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Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Alarmanlage mit
einer kapazitiven Meßbrücke vom Transformatortyp, die einen veränderbaren Abgleichwiderstand
sowie Abgleichkondensatoren enthält, und mit drei Meßelektroden, von welchen zwei
an die Enden der Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen sind und welche
mit ihren Kapazitäten den Symmetriezustand der Brücke beeinflussen, durch den eine
Signaleinrichtung steuerbar ist.
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Eine solche kapazitive Raumschutz- bzw. Alarmanlage ist bereits aus
der deutschen Auslegeschrift 1049 734 bekannt. Sie weist eine Brückenschaltung mit
symmetrischen Zweigen auf: An das eine Ende der--Sekundärwicklung des Transformators
ist eine Meßelektrode angeschlossen, während das andere Ende einerseits direkt mit
einer zweiten und andererseits über einen fest einstellbaren Kondensator mit einer
dritten Meßelektrode verbunden ist. Die Ausgangsspannung der Brücke wird verstärkt
und in einen Meldekreis eingekoppelt, der über eine Kompensationswicklung des Transformators
wieder auf die Eingangsspannung zurückwirkt. Mit dieser Anordnung ist weder eine
sehr hohe Ansprechempfindlichkeit erzielbar noch die Möglichkeit gegeben, trotz
längerer Leitungsführung durch verschiedene Räume hindurch bestimmte Zonen sicher
zu überwachen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen
zu vermeiden und eine Anlage von hoher Ansprechempfindlichkeit zu schaffen sowie
ein und dasselbe Elektrodensystem sowohl durch überwachte als auch durch andere
Zonen hindurchzuführen, ohne daß innerhalb der überwachten Zonen die hohe Empfindlichkeit
gegenüber Kapazitätsänderungen beeinträchtigt würde, die beispielsweise davon herrühren,
daß jemand in die überwachten Zonen eindringt oder ihren Raumzustand -verändert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer kapazitiven Alarmanlage der
eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Brücke zugleich einen
Resonanzkreis umfaßt, der- aus der Sekundärwicklung sowie einem dazu parallelgeschalteten
veränderbaren Kondensator besteht, und daß die dritte, in an sich bekannter Weise
zwischen den beiden mit der Sekundärwicklung verbundenen Meßelektroden oder in deren
Nähe angeordnete und an die Anzeigeeinrichtung der Brücke angeschlossene Meßelektrode
mit dem Abgriff des zwischen den Abgleichkondensatoren liegenden Abgleichwiderstandes
verbunden ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Alarmanlage kann man nach Anschalten der
Meßelektroden den Abgleich der Brückenzweige für sich durch Einstellen mindestens
eines in einem Zweig enthaltenen Kondensators ausführen und dann den zur Sekundärwicklung
des Transformators parallelgeschalteten Kondensator abstimmen, um Resonanz zu erhalten,
ohne daß die bereits eingestellte Brückensymmetrie gestört wird. Dabei ist der Anschluß
der dritten Meßelektrode, die sich zwischen den beiden anderen Meßelektroden oder
in deren Nähe befindet, sowohl an die Anzeigeeinrichtung der Brücke als auch an
den Abgriff des Brückenabgleichwiderstandes besonders vorteilhaft. Auf diese Weise
erreicht man nämlich mit sehr kleinem Aufwand einen exakten Abgleich der Brücke
ohne Störung der Resonanzabstimmung und umgekehrt eine genaue Resonanzabstimmung
ohne Beeinträchtigung der Brückensymmetrie bei maximaler Ansprechempfindlichkeit
und unter Aufrechterhaltung der Möglichkeit, das Elektrodensystem durch verschiedene
Räume hindurchzuführen.
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Zwar ist aus der deutschen Auslegeschrift 1167 229 bereits eine Raumschutzanlage
bekannt, deren Meßelektroden in eine Brückenschaltung einbezogen sind, wobei eine
Mittelelektrode mit der Anzeigeeinrichtung verbunden ist. Auch bei dieser Anlage,
deren Hauptzweck die periodische überprüfbarkeit mittels eines in bestimmtem Rhythmus
arbeitenden Zeitgliedes ist, fehlt jede Möglichkeit einer Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit
im Wege einer Resonanz. Man hat sich im Gegenteil damit begnügt, zum Vorabgleich
der Brücke einen zu einer Kapazität der Meßelektroden parallelgeschalteten veränderbaren
Kondensator vorzusehen.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die
dritte Meßelektrode sich ebenso wie die beiden anderen Meßelektroden durch voneinander
räumlich getrennte Zonen fortsetzt, zwischen diesen als abgeschirmte Leitung verläuft
und sich in ihrer Fortsetzung verzweigt, indem eine Abzweigung zusammen mit einer
Außenelektrode in einer Außenelektrode in einer Zone und eine zweite Abzweigung
zusammen mit der anderen Außenelektrode in einer anderen Zone angeordnet ist. Dadurch
ist sichergestellt, daß die hohe Ansprechempfndlichkeit der erfindungsgemäßen Alarmanlage
auch bei räumlich weitläufiger Anordnung der Meßelektroden voll gewahrt bleibt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur selektiven Anzeige
einer Unsymmetrie an einer der Verzweigungen 'der dritten Meßelektrode an den Anzeigeausgang
der Brücke ein Phasendetektor angeschlossen. Auf diese höchst einfache Weise ist
es möglich, eine Störung in einem Gebiet von einer Störung in einer anderen Zone
zu unterscheiden.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert,
welche schematisch und teilweise in Blockform die Schaltungsanordnung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Alarmanlage zeigt.
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Die in der Zeichnung veranschaulichte erfindungsgemäße Alarmanlage
umfaßt eine kapazitive Meßbrücke vom Transformatortyp. Diese weist einen Transformator
10 auf, dessen Primärwicklung 11 an einen Oszillator U angeschlossen ist, der eine
Wechselspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 20 kHz liefert. Der Primärkreis
des Transformators 10 enthält auch einen Kondensator 13 zur Abstimmung auf die Frequenz
des Oszillators 12. Zwischen diesem und dem Transformator 10 kann eine Pufferstufe
vorgesehen sein, um vom Primärkreis des Transformators herrührende Rückwirkungen
auf den Oszillator 12 zu unterbinden.
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Die Sekundärwicklung 14 des Transformators 10 bildet einen Teil der
Meßbrückenschaltung und hat einen geerdeten Mittelabgriff 15, während ihre Enden
mit je einer Meßelektrode 16 und 17 verbunden sind. Die Kapazitäten dieser Elektroden
16,17 in bezug auf eine Mittelelektrode 18 schließen den Brückenkreis. Um die Brücke
abgleichen zu können, auch wenn die äußeren Kapazitäten zwischen den Meßelektroden
16 bis 18 nahezu oder gleich Null sind, ist zwischen den Enden der Sekundärwicklung
14 eine innere Impedanzbelastung angeschlossen. Diese
besteht aus
einem Paar Kondensatoren 19,20 und einem Abgleichwiderstand 21, die in Reihe
geschaltet sind. Ähnlich dem Abgleichwiderstand 21 ist der Kondensator 20 veränderbar.
Mittels dieser beiden Elemente läßt sich die Brücke im Leerlauf vollständig symmetrieren,
wenn also äußere Kapazitäten nicht zwischen den Meßelektroden 16 bis 18 angeschlossen
sind. Die Brückenausgangsspannung, welche bei vollem Abgleich der Brücke Null sein
kann, wird zwischen dem Abgriff 22 des veränderbaren Widerstandes 21 und dem geerdeten
Mittelabgriff 15 der Sekundärwicklung 14 abgenommen und einem Dreistufenverstärker
23 zugeführt. Der Verstärker 23 hat einen hochohmigen Eingang und eine hohe, beispielsweise
etwa 3000fache Verstärkung. Er gibt sein Ausgangssignal an einen Phasendetektor
24 ab, der vom Oszillator 12 eine Bezugsspannung mit derselben Frequenz erhält.
Ist die Brücke nicht abgeglichen, so liefert der Phasendetektor 24, der aus einem
Paar geeigneter Dioden bestehen kann, eine Gleichspannung, deren Betrag und Vorzeichen
von der Größe und Phasenlage der Unsymmetrie abhängig ist. Die Ausgangsspannung
des Phasendetektors 24 wird, gegebenenfalls nach Verstärkung in einer zwischengeschalteten
Verstärkerstufe, einer Anzeigeeinrichtung 25 zugeführt, welche z. B. als Galvanometer
oder als polarisiertes Relais ausgebildet sein kann. Die Anzeigeeinrichtung 25 steuert
ein Signalorgan 26, so daß bei nicht abgeglichener Meßbrücke ein Licht- und/oder
Schallsignal erzeugt wird.
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Parallel zur Sekundärwicklung 14 bzw. an die Meßelektroden 16 und
17 ist parallel zur Reihenimpedanz 19 bis 21 ein veränderbarer Kondensator 27 angeschlossen.
Er dient dazu, den Sekundärkreis, d. h. die eigentliche Brückenschaltung, auf die
Frequenz des Oszillators 12 abzustimmen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Meßbrücke
gegenüber Kapazitätsänderungen außerordentlich gesteigert.
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Die beschriebene Alarmanlage kann als abgeschlossene Baueinheit mit
eingebauter Stromquelle ausgeführt oder zum Anschluß an das Lichtnetz bestimmt sein.
Sie kann sehr kompakt gehalten sein, indem die elektronischen Schaltungsteile unter
Verwendung von Transistoren und gedruckten Leiterplatten als Steckeinheiten ausgeführt
werden. Das Gerät kann übliche Kontrolleinrichtungen und Vorrichtungen zum Ein-
und Ausschalten der Alarmanlage aufweisen. Zweckmäßig sind die Anschlußstellen für
die Meßelektroden 16 bis 18 bequem zugänglich angeordnet.
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Bei der dargestellten Anordnung sind die Meßelektroden 16 bis 18 mittels
dreier durch geerdete Mäntel abgeschirmte Leitungen 161,171 und 181 angeschlossen.
Diese Leitungen dienen zur Verbindung des Überwachungsgerätes mit einem von der
Anlage zu überwachenden, örtlich von dem Gerät getrennten Gebiet. Da die abgeschirmten
Leitungen 161,171 zum Kondensator 27 parallelgeschaltete Kapazitäten darstellen,
wirken sie auf den Abgleichzustand der im Leerlauf symmetrischen Brücke nicht ein,
wohl aber auf deren Abstimmung auf die Oszillatorfrequenz. Durch Einstellen des
Kondensators 27 (Verringerung seiner Kapazität) kann man die Kapazität der abgeschirmten
Leitungen 161,171 ausgleichen und somit die Brücke nach Anschluß der Leitungen neu
abstimmen. Anschließend ist das Elektrodensystem in Form dreier isolierter, jedoch
nicht abgeschirmter Leitungen 162,172 und 182 durch eine Zone 28 geführt, die beispielsweise
ein Raum oder ein Teil eines Raumes sein kann. Um die im allgemeinen nicht gleichen
gegenseitigen Kapazitäten zwischen dem Mittelleiter 182 und jedem der Außenleiter
162,172 zu kompensieren, muß die Brücke neu symmetriert werden, was leicht durch
Einstellen des Kondensators 20 und des Abgriffes 22 am Abgleichwiderstand
21 erfolgen kann. Dieser Abgleichzustand kann nun durch Änderungen in der
Umgebung der Leiter 162,172,182 innerhalb der Zone 28 gestört werden, beispielsweise
durch Betreten des betreffenden Raumes. Atmosphärische Veränderungen haben hingegen
auf den Symmetriezustand der Brücke keinen Einfluß, weil sie auf die beiden Kapazitäten
der Leiter 162,172, in bezug auf den Mittelleiter 182 in gleicher Weise einwirken.
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Von der Zone 28 ist das Elektrodensystem in Form abgeschirmter Leitungen
163,173,183 weitergeführt. Von diesen aus verzweigt sich das Elektrodensystem, indem
von den Leitungen 163,183 aus nicht abgeschirmte, isolierte Leiter 164,184 in eine
Zone 29 führen sowie nicht abgeschirmte, isolierte Leiter 175,185 in eine Zone 30.
Die Anordnung ist so getroffen, daß die Kapazität zwischen den Elektroden 164 und
184 ohne äußere Störung die gleiche ist wie zwischen den Elektroden 175 und 185.
Ein Unterschied im Dielektrikum der Atmosphäre in der Zone 29 gegenüber der Zone
30 bewirkt selbstverständlich eine Differenz der Kapazität in den beiden Abzweigungen
des Elektrodensystems und infolge der Unsymmetrie der äußeren Kapazitäten eine Störung
des Brückenabgleichs. Wo man nicht mit der Möglichkeit einer solchen Differenz zu
rechnen braucht, ergibt die Verzweigung des Elektrodensystems bei der erfindungsgemäßen
Alarmanlage den interessanten Vorteil, daß man beim Alarmsignal eine Störung in
der Zone 29 von einer Störung in der Zone 30 unterscheiden kann. Am Phasendetektor
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treten dann nämlich Spannungen mit verschiedenen Vorzeichen auf, da die
Leiter 164,184 bzw.175,185 verschiedenen Brückenarmen angehören. Die Anzeigeeinrichtung
25 kann so ausgebildet sein, daß sie auf Spannungen verschiedener Vorzeichen unterschiedlich
anspricht, so daß man an Hand des abgegebenen Signals feststellen kann, an welcher
Stelle die Störung stattgefunden hat, beispielsweise auf der »linken« oder auf der
»rechten« Seite des Elektrodensystems. Dieses endigt in Form nicht abgeschirmter,
isolierter Leiter 166,176,186 in einer Zone 31, wobei die Anordnung derjenigen der
Leiter in der Zone 28 entspricht.
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An die erfindungsgemäße Brückenanordnung können, wie ersichtlich,
Elektrodensysteme verschiedenartiger Formen und Anordnungen angeschlossen werden.
Dabei ist es möglich, die Empfindlichkeit in bezug auf äußere Störungen auf voneinander
getrennte Zonen zu beschränken, wobei die in sich symmetrische Meßbrücke zur Kompensation
einer Unsymmetrie des Elektrodensystems durch die Abgleichelemente 20 bzw. 21, 22
nachabgeglichen werden kann. Mittels Einstellen des Kondensators 27 kann die Abstimmung
des Brückenkreises entsprechend der durch die abgeschirmten Leitungen gegebenen
Kapazität aufrechterhalten werden.