氣壓傳感器檢定裝置對比研究

王毛翠，王 敏，陳 斌

(安徽省大氣探測技術保障中心，合肥 230031)

0 引言

近幾年為滿足氣象業(yè)務發(fā)展需求，在全國范圍內(nèi)組建了2400多個氣象臺站和3萬多個中尺度加密站[1]，形成了氣象要素自動觀測網(wǎng)。其中，實時氣壓是重點觀測要素之一。在組建的各類氣象臺站中，安徽省主要使用PTB220[2，3]和PTB210[4]氣壓傳感器作為氣壓測量設備。為了保證氣壓傳感器數(shù)據(jù)的準確性，使用中的氣壓傳感器應根據(jù)相應的檢定規(guī)程及時進行檢定。目前，安徽省氣象檢定部門配備的氣壓傳感器檢定裝置主要有QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置、氣壓自動檢定系統(tǒng)[5]和YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器。面對多種氣壓檢定裝置[6，7]，如何正確認識氣壓檢定裝置的工作特點、合理選擇檢定設備，對提高檢定質(zhì)量和工作效率具有重要意義，也是計量人員重點關心的問題。文章基于安徽省大氣探測技術保障中心現(xiàn)有的3種氣壓傳感器檢定裝置，從各設備的組成結構、工作原理出發(fā)，對比分析了不同檢定裝置的工作特點。最后，利用現(xiàn)有的3種檢定裝置對3臺PTB220氣壓傳感器進行檢定，在相同工作環(huán)境下，對比了對同一臺氣壓傳感器檢定結論和測量結果的差異，并分析了產(chǎn)生差異的原因。

1 檢定裝置系統(tǒng)結構及工作特點

1.1 系統(tǒng)結構及工作原理

1)QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置主要由工控機、YKQ-20壓力自動控制器、Model 745型氣壓標準器、空氣發(fā)生器、真空泵、正壓源、負壓源、壓力換向閥等部件組成，并與QYX-2氣壓儀器示值檢定箱配合使用，以實現(xiàn)對不同類型氣壓儀器的計量檢定。

2)氣壓自動檢定系統(tǒng)主要由觸摸屏、氣壓發(fā)生和控制器 CPC6000、氣壓基準表Model 745、Agilent 34401A萬用表、MS220混合信號接口、GS8 氣路接口、TS16串口服務器、AS800模擬開關、SP800智能電源和UPS等設備組成。

3)YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器由PTB接口、RS-232接口、LAN接口(網(wǎng)口)、USB接口、觸摸屏、電壓、電流采集口和PU管等設備組成。

3種氣壓檢定裝置的工作原理大致相同：3種檢定裝置表面層都由軟件程序進行控制，將設計的檢定步驟固化到程序里，再通過程序向自動控制器發(fā)送指令，控制相應的設備及真空泵所連接的閥門，對整個氣路進行加壓或減壓，最終實現(xiàn)氣壓儀器由高壓到低壓再到高壓的計量檢定。

1.2 工作特點

QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置、氣壓自動檢定系統(tǒng)和YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器3種氣壓傳感器檢定裝置的適用對象有所差別，適用環(huán)境也不同。QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置檢定對象可以是空盒氣壓表、空盒氣壓計和自動站氣壓傳感器，可以同時檢定6臺空盒氣壓表或2臺空盒氣壓計或4臺自動站氣壓傳感器；氣壓自動檢定系統(tǒng)檢定對象為自動氣象站氣壓傳感器，最多每次同時檢定8臺氣壓傳感器；YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器檢定對象為自動氣象站氣壓傳感器，每次只能檢定1臺氣壓傳感器。從使用環(huán)境來看，QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置和氣壓自動檢定系統(tǒng)的體積和重量比較大，不宜搬動，適用于實驗室內(nèi)部作業(yè)，不適合野外作業(yè)；YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器具有體積小、控制穩(wěn)定性好和控制速度及響應時間快等優(yōu)點，另外，YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器內(nèi)置微型氣泵和充電電池，在無220 V供電情況下可持續(xù)工作6～8 h，滿足野外作業(yè)需求。

2 實驗概況

2.1 檢定點選擇

根據(jù)JJG(氣象)001-2015《自動氣象站氣壓傳感器》檢定規(guī)程規(guī)定，壓力檢定點為：500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1000 hPa和1100 hPa。按以上檢定點由低到高或由高到低的順序進行兩次壓力循環(huán)的檢定，在檢定過程中，應平穩(wěn)地升壓和降壓。

2.2 示值誤差計算方法

按式(1)計算標準器示值平均值，按式(2)計算氣壓傳感器各檢定點測量結果的平均值。

(1)

(2)

按式(3)計算氣壓傳感器各檢定點的測量誤差。

(3)

式中，Δpi為氣壓傳感器第i個檢定點測量誤差，hPa；ci為標準器第i個檢定點示值修正值，hPa；δpHi為氣壓傳感器第i個檢定點由高度引起的測量誤差修正值，hPa。

3 檢定結果對比分析

2020年5月，選取3臺PTB220氣壓傳感器，儀器編號為X4060078、E4760089、D3460003。利用QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置、氣壓自動檢定系統(tǒng)和YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器3種氣壓傳感器檢定裝置對3臺氣壓傳感器進行對比測試。在實驗中，標準器和氣壓傳感器盡量保持在同一水平面上，故δpHi可忽略不計。3種氣壓傳感器檢定裝置的檢定結果如表1、表2、表3所示。

表1 編號X4060078氣壓傳感器的檢定結果 hPa

表2 編號E4760089氣壓傳感器的檢定結果 hPa

表3 編號D3460003氣壓傳感器的檢定結果 hPa

從表中可以看出，3種氣壓傳感器裝置的檢定結論一致性較好。在使用3種氣壓傳感器裝置檢定時，3種氣壓傳感器的示值誤差均≤0.3 hPa，滿足JJG(氣象)001-2015《自動氣象站氣壓傳感器》檢定規(guī)程規(guī)定的技術要求。表中3種氣壓檢定裝置檢定同一臺氣壓傳感器時，測量結果有一定的偏差，最大偏差為0.13 hPa。產(chǎn)生偏差的原因主要有3個方面：一是3種標準裝置內(nèi)置的軟件程序?qū)?shù)據(jù)處理的方法可能不同；二是在3種標準裝置檢定過程中，使用的標準器和串口服務器不同；三是3種標準裝置的氣密性不同。

4 結束語

QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置、氣壓自動檢定系統(tǒng)、YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器3種氣壓檢定裝置的系統(tǒng)結構、工作原理、控制準確度和適用范圍等方面不同，決定了3種裝置的適用環(huán)境有所差異。實驗室內(nèi)部檢定時，由于QYJD-1B氣壓儀器檢定裝置、3MS氣壓自動檢定系統(tǒng)的體積較大，可優(yōu)先選擇這兩種氣壓檢定裝置。實驗室外部檢定和進行野外氣壓傳感器維護、標校時，可選擇攜帶方便的YKQ-20-B便攜式氣壓發(fā)生器，其內(nèi)部自帶超差檢定程序，方便現(xiàn)場儀器超差檢定。

從檢定結果對比情況來看，3種氣壓檢定裝置檢定結論的一致性很好，但測量結果有一定的偏差，最大偏差為0.13 hPa。