PL226103B1 - Sposob i urzadzenie do pomiaru wielkosci natezenia pola elektrycznego podczas wystepowania chmur burzowych nad powierzchnia monitorowanego obiektu budowlanego, zabezpieczanego przed skutkami wyladowan atmosferycznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad powierzchnią monitorowanego obiektu budowlanego, zabezpieczanego przed skutkami wyładowań atmosferycznych.

W warunkach pogodowych bez chmur pomiędzy jonosferą i ziemią istnieje pole elektryczne o natężeniu wynoszącym około 100 V/m, przy czym na powierzchni ziemi jest zgromadzony ładunek ujemny, wynikający z oddziaływania dodatniego ładunku jonosfery. Z kolei w warunkach burzowych chmury są naładowane ładunkiem elektrycznym, które w klimacie umiarkowanym w dolnych ich warstwach posiadają ładunek ujemny, zaś w klimacie tropikalnym ładunek dodatni. W wyniku istnienia ładunku elektrycznego w chmurze burzowej natężenie pola elektrycznego zarówno nad lub na powierzchni ziemi ulega zmianie i przekracza wartość 1000 V/m, a stwierdzono, że uderzenie pioruna jest poprzedzone przyrostem natężenia pola elektrycznego nad lub na powierzchni ziemi dochodzącym nawet do 15000 V/m.

Dlatego też bardzo ważna jest informacja o wartości natężenia pola elektrycznego, która może zapobiegać zagrożeniom wyładowania atmosferycznego, a tym samym zapewnić ochronę mienia i życia człowieka, zwłaszcza w przypadkach:

- dużego zgrupowania ludzi na stadionach, placach i obiektach rekreacyjnych wymagającego wcześniejszej ich ewakuacji,

- stacji przeładunkowych materiałów łatwo palnych i/lub niebezpiecznych,

- sal operacyjnych w sytuacjach, wymagających wcześniejszego ich przełączenia na zasilanie awaryjne,

- budynków pozbawionych obecności obsługi mogącej w razie potrzeby wyłączyć i załączyć zasilanie elektryczne.

Znane są urządzenia ostrzegawcze o narastaniu wielkości natężenia pola elektrycznego nad lub na ziemi w warunkach burzowych chmur. Jednym z nich jest urządzenie ostrzegawcze, które pozwala tylko na lokalizację wyładowań i śledzenie przemieszczania się chmur burzowych, których działanie oparte jest na pomiarach fal elektromagnetycznych przez wyładowanie atmosferyczne typu chmura - ziemia, lub chmura - chmura. Innymi znanymi rozwiązaniami pozwalającymi na pomiar lokalnego pola magnetycznego na ziemi lub nad powierzchnią ziemi są tak zwane „młynki pola elektrycznego” oraz „układy z wibrującą elektrodą”. Są to urządzenia mające zastosowanie do ostrzegania lokalnego, cechujące się dużo większą precyzją ostrzeżeń przed nadchodzącą burzą od urządzeń opartych na pomiarach fal elektromagnetycznych. Rozwiązanie oparte na młynku pola elektrycznego posiada elektrodę pomiarową umieszczoną w badanym polu elektrycznym i wyposażone jest w ruchomą przesłonę, która odcina pole magnetyczne w momencie jej zamknięcia i pojawienia się na elektrodzie poziomej pola elektrycznego w momencie jej otwarcia, przy czym zmiana ta generuje sygnał elektryczny dający obraz istniejącego pola elektrycznego. Z kolei urządzenie stanowiące układ z elektrodą wibrującą posiada elektrodę membranową umieszczoną w badanym polu elektrycznym, która w wyniku wibracji zmienia odległość od elektrody mającej stały potencjał, zmieniając pojemność tak utworzonego kondensatora, przy czym zmiana ta generuje sygnał elektryczny dający obraz istniejącego pola elektrycznego. Przytoczone wyżej rozwiązanie pomimo powszechnego jego stosowania posiada istotną wadę polegającą na tym, że pomiar pola elektrycznego odbywa się bezpośrednio w tym polu, co powoduje, że dla układu pomiarowego oprócz elektrycznego pola mierzonego przekazywane jest także pole elektryczne zakłócające pole rzeczywiste. Suma tych dwóch pól stanowi pole wypadkowe, którego wynikiem jest sygnał elektryczny obarczony dużymi zakłóceniami. Z kolei odzyskanie sygnału od pola rzeczywistego to jest pola elektrostatycznego lub wolnozmiennego, którego źródłem jest ładunek elektryczny chmury burzowej wymaga obróbki numerycznej, co zwiększa koszt tego urządzenia.

Znane są także metody rejestracji wyładowań atmosferycznych, z których pierwsza polegająca na monitorowaniu aktywności burzowej, opiera się na optycznych obserwacjach satelitarnych błyskawic powstających w chmurach burzowych. Dostarcza ona szczegółowych informacji z obszaru obserwowanego w danym momencie przez instrumenty umieszczone na satelicie. Druga z tych metod śledzenia burz polega na detekcji sygnałów elektrostatycznych generowanych przez wyładowania atmosferyczne w zakresach radiowych VLF, HF i VHF. Metoda ta pozwala na ocenę intensywności wyładowań oraz ich położenia, a jej wadą jest zasięg sygnałów, które na tych zakresach częstotliwości są odbierane w odległościach do kilkuset kilometrów w zakresie HF i kilku tysięcy kilometrów w zakresie

PL 226 103 B1

VLF, a pokrycie stacjami obserwacyjnymi dużych obszarów wymaga gęstego rozmieszczenia stacji śledzących. Z kolei istniejący i najbardziej obecnie rozbudowany system monitoringu oparty jest na analizie sygnałów rejestrowanych jednocześnie w zakresie VLF i HF, przy czym obejmuje on jedynie wysoko rozwinięte kraje, pokrywając niewielki procent powierzchni Ziemi, natomiast trzecia z powyższych metod oparta jest na śledzeniu sygnałów wyłącznie w zakresie VLF, dla której zasięg pojedynczej stacji dochodzi do tysiąca kilometrów.

Przedstawione powyżej metody obserwacji wyładowań atmosferycznych z uwagi na duży koszt instalacji nie pozwalają na monitoring globalnej aktywności burzowej całego obszaru Ziemi. Poza tym żadna z tych metod nie pozwala na uzyskanie 100% skuteczności detekcji wyładowań, a obecnie szacuje się, że ich skuteczność sięga 60% do 80%, w zależności od zastosowanej metody oraz zastosowanych skomplikowanych i kosztownych algorytmów analizy sygnału.

Z kolei znany z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr P-382624 sposób monitorowania aktywności na powierzchni ziemi w czasie rzeczywistym polega na analizie sygnałów elektromagnetycznych wzbudzanych przez wyładowania elektryczne w komórkach burzowych. Istota tego sposobu polega na tym, że rejestruje się w rezonatorze ziemia - jonosfera sygnały pola elektromagnetycznego ELF (Extremely Low Frequency), poddaje się je analizie spektralnej opartej na modelach preparacji rezonansowej w falowodzie ziemia - jonosfera, następnie wyodrębnia cechy zależne od odległości i intensywności źródła oraz porównuje się je z parametrami bazy danych modelowych. Najbliższy zestaw parametrów bazowych odtwarza położenie i intensywność źródeł. Analiza może być prowadzona w czasie rzeczywistym, a jej wyniki mogą być przedstawione w postaci map aktywności burzowej.

Z kolei urządzenie do stosowania tego sposobu posiada dwie indukcyjne aktywne anteny magnetyczne, prostopadłe do siebie według kierunków NS i EW oraz umieszczone na lub na niewielkiej głębokości pod powierzchnią gruntu. Anteny połączone są ekranowymi przewodami z blokiem rejestracji sygnałów obserwacyjnych. Blok zawiera dwa identyczne tory sygnałowe z wzmacniaczami, filtrami, przetwornikami analogowo-cyfrowymi i układem sterującym. Zegar układu sterującego zsynchronizowany jest przez odbiornik sytemu z czasem GPS. Jednostka elektronicznego przetwarzania danych oprogramowana jest według algorytmu analizy spektralnej analizy elf oraz algorytmu wyznaczania cech zależnych od odległości i aktywności źródeł wyładowań burzowych.

Znane jest także z japońskiego opisu patentowego nr JP11160428 urządzenie przewidujące pioruny wyposażone w część wyszukującą przeszłe przykłady detonacji podobne do aktualnego stanu meteorologicznego. Urządzenie to na wyjściu pokazuje przeszłe stany meteorologiczne podobne do aktualnych elementów decyzyjnych dotyczących piorunów zgodnie z danymi wyjściowymi urządzenia wyświetlającego obraz stopnia niebezpieczeństwa pioruna oraz elementami decyzyjnymi zapisanymi w pliku danych stanów meteorologicznych i urządzenia decyzyjnego przewidującego pioruny uwzględniające przeszłe przykłady detonacji. Urządzenie to daje na wyjściu wynik przewidywania pioruna z uwzględnieniem przeszłych przykładów zgodnie z danymi wyjściowymi urządzenia wyświetlającego obraz stopnia niebezpieczeństwa pioruna, a także przeszłymi stanami meteorologicznymi z części wyszukiwania przeszłych przykładów oraz urządzenie wyświetlające graficznie dane wyjściowe. W rezultacie, nie tylko aktualny stan meteorologiczny, ale także przeszłe przykłady detonacji podobne do aktualnego stanu meteorologicznego są wyszukiwane i uwzględnione w przewidywaniu dokładniejszego uderzenia pioruna.

Również znane z japońskiego opisu patentowego JP11160453A urządzenie wyszukujące przypadek uderzenia pioruna, posiada urządzenie operacyjne określające punkty wyszukiwania, które określa zbiór punktów wyszukiwania na obrazie intensywności echa lub na obrazie stopnia niebezpieczeństwa zagrożenia wygenerowania pioruna na wyświetlaczu obrazu oraz urządzenie ustalające dane punktów wyszukiwania, które ustala wyszukane dane kluczowe, na które składają się: czas, współrzędne, prawdopodobna wartość oceny uderzenia pioruna odpowiednio dla tego zbioru punktów wyszukiwania. W bazie wyszukiwanych danych kluczowych tego urządzenia zostają wcześniej zapisane wyszukane dane kluczowe przeszłych przypadków meteorologicznych, przy czym urządzenie do przetwarzania danych wyszukiwania wyszukuje z bazy danych kluczowych, wyszukanych danych pewien zbiór wyszukanych danych kluczowych z tego samego czasu mających podobne czasy, współrzędne oraz wartości elementów oceny wygenerowania pioruna do tych, które określono dla punktów wyszukiwania i określa stopień podobieństwa. Z kolei urządzenie wyświetlając wyszukiwany wynik wyświetla informacje o czasie i stopniach podobieństwa pewnego zbioru, dla którego stopnie podobieństwa są równe pewnej wartości odniesienia jako wynikowy przypadek wyszukany. W rezulta4

PL 226 103 B1 cie tych wyszukiwań staje się możliwe oszacowanie i ocenienie prawdopodobieństwa uderzenia pioruna w przyszłości.

Z kolei znane z opisu patentowego US-5621410A zdalne przewidywanie niebezpieczeństwa uderzenia pioruna polega na zastosowaniu urządzenia i sposobu do wykrywania elektrycznej orientacji cząstek na górnych poziomach naelektryzowanych chmur burzowych. Burze te oświetlone są radarem o jednej lub większej polaryzacji ortogonalnej, a odbicia o polaryzacji zgodnej i przeciwnej (prostopadłej) są korelowane koherentnie lub niekoherentnie. Współczynnik korelacji lub pewną jego funkcję bada się w celu określenia stopnia zgodnej orientacji cząstek, a tym samym stopnia naelektryzowania i możliwości wystąpienia pioruna, przy czym faza obniżenia korelacji przy przetwarzaniu koherentnym wykrywa także orientację cząstek, która może być włączona do decyzji określającej przewidywania, natomiast korelacja ta i faza mogą być wyświetlane, rejestrowane lub wykorzystywane do przewidywania lub ostrzegania przed wystąpieniem pioruna.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia eliminującego wady i niedogodności znanych i przytoczonych wyżej rozwiązań technicznych. Celem wynalazku jest zwłaszcza opracowanie sposobu monitorowania lokalnej aktywności chmur burzowych nad powierzchnią monitorowanego obiektu za pomocą bieżącego dokonywania lokalnego pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego tworzonej nad nim chmury burzowej, pola elektrostatycznego lub wolnozmiennego, pozwalającego na ustalenie zagrożenia wyładowań atmosferycznych, w tym przed skutkami uderzenia pioruna. Celem wynalazku jest również opracowanie konstrukcji urządzenia pozwalającego na ciągły pomiar wielkości natężenia pola elektrycznego, zwłaszcza podczas występowania chmur burzowych nad powierzchnią ziemi żądanego terytorium z monitorowanym obiektem z wykorzystaniem do tego celu elektrody i gromadzonego na niej monopolarnego lub bipolarnego ładunku.

Istota sposobu pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad powierzchnią monitorowanego obiektu budowlanego, zabezpieczanego przed skutkami wyładowań atmosferycznych według wynalazku polega na tym, że na zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych obiekcie budowlanym instaluje się urządzenie wyposażone w zależności od jego typu w obrotowy zestaw złożony z: elektrody zbiorczej zbierającej i zachowującej ładunek elektryczny indukowany przez pole elektryczne (E) chmury burzowej oraz z dielektryka lub z dwóch elektrod zbiorczych odizolowanych dwoma dielektrykami, lub elektrody zbiorczej ze stykiem oraz w układ pomiarowy wyposażony w stałą elektrodę pomiarową lub w dwie stałe elektrody pomiarowe połączone elektrycznie poprzez rezystor z układem wzmacniająco - przetwarzającym wyposażonym w mikroprocesor i przetwornik analogowo-cyfrowy, którego wyjście połączone jest z układem sterującym zasilaniem tego monitorowanego obiektu, po czym z chwilą pojawienia się nad tym obiektem chmur burzowych naładowanych ładunkiem elektrycznym ujemnym (Q-) lub dodatnim (Q+) wytwarzającym pole elektryczne (E) odpowiedni zestaw elektrody zbiorczej z dielektrykiem, lub dwóch elektrod zbiorczych z ich dwoma dielektrykami lub elektrodą zbiorczą, wprowadza się w ruch obrotowy, w wyniku którego na górnych powierzchniach indukuje się ładunek elektryczny (Q+), a na ich dolnych powierzchniach ładunek elektryczny (Q-), a ponadto ruch obrotowy odpowiedniej elektrody zbiorczej nad elektrodą pomiarową powoduje sprzężenie pojemnościowe i chwilowe połączenie elektryczne pomiędzy nimi lub sprzężenie kontaktowe, w czasie którego zachodzi transformacja tego pola elektrycznego na ładunki monopolarne (Q+) i (Q-) dając na wyjściu układu wzmacniająco - przetwarzającego informacje o wielkości natężenia tego pola w V/m, która podawana jest na wejście mikroprocesora tego układu i jest zapisywana w jego pamięci, a gdy natężenie pola elektrycznego (E) chmury burzowej wynosi co najmniej 500 V/m to informacja ta stanowi wskaźnik o zagrożeniu wyładowania elektrycznego, która po przetworzeniu jej na sygnał cyfrowy przez przetwornik analogowo-cyfrowy tego układu jest na bieżąco przekazywana do elektrycznych urządzeń wykonawczych monitorowanego obiektu budowlanego, która w zależności od wartości natężenia tego pola elektrycznego automatycznie uruchamia odpowiednie urządzenia zainstalowane w tym obiekcie wywołujące sygnalizację świetlną i/lub dźwiękową, lub powodują całkowite odłączanie tego obiektu od zasilającej go sieci elektrycznej. Pomiar wartości ładunku monopolarnego, a zarazem natężenia pola elektrycznego (E) zgromadzonego na elektrodzie zbiorczej dokonywany jest w komorze pomiarowej urządzenia monitorującego (U) poprzez sprzężenie pojemnościowe tej elektrody z elektrodą pomiarową układu pomiarowego. Sprzęganie pojemnościowe elektrod zbiorczych z elektrodami pomiarowymi realizowane jest w czasie ruchu obrotowego danej elektrody zbiorczej, korzystnie przy prędkości obrotowej wynoszącej

0,1-10 obrotów/sek. Korzystnie powierzchnie współpracujących ze sobą elektrod zbiorczych oraz ₂ elektrod pomiarowych są jednakowe i wynoszą od 1-100 cm², a odległość pomiędzy nimi w chwili ich

PL 226 103 B1 sprzężenia pojemnościowego korzystnie nie przekracza 5 mm, przy czym elektrody zbiorcze, są odizolowane odpowiednio dielektrykiem od pozostałych elementów konstrukcyjnych urządzenia monitorującego.

Z kolei, istota urządzenia do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad powierzchnią monitorowanego obiektu budowlanego zabezpieczanego przed skutkami wyładowań atmosferycznych polega na tym, że składa się ono z komory ładowania i komory pomiarowej, które oddzielone są od siebie przegrodą wyposażoną w zespół obrotowy lub zwykłą przegrodą, przy czym w komorze ładowania umieszczona jest elektroda zbiorcza, zbierająca ładunki elektryczne indukowane przez pole elektryczne (E) chmury burzowej, umieszczona częściowo na elemencie dielektrycznym, osadzonym mimośrodowo na zespole obrotowym o pionowej osi obrotu, lub w komorze ładowania umieszczone są dwie elektrody zbiorcze osadzone również częściowo na dwóch elementach dielektrycznych zamocowanych mimośrodowo w zespole obrotowym, lub w komorze ładowania umieszczona jest elektroda zbiorcza osadzona na czole pionowo usytuowanego elementu dielektrycznego zamocowanego mimośrodowo na elemencie obrotowym o poziomej osi obrotu, natomiast komora pomiarowa tego urządzenia wyposażona jest w obudowę wewnętrzną z wybraniami szczelinowymi w jej pionowej ścianie, umożliwiającymi obrót elektrody zbiorczej wraz z jej elementem dielektrycznym oraz w układ pomiarowy wyposażony w stałą elektrodę pomiarową usytuowaną poziomo na wysokości umożliwiającej obrót tuż nad nią tego dielektryka, lub komora pomiarowa wyposażona jest w układ pomiarowy zawierający dwie pionowo usytuowane dwie elektrody pomiarowe także tuż pod obracającymi się nad ich czołami dwoma elektrodami zbiorczymi z ich dwoma elementami dielektrycznymi, przy czym wszystkie stałe elektrody pomiarowe układu pomiarowego połączone są elektrycznie z układem wzmacniająco - przetwarzającym tego układu pomiarowego, który stanowią rezystor oraz tranzystor połowy, wzmacniacz tranzystorowy i mikroprocesor μP z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego, którego wyjście służy do podłączenia zabezpieczanego obiektu budowlanego, przy czym komora pomiarowa tego urządzenia jest całkowicie odizolowana od zewnętrznego pola elektrycznego (E) chmury burzowej. Poza tym komora ładowania tego urządzenia wyposażona jest w stykowy element przewodzący łączący obrotową elektrodę zbiorczą z obudową metalową tej komory, a nad tą elektrodą umieszczona jest elektroda zbierająca połączona elektrycznie poprzez przepust - izolowany przewodnik elektryczny z elektrodą pośrednią.

Korzystnym jest gdy komora ładowania tego urządzenia wyposażona jest w dwie usytuowane poziomo nad sobą obrotowe elektrody zbiorcze spoczywające na dwóch oddzielnych dielektrykach i wykonujące ruch obrotowy w płaszczyźnie poziomej, które są zwierane lub rozwierane ze sobą za pomocą stykowego elementu metalowego odizolowanego od ziemi. Korzystnym jest także, gdy komora pomiarowa tego urządzenia wraz z jego układem pomiarowym usytuowana jest pod komorą ładowania, której elektroda zbiorcza osadzona jest prostopadle na jednym czole dielektryka osadzonego mimośrodowo na poziomo usytuowanym elemencie obrotowym, tak, że elektroda ta wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie pionowej, a pod tą elektrodą znajduje się styk przewodzący połączony z metalową obudową tej komory. Korzystnym jest także, gdy elektrody zbiorcze tego urządzenia wyko₂ nane są z materiału przewodzącego prąd elektryczny i mają powierzchnie wynoszące od 1-100 cm², jak również gdy elektrody pomiarowe mają powierzchnie identyczne jak współpracujące z nimi elektrody zbiorcze, a odległość (b) pomiędzy nimi w czasie obrotu danej elektrody zbiorczej, korzystnie nie przekracza 5 mm, jak również gdy prędkość obrotowa elektrod zbiorczych korzystnie wynosi 0,1-10 obr/sek.

Odizolowanie elektrody przenoszącej dielektrykiem od pozostałych elementów konstrukcyjnych urządzenia pozwala na ciągłe żądane i pewne blokowanie to jest zachowanie ładunku na elektrodzie przenoszącej i nie odpływanie jego do ziemi, a zastosowanie ruchu obrotowego tej elektrody i możliwość jej przechodzenia do drugiej komory z elektrodą pomiarową, a także zastosowanie identycznych powierzchni tych elektrod oraz ich odległości od siebie nieprzekraczających 5 mm pozwoliło na realizację sprzężenia pojemnościowego pomiędzy tymi elektrodami, a tym samym dokładny pomiar aktualnej wartości natężenia pola elektrycznego. Z kolei zastosowanie w układzie pomiarowym wzmacniacza oraz przetwornika z mikroprocesorem typu μΡ - A/D pozwoliło na bardzo dokładny pomiar i identyfikację w danej chwili wielkości natężenia pola elektrycznego i przekazywanie tych informacji na bieżąco do urządzeń wykonawczych podlegających monitorowaniu.

Poza tym rozwiązanie według wynalazku podobnie jak w układzie płaskim pozwala na identyczny sposób zrealizowania układu z podwójnymi elektrodami, które są w krótkim czasie zwierane stykiem odizolowanym od ziemi, a w komorze pomiarowej następuje ich rozładowanie poprzez dwa styki z umieszczonym pomiędzy nimi opornikiem. Dodatkową zaletą rozwiązania według wynalazku

PL 226 103 B1 jest to, że pozwala ono na optyczny pomiar prędkości elektrody przenoszącej, pozwalający na stosowanie zmiennej jej prędkości obrotowej ustalanej na bieżąco przez mikroprocesor, co z kolei pozwala na wykorzystanie turbin napędzanych wiatrem. Ponadto mając na uwadze fakt, że chmury burzowe w zimie naładowane są dodatnio, to urządzenie według wynalazku pozwala także na pomiar pola dla obu naładowań tych chmur, to jest pomiar pola pochodzącego od chmury dodatniej lub ujemnej, na co pozwala zastosowany zasilany symetrycznie wzmacniacz tego urządzenia.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładach jego realizacji oraz na rysunku w trzech odmianach jego wykonania, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy pierwszej odmiany urządzenia do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad obiektem monitorowanym, wyposażonym w czułe elektroniczne urządzenia wykonawcze i zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych tych chmur, wyposażonego w pojedynczą obrotową elektrodę zbierającą oraz w stałą elektrodę pomiarową, fig. 2 - schemat blokowy drugiej odmiany tego samego urządzenia lecz wyposażonego w dwie obrotowe elektrody zbierające, fig. 3 - schemat blokowy trzeciej odmiany tego samego urządzenia, którego komora pomiarowa usytuowana jest pod komorą ładowania, fig. 4 - urządzenie pokazane na fig. 3 w uproszczonym przekroju pionowym, fig. 5 - schemat obiektu monitorowanego, wyposażonego w specjalistyczne elektryczne urządzenia wykonawcze, układ sterujący, tablicę zasilającą prądem elektrycznym ten obiekt podłączoną do sieci prądu zmiennego, na którego najwyższym elemencie zainstalowane jest jedno z urządzeń pokazanych na rysunku fig. 1 - 3, a fig. 6 - uproszczony schemat blokowy komory łączącej wyjście tego urządzenia z układem urządzeń wykonawczych obiektu budowlanego podlegającego monitorowaniu wielkości natężenia pola elektrycznego chmur burzowych unoszących się nad tym obiektem.

Urządzenie do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad monitorowanym obiektem wyposażonym w specjalistyczne urządzenia wykonawcze, zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych (uderzeń pioruna), którego pierwszą odmianę przedstawiono na rysunku fig. 1 w postaci jego układu blokowego, składa się z komory ładowania 1 i komory pomiarowej 2 oddzielonych od siebie przegrodą wyposażoną w uziemiony zespół obrotowy 3, przy czym komora ładowania 1 w górnej jej części posiada obudowę 4 wykonaną z materiału umożliwiającego przejście do jej wnętrza usytuowanego nad nią pola elektrycznego (E) chmury burzowej 5 oraz na zmianę tego pola na dodatni ładunek elektryczny (Q+), a w dolnej części komora ta posiada obudowę 6 wykonaną z materiału uniemożliwiającego przejście do jej wnętrza pola elektrycznego (E) tej chmury tak, że stanowi ona ekran dla tego pola wykonany z blachy metalowej lub z metalizowanego tworzywa. Poza tym w obu obudowach 4 i 6 komory ładowania 1 umieszczone są i funkcjonalnie połączone ze sobą: pojedyncza metalowa elektroda zbiorcza 7, której dolna powierzchnia częściowo przylega do elementu dielektrycznego 8 wykonanego z dielektryka o dużej oporności skrośnej i powierzchniowej, i odizolowującego tę elektrodę od pozostałych elementów konstrukcyjnych tego urządzenia, uniemożliwiając odpływ ładunku elektrycznego zgromadzonego na tej elektrodzie do ziemi 27, przy czym element ten osadzony jest mimośrodowo na elemencie obrotowym 3 wprawianym w znany sposób w ruch obrotowy, natomiast drugi wolny koniec tej elektrody poprzez stykający się z nią stykowy element przewodzący 9 wykonany przykładowo z blaszki metalowej sprężynującej, połączony jest z dolną obudową 6 komory ładowania 1, którego celem jest odprowadzenie do ziemi ładunku elektrycznego niezwiązanego bezpośrednio z polem elektrycznym (E). Poza tym nad górną powierzchnią elektrody zbiorczej 7 w tej komorze umieszczona jest metalowa elektroda zbierająca 10 połączona elektrycznie poprzez przepust 11 (łącznik) będący izolowanym przewodnikiem elektrycznym z elektrodą pośrednią 12, przy czym pomiędzy elektrodą zbierającą 10 i elektrodą zbiorczą 7 wytwarzane jest wewnętrzne pole elektryczne (Ew).

Tak zbudowana komora ładowania 1 pozwala na zamianę pola elektrycznego (E) chmury burzowej 5 na ładunek elektryczny oznaczony symbolem (Q+), przy czym między obu tymi wielkościami (E) i (Q+) istnieje relacja wprost proporcjonalności (zależności liniowej).

Z kolei komora pomiarowa 2 tego urządzenia, w której następuje pomiar monopolarnego ładunku elektrycznego (Q+) od strony elementu dielektrycznego 8 osadzonego mimośrodowo na elemencie obrotowym 3 posiada obudowę wewnętrzną 13 z niepokazanymi na rysunku szczelinowymi poziomymi wyjęciami umożliwiającymi obrót i przejście przez nią tego elementu dielektrycznego wraz z umieszczoną na nim elektrodą zbiorczą 7 z komory ładowania 1 do tej komory pomiarowej 2 oraz obudowę zewnętrzną 14, przy czym obie te obudowy 13 i 14 wykonane są z materiału, na przykład blachy metalowej przewodzącej prąd elektryczny, uniemożliwiającego przejście do ich wnętrz pola eklektycznego (E) chmury burzowej 5. W obudowie 14 tej komory pomiarowej umieszczony jest układ

PL 226 103 B1 pomiarowy 15 służący do pomiaru wartości natężenia pola elektrycznego (E ) indukowanego w komorze ładowania 1 po uprzedniej jego transformacji w czasie obrotu i sprzężenia elektrody zbiorczej 7 z elektrodą pomiarową 16 tego pola na monopolarny ładunek elektryczny (Q+), przekazując informację o wielkości natężenia tego pola stanowiącego zagrożenie wyładowań atmosferycznych, które są przekazywane do odpowiednich urządzeń wykonawczych 21 obiektu zabezpieczanego 40. Układ pomiarowy 15 tego urządzenia składa się ze stałej elektrody pomiarowej 16 wykonanej z materiału przewodzącego prąd elektryczny, na przykład z płytki metalowej, w której indukowany jest ładunek elektryczny, którego źródłem jest ładunek monopolarny zgromadzony na elektrodzie zbiorczej 7, przy czym elektroda pomiarowa 16 połączona jest elektrycznie poprzez rezystor 17 o oporności wynoszącej 1000 ΜΩ układem wzmacniająco - przetwarzającym 18 i 19, który stanowią niepokazane na rysunku: tranzystor polowy, wzmacniacz tranzystorowy o bardzo dużej impedancji wejścia i mikroprocesor μΡ z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego A/D, którego wyjście 20 służy do podłączenia tego urządzenia do układu sterującego 44 odpowiednimi urządzeniami wykonawczymi 21 i urządzeniami elektrycznymi 51 i 54, umieszczonymi w obiekcie 40 podlegającym monitorowaniu i zabezpieczaniu przed wyładowaniami atmosferycznymi chmury burzowej 5.

W czasie gdy naładowana ładunkiem elektrycznym (Q+) elektroda zbiorcza 7 przemieszcza się obrotowo nad stałą elektrodą pomiarową 16 to na tej elektrodzie indukuje się ładunek elektryczny, którego zmiana w czasie tego przemieszczania powoduje przepływ prądu w rezystorze 17 dołączonym do wejść wzmacniacza tranzystorowego układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 wytwarzając napięcie proporcjonalne do tego ładunku (Q+), którego wielkość jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego (E) chmury burzowej 5, którego wartość jest mierzona przez ten układ wzmacniająco - przetwarzający komory pomiarowej 2, którego przetwornik analogowo-cyfrowy A/C zamienia sygnał analogowy na sygnał cyfrowy.

W czasie gdy elektroda zbiorcza 7 znajduje się w komorze ładowania 1, a pole elektryczne (E) powoduje przepływ swobodnych ładunków elektrycznych - elektronów (Q-) znajdujących się na tej elektrodzie, to na jednej części jej powierzchni pozostawia ładunek przeciwnego znaku (Q+), a na drugiej części powierzchni tej elektrody następuje rozdzielenie tak utworzonego ładunku (Q-) oraz (Q+) na dwa ładunki monopolarne (Q-) oraz (Q+) i odizolowanie co najmniej jednego z tych ładunków na czas potrzebny do pomiaru jego wielkości. Pomiar wielkości ładunku monopolarnego zgromadzonego na elektrodzie zbiorczej 7 dokonywany jest w komorze pomiarowej 2 urządzenia w wyniku obrotu tej elektrody i poprzez sprzężenie pojemnościowe pomiędzy tą elektrodą zbiorczą 7 i elektrodą pomiarową 16 układu pomiarowego 15, przy czym korzystnym jest aby powierzchnie obu tych elektrod były podobne do siebie, a odstęp pomiędzy nimi podczas pomiaru był nie większy od 5 mm. Sprzężenie pojemnościowe jest realizowane przez ruch obrotowy elektrody zbiorczej 7 względem elektrody pomiarowej 16, przy czym w czasie testowania tego urządzenia ruch obrotowy tej elektrody nie posiadał stałej prędkości i mieścił się w zakresie od 0,1-10 obrotów/s , uzyskując pozytywny efekt.

Urządzenie do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad monitorowanym obiektem budowlanym wyposażonym w specjalistyczne urządzenia wykonawcze zasilane prądem elektrycznym zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych, w tym uderzeń pioruna, którego drugą odmianę przedstawiono na rys. fig. 2 w postaci jego układu blokowego, składa się z komory ładowania 1' i komory pomiarowej 2' oraz z umieszczonego pomiędzy nimi pionowo usytuowanego i uziemionego elementu obrotowego 3, przy czym obudowa komory pomiarowej 1' i obudowa komory pomiarowej 2' wykonane są z materiału uniemożliwiającego przejście pola elektrycznego E, na przykład z blachy metalowej przewodzącej prąd elektryczny.

Wewnątrz komory ładowania 1' umieszczone są dwie elektrody zbiorcze 22 i 23 odizolowane częściowo przylegającymi do nich dielektrykami 24 i 25 odizolowującymi te elektrody od pozostałych elementów konstrukcyjnych tego urządzenia, posiadającymi dużą oporność skrośną i powierzchniową, uniemożliwiając odpływ ładunków elektrycznych zgromadzonych na obu tych elektrodach do ziemi 27, przy czym oba te dielektryki osadzone są mimośrodowo na elemencie obrotowym 3, natomiast naprzeciw obu wolnych końców elektrod zbiorczych 22 i 23 umieszczony jest stykowy metalowy element przewodzący 26 wykonany z blaszki sprężynującej odizolowany od ziemi 27, mający na celu dokonanie rozdziału ładunków, tak aby na elektrodzie zbiorczej 22 istniał tylko dodatni ładunek monopolarny (Q+), a na drugiej elektrodzie zbiorczej 23 tylko ujemny ładunek (Q-).

Z kolei wewnątrz komory pomiarowej 2', w której następuje pomiar monopolarnego ładunku elektrycznego (Q+), oprócz wspomnianego elementu obrotowego 3 z osadzonymi na nim krótkimi wolnymi końcami obu dielektryków 24 i 25 umieszczony jest układ pomiarowy 15 posiadający dwie

PL 226 103 B1 pionowo usytuowane elektrody pomiarowe 28 i 29 połączone ze sobą elektrycznie poprzez usytuowany pomiędzy nimi rezystor 30 o oporności 1ΜΩ wraz z układem wzmacniająco - przetwarzającym 18 i 19, który stanowi niepokazany na rysunku tranzystor połowy sterowany polem elektrycznym (E) oraz pokazany w dużym uproszczeniu znany powszechnie wzmacniacz tranzystorowy o dużej impedancji wejścia oraz mikroprocesor μΡ z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego A/C tego układu, którego wyjście 20 służy także do podłączenia tego urządzenia do układu sterującego 44 odpowiednimi urządzeniami wykonawczymi 21 i urządzeniami elektrycznymi 51 oraz 54 umieszczonymi w obiekcie 40, podlegającym monitorowaniu i zabezpieczaniu przed wyładowaniami atmosferycznymi chmury burzowej (5).

W przypadku tego urządzenia elektrody zbiorcze 22 i 23 odizolowane dielektrykami 24 i 25 od pozostałych elementów konstrukcyjnych, uniemożliwiając odpływ ładunku do ziemi 27 będąc w komorze ładowania 1, są elektrycznie połączone ze sobą metalowym stykowym elementem przewodzącym 26 do momentu maksymalnego naładowania obu tych elektrod ładunkiem indukowanym przez pole elektryczne (E), i są rozłączane tym stykowym elementem będąc ciągle w pozycji maksymalnego naładowania ich ładunkiem indukowanym przez pole elektryczne (E). Pozostawia się tak odizolowane od siebie elektrody na czas potrzebny do wykonania pomiaru ładunków monopolarnych - natężenia tego pola również w czasie ich obrotu nad elektrodami pomiarowymi 28 i 29 układu pomiarowego 15, po czym następuje ich ponowne połączenie elektryczne, przy czym w czasie przeprowadzanych prób i badań czas trwania łączenia i rozłączania tych elektrod wynosił od 1,0 do 100 ms. Pomiar wartości ładunków monopolarnych zgromadzonych na obu elektrodach zbiorczych 22 i 23 odbywa się w komorze pomiarowej 2, przez chwilowe połączenie elektryczne tych elektrod 22 i 23 z elektrodami pomiarowymi 28 i 29 lub przez sprzężenie pojemnościowe (bezkontaktowe) w czasie obrotu elektrod 22 i 23 nad elektrodami 28 i 29 przy odstępie pomiędzy nimi nie przekraczającym 5 mm oraz przy podobnych powierzchniach tych elektrod. Połączenie kontaktowe lub sprzężenie pojemnościowe jest realizowane prze ruch obrotowy elektrod 22 i 23 względem elektrod 28 i 29 przy ich prędkości obrotowej wynoszącej podczas prowadzonych prób i badań od 0,1 do 10 obr/sek., nie zachowując przy tym stałej prędkości obrotowej co nie miało wpływu na założone wyniki badań.

Z kolei, urządzenie do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad monitorowanym obiektem wyposażonym w specjalistyczne urządzenia wykonawcze, zasilane prądem elektrycznym, zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych chmury burzowej, którego trzecią odmianę przedstawiono na rys. fig. 3-4 składa się z komory ładowania 1'', w której następuje zmiana pola elektrycznego (E) chmury burzowej 5 na ładunek elektryczny (Q+), której górna obudowa 31 wykonana jest z materiału umożliwiającego przejście do jej wnętrza pola elektrycznego E, a jej dolna obudowa 32 z materiału uniemożliwiającego przejście tego pola do jej wnętrza oraz z usytuowanej pod nią i połączonej z nią komory pomiarowej 33, w której następuje pomiar wielkości ładunku elektrycznego (Q+) - natężenia tego pola, przy czym górna część 34 tej komory oraz boczna i dolna jej obudowa 35 wykonane są z materiału uniemożliwiającego przejście pola elektrycznego (E) na przykład z blachy metalowej. W komorze ładowania 1 umieszczona jest poziomo usytuowana metalowa elektroda zbiorcza 36 wykonana z materiału przewodzącego prąd elektryczny, na przykład wykonana z płytki metalowej, której dolna powierzchnia w połowie jej długości połączona jest z jednym czołem dielektryka 37 prostopadle usytuowanego do niej, na którym osadzony jest element obrotowy 38 o poziomej osi obrotu umożliwiający obrót tego dielektryka wraz z osadzoną na nim elektrodą zbiorczą 36 ładunki (Q+) poprzez wybrania szczelinowe (niepokazane na rysunku) wykonane w górnej przegrodzie 34 komory pomiarowej 33 w płaszczyźnie pionowej, przy czym dolna powierzchnia jednego końca tej elektrody styka się z elementem przewodzącym 39 połączonym z uziemioną obudową 35, mającym na celu odprowadzenie ładunku niezwiązanego bezpośrednio z prądem elektrycznym do ziemi 27. Działanie chwilowego styku tego elementu przewodzącego 39 z elektrodą zbiorczą 36 jest najbardziej korzystne w momencie, gdy ładunek związany z polem elektrycznym (Q+) osiąga wartość maksymalną, przy czym czas tego styku jest ograniczony do milisekund.

Z kolei wewnątrz komory pomiarowej 33 umieszczony jest układ pomiarowy 15 zawierający również stałą elektrodę pomiarową 16, wykonaną z materiału przewodzącego prąd elektryczny na przykład z płytki metalowej, w której indukowany jest ładunek elektryczny, którego źródłem jest ładunek monopolarny zgromadzony na elektrodzie zbiorczej 36, przy czym elektroda pomiarowa 16 połączona jest elektrycznie z układem wzmacniająco - przetwarzającym 18 i 19, który stanowią: tranzystor polowy sterowany polem elektrycznym E oraz pokazane w dużym uproszczeniu znane powszechnie:

PL 226 103 B1 wzmacniacz tranzystorowy o dużej impedancji wejścia i mikroprocesor μΡ z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego A/C, którego wyjście 20 połączone jest z wejściem urządzeń wykonawczych 21 odbierających informacje o stanie aktywności chmury burzowej 5 nad monitorowanym obiektem 40.

We wszystkich trzech odmianach urządzenia pokazanych na rysunku fig. 1-4 wzmacniacz tranzystorowy układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 połączony jest z mikroprocesorem typu μΡ z przetwornikiem analogowo-cyfrowym A/C układu pomiarowego 15 powodując bieżący pomiar i przesłanie informacji o wielkości natężenia pola elektrycznego (E) w V/m mogącego stanowić zagrożenie spowodowane ewentualnym wyładowaniem atmosferycznym chmury burzowej 5, zwłaszcza dla specjalistycznych urządzeń wykonawczych 21 zamontowanych w monitorowanym obiekcie 40.

Zasada działania tego urządzenia jest analogiczna jak urządzenia stanowiącego pierwszą jego odmianę przedstawioną na rysunku fig. 1 opisującą jego działanie.

W opisanych wyżej trzech przykładowych rozwiązaniach urządzenia pokazanych na rysunku fig. 1-6 poszczególne ich elementy wykonywano z niżej podanych przykładowych materiałów, które pozwoliły na uzyskanie oczekiwanych rezultatów, a mianowicie:

- obudowy 4 i 31 komory ładowania 1 wykonano z materiału umożliwiającego przejście do ich wnętrza pola elektrycznego (E) w tym z blachy metalowej lub z tworzywa z warstwą metalizowaną,

- obudowy 6 i 35 komory ładowania 1 wykonano z materiału uniemożliwiającego przejście do ich wnętrza pola elektrycznego (E), gdyż jako ekrany tego pola wykonano je z blachy metalowej lub z tworzywa z warstwą metalizowaną,

- obudowy 14 komory pomiarowej 2 oraz obudowę 32 komory pomiarowej 33 wykonano z materiału uniemożliwiającego przejścia do ich wnętrza pola elektrycznego (E), również jako ekrany tego pola wykonano je z blachy metalowej lub z tworzywa pokrytego warstwą metalizowaną,

- elektrody zbiorcze 7, 22, 23 i 36 ładunki elektryczne indukowane przez pole elektryczne (E) w komorze ładowania 1 wykonano z materiału przewodzącego prąd elektryczny, który stanowiły płytki metalowe jako przewodnik, opornik, folia metalizowana lub obwód drukowany, przy czym miały one po2 2 2 2 wierzchnie wynoszące 1 cm² lub 10 cm² lub 50 cm² lub 100 cm² w zależności od celu użycia tego urządzenia,

- dielektryki 8, 24, 25 i 37 wykonano z materiałów dielektrycznych o bardzo dużej oporności skrośnej i oporności powierzchniowej uniemożliwiającej odpływ ładunku elektrycznego zgromadzonego na odpowiedniej elektrodzie 7, 22, 23 lub 36,

- stykowe elementy przewodzące 9, 26 i 39 z płytki metalowej sprężynującej, elektromagnesu, przekaźnika, tranzystora lub fototranzystora,

- elektrody pomiarowe 16, 28 i 29 wykonano w formie płytki metalowej przewodzącej prąd elektryczny lub z elementu metalizowanego na podłożu ceramicznym lub z folii metalizowanej lub też w postaci obwodu drukowanego,

- zastosowany rezystor 30 miał oporność 1 MΩ lub 1000 MΩ lub 10000 MΩ,

- elektrody pomiarowe 16, 28 i 29 natężenia pola elektrycznego wykonywano z materiałów przewodzących w postaci płytek metalowych lub warstwy metalizowanej na podłożu dielektrycznym róż2 2 2 nych - powierzchniach wynoszących 1 cm² lub 10 cm² lub 100 cm² i stosowano je zawsze parami ₂ o tych samych powierzchniach na przykład obie po 10 cm², natomiast odstępy (b) pomiędzy nimi wynosiły 0,5 mm, 2 mm lub 5 mm,

- elektrodę zbierającą 10 ładunki elektrycznie indukowane przez pole elektryczne (E) wykonano z płytki metalowej lub z tworzywa z naniesioną na niego warstwą metaliczną i umieszczono ją nad elektrodą zbiorczą 7 te ładunki w odległościach 1 mm, lub 10 mm lub 100 mm, przy czym tę elektrodę zbiorczą poddawano okresowej inicjalizacji w polu - elektrycznym o znanej zerowej wartości jego natężenia wynoszącego zero V/m poprzez chwilowe jej połączenie elektryczne z ziemią (27). Inicjalizacji tej dokonywano co 5 godzin lub co 8 godzin w zależności od panujących warunków atmosferycznych, natomiast,

- prędkość obrotowa elektrody zbiorczej 7, 22 i 23 lub 36 wynosiła 0,1 obr/sek, lub 5 obr/sek. lub 10 obr/sek., przy czym stosowano również w nich tych elektrod o zmiennej ich prędkości obrotowej ,

- czas trwania łączenia i rozłączenia za pomocą stykowych elementów przewodzących 9 i 39 jednej elektrody zbierającej lub za pomocą stykowego elementu przewodzącego 26 obu elektrod zbierających 22 i 23 wynosił w przybliżeniu w zależności od potrzeb: 1 ms, lub 10 ms, lub 100 ms, lub 1 s.

Urządzenie (U) według przykładowych jego wykonań pokazanych na rysunku fig. 1-3, korzystnie przed jego zainstalowaniem na zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych obiekcie 40 poddaje się skalowaniu w polu elektrycznym (E) o dużych jego natężeniach wynoszących

PL 226 103 B1 od 1000 V/m-8000 V/m. Niżej w oparciu o przedstawione schematy układów blokowych pokazanych na rysunku fig. 5-6 opisano przykład instalowania tego urządzenia na zabezpieczanym obiekcie przed skutkami wyładowań atmosferycznych i zasadę jego działania, wykorzystującą wyposażenie tego obiektu w typowe powszechnie znane środki techniczne, w tym zabezpieczane specjalistyczne urządzenia odpowiednio zainstalowane w tym obiekcie.

Wyskalowane uprzednio urządzenie (U) pokazane na rysunku fig. 1 lub fig. 2 lub fig. 3 montuje się korzystnie na najwyższym elemencie zabezpieczanego przed skutkami wyładowań atmosferycznych obiektu budowlanego 40 wyposażonego w chronione przed tymi skutkami zestawy specjalistycznych urządzeń wykonawczych 21 oraz w kompletną główną typową tablicę zasilającą 41 ten obiekt, która przewodem elektrycznym 42 jest połączona z siecią prądu zmiennego o napięciu 230-400 V, przy czym wyjście 20 mikroprocesora układu 18 i 19 wzmacniająco - przetwarzającego wchodzącego w skład układu pomiarowego 15 za pomocą przewodu elektrycznego 43 zostało połączone z układem sterującym stycznikiem 44, połączonym elektrycznie zarówno z urządzeniami wykonawczymi 21 zabezpieczanymi przed skutkami uderzeń pioruna, jak i z tą główną tablicą zasilającą 41 wyposażoną w połączone ze sobą: licznik energii 45, zabezpieczenie różnicowe 46 i uziemione ograniczniki przepięć 47, które odprowadzają prąd o dużej amplitudzie do ziemi 27 i ograniczają amplitudy przepięć elektrycznych do wartości wynoszącej 1500-2500 V, przy czym wyjścia zabezpieczenia różnicowego 46 i ograniczników przepięć 47 połączone są elektrycznie ze stykami stycznika 48 układu sterującego stycznikiem 44, zaopatrzonego w cewkę stycznika 49 zasilaną prądem stałym z akumulatora 50. Poza tym główna tablica zasilająca 41 poprzez styki stycznika 48 układu sterującego 44 połączona jest bezpośrednio z urządzeniami elektrycznymi 51 bardzo czułymi na przepięcia napięcia zasilającego np. serwerami, telewizorami lub sprzętem elektronicznym wchodzącymi w skład urządzeń wykonawczych 21, lub pośrednio poprzez styki stycznika 52 układu sterującego stycznikiem 53 z pozostałymi czułymi urządzeniami elektrycznymi 54 wchodzącymi również w skład zestawu specjalistycznych urządzeń wykonawczych 21, przy czym układ sterujący stycznikami 53 wyposażony jest w cewkę stycznika 55 zasilaną również prądem stałym z akumulatora 56.

Poza tym wyjście 20 mikroprocesora typu μΡ z wejściem A/D układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 połączone jest z zespołem urządzeń wykonawczych 21 oraz układów 44 i 53, przy czym urządzenia czułe 54 połączone są za pomocą przewodu elektrycznego 57 bezpośrednio z cewką 55 zasilaną prądem stałym układu sterującego 53, a zasilanie główne obiektu budowlanego 40 połączone jest dodatkowo z cewką 49 zasilaną również prądem stałym za pomocą przewodu elektrycznego 58.

Zasada działania tak zainstalowanego urządzenia do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych 5 nad powierzchnią ziemi 27 i obiektu zabezpieczanego - monitorowanego 40, na której powierzchni w warunkach pogodowych pole elektryczne (E) wynosi około +/- 100 V/m, a natężenie tego pola poprzedzające wyładowanie atmosferyczne osiąga wartości 16 KV/m polega na tym, że:

- pole elektryczne (E) chmury burzowej po jego transformacji na ładunki monopolarne daje na wyjściu 20 układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 sygnał zawierający informacje zarówno o wielkości natężenia tego pola, jak i jego kierunku, przy czym inne pola elektryczne (E) chmury burzowej 5 są skierowane prostopadle do ziemi 27, a w przestrzeni otwartej są liniami lokalnie jednorodzajowymi, natomiast w pobliżu obiektów przewodzących prąd będących konstrukcjami metalowymi, czy budowlanymi murowanymi, pole to ulega zakrzywieniu tak, że linie te są skierowane w kierunku struktury tych obiektów po czym:

- sygnał ten jest podawany na wejście mikroprocesora typu μP - A/D (19) układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 gdzie zapisywany jest w jego pamięci, przy czym szybkość narastania natężenia pola elektrycznego (E) w określonym czasie oraz jego wartości stanowią wskaźnik o zagrożeniu wyładowania elektrycznego przekazując przy tym ostrzeżenia na kilku różnych poziomach i tak:

- ostrzeżenie na poziomie pierwszym sygnalizuje o nadchodzącym zagrożeniu wówczas gdy natężenie pola elektrycznego przekracza wartość 500 V/m lub następuje zmiana kierunku tego pola na przykład z (- 100 V/m) na (+ 300 V/m),

- ostrzeżenie na poziomie drugim sygnalizuje o nadchodzącym zagrożeniu wówczas gdy natężenie pola elektrycznego (E) przekracza 1000 V/m,

- ostrzeżenie na poziomie trzecim sygnalizuje o nadchodzącym zagrożeniu wówczas gdy natężenie pola elektrycznego (E) przekracza wartość 3000 V/m,

PL 226 103 B1

- ostrzeżenie na poziomie czwartym sygnalizuje o nadchodzącym zagrożeniu wówczas gdy natężenie pola elektrycznego (E) przekracza wartość 5000 V/m,

- ostrzeżenie na poziomie piątym sygnalizuje o nadchodzącym zagrożeniu wówczas gdy natężenie pola elektrycznego (E) przekracza wartość 8000 V/m.

Zasada ostrzegania o nadchodzącym zagrożeniu wyładowań atmosferycznych polega na tym, że powyższe sygnały ostrzegawcze po ich zapisaniu w pamięci mikroprocesora typu μΡ-A/D układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 z jego wyjścia 20 podawane są na wejście urządzeń wykonawczych 21, przy czym w zależności od rodzaju zabezpieczanego obiektu przekazywane do nich sygnały sterujące mają zróżnicowaną postać, a mianowicie:

- sygnał ostrzegawczy (S1) w postaci sygnalizacji dźwiękowej i świetlnej stanowi wstępną informację o zagrożeniu na przykład w stacjach przeładunkowych materiały łatwopalne, w których zainstalowane jest to urządzenie,

- sygnał ostrzegawczy (S2) w postaci sygnalizacji dźwiękowej i świetlnej stanowi informację o zbliżającym się zagrożeniu na przykład w obiektach rekreacyjnych czy kąpieliskach,

- sygnał ostrzegawczy (S3) w postaci sygnalizacji dźwiękowej i świetlnej stanowi informację o zbliżającym się zagrożeniu na przykład w obiektach rekreacyjnych lub kąpieliskach, która bez potwierdzenia o jej przyjęciu do wiadomości przez obsługę tych obiektów przechodzi w czasie 1 min - 5 min do systemu wyłączającego zasilanie tych obiektów,

- sygnał ostrzegawczy (S4) steruje wyłączaniem urządzeń elektrycznych czułych na przepięcia elektryczne, na przykład typu komputery, telewizory i tym podobnych urządzeń,

- sygnał ostrzegawczy (S5) steruje wyłączaniem zasilania głównego obiektu na przykład obiektu 40, przy czym,

- sygnał sterujący - ostrzegawczy (S4) przekazywany jest do cewki 55 układu sterującego stycznikiem 53 zasilanej przez niezależne zasilanie akumulatorowe 50, powodując otwarcie styków stycznika 52 łączącego urządzenia elektryczne 54 zasilane napięciem 230 V. W przypadku gdy sygnał sterujący (S4) wróci do stanu poniżej stanu alarmowego korzystnie do poziomu (S2) następuje ponowne włączenie układu sterującego stycznikiem 53, a tym samym urządzeń 54,

- sygnał sterująco-ostrzegawczy (S5) przekazywany jest do cewki 49 układu sterującego stycznikiem 44 zasilanej niezależnie również za pomocą akumulatora 50 powodując otwarcie styków 48 układu sterującego stycznikiem 44 łączącego urządzenie 51 zasilaniem głównym 230 V-400 V. W przypadku gdy sygnał sterujący (S5) wróci poniżej stanu alarmowego również korzystnie do poziomu (S2) następuje ponowne włączenie tego układu, a tym samym urządzeń e lektrycznych 54, przy czym wyłączenie zasilania stykami układu sterującego 44 zabezpiecza przed przedostawaniem się przepięć do instalacji wewnętrznej obiektu budowlanego 40, a przepięcie powstałe w linii energetycznej 42 zasilającej budynek jest odprowadzane do ziemi poprzez ograniczniki przepięć 47.

Sposób monitorowania lokalnej aktywności chmur burzowych 5 z ujemnym ładunkiem elektrycznym (Q-) lub dodatnim ładunkiem elektrycznym (Q+) powstających nad powierzchnią ziemi 27 z posadowionym na niej monitorowanym obiektem 40 polega na tym, że po zainstalowaniu odpowiedniego urządzenia (U) pokazanego na rysunku fig. 1-3 w miejscu przeznaczonym na tym obiekcie 40 i z chwilą pojawienia się nad tym urządzeniem chmur burzowych 5 z wytworzonym polem elektrycznym (E) na wprowadzonej w ruch obrotowy elektrodzie zbiorczej 7 osadzonej na elemencie dielektrycznym 8 i umieszczonej w komorze ładowania 1 tego urządzenia stwarzającej możliwość przechodzenia do jej wnętrza tego pola elektrycznego indukuje się na powierzchni górnej jej części ładunek dodatni (Q+) lub odpowiednio (Q-), a na dolnej jej powierzchni ładunek elektryczny ujemny (Q-) lub odpowiednio(Q+). Następnie w wyniku ruchu obrotowego elektrody zbiorczej 7 i przemieszczania się jej tuż nad elektrodą pomiarową 16 układu pomiarowego 15 umieszczonej w komorze pomiarowej 2 urządzenia (U) pozbawionej całkowicie kontaktu z polem elektrycznym (E), dokonuje się za pomocą dielektryka 8 częściowego odizolowania i oddzielenia od siebie obu tych ładunków (Q+ i Q-) i przeniesienia ich do układu pomiarowego 15, w którym za pomocą elektrody pomiarowej 16 dokonuje się pomiaru wielkości natężenia tego pola, którego wyniki podawane są do mikroprocesora typu μΡ (A/D) układu wzmacniająco - przetwarzającego 18 i 19 tego urządzenia, gdzie podlegają zapisaniu i zapamiętaniu w jego pamięci, które następnie w postaci sygnałów elektrycznych poprzez wyjście 20 układu pomiarowego 15 oraz przewodu elektrycznego 43 przesyłane są do odpowiednich urządzeń wykonawczych 21 i układu sterującego stykami 44 połączonego z główną tablicą zasilania 41, które zamontowane są w obiekcie 40 podlegającym - monitorowaniu chmur burzowych 5. Wówczas w zależności od wielkości natężenia pola elektrycznego (E) informacje te przekazywane są do odpowiednich urzą12

PL 226 103 B1 dzeń wykonawczych 21 zabezpieczanego (monitorowanego) obiektu 40 wywołujących sygnał dźwiękowy i/lub świetlny, a w przypadku urządzeń elektrycznych czułych na przepięcia elektryczne podawane są sygnały powodujące wyłączenie ich zasilania lub wyłączenie zasilania głównego 42 tego obiektu, przy czym po odpowiednim obniżeniu wartości natężenia pola elektrycznego i ustaniu stanu alarmowego informacje te przesyłane są ponownie przez wyjście 20 układu pomiarowego 15 do urządzeń wykonawczych 21 monitorowanego obiektu 40 powodując ponowne włączenie ich zasilania.

Wyindukowany w komorze pomiarowej ładunek (Q+) i (Q-) jest proporcjonalny do wartości pola elektrycznego (E), a jego wartość bezwzględna odpowiednio wynosi:

Q + = ε x E x S Q— = ε x E x S gdzie:

- oznacza wartość stałej dielektrycznej otoczenia, która dla powietrza wynosi = 8,86 x 10^-12

E - oznacza natężenie pola elektrycznego w V/m

S - oznacza powierzchnię elektrody usytuowanej prostopadle do kierunku pola elektrycznego przy czym:

- w komorze pomiarowej 2 pozbawionej zewnętrznego pola elektrycznego (E) i zaopatrzonej w układ pomiarowy 15 pomiędzy elektrodą zbiorczą 7 z dodatnim ładunkiem (Q+) i tym układem powstaje pole elektryczne (E Q+) od ładunku (Q+) tej elektrody, a pomiędzy elektrodą z ujemnym ładunkiem (Q-) i tym układem pomiarowym powstaje pole elektryczne (E Q-) od ładunku (Q-) tej elektrody.

Z kolei w przypadku oddzielenia i odizolowania od siebie dielektrykami 24 i 25 obu elektrod zbiorczych 22 i 23 z ładunkiem dodatnim (Q+) i ujemnym (Q-) to wytwarzane jest pole elektryczne (E Q) pomiędzy tymi elektrodami pochodzące od obu tych ładunków to jest (Q+ i Q-).

Pomiar wielości ładunku zgromadzonego na elektrodzie zbiorczej 7, lub 22 i 23 lub 36 może odbywać się poprzez generowanie w układzie pomiarowym (15) urządzenia (U) prądu, którego źródłem jest ładunek (Q+) lub (Q-) lub ładunek (Q+) wraz z ładunkiem (Q-).

Claims (12)

1. Sposób pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad powierzchnią monitorowanego obiektu budowlanego, zabezpieczanego przed skutkami wyładowań atmosferycznych za pomocą urządzenia wyposażonego w elektrodę wirującą i układ pomiarowy, znamienny tym, że na zabezpieczanym przed skutkami wyładowań atmosferycznych obiekcie budowlanym (40) instaluje się urządzenie (U) wyposażone w zależności od jego typu w obrotowy zestaw złożony z: elektrody zbiorczej (7) zbierającej i zachowującej ładunek elektryczny indukowany przez pole elektryczne (E) chmury burzowej (5) oraz z dielektryka (8) lub z dwóch elektrod zbiorczych (22 i 23) odizolowanych dielektrykami (24 i 25) lub elektrody zbiorczej (36) ze stykiem (39) oraz w układ pomiarowy (15) wyposażony w stałą elektrodę pomiarową (16) lub dwie stałe elektrody pomiarowe (28 i 29) połączone elektrycznie poprzez rezystor (17 lub 30) z układem wzmacniająco - przetwarzającym (18 i 19) wyposażonym w mikroprocesor i przetwornik analogowo-cyfrowy, którego wyjście (20) połączone jest z układem sterującym zasilaniem (44) tego monitorowanego obiektu, po czym z chwilą pojawienia się nad tym obiektem chmur burzowych (5) naładowanych ładunkiem elektrycznym ujemnym (Q-) lub dodatnim (Q+) wytwarzającym pole elektryczne (E) odpowiedni zestaw elektrody zbiorczej (7) z dielektrykiem (8), lub elektrod zbiorczych (22 i 23) z ich dielektrykami (24 i 25) lub elektrodą zbiorczą (36) wprowadza się w ruch obrotowy w wyniku czego na górnych powierzchniach indukuje się ładunek elektryczny (Q+), a na ich dolnych powierzchniach ładunek elektryczny (Q-), a ponadto ruch obrotowy odpowiedniej elektrody zbiorczej nad elektrodą pomiarową powoduje sprzężenie pojemnościowe i chwilowe połączenie elektryczne pomiędzy nimi lub sprzężenie kontaktowe, w czasie którego zachodzi transformacja tego pola elektrycznego na ładunki monopolarne (Q+) i (Q-) dając na wyjściu układu wzmacniająco - przetwarzającego (18 i 19) informacje o wielkości natężenia tego pola w V/m, która podawana jest na wejściu mikroprocesora tego układu i jest zapisywana w jego pamięci, a gdy natężenie pola elektrycznego (E) chmury burzowej (5) wynosi co najmniej 500 V/m to informacja ta stanowi wskaźnik o zagrożeniu wyładowania elektrycznego, która po przetworzeniu jej na sygnał cyfrowy przez przetwornik analogowo-cyfrowy tego układu jest na bieżąco przekazywana

PL 226 103 B1 do elektrycznych urządzeń wykonawczych (21) monitorowanego obiektu budowlanego (40), która w zależności od wartości natężenia tego pola elektrycznego automatycznie uruchamia odpowiednie urządzenia zainstalowane w tym obiekcie wywołujące sygnalizację świetlną i/lub dźwiękową, lub powodujące całkowite odłączanie tego obiektu od zasilającej go sieci elektrycznej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiar wartości ładunku monopolarnego, a zarazem natężenia pola elektrycznego (E) zgromadzonego na elektrodzie zbiorczej (7 lub 22 i 23 lub 36) dokonywany jest w komorze pomiarowej (2 lub 2' lub 33) urządzenia monitorującego (U) poprzez sprzężenie pojemnościowe tej elektrody z elektrodą pomiarową (16 lub 28 i 29) układu pomiarowego (15).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sprzęganie pojemnościowe elektrod zbiorczych (7 lub 22 i 23 lub 36) z elektrodą pomiarową (16 lub 28 i 29) realizowane jest w czasie ruchu obrotowego danej elektrody zbiorczej, korzystnie przy prędkości obrotowej wynoszącej 0,1-10 obrotów/sek.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnie współpracujących ze sobą elektrod zbiorczych (7 lub 22 i 23 lub 36) oraz elektrod pomiarowych (16 lub 28 i 29) są jednakowe i wyno₂ szą od 1-100 cm², a odległość (b) pomiędzy nimi w chwili ich sprzężenia pojemnościowego korzystnie nie przekracza 5 mm.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody zbiorcza (7 lub 22 i 23 lub 36), są odizolowane odpowiednio dielektrykiem (8 lub 24 i 25 lub 37) od pozostałych elementów konstrukcyjnych urządzenia monitorującego (U).

6. Urządzenie do pomiaru wielkości natężenia pola elektrycznego podczas występowania chmur burzowych nad powierzchnią monitorowanego obiektu budowlanego zabezpieczanego przed skutkami wyładowań atmosferycznych wyposażone w elektrodę wirującą i układ pomiarowy, znamienne tym, że składa się z komory ładowania (1 lub 1' lub 1'') i komory pomiarowej (2 lub 2' lub 33), które oddzielone są od siebie przegrodą wyposażoną w zespół obrotowy (3) lub przegrodą (34), przy czym w komorze ładowania (1) umieszczona jest elektroda zbiorcza (7) zbierająca ładunki elektryczne indukowane przez pole elektryczne (E ) chmury burzowej (5) umieszczona częściowo na elemencie dielektrycznym (8), osadzonym mimośrodowo na zespole obrotowym (3) o pionowej osi obrotu, lub w komorze ładowania (1') umieszczone są dwie elektrody zbiorcze (22 i 23) osadzone również częściowo na elementach dielektrycznych (24 i 25) zamocowanych mimośrodowo w zespole obrotowym (3), a w komorze ładowania (1) umieszczona jest elektroda zbiorcza (36) osadzona na czole pionowo usytuowanego elementu dielektrycznego (37) zamocowanego mimośrodowo na elemencie obrotowym (38) o poziomej osi obrotu, natomiast komora pomiarowa (2) tego urządzenia wyposażona jest w obudowę wewnętrzną (13) z wybraniami szczelinowymi w jej pionowej ścianie umożliwiającymi obrót elektrody zbiorczej (7) wraz z jej elementem dielektrycznym (8) oraz w układ pomiarowy (15) wyposażony w stałą elektrodę pomiarową (16) usytuowaną poziomo na wysokości umożliwiającej obrót tuż nad nią tego dielektryka, natomiast komora pomiarowa (2') wyposażona jest w układ pomiarowy (15) zawierający dwie pionowo usytuowane elektrody pomiarowe (28 i 29) także tuż pod obracającymi się nad ich czołami elektrodami zbiorczymi (22 i 23) z ich elementami dielektrycznymi (24 i 25), przy czym wszystkie stałe elektrody pomiarowe (16 lub 28 i 29) układu pomiarowego (15) połączone są elektrycznie z układem wzmacniająco - przetwarzającym (18 i 19) tego układu pomiarowego, który stanowią rezystor (17 lub 30) oraz tranzystor połowy, wzmacniacz tranzystorowy oraz mikroprocesor μΡ z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego, którego wyjście (20) służy do podłączenia zabezpieczanego obiektu budowlanego (44), przy czym komora pomiarowa (2 lub 2' lub 33) jest całkowicie odizolowana od zewnętrznego pola elektrycznego (E) chmury burzowej (5).

7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że komora ładowania (1) wyposażona jest w stykowy element przewodzący (9) łączący obrotową elektrodę zbiorczą (7) z obudową metalową (6) tej komory, a nad tą elektrodą umieszczona jest elektroda zbierająca (10) połączona elektrycznie poprzez przepust - izolowany przewodnik elektryczny (11) połączony z elektrycznie z elektrodą pośrednią (12).

8. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, znamienne tym, że komora ładowania (1') wyposażona jest w dwie usytuowane poziomo nad sobą obrotowe elektrody zbiorcze (22 i 23) spoczywające na dielektrykach (24 i 25) i wykonujące ruch obrotowy w płaszczyźnie poziomej, zwierane lub rozwierane ze sobą za pomocą stykowego elementu metalowego (26) odizolowanego od ziemi (27).

9. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7 albo 8, znamienne tym, że jego komora pomiarowa (33) wraz z układem pomiarowym (15) usytuowana jest pod komorą ładowania (1), której elektroda zbiorcza (36) osadzona jest prostopadle na jednym czole dielektryka (37) osadzonego mimośrodowo na poziomo usytuowanym elemencie obrotowym (38), tak, że elektroda ta wykonuje ruch obrotowy

PL 226 103 B1 w płaszczyźnie pionowej, a pod tą elektrodą znajduje się styk przewodzący (39) połączony z metalową obudową (32) tej komory.

10. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że elektrody zbiorcze (7 lub 22 i 23 lub 36) ₂ wykonane z materiału przewodzącego prąd elektryczny mają powierzchnie wynoszące od 1-100 cm².

11. Urządzenie według zastrz. 6 albo 10, znamienne tym, że elektrody pomiarowe (16) mają powierzchnie identyczne jak współpracujące z nimi elektrody zbiorcze (7 lub 22 i 23 lub 36), a odległość (b) pomiędzy nimi w czasie obrotu danej elektrody zbiorczej, korzystnie nie przekracza 5 mm.

12. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że prędkość obrotowa elektrod zbiorczych (7 lub 22 i 23 lub 36) wynosi 0,1-10 obr/sek.