книги из ГПНТБ / Унгерман М.Н. Техника океанологических наблюдений на поисковых и промысловых судах

наличиеорганических

примесей,

растворенных газов, менее

значительно и учет

его, как правило,

затруднителен.

Весьма в а ж н ы м

и,

пожалуй, основным фактором, сказываю ­

мерения солености, является то, что электропроводность

воды

зависит не только от солености, но

и от температуры.

Темпера ­

турный коэффициент

сопротивления

проводников

второго

рода,

« которым

относится

мороюая вода,

в несколько раз

выше, чем

у металлов, и в общем случае зависит от концентрации.

П р и -

измереніияк

проводимости влияние

температуры

на

нее

имеет

тот ж е порядок, что

и соленость (-концентрация).

Таким

обра­

новных

независимых переменных — температуры

и

солености.

Д л я концентраций,

соответствующих

концентрациям

солей

М и ­

рового

океана, электропроводность

может

быть

в ы р а ж е н а

к а к

произведение двух

функций — функции от

солености

и функции

от

температуры:

/ ( ° ) = < Р ( 5 Ж 0 .

( Ѵ - 2 )

где

а—проводимость;

t — температура;

5 — соленость.

Ю 15 20 25 30

35 S %.

5 10 15

20 25 t'C

о

,

S

I

сопротивления р океанической

воды:

а — от солености 5 при различных

температурах;

б — о т температуры t

при различных

концентрациях.

9*

131

Н е с м о т р я

Ma то что электропроводность морокой воды

,не

есть функция

только солености, принципиально

в о з м о ж н а я

точ­

ность

измерений у электрических

методов намного выше, чем у

-аргентомегричеакото метода.

Д а ж е

при использовании элемен­

тарных измерительных

схем

при

определении

электропровод­

ности

можно

добиться

точности

(ів

пересчете на соленость)

не

менее

0,03%о,

а при достаточно совершенных схемах эта точ­

ность

может

быть увеличена

на порядок и больше.

§ 3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

РАБОТЫ И УСТРОЙСТВА

ЭЛЕКТРОСОЛЕМЕРОВ

щих на принципе определении электропроводности,

использу­

ются

датчики,

которые

можно разделить

на д в е

группы:

.1)

контактные, или

так называемые кондуктивиые

датчики,

т. е. датчики,

имеющие

непосредственный

контакт

со

средой;

2)

бесконтактные, т.

е. датчики, не .имеющие

электрического

является их простота и простота измерительной

аппаратуры .

Такие датчики используются в целом

ряде судовых, каротаж ­

ных il лабораторных приборов для

измерения

сопротивления

тивление

которой

измеряется.

При использовании

двухэлѳк-

тродных датчиков

чаще

всего

применяют мостовую

схему

измерения

(рис. 64). При

этом

электропроводность

воды,

соле­

эталонной

воды, д л я

чего одна

пара электродов погружается в

эталонный

раствор,

а д р у г а я в

исследуемый.

Наиболее интересен среди

шндугстишных датчиков четырех-

токовых (питающих) электродов А, В

и двух приемных

(изме­

рительных)

электродов М,

N. Падение

н а п р я ж е н и я на электро­

д а х

N,

M

пропорционально

удельному

сопротивлению

иссле­

дуемого

раствора

и может

быть вычислено по формуле

тде

К — коэффициент,

зависящий

от взаимного

расположения электродов и

стенок датчика;

AU — разность потенциалов,

мВ;

/ — сила тока, мА.

і К ш д у к т н в н ые датчики, предназначенные

д л я

измерения

удельного сопротивления, получили; н а з в а н и е

резнстивпметров.

Онн представляют собой систему электродов,

помещенных в

специальный

корпус. Конструктивное выполнение

их может

быть весьма

разнообразным . В лабораторных

резпстивиметрах

Paie. 65. Четырехэлек-

Рис. 64. Мостовая схема измерения

тродньиі датчіик:

іСОЛеНОСТЛ.

А,

В — токовые (питающие)

электроды; AI, Лг — приемные

(измерительные)

электроды.

это чаще всего сосуд, в котором

расположены четыре

электро­

да, -так, как это и з о б р а ж е н о на

рис. 66.

Резнетпвншетры, ис­

зультате

исследований,

проведенных

во В Н И И «Геофизика» [28],

оптимальной оказалась

коноцрукцпя

электродной установки

зонда, в

которой электрод выполнен

в виде полусферы. Т а к а я

распределения

электрического поля

зонда. Эти

электродные

установки

попользуются,

например,

в серийных

резпстивимет­

рах РЭУ-57. При всех положительных сторонах

комдуктітвных

датчиков

сопротивления

(проводимости) их возможности огра­

ничены из-за

сложности

строгого учета эффекта

п о л я р и з а ц и и

имеет порядок 16-4-20 мкФ/ісм2 , что для

частоты

2 кГц п р е д ­

ставляет реактивное сопротивление 4—-5

Ом. С

увеличением-

ния электродной

ячейки является

1-т-'2 кГц [26].

Д л я

снижения

поляризационного

эффекта

иногда

увеличи­

вают

активную поверхность электродов. Это достигается путем

покрытия их платиновой

чернью. Однако, так

к а к мелкопорие-

т а я

поверхность является

хорошим

адсорбентом,

она

экстраги­

рует

из

раствора

примеси, плохо

промывается

и

.впоследствии

м о ж е т изменить

сопротивление

пограничного

с

электродом

случаях, когда не

удается достигнуть

устойчивости

электродной

разности .потенциалов, для приемной цепи иногда

попользуют

неполярпзующнеся

электроды,

позволяющие

существенно

уменьшить эту разность потенциалов.

Электроды

такого типа

получили

широкое

распространение

в

геофизике

при

к а р о т а ж е

по методу

сопротивлений,

однако

в

практике морских

исследований

при

измерениях

солености

они используются

редко .

При океанологических работах контактные датчики

нашли

распространение

в

лабораторных

солемерах,

применяемых как

в

береговых,

так

и в судовых лабораториях . Примером

соле-

імера такого типа

может с л у ж и т ь

электросолемер ІМС (см. § 4 ) ,

мый и в Советском Союзе и за

рубежом .

При

измерении

на

судах

такие солемеры

попользуются

редко. Ч а щ е

кондуктпвиые

датчики попользуются в зондах.

Д л я

этих

целей

в

последние

годы применяют обычно геофизические резпстивіпметры,

кото­

рые, как

показали

многочисленные эксперименты [36], могут с

р юг(о„ „>

успехом

использоваться

для

изме-

рения

солености

морской

воды

при

190

2/0

2І0

250

270

290

глубинном

зондировании

и

дают

при этом хорошие результаты. Не­

которые

из

таких

резистнвиметроів

были

специально

модернизированы

с целью приспособления их для ре­

шения

океанологических

задач,

и,

как

п о к а з а л и

результаты

работы

с

ними,

проіводимые в

последние

годы

под

руководством

Деменнц-

кой и Трубятчпнского [36], во мно­

гих

случаях

оказываются

удобными

в эксплуатации . На рис. 66 изобра­

Рис.

66.

Кривые,

получен­

жены

сравнительные

кривые,

полу­

ные при зондировании с по­

ченные

при

зондировании

с

по­

мощью

резистивиметра

(1)

мощью

резистивиметра

(1)

и

пост­

и построенные

по

данным

роенные

по данным

батометрии

(2).

батометр ни

(2).

В качестве примера распространенных геофизических

зон­

дов

могут быть

приведены серийные приборы

РЭУ-57 н

РСЭ-3-57 [28], представляющие собой четырехэлѳктродиые

сківа-

жиипые резністивпметры.

Сита ал

с мзмарптелыньих

электродов

по

грехжчільнтагу

кабелю

подается

на борт судна и

измеряется

лам

работы

по стандартной морской воде. Следует

отметить,

что при р а б о т а х с геофизическими резистивиметрамн

необходи­

мо

постоянно

производить п а р а л л е л ь н ы е измерения

темпера­

ство

таких датчиков бесспорно,

таік как при судовых измере­

ниях,

особенно при зондировании, передач-a малых

напряжений

с измерительных электродов на

большие расстояния

сопряжена

виде частотно-модулированного

сигнала

обеспечивает

более

помехоустойчивую связь. Один из

интересных .вариантов

такого

коидуктивнопо

преобразователя

был

р а з р а б о т а н в

Л.ПИ

Н. Б. Докукиной

[127].

Датчик (рис. 67, о)

представляет собой

блок из

изоляцион­

ного .материала с четырьмя П - образнымн

каналами .

В верхней

части каждого к а н а л а

имеется электрод

3.

Н и ж н и е

концы ка­

При этом сопротивлениями R являются столбики среды

(мор­

ской воды) в к а н а л а х . О б р а з о в а н н а я так лестничная RC

цепь

надежность измерительных

приборов.

Кроме

того,

такие

датчики,

как

правило,

удобнее

в экс­

плуатации,

особенно

при

непрерывных

измерениях

с

бор­

та движущегося

судна

или

при

других

работах в

открытом

океане.

Среди

бесконтактных датчиков в

последние годы

наиболь­

шее

распространение

получили

индукционные

тороидальные

датчики. Эти датчики о б л а д а ю т еще

одним важным

достоинст­

вом

— они

практически

безынерционны.

Это

позволило

Г. Г. Хунджуа использовать их для

измерения

короткопериод-

ных

пульсаций.

Принцип

действия

тороидального

индукцион­

мерительный, то в обмотке

его будет индуцироваться перемен­

н а я э. д . с ,

з а в и с я щ а я от величины

токов проводимости в среде.

Регистрируя

возникающую

э. д. с ,

пли величину взаимоиндук­

ные решения

тороидальных

датчиков

различны. Тороиды

могут

располагаться

рядом один

с другим

и быть помещенными

один

в другой.

Внутренняя часть датчика может быть проточной и

может б ы

т ь заполнена металлическим

стержнем .

На риіс.

68 и з о б р а ж

е н ы

различные

варианты конструкций

тороидальных датчиков .

Стержневой

датчик

(рис. 68, в) ис­

пользуется

р е ж е , поскольку

имеется вероятность

возникновения

поляризационного эффекта

на торцах стержня . Он применяет­

ся ч а щ е в

микродатчиках,

когда выполнение проточной конст­

изображен на

рис. 69. Рассмотрим д л я

примера проточную

конструкцию

с торопдаіми, вмещенными

один в другой.

а, б—проточные;

в — стержневой;

/ — магнптопровод; 2 — торо­

идальные обмотки;

3 — и з о л и р у ю щ е е

покрытие; 4 — электропроводя­

щий стержень.

Д л я таких датчиков так,

индуцированный в среде, равен

2а

где п, R-—геометрические

параметры датчика (см. рнс. 68, о);

U — потенциал

двойного

слоя, численно равный 'индуцированной

г

(Ѵ - 5)

Геомегричѳокая форіма внутренних границ защитных стенок

определяется

из условия

è {г, г)

=

•

'

(Ѵ - 6)

при

/' =

/ ? ѵ ; z =

г,;

выражением:

іі (г,

г)—функция тока, определяемая

^ U

ГХ>

у

+ (''. г) =

f — Л (« M /о

О и"" rf À;

( V - 7 )

1

b

^

здесь

A, — собственное значение

функции;

^о, h—

функция

Бесселя

кулевого

и первого порядка;

ш—круговая

частота

гаітающего напряжения;

]х — магнитная проницаемость

среды.

(Величина

потенциала двойного

слоя,

в ы р а ж е н н а я

через ток

ïp в обмотке в о з б у ж д а ю щ е г о тока

к а к

u b п а

2а + b

І ю t

( V - S )

1/

= - /

— і п 2а-

где

п — число витков в об-мотке

возбуждающего

тока;

/о — ток в обмотке.

В

качестве вторичного

параметра, подлежащего

измерению,

морения

коэффициента

взаимоиндукции между индуктивностя­

ми Li и

L 3 в противоположных

его плечах.

Уравновешивание

моста производится сопротивлением R\. Емкость

С5 .подбива­

ется при

н а л а д к е д л я

коррекции фазовых соотношений. При

телеметрических измерениях для

уменьшения

числа

лишни овя-

6

Р.ис. 70.

Мост

Хевисай.да:

а — принципиальная схема;

б — эквивалентная схема моста с двухторондаль-

ным

датчиком.

Я г /?з=«и2(/, 3 £ . 3 - ЛР); R x = R l L * + R*І3,

( V - 9 )

=

^ » ^ R J

,

1 п Л

^ М

,„

1ЪЬ±Ь_\

,

( Ѵ _ 1 0 )

8к= a

\2al

— b > \ 2 a ,

— bj

'

где

п — число витков в

соотаетстюутощлх

обмотках;

f.1—..магнитная

проницаемость

материала

тороидов;

оі,

a?, Ro, b—

геометрические

параметры

датчика

(см.

рис.

70, а).

бой

два

трансформатора

(возбуждающий

и

измерительный),

индуктивно

связанные

через виток : последу ем ото

раствора,

вы­

полненного в виде трубки из диэлектрика .

Таким

образом,

связь

между

т р а н с ф о р м а т о р а м и пропорциональна

•проводимо­

сти

заполняющего

трубку

раствора.

Д л я

автоматической

ком­

пенсации влияния

температуры

часто

используют второй

виток,

заполненный

эталонным

элек­

тролитом,

включенный

таким

образом,

что

ток

в нем

имеет

н а др а в л ение,

пр отивоп ол ож-

CD

ное

току

в

измерительном

вит­

>

Выход

ке (рис. 71,6). Компенсирую­

щ а я

цепь

/(

служит

прежде

всего д л я компенсации

э. д. с ,

наводимых

в

измерительном

трансформаторе

за счет

полей

рассеяния,

а

т а к ж е

для

уста­

новки начала

отсчета. Д л я

схе­

Выход

мы

рис. 71, а

в

нее

вводят и

>

тер.м оч увс гв и т ел ьи ы е

элемен­

ты для

температурной компен­

Рис.

Схема

индукционного дат­

сации.

Компенсационная

цепь

может

служить

и

измеритель­

чика

солемера:

ной

в

том

случае,

когда

изме­

а — с

одним

измерительным витком; б— с

двумя

витками

(измерительным

и

компен­

рения

ведутся нулевым

мето­

сационным).

дом по минимуму сигнала на

Существенно,

что

выходе.

при

использовании

двухтороидальных

дат­

чиков

информация

мо­

жет

быть

представлена

непосредственно в

виде

частотно

-

модулиро­

ванного

сигнала,

что

очень удобно при теле-

метр ич ееких

из ме р ен и-

Рис. 72. Эквивалентная схема дву.хтороидаль-

ях. Кроме того, частот­

ного датчика с колшенеащюнными обмотками.

но - м оду ли р ов аи н ы й си -

гнал

легко

может

быть

приведен

к

цифровому

виду, а

т а к а я

возможность

в

настоящее