КОМПАРАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОЛЕНОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ

Изобретение относится к области гидрофизических измерений и может быть использовано в качестве рабочего и эталонного средства измерений солености морской воды в соответствии с шкалой практической солености 1978 (ШПС-78) [1. ГСССД 77-84. Морская вода.. Шкала практической солености. - М., Госстандарт, 1986]

Известны устройства типа компараторов для измерения относительной электропроводимости морской воды методом сравнения с эталонной пробой морской воды, каковой является международный стандартный образец «нормальная» морская вода, аттестуемый по значению солености 35 ПЕС и значению относительной электрической проводимости K₁₅ [2. Seawater Standards-URL. http://www.osil.co.uk/Products.… Дата обращения: 9.02.2012]. Основу таких компараторов составляет кондуктометрическая ячейка контактного или бесконтактного принципа действия. Например, известен солемер [3. СОЛЕМЕР.. Патент RU 2365909 C2 от 27.08.09 МПК G01N 27/22 (2006.01)], содержащий две бесконтактные индуктивные ячейки, в одну из которых заливается эталонная проба «нормальная» морская вода, а в другую - исследуемая проба воды. Соленость воды определяется по соотношению удельных проводимостей эталонной и исследуемой проб воды. Для достижения высокой точности измерений в устройстве используется трансформаторный преобразователь код-напряжение, переключатели режимов работы, усилители, синхронный детектор, стрелочный блок индикации. Устройство обеспечивает повышение точности измерений за счет увеличения коэффициентов преобразования индуктивных ячеек. Недостатком данного устройства является ручной способ измерения электропроводимости проб воды путем переключения режимов трансформаторного преобразователя код-напряжение, ориентируясь на показания стрелочного индикатора. Последующее вычисление солености по соотношению измеренных электропроводимостей, в соответствии с ШПС-78, также выполняется вручную, что резко снижает производительность работы.

Известен также способ и устройство для измерения относительной электропроводимости морской воды с ячейкой индуктивного типа [4. СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ МОРСКОЙ ВОДЫ Патент RU 2366937 C2 от 10.09.2009 МПК G01N 27/06]. В этом устройстве высокая разрешающая способность измерений электропроводимости воды достигается путем измерения выходного сигнала ячейки за два цикла. В первом цикле осуществляется цифровое измерение основной части сигнала путем дискретного уравновешивания от эталонного делителя напряжения. Во втором цикле осуществляется измерение остаточной части сигнала путем аналогового уравновешивания нулевым методом с последующим преобразованием полученного результата в цифровую форму. Окончательный результат измерения получают суммированием отсчетов первого и второго циклов. Для реализации способа двухциклового измерения данное устройство содержит синусоидальный генератор, питающий индуктивную ячейку, трансформаторный делитель напряжения и электронную схему, сопряженную с компьютером.

Достоинством данного способа и устройства является высокая разрешающая способность и автоматический режим измерений за счет использования компьютера, включенного в состав изделия. Недостатком устройства является недостаточная точность измерений, требуемая для эталонного компаратора, что обусловлено несовершенством конструкции прибора и в частности индуктивной ячейки. Основной недостаток заключается в отсутствии термостабилизации ячейки и недостаточной механической жесткости корпуса ячейки, что проявляется в нестабильности ее «геометрической константы» в течение срока эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности признаков является электросолемер модели ГМ-2007, выпускаемый Сафоновским заводом «Гидрометприбор» [4. Госреестр средств измерений. Электросолемер 2007. №42444-09 от 08.10.2009]

Электросолемер предназначен для измерения относительной электропроводимости и температуры проб морской воды и вычисления солености в соответствии с ШПС-78 по измеренным значениям с помощью компьютера входящего в состав электросолемера. Для проведения измерений электросолемер должен быть откалиброван по эталонной пробе «нормальная» морская вода.

В состав электросолемера входят следующие узлы: бесконтактная индуктивная ячейка наливного типа, питающий генератор синусоидального напряжения, трансформаторный делитель напряжения, электронная схема, реализующая двухцикловой режим измерений, термометр сопротивления, измеряющий температуру пробы воды в ячейке и термостат электронной схемы.

Согласно паспортным данным погрешность измерения солености данного прибора составляет 0.005 практических единиц солености (ПЕС), что уступает лучшим зарубежным аналогам всего в 2 раза (например, прибору "Autosal-8400 " канадской фирмы "Guildline"

[5. "Autosal" Laboratory Salinometer - URL Autosal 8400/manuals/ Дата обращения: 9.02.2012].

Недостатками электросолемера ГМ-2007, ограничивающими потенциальную точность измерения, являются в частности:

- недостаточная промываемость наливной ячейки, требующая многократного ополаскивания;

- недостаточная жесткость ячейки, изготовленной из прозрачной пластмассы;

- отсутствие термостатирования пробы воды;

- не оптимальная рабочая частота тороидальных трансформаторов электронной схемы и индуктивной ячейки.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения солености морской воды до уровня мировых стандартов. Указанная цель достигается усовершенствованием конструкции прототипа и оптимизацией режима работы индуктивной ячейки путем выбора элементов с оптимальной рабочей частотой.

Технический результат достигается тем, что индуктивная ячейка помещена в активный водяной термостат с фиксированной температурой и выполнена проточной с входным и выходным штуцерами, а в ее внутренней полости размещены первичные преобразователи температуры и электрической проводимости, Кроме того, в индуктивную ячейку введены следующие усовершенствования:

- корпус ячейки выполнен из кварцевого стекла или керамики с малым температурным коэффициентом расширения;

- ячейка дополнена теплообменником, подключенным к ее входному штуцеру и размещенным в водяном термостате вместе с ячейкой;

- два тороидальных трансформатора индуктивной ячейки и трансформаторы делителя напряжения выполнены на витых ленточных сердечниках из пермаллоя или трансформаторной стали, предназначенных для использования на низких звуковых частотах;

- обмотки двух трансформаторов индуктивной ячейки распределены по всему периметру ленточных сердечников с равномерным шагом независимо от числа витков.

Указанные усовершенствования обеспечивают получение заявленного эффекта по следующим причинам:

- выполнение индуктивной ячейки проточной по сравнению с ячейкой наливного типа в прототипе обеспечивает контроль качества промывки от остатков предшествующей пробы в процессе измерения. В итоге повышается точность и воспроизводимость измерений солености проб морской воды;

- термостатирование проточной ячейки в водяном термостате, по сравнению с наливной ячейкой, контактирующей с окружающей средой, устраняет градиенты температуры и электропроводимости в объеме пробы и тем самым значительно повышает точность измерений;

- термостатирование ячейки при температуре 22°C со стабильностью 0.02°C позволяет повысить точность измерения температуры до требуемого уровня 0.001°C за счет уменьшения диапазона измерения;

- изготовление корпуса ячейки из кварцевого стекла или керамики с малым температурным коэффициентом расширения, а также с большей механической жесткостью по сравнению с пластмассовым корпусом обеспечивает многократное повышение стабильности так называемой «геометрической константы» ячейки, что непосредственно влияет на точность измерения электропроводимости пробы;

- дополнение конструкции компаратора теплообменником, через который проба воды прокачивается в ячейку, ускоряет наступление температурного равновесия пробы с температурой термостата. В итоге повышается производительность труда при производстве измерений;

- исполнение тороидальных трансформаторов первичного преобразователя электрической проводимости на ленточных сердечниках из пермаллоя или трансформаторной стали, вместо сердечников из феррита марки 6000НМ, позволяет изменить режим работы ячейки и перейти на использование рабочей частоты 250 Гц вместо используемой в прототипе частоты 8 кГц. Эта мера позволяет исключить влияние так называемого скин-эффекта в объеме ячейки. Скин-эффект проявляется в том, что при протекании тока по проводнику плотность тока неравномерно распределена по сечению этого проводника. Плотность тока в глубинных слоях проводника ослабляется по отношению плотности тока на поверхности. Распределение тока по сечению проводящего канала зависит от удельной электропроводимости, частоты тока и геометрических размеров поперечного сечения. Чем больше электропроводимость, геометрические размеры поперечного сечения и частота тока, тем сильнее проявляется скин-эффект. В морской воде скин-эффект проявляется относительно слабо по причине малой электропроводимости. Толщина скин-слоя на частоте 10 кГц составляет 1.15 м, на глубине которого плотность тока снижается в 2.7 раза. Применительно к кондуктометрической ячейке скин-эффект проявляется в том, что ее «геометрическая константа» изменяется в зависимости от солености воды. В ячейке диаметром проводящего канала 30 мм, на рабочей частоте 8 кГц, в диапазоне солености от 0 до 40 ПЕС скин-эффект вызывает нелинейность градуировочной характеристики около 0.1%.

На низкой частоте 250 Гц влиянием скин-эффекта на линейность характеристики можно пренебречь, поэтому в зарубежных эталонных установках (например, в солемере Autosal 8400) используется именно такая частота

- Исполнение ячейки с равномерным распределением витков обмоток значительно снижает паразитное влияние входного и выходного трансформаторов друг на друга через внешнее магнитное поле. Известно, что тороидальный сердечник с обмоткой не имеет внешней части магнитного поля, если магнитные характеристики сердечника однородны по его длине, а обмотка выполнена с равномерным шагом по всему периметру. Если обмотка состоит всего из одного или двух витков, то прибегают к использованию жгутового способа намотки с параллельным соединением витков.

В предлагаемой конструкции трансформаторов условия однородности выполняются в достаточной мере, что практически исключает взаимное влияние трансформаторов. В свою очередь такое исполнение позволяет упростить конструкцию ячейки, исключив глухие электромагнитные экраны поверх обмоток. Рекомендуемые меры позволяют практически полностью исключить так называемую «квадратурную помеху» и обусловленную этой помехой дополнительную погрешность измерения.

На фиг.1 изображена блок-схема компаратора для измерения солености морской воды.

Устройство содержит индуктивную проточную ячейку 1 с входным и выходным штуцерами, первичные преобразователи электрической проводимости 2 и температуры 3, размещенные во внутренней полости индуктивной ячейки и подключенные к электронной схеме, реализующей измерение выходных сигналов первичных преобразователей и сопряжение с компьютером, активный водяной термостат 4, обеспечивающий заданную термостабилизацию температуры, теплообменник 5, подключенный к входному штуцеру ячейки и к расходной емкости пробы морской воды 6, сливной стакан 7, подключенный к выходному штуцеру ячейки.

Устройство работает следующим образом Исследуемая проба морской воды или эталонного стандартного образца из расходной емкости 6 через теплообменник 5 поступает в ячейку 1 объемом 30 см³, в которой с помощью первичных преобразователей электрической проводимости 2 и температуры 3 производится измерение электрической проводимости и температуры исследуемой пробы в ячейке. По измеренным значениям температуры и относительной электропроводимости вычисляется соленость пробы с помощью компьютера. Температура воды в активном термостате объемом 2 л поддерживается на заданном уровне (22±0.1)°C со стабильностью ±0.02°C. При прохождении через теплообменник проба воды доводится до температуры термостата. Проба воды поступает в ячейку с малой, но регулируемой скоростью порядка 0.5 см³/с.. Заполнение ячейки происходит в течение 1 минуты. После заполнения ячейки вода продолжает поступать, а ее излишек медленно в капельном режиме сбрасывается в сливной стакан 7.

Перед проведением измерений компаратор калибруется по стандартному раствору «нормальная» морская вода.

Измерение электропроводимости и температуры в проточной ячейке осуществляется непрерывно в автоматическом режиме с заданной цикличностью, например 15 с.

Температура воды в ячейке измеряется первичным преобразователем температуры с точностью 0.001°C. Термостатирование облегчает задачу точного измерения температуры благодаря узкому диапазону измерения.

Результат вычисления солености считывается с экрана компьютера после установления стабильного показания, которое наступает в течение примерно двух минут при скорости прокачки пробы 0.1 см³/с.

После завершения измерений солености одной пробы ячейка опорожняется в сливной стакан продувкой воздухом в течение достаточного времени, необходимого для удаления ее следов. Затем ячейка заполняется новой пробой.