海水電導率測量儀的校準及其測量不確定度分析

索利利，康 瑩

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

海水電導率測量儀的校準及其測量不確定度分析

索利利，康 瑩

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

海水電導率是表征海水導電能力的物理量。1978實用鹽標的貫徹，使得利用海水電導率測量儀測定鹽度法成為當前測量鹽度的主要手段。由于使用環(huán)境的特殊性，海洋調(diào)查對海水電導率測量數(shù)據(jù)的可靠性提出了更高的要求，通過對電導率測量儀進行定期校準，可以保證海水電導率測量數(shù)據(jù)的準確性，維護鹽度計量單位統(tǒng)一和量值準確可靠。文中詳細介紹了海水電導率的校準原理、校準程序及校準結(jié)果的不確定度評定方法。

海水電導率測量儀；海洋調(diào)查；1978實用鹽標（PSS78）；不確定度

海水導電能力通常用電導率來表示（單位為mS/cm）。利用海水電導率測量儀測定鹽度法因其精度高、速度快、計算密度可靠和便于現(xiàn)場測量等優(yōu)點成為當前鹽度測量的主要手段。

《海洋調(diào)查規(guī)范》中明確規(guī)定：“調(diào)查用儀器設備應送授權的法定計量校準機構(gòu)檢定或校準。為保證調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量，儀器設備應在檢定、校準證書有效期內(nèi)使用，并至少在調(diào)查前后各進行一次校驗”，由于海洋調(diào)查和監(jiān)測活動不同于陸上開展的測量活動，其海上作業(yè)周期長、環(huán)境惡劣，儀器容易受到碰撞和還原性離子沾污等因素可能造成海水電導率測量儀測量結(jié)果超差。因此，為了保證海水電導率測量資料的質(zhì)量，除對海水電導率測量儀器定期進行校準外，還應適時地進行現(xiàn)場校驗。

隨著JJF 1059（等同采用ISO GUM）《測量不確定評定與表示》在測量活動中的推廣，海洋監(jiān)/檢測人員為評定海水電導率及其導出量的測量不確定度，必然要追溯到海水電導率測量儀器的校準結(jié)果的不確定度，統(tǒng)一該類儀器校準結(jié)果的不確定度評定方法已勢在必然。

1 校準原理

1978年實用鹽標（PSS78）表明：海水電導率是海水鹽度的函數(shù)、溫度和壓力的函數(shù)，且海水電導率隨溫度幾乎線性的增加，溫度每上升1℃，海水的電導率約增大1 mS/cm。根據(jù)海水電導率的這一特性，通過改變恒溫槽中海水的鹽度或溫度提供不同的電導率值來實現(xiàn)海水電導率測量儀的校準。

海水電導率測量儀校準裝置主要由恒溫海水槽及其控制系統(tǒng)、實驗室鹽度計鉑電阻溫度計和測溫電橋。其中，恒溫海水槽中放置大洋天然海水，通過控制系統(tǒng)對恒溫槽內(nèi)溫度在0～35℃之間控制，可復現(xiàn)20～65 mS/cm的電導率。在溫度穩(wěn)定時，利用測溫電橋獲得恒溫海水槽內(nèi)的標準溫度值，讀取被校儀器的測量值，同時用取樣管從恒溫海水槽中取樣至玻璃瓶中，并做好樣品編號。利用實驗室鹽度計測量海水樣品的電導率比，按照PSS78計算出標準電導率值。通過計算儀器電導率測量值與標準電導率之差即可得出電導率示值誤差，此法在實際校準中操作方便，大大提高了工作效率。

2 校準程序

2.1 校準點的選擇

海水電導率測量儀示值誤差按照降溫順序校準，溫度點為 35℃，30℃，25℃，20℃，15℃，10℃，5℃，0℃，對應的鹽度為35的海水的電導率值校準點為62 mS/cm，57 mS/cm，52mS/cm，47mS/cm，42mS/cm，35mS/cm，32mS/cm，27mS/cm。

為了覆蓋更廣泛的校準范圍，可以更換不同鹽度的大洋海水。

2.2 校準步驟

將海水電導率測量儀全浸入恒溫海水槽中，小心地插入標準鉑電阻溫度計和海水取樣管，并且要盡量靠近被測量的儀器；當溫度穩(wěn)定在35℃時，測溫電橋與海水電導率測量儀同步讀數(shù)。測溫電橋在該校準點上的測量值作為標準溫度值；同時用帶有編號的取樣瓶從取樣管中取海水樣品1瓶，取樣時要先沖洗取樣瓶2～3次，然后沖灌至瓶子頸部為止，最后蓋好取樣瓶蓋并登記取樣記錄，利用實驗室鹽度計測量采集的海水樣品，每瓶海水樣品測量2次，取其算數(shù)平均值作為該瓶海水樣品的電導率比Rt，然后通過依據(jù)PSS78計算該溫度下的標準電導率值；對顯示量值不是電導率的海水電導率測量儀，應按照公式計算出電導率測量值。繼續(xù)降低溫度到下一個校準點，按照同樣的方法，直到完成全部溫度點上的校準。

3 校準結(jié)果的不確定度評定

3.1 數(shù)學模型

以最常見的海水溫鹽深測量儀為例，對校準結(jié)果進行不確定度分析，其數(shù)學模型為：

式中：Δc為校準點上被校儀器電導率示值誤差；cy為校準點上被校儀器電導率測量值；cs為校準點上標準電導率值。

3.2 方差和靈敏系數(shù)

由于cy和cs互不相關，則方差為：

靈敏系數(shù)為：

根據(jù)PSS78，海水電導率對溫度的響應特性最大，溫度35℃時，相同溫度測量不確定度對應的電導率測量不確定度貢獻最大。故本文以35℃時不確定度作為海水電導率測量結(jié)果的不確定度。

3.3 標準不確定度評定

3.3.1 標準溫度引入的不確定度u（c1）

標準溫度引入的不確定度有3個主要分量構(gòu)成，分別如下：

（1）恒溫海水槽溫場溫度均勻度為0.001℃，則溫場均勻度引入的誤差可能值區(qū)間半寬為0.5×10-4℃，在此區(qū)間服從均勻分布，包含因子取，按B類不確定度評定，標準不確定度為：

恒溫槽溫場均勻度指標由測試得知，置信度取90%，自由度為 v（t1）=(1-0.90)-2/2=50。

（2）恒溫海水槽溫度波動度為0.001℃，則溫度波動度引入的誤差可能值區(qū)間的半寬為0.5×10-4℃，在此區(qū)間服從均勻分布，包含因子取，按B類不確定度評定，標準不確定度為：

恒溫海水槽溫度波動度由測試得知，置信度取90%，自由度為 v（t2）=(1-0.90)-2/2=50。

（3）在校準前，利用水三點瓶對標準鉑電阻溫度計和測溫電橋進行了校準，其測量不確定度達到了0.001℃，在此區(qū)間服從正態(tài)分布，包含因子取3，按B類不確定度評定，標準不確定度為：

（4）標準溫度測量引入的不確定度分量

根據(jù)PSS78，應用不確定度傳播規(guī)律，將溫度標準不確定度轉(zhuǎn)化成電導率標準不確定度u（c1）=5.2×10-4mS/cm，自由度 v（c1）=178。

3.3.2 標準電導率引入的不確定度分量u（c2）

標準電導率引入的不確定度有2個主要分量構(gòu)成，分別如下：

（1）標準海水引入的不確定度u（s1）

用中國一級標準海水標定8400B型實驗室鹽度計，不確定度為0.001，包含因子為2，鹽度標準不確定度為：

中國一級標準海水為標準物質(zhì)，置信度取90%，自由度v（s1）=(1-0.90)-2/2=50。

（2）8400B型實驗室鹽度計最大允許誤差引入的標準不確定度 u（s2）

8400B型實驗室鹽度計的最大允許誤差為±0.001，在此區(qū)間服從均勻分布，包含因子取，按B類不確定度評定，標準不確定度為：

8400B指標由測試得知，置信度取90%，自由度v（s2）=(1-0.90)-2/2=50。

（3）標準電導率測量引入的不確定度分量：

應用不確定度傳播規(guī)律，將鹽度標準不確定度轉(zhuǎn)化成電導率標準不確定度 u（c2）=1.1×10-3mS/cm，v（c2）=98。

3.3.3 標準壓力引入的不確定度分量u（c3）

校準海水電導率測量儀時，恒溫槽中海水電導率測量儀距離水面的距離約為0.3 m，根據(jù)PSS78,此項引入的不確定度分量可以忽略。

3.3.4 校準用標準設備引入的標準不確定度分量u（cs）

由于 u（c1）和 u（c2）相互獨立，則標準設備引起的標準不確定度分量u（cs）為：

3.3.5 被檢海水電導率測量儀測量重復性引入的標準不確定度分量 u（c）y

測量重復性引入的不確定度，可以在重復條件下連續(xù)測量得到10組數(shù)據(jù)，用不確定度的A類評定方法得到，重復性測量的標準差可以按照式（3）計算。

式中：ci為校準點的電導率示值，mS/cm；cˉ為校準點上的電導率示值的算術平均值，mS/cm；n為校準點上電導率示值的個數(shù)，n≥10；σc為校準點上的儀器重復性，mS/cm。

在相同條件下，對溫鹽深測量儀進行10次測量，具體數(shù)據(jù)見表1。

利用式（3）計算的σc=2.0×10-3mS/cm，則被檢儀器測量重復性引入的不確定度：

自由度 v（sy）=9

3.4 標準不確定度一覽表

海水電導率測量儀校準的誤差來源與不確定度如表2。

3.5 合成標準不確定度

合成標準不確定度：

利用Welch-Satterthwaite公式計算有效自由度：

3.6 擴展不確定度

給定置信水平95%和算得的自由度16，查t分布表得包含因子：

則擴展不確定度為U=k×uc=2.3×10-3mS/cm≈0.005 mS/cm。

表1 電導率測量數(shù)據(jù)

表2 不確定度匯總表

4 結(jié)束語

通過以上試驗和數(shù)據(jù)的分析處理，我們對海水電導率測量儀的電導率示值誤差進行了校準，并對校準結(jié)果的不確定度進行了評定。實踐證明，該方法科學合理，完全可以滿足海水電導率測量儀校準的需要。

本文提出的海水電導率測量儀校準結(jié)果的測量不確定評定方法與結(jié)論，可供海洋監(jiān)/檢測人員評定其測量數(shù)據(jù)不確定度的參考依據(jù)。

[1]中國計量科學研究院．JJF1059-1999測量不確定度評定與表示[S]．北京：中國計量出版社，1999.

[2]國家海洋計量站．JJG763-2002溫鹽深測量儀[S]．北京：中國計量出版社，2002.

[3]中國計量科學研究院標準物質(zhì)研究所．JJG376-1985電導儀[S]．北京：中國計量出版社，1985.

[4]劉雪堂.海水鹽度測量技術[M].北京：海洋出版社，1991：26-36.

[5]馮士筰，等.海洋科學導論[M].北京：高等教育出版社，1999：58-59.

Calibration and Uncertainty Analysis of Seawater Conductivity Measuring Instrument

SUO Li-li,KANG Ying
(National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China)

Seawater conductivity is the physical quantities characterizing seawater conductive ability.According to PSS78,conductivity measuring instrument has become the major mean of salinity measurement.For the seawater conductivity measuring instrument used in the special environment,marine survey puts forward higher requirements to reliability of seawater conductivity measurement data.The accuracy of measurement data could be ensured through calibration regularly,maintaining the salinity unit uniform and measurement value accurate.The calibration principle,procedure and uncertainty assessment method of calibration data for conductivity measuring instrument is introduced.

seawater conductivity measuring instrument;marine survey;practical salinity scale 1978;uncertainty

P7;TB9

B

1003-2029（2011）04-0128-04

2011-05-20

海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目（200905028）

索利利（1983-），女，工程師，碩士研究生，主要研究方向為海洋儀器的檢定與校準。