声速剖面仪计量检定研究探讨

声速剖面仪计量检定研究探讨

摘要：声速剖面仪是水运工程领域应用广泛的声速测量设备。本文针对现有声速剖面仪的技术指标，结合水运工程应用的实际需要，对声速剖面仪检定方法、计量标准的技术指标进行探讨。同时，本文也指出了该计量检定方法中存在的一些问题。

关键词：声速剖面仪；检定

0前言

声速剖面仪是应用于内河和沿海进行剖面声速测量的重要设备，单波束/多波束测深仪、侧扫声纳等声学测量仪器，都需要利用声速剖面仪进行声速修正。其测量结果的准确度对水域温度变化、水下水文资料测量以及水底地形测量均有十分重要的影响。目前，市场上的声速剖面仪缺少统一规范的计量检定手段，观测数据质量存在较大隐患。

目前，社会上仅国家海洋标准计量中心公布了《声速剖面仪检测方法》的海洋行业标准，可开展声速剖面仪的检测工作，没有其他计量或技术机构可以开展声速剖面仪的检定工作。声速剖面仪的计量检定，是社会对设备剖面仪进行量值溯源的需要，同时也是完善水运工程计量体系的重要内容，对促进水运工程计量工作进一步发展有重要意义。

1声速剖面仪的技术指标

声速剖面仪按声速测量方法，主要分为两种：一种是直接测量声速，另一种是以海水的温度、压力和盐度通过公式计算水中声速。直接测量方法主要采用环鸣法，通常是测量声波在已知距离内往返多次的时间(即用接收到的反射回波信号去触发发射电路，再发射下一个脉冲，这样不断地循环下去)，以降低对测时精度的要求[1]。无锡海鹰加科的HYl200型声速剖面仪以及ODOM公司的Digibar系列产品都属于直接测量声速的产品。声速剖面仪可以对水中声速进行测量，还可以对水的深度和压力进行测量，部分产品还可以对盐度进行测量。表1中列举了常见声速剖面仪的技术指标。

表1常见声速剖面仪的技术指标

2声速剖面仪检定原理

声速剖面仪的技术指标来看，声速剖面仪主要对一定水域内的声速、压力和温度进行测量。因此，在检定过程中，应当对以上三个指标进行逐个检定。为了确保检定过程的准确性，在检定过程中，需要尽量降低各个参数之间的相互影响，逐个参数开展检定。

2.1声速检定原理

声速是一个导出量，无法直接定义或复现这个量值，需要通过间接法获得溯源途径。以从声速剖面仪获得声速的手段来看：直接测量法和检测测量法。在检定方法的选择上，可以选择与声速剖面仪厂家检测产品方法相同的方法，并采用更高级别的标准器来开展检定工作。以海鹰H1200型声速剖面仪为例，采用的是声速环鸣法进行声速测量，需要准确地获得传感器探头与反射面的距离。从相关文献和厂家提供的信息可以得到：换能器到反射平面的距离的相对精确度不应低于声速的相对精度，声速测量的相对误差为2×10 -4，即200ppm，换能器到反射平面的距离为7cm，那么距离的测量精度要优于0.014mm，传播距离参量只能通过标定来获得。[1] 这种距离的标定方法，其本质是在标准条件下，用通过计算得到的标准声速进行计算获得传播距离，距离并非测量得到。而对于标准器建立的过程来说，在水环境下进行高精度的距离测量是难以做到的。因此，在计量检定的过程中，声速采用公式1中提供的方法获得。

（1）

式中：——声速（m/s）；

——温度（℃）；

——盐度（1‰）；

——深度（m）；

2.2温度检定原理

温度检定可以采用直接比对的方法。利用恒温水槽提供稳定的温场，将被检声速剖面仪的温度传感器和温度计量标准器放置在同一水平面上，分别读取被检设备和计量标准器的读数，计算示值误差。为使温度检定更加合理，会在量程范围内选择若干个测量点进行检定，全部测量点都符合要求，认为该设备符合要求。

2.3压力检定原理

压力检定也可使用直接比对的方法实现。目前，许多声速剖面仪的压力传感器位于机身的测量孔中，测量孔的末端提供了螺纹，可以通过螺纹实现与其他装置的连接。在检定的过程中，可以通过制作适配接头，将测量孔与压力源连接，

在测量孔内提供稳定的压力，实现压力标准器和被检设备的压力比对。但是，没有提供接口螺纹的设备（如海鹰加科生产的HY1200）无法使用该方法开展检定，而需要压力容器提供压力。使用压力容器可以解决压力提供的问题，但是声速剖面仪大多是具有数据端，需要实时读取数据，压力容器需要提供合适的借口，实现数据的有效传输。

3声速剖面仪检定计量参数的选择

计量标准按等级分，可以分为参考标准和工作标准。参考标准是给定组织或区域内的计量标准，通常是部门的最高标准；工作标准是用于日常检定的计量标准，准确度等级低于参考标准。工作标准的计量参数的确定过程中，一方面需要考虑其准确度，其准确度必须能够满足量值溯源的需求；另一方面需要考虑检定的经济性，其计量参数的选择不是越高越好，其计量参数可以满足专业计量的需求即可。本文所讨论的声速剖面仪检定计量标准参数是工作标准的计量参数。

为了便于声速剖面仪的管理，利用声速剖面仪计量检定工作的开展，对声速剖面仪的计量性能采用分级评价的方式。

3.1声速参数的选择

声速剖面仪的声速检定是通过声速公式计算的方法得到，因此声速检定装置的计量参数，取决于温度、压力和海水盐度三个参数。当前的检定条件，无法使压力、温度、盐度实验同时开展，因此采用分别开展检定的方法。为了使检定的过程进一步简化，提高检定的准确度，在进行温度、压力实验的过程中，采用纯水来代替标准盐水，此时水的盐度为0。在压力、温度可调节的条件下，声速检定可以满足（1400~1600）m/s的检定范围要求。

3.2温度参数的选择

温度是声速剖面仪计量检定过程中重要的参数，需要用恒温水槽提供稳定的平面温场和纵向温场。恒温水槽是重要的附属设备，其温度的测量还需要较高准确度等级的标准温度计。根据声速剖面仪的实际使用条件，在检定过程中，只需要对（0~40）℃的温度内开展检定。

恒温水槽：温场范围（0~100）℃，温场稳定度±0.01℃；

温度测量：二等标准铂电阻，6位半四线制电阻测量仪器。

3.3压力参数的选择

在声速剖面仪测量过程中，压力被用于显示声速剖面仪当前水深，不同型号的声速剖面仪提供的数据类型是不同的，一些型号提供的是水深值，一些提供的是压力值。在实际的计量检定过程中，需要按公式2将水深值换算成为压力值，方可进行压力比对，在比对的过程中，仍需注意标准压力值的修正。

（2）

式中：——压力，N；

ρ——水的密度，kg/m3；

g ——重力加速度，m/s2；

h ——水深，m。

近岸、航道、河口等水域开展声速测量时，通常要求的适航水深在40m以内，工作标准的压力量程选择覆盖此范围即可。因此，工作标准的压力参数的选择为：量程（0~1）MPa，准确度等级0.02级。

3存在问题

该声速剖面仪的计量检定方法和工作计量标准的技术指标被实验证明是满足日常检定需要的。但是在实验过程中，还有如下的问题需要解决：

（1）以温度、压力和盐度来进行声速计算的方法，影响量多、公式复杂，与利用速度和时间来计算速度的方法比较起来更难于操作、准确度低。因此，在未来能够加工距离精确的反射面，准确低测量反射面之间的距离，成为未来提高声速剖面仪检定准确度的发展方向。

（2）对于很多测量设备来说，温度会对其测量结果产生影响，需要进行温度校正。由于试验过程中，温度、压力试验分离，温度实际的影响量难以测量。即使采用连接件，将加压后的声速剖面仪放置在恒温水槽中试验，仍无法完全模拟声速剖面仪实际的使用环境。因此，一个可以同时控制压力和温度容器，成为解决温度影响的方法之一。

4结语

开展声速剖面仪检定技术上是可行的，根据水路运输和经济飞速发展的要求，目前就迫切需要出台该类仪器的计量检定规程，建立计量基准，研制开发检定标准装置，完善我国水运计量体系。

参考文献：

[1] 赵先龙. 声速仪的设计[M].海洋测绘,2002(1)：54～56.

[2] 关致和,赵先龙,王莉娜,阮锐,李胜全,于政,阂静辉,何荣林,张宝利.

HY1200系列声速剖面仪及其应用[M]，海洋测绘,2003(3)

作者简介：田庆林(1962—)，男（汉族），天津人，副研究员，学士，计量管理