温度对气压传感器现场校准数据影响

金 锐

(江西省大气探测技术中心，南昌 330096)

0 引言

新型自动气象站推广使用之后，有效提升了地面气象观测自动化水平，降低了基层台站气象观测业务人员的劳动强度，且有效地提升了各常规观测要素的连续性，从而为天气预报、气候科学研究、气象防灾预警服务等业务提供了更有价值的数据支撑。为确保自动气象站观测数据的准确性，需对各要素传感器进行量值溯源。目前，绝大多数地区采用的是现场校准方式。

气压是作用在单位面积上的大气压力，在数值上等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。气压作为自动气象站中必不可少的气象观测要素之一，目前主要采用硅电容气压传感器对其进行观测，在进行现场校准时，常受环境或者其他因素影响导致校准结果不够精确。

近年来，相关业务人员对气压传感器校准准确度进行了探索，例如：蔡海洋[1]、黄清治[2]、张英华[3]、杜利东[4]等对气压传感器的校准方法进行了探讨；刘洪涛[5]、张敏[6]、谢连妮[7]等对气压传感器测量结果的不确定性进行了分析；李文博[8]、蒋涛[9]等分别从湿度和元电气等方面探讨了对气压传感器校准结果的影响。上述研究成果，均未涉及温度对气压校准结果影响的相关分析，基于此，文章在已有研究的基础上，结合现场校准工作实际情况，对现场校准时环境温度上升对气压传感器校准数据的影响进行探讨，期望提升气压传感器现场校准水平以及气压传感器观测数据的准确性。

1 气压传感器工作原理

气压传感器一般由压力敏感元件、压力转化元件和信号处理元件3部分组成，如图1所示，气压传感器的最终目的是将压力输入信号转化为稳定的相关的模拟电信号，从而达到测量气压的目的[10-12]。

图1 气压传感器工作原理示意图

由于硅电容具有较强的压力敏感性能，因此常用作气压传感器的压力敏感元件。目前国家自动气象站常用的PTB210、PTB220、PTB330型气压传感器均属于硅电容气压传感器。

硅电容气压传感器工作原理：由硅电容器组成的RC振荡电路的频率随气压(硅电容器的电容)变化而变化。在电路中接入参考电容，其目的是检验压力和温度补偿。硅电容气压传感器由单晶硅的薄层构成，该单晶硅的薄层焊接在涂有金属导电膜的玻璃板上，形成中间真空的硅膜盒。通过蚀刻使靠近玻璃板的单晶硅晶片上形成硅膜，并在硅膜上喷金使其导电，进而让导电玻璃板和硅膜构成平行板电容器。当硅膜上的气压变化时，单晶硅膜盒将出现弹性形变，导致硅膜盒的电容发生变化，从而构成一个RC振荡器。硅电容气压传感器使用微处理器输出稳定的数字信号或模拟信号(此过程需进行压力线性修正和温度补偿)，然后传输至采集器，最终获得气压观测数据。

2 气压传感器校准方法

气压标准器和压力调节装置放置在与气压传感器相同的高度，并用软管将其连接成一个封闭的测量系统(图2)。为使软管对测量系统的性能影响尽量小应选择较短的软管，并确保软管的气密性。其校准原理为：压力调节装置、气压标准器和气压传感器处于一个封闭的测量系统，通过压力调节装置改变气压大小的同时将气压标准器和气压传感器的数值进行对比，从而判定气压传感器的计量性能[13-15]。

图2 气压传感器校准连接示意图

在实验室环境为20 ℃时选取固定的几个校准点对性能确定的气压传感器进行校准，获取该气压传感器在校准点下的误差值；然后将该传感器带到野外国家级自动气象站选取气温上升的时间段进行现场校准，并选取与实验室相同的校准点；通过对实验室和野外现场校准的结果进行对比，分析温度上升对测量结果的影响[16，17]。

3 校准试验

3.1 实验室校准试验

首先，依据JJG(气象)001-2015《自动气象站气压传感器检定规程》在实验室开展校准工作，采取745-16B型数字气压仪作为标准器，调压装置为YKQ-20型压力调节装置，使用性能稳定的PTB210型气压传感器作为实验传感器(确保外观未受损，标记铭牌上数据清晰等)，将其分别通电预热15 min，然后调节气压，校准点分别为：900 hPa、1000 hPa、1100 hPa。调节顺序为：低压到高压(正行程)，再从高压到低压(反行程)。在升压和降压时，待每个校准点稳点后，分别读取10组数据进行对比并获取误差值，结果如表1所示。

表1 温度为20 ℃时气压传感器实验室校准误差值 hPa

由表1可知，20 ℃时，该气压传感器在校准点900 hPa、1000 hPa、1100 hPa对应的平均误差值分别为0.20 hPa、0.21 hPa、0.20 hPa，并且不同校准点升压和降压过程的标准差均为0.00562 hPa。

3.2 现场校准实验

将实验室校准实验中使用的气压传感器带到南昌市气象观测站，将其接入自动气象站采集器中，并使用相同的标准器和调压装置采用图2的连接方法进行试验。实验开始前需通电预热15 min，然后调节气压，具体实验步骤与实验室校准类似，选择上午温度上升的时间段分批次进行试验，在进行校准试验的同时需对温度上升趋势进行实时监测。温度每上升1 ℃，在每个校准点对应的升压和降压区间分别选取10组数据进行记录。

通过统计分析可知，900 hPa校准点在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3个温度区间对应的平均误差分别为0.206 hPa、0.2135 hPa、0.2335 hPa，对应的标准差为0.005982 hPa、0.006708 hPa、0.007452 hPa；1000 hPa校准点在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3个温度区间对应的平均误差分别为0.214 hPa、0.2245 hPa、0.2350 hPa，对应的标准差为0.005982 hPa、0.006048 hPa、0.006882 hPa；1100 hPa校准点在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃ 3个温度区间对应的平均误差分别为0.2035 hPa、0.2235 hPa、0.2380 hPa，对应的标准差值为0.005871 hPa、0.006708 hPa、0.006959 hPa。

3.3 实验结果分析

实验室校准实验的校准环境稳定，因此校准结果可靠。现场校准时，随着温度升高，各校准点测量误差及误差的标准差相对于在20 ℃实验室环境下的偏离情况如表2所示。

表2 现场校准时测量误差及标准差偏差情况

由表2可知，现场校准时的误差值均大于实验室校准误差值，且在现场校准时，随着气温的升高，在各校准点的测量误差偏离值逐渐增大。

标准差一般反映的是数值之间偏离程度(即可间接反映数值的波动度)，900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 3个校准点在20～21 ℃、21～22 ℃、22～23 ℃温度区间对应的标准差随着温度的升高呈上升趋势，且均大于实验室环境下的标准差。由此可见实验室校准结果的波动度较小。

4 结束语

当气压传感器现场校准的环境温度上升时，对校准误差值具有一定的影响，且温度的上升会导致校准结果的波动程度上升，极易引起判断失误。针对温度对气压传感器现场校准的影响，在校准时应避开升温过快的时间段，同时需要在气压稳定的时候开展校准工作，从而确保校准结果的可靠性。