溫鹽深測量儀電導率傳感器校準的優化與提升

2019-01-07 05:10:28趙東蕾

中國測試 2018年12期

晏天，梁杰，趙東蕾，錢飛，李帆

(國家海洋局南海標準計量中心，廣東廣州 510715)

0 引言

海水鹽度是海洋觀測、監測和調查的重要參數之一，常用實用鹽度來表征。實際工作中，通過測得海水的電導率及在該溫度下的海水溫度，采用78鹽標方程計算得出海水的實用鹽度。溫鹽深測量儀（CTD）是一種能直接測量海水溫度、鹽度（電導率）及深度（壓力）的儀器，廣泛應用于海洋調查中。現有的溫鹽深測量儀智能化電導率傳感器常用的有電磁感應式和電極式，而電極式電導率傳感器以其測量精度高、抗干擾強等優點在溫鹽深測量儀中得到廣泛使用[1]。針對溫鹽深測量儀的檢定和校準，華盛頓大學[2]研制了具有不同溫度和鹽度參數的雙層恒溫海水槽，對溫鹽深測量儀進行了動態校準，美國海軍海洋辦公室[3]研制了帶有隔板的海水槽，建立了1 cm的階躍層界面，在6 m/s的下放速度下，測出了Neil Brown公司生產的CTD電導率傳感器時間常數為25 ms。在國內，有檢定規程JJG 763-2002《溫鹽深測量儀》[4]可以用于溫鹽深測量儀的檢定。其中，電導率傳感器的檢定是在鹽度為35的靜態大洋海水中測得不同溫度條件下海水標準電導率和儀器電導率示值來判斷海水電導率傳感器是否合格，但對于此類傳感器儀器，尚未制定校準規范，而傳感器儀器校正參數會隨時間的推移而發生漂移，實際工作中也發現，未經電導率校準方程校準的電導率傳感器無法達到儀器本身技術指標和高精度測鹽的要求。工作中發現，如果需滿足一級溫鹽深測量儀電導率傳感器技術指標要求（MPE:±0.002 S/m），都必須經過電導率校準方程校準。因此，對溫鹽深測量儀電導率傳感器開展校準研究，是一項十分有必要的工作。同時，國內溫鹽深測量儀電導率傳感器技術難度復雜，易受溫度和壓力的影響，其校準研究長期處于空白狀態。電導率測量的準確性也將直接影響到鹽度測量的準確性。鹽度為35時，海水電導率隨溫度呈線性變化，但在其他鹽度條件下時，海水電導率變化復雜，隨溫度呈非線性變化，線性常數處處不一樣，這使海水電導率與鹽度之間的換算關系變得較為復雜[5]。在實際工作中，也發現，世界大洋海水鹽度分布位于33～37之間[6]。因此，針對不同鹽度條件下電導率傳感器的校準研究是驗證電導率校準方程適用性的一種有效手段，也是開展鹽度測量實際工作的具體需求。

胡波[7]針對溫鹽深測量儀實驗室校準進行了研究，并系統研究了溫度參數方程的測算，同時詳細指出了電導率和壓力的常規示值誤差校準方法。索利利等[8]參照檢定規程JJG 763-2002針對海水電導率測量儀進行了校準并對校準結果的不確定度進行了分析，并得出該方法完全滿足海水電導率測量儀校準的需要。李揚眉[9]按照檢定規程JJG 763-2002的方法對Seabird 911 Plus CTD電導率傳感器進行了校準及不確定度分析，得出溫鹽深測量儀電導率傳感器實驗室校準的擴展不確定度為1.2×10-3～1.5×10-3mS/cm（k=2）。

目前針對溫鹽深測量儀電導率傳感器的校準，還鮮有學者使用電導率校準方程的方法對電導率傳感器校準過程進行研究，并且分析和驗證電導率校準方程在常用鹽度（33～37）條件下的校準適用性。本文選用目前市面最為廣泛使用的Seabird溫鹽深測量儀，通過測量溫鹽深測量儀電導率傳感器在不同鹽度條件下輸出示值，利用含溫度和壓力修正的4階電導率校準方程通過Matlab進行修正系數回歸，在檢定規程JJG 763-2002的基礎上，優化與提升傳統的溫鹽深測量儀電導率傳感器示值誤差校準。同時，又對該方法在不同海水鹽度條件下（33和37）的電導率校準方程進行了一致性驗證，為溫鹽深測量儀電導率傳感器的校準的擴展、優化和提升提供思路。

1 電導率校準數值方程

對于溫鹽深測量儀，相對于溫度和壓力的校準，電導率傳感器的校準一直是難點，而且電導率傳感器最容易發生漂移，對于電極式電導率傳感器，根據其特性，有三電極，五電極甚至是七電極[10-11]，不僅是溫度會影響到其最終測量結果，甚至壓力對電導率的測量也會有極大的影響，事實上，電極式電導率傳感器測量電極一般由激勵電極和接收電極組成，激勵電極產生激勵信息，并在被測溶液中產生電場，再由接收電極將電場中的電信號接收并傳輸到放大電路，最后將電信號轉換為采集系統可識別的信號輸出，該信號輸出經數值方程轉換后，可導出被測溶液電導率值[12]。

針對美國Seabird公司生產的SBE系列溫鹽深測量儀，其電導率傳感器校準都是通過含溫度和壓力修正的4階電導率校準方程來實現[13]，其電導率輸出示值是經電信號輸出轉換為的頻率信號，其常用數值方程為式中：、——溫度、壓力修正系數，在這里取為-9.57×10-8，取為 3.25×10-6；

t——溫度值，℃；

p——壓力值，104Pa；

g，h，i，j——修正系數，非線性回歸求得；

f——傳感器頻率信號輸出值，kHz；

Conductivity——電導率，S/m。

2 儀器和方法

2.1 儀器

采用的計量標準器和配套設備是高精度海水恒溫槽（15 min內波動性不大于2 mK，均勻性不大于1 mK），測溫比較電阻儀（相對誤差不大于1×10-5），標準鉑電阻溫度計（一等），高精度鹽度計（鹽度測量誤差優于0.002）。

采用的被測儀器主要是美國Seabird公司SEB 19plus 3500m CTD（19P40439-4875），美國 Seabird公司 SEB 19plus 7000m CTD（19P59081-6549），美國 Seabird公司 SBE 25plus 3500m CTD（25-1055），美國 Seabird公司 SBE 25 3500m CTD（2567165-0516）。

2.2 實驗方法

選取鹽度為35的海水，置于高精度海水恒溫槽中，調節海水溫度分別為 35 ℃，30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃，10 ℃，5 ℃和0 ℃來改變海水電導率。在每個溫度點，采用一等標準鉑電阻溫度計測得海水標準溫度，高精度鹽度計測得海水標準電導率。同時記錄SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）和SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）在海水中的電導率傳感器輸出信號示值（kHz）。在溫度點為35 ℃至0 ℃依次測量儀器輸出的示值與標準海水電導率值，通過Matlab非線性回歸含溫度和壓力修正的4階電導率校準方程，得出修正系數。

采用上述方法，分別使用電導率校準方程驗證SBE 25plus 3500 m（25-1055）和SBE 25 3500 m（2567165-0516）在鹽度為33和37海水中的適用性。

3 實驗結果

3.1 電導率傳感器在鹽度為35海水校準數據

分別將 SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）和SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）在鹽度為 35的海水中進行電導率的校準，根據式（1）測算兩者的電導率校準方程，并將校準值和未校準前的電導率值、標準電導率值進行比較。其中SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）的校準值和校準參數見表1，SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）的校準值和校準參數見表2。

從表1和表2中可以看出，未經電導率校準方程校準前，SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）電導率示值誤差絕對值最大達到了0.01356 S/m，而經電導率校準方程校準后電導率示值誤差絕對值最大不超過0.000 31 S/m；未經電導率校準方程校準前，SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）電導率示值誤差絕對值最大達到了0.012 57 S/m，而經電導率校準方程校準后電導率示值誤差絕對值最大不超過0.000 90 S/m。由此可以得出，電導率校準方程能有效校準溫鹽深測量儀電導率傳感器在鹽度為35海水條件下電導率示值，并且經電導率校準方程校準后顯著提升其在不同溫度下的電導率測量準確度，校準后的電導率傳感器滿足一級溫鹽深測量儀技術指標要求（MPE:±0.002 S/m）。

表1 SBE 19plus 3500m（19P40439-4875）在鹽度35海水中校準數據1)

表2 SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）在鹽度35海水中校準數據1)

3.2 電導率傳感器在鹽度為33和37海水中校準數據

測量溫鹽深測量儀電導率傳感器在鹽度值為33和37海水中適用性，是驗證電導率校準方程在不同鹽度海水條件下一致性符合的重要手段。分別測量SBE 25plus 3500 m（25-1055）和SBE 25 3500 m（2567165-0516）在鹽度為33和37的海水中電導率校準方程，如表3、表4所示。