CN109856578A - 基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法，根据传感器的工作原理，推导三电极电导率传感器标定公式中各标定系数的特征、受影响的因素及系数之间的特征关系，选取海水深度点，获取未产生漂移的三电极电导率传感器检测得到的准确盐度值作为初始值，根据测量温度值和压力值计算出海水电导率值C₀；计算所述受电导池污染引起漂移的系数；重新修改待校准三电极电导率传感器的标定公式。本发明基于三电极电导率传感器的测量原理进行设计，可以实现长期海上布放使用的电导率传感器数据的现场校准修正，使数据更接近真实数据水平，大大延长了仪器的长期稳定性。适用于长期布放的仪器和不可回收仪器的现场维护和数据质控等等。

Description

基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法

技术领域

本发明属于海洋观测领域，特别是涉及到基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法。

背景技术

海水盐度是海洋水文中重要要素之一，而电导率是测量和计算盐度的最主要参数，采用直接测量电导率计算出盐度的做法，具有速度快、精度高和便于现场测量等优点，已成为日前海水盐度测量的最主要手段，电导率的测量精度直接关系到盐度的准确性。在海洋观测监测领域中，测量海水电导率依靠电导率传感器完成。以美国海鸟公司(Sea-BirdElectronics，Inc)为代表的厂商自上世纪90年代开始，生产了大量基于三电极的电导率传感器或温盐深测量仪，目前该型产品在国内市场占有率达到70％以上，但在实际应用中，大部分传感器得不到实验室校准与修正。实际测量中，这种类型传感器探头需长期置于水环境(江、河、湖、海)中，水中的一些浮游生物或污物会附着在探头表面，造成传感器结构尺寸的变化，从而引起传感器的漂移，影响测量数据质量。所以，对电导率传感器进行现场校准，以便对电导率观测资料进行有效的质量控制，是一项非常重要而又必不可少的工作。目前，市场上的电导率传感器产品尚无这种现场校准方法。

发明内容

本发明提出一种基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法，实现长期海上布放使用的电导率传感器数据的现场修正，大大延长了仪器的长期稳定性。。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法，包括：

(1)根据三电极电导池的电导率传感器的工作原理，推导三电极电导率传感器标定公式中各标定系数的特征、受影响的因素及系数之间的特征关系，识别受电导池污染引起漂移的系数，获得该系数特征及系数之间的特征关系；

(2)选取海水深度点，获取未产生漂移的三电极电导率传感器检测得到的准确盐度值作为初始值，根据测量温度值和压力值计算出海水电导率值C₀；

(3)在选取的海水深度点，获得待校准三电极电导率传感器检测得到的盐度值，结合步骤(2)的海水电导率值C₀，计算步骤(1)所述受电导池污染引起漂移的系数；

(4)按照步骤(3)得到的新系数，重新修改待校准三电极电导率传感器的标定公式。

进一步的，步骤(1)所述受电导池污染引起漂移的系数为三电极电导率传感器标定公式中的常数项系数和二次项系数，特征关系为：所述二次项系数与所述常数项系数的比值固定，不受电导池的污染引起的漂移的影响。

进一步的，步骤(2)和步骤(3)中选取的海水深度点，为三电极电导率传感器所能达到的最大深度点或较大深度点。

进一步的，步骤(3)中，先判断待校准三电极电导率传感器是否产生漂移；判断方法为：待校准三电极电导率传感器测量盐度结果对比步骤(2)所述初始值，偏差超过2倍，即认为待校准三电极电导率传感器因污染而产生明显漂移。

进一步的，步骤(3)计算过程为：

(301)根据待校准三电极电导率传感器检测得到的盐度值，得到海水电导率值，计算出对应的频率值；

(302)根据频率值和不受电导池污染引起漂移的系数，使用标定公式，对比未产生漂移的三电极电导率传感器的标定公式，得到受电导池污染引起漂移的系数的关系式；

(303)将受电导池污染引起漂移的系数的特征关系代入步骤(302)的关系式，得到新系数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明基于三电极电导率传感器的测量原理进行设计，可以实现长期海上布放使用的电导率传感器数据的现场校准修正，使数据更接近真实数据水平，大大延长了仪器的长期稳定性。适用于长期布放的仪器和不可回收仪器的现场维护和数据质控等等。

附图说明

图1是三电极电导池结构示意图；

图2是三电极电导池的测量电导率示意图；

图3是与三电极电导池匹配的三电极电导率转换电路模型示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

三电极电导池见图1，形式为三个电极封装在一个耐热玻璃管中。玻璃单元中包含有三个电极，其中两个外部电极相对于中心电极的距离是相同的，两个外部电极的长度为21。外面的两个电极电气连接在一起，测量电导率实际上测量流过电导池海水电阻，也就是外电极和内部电极两个区域的海水电阻的并联值，如图2所示。

电导池等效电阻R_w为：

其中l为电导池的长度，d为电导池截面的直径，c为待测海水的电导率。l和d的关系式即为电导池常数设为k，则上式简化为

图3所示为与三电极电导池匹配的三电极电导率转换电路模型，三电极电导率转换电路的主要工作原理是，电导池等效电阻(RW1、RW2)和高精度桥路电阻电容(R1、R2、C1、C2)组成文氏振荡器桥路，文氏振荡器产生频率信号，信号经过放大后经自动增益控制电路形成负反馈，从而使电路形成闭环，到达测量过程中的动态平衡，最终输出信号为与被测电导率相关的频率信号f。

将式(2)代入式(4)可得：

可以推导出海水电导率与测量频率的关系为：

若设M＝4π²KC₁C₂R₁，则得出电导率值与采集得到的频率值之间的关系为：

C＝Mf²+N (7)

其中，M和N为只与电导池常数和高精度桥路电阻电容(R1、R2、C1、C2)有关的值，且M一定大于0，N为常数且一定小于0，M和N的比值为与电导池无关，而仅与高精度桥路电阻电容的常数。

生产厂家给出的基于三电极电导池的电导率传感器使用的标定公式为：

其中，C为电导率，a₀，a₂，a₃，a₄为使用最小二乘法回归得到的定标系数，f为传感器采集得到的频率，ε和δ为常数，T为温度，P为压力，分母部分为电导池的压力和温度补偿。

在(8)式中，二次项a₂×f²和常数项a₀在电导率计算中居于主导地位，与传感器探头电导池密切相关，贡献率较大，而三次项a₃×f³和四次项a₄×f⁴只是对电导率计算的补充，与电路元件有关，贡献率较小，因此，在通常状态下，电导率传感器出厂后，内部元器件不会产生较大变化，而电导率的测量结果更多取决于电导池的变化影响，其结果主要由二次项和常数项决定。

在定标系数中，二次项系数a₂一定是个正值，常数项a₀一定是个负值，而且这两项的比值是一个与电导池无关而仅与电路上高精度桥路电阻电容(R1、R2、C1、C2)有关的固定值。

实际测量中，三电极电导率传感器探头置于被测水环境中，水中的一些微小浮游生物或污物会进入电导池管内，附着在电导池内壁表面，造成电导池内截面积变小，引起电导池海水电阻(RW1、RW2)变大，从而引起计算公式中与传感器探头电导池密切相关的二次项a₂和常数项a₀产生漂移，最终使传感器的计算结果产生漂移。

选取三电极传感器或仪器所能达到的最大或较大深度点(以SBE911或ARGO浮标使用的SBE41为例，选取2000米深度)，因为深层次海水受外界因素扰动小，认为其是较为稳定的。首先使用未产生漂移的传感器测量获得在此深度较为准确的海水盐度值，因为该层海水稳定，认为该值是稳定不变的。后面再使用传感器进行测量，在2000米深度测量盐度结果对比初始测量值偏差大部分都超过2倍的传感器要求精度，即认为传感器因污染而产生明显漂移(如传感器初始精度为0.005mS/cm，偏差超过0.01mS/cm，即认为传感器因污染而产生明显漂移)。使用初始测量盐度值作为测量真值，根据测量温度值和压力值计算出海水电导率值C₀，因标定系数a₃，a₄，a₂/a₀是与电路有关的参数，与电导池的污染引起的漂移无关，保持原标定系数a₃，a₄不变，根据定标公式(3)和传感器输出频率f，采用一点标定方法，计算出新的常数项系数a₀₁和二次项系数a₂₁。

C₀(1+εT+δP)＝a₀₁+a₂₁×f²+a₃×f³+a₄×f⁴ (9)

其中，ε，δ均为常数，数值分别为3.25E-06和-9.57E-08；f为仪器测量的海水电导率输出的频率值，T为仪器测量的海水温度，P为海水压力值。使用公式(9)及1987年标准盐度公式计算得出a₀₁+a₂₁×f²的总和，在通过式(10)计算得出a₀₁、a₂₁代替原来的常数项和二次项系数次项a₀、a₂，修正完系数后，使用计算公式(9)计算电导率和盐度，即完成现场校准。

以某台SBE41为例，该仪器在2013年7月11日进行了定标，没有一次项方式的原始定标系数为：

a₀＝-1.17171824E+01

a₂＝7.09357622E-06

a₃＝-1.16321433E-10

a₄＝2.34262986E-14

在2013年10月12日的重复性实验中，该仪器在高温点出现了1％以上的漂移。

由上表的数据为例，如第三行数据，可知，该仪器初始测量盐度值为34.88825，而仪器发生漂移后测量得到的盐度值为34.8781，存在0.0101的偏差；此时仪器测量的标准温度值T为22.96064℃，对应的仪器测量电导率值C₁为50.79417mS/cm，海水压力值P为OdB。选取该温度点的标准温度值、压力值及标准盐度值(即为前面所述的“一点定标”)对漂移后的传感器进行重新标定。

根据1978年实用盐度公式反算出初始的在该温度压力点下的标准电导率值C₀为50.80729 mS/cm，此时对应的频率值为f0。仪器发生漂移后，根据盐度公式反算出该温度压力点下的仪器测量电导率值为50.79417mS/cm，此时对应的频率值为f1＝2998.00295Hz。

由(8)和(9)式联合可得

a₀+a₂×f₀ ²+a₃×f₀ ³+a₄×f₀ ⁴＝a₀₁+a₂₁×f₁ ²+a₃×f₁ ³+a₄×f₁ ⁴

＝C₀(1+εT+δP)

＝50.81108

(11)

由f₁、a₃、a₄可得

a₃×f₁ ³+a₄×f₁ ⁴＝-1.24193 (12)

(11)-(12)可得

a₀₁+a₂₁×f₁ ²＝52.05301 (13)

将原始定标系数a₂和a₀带入式(10)中，可得

即a₂₁＝a₀₁×-6.053995E-07，由此可以得到下式：

a₀₁+a₀₁×-6.053995E-07×f₁ ²＝52.05301 (15)

求解式(15)可得a₀＝-11.72010363，a₂＝7.09534488E-06

由此可得新的定标系数如下

a₀₁＝-11.72010363

a₂₁＝7.09534488E-06

a₃＝-1.16321433E-10

a₄＝2.34262986E-14

由新的系数计算电导率，得到的数据如下表

可以看出，与上表实际测量得到的电导率相比，数据质量已经改善了很多。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法，其特征在于，包括：

(1)根据三电极电导池的电导率传感器的工作原理，推导三电极电导率传感器标定公式中各标定系数的特征、受影响的因素及系数之间的特征关系，识别受电导池污染引起漂移的系数，获得该系数特征及系数之间的特征关系；

(2)选取海水深度点，获取未产生漂移的三电极电导率传感器检测得到的准确盐度值作为初始值，根据测量温度值和压力值计算出海水电导率值C₀；

(3)在选取的海水深度点，获得待校准三电极电导率传感器检测得到的盐度值，结合步骤(2)的海水电导率值C₀，计算步骤(1)所述受电导池污染引起漂移的系数；

(4)按照步骤(3)得到的新系数，重新修改待校准三电极电导率传感器的标定公式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述受电导池污染引起漂移的系数为三电极电导率传感器标定公式中的常数项系数和二次项系数，特征关系为：所述二次项系数与所述常数项系数的比值固定，不受电导池的污染引起的漂移的影响。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中选取的海水深度点，为三电极电导率传感器所能达到的最大深度点或较大深度点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，先判断待校准三电极电导率传感器是否产生漂移；判断方法为：待校准三电极电导率传感器测量盐度结果对比步骤(2)所述初始值，偏差超过2倍，即认为待校准三电极电导率传感器因污染而产生明显漂移。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)计算过程为：

(301)根据待校准三电极电导率传感器检测得到的盐度值，得到海水电导率值，计算出对应的频率值；

(302)根据频率值和不受电导池污染引起漂移的系数，使用标定公式，对比未产生漂移的三电极电导率传感器的标定公式，得到受电导池污染引起漂移的系数的关系式；

(303)将受电导池污染引起漂移的系数的特征关系代入步骤(302)的关系式，得到新系数。