淺談靜電對(duì)氣象儀器的不利影響及解決方法

祝傳棟 趙德林 楊鳳婷 袁馬強(qiáng)

（1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 序言

氣象儀器的基本作用就是對(duì)大氣中的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)等氣象要素進(jìn)行觀測(cè)與記錄。 而隨著氣象科技的發(fā)展，氣象儀器逐步實(shí)現(xiàn)電子化、智能化，尤其是自動(dòng)觀測(cè)站的氣象觀測(cè)儀器。 凡是電子產(chǎn)品，都難以避免靜電的不利影響，故由電子元件構(gòu)成的氣象儀器會(huì)自發(fā)的產(chǎn)生靜電電荷，并不斷積累，進(jìn)而影響觀測(cè)的有效性與準(zhǔn)確性，從而使觀測(cè)到的氣象數(shù)據(jù)與大氣的真實(shí)狀態(tài)有一定程度的偏差。而天氣預(yù)報(bào)或者氣候預(yù)測(cè)對(duì)初始資料的準(zhǔn)確性有高度的依賴(lài)性，如果氣象資料的準(zhǔn)確性不能保證的話(huà)，那么對(duì)資料的再分析就會(huì)失去意義，天氣預(yù)報(bào)及氣候預(yù)測(cè)的水平肯定會(huì)受到一定影響。因此消除靜電對(duì)氣象儀器的影響是非常有必要的，它對(duì)于提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，提高公共氣象服務(wù)水平以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 靜電產(chǎn)生的機(jī)制

1.1 微觀機(jī)制

所有物質(zhì)都是由分子組成，原子又構(gòu)成分子，原子由帶正電的電子與帶負(fù)電的電子組成，而原子的原子核外面有位于不同能級(jí)的電子繞其運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)原子失去電子時(shí)則會(huì)帶正電，原子獲得電子時(shí)則會(huì)帶負(fù)電。 這種不平衡電子分布是由電子受外力而脫離軌道引起的。

1.2 宏觀機(jī)制

產(chǎn)生靜電的途徑主要有四種:①電磁感應(yīng)造成的物體表面電荷的不平衡分布；②物體間摩擦生熱，激發(fā)電子使其向更高能級(jí)躍遷甚至逃逸；③物體間相互接觸可引發(fā)電荷在物體表面的不均勻分布；④物體間摩擦與電磁感應(yīng)綜合作用產(chǎn)生靜電。

兩種不同物體相互接觸會(huì)使得兩個(gè)物體的電荷重新分布，一個(gè)物體由于得到電子而帶負(fù)電荷，另一個(gè)物體由于失去電子而帶正電荷[1]。任何氣體、固體、液體都會(huì)因接觸分離而產(chǎn)生靜電。大氣是流動(dòng)的氣體，它也是由原子、分子組成的，當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)，它會(huì)與其接觸的任何物體間產(chǎn)生接觸分離而起電。

2 對(duì)氣象儀器的實(shí)例分析

2.1 電傳式風(fēng)向風(fēng)速計(jì)

圖1

這種風(fēng)速計(jì)由風(fēng)標(biāo)、發(fā)光管、光敏管、阻力圈等部件組成。 其中的發(fā)光管、光敏管和阻力圈為電子元件。

當(dāng)有風(fēng)時(shí)，風(fēng)標(biāo)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)在阻力圈中激發(fā)出磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)也能激發(fā)產(chǎn)生靜電電荷，當(dāng)靜電電荷不斷積累時(shí)，積累到一定程度后，靜電電荷會(huì)迅速釋放，產(chǎn)生很高的靜電電流以及靜電電壓。由于此類(lèi)風(fēng)速計(jì)是通過(guò)將由風(fēng)標(biāo)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電流或者電壓換算為風(fēng)速來(lái)測(cè)風(fēng)的，故靜電電壓疊加在其上會(huì)對(duì)風(fēng)速記錄值的準(zhǔn)確性有一定影響；當(dāng)空氣濕度較低時(shí)，空氣與電子元件的接觸面也會(huì)產(chǎn)生靜電，由于此風(fēng)速計(jì)大部分是電子元件，故會(huì)受此影響。

2.2 空盒氣壓表

圖2

空盒氣壓表是以金屬?gòu)椥阅ず凶鳛楦袘?yīng)元件，利用金屬?gòu)椓痛髿鈮毫ο嗥胶獾脑韥?lái)測(cè)定氣壓。感應(yīng)元件是由兩片金屬膜焊接成的扁圓形空盒。當(dāng)空氣干燥時(shí)，在金屬?gòu)椥阅ど弦桩a(chǎn)生并積累靜電電荷，當(dāng)積累足夠多時(shí)，會(huì)對(duì)彈性膜的上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，這種作用類(lèi)似于塑料與毛皮作用時(shí)，塑料對(duì)毛皮產(chǎn)生一定的吸附作用，故使得其運(yùn)動(dòng)速度更加滯后于大氣氣壓的變化，使氣壓記錄值偏離大氣實(shí)際氣壓較大。 這種阻礙作用所產(chǎn)生的效果與彈性后效相近，也是空盒的彈性形變滯后于彈性受壓作用。

2.3 直接日射強(qiáng)度表

圖3

直接日射強(qiáng)度表由進(jìn)光筒、瞄準(zhǔn)器、感應(yīng)件跟蹤架組成。其中的感應(yīng)件由感應(yīng)面和熱電堆組成。其測(cè)量太陽(yáng)輻射的基本原理是通過(guò)感應(yīng)面接受太陽(yáng)輻射，然后熱電堆將輻射能轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度來(lái)推算單位面積上所接受到的輻射能。 然而這種電學(xué)原理使它避免不了靜電的影響，當(dāng)感應(yīng)元件與干燥的空氣接觸，同樣易產(chǎn)生靜電電荷，由于靜電電荷具有快速釋放的特點(diǎn)，因此產(chǎn)生的靜電電流會(huì)疊加其上，使檢流計(jì)測(cè)出的由太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的電流偏大或者偏小。

3 對(duì)氣象儀器產(chǎn)生靜電條件分析

3.1 空氣濕度

大氣中含有水汽，而水是一種導(dǎo)體，很多物體有水附著時(shí)導(dǎo)電性會(huì)加強(qiáng)，當(dāng)空氣中濕度較高時(shí)，氣象儀器表面以及內(nèi)部元件易附有一層很薄的水膜，水膜溶解空氣中的二氧化碳，電離出大量的氫離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子[2]。這些離子使得氣象儀器表面以及內(nèi)部元件表面電阻率減小，使得靜電電荷很快被導(dǎo)泄出去，不易積聚。所以在空氣濕度較高時(shí)，靜電電荷是很難積累的。 只有當(dāng)空氣濕度很低時(shí)才會(huì)產(chǎn)生靜電電荷積累現(xiàn)象，故而，空氣干燥是產(chǎn)生靜電的基本條件

3.2 觀測(cè)人員自身攜帶靜電對(duì)氣象儀器的影響

在地面觀測(cè)中， 很多氣象要素都需要?dú)庀笥^測(cè)人員親自去讀取的，由于人體常帶有靜電，人體與氣象儀器發(fā)生間接或者直接接觸均會(huì)使氣象儀器表面的靜電電荷重新分布，使氣象儀器的觀測(cè)準(zhǔn)確度降低。

3.3 氣溫

氣溫通常與大氣濕度是共同起作用的。當(dāng)氣溫較高，空氣較干時(shí)，氣象儀器表面產(chǎn)生的靜電電荷不易釋放，并容易積聚，產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。大氣可分為近地面層、上部摩擦層、自由大氣，其中近地面層與上部摩擦層統(tǒng)稱(chēng)為大氣邊界層，當(dāng)大氣邊界層內(nèi)的溫度較高時(shí)，邊界層內(nèi)的水汽被大量蒸發(fā)，通過(guò)湍流運(yùn)動(dòng)輸送到自由大氣，故使得大氣下層空氣濕度低，不易于氣象儀器表面及內(nèi)部元件靜電電荷的導(dǎo)泄。

4 消除靜電的方法

4.1 增加空氣濕度

增加空氣濕度僅僅限于那些受空氣濕度影響不大的氣象要素。[3]

表1

從上表可看出靜電電壓與空氣濕度是呈負(fù)相關(guān)的，當(dāng)空氣濕度達(dá)到60%以上時(shí)，靜電電壓較干燥空氣很小，物體表面的靜電電荷可以被迅速導(dǎo)瀉，不易積聚。 故某些氣象儀器也可通過(guò)適當(dāng)增濕的方法來(lái)消除靜電的影響，使得雖有靜電電荷，但難以產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。

4.2 接地處理

設(shè)計(jì)防靜電系統(tǒng)，對(duì)金屬氣象儀器進(jìn)行接地處理。 處理過(guò)程需要注意的方面：①防靜電地線不能接在電源零線上，同時(shí)注意不要與氣象觀測(cè)場(chǎng)的防雷地線一起使用，由于雷擊會(huì)影響整個(gè)回路，使氣象儀器發(fā)生故障或者性能降低；②使用三相五線制供電，其中的大地線可以作為防靜電地線，同時(shí)注意零線與地線不要混接；③要從電源主配電箱地線處直接引出零線的同時(shí)，在同一點(diǎn)經(jīng)過(guò)1 兆歐電阻隔離后引出防靜電地線的主干線，該主干線要采用截面積為5 平方毫米以上的銅芯橡皮軟線；④防靜電系統(tǒng)必須可靠，要求其具備獨(dú)立而可靠的接地設(shè)備，接地電阻小于10 歐[4]。 埋設(shè)與檢測(cè)方法可參照氣象部門(mén)基本規(guī)范。

4.3 觀測(cè)環(huán)境方面

對(duì)某些氣象儀器的內(nèi)部部件用防靜電元件盒包裹，氣象觀測(cè)人員在對(duì)氣象要素進(jìn)行觀測(cè)之前要統(tǒng)一穿戴防靜電工作服、 防靜電鞋，佩戴防靜電腕帶[5]。 氣象觀測(cè)人員盡量快速地完成對(duì)氣象要素的記錄工作，縮短與氣象儀器的接觸時(shí)間。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)靜電對(duì)氣象儀器的不利影響的研究，總結(jié)出了氣象儀器產(chǎn)生靜電及靜電積累的條件以及消除靜電的方法。氣象儀器易產(chǎn)生靜電的外部原因?yàn)榭諝飧稍锖蜌庀笥^測(cè)人員自身攜帶靜電的影響，內(nèi)部原因?yàn)楸旧硭娮釉诠ぷ髦胁豢刹幻獾禺a(chǎn)生靜電。消除氣象儀器所帶靜電的方法：首先是對(duì)氣象儀器外殼進(jìn)行接地處理，其次是對(duì)某些氣象儀器外圍小范圍環(huán)境進(jìn)行增濕處理，最后是要求氣象觀測(cè)人員統(tǒng)一佩戴防靜電工作服。 在消除氣象儀器所產(chǎn)生的靜電方面，雖然短期成本較高，但它所帶來(lái)的各方面效益卻是長(zhǎng)期的。第一，在消除靜電的同時(shí)也是在對(duì)氣象儀器進(jìn)行防護(hù)；第二，消除靜電的影響可以提高氣象儀器的工作性能，使氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確；第三，氣象觀測(cè)資料的準(zhǔn)確度提高了， 可以在一定程度上提高氣象要素初始場(chǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)于的天氣預(yù)報(bào)與氣候預(yù)測(cè)水平的提高有促進(jìn)作用，對(duì)公共氣象氣象服務(wù)水平的提高有重要意義。

［1］林鵬.淺談靜電對(duì)氣象制氫、用氫的威脅及防范[J].氣象，1988（04）.

［2］李家啟.極端氣象條件誘發(fā)的靜電火災(zāi)事故分析與防范建議[J].氣象科技，2013（02）.

［3］何魯敏.干燥和靜電[J].中華建筑報(bào)，2002（003）.

［4］賈九榮.淺談電子產(chǎn)品靜電及靜電防護(hù)[J].機(jī)電元件，2011（01）.

［5］朱壽會(huì).防靜電器材的防靜電原理及使用方法[J].電子工藝技術(shù)，1994（06）.