PTB220型氣壓傳感器的數據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型氣壓傳感器的數據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)公司生產的氣壓傳感器。該傳感器屬于完全補償式數字氣壓傳感器。廣泛應用于氣象業務，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，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、溫度系數小，溫度系數最大為±0.10hPa/℃；年漂移<±0.1hPa/year。傳感器自身不發熱，具有優異的耐溫變和長期穩定性。

(2)微電子加工技術。

(3)容性壓力傳感器結構具有動態范圍寬、內置過壓鎖定開關(過壓保護)和無需預熱的性能。

⑷用戶可根據需求進行多種使用設置，如串行總線、輸出模式、顯示格式、壓力單位、氣壓修正值調整等。

1.2 主要技術指標

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的測量。當環境壓力變化時，硅薄膜彎曲使傳感器真空室高度發生變化，導致傳感器電容值發生變化，通過測量轉換，可以得到壓力值。PTB220系列數字式氣壓表包含1個CPU主板和氣壓傳感器。在連續進行壓力測量的同時也連續測量空氣溫度，同時，微處理器自動進行壓力線性補償和溫度補償，經過線性補償和溫度修正后獲得精確的氣壓數據。而傳感器阻容振蕩電路保持阻抗穩定，在相當長時期不受環境溫度和濕度的影響，并且保持較高的測量速度和分辨率。在全量程范圍內有7個溫度點，每個溫度點有6個全量程壓力調整點。

PTB220屬智能型傳感器，內有微處理器，通過RS232串行通信接口測量的氣壓數據傳送給采集設備。由于其性能優良，目前廣泛應用于我國氣象業務中作氣壓數據的采集。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據采集的典型電路。

圖2中MC1488模塊將傳給氣壓傳感器的TTL電平信號轉換為RS-232電平信號，并發送出去。MC1489將傳感器發來的RS-232電平信號轉換成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據變為并行數據送給CPU，另一方面又將CPU發出的并行命令數據變為串行數據發給氣壓傳感器。

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的電源開關，預熱10min后，檢查系統氣密性，一般選擇檢定系統調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，將系統壓力設定為檢定系統下限壓力點，當系統內壓力達到設定壓力并開始穩定時，測試系統的氣密性。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次數據，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，應對系統進行查漏檢查。只有當氣密性符合技術指標要求時，才能進行示值檢定。

2.4 檢定方法

檢定時調壓順序依次為：500、600、700、800、900、950、1000、1050、1000、950、900、800、700、600、500hPa，檢定時當壓力點調好后穩定2分鐘后才能開始，檢定開始和結束時分別讀取當時的環境溫度和空氣濕度值，用兩次讀取的環境溫度和空氣濕度值的平均值，作為檢定時的環境條件。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 數據處理

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，在全量程范圍內各壓力點上正、反行程測量誤差的平均值。

全量程范圍內各壓力點上的測量誤差，均不超過自動氣象站規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整。

經過調整（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、數據處理、檢定結果以及判定原則同前。

3.結束語

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、準確的檢定則是關系到所采集到的氣壓數據是否準確的根本，兩者不可缺少。

[1]中國氣象局綜合觀測司.氣象裝備技術保障手冊[S].

[2]黨選發,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保障中心工程師。