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Piezorestive Measuring Cell Archives - Switzerland (IT)
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CTD (conducibilità, temperatura, profondità)

CTD (conducibilità, temperatura, profondità)

Un CTD – un acronimo per conducibilità, temperatura e profondità – è lo strumento principale utilizzato per determinare le proprietà fisiche essenziali dell’acqua marina. Fornisce agli scienziati una rappresentazione accurata e completa della distribuzione e della variazione della temperatura dell’acqua, della salinità e della densità per capire come gli oceani influenzano la vita.

Come funziona.

Il CTD a bordo consiste in una serie di piccole sonde attaccate a una grande ruota di metallo a rosetta. La rosetta viene affondata sul fondo del mare tramite un cavo, e gli scienziati monitorano le proprietà dell’acqua in tempo reale tramite un cavo dati che collega il CTD a un computer sulla nave. Un dispositivo telecomandato permette di chiudere selettivamente le bottiglie d’acqua durante la risalita dello strumento. Un CTD standard impiega dalle due alle cinque ore per raccogliere una serie completa di dati, a seconda della profondità dell’acqua. I campioni d’acqua sono spesso raccolti a profondità specifiche in modo che gli scienziati possano conoscere le proprietà fisiche della colonna d’acqua in quel particolare luogo e momento.

Piccoli sensori CTD a bassa potenza sono utilizzati anche in strumenti autonomi:

Un profiler ormeggiato effettua misurazioni ripetute delle correnti oceaniche e delle proprietà dell’acqua su e giù attraverso quasi tutta la colonna d’acqua, anche in acque molto profonde. Gli strumenti di base che trasporta sono un CTD per la temperatura e la salinità e un ACM (misuratore acustico di corrente) per misurare le correnti, ma altri strumenti possono essere aggiunti, compresi i sensori bio-ottici e chimici.

Gli Spray Gliders vagano nell’oceano in modo indipendente, eseguendo rotte pre-programmate ed emergendo occasionalmente per trasmettere i dati raccolti e accettare nuovi comandi. Mentre navigano orizzontalmente attraverso l’oceano, le vesciche interne controllano la loro galleggiabilità, permettendo loro di navigare su e giù attraverso la colonna d’acqua come le balene e altri animali marini.

I galleggianti sono robot galleggianti che prendono profili o serie verticali di misure (ad esempio, temperatura e salinità) negli oceani.

I veicoli subacquei autonomi (AUV) sono veicoli robotici programmabili che, a seconda del loro design, possono andare alla deriva, guidare o scivolare attraverso l’oceano senza controllo in tempo reale da parte di operatori umani. Alcuni AUV comunicano con gli operatori periodicamente o continuamente attraverso segnali satellitari o segnalatori acustici subacquei per consentire un certo livello di controllo.

Quali piattaforme sono necessarie?
Una varietà di altri accessori e strumenti possono essere inclusi nel pacchetto CTD. Questi includono bottiglie Niskin che raccolgono campioni d’acqua a varie profondità per misurare le proprietà chimiche, profilatori acustici di corrente Doppler (ADCP) che misurano la velocità orizzontale, e sensori di ossigeno che misurano i livelli di ossigeno disciolto nell’acqua.

Caratteristiche dei sensori del CTD

  • Resistente all’acqua salata
  • Alta precisione
  • Leggero
  • Basso consumo energetico
  • Può essere utilizzato a profondità fino a diverse migliaia di metri

Commenti:
I piccoli sensori CTD a bassa potenza utilizzati su strumenti autonomi come i profilatori della colonna d’acqua, gli alianti spray, i galleggianti e gli AUV sono più complessi da utilizzare. La limitazione principale è la necessità di calibrare i singoli sensori. Questo è particolarmente vero per gli strumenti autonomi che sono schierati per lunghi periodi di tempo. (I CTD delle navi fanno riferimento ai dati dei campioni d’acqua, che generalmente non sono disponibili per gli strumenti autonomi). Pertanto, i sensori devono essere stabili per il periodo di dispiegamento, o si devono fare ipotesi sulle proprietà dell’acqua di mare e fare riferimento ai dati. Le proprietà delle acque profonde sono in genere molto stabili, quindi i dati dei sensori autonomi sono abbinati alle proprietà storiche dell’acqua in profondità.
STS fornisce celle di pressione ad alta precisione per questa applicazione specifica.

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Effetto dell’idrogeno sui trasduttori piezo (bio fouling)

Effetto dell’idrogeno sui trasduttori piezo (bio fouling)

BIOFOULING

Il biofouling o fouling biologico è l’accumulo di microrganismi, piante, alghe o animali su superfici bagnate, dispositivi come prese d’acqua, tubature, griglie, vasche e naturalmente sugli strumenti di misura, causando la degradazione dello scopo primario di questi elementi.

ANTIFOULING

L’antivegetativa è il processo di rimozione o prevenzione di questi accumuli. Esistono diverse soluzioni per ridurre/prevenire i processi di fouling sugli scafi delle navi e nei serbatoi di acqua marina o salmastra.

Rivestimenti tossici speciali che uccidono gli organismi biofouling; con la nuova direttiva UE sui biocidi molti rivestimenti sono stati vietati per motivi di sicurezza ambientale.

  • Rivestimenti antiaderenti non tossici che impediscono l’attaccamento dei microrganismi sulle superfici. Questi rivestimenti sono di solito basati su polimeri organici. Si basano su un basso attrito e su basse energie di superficie.
  • Antivegetativa a ultrasuoni. I trasduttori a ultrasuoni possono essere montati all’interno o intorno allo scafo su barche di piccole e medie dimensioni. I sistemi sono basati su una tecnologia collaudata per controllare le fioriture di alghe.
  • Irradiazione laser pulsata. La tecnologia degli impulsi al plasma è efficace contro le cozze zebrate e funziona stordendo o uccidendo gli organismi con una durata di microsecondi, energizzando l’acqua con impulsi ad alta tensione.
  • Antifouling tramite elettrolisi
  • Gli organismi non possono sopravvivere in un ambiente con ioni di rame.
  • Gli ioni di rame si formano per elettrolisi con un anodo di rame.
  • Nella maggior parte dei casi, l’alloggiamento del serbatoio o lo scafo della nave serve da catodo.
  • Un anodo di rame installato nella configurazione genera un’elettrolisi tra l’anodo e il catodo.

L’elettrolisi può apparire a causa di sistemi di trattamento dell’acqua di zavorra (elettrolisi e sistemi UV), processi di corrosione o differenze di potenziale elettrico tra diversi materiali.

EFFETTO DELL’ELETTROLISI SUL TRASDUTTORE PIEZORESISTIVO

  • Un risultato dell’elettrolisi sono ioni idrogeno positivi
  • A causa della loro polarizzazione, gli ioni di idrogeno si muovono verso il catodo (alloggiamento del serbatoio o scafo della nave) dove è installato il trasduttore.
  • In caso di contatto diretto tra serbatoio e trasduttore, gli ioni di idrogeno permeano attraverso la componente più sottile dell’anodo, che è il diaframma del trasduttore.
  • Dopo la permeazione degli ioni di idrogeno attraverso il diaframma, gli ioni di idrogeno afferrano un elettrone e si trasformano in idrogeno molecolare (H2). L’idrogeno si accumula nel fluido di riempimento del trasduttore.
  • Se questo effetto dura per un periodo più lungo, la concentrazione di idrogeno nel fluido di riempimento aumenterà e il diaframma si gonfierà. di conseguenza, il sensore va alla deriva ed emette un valore errato.

RISULTATI

I trasduttori di pressione in acciaio inossidabile in servizio per 2-3 anni nelle cisterne di zavorra delle navi sono stati analizzati e la ricerca ha dato i seguenti risultati:

La formazione di depositi sulle membrane di acciaio inossidabile non può essere impedita nella pratica. Finché i processi di corrosione possono avere luogo sulla membrana in condizioni anaerobiche, la formazione di idrogeno e la sua penetrazione nel sensore devono sempre essere previste.

Per questo motivo, in tali condizioni, la membrana dovrebbe essere fatta di un materiale più resistente alla corrosione come il titanio.

La corrosione delle fessure si verifica su parti metalliche in presenza di un mezzo corrosivo in fessure strette e non sigillate come le sovrapposizioni e nelle saldature non passanti. La forza motrice è la differenza di concentrazione tra il mezzo nella lacuna e l’area esterna alla lacuna, che è causata dalla diffusione inibita dei reagenti nella lacuna. La differenza di potenziale associata alla differenza di concentrazione porta alla corrosione elettrochimica nella lacuna (tipo idrogeno) o nelle sue immediate vicinanze (tipo ossigeno).

Per questo motivo, la membrana deve essere saldata all’alloggiamento.

RACCOMANDAZIONE

In base a questi risultati, la STS Sensor Technik Sirnach AG utilizza con successo da oltre 10 anni sensori piezoresistivi senza elastomeri con custodia e membrana in titanio per applicazioni in acque marine, salmastre e di mare.

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