CN114034929B - 非外部场感应式电导率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非外部场感应式电导率传感器，包括密封连接的上部和下部，所述下部的内部安装两个屏蔽壳，每个屏蔽壳内部套接一个导流管，导流管和屏蔽壳之间均同轴安装一个接收线圈和一个激励线圈，且两个激励线圈的磁芯处于传感器结构对角线上，充当“电荷泵”拉动当前的电流线从传感器一端沿另一端的管子向下，使电流线分布在两根导流管内部，形成的测量域处于传感器结构内部，达到消除邻近效应的目的，所述上部用于安装外部电子设备。本发明所述的非外部场感应式电导率传感器，产生感应式传感器测量时感应电流场基本处于传感器内部，有效解决了现有的感应式电导率传感器在外界物质邻近产生测量不准确的问题。

Description

非外部场感应式电导率传感器

技术领域

本发明属于海洋多参数CTD测量系统领域，尤其是涉及涉及海水电导率现场测量感应式电导率传感器的优化。

背景技术

在海洋研究领域中，海水物理参数测量尤其是海洋温度和盐度的测定对海洋环境的研究至关重要。目前，监测海水盐度的主要方法是电导率法，电导率(Electroconductivity)是电解质溶液的固有特性，它直接反映溶液中相应离子的浓度。电导率法据此进行盐度测量。CTD测量仪是测量海水物理性质的最常用设备，使用CTD测量仪(Conductivity/Temperature/Depth，CTD)可以实现长期连续的盐度检测，国内外已有相关产品。测量仪中电导率测量采用电导率传感器进行测量，电导率传感器应用最为广泛的当属电极式电导率传感器与感应式电导率传感器。其中，感应式电导率传感器敏感元件与被测流体不直接接触，不会产生极化效应，电导池的内壁光滑无凸起、不容易外挂异物，而且感应式电导池尺寸短、孔径大、可清洗、易维护，即使导流管内被生物附着，也可以通过简单清洗即可恢复传感器的测量性能。因此，在海洋环境应用时具有较强的抗污染能力，生物污染方面相对电极式具有先天优势。目前国外最新型的感应式传感器的性能指标有的已经达到或超越了电极式传感器。

但是，海洋是一个特殊的极为复杂的环境，海水中生长着各种生物，在近海或江河入海口存在着水域污染严重的情况，同时仪器还面临着海洋生物的附着。感应式电导率传感器采用电磁感应机理，受到邻近效应的影响。在测量时进入传感器测量场范围的导体或绝缘物质将会成为测量系统海水等效回路的一部分，从而改变电导池常数(一般定义为海水等效回路有效长度与横截面积之比)，影响传感器测量准确度，这种现象称之为邻近效应。因此，解决感应式传感器测量邻近效应影响问题，提高电导率传感器测量准确度具有重要意义。

现有的研究表明，感应式电导率传感器在工作中，传感器电场范围内如果有金属障碍物存在，电导率的测量值与实际相比会偏大，相反的当边界效应影响的范围内有绝缘的障碍物存在，传感器的测量值则会偏小。解决电导率传感器邻近效应的方法通常有两种，都是对电导池测量场的范围进行限制来解决邻近效应。一种是封闭式电导池结构，另一种是减小电场测量范围。但是，感应式传感器的灵敏度限制了电导池结构的减小，尤其是测量低电导率时，电导池尺寸更需大一些。MEMS技术在解决电极式电导率传感器邻近效应问题上取得了一定成就，因为传感器测量机理与结构的原因，无法在应用于感应式电导率传感器。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种非外部场感应式电导率传感器，以解决现有的感应式电导率传感器在外界物质邻近产生测量不准确的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种非外部场感应式电导率传感器，包括密封连接的上部和下部，所述下部的内部安装两个屏蔽壳，每个屏蔽壳内部套接一个导流管，导流管和屏蔽壳之间均同轴安装一个接收线圈和一个激励线圈，且两个激励线圈的磁芯处于传感器结构对角线上，充当“电荷泵”拉动当前的电流线从传感器一端沿另一端的管子向下，使电流线分布在两根导流管内部，形成的测量域处于传感器结构内部，达到消除邻近效应的目的，所述上部用于安装外部电子设备。

进一步的，所述下部包括耐压水密壳体及其内部设置的一号接收线圈、一号激励线圈、二号激励线圈、二号接收线圈，一号接收线圈、一号激励线圈同轴嵌入一号屏蔽壳内，二号激励线圈、二号接收线圈同轴嵌入二号屏蔽壳内，一号屏蔽壳中间通孔安装一号导流管，二号屏蔽壳中间通孔安装二号导流管，且一号激励线圈的磁芯、二号激励线圈的磁芯处于传感器结构对角线上。

进一步的，所述一号接收线圈的磁芯、一号激励线圈的磁芯、二号激励线圈的磁芯、二号接收线圈的磁芯均采用纳米晶带材料缠绕制成。

进一步的，所述一号激励线圈、二号激励线圈的结构和匝数相同，一号接收线圈、二号接收线圈的结构和匝数相同；一号激励线圈的绕线线径大于一号接收线圈的绕线线径。

进一步的，所述一号导流管和二号导流管的结构相同。

进一步的，所述耐压水密壳体为圆柱结构，两端分别设有敞口和壳体凹槽，内部设有一号腔体、二号腔体、壳体通孔、一号环流通孔和二号环流通孔，一号腔体、二号腔体内部分别用于安装一号屏蔽壳和二号屏蔽壳；且一号腔体、一号环流通孔、壳体凹槽联通形成一个通道；二号腔体、二号环流通孔、壳体凹槽联通形成另一个通道；一号导流管安装在一号环流通孔中，二号导流管安装在二号环流通孔中，测量时海水等效路径为环路，通过壳体凹槽进入传感器的一号导流管和二号导流管，从外壳侧面凹槽流出，内部形成环形海水回路。

进一步的，所述上部包括外壳，外壳用于安装外部电子设备。

进一步的，所述外壳侧面开有凹槽，凹槽内设有海水通孔、一号安装孔和二号安装孔，一号安装孔、二号安装孔分别用于安装一号导流管、二号导流管；外壳内侧设置外壳安装槽，外壳安装槽与敞口螺纹连接后采用密封圈密封。

进一步的，所述耐压水密壳体和外壳的材质均为聚甲醛材料。

相对于现有技术，本发明所述的非外部场感应式电导率传感器具有以下优势：

(1)本发明所述的非外部场感应式电导率传感器，产生感应式传感器测量时感应电流场基本处于传感器内部，功耗低、测量准确度高、且可在环境复杂即外界物质邻近环境下保持测量的可靠性，有效解决了现有的感应式电导率传感器在外界物质邻近产生测量不准确的问题。

(2)本发明所述的非外部场感应式电导率传感器，适用于水下长期布放、海洋环境恶劣、污染较为严重的入海口等环境。

(3)本发明所述的非外部场感应式电导率传感器，可以实现瞬间启动、持续测量和定时传输，能够有效减小因为外界物质邻近对传感器测量产生的测量漂移，在海洋环境监测预警、海洋生态保护和水产养殖等诸多领域具有良好的应用前景。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的非外部场感应式电导率传感器的剖视图；

图2为本发明实施例所述的非外部场感应式电导率传感器去掉耐压水密壳体的示意图；

图3为本发明实施例所述的外壳的示意图；

图4为本发明实施例所述的耐压水密壳体的主视图；

图5为图4的A-A向剖视图；

图6为本发明实施例所述的非外部场感应式电导率传感器的测量原理图；

图7为本发明实施例所述的传感器的使用状态示意图。

附图标记说明：

1-电流线；2-一号接收线圈；3-一号激励线圈；4-二号激励线圈；5-二号接收线圈；6-外壳；61-凹槽；62-一号安装孔；63-海水通孔；64-外壳安装槽；65-二号安装孔；7-一号导流管；8-密封圈；9-一号屏蔽壳；10-耐压水密壳体；101-一号腔体；102-二号腔体；103-壳体通孔；104-敞口；105-壳体凹槽；106-一号环流通孔；107-二号环流通孔；11-电缆密封接头；12-温度传感器；13-电源传输线；14-电路板；15-二号导流管；16-二号屏蔽壳。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

非外部场感应式电导率传感器，如图1至图7所示，包括电流线1、一号接收线圈2、一号激励线圈3、二号激励线圈4、二号接收线圈5、外壳6、一号导流管7、密封圈8、屏蔽壳9、耐压水密壳体10，密封连接的上部和下部，所述下部的内部安装两根导流管，每根导流管外部套接一个屏蔽壳，导流管和屏蔽壳之间均同轴安装一个接收线圈和一个激励线圈，相同线圈的结构与匝数相同，且两个激励线圈磁芯处于传感器结构对角线上，充当“电荷泵”拉动当前的电流线1从传感器一端沿另一端的管子向下，使电流线1是分布在两根导流管内部，形成的测量域基本处于传感器结构内部，达到消除邻近效应的目的，所述上部用于安装温度传感器12。

本发明所涉及的非外部场感应式电导率传感器功耗低、测量准确度高、且可在环境复杂即外界物质邻近环境下保持测量的可靠性。适用于水下长期布放、海洋环境恶劣、污染较为严重的入海口等环境下使用。能够有效减小因为外界物质邻近对传感器测量产生的测量漂移，在海洋环境监测预警、海洋生态保护和水产养殖等诸多领域具有良好的应用前景。

具体的，非外部场感应式电导率传感器总体为圆柱状结构，包括密封连接的上部和下部，所述下部包括耐压水密壳体10，耐压水密壳体10内密封有两对同轴安装的传感器线圈，分别为一号接收线圈2、一号激励线圈3、二号激励线圈4、二号接收线圈5，一号接收线圈2、一号激励线圈3同轴嵌入一号屏蔽壳9内，二号激励线圈4、二号接收线圈5同轴嵌入二号屏蔽壳16内，一号屏蔽壳9中间通孔安装一号导流管7，二号屏蔽壳16中间通孔安装二号导流管16，且一号激励线圈3的磁芯、二号激励线圈4的磁芯处于传感器结构对角线上；所述上部包括外壳6，外壳6用于安装温度传感器12。

一号接收线圈2的磁芯、一号激励线圈3的磁芯、二号激励线圈4的磁芯、二号接收线圈5的磁芯均采用纳米晶带材料缠绕制成，这样可以减小磁芯涡流损耗。

一号激励线圈3、二号激励线圈4的结构和匝数相同，一号接收线圈2、二号接收线圈5的结构和匝数相同；一号激励线圈3的绕线线径大于一号接收线圈2的绕线线径。优选的，一号激励线圈3、二号激励线圈4的线圈匝数为55匝，一号激励线圈3和一号接收线圈2的结构参数相同。

耐压水密壳体10的材质为聚甲醛材料。由于聚甲醛材料具有一定的毒性，能有效防止海洋生物附着，也能满足浅海环境下的水压环境。

一号导流管7和二号导流管15的结构相同。均为管状结构，采用氧化铝陶瓷制成。

外壳6与耐压水密壳体10连接并通过柱面密封圈8密封。

耐压水密壳体10为圆柱结构，顶部设有敞口104，底部设有壳体凹槽105，内部设有一号腔体101、二号腔体102、壳体通孔103、一号环流通孔106和二号环流通孔107，一号腔体101、二号腔体102内部分别用于安装一号屏蔽壳9和二号屏蔽壳16；且一号腔体101、一号环流通孔106、壳体凹槽105联通，形成一个通道；二号腔体102、二号环流通孔107、壳体凹槽105联通，形成另一个通道；一号导流管7安装在一号环流通孔106中，二号导流管15安装在二号环流通孔107中，测量时海水等效路径为环路，通过传感器耐压水密壳体10下部壳体凹槽105进入传感器的一号导流管7和二号导流管15，从上端外壳6侧面凹槽流出，内部形成环形海水回路。

外壳6为端部密闭侧面开口的圆柱状聚甲醛罩，这是由于聚甲醛材料具有一定的毒性，所以在防止海洋生物附着的方面应用较多，也能满足浅海环境下的水压环境。外壳6侧面开有矩形凹槽61，凹槽61下表面设计海水通孔63、一号安装孔62和二号安装孔65，一号安装孔62、二号安装孔65分别用于安装一号导流管7、二号导流管15；所述敞口104为圆筒形敞口，圆筒形敞口104外侧设置螺纹。外壳6内侧设置外壳安装槽64，外壳安装槽64为环形槽，设有内螺纹，用于和耐压水密壳体10的敞口104内旋紧，并采用柱面的密封圈8密封，密封后，海水通孔63和壳体通孔103对齐联通。

如图7所示，非外部场感应式电导率传感器的应用过程为：

外壳6的凹槽61内安装温度传感器12(优选的为NTC温度传感器)，内部安装电路板14，电路板14上安装相应的电路，温度传感器12通过引线与电路板14连接，外壳6一端安装电缆密封接头11和电源传输线13，电缆密封接头11将电源传输线13与电路板14连接，将外接电源输入给电路板14，电路板14信号发生模块控制产生一定频率的方波激励信号接入到一号激励线圈3、二号激励线圈4，电路板14具备信号发生、时序控制、信号转换与数字信号处理等功能。电路板14将外部输入电源稳压后转换为不同值的电电压输入给信号激励模块、信号处理与转换模块与单片机数据处理模块等，并控制AD采集芯片按照预定的时间间隔刷新输出数据，可预设传感器信号采集按照一定的时间间隔循，一般采集频率为1～24Hz。预先标定传感器，将标定公式写入电路板14的微处理器中，实现电导率实时测量。

本申请的传感器可在海洋环境现场测量传感器附近出现物质邻近干扰时，保持感应式电导率传感器有效可靠测量。为感应式电导率传感器在复杂海域长期部署与河流入海口等高污染水域，电导率高精度测量提供了一个解决方案。非外部场感应式电导率传感器和信号处理、电路板、信号电缆等配合，可以实现瞬间启动、持续测量和定时传输，有效减小了感应式电导率传感器在外界物质邻近环境下的测量漂移。拥有较高的测量准确度和可靠性，对于电导率传感器水下长期布放、复杂海洋环境监测等方面，具有广阔的应用前景。

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.非外部场感应式电导率传感器，其特征在于：包括密封连接的上部和下部，所述下部的内部安装两个屏蔽壳，每个屏蔽壳内部套接一个导流管，导流管和屏蔽壳之间均同轴安装一个接收线圈和一个激励线圈，且两个激励线圈的磁芯处于传感器结构对角线上，充当“电荷泵”拉动当前的电流线从传感器一端沿另一端的管子向下，使电流线分布在两根导流管内部，形成的测量域处于传感器结构内部，达到消除邻近效应的目的，所述上部用于安装外部电子设备；所述下部包括耐压水密壳体，耐压水密壳体为圆柱结构，两端分别设有敞口和壳体凹槽，内部设有一号腔体、二号腔体、壳体通孔、一号环流通孔和二号环流通孔，一号腔体、二号腔体内部分别用于安装一号屏蔽壳和二号屏蔽壳；且一号腔体、一号环流通孔、壳体凹槽联通形成一个通道；二号腔体、二号环流通孔、壳体凹槽联通形成另一个通道；一号导流管安装在一号环流通孔中，二号导流管安装在二号环流通孔中，测量时海水等效路径为环路，通过壳体凹槽进入传感器的一号导流管和二号导流管，从外壳侧面凹槽流出，内部形成环形海水回路，外壳侧面开有凹槽，凹槽内设有海水通孔、一号安装孔和二号安装孔，一号安装孔、二号安装孔分别用于安装一号导流管、二号导流管；外壳内侧设置外壳安装槽，外壳安装槽与敞口螺纹连接后采用密封圈密封；

所述下部包括耐压水密壳体及其内部设置的一号接收线圈、一号激励线圈、二号激励线圈、二号接收线圈，一号接收线圈、一号激励线圈同轴嵌入一号屏蔽壳内，二号激励线圈、二号接收线圈同轴嵌入二号屏蔽壳内，一号屏蔽壳中间通孔安装一号导流管，二号屏蔽壳中间通孔安装二号导流管，且一号激励线圈的磁芯、二号激励线圈的磁芯处于传感器结构对角线上；一号激励线圈、二号激励线圈的结构和匝数相同，一号接收线圈、二号接收线圈的结构和匝数相同；一号激励线圈的绕线线径大于一号接收线圈的绕线线径。

2.根据权利要求1所述的非外部场感应式电导率传感器，其特征在于：一号接收线圈的磁芯、一号激励线圈的磁芯、二号激励线圈的磁芯、二号接收线圈的磁芯均采用纳米晶带材料缠绕制成。

3.根据权利要求1所述的非外部场感应式电导率传感器，其特征在于：一号导流管和二号导流管的结构相同。

4.根据权利要求1所述的非外部场感应式电导率传感器，其特征在于：所述上部包括外壳，外壳用于安装外部电子设备。

5.根据权利要求1所述的非外部场感应式电导率传感器，其特征在于：耐压水密壳体和外壳的材质均为聚甲醛材料。