淺談靜電對氣象儀器的不利影響及解決方法

祝傳棟+趙德林（等）

【摘 要】靜電產(chǎn)生的電荷不斷積累，會對氣象儀器的性能造成不利影響，而氣象儀器的性能又會影響氣象觀測資料的完整性與準確性，從而對天氣預(yù)報與氣候預(yù)測的效果產(chǎn)生負面影響。通過對氣象儀器方面的靜電研究，來提高氣象儀器的測量精確度，提高氣象儀器的使用壽命，更好地對氣象儀器進行維護與保養(yǎng)，減少對氣象儀器的維修護理費用，極大地保證氣象數(shù)據(jù)資料的完整性與準確性 。同時進一步提高氣象監(jiān)測預(yù)報的準確性，做好災(zāi)害性、關(guān)鍵性、轉(zhuǎn)折性天氣預(yù)報服務(wù)工作，提高氣象服務(wù)的社會經(jīng)濟效益。本文首先通過靜電產(chǎn)生的機理的分析，然后分析靜電對氣象儀器的影響，最后針對性的設(shè)計出適用于消除氣象儀器在使用過程中所產(chǎn)生的靜電。

【關(guān)鍵詞】靜電；氣象儀器；觀測資料；氣象服務(wù)

0 序言

氣象儀器的基本作用就是對大氣中的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)等氣象要素進行觀測與記錄。而隨著氣象科技的發(fā)展，氣象儀器逐步實現(xiàn)電子化、智能化，尤其是自動觀測站的氣象觀測儀器。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)成的氣象儀器會自發(fā)的產(chǎn)生靜電電荷，并不斷積累，進而影響觀測的有效性與準確性，從而使觀測到的氣象數(shù)據(jù)與大氣的真實狀態(tài)有一定程度的偏差。而天氣預(yù)報或者氣候預(yù)測對初始資料的準確性有高度的依賴性，如果氣象資料的準確性不能保證的話，那么對資料的再分析就會失去意義，天氣預(yù)報及氣候預(yù)測的水平肯定會受到一定影響。因此消除靜電對氣象儀器的影響是非常有必要的，它對于提高預(yù)報的準確性，提高公共氣象服務(wù)水平以及社會經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 靜電產(chǎn)生的機制

1.1 微觀機制

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電的電子組成，而原子的原子核外面有位于不同能級的電子繞其運動。當(dāng)原子失去電子時則會帶正電，原子獲得電子時則會帶負電。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使得兩個物體的電荷重新分布，一個物體由于得到電子而帶負電荷，另一個物體由于失去電子而帶正電荷[1]。任何氣體、固體、液體都會因接觸分離而產(chǎn)生靜電。大氣是流動的氣體，它也是由原子、分子組成的，當(dāng)空氣流動時，它會與其接觸的任何物體間產(chǎn)生接觸分離而起電。

2 對氣象儀器的實例分析

2.1 電傳式風(fēng)向風(fēng)速計

圖1

這種風(fēng)速計由風(fēng)標、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，風(fēng)標會轉(zhuǎn)動，風(fēng)標轉(zhuǎn)動會在阻力圈中激發(fā)出磁場，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，積累到一定程度后，靜電電荷會迅速釋放，產(chǎn)生很高的靜電電流以及靜電電壓。由于此類風(fēng)速計是通過將由風(fēng)標旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電流或者電壓換算為風(fēng)速來測風(fēng)的，故靜電電壓疊加在其上會對風(fēng)速記錄值的準確性有一定影響；當(dāng)空氣濕度較低時，空氣與電子元件的接觸面也會產(chǎn)生靜電，由于此風(fēng)速計大部分是電子元件，故會受此影響。

2.2 空盒氣壓表

圖2

空盒氣壓表是以金屬彈性膜盒作為感應(yīng)元件，利用金屬彈力和大氣壓力相平衡的原理來測定氣壓。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，在金屬彈性膜上易產(chǎn)生并積累靜電電荷，當(dāng)積累足夠多時，會對彈性膜的上下運動產(chǎn)生阻礙，這種作用類似于塑料與毛皮作用時，塑料對毛皮產(chǎn)生一定的吸附作用，故使得其運動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 直接日射強度表

圖3

直接日射強度表由進光筒、瞄準器、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。其測量太陽輻射的基本原理是通過感應(yīng)面接受太陽輻射，然后熱電堆將輻射能轉(zhuǎn)化為電流強度來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，因此產(chǎn)生的靜電電流會疊加其上，使檢流計測出的由太陽輻射產(chǎn)生的電流偏大或者偏小。

3 對氣象儀器產(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導(dǎo)電性會加強，當(dāng)空氣中濕度較高時，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，靜電電荷是很難積累的。只有當(dāng)空氣濕度很低時才會產(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 觀測人員自身攜帶靜電對氣象儀器的影響

在地面觀測中，很多氣象要素都需要氣象觀測人員親自去讀取的，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使氣象儀器表面的靜電電荷重新分布，使氣象儀器的觀測準確度降低。

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，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)稱為大氣邊界層，當(dāng)大氣邊界層內(nèi)的溫度較高時，邊界層內(nèi)的水汽被大量蒸發(fā)，通過湍流運動輸送到自由大氣，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相關(guān)的，當(dāng)空氣濕度達到60%以上時，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適當(dāng)增濕的方法來消除靜電的影響，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)計防靜電系統(tǒng)，對金屬氣象儀器進行接地處理。處理過程需要注意的方面：①防靜電地線不能接在電源零線上，同時注意不要與氣象觀測場的防雷地線一起使用，由于雷擊會影響整個回路，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，在同一點經(jīng)過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)與檢測方法可參照氣象部門基本規(guī)范。

4.3 觀測環(huán)境方面

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

5 結(jié)論

通過對靜電對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)生靜電的外部原因為空氣干燥和氣象觀測人員自身攜帶靜電的影響，內(nèi)部原因為本身所含電子元件在工作中不可不免地產(chǎn)生靜電。消除氣象儀器所帶靜電的方法：首先是對氣象儀器外殼進行接地處理，其次是對某些氣象儀器外圍小范圍環(huán)境進行增濕處理，最后是要求氣象觀測人員統(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，但它所帶來的各方面效益卻是長期的。第一，在消除靜電的同時也是在對氣象儀器進行防護；第二，消除靜電的影響可以提高氣象儀器的工作性能，使氣象觀測數(shù)據(jù)更加準確；第三，氣象觀測資料的準確度提高了，可以在一定程度上提高氣象要素初始場的穩(wěn)定性，對于的天氣預(yù)報與氣候預(yù)測水平的提高有促進作用，對公共氣象氣象服務(wù)水平的提高有重要意義。

【參考文獻】

[1]林鵬.淺談靜電對氣象制氫、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，2002（003）.

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

[5]朱壽會.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）.

[責(zé)任編輯：丁艷]

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相關(guān)的，當(dāng)空氣濕度達到60%以上時，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適當(dāng)增濕的方法來消除靜電的影響，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)計防靜電系統(tǒng)，對金屬氣象儀器進行接地處理。處理過程需要注意的方面：①防靜電地線不能接在電源零線上，同時注意不要與氣象觀測場的防雷地線一起使用，由于雷擊會影響整個回路，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，在同一點經(jīng)過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)與檢測方法可參照氣象部門基本規(guī)范。

4.3 觀測環(huán)境方面

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

5 結(jié)論

通過對靜電對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)生靜電的外部原因為空氣干燥和氣象觀測人員自身攜帶靜電的影響，內(nèi)部原因為本身所含電子元件在工作中不可不免地產(chǎn)生靜電。消除氣象儀器所帶靜電的方法：首先是對氣象儀器外殼進行接地處理，其次是對某些氣象儀器外圍小范圍環(huán)境進行增濕處理，最后是要求氣象觀測人員統(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，但它所帶來的各方面效益卻是長期的。第一，在消除靜電的同時也是在對氣象儀器進行防護；第二，消除靜電的影響可以提高氣象儀器的工作性能，使氣象觀測數(shù)據(jù)更加準確；第三，氣象觀測資料的準確度提高了，可以在一定程度上提高氣象要素初始場的穩(wěn)定性，對于的天氣預(yù)報與氣候預(yù)測水平的提高有促進作用，對公共氣象氣象服務(wù)水平的提高有重要意義。

【參考文獻】

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[3]何魯敏.干燥和靜電[J].中華建筑報，2002（003）.

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

[5]朱壽會.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）.

[責(zé)任編輯：丁艷]

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相關(guān)的，當(dāng)空氣濕度達到60%以上時，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適當(dāng)增濕的方法來消除靜電的影響，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)計防靜電系統(tǒng)，對金屬氣象儀器進行接地處理。處理過程需要注意的方面：①防靜電地線不能接在電源零線上，同時注意不要與氣象觀測場的防雷地線一起使用，由于雷擊會影響整個回路，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，在同一點經(jīng)過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)與檢測方法可參照氣象部門基本規(guī)范。

4.3 觀測環(huán)境方面

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

5 結(jié)論

通過對靜電對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)生靜電的外部原因為空氣干燥和氣象觀測人員自身攜帶靜電的影響，內(nèi)部原因為本身所含電子元件在工作中不可不免地產(chǎn)生靜電。消除氣象儀器所帶靜電的方法：首先是對氣象儀器外殼進行接地處理，其次是對某些氣象儀器外圍小范圍環(huán)境進行增濕處理，最后是要求氣象觀測人員統(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，但它所帶來的各方面效益卻是長期的。第一，在消除靜電的同時也是在對氣象儀器進行防護；第二，消除靜電的影響可以提高氣象儀器的工作性能，使氣象觀測數(shù)據(jù)更加準確；第三，氣象觀測資料的準確度提高了，可以在一定程度上提高氣象要素初始場的穩(wěn)定性，對于的天氣預(yù)報與氣候預(yù)測水平的提高有促進作用，對公共氣象氣象服務(wù)水平的提高有重要意義。

【參考文獻】

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

[5]朱壽會.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）.

[責(zé)任編輯：丁艷]