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

входного

напряжений

д л я

управления

частотой

измерительного

генератора [ 4 8 1 ] .

На

эквивалентной

схеме Qw

— проводимость

электролита;

Q K , H

Qk2—проводимости

компенсационных

це­

пей;

m

и іі2 — н а п р я ж е н и я

на выходе

и

входе

датчика; L 0

— ин­

дуктивность

выходного

торонда;

Iw

— ток в

электролите;

/ с

—

ток

в

цепи

компенсатора;

іц—число

витков

соответствующих

О & М О Т О ' К .

Значение

тока

в

электролите

Iw

= »,

Qw,

(V—11)

в компенсационной

цепи

/с г-. ih

(rt3 QK I —

пАСК1

(V—12)

З н ая

тош

Iw

и

Іс,

выходной

сигнал

можно

записать

как

и2

= J ш L 0

(fw

+

пь

/с)

(Ѵ-13)

или

Un

+

пь

4-

/ с )

/ «о L„ (Q.^

+

н, л5 QK

-

/г, «5 QJ.

( V - I 4 )

и

При

Q M

4- QK =

О,

где

Q K

r= п5 (n3 Q

— п., Q

) ,

—— = 0 ,

т. е. компенсация поступает независимо от величины L 0

В ы р а ж е н и я д л я

фазовых

соотношений имеют

вид

tp =

arctg

Qv +

QK

(V - 15)

э к р а н а

F3

на рис. 73 (Фі — магнитный

поток при разомкнутом

экране;

Ф 2 — магнитный

поток при разомкнутой

намагничиваю­

щей к а т у ш к е ) .

_

_

_

Поток

в сердечнике

Ф = Фі + Фг. При разомкнутом экране

поток Фі

совпадает по фазе

с FK

и находится из

уравнения:

=

- | Ï - ,

(V—16)

где Z M — комплексное магнитное сопротивление

магиитопровсда;

2м =

/?„ +

/ хи

= ——

+ j -ѵм;

(V—17)

Еі = — / ш Lx

11', Е? =

-

j со M I,

( V — I S )

где

Al — -индуктивность экрана;

ш—круговая частота питающего

напряжения;

L\ —индуктивность обмотки.

При

7i=oonst

э. д. с. Еі

остается

постоянной

,п

отстающей

от

тока

по фазе

на 90°.

Н а п р я ж е н и е на з а ж и м а х

обмотки

при этом равно

к, = Л / ? ! + ( - £ , ) ;

«1 =

Л /?і

1 +

'

•

(V—19)

У 2

ZM / ? І

При

действии

намагничивающей

сіілы _катушки

и

экрана

результирующий

поток

создает

э. д. с. Е = Еі+Е0,

при

этом на­

п р я ж е н и е на з а ж и м а х

катушки

«1 =

А

р

I

•

' '

(V—20)

Модуль и фаза вектора комплексного электрического сопро­

тивления катушки определяются

уравнениями:

Ч=|/ (ft

RJ>

H- д-эѴ

<•> (Li — Аэ )

'S Vi =

^ Л

/ Г •

(V-22)

u>- +

/ И '

где

M

=

Vi

взаимная индуктивность обмотки

и

экрана;

Rp.

реактивные составляющие

обмотки

и

экрана:

L

индуктивность

обмотки

при отсутствия!

экрана;

V 2

Я,

L .

1^2

индуктивность

экрана;

R{,

Wt

II W:

число ВПТКОІВ обмотки и экрана соответственно.

У же отмечалось,

что при

использовании

для

измерения дат­

чиков

проводимости

существенное

значение

для

получения

•правильных данных

о солености

имеет

точный

учет

влияния

температуры. В некоторых лабораторных солемерах

(см. соле­

мер

ІМС)

это

достигается

тщательным

термоетатпрованнѳ м

пробы. Совершенно очевидно, что

при непрерывных

измерениях

солености

забортной

воды

такое

тѳрмостатніроваипе

осущест­

ловиях

д л я этого требуется значительная

затрата времени. Од­

ним из

возможных вариантов является

одновременное измере­

При

достаточной синхронности

и точности

таких измерений

цель

полностью достигается, но

весь процесс

получается доста­

малых и н т е р в а л а х дискретизации. Поэтому в большинстве

слу­

чаев влияние температуры стараются компенсировать

автома­

тически. Д л и этого датчики температуры включают

непосред­

ственно в 'измерительные схемы. Максимальной точности

мож­

структивно объединенные в одном блоке, включаются

в'проти ­

воположные плечи моста, чем достигается практически

полная

компенсация влияния

температуры.

В некоторых автоматических солемерах

(например,

ЭТС-65,

см. н и ж е )

д л я

исключения влияния изменении электропровод­

ности за

счет

температуры

используется

зависимость

( V — 2 ) ,

из которой видно, что, получив отдельно некоторую

функцию

Ч'ТО = ч- ГО 1 1

имея

функцию

/'(о), можно

определить

и инте­

ресующую

функцию

f(S),

вычислив

отношение

"777^ [1301.

Д л я реализации

этого

метода

в качестве

чувствительных

элементов

используются два идентичных индукционных датчи-

ка, -каждый из которых состоит из

двух

тороидальных

индук-

тивиостей, связанных через исследуемую среду (рис. 74).

Одна

пара

нндуктиівиостей

1 и

3

заключена

в

замкнутый

объем

с

эталонным электролитом

5

постоянной

и

известной

концентрации,

электропроводность

которого,

таким

образом,

меняется

только от температуры

окружа­

ющей среды . Д р у г а я

п а р а

индуктивио-

стеіі

2

и

4

при измерениях

помещается

непосредственно в исследуемую среду.

В результате при погружении всего

датчика

'В

целом на измерительном то-

роиде 3 образуется напряжение, пропор­

циональное

функции

от

температуры

г|і (t),

а

с обмотки

4 снимается

напряже ­

ние, пропорциональное функции от про­

водимости исследуемой среды / (о), рав­

ной

произведению

функций

от

солености

и температуры. Существенно, что функ­

Рис. 74.

Индукционный

ция

г|5 (t)

д л я

обоих

датчиков — измери­

датчик

автоматического

тельного

и

компенсационного — будет

солемера.

одинаковой,

что

позволяет

подавать

сигналы

от

обоих датчиков на аналого­

вый

(или

цифровой)

преобразователь,

с

п о м о щ ь ю

которого

вычисляется

отношение 7~77[" '

Из формулы

(V —2)

ясно,

что па

практических случаев

бывает очень

полезно.

В ы ш е были рассмотрены основные типы датчиков и некото­

рые варианты их подключения, используемые при

океанологи­

ческих наблюдениях .

З а с л у ж и в а е т

внимания еще

один способ

измерении

вторичного электромагнит-наго поля,

возникающего

за

счет наличия

индукционных токов .в проводящей среде, вбли­

зи

которой

или

в которой находится датчик.

Такие датчики,

р а с п о л а г а е м ы е

в непосредственной близости от

электропровод­

чили

название

«накладных датчиков». Д л я морских исследова­

ний

наиболее

успешно могут быть применены геофизические

( к а р о т а ж н ы е)

двух-

и трехкатушечные, зонды,

а т а к ж е

аппа­

ратура индукционных .наземных іи аэрометодов.

Сущность

метода

заключается

в том, что в

хорошо

прово­

дящих электрический

ток средах

(например,

морской

воде),

чае зависит

от электропроводности

и магнитной

проницаемости

исследуемой

среды, частоты

в о з б у ж д а ю щ е г о

(первичного) по­

ля, а т а к ж е

от расположения источника поля

по

отношению к

поверхности

«наследуемой

среды,

а если

исследуемый

объем

нельзя считать бесконечным

полупространством, то и от формы

и «геометрических р а з м е р о в

этого объема. В

самом грубом

при­

магнитном поле.

Д л я

бесконечного

электропроводного

полупространства, н а д

которым

расположена

в о з б у ж д а ю щ а я

катушка (индуктивный

ствии с общими законами электромагнитной индукции

эти

то­

ней, -а следовательно, и возбуждаемое ими вторичное

электро­

магнитное поле будут сдвинуты по фазе относительно

первич­

ного поля на 90°. Вторичное электромагнитное поле

или вектор

суммарного поля принимается второй приемной .катушкой

(ин­

дуктивностью).

Величина (амплитуда) принимаемого вторичного поля J I . T H

вектора суммарного поля в этом случае будет зависеть

(при

прочих

постоянных

условиях) от

электропроводности

среды

и

частоты

первичного

поля. З н а я

величину вектора

вторичного

ния

многих побочных факторов. Кроме того, расчет получае­

мых

зависимостей достаточно громоздок и

сложен [153].

§ 4. ТЕХНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СОЛЕНОСТИ НА СУДАХ

Определение солености морской воды электрическими мето­

дами

на судах

с методической точки

зрения

производится

дву­

мя способами:

способом отбора проб

воды

с поверхности

пли

с заданных

глубин

с последующим анализом в судовой лабо ­

ратории

и способом непосредственного измерения солености за­

бортной

воды, как

.принято

н а з ы в а т ь in

situ.

Лабораторный

анализ

посредством

электронных солемеров,

как правило,

позволяет получить очень

высокую точность нзме -

10—416

145

рений (до 0,001%о).

В тех

случаях,

когда т а к а я

точность необ­

ходима,

при 1 ходите я

мириться с/ дополнительными затратам»!

•времени

на отбор проб,

например

с помощью

батометров, а

имеются

специально оборудованные, лаборатории

и квалпфпщі-

р ов анн ы іі п ереона л.

Существенным преимуществом измерений in

situ

является

то, что

имеется возможность непрерывной регистрации соле­

ности и

таким образам оібеспечпвается получение

сплошных

слоя воды. Н е м а л о в а ж н ы м является т а к ж е тот фаікт,

что

изме­

рении при этом обычно требуют

значительно меньшей

затраты

времени, во многих случаях их

можно производить

с

борта

димость привлечения

для

таких

работ высококвалифицирован­

ного

персонала. Точность измерения in situ, как правило, бы­

вает

несколько ниже,

чем

у лабораторных солемеров,

хотя и

того

же порядка. В большинстве

случаев для решения

опера­

статочной

еще

меньшая

точность

измерении

(не

более

± 0 , 0 5 ' ! о о ) ,

что

позволяет использовать

простые

в эксплуатации

и

недорогие

электросолемеры .

Судовые

электросолемеры,

предназначенные

для

намерений

in

situ, в свою

очередь .могут

быть

подразделены

па:

1)

приборы,

предназначенные

для

непрерывной

регистрации

солености

поверхностного слоя

воды;

2)

приборы,

предназначенные

для

исследования

глубинных

горизонтов: зонды и буксируемые

аппараты .

Особое

место

занимают

приборы,

устанавливаемые

на ав­

щие ее на борт судна

по радиоканалу .

На наших промысловых флотах в судовых и береговых ла­

бораториях чаще используются электросолемеры

.индукционно­

го типа. Б л а г о д а р я

высокой производительности,

точности и

Это прежде всего советские

электросолемеры СОЛ - 65

(Г.М-55)

и С О Л Е К С - 1 и импортный

CSIRO.

Электросолемер СОЛ - 65 (ГМ55) [105] представляет собой

переносный прибор и предназначен для

измерений

солености

морокой

воды в условиях

береговых и

судовых лаборатории.

Д и а п а з о н

измерений 27—42%о, точность

измерения

±0,01 %о-

Из

солемеров

копдуктивного

типа

в некоторых лаборато­

риях

используется

электросолемер

Ш С

[115]. Он предназначен

зультатов

измерений

в единицы солености

с помощью таблиц.

Д и а п а з о н

измерений

20ч-40%о, точность до

0,005 % о", объем про-

(бы 25 м л .

іный резнет и внметр на переменном токе

частотой

1 кГц.

Способ

и з м е р е н и я — к о м п е н с а ц и о н н ы й . Отсчет

берется с

лимбов

ручек

измерениях проба

термостатпруется с точностью не

менее

.0,005° С с помощью

масляного термостата. О х л а ж д е н и е

пли на­

руется

термнсторныім регулятором

температуры

со

световой

сигнализацией .

Дополнительный контроль производится с по­

м о щ ь ю

оптической

системы

.и в случаях

отклонения

темпера­

туры от

номинала

( + 1 0 ° С)

д о л ж н ы вводиться дополнительные

поправки

по

таблицам .

Производительность

с о л е м е р а — д о

20 проб

в

час.

(Методические указания

и особенности

работы

малым, но минимальная его величина

всегда

будет

строго лт-

ми тирован а. Это определяется

прежде

всего типом

m геометри­

ческими размерами датчика,

а т а к ж е

формой

топ

части кор-

пуса, в которой он установлен.

Рассмотрим

основные

варианты

.взаиморасположения датчиков

солености н

детален

корпуса.

Пусть четырехэлактродная

установка

ABMN находится в

проводного

борта //, как и з о б р а ж е н о

и а ратс. 76.

Ч а щ е при

из­

мерениях

н а б л ю д а е т с я

расположение,

и з о б р а ж е н н о е

на

.ріівс. 76, а.

Если

с известным приближением

предположить,

что

б б > а п , где ста — электропроводность

воды,

оа — электропровод­

ность материала

борта, то исходя из

граничных

условий

влия­

ние электропроводной среды /7 может быть

представлено

в ви­

де эквивалентного диполя

А\В\,

расположенного

зеркально

по

другую сторону

границы раз-дела

н а

расстоянии

h от нее

(оде

h — расстояние датчика от

б о р т а ) .

•Напряжение на диполе AB

при

отсутствии

диполя

А\ВХ

равно

и =

/

(Ѵ-23)

2- -а?

Истинное н а п р я ж е н и е при наличии

проводящей

среды

H мо­

жет быть

в ы р а ж е н о

к а к разность напряжений U и U\,

на ана­

логичном

диполе А\В\

противоположной полярности,

находя ­

щемся на расстоянии

2 h от диполя AB:

или

а?

(Ѵ-25)

1к

а а2

1 +

ных

'измерительных

установках,

то

оказывается,

что часть вы­

р а ж е н и я

(V—26)

'

«

1

( Ѵ - 2 6 )

а?

1 +

il (V—25)

приобретает вид

U n X

- ^ — ( l - ~ ) -

( Ѵ - 2 7 )

2 - о а- \

8Л3 ]

Сравнивая

(V—27) с (V—23),

получим, что

"п * U

(

і

(

Ѵ

-

2

8

)

а погрешность, вносимая за счет наличия

электропроводного

'Металлического борта, пропорциональна кубу отношения

раз­

мера измерительного диполя к удвоенному

'расстоянию

до

бор­

та. Таким

образом,

если о = /і, то -вносимая погрешность

будет

достигать

12,5% п

з а н и ж а т ь на

эту

величину напряжение на

приемных

электродах Af.'V. При увеличении

расстояния до Л = 2 а

погрешность

уменьшится уже примерно до 1,5%.

Погрешность, вносимая

наличием

электропроводного

борта

при

использовании

индукционных

датчиков,

рассчитывается

аналогично. Однако

при этом вместо

н а п р я ж е н и я

диполя

учи­

тывается

ток, создаваемый

в среде

индуктивности,

симметрично

расположенной относительно границы раздела .

Заметим, что при измерении

солености

поверхностного

слоя

системе охлаждения

тепловых двигателей,

а часто индукцион­

ный датчик располагается

непосредственно

в водозаборной тру­

бе совместно с датчиком

температуры

(см. § 2 главы I V ) . При

этом

электропроводность

и магнитная

проницаемость

стенок

трубы

оказывают весьма

заметное влияние

и к а ж у щ а я с я

элек­

тропроводность воды

Он может существенно отличаться

от ис­

бует привлечения

значительного

математического

аппарата [51]

и 'поэтому

здесь

не приводится.

Практически

эта

погрешность

-может быть определена из рис. 77, рассчитанного

дл я случая

•коаксиального расположения датчніка

,в

трубе для различных

соотношений электропроводности

воды

а в

и электропроводности

.материала

трубы

а т р при использовании

двухкатушечиого

зон­

да . При этом для среды с цилиндрическими

гранитами

имеет

•место соотношение

'то

Рш

—0.