不同環(huán)境溫度對(duì)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(cè)中心，南京210009)

0 引言

國內(nèi)氣象部門普遍使用的新型自動(dòng)氣象站雖然種類、型號(hào)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(dòng)氣象站氣壓傳感器檢定規(guī)程[2]的要求，對(duì)傳感器的計(jì)量性能要求是測(cè)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(gè)檢定周期之間在同一檢定點(diǎn)上的測(cè)量誤差變化量的絕對(duì)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(duì)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(cè)量氣壓傳感器在不同環(huán)境溫度下的示值，統(tǒng)計(jì)傳感器誤差的變化情況，進(jìn)而分析傳感器誤差的變化趨勢(shì)，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(dòng)控制裝置、氣壓傳感器密封壓力艙、溫度控制器和溫度檢測(cè)槽等組成。氣壓自動(dòng)控制裝置由壓力控制器、壓力泵、真空泵、標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)、計(jì)算機(jī)和氣路通道等組成。氣壓標(biāo)準(zhǔn)器采用GRZ100數(shù)字壓力計(jì)，該壓力計(jì)是高精度和高穩(wěn)定性的精密儀器。在使用過程中嚴(yán)禁測(cè)量超過數(shù)字壓力計(jì)自身量程的氣壓，否則會(huì)造成永久性的硬件損壞。氣壓自動(dòng)控制裝置的通信口為RS-232或RS-485輸出。氣壓自動(dòng)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(shí)顯示壓力艙內(nèi)的實(shí)際氣壓值。

密封壓力艙是專門為氣壓傳感器的測(cè)試而設(shè)計(jì)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(cè)裝置由溫度控制器、液體循環(huán)泵、液體加熱器、液位報(bào)警開關(guān)、制冷壓縮機(jī)、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(biāo)如表1所示。

表1 壓力溫度聯(lián)合控制箱技術(shù)指標(biāo)

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(cè)槽分別由各自的開關(guān)獨(dú)立控制。使用溫度檢測(cè)槽時(shí)打開溫度檢測(cè)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(bào)警指示燈的情況，若液位報(bào)警指示燈鳴叫報(bào)警，則需要補(bǔ)充液體溫度槽內(nèi)的液體，直到報(bào)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(diǎn)，確認(rèn)后溫度控制器開始工作。在達(dá)到設(shè)定的溫度點(diǎn)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(shí)首先將氣壓傳感器放入密封壓力艙內(nèi)，并將艙內(nèi)各個(gè)通信導(dǎo)線的端口與對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量范圍的高端和低端分別查驗(yàn)漏氣率，漏氣率應(yīng)不大于0.03 hPa/min。漏氣率合格后再測(cè)量氣壓傳感器，在設(shè)定的氣壓點(diǎn)上分別讀取標(biāo)準(zhǔn)器和被測(cè)傳感器的示值。至少應(yīng)有1次正反行程的氣壓測(cè)量。

2 溫度對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該傳感器采用BAROCAP硅電容式絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量大氣壓力。BAROCAP傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍廣、無遲滯和可重復(fù)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(jí)RC振蕩電路以及依賴于電容壓力和電容溫度補(bǔ)償?shù)?個(gè)參考電容進(jìn)行持續(xù)測(cè)量。

氣壓傳感器內(nèi)部的微處理器(CPU)執(zhí)行壓力和溫度補(bǔ)償，而傳感器內(nèi)的阻容振蕩電路保持阻抗穩(wěn)定，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)不受環(huán)境溫度和濕度的影響，并且保持較高的測(cè)量速度和分辨力。

2.1 溫度影響傳感器的實(shí)驗(yàn)

為方便實(shí)驗(yàn)，文章將4臺(tái)出廠編號(hào)為12.0984、12.1269、1309.0585和13.0113的傳感器編號(hào)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(shí)的環(huán)境溫度，選取-30 ℃、0 ℃、+30 ℃和+60 ℃共4個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)?？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(gè)氣壓測(cè)試點(diǎn)。按照氣壓傳感器檢定規(guī)程規(guī)定的檢定方法反復(fù)做了大量的正反行程和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，在每一個(gè)檢定點(diǎn)上#1、#2、#3和#4傳感器均表現(xiàn)出很好的無遲滯和可重復(fù)性。在4個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)上控制壓力艙內(nèi)氣壓從500～1100 hPa，氣壓標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)和高壓點(diǎn)的平均誤差

當(dāng)溫度從-30 ℃升高至+60 ℃，氣壓分別從500 hPa升高至1100 hPa時(shí)，#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。可見隨著溫度的上升，#1和#3傳感器的平均誤差從負(fù)值變?yōu)檎担?2和#4傳感器的誤差增大。4臺(tái)傳感器各自平均誤差改變的大小也不同。

2.2.2 低壓點(diǎn)和高壓點(diǎn)誤差影響的分析

對(duì)于#1傳感器，當(dāng)溫度從-30 ℃上升到+60 ℃時(shí)，在500 hPa測(cè)試點(diǎn)，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(cè)試點(diǎn)，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(duì)于#2傳感器，當(dāng)溫度從-30 ℃上升到+60 ℃時(shí)，在500 hPa測(cè)試點(diǎn)，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(cè)試點(diǎn)，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(duì)于#3傳感器，當(dāng)溫度從-30 ℃到+60 ℃時(shí)，在500 hPa測(cè)試點(diǎn)，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(cè)試點(diǎn)，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(duì)于#4傳感器，當(dāng)溫度從-30 ℃到+60 ℃時(shí)，在500 hPa測(cè)試點(diǎn)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(cè)試點(diǎn)，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(cè)試點(diǎn)，#1、#2、#3傳感器的示值誤差的變化較大；而在1100 hPa測(cè)試點(diǎn)，#1、#2、#3傳感器的示值誤差的變化相對(duì)較小。#4傳感器在低壓點(diǎn)和高壓點(diǎn)的誤差變化值的大小一致，但是誤差變化值的正負(fù)值是相反的。

3 結(jié)束語

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