[논문]CTD 교정 시스템 구축 및 불확도 평가

이정한; 황근춘; 김은수; 이승훈

doi:10.4217/opr.2014.36.1.077

CTD 교정 시스템 구축 및 불확도 평가
Establishment of CTD Calibration System and Uncertainty Estimation 원문보기

Ocean and polar research, v.36 no.1, 2014년, pp.77 - 85

이정한 (한국해양과학기술원 기기검교정.분석센터) , 황근춘 (한국해양과학기술원 기기검교정.분석센터) , 김은수 (한국해양과학기술원 기기검교정.분석센터) , 이승훈 (한국해양과학기술원 기기검교정.분석센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The quality control of ocean observations data is becoming a major issue as real-time observational data and information services have increased recently. Therefore, it is necessary for oceanographic instruments to calibrate. In this paper, we first introduce the CTD calibration system and traceability. Next, CTD calibration procedures and estimation of uncertainty of measurement are described. The expanded uncertainty (k = 2) of the temperature, pressure and conductivity are 0.$0.003^{\circ}C$, $6.0{\times}10^{-5}$ and 0.006 mS/cm respectively. Finally, the excellence of CTD calibration and its measurement capability has been proven by comparing the inter-calibration result of KIOST and Sea-Bird Electronics (SBE). CTD calibration residuals are less than ${\pm}0.0001^{\circ}C$, ${\pm}0.001$ MPa, ${\pm}0.0001$ S/m for SBE 3plus temperature sensor, SBE 19plus pressure sensor and SBE 4C conductivity sensor respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CTD 온도, 압력, 전기전도도 센서 교정에 대한 불확도 항목이 상당히 많고 복잡하기 때문에 본 논문에서는 불확도 산출 과정에 대한 세부적인 계산 내용은 기술하지 않고, KOLAS로부터 온도와 압력 분야의 국제공인 교정기관으로 인정받은 최종 확장불확도를 보고하였다(Table 1). 전기전도도 분야의 경우는 KOLAS에서 정의한 측정분야 및 교정 항목에 포함되지 않지만, 온도와 압력 분야와 동일한 방법으로 측정불확도를 산출하였다.
본 논문에서는 국외 해양장비 제조사와의 CTD상호비교교정 결과를 모두 다 기재할 수 없었기 때문에 가장 최고 성능으로 평가받고 있는 Sea-Brid사의 CTD 상호비교교정 결과를 평가하였으며 이를 통해 한국해양과학기술원의 CTD 교정·측정능력의 우수성을 대내외로 입증하였다.
이를 위해 한국해양과학기술원은 2010년에 CTD 교정실을 설립하였고 2011년부터 2012년까지 교정 시스템의 성능 최적화를 위한 실험 데이터의 축적 및 측정불확도 산출을 통해 2013년에 기술표준원 한국인정기구(KOLAS)로부터 국내 최초로 해양 관측 장비의 온도(수온)와 압력(수심) 분야 국제공인 교정기관 인정을 받았다. 본 논문에서는 먼저 한국해양과학기술원의 CTD 교정시스템에 대해 소개하고 CTD의 수온, 수심, 전기전도도 각 분야별 교정 방법에 대해 기술하며 불확도를 추정한다. 불확도는 한국표준과학연구원에서 발간한 측정불확도 표현 지침(한국표준과학연구원 1999)과 한국계량측정협회에서 발간한 온도 지시/기록/제어장치의 표준교정절차(한국계량측정협회 2008)와 아날로그 및 디지털 압력계의 표준교정절차(한국계량측정협회 2003b)를 토대로 추정하였다.
해양관측장비 교정의 필요성을 판단하는데 있어서, 특정 연구 분야와 연결시키기보다는 해양 관측자료의 신뢰성 향상 및 사전 예방적 품질관리체계 구축의 측면에서 교정의 필요성에 대한 인식개선이 상당히 필요하다. 최근 들어 실시간 해양 관측자료 및 정보 제공 서비스가 증가함에 따라 해양 관측 장비로부터 생산된 자료의 품질이 매우 중요한 항목으로 대두되고 있는 시점에서 본 연구는 해양관측에 있어서 가장 기본적인 관측 장비인 CTD 교정에 대한 중요한 정보를 제공하는 연구로서의 가치가 있다고 판단된다.

제안 방법

측정불확도 평가는 측정으로부터 얻은 양의 값의 통계분포를 이용한 A형평가와 기타 정보(제조사 매뉴얼, 교정 및 시험 성적서 등)에 근거한 B형 평가로 나누어 실시하였다. A형 평가시 정규분포로 불확도를 추정하였다. B형 평가 시 제조사의 매뉴얼에 근거하였을 때는 직사각형 분포에 의한 확률밀도함수로 불확도를 추정하였고 교정 및 시험 성적서에 근거하였을 때는 정규분포로 불확도를 추정하였다.
A형 평가시 정규분포로 불확도를 추정하였다. B형 평가 시 제조사의 매뉴얼에 근거하였을 때는 직사각형 분포에 의한 확률밀도함수로 불확도를 추정하였고 교정 및 시험 성적서에 근거하였을 때는 정규분포로 불확도를 추정하였다.
SBE 19plus 장비는 비 SI 단위인 psia로 출력되지만, 본논문에서는 압력 센서 상호비교교정 결과에 대한 평가를위해 SI 단위인 MPa로 변환하여 기술하였다. SBE 19plus압력 센서의 각 교정점에서의 잔차를 비교해보면, 한국해양과학기술원의 4 MPa 교정점을 제외한 나머지 가압(down to up)과 감압(up to down)의 모든 교정점에서 정확도(0.
이 잔차가 0에 가까울수록 이상적인 교정이 수행된것이나, 측정에 있어서 수많은 불확도 요인이 존재하기 때문에 잔차가 0이 되는 것은 불가능하다. 따라서 해당 장비의 사양에 따라 잔차의 목표값을 설정해야 하며 본 논문에서는 해당 장비의 정확도를 잔차의 목표값으로 설정하여 이 목표값의 만족여부를 비교평가하였다.
SBE 3plus 온도 센서, SBE 19plus 압력 센서 그리고 SBE 4C 전기전도도의 센서의 사양은 Table 2에 나와 있다. 먼저 Sea-Bird사에서 SBE 3plus(SN:5654) 온도 센서, SBE 19plus(SN:6153) 압력센서 그리고 SBE 4C(SN:3327) 전기전도도 센서를 교정한 후 한국해양과학기술원에서 재교정하여 CTD 상호비교교정을 실시하였으며, 실험실마다 측정불확도의 요인이 다르기 때문에 본 논문에서는 교정잔차(calibration residual)에 대한 비교평가만을 실시하고 불확도 산출에 대한 내용은 기술하지 않는다. 잔차(Residual)란, CTD와 기준장비의 측정값을 토대로 최소자승법으로 구한 교정 계수를 이용하여 각 교정점에서 새롭게 계산한 CTD 측정값과 기준장비 측정값간의 차이를 뜻한다.
해수( ≅35 PSU)가 담긴 교정용 액체항온조의 안정도 및 구배도가 가장 좋은 영역에 기준온도계와 CTD 전기전도도 센서를 최대한 가장 가깝게 설치한다. 전기전도도 교정 시, 항온조 내의 버블이 전기전도도 측정 불확도에 큰 영향을 미치기 때문에 이를 최소화하기 위하여 높은 온도에서 낮은 온도로 순서로 온도 교정점을 변경하여 전기전도도 교정을 실시한다. 해당 교정점에서 항온조의 온도가 충분히 안정되었을 때(시간 당 ±0.
CTD 온도 센서의 온도측정에 의한 표준불확도는 식 (2)의 3가지 요인을 합성하여 구하고 기준온도계의 온도 측정에 의한 표준불확도는 식 (3)의 9가지 요인을 합성하여 구한다. 측정불확도 평가는 측정으로부터 얻은 양의 값의 통계분포를 이용한 A형평가와 기타 정보(제조사 매뉴얼, 교정 및 시험 성적서 등)에 근거한 B형 평가로 나누어 실시하였다. A형 평가시 정규분포로 불확도를 추정하였다.
모든 교정점에서 측정이 완료되면, 측정 데이터를 근거로 통계(t-분포) 및 확률에 기초하여 교정데이터를 처리하고 측정불확도를 추정한다. 표준해수를 사용하여 표준화시킨 정밀 염분측정기로 샘플병의 해수를 측정하여 염분값을 구하고 기준온도계의 온도 측정값을 이용하여 PSS-78 함수(Lewis EL 1980)로부터 기준 전기전도도 값을 계산한다. 최종적으로 확장불확도, 보정값 그리고 교정 곡선 및 교정 계수를 제시한다.
해당 교정점에서 항온조의 온도가 충분히 안정되었을 때(시간 당 ±0.001℃ 이내), 기준온도계와 CTD 온도 센서의 온도 값을 동시에 연속적으로 측정한다.
해당 교정점에서 항온조의 온도가 충분히 안정되었을 때(시간 당 ±0.001℃ 이내), 기준온도계의 온도 값과 CTD 전기전도도 센서의 전기전도도 값을 동시에 연속적으로 측정한다.

대상 데이터

그리고 미국 Sea-Bird CTD 제조사와의 상호비교교정 결과를 분석하여 한국인정기구(KOLAS)로부터 국내 최초로 해양 관측 장비의 국제공인 교정기관으로 ISO/IEC 17025를 인정받은 한국해양과학기술원의 CTD 교정·측정능력의 우수성을 대내·외로 입증하였다.
한국해양과학기술원은 CTD 교정·측정능력 평가 및 향상을 위해, CTD 장비 중에서 전 세계적으로 가장 좋은 성능으로 평가받고 있는 미국 Sea-Bird사의 CTD를 제조사와 상호비교교정을 실시하였다. 온도 센서와 전기전도도 센서의 상호비교교정 대상 장비로는 연구선 장착장비로 사용중인 현존하는 CTD 중에서 가장 최고의 성능을 갖고있는 SBE 911plus CTD를 선정하였고 압력 센서의 상호비교교정을 위해서는 SBE 19plus CTD를 선정하였다. SBE 3plus 온도 센서, SBE 19plus 압력 센서 그리고 SBE 4C 전기전도도의 센서의 사양은 Table 2에 나와 있다.

이론/모형

본 논문에서는 먼저 한국해양과학기술원의 CTD 교정시스템에 대해 소개하고 CTD의 수온, 수심, 전기전도도 각 분야별 교정 방법에 대해 기술하며 불확도를 추정한다. 불확도는 한국표준과학연구원에서 발간한 측정불확도 표현 지침(한국표준과학연구원 1999)과 한국계량측정협회에서 발간한 온도 지시/기록/제어장치의 표준교정절차(한국계량측정협회 2008)와 아날로그 및 디지털 압력계의 표준교정절차(한국계량측정협회 2003b)를 토대로 추정하였다. 전기전도도 분야의 경우는 KOLAS에서 정의한 측정분야 및 교정 항목에 포함되지 않지만, 온도와 압력 분야와 동일한 방법으로 측정불확도를 산출하였다.
다만 한국해양과학기술원의 4 MPa 교정점에서의 잔차값이 제조사와 다소 차이가 나타나는데, 이는 6개의 압력 교정점에서 교정을 실시했던 제조사와 달리 11개의 압력 교정점에서 교정을 수행했던 한국해양과학기술원에서 4 MPa 교정점에서 SBE 19plus 압력 센서의 압력 측정 대표값에 영향을 준 외부의 불확도가 작용했던 것으로 분석된다. 압력센서 교정 계수 PA0, PA1, PA2는 총 11개 압력 교정점에서의 교정데이터(SBE 19plus 측정값과 기준기의 압력 측정값)를 토대로 제조사에서 제공한 압력 센서 교정식 식(10)을 이용하여 마찬가지로 최소자승법으로 구하였다(Sea-Bird Electronic 2007). N는 SBE 19plus의 raw frequency output 값이다.
온도 교정 시스템은 국제온도눈금(Preston-Thomas H 1990)에서 정의한 고정점 셀(수은 삼중점, 갈륨 용융점, 물의 삼중점) 및 실현을 위한 유지 장치와 정밀 온도 측정 장치(표준백금저항온도계, AC 저항브릿지, 표준저항, 표준저항보관용 항온조 등)로 구성되어 있다. 해양관측장비온도 센서의 측정범위는 −5~35℃로, 해양장비 온도 센서교정을 위해 기준온도계로 사용되는 표준백금저항온도계(SPRT)는 수은 삼중점(−38.
온도, 압력그리고 전기전도도 센서의 교정 후 산출된 계수는 Table 3에 나와 있다. 온도 센서 교정 계수 g, h, i, j는 총 11개온도 교정점에서의 교정데이터(SBE 3plus 주파수 출력측정값과 기준온도계의 온도 측정값)를 토대로 제조사에서 제공한 온도 센서 교정식 식 (9)을 이용하여 최소자승법으로 구하였다(Sea-Bird Electronic 2013). f₀는 제조사에서 제시한 값으로 1000 Hz이고 f는 SBE 3plus의 주파수 출력 값(Hz)이다.
불확도의 수학적 모델은 식 (6)~(8)에 나와 있다. 전기전도도 교정 불확도의 수학적 모델식은 온도 교정 불확도 모델식에 근거하였다. u_{6). 전기전도도 센서 교정 계수 g, h, i, j는 총 6개의 온도 교정점에서의 교정데이터(SBE 4C 주파수 출력 측정값과 기준온도계의 온도 측정값 및 염분측정기로부터 구한 표준전기전도도 값)를 토대로 제조사에서 제공한 전기전도도 센서 교정식 식 (11)을 이용하여 마찬가지로 최소자승법으로 구하였다(Sea-Bird Electronic 2013). ε과 δ는 수심과 온도에 대한 전기전도도의 보정값이며 제조사에서 제시한 값은 각각 −9.}
해양관측장비온도 센서의 측정범위는 −5~35℃로, 해양장비 온도 센서교정을 위해 기준온도계로 사용되는 표준백금저항온도계(SPRT)는 수은 삼중점(−38.8344℃) 셀, 물의 삼중점(0.01℃)셀, 갈륨 용융점(29.7646℃) 셀의 총 3개의 고정점 셀을 실현하여 표준백금저항온도계의 표준교정절차(한국계량측정협회 2003a)에 따라 교정한다.

성능/효과

SBE 19plus압력 센서의 각 교정점에서의 잔차를 비교해보면, 한국해양과학기술원의 4 MPa 교정점을 제외한 나머지 가압(down to up)과 감압(up to down)의 모든 교정점에서 정확도(0.006 MPa)의 약 0.1배(±0.001 MPa) 이내였으며 잔차의 최소값, 최대값 및 잔차의 절대값의 평균을 비교해본결과 한국해양과학기술원의 교정결과와 제조사의 결과가동등한 수준으로 평가되었다(Fig. 5).
SBE 3plus 온도 센서의 각 교정점에서의 잔차를 비교해보면, 한국해양과학기술원과 제조사의 잔차가 모든 교정점에서 정확도(±0.001℃)의 0.1배(±0.0001℃) 이내였으며 잔차의 최소값, 최대값 및 잔차의 절대값의 평균을 비교해본 결과 한국해양과학기술원의 교정결과와 제조사의결과가 동등한 수준으로 평가되었다(Fig. 4).
SBE 4C 전기전도도 센서의 각 교정점에서의 잔차를 비교해보면, 한국해양과학기술원과 제조사가 모든 교정점에서 정확도(±0.0003 S/m)의 약 0.3배(±0.0001 S/m) 이내로 잔차의 최소값, 최대값 및 잔차의 절대값의 평균을 비교해본 결과 한국해양과학기술원의 교정결과가 제조사와 동등한 수준으로 평가되었다(Fig. 6).
N는 SBE 19plus의 raw frequency output 값이다. 산출된 한국해양과학기술원과제조사의 교정 계수 비교를 위해 주파수 출력 값을 고정시키고, 교정계수를 사용하여 식 (10)으로부터 계산된 압력을 비교해본 결과, 한국해양과학기술원과 제조사간에 약 0.001 MPa 차이를 확인하였다. 이 차이는 두 기관의 측정불확도에 기인한 것으로서, 본 논문에서 측정불확도를 산출하여 비교분석하지 않았지만, 두 기관의 측정불확도에 큰 차이가 없는 것으로 평가되었다.
5). 압력 센서 교정 시 수행했던 가압과 감압에서의 잔차값이 서로 차이가 적을수록 반복 측정에 의한 불확도가 작아 정밀 교정이 이루어진 것으로 볼 수 있는데, 한국해양과학기술원의 가압과 감압 간의 잔차의 차이가 모든 교정점에서 제조사보다 작아 더 정밀 측정이 이루어진 것으로 평가되었다. 다만 한국해양과학기술원의 4 MPa 교정점에서의 잔차값이 제조사와 다소 차이가 나타나는데, 이는 6개의 압력 교정점에서 교정을 실시했던 제조사와 달리 11개의 압력 교정점에서 교정을 수행했던 한국해양과학기술원에서 4 MPa 교정점에서 SBE 19plus 압력 센서의 압력 측정 대표값에 영향을 준 외부의 불확도가 작용했던 것으로 분석된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	검정 또는 검증이란?	교정의 개념이 종종 검정, 검증 또는 보정과 혼용되어 잘못 사용되는 경우가 많다. 검정 또는 검증(verification)이란, 주어진 품목이 명시된 요건을 충족한다는 객관적인 증거의 제공으로 성능 및 법적 요구에 대한 충족여부를확인하는 행위이다. 보정(correction)이란 추정된 계통효과에 대한 보상이다.
	정확도란?	불확도는 정확도, 정밀도, 오차와 다른 개념이다. 정확도(accuracy)란 측정값과 측정량의참값이 일치하는 정도이다. 정밀도(precision)란 명시된 조건하에서, 같거나 비슷한 대상에 대해서 반복 측정하여 얻어진 지시값들 또는 측정값들이 일치하는 정도이다.
	해양관측·조사를 통해 생산되는 자료가 불량 자료라면 어떤 문제가 발생하는가?	정부기관, 연구소, 대학, 기업에서는 해양분야의 연구·조사사업을 통해 정기, 부정기적으로 해양자료를 획득하고 있으며, 조사선 사용료, 인건비, 출장비,관측 장비 구입, 설치 및 유지관리비, 시료분석비 등에 막대한 관측·조사비용이 투입되고 있다. 불량 자료가 생산,유통될 경우 해양관측·조사에 소요되는 직접 비용의 손실도 막대하지만, 불량 자료의 활용에 따른 경제·사회적 간접 피해는 직접 피해보다 훨씬 막대하다.

참고문헌 (13)

국립수산과학원 (2010) KODC NEWSLETTER. 국립수산과학원, SP-2010-ME-046, 40 p NFRDI (2010) (KODC Newsletter. National Fisheries Research and Development Institute, SP-2010-ME-046, 40 p (in Korean))
이하웅, 박동원 (1991) CTD 시스템의 특성분석 및 비교. 해양연구 13(2):87-93(Lee HW, Park DW (1991) A comparison and analysis of characteristics of Two CTD Systems. Ocean Res 13(2): 87-93 (in Korean))

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최아라, 박영규, 민홍식, 김경홍 (2009) 후처리과정을 통한 CTD 관측 자료 품질 개선에 대하여. Ocean and Polar Res 31(4):339-347(Choi A-R, Park Y-G, Min HS, Kim KH (2009) The Improvement of CTD Data through Post Processing. Ocean and Polar Res 31(4):339-347 (in Korean))

원문보기 상세보기
한국계량측정협회 (2003a) 표준백금저항온도계의 표준교정절차. 한국계량측정협회, KASTO 03-18-2040-117, 27 p (KASTO (2003a) Standard Calibration Procedure of Standard Platinum Resistance Thermometers. Korea Association of Standards & Testing Organizations, KASTO 03-18-2040-117, 27 p (in Korean))
한국계량측정협회 (2003b) 아날로그 및 디지털 압력계의 표준교정절차. 한국계량측정협회, KASTO 03-09-1030-011, 26 p (KASTO (2003b) Standard Calibration Procedure of Analog or Digital Pressure Gauges. Korea Association of Standards & Testing Organization, KASTO 03-09-1030-011, 26 p (in Korean))
한국계량측정협회 (2008) 온도 지시/기록/제어장치의 표준교정절차. 한국계량측정협회, KASTO 07-50103-116, 19 p (KASTO (2008) Standard Calibration Procedure of Temperature Indicators/Recorders/Controllers. Korea Association of Standards & Testing Organizations, KASTO 07-50103-116, 19 p (in Korean))
한국표준과학연구원 (1999) 측정불확도 표현 지침. 한국표준과학연구원, KRISS-99-070-SP, 19 p (KRISS (1999) Guide to the expression of uncertainty in measurement. Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS-99-070-SP, 19 p (in Korean))
한국표준과학연구원 (2002) 국제 측정학 용어집. 한국표준과학연구원, KRISS-SP-2008-022, 126 p (KRISS (2002) Internal vocabulary of basic and general terms in metrology. Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS-SP-2008-022, 126 p (in Korean))
Kim Y-G, Kim K, Cho Y-K, Ossi H (2000) CTD data processing for CREAMS expeditions: thermal-lag correction of Sea-Bird CTD. J Korean Society of Oceanography 35(4):192-199

원문보기 상세보기
Lewis EL (1980) The practical salinity scale 1978 and its antecedents. IEEE J Oceanic Eng 5(1):3-8

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Preston-Thomas H (1990) The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90). Metrologia 27(1):3-10

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Sea-Bird Electronic (2007) SBE 19plus SEACAT Profiler User's Manual. Sea-Bird Electronic, Washington, 99 p
Sea-Bird Electronic (2013) SBE 9plus CTD User's manual. Sea-Bird Electronic, Washington, 73 p

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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