CN114858867A - 一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，属于海洋勘测领域。该方法在定标过程中只需进行一次单点控温，无需形成多个控温点；后续仅需调整可调电阻箱的电阻值并进行公式计算即可测得电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值和标准电导率值，经过多项式拟合完成高精度定标过程，整个过程可在较短的时间内完成，极大缩短了定标过程耗时，提高了传感器定标效率；并且单点控温过程简单，无需使用多个恒温海水槽，极大降低了传感器定标成本，具有广阔的应用前景。

Description

一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法

技术领域

本发明涉及海洋勘测技术领域，特别是涉及一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法。

背景技术

海水盐度是海洋水文勘测的要素之一，测量海水盐度对海洋科学研究和海洋开发利用都具有重要意义，是研究海水的物理特性和化学特性的重要指标。海水盐度的测量方法多种多样，其中电导率法测量准确度高、响应时间短、换算密度准确，特别是在78实用盐标（PSS-78）确立之后，采用传感器测量海水电导率并换算出海水盐度的方法已成为现场盐度测量的通行做法。电导率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。电导率传感器根据测量前端的原理与方法的不同，可分为电极式和电磁感应式两种。

电极式电导率传感器根据电解质溶液导电原理，采用金属材料构成若干测量电极，并将电极置于被测海水中，由测量电极及电极间的被测介质构成导电回路，在外加激励信号的作用下测量海水的电阻及电导率。电磁感应式电导率传感器利用电磁感应原理，激励线圈在海水中建立交变电磁场，被测海水相当于一个单匝闭合回路，可以等效为一个电阻，感应线圈接收闭合回路（海水）中产生的感生电动势，经过信号提取、转换和数据拟合，最终获得被测海水的电导率。对于上述两种电导率传感器，目前通用的定标方法都是采用多点水浴控温定标法，将传感器置于一个高精度控温海水槽中，对该海水浴进行变温（变温范围从-2~35℃，须覆盖自然海水温度变化范围），形成多个控温点；或者将传感器先后置于多个盐度相同、温度不同的恒温海水槽中（海水槽的恒温点须覆盖-2~35℃），形成多个控温点。

这一传统电导率定标方法的最大问题在于，控温点多，过程复杂，宽范围控温海水槽本身成本高昂，且反复升降温导致能耗高、控温效果不佳。而多点恒温海水槽除了成本翻番、能耗更高以外，电导率传感器定标时还需要多次更换水槽，反复入水出水，每次更换水槽后都需要进行长时间的感温过程，保证传感器温度与水浴温度达到一致才能进行数据记录；尤其是在进行高精度电导率传感器的定标时，涉及到更多的控温点，整个控温过程长达2天。可见，目前通用的电导率传感器定标方法普遍存在过程复杂、成本高昂和耗时过长的问题。

发明内容

为解决或至少缓解上述问题，本发明提出一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，以便捷、快速地完成电磁感应式电导率传感器的定标过程并显著降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，包括：

将电磁感应式电导率传感器放入控温海水槽中，将控温海水槽精准控温至预设控温点，记录此时控温海水槽温度值Te、控温海水槽内海水的电导率值Ce以及电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值Ve；

将电磁感应式电导率传感器从控温海水槽中取出，将一根单匝导线穿过电磁感应式电导率传感器的导流管，将单匝导线的两端连接到可调电阻箱的接线柱上，单匝导线与可调电阻箱共同构成闭合导体回路；

调整可调电阻箱的电阻值，使得电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值等于Ve，记录此时可调电阻箱的电阻值Re；

根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k；

继续调整可调电阻箱的电阻值，记录多个电阻值R1,R2……Rn以及对应的电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V1,V2……Vn；

根据多个电阻值R1,R2……Rn以及电导池常数k计算出每一个电阻值对应的标准电导率值C1,C2……Cn；

断开可调电阻箱，闭合导体回路断开，此时标准电导率值C0=0，记录此时电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0；

将电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0,V1,V2……Vn作为自变量，将标准电导率值C0,C1,C2……Cn作为应变量，采用多项式对自变量和应变量进行拟合，计算出电磁感应式电导率传感器的定标系数。

可选地，所述预设控温点为15℃。

可选地，所述可调电阻箱的精度至少为0.01欧姆。

可选地，所述根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k，具体包括：

根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re，采用公式k=Re*Ce确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k。

可选地，所述n为大于等于5的正整数。

可选地，所述根据多个电阻值R1,R2……Rn以及电导池常数k计算出每一个电阻值对应的标准电导率值C1,C2……Cn，具体包括：

针对多个电阻值R1,R2……Rn中的每一个电阻值Ri，根据电阻值Ri以及电导池常数k，采用公式Ci=K/Ri计算出每一个电阻值Ri对应的标准电导率值Ci；其中1≤i≤n；n个电阻值R1,R2……Rn计算出的n个标准电导率值记为C1,C2……Cn。

可选地，所述标准电导率值C1,C2……Cn的取值范围覆盖电磁感应式电导率传感器的全部量程。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，所述方法包括：将电磁感应式电导率传感器放入控温海水槽中，将控温海水槽精准控温至预设控温点，记录此时控温海水槽温度值Te、控温海水槽内海水的电导率值Ce以及电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值Ve；将电磁感应式电导率传感器从控温海水槽中取出，将一根单匝导线穿过电磁感应式电导率传感器的导流管，将单匝导线的两端连接到可调电阻箱的接线柱上，单匝导线与可调电阻箱共同构成闭合导体回路；调整可调电阻箱的电阻值，使得电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值等于Ve，记录此时可调电阻箱的电阻值Re；根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k；继续调整可调电阻箱的电阻值，记录多个电阻值R1,R2……Rn以及对应的电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V1,V2……Vn；根据多个电阻值R1,R2……Rn以及电导池常数k计算出每一个电阻值对应的标准电导率值C1,C2……Cn；断开可调电阻箱，闭合导体回路断开，此时标准电导率值C0=0，记录此时电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0；将电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0,V1,V2……Vn作为自变量，将标准电导率值C0,C1,C2……Cn作为应变量，采用多项式对自变量和应变量进行拟合，计算出电磁感应式电导率传感器的定标系数。采用本发明方法能够便捷、快速地完成电磁感应式电导率传感器的定标过程，降低操作复杂度，并显著降低定标过程成本。

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为本发明一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的电磁感应式电导率传感器的测量原理示意图；

图3为本发明实施例提供的电磁感应式电导率传感器与可调电阻箱连接的示意图。

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。

图2为本发明实施例提供的电磁感应式电导率传感器的测量原理示意图。本发明涉及的是一种常用于海洋勘测的基于电磁感应原理的电导率传感器的定标方法。如图2所示，本发明方法针对的电磁感应式电导率传感器结构通常包括非金属外壳201、激励线圈202、感应线圈203以及电导池204。从本质上讲，电导率传感器（包括电极式电导率传感器和电磁感应式电导率传感器）的测量对象是流过该电导率传感器电导池内部的溶液，对于管状电导池而言就是电导池所包围的圆柱体溶液。对于电导池所包围的溶液有以下公式成立：

C=k/R (1)

其中，C为溶液电导率；k为电导池常数；R为电导池内溶液的等效电阻。

对于电导池常数k有以下公式成立：

k=L/S (2)

其中，L为电导池长度，S为电导池的横截面积。

由上述公式(2)可知，每一支做好的电导率传感器，其电导池常数k是恒定不变的（无论电极式还是电磁感应式，其电导池常数k都为该电导池内流过圆柱体溶液的长度L除以横截面积S）。只要电导池的外形尺寸不变，该电导率传感器的电池常数k即为恒定值。

对于电极式电导率传感器，由于其需要让电极与电解质溶液充分接触，完成溶液导电过程，才能实现其原始量信号（比如电压或者频率）对应物理量信号（电导率值）的输出，所以仍然需要采用多点水浴控温定标法，完成定标拟合过程。

而本发明研究的电磁感应式电导率传感器，其测量基本原理是依据电磁感应原理，激励线圈和感应线圈不需要直接接触被测溶液，只需要在激励线圈和感应线圈之间建立闭合导体回路，即建立等效电阻，就可以实现其原始量信号（比如电压或者频率）对应物理量信号（电阻值或电导率值）的输出，因此可以采用一种更便捷快速的定标方法。

基于此，本发明的目的是提出一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，以解决现有电磁感应式电导率传感器定标方法过于复杂的问题，能够便捷、快速地完成电磁感应式电导率传感器的定标过程并显著降低成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法的流程图，参见图1，本发明一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，具体包括：

步骤1：将电磁感应式电导率传感器放入控温海水槽中，将控温海水槽精准控温至预设控温点，记录此时控温海水槽温度值Te、控温海水槽内海水的电导率值Ce以及电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值Ve。

本发明方法首先将电磁感应式电导率传感器放入控温海水槽中，在控温海水槽中选取一预设温度点进行精准控温。在实际应用中，所述预设温度点通常为15℃。当控温点满足要求时，记录此时控温海水槽温度值Te（通常为15℃）、控温海水槽内海水的电导率值Ce以及电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值Ve。在实际应用中，原始量信号可以为电压或者频率。本发明实施例中优选记录电磁感应式电导率传感器输出的电压值作为原始量信号值。

步骤2：将电磁感应式电导率传感器从控温海水槽中取出，将一根单匝导线穿过电磁感应式电导率传感器的导流管，将单匝导线的两端连接到可调电阻箱的接线柱上，单匝导线与可调电阻箱共同构成闭合导体回路。

图3为本发明实施例提供的电磁感应式电导率传感器与可调电阻箱连接的示意图。参见图3，将电磁感应式电导率传感器301从控温海水槽中取出后，将一根单匝导线303穿过电磁感应式电导率传感器301的导流管302，并且将单匝导线303的两端连接到可调电阻箱304的接线柱上，单匝导线303与可调电阻箱304共同构成闭合导体回路，此时可调电阻箱304的电阻值即为电磁感应式电导率传感器301测量到的等效电阻。在实际应用中，可调电阻箱304的精度要求至少能达到0.01欧姆。

步骤3：调整可调电阻箱的电阻值，使得电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值等于Ve，记录此时可调电阻箱的电阻值Re。

不断调整可调电阻箱的电阻值，使得电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值等于上述Ve，记录此时可调电阻箱的电阻值为Re。由于电磁感应式电导率传感器的电导池常数k为固定值，那么，通过上述控温海水槽的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re，即可确定出传感器的电导池常数k，此电导池常数k不随测量对象的变化而变化。

步骤4：根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k。

电导池常数k的计算公式为：

k=Re*Ce (3)

步骤5：继续调整可调电阻箱的电阻值，记录多个电阻值R1,R2……Rn以及对应的电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V1,V2……Vn。

继续调整可调电阻箱的电阻值，选择多个（通常为5~8个）电阻值R1,R2……Rn，用k/Ri即可得出第i个电阻值Ri对应的标准电导率值Ci；其中1≤i≤n，n为大于等于5的正整数。在本发明的一个优选实施例中，n的取值范围为5~8。

根据多个电阻值R1,R2……Rn计算出对应的标准电导率值C1,C2……Cn（电导率值的取值范围应覆盖电磁感应式电导率传感器的全部量程），该标准电导率值C1,C2……Cn即作为拟合公式里的应变量Y1,Y2,……Yn。同时记录此时电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V1,V2……Vn，将该原始量信号值V1,V2……Vn作为拟合公式里的自变量X1,X2,……Xn。

步骤6：根据多个电阻值R1,R2……Rn以及电导池常数k计算出每一个电阻值对应的标准电导率值C1,C2……Cn。

针对多个电阻值R1,R2……Rn中的第i个电阻值Ri，根据第i个电阻值Ri以及电导池常数k计算第i个电阻值Ri对应的第i个标准电导率值Ci的公式如下：

Ci=K/Ri (4)

其中1≤i≤n；5≤n≤8。n个电阻值R1,R2……Rn计算出的n个标准电导率值记为C1,C2……Cn。

步骤7：断开可调电阻箱，闭合导体回路断开，此时标准电导率值C0=0，记录此时电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0。

断开可调电阻箱，使得闭合导体回路断开，即被测电阻无穷大时，此时标准电导率值C0为0，记录此时的电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0，与前述原始量信号值V1,V2……Vn总共形成n+1个定标点，按照定标拟合多项式，即可确定出定标系数。

步骤8：将电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0,V1,V2……Vn作为自变量，将标准电导率值C0,C1,C2……Cn作为应变量，采用多项式对自变量和应变量进行拟合，计算出电磁感应式电导率传感器的定标系数。

将电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0,V1,V2……Vn作为自变量X，将标准电导率值C0,C1,C2……Cn作为应变量Y，对各个X值和Y值采用多项式进行拟合，计算出电磁感应式电导率传感器的定标系数。再将各X值和定标系数代入带有定标系数的多项式中计算出测量电导率值，将测量电导率值减去标准电导率值即为示值误差。至此，完成了电磁感应式电导率传感器的定标过程。

由以上定标过程可以看出，本发明方法在定标过程中只需进行一次单控温点控温，无需形成多个控温点，因此可以解决现有多点水浴控温定标法存在的控温点多、过程复杂、宽范围控温海水槽成本高昂、且反复升降温导致能耗高、控温效果不佳、耗时长的问题。现有的另一种多点恒温海水槽除了成本翻番、能耗更高以外，电导率传感器定标时还需要多次更换水槽，反复入水出水，每次更换水槽后都需要进行长时间的感温过程，保证传感器温度与水浴温度达到一致才能进行数据记录，尤其是在进行高精度电导率传感器的定标时，涉及到更多的控温点，整个控温过程长达2天。而本发明方法在进行电磁感应式电导率传感器定标时，只需进行单点控温，后续仅需调整可调电阻箱的电阻值并进行公式计算即可测得传感器输出的原始量信号值和标准电导率值，经过多项式拟合完成高精度定标过程，整个过程可在较短的时间（例如几个小时）内完成，极大缩短了定标过程耗时，提高了传感器定标效率，并且单点控温过程简单，无需使用多个恒温海水槽，极大降低了传感器定标成本，具有广阔的应用前景。

下面采用一个具体实施例说明本发明电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法的具体实施过程。

第一步，将电磁感应式电导率传感器放入控温海水槽中，控制温度15℃并保持稳定时，记录表1中的以下数据。

表1

第二步，将电磁感应式电导率传感器拿出控温海水槽，连接单匝导线和可调电阻箱，调整可调电阻箱使电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值（此处为电压值）等于上述表1中的Ve=0.281649，确定出此时的可调电阻箱电阻值Re=99.577欧姆。

第三步，计算出电导池常数k=Re*Ce=4275.45。

第四步，调整可调电阻箱，使电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值分别对应到8个不同的电导率值（0,6.1604,12.8810,28.5009,42.7515,56.9961,77.0199,90.9322），称之为标准电导率值，并记录电磁感应式电导率传感器输出的电压值，如表2所示。

表2

表2中第一列标准电阻值即为R0,R1……R7；第二列标准电导率值即为C0,C1……C7，作为定标拟合公式里的应变量Y；第三列测量电压值即为V0,V1……V7，作为定标拟合公式里的自变量X。

第五步，利用上述8个定标点，也就是8个X值和Y值，采用多项式进行拟合，计算出定标系数，再将X值和定标系数代入拟合多项式计算出测量电导率值，将测量电导率值减去参考电导率值即为示值误差，如表3所示。

表3

至此，完成了电磁感应式电导率传感器的定标过程。

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 (7)

1.一种电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，包括：

将电磁感应式电导率传感器放入控温海水槽中，将控温海水槽精准控温至预设控温点，记录此时控温海水槽温度值Te、控温海水槽内海水的电导率值Ce以及电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值Ve；

将电磁感应式电导率传感器从控温海水槽中取出，将一根单匝导线穿过电磁感应式电导率传感器的导流管，将单匝导线的两端连接到可调电阻箱的接线柱上，单匝导线与可调电阻箱共同构成闭合导体回路；

调整可调电阻箱的电阻值，使得电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值等于Ve，记录此时可调电阻箱的电阻值Re；

根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k；

继续调整可调电阻箱的电阻值，记录多个电阻值R1,R2……Rn以及对应的电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V1,V2……Vn；

根据多个电阻值R1,R2……Rn以及电导池常数k计算出每一个电阻值对应的标准电导率值C1,C2……Cn；

断开可调电阻箱，闭合导体回路断开，此时标准电导率值C0=0，记录此时电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0；

将电磁感应式电导率传感器输出的原始量信号值V0,V1,V2……Vn作为自变量，将标准电导率值C0,C1,C2……Cn作为应变量，采用多项式对自变量和应变量进行拟合，计算出电磁感应式电导率传感器的定标系数。

2.根据权利要求1所述的电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，所述预设控温点为15℃。

3.根据权利要求1所述的电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，所述可调电阻箱的精度至少为0.01欧姆。

4.根据权利要求1所述的电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，所述根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k，具体包括：

根据控温海水槽内海水的电导率值Ce和可调电阻箱的电阻值Re，采用公式k=Re*Ce确定电磁感应式电导率传感器的电导池常数k。

5.根据权利要求1所述的电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，所述n为大于等于5的正整数。

6.根据权利要求1所述的电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，所述根据多个电阻值R1,R2……Rn以及电导池常数k计算出每一个电阻值对应的标准电导率值C1,C2……Cn，具体包括：

针对多个电阻值R1,R2……Rn中的每一个电阻值Ri，根据电阻值Ri以及电导池常数k，采用公式Ci=K/Ri计算出每一个电阻值Ri对应的标准电导率值Ci；其中1≤i≤n；n个电阻值R1,R2……Rn计算出的n个标准电导率值记为C1,C2……Cn。

7.根据权利要求1所述的电磁感应式电导率传感器的单控温点定标方法，其特征在于，所述标准电导率值C1,C2……Cn的取值范围覆盖电磁感应式电导率传感器的全部量程。

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