DE2314575A1

DE2314575A1 - Ueberwachungssystem

Info

Publication number: DE2314575A1
Application number: DE19732314575
Authority: DE
Inventors: Lloyd Russell Bound; Alfred Curtis Hunting; Peter Nicholas Linden; Linden Peter Nicholas
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-03-23
Filing date: 1973-03-23
Publication date: 1973-10-04
Also published as: FR2177084B1; JPS499200A; IT979949B; FR2177084A1; US3806907A

Description

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED

13500 North Central Expressway, Dallas, Texas / V.St.A.

Uberwachungssystem

Die Erfindung betrifft die Erfassung eines eindringenden Objekts und insbesondere ein Begrenzungsüberwachungssystem zur Erfassung des Auftretens von über die Begrenzung eines zu schützenden Bereichs eindringenden Objekten.

Von allen verschiedenen Einrichtungen, die bisher zur Erfassung des Auftretens eines in eine im Freien liegende Umgebung eindringenden Objekts verwendet wurden, sind nur sehr wenige in der Lage, einen hohen Lokalisierungsgrad für die Erfassung eines langen schmalen Korridors zu liefern. Bekannte Systeme verwendeten z.B. einen magnetischen Sensor, einen Kapazitätsleitungssensor i oder einen symmetrischen Drucksensor. Der magnetische Sensor ist jedoch nur geeignet, wenn die Wahrscheinlichkeit besteht, daß der Eindringling ferromagnetische Material mit sich führt, und die Kapazitätsleitung

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wird durch durch änderungen der Leitfähigkeit seiner Umgebung wie Bodenfeuchtigkeitsänderungen nachteilig beeinflußt. Der symmetrische Drucksensor, der aus zwei parallelen Leitungen besteht, von denen jede mit einer Flüssigkeit gefüllt und an eine Vorrichtung angeschlossen ist, die das Druckdifferential zwischen den beiden Leitungen mißt, ist gegen extern hervorgerufene unerwünschte Störungen wie Wind sehr empfindlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Begrenzungsüberwachungssystem zur Erfassung von in bestimmte Bereiche eindringenden oder diese verlassenden Objekten zu schaffen, das auf eine quasi statische Bodenspannung anspricht, die auf eine sich langsam ändernde Nahfeldbelastung der Bodenoberfläche zurückzuführen ist, das gegenüber unerwünschten, durch entfernte Quellen hervorgerufene Störungen wie Wind, Regen, Hagel, Erdbeben, entfernten Fahrzeugverkehr, eine Erschütterungen erzeugende Maschinenanlage und andere entfernte natürliche oder von Menschen hervorgerufene Störungen unempfindlich ist, das vor dem Eindringling völlig verborgen ist, nur auf Bodenspannungsänderungen und hauptsächlich auf änderungen in einer besonderen Richtung anspricht, das robust konstruiert ist und sich für ein neues und billiges Einsetzverfahren eignet, das leicht einzusetzen und zu warten ist, das eine höhe Zuverlässigkeit aufweist und das keine beweglichen Teile und nur eine minimale im Boden verlegte Schaltungsanordnung hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 12 beispielsweise erläuter. Es zeigt:

Figur 1 ein typisches Begrenzungsüberwachungssystem |

gemäß der Erfindung um die Begrenzung eines ;

zu schützenden Grundstücks,

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Figur 2 eine schematische Darstellung des installierten Uberwachungssystems gemäß der Erfindung in einer Ausführungsform,

Figur 3 eine vergrößerte perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung der Sensoranordnung, die ein Pfeilkopfgehäuse mit dem piezoelektrischen, diesem zugeordneten Wandler aufweist,

Figur 4A und 4B in detaillierterer Darstellung eine Vorderansicht und einen Querschnitt des piezoelektrischen Wandlers der Fig. 3,

Figur 5 die Geometrie der Bodenspannungsberechnungen für den Wandler der Fig. 4A und 4B,

Figur 6 ein Diagramm, aus dem die berechnete Spitzenbodenspannung an einem einzigen Wandler für einen an verschiedenen, gegenüber dem verlegten Wandler versetzten Stellen die Begrenzung überquerenden Eindringling,

Figur 7Λ bis 7D die verschiedenen Schritte beim Einsetzen der Sensoranordnung in Fig. 3,

Figur 8 typische Windstörungseffekte auf den Verlauf von in dem Begrenzungsüberwachungssystem erzeugten Signalen mit und ohne Gleichtaktunterdrückung,

Figur 9 eine weitere Ausführungsform des Begrenzungsüberwachung ssystems gemäß der Erfindung,

Figur 10 den Signalverlauf, den man mit einem Sensor gemäß der Erfindung erhält, wenn er unter einer gepflasterten Oberfläche verlegt ist,

Figur 11 die für jeden Abschnitt des Begrenzungsüberwachungssystems verwendete elektronische Schaltungsanordnung , und

Figur 12 eine typische Alarmanzeige- und Systemkontrollkonsole für das Begrenzungsüberwachungssystem.

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Fig. 1 zeigt ein typisches Umfangsüberwachungssystem 10 gemäß der Erfindung. Das System ist vorgesehen, um eindringende Objekte nahe dem Zaun 12 zu melden, der das zu schützende Grundstück 14 umgibt. Das System 10 kann so ausgebildet sein, daß jedesmal eine Anzeige oder ein Alarm ausgelöst wird, wenn eine Person innerhalb eines bestimmten Abstands von z. B. etwa 7,60m von dom System kommt. ObwohL.bei dem dargestellten Beispiel das Bereichsüberwachungssystem die Außenseite des Zauns 12 umgibt, um in das Grundstück 14 eindringende Objekte zu erfassen, ist es auch möglich, ein ähnliches System 10 innerhalb der Grenzen des Zauns anzuordnen und ebenso das Entweichen aus dem Grundstück zu erfassen. Das System 10 besteht aus einem erdverlegten mehradrigen Kabel 16, das aus mehreren Abschnitten 18 besteht, die durch Stecker 20 verbunden sind. Dem Kabel 16 sind mehrere erdverlegte Bodenspannungssensoren 22 elektrisch zugeordnet. Das Kabel 16 ist etwa 150 mm unter der Erdoberfläche verlegt und der das Kabel 16 umgebende Graben ist wieder gefüllt und eingeebnet, um eine minimale Sichtbarkeit zu erreichen. Jedes über das System 10 eindringende Objekt wird durch die feinen Änderungen der Spannung des umgebenden Bodens erfaßt, auf die Sensoren 22 ansprechen. Diese Spannungsänderungen können so niedrig wie bei einer über die Sensoren 22 heimlich kriechenden oder auf Zehenspitzen gehenden Person oder schneller als bei einer rennenden Person sein. In Abhängigkeit von solch einem Eindringen wird ein Alarm oder eine andere Art der Anzeige zu einer Alarmanzeige- und Systemkontrollkonsole 24 in einer Kontrollstation 26 übertragen. Die Station kann von dem geschützten Bereich entfernt sein.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung einenTeildes Begrenzunßsüberwachungssystems 10 in Fig. 1. Ein Abschnitt 18 des Kabels 16 ist in Fig. 2 gezeigt. Jeder Abschnitt 18 besteht aus wenigstens einem Bodenspannungssensor 22; normalerweise befindet sich eir.v große

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Anzahl ,öl,:.·.., sensoren Innerhalb eines ^<*""*'; ^. scherweise ist ₃eder Abschnitt etwa 150 »unter d r oberfläche verlegt, während die Sensoren 22 etw wisch XSO n. und 9O cm unter der Erdoberfläche verlegt -^¹" typischer Abschnitt 16 kann einige hundert reter odo, so k«z wie verlangt sein, dieshängt von der Auflösung ab _mlt der das Eindringen eines Eindringling=. z.B einer son 28 lokalisiert, werden soll. Dadurch kann mit cc y "Γ.ΐη Eindringen auf eine. Monitor 24 (Fig. 1» innerhaIb _jeder erforderlichen Auflasung angezeigt we^en. nnerhalb eines Auflösungselements bzw. Anschnitts 18 ist Sensoren 22 parallel an zwei Eingangeleitungen .O an*, schlossen. Der Abstand zwischen den Sensoren bet scherweise einen Meter. Die Sensoren 22 haben und sind in einer vertikalen Ebene 32 senkrocht bei 16 orientiert. Die Sensoren 22 sind auch so daß ihre spannungsempfindlichon Flächen alle m durch die Pfeile S angegebenen Richtung ausgerx Ordnet man die Sensoren 22 in dicer Weise an, so ernax. _man eine geradlinige Anordne, bei der die Sensoren « auf Spannungsänderungen längs exnes relate -hm dors 33 ansprechen, dessen Mitte über dem , *bel 1liegt naher verursachen Störungen außerhalb dieses *"^ Korridors keine Alarme, während Störungen innerhabdeses

'JLJL.»-»h..h.lt man eine »Gleichtaktunterdruckung „as bedeutet, daß das System 10 auf lokalisierte Boden Tpannungscuenen anspricht, nicht Jedoch auf *Ρ«- fellen, die über große Pichen nahezu *£^« wie Wind, Regen oder andere natürliche oder durch hervorgerufene Vorgänge. Dieses Merkmal wird spate^r im

ignale eines '-£

llClVUJ.y<-4.»->- ./

einzelnen erläutert. Die Ausgangssignale eines

sors 22 werden zu einem Signalgemisch kombiniert, da, einem

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Il

Verstärker 35 zugeführt wird. "Dieser Verstärker und der zugehörige Prüfschaltkreis, ist die einzige in dem erdverlegten Kabel enthaltene Schaltungsanordnung. Dadurch wird die Größe und Kompliziertheit der Schaltungsanordnung, die nicht leicht zugänglich ist, auf einem Minimum gehalten»

Fig. 3 zeigt eine detailliertere, teilweise geschnittene Ansicht eines Sensors 22 der Fig. 2. Der Sensor 22 hat ein Gehäuse 36, das die allgemeine Form eines Pfeilkopfes haben kann. Das Gehäuse sollte aus einem harten, haltbaren Material bestehen und aus einem Polycarbonatkunststoff wie Lexan geformt sein, der den Stößen und Abnutzungen des Einbaus selbst in einem felsigen Boden leicht widersteht. Ein Ende des Pfeilkopfes hat abgeschrägte Kanten 38, die eine Spitze bilden; an dem anderen Ende des Pfeilkopfes ist ein Eintreibsockel 40 geformt. Eine öffnung 42 liegt etwa in der Mitte des Pfeilkopfes zur Anordnung eines Signalwandlers 44. Die öffnung 42 kann ein« das.Gehäuse völlig durchsetzende Bohrung sein, in welchem Fall eine Anlageschulter innerhalb der Bohrung verwendet wird, um die Rückseite des Wandlers 44 zu halten. In Fig, 3 ist die öffnung 42 als sich nur teilweise in das Gehäuse 36 erstreckend gezeigt; de. , ; Hegt die Rückseite des Wandlers 44 an der hinteren Fläche der öffnung 42 an. In jedem Fall spricht der Wandler 44 auf eine Belastung hauptsächlich nur in einer einzigen Richtung an. Eine Kraftteilungsöffnung 46 liegt zwischen dem Eintreibsockel 40 und der öffnung 42. Diese schützt den Wandler 44 gegen eine unzulässige Beanspruchung während des Einbaus. Wenn der Sensor 22 in die Erdoberfläche eingesetzt wird, wird die auf das"Gehäuse wirkende Kraft um die öffnung 46 verteilt und daher auch um den Wandler 44, wie die Kraftpfeile zeigen. Die öffnung 50 erstreckt sich von der Seite des Gehäuses 36 zu der öffnung 42, um ein Leitungskabel 34 von dem Kabel 16 (Fig. 2) aufzunehmen.Zwei Leiter 52 in dem Leitungskabel 34 verbinden den Wandler 44 mit den

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Eingangsleitungen 30 in dem Kabel 16 (Fig. 2). Wenn sich \

der Wandler 44 in der öffnung 42 befindet und die empfind- \

liehe Fläche des Wandlers nach außen gerichtet ist, wird

ein geeignetes Material wie Polyurethan zum Füllen der \

öffnung 42 verwendet. Dieses Material dient sowohl dazu, \ den Wandler 44 zu halten als auch die Bodenspannung auf das Wandlerelement 44 zu übertragen.

Die Fig. 4A und 4B zeigen eine Vorderansicht und einen Querschnitt des Wandlers 44, der in dem Gehäuse 36 (Fig. 3) verwendet wird. Der Wandler 44 besteht bei dieser Ausführungsform aus einem piezoelektrischen Wandler. Ein Wandler mit veränderbarem magnetischen Widerstand oder ein elektrodynamischer Wandler sind Beispiele von Wandlern, die ebenfalls verwendet werden könnten und die auf Änderung der Bodenspannung ansprechen.

In Fig. 4A und 4B ist eine Wandlerhalterung 54 vorhanden, um eine Biegeplatte 56 zu halten. Die Halterung 54 besteht aus Kunststoff, während die Biegeplatte 56 aus Messing besteht. Eine piezoelektrische Kristallscheibe 58, die typischerweise aus einer Legierung aus Bleizirkonat und Bleititanat besteht, hat Zinn-Blei-Beschichtungen 60 an ihren beiden Seiten. Eine Seite der Scheibe 58 wiederum ist an der Biegeplatte 56 angelötet. Eine der Leitungen 52 in dem Leitungskabel 34 (Fig. 3) ist mit der positiven Seite an der Zinn-Blei-Schicht 60 an der Oberseite der piezoelektrischen Scheibe 58 verbunden, während der andere Leiter 52 mit dem negativen Kontakt 64 verbunden ist, der an der Biegeplatte 56 ausgebildet ist. Die Biegeplatte 56 bildet eine Stütze für die piezoelektrische Scheibe 58 und liefert außerdem eine Rückstellkraft, wenn die piezoelektrische Kristallscheibe 58 durch die Bodenspannung verformt wird, die bei einem Eindringen erzeugt wird. Der Hohlraum 66 (Fig. 4B) hinter der Biegeplatte 56 erlaubt es der Platte und der piezoelektrischen Scheibe 58,

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sich in Abhängigkeit von der Spannung (durch den Pfeil gezeigt), die senkrecht auf die Stirnseite des Wandlers wirkt, frei zu verlorm-an. Die hohe Auslenkung, die uadurch der Scheibe und der Biegeplatte verliehen wird, führt entsprechend zu einem erheblichen mechanischen Vorteil bei der Übertragung der äußeren Spannung, die von dem Gewicht eines Eindringlings ausgeübt wird, auf die piezoelektrische Scheibe 58. Dadurch wird eine relativ hohe Wandlerempfindlichkeit ermöglicht. Diese Form des piezoelektrischen Wandlers spricht hauptsächlich auf eine Spannung senkrecht 2U der empfindlichen Fläche an(wie durch den Spannungspfeil 68 gezeigt ist).

Der Bodenspannungssensor (der im einzelnen in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist) spricht nahezu ausschließlich auf eine der wenigen Eigenschaften an, die der Eindringling sicher hat, d.h. das Gewicht, das von der Bodenfläche getragen wird, die er überquert. Daher ist ein Sensor wie der Wandler 44 zur Ermittlung des Auftretens von in eine Begrenzung um ein zu schützendes Grundstück eindringenden Objekten erwünscht. Die Frequenzen der Bodenspannungsänderungen, die von Interesse sind, erstrecken sich von Frequenzen unmittelbar über Gleichspannung bis zu 5 bis IO Hz, d.h. unmittelbar unter den Bereich, wo seismische Signale von entfernten Quellen ausgeprägt werden. Der Wandler 44 mißt die Bodenspannungsänderungen und hauptsächlich die Bodenspannung in Richtung des Sensorkabels 16. Bei allen Wandlern 44 (deren Gesamtancrdnung deutlicher in Fig. 2 gezeigt ist) weisen die empfindlichen Flächen in der gleichen Richtung, die längs des Sensorkabels 16 verläuft, so daß ein schmaler Korridor 33 (Fig. 2) geschützt wird. Nunmehr auf Fig. 5 bezugnehmend bewirkt ein Wandler 44 einen hohen Lokalisationsgrad quer zu dem Sensorkabel 16 aufgrund der scharfen Abnahme der Bodenspannung und damit der Wandlerempfindlichkeit, wenn sich der Angriffspunkt des Gewichts W des Eindringlings auf der Bodenoberfläche 70

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von dem Bodennullpunkt des Wandlers 4·ί wegbev;egt. Die Geometrie dieser Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Hierbei ist der Ursprung des Koordinatensystems der Angriffspunkt der Oberflächenlast. Die Boussinesq-Formeln für die Bodenspannungen, die von einer Punktlast auf der Oberfläche 70 hervorgerufen werden, die in Fig. 5 gezeigt ist, wurden ausgehend davon abgeleitet, daß der Boden ein isotropes, elastisches Medium ist, und daß das Gewicht des Bodens selbst im Vergleich zu den extern angreifenden Kräften wie dem Gewicht W eines Eindringlings vernachlässigbar ist. Es ist zu beachten, daß die Beanspruchung σ (die in den Formeln angegeben ist) in Richtung des Sensorkabels 16 theoretisch gegen Null gehen sollte, wenn das Gewicht der Last direkt über dorn Wandler 44 liegt. Die Berücksichtigung von Bodor.konipressibilitätswirkungen mittels der Poisson'schon ",ahlenausdrücke wandelt den Nullbereich der x-Achse in eine nahezu elliptische Kurve um, die um die x-Achse zentriert ist. Die Feldtestergebnisse zeigen das Fehlen von Null oder sogar eines tiefen Minimums nahe dem Bodennullpunkt: (d.h. direkt über dem Wandler 44) . Dies ist auf die Inhomogenitäten des dazwischen liegenden Bodenmediums und die Erweiterung der Spannungsverteilungsmuster infolge des endlichen Oberflächenbereichs 70 zurückzuführen, auf die das Gewicht W wirkt.

Fig. 6 zeigt die berechneten Werte dir Spitzenspannung in Mikrobar am Wandler 44, wenn das durchquerende Ziel wie ein Eindringling 28 (Fig. 2) direkt über dem Kabel und an verschiedenen, gegenüber dem Wandler 44 versetzten Stellen ist. Fig. 6 zeigt, daß, wenn die Versetzung des Eindringwegs gegenüber dem Sensor 22 zunimmt, der senkrecht auf den Sensor ausgeübte D^uck ab.Cällt. Da der schmale Korridor 33 (Fig. 2) sich zu beiden Seiten des Systems 10 erstreckt, hat ein typischer Empfindlichkeitskorridor eine Breite von 4 bis 6 Meter, d.h. 2 bis 3 Meter

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daß die empfindliche Fläche des Wandlers fest in dem ungestörten Boden eingebettet ist. Nachdem alle Pfeilkopfsensoren eingesetzt wurden, wird der flache Graben 72 wieder gefüllt und die Bodenoberfläche eingeebnet und geglättet, um eine minimale Sichtbarkeit zu erreichen.

Ein besonderer Vorteil des in den Fig. 7A bis 7D gezeigten Einsetzverfahrens besteht darin, daß,wenn der Pfeilkopfsensor 72 in den zuvor ungestörten Boden gerade nach unten eingetrieben wird und seine beiden Seitenflächen fest in dem Boden eigebettet werden, nur eine geringe Möglichkeit für die Bildung einer losen Zwischenschicht besteht, die der Boden umgibt. Lose Zwischenschichten können bei anderen Arten des Einsetzens in den Boden auftreten. In solchen Fällen kann die empfindliche Fläche des Wandlers von dem Bodenmedium entkoppelt werden und dadurch die Empfindlichkeit insbesondere für Signale mit geringer Amplitude verlieren.

Da der Wandler nur niederfrequente Bodenspannungen feststellen kann, können falsche Alarme nur von Quellen auftreten, die durch eine Belastung des nahen Bodens entweder an der Bodenoberfläche oder an einer unter der Oberfläche liegenden Zwischenschicht unmittelbar auf die Wandlerfläche einen Druck ausüben können. Die einzige solche Quelle, die von Bedeutung ist und Druckpegel und flnderungsfrequenzen hat, die denen von eindringenden Objekten ähneln, sind starke Windböen. Diese werden auf den Boden um den Wandler direkt durch einen fluktuierenden Druck auf die Bodenfläche und indirekt durch vom Wind hervorgerufene Erschütterungen naher Bäume und über dem Boden befindlicher Bauten übertragen, die Kräfte und Momente auf die Bodenzwischenschichten nahe dem Wandler ausüben. Gemäß der Erfindung besteht ein wirksames Mittel mit durch Mind hervorgerufenen Störungen

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fertig zu werden, die hauptsächliche Differenz zwischen den tatsächlich eindringenden Objekten und den Wirkungen des Winds, d.h. die Lokalisierung auszunutzen. Die direkte Belastung der Bodenoberfläche durch Windböen ist über einen Bereich verteilt, der viel größer als der Abstand zwischen den Wandlern 1st. Wenn ein Gebäude, dessen Fundament die Windböen auf den Boden überträgt, weiter von dem System als der Abstand zwischen den Wandlern 44 entfernt ist, dann ist in gleicher Weise die Stärice und Richtung dieser Spannungen zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt an benachbarten, Wandlern nahezu die gleiche. Daher verwendet man, wie in Fig. 2 gezeigt ist und anhand der Fig. 9 beschrieben wird, Wandler 44 mit Gleichtaktunterdrückung, wobei jeder Wandler 44 mit seiner gemeinsamen Eingangsleitung 30 (Fig. 2) mit zu der seiner nächstbenachbarten Wandler entgegengesetzten Polarität verbunden ist. Wenn daher eine externe Störung an einigen benachbarten Wandlern 44 im wesentlichen die gleiche Amplitude und Phase hat, erzeugt sie im wesentlichen kein Gesamtsignal am Verstärker 35 (Fig. 2).

Bezugnehmend auf Fig. 8 kann die Wirkung der Gleichtaktunterdrückung bei der Verminderung der Wirkung von Windoder anderen Störungen durch Vergleich der Signale gesehen werden, die in einer tatsächlichen Testumgebung erhalten < werden. Zwei benachbarte Abschnitte eines Kabels wurden verwendet. Bei einem Stück waren alle Wandler 44 mit der gleichen Polarität verbunden; in dem anderen Stück waren die Wandler mit abwechselnden Polaritäten zur Gleichtaktunterdrückung zusammengeschaltet. In Fig. 8 zeigt die Kurve 86 das Signal, das ohne Gleichtaktunterdrückung erhalten wird und die Windstörung kann am Punkt 88 gesehen werden. Die Spitzen 90 stellen Objekte dar, die aufeinanderfolgende Wandler 44 überqueren. Die Kurve 92 ist das Ausgangssignal der Wandler 44 mit Gleichtakt-

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unterdrückung. Die Windstörung ist hierbei die einzige Störungsquelle. Es sind keine Signale von eindringenden Objekten vorhanden. Die Kurven 88 und 92 zeigen, daß die Windstörung durch Anwendung der Gleichtaktur.terdrückung um nahezu eine Größenordnung vermindert wird. Diese Daten wurden mit Leitungen aufgenommen, bei denen der Wandlerabstand 4 Meter betrug. Bei einem Meter Abstand ist ein Störabstand von 30 : 1 selbst bei Vorhandensein von Winden mit 20 bis 30 mph erzielbar.

Es könnte erwartet werden, daß die Umkehr der Polarität bei jedem aufeinanderfolgenden Wandler zu einer NuIl-Gesamtempfindlichkeitslinie auf der Bodenoberfläche in der Mitte zwischen jedem aufeinanderfolgenden Wandlerpaar führen könnte. Es wurden Feldversuche mit Uborauerungen mit dicht beieinanderliegenden Versetzungen fortschreitend von einem Wandler zu seinem benachbarten durchgeführt. Bei diesen Versuchen galt das Hauptinteresse der allgemeinen Form des Anstiegs und Abfalls des Sinnalspegels, wenn die Person bzw. der Eindringling die Lv itung überschreitet, sowie der änderung der maximalen ;mplitude des Signals, wenn die überquerungen den Mittelpunkt zwischen Wandlern erreichten. Diese Versuche zeigten, daß die maximalen Amplituden allgemein der berechneten Spannungskurve folgen, die in Fig. 6 gezeigt ist, wobei ein relativ glatter übergang an dem Mittelpunkt auftritt. Das Fehlen eines Nullpunkts bzw. eines.tiefen Minimums ist auf Inhomogenitäten in dem Boden und Unregelmäßigkeiten in dem Fußabdrucksbelastungsmuster zurückzuführen.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Begrenzungsüberwachungssystems 10 in Fig. 1. Der Einfachheithalber sind in Fig. 9 dia gleichen Bezugsziffern wie für die entsprechenden Teile der ersten Ausführungsform der Fjg. 1 verwendet. In Fig. 9 besteht das Begrenzungsüberwachungssystem 10 aus einer linearen Anordnung von

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Wandlern wie z.B. den piezoelektrischen Wandlern 44 in Flg. 4A und 4B. Um diese ist eine gemeinsame Ummantelung 84 extrudiert, die ein einziges flexibles Kabel 16 bildet. Dieses ist längs der Bßgrenzung eines zu schützenden Grundstücks verlegt. Grundauflftsungselernente bzw. -abschnitte 18 sind durch Stecker 20 mit anderen identischen Abschnitten in Reihe geschaltet, um ein kontinuierliches Begrenzungsüberwachungssystem zu bilden, wie es anhand der Fig. 2 beschrieben wurde. Die Wandler 44 sind typischerweise abstandsgleich in der Kabelummantelung 84 angeordnet. Ein Signalbedingungsschaltkreis (nicht gezeigt, jedoch gleich dem des Verstärkers 35 in Fig. 2) liegt am Ende eines jeden Abschnitts 18. Die Ummantelung 84 kann aus Polyurethan oder einem anderen ähnlichen Material hergestellt sein. Die Polyurethan-Ummantelung 84 sollte in engem Kontakt mit jedem der Wandler 44 stehen, urn sicherzustellen, daß die Wandler 44 in engem mechanischen Kontakt mit dem Boden um die Kabel stehen, da sonst die empfindliche Fläche des Wandlers von dem Bodenmedium entkoppelt wird und dadurch die Empfindlichkeit für Signale mit geringer Amplitude verliert. Wie bei dem in Fig. 2 gezeigten System hat die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform die empfindliche Fläche des Wandlers 44 senkrecht zu dem Kabel 16. In gleicher Weise ist eine Gleichtaktunterdrückung dadurch vorgesehen, daß jeder der Wandler 44 mit einer gemeinsamen Leitung (nicht gezeigt) mit einer Polarität entgegengesetzt zu >

der seiner nächstbenachbarten Wandler verbunden. Diese j

Lösung ermöglicht es dem System,von einer großen Fläche und entfernten Quellen wie Wind, Regen, entferntem Fahrzeugverkehr und einer Erschütterungen hervorrufenden ' Maschinenanlage erzeugte Störungen zu. unterdrücken. [

Die bei dem Begrenzungsüberwachungssystem gemäß der Erfindung angewandten Prinzipien sind in gleicher Weise auf einen Bereich mit einer gepflasterten Oberfläche

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anwendbar. Die Theorie der Bodenspannungen zeigt, daß der Druck infolge einer Gewichtsbelastung auf einer gepflasterten Oberfläche von der im ungepflästerten Fall nur insoweit verschieden ist, als die gepflasterte Oberfläche starrer als der Boden unter ihr ist und das Bestreben hat, die Verteilung der Last auf der Oberfläche zu erweitern. Daher ist die Art bzw. der Verlauf einer Uberquerung auf einer gepflasterten Oberfläche nahezu gleich der bz.w. dem auf einer Bodenoberfläche. Fig. 1OA 2eigt das bei einer heimlichen Uberauerung eines Eindringlings bei einer Versetzung von einem Meter erzeugte Signal. Der Wandler war etwa 2OO rom tief im Boden unter einer etwa 100 mm dicken Oberflächenschicht aus Asphalt-Pflaster eingebettet. Der in Fig. 1OA gezeigte Verlauf bestätigt die Ähnlichkeit mit dem ungepf lästerten Fall.

Von Interesse ist auch, ob eine gepflasterte Oberfläche Bodenspannungen von entfernten, windgeschüttelten Gebilden, wie einem Zaun 12 (Fig. 1 und 2) anders als ein unbedeckter Boden überträgt. Es wurde eine Nachahmung des Windeffekts durch manuelles Schütteln eines Kettengliederzauns durchgeführt, der in einem Abstand von etwa 7,60 m von dem Wandler lag. Dieser Zaun wurde die gepflasterte Oberfläche durchsetzend verankert, die sich bis zu und über den Wandler hinaus erstreckt. Die relativ geringe Amplitude des Wandlerausgangssignals gibt, wie Fig. 1OB zeigt, an, daß das durch Wind hervorgerufene Störsignal dieser Quelle kein wesentliches Problem bildet.

Fig. 11 zeigt die Schaltungsanordnung, die bei einem typischen Abschnitt des Begrenzungsüberwachungssystems gemäß der Erfindung verwendet wird. Die Schaltungsanordnung besteht aus einem Eingangsteil 94, einem zweistufigen Verstärker 96, einer Verarbeitungseinrichtung 98 und einem Anzeige-'und/oder Alarmsystem 100. In Fig. 2

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sind alle Wandler 44 in einem Abschnitt 18 des Kabels parallel an Ausgangsieitungen 30 angeschlossen. Fig. zeigt» daß die aufeinanderfolgenden Wandler 44 im Eingangsteil 94 mit abwechselnderPolarität geschaltet sind, um das zuvor beschriebene Merkmal der Gleichtaktunterdrückung zu erhalten.

Der Verstärker 96 hat zwei Stufen, eine Ladungsverstärkerstufe und eine Spannungsverstärkerstufe. Das Ausgangssignal der Ladungsverstärkerstufe hat eine Amplitude, die proportional der Ladungsverschiebung in dem Eingangskreis und im wesentlichen unabhängig von der Grr5ße der Kapazität parallel zu dem Eingang ist. Die Ladungsverschiebung wird hierbei von den Wandlern 44 in Abhängigkeit von änderungen der Bodenspannung verstärkt, die von dem Eindringling 28 verursacht werden. Die Ladungsverstärkerstufe zeigt eine niedrige Eingangsimpedanz und eine Unabhängigkeit gegenüber der Wirkung der Streukapazität in dem Eingangskreis. Das Prinzip der Arbeitsweise der Ladungsverstärkerstufe ist ähnlich dem eines üblichen Funktionsverstärkers. Der Hauntunterschied besteht darin, daß in dem Eingangsanschluß 2 des Funktionsverstärkers Ul die Eingangsladung von den Wandlern 44 in dem Eingangsteil 94 durch die Ladung eines Kondensators Cl ausgeglichen wird, der von dem Ausgang eines Verstärkers rückgekoppelt ist. Ein Rückkopplungswiderstand R2

liefert eine Dämpfung, so daß der Verstärker nicht als :

Integrator mit offener Schleife erscheint. Der Widerstand Rl wird von der erforderlichen HF-Grenzfrequenz bestimmt. Die NF- und HF- 3db-Punkte f_ und f„ sind gegeben I

Jj H [

durch: !

^R2^C1 ^Rl^Co

wobei C_Q die Grfiße der Wandlerkapazität und C. die Gr«ße der Rückkopplungskapazität ist. Die Bandmittenverstärkung k

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der Ladungsverstärkerstufe wird bestimmt durch

C₁

Übertragungsfunktion der Ladungsverstärkerstufe ist

	(S) ₌	^ci .	>	S +	S	• ^Ri	^Co
^El	(ε)	^Co	1	S +	1
R₂C₁	^Rl ^Co

f liegt in dem sub-seismischen Frequenzbereich und beträgt typischerweise weniger als 10 Hz. Dadurch wird das Begrenzungsüberwachungssystem für. störquellen in dem seismischen Frequenzbereich relativ unempfindlich gehalten. Das System spricht nur auf Spannungsändcrunger. in dem subseismischen Bereich an, der tvpischerweiso /wischen 0,01 d 10 0 Hz liegt. Diese Spannungsänderungen sind nahezu Völlig auf den quasi-statischen Bodendruck zurückzuführen, der sich aus der sich langsam ändernden Nahfc¹dbelastung auf der Bodenoberfläche ergibt. Die durch die Ladungsverstärkerstufe hervorgerufene Tiefpassfilterunci könnte durch ein gesondertes, hinter dem Verstärker 96 liegendes Filter hervorgerufen werden.

Die zweite Stufe des Verstärkers 96 ist eine übliche Spannungsverstärkungsstufe. Das Ausgangssignal dieser Stufe wird zu der Verarbeitungseinrichtung 9 8 zusammen mit den Ausgangssignalen gleicher Verstärkerstufen in anderen Abschnitten (nicht gezeigt) des Kabels übertragen.

Typische V7erte für die elektronischen Bauteile des zweistufigen Verstärkers 96 sind folgende:

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Rl	5kOhm
R2	80M0hm
R3	lOMChm
R4	100kOhm
R5	lOMOhm
R6	lOMOhm
R7	100 Ohrn
R8	100 Ohm
Cl	0,047 uF
C2	33 pF
C3	16 pF

C4 22 uF

C5 0,01 uF

C6 22 uF

C7 0,01 uF

CRl 2N914

CR2 2N914

CR3 6,2 Volt Zenerdiode

CR4 6,2 Volt Zenerdiode

Ul UC425OC

U2 UC425OC

Die Verarbeitungseinrichtung 98 kann einfach als Schwellwertdetektorkreis oder kompliziert als digitaler Rechner wie das Modell 96OA vom Texas Instruments Incorporated ausgebildet sein. Die Verarbeitungseinrichtung 98 verarbeitet die Daten,.die von den verschiedenen Verstärkern in der. Begrenzungsüberwachungssystem zugeführt werden. Sie sendet ein Ausgangssigna], zu der Alarmanzeige- und Systemsteuerung 100, wenn ein eindringendes Objekt auftritt.

Das System 100 kann ein oder mehrere folgende Merkmale aufweisen:

1. eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gedruckten Klartextaufzeichnung aller Alarme, Steuerfunktionen und Operatortätigkeiten;

2. ein Steuerzentrum, mittels dem irgendwelche oder alle Abschnitte des Uberwachungssystems in eine Alarm- oder eine Sperrbetriebsart gebracht vrerden; und

3. ein oder mehrere Kartenanzeigen, um die Anzahl und Lage aller über den kontrollierten Korridor eindringenden Objekte anzuzeigen.

Diese Anzeige gibt auch an, welche Abschnitte gerade in der Sperrbetriebsart sind. Die Kartenanzeige kann eine großflächige, an der Wand befestigte Einheit und/oder eine kleinere Konsole wie die Konsole 24 in Fig. 1 sein; beide Anzeigearten können entfernt von dem kontrollierten Korridor liegen. 30 98 4 0 /0443

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Fig. 12 zeigt eine tyoische Anzeige- und Steuerkonsole 1Ο2 im einzelnen. Die Konsole 102 könnte zusammen mit dem System in Fig. 1 verwendet werden. Der beleuchten Kartenanzeigeteil 104 der Konsole besteht aus einer Kartentransparentauflage des zu schützenden Grundstücks (in diesem Fall dem äußeren Umfang des Zauns 12, siehe Fig. 1). und erzeugt außerdem eine visuelle Zustandsanzeige für jedes Auflöseelement bzw. jeden Abschnitt 18 (Fig. 2). Eine auseinandergezogene Darstellung des Abschnitts 106 zeigt eine mögliche Anordnung von Spalten von Anzeigelampen 108 und 110, die einen Sperrbetriebsartzustand und einen Alarmzustand für jedes Auflösungselement längs des zu schützenden Grundstücks anzeigen können. Die innere Spalte de- Anzeigelampen 108 kann aus gelben Lichtlinien bestehen, die anzeigen, daß ein Auflösungselement in der Sperrbetriebsart Mt, wobei eine Ziffernanzeigevorrichtung 112 die Nummer des Abschnitts anzeigt, der in diese Betriebsart gebracht wurde. Eine rot blinkende Lichtlinie aus einer oder mehreren Anzeigelampen 110 und eine ahnliche Ziffernanzeige einer ziffernalarmvorrichtung 114 würde anzeigen, daß sich ein eindringendes Objekt innerhalb des Korridors 33 in einem oder mehreren Abschnitten 18 befindet (Fig. 2) _t

Die Konsole 102 kann Steuertastaturen 116 und einen Fernschreiber 118 zur Aufzeichnung aller Alarme, Steuerfunktionen und Operatortätigkeiten aufweisen. Wie zuvor erwähnt wurde, geben die beleuchteten Ziffernanzeigevorrichtungen 112 und 114 die Kennzahlen der Auflösungsele_mente bzw. Abschnitt an, die in einem gesperrten Zustand (d.h. Zugriffszustand) oder in einem Alarmzustand sind. Einige der Steuertastenbefehle auf den Tasten 116, die zur Steuerung des Begrenzungsüberwachungssystems verwendet .werden können, sind in der folgenden Liste aufgeführt.

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TASTE OPERATION

INHB teilt der Verarbeitungseinrichtung mit,

das Element bzw. die Elemente zu sperren, die von den Nummern angegeben werden, die nach den INHB-Befehl eingehen.

ACT teilt der Verarbeitungseinrichtung mit,

das Auflösungselement bzw. die Auflösungselemente zu aktivieren, die von den nach dem ACT-Befehl eingegangenen Zahlen angegeben werden. Eine automatische Selbstprüfung kann vorgesehen werden, um jedes Auflösungselement zu prüfen, nachdem es wieder aktiviert wird. '

ST teilt der Verarbeitungseinrichtung mit,

das Element bzw. die Elemente selbst zu prüfen, die von den gedrückten Zahlen nach dem ST-Befehl angegeben werden.

ALL veranlagt, daß der vorherige Befehl an

allen Abschnitten des Systems durchgeführt wird.

CLR löscht einen unrichtigen Befehl.

EXC teilt der Verarbeitungseinrichtung mit,

einen Befehl auszuführen.

TO teilt der Verarbeitungseinrichtung mit,

alle Elemente zwischen zwei eingegebenen Elementenzahlen zu betätigen.

OFF schaltet den Alarm des bestimmten Aufl«-

sungselementfj bzw. der bestimmten Auflösungselemente ab.

Obwohl das Begrenzunqsüberv.'achungssystem 10 der Fig. 1 das zu schützende Grundstück völlig umgibt, Bind die bei diesem System auftretenden Prinzipien auf einen einzigen Abschnitt

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des Kabels mit nur einem Sensor anwendbar, so daß

System jede geometrische Form wie die einer Geraden, eines Rechtecks usw. haben kann.

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Claims

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Patentansprüche

berwachungssystem zur Erfassung von über eine Begrenzung eindringenden Objekten, gekennzeichnet durch wenigstens einen Abschnitt eines unter der Erdoberfläche längs der bestimmten Begrenzung verlegten Kabels, und einen oder mehrere unter der Erdoberfläche verlegte Bodenspannungssensoren, von denen jeder mit dem Kabel elektrisch verbunden ist.
2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere verbundene Abschnitte.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren auf Bodenspannungsänderungen bis herab zu 0,01 Hz ansprechen.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren piezoelektrische Wandler sind.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wandler in einem Schutzgehäuse angeordnet sind.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wie eine Pfeilspitze geformt und elektrisch mit dem Kabel durch ein Leitm gskabel verbunden ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Pfeilspitzen in dem Boden in nahezu der gleichen Tiefe verlegt sind und alle in der gleichen Richtung längs des Kabels weisen.

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8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Sensor längs des Abschnitts parallel an eine gemeinsame Eingangsleitung angeschlossen ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsleitung mit einem einzigen 'erstärker
verbunden ist.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekenn?, lehnet, daß der Verstärker nur auf subseimische Frequenzen anspricht.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine ladungsgekoppelte F^:ngangsstufe hat.
12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor in einer vertikalen Ebene .senkrecht zu dem Kabel orientiert ist.
13. System nach Anspruch 1, dadurch gekenn" ichnet, daß die Sensoren in dem Kabel angeordnet si \d.
14. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor auf Bodenspannungsänderuno ·η in im wesentlichen nur einer Richtuncj anspricht.
15. System nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers mit einer Verarbeitungseinrichtung elektrisch verbunden ist.
16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung ein digit, lor Rechner ist.

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17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet/ daß der Ausgang der Verarbeitungseinrichtung mit einer Alarmanzeige- und/oder Steuervorrichtung elektrisch verbunden ist.
18. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungssensor ein Gehäuse mit einer Öffnung und einem in der öffnung angeordneten Wandler aufweist, der auf Spannungsänderungen im wesentlichen in einer einzigen Richtung anspricht.
19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein piezoelektrischer Wandler ist.
20. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im V7esentlichen wie ein Pfeilkopf geformt ist.
21. System nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine öffnung über dem Wandler, um den Wandler beim Einsetzen in den Boden zu schützen.
22. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Eintreibsockel zum Einsetzen des Sensors in den Boden aufweist, der in dem Pfeilkoof an dem der Spitze des Pfeilkopfs gegenüberliegenden Ende liegt.
23. System nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen mit dem Ausgang des Wandlers elektrisch verbundenen Verstärker.
24. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker alle mit Ausnahme der sub-seimischen Frequenzen aus dem Ausgangssignal des Wandlers bandpassfiltert.

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25. System nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine ladungsgekoppelte Eingangsstufe hat.
26. Verfahren zum Verlegen eines Sensors des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 25 unter der Erdoberfläche, um eine starke Kopplung mit dem Boden zu erreichen, wobei der Sensor ein Gehäuse mit einem scharfen Vorsprung an einem Ende und einen Ein.treibsockel am anderen Ende hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einsetzstange in den Eintreibsockel an dem oberen Ende des Gehäuses eingesetzt und der Sensor mit der Einsetzstange in die Erdoberfläche eingetrieben wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen Presslufthammer an der Einsetzstange, um den Sensor in den Boden einzutreiben.

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