不同環(huán)境溫度對氣壓傳感器的影響

胡 帆，王冰梅，楊恒祥，張 正，鄒 超，楊 敏

(江蘇省氣象探測中心，南京210009)

0 引言

國內(nèi)氣象部門普遍使用的新型自動氣象站雖然種類、型號各有不同，但所用的氣壓傳感器大都是芬蘭維薩拉公司的PTB系列氣壓傳感器[1]。按照自動氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程[2]的要求，對傳感器的計量性能要求是測量結(jié)果的最大允許誤差不得大于0.3 hPa，而且要求相鄰兩個檢定周期之間在同一檢定點上的測量誤差變化量的絕對值不得大于0.3 hPa。影響傳感器產(chǎn)生示值誤差的因素有很多[3]，溫度的變化是引起誤差的重要因素之一[4，5]。為了對該系列傳感器在不同溫度環(huán)境下的示值及其變化情況有更加直觀地了解，文章應(yīng)用壓力溫度聯(lián)合控制箱測量氣壓傳感器在不同環(huán)境溫度下的示值，統(tǒng)計傳感器誤差的變化情況，進而分析傳感器誤差的變化趨勢，為工作人員合理地使用傳感器，以及科研人員研究新型氣壓傳感器提供有益的參考。

1 壓力溫度聯(lián)合控制箱的結(jié)構(gòu)和使用

1.1 壓力溫度聯(lián)合控制箱的結(jié)構(gòu)

壓力溫度聯(lián)合控制箱由氣壓自動控制裝置、氣壓傳感器密封壓力艙、溫度控制器和溫度檢測槽等組成。氣壓自動控制裝置由壓力控制器、壓力泵、真空泵、標準壓力計、計算機和氣路通道等組成。氣壓標準器采用GRZ100數(shù)字壓力計，該壓力計是高精度和高穩(wěn)定性的精密儀器。在使用過程中嚴禁測量超過數(shù)字壓力計自身量程的氣壓，否則會造成永久性的硬件損壞。氣壓自動控制裝置的通信口為RS-232或RS-485輸出。氣壓自動控制裝置的軟件不僅能控制密封壓力艙內(nèi)的壓力，還能同時顯示壓力艙內(nèi)的實際氣壓值。

密封壓力艙是專門為氣壓傳感器的測試而設(shè)計的，被檢氣壓傳感器放置在密封壓力艙內(nèi)。密封壓力艙完全浸泡于液體溫度槽里，溫度槽內(nèi)通常放入無水酒精。這種特殊的密封壓力艙結(jié)構(gòu)可以保證所有氣壓傳感器所處的環(huán)境溫度與設(shè)定溫度值的誤差不大于0.5 ℃。

溫度檢測裝置由溫度控制器、液體循環(huán)泵、液體加熱器、液位報警開關(guān)、制冷壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和制冷盤管等組成。壓力溫度聯(lián)合控制箱的技術(shù)指標如表1所示。

表1 壓力溫度聯(lián)合控制箱技術(shù)指標

1.2 壓力溫度聯(lián)合控制箱的使用

壓力溫度聯(lián)合控制箱中的壓力控制箱和溫度檢測槽分別由各自的開關(guān)獨立控制。使用溫度檢測槽時打開溫度檢測槽總開關(guān)，再依次打開液體循環(huán)泵開關(guān)、液體制冷開關(guān)和液體加熱開關(guān)。觀察液位報警指示燈的情況，若液位報警指示燈鳴叫報警，則需要補充液體溫度槽內(nèi)的液體，直到報警的鳴叫聲停止為止。然后在溫度控制器上設(shè)置需要的溫度點，確認后溫度控制器開始工作。在達到設(shè)定的溫度點后，應(yīng)穩(wěn)定30 min再讀取氣壓密封艙內(nèi)的溫度值。

使用壓力控制箱時首先將氣壓傳感器放入密封壓力艙內(nèi)，并將艙內(nèi)各個通信導線的端口與對應(yīng)傳感器的RS-232接口相連接；其次給傳感器接上電源，并通過電腦軟件查看傳感器的氣壓顯示情況是否正常，只有通信正常才能關(guān)上密封壓力艙的蓋子；最后打開壓力控制箱的總電源，給壓力控制器和氣壓標準器接上電源，再依次打開控制箱上的正壓泵和真空泵開關(guān)。

壓力溫度聯(lián)合控制箱的漏氣檢查：在設(shè)定的氣壓測量范圍的高端和低端分別查驗漏氣率，漏氣率應(yīng)不大于0.03 hPa/min。漏氣率合格后再測量氣壓傳感器，在設(shè)定的氣壓點上分別讀取標準器和被測傳感器的示值。至少應(yīng)有1次正反行程的氣壓測量。

2 溫度對傳感器的影響

文章使用維薩拉公司研制的PTB系列氣壓傳感器進行實驗。該傳感器采用BAROCAP硅電容式絕對壓力傳感器測量大氣壓力。BAROCAP傳感器具有動態(tài)范圍廣、無遲滯和可重復性特性。傳感器自身不發(fā)熱，具有很好的耐溫變和長期穩(wěn)定性。

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。傳感器采用高級RC振蕩電路以及依賴于電容壓力和電容溫度補償?shù)?個參考電容進行持續(xù)測量。

氣壓傳感器內(nèi)部的微處理器(CPU)執(zhí)行壓力和溫度補償，而傳感器內(nèi)的阻容振蕩電路保持阻抗穩(wěn)定，在相當長的時期內(nèi)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力。

2.1 溫度影響傳感器的實驗

為方便實驗，文章將4臺出廠編號為12.0984、12.1269、1309.0585和13.0113的傳感器編號為#1、#2、#3和#4傳感器。根據(jù)氣壓傳感器在全國大部分地域使用時的環(huán)境溫度，選取-30 ℃、0 ℃、+30 ℃和+60 ℃共4個溫度測試點?？刂茐毫ε搩?nèi)氣壓從500～1100 hPa，間隔100 hPa，選取500、600、700、800、900、1000和1100共7個氣壓測試點。按照氣壓傳感器檢定規(guī)程規(guī)定的檢定方法反復做了大量的正反行程和重復性實驗，在每一個檢定點上#1、#2、#3和#4傳感器均表現(xiàn)出很好的無遲滯和可重復性。在4個溫度測試點上控制壓力艙內(nèi)氣壓從500～1100 hPa，氣壓標準值的平均讀數(shù)分別是500.04 hPa、600.04 hPa、700.06 hPa、800.08 hPa、900.08 hPa、1，000.10 hPa和1，100.11 hPa。

2.2 溫度變化引起的傳感器誤差

2.2.1 低壓點和高壓點的平均誤差

當溫度從-30 ℃升高至+60 ℃，氣壓分別從500 hPa升高至1100 hPa時，#1傳感器平均誤差從-0.08 hPa上升到+0.06 hPa；#2傳感器平均誤差從0 hPa上升到+0.09 hPa；#3傳感器平均誤差從-0.07 hPa升到+0.08 hPa；#4傳感器平均誤差從+0.12 hPa升到+0.18 hPa?？梢婋S著溫度的上升，#1和#3傳感器的平均誤差從負值變?yōu)檎担?2和#4傳感器的誤差增大。4臺傳感器各自平均誤差改變的大小也不同。

2.2.2 低壓點和高壓點誤差影響的分析

對于#1傳感器，當溫度從-30 ℃上升到+60 ℃時，在500 hPa測試點，示值誤差從-0.10 hPa上升到+0.16 hPa，示值誤差變化了0.26 hPa；而在1100 hPa測試點，示值誤差從-0.07 hPa上升到+0.01 hPa，示值誤差變化了0.08 hPa。

對于#2傳感器，當溫度從-30 ℃上升到+60 ℃時，在500 hPa測試點，示值誤差從-0.05 hPa上升到+0.16 hPa，示值誤差變化了0.21 hPa；而在1100 hPa測試點，示值誤差從+0.03 hPa上升到+0.04 hPa，示值誤差變化了0.01 hPa。

對于#3傳感器，當溫度從-30 ℃到+60 ℃時，在500 hPa測試點，示值誤差從-0.10 hPa上升到+0.18 hPa，示值誤差變化了0.28 hPa；而在1100 hPa測試點，示值誤差從-0.09 hPa上升到+0.01 hPa，示值誤差變化了0.10 hPa。

對于#4傳感器，當溫度從-30 ℃到+60 ℃時，在500 hPa測試點示值誤差從+0.19 hPa上升到+0.24 hPa，示值誤差變化了0.05 hPa；而在1100 hPa測試點，示值誤差從+0.07 hPa下降到+0.02 hPa，示值誤差也變化了0.05 hPa。

可見，隨著溫度升高，在500 hPa測試點，#1、#2、#3傳感器的示值誤差的變化較大；而在1100 hPa測試點，#1、#2、#3傳感器的示值誤差的變化相對較小。#4傳感器在低壓點和高壓點的誤差變化值的大小一致，但是誤差變化值的正負值是相反的。

3 結(jié)束語

氣壓傳感器的實際應(yīng)用環(huán)境千差萬別，環(huán)境溫度的變化對氣壓傳感器的影響是客觀存在的。氣壓傳感器必須定期進行計量檢定并加以修正，以保證氣壓傳感器的計量性能符合相關(guān)規(guī)定的要求。