海水电导率测量仪的校准及其测量不确定度分析

索利利，康 莹

（国家海洋标准计量中心，天津 300112）

海水电导率测量仪的校准及其测量不确定度分析

索利利，康 莹

（国家海洋标准计量中心，天津 300112）

海水电导率是表征海水导电能力的物理量。1978实用盐标的贯彻，使得利用海水电导率测量仪测定盐度法成为当前测量盐度的主要手段。由于使用环境的特殊性，海洋调查对海水电导率测量数据的可靠性提出了更高的要求，通过对电导率测量仪进行定期校准，可以保证海水电导率测量数据的准确性，维护盐度计量单位统一和量值准确可靠。文中详细介绍了海水电导率的校准原理、校准程序及校准结果的不确定度评定方法。

海水电导率测量仪；海洋调查；1978实用盐标（PSS78）；不确定度

海水导电能力通常用电导率来表示（单位为mS/cm）。利用海水电导率测量仪测定盐度法因其精度高、速度快、计算密度可靠和便于现场测量等优点成为当前盐度测量的主要手段。

《海洋调查规范》中明确规定：“调查用仪器设备应送授权的法定计量校准机构检定或校准。为保证调查数据质量，仪器设备应在检定、校准证书有效期内使用，并至少在调查前后各进行一次校验”，由于海洋调查和监测活动不同于陆上开展的测量活动，其海上作业周期长、环境恶劣，仪器容易受到碰撞和还原性离子沾污等因素可能造成海水电导率测量仪测量结果超差。因此，为了保证海水电导率测量资料的质量，除对海水电导率测量仪器定期进行校准外，还应适时地进行现场校验。

随着JJF 1059（等同采用ISO GUM）《测量不确定评定与表示》在测量活动中的推广，海洋监/检测人员为评定海水电导率及其导出量的测量不确定度，必然要追溯到海水电导率测量仪器的校准结果的不确定度，统一该类仪器校准结果的不确定度评定方法已势在必然。

1 校准原理

1978年实用盐标（PSS78）表明：海水电导率是海水盐度的函数、温度和压力的函数，且海水电导率随温度几乎线性的增加，温度每上升1℃，海水的电导率约增大1 mS/cm。根据海水电导率的这一特性，通过改变恒温槽中海水的盐度或温度提供不同的电导率值来实现海水电导率测量仪的校准。

海水电导率测量仪校准装置主要由恒温海水槽及其控制系统、实验室盐度计铂电阻温度计和测温电桥。其中，恒温海水槽中放置大洋天然海水，通过控制系统对恒温槽内温度在0～35℃之间控制，可复现20～65 mS/cm的电导率。在温度稳定时，利用测温电桥获得恒温海水槽内的标准温度值，读取被校仪器的测量值，同时用取样管从恒温海水槽中取样至玻璃瓶中，并做好样品编号。利用实验室盐度计测量海水样品的电导率比，按照PSS78计算出标准电导率值。通过计算仪器电导率测量值与标准电导率之差即可得出电导率示值误差，此法在实际校准中操作方便，大大提高了工作效率。

2 校准程序

2.1 校准点的选择

海水电导率测量仪示值误差按照降温顺序校准，温度点为 35℃，30℃，25℃，20℃，15℃，10℃，5℃，0℃，对应的盐度为35的海水的电导率值校准点为62 mS/cm，57 mS/cm，52mS/cm，47mS/cm，42mS/cm，35mS/cm，32mS/cm，27mS/cm。

为了覆盖更广泛的校准范围，可以更换不同盐度的大洋海水。

2.2 校准步骤

将海水电导率测量仪全浸入恒温海水槽中，小心地插入标准铂电阻温度计和海水取样管，并且要尽量靠近被测量的仪器；当温度稳定在35℃时，测温电桥与海水电导率测量仪同步读数。测温电桥在该校准点上的测量值作为标准温度值；同时用带有编号的取样瓶从取样管中取海水样品1瓶，取样时要先冲洗取样瓶2～3次，然后冲灌至瓶子颈部为止，最后盖好取样瓶盖并登记取样记录，利用实验室盐度计测量采集的海水样品，每瓶海水样品测量2次，取其算数平均值作为该瓶海水样品的电导率比Rt，然后通过依据PSS78计算该温度下的标准电导率值；对显示量值不是电导率的海水电导率测量仪，应按照公式计算出电导率测量值。继续降低温度到下一个校准点，按照同样的方法，直到完成全部温度点上的校准。

3 校准结果的不确定度评定

3.1 数学模型

以最常见的海水温盐深测量仪为例，对校准结果进行不确定度分析，其数学模型为：

式中：Δc为校准点上被校仪器电导率示值误差；cy为校准点上被校仪器电导率测量值；cs为校准点上标准电导率值。

3.2 方差和灵敏系数

由于cy和cs互不相关，则方差为：

灵敏系数为：

根据PSS78，海水电导率对温度的响应特性最大，温度35℃时，相同温度测量不确定度对应的电导率测量不确定度贡献最大。故本文以35℃时不确定度作为海水电导率测量结果的不确定度。

3.3 标准不确定度评定

3.3.1 标准温度引入的不确定度u（c1）

标准温度引入的不确定度有3个主要分量构成，分别如下：

（1）恒温海水槽温场温度均匀度为0.001℃，则温场均匀度引入的误差可能值区间半宽为0.5×10-4℃，在此区间服从均匀分布，包含因子取，按B类不确定度评定，标准不确定度为：

恒温槽温场均匀度指标由测试得知，置信度取90%，自由度为 v（t1）=(1-0.90)-2/2=50。

（2）恒温海水槽温度波动度为0.001℃，则温度波动度引入的误差可能值区间的半宽为0.5×10-4℃，在此区间服从均匀分布，包含因子取，按B类不确定度评定，标准不确定度为：

恒温海水槽温度波动度由测试得知，置信度取90%，自由度为 v（t2）=(1-0.90)-2/2=50。

（3）在校准前，利用水三点瓶对标准铂电阻温度计和测温电桥进行了校准，其测量不确定度达到了0.001℃，在此区间服从正态分布，包含因子取3，按B类不确定度评定，标准不确定度为：

（4）标准温度测量引入的不确定度分量

根据PSS78，应用不确定度传播规律，将温度标准不确定度转化成电导率标准不确定度u（c1）=5.2×10-4mS/cm，自由度 v（c1）=178。

3.3.2 标准电导率引入的不确定度分量u（c2）

标准电导率引入的不确定度有2个主要分量构成，分别如下：

（1）标准海水引入的不确定度u（s1）

用中国一级标准海水标定8400B型实验室盐度计，不确定度为0.001，包含因子为2，盐度标准不确定度为：

中国一级标准海水为标准物质，置信度取90%，自由度v（s1）=(1-0.90)-2/2=50。

（2）8400B型实验室盐度计最大允许误差引入的标准不确定度 u（s2）

8400B型实验室盐度计的最大允许误差为±0.001，在此区间服从均匀分布，包含因子取，按B类不确定度评定，标准不确定度为：

8400B指标由测试得知，置信度取90%，自由度v（s2）=(1-0.90)-2/2=50。

（3）标准电导率测量引入的不确定度分量：

应用不确定度传播规律，将盐度标准不确定度转化成电导率标准不确定度 u（c2）=1.1×10-3mS/cm，v（c2）=98。

3.3.3 标准压力引入的不确定度分量u（c3）

校准海水电导率测量仪时，恒温槽中海水电导率测量仪距离水面的距离约为0.3 m，根据PSS78,此项引入的不确定度分量可以忽略。

3.3.4 校准用标准设备引入的标准不确定度分量u（cs）

由于 u（c1）和 u（c2）相互独立，则标准设备引起的标准不确定度分量u（cs）为：

3.3.5 被检海水电导率测量仪测量重复性引入的标准不确定度分量 u（c）y

测量重复性引入的不确定度，可以在重复条件下连续测量得到10组数据，用不确定度的A类评定方法得到，重复性测量的标准差可以按照式（3）计算。

式中：ci为校准点的电导率示值，mS/cm；c¯为校准点上的电导率示值的算术平均值，mS/cm；n为校准点上电导率示值的个数，n≥10；σc为校准点上的仪器重复性，mS/cm。

在相同条件下，对温盐深测量仪进行10次测量，具体数据见表1。

利用式（3）计算的σc=2.0×10-3mS/cm，则被检仪器测量重复性引入的不确定度：

自由度 v（sy）=9

3.4 标准不确定度一览表

海水电导率测量仪校准的误差来源与不确定度如表2。

3.5 合成标准不确定度

合成标准不确定度：

利用Welch-Satterthwaite公式计算有效自由度：

3.6 扩展不确定度

给定置信水平95%和算得的自由度16，查t分布表得包含因子：

则扩展不确定度为U=k×uc=2.3×10-3mS/cm≈0.005 mS/cm。

表1 电导率测量数据

表2 不确定度汇总表

4 结束语

通过以上试验和数据的分析处理，我们对海水电导率测量仪的电导率示值误差进行了校准，并对校准结果的不确定度进行了评定。实践证明，该方法科学合理，完全可以满足海水电导率测量仪校准的需要。

本文提出的海水电导率测量仪校准结果的测量不确定评定方法与结论，可供海洋监/检测人员评定其测量数据不确定度的参考依据。

[1]中国计量科学研究院．JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S]．北京：中国计量出版社，1999.

[2]国家海洋计量站．JJG763-2002温盐深测量仪[S]．北京：中国计量出版社，2002.

[3]中国计量科学研究院标准物质研究所．JJG376-1985电导仪[S]．北京：中国计量出版社，1985.

[4]刘雪堂.海水盐度测量技术[M].北京：海洋出版社，1991：26-36.

[5]冯士筰，等.海洋科学导论[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

海洋公益性行业科研专项资助项目（200905028）

索利利（1983-），女，工程师，硕士研究生，主要研究方向为海洋仪器的检定与校准。