PTB220型氣壓傳感器的數(shù)據(jù)采集原理與檢定方法

漢中市氣象局 張繼光 魯物婷 蔣海安 王小波

PTB220型氣壓傳感器的數(shù)據(jù)采集原理與檢定方法

漢中市氣象局 張繼光 魯物婷 蔣海安 王小波

PTB220型氣壓傳感器是芬蘭維薩拉(VAISALA)公司生產(chǎn)的氣壓傳感器。該傳感器屬于完全補償式數(shù)字氣壓傳感器。廣泛應用于氣象業(yè)務(wù)，用來測試大氣壓力。本文就該傳感器的工作原理和校準方法作一介紹，供參考。

PTB220；原理；檢定

1.工作原理

1.1 PTB220型氣壓傳感器特點

PTB220是完全補償式數(shù)字氣壓表，具有較寬的工作溫度和測量范圍。感應元件采用了VAISALA公司研制的硅電容壓力傳感器BAROCAP，BAROCAP壓力傳感器具有兩項突出技術(shù)，即單晶硅材料的使用和容性測量原理。該傳感器具有以下優(yōu)點：

(1)單晶硅具有彈性好、低遲滯、重復性好，遲滯和重復性可達±0.02hPa、溫度系數(shù)小，溫度系數(shù)最大為±0.10hPa/℃；年漂移<±0.1hPa/year。傳感器自身不發(fā)熱，具有優(yōu)異的耐溫變和長期穩(wěn)定性。

(2)微電子加工技術(shù)。

(3)容性壓力傳感器結(jié)構(gòu)具有動態(tài)范圍寬、內(nèi)置過壓鎖定開關(guān)(過壓保護)和無需預熱的性能。

⑷用戶可根據(jù)需求進行多種使用設(shè)置，如串行總線、輸出模式、顯示格式、壓力單位、氣壓修正值調(diào)整等。

1.2 主要技術(shù)指標

測量范圍：500～1100hPa；分辨力：0.1hPa；準確度：±0.25hPa；最大允許誤差：±0.3hPa(氣壓在800～1050hPa之間、溫度在+5～+55℃之間)；響應時間：300ms；工作溫度：-40～+60℃；存儲溫度：-60～+60℃；供電電壓：10～30VDC；輸出：RS232C串行輸出、TTL電平輸出、模擬（電壓、電流）輸出、脈沖輸出。

1.3 工作原理

BAROCAP傳感器內(nèi)部由上薄下厚兩層單晶硅組成，兩層硅晶的硅膈膜中間包含有真空層、鍍金薄膜和玻璃纖維，硅電容的值隨氣壓的變化而改變。PTB220的工作原理是基于一個先進的RC振蕩電路和三個參考電容進行持續(xù)的測量。當環(huán)境壓力變化時，硅薄膜彎曲使傳感器真空室高度發(fā)生變化，導致傳感器電容值發(fā)生變化，通過測量轉(zhuǎn)換，可以得到壓力值。PTB220系列數(shù)字式氣壓表包含1個CPU主板和氣壓傳感器。在連續(xù)進行壓力測量的同時也連續(xù)測量空氣溫度，同時，微處理器自動進行壓力線性補償和溫度補償，經(jīng)過線性補償和溫度修正后獲得精確的氣壓數(shù)據(jù)。而傳感器阻容振蕩電路保持阻抗穩(wěn)定，在相當長時期不受環(huán)境溫度和濕度的影響，并且保持較高的測量速度和分辨率。在全量程范圍內(nèi)有7個溫度點，每個溫度點有6個全量程壓力調(diào)整點。

PTB220屬智能型傳感器，內(nèi)有微處理器，通過RS232串行通信接口測量的氣壓數(shù)據(jù)傳送給采集設(shè)備。由于其性能優(yōu)良，目前廣泛應用于我國氣象業(yè)務(wù)中作氣壓數(shù)據(jù)的采集。圖1就是PTB220型傳感器運用于我國多種型號自動氣象站作氣壓數(shù)據(jù)采集的典型電路。

圖2中MC1488模塊將傳給氣壓傳感器的TTL電平信號轉(zhuǎn)換為RS-232電平信號，并發(fā)送出去。MC1489將傳感器發(fā)來的RS-232電平信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號送給可編程通信電路。

由于CPU只提供一個串行通信口（已用于本地通信），采集器擴展了一片通訊接口芯片8251。它一方面將氣壓傳感器輸出的串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)送給CPU，另一方面又將CPU發(fā)出的并行命令數(shù)據(jù)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)發(fā)給氣壓傳感器。

2.氣壓傳感器的檢定

2.1 外觀檢查

按通用要求進行外觀檢查。對于使用過的氣壓傳感器，重點檢查壓力接嘴是否有雜物堵塞，若有雜物堵塞應清除干凈。

2.2 檢定壓力點選擇

檢定時的壓力點為500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、950hPa、1000hPa、1050hPa。也可根據(jù)本省實際測量范圍來確定，但測量范圍的上下限，必須涵蓋本省全部臺站中最高和最低壓力點，壓力間隔不能大于100hPa。

2.3 檢定前的準備

首先進行氣密性檢查。將被檢氣壓傳感器壓力接嘴，連接至氣壓傳感器檢定工作臺的壓力輸出接嘴上，應確保壓力接嘴密封和牢靠，打開氣壓傳感器檢定系統(tǒng)的電源開關(guān)，預熱10min后，檢查系統(tǒng)氣密性，一般選擇檢定系統(tǒng)調(diào)壓范圍的上限和下限壓力點上，進行氣密性檢查。

圖1 氣壓信號輸入和變換電路方框圖

圖2 氣壓信號輸入和變換電路原理圖

氣密性檢查方法，將系統(tǒng)壓力設(shè)定為檢定系統(tǒng)下限壓力點，當系統(tǒng)內(nèi)壓力達到設(shè)定壓力并開始穩(wěn)定時，測試系統(tǒng)的氣密性。測試可以直接記錄氣壓標準器的示值和時間，每隔1分鐘記錄1次，總共記錄11次數(shù)據(jù)，用第11次的氣壓示值減去開始時的氣壓示值，得出的差值為每10分鐘的氣密性，當氣密性大于0.3hPa/10min時，應對系統(tǒng)進行查漏檢查。只有當氣密性符合技術(shù)指標要求時，才能進行示值檢定。

2.4 檢定方法

檢定時調(diào)壓順序依次為：500、600、700、800、900、950、1000、1050、1000、950、900、800、700、600、500hPa，檢定時當壓力點調(diào)好后穩(wěn)定2分鐘后才能開始，檢定開始和結(jié)束時分別讀取當時的環(huán)境溫度和空氣濕度值，用兩次讀取的環(huán)境溫度和空氣濕度值的平均值，作為檢定時的環(huán)境條件。檢定時同時采集被檢氣壓傳感器的示值和氣壓標準器的示值。

2.5 數(shù)據(jù)處理

用式(1)和式(2)分別計算出氣壓傳感器在正反行程時，各壓力點上的測量誤差(如果氣壓傳感器輸出值是電壓、電流或頻率值，要換算成大氣壓力值)。

式中：△Pli—正行程各壓力點的測量誤差(hPa)

△PDi—反行程各壓力點的測量誤差(hPa)

Pli—正行程各壓力點的測量值(hPa)

PDi—反行程各壓力點的測量值(hPa)；

PIis—正行程各壓力點標準器的測量值(hPa)；

PDis—反行程各壓力點標準器的測量值(hPa)。

用式(3)計算出被檢氣壓傳感器，在全量程范圍內(nèi)各壓力點上正、反行程測量誤差的平均值。

全量程范圍內(nèi)各壓力點上的測量誤差，均不超過自動氣象站規(guī)定的測量準確度指標視為合格。對于不合格的氣壓傳感器，應進行單點或多點調(diào)整。

經(jīng)過調(diào)整（單點或多點）后的氣壓傳感器，應重新進行全程檢定。壓力點的選擇、檢定方法、數(shù)據(jù)處理、檢定結(jié)果以及判定原則同前。

3.結(jié)束語

全面了解PTB220型氣壓傳感器的工作原理是維護維修工作中的基本。而嚴格、準確的檢定則是關(guān)系到所采集到的氣壓數(shù)據(jù)是否準確的根本，兩者不可缺少。

[1]中國氣象局綜合觀測司.氣象裝備技術(shù)保障手冊[S].

[2]黨選發(fā),李曉峰.PTB220氣壓傳感器在測量大氣壓力中的應用[J].中國計量,2008,03.

[3]胡帆,陳正一.PTB220系列數(shù)字式氣壓表的原理與應用[J].氣象水文海洋儀器,2008,02.

張繼光，陜西省漢中市氣象局技術(shù)保障中心工程師。