浅谈静电对气象仪器的不利影响及解决方法

祝传栋 赵德林 杨凤婷 袁马强

（1.南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京210044；2.南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京210044）

0 序言

气象仪器的基本作用就是对大气中的温度、湿度、气压、风等气象要素进行观测与记录。 而随着气象科技的发展，气象仪器逐步实现电子化、智能化，尤其是自动观测站的气象观测仪器。 凡是电子产品，都难以避免静电的不利影响，故由电子元件构成的气象仪器会自发的产生静电电荷，并不断积累，进而影响观测的有效性与准确性，从而使观测到的气象数据与大气的真实状态有一定程度的偏差。而天气预报或者气候预测对初始资料的准确性有高度的依赖性，如果气象资料的准确性不能保证的话，那么对资料的再分析就会失去意义，天气预报及气候预测的水平肯定会受到一定影响。因此消除静电对气象仪器的影响是非常有必要的，它对于提高预报的准确性，提高公共气象服务水平以及社会经济效益具有重要意义。

1 静电产生的机制

1.1 微观机制

所有物质都是由分子组成，原子又构成分子，原子由带正电的电子与带负电的电子组成，而原子的原子核外面有位于不同能级的电子绕其运动。 当原子失去电子时则会带正电，原子获得电子时则会带负电。 这种不平衡电子分布是由电子受外力而脱离轨道引起的。

1.2 宏观机制

产生静电的途径主要有四种:①电磁感应造成的物体表面电荷的不平衡分布；②物体间摩擦生热，激发电子使其向更高能级跃迁甚至逃逸；③物体间相互接触可引发电荷在物体表面的不均匀分布；④物体间摩擦与电磁感应综合作用产生静电。

两种不同物体相互接触会使得两个物体的电荷重新分布，一个物体由于得到电子而带负电荷，另一个物体由于失去电子而带正电荷[1]。任何气体、固体、液体都会因接触分离而产生静电。大气是流动的气体，它也是由原子、分子组成的，当空气流动时，它会与其接触的任何物体间产生接触分离而起电。

2 对气象仪器的实例分析

2.1 电传式风向风速计

图1

这种风速计由风标、发光管、光敏管、阻力圈等部件组成。 其中的发光管、光敏管和阻力圈为电子元件。

当有风时，风标会转动，风标转动会在阻力圈中激发出磁场，由于电磁感应效应也能激发产生静电电荷，当静电电荷不断积累时，积累到一定程度后，静电电荷会迅速释放，产生很高的静电电流以及静电电压。由于此类风速计是通过将由风标旋转产生的电流或者电压换算为风速来测风的，故静电电压叠加在其上会对风速记录值的准确性有一定影响；当空气湿度较低时，空气与电子元件的接触面也会产生静电，由于此风速计大部分是电子元件，故会受此影响。

2.2 空盒气压表

图2

空盒气压表是以金属弹性膜盒作为感应元件，利用金属弹力和大气压力相平衡的原理来测定气压。感应元件是由两片金属膜焊接成的扁圆形空盒。当空气干燥时，在金属弹性膜上易产生并积累静电电荷，当积累足够多时，会对弹性膜的上下运动产生阻碍，这种作用类似于塑料与毛皮作用时，塑料对毛皮产生一定的吸附作用，故使得其运动速度更加滞后于大气气压的变化，使气压记录值偏离大气实际气压较大。 这种阻碍作用所产生的效果与弹性后效相近，也是空盒的弹性形变滞后于弹性受压作用。

2.3 直接日射强度表

图3

直接日射强度表由进光筒、瞄准器、感应件跟踪架组成。其中的感应件由感应面和热电堆组成。其测量太阳辐射的基本原理是通过感应面接受太阳辐射，然后热电堆将辐射能转化为电流强度来推算单位面积上所接受到的辐射能。 然而这种电学原理使它避免不了静电的影响，当感应元件与干燥的空气接触，同样易产生静电电荷，由于静电电荷具有快速释放的特点，因此产生的静电电流会叠加其上，使检流计测出的由太阳辐射产生的电流偏大或者偏小。

3 对气象仪器产生静电条件分析

3.1 空气湿度

大气中含有水汽，而水是一种导体，很多物体有水附着时导电性会加强，当空气中湿度较高时，气象仪器表面以及内部元件易附有一层很薄的水膜，水膜溶解空气中的二氧化碳，电离出大量的氢离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子[2]。这些离子使得气象仪器表面以及内部元件表面电阻率减小，使得静电电荷很快被导泄出去，不易积聚。所以在空气湿度较高时，静电电荷是很难积累的。 只有当空气湿度很低时才会产生静电电荷积累现象，故而，空气干燥是产生静电的基本条件

3.2 观测人员自身携带静电对气象仪器的影响

在地面观测中， 很多气象要素都需要气象观测人员亲自去读取的，由于人体常带有静电，人体与气象仪器发生间接或者直接接触均会使气象仪器表面的静电电荷重新分布，使气象仪器的观测准确度降低。

3.3 气温

气温通常与大气湿度是共同起作用的。当气温较高，空气较干时，气象仪器表面产生的静电电荷不易释放，并容易积聚，产生静电现象。大气可分为近地面层、上部摩擦层、自由大气，其中近地面层与上部摩擦层统称为大气边界层，当大气边界层内的温度较高时，边界层内的水汽被大量蒸发，通过湍流运动输送到自由大气，故使得大气下层空气湿度低，不易于气象仪器表面及内部元件静电电荷的导泄。

4 消除静电的方法

4.1 增加空气湿度

增加空气湿度仅仅限于那些受空气湿度影响不大的气象要素。[3]

表1

从上表可看出静电电压与空气湿度是呈负相关的，当空气湿度达到60%以上时，静电电压较干燥空气很小，物体表面的静电电荷可以被迅速导泻，不易积聚。 故某些气象仪器也可通过适当增湿的方法来消除静电的影响，使得虽有静电电荷，但难以产生静电现象。

4.2 接地处理

设计防静电系统，对金属气象仪器进行接地处理。 处理过程需要注意的方面：①防静电地线不能接在电源零线上，同时注意不要与气象观测场的防雷地线一起使用，由于雷击会影响整个回路，使气象仪器发生故障或者性能降低；②使用三相五线制供电，其中的大地线可以作为防静电地线，同时注意零线与地线不要混接；③要从电源主配电箱地线处直接引出零线的同时，在同一点经过1 兆欧电阻隔离后引出防静电地线的主干线，该主干线要采用截面积为5 平方毫米以上的铜芯橡皮软线；④防静电系统必须可靠，要求其具备独立而可靠的接地设备，接地电阻小于10 欧[4]。 埋设与检测方法可参照气象部门基本规范。

4.3 观测环境方面

对某些气象仪器的内部部件用防静电元件盒包裹，气象观测人员在对气象要素进行观测之前要统一穿戴防静电工作服、 防静电鞋，佩戴防静电腕带[5]。 气象观测人员尽量快速地完成对气象要素的记录工作，缩短与气象仪器的接触时间。

5 结论

通过对静电对气象仪器的不利影响的研究，总结出了气象仪器产生静电及静电积累的条件以及消除静电的方法。气象仪器易产生静电的外部原因为空气干燥和气象观测人员自身携带静电的影响，内部原因为本身所含电子元件在工作中不可不免地产生静电。消除气象仪器所带静电的方法：首先是对气象仪器外壳进行接地处理，其次是对某些气象仪器外围小范围环境进行增湿处理，最后是要求气象观测人员统一佩戴防静电工作服。 在消除气象仪器所产生的静电方面，虽然短期成本较高，但它所带来的各方面效益却是长期的。第一，在消除静电的同时也是在对气象仪器进行防护；第二，消除静电的影响可以提高气象仪器的工作性能，使气象观测数据更加准确；第三，气象观测资料的准确度提高了， 可以在一定程度上提高气象要素初始场的稳定性，对于的天气预报与气候预测水平的提高有促进作用，对公共气象气象服务水平的提高有重要意义。

［1］林鹏.浅谈静电对气象制氢、用氢的威胁及防范[J].气象，1988（04）.

［2］李家启.极端气象条件诱发的静电火灾事故分析与防范建议[J].气象科技，2013（02）.

［3］何鲁敏.干燥和静电[J].中华建筑报，2002（003）.

［4］贾九荣.浅谈电子产品静电及静电防护[J].机电元件，2011（01）.

［5］朱寿会.防静电器材的防静电原理及使用方法[J].电子工艺技术，1994（06）.