CN113916943B - 一种海水电导率测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型海水电导率测量方法及系统。该系统包括磁耦合谐振型电导率传感器和数据处理模块，磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容。测量时，交流电压源用于向激励端谐振器两端施加交流电压信号，激励端谐振器、感应端谐振器与交流电压信号的频率相同。数据处理模块用于获取目标电流和拟合标定曲线，并根据拟合标定曲线，确定目标电流对应的海水电导率。本发明基于磁耦合谐振原理，具有更好的电磁强度，使海水对电磁场的影响更明显；省略了磁芯结构，减少了温度对传感器的影响。实现了对海水电导率的高精度测量。

Description

一种海水电导率测量方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋水文测量领域，特别是涉及一种海水电导率测量方法及系统。

背景技术

海水盐度是海洋水文测量的要素之一，海洋盐度的测量对海洋科学研究、海洋资源开发利用和舰船精确导航系统等方面都起着非常重要的意义。目前对海水盐度进行测量大多通过对海水电导率测量再换算出实际盐度，电导率传感器具有延迟低、稳定性高、精确度高以及测量便利等优点，电导率传感器已成为海水盐度测量的主要手段。

电导率传感器根据原理不同，目前应用最为广泛为电极式和电磁感应式。电极式电导率传感器是根据电解导电原理，在电极间表现为一个复杂的电化学系统，然后通过测量两个电压电极之间的海水阻值从而得出海水的电导率。但是其电极容易被极化且易被海水腐蚀难以长期工作。

电磁感应式电导率传感器是根据变压器式电磁感应原理，海水组成的回路将两个线圈耦合在一起，再由互感原理推导出海水电阻与感应电动势呈线性关系，从而根据输出的电压值得出海水电导率。电磁感应式电导率传感器金属部分不予海水接触，非金属外壳不容易被腐蚀，同时也避免了极化效应带来的影响，随着时间的推移表现出高稳定性；但是其容易受到邻近效应影响，并且由于感应和激励线圈磁芯的磁导率容易受温度的影响而发生变化，进而引起感应和激励线圈电感发生变化，从而导致测量产生误差。

2003年顾敏杰公开了“电磁感应式电导率传感器”，该传感器实现电磁感应式测量海水电导率，该发明主要解决了感应式线圈对于电路的电磁屏蔽问题，但是由于感应式线圈磁芯的温度系数影响，并且在设计过程中没有进行温度补偿，导致精度不高。2016年托马斯·纳格尔等人公开了“感应电导率传感器及其生产方法”，带有温度传感器，但未见温度特性及非线性特性补偿方案。2018年王勇等人公开了“一种电场耦合型感应式电导率传感器及其特性补偿器”，该传感器带有温度传感器，给出了传感器温度特性曲线和非线性温度补偿方案，但是电路及算法设计复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种海水电导率测量方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种海水电导率测量方法，所述方法应用于磁耦合谐振型电导率传感器，所述磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，所述激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，所述感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容；测量时，所述交流电压源用于向所述激励端谐振器两端施加交流电压信号，所述激励端谐振器、所述感应端谐振器与所述交流电压信号的频率相同；

所述方法包括：

获取目标电流，所述目标电流为所述传感器测量待测海水时，所述感应端谐振器的感应电流；

获取拟合标定曲线，所述拟合标定曲线为所述感应端谐振器的感应电流与所述传感器所测海水的电导率之间的关系曲线；

根据所述拟合标定曲线，确定所述目标电流对应的海水电导率。

可选的，在所述获取拟合标定曲线之前，还包括：

获取多个样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率；所述样本电流为所述传感器测量海水时，所述感应端谐振器的感应电流；

根据各所述样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率，确定所述拟合标定曲线。

本发明还提供了一种海水电导率测量系统，包括磁耦合谐振型电导率传感器以及数据处理模块；

所述磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，所述激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，所述感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容；测量时，所述交流电压源用于向所述激励端谐振器两端施加交流电压信号，所述激励端谐振器、所述感应端谐振器与所述交流电压信号的频率相同；

所述数据处理模块包括：

数据获取单元，用于获取目标电流以及拟合标定曲线；所述目标电流为所述传感器测量待测海水时，所述感应端谐振器的感应电流；所述拟合标定曲线为所述感应端谐振器的感应电流与所述传感器所测海水的电导率之间的关系曲线；

海水电导率确定单元，用于根据所述拟合标定曲线，确定所述目标电流对应的海水电导率。

可选的，所述数据获取模块，还用于获取多个样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率；所述样本电流为所述传感器测量海水时，所述感应端谐振器的感应电流；

所述数据处理模块还包括：

曲线拟合模块，用于根据各所述样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率，确定所述拟合标定曲线。

根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本申请提供的海水电导率测量系统包括磁耦合谐振型电导率传感器，该磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容。测量时，交流电压源向激励端谐振器两端施加交流电压信号，其中，激励端谐振器、感应端谐振器与交流电压信号的频率相同。采用上述磁耦合谐振型电导率传感器对待测海水的电导率进行测量时，采集感应端谐振器的感应电流，并根据感应端谐振器的感应电流与海水电导率之间的拟合关系曲线，确定待测海水的电导率，实现了对待测海水电导率的测量。

由于本申请中磁耦合谐振型电导率传感器省略了磁芯结构，因而极大减少传感器的温度系数，在一定程度上避免了温度对测量精度带来的影响。同时，本申请基于磁耦合谐振原理，具有更好的电磁强度，使海水对电磁场的影响更明显。实现了对海水电导率的高精度测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中磁耦合谐振型海水电导率的测量原理图；

图2为本发明实施例提供的海水电导率测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中磁耦合谐振型海水电导率的测量电路模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供了一种海水电导率测量方法，该方法应用于磁耦合谐振型电导率传感器，参见图1，该磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容。测量时，交流电压源用于向激励端谐振器两端施加交流电压信号，激励端谐振器、感应端谐振器与交流电压信号的频率相同。通过产生共振的方式将电磁能量在海水中进行传输，从而在感应线圈中产生交流输出电流。

参见图2，上述海水电导率测量方法包括以下步骤：

步骤11：获取目标电流，该目标电流为传感器测量待测海水时，感应端谐振器的感应电流(即上述感应线圈中产生的交流输出电流)。

步骤12：获取拟合标定曲线，该拟合标定曲线为感应端谐振器的感应电流与传感器所测海水的电导率之间的关系曲线。

步骤13：根据拟合标定曲线，确定目标电流对应的海水电导率。

在一些实施例中，在步骤12之前，还包括上述标定曲线的拟合步骤：

获取多个样本电流以及各样本电流对应的海水电导率；该样本电流为传感器测量海水时，感应端谐振器的感应电流。

根据各样本电流以及各样本电流对应的海水电导率，确定拟合标定曲线。

通过研究，发明人发现上述感应端谐振器的感应电流与传感器所测海水的电导率之间存在一定的关系。基于该关系，本发明人方采用上述拟合标定曲线来进行海水电导率的测量。

下面对感应端谐振器的感应电流与传感器所测海水的电导率之间关系进行说明：

磁耦合谐振型电导率传感器的等效测量电路模型如图3所示，两个谐振线圈L_P和L_S组成的共振耦合系统，线圈L_P和L_S自谐振频率相等，二者之间能通过共振进行能量交换。考虑线圈自身电阻R_P，并加入负载R_L，与感应式电导率测量理论相似的是这里将海水介质等效为耦合电感L₀和海水电阻R₀，R_rad为线圈辐射电阻。下面推导负载电流(即上述感应端谐振器的感应电流)与海水等效电阻之间的关系。

由等效电路理论可得：

其中电路参数为：

当磁耦合海水电导率测量电路系统处于谐振状态时，即：

将上式方程带入求解，可得负载端电流i₃：

由于

化简：

由于

化简得出负载电流i₃与海水等效电阻之间的关系式：

其中当磁耦合谐振式海水电导率测量电路系统结构确立时，L₀和M₂为定值，即k为常数量，只是随着不同海水电导率发生变化。

由上述理论推导可知，负载电流与海水电导率成单调非线性函数关系。

与上述内容相对应，本申请还提供了一种海水电导率测量系统，该系统包括磁耦合谐振型电导率传感器以及数据处理模块。

磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容；测量时，交流电压源用于向激励端谐振器两端施加交流电压信号，激励端谐振器、感应端谐振器与交流电压信号的频率相同；

数据处理模块包括：

数据获取单元，用于获取目标电流以及拟合标定曲线；目标电流为传感器测量待测海水时，感应端谐振器的感应电流；拟合标定曲线为感应端谐振器的感应电流与传感器所测海水的电导率之间的关系曲线；

海水电导率确定单元，用于根据拟合标定曲线，确定目标电流对应的海水电导率。

在一些实施例中，上述数据获取模块，还用于获取多个样本电流以及各样本电流对应的海水电导率；样本电流为传感器测量海水时，感应端谐振器的感应电流；

上述数据处理模块还包括：

曲线拟合模块，用于根据各样本电流以及各样本电流对应的海水电导率，确定拟合标定曲线。

本发明采用磁耦合谐振式磁场发射电路将电磁场通过谐振的方式发射出去，具有更好的电磁强度，使海水对电磁场的影响更明显。磁耦合谐振电导率测量技术可以省略感应式电导率测量系统中的磁芯结构，并且具有更好的负载与海水电导之间的线性关系，减少了温度对传感器的影响。实现了对海水电导率的高精度测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种海水电导率测量方法，其特征在于，所述方法应用于磁耦合谐振型电导率传感器，所述磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，所述激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，所述感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容；测量时，所述交流电压源用于向所述激励端谐振器两端施加交流电压信号，所述激励端谐振器、所述感应端谐振器与所述交流电压信号的频率相同；

所述方法包括：

获取目标电流，所述目标电流为所述传感器测量待测海水时，所述感应端谐振器的感应电流；

获取拟合标定曲线，所述拟合标定曲线为所述感应端谐振器的感应电流与所述传感器所测海水的电导率之间的关系曲线；所述关系曲线的推导过程如下：

由等效电路理论可得：

其中电路参数为：

当磁耦合海水电导率测量电路系统处于谐振状态时，即：

将上式方程带入求解，可得负载端电流i₃：

由于

化简：

由于

化简可知，感应端谐振器的感应电流与海水电导率成单调非线性函数关系，关系式为：

其中，R_rad为线圈辐射电阻，与感应式电导率测量理论相似的是这里将海水介质等效为耦合电感L₀和海水电阻R₀，当磁耦合谐振式海水电导率测量电路系统结构确立时，L₀和M₂为定值，即k为常量，只是随着不同海水电导率发生变化；

根据所述拟合标定曲线，确定所述目标电流对应的海水电导率。

2.根据权利要求1所述的海水电导率测量方法，其特征在于，在所述获取拟合标定曲线之前，还包括：

获取多个样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率；所述样本电流为所述传感器测量海水时，所述感应端谐振器的感应电流；

根据各所述样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率，确定所述拟合标定曲线。

3.一种海水电导率测量系统，其特征在于，包括磁耦合谐振型电导率传感器以及数据处理模块；

所述磁耦合谐振型电导率传感器包括交流电压源、激励端谐振器和感应端谐振器，所述激励端谐振器包括激励线圈和激励端电容，所述感应端谐振器包括感应线圈和感应端电容；测量时，所述交流电压源用于向所述激励端谐振器两端施加交流电压信号，所述激励端谐振器、所述感应端谐振器与所述交流电压信号的频率相同；

所述数据处理模块包括：

数据获取单元，用于获取目标电流以及拟合标定曲线；所述目标电流为所述传感器测量待测海水时，所述感应端谐振器的感应电流；所述拟合标定曲线为权利要求1所述的所述感应端谐振器的感应电流与所述传感器所测海水的电导率之间的关系曲线；

海水电导率确定单元，用于根据所述拟合标定曲线，确定所述目标电流对应的海水电导率。

4.根据权利要求3所述的海水电导率测量系统，其特征在于，所述数据获取单元，还用于获取多个样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率；所述样本电流为所述传感器测量海水时，所述感应端谐振器的感应电流；

所述数据处理模块还包括：

曲线拟合模块，用于根据各所述样本电流以及各所述样本电流对应的海水电导率，确定所述拟合标定曲线。