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(jì)損失數(shù)目非常的龐大。隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)雷電災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和防御的科學(xué)認(rèn)識(shí)提出了更高、更廣泛的需求。大氣電場(chǎng)儀作為一種先進(jìn)的雷電遙感探測(cè)技術(shù)，已成為雷電探測(cè)軌道建設(shè)重點(diǎn)開發(fā)的手段之一。目前國(guó)內(nèi)大部分省市相關(guān)行業(yè)都布置了多個(gè)閃電探測(cè)站，通過網(wǎng)絡(luò)建立了一套全方位覆蓋的雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

1 場(chǎng)磨式大氣電場(chǎng)儀結(jié)構(gòu)及原理

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

場(chǎng)磨式大氣電場(chǎng)儀采用電場(chǎng)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(gè)扇形片是感應(yīng)(固定的)片，另一組幾個(gè)扇形片是旋轉(zhuǎn)片。由于大氣靜電場(chǎng)是一個(gè)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(jí)信號(hào)放大才能測(cè)量。電場(chǎng)磨狀探頭通過旋轉(zhuǎn)片葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)感應(yīng)片上的直流電流信號(hào)進(jìn)行交替阻斷電場(chǎng)線的處理，將微弱的直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)以后，再經(jīng)過電流、電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波、信號(hào)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(hào)。

圖1 場(chǎng)磨狀探頭

場(chǎng)磨式大氣電場(chǎng)儀采用差模測(cè)量技術(shù)的，有效避免干擾信號(hào)，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(jī)相連，通過監(jiān)視軟件來(lái)監(jiān)控。該儀器裝置實(shí)時(shí)測(cè)量記錄地面上的靜電場(chǎng)值與變化率通過微處理器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)返回的信號(hào)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域電場(chǎng)測(cè)量、雷電預(yù)警和雷電云層走向分析，能連續(xù)啟動(dòng)三級(jí)雷電報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域電場(chǎng)測(cè)量、雷電預(yù)警。單個(gè)探頭能夠?qū)Π霃?5～20 km區(qū)域的雷電進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖2 場(chǎng)模式大氣電場(chǎng)儀結(jié)構(gòu)

由于大氣電場(chǎng)儀是一種放置野外的探測(cè)儀器，隨著時(shí)間的推移以及惡劣天氣的影響，其精度會(huì)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(chǎng)所的大氣電場(chǎng)儀，更應(yīng)該確保大氣電場(chǎng)儀探測(cè)傳感器的高精度與可靠性;為了提高大氣電場(chǎng)儀、傳感器本身與各個(gè)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(chǎng)儀標(biāo)校系統(tǒng)是非常必要的。由于大氣電場(chǎng)儀測(cè)量對(duì)象的特殊性，導(dǎo)致大氣電場(chǎng)儀的測(cè)量原理，測(cè)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(guó)尚未建立電場(chǎng)儀標(biāo)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。浙江省氣象儀器檢定所杭州分所是全國(guó)首家引進(jìn)大氣電場(chǎng)儀標(biāo)校系統(tǒng)的檢定所。根據(jù)原理，為使大氣電場(chǎng)儀保持準(zhǔn)確的精度，應(yīng)該對(duì)探測(cè)裝置每隔一段時(shí)間進(jìn)行標(biāo)校。

2 大氣電場(chǎng)儀標(biāo)校系統(tǒng)工作原理

大氣電場(chǎng)儀標(biāo)校系統(tǒng)由直徑1.5 m的上下級(jí)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(chǎng)儀標(biāo)定系統(tǒng)

大氣電場(chǎng)儀標(biāo)校系統(tǒng)的原理:大氣電場(chǎng)儀校驗(yàn)臺(tái)利用高壓直流發(fā)生器能達(dá)到一個(gè)50 kV以上的直流微電流的工作原理，把一個(gè)可調(diào)高壓加在一個(gè)懸掛式隔離絕緣的不銹鋼圓板上，并在其下方放置于一個(gè)接地的不銹鋼圓板，從而模擬出一個(gè)均勻的電場(chǎng)環(huán)境，由單片機(jī)控制、施加模擬電場(chǎng)某定值，調(diào)節(jié)大氣電場(chǎng)儀的探測(cè)傳感器位置并調(diào)節(jié)測(cè)試設(shè)備運(yùn)放放大倍數(shù)，使得測(cè)量電場(chǎng)值與施加模擬電場(chǎng)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(duì)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(cè)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(huì)引起等勢(shì)面的形狀改變。校定系統(tǒng)一次只能對(duì)一個(gè)探頭進(jìn)行測(cè)試校定，因?yàn)闃?gòu)建的模擬電場(chǎng)環(huán)境較小，在模擬環(huán)境中放置的設(shè)備越多，會(huì)使等勢(shì)面的分布更加的不規(guī)律，難以把握。

3 大氣電場(chǎng)標(biāo)定系統(tǒng)檢測(cè)應(yīng)用

場(chǎng)磨式電場(chǎng)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(tái)上，它基本不會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度下對(duì)大氣電場(chǎng)儀的標(biāo)校實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖4中能看出場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀在標(biāo)校系統(tǒng)中電場(chǎng)強(qiáng)度線性度好。

圖4 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

大氣電場(chǎng)數(shù)值的誤差范圍跟其本身旋轉(zhuǎn)葉片的穩(wěn)定性、電機(jī)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(chǎng)標(biāo)校系統(tǒng)中給定電壓對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)試，電壓越高電場(chǎng)強(qiáng)度浮動(dòng)值越小，越趨于穩(wěn)定。在對(duì)場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀實(shí)際標(biāo)校過程中，通常給定電壓強(qiáng)度為10kV，誤差范圍為10%，當(dāng)測(cè)出的電場(chǎng)平均值不在這個(gè)范圍時(shí)，即對(duì)該場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀進(jìn)行參數(shù)標(biāo)校。

表1 電壓電場(chǎng)測(cè)試標(biāo)定值

4 結(jié)語(yǔ)

雷電的監(jiān)測(cè)與預(yù)警對(duì)保障人類生命財(cái)產(chǎn)極端重要，雷電的探測(cè)裝置的精準(zhǔn)度就成為雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警的可靠保障。筆者介紹了場(chǎng)磨式大氣電場(chǎng)儀的結(jié)構(gòu)原理及其標(biāo)校系統(tǒng)，通過檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，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(duì)于長(zhǎng)期放置野外的探測(cè)設(shè)備來(lái)說，定期對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定是必要的。

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

［1］ 陸新義，文元利，郭鵬，等.場(chǎng)磨式大氣電場(chǎng)儀干擾環(huán)境定性測(cè)量［C］.第七屆中國(guó)國(guó)際防雷論壇論文摘編.2008:121－123.

［2］ 陳渭民.雷電學(xué)原理［M］.第 2版.北京:氣象出版社，2003.

［3］ 張健，何渝暉，羅福山，等.電場(chǎng)的標(biāo)定技術(shù)［J］.中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第十七次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2004.

［4］ 羅福山，何渝暉，張健，等.靜電場(chǎng)標(biāo)定系統(tǒng)［J］.雷電與防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化，2004(2):13－16.

［5］ 白強(qiáng)，夏善紅，陳紹鳳，等.新型旋片式空中電場(chǎng)傳感器及應(yīng)用［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2004(4):651－654.