CTD 温盐深测量仪 校准 压力 深度 calibration pressure depth

CTD计量校准技术培训教程（深度部分）V1.0

Posted by YU Xiaoyan on October 22, 2021

1.是什么？

1.1 校准是什么

  • 什么是校准？——在==规定条件==下，为确定计量器具==示值误差==的一组操作。是在规定条件下，为确定计量仪器或测量系统的示值，或实物量具或标准物质所代表的值，与相对应的被测量的已知值==之间关系的一组操作==。校准结果可用以评定计量仪器、测量系统或实物量具的示值误差，或给任何标尺上的标记赋值。

  • 含义：
    • 1.在规定的条件下，用一个==可参考的标准==，对测量器具的特性赋值，并确定其示值误差。
    • 2.将测量器具所指示或代表的量值，按照校准链，将其溯源到标准所复现的量值。
  • 基本条件：
    • 1.人: 进行校准的人员应经有效的考核，并取得相应的合格证书，只有持证人员方可出具校准证书和校准报告，也只有这种证书和报告才认为是有效的。
    • 2.机：作为校准用的标准仪器其误差限（最大允许误差,MPE）应是被校表误差限(MPE)的==1/3~1/10==。
    • 3.料：采用合格供应商提供的合格的辅助材料、辅助器具。
    • 4.法：采用授权的方法。通常依据校准规范、检定规程、经过认可的自编方法。
    • 5.环：校准如在实验室进行，则环境条件应满足检定规程/校准规范中要求的温度、湿度等规定。校准如在现场进行，则环境条件以能满足仪表现场使用的条件为准。

1.2 被校仪器是什么

  • 温盐深测量仪（CTD）的压力传感器（常见的指标：0.3%FS、0.1%FS、0.05%FS、0.02%FS、0.015%FS）

  • 量程范围：0~1万米（100MPa）。但是注意，除了海沟，世界绝大部分海域的深度都不超过6000m。

  • 被校仪器的压力值的常见单位为：==MPa、kPa、psi、bar、dbar（decibar==）等，dbar就相当于$×10^4Pa$，约等于m。

  • 压力与深度的关系：（校准机构不关心这个，只要压力校准的对，深度的计算是由CTD自身的设置进行计算的）

    • 淡水：$depth(m)=Pressure(dbar)*1.019716$

    • 海水：联合国教科文组织海洋科学技术论文第 44 号中的一个复杂的公式（例如海鸟的软件里是内置了压力到深度的转换公式）。

      • $ g (m/s^2 ) = 9.780318 * [ 1.0 + ( 5.278810^{-3} + 2.3610^{-5} * x) * x ] + 1.092*10^{-6} * p $
        • ​ $x = [sin (latitude / 57.29578) ]^2,纬度$
        • ​ $p = 压力(dbar)$
      • $depth (m) = [(((-1.8210^{-15} * p + 2.27910^{-10}) * p - 2.2512×10^{-5}) * p + 9.72659) * p] / g$

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常见型号CTD压力技术指标

1.3 标准器是什么

标准器的选择方面要求：标准器的准确度等级至少是被检仪器的==3倍==的关系、量程要能尽量覆盖需要的区域。

  • 活塞压力计：准确度等级0.005级（检低精度的也可以考虑用0.01级或0.02级的活塞压力计）。举例：虽然标准器的量程是（0.05-60）MPa，在使用20MPa这个点时，由活塞压力计引入的不确定度实际上是读数20MPa这个点引入的，即==20MPa×0.005%=0.1dbar（米）==
  • 数字压力计：准确度等级0.01级。（所谓级就是RD，Reading，此处的0.01级是指读数的准确度达到了==读数的0.01%==；被检仪器通常是用FS做为表示的，FS就是Full Scale，一台被校仪器的压力指标如果写为0.1%==FS==，量程是20MPa，2000m，那么它的最大允许误差是2000×0.1%=2m）。

1.3.1 活塞压力计

  • 优点：准（0.005级或更高），量程宽（0~100MPa，2个活塞就可以）。溯源费用较低，2年1检。

  • 缺点：油压（==癸二酸二辛脂==）进程较短，自动化、批量化较难。

JS-6-60活塞（0.005级-60MPa）

PC7300-0.005级-100MPa

气体活塞压力计

1.3.2 数字压力计

  • 优点：气体较快，自动化集成度高、批量化较为容易，可以解决位差、压力内卫生问题和泄露问题。准确度为0.01级~0.02级，准确度可以满足大部分CTD的要求。

  • 缺点：高准确度的数字压力计作为标准器来使用必须进行采用多个分段模块（0~20）MPa就需要5个模块。更高量程需要高量程的控制器，另附加更多模块（例如10个模块），1年1检。高压气体存在一定的危险性。高准确度等级的CTD（例如SBE911/917和少量其他型号）。

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1.4 校准过程简图

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活塞连接被检

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2.为什么？

为什么要对CTD进行校准？正确的传感器校准对应了正确的测量结果，否则数据必然错误。

  • 1，现代传感器和变送器是电子设备，采用了电压、电流等电信号，随时间推移而自然漂移.

    以7000m的SBE37为例子，最大允许误差是7m；每年可能漂3.5m。

    SBE37/SBE39IM厂家标注漂移情况

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  • 2.使用中可能会随着温度、压力、生物等环境的变化。

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  • 3，超量程使用，使得传感器的范围可能会偏移。例如2000m深度的仪器扔到了5000m的海底使用。

  • 4，机械磨损或损坏。通常这种类型的错误需要维修或更换设备。

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3.何时？

何时需要校准？

  • 新购入后，在正式开始使用前。
  • 放置很久以后，超过1年。
  • 出海前。
  • 维修后。
  • 出海使用过（严酷的考验之后）

何时需要重新拟合，给予新系数？

下面的情况不需要给新系数（所有校准点示值都不超差），此时只需要给出被校仪器的示值误差，表明状态即可。

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下面的需要重新拟合。（被校准点内，被校仪器超差）。根据标准器对应的标准值、被校仪器的原始值（电信号值或电信号的衍生值）重新给予新的系数——所谓的调整——此时被校仪器的示值通常不会超差。

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4.在哪？

校准应在实验室环境下进行，校准的环境条件要求：

  • 环境温度：（20±5）℃，其中一级CTD压力检定环境温度(20±1) ℃
  • 相对湿度：（20~80）%；
  • 电源电压：（220±22）V；
  • 电源频率：（50±2）Hz。

5.怎样做？

参考计量检定规程中JJG763-2019中的相关步骤的规定进行校准。

5.1 试验操作步骤：

  • 0.打开恒温系统，将标准器活塞压力计控温在检定规程要求的温度范围（20±5）℃【一级要求(20±1)℃】之内保持2h-4h或以上，使之与环境温度充分平衡，否则标准器活塞压力计的面积会有误差（准确度等级高的活塞压力计的使用环境中温度条件、重力加速度等条件有更高要求，请自行查询活塞压力计的检定规程），标准值也会有偏差。被校仪器也需要在恒温环境下==恒温2h~4h==。高准确度的被校仪器最好恒温4h，一般的被校仪器也==不得低于2h==，使之与室内温度充分感温【尤其是做完温度校准试验后，仪器非常冷，需要在室内恒温更长时间，具体多久会稳要打开被校仪器的数据，看具体情况】。
  • 1.压力检定点在CTD压力范围内均匀选取不少于7个点。压力检定要遵循==先升压，后降压==的顺序进行。

  • 2.将CTD先置于压力标准器的工作台上，调整升降平台使CTD压力传感器位置尽量与压力标准器==参考位置一致==（特别是使用油介质的压力标准器），将压力标准器和CTD压力传感器连接起来，对具备零位修正功能的CTD连接前需进行调零，对不具备零位修正功能的CTD则无需此操作。

  • 3.在每个压力检定点上稳定后，CTD测量数据不少于10组，取其算术平均值作为压力示值。【实际校准实践中，被校仪器的采样频率不同。当被校仪器采样频率低（1Hz或以下）的时候，采用10个被校仪器的连续数据平均值；当采用频率高时，往往采用10s~20s的连续平稳数据进行平均】
  • 4.当CTD压力测量具有温度补偿时，需要做温度补偿性能检定。将CTD放置于空气恒温箱中，调整仪器位置使压力传感器尽量与压力标准器参考位置一致（特别是使用油介质的压力标准器），把压力标准器和CTD压力传感器连接起来，补偿温度点选在30℃和0℃点，每个补偿温度点上要做一个升降压过程，操作步骤同3。【注意：在日常校准中，不需要在上述高温点和低温点进行校准。】
  • 5.依照下述公式，计算示值误差：
\[\Delta p_i=p_i-p_{is}\]

​ $\Delta p_i$ ——CTD在第 i 个压力检定点的压力示值误差，Pa；

​ $p_i$ ——CTD在第 i 个压力检定点的压力示值，Pa；

​ $p_{is}$ ——第 i 个压力检定点的标准压力值，Pa。

​ 取绝对值(MPEV)最大的$\Delta Pi$作为CTD压力的示值误差。

  • 6.重复性：压力测量重复性选择压力值最大的检定点，重复第3步骤 完成6次测量，每次测量后需压力标准器重新平衡后再进行下一次测量。【此项工作是“检定”工作时需要的，在“校准”工作中往往不需要——当为了评测本次校准的不确定度时，需要在最高压力点做6次打破平衡的工作。用贝塞尔公式算出来的被校仪器的重复性数据，将作为不确定度评定时的A类分量被给出——而且根据经验，重复性数据是主要的分量之一。当同量程、同一类的被校仪器，通过总结重复性分量是差不多的，当评不确定度的时候，可以考虑根据经验直接引用，或者通过合并标准差的方式进一步处理。】

  • 7.依据公式（2）计算压力测量重复性。 \(\sigma_p=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n(p_{i}-\bar{p})^2}{n-1}}\)

    $\sigma_p=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n(p_{i}-\bar{p})^2}{n-1}} …………………………(2)$

    ​ $\sigma_p$ —— CTD压力测量重复性，Pa；

    ​ $p_i$—— CTD在第 i 次测量的压力值，Pa；

    ​ $\bar{p}$——CTD在 $n$次测量的算术平均值，Pa；

    ​ $n$—— 测量次数（$n$=6）。

5.2 操作过程要点：

5.2.1 标准器的操作

  • 应该按照活塞压力计、数字压力计的操作手册进行操作。
  • 及时送检，并及时根据上级计量部门校准或检定后给予的新的值更新进入到标准器中。
  • 经验：被检仪器通常是用FS做为表示的，FS就是Full Scale，一台被校仪器的压力指标如果写为0.1%FS，量程50MPa，即约5000m,那么，这个被检仪器的准确度就是5m，全量程内不超过5m就说明不超差。例如对于SBE37来说，虽然在20℃条件下校准，这个误差可能不超过5m，但是如果在更严苛的环境下，例如海下3000-4000m，水温会可能达到2℃-4℃，此时偏差应该会超过5m，达到10m。所以如果不具备条件进行变温校准，应该在室温条件下尽可能的把仪器校准的更好些，这样在更严酷的环境下，结果会更好些。

5.2.2 压力连接件

不同被校仪器的压力接口不同，需要加工制作适合连接“标准器”和“被校仪器”的连接件。原则是：一端可以与被检仪器有效连接、另一端可以与标准器有效连接（活塞压力计端通常是M20×1.5内螺纹定点带胶圈）、耐压要足够。

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5.2.3 被校仪器的操作

  • 各种被校仪器有自己的操作手册，应该按照被校仪器的仪器的说明进行。
  • 对于常见的仪器可以用串口数据读取工具软件进行读取，例如串口小帮手等，通过特定工程命令，读取目标传感器的数据。每类的仪器的命令（例如:start,startnow,stop,tp,tpr,ds,dc等）通常有所不同，需要在厂家的用户手册中查询。
  • 在可能的条件下，尽可能的获得被校仪器的示值和原始值；如果不能获得原始值，则至少要获得被校仪器的示值和传感器校准公式。如果只要求出示值误差，则可以只获得被校仪器的示值即可。
  • 被校仪器的操作的原则是：在不连接标准器时（初始0点和结束0点），获得被校仪器的第一组空气中被校仪器的零点压力数据，同时采用振筒气压计记录大气压数据。所谓被校仪器的操作就是，通过被校仪器与读数电脑软件、电源（如果需要）连接，并有效记录被校仪器数据的过程。

5.3 数据处理：

  • 将被检仪器在校准过程中的标准压力数据、被校仪器数据进行预处理、数据清洗、整理，获得适合出具证书的原始数据的格式。
  • 将被校仪器示值数据与标准压力数据进行比较，计算出示值误差。如果误差远小于（例如小于1/3MPE）生产厂家声称的误差水平，则可以直接给出示值误差。
  • 如果被校仪器的初始示值误差较大，则原则上建议根据被校仪器的出厂校准公式，将标准值与被校仪器的原始值进行拟合，拟合出新的系数，并将新系数给予客户。客户可以根据需要将新的系数植入到被校仪器中。
  • 下图是一台SBE37的出厂校准页面。当需要给予被校仪器新系数时，应取得被校仪器的“原始”数据，使用其与标准压力值使用最小二乘法进行拟合。具体拟合公式要根据各个厂家的校准页进行。本台例子仪器是使用了一元二次方程进行拟合的，各家仪器不同，也有一元三次方程的，也有其他公式的。要根据具体仪器具体分析。

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5.4 不确定度评定

  • 根据JJG 763-2019《温盐深测量仪检定规程》以及JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，就本检定装置检定结果的测量不确定度进行分析评定

  • 根据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，就CTD校准结果的测量不确定度进行分析评定，温度校准结果不确定度来源主要有5个因素：

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  • 不确定度评价过程：略。

  • 输入量标准不确定各分量汇总表：

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  • 扩展不确定度的评定：取置信概率p=95%，k=2，则扩展不确定度为$U$=2×0.0024=0.00598MPa，相对扩展不确定度$U_{rel}$（其中 $R_{max}$为压力传感器的最大量程，此例中为50MPa)。压力校准结果的相对扩展不确定度为：$U_{rel}$=0.012%，k =2。满足被检仪器的最大允许误差要求。

6 证书报告

  • 证书报告是制式的格式，应包含JJG763和有关规程中规定的相关主要项目。
  • 证书报告原始数据应该完整，可追溯。所有证书上的数据的原始数据需要源于最原始的数据和期间产生的各种记录。
  • 所有纸质原始记录应该划改、证书的签字人员应拥有资格，并符合授权签字要求。

7.Q&A

7.1 为何依据检定规程做校准而不是检定？

  • 检定规程中规定的指标是需要做合格判定的（对“标准计量器具”传通常用检定——例如满足0.05级），但是我们通常不需要做符合性判定，因此只要校准就（对于“工作计量器具”——给出实际示值误差，或给予新系数——俗称的“调整传感器参数”）可以满足要求。

  • 检定的特点：需要放在恒温箱中，让被检仪器稳定到0、20、30℃（每个温度条件下恒温时间很长，约2-4h），然后进行升压和降压的计量校准操作。检定的结果要求在不同的温度下，各个校准点均不超差。只做合格性判定，通常不进行调整。
  • 校准的特点：通常在恒温实验室（20℃±1℃）下，被校准仪器恒温2h-4h，使得被校仪器==腔体内的温度==（非CTD温度传感器温度）和室内温度达到了==热平衡==。此时，参照JJG763中的校准步骤规定，对CTD的压力传感器进行校准操作。

7.2 不确定度听不懂

  • 请自学JJF 1059.1 将来有机会再讨论，根据具体的检定校准情况，具体问题具体分析。

7.3 新系数怎么用

  • 每种CTD在获得新的系数之后，应当植入到仪器中（原配置文件备份后，载入校准证书给予的新的系数。）客户如果没有要求，计量校准部门原则上不主动植入系数，而是提供系数，让客户自己植入。
  • 举例：以海鸟CTD为例说明校准证书中相关内容的应用，说明其在海洋调查中的应用。利用海鸟公司的Seasoft系列软件中的SBE Data Processing将得到的校准系数输入到仪器的配置文件*.con中，具体步骤如下：
    • 1）打开SBE Data Processing，点击Run菜单下的Data Conversion；
    • 2）点击Instrument configuration file下的Select，选取需要修改的配置文件；
    • 3）点击Modify，在Sensor列表下选择需要修改校准系数的传感器，例如Temperature(温度)、Conductivity(电导率)等；
    • 4）在传感器参数设置界面中输入需要修改的参数，完成后点击OK，返回上级菜单；
    • 5）点击Save保存修改后，新的配置文件即设置完成。

8.Ref

  • 略。

9.Log

  • 211019 小焱创建。
  • 211020 小焱创建框架。
  • 211021小焱完成MVP,分叉为Simple和Full版，并以Full版为基础进行后续进化。
  • 211022 小焱在Simple版基础上，进一步修订和简化为Slim版。
  • 211105 增加了简化压力公式
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