理论教育 测量盐度的原理-海洋水文测量

测量盐度的原理-海洋水文测量

时间:2023-09-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:盐度测定,就方法而言,有化学方法和物理方法两大类。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,在实验室测量中精度可达0.003。利用现场温盐深仪测量盐度原理。下面以SYC2-2型实验室海水盐度计测盐度为例加以详细说明。其测量海水电导率为0.1~1.19999,即相当于盐度3~34,使用环境温度条件在0℃以上,室温与通常温度条件下均可,被测水样温度范围在0℃以上,40℃以下,精确度为±0.003,耗水样数量共计60mL。

测量盐度的原理-海洋水文测量

盐度测定,就方法而言,有化学方法和物理方法两大类。

1.化学方法

化学方法又简称硝酸银滴定法。其原理是,在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。此法是克纽森等在1901年提出的,在当时,不论从操作,还是就其滴定结果的精确度来说,都是令人满意的。

2.物理方法

物理方法可分为比重法、折射率法、电导法三种。

比重法测量源自海洋学中广泛采用的比重定义,即一个大气压下,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,由比重求密度,再根据密度、温度推求盐度。

折射率法是通过测量水质的折射率来确定盐度。

以上两种测量盐度的方法存在误差较大、精度不高、操作复杂、不利于仪器配套等问题,尽管还在某种场合下使用,但逐渐被电导法所代替。

电导法是利用盐度具有导电特性来确定海水盐度。

1978年的实用盐标解除了氯度和盐度的关系,直接建立了盐度和电导率比的关系。由于海水电导率是盐度、温度和压力的函数,因此,通过电导法测量盐度必须给予温度和压力对电导率的影响进行补偿,采用电路自动补偿的盐度计为感应式盐度计,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,在实验室测量中精度可达0.003。该仪器对现场测量来说是比较好的,特别对于有机污染含量较多、不需要高精度测量的近海来说,更是如此,因此得到广泛应用。然而,由于感应式盐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,这就导致感应式盐度计又转向电极式盐度计发展。

最先利用电导测盐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,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。加拿大盖德莱因(Guildline)仪器公司采用四极结构的电极式盐度计(8400型),解决了电极易受污染等问题,于是电极式盐度计得以再次风行。目前广泛使用的STD、CTD等剖面仪均是电极式结构的。

利用现场温盐深仪测量盐度原理。从现场调查的CTD仪获取的相对电导率R、温度、压力数据,必须经过处理后方才得到盐度资料,因为现场测定的相对电导率R可分成三部分,即

式(3.5)中C(35,15,0)是一个定标常数,它与定标时实验室的条件有关,MarkⅢ型CTD系统C(35,15,0)=42.909(ms/cm)。

RP、RT和rT可用现场观测得到的温度和压力表示。

压力对电导比的影响,布莱德霄(Bradadshow)测得的结果是:

式中,C1=2.070×10-5,C2=-6.37×10-10,C3=3.989×10-15;d1=3.426×10-2,d2=4.464×10-4,d3=4.215×10-1;d4=-3.107×10-3

rT为标准海水的温度系数,多菲尼(Dauphince)等得到的表达式为:(www.daowen.com)

式中,C0=6.766097×10-1;C1=2.00564×10-2;C2=1.104259×10-4;C3=6.9698×10-7;C4=1.0031×10-9

由此求得RT

通过RT就可算出海水的盐度。

利用温盐深测量仪测盐度时,每天至少应选择一个比较均匀的水层,与实验室盐度计对海水样品的测量结果对比一次,如发现温盐深测量仪的测量结果达不到所要求的准确度,应调整仪器零点或更换仪器探头。对比结果应记入观测日志。温盐深测量仪的电导率传感器必须保持清洁,每次观测完毕都须用蒸馏水(或去离子水)冲洗干净,不能残留盐粒或污物。

下面以SYC2-2型实验室海水盐度计测盐度为例加以详细说明。

SYC2-2型实验室海水盐度计是利用电极电导池在实验室测试海水相对电导率的一种仪器。其测量海水电导率为0.1~1.19999,即相当于盐度3~34,使用环境温度条件在0℃以上,室温与通常温度条件下均可,被测水样温度范围在0℃以上,40℃以下,精确度为±0.003,耗水样数量(包括洗涤)共计60mL。水样采集后可立即测定,用可换海水作温度补偿,因此无需定期校正温度补偿电路,适合在陆上或船上的实验室使用。该仪器采用音频振荡器输入音频电信号供给交流电桥。测量电桥的R3、R4,为简化瓦格纳尔接地支路;rx(RT读数单元)及r1(校准定位单元)均为串联十进位标准电阻箱构成交流电桥两个可调臂。Cx为可调电容器,Cv为固定电容器。检测电路中设置了性能优良的选频放大器,用以抑制各种外来干扰信号,为了使检测系统具有足够的灵敏度和动态范围,还设置了多档衰减器,采用了对数检波器

测定时,先用已知电导比标准海水进行校准,将两电导池注入同一盐度的标准海水(盐度不一定正好等于35),设电导池(1)、(2)内标准海水的电阻分别为和r′,开动搅拌器,经2~3min后两电导池的温度即与水浴温度一致。根据水浴温度t℃及标准海水的盐度查得Rt,调整rx使其读数等于RtN,然后再调整r1使电桥平衡,设这时Rt的读数为Ra,根据交流电桥平衡原理有

式中,、r′分别为电导池(1)、(2),相对电导率为RtN的标准海水时的电阻值。

若设电导池(1)和(2)的电导池常数分别为KN和Kr,标准海水在t℃时的电阻率为PN,则由式(3.9)可得

因电导池的温度系数极小,水浴温度波动对其影响可忽略不计。

所以为一常数,则亦为一常数,即当Ra值固定时,RtN亦固定,不随水浴温度变化而变化。

再将电导池(2)中的标准海水排出,注入待测水样,电导池(1)中的标准海水不换(在测量过程中始终不换),这样在Ra固定的情况下,调整rx旋钮使电桥平衡,设此时rx读数为b,并设电导池(2)中样品海水t℃时电阻为r″,则根据电桥平衡关系有:

由式(3.9)和式(3.10)得:

根据电导盐度定义,水样相对电导率定义为:

式中,L为电导率。

式(3.14)中r35为盐度为35的标准海水在t℃时的电阻,由式(3.11)和式(3.14)得

将式(3.12)与式(3.15)比较则得,Rt待=b。

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