Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung wenigstens eines schalleitenden Mediums, bei welchem Verfahren an einer Stelle an das schalleitende Medium Schallschwingungen abgegeben werden und an einer anderen Stelle die durch das Medium übertragenen Schallschwingungen von dem Medium abgenommen werden, und bei einer vorbestimmten Änderung der abgenommenen Schallschwingungen gegen über den abgegebenen ein Alarmsignal ausgelöst wird, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und eine Anwendung des Verfahrens.
Unter Schallschwingungen werden dabei Schwingungen in jedem Frequenzbereich verstanden, in welchem eine Übertragung durch das überwachte Medium möglich ist, insbesondere jedoch Schwingungen im Ultraschallbereich.
Als schalleitende Medien können hierbei beliebige feste Gegenstände dienen, z. B. Glasscheiben oder metallische Wände, An diesen ist wenigstens ein Schwingungsgeber angebracht, welcher Körperschall vorzugsweise im Ultraschallbereich an die Glasscheibe oder Metallband abgibt. An einer anderen Stelle ist wenigstens ein Schwingungsaufnehmer angebracht, der die durch die Scheibe, Wand oder Fläche übertragenen Ultraschallschwingungen aufnimmt. Mit dem Schwingungsaufnehmer ist eine elektrische Auswerteschaltung verbunden, welche ein Signalgerät steuert. Der Schwingungsaufnehmer- kann dabei an einer beliebigen, anderen Stelle angebracht sein, z. B. auch unmittelbar benachbart mit dem Schwingungsgeber. In einer speziellen Vorrichtung kann der Schwingungsgeber auch gleichzeitig als Schwingungsaufnehmer dienen.
Vorrichtungen dieser Art können beispielsweise zum Einbruchschutz von Schaufenstern, Vitrinen oder Tresorräumen dienen. Als schaffleitendes Medium dienen hierbei die Glasscheiben oder Tresorwände. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung zum Schutz flächenhafter Objekte beschränkt, sondern kann in gleicher Weise zum Schutz oder zur Überwachung beliebiger schalleitender Medien benutzt werden, z. B. von in Museen oder Vitrinen ausgestellten Gegenständen, von Umzäunungen oder als Ultraschallraumschutz, wobei der Gegenstand selbst, das Material der Umzäunung oder die in einem Raum befindliche Luft als schalleitendes Medium dient und irgendwelche Änderungen in diesem Raum zu einer Veränderung des Schailfeldes führen.
Eine durch die deutsche Offenlegungsschrift 1 913 161 bekannte Überwachungsanordnung beschreibt bereits die Übertragung von Körperschall im Ultraschallbereich an die zu überwachenden Objekte. Der an der Messtelle ankommende Ultraschall wird registriert und bei einer Amplitudendämpfung wird ein Alarmgerät betätigt. Eine Alarmgabe erfolgt jedoch nicht nur bei einer Zerstörung des Objektes, sondern ebenfalls schon bei einer Berührung. In der Praxis, z. B. bei Schaufensterscheiben, wo eine zufällige Berührung häufig nicht zu vermeiden ist, würde das zur häufigen Auslösung eines Fehlalarmes führen.
Bei einem weiteren, bekannten Verfahren nach der deutschen Offenlegeungsschrift 2 056 015 wird ein geschützter Gegenstand, speziell eine Glasscheibe, durch einen Schwingungsgeber in Resonanzschwingung versetzt und die Schwingung durch einen Schwingungsempfänger abgegriffen. Auch hier wird bei einer Amplitudenänderung ein Alarmsignal ausgelöst. Wiederum ist nachteilig, dass eine Amplitudenänderung und damit eine Alarmauslösung nicht nur bei Beschädigung der Scheibe, sondern schon bei einer Berührung auftritt.
Weiterhin ist nachteilig, dass sich die Resonanzstellen einer Glassscheibe auch bei Temperaturänderungen verschieben oder bei einer Benetzung einer Oberfläche durch Regen. Auch hierdurch ändert sich die Schwingungsamplitude, ohne dass ein echter Alarm vorliegt.
Im Schweizer Patent 557 068 ist bereits ein Verfahren beschrieben, bei welchem diese Nachteile grösstenteils vermieden werden. Dabei wird die Erkenntnis benützt, dass das überwachte Medium in einem bestimmten Frequenzbereich dicht nebeneinander liegende Resonanzstellen aufweist. Zur Auswertung wird das sogenannte Gruppeniaufzeitphänomen herangezogen, welches dadurch zustande kommt, dass im Bereich einer Resonanzstelle die Zeitdifferenz eines den Schallschwingungen überlagerten Modulationssignales zwischen Empfänger und Geber sich ausserordentlich stark schon bei geringfügigen Änderungen der Resonanzfrequenz ändert.
Dadurch können bereits geringfügige Beschädigungen des Mediums, welche bereits zu einer starken Verschiebung des Resonanzspektrums führen, nachgeweisen werden, bei einer Berührung tritt jedoch kein Fehlalarm ein.
Nachteilig ist hierbei, dass die benützte Trägerfrequenz relativ genau so eingestellt werden muss, dass sie in einem Frequenzbereich zu liegen kommt, wo Resonanzstellen dicht beieinander liegen. Dies ist in der Praxis häufig schwierig zu erreichen, besonders wenn die Installation nicht durch speziell geschultes Personal erfolgen kann.
Ziel der Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile, insbesondere die Schaffung eines funktionssicheren, störunanfälligen Überwachungs- und Schutzverfahrens mittels Schallübertragung im überwachten Medium mit verminderter Fehlalarmanfälligkeit, welches auf einfachere Art installiert und eingestellt werden kann, ohne dass ein Empfindlichkeitsverlust zu befürchten ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der abgegebenen Schalischwingungen periodisch einen bestimmten Frequenzbereich durchläuft, dass der Amplituden- und/oder der Phasenverlauf der abgenommenen Schallschwingungen bei einem Frequenzdurchlauf mit dem Verlauf bei einem vorhergehenden Durchlauf verglichen wird und dass bei vorgegebenen Abweichungen der beiden Amplituden- und/oder Phasenverläufe voneinander ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen durch eine Einrichtung zur periodischen, stetigen Veränderung der Frequenz gesteuerten, an das überwachte Medium Schallschwingungen abgebenden Schallgeber, durch einen die durch das überwachte Medium übertragenen Schallschwingungen aufnehmenden und in ein elektrisches Signal umwandelnden Schallaufnehmer und durch eine Auswerteschaltung, welche dazu eingerichtet ist, den Amplituden- und/ oder Phasenverlauf der aufgenommenen Schallschwingungen bei einer Periode der Frequenzänderung, mit dem Verlauf bei einer früheren Periode zu vergleichen und bei einem vorbestimmten Unterschied des Amplituden- und/oder Phasenverlaufs der beiden Perioden eine Alarmeinrichtung anzusteuern.
Da bei diesem Verfahren also ein ganzer Frequenzbereich periodisch überstrichen wird, ist die genaue Einstellung auf bestimmte Resonanzstellen nicht mehr nötig, solange der Frequenzbereich wenigstens eine oder mehrere solcher Resonenzstellen enthält oder dass durch Reflexion und deren Interferenz Amplituden- und Phasenschwankung entfällt. Trotzdem ist die sichere Funktion gewährleistet, da bereits bei einer geringfügigen Beschädigung oder Änderung im Medium sich die Resonanzstellen verschieben und diese Verschiebung bei der Auswertung sicher festgestellt werden kann.
Anhand der Figuren 1 und 2 wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand von zwei Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemässen Vorrichtung beschrieben.
In der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung sind an dem schalleitenden Medium 1, z. B. einer Glasscheibe oder Tresorwand, ein Schallgeber 2 und ein Schallempfänger 3 angebracht. Beide können beispielsweise als handelsübliche piezoelektrische Elemente aufgebaut sein. Der Schallgeber 2 wird von einem Oszillator 4 mit regelbarer Schwingungsfrequenz gesteuert. Die Frequenz dieses Oszillators 4 wird von einem Spannungsgeber 5 gesteuert, welcher beispielsweise als Kippspannungsgenerator mit einer bestimmten Periode ausgebildet ist. Dabei durchläuft die Frequenz des Oszillators 4 stetig einen bestimmten Schwingungsfrequenzbereich und springt am Ende einer Durchlaufperiode wieder auf den Anfangswert der Frequenz zurück, worauf sich der Vorgang periodisch wiederholt.
Da für die spätere Auswertung eine Synchronisation erforderlich ist, ist es zweckmässig, den Kippspannungsgenerator 5 durch einen Taktgeber 6 über einen Frequenzumsetzer 7 in einem festen Verhältnis zur Taktfrequenz zu steuern.
Die vom Schwingungsempfänger 3 aufgenommenen Schwingungen werden in ein elektrisches Signal umgesetzt, welches von einem Gleichrichter 8 gleichgerichtet wird. Der damit verbudene Tiefpass 9 bildet aus dem gleichgerichteten Signal die Enveloppe, wobei der Trägerfrequenzbereich des Oszillators 4 eliminiert wird, so dass am Ausgang des Tiefpasses 9 nur noch das Resonanzspektrtim des übertragenden Mediums 1 erscheint, welches sich periodisch mit jedem Durchlauf wiederholt, solange sich am oder im Medium 1 nichts verändert hat.
Bei der folgenden Auswertung werden die Amplitudenoder Phasenspektren in verschiedenen Durchlaufperioden miteinander verglichen. Dies kann sowohl analog wie auch digital erfolgen, z. B. indem die Resonanzkurve in einen Speicher eingegeben wird und das gespeicherte Signal bei der nächstfolgenden Durchlaufperiode abgerufen und mit dem direkten Signal verglichen wird.
In der Schaltung nach Figur 1 wird dieses Verfahren in digitaler Weise durchgeführt, indem zunächst das Ausgangssignal des Tiefpasses 9 einem Schwellenwertbildner zugeführt wird, welcher die Kurve in ein Rechtecksignal umsetzt, welches einerseits direkt dem Eingang eines Exklusiv-Oder-Tores 11 zugeführt wird, andererseits jedoch in ein Schieberegister 12 eingegeben wird, dessen Weiterschaltung durch den Taktgeber 6 gesteuert wird. Da die Periode des Kippgeneratots 5 in einem festen Verhältnis zum Taktabstand des Taktgebers 6 steht, erscheint am Ausgang des Schieberegisters stets ein um genau eine Periode verschobenes Signal, welches dem anderen Eingang des Exklusiv-Oder-Tores 11 zugeführt wird. Am Ausgang des Tores 11 tritt daher nur dann ein Signal auf, wenn sich zwischen den Resonanzkurven bei einem Frequenzdurchlauf Unterschiede zum vorhergehenden Durchlauf gezeigt haben.
Dabei ist zu bemerken, dass das Schieberegister 11 auch so gesteuert werden kann, dass das direkte Signal mit dem zweitletzten, drittletzten usw. Durchlauf verglichen wird.
Das Ausgangssignal der Torschaltung steuert eine JK-Flip Flop-Schaltung 13, die ebenfalls vom Taktgeber 6 getaktet wird. Am Ausgang des Flip-Flop 13 treten daher in diesem Takt Ausgangsimpulse auf, soweit sich die verglichenen Signale unterscheiden, wobei gleichzeitig die durch die Digitalisierung entstehenden Schaltfehler eliminiert werden. Diese Ausgangsimpulse werden nun einem Zähler 14 zugeführt, welcher mit dem Ausgang des Umsetzers 7 so verbunden ist, dass er nach jeweils einem Frequenzdurchlauf zurückstellt.
Der Zähler 14 ist so eingerichtet, dass er ein Ausgangssignal an eine Alarmeinrichtung 15 abgibt, wenn die Anzahl der in einer Durchlaufperiode gezählten Impulse eine vorgegebene Zahl k übersteigt.
Bei der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltung können sämtliche Bauteile als handelsübliche, integrierte Schaltungen ausgeführt sein.
Figur 2 zeigt das Schaltbild einer weiter verbesserten Überwachungsvorrichtung. Dabei sind die zum ersten Ausführungsbeispiel analogen Bauelemente mit gleichen Ziffern bezeichnet.
Wiederum ist am überwachten Medium 1 ein Schwingungssender 2 und ein Schwingungsempfänger 3 angebracht. Der Sender 2 wird von einem Oszillator 4 gespiesen, dessen Frequenz von einem Taktgeber 6 über einen Frequenzumsetzer 7 und einen Integrator zur Formung der Steuerspannung 5 derart gesteuert wird, dass die Schwingungsfrequenz des Oszillators 4 einen bestimmten Bereich stetig hin und her überstreicht. Das Ausgangssignal des Aufnehmers 3 wird wiederum über einen Gleichrichter 8 und einen Tiefpass 9, an dessen Ausgang das Spektrum des Mediums 1 erscheint, einem als Schwellenwertdetektor und Impulsformer wirkenden Schmitt Trigger zugeführt. Dabei wird die Hysterese-Wirkung, d. h. die leicht unterschiedlichen Schwellenwerte bei Überschreitung und Rückstellung dazu ausgenutzt, um kleine zufällige Schwankungen zu eliminieren.
Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers wird auf zwei Pfaden weiterverarbeitet, und zwar zunächst über die aus zwei Schieberegistern 16 und 17 und zwei Umschaltern 18 und 19 bestehende Vergleichsschaltung. Durch die Verwendung von zwei Schieberegistern ist es möglich, anstatt ein Signal mit dem jeweils unmittelbar folgenden wie im ersten Beispiel zu vergleichen, ein Signal über eine bestimmte Zeit festzuhalten, um kurzzeitige Störungen zu überbrücken. Beide Schieberegister 16 und 17 werden gleichzeitig durch den Taktgeber 6 weitergeschaltet. Die Umschalter 18 und 19 befinden sich jeweils in der entgegengesetzten Position und. werden durch den Ausgang des Frequenzteiles 7 am Ende jeder Periode in die entgegengesetzte Stellung geschaltet und zwar so, dass jeweils das Signal in das eine Schieberegister eingelesen wird, während es aus dem anderen abgenommen wird.
Das abgenommene Signal wird wieder einem Exklusiv-Oder-Tor 11 zugeführt, dessen anderer Eingang das Ausgangssignal des Schmitt Triggers 10 direkt erhält. Am Ausgang des Exklusiv-Oder Tors 11 erscheint daher nur dann ein Signal, wenn das direkte Signal vom zweitvorletzten verschieden ist. Der nachgeschaltete JK-Flip-Flop dient wiederum zur Unterdrückung der Schaltfehler bei der Digitalisierung.
Zur weiteren Verbesserung der Fehlalarmsicherheit und zur Unterdrückung kurzzeitiger Störungen sind in diesem zweiten Beispiel zwei Zähler 20 und 22 zur Verarbeitung des Ausgangssignales des Flip-Flop 13 hintereinandergeschaltet Der erste Zähler 20 wird über ein Verzögerungsglied 21, dessen Zeitkonstante genau der Frequenzperiode des Integrators 5 entspricht, vom Ausgang des Spannungsteilers 7 angesteuert, so dass seine Anzeige jeweils nach der Frequenzperiode gelöscht wird. Nur wenn dieser Zähler 20 während einer Periode mehr als Kl Impulse registriert hat, gibt er ein Ausgangssignal an den zweiten Zähler 22 weiter. Dieser zweite Zähler 22 wird nun über einen weiteren Frequenzteiler 23 so getriggert, dass seine Rückstellzeit ein Vielfaches der Rückstellzeit des ersten Zählers 20 beträgt.
Erst wenn der zweite Zähler 22 vom ersten Zähler 20 innerhalb dieser längeren Rückstellzeit eine bestimmte Anzahl von Impulsen K2 erhalten hat, wird ein Signal an die erste oder interne Alarmeinrichtung 24 weitergegeben und über ein Oder-Tor 26 der externen Alarmeinnch- tung 25 zugeführt. Damit wird zunächst erreicht, dass kurz dauernde Störungen, deren Dauer die Rückstellzeit des zweiten Zählers 22 nicht wesentlich überschreitet, nicht zu einem Alarm führen, sondern nur länger andauernde Veränderungen.
Um jedoch auch schnell erfolgende Beschädigungen oder Zerstörungen des geschützten Mediums, z. B. das plötzliche Zerschlagen einer Glasscheibe, registrieren zu können, ist eine Blockiereinnchtung für die Umschalter 18 und 19 vorgesehen, welche über einen weiteren, vom Ausgang des ersten Zählers 20 angesteuerten JK-Flip-Flop 28 erfolgt. Sobald am Ausgang des Zählers 20 ein Signal erscheint, wird die Flip-Flop-Schaltung 28 gesperrt, so dass die periodische Umschaltung der Schalter 18 und 19 nicht mehr stattfinden kann und der momentane Wert des Ausgangssignales des Schmitt-Triggers 10 in der Folge fortlaufend mit einem der beiden Schieberegi ster 16 oder 17 verglichen wird.
Hält nun die Veränderung im Medium, d. h. das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 10 länger an als die Rückstellzeit des zweiten Zählers 22, so wird durch die interne Alarmeinrichtung 24 ein in der Steuerleitung des Fli-Flop 28 angeordneter, steuerbarer Schalter 29 geöffnet, so dass die Vorrichtung wieder betriebsbereit ist. Inzwischen ist jedoch bereits das externe Alarmgerät 25 betätigt worden.
Zur Selbstüberwachung der Funktion und zur Meldung unbefugter Eingriffe, d. h. zum Sabotageschutz, wird das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 10 auf dem zweiten Auswertekanal einer monostabilen Schaltung 27 zugeführt, deren Rückstellzeit grösser ist als der Impulsabstand des Taktgebers 6. Falls also das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers stets den gleichen Wert behält, d. h. wenn keine Amplituden- oder Phasenschwankungen im Medium 1 festgestellt werden, so gibt monostabile Schaltung 27 ein Signal ab, das je nach verwendeter Logik direkt oder über einen Inverter 30 dem anderen Eingang des Oder-Tores 26 zugeführt wird. Damit wird erreicht, dass bei jeder Unterbrechung der Signalkette oder bei falscher Wahl des Frequenzbereiches ebenfalls ein Signal an die Alarmeulnchtung 25 gegeben wird.
Es sei bemerkt, dass anstelle der beschriebenen Amplitudenauswertung auch eine Phasenauswertung benützt werden kann. Dabei ist der Gleichrichter 8 lediglich durch einen Phasendetektor, z. B. einen PLL zu ersetzen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass mit dem beschriebenen Verfahren auch mehrere hintereinander geschaltete Medien, z. B. mehrere Glasscheiben überwacht werden können, wobei der Empfänger des einen Mediums jeweils über einen Verstärker mit dem Sender des folgenden Mediums verbunden wird. Es ist auch möglich, verschiedenartige Medien mit einer Vorrichtung zu überwachen, z. B. indem eine Glasscheibe in Serie mit einer Tresorwand geschaltet wird.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Schutz einer Schaufensterscheibe ergab sich eine funktionssichere und fehlalarmunanfällige Vorrichtung, wenn die Schwingungsfrequenz im Bereich zwischen 120 und 180 kHz stetig variiert wurde. Dabei betrug die Periode der Frequenz änderung etwa eine Viertel-Sekunde und die Taktfrequenz lag in der Grössenordnung von etwa 150 Hz. Es zeigte sich, dass bereits Schieberegister mit einer Kapazität von 64 Bit ausreichen, obwohl in den meisten Fällen eine bessere Auflösung empfehlenswert ist. Die Rückstellzeit des Zählers 20 wurde genau gleich der Frequenzperiode, d.h. ca. eine l/4-Sekunde gewählt, während die Rückstellzeit des Zählers 22 im praktisch realisierten Ausführungsbeispiel etwa 15 Sekunden betrug.
Es erwies sich, dass eine mit diesen Daten aufgebaute Vorrichtung zum Schutz von Schaufensterscheiben aller üblichen Grössen geeignet war. Es wurde stets eine genügende Anzahl von Amplituden- oder Phasenspitzen zur Auswertung erfasst, so dass ein sicheres Funktionieren gewährleistet war, ohne dass Änderungen vorgenommen werden mussten, z.B. die Frequenz auf das spezielle Objekt oder Material eingestellt werden musste.
The invention relates to a method for monitoring at least one sound-conducting medium, in which method sound vibrations are emitted at one point to the sound-conducting medium and the sound vibrations transmitted by the medium are removed from the medium at another point, and with a predetermined change in the sound vibrations picked up against which an alarm signal is triggered, as well as a device for carrying out the method and an application of the method.
Sound vibrations are understood to mean vibrations in any frequency range in which transmission through the monitored medium is possible, but in particular vibrations in the ultrasonic range.
Any solid objects can serve as sound-conducting media, e.g. B. Glass panes or metallic walls, at least one vibration transmitter is attached to these, which emits structure-borne sound, preferably in the ultrasonic range, to the glass pane or metal strip. At least one vibration sensor is attached at another point, which picks up the ultrasonic vibrations transmitted through the pane, wall or surface. An electrical evaluation circuit which controls a signaling device is connected to the vibration sensor. The vibration transducer can be attached to any other point, e.g. B. also immediately adjacent to the vibrator. In a special device, the vibration transmitter can also serve as a vibration sensor at the same time.
Devices of this type can be used, for example, to protect shop windows, showcases or vaults from burglary. The panes of glass or safe walls serve as a creative medium. However, the invention is not limited to this application for the protection of two-dimensional objects, but can be used in the same way for the protection or monitoring of any sound-conducting media, e.g. B. of objects exhibited in museums or showcases, of fences or as ultrasonic room protection, whereby the object itself, the material of the fence or the air in a room serves as a sound-conducting medium and any changes in this room lead to a change in the Schailfeld.
A monitoring arrangement known from German laid-open specification 1 913 161 already describes the transmission of structure-borne sound in the ultrasonic range to the objects to be monitored. The ultrasound arriving at the measuring point is registered and an alarm device is activated if the amplitude is attenuated. An alarm is given not only when the object is destroyed, but also when it is touched. In practice, e.g. B. in shop windows, where accidental contact is often unavoidable, this would lead to frequent false alarms.
In a further, known method according to German Offenlegungsschrift 2 056 015, a protected object, specifically a pane of glass, is set into resonance vibration by a vibration transmitter and the vibration is picked up by a vibration receiver. Here, too, an alarm signal is triggered if the amplitude changes. Again, it is disadvantageous that a change in amplitude and thus an alarm is triggered not only when the pane is damaged, but also when it is touched.
A further disadvantage is that the resonance points of a glass pane also shift when the temperature changes or when a surface is wetted by rain. This also changes the oscillation amplitude without a real alarm being present.
In the Swiss patent 557 068, a method is already described in which these disadvantages are largely avoided. This makes use of the knowledge that the monitored medium has resonance points lying close to one another in a certain frequency range. The so-called group delay phenomenon is used for the evaluation, which is caused by the fact that in the area of a resonance point the time difference of a modulation signal superimposed on the sound oscillations between the receiver and the transmitter changes extremely sharply even with slight changes in the resonance frequency.
As a result, even slight damage to the medium, which already leads to a strong shift in the resonance spectrum, can be detected, but no false alarm occurs if touched.
The disadvantage here is that the carrier frequency used must be set relatively precisely so that it comes to lie in a frequency range where resonance points are close to one another. This is often difficult to achieve in practice, especially if the installation cannot be carried out by specially trained personnel.
The aim of the invention is to avoid the disadvantages mentioned, in particular to create a functionally reliable, failure-prone monitoring and protection method by means of sound transmission in the monitored medium with reduced susceptibility to false alarms, which can be installed and adjusted in a simpler way without fear of loss of sensitivity.
The method according to the invention is characterized in that the frequency of the emitted sound vibrations periodically runs through a certain frequency range, that the amplitude and / or phase curve of the recorded sound vibrations in one frequency run is compared with the curve in a previous run, and that in the case of specified deviations between the two Amplitude and / or phase curves from each other an alarm signal is triggered.
A device according to the invention is characterized by a sound generator which is controlled by a device for the periodic, continuous change of the frequency and emits sound vibrations to the monitored medium, by a sound sensor that picks up the sound vibrations transmitted through the monitored medium and converts them into an electrical signal, and by an evaluation circuit which is set up to compare the amplitude and / or phase curve of the recorded sound oscillations in a period of the frequency change with the curve in an earlier period and to control an alarm device in the event of a predetermined difference in the amplitude and / or phase curve of the two periods.
Since with this method an entire frequency range is swept over periodically, the exact setting to certain resonance points is no longer necessary as long as the frequency range contains at least one or more such resonance points or that amplitude and phase fluctuations are eliminated due to reflection and their interference. In spite of this, the reliable function is guaranteed, since the resonance points shift even with a slight damage or change in the medium and this shift can be reliably determined during the evaluation.
The method according to the invention is described using two exemplary embodiments of a device according to the invention with reference to FIGS. 1 and 2.
In the device shown in Figure 1 are on the sound-conducting medium 1, z. B. a pane of glass or safe wall, a sounder 2 and a sound receiver 3 attached. Both can be constructed, for example, as commercially available piezoelectric elements. The sounder 2 is controlled by an oscillator 4 with an adjustable oscillation frequency. The frequency of this oscillator 4 is controlled by a voltage generator 5, which is designed, for example, as a breakover voltage generator with a specific period. The frequency of the oscillator 4 continuously runs through a certain oscillation frequency range and jumps back to the starting value of the frequency at the end of a cycle period, whereupon the process is repeated periodically.
Since synchronization is required for the later evaluation, it is useful to control the breakover voltage generator 5 by a clock generator 6 via a frequency converter 7 in a fixed ratio to the clock frequency.
The vibrations picked up by the vibration receiver 3 are converted into an electrical signal, which is rectified by a rectifier 8. The low-pass filter 9 connected to it forms the envelope from the rectified signal, the carrier frequency range of the oscillator 4 being eliminated, so that only the resonance spectrum of the transmitting medium 1 appears at the output of the low-pass filter 9, which is repeated periodically with each pass as long as the or has not changed anything in medium 1.
In the following evaluation, the amplitude or phase spectra are compared with one another in different cycle periods. This can be done both analog and digital, e.g. B. by entering the resonance curve in a memory and the stored signal is retrieved in the next cycle period and compared with the direct signal.
In the circuit according to FIG. 1, this method is carried out digitally by first feeding the output signal of the low-pass filter 9 to a threshold value generator, which converts the curve into a square-wave signal which is fed directly to the input of an exclusive-or gate 11 on the one hand and on the other however, is entered into a shift register 12, the advancement of which is controlled by the clock generator 6. Since the period of the Kippgeneratots 5 is in a fixed ratio to the clock interval of the clock 6, a signal always appears at the output of the shift register shifted by exactly one period, which is fed to the other input of the exclusive-OR gate 11. A signal therefore only occurs at the output of the gate 11 if there are differences between the resonance curves during a frequency sweep from the previous sweep.
It should be noted here that the shift register 11 can also be controlled in such a way that the direct signal is compared with the second to last, third to last, etc. pass.
The output signal of the gate circuit controls a JK flip-flop circuit 13, which is also clocked by the clock generator 6. Output pulses therefore occur at the output of the flip-flop 13 in this clock cycle, provided that the compared signals differ, the switching errors arising from the digitization being eliminated at the same time. These output pulses are now fed to a counter 14 which is connected to the output of the converter 7 in such a way that it resets after each frequency sweep.
The counter 14 is set up in such a way that it emits an output signal to an alarm device 15 when the number of pulses counted in a cycle period exceeds a predetermined number k.
In the circuit shown in this exemplary embodiment, all components can be designed as commercially available, integrated circuits.
FIG. 2 shows the circuit diagram of a further improved monitoring device. The components analogous to the first exemplary embodiment are denoted by the same numbers.
Again, a vibration transmitter 2 and a vibration receiver 3 are attached to the monitored medium 1. The transmitter 2 is fed by an oscillator 4, the frequency of which is controlled by a clock 6 via a frequency converter 7 and an integrator for shaping the control voltage 5 in such a way that the oscillation frequency of the oscillator 4 continuously sweeps back and forth over a certain range. The output signal of the transducer 3 is in turn fed via a rectifier 8 and a low pass 9, at the output of which the spectrum of the medium 1 appears, to a Schmitt trigger acting as a threshold value detector and pulse shaper. The hysteresis effect, i.e. H. the slightly different threshold values in the event of exceedance and provision are used to eliminate small random fluctuations.
The output signal of the Schmitt trigger is processed further on two paths, namely initially via the comparison circuit consisting of two shift registers 16 and 17 and two changeover switches 18 and 19. By using two shift registers, it is possible, instead of comparing a signal with the immediately following one as in the first example, to hold a signal for a certain time in order to bridge short-term disturbances. Both shift registers 16 and 17 are switched on by the clock 6 at the same time. The switches 18 and 19 are each in the opposite position and. are switched to the opposite position by the output of the frequency divider 7 at the end of each period in such a way that the signal is read into one shift register while it is taken from the other.
The picked up signal is fed back to an exclusive-OR gate 11, the other input of which receives the output signal of the Schmitt trigger 10 directly. A signal therefore only appears at the output of the exclusive-OR gate 11 if the direct signal is different from the second-to-last. The downstream JK flip-flop is used to suppress switching errors during digitization.
To further improve the security against false alarms and to suppress brief disturbances, two counters 20 and 22 for processing the output signal of the flip-flop 13 are connected in series in this second example. The first counter 20 is via a delay element 21, the time constant of which corresponds exactly to the frequency period of the integrator 5, driven by the output of the voltage divider 7 so that its display is deleted after the frequency period. Only when this counter 20 has registered more than K 1 pulses during a period does it pass on an output signal to the second counter 22. This second counter 22 is now triggered via a further frequency divider 23 such that its reset time is a multiple of the reset time of the first counter 20.
Only when the second counter 22 has received a certain number of pulses K2 from the first counter 20 within this longer reset time is a signal passed on to the first or internal alarm device 24 and supplied to the external alarm device 25 via an OR gate 26. This firstly ensures that short-term faults, the duration of which does not significantly exceed the reset time of the second counter 22, do not lead to an alarm, but only longer-lasting changes.
However, in order to quickly damage or destroy the protected medium, e.g. B. to be able to register the sudden smashing of a glass pane, a blocking device is provided for the changeover switches 18 and 19, which takes place via a further JK flip-flop 28 controlled by the output of the first counter 20. As soon as a signal appears at the output of the counter 20, the flip-flop circuit 28 is blocked, so that the periodic switching of the switches 18 and 19 can no longer take place and the current value of the output signal of the Schmitt trigger 10 subsequently continues with it one of the two sliding registers 16 or 17 is compared.
Now keeps the change in the medium, i.e. H. If the output signal of the Schmitt trigger 10 is longer than the reset time of the second counter 22, a controllable switch 29 arranged in the control line of the flip flop 28 is opened by the internal alarm device 24 so that the device is ready for operation again. In the meantime, however, the external alarm device 25 has already been activated.
For self-monitoring of the function and for reporting unauthorized interventions, i. H. to protect against sabotage, the output signal of the Schmitt trigger 10 is fed to the second evaluation channel of a monostable circuit 27, the reset time of which is greater than the pulse interval of the clock 6. If the output signal of the Schmitt trigger always retains the same value, i.e. H. If no amplitude or phase fluctuations are found in the medium 1, the monostable circuit 27 emits a signal which, depending on the logic used, is fed to the other input of the OR gate 26 either directly or via an inverter 30. This ensures that a signal is also sent to the alarm device 25 whenever the signal chain is interrupted or the frequency range is incorrectly selected.
It should be noted that, instead of the amplitude evaluation described, a phase evaluation can also be used. The rectifier 8 is only by a phase detector, for. B. to replace a PLL. It is also pointed out that with the method described, several media connected in series, e.g. B. several panes of glass can be monitored, the receiver of one medium being connected to the transmitter of the following medium via an amplifier. It is also possible to monitor different types of media with one device, e.g. B. by connecting a pane of glass in series with a safe wall.
In a practical exemplary embodiment of the invention for protecting a shop window, a functionally reliable device that was not susceptible to false alarms resulted when the oscillation frequency was varied continuously in the range between 120 and 180 kHz. The period of the frequency change was about a quarter of a second and the clock frequency was in the order of magnitude of about 150 Hz. It was found that shift registers with a capacity of 64 bits are sufficient, although in most cases a better resolution is recommended. The reset time of counter 20 became exactly equal to the frequency period, i. Approximately 1/4 of a second was selected, while the reset time of the counter 22 in the practical embodiment was about 15 seconds.
It turned out that a device constructed with this data was suitable for protecting shop windows of all common sizes. A sufficient number of amplitude or phase peaks was always recorded for evaluation so that safe functioning was guaranteed without changes having to be made, e.g. the frequency had to be adjusted to the specific object or material.