基于三电极的船载表层温盐测量仪设计和试验

兰 卉，许丽萍，李红志，梁津津，张 挺，王 磊

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海水的温度和盐度是最基本的海洋水文参数，监测表层海水温度和盐度变化规律，特别是远海大洋广泛海域的海水表层温度和盐度数据对研究全球海洋环流、大气环流、海气界面通量和海洋气象与气候具有重要意义[1]。海水表层温度和盐度数据可以作为海洋环境数值预报和灾害性海况遥测的基本数据资料，在水产养殖中可以用于预报生态环境变化规律和控制生物最佳养殖环境等，具有广泛的科研和应用价值。随着海洋调查船的大量使用，借助于船舶搭载的海洋表层温盐测量仪可以构筑起整个海洋脉络的横纵向温度盐度数值，构建一个完整的海洋“体检图”。

在船舶航行过程中同时进行海水温度、盐度和深度剖面测量的平台已获得广泛应用，利用漂泊浮体（如浮标和浮球）进行表层温盐测量的测量方法也已经存在多年，但是上述两种测量方式均存在不足。前者需要派遣专业科考船实施观测，必须使船舶加装专用绞车，利用专用绞车在船舶处于漂泊或走航时将温度、盐度和深度剖面测量仪下放至水下，完成数据测量[2]；后者需要大量投放测量浮体，将温盐测量仪器安装在浮体底部，随海浪和海流自由漂泊。由于远海海洋深度很大，在浮体上安装锚链等固定装置无法实现，因此浮体的测量位置不受控制。上述两种温盐数据获取方式均为点状间隔分布，不能形成线状连续数据流，而且温盐数据的获取成本很高。

船载表层温盐测量仪是一种可以在船舶航行的同时实现快速、隐蔽、大范围地获取海洋表层温度、盐度数据的仪器。与传统温盐深设备相比，其无需船舶停航、无需大型拖曳设备；与投弃式剖面测量仪器相比，其测量精度更高，无需丢弃，极大地节约了海洋调查成本，特别适用于海上大范围科学调查和争议海区的海上军事测量活动，对提高我国远海观测能力有重要意义[3]。目前市场上的船载表层温盐测量仪以美国海鸟公司（Sea Bird Electronics，SBE）的SBE21和SBE45两种产品为主，价格高、货期长，维护不便，用户在实际使用中受到诸多限制。近年来国内科研单位在国家重点研发计划项目资助下，研制的船载表层温盐测量仪样机经过多次海试验证，技术成熟，稳定可靠，已具备产品化推广的能力。

1 船载表层温盐测量仪组成和工作流程

本文介绍的国产新型船载表层温盐测量仪如图1所示，其采用基于三电极的电导率传感器和防生物附着组件，采样间隔最少为2 s，能实时监测表层海水的温盐数据，并配备有上位机实时处理显示数据。为了尽可能地减小由于船体外壳带来的热污染，在海水入水口处（理想是在船头）单独安装一个用于测量表层海水温度的温度传感器[4]。

图1 国产新型船载表层温盐测量仪

船载表层温盐测量仪的管路连接示意如图2所示，样品口接到表层海水输入口，出水口接到扩展传感器的样品口（若无扩展传感器可以直接排出），淡水接到淡水进水口，废水接到船的排水口，附加传感器的淡水口同上，出水口接到船的排水口。

图2 船载表层温盐测量仪管路连接示意图

测量准备阶段：首先进行三电极电导率传感器的清洗，此时阀门1和阀门2打开，阀门3和阀门4关闭，干净淡水通过阀门2进入水箱底部，淡水从下往上充满水箱内部，最后经过阀门1，或者附加传感器的出水口排出。

测量阶段：船侧截止阀开启，表层海水进入，远端温度传感器完成海水温度的实时测量，1号蠕动泵的截止阀开启，海水进入，泵腔内部达到一定水压后，截止阀关闭，止回阀开启，海水进入后续管道和测量仪器，泵腔水压下降，止回阀关闭，使海水在管道和仪器中停留，完成各项参数的测量。测量结束后，截止阀开启，同理进行下次测量。

在测量过程中，海水通过水压变送器，进入去气泡装置，进行气泡消除和海水过滤。处理后的海水通过样品口进入船载表层温盐测量仪，完成海水温盐的测量，此时海水温度经过管道和去气泡装置的热污染，可能会有所变化，但不会影响海水盐度的测量精度。海水随后经出水口进入附加传感器，完成其余参数的测量，或者直接排出。

为了提高整体系统的可靠性和稳定性，可以设置2号蠕动泵与1号交替工作。远端温度传感器的测量数据通过电缆传输到温盐测量仪。航行接口盒与测量仪连接，将船舶航行信息附加到温盐测量数据上形成完整的数据流。

为最大限度地减少船体外壳和管路带来的热污染，尽量接近实际海洋环境下的表层温度，远端温度传感器需要安装到船舶海水入口管道前端，图3以中科院海洋研究所“科学号”科考船底舱实景为例，该舱室位于水线以下。

图3 中科院海洋研究所“科学号”底舱远端温度安装位置

远端温度探头的结构剖面安装如图4所示。在海水进水管道中间安装不锈钢基座，用于温度探头密封以及温度传感器固定，不锈钢基座与两端管路间通过螺纹连接,采用聚四氟乙烯带进行密封。温度传感器通过螺纹固定在安装板上，温度探头与不锈钢基座间依靠橡胶塞密封，并通过安装板压紧，上述结构可以保证密封的可靠性。

图4 远端温度安装示意图

2 船载表层温盐测量仪设计

船载表层温盐测量仪的核心部件为一台安装在水箱内部的高精度温盐测量仪，三维图如图5所示。电导率传感器采用三电极原理，温度传感器采用热敏电阻作为敏感元件，温度和电导率探头的三维效果如图6所示。

图5 船载表层温盐仪水箱内部透视图

图6 电导率和温度探头

三电极电导率传感器又称三电极电导池，其测量原理如图7所示。测量时用来存储待测海水，并结合转换电路感知、测量待测海水的各项物理参数。三电极电导池外壳由玻璃管制成，3个电极使用稳定性好、耐腐蚀的金属铂制成。电导池共3个电极，分别为电极1、电极2、电极3。电极2称为中间电极，电极1、电极3称为端电极，两个端电极电位相同，电流通过中间电极流入电导池中的待测海水然后由两端电极流出，这样就能测出电导池中两端电极之间海水的等效电阻，从而计算出待测海水的电导率。在三电极电导池中，电流由中间电极流向两端电极，电场由中间电极向两端电极扩散，并完全包含在两端电极之间，使电场无泄漏，避免了三电极电导池之外物质的干扰和电导率传感器外壳生物污染的影响，使三电极电导率传感器具有极强的抗干扰性和稳定性[5]。

图7 三电极电导池测量原理图

温度传感器采用热敏电阻作为敏感元件，热敏电阻具有灵敏度高、体积小以及响应时间快的特点[6]。温度探头采用针状测温探针，其耐压防护壳体配合导热介质和隔离的连接密封结构设计，增加测温传感器的导热速度、提高耐压强度[7]。图8所示为测温探针的封装结构图，针状测温探针的顶端密闭，内部装有微型热敏电阻，热敏电阻周围填充导热介质，热敏电阻和导热介质下部利用绝缘、隔热介质作为封装温度敏感元件的绝缘体。敏感元件经过引线与电路连接，信号经电路处理后输入单片机参与温度计算[8]。

图8 温度探针封装示意图

船载表层温盐测量仪的电路如图9所示，主要由控制核心电路、采集电路与电导率信号调理电路实现温盐数据采集和传输功能。远端温度传感器有一块独立的采集控制电路，通过RS232接口与船载表层温盐测量模块进行数据交互[9]。

图9 船载表层温盐测量仪电路组成

3 海上比测试验

3. 1 试验目的、时间和平台

海上试验验证设计为船舶走航比测试验，进行国产船载表层温盐测量仪与同类型进口仪器数据比对，并通过整个试验过程的数据比测检验国产仪器的工作可靠性和测量稳定性，选择美国海鸟公司生产的SBE21表层温盐仪作为本次海试的比测仪器。

海鸟SBE21表层温盐仪实物如图10所示。

图10 美国海鸟SBE21表层温盐仪

国产船载表层温盐测量仪与比测仪器美国海鸟 SBE21表层温盐仪的主要技术指标及状态见表1。

表1 海试比测仪器主要技术指标

依托国家重点研发计划项目“海洋仪器设备规范化海上试验”公共航次，开展了以“实验1”船（图11）为平台的海上比测试验。比测海试于2018年秋季和2019年冬季分别进行了两次，“实验1”科考船如图11所示。

图11 “实验1”科考船

3. 2 试验过程

在船舶航行过程中，通过海水泵将表层海水抽到海面以上，采用阀门和管路引导海水先流过SBE21温盐测量仪，再流过国产船载表层温盐测量仪，测量水路流向如图12所示。

图12 船载表层温盐仪测量水路流向示意图

在航行过程中，通过船载海水泵将海水抽到仪器仓内，采用阀门和管路将SBE21温盐测量模块与国产船载表层温盐测量模块串联连接，并同步开始测量。海试期间连续不间断测量，记录全过程数据，比测现场如图13所示。

图13 海试比测现场

3.2.1 2018年秋季航次 2018年9月，“实验1”船在南中国海西沙北部海域2 000 m深度海区航行，期间全程连续不间断进行船载表层温盐测量仪比测试验。比测试验海区位置如图14所示。

图14 2018年秋季航次试验海区位置

表层温盐仪比测海试过程自9月6日—11日持续约130 h，海鸟SBE21采样率为5 s一次，船载表层温盐测量仪采样率为2 s一次，取两仪器在相同时刻的数据计算相关系数和测量偏差。表层温盐仪数据为原始数据不做处理。船上海水泵的入水口在水面以下5 m左右，将SBE911PLUS CTD在水深5 m处的测得的盐度值提取出来，按时间画到表层温盐仪的盐度曲线上，作为该时刻盐度比测参考值。分别绘制表层温盐仪与海鸟SBE21温度、电导率、盐度连续130 h沿时间线的变化趋势线，如图15、图16和图17所示。

图15 表层温盐仪与SBE21温度比测曲线

图16 表层温盐仪与SBE21电导率比测曲线

图17 表层温盐仪与SBE21盐度比测曲线

图17中，黑色五角星点为对应相同时刻SBE911PLUS CTD在5 m水深处的盐度值，分别对应CTD剖面站位9071、9072、9073、9081、9082、9083、9084和9085。由图可见前3个站位SBE911PLUS CTD盐度值没有吻合温盐仪的盐度曲线，后5个站位盐度值吻合了温盐仪的盐度曲线。

经分析盐度吻合不上的现象主要出现于9月6日和7日数据，分析其原因主要是船舶由珠江航行至入海口阶段，水质混合情况较为复杂，盐度变化梯度较大，表层温盐仪与自容式CTD的响应时间和采集频率不同等因素，导致两仪器测量偏差增大。

为了更好地观察数据偏差及相关性，分段截取美国海鸟SBE21表层温盐仪和参试船载表层温盐仪每日0点至次日0点的相同时刻的数据进行比对，选取了第6天的数据对比曲线，如图18～图20所示。

图18 2018年9月11日00：00至9月12日00：00温度比对结果

图19 2018年9月11日00：00至9月12日00：00电导率比对结果

图20 2018年9月11日00：00至9月12日00：00盐度比对结果

2018年秋季航次比测结果汇总如表2所示。

表2 2018年秋季航次船载表层温盐仪与SBE21比测结果汇总表

根据自航次第三方独立检验报告内容，本次试验的参试仪器船载表层温盐测量仪在航次期间以2 s一次的采样率工作，连续采集了2018年9月6 日18：16—2018年9月11日 22：24珠江至南海北部海域的表层水温度、电导率、盐度数据。同时，比测仪器以5 s/次的采样率工作，同步采集了分流表层水的温度、电导率、盐度数据。整个过程参试仪器与比测仪器的温度、电导率、盐度数据吻合较好。

以24 h为基本时长对数据分段处理分析：温度相关系数范围为0.940 0～0.996 6，温度误差绝对值最大值范围为（0.149 9～0.330 6）℃；温度误差绝对值平均值范围为（0.015 1～0.073 5）℃；电导率相关系数范围为0.964 4～0.998 2，电导率误差绝对值最大值范围为（0.128 0～2.270 7）mS/cm；电导率误差绝对值平均值范围为（0.046 5～0.153 6）mS/cm。其中电导率较大误差主要出现于9月6日比测数据，分析其原因主要是船舶由珠江航行至入海口阶段，水质混合情况较为复杂，电导率变化梯度较大，参试仪器与比测仪器的响应时间和采集频率等因素，导致两仪器测量偏差增大；盐度为温度、电导率计算结果量并主要受电导率测量值影响，因此盐度数据具有与电导率相同特征。

3.2.2 2019年冬季航次 船载表层温盐测量仪自2019年11月11日14：53：37开始工作并持续采集数据，于2019年11月21日10：36：12结束工作，期间试验船航行区域如图21所示，位于珠江口南部海域约300 km范围内。

图21 2019年冬季航次比测试验航行轨迹图

美国海鸟SBE21的采样间隔设置为5 s，船载表层温盐测量仪采样间隔设置为2 s，实际比测时长接近10 d（约235 h）。海试结束后对海鸟SBE21表层温盐仪和参试船载表层温盐测量仪的数据进行回放，分别绘制温度、电导率、盐度沿时间线的变化趋势线。比测试验期间“实验1”船舶航行速度记录如图22所示，最低航速为0 kn，即船舶锚泊和漂泊，最高船速达到12.4 kn。

图22 船舶航行速度曲线图

船载表层温盐测量仪B1702#自2019年11月11日14：53：37开始，以每2 s一次的间隔采集数据，于2019年11月21日10：36：12结束并保存数据。样本持续采集时间848 556 s，理论数据量424 278组。海试全程获取数据样本数量为424 264组，按照3σ法则剔除粗大误差后，有效数据量为424 077组，有效数据量占比99.95%。

采用3σ法则去除数据粗大误差的实现原理为：以当前数据样本为数列中点，向前选择α个数据样本，向后选择α个数据样本，这样以2×α+1个数据样本构成一组数列[10]。

式中：σ为标准差；为该数据样本数列的算术平均值；Si为第i个数据；n为数据个数，n=2×α+1。

式中：Δ为该数据样本与数列平均值的绝对误差。

则该数据为粗大误差（或异常值），应予剔除。

数据样本个数（2×α+1）选取原则：该数列中所有样本观测周期内观测数据连续，没有剧烈的海洋现象或者被观测要素的大幅度变化，否则会导致正常测量值作为异常值剔除，所以选取数据序列的时间周期不易过大。同时，参试仪器和比测仪器工作时间较长，在一个平稳的观测过程中，选取数据序列的时间周期不易过小，应尽量多选取数据样本分析，更具有代表性[11]。基于以上原则，该数据序列的时间周期确定为不小于1 h，不大于4 h（25个样本）。

在计算σ过程中，选择的数据样本量以25个数据为一组，均采用该数据前、后各取12个数（共24个）计算所得的3σ来进行动态判定是否存在异常值，整个测量周期中，最前面12个数据采用该数据列前25个数据得出的3σ来判断、末尾12个数据采用该数据列末尾25个数据的3σ来判定。

按照上述法则计算分析后，得出2019年冬季航次有效数据量占比统计详见表3。

表3 2019年冬季航次有效数据量占比情况表

选取连续24 h的SBE21与船载表层温盐测量仪测量数据，在共同时间间隔内分别计算温度和电导率数据的相关系数。按每天0时至次日0时的24 h分段截取海鸟SBE21和参试船载表层温盐测量仪相同时刻的数据进行比对，共10组数据样本，其中6组数据样本温度、电导率相关系数均大于0.99，结果详见表4。

表4 11月每日数据比对结果一览表

海试全过程温度数据曲线如图23所示，电导率数据曲线如图24所示，盐度数据曲线如图25所示。

图23 全过程温度数据曲线图

图24 全过程电导率数据曲线

图25 全过程盐度数据曲线

结合海试过程分析可知，11月11日和12日两天的电导率相关系数小于0.99，由于试验初期，仪器启动前水箱内存储的是淡水，启动后盐度值变化剧烈，两台仪器难以进行同一水体的测量，导致相关系数低于正常水平。

11月17日和19日两天的电导率相关系数也小于0.99，由于当日船舶停靠在锚地避风，海水表层盐度较远海环境变化幅度更小，不利于相关系数的计算，同时海域内仪器电导池容易受到近岸水体杂质的污染，例如19日海鸟出现明显阶跃性变化后又恢复，这种情况是比较典型的杂质进入水箱后又被排出的现象。

图25中绿色星型点为相同时间、相同站位的SBE911PLUS 温盐深剖面仪（CTD）在海表层水下3米位置的盐度测量数据[12]，可以发现SBE911的盐度测量值更加接近国产表层温盐测量仪。

4 结 论

两次海试的测量数据包括了0～12 kn的航速，覆盖了船只航行状态和锚泊状态全过程，是比较理想的考察样本。海试全程国产船载表层温盐测量仪工作正常，获取数据完整有效，与美国海鸟SBE21比测曲线一致性较好，有7 d连续24 h内温度、电导率相关系数均大于0.99。此外，经过与SBE911 PLUS CTD的表层盐度测量结果进行对比，2019年冬季航次美国海鸟SBE21盐度测量值反而偏差较大（大于0.1），分析原因是SBE21长期使用下导致电导池受到了污染，而且海试前未进行重新标定，而国产船载表层温盐测量仪由于在出航前进行了传感器第三方校准，因此盐度测量结果更为接近SBE911 PLUS CTD（约0.01～0.03）。国产船载表层温盐测量仪技术成熟、性能稳定可靠，可方便安装在调查船、商船、货船和渔船等各种类型船舶的船舱内，不需要专业人员频繁操作，只需简单调试后即可实现全自动测量，并将数据定期发送给船舶数据采集终端，是海况恶劣或其他不宜停船作业海域表层温盐连续观测的理想选择。

未来，船载表层温盐测量仪将兼容船舶航行数据记录仪（Voyage Data Recorder，VDR）的接口协议，用户可以将船舶航行信息（日期、时间、船位、速度、艏向等）附加到表层温盐测量仪的实时数据上，形成完整的、多维的、动态的数据流，更加有助于科学家分析海洋环境、利用海洋资源、保护海洋生态。