RU2709928C1

RU2709928C1 - Specific electric conductivity sensor

Info

Publication number: RU2709928C1
Application number: RU2019104961A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Клименко; Сергей Валерьевич Казанцев
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт природно-технических систем" (ИПТС)
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2019-12-24

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, namely to contact probes of electroconductivity of STD-probes, and is intended for measurement of specific conductivity of sea water directly in medium. Essence of the invention consists in that the U-shaped specific electrical conductivity sensor includes a measuring zone and a zone serving to lock the current power lines containing two common current electrodes, additional zone for measurement of additional parameters of sea water, containing sensors of temperature and pressure of sea water, having with conductivity sensor of sea water and temperature sensor of housing common housing and cover.

EFFECT: invention makes it possible to place additional sensors within the total sea water current and protection elements against mechanical damages without distortion of current power lines and to reduce accuracy, as well as without increasing linear dimensions of the specific electric conductivity sensor.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к контактным датчикам электропроводности СТД-зондов или океанографических комплексов и предназначено для использования в океанографии для измерения удельной электропроводности морской воды непосредственно в среде, а также может быть использовано в других областях.The invention relates to the field of measuring equipment, namely, to contact conductivity sensors of STD probes or oceanographic complexes and is intended for use in oceanography to measure the electrical conductivity of sea water directly in the medium, and can also be used in other areas.

Известен малогабаритный датчик удельной электропроводности (http://efo-sensor.ru/datchiki-elektricheskoy-provodimosti-vodnih-rastvorov.html).A small-sized conductivity sensor is known (http://efo-sensor.ru/datchiki-elektricheskoy-provodimosti-vodnih-rastvorov.html).

Указанный датчик - четырехэлектродный, у которого датчик температуры расположен между двумя потенциальными и двумя токовыми электродами. Ему присущи следующие недостатки:The specified sensor is a four-electrode, in which the temperature sensor is located between two potential and two current electrodes. It has the following disadvantages:

- отсутствует внешнее обрамление в виде цилиндра или «стакана», необходимое для измерения удельной электропроводности,- there is no external frame in the form of a cylinder or "glass", necessary for measuring the electrical conductivity,

- малое межэлектродное пространство датчика (несколько миллиметров) приведет к тому, что его загрязнение или биологическое обрастание приведут к недопустимо большому изменению геометрической константы этого датчика и, как следствие, к значительной погрешности измерения.- a small interelectrode space of the sensor (several millimeters) will lead to the fact that its contamination or biological fouling will lead to an unacceptably large change in the geometric constant of this sensor and, as a result, to a significant measurement error.

Использование четырех электродов, двух токовых и двух потенциальных и режима работы с источником тока позволяет устранить влияние поляризационных эффектов на токовых электродах. Однако для формирования замкнутого электрического поля внутри измерительной ячейки датчики выполняют из трубки с пятью (три токовых) или семью (три токовых и четыре потенциальных) электродами, формирующими электронную пробку на торцах трубки (Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. - Л.: Гидрометиздат, 1986. - 272 с). При такой конструкции естественная промываемость датчика ухудшается, что влияет на точность измерения в конкретной точке морской среды.The use of four electrodes, two current and two potential ones and a mode of operation with a current source allows eliminating the effect of polarization effects on current electrodes. However, to form a closed electric field inside the measuring cell, the sensors are made of a tube with five (three current) or seven (three current and four potential) electrodes forming an electronic tube at the ends of the tube (I. Stepanyuk, Oceanological measuring transducers. - L .: Gidrometizdat, 1986.- 272 s). With this design, the natural washability of the sensor is impaired, which affects the measurement accuracy at a particular point in the marine environment.

Известно устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред (Патент на изобретение RU 2654316 С2), представляющее собою четырехэлектродный датчик электропроводности «стаканного типа», у которого задача замыкания электрического поля внутри измерительной ячейки решается при выполнении датчика в форме «стакана» т.е. одна сторона заглушена, а другая имеет сообщение со средой. Недостатком устройства является плохая промываемость межэлектродного пространства из-за отсутствия сквозной продувки. Наличие в конструкции датчика «дна» не приводит к качественному промыванию межэлектродного пространства датчика, даже при направлении струи воды внутрь датчика за счет внешней помпы.A device is known for measuring the electrical conductivity of liquid media (Patent for invention RU 2654316 C2), which is a “glass type” four-electrode conductivity sensor, in which the task of closing the electric field inside the measuring cell is solved when the sensor is made in the form of a “glass” i.e. one side is muffled and the other is in communication with the medium. The disadvantage of this device is the poor leachability of the interelectrode space due to the lack of through blowing. The presence of a “bottom” in the design of the sensor does not lead to a high-quality washing of the interelectrode space of the sensor, even when the water jet is directed inside the sensor due to an external pump.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является датчик электропроводности (Патент на изобретение ЕР 1621876 А1), представляющий собою пятиэлектродный датчик электропроводности, включающий в себя измерительную зону и зону, служащую для запирания силовых линий тока, работающий на переменном токе, выполненный в виде цилиндра, на оси которого расположена опора с пятью электродами, два токовых электрода закорочены между собой и расположены на торцах цилиндра, а третий расположен посреди цилиндра и является общим. При этом два потенциальных электрода расположены между токовыми электродами. Одна сторона датчика имеет сообщение со средой, а другая заглушена и содержит два отверстия в корпусе цилиндра для обеспечения потока воды внутри датчика за счет конвекции. Недостатком устройства является отсутствие пространства, в которое можно поместить дополнительные датчики, например, температуры, давления и другие без искажения силовых линий тока. Размещение дополнительных датчиков за пределами токовых электродов, приведет к дальнейшему увеличению линейных размеров и снижению точности датчика. В конструкции не предусмотрена помпа, а промывка воды внутри датчика за счет конвекции приведет к высокой погрешности вычислений. В случае установки помпы, поток воды будет затруднен по причине наличия выходных отверстий в корпусе датчика.The closest technical solution to the proposed one is a conductivity sensor (Patent for invention EP 1621876 A1), which is a five-electrode conductivity sensor, which includes a measuring zone and an area used to lock the power lines of current, operating on alternating current, made in the form of a cylinder, on the axis of which there is a support with five electrodes, two current electrodes are shorted together and located at the ends of the cylinder, and the third is located in the middle of the cylinder and is common. In this case, two potential electrodes are located between the current electrodes. One side of the sensor is in communication with the medium, and the other is plugged and contains two holes in the cylinder body to ensure the flow of water inside the sensor due to convection. The disadvantage of this device is the lack of space in which you can place additional sensors, for example, temperature, pressure and others without distorting the power lines of the stream. The placement of additional sensors outside the current electrodes will lead to a further increase in linear dimensions and a decrease in the accuracy of the sensor. The design does not include a pump, and flushing the water inside the sensor due to convection will lead to a high calculation error. If the pump is installed, the flow of water will be difficult due to the presence of outlet openings in the sensor housing.

Работа СТД-зондов в условиях с большим количеством взвесей в скважинах или морских организмов и растений в море, предъявляет повышенные требования к защите всех датчиков прибора, таких как датчики электрической проводимости, температуры и давления, от механических повреждений, сохраняя при этом их метрологические характеристики без деградации как можно большее время, располагаясь при этом как можно ближе друг к другу, не оказывая взаимного влияния. Обеспечить качественное промывание прилегающего к датчикам пространства для отбора выделяемого ими тепла и закачки воды с соответствующих при зондировании горизонтов возможно с применением внешней помпы. На решение этих жестких и противоречивых требовании и направлено предлагаемое изобретение.The operation of STD probes in conditions with a large number of suspensions in wells or marine organisms and plants in the sea places increased demands on the protection of all instrument sensors, such as electrical conductivity, temperature and pressure sensors, from mechanical damage, while maintaining their metrological characteristics without degradation as long as possible, while being located as close to each other as possible, without exerting mutual influence. It is possible to use a external pump to ensure high-quality washing of the space adjacent to the sensors for taking out the heat generated by them and pumping water from the horizons that are appropriate for sounding. The solution of these strict and contradictory requirements is directed by the present invention.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании такой конструкции датчика удельной электропроводности, при которой возможно размещение дополнительных датчиков (например, температуры, давления и других) в пределах общего тока морской воды и общих элементов защиты от механических повреждений без искажения силовых линий тока и снижения точности датчика удельной электропроводности, а также без увеличения линейных размеров датчика удельной электропроводности.The problem to which the claimed invention is directed, is to create such a design of the conductivity sensor, in which it is possible to place additional sensors (for example, temperature, pressure and others) within the total current of sea water and common protection elements from mechanical damage without distorting the power lines current and reducing the accuracy of the conductivity sensor, as well as without increasing the linear dimensions of the conductivity sensor.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, достигается тем, что датчик удельной электропроводности, включающий в себя измерительную зону и зону, служащую для запирания силовых линий тока, имеет U-образную форму, дополнительно включает в себя измерительную зону дополнительных параметров морской воды, расположенную между зоной, служащей для запирания силовых линий тока и измерительной зоной, при этом зона, служащая для запирания силовых линий тока и измерительная зона имеют два общих токовых электрода, выполненные в виде штырей, при этом измерительная зона дополнительных параметров морской воды включает датчики температуры и давления морской воды, заключенные с датчиком электропроводности морской воды и датчиком температуры корпуса в общие корпус и крышку. Кроме этого, датчик удельной электропроводности дополнительно содержит помпу, установленную на выходе потока морской воды для возможности тока морской воды через все указанные зоны датчика удельной электропроводности, фильтр, установленный на входе потока морской воды. Также такая конструкция датчика позволяет дополнительно содержать защищенными от механических повреждений другие датчики измерения дополнительных параметров морской воды, а токовые электроды возможно выполнить в виде колец.The problem to which the invention is directed is achieved by the fact that the conductivity sensor, which includes a measuring zone and an area serving to lock the power lines, has a U-shape, further includes a measuring zone of additional parameters of sea water, located between the zone used to lock the power lines of the current and the measuring zone, while the zone serving to lock the power lines of the current and the measuring zone have two common current electrodes, made in the form e pins, while the measuring zone of the additional parameters of sea water includes temperature and pressure sensors of sea water, enclosed with a conductivity sensor of sea water and a temperature sensor of the housing in a common housing and cover. In addition, the conductivity sensor further comprises a pump installed at the outlet of the seawater flow to allow the flow of seawater through all of the indicated areas of the conductivity sensor, a filter installed at the inlet of the seawater flow. Also, this design of the sensor allows you to additionally contain other sensors for measuring additional parameters of sea water, protected from mechanical damage, and current electrodes can be made in the form of rings.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен чертеж датчика удельной электропроводности. Вариант 1.(со штыревыми токовыми электродами). На фиг. 2 представлен чертеж датчика удельной электропроводности. Вариант 2. (с кольцевыми токовыми электродами).The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 is a drawing of a conductivity sensor. Option 1. (with pin current electrodes). In FIG. 2 is a drawing of a conductivity sensor. Option 2. (with ring current electrodes).

Заявляемое изобретение содержит: датчик температуры 10 морской воды, резистивный датчик температуры 11 корпуса 2 датчика удельной электропроводности, датчик давления 9 морской воды, заключенные в общие с датчиком удельной электропроводности элементы защиты от механических повреждений: крышку 1 корпуса 2. При этом датчик удельной электропроводности включает три зоны: измерительную зону А, с двумя возбуждающими токовыми 4 и 7 и двумя измерительными потенциальными электродами 5 и 6, зону В, служащую для запирания силовых линий тока, имеющую общие с зоной А токовые электроды, и измерительную зону дополнительных параметров С, в которой размещены датчик температуры 10 морской воды, датчик температуры 11 корпуса, давления 9. Также можно разместить и другие датчики, например, датчики кислорода и РН. Зоны А и В в сечении являются окружностью, имеют одинаковые размеры, по длине ограничены токовыми электродами 4 и 7 проходящими параллельно через перегородку 8. Наличие зоны С не оказывает влияния на выходной сигнал канала электропроводности, поскольку через нее не проходят силовые линии тока, распространяющиеся исключительно между токовыми электродами 4 и 7 и которые являются общими для зон А и В. Это обстоятельство позволяет придавать произвольные размеры и конфигурацию дополнительной зоне С, зависящие от количества и габаритов дополнительных датчиков, задаваемых при проектировании. Для улучшения условий протекания потока морской воды через канал ячейки электропроводности U-образной формы, изобретение снабжено помпой 3, расположенной на выходе потока морской воды, а на входе потока морской воды - фильтром 12. Все электроды 4, 5, 6, 7, для исключения контактной разности потенциалов, выполнены из одного и того же материала, например, платины, титана или нержавеющей стали. В данной конструкции показаны два варианта выполнения токовых электродов - в виде штырей (Фиг. 1), и в виде колец, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром зон А и В. (Фиг. 2). Конструкция с кольцевыми токовыми электродами предпочтительнее в сравнении со штыревыми, поскольку облегчается очистка внутренних полостей датчика во время проведения регламентного обслуживания.The claimed invention contains: a temperature sensor 10 of sea water, a resistive temperature sensor 11 of the housing 2 of the conductivity sensor, a pressure sensor 9 of sea water, enclosed in common with the sensor of conductivity protection elements against mechanical damage: cover 1 of the housing 2. In this case, the conductivity sensor includes three zones: measuring zone A, with two exciting current 4 and 7 and two measuring potential electrodes 5 and 6, zone B, which serves to lock the power lines of the current, having common f with zone A, current electrodes, and a measuring zone of additional parameters C, in which the temperature sensor 10 of sea water, the temperature sensor 11 of the housing, pressure 9. are placed. Other sensors, for example, oxygen and pH sensors, can also be placed. Zones A and B in the section are circles, they are of the same size, limited in length by current electrodes 4 and 7 passing in parallel through the partition 8. The presence of zone C does not affect the output signal of the electrical conduction channel, since current power lines that propagate exclusively between current electrodes 4 and 7 and which are common for zones A and B. This circumstance allows you to give arbitrary sizes and configuration to additional zone C, depending on the number and dimensions real sensors set during design. To improve the conditions for the flow of sea water through the channel of the U-shaped conductivity cell, the invention is equipped with a pump 3 located at the outlet of the sea water stream and at the inlet of the sea water stream with a filter 12. All electrodes 4, 5, 6, 7, for exclusion contact potential difference, made of the same material, for example, platinum, titanium or stainless steel. In this design, two embodiments of current electrodes are shown - in the form of pins (Fig. 1), and in the form of rings, the inner diameter of which coincides with the diameter of zones A and B. (Fig. 2). The design with ring current electrodes is preferable in comparison with pin electrodes, since it is easier to clean the internal cavities of the sensor during routine maintenance.

Предлагаемый датчик электропроводности входит в состав СТД-зондов или океанографических комплексов, которые при зондировании по глубине измеряют различные физические и химические параметры в точке измерения. Из-за тепловой инерции корпуса 2 датчика электропроводности его температура будет отлична от температуры воды окружающей среды, если последняя меняется. Поэтому температуру корпуса 2 целесообразно контролировать встроенным в корпус 2 датчика резистивным датчиком температуры 11 в непосредственной близости от измерительной зоны А, а температуру морской воды датчиком температуры 10. Качество промывания межэлектродного пространства имеет первостепенное значение, поскольку за счет рабочего тока датчика электропроводности выделяется значительная тепловая энергия, приводящая к разогреву воды в измерительной зоне А и, соответственно, к снижению точности вычисления. Поставленная задача хорошо решается с помощью внешней помпы 3, которая работает на вытяжку всего столба воды во всех зонах датчика. Этот режим работы также не приводит к изменению температуры морской воды в измерительной зоне А за счет выделения тепловой энергии самой помпой.The proposed conductivity sensor is part of STD probes or oceanographic complexes, which, when sensing in depth, measure various physical and chemical parameters at the measurement point. Due to the thermal inertia of the housing 2 of the conductivity sensor, its temperature will be different from the temperature of the ambient water if the latter changes. Therefore, it is advisable to control the temperature of the housing 2 with the built-in resistive temperature sensor 11 in the sensor housing 2 in the immediate vicinity of measuring zone A, and the temperature of the sea water by the temperature sensor 10. The washing quality of the interelectrode space is of paramount importance, since considerable thermal energy is released due to the operating current of the conductivity sensor , leading to heating of water in the measuring zone A and, accordingly, to a decrease in the accuracy of calculation. The task is well solved with the help of an external pump 3, which works to extract the entire column of water in all zones of the sensor. This operating mode also does not lead to a change in the temperature of sea water in measuring zone A due to the release of thermal energy by the pump itself.

Расчет удельной электропроводности морской воды производится по следующей формулеThe calculation of the electrical conductivity of sea water is carried out according to the following formula

где χ - удельная электрическая проводимость,where χ is the electrical conductivity,

K - геометрическая константа измерительной ячейки,K is the geometric constant of the measuring cell,

- расстояние между потенциальными электродами 5 и 6,

- the distance between the

potential electrodes

5 and 6,

D - диаметр измерительной ячейки (зона А),D is the diameter of the measuring cell (zone A),

α - коэффициент линейного расширения материала корпуса 2,α is the coefficient of linear expansion of the material of the housing 2,

G - проводимость воды между потенциальными электродами 5 и 6,G is the conductivity of the water between the potential electrodes 5 and 6,

θ - температура корпуса 2θ - temperature of the housing 2

Заявляемый датчик работает следующим образом.The inventive sensor operates as follows.

При погружении датчика в воду возникающий за счет помпы поток последовательно проходит через зоны В, С и А. На токовые электроды 4 и 7 подается возбуждающее напряжение синусоидальной или прямоугольной формы, создающее между ними ток, величина которого зависит от проводимости столба воды, заключенного между ними. Выходным информативным параметром может быть ток или напряжение. Это зависит от того, что мы задаем в качестве постоянной опоры на электроды 5 и 6 - ток или напряжение.When the sensor is immersed in water, the flow resulting from the pump sequentially passes through zones B, C and A. Exciting voltage of a sinusoidal or rectangular shape is applied to the current electrodes 4 and 7, creating a current between them, the value of which depends on the conductivity of the water column enclosed between them . The output informative parameter may be current or voltage. It depends on what we set as a constant support on electrodes 5 and 6 - current or voltage.

В результате осуществления заявляемого изобретения получаем такую конструкцию датчика удельной электропроводности, при которой возможно размещение дополнительных датчиков (например, температуры, давления и др.) в пределах общего тока морской воды и общих элементов защиты от механических повреждений без искажения силовых линий тока и снижения точности датчика удельной электропроводности, а также без увеличения линейных размеров датчика удельной электропроводности.As a result of the implementation of the claimed invention, we obtain such a design of the conductivity sensor, in which it is possible to place additional sensors (for example, temperature, pressure, etc.) within the total current of sea water and common elements of protection against mechanical damage without distorting the power lines of the stream and reducing the accuracy of the sensor conductivity, as well as without increasing the linear dimensions of the conductivity sensor.

Claims

1. The conductivity sensor, including current and potential electrodes, a measuring zone and a zone used to lock the power lines of the current, characterized in that it has a U-shape, further includes a measuring zone of additional parameters of sea water located between the zone serving for locking the power lines of the current, and the measuring zone, while the zone used to lock the power lines of the current, and the measuring zone have two common current electrodes, made in the form of pins, while measuring The second zone of additional parameters of sea water includes temperature and pressure sensors of sea water, enclosed with a conductivity sensor of sea water and a case temperature sensor in a common housing and cover.

2. The conductivity sensor according to claim 1, characterized in that it further comprises a pump installed at the outlet of the sea water stream.

3. The conductivity sensor according to claim 1, characterized in that it further comprises a filter installed at the inlet of the sea water stream.

4. The conductivity sensor according to claim 1, characterized in that the current electrodes are made in the form of rings.

5. The conductivity sensor according to claim 1, characterized in that it further comprises sensors for measuring other parameters of sea water in the measuring zone of the additional parameters.