CN201368897Y - 一种基于时变电磁场效应的雷电报警仪 - Google Patents

一种基于时变电磁场效应的雷电报警仪 Download PDF

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本实用新型公开了一种基于时变电磁场效应的雷电报警仪,包括:一电场传感器、一雷电信号处理电路及报警器;所述电场传感器根据雷电活动时闪电引起的时变电磁场,感应产生时变电流,并将该时变电流送入雷电信号处理电路;所述雷电信号处理电路处理输入的时变电流信号,将时变电流信号最终转换为数字信号,并对该数字信号的数值及数密度进行分析鉴别、判断,如果数值及数密度在设定的时段达到设定的警戒线,则通知报警器发出报警信号。本实用新型的雷电报警仪造价低廉、工作寿命长、功耗低,操作维护方便、监测范围大,能在各种气候环境下工作,适用于缺乏资金、缺乏技术的广大农村和边远山区使用。

Description

一种基于时变电磁场效应的雷电报警仪
技术领域
本实用新型涉及雷电报警领域,特别涉及一种基于时变电磁场效应的雷电报警仪。
背景技术
随着雷电灾害的频繁性和严重性,各地对雷电的防护和预警愈来愈重视。目前 雷电监测与预报一般使用旋转式电场仪(Electric field mill),旋转式电场仪,又叫大 气电场仪,是基于雷电的静电效应,通过测量由雷雨云起电过程中产生的静电场的 大小和极性变化来预报雷电发展的情况、这种仪器的优点在于能监测雷电发生、发 展、消散的全过程,其缺点是只能监测测点半径8〜9km范围内的雷电活动。旋转式 电场仪分室外探头和室内主机两部分,探头传感器需用电机驱动旋转,探头输出有 两个通道:电场信号通道和由光电产生的参考信号通道,室内主板还包括(如图1 所示)相位调节电路、积分器、同步检测电路、双向比较器、节拍振荡器等,较为 复杂,功耗30瓦左右。
专利号为ZL03160053.0公开了恒速旋转倒装式电场仪,在性能上和使用效果上 无疑在目前国内同类雷电监测产品中是领先的,在2006年中国气象局监测室在云南 西双版纳景洪市气象台对国内外10个单位(其中包括美国、法国和西班牙国外3家、 中国气象局下属单位2家)生产的大气电场仪(旋转式电场仪)进行了为期近4个 月的对比试验中,'恒速旋转倒装式电场仪'排列第一。但是由于监测是雷电的静电 效应,监测范围较小,由于有旋转部分,寿命与完全静态式也相应要短,尤其对用 于广大农村和边远山区而言,结构还是有点复杂、功耗较大、价格也有些偏高。
实用新型内容
为了克服监测雷电静电效应的旋转式电场仪作用范围小(测点半径8〜9km)、结 构较为复杂、功耗较大、价格偏高、需要定期维护的不足。本实用新型提供的一种 基于时变电磁场效应的雷电报警仪是基于闪电产生的时变电磁场效应,能及时发送 雷电发展情况信息并发出雷电报警信号,并且造价低廉、工作寿命长、功耗低、操 作维护方便、监测范围大,适用于缺乏资金、缺乏技术的广大农村和边远山区使用。包括: 一电场传感器、 一雷电信号处理电路及报警器。
所述电场传感器,基于导体在电场中感应电荷的原理,根据雷电活动时闪电引 起的时变电磁场,感应产生时变电流,并将该时变电流送入雷电信号处理电路。
所述雷电信号处理电路,用于处理输入的时变电流信号,将时变电流信号最终 转换为数字信号,对该数字信号的数值及数密度进行分析鉴别、判断,这种分析鉴 别、判断是建立在对无雷电的晴天、阴天为背景和与旋转式地面大气电场仪对比试 验中大量观测数据的基础上,比较有雷电时和无雷电的不同现象情况,选取警戒线 门限电平和数据大小,选取一定的时间段以避免因人、机突然出现过大的虚假信号 而引起的误报,选取合适的门限电平以防漏报。如果数字信号的数值及数密度在设 定的时段达到设定的警戒线,则通知报警器发出报警信号。
所述报警器,用于发出报警信号。
其中,所述雷电信号处理电路包括:
一电流/电压变换器,用于将时变电流转换为第一时变电压。
一高通滤波器,用于去掉第一时变电压中大于有用信号的低频杂散信号,以确 保待测信号频段在后级的放大中有较好的放大特性和较高的增益。
一电压放大器,用于将经过高通滤波器的第一时变电压放大为第二时变电压, 经隔离后送入带通滤波器。
一带通滤波器,用于从第二时变电压中获取所需频段的信号,并将该信号送入 峰值检测器。
一峰值检测器,用于检测输入信号的峰值信号,并将该峰值信号送入模拟/数字 变换器。
一模拟/数字变换器,用于将峰值信号转换为数字信号。
一数据处理与控制电路,控制电路用于控制模拟/数字变换器的采集时间和速率、 存取数据、设定报警参量和自捡;数据处理电路用于对数字信号进行分析鉴别,判 断,如果数值及数密度在设定的时段达到设定的警戒线,则通知报警器发出报警信 号;所述报警参量包括:警戒线数据、报警类别、持续时间。
其中,所述雷电报警仪进一步包括: 一探头、 一底座12及一管状支架10。
所述电场传感器设置于探头的外部,并通过信号引入件5与雷电信号处理电路 连接;所述信号引入件5嵌套固定在外壳的中心孔中,并通过绝缘子3与外壳绝缘; 所述雷电信号处理电路全部封装在探头内。
所述管状支架10的一端与探头固定,另一端与底座12固定;所述管状支架10
与探头和底座相通,信号传输电缆和电源线直接从探头通过管状支架管10内于底座12引出。
其中,所述探头包括: 一底面有孔的筒状壳体8、 一带有中心孔的外壳盖2;所 述外壳盖2套装固定在壳体8上;所述探头支架连接件9用于筒状壳体8和管状支
架io固定。
其中,所述外壳盖2、筒状壳体8及管状支架10采用不锈钢材(304号不锈钢) 制得,以防沿海地区盐雾生锈而影响仪器的寿命。
其中,所述电场传感器l采用平板结构,水平放置于探头的上方。 其中,所述雷电报警仪还可包括一显示器,通过信号传输电缆与雷电信号处理 电路连接,用于显示被监视地区雷电发展情况(空白、蓝色、橙色、红色)和雷电 报警类别(橙色、红色)信号。白色表示门限电平以上没有检测到信号,蓝色表示 当前检测到的信号为干扰信号,橙色表示'注意雷电',红色表示 <雷电快要来临 了,。
其中,所述报警器是'注意雷电'和'雷电快要来临了'两种情况的语音报警 器和其对应的闪烁发光的黄色、红色灯光报警。
其中,所述雷电报警仪报警信号传输电缆和仪器电源线的插头插座设计在仪器 内部连接,报警信号传输电缆和仪器电源线经管型支架内腔从底座引出,便于仪器 在大雨大风天气情况下正常工作和避免人员不随意破坏。
本实用新型的优点在于:
1、 本实用新型提供的基于时变电磁场效应的雷电报警仪与传统式雷电报警仪一
旋转式大气电场仪(Electric field mill)获取信号的原理相同,都是利用导体在电场 中会感应出电荷。不同的是:本实用新型提供的雷电报警仪监测的是雷电产生的时 变电磁场,所以监测范围大,可监测到从监测点至50km区域内闪电发生的情况,而 旋转式大气电场仪监测的雷电产生的静电效应,监测的范围只有8~9km范围内雷电 可能发生的情况。
2、 本实用新型提供的基于时变电磁场效应的雷电报警仪无转动部件,结构简单、 维护方便、工作寿命长。
3、 本实用新型提供的基于时变电磁场效应的雷电报警仪是同类产品价格最低, 是常用的旋转式大气电场仪的四分之一,安装使用又最方便,非常适合于广大农村 和边远山区使用。
4、 本实用新型探头和信号处理线路有机地结合在一起,体积小、重量轻;且除 电场传感器外,无外露电性连接件,报警信号传输电缆和仪器电源线连接插头插座都隐含在仪器壳体内部,能在各种气候环境下工作,并在一定的程度上避免了人为 因素的影响;功耗低(2瓦左右),便于使用太阳能、储电池和市电。
5、本实用新型提供的基于时变电磁场效应的雷电报警仪与旋转电场仪组合使 用,可构成对雷电的重点防区价格最低廉的雷电监测设备,既可监测测点上空雷雨 云形成过程中所产生的静电效应,又可监测数十公里以外闪电时所产生的时变电磁 场,从而可监测数千平方公里范围内闪电发生的情况。
附图说明
图1是现有技术旋转式大气电场仪的电路框图; 图2是本实用新型具体实施例雷电报警仪结构图; 图3是本实用新型雷电报警仪的电路框图;
图4是本实用新型雷电报警仪与旋转式大气电场仪的对比实验曲线。 附图标识
1、传感器 2、外壳盖
4、固定螺母 5、信号引入件
7、线路板 8、外壳
10、管状支架 11、支架与底座连接件
3、绝缘子 6、线路板 9、探头支架连接件 12、底座
具体实施方式
下面结合具体实施例与附图对本实用新型做详细说明。
本实施例的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,如图2所示,包括: 一电场传 感器l、 一雷电信号处理电路、 一探头、 一底座12及一管状支架10。
所述电场传感器l采用平板结构,水平放置于探头的上方,并通过信号引入件5 与雷电信号处理电路连接;所述信号引入件5通过绝缘子3嵌套固定在绝缘子正中 心,并通过绝缘子3与外壳绝缘;绝缘子3通过固定螺母4嵌套固定在外壳盖的中 心处,所述雷电信号处理电路板6、 7封装在探头壳体内。
所述探头包括: 一筒状壳体8、 一带有中心孔的外壳盖2;所述外壳盖2套装固 定在壳体8上。
所述管状支架10的一端通过探头支架连接件9与探头固定,另一端通过支架与 底座连接件11与底座12固定;所述管状支架10与探头相通,管状支架内用于穿置 与雷电报警电路连接的信号传输电缆和电源线。
所述外壳盖2、筒状壳体8及支架10采用304号不锈钢材料制得。
7所述雷电信号处理电路,如图3所示,包括: 一电流/电压变换器、 一高通滤波 器、 一电压放大器、 一跟随器、 一带通滤波器、 一峰值检测器、 一隔离器、 一模拟/ 数字变换器,用于将峰值信号转换为数字信号、 一数据处理与控制电路、 一声、光 报警器和一屏幕显示器。
当有雷电活动时,闪电所引起的时变电磁场在电场传感器上感应出时变电流, 经前级的I/V变换器变换成时变电压,经过高通滤波器,除去大于有用信号的低频杂 散信号,以确保待测信号频段在后级的放大中有较好的放大特性和较高的增益,再 经电压放大,隔离到带通滤波器获得待测信号所需频段的信号,峰值检测器检测的 峰值信号经隔离送入到A/D变换获得的数字信号,对该数字信号的数值及数密度进 行经分析,鉴别,判别,如数值及数密度达到注意雷电的警戒线,启动报警器立即 发出"注意雷电"的呼叫声和黄灯发出黄色的闪烁灯光,此时可能会发生雷电,但 本地区还没有发生,告诉大家注意,做好准备。如果信号幅度进一步增大,数密度 增加到雷电即将发生的警戒线,启动报警器立即发出"雷电即将来临"的呼叫声和 红灯发出红色闪烁的灯光,告诉大家雷电即将来临了,快躲避。如配有计算机,在 屏幕上以"橙色"和"红色"曲线图显示'注意雷电'和'雷电快要来临了'两种 情况。(如在野外,万一来不及跑回家,双脚并拢,双手抱膝就地蹲下)。所有雷电 信号处理的线路都装在探头内,报警信号可通过无线或有线传输到人民听视觉能感 觉到的地方。报警信号传输线和电源线(可用太阳能电池)通过支架由底座引出。
外接电源:交流(220V) /直流± (5V-12V),蓄电池/太阳能电池。
经过两年多与传统式雷电报警仪一旋转式电场仪(Electric field mill)对比实验 (图4所示,上图为旋转式大气电场仪记录曲线,下图为本实用新型雷电报警仪记 录曲线),在雷电监测与预报作用上有很好的效果。其特点是价格低廉、工作寿命长、 操作维护方便,监测范围大,功耗低,能在各种天气环境下工作,适用于广大农村 和边远山区使用。

Claims (8)

1、一种基于时变电磁场效应的雷电报警仪,包括:一电场传感器、一雷电信号处理电路及报警器; 其特征在于, 所述电场传感器,用于根据雷电活动时闪电引起的时变电磁场,感应产生时变电流,并将该时变电流送入雷电信号处理电路; 所述雷电信号处理电路,用于处理输入的时变电流信号,将时变电流信号最终转换为数字信号,并对该数字信号的数值及数密度进行分析鉴别、判断,如果数值及数密度在设定的时段达到设定的警戒线,则通知报警器发出报警信号; 所述报警器,用于发出报警信号。
2、 根据权利要求l所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述雷电信号处理电路包括:一电流/电压变换器,用于将时变电流转换为第一时变电压; 一高通滤波器,用于去掉第一时变电压中大于有用信号的低频杂散信号; 一电压放大器,用于将经过高通滤波器的第一时变电压放大为第二时变电压,经隔离后送入带通滤波器;一带通滤波器,用于从第二时变电压中获取所需频段的信号,并将该信号送入峰值检测器;一峰值检测器,用于检测输入信号的峰值信号,并将该峰值信号送入模拟/数字 变换器;一模拟/数字变换器,用于将峰值信号转换为数字信号;一数据处理与控制电路,控制电路用于控制模拟/数字变换器的采集时间和速率、 存取数据、设定报警参量和自捡;数据处理电路用于对数字信号进行分析鉴别,判 断,如果数值及数密度在设定的时段达到设定的警戒线,则通知报警器发出报警信 号;所述报警参量包括:警戒线数据、报警类别、持续时间。
3、 根据权利要求1所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述雷电报警仪进一步包括: 一探头、 一底座(12)及一管状支架(10);所述电场传感器设置于探头的外部,并通过信号引入件(5)与雷电信号处理电 路连接;所述信号引入件(5)嵌套固定在外壳的中心孔中,并通过绝缘子(3)与 外壳绝缘;所述雷电信号处理电路全部封装在探头内;所述管状支架(10)的一端与探头固定,另一端与底座(12)固定;所述管状 支架(10)与探头和底座相通,信号传输电缆和电源线直接从探头通过管状支架管(10)内于底座(12)引出。
4、 根据权利要求2所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述探头包括: 一底面有孔的筒状壳体(8)、 一带有中心孔的外壳盖(2);所述外壳 盖(2)套装固定在壳体(8)上;所述探头支架连接件(9)用于筒状壳体(8)和 管状支架(10)固定。
5、 根据权利要求3所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述外壳盖(2)、筒状壳体(8)及管状支架(10)采用不锈钢材料制得。
6、 根据权利要求2所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述电场传感器(1)采用平板结构,水平放置于探头的上方。
7、 根据权利要求2所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述雷电报警仪还包括一显示器,通过信号传输电缆与雷电信号处理电路连接,用于 显示被监视地区雷电发展情况和雷电报警类别信号。
8、 根据权利要求l所述的基于时变电磁场效应的雷电报警仪,其特征在于,所 述报警器由声报警器和/或光报警器组成。
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