环境温度对气压传感器测量误差的影响分析

刘洪涛，蒲晓勇，王延东

（湖北省气象信息与技术保障中心，武汉 430074）

“十三五”时期，我国加快完善了综合气象观测系统，地面自动观测站网的建设取得了历史性的进步。 截止目前，我国已有六万余个自动气象站在网运行，综合气象观测水平已处于世界前列。 自动气象站实时监测风速、温度、湿度、气压、草温及地温等气象要素的数据变化，为精准预报、精细服务提供了坚实有力的支撑。 目前，国内的自动气象站广泛采用芬兰VAISALA 公司的气压传感器对气压进行测量，常用的型号有PTB220、PTB210 和PTB330[1]。

为了保证气压观测资料的准确，每年需对国家级自动气象站的气压传感器进行检定。 根据检定结果，判断气压传感器合格与否，能否继续使用。 检定气压传感器依照的是中国气象局颁布的检定规程《JJG（气象）001-2015 自动气象站气压传感器》。 根据该检定规程，检定时的环境温度必须满足（20±2）℃， 气压检定点为500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa， 各检定点的测量结果的最大允许误差为±0.3 hPa[2]。

气压传感器一般安装在自动气象站的箱体中，自动气象站普遍安装野外。 我国幅员辽阔，地理条件相差巨大，不同季节的环境温度变化也很大。 关于环境温度对自动气象站各类传感器的影响，国内有学者做了一些研究[3-5]。 在不符合气压传感器检定规程要求的环境温度的情况下，气压传感器是否仍然保持原有的计量特性， 也是一个值得关注的课题。文献[6]研究了在气温分别为22 ℃和32 ℃时，气压传感器的测量误差的变化。 文献[7]设计了在0 ℃～40 ℃条件下PTB330 型气压传感器的温湿度性能测试的实验。 文献[8]分析了在西藏地区高海拔低气温情况下气压传感器的误差变化。 鉴于气压是地面气象观测中的基本项目之一，气压观测资料对天气预报、气候变化分析都有着重要意义，因此，进一步深入研究环境温度对气压传感器测量误差的影响，对提高气压传感器的测量精度具有重要意义。

1 实验仪器及设备

在实验室搭建起实验环境，模拟不同的环境温度，表1 为实验所需要的的设备和仪器。

表1 实验设备和仪器Tab.1 Experimental equipment and instruments

2 实验方法和数据处理

2.1 实验前准备

实验选取20 只自动气象站中最常使用的PTB220 型气压传感器。选取测试的温度点为-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，以10 ℃的温度等间隔递增变化，可以模拟在不同季节和不同地域所处的环境温度。在每个温度点上选择500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 这7 个气压点，分别测量气压传感器的示值误差。

2.2 实验方法

将数字温度计的探头、精密露点仪的进气管通过恒温恒湿箱的橡胶塞放入到恒温恒湿箱体中。 1只气压传感器放置在恒温恒湿箱中，气压传感器、压力控制器、气压标准器通过三通软管连接。 气压传感器与压力控制器通过RS232 通信电缆连接。 压力控制器设置与PTB220 匹配的通讯参数（波特率2400，校验位N，数据位8，停止位1），可直接读取气压传感器的示值。 气压标准值通过气压标准器读取。实验硬件布设如图1 所示。

图1 实验硬件布设图Fig.1 Experimental hardware layout

气压传感器和气压标准器放在同一水平面上，可以忽略高度差对测量误差的影响。 为了避免环境温度对气压标准器的影响而产生附加误差[9-10]，实验室的温度始终控制在（20±2）℃。 数字温度计实时采集恒温恒湿箱内的温度值，恒温恒湿箱的湿度恒定设置在50%RH，温度分别设置为-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃。

先将恒温恒湿箱设置温度为50 ℃，为了充分说明温度对测量误差的影响，待恒温恒湿箱的温度稳定在设定值2 h 后再进行气压测量，使气压传感器的温度与恒温恒湿箱内的温度保持一致。 压力控制器设置为500 hPa，待压力稳定5 min 后，读取气压标准器的示值和气压传感器的示值。 再将压力控制器设置为600 hPa， 压力稳定后分别读取气压标准器的示值和气压传感器的示值，以此类推，分别读取700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa、1100 hPa 时的气压标准器的示值和气压传感器的示值。 再从1100 hPa 开始降压，直至500 hPa，逐点进行示值误差的测量，从而完成一个压力循环的测量。 实验中一共完成2 个压力循环的测量。

再将恒温恒湿箱的温度设置为40 ℃，待温度稳定2 h 后分别测量500 hPa～1100 hPa 下气压传感器的测量误差，直到完成测量30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃时各气压点的测量误差。

2.3 数据处理

气压传感器各测量点的测量误差按式（1）进行计算[11]：

式中：Δpi′为气压传感器第i 个测量点的测量误差；pi′为气压传感器第i 个测量点的示值；pi为气压标准器第i 个测量点的示值；ci为气压标准器第i 个测量点的示值修正值；δpHi为气压传感器第i 个测量点由高度差引起的示值误差修正值。 pi′和pi均取2 次压力循环4 次测量的平均值。 由于气压传感器和气压标准器放置在同一水平面上，可以忽略高度差对测量误差的影响，此时δpHi=0。

表2～表5 分别列出了实验中4 只气压传感器在10 个不同的温度点上的测量误差。

表2 气压传感器Y1870092 在不同温度时的测量误差Tab.2 Measurement error of air pressure sensor Y1870092 at different temperatures

表3 气压传感器E4530031 在不同温度时的测量误差Tab.3 Measurement error of air pressure sensor E4530031 at different temperatures

表4 气压传感器Y5150029 在不同温度时的测量误差Tab.4 Measurement error of air pressure sensor Y5150029 at different temperatures

表5 气压传感器D3650091 在不同温度时的测量误差Tab.5 Measurement error of air pressure sensor D3650091 at different temperatures

2.4 数据分析

根据表2～表5 的测量数据，以温度为横坐标，测量误差为纵坐标，绘制出气压传感器的测量误差随着温度变化的曲线，分析温度对气压传感器测量误差的影响。

图2 气压传感器Y1870092 测量误差随温度变化的曲线图Fig.2 Curve of measurement error of air pressure sensor Y1870092 with temperature

分析4 只气压传感器的测量误差随温度变化的曲线图，可以总结出以下规律：

（1）各气压传感器的测量误差随着环境温度的变化而变化。

（2）当环境温度在-40 ℃～+20 ℃变化时，3 只气压传感器的测量误差呈上升的趋势，1 只气压传感器的测量误差呈下降的趋势；当环境温度在+20 ℃～+50 ℃变化时，3 只气压传感器的测量误差呈下降的趋势，1 只气压传感器的测量误差呈上升的趋势，在+20 ℃时是一个拐点， 这是气压传感器的固有特性导致的。

图3 气压传感器E4530031 测量误差随温度变化的曲线图Fig.3 Curve of measurement error of air pressure sensor E4530031 with temperature

图4 气压传感器Y5150029 测量误差随温度变化的曲线图Fig.4 Curve of measurement error of air pressure sensor Y5150029 with temperature

图5 气压传感器D3650091 测量误差随温度变化的曲线图Fig.5 Curve of measurement error of air pressure sensor D3650091 with temperature

（3）当环境温度从-40 ℃增加到+20 ℃时，各气压传感器的测量误差与温度基本呈线性关系。 当环境温度从+20 ℃增加到+50 ℃时，各气压传感器的测量误差与温度也基本呈线性关系。

（4）以+20 ℃时的测量误差为基准，当环境温度越低时，气压传感器的测量误差的变化越大；在-40 ℃时的变化量最大，变化量的绝对值，最大可达到0.34 hPa，最小为0.03 hPa。

（5）以+20 ℃时的测量误差为基准，当环境温度越高时，气压传感器的测量误差的变化亦随之变大。在+50 ℃时变化量最大， 变化量的绝对值最大可达到0.17 hPa，最小为0.01 hPa。

可以用温度系数来表示温度对气压传感器测量误差的影响[12]。 温度系数定义为气压传感器高温点和低温点条件下各测试点的测量误差的漂移量对温度变化的比率，用式（2）进行计算：

式中：ΔP1为在高温点气压传感器的测量误差，hPa；ΔP2为在低温点气压传感器的测量误差，hPa；t1为高温点的温度值，℃；t2为低温点的温度值，℃。

表6 是在不同气压条件下，各个传感器的温度系数的计算值。

表6 各气压传感器在不同气压点时的温度系数Tab.6 Temperature coefficient of each air pressure sensor at different air pressure points Pa/℃

从表6 中的数据可以分析出，在高气压情况下（1000 hPa、1100 hPa），气压传感器的温度系数的绝对值最小，低气压情况下（500 hPa），气压传感器的温度系数的绝对值最大，说明高气压情况下，气压传感器的测量误差受温度变化的影响较小，低气压情况下，气压传感器的测量误差受温度变化的影响相对较大。

3 结语

VAISALA 公司的PTB220 型气压传感器采用了硅电容绝对压力传感器作为感应元件，当环境大气压力发生变化时，硅薄膜弯曲使传感器真空室的高度发生变化，从而导致硅膜盒平行板电容器的电容发生变化，根据电容值的变化量进行环境大气压力的测量[13]。PTB220 型气压传感器内置有温度补偿传感器，能对环境温度进行连续测量并自动进行温度补偿[14-15]。

综合分析其余参加实验的气压传感器的实验数据，可以得出以下结论：

（1）尽管PTB220 气压传感器已作了温度补偿，但是温度对传感器的测量误差仍存在一定影响。

（2）气压传感器的测量误差会随着环境温度的变化而变化。

（3）越接近低温条件下，测量误差的变化也越大。

（4）常温条件下（10 ℃～30 ℃）时，温度变化导致的气压传感器测量误差的变化量不大，说明常温下温度对气压传感器测量误差的影响是有限的。

（5）高气压情况下，气压传感器的测量误差受温度变化的影响较小；低气压情况下，气压传感器的测量误差受温度变化的影响相对较大。

（6）在极端低温和高温条件下，气压传感器存在计量超差的风险。