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.
Method and device for thunderstorm warning
Atmospheric discharges have caused undesirable detonations of explosive charges upon electrical ignition. In order to be able to warn of an approaching thunderstorm, various methods have hitherto been used, for example the observation of the interference that can be heard in a radio receiver. Non-atmospheric sources of interference and the subjective evaluation make the process unsafe. Special receivers have also been used that give a warning when the electromagnetic signal received exceeds a certain threshold value.
Another method is to determine the air-electric field at the relevant point. You can either measure the current per m2 or the voltage per meter (the gradient). The air-electric field will normally vary slowly.
On days with showers and before thunderstorms, you will notice a certain irregularity. Normally the gradient rises rapidly as a charged cloud approaches the area where the measuring device is located. Use has been made of this and devices have been built which give a warning if the gradient exceeds a predetermined value of the order of a few thousand V / m. The resistance of the air seems to be higher under normal weather conditions than during and shortly after a thunderstorm, which is evidently due to an increased ionization of the air during a thunderstorm. Accordingly, you get the largest measured value if you measure the gradient before the thunderstorm and the current between the atmosphere and the earth during and after a thunderstorm.
The purpose of the invention is to create a possibility of receiving a thunderstorm warning before the thunderstorm comes into operation at the observation point, with a more favorable result being obtained with the gradient measurement than with the current measurement.
If you register the gradient over a longer period of time, you will be able to observe that it changes only slowly in good weather periods, while it varies greatly with wind and shower activity.
The oscillation time for the good weather variations is usually several hours, while the oscillation time for the fast shower variations varies from the order of magnitude of seconds to a few minutes. During a thunderstorm, these changes will initially occur with much larger fluctuations and the frequency can also vary from fractions of a second to an hour.
Plot registrations were made of the course of the gradient and FIG. 1 shows a typical curve of the gradient as a function of time before and during a thunderstorm.
During the thunderstorm itself or when the thunderclouds are close to or directly above the observation point, these variations are irregular.
An analysis of the curve shows that the prevailing frequency is usually less than an oscillation period of about half an hour. What is characteristic, however, is a relatively smooth transition curve from retirement before the thunderstorm to the point in time when the turbulent conditions occur. This is probably due to the fact that a thundercloud very often contains a number of zu (cells) to with local potential differences. Turbulence together with changes in the charges of the local cells affects the outside in such a way that you get a gradient curve with random variations. If the storm cloud is still relatively far away, only the charge at the front of the cloud will probably act on the measuring device.
If the cloud moves at a relatively constant speed, this front charge y will be the predominant one acting on the measuring device, and the induced voltage will form the characteristic part of the curve (time t1 to t = min in FIG. 1). This part of the curve can be viewed approximately as part of a sinusoidal oscillation with an oscillation period of about 40 minutes.
The variations of the electrostatic field can therefore be viewed as an alternating voltage with a very low frequency, whereby the period of oscillation (frequency) depends on the speed of a charged cloud in relation to the observation point. Experience has shown that a charged cloud will require between about 1 and 60 minutes from the moment it enters the measurement field on one side until it leaves the measurement field on the other side. When a charged cloud passes, the static earth field, the gradient, will vibrate as if an alternating voltage were superimposed on the natural zero value, the period of which is equal to the time it takes for the cloud to pass.
Something similar happens when a charge arises in a cloud just above the observation point.
Initially, a single charge will be predominant and this will cause a similar transition curve between the idle state and the restless period.
This transitional stage exists a certain time before the strong swings of the gradient curve and a possible lightning discharge. Whereas in the past the peaks during the restless period were used for warning, in the present invention this transition curve can be used for warning, whereby time is saved. The range of the measuring device is limited, however, since static charges cannot be determined in clouds that are not clearly visible above the horizon. In order to be able to receive a warning even earlier, the electromagnetic oscillations can be registered in a known manner, which are due to lightning discharges at greater distances.
It is also desirable to receive a selective warning, whereby one can get an idea of the dangerous situation from the character of the warning.
This is achieved according to the invention by simultaneously receiving the electromagnetic oscillations generated by the thunderstorm through lightning discharges and measuring the gradient of the air-electric field, whereupon warning signals are generated by evaluating these signals and fed to a warning device.
This has the great advantage that the time between the warning and the acute dangerous situation is extended because the measuring device influenced by the gradient gives a signal during the transition period from rest to restlessness.
In order to achieve this and for the practical implementation of the method according to the invention, the device for this purpose according to the invention is characterized by a first detector for the electromagnetic oscillations and a second detector for the air-electric field and a common warning device connected downstream of the two detectors.
An exemplary embodiment of the invention is described below.
According to the embodiment according to FIG. 2 of the accompanying drawings, the air-electric voltage between the antenna AE and ground is amplified in a broadband amplifier A, the output voltage e of which is fed to a frequency filter consisting of a high-pass filter HP and a low-pass filter LP. The high pass filter lets frequencies above about 0.0002Hz and the low pass filter passes frequencies below about 0.003 Hz. The characteristic oscillation during the transition from the state of rest before a thunderstorm to the state of restlessness during the thunderstorm with the natural frequency of about 0.0008 Hz will therefore pass the filter and result in a voltage e 'between the terminals v1 and v2, which in a known manner for Signaling is used.
In FIG. 3, D1 is a detector which detects the gradient of the electricity in the air, either in a known manner by emitting a signal (via line L1) in the event of a deviation from a certain value, or as described above (via line L2), when the gradient fluctuates with a characteristic frequency. D5 is another detector that detects electromagnetic oscillations in a known manner and can be set up to emit signals in several stages, depending on the level of the incoming signal via line L3 or several lines to line Lx at x different threshold values. The signals from D2 and D1 are fed to a warning device B, in which they are combined and give different warning signals, e.g. by differently colored lamps, as indicated.
Fig. 4 shows a relay circuit shown in the idle state. The pre-warning is given in a known manner by interrupting a contact K1, which is controlled by the detector D2, so that the normally switched on relay G, which is held in the attracted state via its own self-holding contact g3, releases its armature and a warning is issued by switching on the lamp B1 there is contact g1. When using electromagnetic recording devices with different sensitivities, each with a relay signaling circuit, a pre-warning is achieved which, within rough limits, indicates the distance to lightning discharges at a great distance from the observation point.
E.g. a second electromagnetic registration element with lower sensitivity than the first registration element can control a contact K3, which is switched off after K1, i.e. after the thunderstorm approached the observatory.
The contact Ko is in the holding circuit of a normally energized relay H, which also contains the self-holding contact H of the relay H and a normally closed contact of the relay C. When K2 interrupts the circuit, the relay H is switched off and closes its break contact hl, so that the second lamp Bo lights up and burns constantly.
With the help of the electrostatic registration element described above, an alarm is given by the fact that the output voltage e 'of the electrostatic measuring device (Fig. 2), after amplification, rectification and conversion into a pulse series e ", influences a flasher relay C, which in a known manner the power supply for the signal lamp B2 interrupts periodically and switches on.
After the warning has been issued, relays G and H are reset in that they are supplied with voltage again using switches T1 and T2.
In this example, the first warning is obtained by lighting the lamp Bi, the second warning by lighting the second lamp B2 and the third warning when this second lamp B2 is made to blink, i.e. if the thundercloud is within the field of vision If B1 does not light up and B2 is flashing alone, this is a sign that there is a static charge near the observation point and that statically charged rain can be expected, whereby the right break contact of relay C at first response of this relay interrupts the holding circuit of relay H and thus switches on lamp B2,
after which it is made to flash by the voltage pulse series e ".
When working in tunnels, it takes a long time to get out of the danger zone. If you work during the day, on the other hand, you need a shorter time, but you also need a warning if there is a risk of statically charged rain. Most of the larger tunnel construction sites will have work of both types, so that the application of the invention, with the various warning methods being combined, therefore offers significantly increased safety.