環境溫度對氣壓傳感器測量誤差的影響分析

劉洪濤，蒲曉勇，王延東

（湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢 430074）

“十三五”時期，我國加快完善了綜合氣象觀測系統，地面自動觀測站網的建設取得了歷史性的進步。 截止目前，我國已有六萬余個自動氣象站在網運行，綜合氣象觀測水平已處于世界前列。 自動氣象站實時監測風速、溫度、濕度、氣壓、草溫及地溫等氣象要素的數據變化，為精準預報、精細服務提供了堅實有力的支撐。 目前，國內的自動氣象站廣泛采用芬蘭VAISALA 公司的氣壓傳感器對氣壓進行測量，常用的型號有PTB220、PTB210 和PTB330[1]。

為了保證氣壓觀測資料的準確，每年需對國家級自動氣象站的氣壓傳感器進行檢定。 根據檢定結果，判斷氣壓傳感器合格與否，能否繼續使用。 檢定氣壓傳感器依照的是中國氣象局頒布的檢定規程《JJG（氣象）001-2015 自動氣象站氣壓傳感器》。 根據該檢定規程，檢定時的環境溫度必須滿足（20±2）℃， 氣壓檢定點為500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa， 各檢定點的測量結果的最大允許誤差為±0.3 hPa[2]。

氣壓傳感器一般安裝在自動氣象站的箱體中，自動氣象站普遍安裝野外。 我國幅員遼闊，地理條件相差巨大，不同季節的環境溫度變化也很大。 關于環境溫度對自動氣象站各類傳感器的影響，國內有學者做了一些研究[3-5]。 在不符合氣壓傳感器檢定規程要求的環境溫度的情況下，氣壓傳感器是否仍然保持原有的計量特性， 也是一個值得關注的課題。文獻[6]研究了在氣溫分別為22 ℃和32 ℃時，氣壓傳感器的測量誤差的變化。 文獻[7]設計了在0 ℃～40 ℃條件下PTB330 型氣壓傳感器的溫濕度性能測試的實驗。 文獻[8]分析了在西藏地區高海拔低氣溫情況下氣壓傳感器的誤差變化。 鑒于氣壓是地面氣象觀測中的基本項目之一，氣壓觀測資料對天氣預報、氣候變化分析都有著重要意義，因此，進一步深入研究環境溫度對氣壓傳感器測量誤差的影響，對提高氣壓傳感器的測量精度具有重要意義。

1 實驗儀器及設備

在實驗室搭建起實驗環境，模擬不同的環境溫度，表1 為實驗所需要的的設備和儀器。

表1 實驗設備和儀器Tab.1 Experimental equipment and instruments

2 實驗方法和數據處理

2.1 實驗前準備

實驗選取20 只自動氣象站中最常使用的PTB220 型氣壓傳感器。選取測試的溫度點為-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，以10 ℃的溫度等間隔遞增變化，可以模擬在不同季節和不同地域所處的環境溫度。在每個溫度點上選擇500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 這7 個氣壓點，分別測量氣壓傳感器的示值誤差。

2.2 實驗方法

將數字溫度計的探頭、精密露點儀的進氣管通過恒溫恒濕箱的橡膠塞放入到恒溫恒濕箱體中。 1只氣壓傳感器放置在恒溫恒濕箱中，氣壓傳感器、壓力控制器、氣壓標準器通過三通軟管連接。 氣壓傳感器與壓力控制器通過RS232 通信電纜連接。 壓力控制器設置與PTB220 匹配的通訊參數（波特率2400，校驗位N，數據位8，停止位1），可直接讀取氣壓傳感器的示值。 氣壓標準值通過氣壓標準器讀取。實驗硬件布設如圖1 所示。

圖1 實驗硬件布設圖Fig.1 Experimental hardware layout

氣壓傳感器和氣壓標準器放在同一水平面上，可以忽略高度差對測量誤差的影響。 為了避免環境溫度對氣壓標準器的影響而產生附加誤差[9-10]，實驗室的溫度始終控制在（20±2）℃。 數字溫度計實時采集恒溫恒濕箱內的溫度值，恒溫恒濕箱的濕度恒定設置在50%RH，溫度分別設置為-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃。

先將恒溫恒濕箱設置溫度為50 ℃，為了充分說明溫度對測量誤差的影響，待恒溫恒濕箱的溫度穩定在設定值2 h 后再進行氣壓測量，使氣壓傳感器的溫度與恒溫恒濕箱內的溫度保持一致。 壓力控制器設置為500 hPa，待壓力穩定5 min 后，讀取氣壓標準器的示值和氣壓傳感器的示值。 再將壓力控制器設置為600 hPa， 壓力穩定后分別讀取氣壓標準器的示值和氣壓傳感器的示值，以此類推，分別讀取700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 時的氣壓標準器的示值和氣壓傳感器的示值。 再從1100 hPa 開始降壓，直至500 hPa，逐點進行示值誤差的測量，從而完成一個壓力循環的測量。 實驗中一共完成2 個壓力循環的測量。

再將恒溫恒濕箱的溫度設置為40 ℃，待溫度穩定2 h 后分別測量500 hPa～1100 hPa 下氣壓傳感器的測量誤差，直到完成測量30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃時各氣壓點的測量誤差。

2.3 數據處理

氣壓傳感器各測量點的測量誤差按式（1）進行計算[11]：

式中：Δpi′為氣壓傳感器第i 個測量點的測量誤差；pi′為氣壓傳感器第i 個測量點的示值；pi為氣壓標準器第i 個測量點的示值；ci為氣壓標準器第i 個測量點的示值修正值；δpHi為氣壓傳感器第i 個測量點由高度差引起的示值誤差修正值。 pi′和pi均取2 次壓力循環4 次測量的平均值。 由于氣壓傳感器和氣壓標準器放置在同一水平面上，可以忽略高度差對測量誤差的影響，此時δpHi=0。

表2～表5 分別列出了實驗中4 只氣壓傳感器在10 個不同的溫度點上的測量誤差。

表2 氣壓傳感器Y1870092 在不同溫度時的測量誤差Tab.2 Measurement error of air pressure sensor Y1870092 at different temperatures

表3 氣壓傳感器E4530031 在不同溫度時的測量誤差Tab.3 Measurement error of air pressure sensor E4530031 at different temperatures

表4 氣壓傳感器Y5150029 在不同溫度時的測量誤差Tab.4 Measurement error of air pressure sensor Y5150029 at different temperatures

表5 氣壓傳感器D3650091 在不同溫度時的測量誤差Tab.5 Measurement error of air pressure sensor D3650091 at different temperatures

2.4 數據分析

根據表2～表5 的測量數據，以溫度為橫坐標，測量誤差為縱坐標，繪制出氣壓傳感器的測量誤差隨著溫度變化的曲線，分析溫度對氣壓傳感器測量誤差的影響。

圖2 氣壓傳感器Y1870092 測量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.2 Curve of measurement error of air pressure sensor Y1870092 with temperature

分析4 只氣壓傳感器的測量誤差隨溫度變化的曲線圖，可以總結出以下規律：

（1）各氣壓傳感器的測量誤差隨著環境溫度的變化而變化。

（2）當環境溫度在-40 ℃～+20 ℃變化時，3 只氣壓傳感器的測量誤差呈上升的趨勢，1 只氣壓傳感器的測量誤差呈下降的趨勢；當環境溫度在+20 ℃～+50 ℃變化時，3 只氣壓傳感器的測量誤差呈下降的趨勢，1 只氣壓傳感器的測量誤差呈上升的趨勢，在+20 ℃時是一個拐點， 這是氣壓傳感器的固有特性導致的。

圖3 氣壓傳感器E4530031 測量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.3 Curve of measurement error of air pressure sensor E4530031 with temperature

圖4 氣壓傳感器Y5150029 測量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.4 Curve of measurement error of air pressure sensor Y5150029 with temperature

圖5 氣壓傳感器D3650091 測量誤差隨溫度變化的曲線圖Fig.5 Curve of measurement error of air pressure sensor D3650091 with temperature

（3）當環境溫度從-40 ℃增加到+20 ℃時，各氣壓傳感器的測量誤差與溫度基本呈線性關系。 當環境溫度從+20 ℃增加到+50 ℃時，各氣壓傳感器的測量誤差與溫度也基本呈線性關系。

（4）以+20 ℃時的測量誤差為基準，當環境溫度越低時，氣壓傳感器的測量誤差的變化越大；在-40 ℃時的變化量最大，變化量的絕對值，最大可達到0.34 hPa，最小為0.03 hPa。

（5）以+20 ℃時的測量誤差為基準，當環境溫度越高時，氣壓傳感器的測量誤差的變化亦隨之變大。在+50 ℃時變化量最大， 變化量的絕對值最大可達到0.17 hPa，最小為0.01 hPa。

可以用溫度系數來表示溫度對氣壓傳感器測量誤差的影響[12]。 溫度系數定義為氣壓傳感器高溫點和低溫點條件下各測試點的測量誤差的漂移量對溫度變化的比率，用式（2）進行計算：

式中：ΔP1為在高溫點氣壓傳感器的測量誤差，hPa；ΔP2為在低溫點氣壓傳感器的測量誤差，hPa；t1為高溫點的溫度值，℃；t2為低溫點的溫度值，℃。

表6 是在不同氣壓條件下，各個傳感器的溫度系數的計算值。

表6 各氣壓傳感器在不同氣壓點時的溫度系數Tab.6 Temperature coefficient of each air pressure sensor at different air pressure points Pa/℃

從表6 中的數據可以分析出，在高氣壓情況下（1000 hPa、1100 hPa），氣壓傳感器的溫度系數的絕對值最小，低氣壓情況下（500 hPa），氣壓傳感器的溫度系數的絕對值最大，說明高氣壓情況下，氣壓傳感器的測量誤差受溫度變化的影響較小，低氣壓情況下，氣壓傳感器的測量誤差受溫度變化的影響相對較大。

3 結語

VAISALA 公司的PTB220 型氣壓傳感器采用了硅電容絕對壓力傳感器作為感應元件，當環境大氣壓力發生變化時，硅薄膜彎曲使傳感器真空室的高度發生變化，從而導致硅膜盒平行板電容器的電容發生變化，根據電容值的變化量進行環境大氣壓力的測量[13]。PTB220 型氣壓傳感器內置有溫度補償傳感器，能對環境溫度進行連續測量并自動進行溫度補償[14-15]。

綜合分析其余參加實驗的氣壓傳感器的實驗數據，可以得出以下結論：

（1）盡管PTB220 氣壓傳感器已作了溫度補償，但是溫度對傳感器的測量誤差仍存在一定影響。

（2）氣壓傳感器的測量誤差會隨著環境溫度的變化而變化。

（3）越接近低溫條件下，測量誤差的變化也越大。

（4）常溫條件下（10 ℃～30 ℃）時，溫度變化導致的氣壓傳感器測量誤差的變化量不大，說明常溫下溫度對氣壓傳感器測量誤差的影響是有限的。

（5）高氣壓情況下，氣壓傳感器的測量誤差受溫度變化的影響較小；低氣壓情況下，氣壓傳感器的測量誤差受溫度變化的影響相對較大。

（6）在極端低溫和高溫條件下，氣壓傳感器存在計量超差的風險。