刘海珍，郑树芳，温晓辉，崔玉阳，马修才，有 思

（1.内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特 010000；2.新巴尔虎左旗气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021200；3.呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

0 引 言

目前，国内常用的自动气象站气压传感器（后面简称气压传感器）为PTB210 型号、PTB220 型号和DYC1 型号（PTB330 型号），且气压传感器均采用硅电容绝对压力传感器进行大气压力的测量，由于电容介质电介常数随环境大气压力、相对湿度和环境温度的变化而变化，从而导致气压传感器的测量结果会不同程度地受到环境温度的影响[1-3]。在实际工作中，根据JJG（气象）001—2015 自动气象站气压传感器检定规程[4]的要求，实验室检定气压传感器时，其环境温度必须控制在（20±2）℃，但经实验室检定合格的气压传感器，由于实际业务运行是在自然环境中进行的，其环境温度变化区间较大，因此其测量结果会产生不同程度的失真。虽然根据生产厂家提供资料，已对不同环境温度下气压传感器输出值与实际气压值的关系给出了温度补偿[5]，但在实际应用中发现，其测量结果受自然环境温度的影响仍然较大。

我国地域广阔，全年环境温度变化较大，最低可达到-40 ℃以下，最高可达到40 ℃以上，对于经实验室检定合格的气压传感器在观测场的测量结果是否准确，以及由于环境温度的变化而对测量结果造成的影响已有学者开展了一些研究。文献[6]研究了PTB220 型号的气压传感器在22 ℃和32 ℃的环境温度下其测量误差的变化情况，得出该传感器不仅型号单一，气温测试点也单一。文献[7]研究了PTB330 型号的气压传感器在0～40 ℃之间的5 个整10 ℃点的环境温度下，分别对其700～1 100 hPa 之间的5 个整100 hPa 点进行性能测试。该传感器同样型号单一，并且0 ℃以下未对气压传感器进行性能测试。文献[8-9]研究环境温度对气压传感器测量结果的影响，但同样都存在仪器型号单一问题。

针对上述情况，本文选取了内蒙古地区目前经常使用的PTB210 型号、PTB220 型号和DYC1 型号（PTB330型号）的气压传感器，置于-40～40 ℃之间的9 个整10 ℃点的环境温度下，分别对其500～1 100 hPa 之间的7 个整100 hPa 点进行了性能测试，并对测量的数据进行了定量分析。研究结果可为天气预报、气候分析、科学研究提供准确及时的气象基础数据[10-11]。

1 测试系统

1.1 测试设备

选取不同厂家、不同型号的气压传感器作为被测对象，即PTB210 型号、PTB220 型号和DYC1 型号（PTB330型号）各8 只气压传感器。

气压传感器性能测试用的设备包括数字多用表、数字气压计、气压发生器、调温调湿箱、精密露点仪，这些设备均定期进行溯源，并在溯源有效期内。测试用设备的技术指标及用途如表1 所示。

表1 核查标准和主要配套设备的主要技术指标和用途

1.2 测试方法

将精密露点仪的感应器固定于调温调湿箱体内中心位置，将被测试的气压传感器置于调温调湿箱体内且与精密露点仪的感应器靠近的位置，并将所有被测试的气压传感器置于同一水平面上，其余测试用设备放置于调温调湿箱外，然后将被测试气压传感器分别与数据采集器（数字多用表）、气压发生器和标准器（数字气压计）进行连接，通过调温调湿箱发生并控制箱内湿度和温度，精密露点仪实时获取箱内温度和湿度数据，通过3MS 气压自动检定系统软件获取数字气压计示值和气压传感器示值。测试所用设备的布设图如图1 所示。

图1 测试所用设备的布设图

为了排除环境温度对数字气压计的影响，将实验室的环境温度始终控制在（20±2）℃，然后通过调温调湿箱控制器控制箱体内的环境温度来模拟不同的环境温度，依次为40 ℃、30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃，通过气压发生器控制气压测试点，依次为500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa 和1 100 hPa。先设定调温调湿箱内的温度为40 ℃，待箱内的温度达到设定值并稳定10 min 后，设定气压测试点为500 hPa，待气压达到设定值并稳定后，分别读取数字气压计气压示值和气压传感器气压示值，各读取12 次，将气压传感器气压示值减去经修正后的数字气压计气压示值，得到气压传感器的气压示值误差，然后计算得到气压传感器的气压示值误差平均值。再依次设定调温调湿箱内的温度为30 ℃、20 ℃、10 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃，对气压测试点500 hPa 进行气压测量。其余气压测试点的测试过程与500 hPa 点的测试过程一样。

2 数据处理

2.1 测量结果

根据测试方法，气压传感器的气压示值误差平均值可由公式（1）计算得到。将其作为测量结果，气压传感器的气压示值误差也称为气压传感器的气压测量误差。

式中：j为第j个气压测试点；i为读数次数；为气压传感器第j个气压测试点的气压测量误差平均值，单位为hPa；pij为气压传感器第j个气压测试点的第i次气压示值，单位为hPa；p′ij为数字气压计第j个气压测试点的第i次气压示值，单位为hPa；δj为数字气压计第j个气压测试点的修正值，单位为hPa。

2.2 异常值剔除

测量数据中出现了与其他值偏离较远且不符合统计规律的个别值，可以通过格拉布斯准则[12-13]来判别其是否为异常值，若为异常值时，则将其剔除；否则将其保留。设一组重复观测数据为[x1，x2，…，xn]，假设其中xd为不符合统计规律的可疑值时，若式（2）成立，则可判定xd为异常值，并将其剔除。

式中：xd为假设的可疑值；x为重复观测数据的算术平均值；G(α,n)为格拉布斯准则的临界值，可查表得到；α为显著水平，一般取0.05；n为重复次数；s为重复观测数据的实验标准偏差。

2.3 数据修约

对于中间结果和最终测量结果均按通用规则（四舍六入，逢五取偶）进行数字修约[12-13]，中间结果修约到小数点后三位，最终测量结果修约到小数点后两位。

3 测量结果分析

利用格拉布斯准则将被测试PTB210 型号、PTB220型号和DYC1 型号气压传感器的测量数据中的异常值剔除；再利用式（1）分别得到被测试PTB210 型号、PTB220 型号和DYC1 型号气压传感器的测量误差平均值；然后利用Excel[14-15]分别形成被测试PTB210 型号、PTB220 型号和DYC1 型号气压传感器的测量误差平均值随环境温度变化的趋势图，如图2～图4 所示。

图2 8只被测试PTB210 型号气压传感器的测量误差平均值随环境温度变化的趋势图

图3 8只被测试PTB220 型号气压传感器的测量误差平均值随环境温度变化的趋势图

图4 8只被测试DYC1 型号气压传感器的测量误差平均值随环境温度变化的趋势图

对图2～图4 进行分析可得出：3 种型号的气压传感器的测量误差平均值均随环境温度的变化而变化；3 种型号的气压传感器的测量误差平均值基本上均在20 ℃左右最小，这与实验室检定环境温度控制在（20±2）℃的要求相符合。以20 ℃为基准，当环境温度从20 ℃增到40 ℃时，或者从20 ℃减到-40 ℃时，3 种型号的气压传感器的测量误差平均值均随之变大，其中低温对其测量结果的影响比较大，尤其是-30 ℃以下的环境温度对其测量结果的影响更大；3 种型号的气压传感器在测量范围的最低点500 hPa 和最高点1 100 hPa，其测量结果受环境温度影响较大，在常压点900 hPa，其测量结果受环境温度影响较小；在3 种型号中，PTB210 型号和DYC1 型号的气压传感器的测量结果整体上受环境温度的影响较大，而PTB220 型号气压传感器的测量结果整体上受环境温度的影响较小。

4 结 语

基于自动气象站气压传感器检定规程规定的实验室检定环境温度的要求与其在观测场的环境温度有很大的差别，文章将环境温度对自动气象站气压传感器示值误差的影响进行了研究，即选取国内常用的PTB210型号、PTB220 型号和DYC1 型号各8 只仪器置于-40～40 ℃之间的9 个整10 ℃点的环境温度下分别对其500～1 100 hPa 之间的7 个整100 hPa 点进行了性能测试，并对测量数据进行了定量分析。

结果表明：PTB210 型号、PTB220 型号和DYC1 型号的气压传感器的测量误差平均值均随环境温度的变化而变化；3 种型号的气压传感器的测量误差平均值基本上均在20 ℃左右最小，这与实验室检定环境温度控制在（20±2）℃的要求相符合。以20 ℃为基准，当环境温度从20 ℃增到40 ℃时，或者从20 ℃减到-40 ℃时，3 种型号的气压传感器的测量误差平均值均随之变大，其中低温对其测量结果的影响比较大，尤其是-30 ℃以下的环境温度对其测量结果的影响更大。3 种型号的气压传感器在测量范围的最低点500 hPa 和最高点1 100 hPa，其测量结果受环境温度的影响较大，在常压点900 hPa，其测量结果受环境温度影响较小。在3 种型号中，PTB210 型号和DYC1 型号的气压传感器的测量结果整体上受环境温度的影响较大，而PTB220 型号的气压传感器的测量结果整体上受环境温度的影响较小。本文研究结果可为天气预报、气候分析、科学研究提供准确及时的气象基础数据。