测量液体电导率的传感器
关键词：测量传感器，电导率，水文探针，海洋
我们描述了一种测量液体电导率的传感器，在实验室条件下以及海洋过程的研究下（自然条件下）均可使用。传感器以实验室研究的独立单元的形式呈现，可用作深水液压探针的一部分。对于不同过程以及流程的示例，IPMekh RAN流体力学实验室已经证明，小型传感器具有高速和高空间分辨率。
长期以来，在应用和理论上的流体动力学中，已经对具有稳定密度分布的介质（即分层介质）中的过程进行了研究。人们对在实验室和自然条件下产生的介质的内波特别感兴趣，并且与其中的流体元素的振荡有关。这些波在深海、大气以及其它自然系统的一般动力学中发挥着重要作用[1,2]。对于波的过程的调查，我们使用实验室的量具来测量液体的具体参数（盐度、密度、温度等）以及水文探针来测量海水的具体参数（盐度以及密度）[3,4]。为了研究海洋和湍流的精细结构，介质参数的测量传感器（MTs）必须具备快速反应以及高空间分辨率的特点[5,6]。
在实验室条件下，我们经常将光学（阴影）观察方法与电导率测量传感器结合起来使用。介质的分层和传感器的结构特点明显恶化了它们的动态特性，因为这二者对经过传感器敏感元件的流量有很大的影响[7,8]。为了估计后者的动态特性，我们使用不同形式的内部作用：在具有均匀密度梯度的介质中的谐波振荡，在一个小的高度上的急剧位移或测量传感器沿高度以恒定速度的位移。在最后一种情况下，归一化的输入信号被表示为
（1）
和分别是敏感元件在高度上的速度位移和位移；是时间；是信号的时间。
对于上述影响，我们确定了传递函数和传递特性，使我们能够进一步描述测量传感器在给定条件下的运行[11]。在[12]中给出了参数优化后测量传感器运行的可能性。这种传感器的快速反应是几毫秒的数量级，但相对误差是几个百分点。
在本研究中，我们介绍了在力学问题研究所（IPMekh RAN）和全俄无线电物理与计量研究所（VNIIFTRI）开发和使用的微接触测量传感器，用于实验室储罐中分层液体的真实动态过程。类似的装置在海洋的不同区域的自然条件下被使用。传感器的工作原理见[3,12]。
所开发的测量传感器的敏感元件由一个同轴单元表示：外部电极是一个直径为0.8-1毫米的镍质毛细管，与内部电极（直径为0.3毫米的铂金或金丝）通过一个隔离插件隔开。毛细管（长30毫米）被固定在不锈钢管内（直径4毫米，长50厘米），可以装配在水箱中。测量传感器的工作容积是敏感元件表面的一个小区域，位于电极和液体的接触区。[13]中给出了灵敏度阈值的估计值，其中表明传感器的空间分辨率不超过三个毛细管直径，灵敏度阈值由操作制度调节和确定。毛细管的电极粘在高频电缆上，高频电缆连接到电气装置。最后一项是根据受控阻塞振荡器的电路构建的，具有以下大孔隙率的反馈（约1000）。脉冲是大约1MHz的高频信号。在电导率测量中，我们回到了使用脉冲方法测量电导率的偏好，使我们能够显著降低电化学过程的影响并提高测量精度。脉冲由桥式电路接收，在桥式电路的一个肩部连接着传感器的敏感元件。来自电桥的信号被发送到差分峰值检测器和积分器，放大并转换为介质的比例电导率，电压范围在-10到 10V。
传感器的结构和特点使其有可能在介质的广泛密度梯度范围内（液体的浮力周期）被用于研究小水箱中的小规模过程。
=4-20sec,
其中是自由落体的加速度。
研究方法。实验是在一个尺寸为75times;25times;70厘米的实验室水箱中进行的，水箱中装有连续分层的氯化钠（食用盐）溶液，其浓度随深度线性变化。溶液以及水的运动粘度的差异可以忽略不计。作为介质中的扰动源（来源），我们使用了半径为3厘米和6厘米的不锈钢或有机玻璃制成的圆盘。源头通过弹性轴和减速器与电极连接的螺栓得到了加强。电动机由24V直流电源供电，其频率可在1至100rpm（每分钟旋转数）之间调节。该装置使我们能够围绕垂直轴移动整个驱动机构，并沿着视线和垂直于视线的方向布置圆盘的平面。
对于流动的可视化，我们使用了IAB-458干涉阴影装置，其视场直径等于230毫米。由于光线的折射系数与介质的平面有关，平面壁充满线性分层液体的罐子等效于角度为的移动光线的光学棱镜。发光部分和接收部分布置在彼此相对的单个垂直平面内。为了补偿光线的偏差，将阴影装置安装在一个调节平台上，通过两个垂直导向螺丝与支架相连。使用一个额外的水平导向螺丝，平台在水平面上反转。调整好后，每个支架都通过拧紧四颗螺丝固定。因此，给定的结构使我们能够独立地、高精度地调节装置地发光和接收部分地空间和角度位置（六个自由度）。
实验装置的光学图如图1所示。主要元件是箱体8，在其侧壁插入高质量的光学照明器，它不会使透射光波的前端变形。通过从下方连续移动的方法，根据传统方案的液压系统，包括两个蓄水池9，以及一个混合器和带有锁定调节电枢7的连接软管，向水箱中注入根据密度（盐度）分层的液体。探针（扫描器）的垂直位移装置，位于水箱上方，使我们能够以恒定的速度沿垂直方向移动，距离可达50毫米，从一个水平面迅速转换到另一个附近的水平面，并将其定位在水箱的选定区域。光学系统本身包括：一个光源1（白炽灯）；聚光器2，在调节膜片平面内成像；照明狭缝3；平面可逆镜4、12，将光束引导至主球面镜5、11；校正弯液面6、10；可视化膜片13（螺纹、刀、衍射光栅）；以及用于转换图像14的光学系统，用于在观察平面15上构建所研究的流动图的形状。
实验室水箱和蓄水池位于一个巨大的金属桌面上，它靠在振动支架上，以降低机械噪音。在规范的基础上，我们放置：阴影仪器的照明和接收部分；以及带有光学配准装置的光具座，通过一个辅助物镜与阴影装置相连。在设备和视频设备之间没有刚性机械连接的情况下，刚性基础确保了阴影图像的可靠配准。
圆盘平面水平排列的实验结果如图2所示。圆盘的旋转速度由电极的电源电压来调节。敏感元件位于距圆盘轴线7厘米的地方。在圆盘旋转的初始阶段进行的所有实验都集中在研究传感器和观察系统的可能性上。浮力周期及其测定误差分别为和。圆盘边缘的线性旋转速度等于0.25米/秒。（电机的电源电压为10V。）记录模式（参见图2）针对测量传感器相对于混合区的不同位置呈现：曲线对应于敏感元件位于圆盘旋转平面时的传感器信号；曲线是敏感元件在内部波场中垂直向上移动5毫米的情况。在第一种情况下，我们在信号中呈现出小规模的扰动；曲线更有规律。箭头用来表示插图中相应帧a-d在时间轴上的位置。频繁混合、结构精细的液体侵入圆盘时，伴随着内部波的产生，在阴影图像中，这些波通过暗带和亮带显现出来。带状物的边界是内部波的梳状和空穴；在这个过程的早期阶段，它们是规则的形式（图2的a和c）；后来，它们是复杂的形式（图2的b和d）。
混合区域边界的厚度和前进速度是根据记录模式计算的，同时考虑到梯度[15]。实验中浮力周期不超过10秒，这使得与长度的内部尺度（粘性波尺度）有关的不均匀性的线性尺寸受到限制，等于几毫米。根据之前记录的浮力周期，我们估计了密度（盐度）的梯度，然后根据记录模式，估计了电导率的变化，并基于后者与介质密度的联系，估计了邻近层的密度变化。在动态测试期间（估计外部扰动的反应时间[14]），通过使用测量传感器在操作介质中以3毫米/秒的恒定速度的垂直位移进行分级。在所有情况下，介质的分层约为7秒，密度梯度为。 实验表明，对于测量传感器高达5毫米的垂直移动，反应时间不超过5秒。
从对记录模式的分析中，我们得出结论，暗带和亮带（内部波的梳状和空穴）之间的层中液体的颗粒的垂直偏移不超过0.1毫米。各层沿水平方向的位移速率等于1毫米/秒。当混合区相对于敏感元件的位移速率约为3毫米/秒时，传感器的空间分辨率不低于0.1毫米。
所开发的传感器具有高速率以及高空间分辨率，可用于在实验室条件下研究相对较小的水箱中的流体动力学过程，并且测量传感器的简单构造使我们能够在海洋条件下使用它（具有指示的计量特性——用于精细结构的研究[15]）。
本项工作是在俄罗斯科学院（OEMMPU RAN Ⅳ-4-12项目，“连续介质中波和涡的形成和相互作用的动力学”）与俄罗斯基础研究基金会（Grant 15-01-09235）的支持下进行的。
外文原文资料信息
[1] S. A. Thorpe, “The excitation, dissipation and interaction of internal waves in the deep ocean, ” J .Geophys. Res.,80,No. 3, 328-338 (1975).
[2]E. P. Chunchuzov, “On the contribution of internal gravitational waves in the energy balance of the atmosphere at the level of the menopause,”/zv. AN SSSR. Fiz.Atmosf.Okeana,15, No. 10, 1087-1091 (1979).
[3] Yu. S. ILinykh, Yu. D. Chashechkin, V. I. Levtsov, and V. S. Belyaev, “Precision hydrological probe for oceanological research, ” Izmer, Tekhn., No. 8, 39-42 (1995).
[4] G. V.Smirnov,S.A. Lavrov.M . E. Rabinovich ,and A.S.Svetlichnyi , Initial Measuring Transducers of Oceanographic Parameters, Izd. Dalnevost. Univ., Vladivostok (1990).
[5] Yu. S. Ilinykh and Yu. D. Chashechkin, “Precision methods of measurement of physicochemical characteristics of the ocean, ” Izmer. Tekhn., No. 9, 56-64 (1993).
[6]Yu. S. ILinykh and Yu. D. Chashechkin, “Localized, distributed and gradient measuring transducers in oceanological research,” Izmer.Tekhn., No. 3, 15-20 (1994).
[7] V. I. Levtsov and Yu. D. Chashechkin , “High-sensitivity contact transducer of specific electrical conductivity of a liquid ,” Ahstr. 1st All-Union Conf ,VNIIFTR1, Moscow (1980), pp. 46-
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