環(huán)境溫度對(duì)氣壓傳感器測(cè)量誤差的影響分析

劉洪濤，蒲曉勇，王延?xùn)|

（湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430074）

“十三五”時(shí)期，我國(guó)加快完善了綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)，地面自動(dòng)觀測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)取得了歷史性的進(jìn)步。 截止目前，我國(guó)已有六萬余個(gè)自動(dòng)氣象站在網(wǎng)運(yùn)行，綜合氣象觀測(cè)水平已處于世界前列。 自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、草溫及地溫等氣象要素的數(shù)據(jù)變化，為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、精細(xì)服務(wù)提供了堅(jiān)實(shí)有力的支撐。 目前，國(guó)內(nèi)的自動(dòng)氣象站廣泛采用芬蘭VAISALA 公司的氣壓傳感器對(duì)氣壓進(jìn)行測(cè)量，常用的型號(hào)有PTB220、PTB210 和PTB330[1]。

為了保證氣壓觀測(cè)資料的準(zhǔn)確，每年需對(duì)國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站的氣壓傳感器進(jìn)行檢定。 根據(jù)檢定結(jié)果，判斷氣壓傳感器合格與否，能否繼續(xù)使用。 檢定氣壓傳感器依照的是中國(guó)氣象局頒布的檢定規(guī)程《JJG（氣象）001-2015 自動(dòng)氣象站氣壓傳感器》。 根據(jù)該檢定規(guī)程，檢定時(shí)的環(huán)境溫度必須滿足（20±2）℃， 氣壓檢定點(diǎn)為500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa， 各檢定點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果的最大允許誤差為±0.3 hPa[2]。

氣壓傳感器一般安裝在自動(dòng)氣象站的箱體中，自動(dòng)氣象站普遍安裝野外。 我國(guó)幅員遼闊，地理?xiàng)l件相差巨大，不同季節(jié)的環(huán)境溫度變化也很大。 關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)自動(dòng)氣象站各類傳感器的影響，國(guó)內(nèi)有學(xué)者做了一些研究[3-5]。 在不符合氣壓傳感器檢定規(guī)程要求的環(huán)境溫度的情況下，氣壓傳感器是否仍然保持原有的計(jì)量特性， 也是一個(gè)值得關(guān)注的課題。文獻(xiàn)[6]研究了在氣溫分別為22 ℃和32 ℃時(shí)，氣壓傳感器的測(cè)量誤差的變化。 文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了在0 ℃～40 ℃條件下PTB330 型氣壓傳感器的溫濕度性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)。 文獻(xiàn)[8]分析了在西藏地區(qū)高海拔低氣溫情況下氣壓傳感器的誤差變化。 鑒于氣壓是地面氣象觀測(cè)中的基本項(xiàng)目之一，氣壓觀測(cè)資料對(duì)天氣預(yù)報(bào)、氣候變化分析都有著重要意義，因此，進(jìn)一步深入研究環(huán)境溫度對(duì)氣壓傳感器測(cè)量誤差的影響，對(duì)提高氣壓傳感器的測(cè)量精度具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)室搭建起實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬不同的環(huán)境溫度，表1 為實(shí)驗(yàn)所需要的的設(shè)備和儀器。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器Tab.1 Experimental equipment and instruments

2 實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)選取20 只自動(dòng)氣象站中最常使用的PTB220 型氣壓傳感器。選取測(cè)試的溫度點(diǎn)為-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，以10 ℃的溫度等間隔遞增變化，可以模擬在不同季節(jié)和不同地域所處的環(huán)境溫度。在每個(gè)溫度點(diǎn)上選擇500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 這7 個(gè)氣壓點(diǎn)，分別測(cè)量氣壓傳感器的示值誤差。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將數(shù)字溫度計(jì)的探頭、精密露點(diǎn)儀的進(jìn)氣管通過恒溫恒濕箱的橡膠塞放入到恒溫恒濕箱體中。 1只氣壓傳感器放置在恒溫恒濕箱中，氣壓傳感器、壓力控制器、氣壓標(biāo)準(zhǔn)器通過三通軟管連接。 氣壓傳感器與壓力控制器通過RS232 通信電纜連接。 壓力控制器設(shè)置與PTB220 匹配的通訊參數(shù)（波特率2400，校驗(yàn)位N，數(shù)據(jù)位8，停止位1），可直接讀取氣壓傳感器的示值。 氣壓標(biāo)準(zhǔn)值通過氣壓標(biāo)準(zhǔn)器讀取。實(shí)驗(yàn)硬件布設(shè)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)硬件布設(shè)圖Fig.1 Experimental hardware layout

氣壓傳感器和氣壓標(biāo)準(zhǔn)器放在同一水平面上，可以忽略高度差對(duì)測(cè)量誤差的影響。 為了避免環(huán)境溫度對(duì)氣壓標(biāo)準(zhǔn)器的影響而產(chǎn)生附加誤差[9-10]，實(shí)驗(yàn)室的溫度始終控制在（20±2）℃。 數(shù)字溫度計(jì)實(shí)時(shí)采集恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度值，恒溫恒濕箱的濕度恒定設(shè)置在50%RH，溫度分別設(shè)置為-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃。

先將恒溫恒濕箱設(shè)置溫度為50 ℃，為了充分說明溫度對(duì)測(cè)量誤差的影響，待恒溫恒濕箱的溫度穩(wěn)定在設(shè)定值2 h 后再進(jìn)行氣壓測(cè)量，使氣壓傳感器的溫度與恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度保持一致。 壓力控制器設(shè)置為500 hPa，待壓力穩(wěn)定5 min 后，讀取氣壓標(biāo)準(zhǔn)器的示值和氣壓傳感器的示值。 再將壓力控制器設(shè)置為600 hPa， 壓力穩(wěn)定后分別讀取氣壓標(biāo)準(zhǔn)器的示值和氣壓傳感器的示值，以此類推，分別讀取700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 時(shí)的氣壓標(biāo)準(zhǔn)器的示值和氣壓傳感器的示值。 再?gòu)?100 hPa 開始降壓，直至500 hPa，逐點(diǎn)進(jìn)行示值誤差的測(cè)量，從而完成一個(gè)壓力循環(huán)的測(cè)量。 實(shí)驗(yàn)中一共完成2 個(gè)壓力循環(huán)的測(cè)量。

再將恒溫恒濕箱的溫度設(shè)置為40 ℃，待溫度穩(wěn)定2 h 后分別測(cè)量500 hPa～1100 hPa 下氣壓傳感器的測(cè)量誤差，直到完成測(cè)量30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃時(shí)各氣壓點(diǎn)的測(cè)量誤差。

2.3 數(shù)據(jù)處理

氣壓傳感器各測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量誤差按式（1）進(jìn)行計(jì)算[11]：

式中：Δpi′為氣壓傳感器第i 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量誤差；pi′為氣壓傳感器第i 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的示值；pi為氣壓標(biāo)準(zhǔn)器第i 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的示值；ci為氣壓標(biāo)準(zhǔn)器第i 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的示值修正值；δpHi為氣壓傳感器第i 個(gè)測(cè)量點(diǎn)由高度差引起的示值誤差修正值。 pi′和pi均取2 次壓力循環(huán)4 次測(cè)量的平均值。 由于氣壓傳感器和氣壓標(biāo)準(zhǔn)器放置在同一水平面上，可以忽略高度差對(duì)測(cè)量誤差的影響，此時(shí)δpHi=0。

表2～表5 分別列出了實(shí)驗(yàn)中4 只氣壓傳感器在10 個(gè)不同的溫度點(diǎn)上的測(cè)量誤差。

表2 氣壓傳感器Y1870092 在不同溫度時(shí)的測(cè)量誤差Tab.2 Measurement error of air pressure sensor Y1870092 at different temperatures

表3 氣壓傳感器E4530031 在不同溫度時(shí)的測(cè)量誤差Tab.3 Measurement error of air pressure sensor E4530031 at different temperatures

表4 氣壓傳感器Y5150029 在不同溫度時(shí)的測(cè)量誤差Tab.4 Measurement error of air pressure sensor Y5150029 at different temperatures

表5 氣壓傳感器D3650091 在不同溫度時(shí)的測(cè)量誤差Tab.5 Measurement error of air pressure sensor D3650091 at different temperatures

2.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表2～表5 的測(cè)量數(shù)據(jù)，以溫度為橫坐標(biāo)，測(cè)量誤差為縱坐標(biāo)，繪制出氣壓傳感器的測(cè)量誤差隨著溫度變化的曲線，分析溫度對(duì)氣壓傳感器測(cè)量誤差的影響。

圖2 氣壓傳感器Y1870092 測(cè)量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.2 Curve of measurement error of air pressure sensor Y1870092 with temperature

分析4 只氣壓傳感器的測(cè)量誤差隨溫度變化的曲線圖，可以總結(jié)出以下規(guī)律：

（1）各氣壓傳感器的測(cè)量誤差隨著環(huán)境溫度的變化而變化。

（2）當(dāng)環(huán)境溫度在-40 ℃～+20 ℃變化時(shí)，3 只氣壓傳感器的測(cè)量誤差呈上升的趨勢(shì)，1 只氣壓傳感器的測(cè)量誤差呈下降的趨勢(shì)；當(dāng)環(huán)境溫度在+20 ℃～+50 ℃變化時(shí)，3 只氣壓傳感器的測(cè)量誤差呈下降的趨勢(shì)，1 只氣壓傳感器的測(cè)量誤差呈上升的趨勢(shì)，在+20 ℃時(shí)是一個(gè)拐點(diǎn)， 這是氣壓傳感器的固有特性導(dǎo)致的。

圖3 氣壓傳感器E4530031 測(cè)量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.3 Curve of measurement error of air pressure sensor E4530031 with temperature

圖4 氣壓傳感器Y5150029 測(cè)量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.4 Curve of measurement error of air pressure sensor Y5150029 with temperature

圖5 氣壓傳感器D3650091 測(cè)量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.5 Curve of measurement error of air pressure sensor D3650091 with temperature

（3）當(dāng)環(huán)境溫度從-40 ℃增加到+20 ℃時(shí)，各氣壓傳感器的測(cè)量誤差與溫度基本呈線性關(guān)系。 當(dāng)環(huán)境溫度從+20 ℃增加到+50 ℃時(shí)，各氣壓傳感器的測(cè)量誤差與溫度也基本呈線性關(guān)系。

（4）以+20 ℃時(shí)的測(cè)量誤差為基準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度越低時(shí)，氣壓傳感器的測(cè)量誤差的變化越大；在-40 ℃時(shí)的變化量最大，變化量的絕對(duì)值，最大可達(dá)到0.34 hPa，最小為0.03 hPa。

（5）以+20 ℃時(shí)的測(cè)量誤差為基準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度越高時(shí)，氣壓傳感器的測(cè)量誤差的變化亦隨之變大。在+50 ℃時(shí)變化量最大， 變化量的絕對(duì)值最大可達(dá)到0.17 hPa，最小為0.01 hPa。

可以用溫度系數(shù)來表示溫度對(duì)氣壓傳感器測(cè)量誤差的影響[12]。 溫度系數(shù)定義為氣壓傳感器高溫點(diǎn)和低溫點(diǎn)條件下各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量誤差的漂移量對(duì)溫度變化的比率，用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔP1為在高溫點(diǎn)氣壓傳感器的測(cè)量誤差，hPa；ΔP2為在低溫點(diǎn)氣壓傳感器的測(cè)量誤差，hPa；t1為高溫點(diǎn)的溫度值，℃；t2為低溫點(diǎn)的溫度值，℃。

表6 是在不同氣壓條件下，各個(gè)傳感器的溫度系數(shù)的計(jì)算值。

表6 各氣壓傳感器在不同氣壓點(diǎn)時(shí)的溫度系數(shù)Tab.6 Temperature coefficient of each air pressure sensor at different air pressure points Pa/℃

從表6 中的數(shù)據(jù)可以分析出，在高氣壓情況下（1000 hPa、1100 hPa），氣壓傳感器的溫度系數(shù)的絕對(duì)值最小，低氣壓情況下（500 hPa），氣壓傳感器的溫度系數(shù)的絕對(duì)值最大，說明高氣壓情況下，氣壓傳感器的測(cè)量誤差受溫度變化的影響較小，低氣壓情況下，氣壓傳感器的測(cè)量誤差受溫度變化的影響相對(duì)較大。

3 結(jié)語

VAISALA 公司的PTB220 型氣壓傳感器采用了硅電容絕對(duì)壓力傳感器作為感應(yīng)元件，當(dāng)環(huán)境大氣壓力發(fā)生變化時(shí)，硅薄膜彎曲使傳感器真空室的高度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致硅膜盒平行板電容器的電容發(fā)生變化，根據(jù)電容值的變化量進(jìn)行環(huán)境大氣壓力的測(cè)量[13]。PTB220 型氣壓傳感器內(nèi)置有溫度補(bǔ)償傳感器，能對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量并自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償[14-15]。

綜合分析其余參加實(shí)驗(yàn)的氣壓傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）盡管PTB220 氣壓傳感器已作了溫度補(bǔ)償，但是溫度對(duì)傳感器的測(cè)量誤差仍存在一定影響。

（2）氣壓傳感器的測(cè)量誤差會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化。

（3）越接近低溫條件下，測(cè)量誤差的變化也越大。

（4）常溫條件下（10 ℃～30 ℃）時(shí)，溫度變化導(dǎo)致的氣壓傳感器測(cè)量誤差的變化量不大，說明常溫下溫度對(duì)氣壓傳感器測(cè)量誤差的影響是有限的。

（5）高氣壓情況下，氣壓傳感器的測(cè)量誤差受溫度變化的影響較??；低氣壓情況下，氣壓傳感器的測(cè)量誤差受溫度變化的影響相對(duì)較大。

（6）在極端低溫和高溫條件下，氣壓傳感器存在計(jì)量超差的風(fēng)險(xiǎn)。