李昕娣

（廣東省氣象數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

大氣壓力是氣象環(huán)境監(jiān)測中的重要元素，對氣壓的測量通常使用硅電容絕對壓力傳感器，通過高級(jí)RC震蕩器和基準(zhǔn)電容器持續(xù)測量電容性壓力。氣壓傳感器在實(shí)驗(yàn)室檢定過程中，依據(jù)《數(shù)字式氣壓計(jì)檢定規(guī)程》（JJG1084－2013）的規(guī)定［1］，檢定時(shí)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器壓力參考位置與被檢氣壓計(jì)壓力參考位置不在同一水平面上時(shí)，由參考位置高度差引起的示值誤差應(yīng)不超過被檢氣壓計(jì)最大允許誤差的1／10；否則應(yīng)對氣壓計(jì)示值誤差進(jìn)行修正。

在數(shù)字氣壓計(jì)針對高度差修正的研究中，姜明波等［2］從采樣高度差修正的基本原理出發(fā)，給出常用傳導(dǎo)氣體的密度計(jì)算公式，分析了傳導(dǎo)氣體組份、溫度和壓力等不同條件對采樣高度差修正值的影響；侯維鋒等［3］對高空探測處理程序中瞬間氣壓未做高度差訂正的情況進(jìn)行了誤差分析；王愛華等［4］利用VB語言開發(fā)數(shù)字氣壓計(jì)檢定過程中因高度差產(chǎn)生的氣壓偏差的計(jì)算軟件［4］。以上研究均基于軟件訂正，本研究在此基礎(chǔ)上關(guān)注高度差修正的必要性及在高度修正前后氣壓傳感器的示值誤差變化。

1 高度修正方法

廣東省氣象計(jì)量檢定所目前使用的氣壓傳感器檢定系統(tǒng)為LSPMS－05氣壓檢定系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)器為745型數(shù)字壓力計(jì)，控制器為LPC6000型自動(dòng)壓力校驗(yàn)儀，該系統(tǒng)用于對PTB系列氣壓傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定，系統(tǒng)裝置柜設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)器與被檢傳感器壓力位置不在同一水平面，高度相距0.9 m，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)器與被檢氣壓計(jì)壓力參考位置關(guān)系

根據(jù)《數(shù)字式氣壓計(jì)檢定規(guī)程》（JJG1084－2013）的規(guī)定，氣壓計(jì)由高度差引起的示值誤差修正值按式（1）計(jì)算：

其中，δph為氣壓計(jì)第i個(gè)檢定點(diǎn)由高度差引起的示值誤差修正值（hPa）；ρ為氣體介質(zhì)密度（kg／m3）；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋╩／s2）；Δh為標(biāo)準(zhǔn)器與被檢氣壓計(jì)高度差（m）。

工作介質(zhì)密度ρ按式（2）計(jì)算：

其中，M為空氣的相對分子質(zhì)量為29，氮?dú)獾南鄬Ψ肿淤|(zhì)量為28；R為氣體常數(shù)，R＝8.314 J／（mol·K）；T為氣體熱力學(xué)溫度（K）；p為標(biāo)準(zhǔn)壓力值（hPa）。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器的壓力參考位置高于被檢氣壓計(jì)的壓力參考位置時(shí)，Δh為正值；反之，Δh為負(fù)值。被檢氣壓計(jì)的壓力值按式（3）計(jì)算：

其中，p2為被檢氣壓計(jì)壓力值（hPa）；p1為標(biāo)準(zhǔn)器壓力值（hPa）。

2 高度差修正值

依據(jù)《數(shù)字式氣壓計(jì)檢定規(guī)程》（JJG1084－2013）中規(guī)定的檢定點(diǎn)，根據(jù)式（1）－（3）計(jì)算得到氣壓計(jì)在1 100、1 000、950、900、800、700、600和550 hPa檢定點(diǎn)［5－6］的高度差修正值分別為0.1、0.09、0.08、0.08、0.07、0.06、0.05、0.05 hPa。

3 氣壓傳感器高度修正前后對比測試

在氣壓檢定業(yè)務(wù)中選取100只全新PTB330型氣壓傳感器，示值誤差的檢定按圖2進(jìn)行連接。

圖2 氣壓傳感器示值誤差檢定氣路連接示意圖

按照1 100、1 000、950、900、800、700、600、550 hPa等8個(gè)檢定點(diǎn)從高到低，再從低到高做一次循環(huán)過程。在各檢定點(diǎn)上，壓力穩(wěn)定后分別讀取并記錄標(biāo)準(zhǔn)器和被檢氣壓計(jì)示值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)器、氣壓計(jì)各檢定點(diǎn)示值平均值，并用被檢氣壓計(jì)示值與標(biāo)準(zhǔn)器的示值之差得出每個(gè)檢定點(diǎn)的示值誤差［7－10］。

本次對比測試的3組數(shù)據(jù)分別來自LSPMS－05系統(tǒng)未進(jìn)行高度修正、高度修正后以及將745標(biāo)準(zhǔn)器、LPC6000控制器與被檢傳感器放置在同水平高度測試所得。測試數(shù)據(jù)采用縱向比較和橫向比較兩種方法［11－12］，縱向比較即對不同傳感器在同一個(gè)檢定點(diǎn)上的誤差值進(jìn)行比較，橫向比較即對同一只傳感器在整個(gè)檢定流程中的誤差值進(jìn)行比較。

4 高度差修正前后測試結(jié)果分析

4.1 高度差修正前后測試數(shù)據(jù)縱向比較

將100只氣壓傳感器的示值誤差依照1 100、1 000、950、900、800、700、600、550 hPa等檢定點(diǎn)進(jìn)行對比。

通過高度修正前、高度修正后及同水平高度示值誤差的對比（圖3）可以看出，進(jìn)行高度修正使傳感器的示值誤差與同水平高度檢測的示值誤差更接近。

圖3 不同檢定點(diǎn)時(shí)被檢傳感器的示值誤差

4.2 高度差修正前后測試數(shù)據(jù)橫向比較

對同一只傳感器按照高度差修正前、高度差修正后和同水平高度3種測試方法得到的示值誤差進(jìn)行對比。

通過計(jì)算每個(gè)檢定點(diǎn)的平均誤差［13－14］，得到高度修正前、高度修正后及同水平高度測試3種狀態(tài)的平均誤差（表1）。

表1 各檢定點(diǎn)的示值誤差平均值hPa

5 結(jié)論

通過對100只PTB330型氣壓傳感器的檢定，得到高度修正前、后及同水平高度條件下示值誤差的平均值，分析得出以下結(jié)論：

1）高度差修正前、后的檢定誤差平均值與同水平高度測得的檢定誤差平均值的相關(guān)系數(shù)分別為0.916和0.998，說明高度差修正后的數(shù)據(jù)與同水平高度檢定的數(shù)據(jù)高度相關(guān)。

2）高度差修正前從1 100到550 hPa由高到低的檢定點(diǎn)示值誤差呈現(xiàn)從大到小的變化趨勢，示值誤差平均值離散度為0.022；高度差修正后示值誤差平均值離散度為0.007；同水平高度檢定示值誤差平均值離散度為0.006；說明高度修正后檢定數(shù)據(jù)誤差離散程度降低、示值誤差波動(dòng)情況小。

3）在氣壓傳感器校準(zhǔn)過程中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器與被檢設(shè)備不在同水平高度時(shí)，引入高度差修正可有效提高氣壓檢定系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的精確度，增加氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證氣壓檢定工作的有效性。