（控制理论与控制工程专业论文）电极式实验室海水电导盐度计的研制(1).pdf

电极式实验室海水电导盐度计 摘要 海水盐度是海洋水文中重要要素之一，精确测量海水熊度，对海洋科学研究 和国计民生都有重要作用。 电导率测量盐度的方法具有精度高、速度快、便于现场测量等优点，尤其 1 9 7 8 年实用盐标制定后，成为海水盐度测量的主要手段。本文介绍一种非恒温 式高精度海水盐度测量技术，它以平衡电桥的方式测量海水的相对电导率，测量 结果具有o 0 0 3 等效赫度值的准确度，分辨率为1 0 - 5 等效靛度值，精密度优于 0 0 0 1 等效盐度值，盐度测量范围为2 4 2 。 本文介绍了国内外盐度测量技术的发展状况，全面分析、阐述了盐度计的工 作原理，特别分析了关键技术和技术难点，并详细介绍了赫度计的整体方案、硬 件电路和软件功能的设计，最后介绍了盐度计的试验情况。 赫度计以s o p c 技术为基础，通过数字化方式设计测量电路：电桥的激励源 由数字化方式产生，激励源的波形、幅值和频率等可出数字量控制；平衡电桥标 准支路由3 个数模转换器组合实现，测量时以逐次逼近的方式调整电桥的平衡 度；检测电桥平衡度的高灵敏度数字检流计同样以数字化方式设计，它的增益由 程序控制，将电桥的输出电压数字化，以软件判断电桥平衡度。水路控制、水浴 测温、电磁搅拌等与电桥相关的部分同样由数字量控制。 通过q u a r t u s i i 软件开发盐度计的硬件逻辑。使用s o p c b u i l d e r 软件生成n i o s i i 软核，将c p u 、运算器、存储器、定时器等成熟的i p 核应用到盐度计设计中， 同时使用硬件描述语言v h d l 将底层驱动逻辑设计为用户1 p 核，如激励源i p 核、高灵敏度数字捡流计i p 核、模拟测温i p 核、同历时钟i p 核、数字测温i p 核、键盘m 核、液晶显示m 核等。各种i p 核的使用，减轻软件方面的负担， 而且软硬部分协同设计加快了开发的速度。 将f p g a 芯片、s d r a m 和f l a s h 芯片设计为核心板，方便硬件电路的升级。 在电路系统中还应用了模数、数模转换技术、电源管理和隔离技术、可编程增益 放大技术、通讯技术等。软件程序主要包括操作系统移植、键盘程序、显示程序、 测量程序、通讯程序等部分，完成仪器状态的监控、工作模式选择、系统功能设 置、故障检测、参数标定、数据维护、网络通信、文件管理等功能。 赫度计采用1 8 个键操作，以及液晶汉化显示和多级菜单显示结构，操作简 单、方便，人机界面友好。 关键词：盐度、电导率、平衡电桥、s o p c 技术、操作系统 e l e c t r o d et y p el a b o r a t o r yc o n d u c t a n c e s a l i n o m e t e r a b s t r a c t s e a w a t e r ss a l i n i t yi sa l li m p o r t a n tf a c t o ro fo c e a n i ch y d r o l o g y , t h ea c c u r a t e m e a s u r eo fs a l i n i t yp l a y s 锄i m p o r t a n tr o l ei no c e a n o g r a p h yr e s e a r c ha n dt h en a t i o n a l e c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to fp r a c t i c a l s a l i n i t y s c a l e1 9 7 8 ，t h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ym e t h o db e c o m e st h em a i nt e c h n o l o g yf o rt h es a l i n i t ym e a s u r e m e n t ， b e c a u s et h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 【g ha c c u r a c y 、q u i c ks p e e da n d e a s yf o rf i e l dm e a s u r e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e saa c c u r a t em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yi nn o n t h e r m o s t a tc o n d i t i o n ，i tu s e sb a l a n c eb r i d g et om e a s u r er e l a t i v e c o n d u c t i v i t y , t h ea c c u r a c yi s ：t o 0 0 3 ( t h es a l i n i t yv a l u e ) ，t h es e n s i t i v i t yi s 10 - 5 ( t h e s a l i n i t yv a l u e ) ，t h ep r e c i s i o ni sb e a e r t h a ni - o 0 0 1 ( t h es a l i n i t yv a l u e ) ，a n dt h er a n g eo f m e a s u r e m e n ti s2 4 2 t l i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t a l s i t u a t i o no nd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ls a l i n i t ym e a s u r et e c h n o l o g y , f u l l ya n a l y z e sa n de l a b o r a t e st h ep r i n c i p l e o fs a l i n o m e t e r , e s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h e d i f f i c u l t y i n s a l i n o m e t e r t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ew h o l es c h e m e 、t h eh a r d w a r ee l e c t r o c i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n , t h er e s u l to fe x p e r i m e n to ns a l i n o m e t e ri s p r e f e r r e da tt h ee n do f t h e d i s s e r t a t i o n s a l i n o m e t e ri sb a s eo ns o p ct e c h n o l o g y , a n du s ed i g i t a lt e c h n o l o g yt od e s i g n c i r c u i t ：t h ee x c i t a t i o ns o u r c ef o rb a l a n c eb r i d g ei sg e n e r a t e db yd i 百t a lm e t h o d ，i t s s h a p e 、a m p l i t u d ea n df r e q u e n c yc a nb ec o n t r o lb yd i g i t a ls i g n a l ，t h es t a n d a r db r a n c h o fb r i d g ei sc o m p o s e do ft h r e ed i g i t a l - a n a l o g - c o n v e r s i o n ，a n du s e st h em e t h o do f s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nt or e g u l a t et h eb a l a n c eo fb r i d g e t h el l i 曲s e n s i t i v ed i g i t a l g a l v a n o m e t e rw h i c hd e t e c t st h eb a l a n c ed e g r e eo fb r i d g ei sa l s oc o n t r o lb yd i g i t a l s i 印a 1 ，i t sg a i ni sc o n t r o lb ys o f t w a r e ，a n dt u r n s t h eo u t p u tv o l t a g eo f b r i d g et od i g i t a l s i g n a l ，t h e nu s es o f t w a r e t o j u d g e t h eb a l a n c ed e g r e eo fb r i d g e w a t e rr o a d c o n t r o l l i n g 、t e m p e r a t u r em e a s u r i n go fs e a w a t e r 、t h ee l e c t r o m a g n e t i s ms t i r r e ra n d o t h e rp a r tw h i c ha r er e l a t i v ew i t hb r i d g ea r ea l s oc o n t r o lb yd i g i t a ls i g n a l w ed e s i g nh a r d w a r el o g i cf o rs a l i n o m e t e rw i t hq u a r t u si is o f t w a r e ，a n du s e s o p cb u i l d e rt od e s i g nn i o si i c p u 、a r i t h m e t i c a lu n i t 、m e m o r y 、t i m e ra n d o t h e rm a t u r ei pg o r ea r ea p p l yt os a l i n o m e t e r w cu s et h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ev h d l t od e s i g nb o t t o md r i v e s ，a n dm a k et h e ma sc u s t o m e ri pc o r e ，s u c ha s e x c i t a t i o ns o u r c ei pc o r e 、h i g hs e n s i t i v ed i g i t a l g a l v a n o m e t e ri po d r e 、a n a l o g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti pc o r e 、d i g i t a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti pc o r e 、c a l e n d a r a n dt i m ei pc o r e 、k e y b o a r d1 pc o r e 、l c di pc o r e t h eu s a g eo fi pc o r el i g h t e nt h e b u r d e no ft h es o f t w a r e ，a n dt h ec o - d e s i g no fh a r d w a r e s o f t w a r eq u i c k e nt h es p e e do f d e s i g n w ep u tf p g ac h i p 、s d r a ma n dt h ef l a s hc h i pi nas m a l lp n n t e dc i r c u i tb o a r d 雒t h ec o r eb o a r d t h i si sc o n v e n i e n tf o rt h eh a r d w a r eu p g r a d e w ea l s ou s ea da n d d at e c h n o l o g y 、p o w e rm a n a g e m e n ta n ds i g n a li s o l a t i o nt e c h n o l o g y 、p r o g r a m m a b l e a m p l i f yt e c h n o l o g y 、c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de t e t h es o f t w a r ep r o c e d u r e m a i n l yi n c l u d e so p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n 、k e y b o a r dp r o c e d u r e 、d i s p l a y p r o c e d u r e 、m e a s u r ep r o c e d u r e 、t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e d u r ea n de t c t h es o f t w a r e c o m p l e t ec o m p l e xf u n c t i o n ，s u c ha ss t a t u sm o n i t o r 、t h ec h o o s eo f w o r km o d e 、s e t t i n g o fs y s t e mf u n c t i o n 、e x a m i n a t i o no fm a l f u n c t i o n 、c a l i b r a t i o no fp a r a m e t e r 、d a t a m a i n t e n a n c e 、 n e m o 咄c o r r e s p o n d e n c ea n dd o c u m e n tm a n a g e m e n t i nt h ea p p a r a t u se i g h t e e nk e y sa r eu s e d ，l c di su s e dt od i s p l a ym u l t i l e v e lm e n u a n dp a r a m e t e r o p e r a t o rc a nu s ei te a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y k e yw o r d s ：s a l i n i t y c o n d u c t i v i t y b a l a n c eb r i d g es o p ct e c h n o l o g y o p e r a t i n gs y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一一一一兰兰兰三竺兰堂兰兰竺二之三二! 二三一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 醐t 象绎 f 签字r 期：司年莎月乙日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字：卫蚕匕蓟 签字同期：呵年6 月t 同 电话： 邮编： u 饭式实验室海水i u 导盐度计的研镧 1 引言 盐度是指单位体积中所含盐分的数量，天然海水的盐度介于3 3 3 5 o 闯。 海水盐度是海洋水文重要要素之一，与海洋渔业、海水发电、海水化工及水产养 殖技术等产业都有很大的关系，随着这些产业向深层次发展，要求测量海水盐度 的精度越来越高，而我国在这方面的技术落后于国外的产品，因此迫切需要一种 现在化的高精度仪器测量盐度，既能提高我国的技术水平，又能为同类型低要求 的仪器提供标准。 本课题的研究对象高精度实验室海水盐度计就是为实现高精度测 量海水盐度丽设计的。它沿用了h d 一2 型海水赫度计的电极式测量方式保留了 测量原理，利用电阻电桥或比例分压电桥，在非恒温下测量海水相对电导率，在 实验室条件下准确快速地测量海水盐度。采用新的f p g a 技术和数字化的设计理 念对h d 一2 型海水盐度计进行创新，以精密的硬件结构和精确的软件算法保证盐 度测量的结果达到或超过1 0 一。盐度计功能的实现涉及到检测、电子、通讯、控 制等多学科的内容。其研制成功将大大改善海水盐度测量的现代化水平，为其它 仪器设备提供盐度标定的标准，具有巨大的现实意义。 1 1 课题的来源1 2 j 课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资源环境领域的海洋监测 技术主题。本主题围绕维护海洋权益、发展海洋经济、保护海洋环境、预警海洋 灾害等重大需求，重点研究和发展海洋监测的觚沿技术，提高我国海洋生念环境 快速现场监测能力和海洋动力环境立体监测能力，研制一批具有国际先进水平的 海洋监测技术产品并促成其产业化，从整体上提高我国海洋监测技术水平。 海洋髓测技术主题是国家8 6 3 计划资源环境领域的四个主题之。将那些技 术己相对成熟，产业化前景较好的仪器产品、研究成果转化为技术标准，以促进 海洋高新技术的产业化发展，提高海洋监测高新技术产品在产业化、市场化进程 中的竞争能力。 h d 一2 型海水盐度计于1 9 7 7 年通过国家海洋局验收和鉴定，其技术、原理和 测量结果都达到当时的国际先进水平。随着新技术的不断涌现和自动化测量技术 的发展，我们使用新的技术对其进行改造，以提高产品的自动化水平，形成产业 的标准。 1 2 该领域的研究现状及发展动态1 3 4 】 在2 0 世纪初，克纽森( k n u d s e n ) 等人通过实验得到了“克纽森盐度公式”。 用统一的硝酸银滴定法来测量海水的盐度；在6 0 年代初期，英国国立海洋研究 所考克思( c o x ) 等人应用标准海水，准确地测定了水样的氯度值，然后测定具有 不同盐度的水样与盐度为3 5 0 0 0 、温度为1 5 c 的标准海水在一个标准大气压 u 檄式实验室海水l u 学盐度计的研制 下的电导比，从而得到了盐度与温度、压强等相对电导率的关系式，又称为1 9 6 9 年电导豁度定义。 1 9 7 8 年实用盐标是用测电导的方法测定海水的盐度，与1 9 6 9 年电导盐度定 义不同之处是，它克服了海水盐度标准受海水成分变化的影响问题。在实用盐标 中采用了高纯度的k c l ，用标准的称量法制备成一定浓度( 3 2 4 3 5 7 ) 的溶液， 作为盐度的准确参考标准，解除了氯度和赫度的关系，直接建立了盐度和电导率 比的关系。 2 0 世纪7 0 年代，我国海洋局为改变技术上的落后局面，将我校的h d - 2 型 实验室海水箍度计设为重点攻关项目。研制高精度的海水赫度测量装置。经我校 化学化工学院和工程学院多位专家的联合研发，采用当时国际上最先进的电极方 式，以平衡电桥的方式测定海水的电导率，使我国测定海水盐度的技术提高了几 十倍。达到了当时的国际先进水平。该项目于1 9 7 7 年通过国家海洋局验收和鉴 定，1 9 7 9 年在我校海洋仪器厂币式投产并在全国海洋调查和研究单位推广使用。 该项目年获得1 9 8 3 国家发明四等奖，获得国家发明专利。 2 0 世纪术期各种盐度测量仪器大量涌现，以各种精度等级测量海水的赫度， 满足不同层次的需要。但在高精度测量领域，尤其是达到或超过1 0 - 5 的层次， 技术水平一直没有大的突破。 1 3 课题的研究的主要内容 5 l 电极式实验室海水电导盐度计研制涉及到检测、电子、通讯、控制、化学、 机械等多学科的内容。需要从系统功能分析入手，通过软、硬件两方面的有机结 合来实现。 ( 1 ) 深入研究盐度测量的原理和h d 一2 型赫度测量仪的测量技术，分析仪器的 系统功能组成，提出可行的设计方案。 ( 2 ) 仪器硬件电路设计。盐度计要实现的功能任务很多，而实现这些功能任务 必须有完备、可靠的硬件电路作保证。硬件电路以s o p c 技术为核心，内 部以i p 核完成各种功能，外部以高等级的器件保证测量精度。 ( 3 ) 仪器功能设计和软件编程。合理设计仪器的各项功能和各功能之间的关 系，使仪器使用方便。操作系统此l i n u x 的使用简化了软件设计的难度， 增加了软件的稳定可靠性。 ( 4 ) 数字测量技术研究。数字可控激励源、数字标准支路设计、高灵敏度数字 检流计是整个数字化、自动化电路的核心，配合桥路的数控模拟开关、功 率驱动电路、打印机、l c d 显示器等提高整个仪器的自动化水平。 ( 5 ) 各种数据处理方法研究。豁度计采集的数据量较多，如何有效采集信号并 做出讵确处理是仪器的一项重要研究内容。 ( 6 ) 系统测试及实验。在实验过程中，寻找仪器的不足和技术缺陷进而改进是 2 乜擞武宴验室j f 壬水i 乜学盐度计的研镧 提高仪器水平的一个重要途径。系统测试及实验包括电路测试、软件测试、 功能验证等室内实验和现场试验。 1 4 课题研究的难点啪嗍 海水盐度测量的精度要达到l o 一，对各种软硬件技术有非常高的要求，即使 是一个小小的焊接点或温度变化都会对测量的结果产生很大的影响，因此技术上 围绕高精度和自动测量展开。涉及到数字可控激励源、标准支路设计、高灵敏度 检流计设计、s o p c 技术和软件算法等技术难点。课题解决的关键技术包括： ( 1 ) 数字可控激励源。激励源的特性对测量过程有重要的影响：激励源的频 率影响测量电路中硬件的选择和海水的特性，因此要综合各种因素选择合适的频 率；激励源的波形对数据的处理有较大的影响，不同波形的数据处理算法存在较 大的差异。通过将激励源设计成数字可调方式，可以根据测量要求，随时改变激 励源的频率、波形和幅值，在实验的基础上优化测量结果。 ( 2 ) 标准支路设计。标准支路的设计方式直接影响仪器的自动化测量水平和 测量速度。在本课题中以创新的思路使用数模转换器( d a ) 通过三个d a 组合 的方式实现标准支路，以数字化控制的方法调节电桥平衡，在保证测量精度的基 础上提高测量的自动化水平。 ( 3 ) 高灵敏度检流计设计。高灵敏度检流计是盐度测量的关键部分，直接关 系到测量精度所能达到的等级。测量电桥的输出电压在该部分叠加，因此信号中 的噪声、信号的相位、信号叠加后的强度、信号的零点漂移等都需要精确调整， 同时还要以软件算法保证数据的高速采集，以软件和硬件的配合来保证测量结果 的准确可靠性。 ( 4 ) 数据处理。盐度计中采集的数据量非常的大，对采集的数据要使用不同 的算法处理，包括积分、线性化、求平均值等，并且要根据数据处理结果做出j 下 确的判断，指导下一步的数据采集和处理。 ( 5 ) s o p c 技术。s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术将尽可能大而 完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系 统、d s p 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一f p g a 中 实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、性能指标、丌发 成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化。 ( 6 ) 嵌入式操作系统p c l i n u x 。此l i n u x 负责盐度计系统的全部软、硬件资 源的分配、调度工作，控制协调并发活动；它具有对多种文件系统的支持能力、 内嵌了t c p i p 协议，可以借鉴l i n u x 丰富的资源。操作系统的使用提高了系统 的效率，减小了系统开发的总工作量。 1 5 课题研究的意义【9 】 u 板止实验室海水i u 导箍度汁的研制 盐度是影响海水密度的重要物理量，是海洋学的要素之一。测量盐度不仅在 众多的应用科学如盐化工、水产养殖、生态网络调查、气候气象监测、能源探索 利用等方面都有很重要的意义，而且在生物工程方面也有着重要的意义。 自然界中还有一种重要的能源就是盐差能，盐差能是指海水和淡水之间或两 种含盐浓度不同的海水之自j 的化学电位差能，是海洋能中能量密度最大的一种可 再生能源，赫度为3 5 的海水与河水之自j 的化学电位差相当于2 4 0 米水头差的 能量密度，利用这一水头差就可以直接由水轮发电机发电。要充分发现和利用盐 差能，就需要对河水、湖水和海水的赫度进行实时有效的监测。 海水电导豁度计主要用于陆地或调查船上实验室环境下对海水盐度进行精 密的测定，并用作盐度一温度一深度测量装置( 即s t d 仪) 和电导率一温 度一深度测量装置( 即c t d 仪) 的标定仪器。由于s t d 仪和c t d 仪价格昂贵，因此在我国绝大部分海洋调查和与海水性质研究相关的实验室都采 用海水电导盐度计来测量海水样品的盐度。除海洋调查和海洋科学研究外，随海 水淡化和综合利用技术的推广使用，海水电导盐度计有了广阔的应用前景。 1 6 主要技术指标 下面的指标都是在产品验收时需要达到的： 准确度：4 - o 0 0 3 ( 等效盐度值) 分辨率：4 - 0 0 0 0 3 ( 等效盐度值) 精密度：0 0 0 1 ( 等效盐度值) 稳定性：0 0 0 1 8 h ( 等效盐度值) 温度：常温( 5 c - - 3 5 ) ( 不控温) 测量范围：2 4 2 使用环境：实验室环境，工作温度5 c 3 5 ，相对湿度 9 0 9 6 仪器测试水样速度：1 次3 m ir l s 水浴槽温度测量：5 c 3 5 d - o 0 3 电池；。1 a h 6 v ，工作5 小时 电源：交流2 2 0 v 2 0 w 直流0 5 a 8 v 4 u 檄式实验室海水f u 导黼度计的研制 2 盐度测量原理分析与测量方案确定 “实验室海水电导盐度计”为8 6 3 定型设计产品，它继承了h d - 2 型盐度测 量仪的测量原理，以平衡电桥的方式设计测量电路，以全新的数字化方式实现测 量过程。本章将讨论各种概念、影响盐度的因素、电导率测量方法、h d - 2 型熊 度计原理、本课题盐度计测量原理等。 2 1 课题中涉及的概念川n 2 ” ( 1 ) 绝对盐度( s 一) ：指单位体积中所含盐分的数量，即1 千克海水中所含 溶解物质的总量。海水盐度一般在3 2 3 7 5 o 范围内变化，世界海洋的平均 栽度为3 5 。海水的赫度是海水含盐量的定量量度，是海水最重要的理化特性 之一。 ( 2 ) 实用盐度( s ) 。海水样品的实用盐度是以温度为1 5 c 时，一个标准大 气压下的海水样品的电导率与相同温度和压力下，质量比为3 2 4 3 5 6 1 0 - 3 的氯 化钾溶液的电导率的比值k 1 5 来确定。当k 1 5 值精确地等于1 时，实用盐度等于 3 5 。通过下列方程由k 1 5 来确定实用盐度： s = a o + 口i k x 2 + 口2 k 1 5 + 口3 足落24 - 口4 足矗+ 口5 k 善2 式中a o = o 0 0 8 0 a j = - 0 1 6 9 2a 2 = 2 5 3 8 5 l a 3 = 1 4 0 9 4 1a 4 = 7 0 2 6 1a 5 = 2 7 0 8 1 适用盐度范围为：2 s 4 2 在实际测量中，当温度不是1 5 时，使用盐度的修正公式为： f 1 5 a s = i + k ( t - - 1 5 ) ( b o + 6 l 胄? 坨+ b 2 r , + 岛r ? 心+ b 4 r ? + b s r 5 , 胆) 式中 k = o 0 1 6 2 b o = o 0 0 0 5b l = - - 0 0 0 5 6b 2 = - - 0 0 0 6 6 b 3 = - - 0 0 3 7 5b 4 = o 0 6 3 6b 5 = - - 0 0 1 4 4 实用盐度是为了实际应用而提出的它摆脱了与氯度关系。只存在盐度一电 导率的关系。 ( 3 ) 电导率。电导率是指相距i c m 的两平行会属板电极间充以i c m 3 电解质 溶液所具有的电导。电导率与电导和电极几何尺寸自j 的关系如下： k = l q 式中：q = j a ，称为电极常数或电导池常数，其中j 为两平行板极白j 距，a 为板 极面积，一对具有i c m 准确问距、每个丽积为l c m 二的电极其q = 1 。 水的电导率与其所含无机酸、碱、盐的量有一定的关系。当它们的浓度较低 时，电导率随浓度的增大而增加。新鲜蒸馏水的电导率为0 5 2ps c m ，放置 乜擞止实验室海水i u 呼盐度计的磅f 制 一段时间后增加到2 4 “s c m ；天然水的电导率多在5 0 5 0 0i as c m 之白j ，矿 化水可达5 0 0 1 0 0 0 i j s c m , 含酸、碱、盐的工业废水电导率往往超过1 0 0 0 0 u s c m ：海水的电导率约为3 0 0 0 0 1 1s c m 。 2 2 常用的盐度测量方式【2 】 赫度测定，就方法而占，有化学方法和物理方法两大类。 2 2 1 化学方法 化学方法又简称硝酸银滴定法。其原理是，在氯离子比例恒定的前提下，采 用硝酸银溶液滴定，通过麦克伽莱表查出氯度，然后根据氯度和盐度的线性关系。 来确定水样盐度。此法是克纽森等人在1 9 0 1 年提出的，在当时，不论从操作上， 还是就其滴定结果的精确度来说，都是令人满意的。 2 2 2 物理方法i 。4 】【l 6 1 物理方法可分为比重法、折射法、电导法三种。 ( 1 ) 比重法是指一个大气压下，单位体积海水的重量与同温度同体积蒸馏水的 重量之比。由于海水比重和海水密度密切相关，而海水密度又取决于温度和盐度。 所以比重计的实质是，从比重求密度，再根据密度、温度推求赫度。 ( 2 ) 折射率法是通过测量水质的折射率来确定盐度。海水折射率随靛度增大而 增大，随温度升高而减小。 ( 3 ) 电导法是利用不同靛度具有不同导电特性来确定海水盐度。电导法测量盐 度时需要补偿温度和压力对电导率的影响，采用电路自动补偿的为感应式盐度 计。采用恒温控制设备，免除电路自动补偿的盐度计为电极式盐度计。 感应式盐度计以电磁感应为原理，它可在现场和实验室测量，在实验室测量 的精度可达0 0 0 3 。然而，感应式赫度计需要的样品量很大，灵敏度不如电极 式盐度计高，并需要进行温度补偿，操作麻烦，导致感应式盐度计不如电极式盐 度计的应用广泛。 最先利用电导法测量盐度的仪器是电极式盐度计，由于电极式盐度计测量电 极直接接触海水，容易出现极化和受海水的腐蚀、污染，使性能减退，这就严重 限制了在现场的应用，所以主要用在实验室内做高精度测量。目前广泛使用的 s t d 、c t d 等剖面仪均是电极式结构的。 2 3 海水电导率特性【3 】【7 】 海水电导率不只是海水盐度的函数，而且还是海水温度、压力的函数，因此 必须了解海水温度、压力对海水电导率影响的特性。1 9 7 8 年实用赫标给出的关 系式为； 6 i u 拔式实验室海水j u 导盐度计的研制 s = a o + q 足9 24 - 0 2 k 1 5 + 口，k ：2 + q 足磊+ 吩k 善2 t - - 1 5 bo+b,r)72+b2r,碍72砰+bsr+i-k(t-15)(bo r+b3+b477 2 ) 2 1 ) ” 碍”砰? ”) 其中r ，5 丽弓丽，r 2 瓦= ，( ) 2 瓦二，r ( p ) 2 i = 式中强仲表示盐度为s ，温度为t ，压力为p 的海水电导率，如y3 5 1 5 0 表示 盐度为3 5 ，温度为1 5 ，一个大气压下的海水电导率，适用的范围为：温度一2 3 5 ，压力o 1 0 0 0 b a r ( 1 b a r = 1 0 5 p a ) ，盐度2 4 2 。 2 3 1 海水电导率与温度的关系培】【l 9 】 公式，( f ) ：业表示了盐度为3 5 的海水电导率与温度的关系，在表2 一l i3 5 1 5 0 中列出了不同温度下的r ( t ) 值，并将盐度为3 5 的海水电导率值也列入表中。 表2 1 t ( )r ( t )y3 5 1 5 0 00 6 7 6 6 1 02 9 0 2 4 50 7 7 9 5 6 63 3 4 4 0 1 00 8 8 7 5 2 93 8 0 2 7 1 51 0 0 0 0 0 04 2 8 9 6 2 01 1 1 6 4 9 34 7 8 9 3 2 51 2 3 6 5 3 75 3 0 4 3 3 01 3 5 9 6 7 95 9 3 2 5 表2 1 的数据表明，盐度为3 5 的海水电导率几乎随温度线性地增加，在温 度从0 上升到3 0 ，海水电导率增大了一倍，温度每上升一度，海水电导率约 增大l m s c m 。赫度为3 5 以外的其他赫度，在温度从o c 上升到3 0 时，对应的 海水电导率也增大一倍多。 对于同一种盐度，海水电导率的温度系数不同，低温时温度系数大，高温时 温度系数小。以盐度为3 5 为例，o c 时温度系数为2 9 8 0 ，2 5 时温度系数为 1 9 7 3 ，两者相差1 0 0 7 。而在同一温度下，高哉度的海水电导率温度系数小， 低盐度海水电导率温度系数大。 海水电导率与温度的关系是复杂的，这给电导率转换成盐度时带来很大麻 烦。用电导率法达到高精确度的测定盐度，必须设法消除温度对海水电导率的复 杂影响。 2 3 2 海水电导率与压力的关系 海水具有一定的可压缩性，当压力增加时海水体积减小，这样相同盐度的单 位体积海水中离子浓度就增加，因而使海水电导率增加。此外，由于压力改变了 u 板式实验室海水i u 甘盐度计的研制 海水粘度，影响了离子运动速度，因而也影响了海水电导率。通过下式讨论压力 对海水电导率的影响。 1 ，n 口 r ( p ) 。了= 2 1 + 口 ij j u y “p t “0 则：口2 瓦 上式中a 的含义为海水压力增加引起的海水电导率增加值与个大气压下的海 水电导率的比值。o 具有下面三个特点： ( 1 ) 随着压力的增大，海水电导率增大的百分率a 也增大。如海水电导率为 2 0 m s a m ，温度为5 ，压力为1 0 0 b a r 时，海水电导率增大了1 4 6 3 。 ( 2 ) 海水电导率值大时，压力对海水电导率的影响小；海水电导率值小时，压 力对海水电导率的影响大。 ( 3 ) 随着温度的升高，压力对海水电导率的影响减弱。 通过对海水电导率与温度、压力关系的讨论可以看到，尽管电导率法测定盐 度有若干优点，但由于海水电导率受温度、压力影响较大，所以用电导率法测定 盐度也存在一些麻烦问题。 2 4 海水电导率测量原理 2 l 】 如图2 1 所示，将激励信号加到两个电极上。电极浸入溶液内即可测定溶 液电导率，e 为激励信号，r c 是待测水溶液的等效电阻，r 。是信号源e 的内阻， 只要能测出r c 上的电压降v c 和回路的电流i ，就能按下式求出溶液的电导率： j ，= 而足，其中k 为电导池常数。 e 图2 一l 单电极测量法 在目前技术条件下精确地测定电导池中海水样品的电导值并不困难，但将 电导换算成电导率，却遇到了确定电导池常数的困难。采样电导率比的概念，就 会避免测绝对电导率所遇到的确定电导池常数的困难，目前精确测定电导率均采 用电导率比测量。其参比标准是盐度为3 5 的电导率y3 o ，温度t 时的电导率 比通常表示为 | r “0 尺，2 面 8 u 饭实验室海水l 乜导盐度计的研制 用两个电导池测量电导率比的简单电路如图2 - - 2 。 ：r c l r c 2 图2 2 ：双电导池法 图中r c l 和r c 2 分别表示标准海水和待测海水的等效电阻，两电导池浸在水 浴中，通过搅拌机保持两电导池温度相同。r 4 是已知电阻值的固定电阻，r 3 是 精密电阻箱，e 是交流激励源，a 是放大器，d 是平衡指示器。当调整r 3 使电桥 平衡时，电导率比由下式求得： ，“o r 3k 2 r ，2 磊。百+ 百 式中k l 和k 2 分别为两电导池常数。但实际测量中标准海水的赫度不可能准 确为3 5 ，设标准海水的电导率为yd , t 0 p 将两个电导池注入相同的标准海水，调 整r 3 使电路平衡，当r 3 的值为r 3 时电路平衡，这时有： 恐 足i 1 r d ，o k i 百2 i 瓦2 百( 2 2 ) r 4 一k 2 r d j o k 2 、7 然后将待测电导池内的标准海水换成待测海水，待测海水的电导率为ys , l 0 。 当电阻r 3 的阻值为r 3 ”时电路达到平衡，这时有 砭k l t “o 了= i - + - ( 2 - - 3 ) 凡一k 2 。t “o 。“ 将式( 2 2 ) 带入式( 2 3 ) 得： 毯r 3 t x j 0 了= 了+ -( 2 - 4 ) 髓一b 丫d o 、 7 式( 2 4 ) 是待测海水电导率与标准海水电导率之比，但要求测定的是任意 温度下待测海水的电导率与盐度为3 5 的海水的电导率之比，即r t = y ；l o y3 5 l o 。 为解决这一问题将r t 式中的分子分母同除以yd 。o 得： r ，2 i ：2 t 3 s a o t , i j o o 丛见矿虫心 = 等丝 = u 檄式实验空拇水l 也导赫度计的研制 根据已知标准海水的电导率比yd o y3 5 , 4 0 和电阻r 3 的阻值就可以计算出待 测海水的电导率比r t 。在j 下确测量出待测海水的电导率比r i 后，就可以将和 水浴的温度t 带入式( 2 一1 ) 求出待测海水的盐度。 2 5h d 2 型盐度测量的原理 2 2 】 h d 一2 型盐度计充分利用了平衡电桥的优点，并通过创新性的思维改造电路， 以极高的精度测量海水的赫度。 2 5 1 测量桥路 h d 一2 型盐度计使用一种非恒温型实验室海水电导盐度计工作原理，其特征 是双电极电导池的电导池常数可以不等，利用电阻电桥分压，在非恒温下精密直 读海水相对电导率，并利用该原理设计了平衡电桥式实验室海水电导盐度计。如 图2 4 所示，平衡电桥出四个部分组成： v r c f g 图2 4h d - 2 测量原理图 交流激励源。激励源为桥路提供驱动电压v 耐。当交流激励源的频率低时， 待测海水会产生极化、电解现象；当频率高时，寄生电容、电感的影响变 大，对系统硬件的要求很高。在实验的基础上，把激励源的频率设为1 k h z 。 标准支路。该支路由精密串联十进位可调电阻r 噶l 和r | 2 组成，在激励源 的作用下产生电压u 。： 融2 甜。2 瓦而阿 该电压随l 和r s 2 阻值的改变而变化，通过改变r 唔l 和的值，可调节 电桥的平衡度。 待测支路。r d i 为标准电导池的电阻，池内封装有己知电导率的标准海水； r d 2 为待测电导池的电阻，池内封装的是未知电导率的海水。两个电导池 的结构常数可以不等在激励源的作用下产生电压u b ： l o ) ) ) n 心 h 三擞式实验室海水i u 导盐度计的研制 月d 2 l ，一2 瓦丽i 万v r e f ( 4 ) 高灵敏度检流计g 。检流计使用高灵敏度的微安表，指针的偏转度反映了 l l a 和l l b 间的电压差，当流过检流计的电流为零时，桥路达到平衡，此时 u a = u b ，可得： 兄f 2rd2兄，i 画而+ v r e f = 面而v r e f 即：r d 2 2 面肘l ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 为测量海水盐度提供了数学依据，只要我们保证高灵敏度检流计 的测量精度，就能准确的测量出待测海水的电导率。 使用电桥测量电阻时的精密度主要取决于电桥的灵敏度。当电桥平衡时，若 使r s 2 改变了微小量6r s 2 ，电桥将偏离平衡，检流计偏转r 1 个格，则常用如下的 相对灵敏度s 表示电桥灵敏度。 玎 s 丽 r ，2 由上式可知，如果检流计的可分辨偏转量为1 3 ( 取0 2 0 5 格) ，