CN207623273U - 一种抗污染ctd电导率探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抗污染CTD电导率探头，采用两个圆形磁环线圈同轴布置，外部设有耐腐蚀耐压绝缘外壳，轴心作为海水的通道；所述两个磁环线圈分别为激励磁环和输出磁环，所述激励磁环和输出磁环的磁芯为纳米晶磁芯；所述轴为具备耐海水腐蚀、物理化学性质稳定的导流管。本实用新型采用感应式电导率测量，探头坚固可靠，不怕腐蚀，也没有极化现象，使用寿命很长。

Description

一种抗污染CTD电导率探头

技术领域

本实用新型涉及海水探测技术领域，特别是涉及到一种抗污染CTD电导率探头。

背景技术

抗污染CTD搭载潜标、浮标和海床基等水下固定平台长期在线观测，需要进行抗污染和抗生物附着设计，实现自容测量功能，

传统的电极电导率传感器，虽然测量准确度高，但却极易受到海洋生物、油污和泥沙的污染，从而造成仪器信号失真、性能下降、使用寿命缩短等问题。

发明内容

针对上述不足，本实用新型提出一种抗污染CTD电导率探头，采用感应式电导率测量。感应式电导率探头坚固可靠，不怕腐蚀，也没有极化现象，使用寿命很长。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种抗污染CTD电导率探头，采用两个圆形磁环线圈同轴布置，外部设有耐腐蚀耐压绝缘外壳，轴心作为海水的通道；所述两个磁环线圈分别为激励磁环和输出磁环，所述激励磁环和输出磁环的磁芯为纳米晶磁芯；所述轴为具备耐海水腐蚀、物理化学性质稳定的导流管。

进一步的，所述耐腐蚀耐压绝缘外壳为内部设有磁环固定架的磁环固定座，所述激励磁环和输出磁环设于磁环固定架内，所述导流管与磁环固定座采用O型密封圈密封。

更进一步的，所述磁环固定座采用聚甲醛材料制成，所述磁环固定架采用黄铜材料制成。

更进一步的，所述磁环固定座设有连接管，所述磁环线圈的引线通过连接管进入磁环固定座内。

更进一步的，所述连接管一端通过螺纹与磁环固定座直接连接，另一端与螺柱连接，连接管与磁环固定座采用端面密封。

更进一步的，所述磁环固定座设有温度传感器，所述温度传感器的引线通过连接管进入磁环固定座内。

更进一步的，所述温度传感器与磁环固定座间采用径向密封。

进一步的，所述导流管为氧化铝陶瓷材料制作的管状结构。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型通过磁环固定座、磁环固定架和陶瓷导流管承受海水压力，而磁环线圈不承受海水压力，不会发生由于探头受压而产生的测量数据漂移问题；

(2)本实用新型采用纳米晶作为磁芯，具有高饱和磁感应强度；优良的频率特性；极大的磁导率调节范围；突出的抗不平衡电流能力；优良的温度稳定性(可在-55～130℃长期工作)；性能稳定(波动小)；低损耗；磁导率调节范围广；

(3)本实用新型采用电磁感应原理，由于敏感元件不与被测海水有直接的电接触，因此坚固可靠，不怕腐蚀，也没有极化现象，使用寿命很长。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理示意图；

图2是本实用新型的结构示意图。

其中：

1、激励线圈； 2、输出线圈； 3、磁环固定座；

4、磁环固定架； 5、导流管； 6、连接管；

7、温度传感器； 8、螺柱。 9、垫片；

10、O型密封圈。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实用新型应用感应式探头作为海水电导率测量单元，采用两个圆形磁环同轴布置，其外部包有耐腐蚀绝缘材料，两个磁环的内孔做成一个溶液的通道。实施测量时，在激励磁环的激励线圈中通入交流电流，根据电磁感应原理，在激励磁环中产生相应的交变磁通，使被测溶液环路中产生感应电流，表现为交叉于激励磁环和输出磁环的电流环，此电流环又在输出磁环中产生交变磁通，从而在输出磁环的感应线圈上产生感应电动势。由于溶液中的感应电流与溶液电导率相关，感应线圈中的感应电动势(开路电压)与溶液中的电流成正比，因此测得输出线圈中的感应电动势，即可求得溶液电导率。

本实用新型提出的抗污染CTD感应式电导率探头主要由激励磁环、输出磁环、磁环引线、磁环固定架4、海水导流管5和探头外壳(磁环固定座3)几部分组成，下面将详细描述其技术设计方案。

1.感应式电导率探头设计原则

感应式电导率探头的工作原理如图1所示，它由两个同轴的环形线圈(激励线圈1和输出线圈2)组成，海水通过环形线圈的同心孔形成耦合回路，两线圈的耦合情况随海水电导率(盐度)的不同而变化，所以输出线圈2的电压代表了电导率(盐度)信号。

感应式电导率探头的设计原则为：

①为了尽量提高传感器的测量灵敏度，应采用高磁导率和低磁滞损耗的磁芯材料，还应尽量减小电导池常数A，即缩短导流管长度L，增加导流管的截面积S；

②激励与输出磁环之间采取严格的屏蔽措施，除了海水回路之外，两个磁环线圈之间不再产生其它的耦合；

③两磁环线圈之间不能形成闭合回路，否则Rw将被短路，输出信号将不再随电导率变化。

④探头壳体应该具有足够的耐压性能，在工作压力内不产生变形和损坏。

感应式电导率探头将依据上述设计原则开展详细设计和研制工作。

2.感应式探头磁芯设计方案

原有的感应式探头磁芯采用的是坡莫合金带材压制成环状外形，但是坡莫合金的抗冲击性能和耐温漂性能很差，环境稳定性不高，此外其平均磁导率值较低，造成磁环外形尺寸偏大，而且其磁导率还很容易随着环境温度的变化而改变，造成传感器性能不稳定。尤其在海洋水下平台长期使用中，环境温度变化剧烈，坡莫合金材料的感应式传感器长期稳定性不符合现场使用要求。

本实用新型采用国内最新的非晶磁性材料中性能最好的纳米晶制作感应磁芯。纳米晶软磁合金是指非晶合金经过适当的晶化退火处理后，获得了一种具有超细尺寸晶粒的软磁合金材料。纳米晶软磁合金的显著特点是：生产制造流程短，一步成型，节约能耗；并且通过调整合金成分，可以使其磁致伸缩趋近于零，具备了更为优异的软磁特性。其突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高饱和磁感应强度(Bs)和钴基非晶合金的高磁导率和低损耗，能够很好地满足高频低损耗的性能要求，并且成本低廉。

3.磁芯线圈设计方案

每一只抗污染感应式探头内包含一个激励磁环和一个输出磁环，两个磁环的规格型号相同，但是磁环线圈的绕线匝数和所绕漆包线线径有所区别。激励磁环线圈匝数为50匝，漆包线线径为0.4mm，输出磁环线圈匝数200匝，漆包线线径为0.2mm。

4.感应式导流管5设计方案

导流管5作为保证电导率测量准确度的关键部件，必须具备耐海水腐蚀、物理化学性质稳定的特点。针对海洋水下平台长期定点测量的需求和环境特点，抗污染CTD采用氧化铝陶瓷材料制作感应式电导池。陶瓷材料本身具有高绝缘性、化学性质稳定和机械强度大等特点，非常适用于制作海洋测量传感器。但是由于陶瓷材料与铂金的热膨胀系数相差很大，两者很难牢固的烧结在一起并长时间保持稳定，所以目前几乎所有的电极式电导率传感器都采用硬质玻璃作为电导池基体材料，主要原因是玻璃与铂金的热膨胀系数近似，两者可以通过特殊工艺牢固、致密的烧结在一起。

感应式电导池是一个完整的管状结构，其内部没有镶嵌铂金电极，也不需要钻孔引出电极引线，可以忽略铂金与电导池的烧结问题，因此只需要确保导流管的尺寸误差、耐压和抗拉强度以及耐海水腐蚀能力即可。

感应式探头采用氧化铝陶瓷制作的导流管，其加工制造流程主要分为四个过程：

①原料成型：氧化铝陶瓷原料先在特制模具中通过高温高压烧结成管状的毛坯体；

②热处理：陶瓷管坯体经过先回火后退火等热处理工艺，确保其机械强度复合要求；

③机加工：采用专用机床和特制刀具按照设计图纸进行机械加工，确保陶瓷管加工精度在设计误差范围内；

④抛光：采用超声波模具抛光工艺对陶瓷管进行打磨抛光，提高导流管整体表面光洁度。

5.感应式探头结构外壳设计方案

根据抗污染CTD在水下长期使用需要极强的抗海水腐蚀特性，以及批量加工时降低成本和易于快速生产原则，磁环固定座3外壳材料采用聚甲醛，起承压作用的磁环固定架4材料采用黄铜。在陶瓷导流管5和磁环尺寸不变的条件下，聚甲醛耐压外壳和黄铜磁环骨架的厚度根据探头耐压强度计算得出。

陶瓷导流管5与磁环固定座3采用O型密封圈10密封，还设有垫片9，磁环线圈与温度传感器7的引线通过连接管6进入密封壳体。连接管6与磁环固定座3和端盖均采用端面密封。连接管6一端通过螺纹与磁环固定座3直接连接，另一端与螺柱8连接，螺柱8穿过端盖，由螺母固定，温度传感器7与磁环固定座3间采用径向密封。

6、检测内容和流程

组装完成的感应式探头需要按照一定的流程进行测试和检测，前一项检测合格后才能进入下一项检测流程，检测内容和流程如下。

1)水静压力测试，将探头放入水静压力罐中，打压至12MPa，并保压1小时无渗漏；

2)用万用表测量激励磁环线圈电阻值测试，阻值应介于0.4～0.6欧姆之间，输出线圈电阻值测试，阻值应介于5.0～5.6欧姆之间；

3)用万用表测量激励线圈与输出线圈引线绝缘电阻，两线圈引线间阻值不小于1兆欧姆；

4)探头测量分辨率测试，探头应有效分辨电导率值±0.0005mS/cm(等效电阻0.05欧姆)：探头连接转换电路标准板，探头串联电阻箱模拟海水回路，调节电阻箱阻值变化0.05欧姆，用六位半数字电压表测量电导率输出电压值，电压应相应变化0.15mV，折算成电导率值为0.0005mS/cm，表明探头分辨率达标；

5)探头测量温度稳定性测试，探头应在-5～40℃变化范围内满足电导率值变化不超过±0.001mS/cm：探头连接转换电路标准板，探头串联95欧姆高精度低温漂电阻模拟海水回路，将探头置于高低温箱内变化探头环境温度-5～40℃，用六位半数字电压表测量电导率输出电压值，电压变化量应小于0.3mV，折算成电导率测量误差小于0.001mS/cm，表明探头温度稳定性达标；

6)探头测量长期稳定性测试，探头应保证长时间测量性能稳定，满足连续通电一个月时间电导率值变化不超过0.001mS/cm：探头串联95欧姆高精度低温漂电阻模拟海水回路，探头连接转换电路标准板，采用标准直流电源持续通电，用六位半数字电压表定期(每天固定时间)测量电导率输出电压值，一个月后电压变化量应小于0.3mV，折算成电导率测量误差小于0.001mS/cm，表明探头长期稳定性达标。

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

Claims (8)

1.一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，采用两个圆形磁环线圈同轴布置，外部设有耐腐蚀耐压绝缘外壳，轴心作为海水的通道；所述两个磁环线圈分别为激励磁环和输出磁环，所述激励磁环和输出磁环的磁芯为纳米晶磁芯；所述轴为具备耐海水腐蚀、物理化学性质稳定的导流管。

2.根据权利要求1所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述耐腐蚀耐压绝缘外壳为内部设有磁环固定架的磁环固定座，所述激励磁环和输出磁环设于磁环固定架内，所述导流管与磁环固定座采用O型密封圈密封。

3.根据权利要求2所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述磁环固定座采用聚甲醛材料制成，所述磁环固定架采用黄铜材料制成。

4.根据权利要求2所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述磁环固定座设有连接管，所述磁环线圈的引线通过连接管进入磁环固定座内。

5.根据权利要求4所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述连接管一端通过螺纹与磁环固定座直接连接，另一端与螺柱连接，连接管与磁环固定座采用端面密封。

6.根据权利要求4所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述磁环固定座还设有温度传感器，所述温度传感器的引线通过连接管进入磁环固定座内。

7.根据权利要求6所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述温度传感器与磁环固定座间采用径向密封。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种抗污染CTD电导率探头，其特征在于，所述导流管为氧化铝陶瓷材料制作的管状结构。