Разделы: Науки о Земле
Размещена 04.09.2017. Последняя правка: 01.06.2018.
Просмотров - 2363

Проблема метрологического обеспечения океанологических CTD-зондов

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Степанюк Александр Иванович, ст. научный сотрудник, ААНИИ, Атаджанова Оксана Алишеровна, аспирант, РГГМУ

УДК 551.46.0

Введение. Зонды CTD (conductivity,  temperature, depth -  электрическая проводимость, температура, давление) успешно используются в натурных океанологических исследованиях. Обычно зондирование осуществляется с борта исследовательского судна. Именно с помощью CTD-зондов получены наиболее объемные современные массивы информации о гидрофизических характеристиках толщи воды в различных районах Мирового океана.

Исследовательские организации РФ в настоящее время используют преимущественно зонды зарубежного производства. При этом метрологические характеристики, как правило, считаются соответствующими тем, которые указаны в технической документации на приборы. Какой-либо специальной метрологической аттестации не проводится.

Ранее (ГОСТ  8.326-78) устанавливались требования к использованию нестандартизованных средств измерений (НСИ) [2]. К таким средствам относились все приборы, которые не были метрологически аттестованы в нашей стране. Соответственно, к НСИ относились CTD-зонды зарубежного производства.

В настоящее время этот ГОСТ практически не восстановлен. В результате сформировалось отмеченное выше доверие к декларируемым техническим характеристикам зарубежных зондов.

Однако эти характеристики во многих описаниях CTD-зондов носят в значительной степени рекламный характер. И возникает вопрос доверия к тем натурным результатам, которые получены с их помощью.

 

Краткий обзор технических характеристик зарубежных CTD-зондов, используемых в РФ. В табл. 1 представлены декларируемые технические характеристики каналов температуры зондов. Это удобнее для анализа, поскольку далее рассматривается метрологическое обеспечение измерений температуры.

Таблица 1.

Модель, фирма, страна	Диапазон измерений		Погрешность измерений	Разрешающая способность	Постоянная времени
Канал измерения температуры
OS 200 CTD, Ocean Sensors, США		0-30 оС	0,01 оС	0,001 оС	0,02 с
OS 300 CTD, Ocean Sensors, США		0- 30°С	0,01 оС	------------	0,02 с
OS 500 TSG, Ocean Sensors, США		0- 25°С	0,01 оС	0,001 оС	0,02 с
OS 500 APV, Ocean Sensors, США		-2÷ + 30°С	0,02°С	0,001 оС	---------------
SVP 3", Falmouth Scientific Inc., США		-2÷ + 32°С	0,01°С	0,0001°С	------------------
Seamon CTD, Hugrun ehf, Исландия		-2÷ + 40°С	±0,02°С	0,003°С	-------------
SBE 25, Sea-Bird Electronics, США		от -5° до 35°С	0,002°С	0,0003°С	0,07 с
SBE 911plus, Sea-Bird Electronics, США		от -5° до +35°С	0,005°С	0,0001°С	0,065 с
SBE 19plus, Sea-Bird Electronics, США		от –5° до +35°С	0,001°С	0,0002°С	--------------
FastCAT CTD Sensor SBE49, Sea-Bird Electronics, США		от -5° до 35°С	0,002°С	0,0001°С	----------------
ОЛД-1, НПП «Марс», РФ		от -2° до +35°С	±0,03°С	£0,01°С	---------------

 

Приведенные в таблице технические характеристики вызывают ряд вопросов. Основной из них: за счет каких важных усовершенствований получены столь малые погрешности у большинства зарубежных зондов, особенно – у зондов фирмы Sea-Bird Electronics (США) – до 0,001°С. На их фоне отечественный ОЛД-1 (производитель - научно-производственное предприятие "Марс", РФ) выглядит весьма скромно.

В соответствии с ГОСТ 16263-70 [4]  и РМГ 29-2013 [8] (Рекомендации по межгосударственной стандартизации) погрешность – это разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины.  Эта разность может быть как положительной, так и отрицательной. Поэтому в технической документации должны указывать доверительные границы погрешности. В РФ, как правило, указываются доверительные границы при доверительной вероятности 0,95. Для нормального закона распределения погрешностей такие условия соответствуют  ±2σ, где  σ – среднеквадратическое отклонение.

В данной работе неуместны подробности современных требований, предъявляемых к оценкам погрешностей средств измерений (СИ). Действительно, для этого существует большое количество ГОСТов, разработанных специалистами  в области метрологии.

Однако уместно еще одно замечание. Метрологическое обеспечение (аттестация) любых СИ, в том числе – океанологических CTD-зондов, должно происходить по имеющимся правилам. Эти правила определяют последовательную передачу метрологических оценок (размера физической величины) по схеме: исходные эталоны (как правило – физические) → эталоны-копии → вторичные эталоны → рабочие эталоны 1-го разряда → рабочие эталоны 2-го разряда → рабочие эталоны 3-го разряда → средства измерений (ГОСТ 8.558-09) [6].

Физическими эталонами при измерениях температуры в требуемом для океанологии диапазоне (как правило, -2÷+35 ⁰С) являются две физические величины: так называемая тройная точка воды (273,15 К) и температура плавления галлия (+29,87646 °C). Эти физические эталоны в метрологии часто называют реперными точками.

Тройную точку воды в соответствии с ГОСТ 8.157-75 [7] формируют следующим образом. Это такое состояние вещества, при котором твердая, жидкая и газообразная фазы находятся в тепловом равновесии. Технология получения тройной точки воды весьма непростая. Она отражена  в ГОСТе 8.157-75. Здесь только следует отметить, что неприменима любая вода, а только вода очень высокой чистоты, имеющая фиксированный изотопный состав. При всех очень сложных требованиях к технологии воспроизводимость тройной точки не лучше 0,01 К

Аналогичные проблемы имеются также и для второй реперной точки  -  температуры плавления галлия. Галлий не встречается в природе в чистом виде, его получают тщательным выделением из других полезных ископаемых. Однако самое важное, что для получения требуемой точности необходим галлий очень высокой чистоты - 99,9999%.

В работе [1] описаны технологические возможности использования галлия в качестве реперной  точки. В силу трудностей получения этого рассеянного в природе металла столь высокой чистоты, как отмечено выше, в работе [1] созданы миникапсулы для воспроизведения температурной точки. Продолжительность площадки плавления достигает 5-8 часов. Типичный вид характеристики  показан на рис.1.

Рисунок 1 – Характеристика плавления галлия. Из работы [1].

Результаты (типичные), показанные на рис.1, свидетельствуют о том, что разброс показаний в области площадки плавления действительно невелик. Среднее квадратическое отклонение значений, отсчитываемое по эталонному платиновому электрическому термометру сопротивления (ЭТС)  типа ЭТС-25 [1] составляет примерно 4×10^{-4 0}С. Т.е. при доверительной вероятности 0,95 вариации имеют порядок  ±10^{-3 0}С.

Кроме этого уместно обратить внимание на среднее значение температуры плавления. Оно не соответствует указанному выше теоретическому значению (+29,87646 °C). В рекламном проспекте ОАО НПП «ЭТАЛОН» (Группа Компаний "Теплоприбор"), где описаны характеристики созданных  (ампул), указана воспроизводимость реперной точки галлия – 10 мК, т.е. ±0,01 К.

Получается, что физические эталонные точки для интересующего нас диапазона температур не могут быть воспроизведены лучше, чем со среднеквадратической погрешностью ±0,01 К.

В настоящее время принято пользоваться международной температурной шкалой МТШ-90. В качестве эталонного  средства измерений для интересующей нас области температур применяется термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки.

В соответствии с ГОСТ 8.558 – 09 [6] для последовательной передачи размера величины к рабочим средства измерений используются первичные, вторичные и рабочие эталоны.

Рассмотрим эталоны, которые ближе всего к рассматриваемым здесь океанологическим средствам измерений, т. е. к CTD-зондам. Это рабочие эталоны 1-го, 2-го и 3-го разрядов. В соответствия с ГОСТ 8.558 – 09 доверительная погрешность для рабочих эталонов 1-го разряда в точке 273,15 К должна составлять 0,002 К, для второго разряда – 0,01 К, для 3-го разряда – 0,05 К.

В настоящее время фирма «Эталонприбор» (Группа Компаний «Теплоприбор», РФ) изготовляет эталонные платиновые термометры ЭТС-100/1 (1- го разряда) ЭТС-100/2 (2-го разряда) и ЭТС-100/3 (3-го разряда). В технических характеристиках этих термометров доверительная погрешность для тройной точки воды составляет ±0,02⁰С при доверительной вероятности 0,95.

Возвращаясь к таблице 1, можно видеть, что CTD-зонды, выпускаемые в США (фирмы Ocean Sensors, Falmouth Scientific Inc., и особенно - Sea-Bird Electronics) имеют погрешности каналов измерения температуры существенно меньше, чем у рабочих эталонов. Т.е. декларируемые погрешности не что иное, как обычная привлекающая реклама.

Тем самым, метрологические характеристики более скромных на  их фоне зондов Исландии (фирма Hugrun ehf.) и отечественного ОЛД-1 (НПП «Марс») представляются намного надежнее.

Примечание. Для обоснования повышения точности некоторые фирмы используют операцию осреднения данных. Действительно в метрологии существует определенная возможность улучшения характеристик. Она основана на формуле:

 

,                                                                          (1)

где σ_N - погрешность среднего арифметического;
      σ_i – погрешность каждого измерения;
      N – количество измеренных значений.

Однако по правилам метрологии (см. например [10]) эта формула применяется только для равноточных измерений. В иных случаях используются формулы с учетом веса каждой погрешности. А это не дает такого эффекта уменьшения погрешности.

 

Постоянная времени. Рассмотрим еще такую характеристику как постоянная времени. Эта характеристика определяет динамические свойства прибора. В приближении динамических систем первого порядка (датчики температуры соответствуют этому) динамические свойства определяются линейным дифференциальным уравнением:

 

,                                                (2)

 

где T₁ – коэффициент, имеющий размерность времени и эквивалентный техническому понятию “постоянная времени”;
     R (t) –выходной сигнал СИ;
     X (t) – сигнал на входе СИ;
         K_R/x      – коэффициент соотношения сигналов в статическом режиме.

То есть постоянная времени – это чрезвычайно важная характеристика, поскольку именно она определяет погрешности измерений в динамическом режиме. А зондирование толщи моря -  это всегда измерения в динамическом режиме.

В работе [11] рассмотрены конструктивные особенности датчиков температуры для глубоководных измерений. Чтобы избежать воздействия гидростатического давления, терморезисторы необходимо помещать в защитный герметичный корпус, а для обеспечения надежного теплового обмена с морской водой этот корпус заполняют теплопроводной жидкостью, например – силиконовым маслом.

Значение постоянной времени обычно определяется  экспериментально. Однако можно выполнить оценку этого значения, используя  термодинамические характеристики датчика. В этом случае целесообразно использовать следующее выражение (см. например [8]):

 

                                                             

где   m – масса термометрического тела;

         C – удельная теплоемкость;

         α  –коэффициент теплопередачи;

         S – площадь соприкосновения термометрического тела со средой.

Учитывая зависимость (3), вряд ли можно надеяться, что у помещенных в защитный герметичный корпус (обычно – цилиндрический) терморезисторов можно получить значение постоянной времени порядка десятков миллисекунд.

Кроме того, возникает закономерный вопрос – каким образом определены столь малые значения (десятки миллисекунд) да еще с погрешностью до одной миллисекунды. Известные технологические возможности, т.е. создание скачкообразного изменения входного сигнала (температуры) либо создание периодических изменений этого сигнала, не могут позволить определить такие значения.

 

Внешний вид одного из анализируемых зондов показан на рис. 2.

 

 

 

Измерения электрической проводимости морской воды.  В табл. 2 представлены метрологические характеристики каналов измерения электрической проводимости. Эта характеристика необходима  для последующих вычислений солености.

 

Таблица 2.

 

Модель, фирма, страна	Диапазон измерений	Погрешность измерений	Приведенная погрешность, %	Разрешающая способность	Постоянная времени, с
Канал электрической проводимости, мСм/см
OS 200 CTD, Ocean Sensors, США	0,5 до 65	0,02	0,03	0,001	0,02
OS 300 CTD, Ocean Sensors, США	0,5 до 65	0,02	0,03	-----------	0,02
OS 500 TSG, Ocean Sensors, США	от 0,5 до 65	0,02	0,03	0,001	0,02
OS 500 APV, Ocean Sensors, США	от 0,5 до 65	0,02	0,03	0,001	0,02
SVP 3", Falmouth Scientific Inc., США	от 0 до 7	(См/м)	0,0005	0,007	0,005 при потоке1 м/с
Seamon CTD, Hugrun ehf, Исландия	от 0 до 65	(0,04	±0,06	0,01	-------------
SBE 25, Sea-Bird Electronics, США	От 0до  7 (См/м)	0,0003	0,004	0,00004	0,060
SBE 911plus, Sea-Bird Electronics, США	от 0 до 7 (См/м)	0,0003	0,004	0,00004	0,065
SBE 19plus, Sea-Bird Electronics, США	от 0 до 9 (См/м)	0,0005	0,006	0,00005 0,00007 0,00001	-------------
FastCAT CTD Sensor SBE49, Sea-Bird Electronics, США	0-9 (См/м)	0,0003	0,003	0,00005 (океаническая вода) 0.00007 (очень соленая вода) 0,00001 (чистая вода)	-------------------
ОЛД-1, НПП «Марс», РФ	от 0,3 до 1,6 (относительная)	± 0,0015	± 0,09	± 0,0005	------------

 

В таблице 2 рассчитана приведенная погрешность, где в качестве нормирующего значения использована верхняя граница диапазона измерений. Погрешность выражена в процентах. Это сделано для возможности сравнения характеристик.

Рассмотрим существующие эталонные установки (ГОСТ 8.457-2000).

Первичным государственным эталоном для диапазона от 10^-3 См/м до 10 См/м является установка ВНИИФТРИ (Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений) [5]. Случайная среднеквадратическая погрешность 5∙10^-5  (0,005 %) при 15 независимых измерениях. Неисключенная систематическая погрешность составляет 2∙10^-4 (0,02%). При измерениях используются растворы химически чистого хлорида калия.

Рабочий эталон нулевого разряда характеризуется в диапазоне 10^-3 См/м до 50 См/м доверительными границами погрешности (Р=0,95) от 0,05% до 0,1 %.

Рабочий эталон 1 разряда имеет доверительные границы погрешности 0,1-0,3 %.

Рабочие эталоны 2-го разряда, которые могут использоваться для поверки рабочих средств измерений, характеризуются доверительными границами погрешности  от 0.25% до 1%.

Из перечня применяемых зондов получается, что только отечественный зонд ОЛД-1 имеет погрешности, близкие к рабочим эталонам.

Рассмотрим значения постоянных времени, которые указаны для некоторых зондов. Они указаны в пределах 5÷20 мс. Как и при анализе этих значений у каналов измерения температуры здесь возникает закономерный вопрос: как такие значения были получены.

 

Измерения гидростатического давления. В таблице 3 приведены характеристики каналов измерения гидростатического давления.  Из рассмотрения исключен зонд OS 500 TSG(отсутствуют данные).

Таблица 3

 

Модель, фирма, страна	Диапазон измерений	Погрешность измерений	Разрешающая способность	Постоянная времени, с
Канал гидростатического давления
OS 200 CTD, Ocean Sensors, США	от 0 до 1000 бар·10-1	0,50 % (FS)	0,005 %	------------
OS 300 CTD, Ocean Sensors, США	от 0 до 1000 бар·10-1	0,50 % (FS)	0,005 %	------------
OS 500 APV, Ocean Sensors, США	от 0 до 300 м	0,50% (FS)	0,005%	----------------
SVP 3", Falmouth Scientific Inc., США	до 7000 м.	0,05 % от всей шкалы	0,001 % от всей шкалы	-----------
Seamon CTD, Hugrun ehf, Исландия	от 0 до 200 м	±0,2 от всей шкалы	вся шкала/16000	-----------------
SBE 25, Sea-Bird Electronics, США	350/1000/2000 /3500/7000 м. (модификации)	0,1 % от всей шкалы	0,015 % от всей шкалы	-------------
SBE 911plus, Sea-Bird Electronics, США	до 7000 м.	0,1 % от всей шкалы	0,002 % от всей шкалы	0,015
SBE 19plus, Sea-Bird Electronics, США	до 10500 м.	0,015 % от всей шкалы	0,001 % от всей шкалы	---------------
FastCAT CTD Sensor SBE49, Sea-Bird Electronics, США	от 0 до 100 дбар (до 7000м)	0,1 % от всего диапазона	0,002 % от всего диапазона	----------------
ОЛД-1, НПП «Марс», РФ	от 0 до 2000 дбар	±2,5 дбар	£0,5 дбар	-------------

 

 

Приведенные характеристики так же, как и для предыдущих каналов, вызывают ряд вопросов. Для их иллюстрации, как и ранее, обратимся к ГОСТам.

ГОСТ 8.017-79 [3]  устанавливает технические требования к образцовым средствам измерений избыточного гидростатического давления.

В качестве образцовых средств измерения 1-го разряда используются деформационные измерительные преобразователи давления с верхними пределами измерений от 0,004 до 60 МПа (от 0,04 до 6000 м). Пределы основной погрешности ­– не более 0,01 и 0,02%.

У образцовых средств измерений 2-го разряда в том же диапазоне измерений пределы основной погрешности не хуже 0,05 и 0,06%.

У образцовых средств измерений 3-го разряда в том же диапазоне измерений пределы основной погрешности не хуже 0,1; 0,15; 0,2 и 0,25%.

В результате получается, что отечественный зонд ОЛД-1 (НПП «Марс»)  и зонд Seamon CTD, Hugrun ehf  (Исландия) ближе всего к образцовым средствам измерения 3-го разряда. Остальные зонды, особенно - SVP 3", Falmouth Scientific Inc., США и SBE 19plus, Sea-Bird Electronics, США, обладают по описанию намного лучшими характеристиками, чем образцовые средства измерений, что вызывает большие сомнения.

 

Выводы и обсуждение. Таким образом, при использовании CTD-зондов зарубежного производства необходимо проведение метрологической аттестации по отечественным стандартам. Эти стандарты практически всегда согласованы с международными. В противном случае при натурных исследованиях с помощью зарубежных зондов возможен просто «уход от реальности». А это, в свою очередь,  вызовет различные негативные последствия при численном моделировании гидрофизических процессов.
В настоящее время  наиболее метрологически обеспеченным  представляется отечественный зонд ОЛД-1. Этот зонд сертифицирован в РФ.

Дополнительно следует отметить, что здесь не рассматриваются особенности методик проведения измерений в натурных морских условиях. Эти измерения проводятся в дрейфе при ветре и волнении. Правила разработки таких методик определяются соответствующими  ГОСТами.

1. Васильев Е.В., Игнатов А.А. Исследование стабильности циклического воспроизведения начального участка плато кривой плавления галлия в малогабаритных ампулах // «Законодательная и прикладная метрология» 2011. №3. C. 1-12.
2. ГОСТ 8.326-78. Метрологическое обеспечение разработки, изготовления и эксплуатации нестандартизованных средств измерений. - М.: Изд-во стандартов, 1983. - 14 с.
3. ГОСТ 8.017-79. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений избыточного давления до 250 МПа.- М.: Изд-во стандартов, 1980.- 10 с.
4. ГОСТ 16263-70. Метрология. Термины и определения.– М.: Изд-во стандартов, 1984.– 53 с.
5. ГОСТ 8.457-2000. Государственная поверочная схема для средств измерений удельной электрической проводимости жидкостей.- М.: Изд-во стандартов, 2003.- 8 с.
6. ГОСТ 8.558-09. Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры.- М.: Стандартинформ, 2012.- 10 с.
7. ГОСТ 8.157-75. Шкалы температурные практические. – М.: Изд-во стандартов, 1980.- 27 с.
8. Качурин Л.Г. Методы метеорологических измерений.– Л.: Гидрометеоиздат, 1985.– 456 с.
9. РМГ 29-2013 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.- М.: Стандартинформ, 2014.- 56 с.
10. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. Метрологическая справочная книга.– Л.: Лениздат, 1987.– 295 с.
11. Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи.– Л.: Гидрометеоиздат, 1986.– 272 с.

Рецензии:

4.09.2017, 18:32 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Работа "изготовлена" в безупречном виде. Немножко непонятно - наши зонды похуже или зарубежные, т.к. в аннотации одно, а в контенте несколько иное. Но это, возможно, рецензент чего-то не понял. Неплохо было бы привести расшифровку аббревиатуры и внешний вид хоть одного какого-то зонда. Работа рекомендуется к публикации.

9.09.2017, 11:14 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Уважаемый Иван Антонович! Не могли бы Вы и на другие два вопроса ответить? Аббревиатура, и что хуже-лучше?

11.09.2017, 13:38 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Извините! Просто не все рецензенты и не все читатели этого издания компетентны в вашей отрасли научно-практической деятельности. Спасибо! Статья рекомендуется к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий