感应式电导率传感器边界效应对其测量结果影响的初步研究*

王 君 索利利 胡 波 朱海庆

(国家海洋标准计量中心，天津 300112)

0 引言

海水盐度是海洋动力学及海气相互作用的基本影响因素，也是海洋水文测量的重要要素之一[1]。1978国际实用盐标的贯彻，使得利用温盐深测量仪(Conductivity/Temperature/Depth，简称CTD)测量盐度的方法成为目前现场盐度测量的最主要的方法[2]。CTD上配备的电导率传感器主要有电极式和感应式两种，感应式电导率传感器，对于有机污染物含量较多的近海较为适用，装备感应式电导率传感器的CTD通常具有体积小巧、携带方便和设置简单等特点，因此，在现代海洋调查工作中得到了广泛应用[3]。

感应式电导率传感器的工作原理是在同一轴线上并列安装两个磁环绕组，一个称为原级绕组，是发射线圈，另一个为次级绕组，是接收线圈。由于海水具有一定的导电性，传感器进入海水后，原次级线圈之间产生耦合，在原级线圈通有的交变电流就会使次级线圈感应出交变电势，信号经传输处理后即可以得到所测量海水的电导率值[4]。

由于海上作业的特殊性，用户担心仪器在水下作业过程中仪器受损，为延长仪器的使用寿命，后期设计加工了金属保护架。对于部分仪器，金属架的确可以保护其在复杂的水下环境中的安全使用，但如果仪器采用感应式电导率传感器测量海水盐度，传感器周围的金属保护架是否会对测量结果产生影响。为此，我们做了一些实验研究，目的是为了定量的分析感应式电导率传感器周围障碍物对其计量性能的影响。

1 实验方法

1.1 实验对象

实验选取目前常用的2类典型的、广泛应用在海洋调查作业中感应式电导率传感器的调查仪器，详见表1，其主要为自容式设计，仪器经常被固定在浮标或防拖网底座上在海洋的表层或底层进行长期记录观测[5]。因此，研究边界效应影响对海洋调查数据的准确性有着很重要的意义。

表1 电导率传感器技术指标

1.2 实验设备

根据所选择的实验对象，实验时使用的主要计量器具见表2。

表2 使用的主要计量器具的技术指标

1.3 实验设计

实验将对保护架对测量结果的影响和感应式电导率传感器边界效应影响距离两部分进行研究。

1.3.1 实验1：保护架对测量结果的影响

被测仪器选择加拿大RBR公司生产的XR-620型CTD(如图1)，以及送检单位定制的金属保护架和涂有绝缘漆的金属保护架。

图1 XR-620型CTD及防护架

实验时将仪器单独放置于恒温槽中心，避免其他仪器以及槽壁等因素的影响。使用恒温槽控制装置将温度分别控制到30℃、20℃、10℃、0℃，在每个温度控温稳定后使用测温仪和被测仪器同步记录数据，并采集恒温槽中水样进行标准电导率测量。为考察保护架对测量结果的影响，我们在三种情况下进行上述实验过程，如表3。

表3 实验过程

1.3.2 实验2：感应式电导率传感器边界效应影响距离的研究

被测仪器选取加拿大RBR公司的XR-620型CTD及日本ALEC公司生产的ACTD-CMP型CTD。金属物体选择一块尺寸为25cm×25cm的不锈钢板，非金属物体选择一块尺寸为25cm×25cm的绝缘板。

实验时先将被测仪器设置成自容式记录状态，并通过悬吊的方式单独浸没于恒温槽中心位置，以避免其他仪器和槽壁等因素的影响。使用恒温槽控制装置将水域温度控制到25℃。恒温槽稳定后使用金属(绝缘)物体紧贴仪器感应式电导率传感器的一侧，然后以1cm为间距逐渐远离，直至20cm，每一距离点停留15s以便仪器有充足时间记录数据，同时记录测温仪显示的标准温度，在距离10cm的试验点时，用取样瓶采集恒温槽中水样进行标准电导率测量。

2 实验结果及分析

2.1 金属保护架对测量结果的影响结果

实验1完成后，经过对水样标准电导率的测量和对仪器数据的处理，所得结果如表4所示。

表4 实验1结果

实验结果表明，使用保护架对感应式电导率传感器的测量结果是有明显影响的。在使用金属保护架的情况下，所测量的电导率值与未使用保护措施时相比，测量值明显变大，示值误差的变化超过了一个数量级。使用经绝缘处理的保护架，仪器所测量的电导率值与未使用保护措施相比，测量值明显变小。经分析，原因可能与感应式电导率传感器的测量原理有关，由于传感器探头中的原次级线圈之间通过附近的海水产生耦合，测量交变电势，而在传感器探头附近的部分保护架改变了该部分海水的导电特性，从而影响了传感器中线圈之间的耦合，最终影响了电导率的测量结果。当使用金属保护架时，探头附近海水的导电特性由于金属的影响增强，从而使得测量值偏大。同样，使用绝缘保护架时，使得探头附近海水原有的导电特性减弱，从而使得测量值偏小。

2.2 感应式电导率传感器边界效应影响距离的研究结果

实验2完成后，经过对水样标准电导率的测量和对仪器数据的处理，所得结果如图2所示。图2中，点线为仪器测量值的变化，直线为测量水样得到的标准电导率值。

图2 边界效应对电导率测量值的影响

根据数据图形可以发现，感应式电导率传感器附近一定范围内的金属(绝缘)板会对其测量结果产生明显的影响。

1)在ACTD-CMP电导率测量受金属板影响的实验中，标准电导率为49.263mS/cm，在金属板紧贴电导率传感器的情况下，仪器的测量值为52.454mS/cm，随着金属板距离电导率传感器距离的增加，测量值慢慢降低，当距离8cm后，测量值基本稳定在49.302mS/cm左右不再明显变化，前后的测量值之差最大达到3mS/cm，远大于仪器的电导率测量指标。在ACTD-CMP电导率测量受绝缘板影响的试验中，标准电导率为49.314mS/cm，在绝缘板紧贴电导率传感器的情况下，测量值为38.169mS/cm，随着绝缘板距离的增加，测量值逐渐升高，当距离8cm后，测量值基本稳定在49.249mS/cm左右，前后测量值之差达到11mS/cm。

2)XR-620-CTD的电导率测量受同样影响，当使用金属板在其传感器周围由近及远放置时，所测量的电导率值由53.849mS/cm逐渐升高到49.088mS/cm左右，在距离10cm以后无明显影响，当使用绝缘板在其传感器周围由近及远放置时，测量的电导率值由27.920mS/cm逐渐降低到49.321mS/cm，在距离8cm以后无明显影响。

由结果可知，当有金属或绝缘障碍物在感应式电导率传感器周围时，会对电导率的测量结果产生影响，距离越近影响越大，当距离足够大时影响消失。这是因为当距离传感器较近时，影响了原次级线圈的耦合，障碍物改变了传感器周围海水原本的导电性，从而影响测量结果，随着距离的增加，这种影响慢慢减小，直至消失。由两种仪器的结果对比还可以发现，对比ACTD-CMP，障碍物对XR-620-CTD电导率测量的影响量和影响范围都要相对大些，经分析可能是由于后者的电导率传感器尺寸相对较大，所需感应的海水体积较大，边界效应影响的范围广，相同情况下受金属板或绝缘板的影响也要大些。

3 总结

本文通过工作中发现的问题，对配备感应式电导率传感器的仪器设计了一组实验，初步研究了其边界效应对测量结果的影响。实验结果表明，在其边界效应影响的范围内如果有金属障碍物存在，仪器的测量值与实际相比会偏大，相反当边界效应影响的范围内有绝缘的障碍物存在，仪器的测量值则会偏小。因此为了提高测量精度，获取准确可靠的数据，用户除要将仪器定期送权威部门检定或校准外，在安装保护架时，保护架的尺寸设计也要充分考虑到仪器的边界效应。

[1] 冯士笮，李凤崎，李少菁.海洋科学导论[M].北京：高等教育出版社，2003

[2] 赵勇，胡开博，等.海水盐度检测技术的最新进展[J].光电工程，2008，35(11)

[3] 李红志，王云泉.高精度CTD剖面仪电导率传感器的研究和实验[J].海洋技术，2001，20(1)

[4] 吴龙斌.电感式电导率传感器的测量原理与测试方法[J].录井技术通讯，1995，6(2)

[5] 侍茂崇，高郭平，鲍献文.海洋调查方法[M].山东：青岛海洋大学出版社，2000