海洋温度计量校准比对结果分析

高占科， 袁玲玲， 江 帆

(国家海洋标准计量中心，天津 300112)

1 引 言

世界大洋温度的时空分布和变化，是海洋学研究最基本的内容之一，它几乎与海洋中所有的现象都有密切关系，对研究海洋气候、海洋环境、海洋渔业、海洋资源开发和海洋防灾减灾等具有极其重要的意义。海洋温度的测量是开展海洋观测、调查、监测的重要内容。海洋测温仪是目前获取大洋温度最主要的仪器设备，其计量性能是否准确可靠对海洋数据资料的质量起着至关重要的作用。为衡量亚太区域相关国家海洋温度计量校准的能力水平，相互验证计量校准结果，开展计量校准技术国际交流与合作，2018年7月至2019年4月，国家海洋标准计量中心组织亚太区域其他2个国家开展海洋测温仪计量校准比对，提升各国海洋温度数据资料的可比性和一致性，促进海洋温度数据资料的交流与共享。

2 比对实验室

国家海洋标准计量中心(国家海洋计量站，NCOSM)是我国国家法定计量检定机构，通过CNAS认可，自主研发了海洋领域最高等级的海洋温度测量仪器计量检定装置，除向国内提供计量检定校准服务之外，多次向亚太区域其他国家和地区提供海洋仪器计量校准服务。参加本次海洋温度计量校准比对的其余2家实验室均建立了高精度的海洋温度计量标准装置，具备了校准高精度海洋测温仪器的能力，有多年开展国际上主流海洋测温仪器的经历，校准结果和数据得到多个国家和地区的认可，有较强的国际影响力。

表1 参比实验室校准能力

3 海洋测温仪的校准原理

海洋温度大体上随海水深度的增加呈不均匀递减，从而产生海洋温度的垂直梯度。在海洋温度测量过程中，将海洋测温仪从海面逐渐下放至深海，海洋测温仪获取随深度变化的海洋垂直温度数据，形成从海面至深海的温度剖面测量。海洋测温仪的计量校准贴近海上现场使用环境，确保校准数据的真实准确可靠，在实验室建立了模拟海上剖面测量过程的恒温海水槽，由于海洋测温仪体积较大，恒温海水槽应有足够大的尺寸，确保校准过程中恒温海水槽的温场均匀性。具体校准方法为：将海洋测温仪和标准铂电阻温度计一起放入恒温海水槽中，标准铂电阻温度计与测温电桥相连接，在32～0 ℃范围内，按降温序列，分别开展32，30，25，20，15，10，5，0 ℃等8个温度点的校准。当恒温海水槽温度稳定在某一校准温度点，控温精度达到要求后，测温电桥和海洋测温仪同时读数，作为该校准点上的测量值。在8个校准点完成后，通过比较被检仪器和标准温度示值，计算海洋测温仪的校准系数和示值误差。

海洋测温仪的精度较高，并且海上使用环境恶劣以及存在很多不确定性，难以长时间保持高精度的测量性能，因此海洋测温仪的稳定性时间不长。为了弥补稳定性对测量精度的影响，确保仪器在海上长期作业过程中保持较高的准确性，各生产厂家根据仪器测量原理、结构，通过大量试验验证，设计温度计算公式，通过获取的电阻、频率或其他原始值计算温度示值。计算公式中包含部分可以改变的系数，该系数根据仪器计量校准的信息进行调整，并在仪器操作软件中设置了系数调整的功能模块，通过软件修正的方式确保仪器在计量校准后可以消除仪器漂移带来的系统误差，重新获得高精度的温度数据。

4 传递仪器

本次比对共有3台传递仪器，由3家实验室分别提供，均为SBE公司生产的产品，是当前国际上主流使用、且测量精度较高的海洋测温仪，基本信息见表2。

表2 传递标准基本信息Tab.2 Basic information of transfer standards

本次比对的海洋测温仪需要通过获取的原始值计算温度示值，计算方法见式(1)：

t=1/[a0+a1lnn+a2ln2n+a3ln3n]-273.15

(1)

式中：t/℃为海洋测温仪温度示值；a0，a1，a2，a3为海洋测温仪校准系数；n为海洋测温仪测量原始值。

在处理校准数据时，根据8组标准温度示值和海洋测温仪原始值，利用最小二乘法对公式(1)进行三阶多项式的拟合回归，得到海洋测温仪的4个新校准系数，并利用新校准系数计算出海洋测温仪校准后温度示值，以此计算出海洋测温仪在各校准点的示值误差。

由于本次比对涉及3个国家，比对时间跨度较长，传递仪器的体积和重量较大且不便于运输，为保证仪器的安全运输，本次比对未采取邮寄方式，而是结合召开国际会议和双方学术交流之际，由试验技术人员随机携带托运。

5 比对方法

本次比对采取环式比对方式，依次由实验室1、实验室2、实验室3进行校准试验，实验室2、实验室3分别开展2次校准试验，最后回到实验室1进行复校，以验证传递标准示值是否正常，各实验室开展校准试验的时间见表3。

表3 实验室校准时间及数据标识Tab.3 Laboratory calibration time and data identification

在比对试验中，将3台传递仪器一起放入恒温海水槽，同时开展校准试验。为消除传递标准稳定性带来的影响，合理比较参比实验室的校准能力，参比实验室在校准试验完成后，对校准数据进行拟合分析，形成新的校准系数。对每台海洋测温仪通过人工设置不同仪器原始值，模拟在32，30，25，20，15，10，5，0 ℃等8个校准温度点，利用各参比实验室的新校准系数分别计算出相应海洋测温仪的温度示值，以各参比实验室在同一温度点的2次温度平均值作为实验室在该校准点的测量结果。

各参比实验室均对校准数据进行拟合回归处理，海洋测温仪稳定性带来的影响可以忽略，且各实验室的不确定度完全不相关，因此本次比对采用加权平均法计算参考值。比对参考值及不确定度分别按式(2)和式(3)计算：

(2)

(3)

式中：Yr，i为第i个校准点的参考值；Yji为第j个实验室在第i个校准点的测量结果；uj为第j个实验室的标准不确定度；ur为参考值的标准不确定度。

对于某一参比实验室测量结果的等效度及其不确定度的一致性，采用归一化偏差En进行评价，计算方法见公式(4)：

(4)

式中：Yji为第j个实验室第i个校准点的测量结果；Yr，i为第i个校准点的比对参考值；k为覆盖因子，取k=2。

6 比对结果

6.1 比对实验数据及参考值的确定

参比实验室均同时开展3台仪器的校准试验，根据温度计算公式对试验数据进行拟合回归处理，计算出新的校准系数，校准系数详见表4。利用此系数和海洋测温仪在校准试验中获取的原始值，计算海洋测温仪在各校准点温度值，并与测温电桥测量值进行比较，计算其示值误差，各仪器历次校准示值差值均在±0.000 3 ℃以内，以实验室1为例，第1次校准示值误差见表5。

表4 校准系数Tab.4 calibration coefficient

表5 实验室1第1次校准示值误差Tab.5 First calibration error of laboratory 1 ℃

对3台仪器分别设置8个不同的原始值，利用新的校准系数计算出相应的温度值，根据同一校准点2次温度值计算平均值，作为测量结果，具体比对数据详见表6。

表6 比对数据Tab.6 Comparison data ℃

实验室1和实验室3的标准不确定度为0.001 ℃，实验室2的标准不确定度为0.000 8 ℃，根据公式(3)计算得出参考值的标准不确定度ur=0.000 53 ℃。依据式(2)计算出各校准点的温度参考值，以及参比实验室各校准点测量结果与参考值之差。具体数据详见表7。

表7 测量结果与参考值之差Tab.7 The error between the measurement result and the reference value ℃

6.2 En值的计算与分析

对单个参比实验室的测量结果的等效度及其不确定度的一致性进行评价，根据式(4)和比对实验数据，分别计算3台海洋测温仪的比对En值。结果|En|均小于1，参比实验室的测量结果与参考值之差在合理的预期之内，比对结果可以接受，详见图1。

图1 En值计算结果Fig.1 Results of En

从32 ℃至0 ℃，|En|大体随着温度的降低而不断增大，表明低温区的比对结果不如高温区的比对结果，各实验室间比对数据在高温区的一致性较好。

6.3 实验室2次比对实验的复现性分析

根据表6测量值，分别计算各实验室每台仪器同一校准点2次校准示值之差，计算结果详见图2。

图2 同一校准点2次校准示值之差Fig.2 The error between two calibration result at the same point

从3台仪器共24个校准点2次校准示值间的差值进行数据分析，以差值大小衡量实验室2次比对实验的复现性。实验室2的复现性最好，差值均在±0.000 5 ℃之内；实验室3次之，除一个校准点差值0.001 1 ℃，其余均在±0.001 ℃之内；实验室1较差，除仪器SBE-IM的差值在±0.001 ℃之内，其余2台仪器的差值最大值均超出了±0.001 ℃范围，且差值较大的均为低温校准点。

7 结束语

本次比对是3家实验室首次开展的计量比对，各参比实验室按照预先约定的方法开展校准实验、处理数据、评定不确定度等，比对数据真实、客观地体现了各参比实验海洋温度计量校准的能力和水平。分析比对结果，可以看出各参比实验室海洋测温仪计量校准的一致性在可接受范围之内，但高温区要优于低温区，各参比实验室的复现性还存在一定的差异。通过计量比对，为参比实验室发现海洋测温仪计量校准薄弱环节，改进完善计量校准技术提供了技术参考。