Средняя концентрация солей в водах открытого океана соответствует солености 35. Меньшая соленость наблюдается в прибрежных районах океана, особенно в местах выноса пресных вод из рек, а также в высоких широтах, где океаническая вода опресняется за счет таяния льда. Влияние стока рек обычно сказывается на изменчивости солености лишь в поверхностном 15—30-метровом слое, под которым, как правило, наблюдаются максимальные значения этого параметра. В некоторых внутренних морях, где приток речной воды невелик, а испарение значительно, наблюдается повышенная соленость, доходящая до 41, например в Красном море.
Однако этим методом невозможно уловить действительную динамику изменения солености, а сами определения путем титрования на хлор имеют существенные погрешности.
Для повышения достоверности косвенных измерений солености используется метод измерения электропроводимости морской воды. Электрическая проводимость воды в океане определяется концентрацией растворенных в ней солей, температурой и давлением.
Рис. 1. Зависимость электрической проводимости морской воды от солености и температуры.
до 38 изменение электропроводимости в зависимости от температуры составляет 2,2—2,3% на 1 °С, а от солености воды — примерно 2,5% на 1. Изменение же гидростатического давления не оказывает существенного влияния на изменение электропроводимости, составляя примерно 0,011 % на 0,1 МПа.
Поле электропроводимости в океане характеризуется временной и пространственной изменчивостью. Это объясняется непостоянством температуры воды и концентрации растворенных в ней солей в различных районах океана. Наибольший диапазон изменения электропроводимости в открытом океане имеет поверхностный слой воды.
Самая низкая электропроводимость наблюдается в Индийском океане (2,41 См/м). В Индийском же океане существует район и с самой высокой электропроводимостью, доходящей до 6,01 См/м. В восточной части Средиземного моря и в Красном море наблюдается наивысшее значение электропроводимости, доходящее до 7 1 См/м.
Соленость вод Черного и Балтийского морей, которые имеют небольшой водообмен с океаном, колеблется в пределах от 10 до 25 А в период паводка в устьевых районах больших рек соленость вод снижается до 5—2. Очевидно, это наименьшее значение солености, соответствующее значению электропроводимости 0,2 См/м.
Таким образом, возможный диапазон изменения электропроводимости составляет от 0,2 до 7 См/м. Если же исключить аномальные значения солености вод, нехарактерные для основной массы вод океана и внутренних морей, пределом 18—38, то диапазон изменения электропроводимости может быть принят равным от 1.6 См/м при температуре 0 °С до 6 См/м при температуре 30 °С.
Температурные неоднородности водной среды порождают колебания значений электропроводимости. Неоднородность поля электропроводимости проявляется в значительной степени в зонах конвергенции, в устьевых участках рек, в районах таяния льда, а также в экваториальных зонах на границе раздела верхнего опресненного слоя воды. На частотный спектр измеренной электропроводимости воды оказывают влияние также аппаратура и методика измерений.
Обычно измерения электропроводимости требуется проводить с достаточно высокой точностью, особенно, если эти данные необходимы для расчета плотности воды при определении геострофических течений на больших глубинах океана, где она является исходной величиной, используемой для расчета концентрации солей. Так, для обеспечения расчета плотности воды с точностью 10~® г/см3 необходимо определить соленость с точностью Ю-2 в поверхностном слое воды и с точностью Ю-3 на больших глубинах океана. Это в свою очередь соответствует точности измерения электропроводимости 1,43-10«3 См/м при температуре 28°С в поверхностном слое воды и 0,87-10~3 См/м при температуре 5°С на больших глубинах океана.
При проведении гидрофизических исследований в океане для восстановления крупномасштабных полей солености, когда расстояние между точками, где проводятся измерения, превышает 10 миль, точность определения солености должна быть равна 0,01—0,03, что соответствует точности измерения электропроводимости (1,5 5,0)-10~3 См/м.
Электрические методы определения солености по сравнению с химическими обладают оперативностью, тем самым позволяя оценить соленость воды в большом числе точек за короткий промежуток времени. Эти методы позволяют также определить изменение солености во времени. Обычно измеряют удельную электрическую проводимость, поскольку она является интегральной характеристикой всех растворенных солей и, следовательно, весьма информативной характеристикой. При ее измерении существует также возможность использовать высокочувствительные и точные средства измерения температуры и давления, что в сумме дает возможность получить достаточно точные результаты определения солености.
Рис. 2. Характеристики удельной электрической проводимости.
С ростом же концентрации электролита линейность существенно нарушается. Нелинейность при этом учитывается соответствующей градуировкой прибора или таблицами перевода измеренной удельной электропроводимости в соленость.
Существующие электронные приборы позволяют измерить удельную электропроводимость в диапазоне 1,7—7 См/м с относительной погрешностью ±0,05—0,1 %.
Единица удельной электропроводимости воды (См/м) определяется из соотношения 1 См/м= 1/(Ом-м).
Однако изготовление ячеек с постоянным сечением по длине жидкостного столба представляет большие технические сложности. Необходимо также принять во внимание погрешности, возникающие на электродах. Они определяются ЭДС двойного слоя на границе электрода и раствора при измерениях сопротивления ячейки на постоянном токе или с емкостью между электродами ячейки и раствором, если измерения проводятся на переменном токе.
Практически пригодные методы измерения удельной электропроводимости в реальных условиях основываются на следующих трех типах датчиков: контактных, емкостных и индуктивных.
Контактные датчики построены на основе кондуктивных измерителей. В кондуктивных измерителях часто применяются измерительные ячейки, имеющие четыре электрода, обычно из платины. На два электрода подается напряжение питания, а с двух других электродов снимается напряжение, которое оказывается пропорциональным удельному сопротивлению исследуемого раствора.
схемы измерителя, потенциометром «ток датчика». Потенциальные электроды через емкости С1 и С2 подключены к входному дифференциальному усилителю пульсашюнного канала, обладающему большим входным сопротивлением и хорошим подавлением синфазного сигнала.
Выходной сигнал усилителя, пропорциональный падению напряжения между потенциальными электродами, поступает на схему двухполупернодного детектора сигнала, суммирующий каскад которого выполнен на интеграторе. На интегратор также подается напряжение от потенциометра «ток датчика». С выхода интегратора напряжение поступает на модулятор, в котором измеряется электропроводимость канала полевого транзистора, включенного в цепь отрицательной обратной связи генератора.
Рис. 3. Конструктивная измерительная ячейка.
Таким образом, напряжение генератора изменяется так, чтобы на потенциальных электродах ячейки В1 поддерживалось постоянное падение напряжения, при этом изменяется ток, протекающий через ячейку.
С выхода интегратора через полосовой фильтр напряжение сигнала, пропорциональное электропроводимости воды, поступает на усилитель и далее на выход измерителя.
Ток, протекающий через ячейку, создает падение напряжения на резисторе R1, пропорциональное проводимости воды между токовыми электродами ячейки. Это напряжение через емкость СЗ поступает на входной усилитель канала средней электропроводимости, с выхода которого — на двухполупериодный детектор сигнала. Суммирующий каскад детектора выполнен в виде интегратора.
Индукционные датчики практически не чувствительны к образованию на электродах датчика тонких поверхностных пленок и биологических обрастаний. Индуктивный способ измерения электропроводимости основан на принципе электромагнитной индукции.
Рис. 4. Схема индукционного измерителя электрической проводимости.
Из-за эффекта поляризации в электродных ячейках и трансформаторных связях в индуктивных ячейках первичные преобразователи измеренной электропроводимости могут работать только на переменном токе.
Распространение получили в основном три измерительные схемы на переменном токе.
На рис. 5 показана схема включения четырехэлектродной ячейки. В схеме используются изолированные измерительные трансформаторы с перекидными ключами и прямоугольная форма сигналов питающих напряжений.
Погрешность измерения удельной электроводимости такой схемы не превышает ±0,002 См/м.
На рис. 6 приведена схема включения ячейки, которая предложена Н. Брауном.
Рис. 5. Схема включения четырех-электродной ячейки.
Аналогично приборам для измерения температуры воды в океане аппаратура для измерения электропроводимости может использоваться в нескольких режимах: стационарном, зондирующем и буксируемом. Кроме того, существуют приборы для измерения электропроводимости воды в лабораторных условиях.
Рис. 6. Схема включения ячейки Брауна.
Рис. 7. Схема уравновешивания магазином проводимости.
Рис. 8. Схема уравновешивания делителем напряжения.
Большую популярность в последние годы приобрели зондирующие приборы для измерения электропроводимости, температуры и давления. Такие зонды позволяют дать комплексную информацию о состоянии среды.
Большинство зондов имеют кабельные линии связи, по которым на борт судна передается непрерывно информация об измеряемых параметрах. Это обеспечивает получение оперативной информации и дает возможность непрерывно контролировать результаты измерений и соответствующим образом корректировать режим зондирования. В зависимости от схем первичных преобразователей в качестве линий связи могут использоваться многожильные и одножильные кабель-тросы.
Для работы на больших глубинах (до 6 км) применяются зонды с автономной регистрацией результатов измерений, которые опускаются на тросе.
В настоящее время для измерения электрической проводимости, солености, температуры и давления существует несколько типовых блок-схем зондов.
Ниже приведены типовые блок-схемы зондов для измерения электрической проводимости, температуры воды и давления.
Рис. 9. Блок-схема цифрового зонда.
На рис. 9 дана блок-схема цифрового зонда для измерения электропроводимости, температуры и давления.
Первичные преобразователи электропроводимости, температуры и давления подключаются к измерительным схемам, в качестве которых обычно используются компенсационные мосты. Коммутатор каналов поочередно подключает схемы измерения параметров к преобразователю аналог—код. С выхода преобразователя полученные данные передаются на борт судна последовательным двоичным кодом. Управляет работой зонда программное устройство с кварцевым генератором, который определяет точную последовательность команд. На борту судна информация от зонда поступает в преобразователи код—аналог и код—код. Информация после этих преобразователей может регистрироваться как в графической, так и в цифровой форме.
На рис. 10 приведена блок-схема зонда, в котором передача данных происходит с помощью частотно-модулированных сигналов. Первичные датчики электропроводимости температуры и давления подключены к схемам измерительных генераторов. Частота
выходного напряжения этих генераторов пропорциональна измеренному параметру. После фильтрации сигналы поступают в линию связи и передаются на борт судна. Далее они разделяются полосовыми фильтрами на три канала и поступают на измерители частоты. С выхода частотомера сигналы в аналоговой и в цифровой форме поступают на графопостроитель или перфоратор.
Рис. 10. Блок-схема частотного зонда.
Рис. 11. Блок-схема зонда с компенсацией давления и температуры.
На рис. 11 приведена блок-схема зонда для измерения электропроводимости, температуры и давления. Отличие зонда состоит в наличии в измерительной схеме канала электропроводимости корректирующих цепочек для компенсации влияния гидростатического давления и температуры.
Первичные преобразователи температуры и давления подключены непосредственно к схемам измерительных генераторов. Первичный преобразователь электрической проводимости включен в схему измерительного генератора через две корректирующие цепочки: схему компенсации давления, В состав компенсационных схем включены дополнительные первичные преобразователи давления и температуры с функциональными характеристиками. Совокупность этих первичных преобразователей и корректирующих цепочек входит в состав измерительного генератора.
Для преобразования первичных данных в зондах обычно используются или частотно-модулированные измерительные генераторы, или цифровые преобразователи аналог—код. Иногда, если в цифровых зондах первичные преобразователи работают как частотно-модулированные генераторы, устанавливается дополнительный преобразователь частота—код.
Следует отметить, однако, что схемы с частотно-модулирован-ным преобразователем сигнала обладают рядом недостатков. Прежде всего они обеспечивают низкий динамический диапазон, в связи с чем обычно вводится несколько поддиапазонов. Кроме того, измерительные генераторы обычно длительное время входят в нормальный рабочий режим после включения питания. Это время еще более увеличивается с повышением требований к точности измерений. В связи с этим применение схем с частотно-модулированным преобразованием в автономных приборах, имеющих ограниченную емкость питания, нецелесообразно.
Схемы с частотно-модулированным сигналом успешно применяются в зондах, имеющих кабельную связь с обеспечивающим судном.
Приборы с цифровыми преобразователями данных имеют ряд преимуществ по сравнению с системами с частотно-модулированным преобразованием сигнала. Приборы с цифровым преобразованием сигнала отличаются более высокой точностью измерения и более широким динамическим диапазоном преобразования. Цифровые преобразователи более удобно использовать в многоканальных измерительных системах, когда, кроме электропроводимости, прибор измеряет температуру и давление, например, использование в этом случае частотно-модулированного преобразования приводит к усложнению схем, поскольку для каждого первичного преобразователя требуется отдельный измерительный генератор. Регистрация цифрового кода также имеет ряд преимуществ. Запись параллельного или последовательного кода на магнитной ленте может осуществляться с высокой плотностью. Кроме того, работа цифрового регистратора в стартстопном режиме не имеет технических ограничений. При этом отпадает необходимость в стабилизации скорости протяжки. Упрощаются также требования к системе считывания данных с магнитной ленты.
В зондах с автономной регистрацией запись данных производится обычно на магнитной ленте параллельным или последовательным кодом. В последних конструкциях зондов применяются графические многоканальные регистраторы барабанного типа. Чаще же всего используются графопостроители, ленточные перфораторы и магнитные накопители, регистрирующие данные в виде частотно-модулированного или цифрового кода.
Во многих отечественных и зарубежных моделях зондов предусматривается измерение большого числа параметров среды. Помимо электропроводимости, температуры и давления, измеряются содержание в воде кислорода, скорость звука, рН и др.
Принципы построения этих зондов в целом остаются подобными изложенным выше. В качестве примера такого многокомпонентного зонда может служить гидрохимический зонд ИОАН.
Аппаратура зондирующих приборов может быть установлена на буксируемый либо на автономно движущийся носитель. В первом случае информация передается на обеспечивающее судно, во-втором информация записывается на бортовой магнитофон. Буксируемые и автономные носители позволяют производить измерения электрической проводимости, температуры и давления при движении на каком-либо заданном горизонте или при переходе с горизонта на горизонт до глубины нескольких сот метров. Буксируемые системы ведут измерения обычно при скоростях движения до 12—15 уз.
В последнее время появились автономные самовсплывающие универсальные зонды. Такие зонды созданы в США и во Франции. Они позволяют производить измерения нескольких параметров до глубины 2,5—3,0 км в режиме свободного погружения со скоростью до 2 м/с.
Их широкое применение ограничивается сложностью последующего поиска всплывшего зонда на взволнованной поверхности океана, особенно в районах с сильными течениями. Регистрация измеренных параметров в автономных самовсплывающих зондах осуществляется на магнитную ленту.
Большое значение имеет измерение солености или электропроводимости воды в лабораторных условиях на борту судна. Такие измерения широко распространены до настоящего времени в океанологических экспедициях. Измерения проводятся электронными солемерами высокой точности. Такие измерения, в частности, необходимы для обеспечения градуировки и поверки гидрографических зондов, предназначенных для измерения солености или электрической проводимости in situ.
Принцип их действия обычно основан на сравнении электрической проводимости исследуемой пробы воды с эталонной пробой, в качестве которой используется копенгагенская «нормальная вода». Первичными преобразователями в этих приборах, как правило, служат бесконтактные тороидальные индукционные датчики. Для компенсации влияния температуры на измерение электропроводимости используются термокомпенсирующие цепочки с полупроводниковыми или проволочными термометрами сопротивления.