PTB220型气压传感器的数据采集原理与检定方法
2013-07-12汉中市气象局张继光鲁物婷蒋海安王小波
汉中市气象局 张继光 鲁物婷 蒋海安 王小波
PTB220型气压传感器的数据采集原理与检定方法
汉中市气象局 张继光 鲁物婷 蒋海安 王小波
PTB220型气压传感器是芬兰维萨拉(VAISALA)公司生产的气压传感器。该传感器属于完全补偿式数字气压传感器。广泛应用于气象业务，用来测试大气压力。本文就该传感器的工作原理和校准方法作一介绍，供参考。
PTB220；原理；检定
1.工作原理
1.1 PTB220型气压传感器特点
PTB220是完全补偿式数字气压表，具有较宽的工作温度和测量范围。感应元件采用了VAISALA公司研制的硅电容压力传感器BAROCAP，BAROCAP压力传感器具有两项突出技术，即单晶硅材料的使用和容性测量原理。该传感器具有以下优点：
(1)单晶硅具有弹性好、低迟滞、重复性好，迟滞和重复性可达±0.02hPa、温度系数小，温度系数最大为±0.10hPa/℃；年漂移<±0.1hPa/year。传感器自身不发热，具有优异的耐温变和长期稳定性。
(2)微电子加工技术。
(3)容性压力传感器结构具有动态范围宽、内置过压锁定开关(过压保护)和无需预热的性能。
⑷用户可根据需求进行多种使用设置，如串行总线、输出模式、显示格式、压力单位、气压修正值调整等。
1.2 主要技术指标
测量范围：500～1100hPa；分辨力：0.1hPa；准确度：±0.25hPa；最大允许误差：±0.3hPa(气压在800～1050hPa之间、温度在+5～+55℃之间)；响应时间：300ms；工作温度：-40～+60℃；存储温度：-60～+60℃；供电电压：10～30VDC；输出：RS232C串行输出、TTL电平输出、模拟（电压、电流）输出、脉冲输出。
1.3 工作原理
BAROCAP传感器内部由上薄下厚两层单晶硅组成，两层硅晶的硅膈膜中间包含有真空层、镀金薄膜和玻璃纤维，硅电容的值随气压的变化而改变。PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路和三个参考电容进行持续的测量。当环境压力变化时，硅薄膜弯曲使传感器真空室高度发生变化，导致传感器电容值发生变化，通过测量转换，可以得到压力值。PTB220系列数字式气压表包含1个CPU主板和气压传感器。在连续进行压力测量的同时也连续测量空气温度，同时，微处理器自动进行压力线性补偿和温度补偿，经过线性补偿和温度修正后获得精确的气压数据。而传感器阻容振荡电路保持阻抗稳定，在相当长时期不受环境温度和湿度的影响，并且保持较高的测量速度和分辨率。在全量程范围内有7个温度点，每个温度点有6个全量程压力调整点。
PTB220属智能型传感器，内有微处理器，通过RS232串行通信接口测量的气压数据传送给采集设备。由于其性能优良，目前广泛应用于我国气象业务中作气压数据的采集。图1就是PTB220型传感器运用于我国多种型号自动气象站作气压数据采集的典型电路。
图2中MC1488模块将传给气压传感器的TTL电平信号转换为RS-232电平信号，并发送出去。MC1489将传感器发来的RS-232电平信号转换成TTL电平信号送给可编程通信电路。
由于CPU只提供一个串行通信口（已用于本地通信），采集器扩展了一片通讯接口芯片8251。它一方面将气压传感器输出的串行数据变为并行数据送给CPU，另一方面又将CPU发出的并行命令数据变为串行数据发给气压传感器。
2.气压传感器的检定
2.1 外观检查
按通用要求进行外观检查。对于使用过的气压传感器，重点检查压力接嘴是否有杂物堵塞，若有杂物堵塞应清除干净。
2.2 检定压力点选择
检定时的压力点为500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、950hPa、1000hPa、1050hPa。也可根据本省实际测量范围来确定，但测量范围的上下限，必须涵盖本省全部台站中最高和最低压力点，压力间隔不能大于100hPa。
2.3 检定前的准备
首先进行气密性检查。将被检气压传感器压力接嘴，连接至气压传感器检定工作台的压力输出接嘴上，应确保压力接嘴密封和牢靠，打开气压传感器检定系统的电源开关，预热10min后，检查系统气密性，一般选择检定系统调压范围的上限和下限压力点上，进行气密性检查。
图1 气压信号输入和变换电路方框图
图2 气压信号输入和变换电路原理图
气密性检查方法，将系统压力设定为检定系统下限压力点，当系统内压力达到设定压力并开始稳定时，测试系统的气密性。测试可以直接记录气压标准器的示值和时间，每隔1分钟记录1次，总共记录11次数据，用第11次的气压示值减去开始时的气压示值，得出的差值为每10分钟的气密性，当气密性大于0.3hPa/10min时，应对系统进行查漏检查。只有当气密性符合技术指标要求时，才能进行示值检定。
2.4 检定方法
检定时调压顺序依次为：500、600、700、800、900、950、1000、1050、1000、950、900、800、700、600、500hPa，检定时当压力点调好后稳定2分钟后才能开始，检定开始和结束时分别读取当时的环境温度和空气湿度值，用两次读取的环境温度和空气湿度值的平均值，作为检定时的环境条件。检定时同时采集被检气压传感器的示值和气压标准器的示值。
2.5 数据处理
用式(1)和式(2)分别计算出气压传感器在正反行程时，各压力点上的测量误差(如果气压传感器输出值是电压、电流或频率值，要换算成大气压力值)。
式中：△Pli—正行程各压力点的测量误差(hPa)
△PDi—反行程各压力点的测量误差(hPa)
Pli—正行程各压力点的测量值(hPa)
PDi—反行程各压力点的测量值(hPa)；
PIis—正行程各压力点标准器的测量值(hPa)；
PDis—反行程各压力点标准器的测量值(hPa)。
用式(3)计算出被检气压传感器，在全量程范围内各压力点上正、反行程测量误差的平均值。
全量程范围内各压力点上的测量误差，均不超过自动气象站规定的测量准确度指标视为合格。对于不合格的气压传感器，应进行单点或多点调整。
经过调整（单点或多点）后的气压传感器，应重新进行全程检定。压力点的选择、检定方法、数据处理、检定结果以及判定原则同前。
3.结束语
全面了解PTB220型气压传感器的工作原理是维护维修工作中的基本。而严格、准确的检定则是关系到所采集到的气压数据是否准确的根本，两者不可缺少。
[1]中国气象局综合观测司.气象装备技术保障手册[S].
[2]党选发,李晓峰.PTB220气压传感器在测量大气压力中的应用[J].中国计量,2008,03.
[3]胡帆,陈正一.PTB220系列数字式气压表的原理与应用[J].气象水文海洋仪器,2008,02.
张继光，陕西省汉中市气象局技术保障中心工程师。
