气压高度表及其校准方法

1、维普资讯 气象水文海洋仪器气压高度表及其校准方法畅世聪 李建英(国家气象计量站，北京 100081)摘 要 本文从压高公式出发，对膜盒式气压高度表和新型袖珍式电子高度表的构造原理及其校准方法进行了分析讨论。提 出了膜盒式气压高度表的动态调整方法。关键词 高度表 校准 单片机 压高公式1 概述高度是一个基本物理量。在诸如航空 、地质、测绘、建筑、气象、旅游等许多行业当中，经常会遇到高度测量的问题，高度测量仪表在这些行业中具有广泛而重要的用途。气压高度表是以气压感应零件作为传感器感受大气压力，再根据气压与高度的函数关系(压高公式 )确定高度值的间接测量仪器。膜

2、盒式气压高度表是在空盒气压表 的刻度盘外圈增加一个高度刻度盘(这个刻度盘相对压力刻度盘有的可以旋转。有 的不能旋转，后者有两个指针，分别用来指示压力和高度 )，高度刻度是按高度与气压 (标 准大气 )的简化关系来确定的，由于其构造原理的局限以及在测高过程中温度的影响不可能做到完全补偿，这种高度表的测量精度不高；而新型袖珍式电子高度表采用了单片机技术，不仅可以测量大气压力，而且可以对温度进行实时测量，这样，温度这个影响高度测量的量直接参加运算，从而使高度测量的准确度较高，如德国生产的 42型电子高度表 ，在 06000n测量范围内，测量非线性误差不大于 8m，在 10 50 温度范围内使用，由于

3、温度造成的误差不大于 8 m。2 膜盒式气压高度表21 基本原理膜盒式气压高度表测高的基本理论依据是压高公式：P(H)=P0exp(一J0 dH)(1)但由于(1)式可以看出，气压不仅与高度有关，同时还与温度和重力加速度有关。 由于大气状态变化的不确定性，人们不能精确给出温度 T对高度 H 的函数关系，从而不能根据 (1)式由压力来导出高度。在实际应用 中常常使用压高公式的简化形式。气 压高度表计量检定规程 JJG68390中使用的压高公式 简化形式是：H ： 9E(；o)哝。一-(2)此式是在假定大气温度线性垂直递减，即 T = T0+LH 的情况下，由(1)式导出的。在(1)和 (2)式中

4、，H 为平均海平面以上 (或 以下 )某处的位势高度 (在 一500m1 100 m维普资讯 4o22002畅世聪等：气压高度表及其校准方法37 1的测量范围内，位势高度与几何高度相差不大，在 JJG68390检定规程中规定，在此测量范围内将 H 近似看作几何高度)；P0为平均海平面处的标准大气压力(10l325hPa)；P为距平均海平面 H 高度处的大气压力；T 为平均海平面处大气的热力学温度(28815 K)；L 为对流层内大气温度的垂直梯度(一00 065 Km )；R 为干空气比气体常数 (28705 287JK_。KgI1)；g0为标准重力加速度

5、 (9_80665mS )；g为距平均海平面 H 高度处的重力加速度。由于 H 相对于地球半径(6356766 km)tb 多，故重力加速度 g的变化对 H 的测量影响不大，所以在(2)式中用标准重力加速度 gf1代替重力加速度 g 。从 (2)式可以看出，由于大气温度垂直递减的假定，使得只要测得一个大气压力值，便可简便地计算出相应的高度值。但是，这也给高度的测量带来误差。雎力传感器为膜盒的高度表就是根据这种假定的条件刻度的，所以测量精度不可能高。JJG68390给出的高度表示值允许误差如表 1。表 1高 度表示值允许误差高度 (m)0500lO0o 2 O0o 3 O0o 4 O0o 5 O

6、0o允许误差 (n1)15202530354560高度 (n1)6 O0o7 O0o 8 O0o 9 O0o l0 000 l1000允许误差 (m) 6090909020020022 校准方法JJG68390检定规程中规定，气压高度表的检定要在环境温度为 205 条件下进行，这一点比较容易做到。该规 程同时要求，当环境压力为 101325 hPa时 ，应将高度指针调到“0”位。在实际检定中，需先把高度表置于压力检定装置的压力室内，并将压力室的压力调整到 101325 hPa，然后观察压 力及高度指示值，苦不在允许误差范围内，则需打开压力室取出高度表，在实验室环境压力下对其进行零点调节，然后再

7、将其放入压力室内，重复上述过程，直到零点调好为止。这项工作实际操作起来很费时，常常需要多次重复上述过程才能调好零点。通过前面的分析我们已经知道，膜盒式气压高度表是根据公式 (2)刻度的。而 (2)式显示，压力与高度为单值函数，即一个压力值对应一个高度值。因此 ，我们可以在环境大气压力力下进行动态调零。具体步骤如下 ：a首先测定当前实验室环境大气压力值，按公式 (2)计算出当前环境大气压力值所对应的高度值 H ；b观察高度表的高度及压力指示值，正常情况下压力指示值应该为当前环境大气压力值 (示值差不超过 20 hPa)，若此时高度指示值与 H 之差在表 1给出 的误差范围之内(如 H 值小于等于

8、 500m，此差值不应超 过 15m)，我们便认为仪表的零点符合要求，先不做调节；若高度指示值与 H 之差超出表 1给 出的误差范围，则调节调零机构，使高度指示值为 H ：c将高度表放入压力室内进行零点标定，从理论上讲，经过上述动态调零后，当压力维普资讯 38 气象水文海洋仪器June2002为 101325hPa ，高度指示值应该为 0，但 由于 仪器器差等原因， 样调零也不能保证次成功，尽管如此， 的 零 程比前面提到的定向 零 是要省 快捷的多，可以大大提高工作效率。零点校准完成后 行全程校准，校准方法 JJG68390 定 程，此 不再 述。3 新

9、型电子式高度一前面提到，新型 子式高度表采用了 片机等新技术 ，它不仅可以 大气压力及温度 行 精确 量，而且能 根据 定的算法 行精确 算，所以可以达到很高的 量精度。从原理上 ，此 表不可能根据公式 (2)来构造或 行 算，而是采用精确的 高公式。我们知道， 高公式的微分形式如下：dP = pgdH(3)将大气状 方程 P ： pRT代入(3)式并 行整理得：dH =一 dP(4)显然(4)是一个精确的公式。采用先进的传感器及单片机技术，用(4)式来构造高度表，精度可以做到比 高，而且 起来并不困 。日图 1电子高度表测高原理示意图例如我 要 量 A、B之 的高度差 H (如 图 1)，

10、在 A 点 力采样值为 Pl，温度采 为 Tl，在 A 点 力和温度的采 分 P2、T2， 可利用 (4)式求得 AA 之 的高度差 l，其 中 g在一 定范 内仍可用 g0表示 ，取丁 ：一，P ：一，I一1P 一： P2 一PIT由于 片机的采 速度很快，所以 的 量可以达到很高的精度。同 ，我 可以 得 dH2、dH3、dH4 的 ，而 A、B 之 的高度差为 ：H=dH(5) 种 量的 果可以具有 高的精度。由于 表的构造原理不同，我 不能采用前面提到的 JJG68390 定 程中 定的校准方法对这 种仪表进 行校准。要 在实验室开展新型电子高度表的校准工作，必须 采用维普资讯 htt

11、p:/N022002畅世聪等：气压高度表及其校准方法39 全新的校准设备，建立相应的检定规程。校 准设备对压力、温度的采校速度、测量精度和分辨率等技术指标都必须符合计量测试的有关规定。参考文献1 JJG68390中华人民共和国国家计量检定规程，气压高度表，国家技术监督局，19902 张霭琛现代气象观测北京大家出版社，2000The Air Pressure H eight M eterand ItS M ethod of CalibrationChang Shicong LiJian yin(NationalCenterofMeteorologicalMetrology，Beijing100081)Abstract Form the formula of air pressure and height，the thesis analysea and discussed the theory ofconstruction and the metld of calibration of ghe box air pressure thelght meter and the new vestIx)