暴风雨检测装置

摘要

一种暴风雨检测装置(1)，包括：至少一对用于测量大气静电场的电极；旋转挡板(5)，能够使至少一对电极中的每一个电极同时受制于大气静电场，然后使至少一对电极中的每一个电极同时与大气静电场隔离；以及中央处理单元，能够处理来自所述电极的信号，以便确定暴风雨的可能的危险，其特征在于，所述旋转挡板包括具有孔的圆盘，在所述旋转挡板的部分旋转期间所述孔能够暴露所述电极，以便使所述电极受制于大气静电场。

说明书

技术领域

本发明的目的是提供一种暴风雨检测装置。

背景技术

在众多情况中，闪电对人或者设备具有危险，通过知觉暴风雨的可能性可以采取适当的预防措施。所述危险可以发生在例如当人们在没有安装针对闪电的保护装置的设备上工作时、当为了民事目的或军事目的使用爆炸物时，在执行液体燃料(柴油或汽油)的操作期间，当电子设备不能针对由闪电产生的过压进行完全的保护时，等等。

为了检测暴风雨，尤其已经提供了无线电波测量装置、气象雷达和大气静电场测量装置。

在好天气时，垂直定向并且可以是正或负的大气静电场是100至150V/m的量级。在带电的暴风雨云附近，大气静电场反向，然后急剧增大以致根据本地地形和海拔高度达到一个从大约10kV/m到几百kV/m的正或负的值。

专利FR2432719描述了一种暴风雨检测装置，该装置包括场磨机(moulin  champ)类型的大气静电场的测量设备。所述装置包括旋转挡板，该旋转挡板能够使第一对测量电极受制于大气静电场，同时第二对测量电极与静电场隔离，然后使第一对测量电极与静电场隔离，同时第二对测量电极受制于大气静电场。对电极端子上的电压幅度进行测量，然后与电压界限(seuil)进行比较。当电压幅度超过电压界限时产生警报。旋转挡板包括两个圆盘，所述圆盘与由臂连接的电极盘的面积近似。

该装置具有以下缺点：在电极的输出端获得的调制信号具有复杂的形式，这使得信号处理复杂化。并且，尤其地，电极暴露在外部干扰(例如雨、冰雹、雪或灰尘)下。

发明内容

本发明的目的是提供一种暴风雨检测装置，该装置至少避免了上述一些缺点，该装置是坚固的并且能够容易地处理信号。

为此，本发明的目的是提供一种暴风雨检测装置，该装置包括：至少一对电极，用于测量大气静电场；旋转挡板，能够使所述至少一对电极中的每一个电极同时受制于大气静电场，然后使所述至少一对电极中的每一个电极同时与大气静电场隔离；以及中央处理单元，能够处理来自电极的信号，以便确定暴风雨的可能的危险，其特征在于，所述旋转挡板包括具有孔的圆盘，在所述旋转挡板的一部分旋转期间所述孔能够暴露电极，以便使电极受制于大气静电场。

有利地，每一个所述孔的形状使得当所述旋转挡板的旋转时来自至少一个测量电极的信号近似为正弦。

根据本发明的实施例，至少一个孔具有近似圆形的形状。

优选地，在所旋转挡板的平面中的至少一个电极的投影具有近似圆形的形状，在所述孔的半径和所述投影的半径之间的比包含在1.20和1.30之间。

有利地，至少一个电极近似地具有锥体的形状，该锥体的顶端朝向旋转挡板定向。

根据本发明的实施例，锥体的角包含在150°和180°之间。

根据本发明的实施例，装置包括一个面板和呈圆形设置在面板上的多对电极，一对电极中的两个电极径向相对并且电连接。

有利地，所述面板具有锥体的形状，该锥体的顶端朝向所述旋转挡板定向。

优选地，所述面板包括沿着锥体底部延伸的环形槽。

有利地，装置包括环绕所述电极和所述旋转挡板的保护圆柱体。

根据本发明的实施例，一个空间设置在所述保护圆柱体和所述面板之间，以便能够排水。

有利地，所述保护圆柱体包括部分管环(tore)形状的凸缘，在管环的直径和所述保护圆柱体的内径之间的比包含在0.18和0.30之间。

优选地，装置包括设置在所述凸缘中的加热装置。

根据本发明的实施例，所述装置包括六对电极。

优选地，所述旋转挡板包括六个呈圆形设置的孔，以便可以同时暴露三对电极。

有利地，所述旋转挡板由发动机旋转地驱动，该发动机包括霍尔效应传感器。

附图说明

通过参考附图，在以下对本发明实施例的详细的说明性描述过程中，将会更容易理解本发明，并且本发明的其它目的，细节，特征和有点将会更清楚地显现出来，本发明的实施例仅是作为非限制性的示例。关于附图：

图1是根据本发明实施例的暴风雨检测装置的纵向剖面简化图；

图2是图1中的暴风雨检测装置的面板和电极的俯视简化图；

图3是图2中的电极的纵向剖面简化图；

图4是图1中的暴风雨检测装置的旋转挡板的俯视简化图；

图5是图1中的暴风雨检测装置的发动机的功能图；

图6是图2中的面板的纵向剖面简化图；

图7是图1中的暴风雨检测装置的保护圆柱体的纵向剖面简化图；

图8是图7中的保护圆柱体的环形凸出部分的纵向剖面局部简化图；

图9是图4中的旋转挡板和图7中的保护圆柱体的透视简化图。

具体实施方式

图1示出了暴风雨检测装置1，该检测装置包括例如由不锈金属制成圆柱形外壳2。外壳2的纵向轴线几乎平行于方向Z(即垂直方向)。外壳2的上部由面板3封闭，该面板例如由不锈金属制成，并且外壳的下部由底壳4封闭，该底壳例如由不锈金属制成。

装置1包括大气静电场的测量设备，该测量设备包括一组电极E。该组电极E例如包括E₁，E₂，E₃，E₄，E₅，E₆，E₇，E₈，E₉，E₁₀，E₁₁，E₁₂，这些电极沿着半径为r的圆6(在图2中由虚线表示)规则地设置在面板3的上表面上。电极E₁至E₁₂彼此充分分开以便避免水滴、冰雹粒、或任何其它能够位于电极之间的导电物体使电极短路。相对设置的两个电极E₁和E₇(分别地E₂和E₈，E₃和E₉，E₄和E₁₀，E₅和E₁₁，E₆和E₁₂)彼此电连接，并且形成一对电极。因此，该组电极E包括六对电极。应当注意，这个数量不是限定的。

现在，将会参照图3更详细地描述电极E₁，电极E₂至E₁₂以同样的方式实现。电极E₁包括头8和绝缘脚7。脚7固定在面板3上并且脚7的高度h足够高以便避免面板3上的水膜或者导电的灰尘沉积物短路所述头8。例如高度h使得面板3和头8的顶端之间的距离d大约为23mm。头8例如由不锈金属制成。

电极E₁具有旋转对称性，这个特征主要不是为了实现本发明。电极E₁与供电装置30和中央处理单元的连接例如通过设置在绝缘脚7内部的导线(未示出)来实现。电极E₁的头8具有圆锥形状的上表面，该圆锥形状在顶端构成角β，该角例如包含在150°和180°之间，优选地包含在162°和166°之间。椎体的顶端朝向装置1的旋转挡板5定向。头8的圆锥形状尤其有利于排水并且能够最小化在电极E₁和旋转挡板5之间短路的危险性，这个短路可能是由冷凝的水滴造成。

旋转挡板5(图4和图9)包括圆盘31，该圆盘例如由不锈金属或任何其它导电材料制成。旋转挡板5设置在与面板3所位于的平面几乎平行的平面上，并且距离电极E₁至E₁₂的头8一定距离。在面板3和旋转挡板5之间的距离D(图1)大约为24mm，这相当于在旋转挡板5和电极E₁至E₁₂的头8的顶端之间的距离大约为1mm。圆盘31具有一组沿圆10规则设置的孔L，该圆10在图4中用虚线表示并且半径与圆6的半径相同。每个孔L例如具有几乎圆形形状。孔L的数量等于电极E的数量的一半，即在示例中，圆盘31具有六个孔L₁，L₂，L₃，L₄，L₅，L₆。因此，当电极E₁与孔L(例如孔L₁)对齐时，电极E₃，E₅，E₇，E₉，E₁₁同时分别与孔L₂，L₃，L₄，L₅，L₆对齐。换言之，三对电极E₁和E₇，E₃和E₉，E₅和E₁₁能够同时由旋转挡板5暴露，以便受制于静电场。在以下的描述中，三对电极E₁和E₇，E₃和E₉，E₅和E₁₁被称作第一组电极E。相似地，三对电极E₂和E₈，E₄和E₁₀，E₆和E₁₂能够同时由旋转挡板5暴露，以便受制于静电场。三对电极E₂和E₈，E₄和E₁₀，E₆和E₁₂被称作第二组电极E。应当注意，当一组电极E的电极E暴露时，另一组电极E的电极E由旋转挡板5遮盖，即与大气静电场隔离。

旋转挡板5包括与装置1的发动机12(图5)的轴(未示出)连在一起的脚11。发动机12例如是八极三相发动机。发动机12包括霍尔效应传感器13，14和15，这些传感器能够检测发动机12的转子的位置。发动机12包括控制箱16，该控制箱能够通过转换器20，21和22的间接方法控制绕组17，18和19中的电流转换。电子控制(pilotage)具有便于调节旋转速度的优点。在长周期期间，电子控制还能够针对旋转挡板5的制动(blocage)效应保护发动机12。在制动后，自动重新启动。

应当注意，旋转挡板5与发动机12的轴连在一起，发动机12的转子位置的检测能够确定旋转挡板5的位置(即孔L相对于电极E的位置)。通过电子控制，当利用霍尔效应或者相位时，可以电子识别发动机12的轴的位置，从而识别旋转挡板5的位置。因此，不需要设置附加的传感器来确定旋转挡板5的位置。

面板3表现为具有α角的圆锥形状(图6)，角α例如包含在160°和190°之间，优选地包含在172°和176°之间。椎体的顶端朝向旋转挡板5定向。椎体的底部通过圆形截面的环形槽25延伸，以便位于椎体底部的槽25的边缘25a几乎沿着方向Z延伸，并且以便槽25的另一边缘25b几乎沿着X方向(即水平方向)延伸。圆锥形状和槽25的外形尤其具有有利于排水的作用。

装置1包括环绕电极E和旋转挡板5的保护圆柱体26(图1，7和8)。圆柱体26具有和外壳2相同的旋转轴。圆柱体26的功能是确保旋转挡板5和电极E的机械保护。

保护圆柱体26包括凸缘27。凸缘27具有半-管环(tore)的形状。可变型地，凸缘27具有管环的形状。通常，凸缘27具有部分管环的形状，管环的直径D₁和圆柱体26的直径D₂之间的比例如包含在18％和30％之间。根据Rodowski理论，该形状能够最小化凸缘27附近的静电场线(lignes)的干扰。凸缘27被设置为与凹槽25对齐。空间28设置在圆柱体26的底部和面板3之间，以便能够排放雨水。凸缘27还能够阻止来自旋转挡板5的水的溅射，这避免了水在装置1附近的雾化，所述雾化能够干扰所测量的电场。凸缘27的内边缘27a的下端具有向凸缘27的内部径向凸出(即向暴风雨检测装置1的外部凸出)的环形凸出部分32。位于边缘27a一侧的凸出部分32的一部分32a几乎具有半-管环的形状。凸出部分的另一部分32b几乎为平面。凸出部分32的形状允许滑到边缘27a上的水滴从凸缘27快速下落，这避免了干扰静电场线。环形加热装置29插入到凸缘27中。在寒冷天气时，加热装置29尤其能够对装置1除霜，并且更普遍地能够在低温环境下保持理想的工作温度。加热装置29还能够有利于在结霜雨水或恶劣环境温度下的雨水的情况下自由排水。

旋转挡板5和孔L的几何形状具有的优点是：永久覆盖面板3和电极E的重要部分，这很好地限制了能够落入装置1中的雨水量。并且，旋转挡板5的旋转的作用是：通过离心力将水滴抛向环形凸缘27的外部。并且，与已知的场磨机(moulinchamp)相反，旋转挡板5是坚固的，因为旋转挡板不包括叶片(pale)或等同物。因此，旋转挡板可以无损坏或无毁坏地承受冰雹。由于惯性部件比具有常规叶片的系统更大，调节旋转挡板的旋转还可以更精确。

装置1包括中央处理单元(未示出)，该中央处理单元例如设置在外壳2的内部。中央处理单元包括信号处理装置和旋转挡板的旋转控制装置。

中央处理单元具有交换协议，并且允许确定测量设备的功能参数、控制测量设备的功能、显示装置的状态、连续显示静电场的值，指示通过不同级别的警报以及存储来自测量设备的数据。

装置1包括供电装置30(图5)，例如不间断电源(UPS)系统，该系统能够连续10小时供应24V和5A/H的已调电压。

现在，将会描述在旋转挡板5旋转期间装置1的功能。

从初始状态开始，其中第一组电极E，即电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁完全暴露。在第一阶段，旋转挡板5相对于面板3移动的作用是逐渐遮盖电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁，即受制于大气静电场的第一组电极中的每个电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁的表面逐渐减少。在第二阶段，第二组电极E，即电极E₂，E₄，E₆，E₈，E₁₀和E₁₂通过旋转挡板5完全暴露，即旋转挡板逐渐暴露第二组电极中的电极E₂，E₄，E₆，E₈，E₁₀和E₁₂，直到第二组电极分别与孔L对齐。在这个状态下，第二组电极中的电极E₂，E₄，E₆，E₈，E₁₀和E₁₂完全暴露。在第二阶段，第一组电极的电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁由旋转挡板5完全遮盖。在第三阶段，旋转挡板逐渐暴露第一组电极中的电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁，直到第一组电极中的电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁分别与孔L对齐，这对应于初始状态。在第三阶段，第二组电极的电极E₂，E₄，E₆，E₈，E₁₀和E₁₂由旋转挡板5完全遮盖。

通过第一近似法，即尤其通过忽略衍射现象，在给定的时间内，电极E接收的电荷与通过旋转挡板5暴露的电极E的面积成比例。因此，在电极E上方的孔L和圆盘31的平面区域的移动引起电极电荷的变化。换言之，传送到中央处理单元的信号(来自电极E)是通过旋转挡板5的旋转调制的调制信号m。应当注意，在每个时刻，第一组电极的每个电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁(分别地通过第二组电极的每个电极E₂，E₄，E₆，E₈，E₁₀和E₁₂)接收到的电荷是一致的。

为了确定调制信号m，因此应该确定按照时间暴露的电极E的面积。为此，在电极E的面积m和孔L的面积s之间进行卷积(produitde convolution)。面积e和s是函数，所述函数可以按照在预定义标记中的极坐标ρ和θ来表示。应当注意，因为旋转挡板5是移动的，因此坐标ρ和θ取决于时间t。因此，信号m的形式为：

m(ρ，θ)＝e(ρ，θ)*s(ρ，θ)

为了方便进行计算，可以使用傅立叶转换式。已调制信号m的傅立叶转换式的形式为：

M(s)＝E(R，Ω)×S(R，Ω)

其中，E(R，Ω)是e(ρ，θ)的傅立叶转换式，并且S(R，Ω)是s(ρ，θ)的傅立叶转换式。

因此可以选择孔L的形状以便获得所希望形式的信号m。例如选择孔L的形状使信号m几乎为正弦信号，这能够避免谐波的复杂滤波。为了获得几乎正弦的信号m，一个可能的解决方案是使用圆形的孔L，圆形的直径大约等于电极E在旋转挡板5的平面中的投影的直径的1.2至1.3倍。必然地，信号m的幅度还取决于大气静电场。

应当注意，在没有遇到常规螺杆(hélices)的刚性限制的情况下，旋转挡板5的几何形状还能够容易地给予孔L复杂的形状，该复杂的形状对应于所希望的调制函数。

来自第一组电极的电极E₁，E₃，E₅，E₇，E₉和E₁₁和第二组电极的电极E₂，E₄，E₆，E₈，E₁₀和E₁₂的信号施加在中央处理单元的微分放大器的输入端，以便检测静电场的方向(正或负)。

这允许中央处理单元检测静电场的符号变化，这是暴风雨的研究特征中的一个。

当中央处理单元已经检测到静电场的符号变化以及超出界限时，中央处理单元可以控制起动警报，停止设备，或其它。

尽管结合一个具体实施例对本发明进行了描述，显然地，本发明决不局限于该实施例，并且本发明包括所描述技术手段的所有等同技术手段以及这些技术手段的在本发明范围内的结合。