高占科， 袁玲玲， 江 帆

(國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112)

1 引 言

世界大洋溫度的時(shí)空分布和變化，是海洋學(xué)研究最基本的內(nèi)容之一，它幾乎與海洋中所有的現(xiàn)象都有密切關(guān)系，對(duì)研究海洋氣候、海洋環(huán)境、海洋漁業(yè)、海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋防災(zāi)減災(zāi)等具有極其重要的意義。海洋溫度的測(cè)量是開(kāi)展海洋觀測(cè)、調(diào)查、監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。海洋測(cè)溫儀是目前獲取大洋溫度最主要的儀器設(shè)備，其計(jì)量性能是否準(zhǔn)確可靠對(duì)海洋數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。為衡量亞太區(qū)域相關(guān)國(guó)家海洋溫度計(jì)量校準(zhǔn)的能力水平，相互驗(yàn)證計(jì)量校準(zhǔn)結(jié)果，開(kāi)展計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)國(guó)際交流與合作，2018年7月至2019年4月，國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心組織亞太區(qū)域其他2個(gè)國(guó)家開(kāi)展海洋測(cè)溫儀計(jì)量校準(zhǔn)比對(duì)，提升各國(guó)海洋溫度數(shù)據(jù)資料的可比性和一致性，促進(jìn)海洋溫度數(shù)據(jù)資料的交流與共享。

2 比對(duì)實(shí)驗(yàn)室

國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心(國(guó)家海洋計(jì)量站，NCOSM)是我國(guó)國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)，通過(guò)CNAS認(rèn)可，自主研發(fā)了海洋領(lǐng)域最高等級(jí)的海洋溫度測(cè)量?jī)x器計(jì)量檢定裝置，除向國(guó)內(nèi)提供計(jì)量檢定校準(zhǔn)服務(wù)之外，多次向亞太區(qū)域其他國(guó)家和地區(qū)提供海洋儀器計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)。參加本次海洋溫度計(jì)量校準(zhǔn)比對(duì)的其余2家實(shí)驗(yàn)室均建立了高精度的海洋溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，具備了校準(zhǔn)高精度海洋測(cè)溫儀器的能力，有多年開(kāi)展國(guó)際上主流海洋測(cè)溫儀器的經(jīng)歷，校準(zhǔn)結(jié)果和數(shù)據(jù)得到多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的認(rèn)可，有較強(qiáng)的國(guó)際影響力。

表1 參比實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)能力

3 海洋測(cè)溫儀的校準(zhǔn)原理

海洋溫度大體上隨海水深度的增加呈不均勻遞減，從而產(chǎn)生海洋溫度的垂直梯度。在海洋溫度測(cè)量過(guò)程中，將海洋測(cè)溫儀從海面逐漸下放至深海，海洋測(cè)溫儀獲取隨深度變化的海洋垂直溫度數(shù)據(jù)，形成從海面至深海的溫度剖面測(cè)量。海洋測(cè)溫儀的計(jì)量校準(zhǔn)貼近海上現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，確保校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確可靠，在實(shí)驗(yàn)室建立了模擬海上剖面測(cè)量過(guò)程的恒溫海水槽，由于海洋測(cè)溫儀體積較大，恒溫海水槽應(yīng)有足夠大的尺寸，確保校準(zhǔn)過(guò)程中恒溫海水槽的溫場(chǎng)均勻性。具體校準(zhǔn)方法為：將海洋測(cè)溫儀和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)一起放入恒溫海水槽中，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與測(cè)溫電橋相連接，在32～0 ℃范圍內(nèi)，按降溫序列，分別開(kāi)展32，30，25，20，15，10，5，0 ℃等8個(gè)溫度點(diǎn)的校準(zhǔn)。當(dāng)恒溫海水槽溫度穩(wěn)定在某一校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，控溫精度達(dá)到要求后，測(cè)溫電橋和海洋測(cè)溫儀同時(shí)讀數(shù)，作為該校準(zhǔn)點(diǎn)上的測(cè)量值。在8個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)完成后，通過(guò)比較被檢儀器和標(biāo)準(zhǔn)溫度示值，計(jì)算海洋測(cè)溫儀的校準(zhǔn)系數(shù)和示值誤差。

海洋測(cè)溫儀的精度較高，并且海上使用環(huán)境惡劣以及存在很多不確定性，難以長(zhǎng)時(shí)間保持高精度的測(cè)量性能，因此海洋測(cè)溫儀的穩(wěn)定性時(shí)間不長(zhǎng)。為了彌補(bǔ)穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量精度的影響，確保儀器在海上長(zhǎng)期作業(yè)過(guò)程中保持較高的準(zhǔn)確性，各生產(chǎn)廠家根據(jù)儀器測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)，通過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)溫度計(jì)算公式，通過(guò)獲取的電阻、頻率或其他原始值計(jì)算溫度示值。計(jì)算公式中包含部分可以改變的系數(shù)，該系數(shù)根據(jù)儀器計(jì)量校準(zhǔn)的信息進(jìn)行調(diào)整，并在儀器操作軟件中設(shè)置了系數(shù)調(diào)整的功能模塊，通過(guò)軟件修正的方式確保儀器在計(jì)量校準(zhǔn)后可以消除儀器漂移帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，重新獲得高精度的溫度數(shù)據(jù)。

4 傳遞儀器

本次比對(duì)共有3臺(tái)傳遞儀器，由3家實(shí)驗(yàn)室分別提供，均為SBE公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，是當(dāng)前國(guó)際上主流使用、且測(cè)量精度較高的海洋測(cè)溫儀，基本信息見(jiàn)表2。

表2 傳遞標(biāo)準(zhǔn)基本信息Tab.2 Basic information of transfer standards

本次比對(duì)的海洋測(cè)溫儀需要通過(guò)獲取的原始值計(jì)算溫度示值，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)：

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

(1)

式中：t/℃為海洋測(cè)溫儀溫度示值；a0，a1，a2，a3為海洋測(cè)溫儀校準(zhǔn)系數(shù)；n為海洋測(cè)溫儀測(cè)量原始值。

在處理校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)8組標(biāo)準(zhǔn)溫度示值和海洋測(cè)溫儀原始值，利用最小二乘法對(duì)公式(1)進(jìn)行三階多項(xiàng)式的擬合回歸，得到海洋測(cè)溫儀的4個(gè)新校準(zhǔn)系數(shù)，并利用新校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算出海洋測(cè)溫儀校準(zhǔn)后溫度示值，以此計(jì)算出海洋測(cè)溫儀在各校準(zhǔn)點(diǎn)的示值誤差。

由于本次比對(duì)涉及3個(gè)國(guó)家，比對(duì)時(shí)間跨度較長(zhǎng)，傳遞儀器的體積和重量較大且不便于運(yùn)輸，為保證儀器的安全運(yùn)輸，本次比對(duì)未采取郵寄方式，而是結(jié)合召開(kāi)國(guó)際會(huì)議和雙方學(xué)術(shù)交流之際，由試驗(yàn)技術(shù)人員隨機(jī)攜帶托運(yùn)。

5 比對(duì)方法

本次比對(duì)采取環(huán)式比對(duì)方式，依次由實(shí)驗(yàn)室1、實(shí)驗(yàn)室2、實(shí)驗(yàn)室3進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室2、實(shí)驗(yàn)室3分別開(kāi)展2次校準(zhǔn)試驗(yàn)，最后回到實(shí)驗(yàn)室1進(jìn)行復(fù)校，以驗(yàn)證傳遞標(biāo)準(zhǔn)示值是否正常，各實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展校準(zhǔn)試驗(yàn)的時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)間及數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)Tab.3 Laboratory calibration time and data identification

在比對(duì)試驗(yàn)中，將3臺(tái)傳遞儀器一起放入恒溫海水槽，同時(shí)開(kāi)展校準(zhǔn)試驗(yàn)。為消除傳遞標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，合理比較參比實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)能力，參比實(shí)驗(yàn)室在校準(zhǔn)試驗(yàn)完成后，對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，形成新的校準(zhǔn)系數(shù)。對(duì)每臺(tái)海洋測(cè)溫儀通過(guò)人工設(shè)置不同儀器原始值，模擬在32，30，25，20，15，10，5，0 ℃等8個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，利用各參比實(shí)驗(yàn)室的新校準(zhǔn)系數(shù)分別計(jì)算出相應(yīng)海洋測(cè)溫儀的溫度示值，以各參比實(shí)驗(yàn)室在同一溫度點(diǎn)的2次溫度平均值作為實(shí)驗(yàn)室在該校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。

各參比實(shí)驗(yàn)室均對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸處理，海洋測(cè)溫儀穩(wěn)定性帶來(lái)的影響可以忽略，且各實(shí)驗(yàn)室的不確定度完全不相關(guān)，因此本次比對(duì)采用加權(quán)平均法計(jì)算參考值。比對(duì)參考值及不確定度分別按式(2)和式(3)計(jì)算：

(2)

(3)

式中：Yr，i為第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的參考值；Yji為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室在第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果；uj為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur為參考值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

對(duì)于某一參比實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的等效度及其不確定度的一致性，采用歸一化偏差En進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算方法見(jiàn)公式(4)：

(4)

式中：Yji為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果；Yr，i為第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的比對(duì)參考值；k為覆蓋因子，取k=2。

6 比對(duì)結(jié)果

6.1 比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參考值的確定

參比實(shí)驗(yàn)室均同時(shí)開(kāi)展3臺(tái)儀器的校準(zhǔn)試驗(yàn)，根據(jù)溫度計(jì)算公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸處理，計(jì)算出新的校準(zhǔn)系數(shù)，校準(zhǔn)系數(shù)詳見(jiàn)表4。利用此系數(shù)和海洋測(cè)溫儀在校準(zhǔn)試驗(yàn)中獲取的原始值，計(jì)算海洋測(cè)溫儀在各校準(zhǔn)點(diǎn)溫度值，并與測(cè)溫電橋測(cè)量值進(jìn)行比較，計(jì)算其示值誤差，各儀器歷次校準(zhǔn)示值差值均在±0.000 3 ℃以內(nèi)，以實(shí)驗(yàn)室1為例，第1次校準(zhǔn)示值誤差見(jiàn)表5。

表4 校準(zhǔn)系數(shù)Tab.4 calibration coefficient

表5 實(shí)驗(yàn)室1第1次校準(zhǔn)示值誤差Tab.5 First calibration error of laboratory 1 ℃

對(duì)3臺(tái)儀器分別設(shè)置8個(gè)不同的原始值，利用新的校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的溫度值，根據(jù)同一校準(zhǔn)點(diǎn)2次溫度值計(jì)算平均值，作為測(cè)量結(jié)果，具體比對(duì)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表6。

表6 比對(duì)數(shù)據(jù)Tab.6 Comparison data ℃

實(shí)驗(yàn)室1和實(shí)驗(yàn)室3的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.001 ℃，實(shí)驗(yàn)室2的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.000 8 ℃，根據(jù)公式(3)計(jì)算得出參考值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur=0.000 53 ℃。依據(jù)式(2)計(jì)算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的溫度參考值，以及參比實(shí)驗(yàn)室各校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與參考值之差。具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表7。

表7 測(cè)量結(jié)果與參考值之差Tab.7 The error between the measurement result and the reference value ℃

6.2 En值的計(jì)算與分析

對(duì)單個(gè)參比實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果的等效度及其不確定度的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)式(4)和比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算3臺(tái)海洋測(cè)溫儀的比對(duì)En值。結(jié)果|En|均小于1，參比實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與參考值之差在合理的預(yù)期之內(nèi)，比對(duì)結(jié)果可以接受，詳見(jiàn)圖1。

圖1 En值計(jì)算結(jié)果Fig.1 Results of En

從32 ℃至0 ℃，|En|大體隨著溫度的降低而不斷增大，表明低溫區(qū)的比對(duì)結(jié)果不如高溫區(qū)的比對(duì)結(jié)果，各實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)數(shù)據(jù)在高溫區(qū)的一致性較好。

6.3 實(shí)驗(yàn)室2次比對(duì)實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性分析

根據(jù)表6測(cè)量值，分別計(jì)算各實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)儀器同一校準(zhǔn)點(diǎn)2次校準(zhǔn)示值之差，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖2。

圖2 同一校準(zhǔn)點(diǎn)2次校準(zhǔn)示值之差Fig.2 The error between two calibration result at the same point

從3臺(tái)儀器共24個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)2次校準(zhǔn)示值間的差值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以差值大小衡量實(shí)驗(yàn)室2次比對(duì)實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性。實(shí)驗(yàn)室2的復(fù)現(xiàn)性最好，差值均在±0.000 5 ℃之內(nèi)；實(shí)驗(yàn)室3次之，除一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)差值0.001 1 ℃，其余均在±0.001 ℃之內(nèi)；實(shí)驗(yàn)室1較差，除儀器SBE-IM的差值在±0.001 ℃之內(nèi)，其余2臺(tái)儀器的差值最大值均超出了±0.001 ℃范圍，且差值較大的均為低溫校準(zhǔn)點(diǎn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本次比對(duì)是3家實(shí)驗(yàn)室首次開(kāi)展的計(jì)量比對(duì)，各參比實(shí)驗(yàn)室按照預(yù)先約定的方法開(kāi)展校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、評(píng)定不確定度等，比對(duì)數(shù)據(jù)真實(shí)、客觀地體現(xiàn)了各參比實(shí)驗(yàn)海洋溫度計(jì)量校準(zhǔn)的能力和水平。分析比對(duì)結(jié)果，可以看出各參比實(shí)驗(yàn)室海洋測(cè)溫儀計(jì)量校準(zhǔn)的一致性在可接受范圍之內(nèi)，但高溫區(qū)要優(yōu)于低溫區(qū)，各參比實(shí)驗(yàn)室的復(fù)現(xiàn)性還存在一定的差異。通過(guò)計(jì)量比對(duì)，為參比實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)海洋測(cè)溫儀計(jì)量校準(zhǔn)薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)完善計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)提供了技術(shù)參考。