CN107643375A - 一种基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，包括被测试仪器检查；被测仪器安装与布放；水样采集与分析；数据处理；数据分析步骤；本发明试验方法能够给出详细的海洋水质类测量仪器的海上试验步骤；使用现场采水数据作为比对数据，避免了标准仪器使用的争论，数据真实可靠；给出了长期稳定性、可靠性的数据分析方法。本发明方法对现行海洋行业标准HY/T 141‑2011《海洋仪器海上试验规范》的部分内容进行了改进，提出了适用于研制阶段的pH、溶解氧、浊度等海洋水质类测量仪器的海上试验步骤与数据分析方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种海上仪器测量方法，特别涉及一种适用于研制阶段的酸碱度(pH)、溶解氧(DO)、浊度等海洋水质类(单参数或组合)测量仪器的海上试验测试方法。
背景技术
近年来，我国海洋生态环境监测技术快速发展，形成了门类齐全的监测仪器体系，自主研发了部分仪器开始得到应用。
在海洋水质监测方面，国家海洋技术中心、厦门大学等单位研制了pH、溶解氧、浊度等测量仪器。这些仪器在研制阶段，主要是完成室内试验，包括：按照GB/T 32065-2015《海洋仪器基本环境试验方法(第1至17部分)》和已废止的HY 016-1992《海洋仪器基本环境试验方法(第1至15部分)》开展低温、高温、变温、湿热、盐雾、振动、冲击、压力、长霉等一系列实验室内测试；按照 HY/T 098-2007《海水pH测量仪检测方法》、HYT 096-2007《海水溶解氧测量仪检测方法》、HY/T 100-2007《海水浊度测量仪检测方法》等标准开展实验室计量检测。以上工作完成后，交付用户。在使用中，这些国产仪器短期使用能够基本达到国外同类设备的水平，但随着使用时间延长，测量结果往往会越来越不稳定。行业内普遍认为，缺少(包括短期的、不规范的)研制阶段海上现场试验及由此进行的工艺改进是产生这个问题的一个重要原因。自“十一五”国家863计划“质量控制及规范化海上试验”项目以来，海洋仪器设备研发阶段的海上试验问题逐渐得到重视，中国海洋大学、国家海洋标准计量中心等单位制定了海洋行业标准HY/T 141-2011《海洋仪器海上试验规范》。这一规范主要是：(1)针对“研制阶段的海洋仪器海上试验的组织和实施”制定的，重点面向海上试验过程的管理，特别是适用于搭载在船舶上的仪器设备开展试验；(2)适用于待测试仪器与标准仪器之间的数据结果比较的测试。存在的主要问题是：(1)标准名称“海洋仪器”范围太过宽泛，不能适用于全领域海洋仪器海上试验的要求；(2)没有规定各类型海洋仪器的海上试验步骤；(3)标准仪器的数据能否代替现场水样分析数据仍是争论；(4)没有长期稳定性和可靠性的试验内容。
国外方面，美国科技组织“海岸技术联盟”(Alliance for CoastalTechnologies,ACT)在ph、溶解氧、浊度仪器方面开展了试验工作，主要包括：准确度、精度、响应时间、稳定性等方面的实验室测试和美国多个地区的河道或海洋现场测试。存在的主要问题是：(1)现场测试步骤没有关于仪器安装平台的说明，水样采集等测试过程与我国有关国家标准不一致；(2)测试结果主要是记录试验全过程被测仪器的测量数据；(3)没有数据分析和试验结论分析。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，克服现有技术中《海洋仪器海上试验规范》无法规定各类型海洋仪器的海上试验步骤；标准仪器的数据不能代替现场水样分析数据、没有长期稳定性和可靠性的具体实施方案。
本发明的技术方案是：
一种基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，包括以下步骤：
(1)被测试仪器检查；
(2)被测仪器安装与布放
被测仪器、温度测量仪、温盐深测量仪安装在试验平台的下层同一水平面上，并在上方0.5m层再安装一组温度测量仪、温盐深测量仪，以上仪器均安装铜网等防附着装置；
试验平台由钢丝绳沿吊臂或仪器井从海上固定平台放入海中，试验平台在水中应能保持基本平衡，被测仪器所在位置为水面下不小于1m，并根据潮位变化及时调整。试验平台布放完成且平台周围海水基本稳定后，开始进行试验；
(3)水样采集与分析
水样采集频率为1次/d；采水位置为被测仪器所在深度且距离被测仪器不宜超过0.5m；水样采集时，同时记录水位、水温、气温、气压、风速、风向、相对湿度等辅助数据；测定水样pH、溶解氧或浊度数据；
(4)数据处理
剔除被测仪器出现故障时的测量结果；剔除超出被测仪器测量范围时的测量结果；剔除经反复确认的人为操作或测量失误的测量结果；剔除一组数据中，偏差的绝对值大于该组数据标准偏差3倍以上的数据值；测量结果；当平台上两组温度测量仪之间或温盐深测量仪之间的测量值明显不一致时，剔除与该数据记录时刻对应的被测仪器测量结果；
(5)数据分析
1)稳定性
绘制被测仪器测量值与水样测定值对比的时间序列图；计算被测仪器测量值与相同时刻水样测定值的均方根误差RMSE，按公式1计算：
式中：
Xins,i——被测仪器测量值；
Xsam,i——相同时刻水样测定值；
RMSE越小，表示被测仪器测量值越接近水样测定值，稳定性越好；
2)可靠性
检验被测仪器长期工作的可靠性包括以下两个指标：
平均无故障工作时间MTBF，按公式2计算：
式中：
T——试验周期，单位为h；
r——出现故障的次数。
数据好样率g，按公式3计算：
式中：
N——被测仪器获得的有效数据个数；
N0——试验周期内，被测仪器应获得的数据个数。
所述步骤(2)试验开始后，先对被测仪器的前12组数据进行检查，无严重异常情况下，继续试验；如果数据严重异常或无数据，则试验中止；被测仪器为直读式仪器的情况，应每天检查测量数据；当出现数据严重异常或无数据时，应及时中断试验进行检测维修；如果仪器无法恢复正常，应终止试验。
所述步骤(2)被测仪器、温盐深测量仪、温度测量仪的采样频率为1次/h，一次独立试验的周期应不少于30天。
所述步骤(3)水样的pH测定步骤为：
(1)水样瓶容积为50ml具有双层盖的广口聚乙烯瓶，初次使用的样品瓶应洗净，用海水浸泡1d；
(2)用少量水样洗涤样品瓶2次，慢慢将瓶子注满水样，立即旋紧瓶盖；水样采集后应在6h内测定；如果加入1滴氯化汞溶液，盖好瓶盖，允许保存2d；
(3)水样pH测定方法采用pH计法，按照GB 17378.4—2007中26.5、26.6进行分析。
所述步骤(3)水样的溶解氧测定步骤为：
(1)水样瓶容积为125ml的棕色磨口硬质玻璃瓶，瓶塞为锥形，磨口严密，容积须经改正；
(2)将乳胶管的一端接上玻璃管，另一端套在采水器的出水口，放出少量水样洗涤水样瓶2次；然后将玻璃管插到水样瓶底部，慢慢注入水样，使玻璃管口始终处于水面下，待水样装满并溢出水样瓶体积1/2时，将玻璃管慢慢抽出，瓶内不可有气泡；每一水样装取2瓶。立即用定量加液器依次注入1.0mL氯化锰溶液和1.0mL碱性碘化钾溶液，塞进瓶塞，按住瓶盖将瓶上下颠倒不少于20次；
(3)水样溶解氧测定方法采用碘量法，按照GB 17378.4—2007中31.5、31.6进行分析。
所述步骤(3)水样的浊度测定步骤为：
(1)水样瓶无特殊要求；
(2)水样采集后，应尽快从采样器中放出样品；在水样装瓶的同时摇动采样器，防止悬浮物在采样器内沉降；水样采集后应在当天测定浊度；如果按每500mL水样加入5mL氯化汞溶液，可保存22d；
(3)水样浊度测定方法采用浊度计法或分光光度法，按照GB 17378.4—2007中30.1.5、30.3.5 进行分析。
本发明的有益效果是：本发明方法能够给出详细的海洋水质类参数测量仪器的海上试验步骤；使用现场采水数据作为比对数据，避免了标准仪器使用的争论，数据真实可靠；给出了长期稳定性、可靠性的数据分析方法。
本方法对现行海洋行业标准HY/T 141-2011《海洋仪器海上试验规范》的部分内容进行了改进，提出了适用于研制阶段的pH、溶解氧、浊度等海洋水质类参数测量仪器的海上试验步骤与数据分析方法。
附图说明
图1本发明基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法流程图；
图2本发明所用试验平台结构示意图；
图3被测仪器全部测量值与水样测定值的时间序列图；
图4对应时刻的被测仪器测量值与水样测定值的时间序列图；
其中，1、试验平台；2、温盐深测量仪；3、温度测量仪；4、被测仪器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
本发明方法的试验步骤是：
(1)被测试仪器检查
被测仪器的外壳和表层的漆层、镀层等应色泽均匀、光滑牢固，不应有明显的擦伤、锈蚀、漏底、裂纹及起泡现象；被测仪器的线缆插头应连接可靠，各紧固件、接插件不应有松动现象；检查结束后，应对被测仪器拍照存档，照片应细节清晰、无闪光或过曝光点。
(2)被测仪器安装与布放
被测仪器(附图2中4)、1台温度测量仪(图2中3)、1台温盐深测量仪(图2中2)安装在试验平台(图2中1)的下层同一水平面上，并在上方0.5m层再安装1台温度测量仪(图2中3)、1 台温盐深测量仪(图2中2)，以上仪器均应安装铜网等防附着装置。
温盐深测量仪推荐使用SBE37型，温度测量仪推荐使用RBR solo T型。
试验平台由钢丝绳沿吊臂或仪器井从海上固定平台放入海中。试验平台在水中应能保持基本平衡，被测仪器所在位置为水面下不小于1m，并根据潮位变化及时调整。试验平台布放完成且平台周围海水基本稳定后(一般应大于30min)，开始进行试验。
试验开始后，应先对被测仪器的前12组数据进行检查，无严重异常情况下，继续试验。如果数据严重异常或无数据，则试验中止。被测仪器为直读式(在线)仪器的情况，应每天检查测量数据。当出现数据严重异常或无数据时，应及时中断试验进行检测维修。如果仪器无法恢复正常，应终止试验。试验周期内，每隔至多6天，应对试验平台、仪器、线缆上的附着物进行一次检查、清理。
被测仪器、温度测量仪、温盐深测量仪的采样频率为1次/h，以北京时间为基准。
一次独立试验的周期应不少于30天。条件允许时，一个自然年内可在每个季度开展一次独立试验。
(3)水样采集与分析
水样采集频率为1次/d。采水位置为被测仪器所在深度且距离被测仪器不宜超过0.5m。水样采集时，应同时记录水位、水温、气温、气压、风速、风向、相对湿度等辅助数据。
1)pH
a)水样瓶容积为50ml具有双层盖的广口聚乙烯瓶。初次使用的样品瓶应洗净，用海水浸泡1d。
b)用少量水样洗涤样品瓶2次，慢慢将瓶子注满水样，立即旋紧瓶盖。水样采集后应在6h内测定。如果加入1滴氯化汞溶液，盖好瓶盖，允许保存2d。
c)水样pH测定方法采用pH计法，按照GB 17378.4—2007中26.5、26.6进行分析。
2)溶解氧
a)水样瓶容积为125ml的棕色磨口硬质玻璃瓶，瓶塞为锥形，磨口严密，容积须经改正。
b)将乳胶管的一端接上玻璃管，另一端套在采水器的出水口，放出少量水样洗涤水样瓶2次。然后将玻璃管插到水样瓶底部，慢慢注入水样，使玻璃管口始终处于水面下，待水样装满并溢出水样瓶体积1/2时，将玻璃管慢慢抽出，瓶内不可有气泡。每一水样装取2瓶。立即用定量加液器依次注入1.0mL氯化锰溶液和1.0mL碱性碘化钾溶液，塞进瓶塞(瓶内不准有气泡)，按住瓶盖将瓶上下颠倒不少于20次。
c)水样溶解氧测定方法采用碘量法，按照GB 17378.4—2007中31.5、31.6进行分析。
3)浊度
a)水样瓶无特殊要求。
b)水样采集后，应尽快从采样器中放出样品。在水样装瓶的同时摇动采样器，防止悬浮物在采样器内沉降。水样采集后应在当天测定浊度。如果按每500mL水样加入5mL氯化汞溶液，可保存22d。
c)水样浊度测定方法采用浊度计法或分光光度法，按照GB 17378.4—2007中30.1.5、30.3.5进行分析。
(4)数据处理
剔除被测仪器出现故障时的测量结果；剔除超出被测仪器测量范围时的测量结果；剔除经反复确认的人为操作或测量失误的测量结果；剔除一组数据中，偏差的绝对值大于该组数据标准偏差3倍以上的测量结果；当平台上两组温度测量仪之间或温盐深测量仪之间的测量值明显不一致时，剔除与该数据记录时刻对应的被测仪器测量结果；
注：偏差是指一组数据中各个单次测定值与该组数据算术平均值之差。
(5)数据分析
1)稳定性
绘制被测仪器测量值与水样测定值对比的时间序列图；计算被测仪器测量值与相同时刻水样测定值的均方根误差RMSE，按公式1计算。
式中：
Xins,i——被测仪器测量值；
Xsam,i——相同时刻水样测定值；
RMSE越小，表示被测仪器测量值越接近水样测定值，稳定性越好。
2)可靠性
检验被测仪器长期工作的可靠性包括以下两个指标：
平均无故障工作时间MTBF，按公式2计算；
式中：
T——试验周期，单位为h；
r——出现故障的次数。
数据好样率g，按公式3计算。
式中：
N——被测仪器获得的有效数据个数；
N0——试验周期内，被测仪器应获得的数据个数。
实施例1
以溶解氧(DO)测量仪为例说明试验数据分析过程
2012年5月青岛小麦岛海域溶解氧测量仪现场试验数据与现场采水数据
1、按照步骤(4)进行数据处理
(1)剔除被测仪器故障时的测量结果：5月23日12:00至5月23日18:00共6组数据。
(2)其他应剔除的数据：无。
(3)实际有效数据数：共597组。
2、按照步骤(5)进行数据分析
(1)稳定性分析
1)绘制被测仪器全部测量值与水样测定值的时间序列图(图3)、对应时刻的被测仪器测量值与水样测定值的时间序列图(图4)；
2)按公式1计算均方根误差为：RMSE＝0.0281，均方根误差较小，仪器稳定性较好。
(2)可靠性分析
1)平均无故障工作时间MTBF
试验周期T：T＝31d×24h/d＝744h；
出现故障的次数r：对试验过程记录和数据进行分析发现，在整个试验周期内，自5月4日8:00 至5月5日9:00、5月21日0:00至5月21日9:00、5月23日12:00至5月23日18:00、5月28日 9:00至5月28日14:00、5月30日11:00至5月30日14:00期间，被测仪器共发生5次显著故障，因此r＝5；
根据公式2计算MTBF＝T/r＝744h/5＝148.80h。
2)数据好样率g
有效数据个数N：根据步骤(4)结果，N＝597；
应获得数据个数N0：根据仪器设定的采样频率为1次/h，N0＝1次/h×24h/d×31d＝744；
根据公式3计算数据好样率g＝N/N0＝80.24％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)被测试仪器检查；
(2)被测仪器安装与布放
被测仪器、温度测量仪、温盐深测量仪安装在试验平台的下层同一水平面上，并在上方0.5m层再安装一组温度测量仪、温盐深测量仪，以上仪器均安装铜网等防附着装置；
试验平台由钢丝绳沿吊臂或仪器井从海上固定平台放入海中，试验平台在水中应能保持基本平衡，被测仪器所在位置为水面下不小于1m，并根据潮位变化及时调整。试验平台布放完成且平台周围海水基本稳定后，开始进行试验；
(3)水样采集与分析
水样采集频率为1次/d；采水位置为被测仪器所在深度且距离被测仪器不宜超过0.5m；水样采集时，同时记录水位、水温、气温、气压、风速、风向、相对湿度等辅助数据；测定水样pH、溶解氧或浊度数据；
(4)数据处理
剔除被测仪器出现故障时的测量结果；剔除超出被测仪器测量范围时的测量结果；剔除经反复确认的人为操作或测量失误的测量结果；剔除一组数据中，偏差的绝对值大于该组数据标准偏差3倍以上的测量结果；当平台上两组温度测量仪之间或温盐深测量仪之间的测量值明显不一致时，剔除与该数据记录时刻对应的被测仪器测量结果；
(5)数据分析
1)稳定性
绘制被测仪器测量值与水样测定值对比的时间序列图；计算被测仪器测量值与相同时刻水样测定值的均方根误差RMSE，按公式1计算：
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<mo>-</mo>
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式中：
Xins,i——被测仪器测量值；
Xsam,i——相同时刻水样测定值；
RMSE越小，表示被测仪器测量值越接近水样测定值，稳定性越好；
2)可靠性
检验被测仪器长期工作的可靠性包括以下两个指标：
平均无故障工作时间MTBF，按公式2计算：
<mrow>
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<mo>=</mo>
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式中：
T——试验周期，单位为h；
r——出现故障的次数。
数据好样率g，按公式3计算：
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式中：
N——被测仪器获得的有效数据个数；
N0——试验周期内，被测仪器应获得的数据个数。
2.根据权利要求1所述基于海洋固定平台的海洋水质仪器类海上试验方法，其特征在于，所述步骤(2)试验开始后，先对被测仪器的前12组数据进行检查，无严重异常情况下，继续试验；如果数据严重异常或无数据，则试验中止；被测仪器为直读式仪器的情况，应每天检查测量数据；当出现数据严重异常或无数据时，应及时中断试验进行检测维修；如果仪器无法恢复正常，应终止试验。
3.根据权利要求1所述基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，其特征在于，所述步骤(2)被测仪器、温盐深测量仪、温度测量仪的采样频率为1次/h，一次独立试验的周期应不少于30天。
4.根据权利要求1所述基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，其特征在于，所述步骤(3)水样的pH测定步骤为：
(1)水样瓶容积为50ml具有双层盖的广口聚乙烯瓶，初次使用的样品瓶应洗净，用海水浸泡1d；
(2)用少量水样洗涤样品瓶2次，慢慢将瓶子注满水样，立即旋紧瓶盖；水样采集后应在6h内测定；如果加入1滴氯化汞溶液，盖好瓶盖，允许保存2d；
(3)水样pH测定方法采用pH计法，按照GB 17378.4—2007中26.5、26.6进行分析。
5.根据权利要求1所述基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，其特征在于，所述步骤(3)水样的溶解氧测定步骤为：
(1)水样瓶容积为125ml的棕色磨口硬质玻璃瓶，瓶塞为锥形，磨口严密，容积须经改正；
(2)将乳胶管的一端接上玻璃管，另一端套在采水器的出水口，放出少量水样洗涤水样瓶2次；然后将玻璃管插到水样瓶底部，慢慢注入水样，使玻璃管口始终处于水面下，待水样装满并溢出水样瓶体积1/2时，将玻璃管慢慢抽出，瓶内不可有气泡；每一水样装取2瓶；立即用定量加液器依次注入1.0mL氯化锰溶液和1.0mL碱性碘化钾溶液，塞进瓶塞，按住瓶盖将瓶上下颠倒不少于20次；
(3)水样溶解氧测定方法采用碘量法，按照GB 17378.4—2007中31.5、31.6进行分析。
6.根据权利要求1所述基于海洋固定平台的海洋水质类仪器海上试验方法，其特征在于，所述步骤(3)水样的浊度测定步骤为：
(1)水样瓶无特殊要求；
(2)水样采集后，应尽快从采样器中放出样品；在水样装瓶的同时摇动采样器，防止悬浮物在采样器内沉降；水样采集后应在当天测定浊度；如果按每500mL水样加入5mL氯化汞溶液，可保存22d；
(3)水样浊度测定方法采用浊度计法或分光光度法，按照GB 17378.4—2007中30.1.5、30.3.5进行分析。
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