温盐深测量仪电导率传感器校准的优化与提升

晏 天，梁 杰，赵东蕾，钱 飞，李 帆

(国家海洋局南海标准计量中心，广东 广州 510715)

0 引 言

海水盐度是海洋观测、监测和调查的重要参数之一，常用实用盐度来表征。实际工作中，通过测得海水的电导率及在该温度下的海水温度，采用78盐标方程计算得出海水的实用盐度。温盐深测量仪（CTD）是一种能直接测量海水温度、盐度（电导率）及深度（压力）的仪器，广泛应用于海洋调查中。现有的温盐深测量仪智能化电导率传感器常用的有电磁感应式和电极式，而电极式电导率传感器以其测量精度高、抗干扰强等优点在温盐深测量仪中得到广泛使用[1]。针对温盐深测量仪的检定和校准，华盛顿大学[2]研制了具有不同温度和盐度参数的双层恒温海水槽，对温盐深测量仪进行了动态校准，美国海军海洋办公室[3]研制了带有隔板的海水槽，建立了1 cm的阶跃层界面，在6 m/s的下放速度下，测出了Neil Brown公司生产的CTD电导率传感器时间常数为25 ms。在国内，有检定规程JJG 763-2002《温盐深测量仪》[4]可以用于温盐深测量仪的检定。其中，电导率传感器的检定是在盐度为35的静态大洋海水中测得不同温度条件下海水标准电导率和仪器电导率示值来判断海水电导率传感器是否合格，但对于此类传感器仪器，尚未制定校准规范，而传感器仪器校正参数会随时间的推移而发生漂移，实际工作中也发现，未经电导率校准方程校准的电导率传感器无法达到仪器本身技术指标和高精度测盐的要求。工作中发现，如果需满足一级温盐深测量仪电导率传感器技术指标要求（MPE:±0.002 S/m），都必须经过电导率校准方程校准。因此，对温盐深测量仪电导率传感器开展校准研究，是一项十分有必要的工作。同时，国内温盐深测量仪电导率传感器技术难度复杂，易受温度和压力的影响，其校准研究长期处于空白状态。电导率测量的准确性也将直接影响到盐度测量的准确性。盐度为35时，海水电导率随温度呈线性变化，但在其他盐度条件下时，海水电导率变化复杂，随温度呈非线性变化，线性常数处处不一样，这使海水电导率与盐度之间的换算关系变得较为复杂[5]。在实际工作中，也发现，世界大洋海水盐度分布位于33～37之间[6]。因此，针对不同盐度条件下电导率传感器的校准研究是验证电导率校准方程适用性的一种有效手段，也是开展盐度测量实际工作的具体需求。

胡波[7]针对温盐深测量仪实验室校准进行了研究，并系统研究了温度参数方程的测算，同时详细指出了电导率和压力的常规示值误差校准方法。索利利等[8]参照检定规程JJG 763-2002针对海水电导率测量仪进行了校准并对校准结果的不确定度进行了分析，并得出该方法完全满足海水电导率测量仪校准的需要。李扬眉[9]按照检定规程JJG 763-2002的方法对Seabird 911 Plus CTD电导率传感器进行了校准及不确定度分析，得出温盐深测量仪电导率传感器实验室校准的扩展不确定度为1.2×10-3～1.5×10-3mS/cm（k=2）。

目前针对温盐深测量仪电导率传感器的校准，还鲜有学者使用电导率校准方程的方法对电导率传感器校准过程进行研究，并且分析和验证电导率校准方程在常用盐度（33～37）条件下的校准适用性。本文选用目前市面最为广泛使用的Seabird温盐深测量仪，通过测量温盐深测量仪电导率传感器在不同盐度条件下输出示值，利用含温度和压力修正的4阶电导率校准方程通过Matlab进行修正系数回归，在检定规程JJG 763-2002的基础上，优化与提升传统的温盐深测量仪电导率传感器示值误差校准。同时，又对该方法在不同海水盐度条件下（33和37）的电导率校准方程进行了一致性验证，为温盐深测量仪电导率传感器的校准的扩展、优化和提升提供思路。

1 电导率校准数值方程

对于温盐深测量仪，相对于温度和压力的校准，电导率传感器的校准一直是难点，而且电导率传感器最容易发生漂移，对于电极式电导率传感器，根据其特性，有三电极，五电极甚至是七电极[10-11]，不仅是温度会影响到其最终测量结果，甚至压力对电导率的测量也会有极大的影响，事实上，电极式电导率传感器测量电极一般由激励电极和接收电极组成，激励电极产生激励信息，并在被测溶液中产生电场，再由接收电极将电场中的电信号接收并传输到放大电路，最后将电信号转换为采集系统可识别的信号输出，该信号输出经数值方程转换后，可导出被测溶液电导率值[12]。

针对美国Seabird公司生产的SBE系列温盐深测量仪，其电导率传感器校准都是通过含温度和压力修正的4阶电导率校准方程来实现[13]，其电导率输出示值是经电信号输出转换为的频率信号，其常用数值方程为式中：、——温度、压力修正系数，在这里取为-9.57×10-8，取为 3.25×10-6；

t——温度值，℃；

p——压力值，104Pa；

g，h，i，j——修正系数，非线性回归求得；

f——传感器频率信号输出值，kHz；

Conductivity——电导率，S/m。

2 仪器和方法

2.1 仪 器

采用的计量标准器和配套设备是高精度海水恒温槽（15 min内波动性不大于2 mK，均匀性不大于1 mK），测温比较电阻仪（相对误差不大于1×10-5），标准铂电阻温度计（一等），高精度盐度计（盐度测量误差优于0.002）。

采用的被测仪器主要是美国Seabird公司SEB 19plus 3500m CTD（19P40439-4875），美国 Seabird公司 SEB 19plus 7000m CTD（19P59081-6549），美国 Seabird公司 SBE 25plus 3500m CTD（25-1055），美国 Seabird公司 SBE 25 3500m CTD（2567165-0516）。

2.2 实验方法

选取盐度为35的海水，置于高精度海水恒温槽中，调节海水温度分别为 35 ℃，30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃，10 ℃，5 ℃和0 ℃来改变海水电导率。在每个温度点，采用一等标准铂电阻温度计测得海水标准温度，高精度盐度计测得海水标准电导率。同时记录SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）和SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）在海水中的电导率传感器输出信号示值（kHz）。在温度点为35 ℃至0 ℃依次测量仪器输出的示值与标准海水电导率值，通过Matlab非线性回归含温度和压力修正的4阶电导率校准方程，得出修正系数。

采用上述方法，分别使用电导率校准方程验证SBE 25plus 3500 m（25-1055）和SBE 25 3500 m（2567165-0516）在盐度为33和37海水中的适用性。

3 实验结果

3.1 电导率传感器在盐度为35海水校准数据

分别将 SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）和SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）在盐度为 35的海水中进行电导率的校准，根据式（1）测算两者的电导率校准方程，并将校准值和未校准前的电导率值、标准电导率值进行比较。其中SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）的校准值和校准参数见表1，SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）的校准值和校准参数见表2。

从表1和表2中可以看出，未经电导率校准方程校准前，SBE 19plus 3500 m（19P40439-4875）电导率示值误差绝对值最大达到了0.01356 S/m，而经电导率校准方程校准后电导率示值误差绝对值最大不超过0.000 31 S/m；未经电导率校准方程校准前，SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）电导率示值误差绝对值最大达到了0.012 57 S/m，而经电导率校准方程校准后电导率示值误差绝对值最大不超过0.000 90 S/m。由此可以得出，电导率校准方程能有效校准温盐深测量仪电导率传感器在盐度为35海水条件下电导率示值，并且经电导率校准方程校准后显著提升其在不同温度下的电导率测量准确度，校准后的电导率传感器满足一级温盐深测量仪技术指标要求（MPE:±0.002 S/m）。

表1 SBE 19plus 3500m（19P40439-4875）在盐度35海水中校准数据1)

表2 SBE 19plus 7000 m（19P59081-6549）在盐度35海水中校准数据1)

3.2 电导率传感器在盐度为33和37海水中校准数据

测量温盐深测量仪电导率传感器在盐度值为33和37海水中适用性，是验证电导率校准方程在不同盐度海水条件下一致性符合的重要手段。分别测量SBE 25plus 3500 m（25-1055）和SBE 25 3500 m（2567165-0516）在盐度为33和37的海水中电导率校准方程，如表3、表4所示。

表3 SBE 25plus 3500 m（25-1055）在盐度33海水中校准数据1)

表4 SBE 25 3500 m（2567165-0516）在盐度37海水中校准数据1)

从表3和表4可以看出，含温度和压力修正的4阶电导率校准方程能够适用温盐深测量仪电导率传感器在海水盐度为33和37条件下电导率示值校准，经电导率校准方程校准后的温盐深测量仪电导率传感器同样满足一级温盐深测量仪技术指标要求（MPE:±0.002 S/m）。

4 结束语

1）在盐度为35的海水中，电导率校准方程能有效校准温盐深测量仪电导率传感器在不同温度条件下的电导率示值。经电导率校准方程校准后，温盐深测量仪电导率传感器示值误差绝对值最大值分别由0.013 56 S/m和0.012 57 S/m调整为0.000 31 S/m和0.000 90 S/m。

2）电导率校准方程在盐度范围为33～37的海水中能有效适用于温盐深测量仪电导率传感器的校准。

3）经电导率校准方程校准后的温盐深测量仪电导率传感器能满足一级温盐深测量仪技术指标要求（MPE：±0.002 S/m）。