基于三電極的船載表層溫鹽測量儀設計和試驗

蘭 卉，許麗萍，李紅志，梁津津，張 挺，王 磊

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海水的溫度和鹽度是最基本的海洋水文參數，監測表層海水溫度和鹽度變化規律，特別是遠海大洋廣泛海域的海水表層溫度和鹽度數據對研究全球海洋環流、大氣環流、海氣界面通量和海洋氣象與氣候具有重要意義[1]。海水表層溫度和鹽度數據可以作為海洋環境數值預報和災害性海況遙測的基本數據資料，在水產養殖中可以用于預報生態環境變化規律和控制生物最佳養殖環境等，具有廣泛的科研和應用價值。隨著海洋調查船的大量使用，借助于船舶搭載的海洋表層溫鹽測量儀可以構筑起整個海洋脈絡的橫縱向溫度鹽度數值，構建一個完整的海洋“體檢圖”。

在船舶航行過程中同時進行海水溫度、鹽度和深度剖面測量的平臺已獲得廣泛應用，利用漂泊浮體（如浮標和浮球）進行表層溫鹽測量的測量方法也已經存在多年，但是上述兩種測量方式均存在不足。前者需要派遣專業科考船實施觀測，必須使船舶加裝專用絞車，利用專用絞車在船舶處于漂泊或走航時將溫度、鹽度和深度剖面測量儀下放至水下，完成數據測量[2]；后者需要大量投放測量浮體，將溫鹽測量儀器安裝在浮體底部，隨海浪和海流自由漂泊。由于遠海海洋深度很大，在浮體上安裝錨鏈等固定裝置無法實現，因此浮體的測量位置不受控制。上述兩種溫鹽數據獲取方式均為點狀間隔分布，不能形成線狀連續數據流，而且溫鹽數據的獲取成本很高。

船載表層溫鹽測量儀是一種可以在船舶航行的同時實現快速、隱蔽、大范圍地獲取海洋表層溫度、鹽度數據的儀器。與傳統溫鹽深設備相比，其無需船舶停航、無需大型拖曳設備；與投棄式剖面測量儀器相比，其測量精度更高，無需丟棄，極大地節約了海洋調查成本，特別適用于海上大范圍科學調查和爭議海區的海上軍事測量活動，對提高我國遠海觀測能力有重要意義[3]。目前市場上的船載表層溫鹽測量儀以美國海鳥公司（Sea Bird Electronics，SBE）的SBE21和SBE45兩種產品為主，價格高、貨期長，維護不便，用戶在實際使用中受到諸多限制。近年來國內科研單位在國家重點研發計劃項目資助下，研制的船載表層溫鹽測量儀樣機經過多次海試驗證，技術成熟，穩定可靠，已具備產品化推廣的能力。

1 船載表層溫鹽測量儀組成和工作流程

本文介紹的國產新型船載表層溫鹽測量儀如圖1所示，其采用基于三電極的電導率傳感器和防生物附著組件，采樣間隔最少為2 s，能實時監測表層海水的溫鹽數據，并配備有上位機實時處理顯示數據。為了盡可能地減小由于船體外殼帶來的熱污染，在海水入水口處（理想是在船頭）單獨安裝一個用于測量表層海水溫度的溫度傳感器[4]。

圖1 國產新型船載表層溫鹽測量儀

船載表層溫鹽測量儀的管路連接示意如圖2所示，樣品口接到表層海水輸入口，出水口接到擴展傳感器的樣品口（若無擴展傳感器可以直接排出），淡水接到淡水進水口，廢水接到船的排水口，附加傳感器的淡水口同上，出水口接到船的排水口。

圖2 船載表層溫鹽測量儀管路連接示意圖

測量準備階段：首先進行三電極電導率傳感器的清洗，此時閥門1和閥門2打開，閥門3和閥門4關閉，干凈淡水通過閥門2進入水箱底部，淡水從下往上充滿水箱內部，最后經過閥門1，或者附加傳感器的出水口排出。

測量階段：船側截止閥開啟，表層海水進入，遠端溫度傳感器完成海水溫度的實時測量，1號蠕動泵的截止閥開啟，海水進入，泵腔內部達到一定水壓后，截止閥關閉，止回閥開啟，海水進入后續管道和測量儀器，泵腔水壓下降，止回閥關閉，使海水在管道和儀器中停留，完成各項參數的測量。測量結束后，截止閥開啟，同理進行下次測量。

在測量過程中，海水通過水壓變送器，進入去氣泡裝置，進行氣泡消除和海水過濾。處理后的海水通過樣品口進入船載表層溫鹽測量儀，完成海水溫鹽的測量，此時海水溫度經過管道和去氣泡裝置的熱污染，可能會有所變化，但不會影響海水鹽度的測量精度。海水隨后經出水口進入附加傳感器，完成其余參數的測量，或者直接排出。

為了提高整體系統的可靠性和穩定性，可以設置2號蠕動泵與1號交替工作。遠端溫度傳感器的測量數據通過電纜傳輸到溫鹽測量儀。航行接口盒與測量儀連接，將船舶航行信息附加到溫鹽測量數據上形成完整的數據流。

為最大限度地減少船體外殼和管路帶來的熱污染，盡量接近實際海洋環境下的表層溫度，遠端溫度傳感器需要安裝到船舶海水入口管道前端，圖3以中科院海洋研究所“科學號”科考船底艙實景為例，該艙室位于水線以下。

圖3 中科院海洋研究所“科學號”底艙遠端溫度安裝位置

遠端溫度探頭的結構剖面安裝如圖4所示。在海水進水管道中間安裝不銹鋼基座，用于溫度探頭密封以及溫度傳感器固定，不銹鋼基座與兩端管路間通過螺紋連接,采用聚四氟乙烯帶進行密封。溫度傳感器通過螺紋固定在安裝板上，溫度探頭與不銹鋼基座間依靠橡膠塞密封，并通過安裝板壓緊，上述結構可以保證密封的可靠性。

圖4 遠端溫度安裝示意圖

2 船載表層溫鹽測量儀設計

船載表層溫鹽測量儀的核心部件為一臺安裝在水箱內部的高精度溫鹽測量儀，三維圖如圖5所示。電導率傳感器采用三電極原理，溫度傳感器采用熱敏電阻作為敏感元件，溫度和電導率探頭的三維效果如圖6所示。

圖5 船載表層溫鹽儀水箱內部透視圖

圖6 電導率和溫度探頭

三電極電導率傳感器又稱三電極電導池，其測量原理如圖7所示。測量時用來存儲待測海水，并結合轉換電路感知、測量待測海水的各項物理參數。三電極電導池外殼由玻璃管制成，3個電極使用穩定性好、耐腐蝕的金屬鉑制成。電導池共3個電極，分別為電極1、電極2、電極3。電極2稱為中間電極，電極1、電極3稱為端電極，兩個端電極電位相同，電流通過中間電極流入電導池中的待測海水然后由兩端電極流出，這樣就能測出電導池中兩端電極之間海水的等效電阻，從而計算出待測海水的電導率。在三電極電導池中，電流由中間電極流向兩端電極，電場由中間電極向兩端電極擴散，并完全包含在兩端電極之間，使電場無泄漏，避免了三電極電導池之外物質的干擾和電導率傳感器外殼生物污染的影響，使三電極電導率傳感器具有極強的抗干擾性和穩定性[5]。

圖7 三電極電導池測量原理圖

溫度傳感器采用熱敏電阻作為敏感元件，熱敏電阻具有靈敏度高、體積小以及響應時間快的特點[6]。溫度探頭采用針狀測溫探針，其耐壓防護殼體配合導熱介質和隔離的連接密封結構設計，增加測溫傳感器的導熱速度、提高耐壓強度[7]。圖8所示為測溫探針的封裝結構圖，針狀測溫探針的頂端密閉，內部裝有微型熱敏電阻，熱敏電阻周圍填充導熱介質，熱敏電阻和導熱介質下部利用絕緣、隔熱介質作為封裝溫度敏感元件的絕緣體。敏感元件經過引線與電路連接，信號經電路處理后輸入單片機參與溫度計算[8]。

圖8 溫度探針封裝示意圖

船載表層溫鹽測量儀的電路如圖9所示，主要由控制核心電路、采集電路與電導率信號調理電路實現溫鹽數據采集和傳輸功能。遠端溫度傳感器有一塊獨立的采集控制電路，通過RS232接口與船載表層溫鹽測量模塊進行數據交互[9]。

圖9 船載表層溫鹽測量儀電路組成

3 海上比測試驗

3. 1 試驗目的、時間和平臺

海上試驗驗證設計為船舶走航比測試驗，進行國產船載表層溫鹽測量儀與同類型進口儀器數據比對，并通過整個試驗過程的數據比測檢驗國產儀器的工作可靠性和測量穩定性，選擇美國海鳥公司生產的SBE21表層溫鹽儀作為本次海試的比測儀器。

海鳥SBE21表層溫鹽儀實物如圖10所示。

圖10 美國海鳥SBE21表層溫鹽儀

國產船載表層溫鹽測量儀與比測儀器美國海鳥 SBE21表層溫鹽儀的主要技術指標及狀態見表1。

表1 海試比測儀器主要技術指標

依托國家重點研發計劃項目“海洋儀器設備規范化海上試驗”公共航次，開展了以“實驗1”船（圖11）為平臺的海上比測試驗。比測海試于2018年秋季和2019年冬季分別進行了兩次，“實驗1”科考船如圖11所示。

圖11 “實驗1”科考船

3. 2 試驗過程

在船舶航行過程中，通過海水泵將表層海水抽到海面以上，采用閥門和管路引導海水先流過SBE21溫鹽測量儀，再流過國產船載表層溫鹽測量儀，測量水路流向如圖12所示。

圖12 船載表層溫鹽儀測量水路流向示意圖

在航行過程中，通過船載海水泵將海水抽到儀器倉內，采用閥門和管路將SBE21溫鹽測量模塊與國產船載表層溫鹽測量模塊串聯連接，并同步開始測量。海試期間連續不間斷測量，記錄全過程數據，比測現場如圖13所示。

圖13 海試比測現場

3.2.1 2018年秋季航次 2018年9月，“實驗1”船在南中國海西沙北部海域2 000 m深度海區航行，期間全程連續不間斷進行船載表層溫鹽測量儀比測試驗。比測試驗海區位置如圖14所示。

圖14 2018年秋季航次試驗海區位置

表層溫鹽儀比測海試過程自9月6日—11日持續約130 h，海鳥SBE21采樣率為5 s一次，船載表層溫鹽測量儀采樣率為2 s一次，取兩儀器在相同時刻的數據計算相關系數和測量偏差。表層溫鹽儀數據為原始數據不做處理。船上海水泵的入水口在水面以下5 m左右，將SBE911PLUS CTD在水深5 m處的測得的鹽度值提取出來，按時間畫到表層溫鹽儀的鹽度曲線上，作為該時刻鹽度比測參考值。分別繪制表層溫鹽儀與海鳥SBE21溫度、電導率、鹽度連續130 h沿時間線的變化趨勢線，如圖15、圖16和圖17所示。

圖15 表層溫鹽儀與SBE21溫度比測曲線

圖16 表層溫鹽儀與SBE21電導率比測曲線

圖17 表層溫鹽儀與SBE21鹽度比測曲線

圖17中，黑色五角星點為對應相同時刻SBE911PLUS CTD在5 m水深處的鹽度值，分別對應CTD剖面站位9071、9072、9073、9081、9082、9083、9084和9085。由圖可見前3個站位SBE911PLUS CTD鹽度值沒有吻合溫鹽儀的鹽度曲線，后5個站位鹽度值吻合了溫鹽儀的鹽度曲線。

經分析鹽度吻合不上的現象主要出現于9月6日和7日數據，分析其原因主要是船舶由珠江航行至入海口階段，水質混合情況較為復雜，鹽度變化梯度較大，表層溫鹽儀與自容式CTD的響應時間和采集頻率不同等因素，導致兩儀器測量偏差增大。

為了更好地觀察數據偏差及相關性，分段截取美國海鳥SBE21表層溫鹽儀和參試船載表層溫鹽儀每日0點至次日0點的相同時刻的數據進行比對，選取了第6天的數據對比曲線，如圖18～圖20所示。

圖18 2018年9月11日00：00至9月12日00：00溫度比對結果

圖19 2018年9月11日00：00至9月12日00：00電導率比對結果

圖20 2018年9月11日00：00至9月12日00：00鹽度比對結果

2018年秋季航次比測結果匯總如表2所示。

表2 2018年秋季航次船載表層溫鹽儀與SBE21比測結果匯總表

根據自航次第三方獨立檢驗報告內容，本次試驗的參試儀器船載表層溫鹽測量儀在航次期間以2 s一次的采樣率工作，連續采集了2018年9月6 日18：16—2018年9月11日 22：24珠江至南海北部海域的表層水溫度、電導率、鹽度數據。同時，比測儀器以5 s/次的采樣率工作，同步采集了分流表層水的溫度、電導率、鹽度數據。整個過程參試儀器與比測儀器的溫度、電導率、鹽度數據吻合較好。

以24 h為基本時長對數據分段處理分析：溫度相關系數范圍為0.940 0～0.996 6，溫度誤差絕對值最大值范圍為（0.149 9～0.330 6）℃；溫度誤差絕對值平均值范圍為（0.015 1～0.073 5）℃；電導率相關系數范圍為0.964 4～0.998 2，電導率誤差絕對值最大值范圍為（0.128 0～2.270 7）mS/cm；電導率誤差絕對值平均值范圍為（0.046 5～0.153 6）mS/cm。其中電導率較大誤差主要出現于9月6日比測數據，分析其原因主要是船舶由珠江航行至入海口階段，水質混合情況較為復雜，電導率變化梯度較大，參試儀器與比測儀器的響應時間和采集頻率等因素，導致兩儀器測量偏差增大；鹽度為溫度、電導率計算結果量并主要受電導率測量值影響，因此鹽度數據具有與電導率相同特征。

3.2.2 2019年冬季航次 船載表層溫鹽測量儀自2019年11月11日14：53：37開始工作并持續采集數據，于2019年11月21日10：36：12結束工作，期間試驗船航行區域如圖21所示，位于珠江口南部海域約300 km范圍內。

圖21 2019年冬季航次比測試驗航行軌跡圖

美國海鳥SBE21的采樣間隔設置為5 s，船載表層溫鹽測量儀采樣間隔設置為2 s，實際比測時長接近10 d（約235 h）。海試結束后對海鳥SBE21表層溫鹽儀和參試船載表層溫鹽測量儀的數據進行回放，分別繪制溫度、電導率、鹽度沿時間線的變化趨勢線。比測試驗期間“實驗1”船舶航行速度記錄如圖22所示，最低航速為0 kn，即船舶錨泊和漂泊，最高船速達到12.4 kn。

圖22 船舶航行速度曲線圖

船載表層溫鹽測量儀B1702#自2019年11月11日14：53：37開始，以每2 s一次的間隔采集數據，于2019年11月21日10：36：12結束并保存數據。樣本持續采集時間848 556 s，理論數據量424 278組。海試全程獲取數據樣本數量為424 264組，按照3σ法則剔除粗大誤差后，有效數據量為424 077組，有效數據量占比99.95%。

采用3σ法則去除數據粗大誤差的實現原理為：以當前數據樣本為數列中點，向前選擇α個數據樣本，向后選擇α個數據樣本，這樣以2×α+1個數據樣本構成一組數列[10]。

式中：σ為標準差；為該數據樣本數列的算術平均值；Si為第i個數據；n為數據個數，n=2×α+1。

式中：Δ為該數據樣本與數列平均值的絕對誤差。

則該數據為粗大誤差（或異常值），應予剔除。

數據樣本個數（2×α+1）選取原則：該數列中所有樣本觀測周期內觀測數據連續，沒有劇烈的海洋現象或者被觀測要素的大幅度變化，否則會導致正常測量值作為異常值剔除，所以選取數據序列的時間周期不易過大。同時，參試儀器和比測儀器工作時間較長，在一個平穩的觀測過程中，選取數據序列的時間周期不易過小，應盡量多選取數據樣本分析，更具有代表性[11]。基于以上原則，該數據序列的時間周期確定為不小于1 h，不大于4 h（25個樣本）。

在計算σ過程中，選擇的數據樣本量以25個數據為一組，均采用該數據前、后各取12個數（共24個）計算所得的3σ來進行動態判定是否存在異常值，整個測量周期中，最前面12個數據采用該數據列前25個數據得出的3σ來判斷、末尾12個數據采用該數據列末尾25個數據的3σ來判定。

按照上述法則計算分析后，得出2019年冬季航次有效數據量占比統計詳見表3。

表3 2019年冬季航次有效數據量占比情況表

選取連續24 h的SBE21與船載表層溫鹽測量儀測量數據，在共同時間間隔內分別計算溫度和電導率數據的相關系數。按每天0時至次日0時的24 h分段截取海鳥SBE21和參試船載表層溫鹽測量儀相同時刻的數據進行比對，共10組數據樣本，其中6組數據樣本溫度、電導率相關系數均大于0.99，結果詳見表4。

表4 11月每日數據比對結果一覽表

海試全過程溫度數據曲線如圖23所示，電導率數據曲線如圖24所示，鹽度數據曲線如圖25所示。

圖23 全過程溫度數據曲線圖

圖24 全過程電導率數據曲線

圖25 全過程鹽度數據曲線

結合海試過程分析可知，11月11日和12日兩天的電導率相關系數小于0.99，由于試驗初期，儀器啟動前水箱內存儲的是淡水，啟動后鹽度值變化劇烈，兩臺儀器難以進行同一水體的測量，導致相關系數低于正常水平。

11月17日和19日兩天的電導率相關系數也小于0.99，由于當日船舶停靠在錨地避風，海水表層鹽度較遠海環境變化幅度更小，不利于相關系數的計算，同時海域內儀器電導池容易受到近岸水體雜質的污染，例如19日海鳥出現明顯階躍性變化后又恢復，這種情況是比較典型的雜質進入水箱后又被排出的現象。

圖25中綠色星型點為相同時間、相同站位的SBE911PLUS 溫鹽深剖面儀（CTD）在海表層水下3米位置的鹽度測量數據[12]，可以發現SBE911的鹽度測量值更加接近國產表層溫鹽測量儀。

4 結 論

兩次海試的測量數據包括了0～12 kn的航速，覆蓋了船只航行狀態和錨泊狀態全過程，是比較理想的考察樣本。海試全程國產船載表層溫鹽測量儀工作正常，獲取數據完整有效，與美國海鳥SBE21比測曲線一致性較好，有7 d連續24 h內溫度、電導率相關系數均大于0.99。此外，經過與SBE911 PLUS CTD的表層鹽度測量結果進行對比，2019年冬季航次美國海鳥SBE21鹽度測量值反而偏差較大（大于0.1），分析原因是SBE21長期使用下導致電導池受到了污染，而且海試前未進行重新標定，而國產船載表層溫鹽測量儀由于在出航前進行了傳感器第三方校準，因此鹽度測量結果更為接近SBE911 PLUS CTD（約0.01～0.03）。國產船載表層溫鹽測量儀技術成熟、性能穩定可靠，可方便安裝在調查船、商船、貨船和漁船等各種類型船舶的船艙內，不需要專業人員頻繁操作，只需簡單調試后即可實現全自動測量，并將數據定期發送給船舶數據采集終端，是海況惡劣或其他不宜停船作業海域表層溫鹽連續觀測的理想選擇。

未來，船載表層溫鹽測量儀將兼容船舶航行數據記錄儀（Voyage Data Recorder，VDR）的接口協議，用戶可以將船舶航行信息（日期、時間、船位、速度、艏向等）附加到表層溫鹽測量儀的實時數據上，形成完整的、多維的、動態的數據流，更加有助于科學家分析海洋環境、利用海洋資源、保護海洋生態。