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Anordnung zum Erkennen und Messen von Änderungen in der Struktur
eines Mediums Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erkennen und Messen von
Änderungen in der Struktur eines relativ homogenen Mediums mittels Ultraschall,
die insbesondere die Erkennung von sich in diesem Medium bewegenden Körpern und
die Abschätzung der Geschwindigkeit oder der Frequen der Bewegungen eines solchen
in das Medium eingeführten beweglichen Körpers gestattet.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann insbesondere dazu dienen, einen
Schutz zu gewährleisten, indem sie Jedes Eindringen durch Wände oder Einfriedigungen
hindurch und Jede Bewegung innerhalb der Begrenzung eines vorgegebenen Rauniets,
beispielsweise- eines Privatgrundes, einer Bankt eines Museums, eines Wasserbeckens,
eines Hafens, eines Flusses, eines Kraftwerks, einer Schleuse usw. erkennt und signalisiert.
Außerdem ermöglicht sie die Messung der Geschwindigkeit, mit der sich ein Körper
bewegt, innerhalb eines sehr
großen Geschwindigkeitsbereiches oder
der Frequenz einer mechanischen Bewegung mit sehr geringer Amplitude. Ihre Bauweise
ermöglicht weiter im Rahmen ihrer Schutzfunktion die aufdeckung jeder anomalen Temperaturerhöhung,
die beispielsweise auf einen beginnenden Brand zurückgeht, anhand der entstehenden
heißen Gasströmungen und der dadurch hervorgerufenen lokalen Änderungen in der Schallgeschwindigkeit.
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Geräte, die einigen der oben erwähnten Forderungen genügen, sind
bereits bekannt. Sie bestehe im allgemeinen und im wesentlichen aus einem Geber
und einem Empfänger für Ultraschall, die an bestininiten Stellen in dem jeweiligen
durch ein aus reflektierenden Bauelementen bestehendes Gefüge begrenzten Milieu
angeordnet sind. Ihre Arbeitsweise beruht im allgemeinen auf der Ausbildung von
stehenden Schallwellen und auf dem Doppler-Effekt. Ein mit dem Ultraschallempfänger
gekoppelter Detektor nutzt die mit den in dem zu überwachenden Milieu auftretenden
materiellen Änderungen verbundene Amplitudenmodulation für die Schallwellen aus.
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Dabei enthält der Ultraschallempfänger im allgemeinen einen Fühler,
der sogenannten Titanatbauart mit sehr enger Bandbreite.
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Alle diese bekannten Geräte sind verschiedenen Einschränkungen unterworfen:
Sind die Detektoren in dem Ultraschallempfänger als Amplitudendemodulatoren ausgebildet,
so ist es zur Erzielung einer hinreichenden Empfindlichkeit des Gerätes notwendig,
den Ultraschallempfänger hinreichend weit von dem Ultraschallgeber entfernt aufzustellen,
um Sättigungserscheinungen fUr den Ultraschallempfänger und damit eine Begrenzung
des modulierten Signals zu verhüten. Arbeitet der Ultraschallempfänger mit Frequenzkomparatoren,
so ist es wiederum erforderlich, jede unmittelbare Übertragungsleitung für Ultraschallenergie
zwischen dem Ultraschallgaber zu vermeiden
Die Bandbreite der Fühler
der Titanatbauart ist schmal und hängt von der Leistung des Ultraschallgebers und
von den physikalischen Bedingungen, etwa der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit,
in dem zu überwachenden Milieu ab. Dies kann eine Quelle für Instabilitäten sein,
welche die Leistung der Geräte herabsetzen. Jede gewollte materialle Änderung in
dem zu überwachenden Milieu, z. B. eine offenstehende Tür, ein verschobenes Möbelstück
usw. verlangt eine neue Einjustierung der bekannten Geräte, Die Erfindung hat daher
eine Anordnung zum Erkennen und zum Messen von Änderungen in der Struktur eines
relativ homogenen Mediums, insbesondere von Änderungen in der Lage eines Objektes
in diesem Medium, zum Gegenstand, die besser den verschiedenen oben erwähnten Forderungen
der Praxis entspricht. Dabei arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung natürlich mit
Wandlern, Aufmachungen und Frequenzen, die sich je nach der Art des zu überwachenden
Mediums (Gas oder Flüssigkeit) unterscheiden; das Grundprinzip für die Bauweise
und die Arbeitslfeise der erfindungsgemäßen Anordnung bleibt jedoch stets das gleiche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt einen Ultraschallgeber mit
einem Wandler, für die Einspeisung von Ultraschallwellen in das zu überwachende
Medium einen Ultraschallempfänger mit einem Wandler zur Aufnahme der aus dem Medium
herauskommenden Ultraschallwellen, wobei in beiden Fällen die Wandler aus elektrodynamischen
Fühlern mit großer Bandbreite bestehen und eine Detektorschaltung mit einem Phasendiskriminator,
der mit dem Ausgang eines auf die Frequenz der von dem Ultraschallgeber abgestrahlten
U1traschallwelleal abgestimmten und durch den Ultraschallempfänger mit Energie versorgten
Verstärkers und mit dem Eingang eines Niederfrequenzverstärkers mit Filtern gekoppelt
ist1 deren Durchlaßbereich in E:ntsprechung zu den Extremwerten insbesondere des
Geschwindigkeitsbereichs für die Lage änderungen der Ob-Jekte in dem zu überwachenden
Mediums gewählt ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung macht sich die Tatsache zunutze, daß
bei Lageänderungen eines beweglichen Gegenstandes in dem unter Überwachung stehenden
Milieu, d. h. in dem von der Schallstrahlung betroffenen Raum, die von dem bewegten
Gegenstand reflektierten Schallwellen eine Phasenverschiebung erfahren, die sich
in unmittelbarer Abhängig keit von der Lageänderung des beweglichen Gegenstandes
in dem Milieu ändert, wodurch an den Anschlußklemmen des Phasendiskriminators eine
Amplitudenmodulation mit einer Frequenz auftritt, die der Geschwindigkeit der Änderung
der Summe der Abstände des bewegten Körpers von dem Ultraschallgeber und dem Ultraschallempfänger
und damit bei radialer Verschiebung des beweglichen Körpers gegenüber dem Ultraschallgeber
und dem Ultraschallempfänger der Geschwindigkeit der Bewegung direkt proportional
ist, Man sieht ohne weiteres, daß die Verwendung von elektrodynamischen Fühlern
mit einer großen Bandbreite die Sta bilität der Anordnung sicherstellt und damit
Änderungen in den physikalischen und materiellen Umweltbedingungen praktisch keinen
Einfluß mehr auf die Arbeitsweise der Anordnung haben. Außerdem läßt die Bewegungserkennung
mit Hilfe einer Phasenmodulation im Gegensatz zu einer Erkennung anhand von Änderungen
in einem System von stehenden Wellen eine Signalbegrenzung zu und gestattet es daher
den Einfluß von Störgeräuschen aus der Umgebung praktisch zu unterdrücken, wodurch
sich der weitaus überwiegende Teil der Fälle eines ungewollten Ansprechens der Anordnung
ausschalten läßt. Alle diese Vorteile ermöglichen es, den Ultraschallgeber und den
Ultraschallempfänger einander so weit zu nähern, daß man sie in einem gemeinsamen
Gehäuse unter« bringen und der gesamten Einrichtung sehr kleine und ihre unbemerkte
Anbringung erleichternde Abmessungen geben kann0 Außerdem kann der für die Erzielung
einer ausreichenden Empfindlichkeit der Anordnung auszustrahlende Ultraschallpegel
bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Gegensatz zu den bekannen,
mit
stehenden Wellen arbeitenden Anordnungen sehr klein bleiben.
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Die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung durch eine
Alarmeinrichtung ermöglicht es, das von einem Umschalter mit Amplitudenschwelle
gelieferte Signal dem von einem Schallgenerator abgegebenen Signal im Hörbereich
in der Weise zu überlagern, daß die Folge der Unterbreohungen des hörbaren Signals
der Frequenz des vop dem Niederstfrequenzverstärker der erfindungsgemäßen Anordnung
gelieferten Signal proportional ist, wodurch man wiederum die Möglichkeit zu einer
etwaigen Deutung des in dem unter Überwachung stehenden Milieu aufgedeckten Phänomens
erhält.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nunmehr eine mögliche
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung näher beschrieben werden, die
jedoch lediglich als die Erfindung erläuterndes Beispiel, nicht aer als Einschränkung
dafür zu werten ist. In der nachfolgenden Beschreibung wird auf die Zeichnung Bezug
genemmen es zeigen: Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild für den elektrischen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 2 ein Schaltschema für einen im
Rahmen der Anordnung nach Fig. 1 verwendbaren Phasendiskriminator.
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In Fig. 1 erkennt man einen Ultraschallgeber A mit einem Oszillator
1, einem Verstärker 2 und einem über einen Kondensator 3 mit dem Verstärker 2 gekoppelten
Wandler 4 für die Aussendung von Ultraschallenergie.
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Der Oszillator 1 weist eine Stabilität in der Größenordnung von 10-3
auf und besitzt vorzugsweise eine Quarzsteuerung,
Er kann beispielsweise
zwei Transistoren und einen in einer Rückkopplungsschleife liegenden und auf konstanter
Temperatur gehaltenen Quarz enthalten, die in einer beliebigen bekannten Art zusammengeschaltet
sind. Die für den Oszillator zu wählende Frequenz hängt von zahlreichen Parametern
ab, wie weiter unten im einzelnen gezeigt wird.
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Bei einem Betrieb in Luft für Überwachungszwecke liefert eine Frequenz
von einigen 10 kHz im algemeinen zufriedenstellende Ergebnisse. Zur Erkennung von
Bewegungen von Gegenständen mit kleine messungen kann auch eine höhere Frequenz
vorgesehen werden.
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Der Verstärker 2 ist vorzugsweise gegengekoppelt und weist eine Verstärkung
auf, die so berechnet ist, daß seine Ausgangsleistung den Kenngrößen des oder der
jeweils mit ihm gekoppelten Wandler 4 für die Abstrahlung von Ultraschallenergie
bei der jeweils ausgesandten Ultraschallfrequenz angepaßt ist. Die Wandler 4 für
die Abstrahlung der Ultraschallenergie haben eine große Bandbreite und sind für
Frequenzen von einigen 10 kHz vorzugsweise elektrodynamische Lautaprecher mit durchdringender
Frequenz der-Bauart, die vielfach mit dem Ausdruck "Tweeter" bezeichnet wird.
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Der Ultraschallempfänger B weist einen Wandler 5 für Ultraschallenergie,
einen abgestimmten Verstärker 6 eine Geräuschsperre 7, deren Aufgabe weiter unten
näher erläutert wird, einen Phasendiskriminator 8, einen Niederfrequenzverstärker
11 mit Filtern, eine Schwellwertstufe 12 und einen Umschalter 13 auf, Der Wandler
5 für die Ultraschallenergie ist dem Wandler 4 ähnlich und besitzt ebenfalls eine
größe Bandbreite.
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Auch er ist vorzugsweise ein Lautsprecher der Bauart "Tweeter". Der
Verstärker 6 ist auf die Frequenz der von dem Wandler 4 abgestrahlten Ultraschallwellen
von beispiels weise 20,5 kHz abgestimmt. Die Bandbreite des Verstärkers 6
ist
einerseits in Abhängigkeit von der größten zu erkenwenden Geschwindigkeit und andererseits
von dem für den Geräuschpegel zulässigen Maximalwert gewählt, wobei diese zweite
Bedingung, die geringste erkennbare Geschwindigkeit festlegt. In Luft ist eine Bandbreite
in der Größenordnung + 1 IdEz beiderseits der Abstimmungsfrequenz im allgemeinen
für die Erfüllung der zweiten Bedingung zufriedenstellend und außerdem groß genug,
um der ersten Bedingung zu genügen. Der Verstärker 6 muß die empfangenen Signale
auf einen Pegel bringen, der hoch genug liegt,um sie unabhängig von der Intensität
der von dem Wandler 5 aufgefangenen Signale einer Beschneidung unterwerfen zu können.
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Die Geräuschsperre 7 besteht aus einer Serienschaltung aus einem
Kondensator und einer Spule und ist dazu gedacht, das bei Speisung mit Wechselstrom
in die Schaltung eingekoppelte Rauschen zu vermindern. Die Geräuschsperre 7 ist
dazu eine Schaltung mit großer Bandbreite, die auf die dritte Harmonische der Frequenz
des Speisewechselstroms (im allgemeinen 50 Hz) zentriert ist. Die Geräuschsperre
7 wird erforderlich, weil der Niederfrequenzverstärker 11 Frequenzen in dem Bereich
zwischen 150 und 200 Hz besonders heraushebt.
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Der Phasendiskriminator 8 erhalt einerseits von dem Ultraschallgeber
A über einen an den Ausgang des VerstErkers 2 angeschlossenen KopPel transformator
9 ein Bezagssignal und andererseits das Ausgangs signal des Verstärkers 6 in den
Ultraschall empfänger B zugeführt Geht ein Teil der von dem Wandler 5 des Ultraschallempfängers
B aufgefangenen Ultraschallenergie auf Reflexionen an einem beweglichen Gegenstand
zurück, so zeigt das Ausgangssignal des Verstärkers 6 eine Phasenverschiebung gegeber
dem Bezugssignal von dem Verstärker 2, die auf den Anteil der von den abgestralllt.en
Ultraschallwellen durch~ laufenden Entfernung zurückgeht, der nicht einer ganzen
Wellenlänge
der abgestrahlten Ultraschallwellen entspricht.
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Der Phasendiskriminator 8 gibt dann ein Wechselspannungssignal ab,
dessen Frequenz der Wellenlänge der in das jeweilige Milieu abgestrahlten Ultraschallwellen
und der Radialgeschwindigkeit der Bewegung des bewegten Gegenstandes gegenüber den
als nebeneinander liegend angenommenen Wandlern 4 und 5 proportional ist. Der Phasendiskriminator
8 in Fig. 1 kann insbesondere von der in Fig. 2 schematisch angedeuteten Bauart
sein und zwei Dioden 34 und 36 und einen abgestimmten Transformator 38 aufweisen,
dessen Primärseite das von dem abgestimmten Verstärker 6 mit großer Wandbreite herrührende
Signal zugeführt erhält. Das die Bezugs phase liefernde Signal kommt von dem Transformator
9 und wird an die Mittelanzapfung der Sekundärseite des Transformators 38 und die
Mittenanzapfung einer Widerstandsbrücke angelegt, die an die Ausgänge der Dioden
34 und 36 angeschaltet ist.
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Der Niederfrequenzverstärker 11 besteht aus mehreren Verstärkerstufen,
die kapazitiv über Filter miteinander verkoppelt sind, deren Aufgabe darin besteht,
dem-Verstärker 11 eine Bandbreite zu verleihen, die den Frequenzen der aufgefangenen
Signale innerhalb des jeweils für die zu erkennenden Gegenstände ins Auge gefaßten
Geschwindigkeitsbereichs entspricht0 Das Ausgangssignal des Niederfrequenzverstärkers
i1 wird einer Schwellwertstufe 12 zugeführt, die dann, wenn die Intensität des Ausgangssignals
des Niederfrequenzverstärkers li eine vorgegebene Amplitudenschwelle übersteigt,
einen Strom mit der ermittelten Frequenz abgeben soll. Die Schwellwertstufe 12 steuert
einen Umschalter 13, der seinerseits.ein konstantes Ausgangssignal abgibt, wenn
er von der Schwellwertstufe 12 kein Steuersignal zugeführt erhält, und der im Fall
einer Signalerkennung dieses konstante Ausgangs signal zu Rechteckimpulsen zerschneidet,
deren Folgefrequenz der von der Schwellwertstufe 12 empfungenen Frequenz entsprechen.
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Der Umschalter 13, der beispielsweise aus einem Relais bestehen kann,
-wird durch ihm zugeführte Impulssignale in seine Arbeitsstellung, in der er an
seinem Ausgang 14 kein Signal abgibt, überführt.
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Mit dem Ultraschallempfänger B ist eine Einrichtung C zur Auslösung
eines Alarms oder zur Messung gekoppelt. Je nach der dieser Einrichtung C Jeweils
zugedachten Funktion kann sie entweder sämtliche für das in Fig0 1 veranschaulichte
Ausführungsbeispiel der Erfindung in dieser Figur eingezeichnete Bauteile oder nur
einen Teil davon oder auch zusätzliche Bauelemente enthalten. Unter der Voraussetzung,
daß die gesamte Schaltung gegen Masse isoliert ist, kann die Verbindung zwischen
dem Ultraschallempfänger B und der Einrichtung C sogar über große Entfernungen hinweg
über ein übliches Telefonleitungspaar hergestellt werden. Natürlich sind dann zusätzliche
Schaltungen vorzusehen, die bei einer Unterbrechung oder einem Kurzschluß der Telefonleitung
oder einem Ausfall der Speisung für die Detektorschaltung einen Alarm auslesen.
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Um eine relativ genaue Anzeige der Radialgeschwindigkeit eines sich
mit einer innerhalb des durch die Bandbreite des Niederfrequenzverstärkers 11 gegebenen
Geschwindigkeitsbereichs liegenden Geschwindigkeit bewegenden Körpers zu gewinnen,
ist die Einrichtung C mit einem Frequenzzähler 15 ausgerüstet, der entweder in der
in Fig. 1 dargestellten Weise oder unmittelbar mit dem Ausgang des Niederfrequenzverstärkers
11 verbunden isto Für die Erzielung einer guten Genauigkeit ist natürlich eine Homogenität
des zu überwachenden Milieus hinsichtlich seiner Temperatur erforderlich. Jedoch
sei dazu bemerkt, daß man zu einer Genauigkeit von 1 s 2000 kommen kann, wenn die
Temperaturänderungen 1 oC nicht überschreiten. In klimatisierten Räu--4 men ist
daher eine Genauigkeit von 10 4 ohne weiteres zu erreichen.
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Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung zur Alarmauslösung
kann die Einrichtung C einen Schallgenerator für hörbaren Schall aufweisen, der
aus einem niederfrequenten Oszillator 16 und einem Lautsprecher 17 besteht.
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Vor dem Oszillator 16 ist dann eine in der Zeichnung nicht dargestellte
Trigger-Schaltung vorzusehen, die aus einer Schaltung mit zwei stabilen Lagen bestehen
und einen mit einem Relais gekoppelten Transistor aufweisen kann und den Betrieb
des niederfrequenten Oszillators 16 im Takte der Impulssignale triggert. Auf diese
Weise wird das von dem Lautsprecher 17 ausgestrahlte Hörschallsignal in-eine Signalfolge
zerhackt, deren Frequenz der Frequenz des von dem Niederfrequenzverstärkers 11 gelieferten
Signales proportional ist und das eine Interpretation des aufgedeckten Ereignisses
erlaubt, Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Einrichtung
0 außer der akustischen Alarmanlage noch eine Schaltung zur Abgabe optischer Signale.
Diese Schaltung weist einen Transistor 20 auf, dessen Basis mit dem Umschalter 13
und dessen Kollektor-über eine Wicklung 22 eines ersten Relais mit einer Speisespannungsquelle
25 verbunden ist. Der Anker 24 des Relais ist dauernd an die Speisespannungsquelle
25 angeschlossen und nimmt im Ruhezustand die Stellung ein, in der er in Fig. 1
dargestellt ist.
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Wird die Wicklung 22 erregt, so kippt der Anker 24 und verbindet die
Speisespannungsquelle 25 mit einer der Anschlußklemmen der Wicklung 26 eines zweiten
Relais0 Diese wiederum kann über zwei Zweige auf Masse gelegt werden. Der eine dieser
Zweige enthält einen Steuerdruckknopf 28, und der zweite wird bei Erregung des zweiten.Relais
über dessen Anker 30 geschlbssen. Bei nicht erregtem zweitem Relais schließt der
Anker 30 dagegen einen Alarmkreis, der ein Schauzeichen 32 enthält, das an die Spannungsversorgung
25 angeschlossen ist0
Die Arbeitsweise der Einrichtung C ergibt
sich dann sofort: Liegt die Einrichtung bei Fehlen einer den Alarm auslösenden Rechteckspannung
an Spannung, so wird und bleibt die Wicklung 22 gespeist, der Anker 24 kippt aus
der in Fig. 1 dargestellten Ruhelage, die Wicklung 26 dagegen bleibt unerregt. Diese
Wicklung 26 ist dabei weder über den Anker 30 noch über den Steuerdruckknopf 28
mit Masse verbunden0 Das Schauzeichen 32 liefert eine Alarmanzeige. Um diese zum-Verschwinden
zu bringen, muß ein Bedienungsmann den Steuerdruckknopf 28 niederdrücken, dann kommt
der Anker 38 zum Kippen, das Schauzeichen 32 erlischt, und der Anker 30 bleibt in
seiner neuen Lage, weil er den Speisekreis für die Wicklung 26 schließt.
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Sobald eine alarmauslösende Rechteckwelle das Ausgangs-Signal des
Umschalters 13 unterbricht, schneidet der Transistor 20 die Speisung für die Wicklung
22 ab. Der Anker 24 kommt daraufhin zum Kippen und hebt die Erregung für die Wicklung
26 auf. Daraufhin kippt der Anker 30 seinerseits, das Schauzeichen 32 für den Alarm
leuchtet auf und behält diesen Zustand auch dann, wenn keine neue alarmauslösende
Rechteckwelle eintrifft, so lange bei, bis der Bedienungsmann den Steuerdruckknopf
28 niederdrückt.
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Bei einem Einsatz als Schutzanlage kann die erfindungsgemäße Anordnung
so ausgelegt werden, daß sie jegliches Eindringen in ein abgeschlossenes oder nicht
abgeschlossenes Luftvolumen oder in ein flüssiges Milieu anzeigt (unter der Voraussetzung
einer dichten Aufmachung, der Verwendung passender Wandler und einer passenden Auswahl
für die Bandbreite des Niederfrequenzverstärkers)O Als Beispiel für die Auslegung
einer erfindungsgemäßen Anordnung seien schließlich noch die bei einem praktisch
ausgeführten Beispiel verwirklichten Daten angegeben:
Frequenz
der abgestrahlten Ultraschallwellen: 20,5 kllz Verstärkung des Verstärkers 2 in
dem Ultraschallgeber As 53 dB Wandler 4 und 5 im Ultraschallgeber A und im Ultraschallempfänger:
Lautsprecher der Bauart TWEETER mit einer Leistung von 1 W (TWEETER audax TW 80),
B abgestimmter Verstärker 6 im Ultraschallempfänger Frequenz 20,5 lciiz, Bandbreite
+ 1 lcHz bei 3 dB, Verstärkung in der Größenordnung von 90 dB Niederfrequenzverstärker
11 : 2 Stufen, 3 auf 32 Hz zentrierte Filter, Schwellwertstufe mit einer Amplitudenschwelle
von o,6 V.
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Die mit diesen Daten ausgeführte erfindungsgemäße Anordnung bot die
Möglichkeit zur Messung der Geschwindigkeit eines sich mit einer Geschwindigkeit
zwischen 100 m/h und 20 1an/h bewegenden Gegenstandes und zur Erkennung von Bewegungen,
deren Frequenz nahe bei 200 Hz und deren Amplitude bei 1/100 mm lag.
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Die vorstehende Beschreibung ist selbstverständlich nur als die Erfindung
erläuterndes, nicht aber einschränkendes Ausführungsbeispiel zu werten, und es liegt
auf der Hand, daß an dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zahlreiche Abwandlungen
vorgenommen werden können, die insbesondere die Art des Milieus, in dein die Anordnung
zum Einsatz kommen soll, die Art der zu beobachtenden Erscheinungen und die Anzahl
der Wandler und deren Anordnung betreffen.