场磨式大气电场仪及其标校系统

谢 帅 邵碧嘉 盛 晖

(杭州市气象局，浙江杭州310051)

0 引言

雷电灾害是十大自然灾害之一，全世界每年都有数千人在雷电中丧生，因雷电而产生的经济损失数目非常的庞大。随着经济与社会的发展，人们对雷电灾害的监测、预警和防御的科学认识提出了更高、更广泛的需求。大气电场仪作为一种先进的雷电遥感探测技术，已成为雷电探测轨道建设重点开发的手段之一。目前国内大部分省市相关行业都布置了多个闪电探测站，通过网络建立了一套全方位覆盖的雷电监测预警系统。

1 场磨式大气电场仪结构及原理

晴天地面大气电场值一般在20～300 V/m之间，雷暴活动中能造成地面大气电场2～10 kV/m(正或负)。通过对地面电场强度的分析可以知道，云团带电量越大，高度越低，距离电场仪的距离越近，则地面电场仪探测到的电场强度越大。地面电场的强度与该点附近发生闪电的可能性成正相关。

场磨式大气电场仪采用电场磨状探头，图1展示了探头的结构，它由两组大小相同分布均匀的扇形金属片组成，其中一组几个扇形片是感应(固定的)片，另一组几个扇形片是旋转片。由于大气静电场是一个直流分量，在感应片之间感应出的是直流电流，而且这一直流分量很小，需要经过多级信号放大才能测量。电场磨状探头通过旋转片叶片旋转对感应片上的直流电流信号进行交替阻断电场线的处理，将微弱的直流电流信号转换成交流信号以后，再经过电流、电压转换、放大、滤波、信号同步、整流等环节，最终输出符合模数转换电路的电压信号。

图1 场磨状探头

场磨式大气电场仪采用差模测量技术的，有效避免干扰信号，通过RS232/RS485与数据采集处理控制器相连(见图2)。数据采集处理控制器可以通过INTERNET或SNMP或GPRS与PC机相连，通过监视软件来监控。该仪器装置实时测量记录地面上的静电场值与变化率通过微处理器数据处理系统，对多个探测点返回的信号进行分析，可以实现区域电场测量、雷电预警和雷电云层走向分析，能连续启动三级雷电报警，从而实现区域电场测量、雷电预警。单个探头能够对半径15～20 km区域的雷电进行预测。

图2 场模式大气电场仪结构

由于大气电场仪是一种放置野外的探测仪器，随着时间的推移以及恶劣天气的影响，其精度会受到一定的影响，特别是应用在因闪电袭击可能引起爆炸场所的大气电场仪，更应该确保大气电场仪探测传感器的高精度与可靠性;为了提高大气电场仪、传感器本身与各个站数据之间稳定性和可靠性，提高预警的准确率，建立大气电场仪标校系统是非常必要的。由于大气电场仪测量对象的特殊性，导致大气电场仪的测量原理，测量技术与通用电子设备有极大的差异，大大增加了标定的难度，目前我国尚未建立电场仪标定的国家标准。浙江省气象仪器检定所杭州分所是全国首家引进大气电场仪标校系统的检定所。根据原理，为使大气电场仪保持准确的精度，应该对探测装置每隔一段时间进行标校。

2 大气电场仪标校系统工作原理

大气电场仪标校系统由直径1.5 m的上下级高压不锈钢圆板、直流高压发生器(0～50 kV)、倍增器屏蔽、直流高压控制器、通讯控制箱、监控软件构成，如图3所示。

图3 大气电场仪标定系统

大气电场仪标校系统的原理:大气电场仪校验台利用高压直流发生器能达到一个50 kV以上的直流微电流的工作原理，把一个可调高压加在一个悬挂式隔离绝缘的不锈钢圆板上，并在其下方放置于一个接地的不锈钢圆板，从而模拟出一个均匀的电场环境，由单片机控制、施加模拟电场某定值，调节大气电场仪的探测传感器位置并调节测试设备运放放大倍数，使得测量电场值与施加模拟电场值一致，即完成了标定。不锈钢上板加直流高压，不锈钢下板接地，两板水平平行相对放置，相距距离为770 mm。地面不锈钢板到探头外壳下方边缘为330 mm。测试装置在室内，两平行不锈钢板周围半米内不能有高大遮挡物，遮挡物会引起等势面的形状改变。校定系统一次只能对一个探头进行测试校定，因为构建的模拟电场环境较小，在模拟环境中放置的设备越多，会使等势面的分布更加的不规律，难以把握。

3 大气电场标定系统检测应用

场磨式电场仪是旋转式的，由数片扇形构成，将其放置在标定平台上，它基本不会使标校空间内的电力线和等位线产生畸变。图4是在不同电场强度下对大气电场仪的标校实验结果。从图4中能看出场磨式电场仪在标校系统中电场强度线性度好。

图4 不同电场强度下的标定实验结果

大气电场数值的误差范围跟其本身旋转叶片的稳定性、电机转速的稳定性、电子线路板元器件的精度因子等等有关。表1是大气电场标校系统中给定电压对应电场强度的测试，电压越高电场强度浮动值越小，越趋于稳定。在对场磨式电场仪实际标校过程中，通常给定电压强度为10kV，误差范围为10%，当测出的电场平均值不在这个范围时，即对该场磨式电场仪进行参数标校。

表1 电压电场测试标定值

4 结语

雷电的监测与预警对保障人类生命财产极端重要，雷电的探测装置的精准度就成为雷电监测预警的可靠保障。笔者介绍了场磨式大气电场仪的结构原理及其标校系统，通过检测实验，该标校系统原理直观，使用方便，标定范围在0～50 kV/m，标定线性度好，对于长期放置野外的探测设备来说，定期对其进行标定是必要的。

大气电场仪作为探测大气中电场强度的主要仪器，应用比较广泛，但在实际使用中，诸如应用在闪电袭击可能易燃、易爆场所的大气电场仪，也许用户不一定知道什么地方可以标校，什么时间周期应该标校。杭州市气象仪器检定所通过对大量的大气电场仪标校积累实际经验，希望有需要大气电场仪标校的用户单位，可以定期送去进行标校。借此也呼吁相关管理机构尽早出台标校技术规范或标准，使得大气电场仪标校规范化。

［1］ 陆新义，文元利，郭鹏，等.场磨式大气电场仪干扰环境定性测量［C］.第七届中国国际防雷论坛论文摘编.2008:121－123.

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