溫度對(duì)氣壓傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)數(shù)據(jù)影響

金 銳

(江西省大氣探測技術(shù)中心，南昌 330096)

0 引言

新型自動(dòng)氣象站推廣使用之后，有效提升了地面氣象觀測自動(dòng)化水平，降低了基層臺(tái)站氣象觀測業(yè)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且有效地提升了各常規(guī)觀測要素的連續(xù)性，從而為天氣預(yù)報(bào)、氣候科學(xué)研究、氣象防災(zāi)預(yù)警服務(wù)等業(yè)務(wù)提供了更有價(jià)值的數(shù)據(jù)支撐。為確保自動(dòng)氣象站觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需對(duì)各要素傳感器進(jìn)行量值溯源。目前，絕大多數(shù)地區(qū)采用的是現(xiàn)場校準(zhǔn)方式。

氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，在數(shù)值上等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。氣壓作為自動(dòng)氣象站中必不可少的氣象觀測要素之一，目前主要采用硅電容氣壓傳感器對(duì)其進(jìn)行觀測，在進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，常受環(huán)境或者其他因素影響導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果不夠精確。

近年來，相關(guān)業(yè)務(wù)人員對(duì)氣壓傳感器校準(zhǔn)準(zhǔn)確度進(jìn)行了探索，例如：蔡海洋[1]、黃清治[2]、張英華[3]、杜利東[4]等對(duì)氣壓傳感器的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了探討；劉洪濤[5]、張敏[6]、謝連妮[7]等對(duì)氣壓傳感器測量結(jié)果的不確定性進(jìn)行了分析；李文博[8]、蔣濤[9]等分別從濕度和元電氣等方面探討了對(duì)氣壓傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的影響。上述研究成果，均未涉及溫度對(duì)氣壓校準(zhǔn)結(jié)果影響的相關(guān)分析，基于此，文章在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場校準(zhǔn)工作實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境溫度上升對(duì)氣壓傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行探討，期望提升氣壓傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)水平以及氣壓傳感器觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 氣壓傳感器工作原理

氣壓傳感器一般由壓力敏感元件、壓力轉(zhuǎn)化元件和信號(hào)處理元件3部分組成，如圖1所示，氣壓傳感器的最終目的是將壓力輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的相關(guān)的模擬電信號(hào)，從而達(dá)到測量氣壓的目的[10-12]。

圖1 氣壓傳感器工作原理示意圖

由于硅電容具有較強(qiáng)的壓力敏感性能，因此常用作氣壓傳感器的壓力敏感元件。目前國家自動(dòng)氣象站常用的PTB210、PTB220、PTB330型氣壓傳感器均屬于硅電容氣壓傳感器。

硅電容氣壓傳感器工作原理：由硅電容器組成的RC振蕩電路的頻率隨氣壓(硅電容器的電容)變化而變化。在電路中接入?yún)⒖茧娙?，其目的是檢驗(yàn)壓力和溫度補(bǔ)償。硅電容氣壓傳感器由單晶硅的薄層構(gòu)成，該單晶硅的薄層焊接在涂有金屬導(dǎo)電膜的玻璃板上，形成中間真空的硅膜盒。通過蝕刻使靠近玻璃板的單晶硅晶片上形成硅膜，并在硅膜上噴金使其導(dǎo)電，進(jìn)而讓導(dǎo)電玻璃板和硅膜構(gòu)成平行板電容器。當(dāng)硅膜上的氣壓變化時(shí)，單晶硅膜盒將出現(xiàn)彈性形變，導(dǎo)致硅膜盒的電容發(fā)生變化，從而構(gòu)成一個(gè)RC振蕩器。硅電容氣壓傳感器使用微處理器輸出穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)(此過程需進(jìn)行壓力線性修正和溫度補(bǔ)償)，然后傳輸至采集器，最終獲得氣壓觀測數(shù)據(jù)。

2 氣壓傳感器校準(zhǔn)方法

氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和壓力調(diào)節(jié)裝置放置在與氣壓傳感器相同的高度，并用軟管將其連接成一個(gè)封閉的測量系統(tǒng)(圖2)。為使軟管對(duì)測量系統(tǒng)的性能影響盡量小應(yīng)選擇較短的軟管，并確保軟管的氣密性。其校準(zhǔn)原理為：壓力調(diào)節(jié)裝置、氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和氣壓傳感器處于一個(gè)封閉的測量系統(tǒng)，通過壓力調(diào)節(jié)裝置改變氣壓大小的同時(shí)將氣壓標(biāo)準(zhǔn)器和氣壓傳感器的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而判定氣壓傳感器的計(jì)量性能[13-15]。

圖2 氣壓傳感器校準(zhǔn)連接示意圖

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為20 ℃時(shí)選取固定的幾個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)性能確定的氣壓傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，獲取該氣壓傳感器在校準(zhǔn)點(diǎn)下的誤差值；然后將該傳感器帶到野外國家級(jí)自動(dòng)氣象站選取氣溫上升的時(shí)間段進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，并選取與實(shí)驗(yàn)室相同的校準(zhǔn)點(diǎn)；通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室和野外現(xiàn)場校準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析溫度上升對(duì)測量結(jié)果的影響[16，17]。

3 校準(zhǔn)試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)

首先，依據(jù)JJG(氣象)001-2015《自動(dòng)氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程》在實(shí)驗(yàn)室開展校準(zhǔn)工作，采取745-16B型數(shù)字氣壓儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，調(diào)壓裝置為YKQ-20型壓力調(diào)節(jié)裝置，使用性能穩(wěn)定的PTB210型氣壓傳感器作為實(shí)驗(yàn)傳感器(確保外觀未受損，標(biāo)記銘牌上數(shù)據(jù)清晰等)，將其分別通電預(yù)熱15 min，然后調(diào)節(jié)氣壓，校準(zhǔn)點(diǎn)分別為：900 hPa、1000 hPa、1100 hPa。調(diào)節(jié)順序?yàn)椋旱蛪旱礁邏?正行程)，再從高壓到低壓(反行程)。在升壓和降壓時(shí)，待每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)點(diǎn)后，分別讀取10組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并獲取誤差值，結(jié)果如表1所示。

表1 溫度為20 ℃時(shí)氣壓傳感器實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)誤差值 hPa

由表1可知，20 ℃時(shí)，該氣壓傳感器在校準(zhǔn)點(diǎn)900 hPa、1000 hPa、1100 hPa對(duì)應(yīng)的平均誤差值分別為0.20 hPa、0.21 hPa、0.20 hPa，并且不同校準(zhǔn)點(diǎn)升壓和降壓過程的標(biāo)準(zhǔn)差均為0.00562 hPa。

3.2 現(xiàn)場校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

將實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中使用的氣壓傳感器帶到南昌市氣象觀測站，將其接入自動(dòng)氣象站采集器中，并使用相同的標(biāo)準(zhǔn)器和調(diào)壓裝置采用圖2的連接方法進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始前需通電預(yù)熱15 min，然后調(diào)節(jié)氣壓，具體實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)類似，選擇上午溫度上升的時(shí)間段分批次進(jìn)行試驗(yàn)，在進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)的同時(shí)需對(duì)溫度上升趨勢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。溫度每上升1 ℃，在每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的升壓和降壓區(qū)間分別選取10組數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

通過統(tǒng)計(jì)分析可知，900 hPa校準(zhǔn)點(diǎn)在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3個(gè)溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的平均誤差分別為0.206 hPa、0.2135 hPa、0.2335 hPa，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.005982 hPa、0.006708 hPa、0.007452 hPa；1000 hPa校準(zhǔn)點(diǎn)在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3個(gè)溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的平均誤差分別為0.214 hPa、0.2245 hPa、0.2350 hPa，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.005982 hPa、0.006048 hPa、0.006882 hPa；1100 hPa校準(zhǔn)點(diǎn)在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3個(gè)溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的平均誤差分別為0.2035 hPa、0.2235 hPa、0.2380 hPa，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差值為0.005871 hPa、0.006708 hPa、0.006959 hPa。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)環(huán)境穩(wěn)定，因此校準(zhǔn)結(jié)果可靠?，F(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，隨著溫度升高，各校準(zhǔn)點(diǎn)測量誤差及誤差的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)于在20 ℃實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的偏離情況如表2所示。

表2 現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)測量誤差及標(biāo)準(zhǔn)差偏差情況

由表2可知，現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)的誤差值均大于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)誤差值，且在現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)，隨著氣溫的升高，在各校準(zhǔn)點(diǎn)的測量誤差偏離值逐漸增大。

標(biāo)準(zhǔn)差一般反映的是數(shù)值之間偏離程度(即可間接反映數(shù)值的波動(dòng)度)，900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差隨著溫度的升高呈上升趨勢，且均大于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)差。由此可見實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果的波動(dòng)度較小。

4 結(jié)束語

當(dāng)氣壓傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)的環(huán)境溫度上升時(shí)，對(duì)校準(zhǔn)誤差值具有一定的影響，且溫度的上升會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的波動(dòng)程度上升，極易引起判斷失誤。針對(duì)溫度對(duì)氣壓傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)的影響，在校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)避開升溫過快的時(shí)間段，同時(shí)需要在氣壓穩(wěn)定的時(shí)候開展校準(zhǔn)工作，從而確保校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性。