海水濁度測量儀校準(zhǔn)方法解讀及不確定度評定

姚堯 田郁郁 王志鵬 程鵬

摘要：海水濁度測量儀用于測量懸浮于水或透明液體中不溶性顆粒物質(zhì)所產(chǎn)生的光的散射程度，并能定量表征這些懸浮顆粒物質(zhì)含量的儀器。文中針對《JJF 1571-2016海水濁度測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行解讀，并計算不確定度?？紤]到測量重復(fù)性、濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液定值、稀釋時使用的容量瓶和移液管、稀釋與校準(zhǔn)時由于溫度引起的體積不一致等，最終確定海水濁度測量儀校準(zhǔn)結(jié)果的相對擴展不確定度可達(dá)3.2%。對計量部門海水濁度測量儀的量值統(tǒng)一和有效溯源具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：海水濁度測量儀;校準(zhǔn);不確定度;示值誤差

Interpretation of Calibration Method and Evaluation of Uncertainty for Seawater Turbidity Meter

YAO Yao， TIAN Yu-Yu， WANG Zhi-Peng， CHENG Peng

（Tianjin Institute of Metrological Supervision and Testing， Tianjin 300192， China）

Abstract： A seawater turbidity meter is used to measure the scattering of light generated by insoluble particulate matter suspended in water or a transparent liquid， and it can quantitatively characterize the content of these suspended particulate matter. This paper interprets and calculates the uncertainty according to "JJF 1571-2016 Calibration Specifications for Seawater Turbidity Meters". Considering the repeatability of measurement， the value of turbidity standard solution， the volumetric flask and pipette used in dilution， and volume difference between dilution and calibration because of temperature， the relative extended uncertainty of the calibration result of the seawater turbidity meter is finally up to 3.2%. It is of great significance for the unification of the measurement result and the effective traceability of the seawater turbidity meters in the metrology department.

Key Words： Seawater turbidity meters; Calibration; Uncertainty; Measuring error

1概述

海水濁度測量儀是由濁度傳感器通過水密接插件連接到主機、可直接置于海水中測量的設(shè)備，一般集成在溫鹽深測量儀或浮標(biāo)等海洋觀測設(shè)備上，具有原位實時連續(xù)測量、不需取樣等特點[1，2]。濁度傳感器是由光源發(fā)射系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)組成，其工作原理是光源呈錐形區(qū)域發(fā)出特定波長的光照射海水，海水中的顆粒物粒徑、形狀和反射率會影響光的散射程度，與光源同側(cè)的光電檢測系統(tǒng)可接收的后向散射光，并將其轉(zhuǎn)換成光電信號，然后由主機對光電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后顯示濁度量值，單位NTU。廣泛應(yīng)用于市政供水、污水處理、綜合凈化、造紙行業(yè)、化工行業(yè)。其測量結(jié)果準(zhǔn)確度有可觀的經(jīng)濟效益[3，4]。

2 校準(zhǔn)條件

2.1 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：（15～25）℃;相對濕度：（20～80）%RH。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

根據(jù)JJF 1571-2016《海水濁度測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，實驗室需選用擴展不確定度不大于3%（=2）的國家水質(zhì)濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液。目前在售產(chǎn)品中滿足校準(zhǔn)規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)如表1所示。文中選用GBW 12001、GBW 120065-1兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為主要標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行儀器校準(zhǔn)及不確定度的評定[5]。

3 校準(zhǔn)方法

3.1零點漂移

開啟儀器10min后讀取的第一個測量值即為初始值，持續(xù)測量30mm，測量數(shù)據(jù)不少于10個，計算各測量值相對于初始值的變化幅度，取變化幅度最大值與量程之比為儀器的零點漂移值。選用待校準(zhǔn)儀器量程為40NTU，測量結(jié)果如表2所示。

3.2示值誤差

選用水質(zhì)濁度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在儀器量程范圍40NTU內(nèi)，均勻取5個校準(zhǔn)點，按比例準(zhǔn)確稀釋配制濃度值為8NTU、16NTU、20NTU、24NTU、32NTU的標(biāo)準(zhǔn)溶液。儀器按濁度標(biāo)準(zhǔn)使用液的濃度從小到大順序依次校準(zhǔn)，每更換一次濁度標(biāo)準(zhǔn)使用液需用零濁度水清洗并擦干濁度傳感器。

將儀器置于濁度標(biāo)準(zhǔn)使用液中，開啟儀器10 min后，每個濃度值采集10個數(shù)據(jù)，求算術(shù)平均值作為該校準(zhǔn)點的測量值。測量值與標(biāo)稱值的相對誤差為儀器示值誤差，如式1所示。

（1）

式中：為儀器示值誤差;為濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液測量平均值;為配制的濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)稱值。

3.3重復(fù)性

根據(jù)實際檢測的需求，使用零濁度水將福爾馬肼濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行適當(dāng)稀釋至各量程所需的濁度值。對最大濁度點40NTU點連續(xù)重復(fù)測量10次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為儀器的重復(fù)性，如式（2）所示。

（2）

式中：RSD：重復(fù)性，%;：第i次濃度測量值，NTU;：10次濃度測量的平均值，NTU。

4 不確定度數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型如式3所示：

（3）

5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

以20NTU點的校準(zhǔn)為例計算示值誤差的不確定度[6]。

5.1被測濁度計測量結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)相對

不確定度

被測濁度計測量結(jié)果引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源主要是濁度計的濁度示值測量重復(fù)性，從測量時得到的數(shù)據(jù)的分散性考慮，可以用A類評定的方法。測量中使用一臺濁度計，連續(xù)測量10次得到測量數(shù)據(jù)如表3所示。

按檢定規(guī)程在實際檢定中，以10次測量的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，因此得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

=0.15%

5.2 配置標(biāo)準(zhǔn)溶液使用的容量瓶和吸量管

引起的相對不確定度

輸入量的不確定度主要來源于被測標(biāo)準(zhǔn)溶液的定值不確定度，可根據(jù)證書給出的定值不確定度來評定，因此應(yīng)采用B類方法進(jìn)行評定。

Formazine濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液的定值證書給出的相對擴展不確定度為3%，包含因子=2。則=

3%/2=1.5%。

5.3 配置標(biāo)準(zhǔn)溶液使用的容量瓶和吸量管

引起的相對不確定度

在配置相應(yīng)濁度值20NTU的標(biāo)準(zhǔn)溶液時，使用A級1000mL容量瓶，容量允差不超過±0.40mL。計量結(jié)果服從均勻分布，取。由此容量瓶引起的不確定度。

在配置相應(yīng)濁度值的標(biāo)準(zhǔn)溶液時，使用A級10mL移液管1次、20m移液管2次L，容量允差不超過±0.05mL。計量結(jié)果服從均勻分布，取。由此容量瓶引起的相對不確定度：

（4）

（5）

=0.41%

（6）

5.4使用容量瓶和吸量管的溫度與體積校準(zhǔn)時的

溫度不一致引起的相對不確定度

根據(jù)證書容量瓶是在20℃進(jìn)行校準(zhǔn)，而配制校準(zhǔn)溶液的實驗室溫度在（20±5）℃， 水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1，按矩形分布，包含因子=3，由10mL移液管、20mL移液管、1000mL量瓶溶液體積因溫度影響而引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：

（7）

（8）

（9）

=0.15%

（10）

濁度標(biāo)準(zhǔn)使用液配制值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

=1.56%? ? （11）

6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算見表4。

由于各輸入量、、、彼此獨立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按式（12）得到。

1.57%? （12）

6.2? 擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算

取置信概率=2，擴展不確定度為：

2×1.57%=3.14%? ? ? ? ? （13）

修約后，取3.2%。

7 結(jié)論

海水濁度測量儀的校準(zhǔn)包括零點漂移、重復(fù)性、示值誤差等。海水濁度校準(zhǔn)時需要使用福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，需要保存在（4～8）℃環(huán)境中，使用前需要搖勻。考慮到測量重復(fù)性、濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液定值、稀釋時使用的容量瓶和移液管、稀釋時溫度與體積校準(zhǔn)時的溫度不一致等，最終確定海水濁度測量儀校準(zhǔn)結(jié)果的相對擴展不確定度可達(dá)3.2%，校準(zhǔn)方法的探究及不確定度的評定對計量及檢測行業(yè)的工作具有指導(dǎo)意義，也為儀量值統(tǒng)一和有效溯源提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[5]姚堯，李紅亮，李微微，白玉潔，胡淑金.濁度計示值誤差測量結(jié)果的不確定度評定[J].質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2017（03）：2-4.

[6]海水濁度測量儀校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1571-2016[S].