海洋公益性行業(yè)科研專項子任務技術報告

1、海洋公益性行業(yè)科研專項子任務技術報告項目名稱：海洋溫度、深度及風要素觀測儀器檢測技術研究子任務編號： 201005026-1 子任務名稱： 海洋溫度、深度測量儀器檢測技術研究 子任務承擔單位： 國家海洋標準計量中心 子任務負責人： 2014年5月20日目 錄一、子任務書研究內容和任務、預期成果及考核指標2（一）主要研究內容和任務2（二）預期成果及考核指標2二、對子任務研究內容和任務、預期成果及考核指標調整情況的說明2三、子任務技術路線和關鍵技術的科學性、集成度和創(chuàng)新點3（一）技術路線31. 海洋溫度量值傳遞裝置研建32. 海洋壓力量值傳遞裝置研建103. 海洋溫度測量儀器校準方法研究124.

2、海洋壓力測量儀器校準方法研究13（二）關鍵技術的科學性、集成度和創(chuàng)新點14四、子任務對本學科及相關學科發(fā)展的作用和影響15五、子任務成果目前的應用、轉化情況及其前景分析15六、子任務成果的其他經濟、社會效益分析15七、子任務在人才培養(yǎng)和隊伍建設、國際合作等方面情況16八、存在的問題及建議；16九、簽章（子任務責任人簽字，子任務承擔單位蓋章）17附件1：調整項目考核指標的請示18附件2：恒溫槽方案存在的疑問或問題答復21附件3：攪拌方式對恒溫槽溫場性能的影響分析報告23附件4：磁力耦合攪拌式恒溫槽對感應式電導率傳感器的影響試驗報告28附件5：高精度海水恒溫槽技術方案30附件6：高精度海水恒溫槽圖

3、紙36附件7：高精度海水恒溫槽校準證書48附件8：高精度海水恒溫槽測試報告及原始記錄51附件9：海洋溫度量值傳遞裝置測量不確定度評定報告58附件10：海洋溫度量值傳遞裝置應用證明60附件11：全自動活塞式壓力計校準證書61附件12：關于減小壓力量值傳遞系統不確定度的技術報告64附件13：海洋壓力量值傳遞裝置測量不確定度評定報告68附件14：RBR壓力測深儀校準方法改進試驗報告70海洋公益性行業(yè)科研專項子任務技術報告 一、子任務書研究內容和任務、預期成果及考核指標（一）主要研究內容和任務1. 完善海水溫度量值傳遞裝置，針對海水溫度測量儀器的靜態(tài)性能，對相應溫度計量標準裝置進行升級改造，完善靜態(tài)性

4、能校準技術，制定海水溫度測量儀器的校準數據處理方法；2. 建立全自動壓力量值傳遞裝置，提高壓力校準的準確度，制定海水深度測量儀器的校準數據處理方法；3. 改善溫度、壓力恒溫實驗室，滿足校準結果控制要求。（二）預期成果及考核指標1. 建立一套海洋溫度量值傳遞裝置，其中恒溫海水槽溫場溫度均勻度±0.001，測溫范圍（-235），測溫不確定度0.001，并有全套技術文件；形成海洋溫度測量儀器校準方法標準征求意見稿及編制說明。2. 建立一套海洋壓力量值傳遞裝置，其中壓力活塞覆蓋范圍（0.2100）MPa，測量不確定0.005%，并有全套的技術文件；形成海洋壓力測量儀器校準方法標準征求意見稿及

5、編制說明。3.建立海洋溫度、壓力儀器檢測恒溫實驗室，恒溫實驗室滿足（20±2）。二、對子任務研究內容和任務、預期成果及考核指標調整情況的說明 全自動海水壓力量值傳遞裝置測量范圍（0100）MPa調整為（088）MPa，已經向科技司申請指標調整（附件1）。由于全球海洋平均深度為3800米，目前可探深度為7000米，僅個別海溝深度超過10000米，另外考慮到設備預算經費不足的原因，因此項目組于2012年購置了測量范圍為（088）MPa的全自動海水壓力量值傳遞裝置開展項目研究，（088）MPa的海水壓力測量裝置能夠實現（08800）米深度海水壓力的測量，可完全滿足海洋調查中各類深度測量儀器

6、檢定校準的需要，2013年，在其他項目經費的支持下,購置了另外一臺（0110）MPa 手動活塞式壓力計，因此結合這兩臺壓力的性能,完全能夠滿足（0100）MPa壓力測量儀器檢定/校準的需求。三、子任務技術路線和關鍵技術的科學性、集成度和創(chuàng)新點（一）技術路線本子任務中主要開展海洋溫度量值傳遞裝置、海洋壓力量值傳遞裝置研建、海洋溫度測量儀器、海洋壓力測量儀器校準方法的研究。1. 海洋溫度量值傳遞裝置研建海洋溫度量值傳遞裝置由高精度海水恒溫槽、測溫電橋和標準鉑電阻溫度計組成，其中高精度海水恒溫槽是本項目要研建的關鍵設備。1.1完成前提調研，確定高精度海水恒溫槽技術方案經過多方調研，2011年初確定了

7、與北京三元兆興科技有限公司合作研制完成高精度海水恒溫槽的技術開發(fā)工作，根據要求，合作單位編寫了高精度海水恒溫槽技術方案，課題組成員對方案進行了仔細研究與討論，提出了尺寸、能否提高溫場均勻性、攪拌方式、維修等10個方面的問題。針對問題，委托單位進行了論證與解答，但是在“能否提高溫場均勻性”和“攪拌方式”兩個方面還需要進一步的試驗驗證。恒溫槽方案存在的疑問或問題答復見附件2。1.2對恒溫槽的技術方案進行試驗驗證（1）試驗一機械攪拌方式的恒溫槽與磁力攪拌方式恒溫槽性能比測2012年8月，選取了工作中使用的攪拌方式分別為機械攪拌方式的恒溫槽與磁力攪拌方式海水恒溫槽為研究對象，參照JJF1030-201

8、0恒溫槽技術性能測試規(guī)范，對兩臺恒溫槽的性能進行了比測。試驗結論：在技術指標上，磁力耦合式攪拌恒溫槽溫場的均勻性和波動性均優(yōu)于0.001，且優(yōu)于機械式攪拌恒溫槽的各項指標。磁力耦合式攪拌恒溫槽因其溫場性能好、不存在海水滲漏等優(yōu)點更適合開展海洋儀器的檢測校準工作。試驗報告見附件3。試驗結束后，課題組成員與合作單位進行了及時的溝通，決定采用通過改進工藝提高恒溫槽的精度。因此初步提出了采取磁力攪拌，同時將溫度波動度由任務書中的±0.001提高到±0.0005，溫度均勻度由任務書中的±0.001提高到0.0002t0.001。然而，由于該恒溫槽除了開展海洋測溫儀器的檢測外

9、，同時用于開展海水電導率測量儀的檢測，因此“磁力攪拌是否會對感應式電導率傳感器的測量產生影響”是必須要考慮的一個問題。（2）試驗二磁力耦合式攪拌是否會對感應式電導率傳感器有無影響2012年9月，選擇了目前市場中準確度等級最高的加拿大RBR公司的XR-620感應式CTD對測量對象，在磁力耦合式攪拌恒溫槽進行了試驗。試驗報告見附件3。圖1 加拿大RBR公司XR-620型CTD試驗方法：將恒溫槽恒溫至溫度15，將CTD儀器垂直置入槽內浸泡；儀器傳感器從水面以下40cm處，以10cm為間隔向下放置傳感器并記錄數據，到距離水面80cm處時停止；以同樣的距離間隔向上提升傳感器至40cm處并記錄。 試驗結論

10、：磁力耦合式攪拌恒溫槽對感應式CTD儀器未產生影響，相反由于磁傳動電機力量較弱，方便的進行轉速調節(jié)，對電導率檢測提供更好的環(huán)境。試驗報告見附件4。綜合試驗一和試驗二，確定選擇恒溫槽的攪拌方式為磁力耦合式攪拌，同時將溫度波動度由任務書中的±0.001提高到±0.0005，溫度均勻度由任務書中的±0.001提高到0.0005。1.3召開高精度海水恒溫槽技術方案論證會，確定恒溫槽技術方案。2012年11月13日，召開高精度海水恒溫槽技術方案論證會,對方案的可行性及指標的驗證方法等進行了詳細的論證。圖2專家論證會圖圖3專家意見 “高精度海水恒溫槽”采用主、輔槽結構（圖4）

11、，主槽為實驗恒溫槽，一臺冷水槽為快速制冷槽，為主槽提供快速降溫的冷源；另外輔槽是輔助控溫用恒溫槽，為主槽提供高精度控溫時的冷源。主槽與冷水槽之間通過磁力低溫泵和輸送管路相連，當主槽需快速降溫時打開降溫開關；當主槽需快速升溫時打開快加熱開關，啟動主槽內加熱器可快速加熱主槽內海水。當溫度接近預設值后，關閉冷卻或加熱開關，主槽內通用智能控制器對溫度進行自動調節(jié)，溫度分辨率為0.00005。控制器采用PID+模糊控制，熱敏電阻作為控溫傳感器，控溫精度可以滿足±0.0005/10min的要求。圖4 高精度海水恒溫槽結構圖 主槽內部由混合區(qū)和工作區(qū)組成（圖5），混合區(qū)內含2組加熱器、1組冷卻器、

12、控溫盤管及磁耦合攪拌器，冷卻的工作介質在混合區(qū)內加熱，形成恒溫工質，在攪拌器的作用下，通過均流板進入工作區(qū)，在循環(huán)筒的內部由下往上，通過回流層返回混合區(qū)，形成工質均勻循環(huán)。主槽及內部的所有構成部件均為鈦合金材料（循環(huán)筒采用PVC材質）制作，防腐蝕。圖5 恒溫槽主槽輔槽的作用是為主槽的高精度控溫提供恒溫、恒流量的冷源。通常會隨主槽同步升降溫，并低于主槽23。依據JJF1033-2010恒溫槽技術性能測試規(guī)范，恒溫槽的性能考核主要取決于兩個指標：溫度波動性和溫度均勻性。通常溫度波動性主要取決于控制系統的靈敏度、穩(wěn)定度及抑制溫度變化的能力，即控溫功率的調整和恒溫槽熱結構的設計，例如：溫度傳感器的穩(wěn)定

13、性、槽體的保溫性能、取樣位置等。在萬分之五恒溫槽的功率控制中進行了重要的第一點改進：即采用調相的調功方式，根據控溫溫差的大小，調節(jié)器依據的PI以及模糊算法的結果，調整執(zhí)行元件可控硅導通角的大小控制加熱功率。溫度均勻性主要取決于恒溫槽的熱結構設計。該恒溫槽槽體設計的獨到之處是將槽體分為混合區(qū)與工作區(qū)兩部分，工作區(qū)亦即恒溫區(qū)是進行實驗測試的區(qū)域；混合區(qū)是恒溫槽出精度的區(qū)域，兩個區(qū)域之間裝有隔板?；旌蠀^(qū)對稱安裝有三支3KW和一支400W×2加熱器，在混合區(qū)容器四周的立面上裝有擾流片，使工作介質在混合區(qū)形成無序且有阻力的流動。調速器連續(xù)調整攪拌速度，工作介質在混合區(qū)可以充分混合，形成均勻流體

14、，同時通過調整兩個區(qū)域之間分流板，控制進出混合區(qū)的流量。在攪拌技術上參考前三套的經驗做了下面幾點改進： 采用磁耦合攪拌技術，使得攪拌速率快，攪拌均勻充分。上下磁缸是采用12對釹鐵硼永磁材料，采用N-S,S-N布置，使得在電機帶動下形成吸引與排斥的交替動作而轉動，空間磁力線互相抵消，降低場強干擾，經國家電磁基準檢測其影響小于10-8V。 采用復合結構的葉片，使其具有充分攪拌和推動上升的雙重功效，從而極大提高了攪拌效果，保證了控溫的超高精度，對此已經過多次實驗驗證。 電機與下磁缸的直連式傳動改為皮帶輪變比傳動。原設計使用的電機為120W，轉速為1500轉/分，通常僅使用20%的功率，即電機使用功率

15、為24W，轉速調整最大為300轉，致使電機嚴重發(fā)熱，而且轉速調整范圍小；現采用皮帶輪傳動后，變比為3:1，即攪拌葉轉速為300轉時，電機為900轉，功率利用率可提高到60%，降低了電機發(fā)熱，延長了使用壽命，而且提高了調速范圍，見局部放大示意圖見圖8。圖6 局部方法示意圖恒溫槽技術方案見附件5，恒溫槽圖紙見附件6。2013年7月，對溫度校準實驗室進行了內部改造，完成了恒溫槽的安裝與調試。 圖7 恒溫槽安裝現場 圖8 安裝后的恒溫槽1.3恒溫槽技術性能測試2013年7月委托中國計量科學研究院對恒溫槽技術性能進行測試，溫場指標均達到設計要求（表1），校準證書見附件7。表1 恒溫水槽技術指標檢測結果名

16、稱設計指標檢測結果溫度波動度±0.0005±0.0004（0）±0.0003（30）溫場均勻性0.00050.0004（0）0.0005（30）2013年11月，項目組依據JJF1030-2010恒溫槽技術性能測試規(guī)范，利用實驗室現有的標準器具，對高精度恒溫槽進行了性能測試。測試結果如表3所示，各項指標均達到設計要求。測試報告及原始記錄見附件8。表2 測試所使用的計量標準器具名稱測量范圍準確度等級或最大允許誤差證書編號有效期至標準鉑電阻溫度計（-38.8344156.5985）一等RGcp2013-02152015.07.03標準鉑電阻溫度計（-38.834415

17、6.5985）一等RGcp2013-02132015.07.03測溫電橋11k±8×10-7DLdz2013-10672014.05.27表3 恒溫槽測試結果名稱出廠編號設定溫度（）溫場均勻性（）溫場波動性（）（10min）上水平面下水平面工作區(qū)域高精度海水恒溫槽Hwy-005j-2013101000.00010.00040.00040.0003350.00030.00030.00050.00021.4測量不確定度評定依據JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示對海洋溫度量值傳遞裝置的測量不確定度評定，評定結果為：U=0.001，k=2。海洋溫度量值傳遞裝置測量不

18、確定度評定報告見附件9。1.5 業(yè)務化運行海洋溫度量值傳遞裝置自2013年12月驗收合格后，已投入日常計量檢測工作一年有余。期間用于海洋測溫儀器百余臺次，未出現較大故障及安全問題。目前使用正常，各項指標滿足業(yè)務化檢測要求，應用證明見附件10。2. 海洋壓力量值傳遞裝置研建2.1確定全自動活塞式壓力計系統的技術需求，完成招標采購通過前期調研，確定選擇美國Fluke公司的 DHI PG7302全自動活塞式壓力計系統為壓力校準的標準器，該系統包含兩個不同量程的活塞砝碼，可覆蓋壓力范圍（0.2100）MPa，測量不確定0.005%，能夠實現全自動控制壓力和自動加載砝碼。2011年，完成了全自動活塞式壓

19、力計系統的招標采購工作。2.2完成全自動活塞式壓力計安裝、調試及培訓工作2012年11月18日19日，由FLUKE技術人員對活塞式壓力計進行了安裝與調試,并對實驗室人員就設備的操作方法進行培訓。翻譯和學習了PG7302相關技術文件和相關的標準，形成了全自動活塞式壓力計操作規(guī)程。委托中國計量科學研究院對活塞式壓力計行了性能測試，校準證書見附件11。 圖9 全自動活塞式壓力計安裝培訓2.3 定制活塞式壓力計連接管路及接頭針對海洋壓力傳感器的特殊尺寸及技術要求進行調研，確定委托加工單位，邀請其技術人員到現場測量、設計，確定了連接管路、接頭及壓力實驗平臺的加工方案。圖9 壓力連接件加工單位調研2.4

20、開展降低壓力量值傳遞系統不確定度的研究作為壓力校準的核心關鍵設備，活塞式壓力計（PG7302）的不確定度對最終的校準結果有著很大的影響?；钊麎毫τ嬙谑褂眠^程中的不確定度取決于儀器本身的物理特性和不確定度以及許多外部影響因素，這些因素必須都進行深入的分析和考慮，對不確定度影響因素的確定和排除直接決定著校準結果誤差的大小。通常情況下，來自活塞壓力計本身的測量不確定度的影響因素這要有：砝碼、活塞系統的剛度、活塞系統的溫度膨脹系數、流體的表面張力、垂直度影響以及磁場對磁性部件的影響等。結合PG7302使用和維護說明書中給出了PG7302使用的環(huán)境條件，從4個方面提出了在實際使用的減小壓力測量不確定的方

21、式。 溫度、相對濕度：建設恒溫恒濕實驗室，溫度滿足（20±1），濕度滿足（40±2）%RH。根據JJG活塞式壓力計檢定規(guī)程，在溫度滿足（20±1）范圍內不需要考慮環(huán)境溫度對于活塞式壓力計的影響，另外一方面，PG7302配置了溫度傳感器，實時測量活塞附近溫度，并將溫度測量值進行計算，因此由實驗室環(huán)境溫度引入的測量不確定度可以忽略。 環(huán)境壓力：即測試現場的大氣壓力值，可通過將外界的影響降低到最小，避免造成氣壓的不穩(wěn)定減小此項引入的不確定度；另外一方面PG7302配置了氣壓傳感器，實時測量并進行修正，減小了此項帶來的不確定度； 氣流：不要將PG7000平臺安裝在由垂直氣

22、流的環(huán)境中，比如空調輸送管的下部，這樣會引起砝碼載重和增加不定量的影響； 振動：最小化振動，過多的振動會降低PG7302測定壓力的穩(wěn)定性（振動會影響浮動活塞），過多的高頻率振動，如在放置PG7302系統的桌子上的真空泵，會影響活塞的靈敏度。關于降低壓力量值傳遞系統不確定度的技術報告見附件12。依據JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示對海洋壓力量值傳遞裝置的測量不確定度評定，評定結果為：Urel=0.004%，k=2.海洋壓力量值傳遞裝置測量不確定度評定報告見附件13。2.5進行全自動活塞式壓力計系統重復性和穩(wěn)定性的測試2013年6月，選取了SBE19plus CTD進行相關的重復

23、性和穩(wěn)定性測試試驗重復性和穩(wěn)定性要求均滿足技術指標的要求。3. 海洋溫度測量儀器校準方法研究結合日常校準工作，選取了百余臺次的海洋溫度測量儀器開展了校準方法研究，具有通過大量的試驗，總結分析出提高溫度校準能力的關鍵環(huán)節(jié)，主要有兩個方面：（1）選擇快速跟蹤電橋在本項目是研究中，采用的電橋為FLUKE 1594測溫電橋，該電橋最大程度的發(fā)揮電橋特性，縮小采樣間隔，在一個校準點可采樣至少50個，提高標準溫度的準確度。（2）控制溫場波動度在每個溫度校準點，要控制溫場波動度，確保溫度校準點的溫場波動度不超過0.001，同時均勻性也會隨著波動度的控制得到控制。溫度擬合結果采用新方法前后比對見表3。表3 隨

24、機挑選的幾種典型的CTD新方法前后溫度擬合結果SBE911型 CTDSBE19 型 CTDSBE 37型 CTD前方法（）新方法（）前方法（）新方法（）前方法（）新方法（）0.00040.00010.00010.0001-0.0001-0.0001-0.0008-0.0001-0.0003-0.00020.00030.00030.00000.00010.00040.0001-0.0002-0.00030.0009-0.0001-0.00010.0000-0.00060.0002-0.00060.00000.00020.00000.0009-0.0001-0.00020.0001-0.00040

25、.0001-0.0002-0.00010.00010.00000.0003-0.0002-0.00030.00020.0000-0.0001-0.00010.00010.0001-0.0001在相關研究的基礎上，2012年8月提交了海洋溫度測量儀器校準方法行業(yè)標準申報書和草案。2013年12月，該標準通過國家海洋局立項批復，目前已完成擬征求意見稿。4. 海洋壓力測量儀器校準方法研究結合日常校準工作，選取了大量的海洋壓力測量儀器開展了校準方法研究，解決了SBE37 壓力傳感器擬合的問題和RBRTGR-2050壓力水位計校準過程中的上下行程測量數據差異的問題。TGR-2050型壓力測深儀（圖10）

26、是加拿大RBR公司產品，由于體積小巧，待機時間長、儲存量大等優(yōu)點，目前被廣泛應用到海洋調查工作中。但由于其壓力傳感器接口的特殊設計，進行壓力校準時，需通過使用壓力罐的方法進行試驗。在工作中發(fā)現試驗數據存在一致性偏差，本研究通過分析試驗方法以及其他測量儀器相關數據，發(fā)現了導致偏差出現的原因，并對試驗方法加以改進。改進后原試驗結果一致性偏差消除，上下行程基本結果一致，校準結果也優(yōu)于之前。RBR壓力測深儀校準方法改進試驗報告見附件14。圖10 RBR TGR-2050壓力測深儀圖11 SBE37 CTD在相關研究的基礎上，2012年8月提交了海洋深度測量儀器校準方法行業(yè)標準申報書和草案。2013年1

27、2月，該標準通過國家海洋局立項批復，目前已完成擬征求意見稿。（二）關鍵技術的科學性、集成度和創(chuàng)新點該項目提出的2項關鍵技術在項目研究過程中已經得到良好的解決，在后期的應用中也得到了驗證。（1）關鍵技術1：高精度水槽恒溫技術研究“高精度海水恒溫槽”采用主、輔槽結構，主槽為實驗恒溫槽，一臺冷水槽為快速制冷槽，為主槽提供快速降溫的冷源；另外輔槽是輔助控溫用恒溫槽，為主槽提供高精度控溫時的冷源。主槽內部由混合區(qū)和工作區(qū)組成，混合區(qū)內含2組加熱器、1組冷卻器、控溫盤管及磁耦合攪拌器，冷卻的工作介質在混合區(qū)內加熱，形成恒溫工質，在攪拌器的作用下，通過均流板進入工作區(qū)，在循環(huán)筒的內部由下往上，通過回流層返回

28、混合區(qū)，形成工質均勻循環(huán)。主槽及內部的所有構成部件均為鈦合金材料（循環(huán)筒采用PVC材質）制作，防腐蝕。主槽與冷水槽之間通過磁力低溫泵和輸送管路相連，當主槽需快速降溫時打開降溫開關；當主槽需快速升溫時打開快加熱開關，啟動主槽內加熱器可快速加熱主槽內海水。當溫度接近預設值后，關閉冷卻或加熱開關，主槽內通用智能控制器對溫度進行自動調節(jié)，溫度分辨率為0.00005。控制器采用PID+模糊控制，熱敏電阻作為控溫傳感器，控溫精度可以滿足±0.0005/10min的要求。（2）關鍵技術2：壓力測深儀器檢定過程的自動控制引進全自動活塞式壓力計系統，該系統可實現自動加壓自動加碼的功能，可實現壓力檢定過

29、程的自動控制。該系統采用全自動控制減少了傳統手動活塞式壓力計在人工搬動砝碼過程中帶來的測量不確定，同時其配置了溫度傳感器、大氣壓力傳感器在檢定時實時測量活塞溫度、環(huán)境壓力，對標準壓力值進行修正，最大程度的減小了壓力測量的不確定度。（3）創(chuàng)新點子任務研制的海水溫度校準裝置和海洋壓力量值傳遞裝置均為在國內海洋行業(yè)最高等級的計量標準，且首次使用全自動壓力檢定過程控制，減小壓力檢測過程中由于人工因素和環(huán)境因素對校準結果準確度造成的影響，最大程度的提高壓力檢測的準確度。四、子任務對本學科及相關學科發(fā)展的作用和影響子任務的完成，進一步完善了海水溫度和壓力量傳裝置，提高海水溫度、壓力測量的準確度，為海水溫度

30、和壓力測量儀的計量校準工作提供了有力的技術支撐。溫度、壓力恒溫實驗室的改造完成，為溫度、壓力標準器提供了更好的工作環(huán)境，有利于提高標準器的測量準確度。項目中研制的高精度海水恒溫槽已投入日常海洋溫度測量儀的校準工作，為海洋溫度測量儀提供了穩(wěn)定可靠的模擬海洋環(huán)境檢測場所，使得檢測/校準結果的準確性進一步提高。全自動壓力量值傳遞裝置的構建，減小了壓力校準過程中由于人工因素和環(huán)境因素對校準結果準確度造成的影響。五、子任務成果目前的應用、轉化情況及其前景分析項目中研發(fā)的高精度海水恒溫槽及壓力量值傳遞中的全自動活塞壓力計、改造的溫度、壓力恒溫實驗室、均通過第三方機構檢測，滿足設計和使用要求，現已投入日常檢

31、測業(yè)務工作中。其中高精度海水恒溫槽已正常運行6個月，期間開展溫鹽深測量儀校準近百臺次。六、子任務成果的其他經濟、社會效益分析隨著海洋環(huán)境保護、海洋科學理論研究等海洋工作深入開展，對海洋各項參數進行監(jiān)測越來越全面，對數據的準確性、可靠性要求也越來越高，同樣對儀器性能的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。因此搞好海洋溫度、深度要素測量儀器檢測技術研究，可以為海洋環(huán)境監(jiān)測、調查和科學研究提供科學、可靠和方便的有效技術支撐，為海洋調查中獲取的大量資料數據的準確性提供有力保障。同時，對國外進口和國內生產的溫度、壓力傳感器和測量儀可以進行質量把關，消除質量隱患，使國家和用戶避免蒙受損失，為海洋儀器設備的產業(yè)化和國際

32、化奠定了堅實的基礎，具有巨大的技術效益和經濟效益。七、子任務在人才培養(yǎng)和隊伍建設、國際合作等方面情況通過完成此項目，加強了技術創(chuàng)新與科研隊伍建設，為各單位青年人才的培養(yǎng)提供了環(huán)境，促進了科研梯隊的完善。通過項目的實施，加強了各工作人員的技能，使他們迅速成長為技術骨干。在課題實施過程中，培養(yǎng)博士研究生1名和碩士研究生2名,工程師3名，高級工程師1名。八、存在的問題及建議。無。九、簽章（子任務責任人簽字，子任務承擔單位蓋章）項目責任人：項目承擔單位蓋章附件1：調整項目考核指標的請示附件2：恒溫槽方案存在的疑問或問題答復1、主槽尺寸，原有恒溫槽的尺寸是1410mm×1200mm，新槽子能否

33、跟這個一致？做成1200mm×1200mm？有效工作區(qū)能否達到×1000mm?答復：5×10-4恒溫槽外形尺寸不超過1200mm×1200mm；有效工作區(qū)為800×900mm。2、溫度均勻度是否可以提為0.0005？答復：從已完成的兩臺恒溫槽測試結果來看，磁力攪拌溫度均勻度為00.0002，350.0004；機械攪拌為00.0008, 350.0004。兩者均勻度的差異主要由攪拌速度引起，在新方案中我們已經對攪拌葉片進行了很大的改進，希望提高溫度的穩(wěn)定性和均勻度，效果還有待實驗的進一步論證，預計均勻度指標可達到0.0002t0.001。3、3個

34、3000W的快加熱可否分別控制？這樣其中某個出現問題能及時發(fā)現。答復：可以。3個3000W的快加熱器組合為快加熱13000W,快加熱26000W。4、冷水槽用這次新做的冷罐可否？因為實驗室太擠了，沒有地方再放冷罐了，另外這樣可縮減點經費，我們超預算太多。答復：可以。5、輔助控溫槽溫度范圍能否再大些？（），另外主槽尺寸大了，控溫輔槽還用跟上次一樣的，效果能行嗎？答復：可以，但房間需安裝空調，室溫小于30的環(huán)境下，輔槽的溫度可達到-10，效果沒有問題。因為在控溫過程中，溫度下降需加熱平衡。為了留有保險系數，可適當加長蒸發(fā)器。、方案中冷卻器，控溫冷卻器為×?跟上個槽子的長度一樣，這個槽子大

35、，這個夠嗎？答復：新的控溫冷卻器的尺寸為12×14。、方案第四頁中，攪拌葉片的角度是，不是。答復：已更正。、第四條中，輔槽溫度低于主槽（），以現有槽子的操作經驗來看，不是固定值，每個溫度點都不同，是甚至需要的溫差。答復：在以上，副槽的溫度低于主槽2可行。需加大，這主要取決于室溫的影響，室溫小于30時上述溫差可以。、控制面板做在槽體上，操作是方便，以后的維修是否會增加困難？答復：采用HWY-01的方案，控制面板在電氣柜上，只是將冷水罐的控制開關也裝在面板上利于操作，不影響后期維修。、電磁閥用的時間久了，可能會存在堵的問題現在控溫一套管路，制冷一套管路，怎么能提前發(fā)現？答復：在冷水罐的溫

36、度顯示正常情況下，操作恒溫槽快速冷卻程序時，出現主槽降溫速度下降或不降溫，可能是管路堵塞或電磁閥打不開。附件3：攪拌方式對恒溫槽溫場性能的影響分析報告一 概述海水恒溫槽是在開展海洋測溫儀器檢測與校準工作中所使用的主要配套設備，其中放置天然海水，通過控制系統使恒溫槽內溫度在(035)之間復現，為海洋測溫儀器的檢測與校準提供環(huán)境。根據JJF1030-2010恒溫槽技術性能測試規(guī)范，恒溫槽技術性能主要包含溫場均勻性和溫場波動性，如二者不能達到檢測與校準的技術要求，就無法保證儀器所測溫場的技術性能，進而影響到檢測與校準結果的可靠性。因此對恒溫槽溫場性能的分析是開展檢測與校準工作的前提。以工作中使用的兩

37、臺攪拌方式不同的海水恒溫槽為研究對象，分析了機械式攪拌和磁力耦合式攪拌兩種恒溫槽由于攪拌方式存在差異，對溫場性能造成影響，最后得出結論：磁力耦合式攪拌恒溫槽因其溫場性能好、不存在海水滲漏等優(yōu)點更適合開展海洋測溫儀器的檢測與校準工作。二 測試過程1 被測對象被測對象為中國計量科學研究院尼蒙公司生產的兩臺海水恒溫槽，二者具有相同的技術指標，見表1。表3.1 海水恒溫槽技術指標恒溫槽波動性（）均勻性（）測量范圍（）容積(L)機械式攪拌0.0010.001035720磁力耦合式攪拌0.0010.001035720兩臺恒溫槽攪拌方式不同，分為機械式攪拌和磁力耦合式攪拌恒溫槽。機械式恒溫槽攪拌部分（圖1）

38、由電機、傳動皮帶、主軸、和攪拌器（葉片）組成，在電機的帶動下，皮帶帶動攪拌主軸使葉片發(fā)生旋轉進而使水體混合成恒溫工質，通過均流板進入工作區(qū)。磁力式攪拌部分（圖2）由離心機、上下瓷缸和攪拌器（葉片）組成。離心機帶動下瓷缸轉動，通過磁力耦合使上瓷缸及攪拌葉片隨動，將槽內工質攪拌經分流板后進入工作區(qū)（如圖4所示）。 圖1：機械式攪拌示意圖 圖2：磁力式攪拌示意圖242測試使用的計量器具為測試兩種不同攪拌方式的恒溫槽的溫場性能，采用了追蹤溫場變化能力較強的Fluke的1594A型測溫儀和Hart公司型號為5626的標準鉑電阻溫度計。為測試選用的計量器具均滿足JJF1030-2010恒溫槽技術性能測試規(guī)

39、范的要求，如表2所示。表3.2測試使用的計量器具名稱測量范圍最大允許誤差/準確度等級/不確定度1594A測溫儀11k 8*10-7標準鉑電阻溫度計（-39156）二等3 測試內容和方法（1） 測試內容恒溫槽溫場工作區(qū)的波動性和均勻性。（2） 波動性測試方法將標準鉑電阻溫度計固定在在恒溫槽工作區(qū)域內1/2處O點（如圖1所示），分別取溫度上限35和下限0作為測試溫度，待溫場穩(wěn)定至少10min后才可以讀數。以每分鐘至少6次的均勻間隔讀取示值，持續(xù)10min。取最大值與最小值的差，換算為溫度值，即為恒溫槽在下限溫度（或上限溫度）相應時間間隔內的波動性1。變換溫度計位置，將其固定在工作區(qū)同一水平位置上靠

40、近槽體邊緣10cm處的O點，依照同樣方法再進行一次測試，取最大值與最小值之差作為O點波動性測試結果。（3）均勻性測試方法均勻性測試溫度選擇上限35和下限0。將一只溫度計作為固定溫度計插入工作區(qū)1/2深度，固定在參考位置O，另一支溫度計作為移動溫度計插入工作區(qū)域中的上水平面位置A，待恒溫槽第一次達到設定溫度后穩(wěn)定至少10min，才可讀數1。依次在工作區(qū)上水平面選取另外3個測試點B、C、D；在下水平面取4個測試點E、F、G、H（如圖2所示）進行測試。取上水平面4個測試點與固定點O的溫度差值中最大值與最小值，并將其差值作為上水平面的均勻性，并照此方法求出下水平面均勻性。最后取上下水平面8個測試點與固

41、定點O的差值中最大值與最小值，并將其差值作為整個工作區(qū)的均勻性。76O固定點BADCGHFE下水平面上水平面OO固定點1固定點2 圖3.1 波動性測試示意圖 圖3.2 均勻性測試示意圖三 測試結果分析1 波動性分析如表3所示，磁力耦合式攪拌恒溫槽在工作區(qū)中央處和靠近工作區(qū)邊緣10cm處的溫場波動性均達到0.0006；機械式攪拌恒溫槽在工作區(qū)中央達到0.0006，在工作區(qū)邊緣10cm處達到0.001，均滿足溫鹽深測量儀規(guī)程一級溫鹽深測量儀檢定設備技術指標要求（0.002）2。說明機械式攪拌和磁力耦合式攪拌恒溫槽均滿足技術指標。但通過測試數據發(fā)現，機械式攪拌恒溫槽工作區(qū)邊緣10cm處溫場性能優(yōu)于中

42、央區(qū)域，而磁力耦合攪拌恒溫槽無明顯區(qū)別。 攪拌方式溫度計位置溫度上限35(T/)溫度下限0(T/)工作區(qū)域 波動性（T/）磁力耦合工作區(qū)邊緣10cm0.00060.00060.0006工作區(qū)中央0.00060.00040.0006機械攪拌工作區(qū)邊緣10cm0.00040.00060.0006工作區(qū)中央0.00100.00090.0010 表3.3 溫場波動性測試結果2 均勻性分析如表4所示，磁力耦合式恒溫槽在工作區(qū)溫場均勻性達到0.0004，滿足一級溫鹽深測量儀檢定設備技術指標要求（0.001）2。當攪拌速度提高到200r/min時，溫場均勻性指標達到0.0002，說明適度提高轉速可以提升溫場

43、均勻性。機械式攪拌恒溫槽在攪拌速度達到150r/min時（廠家推薦速度），均勻性達到0.0015，結果超標。當攪拌速度提高到200r/min時，重復測試發(fā)現無論是在溫度上限還是溫度下限，上下水平面和整個工作區(qū)溫場均勻性均有明顯提高，說明對于機械攪拌轉速越高水體流動越充分，溫場均勻性越好。但實際工作中，不能采用過多提高轉速的方式來確保溫場均勻性達到技術指標，因為當攪拌速度長期過高時，容易造成機械水封磨損加劇，進而造成海水滲漏或其它故障，也為設備保養(yǎng)和維護帶來難題。在溫度下限時由于水體本身流動性降低，溫場均勻性指標相比溫度上限時有所降低，這種變化在采用機械式攪拌時比較明顯，因此在控制低溫時可以適當

44、提高攪拌轉速,以提升溫場性能。由于恒溫槽的恒溫效果和槽體內溫度場分布均勻性成正比3，因此在本次測試結果中發(fā)現磁力式攪拌恒溫槽的恒溫效果優(yōu)于機械式攪拌恒溫槽。表3.4 溫場均勻性測試結果攪拌方式攪拌速度溫度上限35(T/)溫度下限0(T/)工作區(qū)域均勻性(T/）上水平面下水平面上水平面下水平面磁力耦合200r/min0.00020.00000.00010.00020.0002150r/min0.00040.00020.00030.00040.0004機械攪拌200r/min0.00070.00060.00080.00090.0009150r/min0.00110.00090.00130.0015

45、0.00153 攪拌結構分析機械式攪拌設計結構傳統經典，轉速可調。然而恒溫槽容積較大，實際使用中需要調高轉速，以滿足溫場技術指標。當轉速提高后，機械密封磨損加劇，易造成噪音增大、海水滲漏等現象，從而給檢測工作帶來不必要的問題，因此在實際工作中應選擇適合的轉速。與機械攪拌相比，磁力攪拌由于采用磁力耦合驅動的方式帶動葉片運動，不存在密封磨損后海水滲漏的問題。但磁力攪拌設計采用了直連式，離心機工作會將一部分熱量傳遞至恒溫槽內。由于目前控溫設備的運行使溫場性能達到了指標要求，離心機的熱量對溫場的影響尚不明確。最后，磁力攪拌恒溫槽在廠家推薦轉速下工作能滿足目前對溫場性能的要求，但是當繼續(xù)提高轉速時發(fā)現過

46、高的轉速有導致上下磁鋼耦合失效的情況，即下磁鋼轉動，上磁鋼不隨之轉動，因此磁力攪拌轉速也不宜過高。四 結論 1.在本次測試中，磁力耦合式攪拌恒溫槽溫場的均勻性為0.0004，波動度為0.0006，與委托單位溝通后，要求課題組與其一起開展研究，通過改進工藝提高恒溫槽的精度。初步將溫度波動度由任務書中的±0.001提高到±0.0005，溫度均勻度由任務書中的±0.001提高到0.0002t0.001。2.在本次測試中發(fā)現，磁力耦合式攪拌恒溫槽溫場波動性和均勻性均優(yōu)于機械式攪拌恒溫槽。磁力耦合式攪拌恒溫槽因其溫場性能好、不存在海水滲漏等優(yōu)點更適合開展海洋儀器的檢測校準工

47、作。五 參考文獻1.國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1030-2010.恒溫槽技術性能測試規(guī)范S.北京：中國計量出版社，2010.2.國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG763-2002.溫鹽深測量儀檢定規(guī)程S.北京:中國計量出版社，20023.楊宇，李宏生，施崢嶸.高精度恒溫槽設計J.儀表技術，2005，（5）：63-65附件4：磁力耦合攪拌式恒溫槽對感應式電導率傳感器的影響試驗報告一 概述恒溫槽是海水溫度量值傳遞的基礎裝置，其以天然海水為導熱介質，通過控制系統和磁耦合方式攪拌，使其保持內部工作區(qū)域的溫度穩(wěn)定均勻。感應式電導率傳感器在同一軸線上并列安裝兩個磁環(huán)繞組，一個稱為原級繞組，是發(fā)射線圈，

48、另一個為次級繞組，是接收線圈。由于海水具有一定的導電性，傳感器進入海水后，原次級線圈之間產生耦合，在原級線圈通有的交變電流就會使次級線圈感應出交變電勢，信號經傳輸處理后即可以得到所測量海水的電導率值。由于感應式電導率傳感器的工作原理，對槽內周邊環(huán)境測試靈敏，磁力耦合攪拌式恒溫槽是否會對感應式電導率傳感器的測量產生影響成為困擾課題組成員的一個難題。2012年8月，由2009年公益性科研專項資助的磁力耦合攪拌式恒溫槽驗收完成，課題組人員針對這一問題，選取了典型的感應式電導率測量儀開展了一些試驗。二 試驗對象試驗對象為: 磁力耦合攪拌式恒溫槽和加拿大RBR XR-420-CTD。三 試驗方法首先將恒

49、溫槽恒溫至名義溫度15，將CTD儀器垂直置入槽內浸泡20分鐘后開始測量，儀器傳感器放置于在水面以下40cm處。測量時以10cm為間隔向下放置傳感器并記錄數據，到距離水面80cm處時停止并以同樣的距離間隔向上提升傳感器至40cm處。 40cm100cm50cm70cm60cm圖4.1 感應式電導率傳感器測量位置示意圖四 試驗數據11:05設置自容記錄開始，11:08分入水40cm處浸泡。11：28開始記錄。表4.1下行測試數據如下下放深度（cm）時間XR-420電導率XR-420鹽度XR-420溫度4011:28-11:2941.038233.293214.99825011:30-11:3141

50、.038633.294014.99836011:32-11:3341.039333.294014.99827011:34-11:3541.039533.294214.99808011:36-11:3741.039633.294414.9982表4.2上行測試數據如下下放深度（cm）時間XR-420電導率XR-420鹽度XR-420溫度8014:05-14:0641.038233.292814.99827014:07-14:0841.039433.294014.99826014:09-14:1041.039633.294414.99805014:11-14:1241.039033.293714.

51、99824014:13-14:1441.039533.294114.9983電機停止4014:14-14:1541.040233.294414.9988從測試數據可以看出：1） 下行時，溫度平衡后，RBR 電導率變化為0.0016 mS/cm，鹽度變化0.0012；2） 上行時，溫度平衡后，RBR 電導率變化為0.0020 mS/cm，鹽度變化0.0016；3）上行數據中，磁力攪拌電機停止后，溫度和電導率都帶來微小變化，此數據誤差的變化較小，可以認為磁力未對儀器測量產生影響。通過日常大量的實驗表明，相關RBR儀器各平衡點的電導率重復性達到0.01ms/cm,此次測試電導率重復性達到0.001

52、ms/cm，證明水體的流速對電導率傳感器最佳檢測環(huán)境至關重要，磁感應式攪拌并未對儀器測量產生影響。五 測試結論磁傳動恒溫槽對CTD儀器檢測未產生影響，相反由于磁傳動電機力量較弱，方便的進行轉速調節(jié)，對電導率檢測提供更好的依據。尤其是感應式傳感器，它比起我單位傳統的機械式恒溫槽優(yōu)勢明顯。2012年10月附件5：高精度海水恒溫槽技術方案 “高精度海水恒溫槽”采用主、輔槽結構。主槽為實驗恒溫槽，一臺冷水槽為快速制冷槽，為主槽提供快速降溫的冷源；另外輔槽是輔助控溫用恒溫槽，為主槽提供高精度控溫時的冷源。（見圖三）主槽與冷水槽之間通過磁力低溫泵和輸送管路相連，管道為直徑DN25的多層復合管，外加聚氨酯保

53、溫層，盡量減少輸送過程的冷量損失。主槽為實驗恒溫槽，冷水槽為主槽快速降溫提供冷源，運行溫度為制冷機組極限制冷溫度，溫度越低，主槽降溫速率越快，冷水槽不控溫，但通過攪拌使其溫度盡量均勻。輔助控溫恒溫槽與主槽同步升降溫，保持固定的溫差為主槽提供恒流量、恒溫度的工作介質作為高精度控溫時的冷源。一 、技術指標1.1 主槽 一臺溫度范圍： -240有效工作區(qū)：750×1000mm外形尺寸：1150×1150×1825mm溫度波動性：優(yōu)于±0.0005/10分鐘溫度均勻性：0.0005分辨力： 0.00005升溫速率：0.3/min降溫速率：0.3/min控溫過渡時

54、間：30分鐘加熱功率：快加熱3000W×3（380V），控溫加熱400W×2（220V）制冷器：21mm×50米 控溫冷卻器：12×18m攪拌方式： 磁耦合攪拌1.2輔助控溫恒溫槽 一臺溫度范圍： -1040溫度波動性：優(yōu)于±0.05溫度均勻性： 0.05分辨力：0.01有效容積：38L制冷功率：1.5P進口中低溫壓縮機加熱功率：2000W×2二、主槽系統結構2.1主槽結構主槽內部由混合區(qū)和工作區(qū)組成，混合區(qū)內含2組加熱器、1組冷卻器、控溫盤管及攪拌器，冷卻的工作介質在混合區(qū)內加熱，形成恒溫工質，在攪拌器的作用下，通過均流板進入工作區(qū)。循環(huán)筒將主槽分為工作區(qū)和回流層，采用磁耦合攪拌技術，將槽內工作介質由過液筒進入混合區(qū)經分流板進入工作區(qū)，在循環(huán)筒的內部由下往上，通過回流層返回混合區(qū)，形成工質均勻循環(huán)。 主槽及內部的所有構成部件均為鈦合金材料（循環(huán)筒采用PVC材質）制作，防腐蝕。2.2、冷卻器、加熱器主槽內的冷卻器為20mm×50米盤管，控溫冷卻器為12mm×18米盤管，3組加熱器分別為3000W（380V）用于快速升溫及400W&