DE2258043A1

DE2258043A1 - Ultraschalleinrichtung zum schutz eines areals gegen unbefugtes eindringen

Info

Publication number: DE2258043A1
Application number: DE2258043A
Authority: DE
Inventors: William L Cotter
Original assignee: Alarmtronics Engineering Inc
Current assignee: Alarmtronics Engineering Inc
Priority date: 1971-12-07
Filing date: 1972-11-27
Publication date: 1973-06-14
Also published as: US3801977A; JPS4866396A; GB1392767A

Description

Alarmtronics Engineering, Inc., ? ? 5 8 0 Λ

Newton, Mass. /USA

Ultraschalleinrichtung zum Schutz eines Areals gegen unbefugtes Eindringen

Die Erfindung betrifft eine Melde-, Alarm- oder Warnschaltung, die in einem damit geschützten Areal Eindringlinge erfaßt. Durch Aussenden eines Ultraschallsignales wird in dem zu sichernden Areal ein Ultraschallwellenmuster aufgebaut. Es wird mit einer Dopplerphasenerfassungstechnik gearbeitet, wobei ein Dopplersignal erzeugt wird, dessen Frequenz jederzeit beispielsweise mit der Bewegungsgeschwindigkeit eines Eindringlinges in dem geschützten Areal übereinstimmt.

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Unter normalen Bedingungen and in einem zu sichernden Bereich verschiedene Ultraschall-Eindringdetektoren verwendbar. Manche dieser Detektoren geben jedoch einen falschen Alarm, wenn ein breitbandiges Rauschsignal erzeugt wird, etwa durch eine Telefonklingel. Andere Detektoren wiederum lassen sich allzu leicht durch ein hochfrequentes Störsignal ausschalten.

Vorliegende Erfindung bezieht sich deshalb auf Ultraschall-Eindringdetektoren, die in einer Umgebung mit folgenden Bedingungen arbeiten müssen:

1. Bewegungen des Eindringlings,

2. veränderliche Hintergrundstörgeräusche, vor allem durch Luftbewegung, und

3. unechte Rauschsignale, erzeugt durch Harmonische von Tonschwingungen, beispielsweise von Telefonklingeln, schlagenden oder schwingenden Rohren und Leitungen usw.

Das unechte Hintergrundrauschen besitzt keine definierte Frequenz- oder Amplitudencharakteristik, während die durch Luftbewegungen erzeugten turbulenten Signale gewöhnlich niederfrequent sind. Außerdem weisen turbulente Signale eine langsamere Veränderung von Geschwindigkeit oder Amplitude als normalerweise von einem Eindringling erzeugte Signale auf. Turbulente, durch Luftbewegung erzeugte Signale können somit genauso groß oder größer sein als das Signal des Eindringlinges, kurzzeitige Schwankungen um einen Mittelwert der Turbulenzsignale sind kleiner als die Signale des Eindringlings und größere Änderungen erstrecken sich über mehrere Sekunden.

Bei der Erfindung wird ebenfalls davon ausgegangen, daß höherfrequente Signale über dem normalen Tonfrequenzbereich, hochfrequente Harmonische oder Tonfrequenzsignale, zu falschem Alarm führen können. Eine übliche Ursache von falschem Alarm ist das periodische Telefonklingeln. Es muß deshalb zwischen

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dem Zustand bei einem falschen Alarm und einem tatsächlichen Alarm unterschieden v/erden, von einem Eindringling bewirkt, der die Erfassungs- oder Detektionsschaltung durch ein hochfrequentes Ultraschallsignal zu stören versucht. Die erfindungsgemäßen Einrichtungen können diese beiden Zustände unterscheiden.

Die erfindungsgemäße Ultraschallmeldeschaltung spricht mit größter Empfindlichkeit auf Eindringlinge an, vermeidet aber dennoch falschen Alarm. Außerdem weist die Erfindung Mittel auf, die auch dann Alarm geben, wenn die Schaltung durch einen Eindringling gestört wird. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Ultraschall-Meldeschaltung relativ kompakt, einfach in der Herstellung, robust/m dem'zu sichernden Areal ohne Schwierigkeiten zu verbergen.

Die erfindungsgemäße Ultraschalleinrichtung zum Schutz eines Areals gegen unbefugtes Eindringen arbeitet mit einem durch Aussenden eines Ultraschallsignales in dem Areal ein Ultraschallwellenmuster erzeugenden Sender, mit einem das reflektierte Ultraschallsignal aufnehmenden Empfänger· und mit einer auf Sender und Empfänger ansprechenden Registriereinrichtung für ein Dopplersignal mit einer Frequenz entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit im Areal. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch zwei frequenzabhängige, eingangssei tig an die Registrier-? einrichtung und ausgangssei tig an je einen Eingang einer Differenzschaltung angeschlossene Einrichtungen, wobei die erste Einrichtung ein Schwellsignal und die zweite Einrichtung ein Erfassungssignal abgibt, und durch eine an einen Ausgang der Differenzschaltung angeschlossene und beim Ansteigen des Erfassungssignales über das Schwellsignal ansprechende Meldeeinrichtung.

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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfassungs- oder Detektionsschaltung ist eine dritte frequenzabhängige Einrichtung vorgesehen, vorzugsweise ein Filternetzwerk, ebenfalls angeschlossen an die Registriereinrichtung zur Ausgangsmeldeeinrichtung, das hochfrequente Signale von einer Frequenz von beispielsweise mehr als 1000 Hz zum Sperren der Ausgangsmeldeeinrichtung durchläßt, jedoch lediglich bis zu einer bestimmten Zeitdauer. Wenn die hochfrequenten Signale nach Ablauf dieses Intervalles immer noch aufgenommen werden, so wird dies als Störsignal interpretiert, die Sperrung der Ausgangsmeldeeinrichtung wird aufgehoben und es erfolgt eine Meldung bzw. Alarmgabe. Die erste frequenzabhängige Einrichtung zur Erzeugung des frequenzabhängigen Schwellsignales spricht vorzugsweise auf das normale Frequenzband eines Eindringlinges an, das ausreichend herabgesetzt ist, damit auch noch eine empfindliche Erfassung im Frequenzbereich von etwa 20 bis 300 Hz möglich ist.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Erfassungs- oder Detektionsschaltung auch eine an die Registriereinrichtung angeschlossene Ausgangsschaltung, die a\if ein vorgegebenes Band von Dopplerfrequenzen anspricht und Alarm gibt. Ein zweiter Wandler spricht auf eine Gruppe von Frequenzen vorzugsweise unmittelbar unter dieser ersten Frequenz an. Dieser zweite Wandler ist an die Ausgangsschaltung angeschlossen und sperrt diese während eines bestimmten Zeitintervalles, führt aber nach Ablauf dieses Zeitintervalles zur Alarmgabe.

Zur ausführlicheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschall-lieldeschaltung,

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1,

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Fig. 3 ein teilweise detailliertes Blockschaltbild einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung -und Fig. 4 den Kurvenverlauf der Ausfiüirungsformen gernäß den Fig. 1 bis 3.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschall-Meldeeinrichtung gezeigt. Ein Sender 10 erzeugt in dem geschützten Areal ein Ultraschallvellenmuster und ein Empfänger 14 nimmt das reflektierte Ultra.-schallsignal auf. Ferner erkennt man eine Erfassungs-^ oder Detektionsschaltung 20, eine Filterschaltang 24 und eine Ausgangsschaltung 30.

Der Sender 10 enthält einen Wandler 11 und einen (frei schwingenden) Oszillator 12. Der Oszillator 12 kann einen astabilen Multivibrator enthalten, der beispielsweise mit einer Frequenz von 26 kHz arbeitet. Der'Ausgang des Oszillators 12 gelangt zum Wandler 11, der das Ultraschallwellenmuster in dem gesicherten Areal erzeugt. Bei dem Wandler 11 kann es sich um ein normales Gerät handeln. Der- Ausgang des Oszillators 12 gelangt auch zur Erfassungsschaltung 20.

Der Empfänger 14 enthält einen Wandler 15 und einen Verstärker 16. Der Wandler 15, wieder von üblicher Konstruktion, empfängt die reflektierten Ultraschallsignale, die vom Wandler 11 abgestrahlt wurden und gibt sie auf den Verstärker 16. Die Signale am Eingang des Verstärkers 16 weisen eine Größe von einigen Millivolt auf und werden deshalb vom Verstärker 16 verstärkt und auf die Erfassungsschaltung 20 gegeben. Die Erfassungsschaltung 20 umfaßt gemäß Fig. 1 einen Phasendetektor 21, ein Tiefpassfilter 22 und einen Verstärker 23. Der Phasendetektor 21 wird eingangsseitig doppelt beaufschlagt, einmal vom Oszillator 12 mit 26 kHz und zum anderen vom Verstärker 16.

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Bei annähernder Bewegungslosigkeit im gesicherten Areal bleibt die Phasendifferenz zwischen ausgesendeten und empfangenen Signalen konstant und der Phasendetektor 31 liefert am Ausgang ein 26-kHz-Signal konstanter Amplitude. Kommt ein Eindringling in das gesicherte Areal, so wird das 26-kHz-Signal am Ausgang des Phasendetektors 21 mit einer Frequenz entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit im gesicherten Areal moduliert. Der Ausgang des Detektors 21 passiert dann das Tiefpassfilter 22, das den hochfrequenten Träger abschneidet. Der Ausgang des Filters 22 gelangt zum Verstärker 23, wo das Dopplersignal verstärkt und das niederfrequente Signal auf die Filterschaltung 24 gegeben wird. Der Ausdruck "Dopplersignal" bezecht sich auf das erfaßte Phasensignal der Frequenz entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit im gesicherten Areal, der Ausdruck "Signal des Eindringlings" bzw. "Eindringsignal" bezieht sich auf das Dopplersignal infolge der Bewegung des Eindringlings und der Ausdruck "Turbulenzsignal" bezieht sich auf das Dopplersignal infolge Turbulenz oder Luftbewegung.

Die Filterschaltung 24 umfaßt ein Schwellfilter 25 und ein Erfassungs- oder Detektionsfilter 26 mit einem Differenzdetektor 27, den beiden Filtern 2 5 und 26 zugeordnet, und ein Hochpassfilter 28. Das Schwellfilter 25 ist vorzugsweise ein Kerbfilter, mit einem Frequenzverlauf etwa gemäß Fig. 4 . Bei Frequenzen um 10 Hz besitzt das SchwellJ31ter 25 einen relativ großen Gewinn, während bei ca. 80 Hz der Gewinn des Filters 25 abnimmt, so daß man einen empfindlicheren Erfassungspegel des Gerätes erhält. Über etwa 300 Hz ist der Gewinn des Schwellfilters 25 wieder relativ klein.

Das Erfassungs- oder Detektionsfilter 26, ein Bandpassfilter, besitzt einen Frequenzverlauf gemäß Fig. 4. Gemäß Fig. 4 ist der Gewinn von Schwell- und Erfassungsfilter bei etwa 12 Hz

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annähernd gleich und der Gewinn des Erfassungsfilters ist über das ganze Band der zu erwartenden Frequenzen des Eindringlinges relativ flach. Bei etwa 250 Hz fällt der Gewinn des Erfassungsfilters 26 ab.

Schwell- und Erfassungsfilter 25 und 26 enthalten vorzugsweise Gleichrichter, Kondensatoren und Integratoren zur Umwandlung der Frequenzsignale in einen entsprechenden Gleichspannungspegel. Der Ausgang der Filter 25 und 26 ist mit einem Differenzdetektor 27 verbunden, der ein normaler Differenzverstärker sein kann. Wenn der Ausgang des Erfassüngs- oder Detektionsfilters 26 den Ausgang des Schwellfilters 25 überschreitet, spricht der Differenzdetektor 27 ai und gibt ein Meldesignal auf die Ausgangsschaltung 30. Die Filterschaltung 24 besitzt ebenfalls einen Hochpassfilter 28 mit einem Frequenzverlauf gemäß Fig. 4. Das Filter 28 spricht nicht auf das vom Eindringling erzeugte Frequenzband an, sondern auf Frequenzen von 1000 Hz und mehr. Der Ausgang des Hochpassfilters 28 gelangt zum Verstärker 29. Der Ausgang des Verstärkers 29 wird auf Integrator und Detektor 31 gegeben, die man als Teil der Ausgangsschaltung 30 betrachten kann.

Wenn das Filter 2.8 keine höherfrequenten Signale erfaßt, wird auf der Ausgangsleitung 31A von Integrator und Detektor 31 ein Aussteuerungssignal gegeben. Gleichzeitig ist auf der Leitung 31B ein Sperrsignal vorhanden, der Akkumulator 33 erhält über die Leitung 31B keinen Ladestrom. Sobald der Differenzdetektor 27 einen Eindringling erfaßt hat, wird das Meldesignal über das UND-Gatter 32 auf den Akkumulator 33 gegeben. Nach einer Akkumulationszeit von etwa 2 Sekunden gibt der Akkumulator 33 * Meldung. Der Akkumulator 33 kann ein Melderelais enthalten, das zur Anzeige des Alarm- oder Meldezustandes vorzugsweise

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nicht verriegelt ist. \Jenn Integrator und Detektor 31 vom Filter 28 ein hochfrequentes Signal erhalten liefern sie einen Sperrausgang auf der Leitung 31A, der das UND-Gatter 32 sperrt und jegliche Erfassung über das Erfassungsfilter 26 und das Schwellfilter 25 verhindert. Mit Beginn des hochfrequenten Signales entsteht jedoch über die Leitung 31B eine Ladeverbindung zum Akkumulator 33, der mit geringerer Geschwindigkeit als bei Aufladung über das UND-Gatter 32 geladen wird. Nach einer vorgegebenen Zeit kehrt der Akkumulator 33 in seinen Alarm- oder Heidezustand zurück.

In einer bevorzugten Ausführungsform führt die Aufnahme eines hochfrequenten Signales während relativ kurzer Zeit mit weniger als 50 % Nutzfaktor durch die Ausgangsschaltung 30 nicht zur Aktivierung des Akkumulators 33. Ein derartiges Signal kann durch das Klingeln eines Telefons entstehen. YJenn jedoch das hochfrequente Signal das vorgegebene Zeitintervall überschreitet oder der Nutzfaktor bzw. das Impulsverhältnis oder die Einschaltdauer größer wird als 50 %, so führt der Ladestrom über die Leitung 31B dazu, daß der Akkumulator 33 in seinen Me.ldezustand zurückkehrt.

In Fig. 2 ist die Ultraschall-Meldeschaltung gemäß Fig. 1 detailliert dargestellt. Der 26-kHz-Oszillator 12 koppelt auf den Wandler 11 des Senders und auf den Phasendetektor 21.

Der Wandler 15 des Empfängers erhält das reflektierte Ultraschallsignal und gibt dieses zum Verstärker 16. Der Verstärker 16 enthält zv/ei Stufen 17 und 18. Die Stufe 17 umfaßt einen FET-Transis tor Q1 und einen bipolaren Transistor Q2 zusammen mit zugehörigen Vorspannwiderständen und Kopplungskondensatoren. Die zweite Stufe 18 enthält ebenfalls einen Feldeffekttransistor Q3 und einen bipolaren Transistor Q4 einschließlich

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Widerständen und Kondensatoren. Den Ausgang des Verstärkers 16 kann man über das Potentiometer P1 abnehmen, das zwischen Emitter des Transistors Q4 und Masse liegt. Die Einstellung des Potentiometers Pl bestimmt die Verstärkung des Verstärkers 16 und dient somit in der erfindungsgemäßen Schaltung als Bereichssteuerung.

Der Dopplerphasendetektor 21 umfaßt den Transistor Q5 und die Widerstände UI und R2. Der Transistor Q5 wird gesteuert vom Oszillator 12 zyklisch mit 26 kHz leitend und nichtleitend. Dadurch liegt der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 zyklisch an Masse, je nach dem ob der Transistor Q5 leitet oder sperrt. Wenn Transistor Q5 leitet, liegt das Signal vom Verstärker 16 annähernd an Masse«, Bei abgeschaltetem Transistor 05 kann das Signal zum Tiefpassfilter 22 gehen. Wenn im gesicherten Areal Bewegungen von Eindringlingen nicht erfaßt wurden, bleibt die Phase des Signals vom Verstärker 16 gegenüber dem 26 kHz Signal konstant und der Kondensator C1 des Tiefpassfilters 22 bleibt aufgeladen, auf einen relativ konstanten Wert. Wenn ein Eindringling in das gesicherte Areal gelangt, ändert sich die Phase des Signales vom Verstärker 16 entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Eindringlinges und der Kondensator C1 erhält eine entsprechend niedrige Frequenz. Das Filter 22 beseitigt die Trägerkomponente (26 kHz) vom Phasendetektorsignal und besitzt einen Ausgang proportional der,Phasendifferenz zv/ischen ausgesendeten und aufgenommenen Ultraschallsignalen.

Der Kondensator C1 koppelt außerdem auf die Basis des Transistors Q6, dessen Kollektor mit dem .Kondensator C2 verbunden ist, der als Y/eiteres Tiefpassfilter wirkt. Den Transistor Q6 kann man als weitere Verstärkerstufe zwischen dem Tiefpassfilter 22 und dem Filterkondensator C2 ansehen. Zur Entfernung der

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Gleichstromphasenkomponente aus dem Signal und um zu verhindern, daß langsame Phasenänderungen infolge der Oszillatordrift und infolge atmosphärischer Änderungen das System beeinflussen, ist der Kondensator C3 zwischen Kollektor von Transistor Q6 und Verstärker 23 geschaltet. Am Eingang des Verstärkers 23 liegen Vorspannwiderstände. Impedanzen zwischen Ein- und Ausgang stabilisieren die Arbeitsweise des Verstärkers 23 und dienen der Steuerung oder Einstellung seiner Verstärkung.

Der Ausgang des Verstärkers 23 liegt über den Kondensator C4 am Schwellfilter 25 und Erfassungsfilter 26. Das Schwellfilter 25 enthält einen Filterabschnitt 2 5A und einen Gleichrichterabschnitt 25B. Das Erfassungsfilter 26 v/eist einen Filterabschnitt 26A und einen Gleichrichterabschnitt 26B auf. Der Filterabschnitt 25A in Fig. 2 ist ein übliches T-Brückenfilternetzwerk und enthält Widerstände R5, R6 und R7 und Kondensatoren C5 und C6. Der Kondensator C5 läßt tiefe Frequenzen und der Kondensator CG hohe Frequenzen durch. Die Größe der Widerstände R5 bis R7 und der Kondensatoren C5 und C6 ist so gewählt, daß man den eingekerbten oder sattelförmigen Frequenzverlauf gemäß Fig. 4 erhält.

Der Ausgang des Filterabschnittes 2 5A liegt an der Diode Dl des Gleichrichterabschnitts 2 5B. Der Gleichrichterabschnitt enthält ferner zwei Widerstände und einen Speicherkondensator C7. Der Gleichrichterabschnitt 2 5B richtet das Wechselsignal vom Filterabschnitt 25A gleich und integriert das Signal. Der Kondensator C7 in Fig. 2 besitzt eine Kapazität von 100 Mikrofarad und der Gleichrichterabschnitt 2 5B hat eine Zeitkonstante von etwa 2 Sekunden.

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Der Erfassungsfilterabschnitt 26A umfaßt ein übliches Bandpassfilter mit Kondensatoren C8 und C9 und Widerständen R8 und R9. Der Frequenzverlauf des FiIterabschnittes 26A kann mit demjenigen nac-h Fig. 4 übereinstimmen.

Der Ausgang des Filterabschnittes 26A gelangt über die Diode D2 zujii Gleichrichterabschnitt 26B, der außerdem einen Widerstand R1O, einen Kondensator C10 und ein Potentiometer P2 aufweist. Das Potentiometer P2 dient zur Anfangseinstellung des Erfassungspegels am Eingang zum Verstärker 27. Die Diode D2 richtet das Frequenzsignal vom Filterabschnitt 26A gleich und der Kondensator CIO integriert das gleichgerichtete Signal. Der Kondensator C10 hat 10 Mikrofarad und die Zeitkonstante des Gleichrichterabschnittes 26B liegt in der Größenordnung von I/3 Sekunde. Die Kondensatoren C7 und C10 liegen an getrennten Eingängen des Differenzdetektors 27. ·

Das Filternetzwerk 24 unterscheidet zwischen Eingangssignalen infolge des Vorhandenseins eines Eindringlinges und Eingangssignalen j die von Veränderungen in der Umgebung herrühren, die zu verschiedenen Turbulenzarten in gesicherten Areal herrühren. Gemäß Fig. 4 ist der Durchlaß oder Gewinn des -Erfassungsfilters größer als derjenige des Schwellfilters in den Frequenzbereich (12 bis 250 Hz), in dem mit größter Wahrscheinlichkeit die Be- ■ wegung eines Eindringlinges liegt. Umgekehrt hat das Schwellfilter einen größeren Gewinn bei höherer Wahrscheinlichkeit der Turbulenz (12 Hz und niedriger) und einen niedrigeren Gewinn, wenn die Wahrscheinlichkeit der Turbulenz als niedrig und die Wahrscheinlichkeit der Bewegung des Eindringlinges als hoch anzusehen ist. Die Filterabschnitte 2 5A und 26A bewirken somit die Frequenzbewertung des Dopplersignales.

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Vie bereits erwähnt_rneigen die Turbulenzsignale dazu im unteren Teil des Frequenzspektrumes unter 50 Hz zu liegen. Die Änderungsrate von Geschwindigkeit und Amplitude von Turbulenzsignalen ist jedoch gewöhnlich erheblich geringer als diejenige normaler

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Signale von Eindringlingen. Die Turbulenzsignale können gleich oder größer sein als die Signalamplitude durch Eindringlinge, doch sind die kurzen Zeitschwankungen um einen Mittelwert bei Turbulenzsignalen kleiner als bei Signalen von Eindringlingen. Außerdem treten bei Turbulenzsignalen große Mittelwertänderungen gewöhnlich während- mehrerer Sekunden auf. Diese Realisierung der Charakteristik von Signalen die von Turbulenz und Eindringlingen herrühren, führte zu der Aufnahme der Zeitbewertung in die erfindungsgemäße Schaltung. Die Zeitbewertung erfolgt durch die Gleichrichterabschnitte 25B und 26B.

Zur Zeitbewertung ist die Zeitkonstante des Schwellgleichrichterabschnittes 25B größer als die Zeitkonstante des Erfassungsgleichrichterabschnittes 26B. Bei einer Ausführungsform ist die Zeitkonstante des Abschnittes 25B sechsmal größer als diejenige des Abschnitts 26B. Die Zeitkonstanten beider Abschnitte 25B und 26B sind zum Teil durch die Kondensatoren C7 bzw. C10 bestimmt. Da die Zeitkonstante eines RC-Netzwerkes das Produkt aus Widerstand und Kapazität ist, bewirkt der größere Wert des Kondensators C7 (100 Mikrofarad) eine größere Ladezeitkonstante als der Kondensator C10 (10 Mikrofarad).

Deshalb erfolgen bei Turbulenzsignalen die Ausgangsänderungen des Hfassungsgleichrichterabschnittes 26B allmählich und der Ausgang des Schwellgleichrichterabschnittes 25B hat Zeit zur Veränderung seines Schwellpegels derart, daß eine Empfindlichkeit für diese Art Schwankungen nicht gegeben ist. Wenn dagegen die Bewegung des Eindringlinges abrupter als Turbulenzbewegungen erfolgt, auch bei einer relativ niedrigen Frequenz von beispielsweise 50 Hz, erlaubt die größere Zeitkonstante des

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Erfassungsgleichrichterabschnittes 26B eine empfindliche Erfassung von Eindringlingen, auch bei relativ niedrigen Dopplerfrequenzen.

Der Differenzdetektor 27 kann von üblicher Bauart sein und einen Differenzverstärker enthalten. Wenn die Spannung am.Kaüensator C10 die Spannung am Kondensator C] überschreitet und dadurch die Bewegungserfassung eines Eindringlinges anzeigt, geht der Ausgang des Differenzdetektors 27 von einem negativen oder Massewert auf einen positiven Spannungswert. Der Ausgang des Differenzdetektors 27 gelangt zum UND-Gatter 32, das Dioden D3, D4 und D5 aufweist und einen Widerstand R11, der an der Spannungsversorgung + V2 liegt. Wenn das Hochpassfilter 28 nicht aktiviert --ist, sperrt die Diode D5. Bei positivem Ausgang des Differenzdetektors 27 ist auch die Diode D3 gesperrt uad über den Widerstand R11 und Diode D4 fließt ein Ladestrom zum Akkumulator 33. Der Akkumulator 33 umfaßt Transistoren Q7 bis Q10, ein'Melderelais K1„ eine Zenerdiode ZD1, einen Kondensator CI1 und zugehörige Vorspannwiderstände. Wie bereits erwähnt, erfolgt neben dem Eingang • über die Leitung 31A zum Akkumulator 33 auch eine Ladung des Akkumulators 33 aus Integrator und Detektor 31 über die Leitung 31B. Die Funktion dieses Einganges wird zusammen mit dem Hochpassfilter 28 und Integrator und Detektor 31 noch näher erläutert»

Transistor Q7, Widerstand E12 und Zenerdiode ZD1 bilden eine Stromquelle für den Kondensator C11» Wenn der Ausgang des Differenzdetektors 27 positiv ist und die Diode D3 gesperrt, gelangt der Ladestrom über die Widerstände R11 und R12 und Kollektor und Emitter von Transistor Q7' auf eine Seite des Kondensators C11. Der Transistor Q7 funktioniert im wesentlichen, als Stromquelle, so daß die Spannung am Kondensator C11 linear ansteigt. Nach einer vorgegebenen Ladezeit ist die Spannung > an der Basis von.Transistor Q8 ausreichend positiv gegenüber der EmitterSpannung, so daß dieser. Transistor- abschaltet.

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Damit schalten auch die Transistoren 09 und 010 ab und sperren den Strom der Relaiswicklung 11 , so daß Meldung oder Alarmgabe erfolgt. Wenn vorher der Kondensator C11 nicht aufgeladen war, leiteten die Transistoren Q8, Q9 und Q10. Ein Versagen eines der Transistoren Q8 bis Q10 bewirkt eine Meldung, was entweder einen Fehler dieser Transistoren oder einen tatsächlichen Alarm angibt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Ladezeit des Kondensators C11 bei Ladung über die Leitung 31A 2 Sekunden·

Der Ausgang des Verstärkers 23 koppelt auch auf das Hochpassfilter 28. In der gezeigten Ausführungsform kann das Hochpassfilter 28 von normaler Bauweise sein und Kondensatoren C12 bis C14 und Widerstände R1 3 und R14 umfassen. Die Teile des Filters 28 sind so gewählt:, daß sein Frequenzverlauf demjenigen nach Fig. 4 ähnelt.

Das Ilochpassfilter 2 8 und zugehörige Schaltung dienen vor allem zur Unterscheidung zwischen breitbandigen Rauschsignalen, wie sie beispielsweise durch Telefonklingeln, schlagende oder schwingende Leitungen oder Rohre etc. erzeugt werden, die hochfrequente Harmonische aufweisen, und einem Störsignal, das von einem Eindringling herrühren kaiin, der eine Meldung oder Alarmgabe verhindern will.

Der Ausgang des Hochpassfilters 2 8 geht über Vorspannwiderstände zum Verstärker 29· Dieser enthält ebenfalls Impedanzen zwischen Ein- und Ausgang, zur Stabilisierung der Funktion des Verstärkers und zur Steuerung seiner Gleich- oder Wechselstromverstärkung.

Der Ausgang des Verstärkers 29 gelangt auf Integrator und Detektor 31 mit den Transistoren Q1Ί , Q1 2 und QI3« Wenn über das Hochpassfilter 28 keine hoherfrequenten Signale erfaßt werden

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ist in Integrator und Detektor 31 Tansistor Q11 abgeschaltet, Transistor Q12 eingeschaltet und Transistor QI3 wieder abgeschaltet. Über die Leitung 31B wird somit kein Ladestrom geliefert und über den abgeschalteten Transistor Q13 ist die Diode D5, wie bereits erwähnt, gesperrt. Wenn jedoch ein höherfrequentes Signal von beispielsweise 1000 Hz vom Hochpassfilter 28 erfaßt wird, wird der Ausgang vom Verstärker 29 negativ und schaltet den Transistor Q11 durch. Dadurch wird der Transistor Q12 abgeschaltet und Transistor Q 13 leitete Die Diode D5 kann Strom führen, da der Spannungsanschluß + V3 negativer ist als der Spannungsanschluß + V2 (V1 = + 12 VoIt₁, V2 = + 7,5 Volt und V3 = + 4,7 Volt) und über die Diode D4 und dem Widerstand E12 kann kein« Ladestrom zum Akkumulator 33 fließen. Nach Abschaltung von Transistor Q12 fließt jedoch ein Ladestrom über die Leitung 31B und den Widerstand R15 zum Transistor Q7 von Akkumulator

Die Erfassung eines höherfrequenten Signales sperrt somit Erfassungen über den Differenzdetektor 27 _f ermöglicht jedoch eine kleinere Laderate über den Widerstand R1 5 und den Transistor Q7 für den Kondensator C11. Nach einer kleinen Laderate von etwa 6 Sekunden ist der Kondensator C11 ausreichend aufgeladen um den Transistor Q8 abschalten zu können* Dadurch v/erden die Transistoren Q9 und Q10 abgeschaltet und eine Alarmmeldung gegeben.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausfülirungsform der Erfindng gezeigt. Die Schaltung stimmt großenteils mit dem Blockschaltbild-nach Fig. 1 und der entsprechenden Schaltung nach Fig. 2 überein.

Insbesondere arbeiten das Schwellfilter 25, das Erfassungsfilter 26 und der Differenzdetektor 27 ebenso, wie bei Fig. 1 und 2 beschrieben. Die UND-Schaltung 32 und der Akkumulator 33 können mit denjenigen nach Fig. 1 und 2 übereinstimmen. Das gleiche gilt für Integrator und Detektor 31.

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In der Ausführungsform nach Fig. 3 wird anstelle des Hochpassfilters 28 gemäß Fig. 1 ein getrennter hüschkana.lwandler verwendet. Dieser Wandler 40 spricht auf hochfrequente Signale eng an der Frequenz, des Oszillators 12 an, insbesondere auf Signale im Bereich von 24 kHz. Die Schaltung nach Fig. 3 enthält außerdem eine automatische Verstärkungssteuerung (AGC) 50. Diese AGC-Schleife 50 erwöglicht das Arbeitein des Empfängers über einen weiten Pyiiauiikbereiob der Eingangssignal. Die Schleife besitzt eine Zeitkonstante von etwa 4 Sekunden. Sie spricht axif den Ausgang des Verstärkers 23 an und steuert den mittleren Gleichspannungspegel des nach der Phase erfaßten Signales.

Der Oszillator 12 arbeitet; mit 26 kHz, die auf den Wandler 11 des Senders gegeben werden. Der Ausgang des Wandlers 11 ist ein Ultraschallsignal, das in dem gesicherten Areal ein Ultraschallwellenmuster aufbaut. Der Wandler 15 des Empfängers nimmt das reflektierte Signal vom Wandlei' 11 auf und gibt es auf den Trägerfrequenzverstärker 16. Dieser Trägerverstärker 16 verstärkt das Signal des Wandlers 15 von einigen Millivolt auf höhere Spannungswerte.

Der Ausgang des Oszillators 12 gelangt über die Diode D8 auch zum FET-Transistor Q14. Der Transistor Q14 arbeitet ähnlich Transistor Q5 in Fig. 2 und ist mit. dem Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2 verbunden. Von der AGC-Schleife 50 wird über die Diode D9 eine 5teuerspannung für die Verstärkungsregelung auf die Gateelektrode des FET-Transistors Q14 gegeben. Der Ausgang des Oszillators 12 läßt den Transistor Q14 zwischen hoch- und niederohraigen Zustand hin- und herschalten. Der über die Diode D9 gelieferte Strom steuert den hochohmicjen Zustand des Transistors Q14. Transistor Q14 und Widerstand RI bilden einen variablen Spannungsteiler >,ur Steuerung der Amplitude de; Signales an der Verbindung der Widerstände R1 und \{2*

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Dadurch dient das Netzwerk mit dein Transistor Q14 in doppelter Weise der Phasenerfassung und der automatischen Verstärkungss teuerung.

Der Widerstand R2 führt-zum Kondensator C1 und außerdem zur Gateelektrode des FET-Transistors Q15» Der Kondensator C1 ist ein Tiefpassfilter zur Beseitigung der Trägerkomponente des Signales. Der Kondensator C2 liegt am Transistor Q15 und wirkt außerdem als Tiefpassfilter. Der Kondensator C3 entfernt die Gleichstromkomponente vom Dopplersignal und koppelt vom Transistor Q15 auf den Eingang des Verstärkers 23. Der Verstärker 23 ist zur richtigen Vorspannung mit verschiedenen Widerständen versehen und v/eist außerdem zwischen Ein- und Ausgang zur Stabilisierung und Steuerung seiner Gleich- und WechselStromverstärkung weitere Impedanzen auf«.

Der Ausgang des Verstärkers 23 liegt nicht nur am Schwellfilter 25 und Erfassungsfilter 26, sondern auch an der AGC-Schleife Die Schleife 50 umfaßt eine Gleichrichterdiode D10 und ein Tiefpassfilter mit dem Kondensator C12. Der Ausgang des Verstärkers 23 wird durch die Diode D10 gleichgerichtet. Der. Kondensator C12 integriert das Signal. Die Spannung am Kondensator C12 gelangt dann über die Diode D9, während des Wählens eines Signales über die Diode D8, und steuert den hochohmigen Zustand des Transistors Q14.

Der Löschempfängerwandler 40 hat ein etwas anderes Frequenzverhalten als der Hauptkanalempfängerwandler 15. Dieser Kanal erfaßt Signale mit einer Frequenz etwas kleiner als die Trägerfrequenz, die im normalen Tonfrequenzband sehr stark ist. Der Löschlcanal spricht somit auf normale Tonfrequenzsignale nicht an, wenn sie nicht Harmonische au£weisen, die eng an der Trägerfrequenz liegen, so daß es zu Interferenzen mit dem Haupterfassungskanal kommen kann. Die Erfassung von Rauschen bei einer

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Frequenz eng an eic- · Tr äge.r frequenz zeigt mit hoher Wahrscheinlichkeit an, dab der· HaupLkanal infolge der breitbandigen Charakteristik c'k.;^r; I'auscL-us <.:Lenla'l Ir, Geräusche enthält. Das erfaßte

Rauschen dient zur Abschaltung oder Löschung des Hauptl:analsign:ilei während dos Rauschin tvi'valles, ähnlich wie das Sperren durch das IIochpa.ssfi.Lter i.'o i.n Fig. 1 . Y/enn beispielsweise ein Telefon klingelt gibt die erfindungsgomäße Schaltung keine Alarrumeldung, wenn das TelefonhJ.in^üln mit einem Tastverhältnis von weniger als DO % erfolgt.

Um eine Störung der Schaltung über den Wandler 40 zu verhindern enthält der Integrator und Detektor 31 über die Leitung 3TB einen Ausgang zum Akkumulator 33. In einer Ausführungsform besitzt der Akkumulator 33 eine Ladezeit von 8 Sekunden, über die Leitung 31B. Wenn somit ein Störsignal langer als 8 Sekunden oder mit einem Tastverhältnis von mehr als 50 % auftritt, so gibt der Akkumulator 33 eine Alarmmeldung.

Der Löschempfängerwandler 40 kann von üblicher Bauweise sein und der Trägerfrequenzverstärker 41 kann dem Verstärker 16 gleichen.

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BAD ORfGINAL

Claims

7258CM3 Pa tentansprüche

1. Ultraschalleinrichtung zum Schutz eines Areals gegen unbefugtes Eindringen, mit einem durch Aussenden eines Ultraschallsignales in dem Areal ein Ultraschallwellenmuster erzeugenden. Sender, einem das reflektierte Ultraschallsignal aufnehmenden Empfänger und mit einer auf Sender und Empfänger ansprechenden Registriereinrichtung für ein Dopplersignal mit einer Frequenz entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit-im Areal, gekennzeichnet durch zwei frequenzabhängige_f eingangsseitig an die Registriereinrichtung und ausgangsseitig an je einen Eingang einer Differenzschaltung.angeschlossene Einrichtungen, wobei die erste Einrichtimg ein Schwellsignal und die zweite Einrichtung ein Erfassungssignal abgibt, und durch eine an den Ausgang der Differenzschaltung angeschlossene und beim Ansteigen des Erfassungssignales über das Schwellsignal ansprechende Ausgangsmeldeeinrichtung. - "

2. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch T, gekennzeichnet durch eine zwischen der Registriereinrichtung und der Ausgangsmeldeeinrichtung .angeschlossene dritte frequenzabhängige Einrichtung, die Dopplersignale mit einer über der Frequenz des Dopplersignales eines Eindringliriges liegenden Frequenz durchläßt, wodurch die Ausgangsmeldeeinrichtung gesperrt und während einer vorgegebenen Zeitspanne eine Alarmmeldung gegeben wird.

3. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch .gekennzeichnet j. daß die Ausgangsmeldeeinrichtung eine Akkumulator— schaltung aufweist, die über eine Ladeeinrichtung während der vorgegebenen Zeitspanne aufgeladen wird, und daß zur Erzeugung

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des Alarmzustandes an die Ladeeinrichtung eine Einrichtung angeschlossen ist, die auf die Beendigung der vorgegebenen Zeitspanne anspricht.

4. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aussendung eines Ultraschallsignales eine Oszillatorschaltung enthält, die mit einer Trägerfrequenz arbeitet, und daß die Registriereinrichtung für ein Dopplersignal einen Phasendetektor aufweist, der sowohl auf diesen Oszillator als auch auf den Empfänger durch Modulation des Trägosignales mit einer Kate entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit im Areal anspricht.

5. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Tiefpassfilter zwischen dem Phasendetektor und der ersten und zweiten frequenzabhängigen Einrichtung, das für das Dopplersignal die Trägerfrequenz vorn modulierten Signal entfernt.

6. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite frequenzabhängige Einrichtung ein RC--FiIternetzwerk aufweist.

7. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste fiKjuenzabhängige Einrichtung ein Kerbfilter mit geringerem Gewinn etwa in der Mitte des Frequenzbandes eines Eindringlinges im Vergleich zum Gewinn der zv/eiten fiBjuenzabhängigen Einrichtung aufweist.

8. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband des Eindringlinges von etwa 12 bis ca. 250 Hz reicht.

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9. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite frequenzabhängige Einrichtung ein Bandpassfilter mit relativ konstantem Gewinn, größer als der Gewinn der ersten frequenzabhängigenEinrichtung über dem Frequenzband des Eindringlinges aufweist.

10. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten frequenzabhängigen Einrichtungen je ein Filternetzwerk mit einem niederfrequenten Arbeitspunkt aufweisen, an dem der Gewinn etwa gleich ist,, und einen hochfrequenten Arbeitspunkt, wo ihr Gewinn ebenfalls annähernd ■gleich ist, wobei der Gewinn der zweiten frequenzabhängigen Einrichtung im Frequenzband zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt großer ist als der Gewinn der ersten frequenzabhängigen Einrichtung.

11. Ultrascha-lleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden ersten frequenzabhängigen Einrichtungen eine an das Filternetzv/erk angeschlossene Mittelwertoder Durehschnittsschaltung enthält.

12. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mittelwertschaltung eine Einrichtung zur Definition einer Ladezeitkonstante aufv/eist.

1.3. Ultraschalleinrich^ng nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladezeitkonstante der Mittelwertschaltung der zweiten frequenzabhängigen Einrichtung kleiner ist als die Zeitkonstante der Mittelwertschaltung der ersten frequenzabhängigen Einrichtung.

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14. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mittelwertschaltung Gleichrichter und Kondensatoren enthält.

15· Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste frequenzabhängige Einrichtung ein Kerbfilter enthält und die zweite frequenzabhängige Einrichtung ein Bandpassfilter, wobei ferner für den Durchlaß von Signalen über etwa 1000 Hz ein Hochpassfilter vorhanden ist, das an den Ausgang der Registriereinrichtung und die Ausgangsmeldeeinrichtung angeschlossen ist.

16. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmeldeeinrichtung eine von der Differenzschaltung gespeiste UND-Schaltung und eine von der UND-Schaltung gespeiste Akkumulatorschaltung aufweist.

17· Ultraschalleinrich.tuig nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Erfassungsschaltung, angeschlossen an das Hochpassfilter mit einer ersten Leitung, angeschlossen an die UND-Schaltung, zur Aussteuerung der UND-Schaltung wenn keine Signale über etwa 1000 Hz passieren und durch eine Schwachladeleitung, angeschlossen an den Akkumulator, zur Aufladung des Akkumulators mit geringerer Rate, als dies beim Vorhandensein von Signalen über etwa 1000 Hz über die UND-Schaltung der Fall ist.

18. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die UND-Schaltung gesperrt ist, wenn das Hochpassfilter Signale über etwa 1000 Hz durchläßt.

19. Ultraschalleinrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden ersten an die Registriereinrichtung angeschlossenen frequenzabhängigen

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Einrichtungen die erste Dopplersignale in dem und die zweite über dem zu erwartenden Frequenzbereich eines Eindringlinges durchläßt und daß eine Alis gangs timingeinr ich tung mit einem ersten Eingang an die erste und mit einem zweiten Eingang an die zweite frequenzabhängige Einrichtung derart angeschlossen ist, daß die Ausgangstimingeinrichtung beim Ansprechen auf die erste frequenzabhängige Einrichtung nach einer ersten vorgegebenen Zeitspanne und beim Ansprechen auf die zweite frequenzabhängige Einrichtung erst nach einer zweiten vorgegebenen■Zeitspanne meldet, wobei die zv/eite Zeitspanne größer" ist als die erste.

2Oe Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 1S-, dadurch "gekennzeichnet, daß die Ausgangstimingeinrichtung eine Ladeakkumulatorschaltung mit einem Kondensator und eine Einrichtung zur Aufladung des Kondensators mit zwei unterschiedlichen Ladezeitkonstanten aufweist.

21 . Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine UND-Schaltung, die auf die erste und die zweite frequenzabhängige Einrichtung- anspricht und eine Aufladung über die erste, vorgegebene Zeitspanne hinaus beim Fehlen von Signalen der zweiten frequenzabhängigen Einrichtung über den Frequenzbereich eines Eindringlinges aufweist.

22. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die UND-Schaltung bei der Erfassung von Signalen über den Frequenzbereich eines Eindringlinges gesperrt ist und daß der Akkumulator über die zweite vorgegebene Zeitspanne aufgeladen wird.

23* Ultraschalleinrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmeldeeinrichtung an die Registriereinrichtung angeschlossen ist und beim Ansprechen auf ein vorgegebenes Frequenzband des Dopplersignales meldet

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und daß ein Wandler auf eine Gruppe von Frequenzsignalen über dieser ersten Frequenz anspricht und an die Ausgangsmeldeeinrichtung so angeschlossen ist, daß während einer bestimmten Zeitspanne die Meldung gesperrt ist.

24. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn™ zeichnet, daß die Registriereinrichtung einen Phasendetektor enthält, der sowohl auf den Sender als auch auf den Empfänger für das Dopplersignal und den Verstärker anspricht.

25. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine AGC-Schleife zur automatischen Verstärkungsregelung, die zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Phasendetektor angeschlossen ist und den Gleichstromv/ert des Dopplersignales steuert.

26. Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung einen Oszillator und der Phasendetektor einen Feldeffekttransistor enthält, der durch den Oszillator zyklisch ausgeschaltet wird, wobei der,Einschaltwiderstand des Transistors von der AGC-Schleife für automatische Verstärkungsregelung gesteuert wird.

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