Verfahren und Gerät zur Gewitterwarnung
Atmosphärische Entladungen haben unerwünschte Detonationen von Sprengladungen bei elektrischer Zündung verursacht. Um vor einem sich nähernden Gewitter warnen zu können, hat man bisher verschiedene Verfahren benutzt, beispielsweise die Beobachtung der in einem Radioempfänger zu hörenden Störungen. Nichtatmosphärische Störquellen und die subjektive Auswertung machen das Verfahren jedoch unsicher. Man hat auch schon Spezialempfänger benutzt, die eine Warnung geben, wenn das empfangene elektromagnetische Signal einen gewissen Schwellenwert überschreitet.
Ein anderes Verfahren besteht darin, das luftelektrische Feld an der betreffenden Stelle festzustellen. Man kann hierbei entweder den Strom pro m2 oder die Spannung pro Meter (den Gradient) messen. Das luftelektrische Feld wird normalerweise langsam variieren.
An Tagen mit Schauern und vor Gewittern wird man eine gewisse Unregelmässigkeit feststellen können. Normalerweise steigt der Gradient rasch an, wenn eine geladene Wolke sich dem Gebiet nähert, wo sich die Messeinrichtung befindet. Man hat davon Gebrauch gemacht und Geräte gebaut, die eine Warnung geben, wenn der Gradient einen vorher festgelegten Wert von der Grössenordnung einiger Tausend V/m übersteigt. Der Widerstand der Luft scheint unter normalen Wctterverhältnissen höher zu sein als während und kurz nach einem Gewitter, was offenbar auf eine gesteigerte Ionisierung der Luft während eines Gewitters zurückzuführen ist. Man bekommt demnach den grössten Messwert, wenn man den Gradienten vor dem Gewitter und den Strom zwischen der Atmosphäre und Erde während und nach einem Gewitter misst.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Möglichkeit, eine Gewitterwarnung zu erhalten, bevor das Gewitter an der Beobachtungsstelle in Tätigkeit tritt, wobei man bei der Gradientenmessung ein günstigeres Ergebnis als bei Strommessung erhält.
Wenn man den Gradienten im Laufe einer längeren Zeitspanne registriert, wird man beobachten können, dass dieser in Gutwetter-Perioden sich nur langsam ändert, während er bei Wind und Schauertätigkeit stark variiert.
Die Schwingungszeit für die Gutwetter-Variationen beträgt üblicherweise mehrere Stunden, während die Schwingungsdauer für die schnellen Schauer-Variationen von der Grössenordnung von Sekunden bis einigen Minuten schwankt. Während eines Gewitters werden diese Änderungen zunächst mit wesentlich grösseren Ausschlägen auftreten und ausserdem kann die Häufigkeit von Bruchteilen einer Sekunde bis zu einer Stunde variieren.
Es wurden Registrierungen mit graphischer Aufzeichnung von dem Verlauf des Gradienten vorgenommen, und Fig. 1 zeigt eine typische Kurve des Gradienten als Funktion der Zeit vor und während eines Gewitters.
Während des Gewitters selbst oder wenn die Gewitterwolken nahe der Beobachtungsstelle oder unmittelbar über dieser stehen, sind diese Variationen unregelmässig.
Eine Analyse der Kurve ergibt, dass die vorherrschende Frequenz üblicherweise unter einer Schwingungsdauer von etwa einer halben Stunde liegt. Das Charakteristische ist jedoch eine verhältnismässig gleichmässige Übergangskurve vom Ruhestand vor dem Gewitter bis zu dem Zeitpunkt, wo die unruhigen Verhältnisse eintreten. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass eine Gewitterwolke sehr häufig eine Reihe zu (Zellen) zu mit lokalen Potential-Unterschieden enthält. Turbulenz zusammen mit Änderungen der Ladungen der lokalen Zellen wirkt sich nach aussen derart aus, dass man eine Gradientkurve mit zufälligen Variationen bekommen wird. Wenn die Gewitterwolke noch verhältnismässig weit entfernt ist, wird wahrscheinlich nur die Ladung an der Front der Wolke auf die Messeinrichtung wirken.
Wenn die Wolke sich mit einer verhältnismässig gleichmässigen Geschwindigkeit bewegt, wird diese Frontladung y die vorherrschende sein, die auf die Messeinrichtung einwirkt, und die induzierte Spannung wird den charakteristischen Kurventeil bilden (in Fig. 1 die Zeit t1 bis t = min). Dieser Kurventeil kann annähernd als Teil einer Sinusschwingung mit einer Schwingungsdauer von etwa 40 min betrachtet werden.
Man kann also die Variationen des elektrostatischen Feldes als eine Wechselspannung mit sehr niedriger Frequenz ansehen, wobei die Schwingungsdauer (Frequenz) von der Geschwindigkeit einer geladenen Wolke im Verhältnis zur Beobachtungsstelle abhängig ist. Erfahrungsgemäss wird eine geladene Wolke zwischen etwa 1 und 60 min benötigen von dem Augenblick, in welchem sie in das Messfeld auf der einen Seite kommt, bis sie das Messfeld auf der anderen Seite wieder verlässt. Wenn eine geladene Wolke passiert, wird also das statische Erdfeld, der Gradient, schwingen, als ob dem natürlichen Null-Wert eine Wechselspannung überlagert wäre, deren Schwingungszeit gleich der Zeit ist, die die Wolke benötigt, um zu passieren.
Etwas Entsprechendes tritt ein, wenn in einer Wolke gleich über der Beobachtungsstelle eine Ladung entsteht.
Zum Anfang wird eine Einzelladung vorherrschend sein, und diese verursacht eine ähnliche Übergangskurve zwischen dem Ruhezustand und der unruhigen Periode.
Dieses Übergangsstadium besteht eine gewisse Zeit vor den kräftigen Ausschlägen der Gradientkurve und einer eventuellen Blitzentladung. Während man früher die Spitzen während der unruhigen Periode zur Warnung benutzte, kann bei der vorliegenden Erfindung diese Übergangskurve zur Warnung benutzt werden, wobei Zeit gewonnen wird. Die Reichweite der Messeinrichtung ist jedoch begrenzt, da man statische Ladungen in über dem Horizont nicht gut sichtbarenWolken nicht feststellen kann. Um eine Warnung noch früher erhalten zu können, kann man in bekannter Weise die elektromagnetischen Schwingungen registrieren, die auf Blitzentladungen in grösserem Abstande zurückzuführen sind.
Es ist auch erwünscht, eine selektive Warnung zu erhalten, wobei man sich aus dem Charakter der Warnung ein Bild der Gefahrensituation machen kann.
Dieses wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass gleichzeitig die von dem Gewitter durch Blitzentladungen erzeugten, elektromagnetischen Schwingungen empfangen und der Gradient des luftelektrischen Feldes gemessen werden, worauf durch Auswertung dieser Signale Warnsignale erzeugt und einem Warnorgan zugeführt werden.
Dadurch wird der grosse Vorteil erzielt, dass die Zeit zwischen der Warnung und der akuten Gefahrensituation verlängert wird, weil das von dem Gradienten beeinflusste Messgerät schon während der Übergangsperiode von Ruhe zur Unruhe ein Signal gibt.
Um dies zu erreichen und zur praktischen Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist das Gerät hierfür nach der Erfindung gekennzeichnet durch einen ersten Detektor für die elektromagnetischen Schwingungen und einen zweiten Detektor für das luftelektrische Feld und ein den beiden Detektoren nachgeschaltetes, gemeinsames Warnorgan.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 der beigefügten Zeichnungen wird die luftelektrische Spannung zwischen der Antenne AE und Erde in einem Breitbandverstärker A verstärkt, dessen Ausgangsspannung e einem Frequenzfilter zugeführt wird, welcher aus einem Hochpassfilter HP und einem Tiefpassfilter LP besteht. Das Hochpassfilter lässt Frequenzen über etwa 0,0002Hz und das Tiefpassfilter lässt Frequenzen unter etwa 0,003 Hz durch. Die charakteristische Schwingung beim Übergang von dem Ruhezustand vor einem Gewitter bis in den Unruhezustand während des Gewitters mit der Eigenfrequenz von etwa 0,0008 Hz wird demnach das Filter passieren und eine Spannung e' zwischen den Klemmen v1 und v2 ergeben, die in bekannter Weise zur Signalgebung benutzt wird.
In der Fig. 3 ist D1 ein Detektor, der den Gradienten der Luftelektrizität erfasst, und zwar entweder in bekannter Weise durch Abgabe eines Signals (über Leitung L1) bei einer Abweichung von einem bestimmten Wert, oder wie oben beschrieben (über Leitung L2), wenn der Gradient mit einer charakteristischen Frequenz schwankt. D5 ist ein anderer Detektor, der in bekannter Weise elektromagnetische Schwingungen erfasst und dazu eingerichtet sein kann, Signale in mehreren Stufen zu geben, und zwar je nach dem Pegel des ankommenden Signals über die Leitung L3 oder mehrere Leitungen bis Leitung Lx bei x verschiedenen Schwellwerten. Die Signale von D2 und D1 werden einem Warnorgan B zugeführt, in welchem sie kombiniert werden und verschiedene Warnzeichen geben, z.B. durch verschieden gefärbte Lampen, wie es angedeutet ist.
Fig. 4 zeigt eine im Ruhezustand dargestellte Relais Schaltung. Die Vorwarnung wird in bekannter Weise durch Unterbrechung eines Kontaktes K1 gegeben, welcher vom Detektor D2 gesteuert wird, so dass das normalerweise eingeschaltete und sich über den eigenen Selbsthaltekontakt g3 in angezogenem Zustand gehaltene Relais G seinen Anker loslässt und eine Warnung durch Einschaltung der Lampe B1 über den Kontakt g1 gibt. Bei Verwendung elektromagnetischer Registrierorgane mit verschiedener Empfindlichkeit mit je einem Relais-Meldekreis wird eine Vorwarnung erreicht, die innerhalb grober Grenzen den Abstand zu Blitzentladungen in grosser Entfernung von der Beobachtungsstelle angibt.
Z.B. kann ein zweites elektromagnetisches Registrierorgan mit niedrigerer Empfindlichkeit als das erste Registrierorgan einen Kontakt K3 steuern, welcher nach K1 ausgeschaltet wird, d.h. nachdem das Gewitter der Beobachtungsstelle näher gekommen ist.
Der Kontakt Ko liegt in dem Haltekreis eines normalerweise angezogenen Relais H, welcher ausserdem den Selbsthaltekontakt H des Relais H und einen in Ruhe geschlossenen Kontakt des Relais C enthält. Wenn K2 den Kreis unterbricht, wird das Relais H abgeschaltet und schliesst seinen Ruhekontakt hl, so dass die zweite Lampe Bo aufleuchtet und konstant brennt.
Mit Hilfe des oben beschriebenen elektrostatischen Registrierorganes wird Alarm dadurch gegeben, dass die Ausgangsspannung e' der elektrostatischen Messeinrichtung (Fig. 2) nach Verstärkung, Gleichrichtung und Umwandlung in eine Impulsreihe e" ein Blinkrelais C beeinflusst, welches in bekannter Weise die Stromzufuhr für die Signallampe B2 periodisch unterbricht und einschaltet.
Nach erfolgter Warnung werden die Relais G und H dadurch zurückgestellt, dass ihnen mit Hilfe der Schalter T1 und T2 wieder Spannung zugeführt wird.
Bei diesem Beispiel erhält man also die erste Vorwarnung durch Zünden der Lampe Bi, die zweite Warnung durch Zünden der zweiten Lampe B2 und die dritte Warnung, wenn diese zweite Lampe B2 zum Blinken gebracht wird, d.h. wenn die Gewitterwolke sich innerhalb des Sichtbereiches befindet Sollte B1 nicht leuchten und B2 allein blinken, ist dies ein Zeichen dafür, dass sich eine statische Ladung nahe der Beobachtungsstelle befindet und dass man statisch aufgeladenen Regen zu erwarten hat, wobei der rechte Ruhekontakt des Relais C beim ersten Ansprechen dieses Relais den Haltestromkreis des Relais H unterbricht und somit die Lampe B2 einschaltet,
wonach sie von der Spannungs impulsreihe e" zum Blinken gebracht wird.
Bei Arbeiten in Tunneln benötigt man lange Zeit, um von der Gefahrzone fortzukommen. Wenn man über Tag arbeitet, benötigt man dagegen kürzere Zeit, man braucht dann aber auch eine Warnung, wenn die Gefahr eines statisch aufgeladenen Regens vorliegt. Bei den meisten grösseren Tunnel-Baustellen wird man Arbeiten von beiden Arten haben, so dass die Anwendung der Erfindung, wobei die verschiedenen Warnverfahren kombiniert sind, deshalb eine wesentlich erhöhte Sicherheit bietet.