Dispositivo y sistema de medición de un campo electroestático externo, y sistema y procedimiento de detección de tormentas.

La invención se refiere a un dispositivo de medición de un campoelectroestático externo,

por ejemplo, para la detección de tormentas, que comprende: un primer elemento conductor (1); un amplificador (2) en configuración de carga; un dispositivo electrónico decontrol (3) que tiene una entrada (3a) conectable a la salida (2b) del amplificador (2), para recibir una señal de salida (Vs); yun segundo elemento conductor (4) situado próximo al primer elemento conductor (1) para someterlo a un campo electrostático de compensación creado por una señal de compensación (Vc) calculada ygenerada por el dispositivo electrónico de control, para evitar una deriva en la señal de salida (Vs) causada por el carácter integrador de la configuración del amplificador. La invención tambiénse refiere a un sistema de medición diferencial, y a un sistemay método de detección de tormentas.

Dispositivo y sistema de medición de un campo electroestático externo, y sistema y procedimiento de detección de tormentas.

Campo técnico de la invención La invención se engloba en el campo de los sistemas de medición del campo electrostático, útiles para, por ejemplo, la detección de tormentas.

Antecedentes de la invención En la actualidad se utilizan básicamente tres procedimientos distintos para la detección de tormentas:

a) Detección por ionización del aire o efecto corona.

b) Detección por radiofrecuencia.

c) Detección por medición del campo electroestático.

A continuación se describe el principio de operación básico de cada uno de estos procedimientos de detección.

a) Detector de tormentas por ionización del aire o efecto corona.

Un detector de este tipo se describe en la solicitud de patente española publicada bajo el número ES-A-2038551.

Este tipo de detectores actúa midiendo la corriente eléctrica generada por las variaciones de campo eléctrico provocadas por las tormentas y, más concretamente, las variaciones bruscas que se producen momentos antes de la caída de un rayo. El principal inconveniente de este tipo de detectores es que solo detectan variaciones bruscas del campo, por lo que su tiempo de antelación a la tormenta es casi nulo, ya que solo detectan la actividad de la tormenta cuando ésta se encuentra sobre el propio detector.

b) Detector de tormentas por radiofrecuencia.

Un ejemplo de un detector de este tipo se describe en la patente europea EP-B-0252807 (cuya traducción al español ha sido publicada bajo el número ES-T-2030747) .

Los detectores por radiofrecuencia detectan las emisiones de radiofrecuencia que emiten los rayos al atravesar la atmósfera desde la nube hasta el suelo. Los detectores de este tipo, aunque son muy eficaces para detectar tormentas a grandes distancias, presentan un inconveniente: son incapaces de detectar tormentas que se estén formando justo sobre el propio detector ya que solo detectan la tormenta cuando ésta presenta una actividad eléctrica considerable.

c) Detector de tormentas por medición de campo electroestático.

Es el único detector capaz de estar midiendo continuamente el campo electroestático, por lo que puede medir las pequeñas variaciones o incrementos del campo electroestático producidos tanto por la aproximación de una tormenta como por la creación de ésta sobre el propio detector. El principal inconveniente de este tipo de detector no está en el procedimiento de detección sino en los instrumentos de detección que se utilizan en la actualidad. Estos instrumentos, por ejemplo, el descrito en la solicitud de patente francesa publicada bajo el número FR-A-2432719, están basados en el principio del molino de campo. El instrumento descrito en FR-A-2432719 utiliza un motor mecánico para transformar el campo electroestático en una señal alterna, la cual es mucho más fácil de medir. El empleo de un motor implica un inconveniente, ya que al utilizar partes móviles, se produce el riesgo de averías y desgastes (especialmente si se tiene en cuenta que este tipo de instrumentos muchas veces debe estar funcionando 24 horas al día, 365 días al año) .

Por ello, se ha considerado que sería deseable proporcionar un dispositivo o sistema útil para medir el campo electroestático y que no presente este tipo de elementos móviles.

El documento US 6.414.318 describe además un dispositivo del estado de la técnica para medir campos electrostáticos externos.

Descripción de la invención Un primer aspecto de la invención se refiere a un dispositivo de medición de un campo electroestático externo, que comprende:

un primer elemento conductor (por ejemplo, un disco metálico de cobre de aproximadamente 20 mm de diámetro y 0, 2 mm de grosor;

un amplificador (por ejemplo, un amplificador operacional electrométrico que es capaz de amplificar corrientes muy pequeñas) con una entrada conectada al primer elemento conductor para recibir una señal de entrada (Ve) en dicha entrada, siendo dicha señal indicativa del valor (tensión o potencial) (con respecto a tierra, si la otra entrada del amplificador está conectada a tierra) del campo electroestático al que está sometido el primer elemento conductor (se mide la tensión de campo, concretamente los voltios por metro) , estando el amplificador configurado como amplificador de carga (también conocido como amplificador integrador; de esta forma, se consigue una gran ganancia y, a la vez, corrientes de fuga casi nulas, si comparamos con una configuración diferencial del amplificador) (lo que caracteriza a un amplificador de carga es el hecho de que la red de realimentación del operacional esta constituida por un condensador y no por una resistencia; el condensador presenta una impedancia casi infinita, del orden de tera-ohmios, para tensiones y/o corrientes continuas) de manera que produce, en una salida del amplificador, una señal de salida (Vs) con un valor que corresponde al valor de la señal de entrada (Ve) integrado en el tiempo;

un dispositivo electrónico de control (por ejemplo, un microcontrolador) que tiene una entrada conectable (o conectada) a la salida del amplificador, para recibir dicha señal de salida (Vs) (o una señal digitalizada correspondiente a la misma) .

Ahora bien, el amplificador en configuración de carga representa un problema. En un amplificador en configuración diferencial (véase la figura 1B) , con una resistencia R1 conectado entre la entrada negativa y una señal (tensión) de entrada Ve, y con una resistencia R2 conectada entre la salida y la entrada, la señal de salida Vs resultante está relacionada con la señal de entrada por la fórmula Vs = - Ve x (R1/R2) ,

es decir, la señal de salida Vs es proporcional a la señal de entrada Ve y si Ve no varía en el tiempo, tampoco varía Vs. Ahora bien, para la detección de tormentas y similares aplicaciones, la detección del campo electroestático con un amplificador en configuración diferencial no sería práctico, ya que se producen fugas por las resistencias utilizadas; dado que las cargas a detectar suelen ser muy pequeñas, estas fugas imposibilitarían cualquier detección (ya que las fugas pueden ser mayores que la corriente eléctrica generada por el campo electroestático) .

Por esta razón, se ha optado por la configuración de carga o de integración, representada en la figura 1A, donde la relación entre la señal de salida Vs y la señal de entrada, utilizando un condensador C, queda definida por la fórmula Vs = - 1/C x f Ve dt

es decir, la señal de salida correspondería a la señal de entrada integrada en el tiempo. Esto significa que ante una entrada constante, la salida tiende al infinito, es decir, va subiendo o bajando gradualmente, haciendo imposible cualquier medida.

Por esta razón, de acuerdo con la invención, se ha previsto un segundo elemento conductor situado próximo al primer elemento conductor, y teniendo el dispositivo electrónico de control una salida conectable (o conectada) a dicho segundo elemento conductor para aplicar una tensión de compensación (Vc) a dicho segundo elemento conductor, para establecer un campo electroestático de compensación que afecte al primer elemento conductor.

De acuerdo con la invención, el dispositivo electrónico de control comprende además:

medios para detectar la señal de salida (Vs) del amplificador;

medios para medir periódicamente una variación en el tiempo de dicha señal de salida (Vs) ;

medios para generar y aplicar periódicamente a la salida del dispositivo electrónico de control, la señal o tensión de compensación (Vc) con un valor equivalente y con polaridad opuesta a la variación en el tiempo detectada en la señal de salida (Vs) del amplificador, con la condición de que si dicha variación en el tiempo es superior a un valor máximo (Vcmax) , el valor de la tensión de compensación será igual a dicho valor máximo (Vcmax) .

De esta manera, lo que se consigue es generar, a través del segundo elemento conductor (próximo al primer elemento conductor) , un componente adicional del campo electroestático que afecta al primer elemento conductor, y que “compensa” o reduce la señal de entrada Ve en función de la variación detectada en la señal de salida, evitando así el efecto de la integración o “deriva” en la señal de salida, sin afectar a las corrientes de fuga del propio amplificador (ya que el primer elemento conductor y el segundo elemento conductor están próximos el uno al otro, pero sin estar en contacto) .

Lógicamente, los niveles máximos de la señal de compensación Vc, así... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de medición de un campo electroestático externo, caracterizado porque comprende:

un primer elemento conductor (1) ;

un amplificador (2) con una entrada (2a) conectada al primer elemento conductor (1) para recibir una señal de entrada (Ve) en dicha entrada (2a) , siendo dicha señal indicativa de la tensión de campo de un campo electroestático al que está expuesto el primer elemento conductor (1) , estando el amplificador (2) configurado como amplificador de carga, de manera que produce, en una salida (2b) del amplificador (2) , una señal de salida (Vs) con un valor que corresponde al valor de la señal de entrada (Ve) integrado en el tiempo;

un dispositivo electrónico de control (3) que tiene una entrada (3a) conectable a la salida (2b) del amplificador (2) , para recibir dicha señal de salida (Vs) ;

un segundo elemento conductor (4) situado próximo al primer elemento conductor (1) ;

teniendo el dispositivo electrónico de control una salida (3b) conectable a dicho segundo elemento conductor

(4) para aplicar una tensión de compensación (Vc) a dicho segundo elemento conductor (4) , para establecer un campo electroestático de compensación que afecte al primer elemento conductor (1) ;

comprendiendo además el dispositivo electrónico de control:

medios (31) para detectar la señal de salida (Vs) del amplificador;

caracterizado porque el dispositivo electrónico de control comprende además:

medios (32) para medir periódicamente una variación en el tiempo de dicha señal de salida (Vs) ;

medios (33) para generar y aplicar periódicamente a la salida (3b) del dispositivo electrónico de control (3) , la tensión de compensación (Vc) con un valor equivalente y con polaridad opuesta a la variación en el tiempo detectada en la señal de salida (Vs) del amplificador (2) , con la condición de que si dicha variación en el tiempo es superior a un valor máximo (Vcmax) , el valor de la tensión de compensación será igual a dicho valor máximo (Vcmax) .

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo electrónico de control está configurado de manera que la velocidad de generación de la tensión de compensación y el valor máximo de la tensión de compensación (Vc) están limitados de manera que la señal de compensación pueda compensar una deriva en la señal de salida (Vs) debido a la integración de la señal de entrada (Ve) en el amplificador (2) , pero no cambios en la señal de salida (Vs) que se deban a variaciones sustanciales en el campo electroestático externo a medir.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo electrónico de control (3) está configurado de manera que la tensión de compensación (Vc) se genera una vez cada S segundos, 0, 1s : S : 1s, y el valor máximo (Vcmax) de la tensión de compensación (Vc) está limitado de manera que la tensión de compensación aplicada al segundo elemento conductor (4) no puede superar 200 mV.

4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye un primer convertidor analógico-digital (5) para convertir la señal de salida (Vs) del amplificador (2) en una señal digital para ser procesada por el dispositivo electrónico de control (3) .

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye un convertidor digital-analógico (6) para convertir una señal de compensación (Vc) digital del dispositivo electrónico de control (3) , en la tensión de compensación (Vc) analógica que es aplicada al segundo elemento conductor (4) .

6. Sistema de medición de un campo electrostático por medición diferencial, caracterizado porque comprende dos dispositivos de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, y medios (34) para detectar la diferencia entre la señal de salida (Vs) de uno de dichos dispositivos y la señal de salida (Vs) de otro de dichos dispositivos.

7. Sistema de medición según la reivindicación 6, caracterizado porque además comprende un sistema informático (10; 22) configurado para recibir una señal indicativa de la diferencia entre las señales de salida (Vs) y para producir una señal indicativa de un evento en el caso de que dicha diferencia cumpla uno o varios criterios predeterminados.

8. Sistema de medición según la reivindicación 7, caracterizado porque el primer elemento conductor (1) de uno de los dispositivos está situado en la proximidad del primer elemento conductor (1) de otro de los dispositivos, estando uno de dichos primeros elementos conductores situado a una altura superior a la del otro.

9. Sistema de detección de tormentas, caracterizado porque comprende al menos un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5 y medios de análisis (10, 22) de la señal de salida (Vs) de dicho dispositivo o de dichos dispositivos, estando dichos medios de análisis configurados para generar una señal indicativa de una tormenta cuando la señal de salida o las señales de salida cumplan al menos un criterio predeterminado.

10. Sistema de detección de tormentas según la reivindicación 9, caracterizado porque comprende un sistema de medición según una cualquiera de las reivindicaciones 6-8.

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11. Procedimiento de detección de tormentas, caracterizado porque comprende los pasos de:

monitorizar la señal de salida (Vs) de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5; y determinar la existencia de una tormenta en base al desarrollo de dicha señal de salida.

12. Procedimiento de detección de tormentas, caracterizado porque comprende los pasos de:

monitorizar la diferencia entre la señal de salida (Vs) de dos dispositivos de un sistema de medición según 10 una cualquiera de las reivindicaciones 6-8; y determinar la existencia de una tormenta en base al desarrollo de dicha diferencia.