов, В.Н.Еремеев и др. Океанология. Средства и методы океанологических исследований, гл. 2.2.2. М., 2005, с.511.
2. Ахметшин P.M., Лугуманова М.Г. Высокочувствительный датчик электропроводимости бурового раствора, htt://neftegaz.24/science/view(291).
3. Патент РФ №2334223, МПК G01N 27/06 (прототип).