場磨式大氣電場儀及其標(biāo)校系統(tǒng)

謝 帥 邵碧嘉 盛 暉

(杭州市氣象局，浙江杭州310051)

0 引言

雷電災(zāi)害是十大自然災(zāi)害之一，全世界每年都有數(shù)千人在雷電中喪生，因雷電而產(chǎn)生的經(jīng)濟損失數(shù)目非常的龐大。隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，人們對雷電災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警和防御的科學(xué)認(rèn)識提出了更高、更廣泛的需求。大氣電場儀作為一種先進的雷電遙感探測技術(shù)，已成為雷電探測軌道建設(shè)重點開發(fā)的手段之一。目前國內(nèi)大部分省市相關(guān)行業(yè)都布置了多個閃電探測站，通過網(wǎng)絡(luò)建立了一套全方位覆蓋的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

1 場磨式大氣電場儀結(jié)構(gòu)及原理

晴天地面大氣電場值一般在20～300 V/m之間，雷暴活動中能造成地面大氣電場2～10 kV/m(正或負(fù))。通過對地面電場強度的分析可以知道，云團帶電量越大，高度越低，距離電場儀的距離越近，則地面電場儀探測到的電場強度越大。地面電場的強度與該點附近發(fā)生閃電的可能性成正相關(guān)。

場磨式大氣電場儀采用電場磨狀探頭，圖1展示了探頭的結(jié)構(gòu)，它由兩組大小相同分布均勻的扇形金屬片組成，其中一組幾個扇形片是感應(yīng)(固定的)片，另一組幾個扇形片是旋轉(zhuǎn)片。由于大氣靜電場是一個直流分量，在感應(yīng)片之間感應(yīng)出的是直流電流，而且這一直流分量很小，需要經(jīng)過多級信號放大才能測量。電場磨狀探頭通過旋轉(zhuǎn)片葉片旋轉(zhuǎn)對感應(yīng)片上的直流電流信號進行交替阻斷電場線的處理，將微弱的直流電流信號轉(zhuǎn)換成交流信號以后，再經(jīng)過電流、電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波、信號同步、整流等環(huán)節(jié)，最終輸出符合模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電壓信號。

圖1 場磨狀探頭

場磨式大氣電場儀采用差模測量技術(shù)的，有效避免干擾信號，通過RS232/RS485與數(shù)據(jù)采集處理控制器相連(見圖2)。數(shù)據(jù)采集處理控制器可以通過INTERNET或SNMP或GPRS與PC機相連，通過監(jiān)視軟件來監(jiān)控。該儀器裝置實時測量記錄地面上的靜電場值與變化率通過微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對多個探測點返回的信號進行分析，可以實現(xiàn)區(qū)域電場測量、雷電預(yù)警和雷電云層走向分析，能連續(xù)啟動三級雷電報警，從而實現(xiàn)區(qū)域電場測量、雷電預(yù)警。單個探頭能夠?qū)Π霃?5～20 km區(qū)域的雷電進行預(yù)測。

圖2 場模式大氣電場儀結(jié)構(gòu)

由于大氣電場儀是一種放置野外的探測儀器，隨著時間的推移以及惡劣天氣的影響，其精度會受到一定的影響，特別是應(yīng)用在因閃電襲擊可能引起爆炸場所的大氣電場儀，更應(yīng)該確保大氣電場儀探測傳感器的高精度與可靠性;為了提高大氣電場儀、傳感器本身與各個站數(shù)據(jù)之間穩(wěn)定性和可靠性，提高預(yù)警的準(zhǔn)確率，建立大氣電場儀標(biāo)校系統(tǒng)是非常必要的。由于大氣電場儀測量對象的特殊性，導(dǎo)致大氣電場儀的測量原理，測量技術(shù)與通用電子設(shè)備有極大的差異，大大增加了標(biāo)定的難度，目前我國尚未建立電場儀標(biāo)定的國家標(biāo)準(zhǔn)。浙江省氣象儀器檢定所杭州分所是全國首家引進大氣電場儀標(biāo)校系統(tǒng)的檢定所。根據(jù)原理，為使大氣電場儀保持準(zhǔn)確的精度，應(yīng)該對探測裝置每隔一段時間進行標(biāo)校。

2 大氣電場儀標(biāo)校系統(tǒng)工作原理

大氣電場儀標(biāo)校系統(tǒng)由直徑1.5 m的上下級高壓不銹鋼圓板、直流高壓發(fā)生器(0～50 kV)、倍增器屏蔽、直流高壓控制器、通訊控制箱、監(jiān)控軟件構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 大氣電場儀標(biāo)定系統(tǒng)

大氣電場儀標(biāo)校系統(tǒng)的原理:大氣電場儀校驗臺利用高壓直流發(fā)生器能達到一個50 kV以上的直流微電流的工作原理，把一個可調(diào)高壓加在一個懸掛式隔離絕緣的不銹鋼圓板上，并在其下方放置于一個接地的不銹鋼圓板，從而模擬出一個均勻的電場環(huán)境，由單片機控制、施加模擬電場某定值，調(diào)節(jié)大氣電場儀的探測傳感器位置并調(diào)節(jié)測試設(shè)備運放放大倍數(shù)，使得測量電場值與施加模擬電場值一致，即完成了標(biāo)定。不銹鋼上板加直流高壓，不銹鋼下板接地，兩板水平平行相對放置，相距距離為770 mm。地面不銹鋼板到探頭外殼下方邊緣為330 mm。測試裝置在室內(nèi)，兩平行不銹鋼板周圍半米內(nèi)不能有高大遮擋物，遮擋物會引起等勢面的形狀改變。校定系統(tǒng)一次只能對一個探頭進行測試校定，因為構(gòu)建的模擬電場環(huán)境較小，在模擬環(huán)境中放置的設(shè)備越多，會使等勢面的分布更加的不規(guī)律，難以把握。

3 大氣電場標(biāo)定系統(tǒng)檢測應(yīng)用

場磨式電場儀是旋轉(zhuǎn)式的，由數(shù)片扇形構(gòu)成，將其放置在標(biāo)定平臺上，它基本不會使標(biāo)?？臻g內(nèi)的電力線和等位線產(chǎn)生畸變。圖4是在不同電場強度下對大氣電場儀的標(biāo)校實驗結(jié)果。從圖4中能看出場磨式電場儀在標(biāo)校系統(tǒng)中電場強度線性度好。

圖4 不同電場強度下的標(biāo)定實驗結(jié)果

大氣電場數(shù)值的誤差范圍跟其本身旋轉(zhuǎn)葉片的穩(wěn)定性、電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性、電子線路板元器件的精度因子等等有關(guān)。表1是大氣電場標(biāo)校系統(tǒng)中給定電壓對應(yīng)電場強度的測試，電壓越高電場強度浮動值越小，越趨于穩(wěn)定。在對場磨式電場儀實際標(biāo)校過程中，通常給定電壓強度為10kV，誤差范圍為10%，當(dāng)測出的電場平均值不在這個范圍時，即對該場磨式電場儀進行參數(shù)標(biāo)校。

表1 電壓電場測試標(biāo)定值

4 結(jié)語

雷電的監(jiān)測與預(yù)警對保障人類生命財產(chǎn)極端重要，雷電的探測裝置的精準(zhǔn)度就成為雷電監(jiān)測預(yù)警的可靠保障。筆者介紹了場磨式大氣電場儀的結(jié)構(gòu)原理及其標(biāo)校系統(tǒng)，通過檢測實驗，該標(biāo)校系統(tǒng)原理直觀，使用方便，標(biāo)定范圍在0～50 kV/m，標(biāo)定線性度好，對于長期放置野外的探測設(shè)備來說，定期對其進行標(biāo)定是必要的。

大氣電場儀作為探測大氣中電場強度的主要儀器，應(yīng)用比較廣泛，但在實際使用中，諸如應(yīng)用在閃電襲擊可能易燃、易爆場所的大氣電場儀，也許用戶不一定知道什么地方可以標(biāo)校，什么時間周期應(yīng)該標(biāo)校。杭州市氣象儀器檢定所通過對大量的大氣電場儀標(biāo)校積累實際經(jīng)驗，希望有需要大氣電場儀標(biāo)校的用戶單位，可以定期送去進行標(biāo)校。借此也呼吁相關(guān)管理機構(gòu)盡早出臺標(biāo)校技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，使得大氣電場儀標(biāo)校規(guī)范化。

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