HY/T 101-2007

142《海水声速仪校准方法》,采用的方法是通过在某一固定盐度下,通过改变恒温槽中海水的温度提供不同的声速值来实现校准。 目前海水声速仪国内外的主要生产厂家有中国无锡市海鹰加科海洋技术有限公司、中国北京海卓同创科技有限公司、英国Valeport 公司和加拿大AML 公司等。由于各个厂家有各自的测量范围、示值误差、校准器具及校准方法,并不一致,直接影响了测量数据的准确度。随着我国海洋技术和海洋开发的迅速发展, 海水声速仪的使用量逐渐增加,其测量数据的质量直接影响我国海洋调查数据的 3 准确,所以制定海水声速仪校准规范非常有必要。 图1 中国无锡海鹰HY1200A 型声速仪图2 中国北京海卓同创SVP1500 型声速仪图3 英国Valeport 公司 MIDAS 型声速仪 4 图4 加拿大AML 公司SV PLUS V2 型声速仪表1 几种常见的仪器的标称技术指标制造厂家无锡市海鹰加科海洋技术有限公司北京海卓同创科技有限公司英国Valeport 公司加拿大AML 公司代表型号 HY1200 SVP1500 MIDAS SV plus(V2) SV PLUS 声速量程(m/s) 1400~1600 1400~1600 1400~1600 1400~1550 1400~1550 声速最大允许误差(m/s) ±0.2 ±0.1 ±0.05 ±0.05 ±0.05 温度量程(°C) 0~40 0~35 -5~35 -2~32 -2~32 温度最大允许误差(°C) ±0.1 ±0.05 ±0.01 ±0.05 ±0.05 三、校准规范制订的目的和意义国内现在声速仪校准没有可以依据的规范,只能参照企标Q/HBJ 03.142-2019 《海水声速仪校准方法》和HY/T 101-2007《海水声速仪》开展校准。 国外对声速仪的实验室校准主要是在纯水环境中,NPL 采用的标准纯水声速值计算式为Bilaniuk and Wong 计算式(112 点),该式是在ITS-90 标准下将Del Grosso 和 Mader 在1972 年测的数据转换后拟合而来。不同声速仪生产企业在声速仪校准过程采用的纯水声速值不同,有的采用Bilaniuk and Wong 公式,有的采用IAPWS-95 计算式,而有的采用TEOS-10 计算式。由于采用的纯水标准声速 5 值不同,导致不同声速仪在相同环境中所测量的声速值不同。国内现行的HY/T 107-2007 《海水声速仪检测方法》由国家海洋标准计量中心起草,主要用于规范海水声速仪产品的检测,其中标准声速值采用国际上通用的海水声速经验公式获取。目前国内暂无针对海水声速仪的计量校准规范。 海洋仪器市场海水声速仪种类多,使用范围广,但自校方法却各不相同,并无统一的标准,无法确保仪器自身的稳定性和测量数据的准确性,从而无法保证观测数据的准确可靠。因此制定海水声速测量仪的校准规范,利用纯水声速公式对海水声速仪实现定期校准,完善其量值溯源体系,确保其计量性能的稳定和测量数据的准确是十分必要的。 近几年,本中心已深入调研海水声速仪的实际使用情况并进行过相关的检测和校准实验,取得了宝贵的第一手资料和经验。制定“海水声速仪校准规范”无论是从市场需要还是从制定时机等方面来看,都显得尤为必要和迫切。 四、校准规范编写依据本规范的编写主要参考以下文件: 1. JJF 1001-2011《通用计量术语及定义》 2. JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示 3. JJF 1071-2010《国家计量校准规范编写规则》 4. HY/T 101-2007 《海水声速仪》 5. Q/HBJ 03.142-2019 《海水声速仪校准方法》 6. GB/T 6682-2008《分析实验室用水规格和试验方法》 7. 水运工程声速剖面仪检测方法,窦春晖、曹玉芬、张璇等,水道港口第 36 卷第6 期。 五、与“国际建议”、“国际文件”、“国际标准”、“国内标准”等兼容情况海水声速仪校准规范填补了国内在相关海洋仪器校准方法国家校准方面的空白,使得今后相关仪器的验收、检验、质量评价有章可循,与 “国内标准” 是兼容的,未查到相关“国际建议”、“国际文件”、“国际标准”。 六、 校准规范内容说明 1. 规范名称的确定说明 6 海水声速仪主要是测量声波在海水中传播的速度,其测量方法主要有两种, 一是采用电声电路测出声波通过水中固定两点所需要的时间,对应指示出声速值, 即利用海水声速仪测量,二是利用海水声速与水温、盐度和压力的关系所建立的海水声速经验公式计算得出。在本规范中定义的海水声速仪,包含这两种工作原理的海水声速仪。 2. 范围的确定说明通过(35~0)°C变温实验,进行声速校准,在纯水中的声速范围为(1400~ 1520)m/s,在盐度约为35 的海水中的声速范围为(1450~1550)m/s,两者覆盖了相同的声速范围为(1450~1520)m/s。而声速的确定都是通过经验公式, 纯水经验公式的影响量只是温度,而海水经验公式的影响量既有温度、又有盐度和压力。为减少影响量,所以选取纯水作为工作介质。 另外,在校准参数的选择上,几乎所有的声速仪都有温度传感器,所以海水声速仪的校准包含了温度和声速两个要素。 3. 计量特性的确定说明本规范充分考虑海水声速仪的工作原理、使用环境、海洋调查观测任务的需求等条件,校准内容主要包括温度示值误差、声速示值误差、温度测量重复性和声速测量重复性。 3.1 温度示值误差由于不同海区、不同深度海水的温度不同,因此需在此范围内,一般为(0~ 35)°C,选择不同的温度点进行校准。 3.2 声速示值误差由于不同温度、不同深度海水的声速不同,因此需在此范围内,一般为 (1400~1600)m/s,选择不同的声速点进行校准。 3.3 温度测量重复性温度传感器在使用一段时间后,重复性会下降,影响测量准确度,因此需要对温度测量重复性进行校准。 3.4 声速测量重复性声速传感器在使用一段时间后,重复性会下降,影响测量准确度,因此需要对声速测量重复性进行校准。 7 4. 校准条件 4.1 关于环境条件校准条件包括校准用标准器、配套设备和校准环境条件。为了使测量结果具有尽可能小的不确定度,需要建立一种较稳定的环境条件,降低环境因素对标准器带来的附加误差。 关于工作介质纯水的要求,参考GB/T 6682-2008《分析实验室用水规格和试验方法》中三级水的规格,对电导率提出要求,即电导率(25°C)≤0.50mS/cm。 4.2 关于校准用标准器具进行温度、声速传感器校准主要用到的标准器具有恒温槽、标准铂电阻温度计、测温电桥或者高精度温度传感器等。 5. 校准项目和校准方法首先介绍了采用的校准方法及数据处理的方法。校准点的选取,根据海水声速仪的测量范围作出了详细规定,给出了具体的校准操作步骤。最后对校准数据的处理方法作出了详尽的说明。 选取了中国北京海卓同创科技有限公司(出厂编号02466111)、英国 Valeport 公司(出厂编号74074)和加拿大AML 公司(出厂编号31004)等3 个产品分别进行了海水中和纯水中的试验(见图5)。 图5 纯水声速试验 5.1 温度示值误差利用恒温槽,在被校海水声速仪的测量范围内选取一系列温度测量点,按照 8 海水声速仪的操作规则,进行不同温度点的校准。温度点的选取宜覆盖其量程范围,在35°C、30°C、25°C、20°C、15°C、10°C、5°C、0°C中一般选择35°C、25°C、 15°C、5°C、0°C等5 个温度校准点。 对三种常见海水声速仪进行海水和纯水温度校准的示值误差见表2~表4。 表2 北京海卓同创温度示值误差校准结果温度点(°C) 海水中温度示值误差(°C) 纯水中温度示值误差(°C) 两者的差值(°C) 35 -0.043 -0.034 0.009 30 -0.048 -0.038 0.010 25 -0.049 -0.035 0.014 20 -0.045 -0.044 0.001 15 -0.042 -0.044 -0.002 10 -0.038 -0.044 -0.006 5 -0.036 -0.038 -0.002 0 -0.002 -0.037 -0.035 表3 英国Valeport 公司温度示值误差校准结果温度点(°C) 海水中温度示值误差(°C) 纯水中温度示值误差(°C) 两者的差值(°C) 35 -0.265 -0.274 -0.009 30 -0.260 -0.267 -0.007 25 -0.257 -0.264 -0.007 20 -0.253 -0.261 -0.008 15 -0.252 -0.258 -0.006 10 -0.249 -0.255 -0.006 5 -0.246 -0.251 -0.005 0 -0.241 -0.246 -0.005 表4 加拿大AML 公司温度示值误差校准结果温度点(°C) 海水中温度示值误差(°C) 纯水中温度示值误差(°C) 两者的差值(°C) 35 0.005 0.006 0.001 30 0.006 0.008 0.002 25 0.007 0.009 0.002 20 0.004 0.006 0.002 15 0.003 0.005 0.002 10 0.006 0.008 0.002 5 0.005 0.010 0.005 0 0.002 0.006 0.004 通过表2~表4 中数据分析可知,在海水中和纯水中校准,对温度示值误差的影响较小。 9 5.2 声速示值误差通过比较同一温度计算的纯水声速的结果来进行纯水声速公式的选择,结果见表5。 表5 不同公式声