PL192704B1 - Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza - Google Patents

Abstract

Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, wokół jego ostrza zaopatrzony w elektrodę Franklina połączoną z ziemią i układem elektronicznym, znamienny tym, że składa się z głównej elektrody jonizacyjnej (1) zaopatrzonej w elektrodę przeskoku (2), połączonej szeregowo poprzez cewkę (3) i iskrownik (4) z ziemią (6) oraz z co najmniej jednej elektrody zbiorczej (7) połączonej bezpośrednio z ziemią (6), przy czym elektroda zbiorcza (7) usytuowana jest naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, zabezpieczający budowle przed wyładowaniami atmosferycznymi.

W pewnych warunkach atmosferycznych tworzą się chmury z nagromadzonym w sobie ładunkiem elektrycznym ujemnym skierowanym w kierunku ziemi. W przypadku gdy ładunek ten jest zbyt duży, a wytworzone przez niego natężenie pola elektrycznego przekroczy pewien próg, to następuje wyładowanie elektryczne zupełne, czyli przeskok iskrowy. Pierwszy taki przeskok powoduje zjonizowanie atomów powietrza na długości rzędu 10-20 m, po czym sukcesywnie następują kolejne przeskoki jonizując kolejne atomy, doprowadzając do jonizacji lawinowej, a po dotarciu do ziemi następuje gwałtowne rozładowanie i przepływ ładunków dodatnich zgromadzonych w ziemi w kierunku chmury z ładunkami ujemnymi.

Celem ukierunkowania wyładowania elektrycznego i kontroli przepływu tego ładunku z powstałej chmury w kierunku ziemi stosowane są piorunochrony o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych.

Znany powszechnie piorunochron Franklina o najprostszej konstrukcji stanowi zaostrzony na jednym końcu pręt metalowy połączony z ziemią. Ostrze tego pręta umieszczone w silnym polu elektrycznym powoduje jonizację powietrza w przestrzeni otaczającej to ostrze. Jego zasada działania polega na tym, że tworzą się dwa kanały przewodzące powstałe jony - pierwszy ujemny od chmury w kierunku ziemi i drugi dodatni z pewnym opóźnieniem od ostrza piorunochronu w kierunku chmury, przy czym im wyżej nastąpi ich spotkanie tym skuteczność tego piorunochronu jest większa. Jednocześnie stwierdzono, że skuteczność piorunochronu jest tym większa im szybciej nastąpi jonizacja wokół jego ostrza, dając początek wytwarzania się drugiego kanału przewodzącego w kierunku chmury, przy czym istnieją różne znane metody podniesienia tej skuteczności.

Jedna z tych metod polega na jonizowaniu powietrza za pomocą źródła radioaktywnego, mającego na celu wytworzenie wolnych ładunków elektrycznych wokół ostrza piorunochronu. Wadą tego rozwiązania jest to, że w momencie uderzenia pioruna następuje rozerwanie się elementu radioaktywnego powodując skażenie radioaktywne atmosfery.

Inna znana metoda powodująca przyśpieszenie jonizacji powietrza polega na jonizacji za pomocą piezoelektryka połączonego z ziemią, w który zaopatrzony jest zaostrzony zwód piorunochronu oraz dodatkowy przewód elektryczny. Zasada działania tego piorunochronu polega na przetwarzaniu ruchów mechanicznych wywoływanych siłą wiatru zwodu piorunochronu w impulsy wysokiego napięcia jonizujące powietrze pod wpływem nacisków tego zwodu na piezoelektryk. Jednakże piorunochron ten spełnia swoją funkcję tylko w przypadku występowania wiatru.

Znana jest również metoda przyspieszonej jonizacji powietrza za pomocą impulsów elektrycznych wokół ostrza piorunochronu, które odizolowane jest od ziemi kondensatorem z układem elektronicznym. Przy tej metodzie ostrze piorunochronu ładuje się elektrycznie w czasie burzy, a zebrany ładunek elektryczny jest gromadzony w kondensatorze układu elektronicznego, po czym jest on przetwarzany na impuls wysokonapięciowy, podnoszący potencjał elektryczny ostrza, przyśpieszając wokół niego jonizację powietrza, a w momencie wyładowania pioruna następuje wyładowanie elektryczne pomiędzy elektrodami kondensatora. Wadą tego piorunochronu jest to, że elektrody kondensatora nie są połączone z sobą elementem metalowym, w związku z czym w przypadku uszkodzenia układu elektronicznego piorunochron ten staje się zupełnie nieskuteczny.

Znana jest także metoda przyśpieszania jonizacji powietrza wokół ostrza piorunochronu stanowiącego elektrodę główną za pomocą dodatkowych dwóch elektrod usytuowanych poniżej ostrza, w której elektrody i ostrze połączone są z ziemią poprzez układ elektroniczny zawierający elektrody zbierające. Elektrody te zbierają ładunki elektryczne przetwarzane przez układ elektroniczny w wysokie napięcie dostarczone do elektrod bocznych powodujących jonizację powietrza w pobliżu ostrza elektrody głównej. W metodzie tej następuje jonizowanie powietrza przez elektrody boczne poniżej elektrody głównej (ostrza) piorunochronu uniemożliwiając dostęp wszystkich ładunków elektrycznych w otoczenie ostrza elektrody głównej, co ogranicza skuteczność działania tego piorunochronu.

Istota rozwiązania piorunochronu polega na tym, że składa się z głównej elektrody jonizacyjnej zaopatrzonej w elektrodę przeskoku, połączonej szeregowo poprzez cewkę i iskrownik z ziemią oraz z co najmniej jednej elektrody zbiorczej połączonej bezpośrednio z ziemią, przy czym elektroda zbiorcza usytuowana jest naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku, przy czym iskrownik złożony jest z ostrza oraz usytuowanej naprzeciw niego elektrody płaskiej.

PL 192 704 B1

Odmiana rozwiązania konstrukcyjnego piorunochronu według wynalazku polega na tym, że składa się z głównej elektrody jonizacyjnej zaopatrzonej w elektrodę przeskoku połączonej szeregowo poprzez cewkę i iskrownik z ziemią, elektrody zbiorczej połączonej bezpośrednio z ziemią usytuowanej naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku oraz układu elektronicznego złożonego z elementu optycznego, połączonego z bazą tranzystora, którego kolektor połączony jest z jednym końcem uzwojenia cewki tworzącej wraz z cewką transformator, a drugi koniec uzwojenia cewki połączony jest szeregowo poprzez rezystor i źródło zasilające z elementem optycznym, przy czym w obwód elektryczny tego układu pomiędzy drugi koniec cewki i rezystor oraz pomiędzy element optyczny i źródło zasilające włączone są połączone z sobą szeregowo kondensatory dołączone do masy układu elektronicznego.

Korzystnym jest gdy element optyczny piorunochronu usytuowany jest w pobliżu i naprzeciw iskrownika, a główna elektroda jonizacyjna połączona jest z ziemią tylko poprzez cewkę stanowiącą wraz z cewką układu elektronicznego transformator, a ponadto piorunochron ten posiada dodatkową elektrodę jonizacyjną połączoną poprzez cewkę i iskrownik z ziemią, oraz posiada więcej niż jedną elektrodę zbiorczą, przy czym iskrownik złożony jest z ostrza oraz usytuowanej naprzeciw niego elektrody płaskiej.

W piorunochronie tym cewka układu elektronicznego o małej ilości zwojów stanowi uzwojenie pierwotne transformatora, a cewka głównej elektrody jonizacyjnej o większej ilości zwojów stanowi uzwojenie wtórne tego transformatora.

Zasadniczą zaletą rozwiązania konstrukcyjnego piorunochronu według wynalazku jest to, że w chwili schodzenia pioruna prąd płynący w cewce elektrody jonizacyjnej gwałtownie wzrasta, w związku z czym cewka ta blokuje jego przepływ przez iskrownik ochraniając jego ostrze przed zniszczeniem, natomiast przepływ prądu odbywa się pomiędzy elektrodą przeskoku i elektrodą zbiorczą, co powoduje również ochronę przed zniszczeniem ostrza głównej elektrody jonizacyjnej.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza w ujęciu schematycznym, fig.2 - układ ideowy piorunochronu o intensywniejszej jonizacji powietrza stosowany w sytuacji, gdy piorun znajduje się w odległości krytycznej od tego piorunochronu, a fig. 3 - odmianę układu ideowego piorunochronu stosowanego w sytuacji, gdy piorun znajduje się w odległości krytycznej od piorunochronu.

Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza przedstawiony na fig. 1 składa się z głównej elektrody jonizacyjnej 1 zaopatrzonej w elektrodę przeskoku 2 połączonej szeregowo poprzez cewkę 3, iskrownik 4 i podstawę metalową 5z ziemią 6 oraz z elektrody zbiorczej 7, połączonej bezpośrednio za pomocą przewodu z ziemią 6, przy czym elektroda zbiorcza 7 usytuowana jest naprzeciw elektrody przeskoku 2 w odległości L wynoszącej 2-20 mm, korzystnie 5 mm, natomiast wysokość H elektrody jonizacyjnej 1 wynosi 100-300 mm, korzystnie 150 mm. Dolne końce elektrody jonizacyjnej 1wraz z cewką 3, iskrownikiem 4 oraz elektrody zbiorczej 7 wraz z jej przewodem 8 umieszczone są w obudowie izolacyjnej 9, spoczywającej na podstawie metalowej 5 połączonej z ziemią 6. Korzystnym jest również, gdy cewka 3 zaopatrzona jest w rdzeń ferrytowy 10 oraz gdy piorunochron posiada większą ilość elektrod zbiorczych 7, a główna elektroda jonizacyjna 1 posiada większą ilość elektrod przeskoku 2. Iskrownik 4 złożony jest z usytuowanych naprzeciw siebie ostrza 11i elektrody płaskiej 12, przy czym w innych przykładach wykonania nie pokazanych na rysunkach iskrownik składa się z dwóch usytuowanych naprzeciw siebie ostrz, płyt lub elementów walcowych. Korzystnym jest gdy ostrze iskrownika 4 połączone jest z częścią zanurzoną w polu elektrycznym, a jego płyta jest uziemiona.

Iskrownik 4 powodujący wzmocnienie pola elektrycznego wokół jego ostrza inicjuje jonizację powietrza pomiędzy jego ostrzem 11i elektrodą płaską 12, a zakumulowany wokół nich ładunek elektryczny w procesie tej jonizacji przenoszony jest na główną elektrodę jonizacyjną 1. Z kolei w momencie schodzenia „pioruna” prąd płynący w cewce 3 szybko narasta, w wyniku czego cewka ta blokuje przepływ przez iskrownik 4, ochraniając jego ostrze 11 przed zniszczeniem, powodując, że przepływ prądu wywołany piorunem odbywa się pomiędzy elektrodą przeskoku 2 i elektrodą zbiorczą 7.

W drugim wykonaniu przedstawionym na fig. 2 piorunochron składa się z głównej elektrody jonizacyjnej 1, zaopatrzonej w elektrodę przeskoku 2 połączonej szeregowo poprzez cewkę 3 i iskrownik 4 z ziemią 6 oraz z elektrody zbiorczej 7 połączonej bezpośrednio z ziemią 6 i układu elektronicznego 13, przy czym elektroda zbiorcza usytuowana jest w pobliżu i naprzeciw elektrody przeskoku 2. Z kolei układ elektroniczny tego piorunochronu składa się z elementu optycznego 14 usytuowanego w pobliżu oraz naprzeciw iskrownika 4 i połączonego z bazą tranzystora 15, którego kolektor połączony jest z jednym końcem uzwojenia cewki 16 usytuowanej w pobliżu i naprzeciw cewki 3 elektrody jonizacyjnej 1. Drugi koniec cewki 16 połączony jest szeregowo poprzez rezystor 17 i źródło zasilające 18

PL 192 704 B1 z elementem optycznym 14, przy czym w obwód elektryczny tego układu pomiędzy drugi koniec cewki 16 i rezystor 17 oraz pomiędzy element optyczny 14 i źródło zasilające 18 włączone są kondensatory 19 połączone z sobą szeregowo i dołączone są do masy 20 układu elektronicznego 13. W piorunochronie tym cewka 16 układu elektronicznego 13 wraz z cewką 3 elektrody jonizacyjnej 1 tworzą transformator 21, przy czym cewka 16 o małej ilości zwojów wynoszącej 10-100 zwojów stanowi uzwojenie pierwotne, a cewka 3 o dużej ilości zwojów wynoszącej 1.000-10.000 zwojów stanowi uzwojenie wtórne tego transformatora. Źródłem zasilającym 18 układu elektronicznego 13 jest źródło lokalne będące baterią lub akumulatorem 22, przy czym układ ten może być zasilany również prądem elektrycznym z zewnątrz. Iskrownik 4 złożony jest z usytuowanych naprzeciw siebie ostrza 11 i płyty 12, przy czym w innych przykładach wykonania nie pokazanych na rysunkach iskrownik składa się z dwóch usytuowanych naprzeciw siebie ostrz, płyt lub elementów walcowych. Korzystnym jest gdy ostrze iskrownika 4 połączone jest z częścią zanurzoną w polu elektrycznym, a jego płyta jest uziemiona.

W trzecim wykonaniu przedstawionym na fig. 3 piorunochron różni się tym od piorunochronu przedstawionego na fig. 2, że zaopatrzony jest w dodatkową elektrodę 23 połączoną szeregowo poprzez cewkę 3 i iskrownik 4 z ziemią 6, a główna elektroda jonizacyjna 24 połączona jest tylko poprzez cewkę 25 z ziemią 6, przy czym element optyczny 14 usytuowany jest w pobliżu i naprzeciw iskrownika 4 dodatkowej elektrody 23, a transformator 21 stanowi cewka 25 głównej elektrody jonizacyjnej 24 oraz cewka 16 układu elektronicznego 13.

W rozwiązaniu piorunochronu przedstawionego w przykładach wykonania na fig. 2 i 3 element optyczny 14 w momencie pojawienia się iskry elektrycznej w iskrowniku 4 powoduje zadziałanie transformatora 21, który z kolei powoduje impulsowy przepływ prądu z kondensatorów 19 poprzez uzwojenie pierwotne cewki 16, w wyniku czego na uzwojeniu wtórnym cewki 3 indukuje się impuls napięciowy rzędu 10 kV powodujący przyspieszoną jonizację powietrza wokół głównej elektrody jonizacyjnej 1. Kondensatory 19 są ładowane poprzez rezystor 17z lokalnego źródła zasilającego 18 lub z zewnętrznego źródła zasilającego.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, wokół jego ostrza zaopatrzony w elektrodę Franklina połączoną z ziemią i układem elektronicznym, znamienny tym, że składa się z głównej elektrody jonizacyjnej (1) zaopatrzonej w elektrodę przeskoku (2), połączonej szeregowo poprzez cewkę (3) i iskrownik (4) z ziemią (6) oraz z co najmniej jednej elektrody zbiorczej (7) połączonej bezpośrednio z ziemią (6), przy czym elektroda zbiorcza (7) usytuowana jest naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku (2).
2. 2. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że iskrownik (4) złożony jest z ostrza (11) i usytuowanej naprzeciw niego elektrody płaskiej (12).
3. 3. Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza wokół jego ostrza zaopatrzony w elektrodę Franklina połączoną z ziemią i układem elektronicznym, znamienny tym, że składa się z głównej elektrody jonizacyjnej (1) zaopatrzonej w elektrodę przeskoku (2) połączonej szeregowo poprzez cewkę (3) i iskrownik (4) z ziemią (6), elektrody zbiorczej (7) połączonej bezpośrednio z ziemią (6) usytuowanej naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku (2) oraz układu elektronicznego (13) złożonego z elementu optycznego (14), połączonego z bazą tranzystora (15), którego kolektor połączony jest z jednym końcem uzwojenia cewki (16) tworzącej wraz z cewką (3) transformator (21), a drugi koniec uzwojenia cewki (16) połączony jest szeregowo poprzez rezystor (17) i źródło zasilające (18) z elementem optycznym (14), przy czym w obwód elektryczny tego układu pomiędzy drugi koniec cewki (16) i rezystor (17) oraz pomiędzy element optyczny (14) i źródło zasilające (18) włączone są połączone ze sobą szeregowo kondensatory (19) dołączone do masy (20) układu elektronicznego (13).
4. 4. Piorunochron według zastrz. 3, znamienny tym, że element optyczny (14) usytuowany jest w pobliżu i naprzeciw iskrownika (4).
5. 5. Piorunochron według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że iskrownik (4) złożony jest z ostrza (11) oraz usytuowanej naprzeciw niego elektrody płaskiej (12).
6. 6. Piorunochron według zastrz. 3, znamienny tym, że cewka (16) układu elektronicznego (13) o małej ilości zwojów stanowi uzwojenie pierwotne transformatora (21), a cewka (3) głównej elektrody jonizacyjnej (1) o większej ilości zwojów stanowi uzwojenie wtórne tego transformatora.

   PL 192 704 B1
7. 7. Piorunochron według zastrz. 3, znamienny tym, że ma główną elektrodę jonizacyjną (24) połączoną z ziemią (6) tylko poprzez cewkę (3) stanowiącą wraz z cewką (3) układu elektronicznego (13) transformator (21) oraz dodatkową elektrodę jonizacyjną (23) połączoną poprzez cewkę (24) i iskrownik (14) z ziemią (6).
8. 8. Piorunochron według zastrz. 3, znamienny tym, że posiada więcej niż jedną elektrodę zbiorczą (7).