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Vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Modul zur passiven Überwachung von Flächen auf Durchbrechen sowie einem Verfahren zu seiner Herstellung und seiner Verwendung.
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Bei sicherheitsrelevanten Räumen oder Bereichen ist es häufig notwendig, die gesamte Innenfläche daraufhin zu überwachen, dass kein unbefugter Durchbruch erfolgt. Derart zu überwachende Bereiche betreffen im Allgemeinen Bereiche in denen wertvolle und/oder gefährliche Gegenstände vorhanden sind, wie beispielsweise im Öffentlichen Bereich, Ausstellungsräume in Museen, Banktresore, Hochsicherheitslabore, Lagerbereiche und andere Räume in Kernkraftwerken, Kernwaffenlager oder auch, im privaten Bereich, private Tresore, oder Schaltschränke. Über diese traditionell zu überwachenden Räumlichkeiten hinaus hat die in jüngerer Zeit erhöhte terroristische Bedrohungslage zu einer stärkeren Nachfrage nach Überwachung von Flächen gegen Durchbrechen geführt, da in einigen Ländern, wie beispielsweise Großbritannien, die gesamte öffentliche Infrastruktur, die durch terroristische Aktivitäten bedroht sein könnte, wie etwa Umspannwerke, Verteilerkästen und Ähnliches, derart gesichert werden soll.
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Zur Überwachung von Flächen gegen Durchbrechen und/oder Durchsteigen sind im Prinzip zwei Klassen von Methoden bekannt: aktive und passive Flächenüberwachung.
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Bei aktiver Flächenüberwachung wird die zu überwachende Fläche durch eine optische oder Infrarotkamera oder einen Laser beobachtet bzw. abgetastet. Beim Einsatz einer Kamera, wird diese auf die Fläche gerichtet und eine Veränderung der Fläche mittels automatischer Bildauswertung festgestellt. Beim Einsatz von Lasern wird hingegen aus einer oder mehreren Laserquellen ein Strahl im Wesentlichen parallel zur Oberfläche, ggf. über einen oder mehrere Spiegel umgelenkt, zu einem Detektor geführt. Unterbrechungen bzw. Reduktion der empfangenen Strahlintensität wird hierbei als eine mit einem Durchbruch der Fläche gleichzusetzenden Störung identifiziert.
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Der Vorteil aktiver Flächenüberwachung ist einerseits, dass sie, besonders im Fall des Einsatzes einer Kamera, mehr Informationen zu liefern in der Lage ist, als nur die reine Penetration der Oberfläche an sich, beispielsweise ist auch eine Begutachtung der Kamerabilder in Echtzeit durch menschliches Überwachungspersonal möglich, und andererseits, dass sie auch leichter und schneller nachträglich nachrüstbar ist. Als Nachteil ist jedoch zu verzeichnen, dass die verwendete Technik komplex und damit teuer und auf Grund des aktiven Charakters der Überwachung sehr energieaufwendig ist.
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Als Alternative zur aktiven Überwachung ist die passive Flächenüberwachung bekannt, bei der elektrische Eigenschaften einer auf der zu überwachenden Fläche aufgebrachten leitenden Struktur als Hinweis auf eine Manipulation bzw. Penetration der überwachten Oberfläche angesehen werden. Aus dem Stand der Technik bekannt sind einerseits die resistive, andererseits die kapazitive Überwachung. Bei der resistiven Überwachung wird ein Referenzwiderstand kontinuierlich oder in kurzen Intervallen gemessen und bei Abweichung nach oben oder nach ein Signal ausgelöst. Die Überwachung einer ganzen Fläche wird dabei dadurch bewirkt, dass die Zuleitung zu diesem Referenzwiderstand mäanderförmig oder anderweitig die Fläche mehr oder weniger vollständig abdeckend über diese verlegt sind. Ein Durchbrechen der Fläche ist somit mit hoher Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung, ggf. mit einem Unterbrechen, der Zuleitung zum Referenzwiderstand und damit mit einem deutlich messbaren Abweichungssignal bei der Widerstandsmessung verbunden. Für den Fall, dass das zur Penetration verwendete Werkzeug leitend ist und zufällig beide Zuleitungen zum Referenzwiderstand gleichzeitig betroffen sind, erfolgt ein Kurzschluss, der ebenfalls als Widerstandsabweichung feststellbar ist.
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Eine andere Methode der Flächenüberwachung ist die kapazitive. Hierbei wird nicht ein Referenzwiderstand überwacht, sondern die auf der zu überwachenden Oberfläche aufgebrachte leitende Struktur bildet ein Kondensator mit einer bestimmten Kapazität. Durch Überwachung dieser Kapazität, bzw. der Spannung des geladenen Kondensators können Kapazitätsänderungen detektiert und bei ausreichender Größe mit einer Durchbrechung der überwachten Oberfläche gleichgesetzt werden.
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Der Vorteil der kapazitiven Messung gegenüber der Widerstandsmessung ist ein weiter herabgesetzter Energiebedarf, da im normalen Betriebszustand mit Ausnahme kleiner, unvermeidlicher Leckströme kein Strom fließt. Der Nachteil ist jedoch eine geringere Genauigkeit und damit Verlässlichkeit was das Anzeigen eines Durchbruchs angeht. Flächenmäßig kleine Durchbrüche führen hierbei unter Umständen nicht zu einer messbaren Kapazitätsänderung, insbesondere wenn ein nichtleitendes Werkzeug verwendet und so ein Kurzschluss zwischen den beiden Kondensatorpolen vermieden wird.
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Zur Realisierung einer widerstandsmessungsbasierten passiven Flächenüberwachung sind aus dem Stand der Technik sogenannte Alarmdrahttapeten bekannt. Bei diesen handelt es sich um flexible, flächige Elemente ähnlich üblichen Wandtapeten, in welche jedoch ein oder zwei mäanderförmig verlegte, oder auf andere Weise die gesamte Fläche abdeckende Drähte, oder aber ein Drahtgeflecht eingearbeitet sind. Am Ende der Drähte bzw. bei Vorhandensein von nur einem Draht an dem Pohl des Drahtes und einem Rückleiter wird der Referenzwiderstand angeschlossen, wohingegen die anderen Enden des Drahtes bzw. der Drähte zu einer Alarmanlage weitergeführt und an den entsprechenden Eingang angeschlossen werden.
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Diese Alarmdrahttapeten stellen das am meisten verwendete Mittel zur passiven Flächenüberwachung dar. Fast alle namhaften Hersteller von Sicherheitstechnik bieten entsprechende Systeme an, so z. B. Honeywell, Bosch oder 3M. Der Vorteil von solchen Tapeten ist, dass sie relativ günstig herzustellen und flexibel einsetzbar sind. Dem stehen jedoch die Nachteile gegenüber, dass das Verlegen, besonders bei kleinen oder schlecht zugänglichen Räumen sehr (zeit)aufwändig sein kann und viele Arbeitsstunden qualifizierten Fachpersonals dafür nötig sind, was die einigermaßen günstige Herstellung mehr als relativiert. Zudem sind sie, da sie üblicherweise, ebenso wie gewöhnliche Tapeten, in rechteckigen Bahnen verlegt werden, nur schlecht an andere Geometrien als Räume aus ebenen, rechtwinkligen Begrenzungsflächen anzupassen. In mehrere Richtungen gekrümmte Flächen oder andere von einer quader- oder rechtwinkligen Form abweichende Geometrien sind damit nur schlecht auszustatten.
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Ebenfalls bekannt, und auch von der VdS Schadenverhütung GmbH zur Selbstherstellung freigegeben, sind sogenannte Alarmdraht-Nutenplatten. Dabei werden in eine Platte, üblicherweise aus flexiblem Kunststoff Nuten eingefräst, in die ein Alarmdraht entsprechend der oben beschriebenen Tapeten verlegt werden kann. D.h, die Nuten werden so vorgesehen, dass die Fläche der Platte mehr oder weniger vollständig abgedeckt ist.
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Der Vorteil dieses Systems liegt darin, dass sie im Prinzip jeder Hersteller bzw. Installateur von Sicherheitsausrüstungen durch Selbstherstellung einer solchen Platte eine VdS gemäße passive Flächenüberwachung fertigen kann. Der Nachteil ist jedoch, dass das Einfräsen der Nuten und insbesondere das Verlegen und festkleben des Alarmdrahtes ebenfalls aufwändig ist und so die Herstellungskosten für eine solche Alarmdrahtplatte deutlich über derjenigen der industriell herstellbaren Alarmtapeten liegt. Im Gegensatz zu Tapeten sind die üblicherweise formstabileren Platten jedoch einfacher zu verlegen, da kein tapetenähnliches Ankleistern nötig ist. Ebenfalls können solche Platten schon in den entsprechenden, benötigten Dimensionen hergestellt werden, sodass sie sich beim Einbau in einer bestimmten Räumlichkeit nahtlos zusammenfügen und die zu überwachende Fläche abdecken. In der Praxis ist eine solche einsatzspezifische Anpassung jedoch sehr zeitaufwendig und damit teuer.
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Vor diesem Hintergrund hat sich vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine passive Flächenüberwachung bereitzustellen, welche einfach und kostengünstig sowohl in der Herstellung als auch im Einbau ist und zwar bei gleicher oder besserer Verlässlichkeit der Durchbruchswarnung.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das Modul zur passiven Flächenüberwachung gemäß Anspruch 1 welches bevorzugt gemäß des Verfahrens nach Anspruch 9 hergestellt und des Verfahrens nach Anspruch 11 verwendet wird.
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Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Moduls sind dabei die formstabile, aus elektrisch isolierendem Material bestehende Substratschicht, auf welche leitende Bereiche zur resistiven oder kapazitiven Überwachung der Fläche des Substrates und damit der Wand oder Fläche, an welche dieses verbaut ist, sicherstellen. Die leitenden Bereiche verfügen hierbei über Kontaktstellen bzw. Kontaktierungsmöglichkeiten zum Anschließen der zur Alarmanlage bzw. zum Referenzwiderstand führenden Drähte, welche an die Kontaktstellen angelötet, angeklemmt, angeschraubt, angeklebt oder anderweitig leitend verbunden werden. Es ist jedoch ebenfalls denkbar den Referenzwiderstand direkt an den Kontaktstellen der leitenden Bereiche zu befestigen.
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Die leitenden Bereiche bilden hierbei entweder mäanderförmige Leiterbahnen, welche die Fläche des Substrates und damit die zu überwachende Fläche mehr oder weniger vollständig abdecken, wobei der Abstand zwischen einer Leiterbahn und einem beliebigen Punkt der Substratfläche immer kleiner oder gleich einem vorgegebenen Abstand ist, welcher wiederum kleiner als oder höchstens gleich üblichen zu erwartenden bzw. zu detektierenden Durchbruchslöchern gewählt ist. Ist beispielsweise hauptsächlich gegen ein Durchsteigen der Fläche abzusichern, so können wesentlich größere Abstände gewählt werden als wenn schon ein Durchgriff verhindert bzw. detektiert werden soll. Noch strenger werden die Anforderungen an den Höchstabstand, falls schon ein bloßes Durchbohren verlässlich detektiert werden soll.
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Alternativ können die leitenden Bereiche auch für eine kapazitive Überwachung ausgebildet sein. Hierbei ist vorstellbar, dass die leitenden Bereiche entweder flächig geformt und auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind, so dass sie einen oder mehrere Flächenkondensatoren bilden. Es ist jedoch auch möglich, dass mindestens zwei leitende Bereiche nur auf einer Seite des Substrats aufgebracht sind, und dabei sich verzweigend geformt und ineinander greifend angeordnet sind, wobei sie sich bis auf einen sehr kleinen Abstand nahekommen, ohne sich tatsächlich zu berühren. Somit bestünde keine leitende Verbindung zwischen den leitenden Bereichen, jedoch bildeten diese einen Kondensator mit von der Gesamtfläche sowie der Verästelung abhängigen Kapazität.
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Um auch bei kleinen Durchbrüchen noch messbare Kapazitätsänderungen bewirken zu können, ist es auch denkbar, eine größere Zahl von leitenden Bereichen in der eben beschriebenen Art auf der zu überwachenden Fläche vorzusehen und diese paarweise parallel zu überwachen. Die Kapazität jedes Einzelnen dieser Kondensatoren wäre kleiner, und somit wäre die relative Kapazitätsänderung, welche in der Regel proportional zur Durchbruchsfläche, d.h. zur zerstörten Fläche des Kondensators ist, größer und es ergäbe sich ein klareres Signal.
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Erfindungsgemäß wird eben beschriebenes Modul aus Rohlingen hergestellt, welche aus der entsprechend geformten flächigen Substratschicht und ein- oder beidseitig fest damit verbundenen, leitenden Beschichtungen bestehen. Aus diesen leitenden Beschichtungen, üblicherweise metallischer Art, würde dann durch gezieltes Entfernen des leitenden Materials die gewünschten leitenden Bereiche herausgearbeitet bzw. herausgeformt. Als Methode zum Entfernen des Materials sind wegätzen oder wegfräsen oder auch weglasern denkbar, bei letzterem insbesondere mittels einer programmierbaren CNC-Fräse, entweder mit festem Fräßkopf, Wasser- oder Sandstrahl oder Laser. Das konkrete Bearbeitungsmittel als solches ist nicht teil vorliegender Erfindung und der Fachmann wird, abhängig vom verwendeten Substrat- sowie leitendem Beschichtungsmaterial, gewünschter Präzision und wirtschaftlichen Gesichtspunkten wie zu produzierender Stückzahl aus den bekannten Bearbeitungsmitteln dasjenige auswählen, welches für seine Zwecke am besten geeignet ist.
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Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist hierbei die schnelle und einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Moduls, da die gewünschte Form der leitenden Bereiche vorher per Software festgelegt werden kann und dann durch die programmierbare Fräse aus dem Rohling herausgearbeitet wird. Der Rohling kann hierbei ebenfalls auf die in der zu überwachenden Räumlichkeit vorliegenden Abmessungen bzw. die dortige Geometrie angepasst ausgewählt oder zugeschnitten werden.
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Somit sind im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung beim Einbau einfach die passend vorgefertigten Module an Ihrer vorgesehenen Endposition zu bringen und dort an der zu überwachenden Fläche so zu fixieren, dass sie von außen nicht zerstörungsfrei entfernbar sind, z.B. durch Verkleben, Vernieten oder Verschrauben. Da die Substratschicht dem Modul Stabilität verleiht, kann dies im Gegensatz zu den Alarmdrahttapeten schnell und einfach von einer kleinen Zahl von Monteuren mit wenig Arbeitsaufwand durchgeführt werden.
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Es bleibt, die erfindungsgemäßen Module mittels Drähten oder direkt mit den zu messenden Referenzwiderständen zu kontaktieren/verbinden. Die Drähte dienen hierbei entweder zum Anschließen an die entsprechenden Eingänge einer Alarmanlage oder zum Zusammenschalten mit benachbarten bzw. in der Nähe befindlichen Flächen erfindungsgemäßer Überwachungsmodulen.
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Beispielsweise kann die Innenseite eines quaderförmigen Raumes durch Anbringen von 6 der erfindungsgemäßen, an die Abmessungen des Räumen angepassten Module vollständig gegen Durchbruch überwacht werden. Hierbei ist vorteilhafterweise schon bei der Konstruktionsphase der Module möglich, die Kontaktbereiche und den Verlauf der leitenden Bereiche so anzupassen, dass ein Anschluss an die überwachende Alarmanlage mit einem Minimum an Verdrahtungsaufwand möglich ist. Wenn die Alarmanlage beispielsweise in einer Ecke des Raums steht, so können die Kontaktbereiche der an diese Ecke angrenzenden Module in der Nähe dieser Ecke vorgesehen werden. Die anderen Module würden dann mit den direkt an die Ecke angrenzenden in Reihe geschaltet, wobei im Extremfall alle 6 Module in Reihe schaltbar sind. Der überwachte Referenzwiderstand muss somit nicht unbedingt ein zur Alarmanlage externes Bauteil sein, sondern könnte auch in diese integriert oder zumindest in unmittelbarer räumlicher Nähe zu dieser befindlich sein.
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Die erfindungsgemäßen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Module lassen sich besonders einfach und günstig für kleinere und mittlere Volumina, wie beispielsweise Privattresore oder Schaltschränke herstellen und einsetzen. Gerade in diesen kleinen zu überwachenden Räumen sind die aus dem Stand der Technik bekannten Alarmdrahttapeten gerade auf Grund der Kleinheit sehr schwer und umständlich zu verlegen. Die ebenfalls bekannten Nutenplatten sind zwar leichter einzubauen, jedoch in ihrer Herstellung sehr aufwändig. Mittels CNC-Fräsen oder auf andere Art aus einem Rohling herausgeformte Flächenüberwachungsmodule gemäß vorliegender Erfindung sind jedoch sowohl günstig in der Herstellung als auch schnell und einfach an der Innenseite des zu überwachenden Volumens anbringbar.
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Größere Volumina bzw. Flächen wie die Räume eines Hauses, Banktresore oder Lagerhalle sind im Prinzip ebenfalls recht schnell und günstig mit einer passive Flächenüberwachung bestehend aus den erfindungsgemäßen Modulen versehbar. Zwar sind der maximalen Modulgröße, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann, durch die Abmessungen bzw. die Reichweite der eingesetzten Herstellungsmittel, insbesondere der CNC-Fräse, begrenzt, jedoch kann eine größere Fläche einfach durch Verwendung mehrerer Module vollständig abgedeckt werden. Der Montageaufwand ist hierbei gegenüber dem Verlegen von Tapeten immer noch wesentlich geringer und der Herstellungsaufwand ist gegenüber der Herstellung von Nutenplatten vorteilhaft, sodass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte erfindungsgemäße Module auch in diesen Fällen wirtschaftlich einsetzbar sind.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können nicht nur ebene Module, sondern auch solche mit Krümmungen in einer oder sogar in zwei Richtungen verarbeitet und hergestellt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit auch z. B. Rohre oder runde Schächte mit einer Flächenüberwachung durch die erfindungsgemäßen Module zu versehen. In solchen Umständen waren nach dem Stand der Technik allenfalls die Flexibel verlegbaren Tapeten einsetzbar, wobei auch diese beim Vorliegen von Krümmungen in zwei Richtungen durch unschöne Faltenbildung, erstens schwer zu verlegen und zweitens auch in der Flächenabdeckung der darin vorhandenen Alarmdrähte nicht optimal einsetzbar waren. Sollte beispielsweise eine Abbiegung eines runden Schachtes ausgekleidet werden, so mussten Alarmdrahttapeten noch speziell mit Einschnitten versehen werden, sodass sie sich der doppelten Krümmung der Fläche anpassen, ohne dass die gleichmäßige Abdeckung der Fläche mit Alarmdrähten gefährdet ist. Bei den erfindungsgemäßen, aus Rohlingen gefrästen Modulen, kann einfach ein entsprechend vorgeformter Rohling bereitgestellt und leitende Bereiche der gewünschten Form ausgearbeitet werden, wobei die gleichmäßige Flächenabdeckung ohne weiteres gewährleistbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sofern sie sich nicht gegenseitig offensichtlich ausschließen, sollen im Folgenden näher beschrieben werden.
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Im einfachsten Fall sind die Rohlinge aus Substrat und metallisch leitender Schicht bzw. somit das mittels des erfindungsgemäßen Verfahren daraus hergestellt flach und eben. Der Grundriss kann hierbei eine beliebige polygonale oder auch nicht polygonale Form sein, bevorzugt werden jedoch Viereck, insbesondere Rechteck, Dreieck oder Sechseck. Außer einer flachen, ebenen Geometrie ist jedoch ebenfalls denkbar, dass das erfindungsgemäße Modul in eine oder in zwei Richtungen gekrümmt ist, also beispielsweise die Form eines Teilstücks einer Zylinderoberfläche oder einer Kugeloberfläche darstellt. Vorstellbar ist auch eine sich über den Verlauf des Moduls ändernde Krümmung, sodass im allgemeinen Fall das erfindungsgemäße Modul die Geometrie eines Ellipsoidteilstücks bildet. Dies erlaubt es, durch entsprechende Unterteilung der zu überwachenden Fläche, jede beliebige Raumgeometrie mit einer passiven Flächenüberwachung durch erfindungsgemäße Module auszustatten.
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Bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Module zur passiven Flächenüberwachung so ausgebildet, dass sie die zu überwachende Fläche mittels resistiver, d. h. Widerstandsmessung, und/oder kapazitiver Messung auf Durchbrüche überwachen.
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Um eine Widerstandsmessung zu realisieren, könnten im einfachsten Fall zwei leitende Bereiche auf gegenüberliegenden Flächen des nichtleitenden Substrats ausgebildet sein. Bei Durchbohren mit einem metallischen Gegenstand bzw. Werkzeug würde ein Kurzschluss verursacht, der durch die angeschlossene Alarmanlage registriert werden könnte. Dies ist jedoch dahingehend unzuverlässig, als diese Methode bei rein resistiver Überwachung die Penetration durch nichtleitende Gegenstände oder Werkzeuge nicht zuverlässig feststellen könnte.
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Die zu bevorzugende Ausformung bei Widerstandsmessung ist es, mindestens einen leiterbahnförmigen leitenden Bereich vorzusehen, der jedem Punkt der Substratfläche des Moduls bis auf einen vorgegebenen Abstand nahe kommt. Dieser vorgegebene Abstand sollte kleiner oder deutlich kleiner sein als die zu erwartenden bzw. zu detektierenden Durchbruchsgrößen sein. Eine übliche Ausgestaltung ist es, den leiterbahnförmigen leitenden Bereich mäanderförmig über die Oberfläche des Moduls verlaufen zu lassen, wobei im Bereich einer Ecke oder Seite ein oder mehrere Kontaktbereiche zum Anschließen von Referenzwiderständen oder Drähten vorgesehen sind. Die Kontaktbereiche bestehen im einfachsten Fall aus einer schlichten Verbreiterung der Leiterbahnfläche, die ein Anlöten, Anklemmen, Anschrauben oder anderweitig elektrisch leitende Befestigung von Widerständen oder Drähten vereinfachen. Die Kontaktbereiche fallen dabei bevorzugt mit Beginn bzw. Ende der Leiterbahnen zusammen, um eine vollständige Überwachung der Fläche zu garantieren.
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Außer einem mäanderförmigen Verlauf sind auch andere Verläufe des leiterbahnförmigen leitenden Bereichs denkbar. So wäre es z. B. möglich, größere Mäander durch kleinere zu überlagern. Ebenfalls ist denkbar von einem inneren Punkt der Modulfläche ausgehend zu einer Ecke oder einem Punkt an einer Kante hin die Leiterbahn spiralförmig verlaufen zu lassen.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt und für nicht mit einer Einzelzulassung des VdS versehene Systeme auch vorgeschrieben, können auch zwei im Wesentlichen parallel verlaufende leiterbahnförmige leitende Bereiche vorgesehen sein. Davon würde beim Betrieb einer als Zu- und einer als Rückleiter zu den Überwachungsausgängen der Alarmanlage dienen, und an den anderen Enden der zu überwachende Referenzwiderstand angeschlossen werden.
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„Mäanderförmiger Verlauf“ bedeutet hierbei im Verständnis vorliegender Erfindung nicht notwendig einen kontinuierlich gerundeten Verlauf, sondern umfasst auch Knicke und Ecken und insbesondere einen reckteck- oder sägezahnförmigen Verlauf implizieren.
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Zum Erreichen einer kapazitiven Flächenüberwachung schlägt vorliegende Erfindung im einfachsten Fall vor, eine beidseitig mit leitendem Material beschichtete Substratschicht vorzusehen, wobei auf jedem leitenden Bereich mindestens ein Kontaktbereich vorhanden ist. Die beiden sich gegenüberliegenden Schichten bilden dabei einen Flächenkondensator, mit einer Kapazität proportional zur Modulfläche. Das nichtleitende Substrat kann hierbei vorteilhafterweise ein Dielektrikum mit einer möglichst hohen dielektrischen Zahl sein, um die Kapazität des Kondensators zu erhöhen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die Kapazitätsänderung des Kondensators proportional zur Größe des Durchbruchs ist, und damit durch die dielektrische Zahl des Substrats entsprechend erhöht wird. Um die relative Kapazitätsänderung leichter messbar zu machen, kann die Gesamtfläche des Moduls auch in mehrere, elektrisch voneinander getrennte Flächenkondensatoren unterteilt werden, von denen jeder gesondert, das heißt parallelgeschaltet, überwacht wird. Dies hätte den zusätzlichen Vorteil, dass es bei einem Durchbruch anhand der betroffenen Überwachungsleitungen, das heißt der Überwachungsleitungen, die ein Signal registrieren, sogar auf die ungefähre Position des Durchbruchs geschlossen werden kann. In ähnlicher Weise ist eine ungefähre Positionsangabe aber auch bei resistiver Flächenüberwachung möglich, falls die Modulfläche in mehrere Bereiche unterteilt und jeder Bereich von einem eigenen leiterbahnförmigen, mäandernden leitenden Bereich abgedeckt ist.
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Eine andere Ausformung einer kapazitiven Flächenüberwachung sieht vor, zwei oder mehr in einander verzahnte, jedoch galvanisch getrennte leitende Bereiche vorzusehen. Die Kapazität der so erzeugten Kondensatoren ist hierbei proportional zur Länge über welche sich die paarweise angeordneten leitenden Bereiche nahkommen. Diese wiederum ist abhängig von der Gesamtfläche des Moduls bzw. der Fläche des Bereichs auf welchem sich die leitenden Bereiche befinden und dem Grad der Verästelung der Struktur die gewählt wird. Im einfachsten Fall schlägt vorliegende Erfindung vor, die sich paarweise nahkommenden leitenden Bereiche als kammartige Strukturen auszubilden, wobei die Kämme mit den Zinken ineinander greifen. Andere Geometrien, z. B. fraktale Strukturen oder wurzelförmige Verästelungen sind jedoch ebenfalls denkbar. Um die Kapazität pro Fläche der erzeugten Kondensatoren zu erhöhen, könnte zusätzlich ein Dielektrikum aufgetragen werden. Dies könnte etwa als Paste oder in flüssiger Form auf dem Modul verteilt und anschließend zum Erstarren gebracht werden.
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Die im erfindungsgemäßen Modul verwendete Materialien sind, für die Substratschicht, bevorzugt ein Kunststoff, insbesondere ein dielektrischer Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen, Polycarbonat, Polyvinyl, Polyvinylchlorid oder Polymehtylmethacrylat (Plexiglas). Für die leitende Schicht des Rohlings bzw. der leitenden Bereiche schlägt vorliegende Erfindung die Verwendung eines Metalls, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber, jeweils rein oder in Legierung, vor.
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Die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Moduls herangezogenen Rohlinge sind bevorzugt eine ein- oder beidseitig mit einer leitenden, insbesondere metallischen, Schicht überzogene Kunststoffsubstrate der gewünschten Geometrie, d. h. flach, in eine oder zwei Richtungen gekrümmt. Besonders geeignet zur widerstandsbasierten passiven Flächenüberwachung ist ein Rohling mit einer Substratschicht aus Polyethylen, welches einseitig oder beidseitig mit einer thermisch gebundenen Aluminiumschicht überzogen ist. Vorgefertigte Module dieser Art mit einer Aluminiumschicht von einer Stärke von 0,3 mm oder einer Substratschicht von 1 mm sind im Handel unter der Bezeichnung Alu-Dibond bekannt, weit verbreitet und günstig zu erwerben.
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Werden solche flächigen Module nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet, so hat sich herausgestellt, dass beim Entfernen, insbesondere Wegfräsen des nicht benötigten leitenden Materials der leitenden Schicht eine Verformung des Moduls eintreten kann, bei der sich die Krümmung der Modulfläche ändert. Dies ist in der Regel nicht erwünscht. Dem kann aber dadurch effektiv begegnet werden, dass auf bei einem zweiseitig beschichteten Rohling auf beiden Seiten gleichartige leitende Bereiche ausgeformt werden, sodass sich die durch die Ausfräsung verursachten Krümmungsänderungen gleichartig in beide Richtungen wirken und sich somit gegenseitig im Wesentlichen aufheben. Die angesprochene Krümmungsänderung kann jedoch auch erwünscht sein und etwa dabei helfen, das erfindungsgemäße Modul an die Geometrie der zu überwachenden Fläche anzupassen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden anhand der Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur illustrieren und ihren Gegenstand in keiner Weise einschränken.
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Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Perspektivische Draufsicht eines ebenen erfindungsgemäßen Moduls, welches sowohl kapazitive als auch resistive Flächenüberwachung erlaubt und mit einer Alarmanlage verbunden ist.
- 2: ein in zwei Richtungen gekrümmtes erfindungsgemäßes Modul zur Flächenüberwachung.
- 3: In zwei Teilfiguren Querschnitte durch ein flaches und ein gekrümmtes erfindungsgemäßes Modul zur Flächenüberwachung
- 4: In zwei Teilfiguren mögliche Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Module zur kapazitiven Flächenüberwachung.
- 5: Mehrere mögliche Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Module mit leiterbahnförmigen leitenden Bereichen.
- 6: In zwei Teilfiguren, eine perspektivische Ansicht eines mit erfindungsgemäßen Modulen ausgekleideten Tresors sowie die Verschaltungsstruktur in aufgeschnittener Darstellung.
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1 zeigt in perspektivischer Draufsicht ein flaches erfindungsgemäßes Modul zur passiven Flächenüberwachung. Auf der Oberseite des Moduls 1 befinden sich zwei leitende Bereiche 3, 3' mit insgesamt drei Kontaktmöglichkeiten 31. Einer der leitenden Bereiche 3, 3' ist als über die Oberfläche mäandernde Leiterbahn ausgebildet, wobei der andere, galvanisch vom ersten getrennte, leitende Bereich 3' den Rest der Moduloberfläche ausfüllt. Obwohl dies technisch nicht nötig ist, könnten, um VDE Vorschriften zu entsprechen, auch zwei, in geringem Abstand (im Vergleich zur Größe des Moduls 1) im Wesentlichen parallel verlaufende Leiterbahnen mit jeweils eigenen Kontaktmöglichkeiten vorgesehen sein. Die Unterseite von Modul 1 wird durch einen die ganze Fläche bedeckenden leitenden Bereich 3 mit zwei Kontakten 31 eingenommen. Ebenfalls schematisch gezeigt sind ein an das erfindungsgemäße Modul angeschlossener Referenzwiderstand R sowie eine Alarmanlage A, welche Eingänge C für kapazitive und R für resistive Flächenüberwachung besitzt. Die Eingänge zur resistiven Überwachung sind hierbei zum einen an den leiterbahnförmigen Bereich 3 zum anderen auch den als Rückleiter dienenden rückwärtigen leitenden Bereich e angeschlossen. Die kapazitiv überwachenden Eingänge C sind zum einen an den komplementären leitenden Bereich 3' auf der Oberseite sowie ebenfalls auf den die ganze Rückseite einnehmenden Bereich 3 angeschlossen. Die Widerstandsbasierte Überwachung stellt bei diesem Ausführungsbeispiel die Hauptfunktion und die kapazitive Überwachung eine Ergänzung dar. Die kapazitive Überwachung hat gegenüber der resistiven eine geringer Empfindlichkeit, stellt jedoch eine Art zusätzliche, teilweise unabhängige Überwachungsmöglichkeit dar, die auch ein Signal liefern kann, falls, wider Erwarten, der mäanderförmig verlaufende leitende Bereich 3 auf der Oberseite von einem eventuellen Durchbruch nicht betroffen wäre. Um die relative Signifikanz der durch einen Durchbruch verursachten Kapazitätsänderung zu erhöhen, könnte der oberseitige, komplementäre leitende Bereich 3' auch in mehrere, parallel zu überwachte Abschnitte unterteilt werden, wie dies beispielsweise in 4b gezeigt ist. Selbstverständlich müsste dann die überwachende Alarmanlage entsprechend zur parallelen Überwachung mehrerer Kapazitäten vorbereitet bzw. in der Lage sein.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in zwei Richtungen gekrümmten erfindungsgemäßen Moduls zur passiven Flächenüberwachung. Das Modul 1 hat hierbei im Wesentlichen die Geometrie eines Teilstücks einer Kugeloberfläche, welches ähnlich wie das Modul aus 1 auf der Vorderseite über ein mäanderförmig verlaufenden, leiterbahnförmigen leitenden Bereich 3 der Fläche einnehmenden jedoch galvanisch vom ersten leitenden Bereich getrennten leitenden Bereich 3'. Auf der Rückseite des dargestellten Moduls befinden sich mehrere in ihrer Gesamtheit die Rückseite abdeckende leitende Bereiche 3, die eine ortsaufgelöste kapazitive Überwachung ermöglichen. Solche gekrümmten Module können vorteilhafter Weise zur Überwachung der Innenfläche von Rohren oder Schächten runden Querschnitts mit oder ohne Abbiegungen eingesetzt werden.
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3 zeigt zwei Querschnitte durch erfindungsgemäße Module. Teilfigur A zeigt hierbei einen Querschnitt durch ein ebenes Modul bei der auf einer Seite der Substratschicht 2 ein durchgehender leitender Bereich 3 mit zwei Kontakten 31 und auf der Vorderseite zwei galvanisch voneinander getrennte leitende Bereiche 3 mit jeweils einem Kontakt 31 vorgesehen sind.
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Teilfigur B zeigt gekrümmtes Modul 1, bei der auf nur einer Seite von Substratschicht 2 leitende Bereiche, insgesamt drei an der Zahl mit Kontakten 31 vorhanden sind.
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Die Dicke der leitenden Schicht bzw. der daraus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgeformten leitenden Bereiche im Verhältnis zur Dicke der Substratschicht 2 kann grundsätzlich beliebig sein. Bevorzugt sind jedoch Schichtdicken, die kleiner sind als die der Substratschicht. Besonders bevorzugt hat die Substratschicht eine Dicke von ca. 1mm und die leitende(n) Schicht(en) eine Dicke von ca. 0,3mm.
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4 zeigt zwei Teilfiguren mögliche Ausgestaltungen einer kapazitiven Flächenüberwachung.
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Teilfigur A zeigt in Draufsicht ein Modul 1 mit zwei leitenden Bereichen 3, welche eine kammartige Struktur aufweisen, wobei die Zinken dieser Kämme ineinandergreifen. Dadurch wird erreicht, dass sich die beiden, galvanisch voneinander getrennten, leitenden Bereiche 3 über eine möglichst weite Strecke nahkommen, sodass die Kapazität pro Fläche maximiert wird. Bevorzugt würde nach dem Ausfräsen der entsprechenden kammerartigen Struktur noch ein Dielektrikum zur Erhöhung der Kapazitätsflächendichte aufgetragen und zum Erstarren gebracht. Hierzu könnte insbesondere ein dem Substratmaterial ähnliches Kunststoffmaterial zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Polyethylen, Polyvinyl, Polycarbonat, Polymehtylmethacrylat, oder besonders bevorzugt, Polyvinylchlorid. Dieses würde verflüssigt, auf der Oberfläche des geformten Moduls verteilt und durch Abkühlen zum Erstarren gebracht.
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Teilfigur B zeigt in Draufsicht ein erfindungsgemäßes Modul, welches über mehrere, rechteckig ausgebildete leitende Bereiche, hier beispielhaft vier, verfügt, welche in der Gesamtheit die Oberfläche des Moduls 1 abdeckt. Die, nicht sichtbare, Rückseite dieses Moduls ist in gleicher Art unterteilt oder aber auch als ein einziger, durchgehender leitender Bereich ausgeformt. Die so gebildeten Flächenkondensatoren können entweder gemeinsam oder getrennt voneinander überwacht werden, wobei letzteres den Vorteil bietet, dass aus einer gemessenen Kapazitätsänderung anhand der überwachten Leitungen auf der diese gemessen wurde, auf die ungefähre Position eines Durchbruchs geschlossen werden kann. Die Unterteilung hat weiterhin den Sinn, die relative Kapazitätsänderung durch einen Durchbruch gegebener Fläche zu erhöhen, und so die Änderung leichter messbar zu machen. Eine derartige Unterteilung der Modulfläche in verschiedene Bereiche zur Erhöhung der relativen Kapazitätsänderung eines Durchbruchs ist ebenfalls bei dem in Teilfigur A gezeigten Prinzip kammartiger Kondensatoren auf einer Modulseite realisierbar, indem mehrere Paare der ineinandergreifenden, kammartigen leitenden Bereiche herausgebildet werden.
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5 zeigt in Draufsicht vier mögliche Ausgestaltungen eines leiterbahnförmigen leitenden Bereichs 3 bei Modulen 1 zur passiven Flächenüberwachung verschiedener Grundflächengeometrie. Teilfigur A zeigt den dem Stand der Technik bekannten mäanderförmigen Bereich mit Schleifen auf einem Modul 1 rechteckiger Grundfläche.
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Teilfigur B zeigt mäandernde leiterbahnförmige leitende Bereiche 3, die nicht stetig abgerundet sondern rechteckig über ein Modul 1 mit trapezförmiger Grundfläche verlaufen.
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Teilfigur C zeigt einen Doppelmäander, bei dem Schlingen mit größerem Kurvenradius von Schlingen mit kleinerem Kurvenradius überlagert sind. Diese Doppelmäander ziehen sich über ein secheckiges Modul 1.
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Teilfigur D zeigt einen leiterbahnförmigen leitenden Bereich 3, welcher ausgehend von einem inneren Kontaktbereich 31 spiralförmig über die Oberfläche eines elliptischen Moduls 1 bis zu einem weiteren Kontaktpunkt 31 am Rand mit verläuft.
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6 zeigt in Teilfigur A in perspektivischer Ansicht eine Verwendung von sechs ebenen und rechteckigen erfindungsgemäßen Modulen 1 zur Flächenüberwachung eines Tresor T.
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Die Module 1 sind mittels leitender Verbindungen 19, insbesondere Drähten, alle in Reihe geschaltet und an Alarmanlage A, welche durch die geöffnete Tür des Tresors T in einer hinteren Ecke befindlich sichtbar ist, verbunden. Der überwachte Referenzwiderstand R ist hierbei Teil der Alarmanlage A.
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Teilfigur B zeigt schematisch die Verschaltung der Module 1 der sechs Seiten des Tresors. Die Reihenschaltung hat hierbei zu berücksichtigen, dass die Seite der Tür TT nur von einem Rand her kontaktiert werden kann, sodass vorzugsweise alle Kontaktstellen des die Tür TT abdeckenden Moduls in der Nähe der Drehpunktseite der Tür befindlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modul
- 19
- leitende Verbindung, Draht
- 2
- Substratschicht
- 3, 3'
- leitende Bereiche
- 31
- Kontaktstellen
- A
- Alarmanlage
- C
- Eingänge zur kapazitiven Überwachung
- R
- Eingänge zur Widerstandsüberwachung
- T
- Tresor
- TT
- Tür
