一、雷电监测及雷电预警系统结构
雷电监测及雷电预警系统作为探测大气中电场强度的主要仪器,在雷电监测和预警中起着重要作用,电场仪是一种高科技高集成度的大气探测设备,分为室外探头、仪器箱和室内数据处理显示ZX三部分。探头探测大气电场变化,由仪器箱中电路将探测结果进行模数转换,并和时间信息一起打包,通过RS-485串口或者无线GPRS方式远程传送给室内上位机。其系统结构如图1所示:
图1差分式大气电场仪结构框图
二、差分式大气电场仪的探头结构与探测原理
差分式大气电场仪传感器探头如图2所示,主要有动片、感应片、小叶片、光电开关和直流无刷电机组成。动片与小叶片形状相似,且上下位置对应一致,均固定在电机轴上,由无刷电机带动按一定的频率同时旋转。感应片为分离的四片,相对的两片为一组,分为A,B两组,每组的形状与动片完全相同,动片和感应片均选用黄铜材料制成。根据动态感应原理可知,无刷电机带动动片周期性的切割垂直入射在感应片上的电场线,则在感应片上产生周期性的微弱交流电流信号,并且A、B两组感应片上的感应电流信号的相位相差180度。同时,小叶片按同样的频率周期得通过光电开关的凹槽,发光二极管的光路就被周期切断或通过,使光电三极管处于导通和截止两种状态,从而产生一同步脉冲信号。电场仪探头实物图片如图3。
图2电场仪探头结构
图3、电场仪整体图
二、探测信号处理
大气电场仪前置放大电路的原理框图如图4,感应片上的微弱交流电流信号经I-V转换电路放大后变为交流电压信号,该电压信号和光电开关形成的同步信号一起送入相敏检波器,经检波辨别出电场的正负极性,检波后的信号经低通滤波、电压调整及偏移电路后,Z终得到与被测电场成线性关系的直流电压信号送AD转换器。
图4前置放大电路原理框图
四、大气电场仪的技术指标
性能参数
探测半径:15公里
电场范围:-50KV/m到+50KV/m
输出波特率:固定9600波特率
通信方式:有线RS485、无线GPRS
信号接口:DB9芯232、485接口
电场分辨率:<10V/m
工作环境:温度:-20℃到60℃
湿度:0%-
可靠性:显示电场变化
响应时间:1秒
电气参数
电机转速:600rpm
电源提供:±12V,AC/DC模块供电
电力消耗:<10W
设备外形参数:
安装高度:1500mm
重量:5kg
电场仪的安装
1、安装前注意事项
在安装电场侦测仪之前,建议按照流程调节“形状系数”。此形状系数调整可以补偿由侦测探头附近的地面设施和地理环境导致的电场强度线干扰而造成的测量误差。须注意侦测仪的供电功率需与其需求功率匹配,特别需要注意关于后备电池操作:UPS不间断电源必须提供至少两个小时的不间断电源操作。
将电场侦测仪安装在户外,位于支撑杆的顶端,输电电缆数据电缆从支撑杆的内管穿过并插入电场侦测探头内部的接口。需用螺丝锁紧支撑杆的固定环。
电场侦测探头必须没有被遮盖的安装在户外开阔地带,在安装电场侦测仪的过程中,以下状况是必须尽量避免的:
-各种性质的烟尘
-高压线下和靠近金属结构或桅杆结构
-过于靠近有叶树木
-车辆交通运输繁忙地带
2、接地互联
来自侦测仪和数据采集控制箱以及其它设备(自动控制设备,电脑)的所有地线需要尽可能的聚集在一起并接到相同的接地线上。无法做到以上这点并不会导致测量错误,但安装过程将存在安全问题。支撑杆必须用接地电缆和螺丝连接地基接地数据采集控制箱安装在室内,与电场侦测探头之间的电缆线长度不超过100米。请注意可以通过不同技术来达到更长的长度。将数据采集控制箱箱安装在垂直平面以保证其通风良好。穿过填压孔连接电缆。
3、功能检查
在安装好电场侦测探头和相关自动化仪器后,在电场侦测探头下放置一个蓄电物体来形成静电场(塑料袋等),以此来模拟雷雨静电场。逐级检查其阈值控制功能是否正常。
4、高度订正
对于非标准测量状态,如有一定高度,或有一个小立柱竖在地面上,或靠近一个天线杆或金属结构,静电场都会产生变形,其强度可能受一个较大常量和线性的因数影响。为了回到标准测量状态,需要在测量中加入一个形状系数:
E修正值=E测量值*形状系数(C)
根据定义,在距离地面一米高的立柱上的侦测探头,形状系数为1;当侦测探头被安装在楼房上或有一定海拔高度的位置,需要调节此系数。形状系数计算公式C=参照侦测探头测量值/需设置侦测探头测量值。如图所示:
5、电场仪安装要求:
1。电场仪探头安装在支架上,支架的垂直高度为1.5m
2。为保证电场仪安全测量,应安装接地装置并且接地电阻应小于50
3。连接到室内主机的数据线应穿钢管敷设
4。安装时探头的视野立体角应尽量大(Z小为90度),以保证天空和云层都在测量范围内(见图1)
图1探头的视野立体角要求
5.探头周围的空旷范围与安装高度的关系为:,见图2
图2空旷范围的确定
6、电场仪安装环境要求:
A、电场仪应在晴天进行安装
B、电场仪探头应安装与无遮挡以及周边无高大物体的室外
C、不得安装在发电机排气出口处,以及电线杆旁和高压线下
D、在非正常情况下、在突起于地面、在靠近天线杆或其他设备时,场强及其测试数据有可能会被严重干扰
E、有线方式下,室外电场仪探头至室内主机的布线距离不超过40m