海水浊度测量仪校准方法解读及不确定度评定

姚尧 田郁郁 王志鹏 程鹏

摘要：海水浊度测量仪用于测量悬浮于水或透明液体中不溶性颗粒物质所产生的光的散射程度，并能定量表征这些悬浮颗粒物质含量的仪器。文中针对《JJF 1571-2016海水浊度测量仪校准规范》进行解读，并计算不确定度。考虑到测量重复性、浊度标准溶液定值、稀释时使用的容量瓶和移液管、稀释与校准时由于温度引起的体积不一致等，最终确定海水浊度测量仪校准结果的相对扩展不确定度可达3.2%。对计量部门海水浊度测量仪的量值统一和有效溯源具有重要的意义。

关键词：海水浊度测量仪;校准;不确定度;示值误差

Interpretation of Calibration Method and Evaluation of Uncertainty for Seawater Turbidity Meter

YAO Yao， TIAN Yu-Yu， WANG Zhi-Peng， CHENG Peng

（Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing， Tianjin 300192， China）

Abstract： A seawater turbidity meter is used to measure the scattering of light generated by insoluble particulate matter suspended in water or a transparent liquid， and it can quantitatively characterize the content of these suspended particulate matter. This paper interprets and calculates the uncertainty according to "JJF 1571-2016 Calibration Specifications for Seawater Turbidity Meters". Considering the repeatability of measurement， the value of turbidity standard solution， the volumetric flask and pipette used in dilution， and volume difference between dilution and calibration because of temperature， the relative extended uncertainty of the calibration result of the seawater turbidity meter is finally up to 3.2%. It is of great significance for the unification of the measurement result and the effective traceability of the seawater turbidity meters in the metrology department.

Key Words： Seawater turbidity meters; Calibration; Uncertainty; Measuring error

1概述

海水浊度测量仪是由浊度传感器通过水密接插件连接到主机、可直接置于海水中测量的设备，一般集成在温盐深测量仪或浮标等海洋观测设备上，具有原位实时连续测量、不需取样等特点[1，2]。浊度传感器是由光源发射系统、光电检测系统组成，其工作原理是光源呈锥形区域发出特定波长的光照射海水，海水中的颗粒物粒径、形状和反射率会影响光的散射程度，与光源同侧的光电检测系统可接收的后向散射光，并将其转换成光电信号，然后由主机对光电信号进行模数转换和数据处理后显示浊度量值，单位NTU。广泛应用于市政供水、污水处理、综合净化、造纸行业、化工行业。其测量结果准确度有可观的经济效益[3，4]。

2 校准条件

2.1 环境条件

环境温度：（15～25）℃;相对湿度：（20～80）%RH。

2.2 标准物质

根据JJF 1571-2016《海水浊度测量仪校准规范》的要求，实验室需选用扩展不确定度不大于3%（=2）的国家水质浊度标准溶液。目前在售产品中满足校准规范要求的标准物质如表1所示。文中选用GBW 12001、GBW 120065-1两种标准物质作为主要标准器进行仪器校准及不确定度的评定[5]。

3 校准方法

3.1零点漂移

开启仪器10min后读取的第一个测量值即为初始值，持续测量30mm，测量数据不少于10个，计算各测量值相对于初始值的变化幅度，取变化幅度最大值与量程之比为仪器的零点漂移值。选用待校准仪器量程为40NTU，测量结果如表2所示。

3.2示值误差

选用水质浊度标准物质，在仪器量程范围40NTU内，均匀取5个校准点，按比例准确稀释配制浓度值为8NTU、16NTU、20NTU、24NTU、32NTU的标准溶液。仪器按浊度标准使用液的浓度从小到大顺序依次校准，每更换一次浊度标准使用液需用零浊度水清洗并擦干浊度传感器。

将仪器置于浊度标准使用液中，开启仪器10 min后，每个浓度值采集10个数据，求算术平均值作为该校准点的测量值。测量值与标称值的相对误差为仪器示值误差，如式1所示。

（1）

式中：为仪器示值误差;为浊度标准溶液测量平均值;为配制的浊度标准溶液标称值。

3.3重复性

根据实际检测的需求，使用零浊度水将福尔马肼浊度标准溶液进行适当稀释至各量程所需的浊度值。对最大浊度点40NTU点连续重复测量10次的相对标准偏差为仪器的重复性，如式（2）所示。

（2）

式中：RSD：重复性，%;：第i次浓度测量值，NTU;：10次浓度测量的平均值，NTU。

4 不确定度数学模型

数学模型如式3所示：

（3）

5 标准不确定度评定

以20NTU点的校准为例计算示值误差的不确定度[6]。

5.1被测浊度计测量结果引入的标准相对

不确定度

被测浊度计测量结果引入的标准不确定度来源主要是浊度计的浊度示值测量重复性，从测量时得到的数据的分散性考虑，可以用A类评定的方法。测量中使用一台浊度计，连续测量10次得到测量数据如表3所示。

按检定规程在实际检定中，以10次测量的算术平均值作为测量结果，因此得到标准不确定度为：

=0.15%

5.2 配置标准溶液使用的容量瓶和吸量管

引起的相对不确定度

输入量的不确定度主要来源于被测标准溶液的定值不确定度，可根据证书给出的定值不确定度来评定，因此应采用B类方法进行评定。

Formazine浊度标准溶液的定值证书给出的相对扩展不确定度为3%，包含因子=2。则=

3%/2=1.5%。

5.3 配置标准溶液使用的容量瓶和吸量管

引起的相对不确定度

在配置相应浊度值20NTU的标准溶液时，使用A级1000mL容量瓶，容量允差不超过±0.40mL。计量结果服从均匀分布，取。由此容量瓶引起的不确定度。

在配置相应浊度值的标准溶液时，使用A级10mL移液管1次、20m移液管2次L，容量允差不超过±0.05mL。计量结果服从均匀分布，取。由此容量瓶引起的相对不确定度：

（4）

（5）

=0.41%

（6）

5.4使用容量瓶和吸量管的温度与体积校准时的

温度不一致引起的相对不确定度

根据证书容量瓶是在20℃进行校准，而配制校准溶液的实验室温度在（20±5）℃， 水的体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，按矩形分布，包含因子=3，由10mL移液管、20mL移液管、1000mL量瓶溶液体积因温度影响而引入的相对标准不确定度分别为：

（7）

（8）

（9）

=0.15%

（10）

浊度标准使用液配制值的相对标准不确定度：

=1.56%    （11）

6 合成标准不确定度

6.1 合成标准不确定度计算

合成标准不确定度计算见表4。

由于各输入量、、、彼此独立不相关，所以合成标准不确定度可按式（12）得到。

1.57%  （12）

6.2  扩展标准不确定度计算

取置信概率=2，扩展不确定度为：

2×1.57%=3.14%          （13）

修约后，取3.2%。

7 结论

海水浊度测量仪的校准包括零点漂移、重复性、示值误差等。海水浊度校准时需要使用福尔马肼标准物质，需要保存在（4～8）℃环境中，使用前需要摇匀。考虑到测量重复性、浊度标准溶液定值、稀释时使用的容量瓶和移液管、稀释时温度与体积校准时的温度不一致等，最终确定海水浊度测量仪校准结果的相对扩展不确定度可达3.2%，校准方法的探究及不确定度的评定对计量及检测行业的工作具有指导意义，也为仪量值统一和有效溯源提供理论基础。

参考文献

[1]王捷，杨洒洒，贾辉，刘露露，文哲武，杨光，郭胜男，白金铎.磁絮凝技术用于高浊海水淡化预处理工艺中的浊度去除[J].天津工业大学学报，2015，34（04）：18-21.

[2]毕卫红，朱麾忠. 海水浊度检测技术的研究进展[A]. 中国光学学会光学测试专业委员会.第十二届全国光学测试学术讨论会论文（摘要集）[C].中国光学学会光学测试专业委员会：中国光学学会光学测试专业委员会，2008：1.

[3]海水浊度测量仪检测方法：HY/T 100-2007[S].

[4]任永琴，王世忠.海水浊度测量传感器研究[J].海洋技术，2004（04）：29-31.

[5]姚尧，李红亮，李微微，白玉洁，胡淑金.浊度计示值误差测量结果的不确定度评定[J].质量技术监督研究，2017（03）：2-4.

[6]海水浊度测量仪校准规范：JJF 1571-2016[S].