专利名称：一种主动式避雷装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种主动式避雷装置，属防雷和电子技术领域。
背景技术：
雷电对电子产品、尤其是处于野外工作的电子产品的危害十分巨大，有报道称，经过对常年工作于野外的水文自动化仪器的损坏因素进行分类统计，发现因雷电造成的损坏的比例高达70%以上，究其原因，可能有以下几个方面1)雷电本身破坏力巨大。据权威部门统计，通常一次雷电所释放的能量在数百兆焦尔(MJ)以上、放电电流幅值在几十千安(kA)以上，放电常还包含多次重复冲击放电，放电的总持续时间在短至Is以内，呈典型冲击波特点；2)水文自动化仪器绝大多数常年处于野外工作，相比于室内电子设备，因少了建筑物的屏蔽以及接地不良等因素，本身暴露在更强雷电感应环境中，使得供电、数据通信、 数据采集线路极易感应串入强大的雷电流；3)当今水文自动化仪器绝大多数是电子产品，耐受电能冲击的能力很低(一般仅为毫焦尔以下(mj))。另外，电子技术从上世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路、当今的超大规模集成电路以来，元件的耐受能量已由焦尔级降至毫焦尔级甚至更低；4)现有防雷产品性能不理想或因雷电的持续作用，导致避雷器极易产生性能下降或完全失效，同时又得不到及时更换。对于受雷电影响的对象来讲，通常可将雷击分为直击雷和感应雷两种，电子装置的防雷一般是防感应雷。感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，感应雷主要通过电磁感应的方式产生在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感应电动势，于是雷击就产生了 雷电在导线上感应起电涌，并沿导线传播到与之相连的电子设备，当这些设备的耐压较低时就会被感应雷损坏。可以看出，感应雷产生的必要条件是金属导体，对于电子装置而言，就是与之连接的导线，而且，导线越长、延伸范围越大，感应电动势越高，引起的电涌越大。为抑制导线中的电涌，人们发明了线路电涌避雷器(SPD)。早期的线路避雷器是开放的空气间隙，当过电压侵入时，空气间隙被击穿，过电压被箝位到很低的水平，过电流也通过空气间隙泄放入地，实现了避雷器对线路的保护。气体放电型避雷器的固有缺点冲击击穿电压高；放电时延较长(μ s级)；残压波形陡峭(dv/ dt较大)。这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强。在后来的研究中，人们发明了金属氧化物半导体变阻器(MOV)，其伏-安特性更好，并具有响应时间快、通流容量大等许多优点，目前被普遍采用。毋容置疑，MOV避雷器也有缺点强大的雷电流可能将避雷器击坏，而哪怕一次雷击过程都是由多次组成，时间间隔很短，人们往往无法知道避雷器已经失效，况且即使知道，也来不及更换；避雷器也可能因工作时间长、材料老化而动作电压下降，当动作电压下降到低于线路正常工作电压(尤其
3是通信线路)的水平时，避雷器通过的交流电流增加，一方面会导致通信设备电平异常、工作失常，另一方面会导致避雷器发热，最终会破坏MOV器件的非线性特性，加速避雷器部分短路烧毁。综上所述，可以认为防雷产品目前尚无万试万灵的产品，均不同程度存在应用范围受限、功能和性能不够理想、可靠性不高、在雷电发生时保护程度有限等不足。
发明内容
本发明的目有在于针对当前应用电子装置避雷器现有技术存在的问题，经过对电子产品应用的某些实际应用系统(如数据采集类的系统)的工作特点进行分析发现，有一大类设计处于有计划的间断工作的设备，比如每一时间段(每小时、每天……)工作很短时间的一次(几秒钟、几分钟……)，实现数据采集记录，然后向数据中心发送数据。虽然只是间断工作，但这类系统仍然是处于常接通状态，本发明通过时间结合环境因素控制，实现按设定时间段处于安全接通状态，通过常断开方法解决这类系统避雷问题，达到主动避雷目的。本发明的目的是通过下列设计完成的由定时器(1)、湿度传感器O)、单片机 (3)、继电器(4)和内置电源( 依次连接组成主动式避雷装置，其特征是装置内的单片机 (3)同时能够接收定时器(1)和湿度传感器(2)发出的信号，控制继电器(4)按定时器(1) 发出的时间信号，定时断开或闭合(接通)位于野外间断工作的电子装置的供电或通信线路，以降低雷击发生时电子装置正处于与外部连接的概率，降低雷电感应涌流对电子装置的损坏概率，主动避雷。定时器⑴为单片机(3)提供精确日历时钟，自动按设定的定时通/断时间，让被保护的电子装置与外部连接线路按设定要求的通断控制，使被保护的电子装置在设定许可的处于不工作情况下，与外部连接处于彻底断开的状态。在定时接通时间内，单片机(3)对湿度传感器(2)通电使其工作并采集环境湿度数据，通过与事先设定的湿度值比较，判断外部环境湿度的大小，间接评估雷电发生的概率并决定本次是否进行安全接通；在一次定时通断时间内，通过采集湿度间接评估雷电发生概率并决定实现安全接通的尝试可按设定反复多次。研究表明，雷云是产生雷电的基本因素，而空气中有足够的水蒸汽是雷云形成乃至放电(雷电)的必备条件。对于感应雷来说，其能量传导为电磁场，场的传播与距离的平方呈反比，随着距离的增加能量迅速衰减，故防感应雷最主要的是防一定区域范围内的雷电，这也就是本发明要通过通过检测环境湿度来判断雷击发生概率的主要原因。主动式避雷装置由定时器1、湿度传感器2、单片机3、继电器4和内置电源5等依次连接组成，置于一具有电磁屏蔽功能的保护盒中。定时器1和单片机3处于常工作状态， 定时器1产生精确时钟，为单片机3提供时钟，单片机3可按设定定时通断的时间参数要求通过控制继电器4实现对被保护的电子装置的外部连接按设定时间的通断控制，使得被保护的电子装置在许可的处于不工作情况下，处于与外部连接彻底断开的安全防雷的状态 (简称一次时间任务)。在一次时间任务内，单片机3对湿度传感器2通电使其工作并采集环境湿度数据，通过与事先设定的湿度值比较，判断外部环境湿度的大小，评估雷电发生的概率，判定本次是否安全接通；在一次时间任务周期内，通过采集湿度评估雷电发生概率实现安全接通的尝试可反复多次，最终实现一次安全(简称一次安全接通)。本发明主动式避雷装置内的单片机3接收定时器1和湿度传感器2发出的信号， 控制继电器4断开或闭合(接通)处于野外间断工作的电子装置的与外部连接的供电或通信线路，使得被保护的电子装置只在处于工作时刻且环境湿度达标情况下，方建立与外部线路的连接，而绝大部分时间内，被保护的电子装置与外部线路处于彻底断开的安全防雷的状态，有效降低雷击发生时电子装置正处于与外部线路连接的概率，降低雷电感应涌流对电子装置的损坏概率，达到主动式避雷的目的。本发明采取内置双重电池供电，自身抗雷电性能好，采用低功耗设计，通常更换电池周期为1年以上，能够满足大多数使用要求。本发明的主要优点是本发明针对处于有计划的间断工作电子设备的特点设计，克服了现有避雷器被动泄放电涌在遭遇一定强度之上的雷电、一次雷电连续多次泄放、一段时间多次雷电等造成避雷器性能下降、失效情况下造成被保护电子装置损坏的不足，可大大降低雷击发生时被保护电子装置与外部线路的连接概率，降低感应雷电流涌入的风险，实现主动式避雷。本发明设计有灵活的时间湿度设置功能，可依据环境湿度制定主动式避雷策略，湿度的设定门槛值可现场调节直至关闭，方便不同用户的使用。本发明采取内置双重电池供电，自身抗雷电性能好，采用低功耗设计，通常更换电池周期为1年以上，能够满足大多数使用要求。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1为本发明的结构框图。图2为本发明的电路原理图。图3为本发明主动式避雷的流程图。
具体实施例方式如图1所示的装置组成结构图和图2所示的装置电路原理图中，定时器1由时钟芯片(Ul)和钮扣电池组成，做为实施例，时钟芯片(Ul)选用PHILIPS公司PCF8563专用时钟集成芯片，时钟精度高，功耗低，其典型工作电流值为0. 25uA(VDD = 3. 0V, Tamb = 25°C )。纽扣电池BTl选用CR2032锂-二氧化锰，提供3V供电，容量为2IOmAh，年容降低于 2%，贮存寿命长，可供时钟芯片连续工作5年以上；湿度传感器2(U2)选用Honeywell公司的HIH4000集成湿度传感器，测量范围0 100% RH,-40 85°C，测量精度3. 5% RH，供电 5VDC、200uA电流，输出0 4VDC ；单片机3(U3)选用STC12LF1840T，超低功耗，自带10位 A/D转换器，实现对湿度的数据采集；继电器4(U4)选用欧姆龙公司的G3SD固态继电器，控制输入DC 2 6V，控制电流mA以下，控制输出常开，接点电压DC 0 24V或AC 220V，接点电流IA以上，绝缘电阻100ΜΩ以上，耐压2500V以上。根据被保护对象需要进行通断控制的线路数，可选择多个继电器构成多路控制；内置电源5 BT2可选用3V大容量碱性电池或大容量锂电池，单片机可使用的电压范围为1. 8 3. 6V，容量通常计算为1500 4000mAH， 为了延长电池更换周期，采用2节电池并联，计算结合测试结果表明(在每天接通2次、每次10分钟、控制2路线路情况下)可连续供电1 3年及以上。
如图3的本发明主动式避雷策略流程图所示，通过嵌入式程序设计实现的功能， 可供设定定时时间to、湿度在监测延时时间tl、安全湿度数值ho、控制外部线路连接接通时间t2和时间任务内的接通尝试次数η。其中to可实现按每天M小时内设置多个任一时间，也可以按每小时设置多个任一时刻……，做为实施例，如设置每天AM 8:00和PM 8:00 二个时间段接通；tl为装置对环境湿度进行监测后判断当前环境湿度大于设定值h0，认为风险较大，适宜将接通任务推后的时间间隔，如设定1小时；t2为接通控制的持续时间，如设定为10分钟；安全湿度数值h0和接通尝试次数η可根据使用现场的具体情况设定，也可以根据季节不同进行调整，若认为低湿段与雷电关系不十分明显，可将h0设置大一些，控制在雷雨来临之前及雷雨正在发生的前后一段时间被保护电子装置与外部线路连接处于完全断开的相对安全境况，如雨季设置h0 = 85% RH, η = 3。
权利要求
1.一种主动式避雷装置，由定时器(1)、湿度传感器O)、单片机(3)、继电器(4)和内置电源( 依次连接组成，其特征是装置内的单片机(3)同时能够接收定时器(1)和湿度传感器⑵发出的信号，控制继电器⑷按定时器⑴发出的时间信号，定时断开或闭合 (接通)位于野外间断工作的电子装置的供电或通信线路，以降低雷击发生时电子装置正处于与外部连接的概率，降低雷电感应涌流对电子装置的损坏概率，主动避雷。
2.根据权利要求1所述的主动式避雷装置，其特征是定时器(1)为单片机C3)提供精确日历时钟，自动按设定的定时通/断时间，让被保护的电子装置与外部连接线路按设定要求的通断控制，使被保护的电子装置在设定许可的处于不工作情况下，与外部连接处于彻底断开的状态。
3.根据权利要求1或2所述的主动式避雷装置，其特征是在定时接通时间内，单片机 (3)对湿度传感器( 通电使其工作并采集环境湿度数据，通过与事先设定的湿度值比较， 判断外部环境湿度的大小，间接评估雷电发生的概率并决定本次是否进行安全接通；在一次定时通断时间内，通过采集湿度间接评估雷电发生概率并决定实现安全接通的尝试可按设定反复多次。
全文摘要
本发明涉及一种主动式避雷装置，由定时器1、湿度传感器2、单片机3、继电器4和内置电源5等依次连接组成，其特征可按设定的时间和环境湿度参数要求，实现对被保护的电子装置的外部连接线路的通断控制，使得被保护的电子装置只在处于工作时刻且环境湿度达标情况下，方建立与外部线路的连接，而绝大部分时间内，被保护的电子装置与外部线路处于彻底断开的安全防雷的状态，有效降低雷击发生时电子装置正处于与外部线路连接的概率，降低雷电感应涌流对电子装置的损坏概率，达到主动式避雷的目的。
文档编号G05B19/042GK102445912SQ201210014298
公开日2012年5月9日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者王维 申请人:王维