CN109856578B - 基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 - Google Patents
基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109856578B CN109856578B CN201811504319.2A CN201811504319A CN109856578B CN 109856578 B CN109856578 B CN 109856578B CN 201811504319 A CN201811504319 A CN 201811504319A CN 109856578 B CN109856578 B CN 109856578B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- conductivity
- value
- coefficient
- cell
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 241000287196 Asthenes Species 0.000 claims description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 claims description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 claims 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 8
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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
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2l。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
为：
其中
为电导池的长度，
为电导池截面的直径，
为待测海水的电导率。
和
的关系式即为电导池常数设为
，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
，
，则得出电导率值与采集得到的频率值之间的关系为：
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
和常数项
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
和四次项
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
一定是个正值，常数项
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
和常数项
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0.01 mS/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。
其中，
，
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PSS-78实用盐度标准公式计算得出
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
，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0dB。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
由
、
、
可得
（11）-（12）可得
将原始定标系数a2和a0带入式（10）中，可得
即
，由此可以得到下式：
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 (4)
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；
具体推导过程如下：
电导池等效电阻
为：
其中
为电导池的长度，
为电导池截面的直径，
为待测海水的电导率，
和
的关系式即为电导池常数设为
，则上式简化为
根据三电极电导率转换电路的工作原理，被测电导率相关的频率信号f为：
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
，
，则得出电导率值与采集得到的频率值之间的关系为：
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；
（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；
具体计算过程为：（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；
计算新系数的公式为：
其中，
，
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PSS-78实用盐度标准公式计算得出
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
，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；
（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。
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811504319.2A CN109856578B (zh) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811504319.2A CN109856578B (zh) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109856578A CN109856578A (zh) | 2019-06-07 |
| CN109856578B true CN109856578B (zh) | 2021-07-13 |
Family
ID=66890855
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811504319.2A Active CN109856578B (zh) | 2018-12-10 | 2018-12-10 | 基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109856578B (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111257177B (zh) * | 2020-02-20 | 2022-06-07 | 中国石油大学(华东) | 气井出砂检测实验装置 |
| CN112924494B (zh) * | 2021-01-20 | 2022-07-29 | 德州尧鼎光电科技有限公司 | 一种具备原位自校准功能的电导率传感器 |
| CN113155903A (zh) * | 2021-02-05 | 2021-07-23 | 国家海洋技术中心 | 一种海洋电极式电导率传感器稳定性评估方法 |
| CN113030193B (zh) * | 2021-02-24 | 2022-06-14 | 中国核动力研究设计院 | 一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统 |
| CN113063988B (zh) * | 2021-03-19 | 2023-08-11 | 中国电子科技集团公司第四十九研究所 | 一种共用中间电极板的双池电导率传感器及其制备方法 |
| CN113176448B (zh) * | 2021-03-22 | 2023-06-27 | 中国科学院计算技术研究所 | 一种基于双电导率传感器的电导率检测方法及系统 |
| CN113466296B (zh) * | 2021-06-28 | 2022-11-22 | 中国农业大学 | 基于离子活度的电导率传感器多点标定方法 |
| CN114034929B (zh) * | 2021-11-12 | 2024-04-19 | 国家海洋技术中心 | 非外部场感应式电导率传感器 |
| CN114858867A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-08-05 | 国家海洋技术中心 | 一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101398405A (zh) * | 2008-11-04 | 2009-04-01 | 中国农业大学 | 一种水质电导率智能传感器 |
| CN201583364U (zh) * | 2009-12-18 | 2010-09-15 | 国家海洋技术中心 | 船舶走航温度和盐度剖面测量系统 |
| CN101839944A (zh) * | 2010-05-07 | 2010-09-22 | 国家海洋技术中心 | 七电极电导率传感器 |
| CN102445252A (zh) * | 2011-12-10 | 2012-05-09 | 河南科技大学 | 一种电阻式水位数字传感器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105021663B (zh) * | 2015-07-30 | 2017-07-28 | 东南大学 | 一种盐度测量方法 |
| CN207832727U (zh) * | 2018-01-30 | 2018-09-07 | 天津胜鉴计量检测技术服务有限公司 | 表面盐污染测定校准装置 |
-
2018
- 2018-12-10 CN CN201811504319.2A patent/CN109856578B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101398405A (zh) * | 2008-11-04 | 2009-04-01 | 中国农业大学 | 一种水质电导率智能传感器 |
| CN201583364U (zh) * | 2009-12-18 | 2010-09-15 | 国家海洋技术中心 | 船舶走航温度和盐度剖面测量系统 |
| CN101839944A (zh) * | 2010-05-07 | 2010-09-22 | 国家海洋技术中心 | 七电极电导率传感器 |
| CN102445252A (zh) * | 2011-12-10 | 2012-05-09 | 河南科技大学 | 一种电阻式水位数字传感器 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 三电极电导率传感器测量电路的研制;贾文娟等;《海洋技术》;20130915;第33-36、45页 * |
| 温盐深测量仪电导率传感器校准的优化与提升;晏天等;《中国测试》;20181231;第44卷(第12期);第51-54、95页 * |
| 高精度CTD剖面仪电导率传感器的研究和实验;李红志等;《海洋技术》;20010310;第147-153页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109856578A (zh) | 2019-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109856578B (zh) | 基于三电极电导池的电导率传感器现场校准方法 | |
| CN109470407B (zh) | 分布式多节点液体温度、压力传感器测量数据的校准方法 | |
| US8408787B2 (en) | Process temperature transmitter with improved temperature calculation | |
| CN106053554B (zh) | 基于电磁波时域反射法的土体体积含水率测试方法 | |
| US10359308B2 (en) | Flow meter and a method of calibration | |
| CN110220945B (zh) | 半导体气体传感器的全量程温度补偿方法 | |
| JP2007507713A (ja) | プロセス圧力センサのキャリブレーション | |
| US9983158B2 (en) | Apparatus for sensing at least one parameter in water | |
| US6619141B2 (en) | Method of dynamically compensating a process signal | |
| US20150212040A1 (en) | Apparatus for sensing at least one parameter in water | |
| CN102288357A (zh) | 双重物理量传感器 | |
| CN107132417A (zh) | 一种抗电路参数漂移的高精度电阻测量方法 | |
| CN117129114B (zh) | 一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器 | |
| US5872454A (en) | Calibration procedure that improves accuracy of electrolytic conductivity measurement systems | |
| CN116208152B (zh) | 一种高精度模拟量采集装置及方法 | |
| CN112229454A (zh) | 测量烟用吸阻标准件流量压差曲线的系统和方法 | |
| CN109406584B (zh) | 一种双通道数字tds传感器及其实现方法 | |
| SE427502B (sv) | Vermegenomgangsmetare | |
| CN114580214B (zh) | 基于物联网的智能型蒸汽流量计校核测试系统及方法 | |
| CN108613719A (zh) | 流量计的校准方法及装置 | |
| CN116242899A (zh) | 一种基于机器学习校准电极法水质检测结果的方法 | |
| CN101551423A (zh) | 用于器件老化筛选车的热电阻模拟校准系统 | |
| CN104296817B (zh) | 一种通过动态温度补偿提高热式质量流量计测量精度的方法 | |
| Hudoklin et al. | Uncertainty evaluation of the new setup for measurement of water-vapor permeation rate by a dew-point sensor | |
| CN116202596B (zh) | 伽马空管计数实时修正方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |